基于平臺(tái)測(cè)量的葉片榫頭測(cè)具檢測(cè)方法

張小梅，安旭明，劉青，王韻龍，魏華

(西安航空動(dòng)力股份有限公司計(jì)量中心，陜西西安710021)

0 引言

某發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片緣板采用燕尾榫頭與盤(pán)連接，以保證壓氣機(jī)能夠在任何轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定地工作。葉片榫頭高度緣板樣塊就是用于控制拉削該類(lèi)葉片榫頭工序內(nèi)緣板表面加工質(zhì)量的測(cè)具，它是檢測(cè)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片的榫頭內(nèi)緣板表面與壓氣機(jī)盤(pán)表面相對(duì)位置關(guān)系的重要測(cè)具。因?yàn)槿~片內(nèi)緣板圓錐曲面尺寸對(duì)葉片的使用強(qiáng)度有影響，且內(nèi)緣板表面在加工時(shí)沒(méi)有余量，加工后直接形成最終的零件尺寸，因而該測(cè)具對(duì)控制葉片零件合格與否起著至關(guān)重要的工序檢驗(yàn)作用。

由于葉片榫頭高度緣板樣塊上的重要特征點(diǎn)幾何位置處于窄小燕尾榫槽中，測(cè)量面較短且是由多個(gè)空間角度組成的復(fù)雜圓錐型面，利用坐標(biāo)測(cè)量機(jī)逐點(diǎn)連續(xù)掃描時(shí)測(cè)頭很難接觸到榫槽底面，燕尾榫槽切掉了部分圓錐型面 (被測(cè)點(diǎn)恰在其上)，需要檢測(cè)的特征點(diǎn)部位空缺，形成空間點(diǎn)難以實(shí)現(xiàn)直接測(cè)量。因此嘗試在平臺(tái)上借助輔助標(biāo)準(zhǔn)器具通過(guò)空間角度多次換算、利用CAD軟件繪圖，實(shí)現(xiàn)空間虛點(diǎn)的間接測(cè)量，以滿(mǎn)足葉片榫頭高度緣板樣塊的精確測(cè)量，本文方法對(duì)該類(lèi)葉片的工序控制和成檢交付具有非常重要的意義。

1 結(jié)構(gòu)及檢測(cè)難點(diǎn)分析

1.1 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

葉片榫頭高度緣板樣塊是由燕尾側(cè)板、軀座、平板、定位銷(xiāo)等部件組成。使用時(shí)用燕尾夾板雙斜槽定位葉片底部，將葉片榫頭插入燕尾槽內(nèi)，促使葉片榫頭楔面與燕尾槽各面貼合，側(cè)面靠測(cè)具平板端面定位，上部通過(guò)靠模上的間隙槽定位。葉片榫頭高度緣板樣塊的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)以及尺寸要求如圖1所示 (圖中幾何尺寸單位為mm)。

1.2 檢測(cè)難點(diǎn)分析

1.2.1 檢測(cè)尺寸空間關(guān)系分析

圖1 葉片榫頭高度樣塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

在圖1的B－B剖視圖面中16.65－0.05mm是兩個(gè)特征點(diǎn)K，M的絕對(duì)坐標(biāo)高度差值，屬于空間尺寸的測(cè)量范疇［1］，其中K點(diǎn)是在榫頭高度緣板樣塊圓錐面的軸線(xiàn)上、且與M點(diǎn)沿軀座長(zhǎng)度方向上距離LMK=50 mm的一個(gè)空間虛點(diǎn);M點(diǎn)是燕尾槽底中心線(xiàn)與兩側(cè)板端面所形成的中心線(xiàn)之交點(diǎn)，而且B－B剖與水平面夾角為α±5'，在A－A剖中燕尾槽底面與水平面夾角為β±3'，在K－K剖中圓錐角γ±5'，在C－C剖中圓錐角δ+3'，并且這四個(gè)角度并非單獨(dú)存在而是互關(guān)聯(lián)的，由此不難看出圓錐面上K點(diǎn)、燕尾槽底面M點(diǎn)屬于典型的多角度空間特征點(diǎn)，設(shè)計(jì)圖要求大端圓弧到盤(pán)軸中心 (即葉片組裝后的發(fā)動(dòng)機(jī)中心)距離R大=518.75 mm、從小端圓弧到盤(pán)軸中心 (即葉片組裝后的發(fā)動(dòng)機(jī)中心)距離R小=515.00 mm，圖中標(biāo)注K，M交點(diǎn)尺寸的測(cè)量點(diǎn)均為測(cè)具使用時(shí)主要受壓力點(diǎn)。

