發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪長(zhǎng)軸內(nèi)腔檢測(cè)技術(shù)

低壓渦輪長(zhǎng)軸是航空發(fā)動(dòng)機(jī)中連接低壓渦輪和風(fēng)扇轉(zhuǎn)子的關(guān)鍵零件，長(zhǎng)軸內(nèi)腔有凸臺(tái)、凹槽、度面等多種需要測(cè)量的結(jié)構(gòu)，尺寸多、公差嚴(yán)、孔口小而內(nèi)腔大的棗核形結(jié)構(gòu)，給測(cè)量帶來(lái)很大的困難，實(shí)現(xiàn)渦輪長(zhǎng)軸內(nèi)外徑幾何尺寸的準(zhǔn)確測(cè)量對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)裝配和使用安全有重要影響。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪長(zhǎng)軸幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜，內(nèi)型面呈棗核形結(jié)構(gòu)，存在多個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)、度面、環(huán)槽以及轉(zhuǎn)接圓弧。受測(cè)量深度的影響，常用的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)無(wú)法深入內(nèi)腔進(jìn)行檢測(cè)。在研制初期，采用首件解剖檢測(cè)，以解剖件的檢測(cè)結(jié)果驗(yàn)證數(shù)控加工設(shè)備的精度和加工程序，后續(xù)交付件的內(nèi)腔狀態(tài)由設(shè)備精度和固化數(shù)控程序保證，一旦零件內(nèi)腔型面結(jié)構(gòu)改變或數(shù)控程序優(yōu)化就需要重新進(jìn)行破壞驗(yàn)證，這種方法存在檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)、資源浪費(fèi)等缺點(diǎn)。本文通過(guò)工裝設(shè)計(jì)、測(cè)針配置、測(cè)量路徑規(guī)劃等技術(shù)研究以解決長(zhǎng)軸類零件內(nèi)腔尺寸檢測(cè)難題，并通過(guò)測(cè)量系統(tǒng)分析、測(cè)量不確定度分析等方法，實(shí)現(xiàn)了渦輪長(zhǎng)軸幾何尺寸的精準(zhǔn)測(cè)量。

測(cè)量工裝設(shè)計(jì)

受結(jié)構(gòu)影響，若長(zhǎng)軸在測(cè)量機(jī)中擺放位置不合適，會(huì)超過(guò)測(cè)量機(jī)的量程，無(wú)法一次性完成所有特性的測(cè)量。為了方便裝夾、便于測(cè)量、提高效率，對(duì)長(zhǎng)軸裝夾及定位方法進(jìn)行研究，研制合適的測(cè)量工裝。工裝設(shè)計(jì)應(yīng)該考慮的因素包括：長(zhǎng)軸類零件類型多，工裝應(yīng)具有一定的通用性，能夠?qū)Υ笮〔煌?，結(jié)構(gòu)相似的軸類零件進(jìn)行穩(wěn)定定位；開(kāi)敞性好，盡可能減少測(cè)量部位的遮擋；長(zhǎng)軸類零件外形尺寸大、測(cè)量部位多，設(shè)計(jì)的工裝應(yīng)輕便，便于搬運(yùn)；測(cè)具的上、下高度和前、后距離應(yīng)可以靈活調(diào)整，防止在長(zhǎng)軸內(nèi)腔時(shí)發(fā)生干涉。為了符合以上要求，裝置采用了分體設(shè)計(jì)思路，由3個(gè)部分組成，包括2個(gè)周向定位V形塊和1個(gè)軸向零點(diǎn)定位支承桿。

周向后端定位V形塊由底座和條形螺紋孔組成。V形塊底座上兩個(gè)條形螺紋孔間距與坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上的螺紋孔間距相等，條形螺紋孔可以調(diào)節(jié)V形塊前后位置，如圖1（a）所示。

周向前端定位V形塊由支塊、壓緊螺釘、V形支架、滑塊和滑道組成。支塊是一組高度不同的矩形金屬塊，V形支架在滑道中運(yùn)動(dòng)，可以調(diào)節(jié)周向前端定位V形塊的高度，如圖1（b）所示。

