工業(yè)CT在大型復(fù)雜機(jī)匣檢測(cè)中的應(yīng)用

蔣紹青,欒傳彬，滿月娥，趙燕燕

(中航工業(yè)南方航空工業(yè)(集團(tuán))有限公司, 株洲 412002)

工業(yè)CT在大型復(fù)雜機(jī)匣檢測(cè)中的應(yīng)用

蔣紹青,欒傳彬，滿月娥，趙燕燕

(中航工業(yè)南方航空工業(yè)(集團(tuán))有限公司, 株洲 412002)

采用傳統(tǒng)的射線照相對(duì)整體澆鑄的大型復(fù)雜機(jī)匣中的油路進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，難以通過多層疊加的影像對(duì)油道內(nèi)部的質(zhì)量進(jìn)行準(zhǔn)確判斷。通過對(duì)零件局部的工業(yè)CT檢測(cè)試驗(yàn)，解決了油道內(nèi)部質(zhì)量的檢測(cè)問題，利用圖像重建和尺寸測(cè)量技術(shù)解決了關(guān)鍵尺寸的符合性測(cè)量和局部壁厚的測(cè)量問題。

工業(yè)CT；機(jī)匣；油道；重建

在現(xiàn)代新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造中，許多大型復(fù)雜機(jī)匣中的油路均采用整體澆鑄成型技術(shù)加以完成，以滿足減少加工、降低成本和提高可靠性的要求。然而，由于局部的控制誤差和變形，整體成型后的大型復(fù)雜機(jī)匣中油路設(shè)計(jì)的符合性檢測(cè)難以有效實(shí)施。表面檢驗(yàn)對(duì)內(nèi)部封閉腔內(nèi)油路的表面質(zhì)量和尺寸要求無法檢查，傳統(tǒng)的X射線照相檢測(cè)難以通過多層疊加后的影像進(jìn)行準(zhǔn)確地缺陷判斷。因此，常出現(xiàn)檢驗(yàn)后合格的零件在加工過程中或加工完成后進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，由于油路不通或流量偏小無法補(bǔ)救而報(bào)廢的問題。如某型機(jī)前機(jī)匣、主機(jī)匣合格的毛坯在前期的加工過程中合格率低，造成了大量的廢品損失，特別是前機(jī)匣，合格毛坯加工后的半成品合格率不到20%。其存在的主要問題是：前機(jī)匣油路流量偏小、加工油膜孔與油路接不通或流量偏小、局部漏泵等。主機(jī)匣由于局部尺寸控制不好，在指定平面上加工拉槽以后，出現(xiàn)槽底局部連通到機(jī)匣的內(nèi)部油箱(設(shè)計(jì)規(guī)定槽底與油箱之間應(yīng)有2 mm的壁厚)等問題。

筆者運(yùn)用工業(yè)CT的方法找到了大型復(fù)雜機(jī)匣中的油路不通或流量偏小的原因,解決了局部位置的符合性測(cè)量和局部壁厚的測(cè)量問題，滿足了科研生產(chǎn)的需求。

1 工業(yè)CT檢測(cè)設(shè)備

試驗(yàn)用工業(yè)CT系統(tǒng)的型號(hào)為iCT4000，射線源為4 MeV電子直線加速器，焦點(diǎn)尺寸2 mm,探測(cè)器為芬蘭DT0.4iHE820線陣列探測(cè)器，探測(cè)器的主要性能參數(shù)如表1所示。

圖像質(zhì)量是工業(yè)CT系統(tǒng)的核心指標(biāo)，圖像質(zhì)量的表征參數(shù)包括密度分辨率、空間分辨率和偽像等。密度分辨率和空間分辨率則是工業(yè)CT系統(tǒng)的關(guān)鍵性指標(biāo)，按GJB 5311-2004《工業(yè)CT系統(tǒng)性能測(cè)試方法》推薦的圓盤法(圓盤直徑約80 mm)測(cè)得的密度分辨率和空間分辨率如表2所示。

