燃機(jī)高溫部件等關(guān)鍵產(chǎn)品的3D 檢測(cè)技術(shù)研究

楊亞梅

（東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司， 四川 德陽(yáng)， 618000）

1 概述

燃?xì)廨啓C(jī)是國(guó)防、 交通、 能源、 環(huán)保等國(guó)計(jì)民生的核心裝備， 屬于市場(chǎng)前景巨大的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)。 其發(fā)電機(jī)組以其安全、 高效、 節(jié)能、 環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)， 近年來(lái)發(fā)展非常迅速， 已成為21 世紀(jì)發(fā)電設(shè)備的主要發(fā)展方向之一， 也是我國(guó)21 世紀(jì)將研究開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)。 公司要完成50 MW 等級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)樣機(jī)研制， 初溫1 200～1 400 ℃， 壓氣機(jī)17級(jí)， 壓比18， 效率超過(guò)35%。 初步建立燃機(jī)設(shè)計(jì)、 試驗(yàn)、 材料以及制造體系。 50 MW 燃機(jī)葉片制造加工大致分為壓氣機(jī)葉片、 燃燒室高溫合金葉片和透平精加工葉片的制造， 而葉片加工制造的質(zhì)量直接影響燃機(jī)安裝調(diào)試和產(chǎn)品質(zhì)量， 其中，燃燒室高溫合金葉片的制造和檢測(cè)難度最大。 在此項(xiàng)目之前， 公司對(duì)上述葉片加工和檢測(cè)方法完全是一項(xiàng)空白， 沒(méi)有成熟的檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)可以借鑒。

2 燃機(jī)高溫部件測(cè)量技術(shù)難點(diǎn)

50 MW 燃機(jī)燃燒室高溫葉片的特殊結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)要求決定了它的工藝制造過(guò)程與以前生產(chǎn)的葉片有很大不同： 首先采用精鑄方式加工出葉片毛坯， 同時(shí)保證葉片型面的精度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求； 然后再對(duì)葉根和葉冠部分進(jìn)行精加工。 高溫葉片的檢測(cè)難點(diǎn)為： （1）葉片的型面精度要求高， 而葉根葉冠部分的裝配基準(zhǔn)還是毛坯狀態(tài)， 無(wú)法作為檢測(cè)基準(zhǔn)； （2）燃機(jī)高溫葉片的第2～4 級(jí)靜葉均為聯(lián)體葉片， 檢測(cè)汽道型面會(huì)產(chǎn)生干涉， 檢測(cè)難度較大； （3）燃機(jī)高溫葉片的陶瓷型芯是易碎材料， 且是全曲面外形， 沒(méi)有定位基準(zhǔn)面。

3 傳統(tǒng)量具及三坐標(biāo)檢測(cè)手段的局限

鑒于燃機(jī)高溫部件測(cè)量的3 個(gè)技術(shù)難點(diǎn)， 常規(guī)的傳統(tǒng)綜合量具的設(shè)計(jì)和加工周期長(zhǎng)、 成本高，也無(wú)法滿(mǎn)足高溫葉片的定位和檢測(cè)精度要求。

采用三坐標(biāo)檢測(cè)也存在局限： 沒(méi)有合適的基準(zhǔn)面作為三坐標(biāo)的檢測(cè)基準(zhǔn)， 測(cè)量的精度要求和穩(wěn)定性都無(wú)法保證； 如果利用專(zhuān)用檢測(cè)工裝進(jìn)行定位， 會(huì)對(duì)三坐標(biāo)的測(cè)針產(chǎn)生干涉， 導(dǎo)致葉片型面檢測(cè)不完整； 而對(duì)于高溫葉片的陶瓷型芯插件，三坐標(biāo)的接觸式測(cè)量無(wú)法實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。

