核主泵小直徑深孔檢測技術(shù)探究

劉文英，關(guān)錳，孟艷玲，胡英俊，王良，譚俊哲

（沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司，遼寧 沈陽 110869）

某屏蔽電動泵制造技術(shù)研制過程中，其主法蘭螺栓內(nèi)孔為長徑比達(dá)64 的小直徑盲孔，且加工精度高，要求檢測孔內(nèi)任意截面的實(shí)際孔徑值。小直徑深孔檢測空間小，檢測工具受到制約，檢測孔內(nèi)任意截面的實(shí)際內(nèi)徑值更是困難，以往普通的檢測方法和工具無法實(shí)現(xiàn)，高精度檢測是一個(gè)亟待解決的問題，本文針對現(xiàn)有測量工具及測量方法出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析，提出一種新的小口徑深孔內(nèi)徑檢測方法，使其實(shí)際操作更簡便，在線檢測精確度高，實(shí)現(xiàn)小直徑深孔的高效、高精測量，提高檢測效率。

1 檢測系統(tǒng)技術(shù)需求分析

通常直徑小于20mm 的孔視為小孔，長徑比大于5 的孔被視為深孔。深小孔在加工過程中很難保證孔表面與口徑孔深處截面口徑相同，由于檢測空間的限制，檢測設(shè)備需求如下：

（1）可以進(jìn)行超深測量；

（2）測量誤差小，實(shí)現(xiàn)高精測量；

（3）可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離操作；

（4）方便操作。

2 現(xiàn)有檢測方法分析

2.1 三坐標(biāo)機(jī)檢測法

三坐標(biāo)檢測方法是現(xiàn)在三坐標(biāo)及上對被測物表面進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，接觸型三坐標(biāo)機(jī)檢測利用測球和孔壁接觸，根據(jù)各記錄點(diǎn)的X、Y、Z 空間坐標(biāo)，配合相應(yīng)評定原則的測量軟件，接受并存儲測球的坐標(biāo)值，通過數(shù)據(jù)處理今兒實(shí)現(xiàn)對孔（或軸）中心坐標(biāo)、直徑或其他幾何元素及輪廓度的檢測。檢測精度高，可以達(dá)到5μm，并可實(shí)現(xiàn)自動檢測，缺點(diǎn)是不便對深孔進(jìn)行檢測。

2.2 加長機(jī)械式內(nèi)徑百分表

測量前，調(diào)整零位并擰緊螺母。測量時(shí)，一手握住表?xiàng)U手柄部位，一手按下定位護(hù)橋，把活動測頭壓下放入被測孔內(nèi)。前后左右擺動，觀察指針的拐點(diǎn)位置，讀出孔徑值。

3 主要問題

通過對現(xiàn)有檢測方法分析，現(xiàn)有可用的檢測手段為加長機(jī)械式內(nèi)徑百分表，但該檢測手段存在如下主要問題：

（1）受測量方法限制，使用加長測量桿超深測量時(shí)，操作難度大，不易實(shí)現(xiàn)。

（2）測量過程中，反復(fù)移動測量桿，增加測砧及測頭與深孔內(nèi)壁的摩擦，存在劃傷內(nèi)孔表面的危險(xiǎn)，影響內(nèi)孔表面質(zhì)量。

（3）存在人為操作誤差、示值誤差及讀數(shù)瞄準(zhǔn)誤差，影響最終測量精度，無法滿足檢測要求。

4 新型測量工具結(jié)構(gòu)及工作原理

通過對現(xiàn)有系統(tǒng)存在的主要問題進(jìn)行改進(jìn)，開發(fā)研制一套新型測量工具及檢測方法。該新型測量工具系統(tǒng)主要包括：彈性裝置、連接部分、信號處理系統(tǒng)、位移傳感模塊、操控裝置等。實(shí)現(xiàn)高精、高效測量小直徑深孔內(nèi)任意截面處直徑。

4.1 新型測量工具結(jié)構(gòu)

圖1

4.2 工作原理

如圖1（a）、圖1（b）、圖1（c）所示，殼體為中空結(jié)構(gòu)，殼體的前端沿周向設(shè)有三個(gè)與殼體中心孔連通的徑向通孔，各徑向通孔內(nèi)均設(shè)有一個(gè)伸縮測爪和測頭彈簧，測頭彈簧的兩端分別與伸縮測爪和測頭連接，殼體的后端設(shè)有與殼體中心孔連通的豁口，扳機(jī)的一端插設(shè)與豁口內(nèi)，并與殼體鉸接，頂針組件插設(shè)于殼體的中心孔處，并一端與伸縮測爪抵接，頂針組件的另一端穿過扳機(jī)上設(shè)有的孔與殼體滑動連接，扳機(jī)的前側(cè)設(shè)有用于扳機(jī)限位的彈簧，扳機(jī)的后側(cè)設(shè)有用于頂針組件復(fù)位的彈簧，殼體的后端設(shè)有數(shù)字顯示模塊，頂針組件的后端設(shè)有與數(shù)字顯示模塊連接的位移傳感器，數(shù)字顯示模塊為可旋轉(zhuǎn)數(shù)字顯示模塊。

