航空發(fā)動機葉片加工質(zhì)量檢測技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

西北工業(yè)大學(xué)現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室 史小強 吳寶海 張定華

作為發(fā)動機的相關(guān)重要部件之一，葉片在航空發(fā)動機制造中所占比重約為30%。由于葉片形狀復(fù)雜、尺寸跨度大（長度從20～800mm）、受力惡劣、承載最大，且在高溫、高壓和高轉(zhuǎn)速的工況下運轉(zhuǎn)，使得發(fā)動機的性能很大程度上取決于葉片型面的設(shè)計制造水平。為了滿足發(fā)動機高性能、可靠性及長壽命的要求，葉片通常選用合金化程度很高的鈦合金、高溫合金等材料制成。同時由于葉片空氣動力學(xué)特性的要求，葉型必須具有精確的尺寸、準確的形狀和嚴格的表面完整性[1]。隨著航空發(fā)動機性能要求越來越高，各大主機生產(chǎn)廠對葉片加工精度要求也越來越高。目前，航空發(fā)動機的葉片制造方法主要有電解加工、銑削加工、精密鍛造、精密鑄造等[2]。其中，數(shù)控銑削加工因加工精度高、切削穩(wěn)定、工藝成熟度高等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用。然而由于葉片零件壁薄、葉身扭曲大、型面復(fù)雜，容易產(chǎn)生變形，嚴重影響了葉片的加工精度和表面質(zhì)量。如何嚴格控制葉片的加工誤差，保證良好的型面精度，成為檢測工作關(guān)注的重點。葉片型面是基于葉型按照一定積累疊加規(guī)律形成的空間曲面，因為葉片形狀復(fù)雜特殊、尺寸眾多、公差要求嚴格，所以葉片型線的參數(shù)沒有固定的規(guī)律，葉片型面的復(fù)雜性和多樣性使葉片的測量變得較為困難。傳統(tǒng)的檢測方法無法科學(xué)地指導(dǎo)葉片的生產(chǎn)加工，而汽輪機、燃氣機等制造業(yè)的發(fā)展，要求發(fā)動機不斷更新?lián)Q代，提高發(fā)動機的安全性和可靠性。先進技術(shù)體現(xiàn)在葉片的改進與創(chuàng)新，從而必須提高葉片制造技術(shù)水平，同時要求葉片加工測量實現(xiàn)數(shù)字化，體現(xiàn)其精準度，精確給出葉片各點實際數(shù)值與葉片理論設(shè)計的誤差。隨著我國航空發(fā)動機制造企業(yè)的迅猛發(fā)展，發(fā)動機葉片數(shù)量大、種類多，檢測技術(shù)面臨著前所未有的機遇和挑戰(zhàn)。

目前，在國內(nèi)的葉片檢測過程中，傳統(tǒng)的標準樣板測量手段仍占主導(dǎo)地位，效率低下、發(fā)展緩慢，嚴重制約著設(shè)計、制造和檢測的一體化進程。為了適應(yīng)快速高效檢測要求，西方發(fā)達國家已普遍采用三坐標測量機對葉片進行檢測。由于航空發(fā)動機葉片的數(shù)量大、檢測項目多，三坐標檢測技術(shù)的引入很大程度上改善了葉片制造過程中檢測周期長、檢測結(jié)果不準確以及由于和外方檢測方式不一致所導(dǎo)致的檢測結(jié)果差異過大的問題。三坐標檢測所特有的適用性強、適用面廣、檢測快速、結(jié)果準確等優(yōu)點，使三坐標測量機在葉片生產(chǎn)企業(yè)得到廣泛應(yīng)用。近年來，隨著我國航空工業(yè)的發(fā)展，三坐標測量機在葉片生產(chǎn)主機廠家逐漸得到普及。但由于葉片型面復(fù)雜、精度要求高，不同廠家的測量方式、測量流程和數(shù)據(jù)處理方式不同，導(dǎo)致葉片的測量結(jié)果不一致，測量工作反復(fù)，嚴重制約著葉型檢測效率的提高。

