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谈核主泵小直径深孔检测技术

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谈核主泵小直径深孔检测技术

摘要:屏蔽主泵直径深孔测量阶段,检测工具受到制约,无法满足测量要求,针对该问题,对小直径深孔的结构特点、加工特点及检测要求进行分析,提出检测系统的技术需求,包括可实现超深测量、高精测量、操作方便等,按照对检测系统的功能需求,对常用检测方法——振荡扫描检测法、三坐标机检测法、尺寸线规检测法、加长机械式内径百分表检测进行逐一介绍,并对检测功能进行分析,确定现有检测手段在小直径深孔检测过程中存在的主要问题,对现有可使用检测系统存在的主要问题逐一解决,优化现有系统的部分功能,提出新型检测系统的主要功能结构和主要功能模块,完成方案设计,对新型检测系统工具结构、工作原理、操作过程、测量原理进行详尽描述,明确检测方案及操作方法,提出创新点。实现屏蔽主泵小直径深孔直径的高精、高效测量。

关键词:小直径;深孔;测量

某屏蔽电动泵制造技术研制过程中,其主法兰螺栓内孔为长径比达64的小直径盲孔,且加工精度高,要求检测孔内任意截面的实际孔径值。小直径深孔检测空间小,检测工具受到制约,检测孔内任意截面的实际内径值更是困难,以往普通的检测方法和工具无法实现,高精度检测是一个亟待解决的问题,本文针对现有测量工具及测量方法出现的问题进行分析,提出一种新的小口径深孔内径检测方法,使其实际操作更简便,在线检测精确度高,实现小直径深孔的高效、高精测量,提高检测效率。

1检测系统技术需求分析

通常直径小于20mm的孔视为小孔,长径比大于5的孔被视为深孔。深小孔在加工过程中很难保证孔表面与口径孔深处截面口径相同,由于检测空间的限制,检测设备需求如下:(1)可以进行超深测量;(2)测量误差小,实现高精测量;(3)可以实现远距离操作;(4)方便操作。

2现有检测方法分析

2.1三坐标机检测法

三坐标检测方法是现在三坐标及上对被测物表面进行数据采集,接触型三坐标机检测利用测球和孔壁接触,根据各记录点的X、Y、Z空间坐标,配合相应评定原则的测量软件,接受并存储测球的坐标值,通过数据处理今儿实现对孔(或轴)中心坐标、直径或其他几何元素及轮廓度的检测。检测精度高,可以达到5μm,并可实现自动检测,缺点是不便对深孔进行检测。

2.2加长机械式内径百分表

测量前,调整零位并拧紧螺母。测量时,一手握住表杆手柄部位,一手按下定位护桥,把活动测头压下放入被测孔内。前后左右摆动,观察指针的拐点位置,读出孔径值。

3主要问题

通过对现有检测方法分析,现有可用的检测手段为加长机械式内径百分表,但该检测手段存在如下主要问题:(1)受测量方法限制,使用加长测量杆超深测量时,操作难度大,不易实现。(2)测量过程中,反复移动测量杆,增加测砧及测头与深孔内壁的摩擦,存在划伤内孔表面的危险,影响内孔表面质量。(3)存在人为操作误差、示值误差及读数瞄准误差,影响最终测量精度,无法满足检测要求。

4新型测量工具结构及工作原理

通过对现有系统存在的主要问题进行改进,开发研制一套新型测量工具及检测方法。该新型测量工具系统主要包括:弹性装置、连接部分、信号处理系统、位移传感模块、操控装置等。实现高精、高效测量小直径深孔内任意截面处直径。

4.1新型测量工具结构

b)新型检测工具结构示意图c)新型检测工具结构示意图1.伸缩测爪2.侧头弹簧3.测头4.接长杆5.接长杆顶针6.枪体顶针7.枪体8.弹簧Ⅰ9.扳机10.数字显示模块11.弹簧Ⅱ12.尾盖13.测头顶针14.前盖15.定位螺母16.手柄17.位移传感器模块18.上盖19.扳机销子20.支撑套21.板机调节螺钉22.限位板

