大深径比深小孔圆柱度误差评价_裴袁鑫.pdf

文章编号：1671-7872(2023)02-0151-07大深径比深小孔圆柱度误差评价裴袁鑫1,2,3，黄绍服1,2,3(1.安徽理工大学机械工程学院,安徽淮南232001；2.南京航空航天大学,江苏省精密与微细制造技术重点实验室,江苏南京210016；3.安徽理工大学环境友好材料与职业健康研究院,安徽芜湖 241003)摘要：针对直径在 1mm 以下、深径比超过 101 的深小孔检测及评价困难的问题，提出使用超声波设备对大深径比的深小孔进行检测的方法。利用电火花穿孔机在实验工件上加工出直径 1mm、深度为 100mm 的通孔，借助搭建的超声波检测平台将深小孔视作工件的内部缺陷，在工件表面对加工的深小孔工件进行检测；将超声波设备检测获取的声程时间数据通过坐标化处理，转化为深小孔的坐标数据，在 MATLAB 软件中利用遗传算法优化的最大内接圆柱法、最小外接圆柱法、最小二乘法和最小区域法等 4 种圆柱度误差评价模型，对深小孔的坐标数据进行误差分析。结果表明：采用提出的检测方法可成功检测大深径比深小孔；采用遗传算法优化的 4 种圆柱度误差评价模型均可求解出对应的圆柱度误差，且符合最小区域法误差最小的准则。关键词：大深径比深小孔；圆柱度误差；超声检测中图分类号：TG839文献标志码：Adoi：10.12415/j.issn.16717872.22303EvaluationofCylindricityErrorofDeepSmallHoleswithLargeDepthtoDiameterRatioPEI Yuanxin1,2,3,HUANG Shaofu1,2,3(1.SchoolofMechanicalEngineering,AnhuiUniversityofScience&Technology,Huainan232001,China;2.Nan-jingUniversityofAeronauticsandAstronautics,JiangsuKeyLaboratoryofPrecisionandMicro-manufacturingTechnology,Nanjing210016,China;3.InstituteofEnvironment-friendlyMaterialsandOccupationalHealth,AnhuiUniversityofScienceandTechnology,Wuhu241003,China)Abstract：Inviewofthedifficultyinthedetectionandevaluationofdeepandsmallholeswithadiameteroflessthan1mmandadepth-to-diameterratioofmorethan101,amethodofusingultrasonicequipmenttodetectdeepandsmallholeswithalargedepth-to-diameterratiowwasproposed.Theholewithadiameterof1mmandadepthof100mmwasmachinedontheexperimentalworkpiecebyusingtheelectricsparkpiercingmachine.Withthehelpofthebuiltultrasonictestingplatform,thedeepholewasregardedastheinternaldefectoftheworkpiece,andthemachineddeepholeworkpiecewasdetectedonthesurfaceoftheworkpiece.Theacousticpathtimedataobtainedbyultrasonicequipmentdetectionwastransformedintothecoordinatedataofdeepholesbycoordinateprocessing.Fourcylindricityerrorevaluationmodelssuchasmaximuminscribedcylindermethod,minimumcircumscribedcylinder method,least square method and minimum area method optimized by genetic algorithm were used in收稿日期：2022-11-29基金项目：国 家 自 然 科 学 基 金 项 目(52275228)；安 徽 理 工 大 学 环 境 友 好 材 料 与 职 业 健 康 研 究 院 研 发 专 项 基 金 项 目(ALW2021YF06)作者简介：裴袁鑫(1995)，男，安徽六安人，硕士生，主要研究方向为先进制造。通信作者：黄绍服(1974)，男，辽宁兴城人，博士，教授，主要研究方向为特种加工。引文格式：裴袁鑫，黄绍服.大深径比深小孔圆柱度误差评价 J.安徽工业大学学报(自然科学版)，2023，40(2):151-157.Vol.40No.2安 徽 工 业 大 学 学 报 (自然科学版)第 40 卷第 2 期April2023J.of Anhui University of Technology(Natural Science)2023 年4 月MATLABsoftwaretoanalyzetheerrorofthecoordinatedataofdeepholes.Theresultsshowthattheproposeddetectionmethodcansuccessfullydetectsmallholeswithlargedepth-to-diameterratio.Thefourcylindricityerrorevaluation models optimized by genetic algorithm can solve the corresponding cylindricity error,and meet thecriterionofminimumerrordifferenceofminimumareamethod.Keywords：largedepth-to-diameterratiodeepsmallhole;cylindricityerror;ultrasonicinspection在工业和制造业乃至航空和军事领域，孔类零件的使用十分广泛，如发动机气缸体缸孔、航空发动机的气膜冷却小孔、炮管与枪管等，这些孔类零件在各自领域发挥着重要作用13。