一种测量锥孔口径的千分尺及其测量方法与流程

本发明涉及精密测量的量具，特别涉及锥孔口径的精密测量量具。

背景技术：

圆锥配合具有较高的同轴度，较好的调整性、自锁性与密封性，应用很广泛，但它结构复杂，加工与检验比较困难。虽然检验方法也很多，但效果较差。不管是采用万能工具显微镜、三坐标仪等直接测量；还是用量规检验或者是通过正弦规、钢球等间接测量都存在局限性：第一，用量规检验锥孔，对于单件小批生产的锥孔检验不适用，也不经济；直径较大的锥孔用量规，因为量具太重，在制造过程中进行在线测量操作上有困难；第二，其他检测方法需要专用设备，甚至要到专门区域的专用设备才能检测，除了效率低、工作量大以外，更不能实现在线主动测量，只能事后被动测量。而其他能查到的检测方法，在精度、方便性与成本方面均存在问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的问题是提供一种测量锥孔口径的千分尺及其测量方法。本发明千分尺质量轻、操作简单、测量精度高，在单件小批生产的圆锥内孔(尤其是直径较大的锥孔)加工过程中时能主动测量锥孔直径即实现在线检测。另外，使用本发明的千分尺检测效率高、成本较低。

本发明一种测量锥孔内径的千分尺，它包括左右两个测量爪、手柄、锁紧螺钉、固定套筒、微分筒、测力装置、测微螺杆；左边的测量爪为固定测量爪，右边的测量爪为活动测量爪，左右两个测量爪与被测量工件锥孔的接触面即测量面为斜圆柱面或者球面。

进一步地，当左右两个测量爪与测量工件的接触面为斜圆柱面时，测量爪可以分为上下两部分，下部为基体ⅰ，上部为测量杆，基体ⅰ的上部为止口平台，测量杆为斜圆柱，斜圆柱的轴心线过基体ⅰ的轴心线、且与基体ⅰ的轴心线之间的夹角为α，α＝90°+θ/2，θ＝2tan^-1(c/2)，c为测量工件锥孔的锥度；测量杆与基体ⅰ为整体式。

进一步地，当左右两个测量爪与测量工件的接触面为斜圆柱面时，测量爪可以分为大小两块，大块为基体ⅱ、小块为测量体，基体ⅱ的上部为止口平台且设置有斜圆柱孔，测量体为斜圆柱、其镶嵌在基体ⅱ的斜圆柱孔内，斜圆柱的轴心线过基体ⅱ的轴心线，且与基体ⅱ的轴心线之间的夹角为α，α＝90°+θ/2，θ＝2tan^-1(c/2)，c为测量工件锥孔的锥度；测量体与基体ⅱ为分体式。

进一步地，当左右两个测量爪与测量工件的接触面为斜圆柱面时，测量爪可以分为左右两部分，右部为基体ⅲ，其最右端为直面、其左端的上部为一段斜圆柱，左部为止口平台，其连接在斜圆柱的下面；斜圆柱相对于基体ⅲ的轴线前后对称；斜圆柱最右侧的外素线与基体ⅲ的轴心线之间的夹角为α，α＝90°+θ/2，θ＝2tan^-1(c/2)，c为工件锥孔的锥度；测量平台与基体ⅲ为整体式。

进一步地，斜圆柱即测量柱的外侧测量角α＝90°+θ/2：式中α为在测量柱轴心线与固定套筒轴线所在平面内测量，即外侧素线与固定套筒轴线在测量外侧的夹角；θ为锥孔的锥角，θ＝2tan^-1(c/2)；c为锥孔的锥度如1：5、1：10、1：15、1：30......等；左右两个测量爪上的止口平台在同一平面上，并与固定套筒轴线平行。

进一步地，当左右两个测量爪工件的接触面为球面时，测量爪分为上下两部，下部为基体ⅳ，上部为测量球体，基体ⅳ的上部为止口平台，测量球体的主体是球形sd，其上下面、内侧均被截平，测量球体通过螺钉固定在止口平台上，螺钉的轴心线向内侧与竖直线之间的夹角为β，β约为5°至25°之间；左右两个测量爪上的止口平台在同一平面上，并与固定套筒轴线平行。。

