試論航空發動機葉片檢測技術

◎王琦

機械手無損檢測技術是一種新型的檢測技術方法，與傳統應用的檢測技術相比不會對設備結構造成影響，能夠根據設備的具體情況提前設置好程序，機械手會按照一定的軌跡進行檢查，這種檢測技術不但能夠減輕工作人員的壓力而且檢測精度比較高。將其應用到航空發動機葉片檢測中也具有良好的應用效果，能夠最大限度的滿足葉片的檢測要求，而且檢測工作的自動化水平也得到了進一步提升。

一、葉片超聲無損檢測技術

1.航空發動機葉片結構特點。

本文主要以為某型號航空設備的鈦合金葉片作為研究對象，該葉片由葉身和榫頭組成，葉身包括葉盆、葉背、進排氣邊緣等。葉片是曲面結構而且不同部位的厚度也存在一定的差異，若使用常規的檢測方法無法及時發現葉片不同部位存在的缺陷，不能進行實時跟蹤檢測，這就很容易發生漏檢的情況，整體的檢測精度得不到保障。

二、超聲檢測方案設計

利用超聲檢測法對葉片具體的區域進行檢測，一般會采用出垂直入射法和斜入射法，根據不同部位的檢測需要來進行選擇。葉身部分一般采用垂直入射檢測法能夠將該部位的缺陷直觀具體的展示出來，讓檢測人員能夠了解缺陷和損壞的具體部位，在實際進行檢查的過程中，超聲波射線的檢測方向要與缺陷部位的法向在同一方向。在對葉片邊緣和根部進行檢測時，通常采用斜入射檢測方法，因為這兩個部位容易受到外界因素的干擾，要以被檢測點為中心選擇一個固定的偏轉角對其進行檢測，根據回波信號來確定缺陷的情況與位置。在進行的厚度檢驗時，要了解超聲波的傳播速度，根據脈沖回波信號的時間來計算葉片的具體厚度，這種檢測方法的精準度比較高。

三、機械手超聲自動化無損檢測技術

1.總體方案設計。

機械手超聲無損檢測技術在應用過程中需要根據葉片的檢測要求制定針對性的檢測方案。為了滿足葉片的無損檢測要求并提高檢測精度，則可以選擇機械夾持葉片和超聲換能器固定的方法，按照一定的順序和流程進行葉片的全方位檢測。在確定葉片檢測的具體位置后機械手會規劃合理的檢測路線，超聲換能器則進行超聲波無損檢測。機械手和超聲換能器同步運行實現對檢測部位的各項信息數據進行同步采集。

機械手無損檢測技術系統主要由來兩部分構成，一部分是由機械手、運動控制器、超聲波收發裝置及各項檢測設備等構成的硬件設備部分，另一部分是由超聲控制軟件、數據采集軟件、結果顯示軟件等構成的軟件部分，這兩部分充分融合形成了完整的自動化檢測系統，是進行各類構件無損檢的重要組成。

超聲換能器是檢測系統硬件部分的總要構成之一，主要進行超聲波的發射與接收工作，超聲波的頻率速度等可以結合具體需要進行針對性調整，以此保證檢測結果的有效性。夾具設備主要是進行葉片的固定便于后續檢測工作的順利開展，夾具主要應用快換夾具類型，能夠根據需要都對構件進行快速更換，而且機械手的具體位置也需要根據夾具的各項數據參數進行確定，這是保證后續機械手無損檢測的基礎。

2.機械手超聲無損檢測技術試驗研究。

（1）試驗裝備。

本課題采用STAUBLITX90L 六自由度機械手搭建系統，試驗儀器還包括SIUI 超聲探傷儀、水浸聚焦超聲換能器等。該系統主要技術指標：超聲采集卡采集頻率為250MHz；機械手運動位置觸發間隔為0.1mm，時間觸發間隔為0.0001s；工作通道為2；超聲換能器采用20MHz 水浸聚焦探頭。機械手掃查運動空間Y 軸行程≤600mm，X 軸行程≤500mm，Z 軸行程≤400mm；機械手掃查空間內重復定位精度為±0.10mm。

（2）試驗方案。

為驗證機械手超聲無損檢測系統檢測性能和技術指標，采用五軸數控加工中心和電火花加工在葉身、進氣邊分別制作標準平底孔缺陷、裂紋缺陷。為驗證系統檢測葉片厚度性能，通過提取葉片CAD 模型表面設計仿葉片曲面厚度階梯試塊，厚度設計范圍為2-12mm，并采用五軸數控加工中心加工制作。厚度試塊厚度標準值經過第三方檢測機構測量。

（3）試驗結果。

從超聲C 掃描成像中可以看出缺陷分布與設計葉片試塊上缺陷的位置一致。并通過圖像分析直徑為0.15mm 的平底缺陷可以看出缺陷信號強度高于噪聲信號，因此缺陷檢測結果是有效的。檢測結果表明系統能夠檢測出直徑0.15mm 的標準平底孔缺陷和0.15mm 寬的裂紋缺陷，滿足檢測要求；同時檢測葉片葉身面積的80%僅用14min，相對于人工檢測效率更高且缺陷檢測可靠性更高。

對于超聲檢測仿葉片曲面厚度試塊方法是采用CAD 模型在每個階梯厚度上隨機選擇2 個點，并通過三坐標測量機對所選點厚度值進行標定測量；然后采用標準厚度值標定葉片聲速并進行其他點厚度檢測，從檢測結果可以了解到，檢測厚度誤差小于±0.03mm，滿足葉片厚度檢測要求。

本文根據葉片的特點選擇較為有效無損檢測技術，實現了硬件設備與軟件技術的充分融合，能夠將工裝夾具、機械手和超聲換能器充分整合，實現各系統的充分協調對葉片各部進行無損檢測，檢測質量和精度都可以得到保障。同時采用CAD 建模的方法根據檢測的數據信息和機械手的運動軌跡來確定超聲波的入射方式和具體位置，及時發現其內部存在的故障問題，并利用斜射入法進行葉片的邊緣部位和根部的檢測工作。

結語：由于航空發動機葉片結構、厚度等方面的特殊性，常規的檢測方法無法對葉片缺陷和損傷問題進行全面檢測。隨著無損檢測技術的快速發展，許多新型的檢測技術被研發出來，能夠實現對葉片的自動化檢測。機械手無損檢測技術通過超聲檢測的方法提高了技術的檢測精度，對于厚度和造型復雜的曲面葉片也能夠實現細致檢測。要掌握這項檢測技術的應用要點和注意事項，將其合理應用到航空發動機葉片檢測工作中，以此保證葉片的應用質量。