1.2.2 檢測(cè)參數(shù)及重點(diǎn)

由于葉片榫頭高度樣塊沒(méi)有位于測(cè)量實(shí)體上的測(cè)量基準(zhǔn)，圖1中各個(gè)相關(guān)尺寸沒(méi)有定位工藝球控制，K，M點(diǎn)雖在測(cè)具新制時(shí)可于燕尾槽未做、平板未裝之前檢測(cè)，但周檢時(shí)因燕尾槽K點(diǎn)落空為虛點(diǎn)、平板與軀座等組裝為一整體，K，M點(diǎn)找正檢測(cè)均無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)得，特別是軀座上的M點(diǎn)由于與平板貼合無(wú)法直接測(cè)得，K點(diǎn)處于圓錐弧面的空間虛點(diǎn)，更是不能直接測(cè)得。為保證檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，必須采用平臺(tái)測(cè)量中的指示器法［1］借助輔助基準(zhǔn) (標(biāo)準(zhǔn)圓球等)進(jìn)行間接檢測(cè)和空間角度轉(zhuǎn)換計(jì)算來(lái)得到K，M點(diǎn)的實(shí)際位置尺寸。

經(jīng)分析，序號(hào)1－7對(duì)應(yīng)的檢測(cè)參數(shù) (見(jiàn)表1)均能按常用方法較易測(cè)得，唯有序號(hào)8對(duì)應(yīng)的檢測(cè)參數(shù)HMK是該測(cè)具的檢測(cè)重點(diǎn)。

2 檢測(cè)方法

2.1 HMK的檢測(cè)方法

平臺(tái)測(cè)量法的實(shí)質(zhì)是比較測(cè)量 (即相對(duì)測(cè)量或差

表1 檢測(cè)參數(shù)及使用的計(jì)量器具

值測(cè)量)，它是通過(guò)某些輔助量具，使被測(cè)尺寸方向垂直于平臺(tái)工作面，利用測(cè)量器具 (指示表)、長(zhǎng)度基準(zhǔn)(量塊)和專(zhuān)用工具 (圓柱滾棒、圓球)，以一定的幾何關(guān)系組合形成測(cè)量所需的標(biāo)準(zhǔn)量與被測(cè)量進(jìn)行比較，用過(guò)一系列的間接測(cè)量和數(shù)學(xué)運(yùn)算，得到被測(cè)量與標(biāo)準(zhǔn)量的差值，從而得到被測(cè)量的實(shí)際值［1］。基于此法檢測(cè)該測(cè)具的HMK，需先選擇半徑為r1的標(biāo)準(zhǔn)圓球，將其在自然狀態(tài)下放置在燕尾槽底部，并使之與平板端面和燕尾槽底面、側(cè)斜面均分別相切;然后再將另一半徑為r2標(biāo)準(zhǔn)圓球放置在R大，R小所形成的圓錐面大端處，并借助于標(biāo)準(zhǔn)量塊分別貼合測(cè)具兩側(cè)面使定位測(cè)量基準(zhǔn)面延長(zhǎng)，促使r2與三面均相切 (見(jiàn)圖2所示)，采用在平臺(tái)上精密測(cè)量，只需檢測(cè)兩標(biāo)準(zhǔn)圓器的中心高度差值H，就可通過(guò)間接轉(zhuǎn)換計(jì)算來(lái)確定空間M，K點(diǎn)之間的尺寸16.65－0.05mm正確與否。

圖2 借助標(biāo)準(zhǔn)圓球r1，r2檢測(cè)實(shí)際操作示意圖

2.2 計(jì)量器具的選擇及基準(zhǔn)的確定

按照被測(cè)件的公差要求和測(cè)量方法精度系數(shù)K選擇計(jì)量器具。測(cè)量方法精度系數(shù)為K=測(cè)量方法極限誤差/被測(cè)件的公差值，那么，測(cè)量方法極限誤差=K×被測(cè)件的公差值。