进一步地，测量爪还包括调整垫，调整垫设置在测量球体的内侧面与基体ⅳ之间。

使用斜圆柱面型式的测量爪测量锥孔的方法：测量爪上的止口平台紧靠在工件锥孔的外端面上、斜圆柱即测量柱的外侧素线贴在锥孔内壁上，测量柱轴心线及固定套筒轴线所确定的平面通过工件的轴线，测得的最大值即为锥孔孔口的直径；

使用球面型式的测量爪测量锥孔的方法：测量爪上的止口平台紧贴工件锥孔的外端面滑动，且测量球的球面sd两侧贴于锥孔素线；读取千分尺显示的读数k再加上特定值δ即是锥孔口径，即锥孔口径d＝k+δ，δ＝d·[tan(45°+θ/4)-1]-(d-2h)·tan(θ/2)，θ＝2tan^-1(c/2)，(c为锥孔的锥度)；其中δ是一个可事前计算的固定值，与工件实际锥度与测量头结构有关。

进一步地，测量球体的球心与其下截面之间的高为h，测量球体的球径为d，θ为锥角，即θ＝2tan^-1(c/2)，c为锥孔的锥度；ee＇长为锥孔的口径d，用圆柱形普通校规所校准的测量球体外侧直径g与g＇的距离是k，过测量球体的球心o做直径为d的圆，其与梯形腰相切于f，圆心o与ee＇的距离为h，作直径为d的圆的切线与ee＇平行，a为切点，切线交fe的延长线于h，过e点作ah的垂线ej，连接oa、og、of及oh。h＇与h对称；hh＇为假定直径d1；则∠hej＝∠fog＝θ/2；

∠aoh＝∠foh＝(90°+θ/2)/2＝45°+θ/4；

d1＝k-2go+2ah＝k-d+2oa·tan∠aoh＝k+d·[tan(45°+θ/4)-1]；

d＝d1-2jh＝d1-2ej·tan(θ/2)＝d1-2(d/2-h)·tan(θ/2)

＝k+d·[tan(45°+θ/4)-1]-(d-2h)·tan(θ/2)

即d＝k+δ(1)

式中δ＝d·[tan(45°+θ/4)-1]-(d-2h)·tan(θ/2)(2)

θ＝2tan^-1(c/2)，(c为锥孔的锥度)。

本发明提出的技术方案是：将锥孔的圆锥误差与直径误差分开检测，即在工件尚有余量时，通过有效途径精确测量出并修正锥度或锥角，直至锥度、圆度合格而保持一定精加工余量后；然后在精加工过程前，用本发明千分尺测量大端孔口直径，确定精加工的切削深度，直至孔口直径达到要求。

本发明千分尺的有益效果是：千分尺质量轻、操作简单、测量范围宽、测量精度高，特别适合于单件小批、高精度、大尺寸锥孔的在线主动测量，大大提高了产品的加工效率和合格率。另外，使用本发明的千分尺检测效率高、成本较低。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明：

图1是本发明测量锥孔口径的千分尺的结构示意图；

图2是本发明凸柱头型式的千分尺测量头；

图3是图2的左视图；

图4是图2的俯视图；

图5是本发明镶柱头型式的千分尺测量头；

图6是图5的俯视图；

图7是本发明柱面头型式的千分尺测量头；

图8是图7的俯视图；

图9是本发明球型的千分尺测量头结构图一；

图10是图9的俯视图；

图11是本发明球型的千分尺测量头结构图二；

图12是图11的俯视图；

图13是本发明球型测量头的千分尺的测量计算图；

图14是本发明柱型的千分尺测量头的加工工装的示意图；

图15是图14的俯视图；

图16是图14的左视图；

图17是本发明柱型的千分尺测量头的加工柱头的示意图。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，本发明一种测量锥孔口径的千分尺，它包括左右两个测量爪6、手柄7、锁紧螺钉8、固定套筒10、微分筒11、测力装置12、测微螺杆13；左边的测量爪6为固定测量爪，右边的测量爪6为活动测量爪，左右两个测量爪6与被测量工件1锥孔的接触面即测量面3为斜圆柱面或者球面。

如图1所示的千分尺：左边的测量爪6为固定测量爪、其固定套在手柄7的左端，手柄7通过锁紧螺钉8与测微螺杆13的左端连接；右边的测量爪6为活动测量爪、其连接测微螺杆13，螺纹轴套旋合在测微螺杆13上，固定套筒10套在螺纹轴套上，微分筒11一端套在固定套筒10上、另一端通过轴套套在测力装置12左端外圆上，测力装置12左端与测微螺杆13固定连接，(图中螺纹轴套、轴套未画出)。