4 測(cè)量設(shè)備

對(duì)重型燃機(jī)透平葉片測(cè)量的現(xiàn)有方案進(jìn)行調(diào)研， 并對(duì)測(cè)量設(shè)備生產(chǎn)廠家進(jìn)行調(diào)訪， 分析論證，最終選擇某有限公司用關(guān)節(jié)臂設(shè)備。 使用設(shè)備簡(jiǎn)介： 關(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī)型號(hào)： RA7525SI， 測(cè)量范圍2.5 m， 空間精度0.038 mm， 重復(fù)精度0.027 mm， 激光測(cè)頭掃描精度0.03 mm， 2.5 m 球形測(cè)量空間范圍內(nèi)綜合激光掃描精度0.048 mm。 該設(shè)備與其他同類(lèi)掃描檢測(cè)設(shè)備相比， 最大的優(yōu)勢(shì)是檢測(cè)前不需要對(duì)被測(cè)工件進(jìn)行噴涂防反光劑， 也不需要在被測(cè)工件上設(shè)置靶點(diǎn)。

5 燃機(jī)高溫部件的檢測(cè)試驗(yàn)

5.1 高溫透平動(dòng)葉檢測(cè)

針對(duì)燃機(jī)高溫動(dòng)葉精鑄毛坯的檢測(cè)難點(diǎn)， 使用關(guān)節(jié)臂三維掃描測(cè)量?jī)x檢測(cè)高溫透平動(dòng)葉可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)綜合量具和三坐標(biāo)檢測(cè)無(wú)法完成的檢測(cè)目標(biāo)， 不僅可以分析高溫動(dòng)葉的整個(gè)面輪廓度，也可以按將產(chǎn)品圖上要求的被測(cè)截面截取出來(lái)，單獨(dú)分析檢測(cè)截面的最大厚度， 弦長(zhǎng)及位置度等一系列參數(shù)。

5.2 高溫透平靜葉檢測(cè)

由于第2～4 級(jí)燃機(jī)高溫透平靜葉特殊的聯(lián)體構(gòu)造， 接觸式測(cè)量無(wú)法實(shí)現(xiàn)葉片完整型面輪廓的測(cè)量。 使用關(guān)節(jié)臂進(jìn)行非接觸掃描不但可以完成對(duì)聯(lián)體葉片的汽道型面部分的檢測(cè)， 還可以對(duì)葉片的相關(guān)面及尾緣槽進(jìn)行掃描， 報(bào)告見(jiàn)圖1～3。

圖1 燃機(jī)高溫2 級(jí)靜葉報(bào)告

圖2 燃機(jī)高溫靜葉相貫面報(bào)告

圖3 燃機(jī)高溫靜葉尾緣槽報(bào)告

5.3 50 MW 燃機(jī)陶瓷型芯檢測(cè)

50 MW 燃機(jī)陶瓷型芯的全曲面構(gòu)造無(wú)法選取檢測(cè)基準(zhǔn)面， 同時(shí)又是易碎材料制成， 三坐標(biāo)的傳統(tǒng)接觸式測(cè)量根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。 而使用關(guān)節(jié)臂則可以對(duì)陶瓷型芯（如圖4所示）實(shí)現(xiàn)全要素?cái)?shù)據(jù)采集。 由于檢測(cè)試驗(yàn)時(shí)理論模型未具備， 所以?xún)H進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集工作， 后期經(jīng)過(guò)軟件的數(shù)據(jù)處理、對(duì)齊和分析， 就可以給出相應(yīng)的檢測(cè)報(bào)告。

圖4 燃機(jī)高溫葉片陶瓷型芯

6 長(zhǎng)葉片的檢測(cè)試驗(yàn)

為了充分發(fā)揮關(guān)節(jié)臂的測(cè)量?jī)?yōu)勢(shì)， 拓寬關(guān)節(jié)臂設(shè)備的適用范圍， 將關(guān)節(jié)臂應(yīng)用于公司長(zhǎng)葉片汽道型面變形的檢測(cè)分析。 如圖5 所示， 通過(guò)實(shí)測(cè)點(diǎn)云與理論數(shù)模的色差圖對(duì)比， 可以直觀反映出長(zhǎng)葉片的變形趨勢(shì)、 偏差數(shù)值及葉片型面上的缺陷部位。 眾所周知， 三坐標(biāo)檢測(cè)長(zhǎng)葉片時(shí)只能按一定截面高度進(jìn)行二維檢測(cè)， 無(wú)法反應(yīng)兩檢測(cè)截面之間的汽道型面是否滿(mǎn)足要求， 關(guān)節(jié)臂的全型面掃描分析完全可以彌補(bǔ)這一不足。

