多噴嘴氣動直線度量針及其校準(zhǔn)環(huán)的設(shè)計與使用方法

周可平，何林美，周紅艷，李冀霞

(中國航發(fā)貴州紅林航空動力控制科技有限公司，貴陽550009)

1 引言

直線度是深孔零件的一項重要質(zhì)量指標(biāo)，在很大程度上影響零件的性能。航空產(chǎn)品中有大量高精度要求的薄壁深孔零件需通過檢測其直線度來進(jìn)行質(zhì)量管控。深孔直線度測量方法分為兩類：有直線基準(zhǔn)法和無直線基準(zhǔn)法。有直線基準(zhǔn)法主要包括：①光軸法——該方法結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，只適合較大孔的直線度測量，其代表性研究為劉雷[1]基于光軸法原理加以改進(jìn)的鋼管直線度智能檢測技術(shù)研究。②激光準(zhǔn)直測量法[2]——該方法效率高、精度高，但受激光束光強(qiáng)及穩(wěn)定性約束，對設(shè)備要求也高。匡翠芳等[3]基于激光準(zhǔn)直直線度測量方法，研制了一種由半導(dǎo)體激光器、四象限光電器及單片機(jī)組成的二維直線度準(zhǔn)直儀。③激光外差干涉測量法[4-5]——該方法分辨率高、測量精度高，但對環(huán)境要求較高。張華葉[6]研制了一種新型激光外差干涉直線度及位置測量系統(tǒng)。無直線基準(zhǔn)法主要有：①直線度量規(guī)法[7]——該方法簡單易用，但有時測量一個孔需要多組造價昂貴又不易保存的塞規(guī)，且還不能測出孔直線度的實(shí)際值。②圓度法——一種自動化監(jiān)測直線度方法，優(yōu)點(diǎn)是能準(zhǔn)確測量出內(nèi)孔直線度的實(shí)際值，但設(shè)備價格昂貴，且需要具備一定條件的專門房間，測量成本高，過程繁瑣，不便于零件加工現(xiàn)場使用。③杠桿法——此方法簡單易用但測量設(shè)備笨重，精度不高。

縱觀上述兩大類方法，均存在各自的缺點(diǎn)。為準(zhǔn)確測量深孔零件內(nèi)圓直線度的實(shí)際值，筆者提出采用氣動量儀測量內(nèi)孔直線度。氣動測量法屬于無直線基準(zhǔn)的檢測方法，相對于其他測量法具有如下優(yōu)點(diǎn)：①能實(shí)現(xiàn)非接觸測量，對易變形薄壁零件特別有利；②氣動量儀的測量條件很低，使用簡單，適合加工現(xiàn)場使用和大批量生產(chǎn)使用；③測量精度高，能測量其他測量方法無法測量的部位；④能直接測量出內(nèi)孔直線度實(shí)際值。基于這四大優(yōu)勢，本文研究了浮標(biāo)式氣動量儀的非接觸測量原理，設(shè)計了多噴嘴氣動直線度量針，對測量內(nèi)孔直線度的方法進(jìn)行了研究。設(shè)計的多噴嘴氣動直線度量針填補(bǔ)了行業(yè)內(nèi)的一項技術(shù)空白，并獲得一項發(fā)明專利[8]。

2 浮標(biāo)式氣動量儀結(jié)構(gòu)和原理

浮標(biāo)式氣動量儀[9]是一種常用的氣動量儀，由氣動量針和量儀計量部分組成。氣動量針是將量頭外圓面到被測零件之間的間隙Z轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w流量Q的傳感器，由組合套、量頭、接頭、手柄組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。量儀計量部分是一個垂直安裝的、內(nèi)徑由下而上逐漸增大的檢視管，在檢視管中有一金屬浮標(biāo)。如圖2所示，工作時，氣動量針接在量儀計量部分上，空氣自檢視管下端流入，經(jīng)檢視管流動并支持著浮標(biāo)。由檢視管上端流出的空氣，經(jīng)軟管、測量頭的噴嘴孔(直徑d3)和間隙逸入大氣。當(dāng)間隙增大時，流量增加，浮標(biāo)必須上升至與流量相適應(yīng)的高度H；反之，則浮標(biāo)所處位置下移。間隙變化量與浮標(biāo)高度變化量ΔH呈線性關(guān)系，保證了浮標(biāo)式氣動量儀可以使用均勻的刻度值。

