中航工業(yè)沈陽發(fā)動機設計研究所 高繼昆 閆 峰 李 季

整體葉盤是航空發(fā)動機的關鍵部件之一，直接決定了發(fā)動機的性能、安全和壽命[1-2]。隨著技術水平的提高，越來越多的國內外航空發(fā)動機采用整體葉盤代替?zhèn)鹘y(tǒng)多個葉片組裝的設計模式。它的顯著特點在于整體性好，有效地提高了發(fā)動機性能。但加工和檢測的成本和難度也隨之增大。由于整體葉盤的加工質量至關重要，因此在發(fā)動機零部件檢測中，整體葉盤葉片型面的檢測具有十分重要的意義。整體葉盤葉片型面檢測方法主要有坐標測量法、檢具測量法、在線檢測法、光學非接觸測量法等[3-18]，目前在整體葉盤葉片型面檢測中，最常用的方法是三坐標測量機曲線掃描。

測量方法

本文采用Zeiss公司生產(chǎn)的PRISMO三坐標測量機，其示值誤差為（1.5+L/350）μm，并通過四軸聯(lián)動轉臺的配置對某型發(fā)動機整體葉盤進行檢測。

該整體葉盤尺寸大、扭轉大，其葉片型面的扭轉角最大可達35°。下面以該整體葉盤為例，談談三坐標測量機對整體葉盤葉片型面的檢測和計算方法[19-22]。

1 整體葉盤葉片型面測量

（1）建立測量坐標系。

首先，將整體葉盤的數(shù)學模型導入測量軟件中，然后根據(jù)設計要求，選擇對應的幾何元素作為測量基準，對測量基準進行平移和旋轉得到基本坐標系和整體葉盤葉片葉型坐標系?；咀鴺讼涤糜跍y量，葉型坐標系用于之后的計算和評價。

（2）定義名義葉型曲線。

首先在葉型坐標系下，通過每個葉片型面的高度值在數(shù)學模型上進行截取，得到所需測量的三維曲線，并按曲率確定每個三維曲線的名義點位置和法線方向，如圖1所示。然后通過旋轉陣列得到每個整體葉盤葉片所要測量葉型的三維曲線。

圖1 名義點位置和法線分布圖

（3）編輯每個元素的測量程序。

編輯測量基準和被測葉型三維曲線的測量程序，其中靠近根部的葉型曲線分3段進行掃描測量，靠近尖部的葉型曲線分2段進行掃描測量。通過轉臺角度和掃描速度的設定，使得葉盆和葉背掃描速度較快，前緣和后緣掃描速度較慢。

2 測量結果的計算和處理

葉片型面曲線掃描完成后，將第一片葉片所有截面的名義數(shù)據(jù)和每一片葉片所有葉型的實測未補償?shù)臄?shù)據(jù)在相應葉型坐標系下分別導入葉型處理軟件進行計算，通過計算得出整體葉盤葉片實測葉型的弦長、位置度、扭轉角度、輪廓度以及前后緣形狀等特征參數(shù)，進而判斷葉片型面是否合格。

3 測量結果的輸出

將測得的葉型輪廓及數(shù)據(jù)處理時得到的弦長、位置度、扭轉角度、輪廓度以及前后緣形狀等特征參數(shù)，輸出成報告的形式，提供給設計人員進行分析使用。

三維曲線和二維曲線測量結果對比

1 二維曲線測量引起的余弦誤差

三坐標測量機用二維曲線測量葉片型面時，由于測量原理和測量方法本身存在不足，會產(chǎn)生半徑補償誤差，即余弦誤差。

圖2 半徑補償誤差示意圖

三坐標測量機探針大多為紅寶石球或碳素球，測頭采點記錄的是球心位置的空間坐標。因球心不是測針與葉型表面的實際接觸位置，需通過半徑補償，得出實測點坐標值。半徑補償?shù)姆较蛴擅x點法線方向確定（在XY平面內的二維方向），而葉型本身是自由曲面，法線方向是三維方向，由此會帶來半徑補償誤差。