K值的取值范圍為1/4～1/10［2］。通常選取中值計(jì)算，即K=1/7。依據(jù)上述分析測(cè)具16.65+0—0.05mm的公差值為0.05 mm，則該測(cè)具測(cè)量方法極限誤差=1/7×0.05 mm=0.00714 mm，即為該測(cè)具測(cè)量方法允許的極限誤差。鑒于此，我們選用常用的機(jī)械高程規(guī) (或測(cè)高儀)，分度值為0.001 mm，在任意100 mm上最大允許誤差為1.5 μm;選用分度值為0.002 mm的杠桿千分表;00級(jí)大理石平臺(tái) (400 mm×300 mm)平面度最大允許誤差為3 μm;標(biāo)準(zhǔn)圓球 (按標(biāo)定值量傳)可忽略誤差。因此，可確定該測(cè)具選定的測(cè)量方法極限誤差累計(jì)為6.5 μm＜7.14 μm。故滿(mǎn)足要求。

測(cè)量基面和定位方法的選擇應(yīng)遵守基準(zhǔn)面統(tǒng)一原則，以測(cè)具底面和燕尾槽底部平面作為基準(zhǔn)面，借助輔助標(biāo)準(zhǔn)圓球、測(cè)具的側(cè)平面作為輔助基準(zhǔn)［3］。

2.3 檢測(cè)步驟及計(jì)算過(guò)程

2.3.1 基本尺寸的檢測(cè)

用油石清理樣塊各表面異常凸起及毛刺，并將各工作面清洗擦拭干凈。以水平基準(zhǔn)底部平面裝夾在方箱上，找正定位側(cè)面基準(zhǔn)，選用較長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)圓柱滾棒放在與平面δ+2'夾角燕尾槽斜度面和燕尾底面均相切槽中 (見(jiàn)圖3所示)，移動(dòng)滾棒用杠桿千分表檢測(cè)滾棒最高點(diǎn)形成一條直線(xiàn)作為側(cè)基準(zhǔn)，這個(gè)基準(zhǔn)是粗基準(zhǔn)，因?yàn)槭褂脺y(cè)具檢驗(yàn)葉片時(shí)進(jìn)氣邊和排氣邊邊緣接觸頻繁是磨損較多部位，所以盡量依靠燕尾槽中心拉直滾棒，這是為了保證圓柱滾棒的軸心線(xiàn)與被測(cè)交線(xiàn)所在的投影面平行，前后燕尾槽按照此方法重復(fù)多測(cè)兩遍，二次找正以提高測(cè)量準(zhǔn)確性。

圖3 借助標(biāo)準(zhǔn)滾棒檢測(cè)燕尾槽作為側(cè)基準(zhǔn)示意圖

由于16.65－0.05mm尺寸在燕尾槽的底面方向有兩個(gè)α±5'和β±3'，為此，需在平臺(tái)上以測(cè)具底面和側(cè)面為基準(zhǔn)，根據(jù)先有的角度在上的原則，在正弦規(guī)圓柱下面墊上計(jì)算好的組合量塊，使它與水平面夾角為β，正弦規(guī)上面再用條規(guī)扭α角后用指示千分表測(cè)量燕尾槽雙度面的平行度，如果兩平面平行度在0.005 mm證明找正完好，如果大于0.005 mm時(shí)將測(cè)得值反算到度面上再調(diào)整找正直至平行度為0.005 mm。通過(guò)圖紙分析，將采用滾棒輔助測(cè)量，運(yùn)用圖紙標(biāo)注的理論值和實(shí)測(cè)角度值將斜交點(diǎn)值轉(zhuǎn)化為平面間的距離或平面至滾棒間的距離。其它尺寸如圓弧尺寸R大，R小，γ，δ等均可采用常規(guī)方法測(cè)得。

2.3.2 M，K點(diǎn)相關(guān)尺寸的換算

利用標(biāo)準(zhǔn)圓器及標(biāo)準(zhǔn)量塊檢測(cè)HMK時(shí)，還需要給出某些關(guān)聯(lián)尺寸H1和H2。如圖4所示。根據(jù)M，K點(diǎn)附近各幾何尺寸間的相互關(guān)系，可推導(dǎo)出這些關(guān)聯(lián)尺寸的計(jì)算公式，將使用標(biāo)準(zhǔn)器的實(shí)測(cè)值和上述已測(cè)得的實(shí)際值以及圖紙給定的控制值均作為已知條件代入到公式中，即可計(jì)算出H1和H2。