表1 探測(cè)器的主要性能參數(shù)

表2 系統(tǒng)分辨率測(cè)試值

由表2可見，材料和掃描頻率對(duì)系統(tǒng)分辨率的影響很小。

2 工業(yè)CT在復(fù)雜機(jī)匣中的應(yīng)用試驗(yàn)

2.1 檢測(cè)部位的確定

對(duì)復(fù)雜通道中油道和位置的檢測(cè)，應(yīng)了解零件內(nèi)部的油道結(jié)構(gòu)、工藝特點(diǎn)，找出可能的流道堵塞的位置。通過與相關(guān)人員的討論確定了零件需要檢測(cè)的部位。即，主要檢測(cè)前機(jī)匣距基準(zhǔn)面149 mm高的主供油路和應(yīng)急油路的通暢情況及132～136 mm高的直道油路情況，測(cè)量距基準(zhǔn)面55 mm高的油路與需加工油膜孔的接通的位置的通暢情況,測(cè)量主機(jī)匣三個(gè)拉槽的位置情況等。

2.2 前機(jī)匣油道的檢測(cè)試驗(yàn)

2.2.1 前機(jī)匣油道檢測(cè)掃描和重建參數(shù)的確定

前機(jī)匣是復(fù)雜機(jī)匣中的典型零件，是某型發(fā)動(dòng)機(jī)研制中的瓶頸，其內(nèi)部的油路結(jié)構(gòu)交錯(cuò)疊加，加工后易出現(xiàn)油路不通、油路流量偏小或漏泵等問題，報(bào)廢率很高。根據(jù)前機(jī)匣的鑄造工藝特點(diǎn)，確定的三個(gè)基準(zhǔn)掃描截面如圖1所示。

圖1 前機(jī)匣掃描截面位置示意

通過試驗(yàn)得到各截面理想的掃描參數(shù)，如表3所示。掃描時(shí)對(duì)前機(jī)匣整體DR成像，成像后點(diǎn)擊采集軟件nACTiS Acq 6.0中“掃描線”按鈕移動(dòng)掃描線到基準(zhǔn)面雙擊后確定，再將加速器和探測(cè)器同步移動(dòng)到掃描截面位置進(jìn)行掃描與數(shù)據(jù)采集。

表3 前機(jī)匣各截面掃描參數(shù)

數(shù)據(jù)采集完成后，將采集數(shù)據(jù)導(dǎo)入重建軟件nACTiS Recon 6.0進(jìn)行圖像重建，導(dǎo)入采集數(shù)據(jù)后對(duì)CT重建軟件界面進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置。nACTiS Recon 6.0重建軟件界面設(shè)置如圖2所示，選擇相應(yīng)的重建方法，完成采集參數(shù)的配置、重建參數(shù)的設(shè)置；最重要的是由于射線源、轉(zhuǎn)臺(tái)和探測(cè)器中心可能不在同一直線上，故應(yīng)根據(jù)正弦圖的偏差計(jì)算出中心校準(zhǔn)值，否則重建的圖像可能是邊界不清的模糊圖像；各步驟完成后點(diǎn)擊“啟動(dòng)任務(wù)”按鈕即可獲得相應(yīng)截面的圖像。此外，還應(yīng)進(jìn)行必要的圖像處理，如窗寬、窗位的調(diào)整等，以獲得最佳的圖像觀察效果。

圖2 重建軟件nACTiS Recon 6.0界面設(shè)置圖

圖3 不同油道截面的CT圖像

2.2.2 前機(jī)匣油道的檢測(cè)效果

通過對(duì)各油道截面掃描和圖像重建，發(fā)現(xiàn)各油道不通或流量偏小的原因，圖3是部分油道截面的CT圖像。

由圖3可見，造成油路堵塞或流量偏小的主要原因是油道內(nèi)存在焊瘤，這些焊瘤是在油路清砂工藝孔補(bǔ)焊或油路附近排除冶金缺陷補(bǔ)焊時(shí)形成的。

