油泵类产品密封关键件的检测技术研究

姜国明　满　楠

（北京精密机电控制设备研究所，北京100076）



油泵类产品密封关键件的检测技术研究

姜国明满楠

（北京精密机电控制设备研究所，北京100076）

摘要：油泵类产品是航天伺服机构上重要的动力能源元件，其密封关键零件具有高精度的表面质量检测需求。该类零件一般采用石墨合金的复合材料制成，传统的检测方法无法满足设计工艺要求。本文对密封关键件表面粗糙度和平面度的检测技术进行研究，提出光学非接触的测量方法，并对其进行测量试验及对比，分析误差产生的原因，提出相应解决方法并得到验证。该方案已经应用于实际生产，满足了产品技术的指标要求。

关键词：石墨复合材料表面粗糙度测量不确定度

1 课题研究背景

伺服机构的油泵类产品中，机械动密封类零件目前采用M152G7石墨浸银锑合金复合材料制成。此类密封零件表面设计精度要求高，典型产品以SBB-5A的密封环和SBB-2E的动环为例，浸银锑石墨环端面（图1中T面）是关键表面，其平面度误差要求为2μm，表面粗糙度Ra值要求0.1μm。它的形位公差和表面加工质量直接影响动密封结构的密封性能。

石墨环的结构如图1所示。

图1 石墨环结构示意图

目前，北京精密机电控制设备研究所表面粗糙度检测仪器为德国霍梅尔T4000粗糙度测量仪，测量采用的方式均为接触测量，即利用触针式探头接触测量零件表面的粗糙度。在表面粗糙度测量领域，触针式接触测量技术已相当成熟。此方法不但可适用于不同种材料，且测量精度高，操作简单，目前在各机械行业得到了广泛应用。但是，此种测量方法是否会对工件表面造成损伤，需依据产品所用的不同材料经过一定的试验确定后才可加以采用［1］。同时，仪器厂商只对接触探头测力的指标给予标注，对接触测量可安全地适用于何种材料未加以明确。

另一种是光学非接触法，即仪器光学传感器和被测物体之间没有任何接触，通过光学技术获得表面形貌信息。目前，光学测量法主要包括光探针干涉法、光学散斑法、激光三角法、离焦检测法、干涉显微法、快速表面测量法等几种。这些方法的共同特点是通过将表面微观轮廓的高度信息转化为光、声、电等易于判别的信息，从而达到测量的目的［2］。

由于石墨材料具有表面光滑、材质相对金属材料较软等特点，工艺要求在测量时表面不允许出现划伤与碰伤。依据产品材料的特殊性，对该类零件平面度、粗糙度的测量，应选用非接触方式进行。因此，针对油泵类密封零件的特殊测量需求，本文针对光学非接触法测量平面度、粗糙度开展技术研究。

2 研究内容

2.1 测量结果对比

目前，光学非接触测量仪器功能的实现，一般通过白光共焦成像和白光干涉成像两种方式来完成，且已经广泛应用于零件表面质量的精密检测。本着产品保密和就近调研原则，选择211厂的德国霍梅尔T8000粗糙度仪进行零件测量试验。

实验过程中，选取某型号石墨密封环共10件作为测试对象，德国霍梅尔公司T8000粗糙度测量仪作为测试设备，仪器具有触针接触式和光学非接触两种测量方式。首先，采用触针接触法对每个零件测试3次，取测量结果的平均值作为理论测量真值。然后，采用光学非接触法对零件进行3次测试，取测量结果的平均值作为非接触法测量值。测量值与理论测量真值进行比对，计算得出非接触法测量的相对示值误差。两种测量方法所得到的结果对比，如表1所示。

从表1可以看出，与接触法测量比较，非接触法测量得到的测量结果均偏大；非接触法测量相对示值误差集中在（13%～25%）范围，其中最大相对误差达到25%，远大于T8000粗糙度仪本身±5%的测量误差技术指标。

2.2 测量误差分析

复合材料具有高比强度、高比刚度、耐高温、耐腐蚀等单一材料无法比拟的综合特性，使其在航空航天领域应用非常广泛。早在“十五”期间，中国运载火箭技术研究院703所就已开展国防科工委资金资助项目“复合材料表面质量评定”。国内大连理工大学等高校也开展了C/C复合材料、FRRMC复合材料的表面粗糙度及三维微观形貌测量的研究。这些课题总结分析了测量中出现的问题，通过实验给出了合理建议，取得了多项成果，为石墨复合材料表面粗糙度的测试评价提供了较好的研究思路。

表1 两种方式测量数据对比表（单位：μm）

对于具有高精度要求的表面粗糙度测量，受仪器触针测头直径的限制，接触法测量不能很好地反映切削表面的细微形貌变化，导致接触式测量所测参数值偏小。另外，接触式测量中，探针对切削表面的划伤是影响表面粗糙度不可忽略的因素［3］。

石墨密封环加工机理复杂，其石墨材料中含有银、锑等多种金属颗粒基，不同类型材料之间难以像金属切削表面建立统一的粗糙度评定标准。采用白光干涉法的光学传感器，在测量时存在部分光束被工件表面吸收的现象，且吸收的程度会随材质的不同而有所变化，导致测量数据与接触测量法存有一定的偏差。石墨复合材料零件在测量时，仪器传感器发出的光束会被石墨环表面部分吸收，因此测量数据与触针接触测量数据存在显著差异。

霍梅尔T8000粗糙度仪采用高斯滤波法提取测量数据信息，并进行表面粗糙度的评定。由传感器光束吸收等因素导致的测量误差，应通过修正仪器的滤波参数，消除相位失真，真实反映出零件表面的测量数据信息。