圖1 軸類零件測(cè)量工裝

軸向零點(diǎn)定位支承桿由支承桿、定位銷、滑塊和壓緊螺釘組成，滑塊用于調(diào)節(jié)定位銷的高度，定位銷與長(zhǎng)軸前段法蘭上的孔配合，確定零件的軸向零件和角向位置，軸向零點(diǎn)定位支承桿如圖1（c）所示。

兩V形塊配合使用，用于長(zhǎng)軸的軸向定位，零點(diǎn)定位支承桿用于長(zhǎng)軸的徑向定位。采用測(cè)量工裝，可以一次性將零件安裝到位，可直接在工裝上建立測(cè)量坐標(biāo)系，簡(jiǎn)化坐標(biāo)系建立過(guò)程，提高檢測(cè)效率。

零件安裝

低壓渦輪長(zhǎng)軸兩端口的直徑大小不一致，不能簡(jiǎn)單地從兩側(cè)分別按照總長(zhǎng)的1/2分段測(cè)量，需要根據(jù)內(nèi)腔結(jié)構(gòu)計(jì)算不同直徑測(cè)針可檢測(cè)的長(zhǎng)度范圍，從而確定長(zhǎng)軸在機(jī)床上的擺放位置，以防止量程不足。例如，零件長(zhǎng)度為L(zhǎng)，通過(guò)計(jì)算需要從長(zhǎng)軸的大端處測(cè)量?jī)?nèi)腔2/3L的長(zhǎng)度，則測(cè)針的測(cè)桿長(zhǎng)度應(yīng)不小于2/3L，零件大端應(yīng)放置在機(jī)床最大量程的2/3L+10mm（10mm為安全距離）處。

長(zhǎng)軸安裝位置應(yīng)與測(cè)量方向的測(cè)針平行，否則測(cè)針未到達(dá)指定的測(cè)量位置時(shí)，會(huì)與內(nèi)壁產(chǎn)生干涉。一般情況下，校準(zhǔn)的測(cè)針?lè)较蚺c測(cè)量機(jī)的機(jī)床坐標(biāo)系平行，故在安裝時(shí)，長(zhǎng)軸內(nèi)腔軸線與機(jī)床坐標(biāo)系平行。在安裝結(jié)束后須對(duì)零件徑向和軸向位置分別進(jìn)行調(diào)整。

測(cè)針選擇

測(cè)針類型選擇

低壓渦輪長(zhǎng)軸須采用不同類型、不同直徑的測(cè)針?lè)侄螠y(cè)量。針對(duì)不同形狀的棗核形結(jié)構(gòu)，需要精密計(jì)算內(nèi)腔不同部位的直徑，論證不同測(cè)針帶來(lái)的測(cè)量誤差和可能產(chǎn)生的測(cè)量干涉。

常用的測(cè)針類型包括球形測(cè)針、盤形測(cè)針和星形測(cè)針。球形測(cè)針使用簡(jiǎn)單，易于操作，用于測(cè)量?jī)啥丝谔幍膬?nèi)腔型面；盤形測(cè)針有一定的厚度，在測(cè)量錐型面內(nèi)壁時(shí)，盤形測(cè)針側(cè)壁與錐型面內(nèi)壁是線接觸而不是面接觸，測(cè)量機(jī)記錄的是盤形測(cè)針中心點(diǎn)的位置，實(shí)際接觸位置是盤形上表面與錐面交接的位置，兩者之間將會(huì)產(chǎn)生很大誤差，盤形測(cè)針接觸位置錯(cuò)誤如圖2（a）所示，故錐型面內(nèi)壁不能選用盤形測(cè)針測(cè)量；星形測(cè)針裝有4個(gè)相互垂直的球形測(cè)針，在測(cè)量圓柱面內(nèi)壁時(shí)，可能會(huì)有2個(gè)甚至3個(gè)測(cè)球與內(nèi)壁接觸，造成測(cè)量錯(cuò)誤，星形測(cè)針誤測(cè)如圖2（b）所示，故測(cè)量圓柱面內(nèi)壁時(shí)不能采用星形測(cè)針測(cè)量；在測(cè)量凹槽時(shí)，受凹槽槽寬限制，須采用適合半徑的星形測(cè)針測(cè)量。