4.2工作原理

如图1(a)、图1(b)、图1(c)所示,壳体为中空结构,壳体的前端沿周向设有三个与壳体中心孔连通的径向通孔,各径向通孔内均设有一个伸缩测爪和测头弹簧,测头弹簧的两端分别与伸缩测爪和测头连接,壳体的后端设有与壳体中心孔连通的豁口,扳机的一端插设与豁口内,并与壳体铰接,顶针组件插设于壳体的中心孔处,并一端与伸缩测爪抵接,顶针组件的另一端穿过扳机上设有的孔与壳体滑动连接,扳机的前侧设有用于扳机限位的弹簧,扳机的后侧设有用于顶针组件复位的弹簧,壳体的后端设有数字显示模块,顶针组件的后端设有与数字显示模块连接的位移传感器,数字显示模块为可旋转数字显示模块。壳体包括由前向后依次螺纹连接的测头、接长杆及枪体、测头、接长杆及枪体均为中空结构。接长杆与枪体之间设有前盖,前盖与接长杆螺纹连接。测头的横剖面为T型结构,径向通孔均布于T型结构的头部,枪体后端下方设有手柄。顶针组件包括测头顶针、接长杆顶针及枪体顶针,测头顶针设置于测头内,接长杆顶针设置于接长杆内,枪体顶针设置于枪体内。弹簧Ⅰ套设于枪体顶针上、并一端与壳体抵接,另一端与套设于枪体顶针上的限位板抵接。枪体顶针的后端通过支撑套与壳体滑动连接,弹簧Ⅱ的一端套设于壳体内部后端设有的弹簧导向柱上,另一端与支撑套抵接。顶针组件的长度根据需要组装,来测量不同深度的孔。枪体上沿轴向设有与豁口连通的螺纹孔,该螺纹孔内连接有扳机调节螺丝,扳机调节螺钉与扳机抵接。通过扳机调节螺丝来调节扳机和手柄之间的距离,以适合不同人的手的大小以及方便同一孔径的重复测量。伸缩测爪的测头为球面,使得三点接触孔内壁时构成球面,这样测头的歪斜对测量结果影响不大,甚至在较小角度歪斜时没有影响。

4.3操作过程

扣住扳机,枪体顶针右移,在测头弹簧的弹力作用下,伸缩测爪缩回,由机械结构连在一起的测头顶针和接长杆顶针与枪体顶针一起右移。枪体顶针的往右移动,枪体内的位移传感器也同时移动并记录位移,并将位移值传输给数字显示模块。释放扳机,弹簧Ⅱ施加向左推力,枪体顶针、接长杆顶针和测头顶针一起向左移动,和测头顶针相连的伸缩测爪被顶出向外伸出。枪体内的位移传感器也同时向左移动并记录位移,并将位移值传输给数字显示模块。

4.4测量原理

三片伸缩测爪和内孔内壁三点接触,由伸缩测爪的伸缩长短计算出孔径大小。伸缩测爪的基准位置以在标准环规实际尺寸为准(将测头放入标准环规,数显部分记录此时的基准值)。测量时,先用标准量规,让位移传感器记住一个标准直径尺寸。当三个伸缩测爪在直径上同时向外移动1mm时,直径方向相当于增加2mm。这时,顶针也同时向右轴向移动2mm。位移传感器记录顶针向右轴向位移2mm。伸缩测爪径向位移转换成顶针轴向位移的原理如图2所示。伸缩测爪1径向移动“X”距离时,顶针轴向移动“Y”距离。当X=2Y时,夹角∠α=26.33°,那么,测头顶针13有一个非常精确的2α锥度面,来保证伸缩测爪1径向位移量与顶针轴向位移量相同。

5创新点

改进伸缩测爪的操控方式,实现远距离操作,实现阶梯小孔径/深孔的尺寸测量;改进测量杆的材质,选择特殊材料制成更加轻便、强度高的测量杆,方便操作;改进测量原理,使用精密测量头,增加数字显示模块、数据采集及处理系统,提高测量精度;增加定位装置,提高测量精度;优化测头的控制方式,避免测头长距离反复在零件内壁滑动;添加操控装置,实现远距离操作;测量部位与操作部位为相互独立的两部分。减小测量杆长度,以减轻测量杆重量,方便操作。更改测量爪的型式,减少测量爪与工件内壁的摩擦。伸缩测爪与操作部位链接,测量前伸缩测爪缩回,到达测量位置时自动弹出,提高操作的自动化程度,同时,减少测爪与工件内壁的摩擦。

6先进性和社会效益评价

该检测工具和检测操作方法,现已应用到AP1000、CAP1400国家重大科研项目,以及国产化屏蔽主泵CAP1000、CAP1400、轴封主泵主螺栓深孔的测量。并且,在其他机械行业小径/深孔的测量中得到广泛应用。填补了小径、深孔检测的空白,开辟了小径/深孔特殊检测工具及测量方法的新领域,提高了产品的质量,社会效益是不可估算的。在国际上,以往的小孔径测量工具,仅限于浅孔测量。如此大长径比深孔的测量,也是第一次开发研制,该测量工具,达国际先进水平。

参考文献:

[1]隋鑫.深孔内径光电检测技术研究.[硕士论文].天津:天津大学光电子工程学院测试计量技术与仪器,2006.

[2]叶宗茂.浅谈三坐标机对孔、轴、平面的正确测量[M].工具技术,2005.第39卷.

[3]王海波.内径百分表工作原理、误差、结构及使用[J].机械工程师,2014,(4).

作者:刘文英 关锰 孟艳玲 胡英俊 王良 谭俊哲 单位:沈阳鼓风机集团股份有限公司