[葉片實(shí)際照片]
極小透平葉片測(cè)量案例研究
航空發(fā)動(dòng)機(jī)是飛機(jī)制造中最為關(guān)鍵，也是技術(shù)最復(fù)雜、難度最高的部件之一，而透平葉片則是航空發(fā)動(dòng)機(jī)中數(shù)量最多的零件。以典型的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)為例，整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)由1級(jí)風(fēng)扇段、13-14級(jí)壓氣機(jī)段和8-9級(jí)渦輪段組成，葉片總數(shù)可達(dá)數(shù)千片；葉片高度從風(fēng)扇葉片的接近1000mm到最后級(jí)高壓壓氣機(jī)葉片的小于20mm，差異極大。
對(duì)于加工和檢測(cè)來說，極大和極小兩種極端尺寸葉片無疑是更大的挑戰(zhàn)，它們對(duì)加工和檢測(cè)設(shè)備及方法都提出了更為嚴(yán)苛的要求。本案例針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的一種典型極小葉片的檢測(cè)進(jìn)行了測(cè)試，驗(yàn)證了某種光學(xué)測(cè)量設(shè)備對(duì)于極小葉片葉型檢測(cè)的可行性與效果，并與其它幾種檢測(cè)方案從理論上做了對(duì)比。
測(cè)量難點(diǎn)
從上圖可以看到，該葉片整體高度約13mm、葉型寬度約11mm、葉片中心處最大厚度約1mm，屬于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片中最小的種類，尤其是葉片的邊緣部分厚度僅有約0.2mm，給測(cè)量帶來了諸多難點(diǎn)：
- 首先，由于葉片尺寸太小，給裝夾就帶來了非常大的困難。裝夾部分太小容易造成夾持不穩(wěn)，但裝夾部分太大又會(huì)對(duì)測(cè)量造成干涉。
- 其次，如采用接觸式測(cè)量，測(cè)針的選擇也是一個(gè)很大的難題。對(duì)于此類極薄的葉片，如采用大測(cè)球會(huì)造成測(cè)量葉片前后緣時(shí)發(fā)生卡頓，且容易發(fā)生干涉；如采用小測(cè)球則容易產(chǎn)生半徑補(bǔ)償方向錯(cuò)誤并導(dǎo)致型線紊 亂現(xiàn)象。
- 再者，此類極薄葉片容易在測(cè)量頂部截面時(shí)，在測(cè)量力的作用下造成輕微葉片彎曲（如下圖，測(cè)量葉盆時(shí)葉片受到測(cè)力影響朝葉背方向彎曲，反之亦然）。雖然彎曲變形量不大，但是考慮到葉片本身極薄，其相對(duì)變形量還是非?？捎^的，會(huì)對(duì)被測(cè)葉型的輪廓度與位置度都造成非常大的影響。
- 如果用光學(xué)測(cè)頭掃描該葉片，則必須要求有非常高的分辨率，在葉片曲率急劇變化的前后緣處要有密度足夠高的點(diǎn)覆蓋，以便真實(shí)還原葉片前后緣的形狀，才可準(zhǔn)確分析葉型相關(guān)參數(shù)。
首先，光學(xué)測(cè)頭對(duì)于物體表面狀態(tài)一般都有所要求，太過光亮或顏色過深的表面都會(huì)對(duì)反光造成負(fù)面影響。第二，由于葉片幾何形狀的特殊性，對(duì)于光學(xué)測(cè)頭的工作距離要有一定的要求。某些種類的光學(xué)測(cè)頭雖然可以達(dá)到較高的測(cè)量精度，但它的工作距離非常近，極易和葉片發(fā)生碰撞；如果通過換鏡頭來得到較大的工作距離，又會(huì)明顯地降低測(cè)量精度。第三個(gè)需要關(guān)注的是表面入射角的范圍，在測(cè)量零件過程中，如果一直以法線方向去采點(diǎn)，難免會(huì)碰到盲區(qū)，在這種情況下就需要改變?nèi)肷涔獾氖噶糠较?。如果光學(xué)測(cè)頭的入射光允許角度范圍較小的話，會(huì)給測(cè)量造成不便。
特別是在測(cè)量葉片前后緣時(shí)，由于實(shí)際葉片型線難免與理論模型存在形狀和/或位置偏差，導(dǎo)致根據(jù)理論模型設(shè)定的入射光方向無法與實(shí)際型線形成正交。如果測(cè)頭允許的入射光角度范圍越大，那該測(cè)頭對(duì)于光線的容錯(cuò)性就越好；否則的話，入射光角度稍有偏差，測(cè)頭就無法接收到反射光信號(hào)，造成測(cè)點(diǎn)缺失。
CORE白光葉片測(cè)量系統(tǒng)是一種光學(xué)非接觸式點(diǎn)掃描測(cè)量設(shè)備，在硬件和軟件方面針對(duì)葉片測(cè)量做了專門的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。CORE-DS的白光點(diǎn)測(cè)頭使用白光作為光源，相比接觸式測(cè)量具有更高的分辨率，其光點(diǎn)直徑大小僅為35µm，能夠檢測(cè)到被測(cè)物體表面最微小的幾何特征與缺陷，特別適合葉片進(jìn)氣邊與出氣邊的測(cè)量。CORE使用白光測(cè)頭進(jìn)行測(cè)量，能夠避免接觸式測(cè)頭在測(cè)量葉片過程中容易出現(xiàn)的測(cè)針半徑補(bǔ)償錯(cuò)誤，從而使得測(cè)量結(jié)果更加準(zhǔn)確。相比其它光學(xué)測(cè)量設(shè)備，CORE-DS的白光測(cè)頭對(duì)物體表面的適用性很高，完全無需對(duì)物體表面做任何處理即可進(jìn)行測(cè)量，可以測(cè)量的物體包括高光亮表面、黑色表面甚至是鏡面物體，且可以做到光線與物體表面夾角低至5°。
從測(cè)量結(jié)果來看，此葉片的最大厚度為0.7mm、最大弦長(zhǎng)為11mm、排氣邊半徑僅有0.075mm。測(cè)試結(jié)果表明，CORE具有測(cè)量極小葉片的能力，且相比接觸式測(cè)頭與其它光學(xué)測(cè)頭效果突出。