葉型檢測難點具體表現(xiàn)為[3-4]：

（1）測量精度和效率要求高。葉片型面的測量精度直接反映制造精度，通常要求測量精度達到10μm，甚至1μm。因此對測量環(huán)境要求嚴格苛刻，通常需要專門的測量室。葉片是批量生產(chǎn)零件，數(shù)量成千上萬，應(yīng)盡可能提高測量速度和效率。但生產(chǎn)車間和測量室之間的反復(fù)運輸和等待使檢測效率低下。

（2）測量可靠性要求高。葉片測量和數(shù)據(jù)處理結(jié)果應(yīng)反映葉片的實際加工狀態(tài)，這樣才能保證葉片的制造質(zhì)量。

（3）數(shù)據(jù)處理過程復(fù)雜。葉片圖紙上不僅有葉型、弦長、前緣后緣半徑等尺寸誤差要求，還有葉片的形狀輪廓、彎曲、扭轉(zhuǎn)、偏移等形位誤差要求。利用三坐標測量機獲取的測量數(shù)據(jù)存在噪點，通常需要對原始的測量點集進一步簡化，提取不同的尺寸和特征參數(shù)；同時需進行復(fù)雜的配準運算，迭代求解葉片的形位誤差。算法選用不同得到的誤差評定結(jié)果各有差異，導(dǎo)致整個處理過程復(fù)雜。

葉片加工誤差檢測技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

目前，在數(shù)字化檢測領(lǐng)域大多數(shù)的研究集中在對自由曲面的數(shù)據(jù)采集、模型配準方面，對誤差評定方法的研究還不完善。而葉片作為典型自由曲面，其加工誤差評定結(jié)果的準確性和可靠性與測量數(shù)據(jù)獲取方式、模型配準方法和誤差評定模型密切相關(guān)。首先，通過不同的測量手段獲取原始型面測量數(shù)據(jù)；然后進行數(shù)據(jù)處理，核心是測量數(shù)據(jù)的匹配定位；最終，選用合適的評定模型進行誤差評定，其中評定結(jié)果又受到匹配定位方法的影響。

1 數(shù)據(jù)采集方法

目前，葉片生產(chǎn)面臨著更短的生產(chǎn)周期、準時的交付、更低的成本等新要求，傳統(tǒng)的檢測方法顯得緩慢，無法滿足要求。為了克服這些挑戰(zhàn)，葉片制造公司開始轉(zhuǎn)向自動數(shù)字檢測，使數(shù)字化數(shù)據(jù)采集手段得到廣泛應(yīng)用。數(shù)據(jù)采集是指通過相應(yīng)的測量設(shè)備，按照設(shè)計和檢測意圖，以一定的測量方法將物體的表面形狀轉(zhuǎn)換成離散的幾何點坐標數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上，就可以進行復(fù)雜曲面的建模、評價、改進和制造。因此，高效高精度地實現(xiàn)產(chǎn)品表面的數(shù)據(jù)采集，是葉片質(zhì)量檢測的前提，測得數(shù)據(jù)的質(zhì)量直接影響加工誤差評定的準確性和可靠性。

（1）采集方式分類。

針對葉片型面數(shù)據(jù)的采集有多種方法，根據(jù)數(shù)據(jù)采集中測量頭是否與被測物體表面接觸，分成接觸式和非接觸式，如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集方式分類

接觸式測量方法是通過傳感測量頭與產(chǎn)品的接觸而記錄產(chǎn)品表面點的坐標位置，可以細分為點觸發(fā)式和連續(xù)掃描式。接觸式測量有電感量儀、三坐標測量機（CMM），其中以CMM為主，它對剛性物體的表面數(shù)據(jù)采集精度高，主要用于機械加工工件的測量和幾何尺寸及公差（GD&T）的檢測。隨著模擬測頭的出現(xiàn)，使CMM可以沿著葉身型面進行連續(xù)掃描測量，目前CMM在葉片實際檢測中的應(yīng)用越來越廣泛。接觸式采集方法優(yōu)點包括：精度高，能快速測量基本幾何體，不受測量環(huán)境、實體的材質(zhì)、顏色的影響；可量測光學(xué)儀器無法量測的死角，如深溝、小凹槽、倒勾等區(qū)域。其缺點包括：速度較慢；必須使用特殊的夾具，提高了測量成本；需要經(jīng)常校正測頭等。