圖2 測(cè)針選擇示意

通過(guò)綜合考慮測(cè)量的可達(dá)性和準(zhǔn)確性，分析可能產(chǎn)生的干涉和大半徑測(cè)針造成的余弦誤差，根據(jù)內(nèi)腔結(jié)構(gòu)計(jì)算不同結(jié)構(gòu)、不同直徑測(cè)針檢測(cè)的長(zhǎng)度范圍。最終確定在測(cè)量長(zhǎng)軸端口位置時(shí)選用球形測(cè)針；測(cè)量?jī)?nèi)腔柱面直徑時(shí)選用盤形測(cè)針；測(cè)量錐面和凹槽時(shí)選用星形測(cè)針。

測(cè)針直徑選擇

在規(guī)劃測(cè)量方案時(shí)，通常選用的最長(zhǎng)測(cè)針測(cè)桿長(zhǎng)度約為軸總長(zhǎng)的2/3。由于測(cè)針的測(cè)桿直徑不均勻，選擇盤形測(cè)針和星形測(cè)針測(cè)量時(shí)，需要借助數(shù)學(xué)模型準(zhǔn)確計(jì)算。若盤形測(cè)針直徑過(guò)小或星形測(cè)針的4個(gè)測(cè)針測(cè)桿長(zhǎng)度過(guò)小，測(cè)針測(cè)球還未接觸到軸的內(nèi)壁，測(cè)量桿就會(huì)碰撞到最小內(nèi)腔的內(nèi)壁；若盤形測(cè)針直徑過(guò)大或星形測(cè)針的4個(gè)測(cè)針測(cè)桿長(zhǎng)度過(guò)大，會(huì)無(wú)法通過(guò)內(nèi)腔最小直徑處。當(dāng)測(cè)針經(jīng)過(guò)的內(nèi)腔最小直徑為d，測(cè)量部位的圓直徑為D，測(cè)桿最大直徑為m，則測(cè)量選擇的盤形測(cè)針直徑或星形測(cè)針最大外接圓直徑M的范圍為D＞M＞（D-d+m+安全距離）。盤形測(cè)針如圖3（a）所示，星形測(cè)針如圖3（b）所示，測(cè)針直徑與長(zhǎng)軸內(nèi)腔直徑關(guān)系如圖3（c）所示。

圖3 測(cè)針結(jié)構(gòu)與測(cè)量關(guān)系

路徑規(guī)劃

與傳統(tǒng)的測(cè)量方法不同，長(zhǎng)軸內(nèi)腔內(nèi)的凸臺(tái)、導(dǎo)角等結(jié)構(gòu)在測(cè)量時(shí)，測(cè)針?biāo)谖恢貌豢梢?jiàn)，不能直接在測(cè)量部位采點(diǎn)，需要合理規(guī)劃測(cè)量路徑，采用合適的測(cè)量方式。

低壓渦輪長(zhǎng)軸結(jié)構(gòu)類型多，測(cè)量時(shí)需要綜合使用多種類型和直徑的測(cè)針，測(cè)試測(cè)量機(jī)更換測(cè)針的時(shí)間與安全移動(dòng)的時(shí)間，比較不同測(cè)針測(cè)量同一部位測(cè)量時(shí)間與采用同一測(cè)針測(cè)量不同部位的時(shí)間，歸納出各種測(cè)量方案的檢測(cè)效率。

經(jīng)過(guò)測(cè)試，測(cè)量機(jī)更換一次測(cè)針用時(shí)20s，最長(zhǎng)距離的移動(dòng)時(shí)間為10s。在相同條件下完成長(zhǎng)軸特性測(cè)量，采用測(cè)量部位優(yōu)先（用不同測(cè)針完成同一部位測(cè)量后更換到下一測(cè)量位置）的測(cè)量時(shí)間為2.5h，而采用測(cè)針優(yōu)先（用同一測(cè)針完成不同部位上需要用該測(cè)針測(cè)量的結(jié)構(gòu)后更換其他測(cè)針）的時(shí)間為1.5h。為了提高測(cè)量效率，以不同測(cè)針名為索引，對(duì)測(cè)量特性進(jìn)行分組，各組間的測(cè)量順序按就近原則進(jìn)行排序，按照優(yōu)化的測(cè)量路徑，檢測(cè)效率能提高30%以上。

