球形轴尖球头圆度的非接触精密测量

摘要：本文主要介绍了以球形轴尖为代表的微小球头圆度检测的试验情况，通过对球形轴尖加工方法和圆度检测结果的分析，基本确定了球形轴尖球头圆度采用万能工具显微镜的非接触检测方法，并经过加工专用球形轴尖试样采用两种检测方法的对比试验，验证了球形轴尖球头圆度检测方法的可行性。

关键词：微小球形圆度非接触测量

1 引言

球形轴尖是某陀螺中的重要零件，是典型的微小球形零件，其尺寸、形位精度和表面质量要求高，直接影响陀螺仪的性能指标和使用寿命。

球形轴尖的球头圆度是其重要特性之一，由于球形轴尖的球头尺寸微小，只有SR0.25*mm 和SR0.4*mm，其表面粗糙度值为Ra0.012μm, 用常规的圆度检测方法难以进行测量。因此必须对球形轴尖球头部位的圆度的检测方法进行研究，以确定一种切实可行的检测方法，保证产品生产的顺利进行。

图1 球形轴尖的结构图

2 球形轴尖精密加工简述

球形轴尖的材料为硬质合金YG11，硬度可达HRA87，加工主要采用磨削、研磨及抛光的工艺。SR0.25 0 -0.008mm 或SR0.4 0 -0.008mm 和球颈部分以及长度尺寸1.6+0.005 -0.005 mm 采用成型磨轮经过粗磨、精磨两次磨削成型，成型砂轮是用金刚石磨轮制作成的。

图2 球形轴尖的实物照片

球形轴尖磨削后留量再经过研磨、抛光来达到设计图纸要求。研磨时将球形轴尖装夹在SV70 精密台式车床主轴上，用用特制研磨棒修整球头的几何形状；其球头加工原理如图3所示，将研磨膏涂抹在研磨棒上，手持研磨棒绕Y 轴旋转摆动，研磨棒倒角处的直径大约为球体直径的2/3，且倒角面始终与球体表面接触，研磨粉对球体进行滚动切削。研磨棒的摆动在球体表面形成一圆弧，而球体转动将此圆弧展成为球面，使研磨棒倒角在球体上的相对运动轨迹始终为圆球形，这种加工方法运用范成法的原理。范成法的优点是：加工精度高，质量稳定。

图3 球形轴尖研抛加工的原理示意图

3 圆度检测方法的选择和试验及分析

3.1 检测方法的选择

圆度常用的测量方法投影比较法，圆度仪法，坐标测量法，两点三点法。测量方法的分类，按获得测量结果的方式分为直接测量和间接测量，按比较方式分为绝对测量和相对测量，按接触形式分为接触测量和非接触测量。球形轴尖的球头尺寸微小，只有SR0.25mm和SR0.4mm，而且表面粗糙度值为Ra0.012μm。

由于球形轴尖的尺寸微小、表面质量高不能损伤和检测精度要求高这几个方面的特点，因此球形轴尖圆度的检测方法必须满足的条件是非接触测量，检测仪器测量误差不大于0.8μm、分辨率0.1μm；而且由于球头尺寸微小最好具有放大观察或显示功能。nextpage

圆度仪法测量具有高精度和高准确性的特点，是圆度测量的首选，但因为是接触测量因此不能采用；投影比较法必须具有很大的放大倍数，否则无法保证2μm 的检测精度，我单位没有这样高放大倍数的投影仪。

结合单位目前的实际，最终选择加装光栅尺的万能工具显微镜，它是基本符合这几项要求的测量仪器。

3.2 圆度检测试验

试验采用的两种型号的球形轴尖，两种球形轴尖除球头直径不同，其它要求全部相同，球头圆度要求均为 0.002mm 。

所用检测仪器为万能工具显微镜，仪器编号为2982；如图4所示。该仪器光学系统的分辨率1μm，改进后加装的精密光栅尺的分辨率为0.1μm。

图4 万能工具显微镜实物图片

该仪器的测量方式为将被测物体放大后进行目测瞄准，光栅尺读数通过计算机采集显示。

具体的测量方法是检测球形轴尖的球头部位A^A 圆弧5°范围内的圆度，具体是检测中心b-b 横截面的Φd 直径，要求每旋转22.5°±5°角度检测一次，在360°范围的所检测的直径值不少于8个。

将检测的Φd 直径值中的最大值减去最小值，然后将其差值除以2 即为半径差值，这样所得的数据也就为圆度值。

本批共检测两种各3件球形轴尖的圆度，具体数值见表1和表2。

3.3 圆度检测对比试验

为了验证采用万能工具显微镜检测球形轴尖球头圆度的可行性，需要用高精度的圆度仪进行检测对比验证试验；但是现在的球形轴尖球头尺寸太小Φ0.5mm，圆度仪的测头尺寸也为Φ0.5mm，因此难以找正而且检测的准确性差，为此专门加工了球头直径为Φ2mm 的球形轴尖试件如图5所示，该试件采用与球形轴尖相同的加工方法。

图5 Φ2直径球形轴尖试件的实物照片

分别用万能工具显微镜和圆度仪对该试件的球头圆度进行检测。

采用万能工具显微镜检测的球头圆度为0.8μm，采用英国TAYLROND 290型圆度仪测量的球头圆度为0.14μm。

两种检测结果差异的原因分析，圆度仪检测圆度采用接触法在整个圆周进行连续测量，该圆度仪的分辨率为0.01μm，其测量精度高，准确性高，能够反映零件加工的真实精度，因此球形轴尖试件的球头圆度为0.14μm 是真实可信的。

万能工具显微镜检测是非接触的间接测量，主要的测量误差是由于目测产生的瞄准误差，误差值大约在0.2～0.4μm，也就说明加工的球头轴尖的圆度基本在0.2μm 左右，由于用万能工具显微镜所存在的测量误差，所以与其检测的圆度0.8μm 的实际情况基本符合。

3.4 检测结果分析

从表1、表2、表3的检测数据可以看出，万能工具显微镜检测球形轴尖球头的圆度基本在0.3～0.8μm之间，其中0.3μm的有3件，0.4μm的有10件，0.5μm的有16件，0.6μm的有11件，0.7μm的有5件，0.8μm的有4件，它基本符合正态分布如图6所示。从而也可以说明加工和检测结果的正确性。虽然用万能工具显微镜检测的圆度值比球头轴尖的真实圆度值偏大，但是这样更加可靠。

图6 球形轴尖圆度值分布柱状图

从以上的试验和检测结果分析可以证明，用改装的万能工具显微镜检测球头轴尖的圆度是可行的。

4 结论

通过对球形轴尖球头圆度的检测和验证结果分析，证明在现有条件下采用该检测方法是可行的。

分析检测结果，所检测的50件球形轴尖球头圆度值在0.3μm～0.8μm，远高于设计要求值2μm，因此可以证明球形轴尖的加工工艺方法可以很好的保证球头的圆度，所加工的球形轴尖球头圆度的是可以充分保证的。

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球形轴尖球头圆度的非接触精密测量

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