航空精密鑄件的計(jì)算機(jī)層析成像測(cè)量方法

(1.中國(guó)航發(fā)集團(tuán)南方航空工業(yè)集團(tuán)有限公司，株洲 412002； 2.重慶真測(cè)科技股份有限公司，重慶 401332；3.重慶大學(xué) 工業(yè)CT無(wú)損檢測(cè)教育部工程研究中心，重慶 400044)

航空器是一種高度復(fù)雜的精密機(jī)械，航空器的結(jié)構(gòu)需要面臨高寒、高溫、高速、高壓、高轉(zhuǎn)速、高負(fù)荷、缺氧、振動(dòng)等極端條件的考驗(yàn)，因此對(duì)航空精密鑄件的品質(zhì)提出了嚴(yán)格的要求。隨著當(dāng)下高性能航空器的發(fā)展，對(duì)航空精密鑄件制造誤差的管控也提出了更加嚴(yán)格的要求。目前，航空精密鑄件制造公差的測(cè)量方法主要還是采用抽樣破壞的測(cè)量方式，即通過(guò)線切割在關(guān)注部位進(jìn)行破壞性解剖，然后通過(guò)游標(biāo)卡尺進(jìn)行取樣測(cè)量。隨著航空精密鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的提高以及制造成本的提高，這種傳統(tǒng)方法難以保證批次產(chǎn)品的品質(zhì)，且對(duì)于成本控制、交付周期控制等都帶來(lái)了不可預(yù)估的影響。因此，當(dāng)前針對(duì)復(fù)雜航空精密鑄件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的公差測(cè)量方法有待改進(jìn)。筆者采用高能工業(yè)電子計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)技術(shù)對(duì)某航空精密鑄件毛坯進(jìn)行壁厚測(cè)量的研究，為航空精密鑄件的內(nèi)部尺寸測(cè)量提供了一種新的選擇。

1 CT原理及特點(diǎn)

CT能在不破壞被測(cè)物體的情況下，以二維斷層圖像或三維立體圖像的形式，清晰、準(zhǔn)確、直觀地展示被檢測(cè)物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、組成、材料及缺損狀況等[1]。其成像原理如圖1所示。

圖1 CT成像原理

X射線以透射方式穿過(guò)被檢測(cè)物體，由于在射線穿過(guò)路徑上，各種物質(zhì)的厚度、材料密度等因素均會(huì)使射線產(chǎn)生不同程度的衰減，通過(guò)檢測(cè)衰減后的射線信息，利用雷當(dāng)變換和逆變換，從投影數(shù)據(jù)重建出物體橫截面圖像，物體的厚度、結(jié)構(gòu)、材料密度、缺陷大小等的差異反映為圖像上灰度的變化，從而實(shí)現(xiàn)在不破壞被檢測(cè)物體物理結(jié)構(gòu)的前提下對(duì)其進(jìn)行品質(zhì)檢測(cè)和評(píng)價(jià)。

與X射線DR、X射線照相等射線檢測(cè)方式不同，工業(yè)CT獲取的是二維斷層或三維立體的圖像，而不是重疊的圖像。通過(guò)高精度的CT圖像，能夠準(zhǔn)確反應(yīng)出被檢對(duì)象內(nèi)部的空間位置、形貌、尺寸、密度等信息[2]，為定量測(cè)量提供可能。

與三坐標(biāo)、卡尺等測(cè)量方式相比， CT能夠通過(guò)獲得被檢對(duì)象任意斷層的圖像,在斷層圖像上進(jìn)行測(cè)量，并在無(wú)損的前提下對(duì)具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的檢測(cè)對(duì)象的內(nèi)部尺寸進(jìn)行測(cè)量[3]。

2 檢測(cè)設(shè)備

采用CD-1500BX型9 MeV工業(yè)CT系統(tǒng)，其最大檢測(cè)直徑為1 500 mm，最大可穿透厚度為240 mm的鋼。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)φ650 mm以內(nèi)產(chǎn)品的三代CT掃描,φ1 500 mm內(nèi)產(chǎn)品的二代CT掃描的空間分辨率為2.0 lp·mm-1，分辨率為0.3%，尺寸測(cè)量精度達(dá)到0.1 mm，密度測(cè)量精度達(dá)到1.0%。檢測(cè)前，依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 29069-2012《無(wú)損檢測(cè) 工業(yè)計(jì)算機(jī)層析成像(CT)系統(tǒng)性能測(cè)試方法》和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 29067-2012《無(wú)損檢測(cè) 工業(yè)計(jì)算機(jī)層析成像(CT)圖像測(cè)量方法》對(duì)系統(tǒng)主要性能指標(biāo)進(jìn)行校驗(yàn)。實(shí)際校驗(yàn)后，系統(tǒng)指標(biāo)均能達(dá)到系統(tǒng)標(biāo)稱技術(shù)指標(biāo)。

