關(guān)軍,王呈
(沈陽黎明航空發(fā)動機(集團)有限責(zé)任公司,遼寧 沈陽110043)
航空發(fā)動機葉片氣膜孔直徑和坐標(biāo)位置尺寸是保持葉片在高溫高速狀態(tài)下機械性能的重要參數(shù),是發(fā)動機故障點之一,已引起業(yè)界專家和工程技術(shù)人員的高度關(guān)注。在加工冷卻氣膜孔的葉片中,高壓渦輪葉片是結(jié)構(gòu)最復(fù)雜、氣膜孔角度最多、最具有代表性的葉片。為了提高葉片的承溫能力,有的葉片除葉身上設(shè)計了氣膜孔之外,在緣板上也設(shè)計了形狀和角度不同的氣膜孔。實踐證明:葉片的冷卻效果與葉身曲面氣膜孔的數(shù)量、直徑和實際空間角度有著極其重要的關(guān)系。除選用承溫能力高的高溫合金材料和單晶處理工藝之外,在葉片上加工大量結(jié)構(gòu)復(fù)雜、分布不等的冷卻氣膜孔,仍是葉片在高溫(如:1700 ℃以上)條件下正常運轉(zhuǎn)的重要技術(shù)手段之一。因此,必須對葉片氣膜孔的實際幾何技術(shù)狀態(tài)實施監(jiān)控,以確認(rèn)加工的氣膜孔是否符合設(shè)計要求。測量葉片氣膜孔的關(guān)鍵是如何建立坐標(biāo)系,本文就此問題簡要介紹一種建立葉片氣膜孔工件坐標(biāo)系的方法。
航空發(fā)動機葉片氣膜孔大多數(shù)分布在葉身型面上,其軸線與基準(zhǔn)形成不同的空間角度,且與葉身曲面相貫形成不規(guī)則的空間封閉曲線??讖溅誅 (孔的基本尺寸)一般為0.25 ~0.50 mm,公差設(shè)計為下偏差為0,上偏差為0.10 mm。氣膜孔的位置規(guī)定為相對于葉片基準(zhǔn)原點X,Y,Z 坐標(biāo)值和空間角度。位置度公差按照氣膜孔所處葉身的位置不同一般設(shè)計為0.10 mm 或0.15 mm。
氣膜孔的形狀除圓孔外還有簸箕形的非圓孔,氣膜孔的位置也從單純分布在葉身上擴散到緣板上,使葉片高速旋轉(zhuǎn)工作時在葉片受熱關(guān)鍵部位均能夠產(chǎn)生冷卻氣膜,保持葉片具有較強的機械性能,滿足航空發(fā)動機的性能要求。
國內(nèi)外關(guān)于氣膜孔幾何結(jié)構(gòu)對氣膜冷卻特性影響的研究成果表明:在葉片的前緣上,氣膜孔的位置、形狀和射流的角度都是影響前緣氣膜冷卻性能的重要參數(shù)[1]。隨著飛機性能的提高,對航空發(fā)動機制造技術(shù)也提出了更高要求,其葉片氣膜孔的設(shè)計也發(fā)生了較大變化。葉片氣膜孔分布除集中在葉片的前緣附近以外,其角度的設(shè)計也更趨復(fù)雜,從而使葉片冷卻膜覆蓋更趨完善。但是,卻給氣膜孔的加工提出了更高要求,尤其是使測量技術(shù)更趨復(fù)雜。
氣膜孔與葉片、葉身相貫形成的曲線是一條不規(guī)則的空間封閉曲線,通過這條曲線實現(xiàn)對氣膜孔直徑和位置的測量存在諸多需要攻克的技術(shù)關(guān)鍵問題。因此,我們需要將這條不規(guī)則曲線變成規(guī)則的曲線圖形,然后,再解決其測量與校準(zhǔn)的技術(shù)問題,這樣將復(fù)雜空間曲線的測量變成對理想幾何要素的測量,使得不能或很難測量的量變成可測量的量。
在理論研究中,將葉片(見圖1)給定的諸排被測氣膜孔的坐標(biāo)分別進(jìn)行坐標(biāo)變換,在新的坐標(biāo)系里,將原垂直于葉片“0 -0”軸線方向的孔距尺寸(見圖2)變成氣膜孔軸線方向的孔距尺寸,使葉身上不規(guī)則的氣膜孔輪廓曲線,在選定投影平面內(nèi)的投影,變成理想的規(guī)則的實體圓(如圖3),從而可以容易地計算圓的直徑和圓心,確定各氣膜孔相對于基準(zhǔn)T,C,F(xiàn)的坐標(biāo)位置尺寸,避開葉片空間異型曲面上氣膜孔不規(guī)則輪廓帶來的中心坐標(biāo)無法或很難計算的問題。