3 多噴嘴氣動直線度量針測量原理

如圖3所示，內(nèi)孔直徑D′軸線直線度公差要求為?t，即內(nèi)孔的軸線必須位于直徑為公差值t的圓柱面內(nèi)[10]。當(dāng)零件存在直線度誤差時，零件內(nèi)孔不同截面直徑不同(見D′max與D′min)，測出其變化量即可測出孔的直線度公差。多噴嘴氣動直線度量針測量時，零件沿量頭徑向旋轉(zhuǎn)一周，氣動量儀上浮標(biāo)的變化量ΔH即為直徑D′max與D′min的差值，此差值的一半即為零件內(nèi)孔直線度公差值。

4 多噴嘴氣動直線度量針及其校準(zhǔn)環(huán)設(shè)計

4.1 多噴嘴氣動直線度量針設(shè)計

直線度量針應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品零件的結(jié)構(gòu)、直徑、長度的不同分別設(shè)計。根據(jù)測量內(nèi)孔尺寸、錐度、橢圓度用的氣動直線度量針量頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計原理，按照倍率等效應(yīng)原理[11](孔出氣量相等)，可將圖4(a)中2個噴嘴孔d3尺寸換算成圖4(b)中量頭的4個噴嘴孔d3′尺寸，然后將4個噴嘴孔d3′按圖4(c)的形式排列，即為測量內(nèi)孔直線度用多噴嘴氣動直線度量針的量頭。d3與d3′的關(guān)系按照疊加原理可得d3′=d3/2。

多噴嘴氣動直線度量針的基本結(jié)構(gòu)由量頭、接頭、手柄組成(圖5)。根據(jù)目前產(chǎn)品零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，多噴嘴氣動直線度量針的量頭有兩種結(jié)構(gòu)。如圖6(a)所示，當(dāng)被測零件孔直徑D在L/2(L為零件孔總長)處無與之相交的孔或槽時，測量其直線度的多噴嘴氣動直線度量針的量頭結(jié)構(gòu)基本尺寸按圖6(b)設(shè)計，其余尺寸根據(jù)零件結(jié)構(gòu)和參照氣動量針標(biāo)準(zhǔn)確定。如圖7(a)所示，當(dāng)被測零件孔直徑在L/2處有與之相交的孔或槽時，測量其直線度的多噴嘴氣動直線度量針的量頭結(jié)構(gòu)基本尺寸按圖7(b)設(shè)計，其余尺寸根據(jù)零件結(jié)構(gòu)和參照氣動量針標(biāo)準(zhǔn)確定。兩種多噴嘴氣動直線度量針量頭結(jié)構(gòu)的基本尺寸均按照表1公式計算。表中，Dmin是零件孔徑的最小極限尺寸，t是零件孔軸線的直線度公差。

4.2 多噴嘴氣動直線度量針校準(zhǔn)環(huán)設(shè)計

多噴嘴氣動直線度量針使用前，應(yīng)在氣動量儀上用校準(zhǔn)環(huán)對直線度量針進(jìn)行校準(zhǔn)。圖8和表2分別給出了校準(zhǔn)環(huán)的結(jié)構(gòu)尺寸及技術(shù)要求，校準(zhǔn)環(huán)厚度B必須大于量針兩噴嘴孔處空刀的寬度h(圖9(a)、圖9(b))，且三個校準(zhǔn)環(huán)厚度應(yīng)一致。設(shè)圖9(a)和圖9(b)中校準(zhǔn)環(huán)Ⅰ、Ⅱ的內(nèi)孔直徑分別為Dρmax、Dρmin，Ⅲ的為Dρmax或Dρmin(Ⅲ是輔助校準(zhǔn)環(huán)，選用Ⅰ或Ⅱ任意一個均可)，則校準(zhǔn)環(huán)Ⅰ、Ⅱ孔徑的計算公式分別為Dρmax=Dmin+S+t和Dρmin=Dmin，其中S為零件孔徑公差。

