建立葉片氣膜孔工件坐標(biāo)系的方法研究

關(guān)軍，王呈

(沈陽黎明航空發(fā)動機(集團)有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽110043)

0 引言

航空發(fā)動機葉片氣膜孔直徑和坐標(biāo)位置尺寸是保持葉片在高溫高速狀態(tài)下機械性能的重要參數(shù)，是發(fā)動機故障點之一，已引起業(yè)界專家和工程技術(shù)人員的高度關(guān)注。在加工冷卻氣膜孔的葉片中，高壓渦輪葉片是結(jié)構(gòu)最復(fù)雜、氣膜孔角度最多、最具有代表性的葉片。為了提高葉片的承溫能力，有的葉片除葉身上設(shè)計了氣膜孔之外，在緣板上也設(shè)計了形狀和角度不同的氣膜孔。實踐證明:葉片的冷卻效果與葉身曲面氣膜孔的數(shù)量、直徑和實際空間角度有著極其重要的關(guān)系。除選用承溫能力高的高溫合金材料和單晶處理工藝之外，在葉片上加工大量結(jié)構(gòu)復(fù)雜、分布不等的冷卻氣膜孔，仍是葉片在高溫(如:1700 ℃以上)條件下正常運轉(zhuǎn)的重要技術(shù)手段之一。因此，必須對葉片氣膜孔的實際幾何技術(shù)狀態(tài)實施監(jiān)控，以確認加工的氣膜孔是否符合設(shè)計要求。測量葉片氣膜孔的關(guān)鍵是如何建立坐標(biāo)系，本文就此問題簡要介紹一種建立葉片氣膜孔工件坐標(biāo)系的方法。

1 葉片氣膜孔幾何特點

航空發(fā)動機葉片氣膜孔大多數(shù)分布在葉身型面上，其軸線與基準(zhǔn)形成不同的空間角度，且與葉身曲面相貫形成不規(guī)則的空間封閉曲線。孔徑φD (孔的基本尺寸)一般為0.25 ～0.50 mm，公差設(shè)計為下偏差為0，上偏差為0.10 mm。氣膜孔的位置規(guī)定為相對于葉片基準(zhǔn)原點X，Y，Z 坐標(biāo)值和空間角度。位置度公差按照氣膜孔所處葉身的位置不同一般設(shè)計為0.10 mm 或0.15 mm。

氣膜孔的形狀除圓孔外還有簸箕形的非圓孔，氣膜孔的位置也從單純分布在葉身上擴散到緣板上，使葉片高速旋轉(zhuǎn)工作時在葉片受熱關(guān)鍵部位均能夠產(chǎn)生冷卻氣膜，保持葉片具有較強的機械性能，滿足航空發(fā)動機的性能要求。

國內(nèi)外關(guān)于氣膜孔幾何結(jié)構(gòu)對氣膜冷卻特性影響的研究成果表明:在葉片的前緣上，氣膜孔的位置、形狀和射流的角度都是影響前緣氣膜冷卻性能的重要參數(shù)［1］。隨著飛機性能的提高，對航空發(fā)動機制造技術(shù)也提出了更高要求，其葉片氣膜孔的設(shè)計也發(fā)生了較大變化。葉片氣膜孔分布除集中在葉片的前緣附近以外，其角度的設(shè)計也更趨復(fù)雜，從而使葉片冷卻膜覆蓋更趨完善。但是，卻給氣膜孔的加工提出了更高要求，尤其是使測量技術(shù)更趨復(fù)雜。

2 測量原理

氣膜孔與葉片、葉身相貫形成的曲線是一條不規(guī)則的空間封閉曲線，通過這條曲線實現(xiàn)對氣膜孔直徑和位置的測量存在諸多需要攻克的技術(shù)關(guān)鍵問題。因此，我們需要將這條不規(guī)則曲線變成規(guī)則的曲線圖形，然后，再解決其測量與校準(zhǔn)的技術(shù)問題，這樣將復(fù)雜空間曲線的測量變成對理想幾何要素的測量，使得不能或很難測量的量變成可測量的量。

在理論研究中，將葉片(見圖1)給定的諸排被測氣膜孔的坐標(biāo)分別進行坐標(biāo)變換，在新的坐標(biāo)系里，將原垂直于葉片“0 －0”軸線方向的孔距尺寸(見圖2)變成氣膜孔軸線方向的孔距尺寸，使葉身上不規(guī)則的氣膜孔輪廓曲線，在選定投影平面內(nèi)的投影，變成理想的規(guī)則的實體圓(如圖3)，從而可以容易地計算圓的直徑和圓心，確定各氣膜孔相對于基準(zhǔn)T，C，F(xiàn)的坐標(biāo)位置尺寸，避開葉片空間異型曲面上氣膜孔不規(guī)則輪廓帶來的中心坐標(biāo)無法或很難計算的問題。

圖1 孔位標(biāo)準(zhǔn)葉片及基準(zhǔn)