本发明千分尺的主尺结构并不局限于图1所示，还包括其它形式的主尺结构。其中，只要是测量爪6的测量面3为斜圆柱面或者球面，就是本发明的保护范围。

本发明千分尺测量锥孔口径的原理是：利用内测千分尺基本原理，改变测量爪结构使之与测量锥度相适应；其中，内测千分尺是利用螺旋副原理，对固定测量爪与活动测量爪之间的分隔距离进行读数的锥孔口端内尺寸测量工具。

使用本发明千分尺时，先松开锁紧螺钉8，接着将左右两个测量爪6伸进被测量工件1的锥孔，再旋转微分筒11使左右两个测量爪6的测量面3与被测量工件1的被测面2靠近，然后旋转测力装置12使其发出响声，最后旋紧锁紧螺钉8取出千分尺并读出刻度。由于被测量工件1的内孔为锥孔，因此测量爪6的测量面3为斜面或者球面，能够保证被测量工件1锥孔的准确测量。

按测量爪6的测量头分，本发明千分尺有两个型式：其中一种型式为斜圆柱面，如图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8所示；其中另一种型式为球面，如图9、图10、图11、图12所示。

实施例2

由于被测量工件1的内孔为内锥孔，因此测量面为斜圆柱面的测量爪6可以与工件的锥孔完全贴合。

当左右两个测量爪6的测量面3(即与工件1的接触面)为斜圆柱面时，测量爪6可以是以下三种结构，当然并不局限于以下三种结构：

结构一、凸柱头如图2、图3、图4所示：测量爪6分为上下两部分，下部为基体ⅰ610，上部为测量杆611，基体ⅰ610的上部为止口平台5，测量杆611为斜圆柱，斜圆柱的轴心线过基体ⅰ610的轴心线、且与基体ⅰ610的轴心线之间的夹角为α，α＝90°+θ/2，θ＝2tan^-1(c/2)，c为测量工件锥孔的锥度；测量杆611与基体ⅰ610为整体式。

测量锥孔时，基体ⅰ610上的止口平台5紧靠在工件1锥孔的外端面4上，测量杆611的斜圆柱与锥孔贴合，这时千分尺显示的读数即为工件1锥孔口径处的直径。此凸柱头的优点是：测量杆611与基体ⅰ610为整体式，测量准确。

结构二、镶柱头如图5、图6所示：测量爪6分为大小两块，大块为基体ⅱ620、小块为测量体621，基体ⅱ620的上部为止口平台5且设置有斜圆柱孔，测量体621为斜圆柱、其镶嵌在基体ⅱ620的斜圆柱孔内，斜圆柱的轴心线过基体ⅱ620的轴心线，且与基体ⅱ620的轴心线之间的夹角为α，α＝90°+θ/2，θ＝2tan^-1(c/2)，c为测量工件锥孔的锥度；测量体621与基体ⅱ620为分体式。

测量锥孔时，测量体621上的止口平台5紧靠在工件1锥孔的外端面4上、其斜圆柱与锥孔贴合，这时千分尺显示的读数即为工件1锥孔口径处的直径。此镶柱头的优点是：测量体621与基体ⅱ620为分体式，当测量体621使用一段时间磨损后，可以对其进行更换，延长了测量爪6整体使用寿命，保证了测量精度。

结构三、柱面头如图7、图8所示：测量爪6分为左右两部分，右部为基体ⅲ630，其最右端为直面、其左端的上部为一段斜圆柱，左部为止口平台5，其连接在斜圆柱的下面；斜圆柱相对于基体ⅲ630的轴线前后对称；斜圆柱最右侧的外素线与基体ⅲ630的轴心线之间的夹角为α，α＝90°+θ/2，θ＝2tan^-1(c/2)，c为工件锥孔的锥度；测量平台5与基体ⅲ630为整体式。

测量锥孔时，测量爪6上的止口平台5紧靠在工件1锥孔的外端面4上、其斜圆柱与锥孔贴合，这时千分尺显示的读数即为工件1锥孔口径处的直径。此柱面头的优点是：斜圆柱、测量平台5均与基体ⅲ630为一整体，测量爪6强度较高，测量准确。