2.3 测量方案确定

针对石墨密封环非接触测量引入的测量误差，经过多轮零件测量试验，最终确定了光学非接触法测量方法：（1）采用触针接触法测量，结果作为测量真值；（2）光学非接触法测量数据与测量真值比较，据此修正仪器滤波系数；（3）调整系数，使光学法测量结果与真值相等；（4）开展测量。具体测量方案如图2所示。

图2 非接触法测量方案示意图

2.4 测量方案验证

根据确定的测量方法，对10件石墨密封环零件进行光学非接触测量。具体步骤：将石墨密封环1#作为首件，以触针接触法进行测量，得到测量结果作为表面粗糙度真值；在进行非接触测量时，得到的测量结果与真值进行比较，以此调整仪器测量滤波修正参数，使之与测量真值相等；然后开始进行2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#、9#、10#零件的非接触测量，得到的测量结果如表2所示。

表2 修正后非接触法测量结果表（单位：μm）

对石墨环零件接触法测量、光学非接触法测量和修正系数后的非接触测量的三组数据进行折线图分析，得到如图3所示的示意图。

图3 三组测量数据折线图

从表2、图3中可以看出，按照确定的测量方案，光学非接触法取得了比较准确的测量结果。两种测量方式得到的测量结果曲线拟合较好，最大测量误差为6%。

为验证光学非接触法测量表面粗糙度方法的准确性，在石墨环零件测量数据的基础上又进行了测量不确定度评定。

（1）数学模型。选取接触式测量Ra值为0.18μm的1#石墨环零件为对象，按上文确定的测量方案进行光学非接触测量，通过10次测量得出Ra平均值为0.18μm。

数学模型：α=A。其中，α为被测试件的表面粗糙度实测值；A为仪器显示的Ra平均值。

（2）输入量A的标准不确定度u（A）的评定。不确定度来源主要包括：测量重复性引入的标准不确定度u（A1）；粗糙度仪测量误差引入的相对标准不确

定度u（A2）；石墨环样件标定误差引入的相对测量不确定度u（A3）。

选用1#石墨环零件，在其表面的同一位置连续测量10次，测量结果Ra值分别为0.18、0.19、0.18、0.18、0.18、0.18，0.18、0.18、0.18、0.18，平均值为0.18，则单次实验标准差为：

T8000粗糙度轮廓仪最大允许示值误差为±5%，按照均匀分布，其B类不确定度为：

石墨环样件标定测量不确定度为6%，按照均匀分布，其B类不确定度为：

计算输入量A的标准不确定度u（A）：

（3）合成标准不确定度评定。合成标准不确定度评定：

（4）扩展不确定度评定。取置信概率p=95%，k=2，则U=2uc=2×4.9%=10%；测量不确定度：U=10%（k=2）。

根据该方法表面粗糙度测量应达到的技术要求，参考现行表面粗糙度比较样块校准规范的要求“所用测量仪器最大允许示值误差不大于±7%，Ra平均值对公称值偏离量不应超过+12%～-17%”，经对光学非接触法测量不确定度进行分析，粗糙度仪示值精度为5%，测量不确定度为10%，满足石墨密封环表面粗糙度测量要求。可见，测量数据准确可靠，测量方案得以验证。

2.5 平面度检测方案确定

由于T8000粗糙度仪不具备平面度测量功能，因此油泵类密封元件平面度的测量立足于解决本所检测设备。根据计量器的精度、零件材料和形状特点，结合零件测量试验，分油盘等金属材料类零件平面度的测量器具为平面平晶；石墨环等非金属材料零件平面度则选用三坐标测量机作为检测手段。

平面平晶采用光波干涉法检测，适用于平面度要求为0.3μm以上的分油盘类零件检测。石墨环类零件平面度的测量，使用UPMC876型三坐标测量机开展检测，测量误差为0.8μm。

3 研究结论

通过测量试验及技术研究，针对伺服机构油泵类密封关键件表面粗糙度及平面度的检测要求，可采用以下检测技术方案来完成。

第一，密封零件表面粗糙度的检测，可以外协委托霍梅尔T8000仪器进行测量。目前，该仪器已经在技改项目中获得批复，将来可以独立完成表面粗糙度检测。

第二，密封零件平面度的检测，根据材质的不同可以利用UPMC876三坐标测量机或平面平晶进行测量。

参考文献

［1］唐曦.基于白光干涉技术的表面粗糙度测量［D］.哈尔滨：哈尔滨理工大学工学，2011.

［2］李成贵，李行善，强锡富.三维表面微观形貌的测量方法［J］.宇航计测技术，2000，（4）：2-10.

［3］杨东军.FRRMC切削表面三维微观形貌测量的研究［D］.大连：大连理工大学，2005.

Research on the Detection Technology of the Key Parts of the Oil Pump

JIANG Guoming,MAN Nan
（Beijing precision electromechanical control equipment research institute, Beijing 100076）

Abstract:Oil products is an important component of space power servo mechanism, the sealing surface quality detection requirements of key parts with high precision. This kind of parts usually adopts graphite alloy composite material, traditional detection methods can not meet the design requirements of the process. The key seals surface roughness and flatness detection technology research on the proposed optical non contact measurement method, were measured and compared, on the causes of errors are analyzed, put forward corresponding solutions and verified. This scheme has been used in actual production, meet the technical requirements of the product.

Key words:graphite composite material, surface roughness, measurement uncertainty