3 檢測(cè)參數(shù)

(1) 掃描方式

航空精密鑄件的最大回轉(zhuǎn)直徑約為840 mm，因此采用二代CT掃描方式。

(2) 射線源參數(shù)

對(duì)于電子直線加速器，在能量一定時(shí)，增加其出束頻率可提高射線強(qiáng)度，增強(qiáng)信噪比。加速器出束頻率設(shè)為200 Hz。

(3) 切片厚度

切片厚度越小，越有利于提高縱向分辨率，增強(qiáng)未貫通切片異物的缺陷檢出靈敏度，但降低了信噪比和密度分辨能力；切片厚度越大，越有利于增加信噪比，但降低了縱向分辨率。切片厚度并非越大或越小越好，而應(yīng)根據(jù)具體情況折中選擇確定，因此切片厚度選定為1.0 mm。

(4) 圖像矩陣

為了減小每個(gè)像素的實(shí)物尺寸，又不使掃描時(shí)間增加太多，圖像矩陣設(shè)定為2 048像素×2 048像素。

(5) 視場(chǎng)直徑

精密鑄件的直徑為840 mm，選定視場(chǎng)直徑為1 000 mm。

4 測(cè)量結(jié)果及分析

4.1 測(cè)量結(jié)果

在精密鑄件上選取若干工藝控制層進(jìn)行二代CT掃描，獲得斷層圖像。在斷層圖像上選取若干測(cè)量點(diǎn)，使用圖像處理軟件測(cè)出壁厚。在機(jī)匣實(shí)物上找到測(cè)量點(diǎn)對(duì)應(yīng)的位置，用游標(biāo)卡尺測(cè)量壁厚，將兩種方式獲取的數(shù)據(jù)做比對(duì)分析。

精密鑄件3個(gè)工藝控制層的CT圖像及測(cè)量點(diǎn)分別如圖2～4所示。

圖2 斷層1圖像及測(cè)量點(diǎn)位置

圖3 斷層2圖像及測(cè)量點(diǎn)位置

圖4 斷層3圖像及測(cè)量點(diǎn)位置

利用圖像處理分析軟件中的壁厚測(cè)量功能，對(duì)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，并在線切割解剖后用游標(biāo)卡尺在測(cè)量點(diǎn)對(duì)應(yīng)的精密鑄件相應(yīng)位置進(jìn)行厚度測(cè)量。兩種方法的測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1和圖5。

表1 兩種方法的尺寸測(cè)量結(jié)果 mm

圖5 CT與卡尺測(cè)量結(jié)果對(duì)比

4.2 誤差來(lái)源分析

通過(guò)測(cè)量數(shù)據(jù)可以看出,使用CT圖像測(cè)量得到的機(jī)匣壁厚與實(shí)際測(cè)量的壁厚基本能夠保持在0.1 mm的偏差范圍內(nèi)，對(duì)比驗(yàn)證具有較好的一致性。

此外，受限于測(cè)量條件，測(cè)量誤差主要來(lái)源于以下幾個(gè)方面：

(1) 機(jī)匣外形不規(guī)則，通過(guò)掃描高度尋找斷層位置時(shí)可能存在誤差。

(2) 被檢機(jī)匣為毛坯件，表面粗糙，增大了兩種測(cè)量方法的誤差。

(3) CT圖像所示的斷面與機(jī)匣壁不完全垂直，會(huì)帶來(lái)測(cè)量結(jié)果的偏差。

5 結(jié)語(yǔ)

工業(yè)CT測(cè)量方法具有無(wú)損、可測(cè)量?jī)?nèi)部結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，在復(fù)雜型腔結(jié)構(gòu)尺寸測(cè)量等應(yīng)用場(chǎng)合具有其他方法無(wú)法替代的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證，CT測(cè)量方法和傳統(tǒng)測(cè)量方法所獲得的結(jié)果具有較好的一致性，因此使用CT測(cè)量方法對(duì)航空精密鑄件關(guān)鍵結(jié)構(gòu)壁厚的公差進(jìn)行控制是可行的，該方法對(duì)于降低成本、控制每件產(chǎn)品的制造符合性具有重要價(jià)值和意義。