球形轴尖球头圆度的非接触精密测量

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。

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 3 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。

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。

图 3万能工具显微镜实物图片

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 4 所示，该试件采用与球形轴尖相同的加工方法。

图 4Φ2 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 5 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。

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。