薄壁壁厚尺寸檢測裝置結構設計與分析

孫楠楠，史藝廣，陳建斌

（安徽天航機電有限公司，安徽蕪湖 241000）

航空航天產品檢測方式主要包括接觸式檢測與非接觸式檢測，接觸式測量方法是指量檢具傳感器測試部分與被測零件表面接觸，例如游標卡尺、千分尺、內徑量表等。接觸式檢測方式通常用于生產現(xiàn)場，具有檢測效率高、適用范圍廣、操作簡單的特點。非接觸檢測方式是指以光電、電磁、在不接觸被測表面的情況下，通過光路搭建、光學傳感器、渦流傳感器、超聲傳感器等獲得被測表面參數信息。其具有檢測信息量大，檢測重復性好的特點。對于航空產品氣動舵機組件，射流管是關鍵零部件。射流管用于與其他泵組成氣體射流泵配合使用［1-3］，其氣體噴射部分結構壁厚尺寸較為重要。檢測射流管薄壁［4-6］壁厚尺寸成為加工過程中的重點問題。在大多數生產環(huán)境中，通常采用的檢測儀器為光學影像儀，但在現(xiàn)場檢測過程中發(fā)現(xiàn)，由于倒角、毛刺、加工表面粗糙度的影響，在檢測采集測量點時，測量點的坐標位置采集不夠準確，導致測量準確性與重復性較差。針對現(xiàn)存問題，本文設計了一種接觸式檢測方式，區(qū)別于光學影像儀［7］的非接觸式檢測方式［8-9］，接觸式檢測可以減小因影像儀采點不均勻或加工面粗糙等情況引入的測量誤差。在測量系統(tǒng)機構設計中，點接觸方式作為一種高副接觸方式，相較于線接觸方式與面接觸方式，其可以實現(xiàn)更為精準的定位，進而實現(xiàn)精準測量。設計檢測裝置時，要考慮系統(tǒng)誤差，保證其測量的重復性。機械元器件的接觸方式分為一點接觸、兩點接觸和三點接觸，本文所選擇的點接觸方式為一點接觸，即點與平面（精密球與檢測墊片平面）接觸。基于理論分析和實際應用場景，本文所采用圓球與平面的點接觸式檢測裝置，可應用于生產現(xiàn)場檢測。經過有限元靜力學仿真分析［10-12］可以看出，本文設計的點接觸式檢測裝置設計合理，操作方便，檢測效率較高。

2 檢測裝置結構設計及分析

2.1 射流管零件幾何特性分析

需要進行檢測的零件如圖1所示，測量幾何特性為射流管通氣處的1尺寸，其包含公差特性為。對于該薄壁壁厚尺寸，卡尺、千分尺等普通量具不易檢測，盤形千分尺測量面太寬，不易接觸被測面?，F(xiàn)存問題為：利用非接觸式光學影像儀投影檢測時，由于加工面倒角與毛刺的影響，使得測量結果不夠準確，由于此種檢測方案系統(tǒng)誤差較大，故提出一種接觸式檢測方案，以降低倒角、毛刺以及被測加工表面粗糙度情況引入的測量誤差。

圖1 射流管

2.2 檢測裝置結構設計及理論分析

如圖2所示，薄壁壁厚尺寸檢測裝置主要包括以下幾個部分：1為裝置支撐臺，用于支撐檢測系統(tǒng)裝置；2為圓錐形支撐柱（具有一定錐度的圓柱），用于安裝檢測墊片以及調節(jié)檢測墊片的高度（各個零件壁厚加工尺寸存在偏差，尺寸不同，故測量基準面也不同）；3為檢測墊片（具有臺階面，用于定位射流管前端面位置，其材料選擇后應經過熱處理工藝，以確保良好的綜合性能，減少接觸應力所產生的變形量），作為0位基準面；4為射流管零件；5為偏擺儀三爪裝夾機構（偏擺儀卡盤裝夾機構應選擇圓管形，應根據裝夾射流管零件的外徑尺寸4mm確定圓管直徑，保證裝夾面要合適，使零件減少彎曲和變形）用于固定與定位零件。使用時，注意以面與外圓控制零件的自由度，先將零件裝夾至偏擺儀上固定（偏擺儀三爪圓管機構裝夾射流管零件外圓），隨后將檢測裝置緩慢靠近零件，同時調節(jié)墊片的高度，使得檢測墊片與零件壁厚內表面重合，這一操作過程應注意以檢測機構趨近于零件，零件裝夾之后的狀態(tài)使之不發(fā)生改變。由于設計墊片形狀為階梯狀，上表面與零件內表面重合時，使用階梯面進行固定。測量核心儀器為千分表，千分表應豎直向下安裝，由于零件較小、檢測零件較小，選擇測頭直徑為2mm。實際測量過程中，使用千分表對墊片表面高度進行讀數。千分表與調整好的基準面接觸，轉動表盤，歸零后，將千分表抬起，與零件上表面接觸后進行讀數，顯示數值（數字之差）即為厚度，得到壁厚尺寸（為提高檢測效率，千分表亦可不歸零使用，但檢測人員應自行計算差值得到測量結果）。由于測量方式為點接觸，高副機構易產生接觸應力，進而造成應力集中現(xiàn)象，故在設計時，應考慮測頭尺寸和測量力大小對于檢測裝置引起的測量精度影響。這一過程分析，本文采用有限元仿真軟件分析其影響大小。