圖2 光學(xué)測量原理示意圖

非接觸式測量方法主要是基于光學(xué)、聲學(xué)、磁學(xué)等領(lǐng)域中的基本原理，將一定的物理模擬量通過適當(dāng)?shù)乃惴ㄞD(zhuǎn)換為產(chǎn)品表面的坐標點。目前主要有光學(xué)掃描、CT掃描（X射線、 射線）、超聲波方法。光學(xué)掃描分為激光點狀測量、線狀測量、面狀測量及白熾燈面狀光柵測量。光學(xué)掃描按所使用光源的不同分為激光光學(xué)掃描和白熾燈光柵光學(xué)掃描。激光單點掃描一般與CMM測量方法基本相同，只是測頭不同；光學(xué)線狀或面狀掃描是基于光學(xué)三角原理，即利用具有規(guī)則幾何形狀的測量光源投影到被測表面上，形成漫反射光帶，并利用CCD成像于空間某位置的圖像傳感器，根據(jù)三角原理測出被測表面某位置的空間坐標，如圖2所示。工業(yè)CT(Industrial Computerized Tomography，計算機斷層攝影術(shù))，不受樣件的材料種類、形狀結(jié)構(gòu)等因素的限制，成像直觀、分辨率高，在復(fù)雜構(gòu)件的無損檢測方面具有獨特優(yōu)勢，但由于價格昂貴等原因，目前實際應(yīng)用較少。

圖3 葉片的三坐標檢測

非接觸式測量的優(yōu)點包括：測量速度快；高分辨率；可以測量物件上大部分的特征；無需測頭半徑補償；可測量接觸式無法測量的物體，如軟質(zhì)物件、塑料薄件等。目前，它主要用于產(chǎn)品數(shù)字化和逆向工程中。其缺點包括：測量精度較差；測量點質(zhì)量受外部環(huán)境因素影響較大；較難對幾何形狀做完整的測量，如細長深孔等。接觸式測量與非接觸式測量相比雖然效率較低，但由于其測量精度和智能化程度高、設(shè)備價格低，因此被廣泛應(yīng)用于制造業(yè)的CAD/CAM、產(chǎn)品檢測和質(zhì)量控制。

（2）三坐標測量。

近20年來三坐標測量機快速發(fā)展，逐漸從計量室走向車間，實現(xiàn)了零件的自動化測量和在線測量。同時，三坐標測量機配備的軟件具有強大的功能和柔性，使它日益成為企業(yè)質(zhì)量控制系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)，在制造業(yè)內(nèi)取得了廣泛的應(yīng)用。坐標測量技術(shù)的不斷發(fā)展，為實現(xiàn)葉片型面幾何尺寸和形狀誤差的綜合測量提供了新的手段。三坐標測量機，作為坐標測量技術(shù)的典型代表，是集機械、電子、光學(xué)、計算機、數(shù)字控制等先進技術(shù)于一體的大型高精度智能化測量儀器。通過坐標測量機測量葉片輪廓上各被測點的坐標值，采用數(shù)據(jù)建模等分析手段，可得到被測葉片幾何尺寸和形狀誤差等參數(shù)。三坐標測量機作為高精度的三維空間檢測設(shè)備，具有檢測精度高、檢測重復(fù)性好、自動化程度高等優(yōu)點，適合葉片類復(fù)雜曲面的精密測量，是目前現(xiàn)有的葉片檢測手段中精度最高的一種[5-6]，不但應(yīng)用于葉片加工過程的測量以指導(dǎo)和修正葉片的數(shù)控加工程序，保證葉片的加工質(zhì)量，而且更多的用于加工完成后的最終檢測,如圖3所示。