下面對葉片葉型測量過程中二維補償誤差的產(chǎn)生以及影響因素進行分析。

在實際測量過程中，受觸發(fā)測量力的影響，接觸測量時測頭中心的Z坐標值與名義值存在一定偏差，如圖2所示。 隨著葉片傾斜角度的增大而增大。使用二維曲線掃描的方法對該整體葉盤的最大扭轉葉片型面進行測量，其傾斜角β為35°，通過測量結果得到，Z值偏差最大不超過0.05mm，且均出現(xiàn)在后緣附近。圖2中A為名義點，A＇為半徑補償?shù)玫降膶崪y點， 為半徑補償誤差，探針半徑R為1mm。

此時的半徑補償[23]：

δx=R/cosβ-R-H·thβ。

該葉片的最大半徑補償誤差為：

δ=R/cosβ-R-H·thβ

=1/cos35°-1-0.05·th35°

=0.186mm 。

由于設計圖紙給出的前后緣6mm內輪廓度公差為0.15mm，顯然通過二維曲線掃描的方法不能滿足測量要求。

2 兩種方法的測量結果對比

用三維曲線掃描的方法對葉片型面進行測量，將兩次的測量結果點坐標導入三維軟件進行對比。如圖3所示，其中藍色曲線為二維曲線掃描的測量結果，紅色曲線為三維曲線掃描的測量結果。

通過對比圖可以看出，由于二維曲線掃描的測量結果存在余弦誤差，所以測量結果較三維曲線掃描的結果實際葉型曲線偏厚。由于接近后緣的位置葉片型面扭轉最大，此處的厚度差值也越大。通過計算得到厚度差值接近0.2mm，與計算結果基本一致。證明了三維曲線掃描測量結果的準確性。

不同葉型曲線的計算方法

由于整體葉盤葉片的加工質量不同，實測葉型曲線相對于名義葉型曲線會有不同情況的偏差。有些情況的偏差會對計算結果產(chǎn)生不同程度的影響，特別在三維曲線掃描測量的計算結果中更為明顯。下面對幾種常見的情況所采用的計算方法進行說明。

圖3 扭轉最大截面兩種方法測量結果對比圖

1 名義法線和實際法線半徑補償計算方法

在葉型計算軟件中，有名義法線和實際法線兩種半徑補償計算方法。

名義法線半徑補償計算方法原理為，利用名義曲線的法線代替實際未補償曲線的法線進行半徑補償?shù)玫綄崪y曲線，如圖4所示。

實際法線半徑補償計算方法原理為，利用實際未補償曲線本身的法線進行半徑補償?shù)玫綄崪y曲線，如圖5所示。

圖4 名義法線半徑補償示意圖

圖5 實際法線半徑補償示意圖

2 兩種半徑補償計算方法適用的葉型曲線

根據(jù)兩種計算方法的原理分析得到每種方法的優(yōu)勢和不足，從而確定每種計算方法所適用的情況。

實際法線半徑補償采用本身實際未補償曲線的曲率確定XY方向法線進行補償，所以在XY方向上結果更加接近真實值。但由于Z方向法線是在測量過程中通過探頭的壓力傳感器直接得到，在測量葉型扭轉較大且曲率變化較大處時Z方向法線會產(chǎn)生較大誤差，從而直接影響XY方向的半徑補償結果，使得計算結果不準確，所以實際法線半徑補償適用于扭轉較小的葉型曲線。

名義法線半徑補償采用名義點法線延長線與實際未補償曲線相交得到實際未補償曲線的點和XY方向的法線，而并非是該點在XY方向的真實法線方向，所以當實際葉型曲線與名義葉型曲線在前后緣處偏差較大時，由該法線在XY方向所引起的半徑補償誤差較大，使得實際葉型計算結果偏差較大。所以名義法線半徑補償適用于扭轉較大且實際葉型曲線與名義葉型曲線在前后緣處偏差較小的葉型曲線。

