复杂薄壁叶片测量方法研究

技术特点分析

复杂薄壁榫头为燕尾型叶片，榫头度面为叶片的定位基准，公差一般不大于0.1mm，叶身型面带有阻尼台，阻尼台空间角度错综复杂，需要的尺寸多，且公差要求严；叶片空间尺寸大且叶型空间扭曲大，叶身薄，叶片型线轮廓度公差小且为变公差。

叶片尺寸测量

1测量坐标系的建立

对复杂薄壁燕尾型榫头叶片，设计及测量的基准一般为燕尾型榫头的度面，测量时可以将测量坐标系直接建立在榫头度面上，也可以采用测具测量，将测量坐标系转移到测具上。

（1）无测具测量。

没有测具时，以榫头度面及端面为基准，将测量坐标系建立在榫头上，在叶片榫头两度面上，分别测量4个点，构造2个平面，计算两个度面的中分面作为测量坐标系的Y轴方向及Y轴方向的零点，计算两个度面的交线，测量坐标系的X轴方向，交线与榫头端面的交点为X轴方向的零点，榫头度面中分面分别向两度面平移H值，与两度面相交两条平移线，两平行线构造一平面作为测量坐标系Z轴的零点。叶片榫头度面结构如图1所示。

（2）测具测量。

复杂薄壁燕尾型榫头叶片测具设计原理是：旋动拧紧螺钉，测具底面定位块带动叶片榫头底面向上运动，当叶片榫头度面与测具度面定位块贴紧时，叶片榫头基准线到达一定高度，叶片固定在测具中。以测具的定位面为基准建立测量坐标系，测具结构如图2所示。

2型面测量分析

该叶片叶根部位型面曲率变化大，而叶尖型面曲率变化比较小。一般型面测量时，程序编制是一个循环测量的过程，每个截面都是从叶片进气边开始扫描到排气边结束，再将多余部分进行裁剪，形成一个封闭的曲线如图3所示。

初次加工为了防错，用2种方法对叶片进行测量分析。第一种方法是将叶片的所有部位进行采点测量，为了避免测球半径补偿时带来的测量数据误差，在采点时关闭测量补偿，将测量数据导入UG与数模进行比对，比对时将测具数据整体偏置一个测针半径值。第二种方法是在PC-DMIS测量软件下用Blade分析软件进行分析。2种测量方法测量数据对比如表1所示。

由表1可以看出，在叶尖部位，由于叶型曲率变化比较平缓，测量结论只差0.004mm，而叶根部位截面由于叶型变化比较大，相差0.053mm，所以不能直接对叶根型面进行扫描评价。

在测量叶型轮廓度时用两种方法，叶尖截面（全封闭截面）采用全封闭扫描，利用叶片专用分析软件BLADE进行分析评价；叶根截面采用采点的方式进行测量，实测点与CAD模型进行对比输出。

3阻尼台测量

该叶片阻尼台上下表面由三维空间曲面组成，阻尼台毗邻面以及长边、短边空间角度错综复杂。在测量阻尼台上下表面轮廓度时，采用扫描曲面的方式进行测量，将实测值有数模进行对比，并直接将结论显示在数模中，便于叶片的返修，阻尼台表面偏差分析见图4。

阻尼台长边、短边是圆弧形，在首次测量时直接在数模中找出最高点作为理论值对叶片阻尼台长、短边进行测量并与数模进行比对分析，但是在后期测量过程中发现，由于叶片的加工误差，如果只采1点并不能保证每次都能采到阻尼台长、短边的最高点，该部位为圆弧型，测量点稍微差一点，测量结论就会相差很多。最后经过反复实践发现，如果将坐标系旋转到与阻尼台长、短边平行的方向并进行扫描，在扫描点中找出最大值，用这种方法测量能准确的反映叶片的真实加工质量。 [page]

