基于平臺測量的葉片榫頭測具檢測方法

張小梅，安旭明，劉青，王韻龍，魏華

(西安航空動力股份有限公司計量中心，陜西西安710021)

0 引言

某發動機壓氣機轉子葉片緣板采用燕尾榫頭與盤連接，以保證壓氣機能夠在任何轉速下穩定地工作。葉片榫頭高度緣板樣塊就是用于控制拉削該類葉片榫頭工序內緣板表面加工質量的測具，它是檢測壓氣機轉子葉片的榫頭內緣板表面與壓氣機盤表面相對位置關系的重要測具。因為葉片內緣板圓錐曲面尺寸對葉片的使用強度有影響，且內緣板表面在加工時沒有余量，加工后直接形成最終的零件尺寸，因而該測具對控制葉片零件合格與否起著至關重要的工序檢驗作用。

由于葉片榫頭高度緣板樣塊上的重要特征點幾何位置處于窄小燕尾榫槽中，測量面較短且是由多個空間角度組成的復雜圓錐型面，利用坐標測量機逐點連續掃描時測頭很難接觸到榫槽底面，燕尾榫槽切掉了部分圓錐型面 (被測點恰在其上)，需要檢測的特征點部位空缺，形成空間點難以實現直接測量。因此嘗試在平臺上借助輔助標準器具通過空間角度多次換算、利用CAD軟件繪圖，實現空間虛點的間接測量，以滿足葉片榫頭高度緣板樣塊的精確測量，本文方法對該類葉片的工序控制和成檢交付具有非常重要的意義。

1 結構及檢測難點分析

1.1 結構簡介

葉片榫頭高度緣板樣塊是由燕尾側板、軀座、平板、定位銷等部件組成。使用時用燕尾夾板雙斜槽定位葉片底部，將葉片榫頭插入燕尾槽內，促使葉片榫頭楔面與燕尾槽各面貼合，側面靠測具平板端面定位，上部通過靠模上的間隙槽定位。葉片榫頭高度緣板樣塊的設計結構以及尺寸要求如圖1所示 (圖中幾何尺寸單位為mm)。

1.2 檢測難點分析

1.2.1 檢測尺寸空間關系分析

圖1 葉片榫頭高度樣塊結構設計圖

在圖1的B－B剖視圖面中16.65－0.05mm是兩個特征點K，M的絕對坐標高度差值，屬于空間尺寸的測量范疇［1］，其中K點是在榫頭高度緣板樣塊圓錐面的軸線上、且與M點沿軀座長度方向上距離LMK=50 mm的一個空間虛點;M點是燕尾槽底中心線與兩側板端面所形成的中心線之交點，而且B－B剖與水平面夾角為α±5'，在A－A剖中燕尾槽底面與水平面夾角為β±3'，在K－K剖中圓錐角γ±5'，在C－C剖中圓錐角δ+3'，并且這四個角度并非單獨存在而是互關聯的，由此不難看出圓錐面上K點、燕尾槽底面M點屬于典型的多角度空間特征點，設計圖要求大端圓弧到盤軸中心 (即葉片組裝后的發動機中心)距離R大=518.75 mm、從小端圓弧到盤軸中心 (即葉片組裝后的發動機中心)距離R小=515.00 mm，圖中標注K，M交點尺寸的測量點均為測具使用時主要受壓力點。

1.2.2 檢測參數及重點

由于葉片榫頭高度樣塊沒有位于測量實體上的測量基準，圖1中各個相關尺寸沒有定位工藝球控制，K，M點雖在測具新制時可于燕尾槽未做、平板未裝之前檢測，但周檢時因燕尾槽K點落空為虛點、平板與軀座等組裝為一整體，K，M點找正檢測均無法準確測得，特別是軀座上的M點由于與平板貼合無法直接測得，K點處于圓錐弧面的空間虛點，更是不能直接測得。為保證檢測結果的準確性，必須采用平臺測量中的指示器法［1］借助輔助基準 (標準圓球等)進行間接檢測和空間角度轉換計算來得到K，M點的實際位置尺寸。