圖5 72 英寸型面報(bào)告

7 在逆向工程中的應(yīng)用

逆向工程師根據(jù)零件（或原型）生成圖樣， 再制造產(chǎn)品， 它是一種以先進(jìn)產(chǎn)品設(shè)備的實(shí)物、 樣件、 軟件（包括圖樣、程序、技術(shù)文件等）或影像（圖像、 照片等） 作為研究對(duì)象， 應(yīng)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法學(xué)、 生產(chǎn)工程學(xué)、 材料學(xué)和有關(guān)專(zhuān)業(yè)知識(shí)進(jìn)行系統(tǒng)分析和研究， 探索掌握其關(guān)鍵技術(shù)， 進(jìn)而開(kāi)發(fā)出同類(lèi)更為先進(jìn)的產(chǎn)品技術(shù)。 逆向工程是基于一個(gè)可以獲得的實(shí)物模型來(lái)構(gòu)造出他的設(shè)計(jì)模型，是通過(guò)對(duì)重構(gòu)模型特征參數(shù)的調(diào)整和修改來(lái)達(dá)到對(duì)實(shí)物模型的逼近。 因此， 獲得實(shí)物三維模型（也就是常說(shuō)的測(cè)繪）是逆向工程中至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。 關(guān)節(jié)臂的工作原理讓它能夠在產(chǎn)品測(cè)繪中充分發(fā)揮它方便快捷的優(yōu)勢(shì)。 通過(guò)一個(gè)帶有圓柱、平面、 通孔、 曲面等幾何特征的零件來(lái)實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)臂的測(cè)繪功能。 通過(guò)對(duì)該零件的掃描測(cè)繪， 小平面特征處理， 即可獲得它的外形特征點(diǎn)云的采集，再通過(guò)對(duì)小平面模型的建模化處理（如圖6 所示），可以在最終的模型上測(cè)量各個(gè)特征的幾何尺寸及相對(duì)位置關(guān)系， 后續(xù)的分析計(jì)算、 模型設(shè)計(jì)、 加工制造等工作在此基礎(chǔ)上就能順利開(kāi)展。 不過(guò)，在實(shí)際的新產(chǎn)品逆向開(kāi)發(fā)工作中， 應(yīng)用關(guān)節(jié)臂測(cè)繪的都是外形結(jié)構(gòu)特征復(fù)雜的零部件，因此對(duì)測(cè)繪點(diǎn)云的建模處理就是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過(guò)程，尤其是對(duì)未知曲面的回歸計(jì)算以建立數(shù)學(xué)模型。

圖6 產(chǎn)品零件測(cè)繪模型化處理

8 結(jié)論

采用了新的檢測(cè)設(shè)備、 檢測(cè)手段和數(shù)據(jù)分析方式， 不僅可以完成對(duì)燃機(jī)、 軍品和關(guān)鍵產(chǎn)品的3D建模檢測(cè)， 并且可以使用該手段輔助完成諸如末三級(jí)大葉片的變形量分析檢測(cè)， 解決了傳統(tǒng)綜合量具和三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)無(wú)法解決的檢測(cè)難題。 在之后的工作中， 除了對(duì)于該類(lèi)產(chǎn)品繼續(xù)進(jìn)行檢測(cè)，總結(jié)出一套適合公司測(cè)繪、 3D 建模檢測(cè)技術(shù)規(guī)范以外， 甚至可以進(jìn)一步推廣到逆向工程等領(lǐng)域，繼續(xù)擴(kuò)展該測(cè)量設(shè)備的使用范圍。