現場測量表面缺陷的方法分析

朱 丹，王 康

（陜西飛機工業有限責任公司，陜西 漢中 723213）

0 引言

飛機制造是一個長周期生產過程，此過程不僅涉及飛機零組件的冷熱加工，也涉及部件裝配、總裝配和試飛等工作。在這些過程中，因設備故障、原材料組織缺陷、操作防護不當等原因，會產生各種形式的表面缺陷。表面缺陷會對飛機的強度、密封、防腐和氣動特性造成影響，輕則降低飛機的使用性能和縮短使用壽命，重則影響飛行安全。因此，在飛機的制造環節就應該準確地測量這些表面缺陷，缺陷測量的準確度直接會影響后期設計和工程部門的處理方案。

因為飛機零組件的外形復雜、剛性差，部件和整機尺寸巨大，表面缺陷種類和形式多樣，缺陷位置受空間限制、結構不可拆卸等原因，很多情況下，無法將其放置在設備上進行表面缺陷檢測。只能通過技術人員攜帶常規測量工具到生產現場測量和采集缺陷信息。

1 缺陷檢測現狀及存在的問題

在各種表面缺陷中，劃傷是較為普遍的一種缺陷形式。常規測量劃傷缺陷時，使用的工具為劃傷表。劃傷表是一種特殊的指示表，它通過指示表與特制底座（圖1）組合使用來完成測量工作。此特制底座外觀呈圓臺狀，圓臺中軸線上設置一個通孔，圓臺底面設置3 個內螺紋孔，圓臺的弧面上設置一個單側相貫孔與通孔垂直。通常我們將指示表的測頭由小端插入通孔中，鎖緊裝置插入相貫孔中將特制底座和指示表鎖緊，在3 個內螺紋孔內依次安裝上規格相同的3 個指示表測頭作為觸腳。在測量過程中，這3 個觸腳構成的平面作為測量基面，而指示表測頭由完整平面移入缺陷最深處時的示值變化值即為此缺陷的深度。用劃傷表測量表面劃傷缺陷的方法稱為劃傷表法。

圖1 特制底座構型

劃傷表法具有較強適用性，但仍存在以下不足之處。

（1）由基座上的3 個觸腳確定的測量基面較小，因此只能測量區域面積較小的缺陷。

（2）受測量空間限制，劃傷表法完全無法測量小直徑孔內缺陷。

（3）由于尖觸頭劃傷表表頭觸頭半徑較小，對硬度低于測頭材質的零件容易造成二次劃傷。

（4）確定基面的3 個觸腳規格相同，因此只能測量外形曲率較小的表面缺陷。

（5）不同的人將這3 個觸腳安放于表面的位置不同，則確定的基面就不同，人為誤差較大。

2 改進后的方法

2.1 劃傷表和大尺寸量塊組合法

在實際測量工作中，會經常遇到大面積缺陷的測量。以某型飛機中央翼蒙皮大面積腐蝕深度測量為例，由于中央翼蒙皮在翼展方向的曲率較小，每條翼展方向的線條均可近似看作直線，因此取消劃傷表底座的內螺紋孔上3 個測頭，用大尺寸量塊沿翼展方向放置于被腐蝕的蒙皮表面，量塊兩端搭接在未被腐蝕的蒙皮處。通過用大尺寸量塊來增大跨距找基準，最終完成蒙皮大面積腐蝕深度的測量任務。

此方法成功解決了劃傷表法無法測量大面積缺陷的問題。但在實際測量實踐過程中，也總結出了一些不足：①該測量方法對被測工件表面質量要求高，測量準確度隨著工件單方向曲率的增大而降低。②劃傷表底座下平面與大尺寸量塊配合調平，移動測量時，對工具的穩定性要求較高，工具易傾斜難操控。③不同測量人員用大尺寸量塊調平、導向時定位區域不同，就會得出不同的基面，這種因人工操作產生的偏差會對測量結果的一致性產生很大的影響。

