核主泵小直徑深孔檢測技術探究

劉文英，關錳，孟艷玲，胡英俊，王良，譚俊哲

（沈陽鼓風機集團股份有限公司，遼寧 沈陽 110869）

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

1 檢測系統技術需求分析

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，檢測設備需求如下：

（1）可以進行超深測量；

（2）測量誤差小，實現高精測量；

（3）可以實現遠距離操作；

（4）方便操作。

2 現有檢測方法分析

2.1 三坐標機檢測法

三坐標檢測方法是現在三坐標及上對被測物表面進行數據采集，接觸型三坐標機檢測利用測球和孔壁接觸，根據各記錄點的X、Y、Z 空間坐標，配合相應評定原則的測量軟件，接受并存儲測球的坐標值，通過數據處理今兒實現對孔（或軸）中心坐標、直徑或其他幾何元素及輪廓度的檢測。檢測精度高，可以達到5μm，并可實現自動檢測，缺點是不便對深孔進行檢測。

2.2 加長機械式內徑百分表

測量前，調整零位并擰緊螺母。測量時，一手握住表桿手柄部位，一手按下定位護橋，把活動測頭壓下放入被測孔內。前后左右擺動，觀察指針的拐點位置，讀出孔徑值。

3 主要問題

通過對現有檢測方法分析，現有可用的檢測手段為加長機械式內徑百分表，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，操作難度大，不易實現。

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

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

4 新型測量工具結構及工作原理

通過對現有系統存在的主要問題進行改進，開發研制一套新型測量工具及檢測方法。該新型測量工具系統主要包括：彈性裝置、連接部分、信號處理系統、位移傳感模塊、操控裝置等。實現高精、高效測量小直徑深孔內任意截面處直徑。

4.1 新型測量工具結構

圖1

4.2 工作原理

如圖1（a）、圖1（b）、圖1（c）所示，殼體為中空結構，殼體的前端沿周向設有三個與殼體中心孔連通的徑向通孔，各徑向通孔內均設有一個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，殼體的后端設有與殼體中心孔連通的豁口，扳機的一端插設與豁口內，并與殼體鉸接，頂針組件插設于殼體的中心孔處，并一端與伸縮測爪抵接，頂針組件的另一端穿過扳機上設有的孔與殼體滑動連接，扳機的前側設有用于扳機限位的彈簧，扳機的后側設有用于頂針組件復位的彈簧，殼體的后端設有數字顯示模塊，頂針組件的后端設有與數字顯示模塊連接的位移傳感器，數字顯示模塊為可旋轉數字顯示模塊。

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構。接長桿與槍體之間設有前蓋，前蓋與接長桿螺紋連接。測頭的橫剖面為T 型結構，徑向通孔均布于T 型結構的頭部，槍體后端下方設有手柄。頂針組件包括測頭頂針、接長桿頂針及槍體頂針，測頭頂針設置于測頭內，接長桿頂針設置于接長桿內，槍體頂針設置于槍體內。彈簧Ⅰ套設于槍體頂針上、并一端與殼體抵接，另一端與套設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的一端套設于殼體內部后端設有的彈簧導向柱上，另一端與支撐套抵接。頂針組件的長度根據需要組裝，來測量不同深度的孔。

槍體上沿軸向設有與豁口連通的螺紋孔，該螺紋孔內連接有扳機調節螺絲，扳機調節螺釘與扳機抵接。通過扳機調節螺絲來調節扳機和手柄之間的距離，以適合不同人的手的大小以及方便同一孔徑的重復測量。伸縮測爪的測頭為球面，使得三點接觸孔內壁時構成球面，這樣測頭的歪斜對測量結果影響不大，甚至在較小角度歪斜時沒有影響。

4.3 操作過程

扣住扳機，槍體頂針右移，在測頭彈簧的彈力作用下，伸縮測爪縮回，由機械結構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，槍體內的位移傳感器也同時移動并記錄位移，并將位移值傳輸給數字顯示模塊。釋放扳機, 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。槍體內的位移傳感器也同時向左移動并記錄位移，并將位移值傳輸給數字顯示模塊。

4.4 測量原理

三片伸縮測爪和內孔內壁三點接觸，由伸縮測爪的伸縮長短計算出孔徑大小。伸縮測爪的基準位置以在標準環規實際尺寸為準(將測頭放入標準環規，數顯部分記錄此時的基準值)。

測量時，先用標準量規，讓位移傳感器記住一個標準直徑尺寸。當三個伸縮測爪在直徑上同時向外移動1mm 時，直徑方向相當于增加2mm。這時，頂針也同時向右軸向移動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，頂針軸向移動“Y”距離。當X=2Y 時，夾角∠α=26.33°，那么，測頭頂針13 有一個非常精確的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換成頂針軸向位移原理示意圖

5 創新點

改進伸縮測爪的操控方式，實現遠距離操作，實現階梯小孔徑/深孔的尺寸測量；改進測量桿的材質，選擇特殊材料制成更加輕便、強度高的測量桿，方便操作；改進測量原理，使用精密測量頭，增加數字顯示模塊、數據采集及處理系統，提高測量精度；增加定位裝置，提高測量精度；優化測頭的控制方式，避免測頭長距離反復在零件內壁滑動；添加操控裝置，實現遠距離操作；測量部位與操作部位為相互獨立的兩部分。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，到達測量位置時自動彈出，提高操作的自動化程度，同時，減少測爪與工件內壁的摩擦。

6 先進性和社會效益評價

該檢測工具和檢測操作方法，現已應用到AP1000、CAP1400 國家重大科研項目，以及國產化屏蔽主泵CAP1000、CAP1400、軸封主泵主螺栓深孔的測量。并且，在其他機械行業小徑/深孔的測量中得到廣泛應用。填補了小徑、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域，提高了產品的質量，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，也是第一次開發研制，該測量工具，達國際先進水平。