核主泵小直径深孔检测技术探究

刘文英，关锰，孟艳玲，胡英俊，王良，谭俊哲

（沈阳鼓风机集团股份有限公司，辽宁 沈阳 110869）

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

图1

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。

图2 伸缩测爪径向位移转换成顶针轴向位移原理示意图

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。