本发明上述三种结构中：斜圆柱即测量柱的外侧测量角α＝90°+θ/2：式中α为在测量柱轴心线与固定套筒10轴线所在平面内测量，即外侧素线与固定套筒10轴线在测量外侧的夹角；θ为锥孔的锥角，若锥孔的锥度为c，则θ＝2tan^-1(c/2)，其中锥度c如1：5，1：10，1：15，1：30......等；测量爪6所在基体的轴心线与固定套筒10的轴线同轴；左右两个测量爪上6的止口平台5在同一平面上，并与固定套筒10轴线平行。

从上述结构可以看出，本发明千分尺与现有普通的内测千分尺的区别是：一、本发明测量柱的外侧测量角α＝90°+θ/2，能测量锥孔：普通内测千分尺中测量柱的测量角α＝90°，其不能测量锥孔；二、本发明千分尺的测量爪6必须有测量止口平台5，且两测量爪止口平台5在同一平面上并与测量筒轴线平行。因此，本发明可以精准地测量锥孔的尺寸。

使用本发明上述斜圆柱面型式的测量爪6测量锥孔的方法如图1所示：测量爪6上的止口平台5紧靠在工件1锥孔的外端面4上，斜圆柱即测量柱的外侧素线3贴在锥孔内壁2上，测量柱轴心线及固定套筒10轴线所确定的平面通过工件1的轴线，测得的最大值即为锥孔孔口的直径。测力装置12原理与结构、微分筒的原理与结构、识读方法均同普通内测千分尺。设图1中千分尺的测量范围是225-250mm，经标准校规校准后，图示读数为225mm，表示锥孔口径处的直径为225mm。

使用本发明测量爪6为斜圆柱面型式的千分尺前，需要对其进行校对调整：锥孔口径千分尺的校“零”位使用校对环规，将校对环规当作工件进行测量。测量前擦净环规和本千分尺的测量爪，用测力装置测量，若测量的结果与环规的标称尺寸相符，说明“零”位示值正确；若微分筒11的“0”线与固定筒10上的“0”线不在一条直线上，当测微头误差不超过0.02mm时，便用专用扳子扳动固定套筒10，直至“0”线对齐；当测微头误差超过0.02mm时，用专用扳子松动测力装置12，取下微分筒11，重新对齐微分筒11的“0”线与固定筒10上的“0”线，装上测力装置12，再用前一种方法检查，直至调零到位；校对环规是圆锥内表面，其校对环规的锥角与本发明千分尺的适用锥角相同。

当本发明千分尺的测量爪6为斜圆柱面型式时，每一把千分尺都需要对应一个校对环规，此时，本发明千分尺的规格除了测量尺寸范围以外还包含锥度，如规格为225～250，1：10；或225～250，1：30等。本发明千分尺的直径范围与示值误差同普通内测千分尺，一般每25mm一档规格，直径可达400mm或以上，估读达0.001mm至0.002mm。

实施例3

由于被测工件1的内孔为锥孔，因此测量面为球面的测量爪6可以与工件1的锥孔接触，不受到工件锥孔加工角度等的影响。测量锥孔时，测量爪6上的止口平台5紧靠在锥孔的外端面4上、测量球体与锥孔接触。

当左右两个测量爪6的测量面3(即与工件1的接触面)为球面时，测量爪6可以是以下两种结构，当然并不局限于以下两种结构：

结构一、如图9、图10所示，测量爪6分为上下两部，下部为基体ⅳ640，上部为测量球体641，基体ⅳ640的上部为止口平台5，测量球体641的主体是球形sd，其上下面、内侧均被截平，测量球体641通过螺钉642固定在止口平台5上，螺钉642的轴心线向内侧与竖直线之间的夹角为β，β约为5°至25°之间；左右两个测量爪上6的止口平台5在同一平面上，并与固定套筒10轴线平行。

此球面测量爪6的优点是：测量球体641的测量范围大，一个测量爪能够测量内孔锥度在一定范围内变化的工件1，即多个不同锥度的工件只要一个千分尺就能测量，因此测量准备时间短，测量爪相应的备件少，节约了成本。

结构二、如图11、图12所示，测量爪6还包括调整垫643，调整垫643设置在测量球体641的内侧面与基体ⅳ640之间。

此种有调整垫643的测量爪的优点是：当测量球体641使用一段时间磨损后，由于测量球体641加工相对困难，因此可以通过更换不同厚度的调整垫643来保证测量球体641与工件锥孔的接触并进行测量，从而延长了测量爪6的使用寿命。