殼體包括由前向后依次螺紋連接的測頭、接長桿及槍體、測頭、接長桿及槍體均為中空結(jié)構(gòu)。接長桿與槍體之間設(shè)有前蓋，前蓋與接長桿螺紋連接。測頭的橫剖面為T 型結(jié)構(gòu)，徑向通孔均布于T 型結(jié)構(gòu)的頭部，槍體后端下方設(shè)有手柄。頂針組件包括測頭頂針、接長桿頂針及槍體頂針，測頭頂針設(shè)置于測頭內(nèi)，接長桿頂針設(shè)置于接長桿內(nèi)，槍體頂針設(shè)置于槍體內(nèi)。彈簧Ⅰ套設(shè)于槍體頂針上、并一端與殼體抵接，另一端與套設(shè)于槍體頂針上的限位板抵接。槍體頂針的后端通過支撐套與殼體滑動連接，彈簧Ⅱ的一端套設(shè)于殼體內(nèi)部后端設(shè)有的彈簧導(dǎo)向柱上，另一端與支撐套抵接。頂針組件的長度根據(jù)需要組裝，來測量不同深度的孔。

槍體上沿軸向設(shè)有與豁口連通的螺紋孔，該螺紋孔內(nèi)連接有扳機(jī)調(diào)節(jié)螺絲，扳機(jī)調(diào)節(jié)螺釘與扳機(jī)抵接。通過扳機(jī)調(diào)節(jié)螺絲來調(diào)節(jié)扳機(jī)和手柄之間的距離，以適合不同人的手的大小以及方便同一孔徑的重復(fù)測量。伸縮測爪的測頭為球面，使得三點(diǎn)接觸孔內(nèi)壁時(shí)構(gòu)成球面，這樣測頭的歪斜對測量結(jié)果影響不大，甚至在較小角度歪斜時(shí)沒有影響。

4.3 操作過程

扣住扳機(jī)，槍體頂針右移，在測頭彈簧的彈力作用下，伸縮測爪縮回，由機(jī)械結(jié)構(gòu)連在一起的測頭頂針和接長桿頂針與槍體頂針一起右移。槍體頂針的往右移動，槍體內(nèi)的位移傳感器也同時(shí)移動并記錄位移，并將位移值傳輸給數(shù)字顯示模塊。釋放扳機(jī), 彈簧Ⅱ施加向左推力，槍體頂針、接長桿頂針和測頭頂針一起向左移動，和測頭頂針相連的伸縮測爪被頂出向外伸出。槍體內(nèi)的位移傳感器也同時(shí)向左移動并記錄位移，并將位移值傳輸給數(shù)字顯示模塊。

4.4 測量原理

三片伸縮測爪和內(nèi)孔內(nèi)壁三點(diǎn)接觸，由伸縮測爪的伸縮長短計(jì)算出孔徑大小。伸縮測爪的基準(zhǔn)位置以在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)規(guī)實(shí)際尺寸為準(zhǔn)(將測頭放入標(biāo)準(zhǔn)環(huán)規(guī)，數(shù)顯部分記錄此時(shí)的基準(zhǔn)值)。

測量時(shí)，先用標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)，讓位移傳感器記住一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)直徑尺寸。當(dāng)三個(gè)伸縮測爪在直徑上同時(shí)向外移動1mm 時(shí)，直徑方向相當(dāng)于增加2mm。這時(shí)，頂針也同時(shí)向右軸向移動2mm。位移傳感器記錄頂針向右軸向位移2mm。伸縮測爪徑向位移轉(zhuǎn)換成頂針軸向位移的原理如圖2 所示。

伸縮測爪1 徑向移動“X”距離時(shí)，頂針軸向移動“Y”距離。當(dāng)X=2Y 時(shí)，夾角∠α=26.33°，那么，測頭頂針13 有一個(gè)非常精確的2α 錐度面，來保證伸縮測爪1 徑向位移量與頂針軸向位移量相同。

圖2 伸縮測爪徑向位移轉(zhuǎn)換成頂針軸向位移原理示意圖

5 創(chuàng)新點(diǎn)

改進(jìn)伸縮測爪的操控方式，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離操作，實(shí)現(xiàn)階梯小孔徑/深孔的尺寸測量；改進(jìn)測量桿的材質(zhì)，選擇特殊材料制成更加輕便、強(qiáng)度高的測量桿，方便操作；改進(jìn)測量原理，使用精密測量頭，增加數(shù)字顯示模塊、數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)，提高測量精度；增加定位裝置，提高測量精度；優(yōu)化測頭的控制方式，避免測頭長距離反復(fù)在零件內(nèi)壁滑動；添加操控裝置，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離操作；測量部位與操作部位為相互獨(dú)立的兩部分。減小測量桿長度，以減輕測量桿重量，方便操作。更改測量爪的型式，減少測量爪與工件內(nèi)壁的摩擦。伸縮測爪與操作部位鏈接，測量前伸縮測爪縮回，到達(dá)測量位置時(shí)自動彈出，提高操作的自動化程度，同時(shí)，減少測爪與工件內(nèi)壁的摩擦。

6 先進(jìn)性和社會效益評價(jià)

該檢測工具和檢測操作方法，現(xiàn)已應(yīng)用到AP1000、CAP1400 國家重大科研項(xiàng)目，以及國產(chǎn)化屏蔽主泵CAP1000、CAP1400、軸封主泵主螺栓深孔的測量。并且，在其他機(jī)械行業(yè)小徑/深孔的測量中得到廣泛應(yīng)用。填補(bǔ)了小徑、深孔檢測的空白，開辟了小徑/深孔特殊檢測工具及測量方法的新領(lǐng)域，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量，社會效益是不可估算的。在國際上，以往的小孔徑測量工具，僅限于淺孔測量。如此大長徑比深孔的測量，也是第一次開發(fā)研制，該測量工具，達(dá)國際先進(jìn)水平。