按照?qǐng)D4中給出的多項(xiàng)幾何關(guān)系，經(jīng)推導(dǎo)換算得出

式中:r1是選用放置在圖4位置上標(biāo)準(zhǔn)圓球的半徑;β是燕尾槽底面與水平面夾角。

按照?qǐng)D5中給出的多項(xiàng)幾何關(guān)系，經(jīng)推導(dǎo)換算得出

式中:r2是選用放置在圖5位置上標(biāo)準(zhǔn)圓球的半徑;γ是頂圓錐楔面與水平面夾角。

圖4 借助放置標(biāo)準(zhǔn)圓器檢測(cè)及其H1，H換算關(guān)系示意圖

圖5 借助放置標(biāo)準(zhǔn)圓器檢測(cè)及其H2換算關(guān)系示意圖

2.3.3 M，K點(diǎn)高度尺寸HMK的檢測(cè)

通過(guò)上述借助標(biāo)準(zhǔn)圓器r1換算得到H1、借助標(biāo)準(zhǔn)圓器r2和標(biāo)準(zhǔn)量塊換算得到H2后，只需借助r1，r2檢測(cè)得到兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)圓器的中心高度差H(見(jiàn)圖4所示)，顯然，將實(shí)測(cè)的H值和使用公式 (1)，(2)換算得到的H1，H2代入公式 (3)，就可算得被檢測(cè)特征點(diǎn)M，K點(diǎn)的實(shí)際值

3 比對(duì)驗(yàn)證

3.1 M，K點(diǎn)尺寸HMK測(cè)量結(jié)果的重復(fù)性

按前述方法在相同測(cè)量條件下重復(fù)5次測(cè)量H值，經(jīng)計(jì)算得到HMK，每次具體的實(shí)測(cè)和計(jì)算結(jié)果及重復(fù)性見(jiàn)表2。

表2 重復(fù)5次測(cè)量結(jié)果比對(duì) mm

3.2 M，K點(diǎn)HMK尺寸測(cè)量結(jié)果的復(fù)現(xiàn)性

由于變換標(biāo)準(zhǔn)圓器大小可以檢測(cè)燕尾槽不同部位，既能夠反映測(cè)具燕尾槽及圓錐弧面的真實(shí)磨損狀況，又可得到測(cè)量結(jié)果的復(fù)現(xiàn)性，因此按上述方法在相同測(cè)量地點(diǎn)、觀測(cè)者、參照標(biāo)準(zhǔn)等不變的條件下，變換檢測(cè)器具即變換各部位所使用的標(biāo)準(zhǔn)圓球r1，r2的大小重復(fù)6次檢測(cè)和換算得到每次具體的實(shí)測(cè)值、測(cè)量偏差及復(fù)現(xiàn)性，見(jiàn)表3。

4 結(jié)論

通過(guò)運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)圓球、圓柱滾棒，逐步推導(dǎo)進(jìn)行空間角度計(jì)算，將空間尺寸換算成為可間接測(cè)量的尺寸，

表3 變換標(biāo)準(zhǔn)圓球測(cè)量結(jié)果的比對(duì) mm

完成葉片榫頭高度緣板樣塊在平臺(tái)上的精密測(cè)量，測(cè)量所需輔助量具為平臺(tái)檢測(cè)中的常用計(jì)量量具，適合在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)使用。通過(guò)比對(duì)驗(yàn)證可以得到，其5次測(cè)量結(jié)果的重復(fù)性為0.003 mm，變換兩部位所使用的標(biāo)準(zhǔn)圓球后其測(cè)量結(jié)果的復(fù)現(xiàn)性為0.005 mm，所以本方法具有較高的測(cè)量精度，測(cè)量方法簡(jiǎn)單易行，適合各等級(jí)的計(jì)量人員進(jìn)行操作。本文方法擴(kuò)展了平臺(tái)測(cè)量的方法，不僅解決了測(cè)具使用后無(wú)法進(jìn)行周期檢測(cè)的難題，更提高了該類(lèi)測(cè)具檢測(cè)的準(zhǔn)確率。

［1］張昌泰.平臺(tái)測(cè)量法解析［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2010:339－358.

［2］朱正輝.幾何量計(jì)算 ［M］.北京:原子能出版社，2003.

［3］國(guó)防科工委科技與質(zhì)量司.計(jì)量技術(shù)基礎(chǔ) ［M］.北京:原子能出版社，2002.

［4］國(guó)防科工委科技與質(zhì)量司.幾何量計(jì)量:上［M］.北京:原子能出版社，2002.

［5］國(guó)防科工委科技與質(zhì)量司.幾何量計(jì)量:下［M］.北京:原子能出版社，2002.