对阻尼台扫描找高点如图5所示。叶片阻尼台毗邻面是一个由三次角度旋转形成的空间三维平面，阻尼台在叶片装配时起到环形支撑作用，当叶片组装在一起时，每个叶片阻尼台相互连接，相互支撑，发动机工作时，叶片高速运转，阻尼台减少叶片振动，作为装配尺寸，阻尼台毗邻面的尺寸要求非常严，在测量时，必须将该面旋转到设计图要求测量的方向，并要准确计算测量点的矢量，否则在测量时，探针的半径补偿会不准确，导致测量错误，为了准确测量阻尼台毗邻面的尺寸，先将坐标系沿Z轴方向旋转，再沿Y轴方向旋转，当坐标系X轴旋转到与阻尼台毗邻面法线方向一致时，可以沿坐标系X方向采点。如果有数模，只需要将叶片测量坐标系与数模坐标系保持一致，通过数模查找点的矢量，直接测量数模直接比对，避免三维旋转坐标系，测量精度和测量效率都很高。

4 叶片振动问题解决

由于该叶片很长，但是厚度很薄，装夹的时候只是在榫头进行固定，叶身向上是自由状态的，所以随着扫描高度的增加，叶片刚性减弱，叶片与测针之间发生共振现象，影响扫描的正常进行。测针振动状态下测量的曲线如图6所示。

研究振动产生的原因发现，振动是一种特殊形式的运动，在这种运动过程中，机械系统将围绕其平衡位置往复运动，从运动学的观点看，机械振动是指机械系统的位移、速度、加速度在某值附近随时间的变化规律，机械系统之所以会产生振动是因为它本身具有质量和弹性，阻尼则使振动受到拟制，所以减少振动一方面要减少测针对叶片的接触力，另一方面要增加阻尼，消耗能量。

在尝试了许多方法后，决定用加橡皮泥的方法增加阻尼，消耗能量，减少振动，测量叶盆时在叶背贴橡皮泥，在测量叶背时在叶盆贴橡皮泥，这种方法彻底解决了叶片的共振现象。叶片第一次贴橡皮泥部位如图7所示。

当工人将叶身轮廓厚的叶片进行返修时，若重新测量叶片的测量结论与之前不一致，返修的零件会更厚，由于将柱形测针更改为球形测针，进排气边缘形状很不真实，经分析发现，在交替装、卸橡皮泥时，叶片的测量状态已经发生了更改。

将测量程序进行优化，在测量叶片不同截面时采用不同的测量角度，尽可能减少测针与叶片间接触的力量，并尝试不同的测量参数（测量速度、测量密度）。用优化的测量程序测量叶片时，只有叶尖截面产生振动，只需要在叶尖加上橡皮泥就可以彻底解决叶片与测针间的共振现象，进排气边缘形状也变得更真实了，并且易于操作与测量，叶尖加橡皮泥如图8所示。

5测量重复性问题

在复杂薄壁叶片的测量中，除了叶片共振对叶片测量精度影响外，还有一个很重要的问题：测具重复性差。在测量叶片毗邻面时，同一个叶片，装夹5次，测量数据如表2所示。

从表2可以看出：叶片重复装夹5次，测量数据最多相差约0.16mm，对于公差只有0.06mm的尺寸要求，这种测量精度根本不能满足。

根据多年的测量经验以及燕尾性榫头特点，设计并制造了一个测量夹具，该夹具的度面尺寸与叶片榫头一致，底面尺寸比叶片榫头尺寸大了1mm左右，用螺钉将叶片拧紧，再将夹具放在虎钳中测量，这个测具夹具仅仅起到夹紧叶片的作用，叶片榫头除了一部分夹紧在夹具中，其余大部分暴露在夹具外部，测针能够测量到。测量夹具如图9所示。

用暴露在外的叶片榫头建立测量坐标系，在叶片榫头底面采3点，在叶片榫头度面采2点，在叶片端面采1点利用迭代法建立第一坐标系。在叶片榫头两度面各采6行，每行3个点，进行最佳拟合坐标系，作为测量坐标系。在该测具及坐标系下对1个叶片毗邻面重新测量5次，测量结论如表3所示。

从表3可以看出，用现在的测量方法测量的叶片毗邻面最大相差只有约0.008mm，所以测量是稳定可靠的。

结束语