3 幾種特殊情況的葉型曲線的計算方法

（1）實測葉型曲線過長或過短時的計算方法。

當實測葉型曲線過長或過短時，由于實測葉型的前后緣與名義葉型的前后緣相距較遠，導致前后緣半徑補償?shù)钠钶^大，可能出現(xiàn)兩種半徑補償計算方法都無法得到實際葉型的準確結果的情況。

以采用實際法線半徑補償為例，當實測葉型弦長過短時，可以明顯地看到前后緣處的結果偏差較大。在此計算中除前后緣外其他的葉型曲線計算結果是準確的，所以可在此計算中評價輪廓度、弦長、位置度和扭轉角等除前后緣形狀的其他葉型參數(shù)。

這種情況可以采用評價軟件中的伸長縮短名義曲線的方法對實測葉型曲線進行計算。采用此種方法后前后緣的計算結果更加準確。在此計算中，由于名義值的改變使得無法評價與名義曲線相關的葉型參數(shù)，所以只評價前后緣的形狀。

通過以上兩種方法可最終得到滿足設計要求的評價結果。

（2）實測葉型曲線前后緣偏離名義葉型曲線的計算方法。

當實測葉型曲線前后緣偏離名義葉型曲線時，如果該葉型扭轉較小，可采用實際法線半徑補償計算，得到準確的計算結果。如果該葉型扭轉較大，采用名義法線和實際法線半徑補償，在扭轉較大處葉緣的計算結果都不準確。

此種情況可先采用名義法線半徑補償方法計算評價除前后緣形狀的其它葉型參數(shù)，然后通過二維曲線重新掃描該葉型曲線，并采用實際法線半徑補償方法重新計算。由于二維曲線掃描的測量結果存在余弦誤差，所以測量結果較三維曲線掃描的結果在接近后緣的葉盆葉背處偏厚，但仍可評價前后緣的形狀。

通過以上兩種方法可最終得到滿足設計要求的評價結果。

結論

在測量整體葉盤或其他葉片組合件時，直徑小的探針無法完成測量。由于選用的探針直徑越大，在計算葉型曲線時的余弦誤差越大。傳統(tǒng)二維曲線掃描測量已經(jīng)無法滿足設計圖紙的公差要求。所以在測量此類葉片型面時應采用三維曲線掃描測量和計算。

對于航空發(fā)動機而言，無論整體葉盤還是單個葉片葉身都存在一定的彎曲扭轉。在測量葉片型面時，如采用傳統(tǒng)二維曲線掃描方法測量，在計算結果中就會存在一定的余弦誤差。雖然選擇直徑小的探針可以減小這個誤差，但是由于掃描測量過程中存在一定的接觸測力和摩擦力，過小的探針可能造成葉片型面的劃傷，其自身也更易損壞。為了保護被測葉片以及探針，也為了使得測量結果更加準確，應盡量選用三維曲線掃描測量和計算。

如今航空發(fā)動機整體葉盤與葉片的設計要求越來越高，加工質量也隨之提高，所以需對檢測的方法加以改進。在用接觸式三坐標對葉片型面進行檢測中，三維曲線掃描的方法已經(jīng)逐漸替代了傳統(tǒng)二維曲線掃描的方法。這個方法的測量結果更加準確。但是由于三維曲線掃描的方法在計算和評價時相對復雜，很多情況的計算和評價不能一次性得到。計算和評價軟件在這方面還需要進一步完善。另外，非接觸式坐標測量機不需要半徑補償可直接得到測量結果，所以采用高精度非接觸式坐標測量機檢測航空發(fā)動機葉片也是未來發(fā)展的一個趨勢。今后我們專業(yè)檢測人員應多學習這些方面的知識，爭取能找到更加準確和簡便的測量方法。

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