對于GE燃機葉片的檢測，目前主要采用手工測具和三坐標測量機相結(jié)合的方式，即在生產(chǎn)工序中的檢測一般以手工測具為主，同時輔以三坐標測量機的抽檢；最終的檢驗以三坐標測量機為主，三坐標測量機無法檢測的一些尺寸用手工測具來檢測。而國內(nèi)發(fā)動機主機廠使用三坐標測量機主要用于關(guān)鍵加工工序的質(zhì)量控制，部分企業(yè)開始用于終檢；大部分葉型檢驗還是采用樣板測具和專用樣板來進行。

三坐標測量機具有x、y、z3個相互垂直移動的導(dǎo)軌，它以空間直角坐標為參考，檢測葉型輪廓上各被測點的坐標值，并對其數(shù)據(jù)群進行處理，求得各幾何元素形位尺寸。通常三坐標測量機配備完善的測量機軟件和專用的葉片參數(shù)計算軟件，不僅可以進行測量路徑的規(guī)劃，測量宏程序的生成，還可以對測量數(shù)據(jù)進行快速的處理分析，輸出測量結(jié)果報告。常用軟件葉片測量路徑為等高法測量路徑，也叫等Z法或等截面法，即將一個測量路徑線控制在葉片的一個截平面內(nèi)，此外還有等流道線法測量路徑等。

2 模型匹配方法

在獲取測量數(shù)據(jù)之后，關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)是測量數(shù)據(jù)與設(shè)計模型的準確匹配。因為曲面的設(shè)計坐標系和測量坐標系往往不一致，只有消除了由于基準不統(tǒng)一而導(dǎo)致的測量誤差，才能進行誤差評定。模型匹配是盡可能的尋找測量點與CAD模型的最佳姿態(tài)，使測量點的坐標系與模型坐標系對齊。對于工業(yè)領(lǐng)域的產(chǎn)品形狀檢測而言，大多數(shù)情況下都把產(chǎn)品當(dāng)作剛體考慮，在模型配準定位過程中使用剛性變換。通常配準定位分為兩個步驟：第一步是尋找測量模型與設(shè)計模型之間的點與點的對應(yīng)關(guān)系；第二步是求解這兩個模型之間的3D剛性變換，把它們統(tǒng)一到共同的坐標系中。

目前，針對模型匹配中的兩個核心問題，國內(nèi)外學(xué)者在數(shù)控加工及檢測領(lǐng)域?qū)ζ溥M行了大量研究。已有的匹配算法分為3類：迭代匹配、基于曲面描述的匹配及基于特征的匹配。在各種迭代匹配算法中，以Besl和Mckay提出的迭代最近點（Iterative Closest Point， ICP）算法最為流行[7]。在此基礎(chǔ)之上，人們對它進行了許多有益的改進以提高它的運行速度和收斂性。然而，迭代匹配的精度卻在很大程度上依賴于初始變換估計以及迭代過程中對初始估計的迭代改進。同時，在無法預(yù)知測量數(shù)據(jù)與曲面模型之間任何聯(lián)系的條件下，基于曲面描述的匹配方法顯現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢。但是，當(dāng)處理由許多相似曲面片構(gòu)成的復(fù)雜曲面時，將不可避免地產(chǎn)生多重對應(yīng)聯(lián)系，導(dǎo)致匹配失敗。目前的匹配算法在曲面的內(nèi)在曲率和幾何特性方面研究較多，并針對某些工程應(yīng)用問題，提出了帶約束的匹配方法，大多都是基于單一約束條件的匹配求解。然而對于數(shù)控加工葉片多項公差相互關(guān)聯(lián)的情況，目前采用的是分項逐一計算，還沒有完善的匹配算法去求解各項誤差值。需要結(jié)合葉片類零件的樣板檢測原則，開展針對性的研究，以適應(yīng)葉片類零件的誤差評定需求。

3 誤差評定方法

對于形位誤差評定模型的研究，在直線度、圓度、平面度等指標方面，已取得了一些可觀成果，如圓柱度、圓錐度、球度等項目的研究也得到廣泛開展，同時對評定問題的優(yōu)化求解、統(tǒng)一評判等較難的理論研究也取得了進展，但主要集中于簡單的二次曲線和曲面的測量評定，空間自由曲面的研究相對較少。對于具有幾何復(fù)雜性和功能特殊性的葉片曲面的形位誤差評定，目前還沒有國際通用的標準或技術(shù)來測量和評價其形位誤差。