使用本发明测量爪6为球面的千分尺前，需要对其进行校对调整：可以用同规格圆柱面普通校对环规，校正测量头外侧对径值k，使微分筒11的“0”线与固定筒10上的“0”线在一条直线上即可，调整方法同前。千分尺采用普通圆柱面校对环规调零的，在确定锥孔口径时需要在其读取值上要加上一个特定值δ，特定值δ是一个可事前计算的固定值，与工件锥度与测量头大小有关。此种形式的千分尺不论锥度大小，同一个直径尺寸只需一把尺和一个圆柱面校对环规。

使用本发明上述球面型式的测量爪6测量锥孔的方法如图1所示：测量锥孔时，测量爪6上的止口平台5紧贴工件1锥孔的外端面4滑动，且测量球641的球面sd两侧贴于锥孔素线21，读取千分尺显示的读数k再加上特定值δ即是锥孔口径，即锥孔口径d＝k+δ，δ＝d·[tan(45°+θ/4)-1]-(d-2h)·tan(θ/2)，θ＝2tan^-1(c/2)，(c为锥孔的锥度)；其中δ是一个可事前计算的固定值，与工件实际锥度与测量头结构有关。

下面结合图9、图13进行详细的说明。从图9可知，测量球体641的球心与其下截面之间的高为h，测量球体641的球径为d，从图13可知，图中实线围成的正梯形是锥孔的轴剖面线，θ为锥角，即θ＝2tan^-1(c/2)，c为锥孔的锥度；ee＇长为锥孔的口径d，用圆柱形普通校规所校准的测量球体641外侧直径g与g＇的距离是k，过测量球体641的球心o做直径为d的圆，其与梯形腰相切于f，圆心o与ee＇的距离为h，作直径为d的圆的切线与ee＇平行，a为切点，切线交fe的延长线于h，过e点作ah的垂线ej，连接oa、og、of及oh。h＇与h对称，hh＇为假定直径d1：

则∠hej＝∠fog＝θ/2；

∠aoh＝∠foh＝(90°+θ/2)/2＝45°+θ/4；

d1＝k-2go+2ah＝k-d+2oa·tan∠aoh＝k+d·[tan(45°+θ/4)-1]；

d＝d1-2jh＝d1-2ej·tan(θ/2)＝d1-2(d/2-h)·tan(θ/2)

＝k+d·[tan(45°+θ/4)-1]-(d-2h)·tan(θ/2)

即d＝k+δ(1)

式中δ＝d·[tan(45°+θ/4)-1]-(d-2h)·tan(θ/2)(2)

θ＝2tan^-1(c/2)(c为锥孔的锥度)。

假定工件1的孔口直径d＝225mm，工件前期测量实际锥度c＝1:30＝1/30，锥孔口径千分尺测量头直径d＝8mm，中心高h＝2mm，将c、d、h值分别代入(2)式，得δ＝0.0677mm。再代入(1)式得d＝k+0.0677(mm)，即在尺子读数k的基础上加上0.0677mm才是锥孔口径实际值。从(2)可以看出，δ是一个可事前计算的固定值，与工件实际锥度与测量头结构有关。一把测量爪为球面的千分尺，可以测量多个不同锥度的锥孔的工件，因此检测效率高。

从上述可以看出，本发明千分尺质量轻、操作简单、测量范围宽、测量精度高，特别适合于单件小批、高精度、大尺寸锥孔的在线主动测量，大大提高了产品的加工效率和合格率。另外，使用本发明的千分尺检测效率高、成本较低。

实施例4

下面结合图14、图15、图16、图17说明斜圆柱面测量爪的加工方法，它采用工装定位，19为夹具体，18为夹具体19的定位平面，20为压板。加工止口平台5时正平定位加工，两测量爪止口平台5在同一平面内；然后如图17所示，逆时针和顺时针方向分别转动θ/2后铣铰加工凸柱头、镶柱头的柱孔或铣柱面头的圆柱面，转动的角度方向与测量角α的方向一致。其中，柱头要有一定硬度耐磨损，镶柱头为过盈配合，柱面头圆柱面要在硬化处理后进行，所有加工要在精密数控机床上进行；表面粗糙度值小于ra0.8。

测量球体641的加工方法是：采用高硬度滚珠焊接在夹具上，用高钴带涂层的硬质合金强力刀铣钻斜螺孔及其锥孔，最后线切割测量球的上截面、下截面及内侧面并磨平此三平面，调整垫配磨，使两测量头外侧测量点g与g＇之间的距离与校正环规直径k相近或相等，k相近时通过前述调零方法调零。