測(cè)量數(shù)模

低壓渦輪軸內(nèi)腔測(cè)量無(wú)法通過(guò)目視采點(diǎn)，需要通過(guò)數(shù)模引導(dǎo)測(cè)量，且測(cè)量路徑規(guī)劃、測(cè)針類型選擇、測(cè)量理論值和測(cè)量位置都需要通過(guò)數(shù)模推算得出，故數(shù)模的準(zhǔn)確性、完整性對(duì)測(cè)量結(jié)論的可靠性起到非常重要的作用。建模過(guò)程應(yīng)嚴(yán)格按照基于航空發(fā)動(dòng)機(jī)建模要求執(zhí)行，模型應(yīng)保證完整準(zhǔn)確，無(wú)冗余、無(wú)碎面，工件坐標(biāo)系準(zhǔn)確并與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)一致。

關(guān)鍵特性尺寸的測(cè)量和評(píng)價(jià)

低壓渦輪軸關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸可分為徑向尺寸、軸向尺寸、形位公差、壁厚尺寸4大類300多個(gè)特性。通過(guò)穩(wěn)定的定位、合理的測(cè)針、準(zhǔn)確的數(shù)模和測(cè)量策略，能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)軸特性的精準(zhǔn)檢測(cè)，但長(zhǎng)軸壁厚和大圓弧曲面與圓柱面交點(diǎn)錯(cuò)檢率較高，需要重點(diǎn)分析。

長(zhǎng)軸壁厚測(cè)量

壁厚的測(cè)量是在長(zhǎng)軸指定截面的內(nèi)外壁上測(cè)量同心圓，計(jì)算同心圓的半徑差，即指定位置的壁厚，測(cè)量時(shí)需要在數(shù)模內(nèi)外壁的同一截面選取圓特性，應(yīng)用相同的測(cè)針、測(cè)量策略、擬合方法和評(píng)價(jià)方法，否則就會(huì)造成測(cè)量錯(cuò)誤。

通過(guò)檢驗(yàn)員在長(zhǎng)軸5個(gè)不同截面上分別測(cè)量壁厚，每個(gè)截面圓測(cè)量2次，進(jìn)行測(cè)量系統(tǒng)分析，測(cè)量系統(tǒng)分辨數(shù)均大于4，具有很好的分辨能力。測(cè)量的重復(fù)性和再現(xiàn)性均小于零件公差的30%，說(shuō)明該測(cè)量方法是可接受的。

大圓弧曲面與圓柱面交點(diǎn)測(cè)量

大圓弧曲面與圓柱面交點(diǎn)的測(cè)量是檢測(cè)的難題之一。為了保證測(cè)量的準(zhǔn)確性，對(duì)大圓弧面和圓柱面進(jìn)行高密度掃描，掃描時(shí)一定要保證掃描線在軸的同一母線上，參考理論數(shù)模，將掃描點(diǎn)進(jìn)行過(guò)濾重新擬合，構(gòu)造實(shí)測(cè)圓，實(shí)測(cè)圓與圓柱面相交，計(jì)算相交點(diǎn)間的距離。

為了驗(yàn)證檢測(cè)的可靠性，對(duì)同一零件尺寸及偏差為（16±0.2）mm的交點(diǎn)尺寸連續(xù)測(cè)量6次，測(cè)量結(jié)論如表1所示。采用A類評(píng)定方法進(jìn)行測(cè)量不確定度分析，得出合成不確定度為6.36μm，擴(kuò)展不確定度為12.72μm。因?yàn)椋?6±0.2）mm交點(diǎn)尺寸的公差為-0.2～0.2mm，公差的1/4為0.1mm，測(cè)量不確定度滿足小于公差1/4的標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 交點(diǎn)尺寸測(cè)量結(jié)果

結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪長(zhǎng)軸結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過(guò)測(cè)量工裝研制、測(cè)量過(guò)程研究，評(píng)價(jià)結(jié)果驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪長(zhǎng)軸內(nèi)腔的準(zhǔn)確高效檢測(cè)，保證了長(zhǎng)軸內(nèi)腔關(guān)鍵特性尺寸測(cè)量和評(píng)價(jià)方法的準(zhǔn)確性。檢測(cè)方法通用性較強(qiáng)，能同時(shí)實(shí)現(xiàn)其他多種軸類零件的可靠測(cè)量。