經分析，序號1－7對應的檢測參數 (見表1)均能按常用方法較易測得，唯有序號8對應的檢測參數HMK是該測具的檢測重點。

2 檢測方法

2.1 HMK的檢測方法

平臺測量法的實質是比較測量 (即相對測量或差

表1 檢測參數及使用的計量器具

值測量)，它是通過某些輔助量具，使被測尺寸方向垂直于平臺工作面，利用測量器具 (指示表)、長度基準(量塊)和專用工具 (圓柱滾棒、圓球)，以一定的幾何關系組合形成測量所需的標準量與被測量進行比較，用過一系列的間接測量和數學運算，得到被測量與標準量的差值，從而得到被測量的實際值［1］。基于此法檢測該測具的HMK，需先選擇半徑為r1的標準圓球，將其在自然狀態下放置在燕尾槽底部，并使之與平板端面和燕尾槽底面、側斜面均分別相切;然后再將另一半徑為r2標準圓球放置在R大，R小所形成的圓錐面大端處，并借助于標準量塊分別貼合測具兩側面使定位測量基準面延長，促使r2與三面均相切 (見圖2所示)，采用在平臺上精密測量，只需檢測兩標準圓器的中心高度差值H，就可通過間接轉換計算來確定空間M，K點之間的尺寸16.65－0.05mm正確與否。

圖2 借助標準圓球r1，r2檢測實際操作示意圖

2.2 計量器具的選擇及基準的確定

按照被測件的公差要求和測量方法精度系數K選擇計量器具。測量方法精度系數為K=測量方法極限誤差/被測件的公差值，那么，測量方法極限誤差=K×被測件的公差值。

K值的取值范圍為1/4～1/10［2］。通常選取中值計算，即K=1/7。依據上述分析測具16.65+0—0.05mm的公差值為0.05 mm，則該測具測量方法極限誤差=1/7×0.05 mm=0.00714 mm，即為該測具測量方法允許的極限誤差。鑒于此，我們選用常用的機械高程規 (或測高儀)，分度值為0.001 mm，在任意100 mm上最大允許誤差為1.5 μm;選用分度值為0.002 mm的杠桿千分表;00級大理石平臺 (400 mm×300 mm)平面度最大允許誤差為3 μm;標準圓球 (按標定值量傳)可忽略誤差。因此，可確定該測具選定的測量方法極限誤差累計為6.5 μm＜7.14 μm。故滿足要求。

測量基面和定位方法的選擇應遵守基準面統一原則，以測具底面和燕尾槽底部平面作為基準面，借助輔助標準圓球、測具的側平面作為輔助基準［3］。

2.3 檢測步驟及計算過程

2.3.1 基本尺寸的檢測

用油石清理樣塊各表面異常凸起及毛刺，并將各工作面清洗擦拭干凈。以水平基準底部平面裝夾在方箱上，找正定位側面基準，選用較長標準圓柱滾棒放在與平面δ+2'夾角燕尾槽斜度面和燕尾底面均相切槽中 (見圖3所示)，移動滾棒用杠桿千分表檢測滾棒最高點形成一條直線作為側基準，這個基準是粗基準，因為使用測具檢驗葉片時進氣邊和排氣邊邊緣接觸頻繁是磨損較多部位，所以盡量依靠燕尾槽中心拉直滾棒，這是為了保證圓柱滾棒的軸心線與被測交線所在的投影面平行，前后燕尾槽按照此方法重復多測兩遍，二次找正以提高測量準確性。