表1 多噴嘴氣動直線度量針的量頭尺寸計算表Table 1 Multi-nozzle pneumatic linear measuring needle size calculation table

表2 校準(zhǔn)環(huán)技術(shù)要求Table 2 Calibration ring technical requirements

5 多噴嘴氣動直線度量針的校準(zhǔn)及測量方法

5.1 校準(zhǔn)

多噴嘴氣動直線度量針使用前，應(yīng)在氣動量儀上用校準(zhǔn)環(huán)對直線度量針進(jìn)行校準(zhǔn)。按圖9(a)和圖9(b)所示，將多噴嘴氣動直線度量針量頭放置于水平位置，使兩頭噴嘴孔向上，先套入校準(zhǔn)環(huán)Ⅲ與進(jìn)氣口處的襯套端面頂靠，再依次套入校準(zhǔn)環(huán)Ⅱ和Ⅰ，讀出氣動量儀指示的值，然后調(diào)換校準(zhǔn)環(huán)Ⅰ和Ⅱ的位置，再讀出氣動量儀指示的值，兩值之差大于或等于校準(zhǔn)環(huán)Ⅰ的孔徑實(shí)際值減去校準(zhǔn)環(huán)Ⅱ的孔徑實(shí)際值，直線度量針即合格，小于則不合格。如圖10所示，當(dāng)校準(zhǔn)環(huán)Ⅰ和Ⅱ分別均能遮蓋住多噴嘴氣動直線度量針量頭3個噴嘴孔時，校準(zhǔn)時可將輔助校準(zhǔn)環(huán)Ⅲ去掉。

5.2 測量方法

將多噴嘴氣動直線度量針接頭通過軟管與浮標(biāo)式氣動量儀相連(圖2)，量頭放入被測零件孔內(nèi)(圖6(b)、圖7(b))，可以在任意位置(如垂直、水平、傾斜)測量，轉(zhuǎn)動量頭或被測零件一周，氣動量儀上指示值變化量(差值)的1/2即為被測零件內(nèi)孔的直線度公差。

6 測量結(jié)果分析

測量選用10 000倍倍率的氣動量儀，氣源壓力0.35～0.60 MPa。試驗件為L/2處無相交孔(圖6(a))和L/2處有相交孔(圖7(a))兩種零件各5件，零件直線度要求均為0.001。用兩種多噴嘴氣動直線度量針(圖6(b)、圖7(b))對各自對應(yīng)的每件零件分別重復(fù)測量5次，再將上面的10件零件用圓柱度測量儀進(jìn)行測量對比，測量結(jié)果見表3、表4。由表可知，兩種多噴嘴氣動直線度量針的穩(wěn)定性均在10 000倍倍率的氣動量儀要求的0.000 5內(nèi)，且直線度值均在0.001內(nèi)，說明量針穩(wěn)定性好。兩種多噴嘴氣動直線度量針測量結(jié)果與圓柱度測量儀測量結(jié)果基本一致，說明多噴嘴氣動直線度量針測量精度高。

表3 無相交孔零件的直線度量針和圓柱度測量儀測量的直線度Table 3 Straightness measured by linear measuring needle and cylindricity measuring instrument without intersecting hole

表4 有相交孔零件的直線度量針和圓柱度測量儀測量的直線度Table 4 Straightness measured by linear measuring needle and cylindricity measuring instrument with intersecting hole

7 結(jié)束語

根據(jù)氣動量針測量原理及深孔零件內(nèi)孔直線度測量要求，設(shè)計了多噴嘴氣動直線度量針及其校準(zhǔn)環(huán)，并進(jìn)行了測量試驗以驗證多噴嘴氣動直線度量針的性能。結(jié)果表明，該多噴嘴氣動直線度量針具有測量精度高、穩(wěn)定性好、效率高、成本低、可直接在現(xiàn)場使用、能直接測量零件內(nèi)孔直線度等優(yōu)點(diǎn)，完全可替代昂貴的圓柱度測量儀等進(jìn)行測量。該設(shè)計獲得了發(fā)明專利，并已在現(xiàn)有實(shí)際產(chǎn)品中推廣應(yīng)用，具有較好的市場前景。

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