多噴嘴氣動直線度量針及其校準環的設計與使用方法

周可平，何林美，周紅艷，李冀霞

(中國航發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量指標，在很大程度上影響零件的性能。航空產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行質量管控。深孔直線度測量方法分為兩類：有直線基準法和無直線基準法。有直線基準法主要包括：①光軸法——該方法結構簡單、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的鋼管直線度智能檢測技術研究。②激光準直測量法[2]——該方法效率高、精度高，但受激光束光強及穩定性約束，對設備要求也高。匡翠芳等[3]基于激光準直直線度測量方法，研制了一種由半導體激光器、四象限光電器及單片機組成的二維直線度準直儀。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。無直線基準法主要有：①直線度量規法[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，且還不能測出孔直線度的實際值。②圓度法——一種自動化監測直線度方法，優點是能準確測量出內孔直線度的實際值，但設備價格昂貴，且需要具備一定條件的專門房間，測量成本高，過程繁瑣，不便于零件加工現場使用。③杠桿法——此方法簡單易用但測量設備笨重，精度不高。

縱觀上述兩大類方法，均存在各自的缺點。為準確測量深孔零件內圓直線度的實際值，筆者提出采用氣動量儀測量內孔直線度。氣動測量法屬于無直線基準的檢測方法，相對于其他測量法具有如下優點：①能實現非接觸測量，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，適合加工現場使用和大批量生產使用；③測量精度高，能測量其他測量方法無法測量的部位；④能直接測量出內孔直線度實際值。基于這四大優勢，本文研究了浮標式氣動量儀的非接觸測量原理，設計了多噴嘴氣動直線度量針，對測量內孔直線度的方法進行了研究。設計的多噴嘴氣動直線度量針填補了行業內的一項技術空白，并獲得一項發明專利[8]。

2 浮標式氣動量儀結構和原理

浮標式氣動量儀[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轉變為氣體流量Q的傳感器，由組合套、量頭、接頭、手柄組成，其結構如圖1所示。量儀計量部分是一個垂直安裝的、內徑由下而上逐漸增大的檢視管，在檢視管中有一金屬浮標。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，經檢視管流動并支持著浮標。由檢視管上端流出的空氣，經軟管、測量頭的噴嘴孔(直徑d3)和間隙逸入大氣。當間隙增大時，流量增加，浮標必須上升至與流量相適應的高度H；反之，則浮標所處位置下移。間隙變化量與浮標高度變化量ΔH呈線性關系，保證了浮標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，內孔直徑D′軸線直線度公差要求為?t，即內孔的軸線必須位于直徑為公差值t的圓柱面內[10]。當零件存在直線度誤差時，零件內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一周，氣動量儀上浮標的變化量ΔH即為直徑D′max與D′min的差值，此差值的一半即為零件內孔直線度公差值。

4 多噴嘴氣動直線度量針及其校準環設計

4.1 多噴嘴氣動直線度量針設計

直線度量針應根據產品零件的結構、直徑、長度的不同分別設計。根據測量內孔尺寸、錐度、橢圓度用的氣動直線度量針量頭的結構設計原理，按照倍率等效應原理[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，即為測量內孔直線度用多噴嘴氣動直線度量針的量頭。d3與d3′的關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構由量頭、接頭、手柄組成(圖5)。根據目前產品零件的結構特點，多噴嘴氣動直線度量針的量頭有兩種結構。如圖6(a)所示，當被測零件孔直徑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構基本尺寸按圖6(b)設計，其余尺寸根據零件結構和參照氣動量針標準確定。如圖7(a)所示，當被測零件孔直徑在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構基本尺寸按圖7(b)設計，其余尺寸根據零件結構和參照氣動量針標準確定。兩種多噴嘴氣動直線度量針量頭結構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環設計

多噴嘴氣動直線度量針使用前，應在氣動量儀上用校準環對直線度量針進行校準。圖8和表2分別給出了校準環的結構尺寸及技術要求，校準環厚度B必須大于量針兩噴嘴孔處空刀的寬度h(圖9(a)、圖9(b))，且三個校準環厚度應一致。設圖9(a)和圖9(b)中校準環Ⅰ、Ⅱ的內孔直徑分別為Dρmax、Dρmin，Ⅲ的為Dρmax或Dρmin(Ⅲ是輔助校準環，選用Ⅰ或Ⅱ任意一個均可)，則校準環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 校準環技術要求Table 2 Calibration ring technical requirements

5 多噴嘴氣動直線度量針的校準及測量方法

5.1 校準

多噴嘴氣動直線度量針使用前，應在氣動量儀上用校準環對直線度量針進行校準。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，先套入校準環Ⅲ與進氣口處的襯套端面頂靠，再依次套入校準環Ⅱ和Ⅰ，讀出氣動量儀指示的值，然后調換校準環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環Ⅰ的孔徑實際值減去校準環Ⅱ的孔徑實際值，直線度量針即合格，小于則不合格。如圖10所示，當校準環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，校準時可將輔助校準環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式氣動量儀相連(圖2)，量頭放入被測零件孔內(圖6(b)、圖7(b))，可以在任意位置(如垂直、水平、傾斜)測量，轉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即為被測零件內孔的直線度公差。

6 測量結果分析

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))對各自對應的每件零件分別重復測量5次，再將上面的10件零件用圓柱度測量儀進行測量對比，測量結果見表3、表4。由表可知，兩種多噴嘴氣動直線度量針的穩定性均在10 000倍倍率的氣動量儀要求的0.000 5內，且直線度值均在0.001內，說明量針穩定性好。兩種多噴嘴氣動直線度量針測量結果與圓柱度測量儀測量結果基本一致，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 結束語

根據氣動量針測量原理及深孔零件內孔直線度測量要求，設計了多噴嘴氣動直線度量針及其校準環，并進行了測量試驗以驗證多噴嘴氣動直線度量針的性能。結果表明，該多噴嘴氣動直線度量針具有測量精度高、穩定性好、效率高、成本低、可直接在現場使用、能直接測量零件內孔直線度等優點，完全可替代昂貴的圓柱度測量儀等進行測量。該設計獲得了發明專利，并已在現有實際產品中推廣應用，具有較好的市場前景。

[1]劉 雷.鋼管直線度智能檢測技術研究[D].長春：長春理工大學，2009.

[2]孫長庫，葉聲華.激光測量技術[M].天津：天津出版社，2001.

[3]匡萃芳，馮其波.基于激光準直直線度測量方法的研究[J].光學技術，2003，11(6)：699—701.

[4]Hewlett Pachard.Laser measurement system：USA[P].1980.

[5]陳強華，吳 建，殷純永.雙頻激光遠程直線度/同軸度測量系統[J].中國激光，2002，29(7)：625—630.

[6]張華葉.激光外差干涉直線度及其位置測量系統的研制[D].杭州：浙江理工大學，2012.

[7]劉戰鋒，寧延平，劉雁蜀.精密深孔直線度測量技術的現狀與發展[J].新技術新工藝，2004，25(11)：36—39.

[8]周可平，何林美，劉鑫春.多噴嘴氣動直線度量針及其校準環及校準方法和測量方法：中國，ZL 2014 1 02941029[P].2017.

[9]HB6785～6816-93，氣動量儀用測具及其零件[S].

[10]GB/T 1182-1996，GB/T 1184-1996，形狀和位置公差[S].

[11]石淼森.氣動測量頭[J].四川機械，1983，15(12)：13—21.