試論航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片檢測(cè)技術(shù)

◎王琦

機(jī)械手無損檢測(cè)技術(shù)是一種新型的檢測(cè)技術(shù)方法，與傳統(tǒng)應(yīng)用的檢測(cè)技術(shù)相比不會(huì)對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)造成影響，能夠根據(jù)設(shè)備的具體情況提前設(shè)置好程序，機(jī)械手會(huì)按照一定的軌跡進(jìn)行檢查，這種檢測(cè)技術(shù)不但能夠減輕工作人員的壓力而且檢測(cè)精度比較高。將其應(yīng)用到航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片檢測(cè)中也具有良好的應(yīng)用效果，能夠最大限度的滿足葉片的檢測(cè)要求，而且檢測(cè)工作的自動(dòng)化水平也得到了進(jìn)一步提升。

一、葉片超聲無損檢測(cè)技術(shù)

1.航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

本文主要以為某型號(hào)航空設(shè)備的鈦合金葉片作為研究對(duì)象，該葉片由葉身和榫頭組成，葉身包括葉盆、葉背、進(jìn)排氣邊緣等。葉片是曲面結(jié)構(gòu)而且不同部位的厚度也存在一定的差異，若使用常規(guī)的檢測(cè)方法無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)葉片不同部位存在的缺陷，不能進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤檢測(cè)，這就很容易發(fā)生漏檢的情況，整體的檢測(cè)精度得不到保障。

二、超聲檢測(cè)方案設(shè)計(jì)

利用超聲檢測(cè)法對(duì)葉片具體的區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)，一般會(huì)采用出垂直入射法和斜入射法，根據(jù)不同部位的檢測(cè)需要來進(jìn)行選擇。葉身部分一般采用垂直入射檢測(cè)法能夠?qū)⒃摬课坏娜毕葜庇^具體的展示出來，讓檢測(cè)人員能夠了解缺陷和損壞的具體部位，在實(shí)際進(jìn)行檢查的過程中，超聲波射線的檢測(cè)方向要與缺陷部位的法向在同一方向。在對(duì)葉片邊緣和根部進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，通常采用斜入射檢測(cè)方法，因?yàn)檫@兩個(gè)部位容易受到外界因素的干擾，要以被檢測(cè)點(diǎn)為中心選擇一個(gè)固定的偏轉(zhuǎn)角對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)回波信號(hào)來確定缺陷的情況與位置。在進(jìn)行的厚度檢驗(yàn)時(shí)，要了解超聲波的傳播速度，根據(jù)脈沖回波信號(hào)的時(shí)間來計(jì)算葉片的具體厚度，這種檢測(cè)方法的精準(zhǔn)度比較高。

三、機(jī)械手超聲自動(dòng)化無損檢測(cè)技術(shù)

1.總體方案設(shè)計(jì)。

機(jī)械手超聲無損檢測(cè)技術(shù)在應(yīng)用過程中需要根據(jù)葉片的檢測(cè)要求制定針對(duì)性的檢測(cè)方案。為了滿足葉片的無損檢測(cè)要求并提高檢測(cè)精度，則可以選擇機(jī)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(jìn)行葉片的全方位檢測(cè)。在確定葉片檢測(cè)的具體位置后機(jī)械手會(huì)規(guī)劃合理的檢測(cè)路線，超聲換能器則進(jìn)行超聲波無損檢測(cè)。機(jī)械手和超聲換能器同步運(yùn)行實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)部位的各項(xiàng)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行同步采集。

機(jī)械手無損檢測(cè)技術(shù)系統(tǒng)主要由來兩部分構(gòu)成，一部分是由機(jī)械手、運(yùn)動(dòng)控制器、超聲波收發(fā)裝置及各項(xiàng)檢測(cè)設(shè)備等構(gòu)成的硬件設(shè)備部分，另一部分是由超聲控制軟件、數(shù)據(jù)采集軟件、結(jié)果顯示軟件等構(gòu)成的軟件部分，這兩部分充分融合形成了完整的自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)，是進(jìn)行各類構(gòu)件無損檢的重要組成。

超聲換能器是檢測(cè)系統(tǒng)硬件部分的總要構(gòu)成之一，主要進(jìn)行超聲波的發(fā)射與接收工作，超聲波的頻率速度等可以結(jié)合具體需要進(jìn)行針對(duì)性調(diào)整，以此保證檢測(cè)結(jié)果的有效性。夾具設(shè)備主要是進(jìn)行葉片的固定便于后續(xù)檢測(cè)工作的順利開展，夾具主要應(yīng)用快換夾具類型，能夠根據(jù)需要都對(duì)構(gòu)件進(jìn)行快速更換，而且機(jī)械手的具體位置也需要根據(jù)夾具的各項(xiàng)數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行確定，這是保證后續(xù)機(jī)械手無損檢測(cè)的基礎(chǔ)。

