油泵類產品密封關鍵件的檢測技術研究

姜國明　滿　楠

（北京精密機電控制設備研究所，北京100076）

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油泵類產品密封關鍵件的檢測技術研究

姜國明滿楠

（北京精密機電控制設備研究所，北京100076）

摘要：油泵類產品是航天伺服機構上重要的動力能源元件，其密封關鍵零件具有高精度的表面質量檢測需求。該類零件一般采用石墨合金的復合材料制成，傳統的檢測方法無法滿足設計工藝要求。本文對密封關鍵件表面粗糙度和平面度的檢測技術進行研究，提出光學非接觸的測量方法，并對其進行測量試驗及對比，分析誤差產生的原因，提出相應解決方法并得到驗證。該方案已經應用于實際生產，滿足了產品技術的指標要求。

關鍵詞：石墨復合材料表面粗糙度測量不確定度

1 課題研究背景

伺服機構的油泵類產品中，機械動密封類零件目前采用M152G7石墨浸銀銻合金復合材料制成。此類密封零件表面設計精度要求高，典型產品以SBB-5A的密封環和SBB-2E的動環為例，浸銀銻石墨環端面（圖1中T面）是關鍵表面，其平面度誤差要求為2μm，表面粗糙度Ra值要求0.1μm。它的形位公差和表面加工質量直接影響動密封結構的密封性能。

石墨環的結構如圖1所示。

圖1 石墨環結構示意圖

目前，北京精密機電控制設備研究所表面粗糙度檢測儀器為德國霍梅爾T4000粗糙度測量儀，測量采用的方式均為接觸測量，即利用觸針式探頭接觸測量零件表面的粗糙度。在表面粗糙度測量領域，觸針式接觸測量技術已相當成熟。此方法不但可適用于不同種材料，且測量精度高，操作簡單，目前在各機械行業得到了廣泛應用。但是，此種測量方法是否會對工件表面造成損傷，需依據產品所用的不同材料經過一定的試驗確定后才可加以采用［1］。同時，儀器廠商只對接觸探頭測力的指標給予標注，對接觸測量可安全地適用于何種材料未加以明確。

另一種是光學非接觸法，即儀器光學傳感器和被測物體之間沒有任何接觸，通過光學技術獲得表面形貌信息。目前，光學測量法主要包括光探針干涉法、光學散斑法、激光三角法、離焦檢測法、干涉顯微法、快速表面測量法等幾種。這些方法的共同特點是通過將表面微觀輪廓的高度信息轉化為光、聲、電等易于判別的信息，從而達到測量的目的［2］。

由于石墨材料具有表面光滑、材質相對金屬材料較軟等特點，工藝要求在測量時表面不允許出現劃傷與碰傷。依據產品材料的特殊性，對該類零件平面度、粗糙度的測量，應選用非接觸方式進行。因此，針對油泵類密封零件的特殊測量需求，本文針對光學非接觸法測量平面度、粗糙度開展技術研究。

2 研究內容

2.1 測量結果對比

目前，光學非接觸測量儀器功能的實現，一般通過白光共焦成像和白光干涉成像兩種方式來完成，且已經廣泛應用于零件表面質量的精密檢測。本著產品保密和就近調研原則，選擇211廠的德國霍梅爾T8000粗糙度儀進行零件測量試驗。

實驗過程中，選取某型號石墨密封環共10件作為測試對象，德國霍梅爾公司T8000粗糙度測量儀作為測試設備，儀器具有觸針接觸式和光學非接觸兩種測量方式。首先，采用觸針接觸法對每個零件測試3次，取測量結果的平均值作為理論測量真值。然后，采用光學非接觸法對零件進行3次測試，取測量結果的平均值作為非接觸法測量值。測量值與理論測量真值進行比對，計算得出非接觸法測量的相對示值誤差。兩種測量方法所得到的結果對比，如表1所示。