圖2 垂直0 －0 軸的孔距圖

圖3 變換后氣膜孔投影示意圖

3 建立葉片坐標(biāo)系的方法

3.1 對測量設(shè)備的基本要求

測量葉片氣膜孔的關(guān)鍵在于葉身空間曲面微小孔邊緣輪廓的提取。圖像的邊緣是圖像最基本的特征［2］。如果能夠準(zhǔn)確地提取輪廓邊緣特征就能夠?qū)ξ⑿】椎闹睆胶椭行淖鴺?biāo)進行準(zhǔn)確測量和評價。根據(jù)葉片氣膜孔測量原理，光學(xué)影像測量的前提條件，必須要將葉片按照氣膜孔的空間角度進行旋轉(zhuǎn)，使光軸與葉片氣膜孔軸線重合或平行，因此，設(shè)備應(yīng)帶有雙軸精密轉(zhuǎn)臺，并能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字控制旋轉(zhuǎn)角度，同時測量設(shè)備還要有X，Y，Z 三個直線導(dǎo)軌，即應(yīng)有三坐標(biāo)測量機的功能。為解決葉片氣膜孔(φ 0.25 ～φ 0.50 mm)的探測問題，在不考慮探測回退距離的條件下，理論上要求三坐標(biāo)測針球徑至少小于0.25 mm，目前還沒有這樣尺寸規(guī)格的三坐標(biāo)測量機接觸式測針。因此，需要采用光纖測頭或非接觸測量功能的光學(xué)探頭，以解決葉片氣膜孔數(shù)據(jù)的提取問題，本文以采用帶有光學(xué)探測系統(tǒng)的復(fù)合坐標(biāo)測量設(shè)備(見圖4)為例，簡要介紹一種建立測量葉片氣膜孔的坐標(biāo)系的方法。

圖4 五軸復(fù)合坐標(biāo)機結(jié)構(gòu)圖

3.2 建立葉片坐標(biāo)系及實施測量

葉片的基準(zhǔn)通常設(shè)計在榫頭，工藝基準(zhǔn)與設(shè)計基準(zhǔn)一致，所以測量時也選擇榫頭作為測量基準(zhǔn)［3］。基于這個思路需設(shè)計研制一個葉片定位裝置(見圖5)，目的是:能夠通過調(diào)試，使葉片0 －0 軸線、葉片定位裝置基準(zhǔn)圓中心線和雙軸精密轉(zhuǎn)臺的B 軸同軸。

圖5 葉片定位裝置

1)將葉片定位裝置放置在雙軸精密轉(zhuǎn)臺上，使葉片定位裝置的回轉(zhuǎn)中心與雙軸精密轉(zhuǎn)臺的回轉(zhuǎn)中心重合(同軸度≤0.01 mm)。

2)將葉片裝夾在定位裝置中，使用接觸測針建立坐標(biāo)系，見圖6 和圖7。

3)按被校準(zhǔn)氣膜孔的空間公稱角度分別在鍵盤上輸入其轉(zhuǎn)角的理論值，由雙軸精密轉(zhuǎn)臺確定孔位標(biāo)準(zhǔn)葉片的空間姿態(tài)，使光學(xué)鏡頭光軸與氣膜孔的軸線同軸或平行，見圖6。

圖6 旋轉(zhuǎn)前氣膜孔空間位置

4)調(diào)整光學(xué)鏡頭焦距至電腦顯示器屏幕顯示清晰的氣膜孔輪廓圖像。

5)用鼠標(biāo)框選氣膜孔圖像，測量軟件會對氣膜孔直徑和坐標(biāo)位置進行評價，給出測量結(jié)果。

6)應(yīng)用測量軟件編制功能，編制葉片氣膜孔測量程序，實現(xiàn)自動測量。

圖7 旋轉(zhuǎn)后氣膜孔空間位置

3.3 測量試驗結(jié)果分析

在上述坐標(biāo)系下，對葉片氣膜孔進行了測量試驗，在重復(fù)性條件下連續(xù)測量10 次，單次測量重復(fù)性計算公式為

試驗結(jié)果:φ 0.3 mm 的氣膜孔直徑重復(fù)性最大值為0.003 mm，φ 0.5 mm 的氣膜孔直徑重復(fù)性最大值為0.005 mm ;x 坐標(biāo)的重復(fù)性最大值為0.006 mm，y 的重復(fù)性最大值為0.009 mm，按照φ 0.3 mm 孔位置度為0.15 mm，φ 0.5 mm 孔位置度為0.10 mm，其重復(fù)性能夠滿足葉片設(shè)計對測量的要求。

4 結(jié)論

按照本文所述方法建立的葉片氣膜孔工件坐標(biāo)系，為解決葉片氣膜孔的直徑和中心坐標(biāo)的測量問題提供一種比較實用、簡潔、有效的方法和途徑。但是，任何問題都可能有若干解決方案，本文所提出的方法不是唯一方法，僅為可行的方法之一，因此，僅供我國各航空發(fā)動機葉片研制生產(chǎn)單位技術(shù)人員和對該類測量技術(shù)感興趣的科研技術(shù)人員參考。

［1］戴萍，林楓. 氣膜孔幾何結(jié)構(gòu)對渦輪葉片氣膜冷卻影響的研究進展［J］. 熱能動力工程，2009，24 (4):15 －20.

［2］楊慕升，徐秋菊. 基于數(shù)字圖像處理的微內(nèi)孔質(zhì)量檢測技術(shù)［J］. 制造技術(shù)與機床，2009 (1):12 －15.

［3］王呈，劉濤，穆軒，等. 航空發(fā)動機葉片氣膜孔測量技術(shù)研究［J］. 計測技術(shù)，2012，32 (5):27 －30.