2.2.3 加工油膜孔位置的符合性檢測(cè)

前機(jī)匣在加工油膜孔時(shí)總是與內(nèi)部主供油路無法接通，通過局部CT成像，運(yùn)用VG studio MAX 2.2數(shù)據(jù)分析和可視化軟件對(duì)加工油膜孔與連接油道進(jìn)行位置符合性檢查。

圖4 定義圖像邊界

利用VG studio MAX 2.2軟件進(jìn)行尺寸測(cè)量時(shí)應(yīng)定義圖像的邊界(見圖4)，確定測(cè)量工具的比例系數(shù)，即對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定。通過對(duì)已確定尺寸試件的測(cè)量，來對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，得到的比例系數(shù)為0.333 4(重建矩陣為2 048)、0.166 7(重建矩陣為4 096)等，比例系數(shù)與重建矩陣成反比關(guān)系。

通過對(duì)不同材料圓盤采用不同的掃描參數(shù)和重建矩陣對(duì)圓盤直徑進(jìn)行測(cè)量，驗(yàn)證系統(tǒng)尺寸測(cè)量的可靠性。將重建圖像數(shù)據(jù)導(dǎo)入VG軟件得到VG圖像，對(duì)圖像進(jìn)行背景和材料的邊界定義后得到可進(jìn)行各種邊界間尺寸測(cè)量的圖像。選擇距離測(cè)量工具最大值法測(cè)量選擇區(qū)域材料邊界的距離(見圖5)，得到各種條件下圓盤直徑的數(shù)據(jù)如表4所示(圖像重建矩陣為2 048時(shí)，圖像導(dǎo)入比例系數(shù)為0.333 4;圖像重建矩陣為4 096時(shí)，圖像導(dǎo)入比例系數(shù)為0.166 7)。

圖5 圓盤直徑的測(cè)量

材料實(shí)際值/mm掃描頻率100Hz,測(cè)量值/mm掃描頻率150Hz,測(cè)量值/mm重建矩陣2048重建矩陣4096重建矩陣2048重建矩陣4096鋁合金79.9279.9079.9279.9679.96高溫合金79.2279.2279.2479.2479.24塑料79.9679.9379.9479.9579.97

可見，利用VG studio MAX 2.2軟件進(jìn)行尺寸測(cè)量時(shí)，圖像導(dǎo)入比例系數(shù)與材料種類及掃描參數(shù)無關(guān)，僅與圖像重建矩陣相關(guān)，對(duì)不同的圖像重建矩陣具有相應(yīng)固定的圖像導(dǎo)入比例系數(shù)。

根據(jù)設(shè)計(jì)圖的要求，加工油膜孔與距小頭基準(zhǔn)面55.5 mm的油道接通，油膜孔的位置是：與圓心的距離為53.85 mm，與固定軸線成52°角。因此，只要在距基準(zhǔn)面55.5 mm的油道截面，測(cè)量油膜孔與油道的相對(duì)位置就可知道油道位置的符合性。要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的測(cè)量，就必須在重建圖像上找到圓心和相應(yīng)的軸線;為此，在掃描檢測(cè)前對(duì)零件進(jìn)行精確劃線并相應(yīng)標(biāo)識(shí)，在圖像上根據(jù)標(biāo)識(shí)連線確定坐標(biāo)圖，這樣就可利用各種測(cè)量工具在圖像上進(jìn)行位置和尺寸測(cè)量。圖6是筆者所在公司某自制件與外購件加工油膜孔與油道接通狀況的測(cè)量圖。

圖6 某自制件與外購件加工油膜孔與油道位置的測(cè)量圖

從圖6(a)可見，該油道明顯向外偏移，外壁最薄處僅0.96 mm，加工油膜孔時(shí)也難以與油道接通。圖6(b)所示為公司的外購零件，公司一直將此部位作為油道的清砂工藝孔，補(bǔ)焊后總是堵塞油膜孔連接處的油道。