2.機(jī)械手超聲無損檢測(cè)技術(shù)試驗(yàn)研究。

（1）試驗(yàn)裝備。

本課題采用STAUBLITX90L 六自由度機(jī)械手搭建系統(tǒng)，試驗(yàn)儀器還包括SIUI 超聲探傷儀、水浸聚焦超聲換能器等。該系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)：超聲采集卡采集頻率為250MHz；機(jī)械手運(yùn)動(dòng)位置觸發(fā)間隔為0.1mm，時(shí)間觸發(fā)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(jī)械手掃查運(yùn)動(dòng)空間Y 軸行程≤600mm，X 軸行程≤500mm，Z 軸行程≤400mm；機(jī)械手掃查空間內(nèi)重復(fù)定位精度為±0.10mm。

（2）試驗(yàn)方案。

為驗(yàn)證機(jī)械手超聲無損檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)性能和技術(shù)指標(biāo)，采用五軸數(shù)控加工中心和電火花加工在葉身、進(jìn)氣邊分別制作標(biāo)準(zhǔn)平底孔缺陷、裂紋缺陷。為驗(yàn)證系統(tǒng)檢測(cè)葉片厚度性能，通過提取葉片CAD 模型表面設(shè)計(jì)仿葉片曲面厚度階梯試塊，厚度設(shè)計(jì)范圍為2-12mm，并采用五軸數(shù)控加工中心加工制作。厚度試塊厚度標(biāo)準(zhǔn)值經(jīng)過第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)測(cè)量。

（3）試驗(yàn)結(jié)果。

從超聲C 掃描成像中可以看出缺陷分布與設(shè)計(jì)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(hào)強(qiáng)度高于噪聲信號(hào)，因此缺陷檢測(cè)結(jié)果是有效的。檢測(cè)結(jié)果表明系統(tǒng)能夠檢測(cè)出直徑0.15mm 的標(biāo)準(zhǔn)平底孔缺陷和0.15mm 寬的裂紋缺陷，滿足檢測(cè)要求；同時(shí)檢測(cè)葉片葉身面積的80%僅用14min，相對(duì)于人工檢測(cè)效率更高且缺陷檢測(cè)可靠性更高。

對(duì)于超聲檢測(cè)仿葉片曲面厚度試塊方法是采用CAD 模型在每個(gè)階梯厚度上隨機(jī)選擇2 個(gè)點(diǎn)，并通過三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)所選點(diǎn)厚度值進(jìn)行標(biāo)定測(cè)量；然后采用標(biāo)準(zhǔn)厚度值標(biāo)定葉片聲速并進(jìn)行其他點(diǎn)厚度檢測(cè)，從檢測(cè)結(jié)果可以了解到，檢測(cè)厚度誤差小于±0.03mm，滿足葉片厚度檢測(cè)要求。

本文根據(jù)葉片的特點(diǎn)選擇較為有效無損檢測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了硬件設(shè)備與軟件技術(shù)的充分融合，能夠?qū)⒐ぱb夾具、機(jī)械手和超聲換能器充分整合，實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)的充分協(xié)調(diào)對(duì)葉片各部進(jìn)行無損檢測(cè)，檢測(cè)質(zhì)量和精度都可以得到保障。同時(shí)采用CAD 建模的方法根據(jù)檢測(cè)的數(shù)據(jù)信息和機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)軌跡來確定超聲波的入射方式和具體位置，及時(shí)發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部存在的故障問題，并利用斜射入法進(jìn)行葉片的邊緣部位和根部的檢測(cè)工作。

結(jié)語：由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片結(jié)構(gòu)、厚度等方面的特殊性，常規(guī)的檢測(cè)方法無法對(duì)葉片缺陷和損傷問題進(jìn)行全面檢測(cè)。隨著無損檢測(cè)技術(shù)的快速發(fā)展，許多新型的檢測(cè)技術(shù)被研發(fā)出來，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)葉片的自動(dòng)化檢測(cè)。機(jī)械手無損檢測(cè)技術(shù)通過超聲檢測(cè)的方法提高了技術(shù)的檢測(cè)精度，對(duì)于厚度和造型復(fù)雜的曲面葉片也能夠?qū)崿F(xiàn)細(xì)致檢測(cè)。要掌握這項(xiàng)檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用要點(diǎn)和注意事項(xiàng)，將其合理應(yīng)用到航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片檢測(cè)工作中，以此保證葉片的應(yīng)用質(zhì)量。