葉片型面誤差主要包括葉型參數(shù)誤差和形位誤差，其中形位誤差的評定與計算與所選用的基準和算法密切相關(guān)，是誤差評定的關(guān)鍵參數(shù)。西北工業(yè)大學(xué)從葉片檢測過程中的配準建模角度出發(fā)，將精鑄空心渦輪葉片型面按設(shè)計公差要求分為：前緣區(qū)、后緣區(qū)及葉盆葉背區(qū)等幾個區(qū)域，系統(tǒng)地提出了區(qū)域公差約束的葉片配準方法；盡可能把參與配準運算的配準控制點約束在葉片的公差帶以內(nèi)，減少乃至消除由于模型配準技術(shù)本身的有效性問題而導(dǎo)致成形精度分析的誤判，造成不必要的產(chǎn)品報廢。

上述的某些評定算法已經(jīng)應(yīng)用在目前商用的葉片檢測軟件中，并取得了較好的誤差評定結(jié)果。其中，逆向工程軟件Geomagic qualify可以對葉片測量數(shù)據(jù)進行各種類型的配準，且可以實現(xiàn)一鍵式評定葉型尺寸參數(shù)。Hexagon公司開發(fā)的BladeRunner和AEH公司開發(fā)的AC-VANE，以葉片數(shù)據(jù)庫為平臺對葉片的理論數(shù)據(jù)、實測數(shù)據(jù)、公差編輯、評定原則等進行統(tǒng)一有效的管理，可以選用不同評定基準，分離葉片形狀誤差和位置誤差。

在葉片的數(shù)字化檢測環(huán)節(jié)中，最終的加工誤差評定結(jié)果與數(shù)據(jù)采集方式、測量數(shù)據(jù)匹配方法、誤差評定模型密切相關(guān)。無論是采用樣板測具還是三坐標測量機，測量的誤差都是存在的。特別是測具所帶來的檢測系統(tǒng)誤差，其誤差的大小對檢測結(jié)果影響極大，必須通過匹配方法消除。評定算法的不同對最終的誤差結(jié)果影響也很大，目前并沒有統(tǒng)一的葉型誤差評定方法。然而實際工程應(yīng)用中，由于樣板法現(xiàn)場使用方便、檢測可靠，仍為主導(dǎo)的葉片型面檢測方法。CMM處理方式的不同，導(dǎo)致誤差結(jié)果與樣板檢測不一致，甚至出現(xiàn)相互矛盾。因此，有必要通過分析葉型檢測要求和公差約束關(guān)系，提出葉型誤差檢測的新方法，以準確評定葉型的三項形位誤差。

葉片測量新技術(shù)

1 基于數(shù)字樣板葉型檢測方法

標準樣板是根據(jù)葉片的理論型線設(shè)計制造的與葉型截面對應(yīng)的母模量具，使用葉片固定座（即型面測具）把葉片固定后，用處于理想位置的葉盆標準樣板和葉背標準樣板檢查葉盆、葉背型面間隙，并反復(fù)調(diào)整葉片空間位置，以型線的吻合度作為衡量其是否合格的依據(jù)。葉型設(shè)計圖多以透光度或相對誤差來表示，如±0.15mm。這個比對誤差實際上并不是單純的形狀誤差，而是形狀誤差、尺寸誤差、位置誤差三者的綜合體。