通過對(duì)加工油膜孔與油道位置測(cè)量的符合性檢測(cè)，造成油膜孔與內(nèi)部主供油路無法接通或流量偏小的原因主要有：① 連接油膜孔的油道向外偏移;② 連接油膜孔的油道內(nèi)堵塞;③ 連接油膜孔的油道向下偏移;④ 連接油膜孔的油道偏移未完全到達(dá)基準(zhǔn)軸線的52°角位置。

圖7 主機(jī)匣DR成像確定基準(zhǔn)面

2.3 主機(jī)匣三處拉槽位置壁厚的符合性檢測(cè)

由于主機(jī)匣毛坯局部尺寸控制不好出現(xiàn)位置偏離時(shí)，在指定平面(按設(shè)計(jì)要求)上加工拉槽以后，槽底局部會(huì)連通到機(jī)匣的內(nèi)部油箱(設(shè)計(jì)規(guī)定槽底與油箱之間應(yīng)有2 mm的壁厚)。通過工業(yè)CT對(duì)其局部切片檢測(cè)，確定拉槽處壁厚是否符合設(shè)計(jì)圖的尺寸要求。設(shè)計(jì)圖要求拉槽的位置在加工基準(zhǔn)面下139.5，159.7，191 mm處，見圖7。

掃描時(shí)將定位往加工延伸方向增加1 mm切片，在重建圖像中加工部位的像素值沒有明顯變化，則證明該部位拉槽后至少有1 mm的壁厚。圖8為某截面的CT成像，可見中間拉槽位置壁厚符合要求。

圖8 拉槽位置截面的CT成像

3 合格毛坯的工業(yè)CT檢測(cè)應(yīng)用

工業(yè)CT還可以檢測(cè)機(jī)匣合格毛坯各階段加工過程中的質(zhì)量，減少廢品損失。表5為某機(jī)匣合格毛坯在各階段工業(yè)CT檢測(cè)的質(zhì)量情況。

表5 某機(jī)匣合格毛坯各階段

從表5可以看出：進(jìn)行工業(yè)CT檢測(cè)前合格毛坯零件加工后的合格率會(huì)很低，隨著工業(yè)CT檢測(cè)的推進(jìn)，毛坯零件加工的合格率不斷提高。

4 結(jié)論

通過工業(yè)CT檢測(cè)很好地解決了大型復(fù)雜機(jī)匣中油道質(zhì)量的檢測(cè)問題，同時(shí)通過圖像重建和尺寸測(cè)量技術(shù)可解決零件中其他方法難以實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵尺寸的符合性測(cè)量問題。同時(shí)，也為工藝部門提供了準(zhǔn)確的質(zhì)量信息，為毛坯質(zhì)量的改進(jìn)找到了解決問題的途徑，從而減少了廢品損失。

Application of Industry CT in Large Complicated Casing Inspection

JIANG Shao-qing, LUAN Chuan-bin, MAN Yue-e, ZHAO Yan-yan

(AVIC South Aviation Industry Co., Ltd., Zhuzhou 412002, China)

Due to the influence of the multilayer overlay image, it is difficult to evaluate the quality of the channel oil in large and complicated casting by conventional radiographic inspection. However, industry CT testing method can solve such problem, and the important and interested size of the channel can be measured accurately by image reconstruction technique and dimension measure technique.

Industry CT; Casing; Oil channel; Reconstruct

2016-08-16

蔣紹青(1964-)，男，高級(jí)工程師，學(xué)士,主要從事射線檢測(cè)和工業(yè)CT檢測(cè)的技術(shù)工作。

蔣紹青，E-mail: jsq338@sohu.com。

10.11973/wsjc201702005

TG115.28

A

1000-6656(2017)02-0018-04