圖3 借助標準滾棒檢測燕尾槽作為側基準示意圖

由于16.65－0.05mm尺寸在燕尾槽的底面方向有兩個α±5'和β±3'，為此，需在平臺上以測具底面和側面為基準，根據先有的角度在上的原則，在正弦規圓柱下面墊上計算好的組合量塊，使它與水平面夾角為β，正弦規上面再用條規扭α角后用指示千分表測量燕尾槽雙度面的平行度，如果兩平面平行度在0.005 mm證明找正完好，如果大于0.005 mm時將測得值反算到度面上再調整找正直至平行度為0.005 mm。通過圖紙分析，將采用滾棒輔助測量，運用圖紙標注的理論值和實測角度值將斜交點值轉化為平面間的距離或平面至滾棒間的距離。其它尺寸如圓弧尺寸R大，R小，γ，δ等均可采用常規方法測得。

2.3.2 M，K點相關尺寸的換算

利用標準圓器及標準量塊檢測HMK時，還需要給出某些關聯尺寸H1和H2。如圖4所示。根據M，K點附近各幾何尺寸間的相互關系，可推導出這些關聯尺寸的計算公式，將使用標準器的實測值和上述已測得的實際值以及圖紙給定的控制值均作為已知條件代入到公式中，即可計算出H1和H2。

按照圖4中給出的多項幾何關系，經推導換算得出

式中:r1是選用放置在圖4位置上標準圓球的半徑;β是燕尾槽底面與水平面夾角。

按照圖5中給出的多項幾何關系，經推導換算得出

式中:r2是選用放置在圖5位置上標準圓球的半徑;γ是頂圓錐楔面與水平面夾角。

圖4 借助放置標準圓器檢測及其H1，H換算關系示意圖

圖5 借助放置標準圓器檢測及其H2換算關系示意圖

2.3.3 M，K點高度尺寸HMK的檢測

通過上述借助標準圓器r1換算得到H1、借助標準圓器r2和標準量塊換算得到H2后，只需借助r1，r2檢測得到兩個標準圓器的中心高度差H(見圖4所示)，顯然，將實測的H值和使用公式 (1)，(2)換算得到的H1，H2代入公式 (3)，就可算得被檢測特征點M，K點的實際值

3 比對驗證

3.1 M，K點尺寸HMK測量結果的重復性

按前述方法在相同測量條件下重復5次測量H值，經計算得到HMK，每次具體的實測和計算結果及重復性見表2。

表2 重復5次測量結果比對 mm

3.2 M，K點HMK尺寸測量結果的復現性

由于變換標準圓器大小可以檢測燕尾槽不同部位，既能夠反映測具燕尾槽及圓錐弧面的真實磨損狀況，又可得到測量結果的復現性，因此按上述方法在相同測量地點、觀測者、參照標準等不變的條件下，變換檢測器具即變換各部位所使用的標準圓球r1，r2的大小重復6次檢測和換算得到每次具體的實測值、測量偏差及復現性，見表3。

4 結論

通過運用標準圓球、圓柱滾棒，逐步推導進行空間角度計算，將空間尺寸換算成為可間接測量的尺寸，

表3 變換標準圓球測量結果的比對 mm

完成葉片榫頭高度緣板樣塊在平臺上的精密測量，測量所需輔助量具為平臺檢測中的常用計量量具，適合在生產現場使用。通過比對驗證可以得到，其5次測量結果的重復性為0.003 mm，變換兩部位所使用的標準圓球后其測量結果的復現性為0.005 mm，所以本方法具有較高的測量精度，測量方法簡單易行，適合各等級的計量人員進行操作。本文方法擴展了平臺測量的方法，不僅解決了測具使用后無法進行周期檢測的難題，更提高了該類測具檢測的準確率。

［1］張昌泰.平臺測量法解析［M］.北京:化學工業出版社，2010:339－358.

［2］朱正輝.幾何量計算 ［M］.北京:原子能出版社，2003.

［3］國防科工委科技與質量司.計量技術基礎 ［M］.北京:原子能出版社，2002.

［4］國防科工委科技與質量司.幾何量計量:上［M］.北京:原子能出版社，2002.

［5］國防科工委科技與質量司.幾何量計量:下［M］.北京:原子能出版社，2002.