圖2 檢測裝置

本文設計的檢測結構測頭與零件接觸方式為點接觸，其受力分析如圖3所示，點與平面接觸應力計算公式如公式（1）所示。

圖3

其中σmax為最大接觸壓應力（Pa）；P為集中載荷(N)；E為彈性模量（Pa）;R為半徑（m）。

通過公式分析得出，接觸應力主要受到測力、測球半徑、彈性模量三個因素的影響，接觸應力將引起檢測墊片變形，檢測墊片的變形量會影響檢測精度，墊片變形量的大小受測球半徑與測力大小影響，測球半徑越小，接觸面越小，接觸應力越大，易于造成應力集中；測力越大，接觸面尺寸越大，接觸應力越大；彈性模量越大，接觸應力越小。檢測裝置測頭直徑的選擇情況會影響測量精度，本文為避免應力集中現(xiàn)象，測頭直徑選定為2mm。由于零件被測表面面積較小，考慮實際使用情況，對于較大直徑測頭，本文不進行理論分析。

3 檢測裝置結構有限元分析

有限元分析是指用數學近似的簡單方法分析復雜的問題，其求解的過程是將求解域分割成小的子域，對于每一個假想域求得簡單合適的近似解，然后根據近似域的求解情況推導得出整個域的滿足條件，計算結果為近似解。有限元分析方法最初廣泛應用于航空結構設計中，后來在各行各業(yè)應用廣泛。有限元分析軟件較多，本文選擇為COMSOLMultiphysics多物理場耦合有限元分析軟件。采用有限元分析［3］軟件COMSOLMultiphysics導入結構模型，通過軟件固體力學模塊對其進行受力與變形分析，根據實際檢測過程情況，其中偏擺儀裝夾部分外圓柱面為固定約束，支撐臺設定為固定約束，錐形圓柱面設定為固定約束，墊片基準面設定為邊界載荷，以不同的測力（0.5N、1N、1.5N、2N、2.5N）分別進行分析，不同邊界載荷下的墊片變形量也有所不同，以此分析較為合適的測力大小?？紤]鋼材料穩(wěn)定性較好，變形小，墊片材料選擇為鋼，利用軟件進行分析時，根據設置要求，將楊氏模量、泊松比、密度等物理屬性參數輸入，其中各項材料詳細參數如表1所示。

表1 鋼材料參數

添加材料完成后進行網格劃分，射流管零件較小，網格劃分時要考慮其外形尺寸影響，較小尺寸處可以使用軟件修復與忽略操作進行劃分，網格劃分方法采用自由剖分四面體網格，網格劃分結果見圖4。

圖4 模型及網格劃分

網格劃分后，設置邊界載荷，模型建立后，由于薄壁壁厚尺寸較小，故本文只對于較小測力的影響進行分析，針對不同的測力（0.5N、1N、1.5N、2N、2.5N）進行5組數據研究，計算結果如圖5所示，不同測力下的墊片變形量有所不同。隨著應力的變化，接觸應力越大，墊片變形量也越大。檢測墊片不同受力情況下的詳細變形量如圖5所示。

圖5 不同測力下的墊片變形量

由圖5分析得出，千分表測頭與墊片接觸點位移最大，其余部位隨著距離的增大而減小，與接觸點的距離越大，變形量越小。此外，測力增大時，變形量增大，應力增大。當千分表測力最小為0.5N時，墊片最大位移量為1.48×10（-8）mm,當千分表測力最大為2.5N時，墊片最大位移量為7.05×10（-8）mm。不同測力下的接觸應力變形相對于檢測特性的尺寸公差，影響甚微。驗證本文選擇測頭適中、測力適中的鋼制材料檢測墊片具有良好的可實用性?？梢詫崿F(xiàn)生產加工現(xiàn)場的實時檢測，實現(xiàn)了該薄壁壁厚幾何特性現(xiàn)場檢測的實時性，提高了檢測效率。相較于非接觸式光學影像儀檢測方法，其提高了檢測準確度。

4 結論

本文對于薄壁壁厚尺寸幾何特性設計了一種點接觸式檢測結構，經過有限元仿真分析，發(fā)現(xiàn)其設計合理、可以實現(xiàn)檢測目的，提高現(xiàn)場生產時的檢測效率，解決了非接觸式光學影像儀的投影檢測不準確的問題，得出了該設計結構應選擇2mm的測頭、適當的測力(2.5N以下)，鋼制材料方可進行使用的結論。機構檢測結果較為準確，操作簡便，已用于生產現(xiàn)場中，具有一定的可實用性。