從表1可以看出，與接觸法測量比較，非接觸法測量得到的測量結果均偏大；非接觸法測量相對示值誤差集中在（13%～25%）范圍，其中最大相對誤差達到25%，遠大于T8000粗糙度儀本身±5%的測量誤差技術指標。

2.2 測量誤差分析

復合材料具有高比強度、高比剛度、耐高溫、耐腐蝕等單一材料無法比擬的綜合特性，使其在航空航天領域應用非常廣泛。早在“十五”期間，中國運載火箭技術研究院703所就已開展國防科工委資金資助項目“復合材料表面質量評定”。國內大連理工大學等高校也開展了C/C復合材料、FRRMC復合材料的表面粗糙度及三維微觀形貌測量的研究。這些課題總結分析了測量中出現的問題，通過實驗給出了合理建議，取得了多項成果，為石墨復合材料表面粗糙度的測試評價提供了較好的研究思路。

表1 兩種方式測量數據對比表（單位：μm）

對于具有高精度要求的表面粗糙度測量，受儀器觸針測頭直徑的限制，接觸法測量不能很好地反映切削表面的細微形貌變化，導致接觸式測量所測參數值偏小。另外，接觸式測量中，探針對切削表面的劃傷是影響表面粗糙度不可忽略的因素［3］。

石墨密封環加工機理復雜，其石墨材料中含有銀、銻等多種金屬顆粒基，不同類型材料之間難以像金屬切削表面建立統一的粗糙度評定標準。采用白光干涉法的光學傳感器，在測量時存在部分光束被工件表面吸收的現象，且吸收的程度會隨材質的不同而有所變化，導致測量數據與接觸測量法存有一定的偏差。石墨復合材料零件在測量時，儀器傳感器發出的光束會被石墨環表面部分吸收，因此測量數據與觸針接觸測量數據存在顯著差異。

霍梅爾T8000粗糙度儀采用高斯濾波法提取測量數據信息，并進行表面粗糙度的評定。由傳感器光束吸收等因素導致的測量誤差，應通過修正儀器的濾波參數，消除相位失真，真實反映出零件表面的測量數據信息。

2.3 測量方案確定

針對石墨密封環非接觸測量引入的測量誤差，經過多輪零件測量試驗，最終確定了光學非接觸法測量方法：（1）采用觸針接觸法測量，結果作為測量真值；（2）光學非接觸法測量數據與測量真值比較，據此修正儀器濾波系數；（3）調整系數，使光學法測量結果與真值相等；（4）開展測量。具體測量方案如圖2所示。

圖2 非接觸法測量方案示意圖

2.4 測量方案驗證

根據確定的測量方法，對10件石墨密封環零件進行光學非接觸測量。具體步驟：將石墨密封環1#作為首件，以觸針接觸法進行測量，得到測量結果作為表面粗糙度真值；在進行非接觸測量時，得到的測量結果與真值進行比較，以此調整儀器測量濾波修正參數，使之與測量真值相等；然后開始進行2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#、9#、10#零件的非接觸測量，得到的測量結果如表2所示。