对于孔类零件，常见的加工方式有利用切削力的钻孔、利用高温熔化材料的激光钻孔、利用电化学腐蚀的电化学钻孔等。无论哪种加工方式，孔类零件加工时刀具的震动和加工热等都会直接影响孔的加工质量，因而对孔类零件的加工质量进行有效检测十分必要。目前，常用两点法、三点法、三坐标测量法、数据采集仪连接百分表测量等方法检测孔类零件的内壁圆柱度误差。张翠翠等4以激光为光源，利用单缝衍射原理设计一种圆筒类零件内壁圆柱度检测系统，实现了对薄壁圆筒类零件的圆柱度综合误差评定，该系统检测结果准确、成本低，但对于直径 1mm 以下的深小孔激光无法有效射入，且由于孔内空间的限制无法进行有效观测；Shih 等5结合试验和有限元分析方法，综合分析工件由于热膨胀、切削力和夹紧力引起的内孔畸变，通过谐波识别圆柱度误差的谐波成分，得到精镗孔的圆柱度误差主要来源于内孔畸变中的主轴径向误差，虽找到了误差源，但无法获知孔的圆柱度误差，无法评价孔的加工质量；Sun 等6考虑偏心量、测头偏移量、测头尖端半径和倾斜误差建立了一种多系统误差的圆柱度测量模型，该模型可用于误差的分离和比较，尤其适用于 37mm 左右的大尺寸圆柱元件，但不适用于直径 1mm 及以下的小孔；Liu 等7提出了一种基于增量单纯形算法的圆柱度误差评价方法，该方法在保证精度要求的基础上，运行效率优于传统算法，但仍未解决深小孔测量难的问题。上述研究借助激光光源、有限元分析方法和数学模型提高了圆柱度误差的测量精度，但对于直径在1mm 以下、深径比超过 101 的深小孔，由于小孔内部空间的限制，仍无法直接从小孔内部对深小孔进行测量，常规检测方法已不再适用；孔径极小，激光难以射入，且深孔中反射光线难以有效接收，间接测量方法如激光三角检测法同样不再适用。因此深小孔的测量成为难题，只有解决深小孔测量难的问题，才能获取深小孔的相关数据求解深小孔的圆柱度误差。鉴于此，提出使用超声波设备对大深径比的深小孔从外表面进行检测的方法，并借助软件和数学模型对检测结果进行评价。1工件加工与检测平台搭建 1.1深小孔工件加工实验工件直径为 30mm、长为 100mm，材料为304 不锈钢的光轴，在工件中心位置沿轴线方向加工直径为 1mm 的通孔。常规的钻孔设备在此深径比下，钻头极易折断，加工难度极大。实验中，选择特种加工中的电火花加工，利用电火花穿孔机在试件上加工出需要的深小孔。根据实验室电火花加工机床的使用说明，设置加工技术参数，如表 1。在深小孔加工过程中，选择去离子水作为工作液，一方面及时清除加工过程中产生的金属屑和炭黑等电蚀产物；另一方面去离子水可降低工作液的导电性，减小工作液对工件的电化学腐蚀，利于减小深小孔内壁的表面粗糙度，提高小孔的加工质量。所选工件及加工后的小孔样貌如图 1。1.2检测平台搭建检测平台主要由超声波脉冲发生接收器、传感表 1 电加工主要参数Tab.1Main parameters of electrical machining主要参数数值加工电压/V380加工电流/A3管电极直径/mm1.0管电极材料铜质管电极工作液去离子水管电极转速/(r/min)60(a)光轴(b)加工后的小孔图1工件及加工后的小孔样貌Fig.1Appearance of workpiece and machined small hole152安徽工业大学学报(自然科学版)2023年器探头、示波器组成。超声波脉冲发生接收器选用的型号为 OlympusModel5800PR。根据被测工件材料特性及电火花加工出的小孔直径 1.0mm，选用 V116RM 型指尖接触式传感器探头，探头半径为 3mm、检测频率为 20MHz。选用 TektronixDPO3012 数字荧光示波器，示波器配有电脑软件，可在示波器固定波形后抓取波形数据并以图片形式记录，方便后期读取所需的波形数据。2数据获取与预处理 2.1测量点标定40n=4012=313圈为保证有序测量，测量结果更具合理性，测量前在工件表面均匀标定需要测量的点位，最常用的方法为划分网格。使用车床加工中常用的分度头对工件进行等角度划分，画出轴向等分线，沿圆周将工件划分为12 等分，结合实验选用的分度头分度比例 401，每分度 1 次摇柄需转动的圈数为，n 为等分的份数。N40n=39313=130为准确进行等分，减小摇柄转动产生的误差，借助分度盘，利用限位孔对摇柄进行准确定位。实验中选择 39 孔位的分度盘，每分度 1 次在分度盘上需转过的点位数为，N 为分度盘上选择的孔位数。由计算结果可知，每等分 1 次需将摇柄转过 3 圈后，再转过 13 个点位。每等分 1 次，利用台钳夹持画线笔在同一水平桌面上平移，在工件表面画出 1 条等分线，重复操作 12 次，画出 12 条等分线。在工件表面用刻度尺沿轴线方向画出等分点，借用分度头夹持工件，并用台钳夹持画线笔，将笔尖定位1112=132到等分点转动分度头的摇柄，让工件转动 1 周，即可完成 1 个等分点的圆周画线。在每个等分点重复上述操作，即可在工件表面画出多个圆周线，每条轴向等分线和圆周线的交点即为测量点。探头在测量时须始终保证与工件表面充分接触，故在工件两端要留有一定的空间裕量，最终被选作测量的点共有个。标定测量点的工件如图 2。2.2深小孔测量采用探头测量时，为排