孫宇飛，雷天才，孟玉堂，馬仁虎

中國(guó)工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所

1 引言

孔類(lèi)特征是零件加工中常見(jiàn)的類(lèi)型，在各類(lèi)裝備的機(jī)械結(jié)構(gòu)中廣泛存在[1]。其中，針對(duì)深孔的內(nèi)徑測(cè)量一直是制造業(yè)中的一項(xiàng)重要內(nèi)容[2]。孔徑的精確測(cè)量對(duì)提高加工精度和保證裝備質(zhì)量具有重要意義。

在大尺寸零件深孔特征測(cè)量過(guò)程中，內(nèi)徑百分表操作不便且懸臂較長(zhǎng)，百分表和測(cè)量桿的自重會(huì)使測(cè)量桿產(chǎn)生彈性變形，極易引入測(cè)量誤差[3]。為提高深孔孔徑測(cè)量精度，設(shè)計(jì)了基于氣動(dòng)原理的深孔自定心裝置，用以輔助檢驗(yàn)人員完成深孔內(nèi)徑的精確測(cè)量。

2 測(cè)量誤差分析

內(nèi)徑百分表由杠桿式測(cè)量架和百分表組成[4]。如圖1所示，采用比較測(cè)量法時(shí)，以標(biāo)準(zhǔn)環(huán)規(guī)為基準(zhǔn)，測(cè)量前應(yīng)根據(jù)被測(cè)孔徑大小選擇合適的測(cè)頭以及伸出距離，從而保證被測(cè)孔徑處于活動(dòng)測(cè)頭行程的中間位置。

內(nèi)徑百分表的測(cè)量誤差分為測(cè)量設(shè)備誤差和人為操作誤差。測(cè)量設(shè)備誤差主要有儀器的不確定性及標(biāo)準(zhǔn)環(huán)規(guī)尺寸誤差等，人為操作誤差主要包括定心偏差以及零位調(diào)整不準(zhǔn)等。在大尺寸零件深孔孔徑測(cè)量過(guò)程中，由于測(cè)量桿懸臂較長(zhǎng)和現(xiàn)場(chǎng)操作不便，容易產(chǎn)生人為操作誤差。除儀器固有特性(如制造精度本身)誤差和人為操作不當(dāng)引起的誤差外，測(cè)量過(guò)程的誤差主要是定心誤差。

圖1 孔徑測(cè)量原理

如圖2所示，可換測(cè)頭與活動(dòng)測(cè)頭的連線與深孔軸線相交為深孔內(nèi)徑測(cè)量時(shí)的理想狀態(tài)，而在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，可換測(cè)頭與活動(dòng)測(cè)頭的連線與直徑方向不可避免地會(huì)存在夾角α，從而產(chǎn)生測(cè)量誤差(見(jiàn)圖3)。因測(cè)量桿與直徑方向存在夾角而引起的測(cè)量值偏差為

ΔR=R真-R測(cè)=R真(1-cosα)

(1)

式中，R真為被測(cè)孔徑真實(shí)值；R測(cè)為被測(cè)孔徑實(shí)測(cè)值；α為可換測(cè)頭和活動(dòng)測(cè)頭連線與直徑的夾角。

由式(1)可知，夾角α越大，產(chǎn)生的測(cè)量值偏差越大。因此，在實(shí)際測(cè)量中需要嚴(yán)格控制角度偏差α，以減少測(cè)量過(guò)程中的誤差，實(shí)現(xiàn)被測(cè)孔徑的正確評(píng)定。