表2 修正后非接觸法測量結果表（單位：μm）

對石墨環零件接觸法測量、光學非接觸法測量和修正系數后的非接觸測量的三組數據進行折線圖分析，得到如圖3所示的示意圖。

圖3 三組測量數據折線圖

從表2、圖3中可以看出，按照確定的測量方案，光學非接觸法取得了比較準確的測量結果。兩種測量方式得到的測量結果曲線擬合較好，最大測量誤差為6%。

為驗證光學非接觸法測量表面粗糙度方法的準確性，在石墨環零件測量數據的基礎上又進行了測量不確定度評定。

（1）數學模型。選取接觸式測量Ra值為0.18μm的1#石墨環零件為對象，按上文確定的測量方案進行光學非接觸測量，通過10次測量得出Ra平均值為0.18μm。

數學模型：α=A。其中，α為被測試件的表面粗糙度實測值；A為儀器顯示的Ra平均值。

（2）輸入量A的標準不確定度u（A）的評定。不確定度來源主要包括：測量重復性引入的標準不確定度u（A1）；粗糙度儀測量誤差引入的相對標準不確

定度u（A2）；石墨環樣件標定誤差引入的相對測量不確定度u（A3）。

選用1#石墨環零件，在其表面的同一位置連續測量10次，測量結果Ra值分別為0.18、0.19、0.18、0.18、0.18、0.18，0.18、0.18、0.18、0.18，平均值為0.18，則單次實驗標準差為：

T8000粗糙度輪廓儀最大允許示值誤差為±5%，按照均勻分布，其B類不確定度為：

石墨環樣件標定測量不確定度為6%，按照均勻分布，其B類不確定度為：

計算輸入量A的標準不確定度u（A）：

（3）合成標準不確定度評定。合成標準不確定度評定：

（4）擴展不確定度評定。取置信概率p=95%，k=2，則U=2uc=2×4.9%=10%；測量不確定度：U=10%（k=2）。

根據該方法表面粗糙度測量應達到的技術要求，參考現行表面粗糙度比較樣塊校準規范的要求“所用測量儀器最大允許示值誤差不大于±7%，Ra平均值對公稱值偏離量不應超過+12%～-17%”，經對光學非接觸法測量不確定度進行分析，粗糙度儀示值精度為5%，測量不確定度為10%，滿足石墨密封環表面粗糙度測量要求。可見，測量數據準確可靠，測量方案得以驗證。

2.5 平面度檢測方案確定

由于T8000粗糙度儀不具備平面度測量功能，因此油泵類密封元件平面度的測量立足于解決本所檢測設備。根據計量器的精度、零件材料和形狀特點，結合零件測量試驗，分油盤等金屬材料類零件平面度的測量器具為平面平晶；石墨環等非金屬材料零件平面度則選用三坐標測量機作為檢測手段。

平面平晶采用光波干涉法檢測，適用于平面度要求為0.3μm以上的分油盤類零件檢測。石墨環類零件平面度的測量，使用UPMC876型三坐標測量機開展檢測，測量誤差為0.8μm。

3 研究結論

通過測量試驗及技術研究，針對伺服機構油泵類密封關鍵件表面粗糙度及平面度的檢測要求，可采用以下檢測技術方案來完成。

第一，密封零件表面粗糙度的檢測，可以外協委托霍梅爾T8000儀器進行測量。目前，該儀器已經在技改項目中獲得批復，將來可以獨立完成表面粗糙度檢測。

第二，密封零件平面度的檢測，根據材質的不同可以利用UPMC876三坐標測量機或平面平晶進行測量。

參考文獻

［1］唐曦.基于白光干涉技術的表面粗糙度測量［D］.哈爾濱：哈爾濱理工大學工學，2011.

［2］李成貴，李行善，強錫富.三維表面微觀形貌的測量方法［J］.宇航計測技術，2000，（4）：2-10.

［3］楊東軍.FRRMC切削表面三維微觀形貌測量的研究［D］.大連：大連理工大學，2005.

Research on the Detection Technology of the Key Parts of the Oil Pump

JIANG Guoming,MAN Nan
（Beijing precision electromechanical control equipment research institute, Beijing 100076）

Abstract:Oil products is an important component of space power servo mechanism, the sealing surface quality detection requirements of key parts with high precision. This kind of parts usually adopts graphite alloy composite material, traditional detection methods can not meet the design requirements of the process. The key seals surface roughness and flatness detection technology research on the proposed optical non contact measurement method, were measured and compared, on the causes of errors are analyzed, put forward corresponding solutions and verified. This scheme has been used in actual production, meet the technical requirements of the product.

Key words:graphite composite material, surface roughness, measurement uncertainty