針對標準樣板法的特點和存在的缺點，西北工業(yè)大學(xué)研究了基于數(shù)字樣板的檢測方法[8]。數(shù)字樣板檢測方法是基于標準樣板法的原理，利用數(shù)字化測量手段獲取測量數(shù)據(jù)，然后利用虛擬的數(shù)字樣板，與實測的數(shù)據(jù)進行匹配，在公差約束條件下達到最佳匹配。最后在其最佳姿態(tài)下，求解葉型各項形位誤差?；跀?shù)字樣板檢測的方法可以歸納為3個主要過程：實物樣板數(shù)字化、匹配過程模型化、誤差評定過程自動化。實物樣板數(shù)字化是將傳統(tǒng)的實物樣板轉(zhuǎn)換為CAD模型，以數(shù)字模型的方式進行樣板比對和誤差評定。由葉片設(shè)計模型構(gòu)造的三維CAD模型，它包括了加工葉片完整的截面幾何信息、基準信息，是數(shù)字樣板法誤差評定的模型基礎(chǔ)，可以進行表面輪廓度分析、葉型特征參數(shù)和形位誤差的分析和評定。對于數(shù)字樣板法的原始測量點集，主要通過CMM測量獲得。在數(shù)字樣板構(gòu)造的基礎(chǔ)上，通過匹配過程的模型化對測量數(shù)據(jù)和數(shù)字樣板自動進行調(diào)整。針對數(shù)字樣板法中的原始測量數(shù)據(jù)，通常需要進行數(shù)據(jù)預(yù)處理，獲取真實有效的型面測量數(shù)據(jù)參與數(shù)字樣板檢測。其中，數(shù)據(jù)預(yù)處理包括測量點去噪、測頭半徑補償、坐標變換、測量點與曲面的配準、測量點排序等。首先，數(shù)據(jù)處理的第一步就是對得到的型面測量點進行去噪，篩選有效的測量數(shù)據(jù)。其次，CMM測量得到的數(shù)據(jù)是測頭球心數(shù)據(jù)，必須進行測頭半徑補償。對于葉片測量時的裝夾引起的系統(tǒng)誤差，在樣板匹配前必須進行坐標系對齊來消除?；跀?shù)字樣板的葉片檢測模塊功能結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 基于數(shù)字樣板的葉片檢測模塊功能結(jié)構(gòu)

2 葉片高速連續(xù)掃描技術(shù)

為了提高整體葉盤葉片的檢測效率，雷尼紹公司近年來開發(fā)了SPRINT高速掃描系統(tǒng)（見圖5）。與傳統(tǒng)的機內(nèi)測量技術(shù)相比，SPRINT葉片測量系統(tǒng)可以顯著縮短測量循環(huán)時間，對葉片前邊緣也能提供精確出色的測量結(jié)果，可以為葉片自適應(yīng)加工、工序間檢測等提供很好的檢測數(shù)據(jù)。葉片測量分析軟件可通過數(shù)控機床控制器上的Productivity+TMCNC plug-in直接運行，因此測量數(shù)據(jù)可通過宏變量自動提供給數(shù)控機床，也可以自動提供給連接的計算機進行下游數(shù)據(jù)處理。SPRINT系統(tǒng)配備的OSP60 SPRINT測頭每秒可以采集1000個3D數(shù)據(jù)點，從而可以滿足葉片在機快速檢測的要求。

利用SPRINT系統(tǒng)進行測量時，在CNC機床上分別從4個方向?qū)θ~片進行測量，從而避免在測量過程中發(fā)生測頭與工件之間的碰撞干涉。在測量之后，4部分的測量數(shù)據(jù)將被拼合成一個完整的葉片測量數(shù)據(jù)集。SPRINT系統(tǒng)可以用于加工過程中工序間的檢測，以確保產(chǎn)品的加工過程正確。同時，還可以作為加工完之后的質(zhì)量檢測使用。

圖5 整體葉盤葉片測量

結(jié)束語

加工過程中以及加工后的型面誤差檢測是確保葉片加工質(zhì)量符合公差要求的必要手段。隨著測量技術(shù)的不斷發(fā)展，不斷涌現(xiàn)出快速、簡易、高效的葉片測量與數(shù)據(jù)處理技術(shù)。同時，隨著智能加工技術(shù)的發(fā)展，在機快速檢測技術(shù)將推動葉片加工質(zhì)量與成品率的提升。在這一發(fā)展過程中，需要重視和建立葉片在機測量和加工質(zhì)量的評估標準，從而為這類技術(shù)的推廣使用奠定基礎(chǔ)。

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