葉片榫頭尺寸自動化檢測技術(shù)

劉廷祥，陳犇，楊峰，周由

1.中國航發(fā)貴州黎陽航空動力有限公司 貴州貴陽 550000

2.成都美奢銳新材料有限公司 四川成都 610000

1 序言

在航空發(fā)動機(jī)葉片的生產(chǎn)過程中，存在著大量的發(fā)動機(jī)渦輪葉片，其中某渦輪葉片榫頭形狀復(fù)雜，如圖1所示。葉片噴涂前需要準(zhǔn)確檢測其榫頭上、中、下截面基線T位置處厚度L尺寸（見圖2）。由于葉片榫頭形狀不規(guī)則，全部由曲面組合而成，因此無論是在平臺上用打表法測量，還是用三坐標(biāo)測量機(jī)檢測，均無法準(zhǔn)確找正和建立坐標(biāo)系，從而無法準(zhǔn)確檢測出厚度尺寸L，成了生產(chǎn)檢測中的難題。同時導(dǎo)致下工序噴涂厚度無法確定，嚴(yán)重影響葉片制造質(zhì)量，影響葉片與渦輪盤裝配間隙，從而影響發(fā)動機(jī)性能[1]。

圖2 檢測技術(shù)要求示意

由圖2可知，榫頭中心線與壓氣機(jī)旋轉(zhuǎn)中心夾角有5°25'±3'的要求，其關(guān)鍵尺寸12.8mm是從榫頭端面最高處平移理論尺寸H，即基線T處的厚度值，應(yīng)檢測出該厚度的實(shí)際值。

2 確定檢測方法

2.1 裝夾定位

葉片形狀不規(guī)則，沒有支撐基準(zhǔn)面，裝夾要考慮到一次檢測完畢，三坐標(biāo)測尖不能碰桿。根據(jù)實(shí)際情況，選擇用虎鉗夾住葉片兩側(cè)邊（見圖3），榫頭垂直向下。選擇直徑2mm、桿長30mm的測尖，如圖4所示。

圖3 裝夾定位

圖4 測尖直徑及角度選擇

2.2 坐標(biāo)系的建立

由于榫頭基準(zhǔn)面為曲面，顯然用建立直角坐標(biāo)系的方法已不可行，考慮到該葉片有數(shù)模，因此嘗試先在數(shù)模的3個方向上共采6點(diǎn)，用6點(diǎn)按迭代法建立坐標(biāo)系的方法來建立數(shù)學(xué)模型[2]，6點(diǎn)理論值如圖5所示；然后用手動的方式在葉片實(shí)物上相應(yīng)位置采6點(diǎn)，如圖6所示（帶*號的為實(shí)際值）。用這6點(diǎn)實(shí)際值與數(shù)模上的6點(diǎn)理論值進(jìn)行迭代，擬合建立出第一次粗建坐標(biāo)系，以此來進(jìn)行葉片位置的初定位。在此基礎(chǔ)上，編制自動程序測量數(shù)模上的6個理論點(diǎn)，得到6個精確實(shí)際值后再與數(shù)模上的6個理論值進(jìn)行迭代，擬合建立出第二次精建坐標(biāo)系，如此反復(fù)，直到葉片上的6個實(shí)際值與數(shù)模上的6個理論值無限接近。由于制造誤差，實(shí)際值與測量值很難相等，故根據(jù)圖樣要求和實(shí)際情況，只要這6個實(shí)際值與數(shù)模上的6個理論值相比，達(dá)到定位公差在0.002mm以內(nèi)的要求即可，設(shè)置界面如圖7所示，否則繼續(xù)自動測量迭代，擬合建立第三次或更多次精建坐標(biāo)系，循環(huán)測量到滿足要求為止[3]。

圖5 6點(diǎn)理論值

圖6 6點(diǎn)實(shí)際值

圖7 設(shè)置特征點(diǎn)定位公差

2.3 編制程序自動測量、計(jì)算

進(jìn)入編程界面（見圖8），選擇自動檢測程序模式，進(jìn)入矢量點(diǎn)編輯功能窗口，在數(shù)模上尋找符合圖樣要求的理論點(diǎn)位置，即滿足12.8mm和H要求的理論點(diǎn)。按上、中、下3個不同位置測量，間隔5mm，包括葉片左邊點(diǎn)7*、點(diǎn)8*和點(diǎn)9*（見圖9），以及右邊對應(yīng)的點(diǎn)10*、點(diǎn)11*和點(diǎn)12*（見圖10）。

圖8 編程界面

圖9 左測點(diǎn)

圖10 右測點(diǎn)

軟件將自動給出葉片兩側(cè)目標(biāo)點(diǎn)的法線方向，生成自動檢測程序，并在關(guān)系運(yùn)算功能窗口，編輯計(jì)算點(diǎn)7*和點(diǎn)10*、點(diǎn)8*和點(diǎn)11*、點(diǎn)9*和點(diǎn)12*之間的距離。自動測量程序如下。

執(zhí)行程序，從頭開始運(yùn)行，直到全部測量完畢，以某一級葉片為例，測量上、中、下3個不同截面的厚度尺寸，圖樣要求為12.8mm，測量結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 自動檢測結(jié)果統(tǒng)計(jì) （單位：mm）

3 檢測結(jié)果對比分析

與平臺測量和手動測量相比較，自動測量使用迭代法擬合坐標(biāo)系，消除了無基準(zhǔn)平面帶來的定位誤差；自動程序能按法線方向采點(diǎn)，而手動測量不能，消除了測尖半徑補(bǔ)償誤差；自動測量運(yùn)動勻速，測力均勻，重復(fù)性比平臺測量和手動測量高。統(tǒng)計(jì)用平臺方法測量、三坐標(biāo)手動測量和三坐標(biāo)自動測量的結(jié)果，與實(shí)際值對比情況見表2。

表2 不同測量方法對比情況 （單位：mm）

分析以上對某葉片的27次檢測結(jié)果，平臺測量結(jié)果與實(shí)際值相差最小為0.186mm，手動測量結(jié)果與實(shí)際值相差最小為0.122mm，自動測量結(jié)果與實(shí)際值相差最小為0.009mm，自動測量結(jié)果更接近實(shí)際值。

4 結(jié)束語

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，發(fā)動機(jī)葉片的設(shè)計(jì)越來越復(fù)雜，制造精度要求越來越高，對檢測精度的要求也越來越高。為了在生產(chǎn)制造過程中有效控制加工精度和保證葉片制造質(zhì)量，應(yīng)開展葉片檢測方案、檢測方法和評價方法等技術(shù)研究，提高葉片的檢測技術(shù)水平，為葉片整個生產(chǎn)制造過程提供準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)，從而保證葉片的生產(chǎn)質(zhì)量。