基于氣動原理的深孔自定心機構(gòu)設(shè)計

孫宇飛，雷天才，孟玉堂，馬仁虎

中國工程物理研究院機械制造工藝研究所

1 引言

孔類特征是零件加工中常見的類型，在各類裝備的機械結(jié)構(gòu)中廣泛存在[1]。其中，針對深孔的內(nèi)徑測量一直是制造業(yè)中的一項重要內(nèi)容[2]。孔徑的精確測量對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量過程中，內(nèi)徑百分表操作不便且懸臂較長，百分表和測量桿的自重會使測量桿產(chǎn)生彈性變形，極易引入測量誤差[3]。為提高深孔孔徑測量精度，設(shè)計了基于氣動原理的深孔自定心裝置，用以輔助檢驗人員完成深孔內(nèi)徑的精確測量。

2 測量誤差分析

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

內(nèi)徑百分表的測量誤差分為測量設(shè)備誤差和人為操作誤差。測量設(shè)備誤差主要有儀器的不確定性及標準環(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)整不準等。在大尺寸零件深孔孔徑測量過程中，由于測量桿懸臂較長和現(xiàn)場操作不便，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引起的誤差外，測量過程的誤差主要是定心誤差。

圖1 孔徑測量原理

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

ΔR=R真-R測=R真(1-cosα)

(1)

式中，R真為被測孔徑真實值；R測為被測孔徑實測值；α為可換測頭和活動測頭連線與直徑的夾角。

由式(1)可知，夾角α越大，產(chǎn)生的測量值偏差越大。因此，在實際測量中需要嚴格控制角度偏差α，以減少測量過程中的誤差，實現(xiàn)被測孔徑的正確評定。

圖2 測量的理想狀態(tài) 圖3 定心偏差引起的測量誤差

3 定心系統(tǒng)組成及工作原理

本文設(shè)計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深孔內(nèi)壁時有足夠的支撐力，以避免使用彈簧作為施力元件時因壓縮量不足或支撐力不夠而導致支撐失敗。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，從而實現(xiàn)單個截面多角度和多方向的直徑測量，最終完成對被測孔徑參數(shù)的正確評定。

1.氣缸 2.氣缸安裝板 3.移動塊 4.導向桿 5.固定塊 6.從動桿 7.主動桿 8.全向輪 9.直線軸承圖4 深孔自定心裝置

測量孔徑時，先將定心裝置放入孔內(nèi)，手動操作氣動換向閥，使氣缸無桿腔通氣，氣缸缸桿在高壓氣體的作用下伸出，推動移動盤沿軸向移動，進而推動連桿機構(gòu)中的主動桿，使從動桿上抬并改變連桿機構(gòu)的張角。當連桿機構(gòu)張角到達一定程度，全向輪接觸內(nèi)孔的內(nèi)壁后便可實現(xiàn)定心。

4 定心機構(gòu)關(guān)鍵部件強度校核

定心機構(gòu)中存在較多由旋轉(zhuǎn)軸、軸承和連桿構(gòu)成的轉(zhuǎn)動副，為保證機構(gòu)中的部件強度滿足使用要求，需對機構(gòu)中關(guān)鍵部件的旋轉(zhuǎn)軸進行強度校核。

設(shè)定旋轉(zhuǎn)軸的材料為45鋼，泊松比0.3，彈性模量206GPa，屈服強度355MPa，抗拉強度600MPa。在旋轉(zhuǎn)軸的兩端添加固定位移約束，同時在旋轉(zhuǎn)軸表面銷孔位置加載壓力，進行應力及應變求解，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)軸應力分析結(jié)果可知，旋轉(zhuǎn)軸承受的最大應力為2.16MPa，最大變形量為0.0953μm，因此材料與結(jié)構(gòu)強度能夠滿足實際使用需求。

圖5 旋轉(zhuǎn)軸應力分析

采用同樣方法對安裝板進行應力分析，應力分析結(jié)果圖6，分析結(jié)果見表2?？芍?，結(jié)構(gòu)強度同樣滿足使用要求。

圖6 安裝板應力分析

表2 旋轉(zhuǎn)軸有限元分析

5 結(jié)語

針對使用內(nèi)徑百分表測量深孔類零件內(nèi)徑過程中出現(xiàn)的懸臂過長和不易操作的問題，設(shè)計了基于氣動原理的深孔自定心機構(gòu)，利用氣缸的推力改變連桿機構(gòu)的張角，進而使圓周方向均勻分布的三個全向輪抵住深孔內(nèi)壁，以實現(xiàn)定心，通過內(nèi)徑百分表實現(xiàn)深孔內(nèi)徑的測量。

該定心裝置可以有效降低測量過程中現(xiàn)場檢驗人員的勞動強度，提高內(nèi)徑測量精度，對保證機械加工產(chǎn)品質(zhì)量有積極作用。