圖2 測(cè)量的理想狀態(tài) 圖3 定心偏差引起的測(cè)量誤差

3 定心系統(tǒng)組成及工作原理

本文設(shè)計(jì)的深孔自定心裝置結(jié)構(gòu)如圖4所示。采用氣缸可以使全向輪在接觸被測(cè)深孔內(nèi)壁時(shí)有足夠的支撐力，以避免使用彈簧作為施力元件時(shí)因壓縮量不足或支撐力不夠而導(dǎo)致支撐失敗。此外，使用全向輪能夠引入繞內(nèi)孔軸線周向方向旋轉(zhuǎn)的自由度，從而實(shí)現(xiàn)單個(gè)截面多角度和多方向的直徑測(cè)量，最終完成對(duì)被測(cè)孔徑參數(shù)的正確評(píng)定。

1.氣缸 2.氣缸安裝板 3.移動(dòng)塊 4.導(dǎo)向桿 5.固定塊 6.從動(dòng)桿 7.主動(dòng)桿 8.全向輪 9.直線軸承圖4 深孔自定心裝置

測(cè)量孔徑時(shí)，先將定心裝置放入孔內(nèi)，手動(dòng)操作氣動(dòng)換向閥，使氣缸無(wú)桿腔通氣，氣缸缸桿在高壓氣體的作用下伸出，推動(dòng)移動(dòng)盤(pán)沿軸向移動(dòng)，進(jìn)而推動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)中的主動(dòng)桿，使從動(dòng)桿上抬并改變連桿機(jī)構(gòu)的張角。當(dāng)連桿機(jī)構(gòu)張角到達(dá)一定程度，全向輪接觸內(nèi)孔的內(nèi)壁后便可實(shí)現(xiàn)定心。

4 定心機(jī)構(gòu)關(guān)鍵部件強(qiáng)度校核

定心機(jī)構(gòu)中存在較多由旋轉(zhuǎn)軸、軸承和連桿構(gòu)成的轉(zhuǎn)動(dòng)副，為保證機(jī)構(gòu)中的部件強(qiáng)度滿(mǎn)足使用要求，需對(duì)機(jī)構(gòu)中關(guān)鍵部件的旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行強(qiáng)度校核。

設(shè)定旋轉(zhuǎn)軸的材料為45鋼，泊松比0.3，彈性模量206GPa，屈服強(qiáng)度355MPa，抗拉強(qiáng)度600MPa。在旋轉(zhuǎn)軸的兩端添加固定位移約束，同時(shí)在旋轉(zhuǎn)軸表面銷(xiāo)孔位置加載壓力，進(jìn)行應(yīng)力及應(yīng)變求解，求解結(jié)果如表1所示。

表1 旋轉(zhuǎn)軸有限元分析

如圖5所示，由旋轉(zhuǎn)軸應(yīng)力分析結(jié)果可知，旋轉(zhuǎn)軸承受的最大應(yīng)力為2.16MPa，最大變形量為0.0953μm，因此材料與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度能夠滿(mǎn)足實(shí)際使用需求。

圖5 旋轉(zhuǎn)軸應(yīng)力分析

采用同樣方法對(duì)安裝板進(jìn)行應(yīng)力分析，應(yīng)力分析結(jié)果圖6，分析結(jié)果見(jiàn)表2?？芍?，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度同樣滿(mǎn)足使用要求。

圖6 安裝板應(yīng)力分析

表2 旋轉(zhuǎn)軸有限元分析

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)使用內(nèi)徑百分表測(cè)量深孔類(lèi)零件內(nèi)徑過(guò)程中出現(xiàn)的懸臂過(guò)長(zhǎng)和不易操作的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于氣動(dòng)原理的深孔自定心機(jī)構(gòu)，利用氣缸的推力改變連桿機(jī)構(gòu)的張角，進(jìn)而使圓周方向均勻分布的三個(gè)全向輪抵住深孔內(nèi)壁，以實(shí)現(xiàn)定心，通過(guò)內(nèi)徑百分表實(shí)現(xiàn)深孔內(nèi)徑的測(cè)量。

該定心裝置可以有效降低測(cè)量過(guò)程中現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高內(nèi)徑測(cè)量精度，對(duì)保證機(jī)械加工產(chǎn)品質(zhì)量有積極作用。