2.2 改裝內徑表測量缺陷法

接觸測量中常見的接觸形式為點接觸、線接觸和面接觸。選擇接觸形式的原則是優先考慮采用點接觸；在條件不允許或較難實現時，再考慮用線接觸，面接觸為最后考慮方式。

在實際的測量中，正確地確定觸頭形狀是非常有必要的。例如點接觸中觸頭半徑的大小對能否很好地揭露實際誤差有很大的影響。如圖2 所示，被測缺陷原為三角形，但用球型觸頭測得的數據較實際尺寸缺少了尺寸a。由此可見，正確地確定觸頭半徑的重要性。

圖2 球型觸頭無法真實測量三角形缺陷

目前，現場測量孔內缺陷多采用內徑量表等通用量具來完成。該方法通過測量孔內缺陷位置與正常位置孔徑的差值來反映缺陷深度，但由于缺陷形態各異，量具的測頭不能觸及到某些缺陷最深處，無法反映缺陷真實數據。經過摸索，對內徑量表做了微小改進，將其內徑部分的活動測頭由球形觸頭改進成為尖觸頭。此方法常用于孔徑大于φ18mm 的內部缺陷。受測量空間限制，劃傷表法無法完全測量小直徑孔內缺陷。其次，若使用印模法，需用大量的印模材料，這樣既浪費資源，又延長了測量時間。利用改裝內徑表法，既節約了資源，又提高了工作效率。

改裝內徑表法將球形觸頭改為尖觸頭，降低了系統誤差，提高了測量的準確度。但由于觸頭半徑小，容易使硬度低于測頭材質的零件造成二次劃傷。與球形觸頭相比，尖觸頭更易磨損，這個缺陷可通過鍍鉻層的方法提高其耐磨性。

2.3 印模測量法

在機械制造過程中，有些缺陷因空間位置限制或材料特性限制，而不能用常規量具測量，這種情況下可以考慮使用印模法。

印模法使用了可塑性材料，首先將被測表面的加工缺陷復印下來，然后用常規方法對復印下來的印模進行間接測量，從而能夠確定被測表面的缺陷深度。在印模上測得的缺陷深度和工件實際缺陷深度數值之間存在著一定的差異，這種差別是由印模材料的收縮率決定的。用印模法測缺陷的過程分5 步：印制、凝固（或干燥）、分離、取樣、測量。

選擇印模材料對印模法測量很關鍵，現場測量時，要求印模材料既不能損害被測表面，又要讓印模快速凝固，方便現場操作。通過對目前常用印模材料進行分析比較，結合現場使用的一些特殊性，測量人員選擇了一種用于牙齒矯正的硅橡膠名為賽拉格（silagum putty）的材料，該材料為雙組份（基質糊劑和催化糊劑）1:1 配比混合而成，混合操作控制在30s 內完成，顏色均勻則表示混合充分。印制過程需用力將混合物擠進清潔過的缺陷內。對于通孔結構，需要在孔的出口側用平板壓堵，待印模材料完全凝固后，將已凝固的印模從孔中分離。如果僅需缺陷局部的印模，則將混合物用力敷在要取樣的部位，等完全凝固后取下。將得到的印模放置在萬能工具顯微鏡或影像儀上觀察，將缺陷的最大輪廓旋轉于視場內，測出缺陷位置與基準的高差即缺陷深度。

印模法既可以不受空間位置的限制，真實反映缺陷的最大值，不會對被測面造成損害，更重要的是可以模擬缺陷形狀。但對形狀細深，口面較小的缺陷不易取樣，此時印模材料的收縮變形會影響測量的準確度。印模測量是一個精細而又耗時的操作過程，對操作者的技能要求較高。

以上4 種測量方法的適用場合和優缺點如表1 所示。

表1 4 種測量方法的適用場合和優缺點

3 結語

上述3 種改進后的測量方法，通過對不同表面缺陷的現場試驗和實測運用，得到了工程部門的反向測算驗證，取得了良好的生產實踐效果。在工廠檢測能力不足的情況下，這些方法能高效準確地反映真實的測量數據，解決了理化檢測和常規計量無法測量的難題。通過本文的介紹，對于其他類似的測量方法改進，也有很好的借鑒意義。