圖1 孔位標(biāo)準(zhǔn)葉片及基準(zhǔn)
圖2 垂直0 -0 軸的孔距圖
圖3 變換后氣膜孔投影示意圖
測量葉片氣膜孔的關(guān)鍵在于葉身空間曲面微小孔邊緣輪廓的提取。圖像的邊緣是圖像最基本的特征[2]。如果能夠準(zhǔn)確地提取輪廓邊緣特征就能夠?qū)ξ⑿】椎闹睆胶椭行淖鴺?biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確測量和評價。根據(jù)葉片氣膜孔測量原理,光學(xué)影像測量的前提條件,必須要將葉片按照氣膜孔的空間角度進(jìn)行旋轉(zhuǎn),使光軸與葉片氣膜孔軸線重合或平行,因此,設(shè)備應(yīng)帶有雙軸精密轉(zhuǎn)臺,并能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字控制旋轉(zhuǎn)角度,同時測量設(shè)備還要有X,Y,Z 三個直線導(dǎo)軌,即應(yīng)有三坐標(biāo)測量機的功能。為解決葉片氣膜孔(φ 0.25 ~φ 0.50 mm)的探測問題,在不考慮探測回退距離的條件下,理論上要求三坐標(biāo)測針球徑至少小于0.25 mm,目前還沒有這樣尺寸規(guī)格的三坐標(biāo)測量機接觸式測針。因此,需要采用光纖測頭或非接觸測量功能的光學(xué)探頭,以解決葉片氣膜孔數(shù)據(jù)的提取問題,本文以采用帶有光學(xué)探測系統(tǒng)的復(fù)合坐標(biāo)測量設(shè)備(見圖4)為例,簡要介紹一種建立測量葉片氣膜孔的坐標(biāo)系的方法。
圖4 五軸復(fù)合坐標(biāo)機結(jié)構(gòu)圖
葉片的基準(zhǔn)通常設(shè)計在榫頭,工藝基準(zhǔn)與設(shè)計基準(zhǔn)一致,所以測量時也選擇榫頭作為測量基準(zhǔn)[3]。基于這個思路需設(shè)計研制一個葉片定位裝置(見圖5),目的是:能夠通過調(diào)試,使葉片0 -0 軸線、葉片定位裝置基準(zhǔn)圓中心線和雙軸精密轉(zhuǎn)臺的B 軸同軸。
圖5 葉片定位裝置
1)將葉片定位裝置放置在雙軸精密轉(zhuǎn)臺上,使葉片定位裝置的回轉(zhuǎn)中心與雙軸精密轉(zhuǎn)臺的回轉(zhuǎn)中心重合(同軸度≤0.01 mm)。
2)將葉片裝夾在定位裝置中,使用接觸測針建立坐標(biāo)系,見圖6 和圖7。
3)按被校準(zhǔn)氣膜孔的空間公稱角度分別在鍵盤上輸入其轉(zhuǎn)角的理論值,由雙軸精密轉(zhuǎn)臺確定孔位標(biāo)準(zhǔn)葉片的空間姿態(tài),使光學(xué)鏡頭光軸與氣膜孔的軸線同軸或平行,見圖6。
圖6 旋轉(zhuǎn)前氣膜孔空間位置
4)調(diào)整光學(xué)鏡頭焦距至電腦顯示器屏幕顯示清晰的氣膜孔輪廓圖像。
5)用鼠標(biāo)框選氣膜孔圖像,測量軟件會對氣膜孔直徑和坐標(biāo)位置進(jìn)行評價,給出測量結(jié)果。
6)應(yīng)用測量軟件編制功能,編制葉片氣膜孔測量程序,實現(xiàn)自動測量。
圖7 旋轉(zhuǎn)后氣膜孔空間位置
在上述坐標(biāo)系下,對葉片氣膜孔進(jìn)行了測量試驗,在重復(fù)性條件下連續(xù)測量10 次,單次測量重復(fù)性計算公式為
試驗結(jié)果:φ 0.3 mm 的氣膜孔直徑重復(fù)性最大值為0.003 mm,φ 0.5 mm 的氣膜孔直徑重復(fù)性最大值為0.005 mm ;x 坐標(biāo)的重復(fù)性最大值為0.006 mm,y 的重復(fù)性最大值為0.009 mm,按照φ 0.3 mm 孔位置度為0.15 mm,φ 0.5 mm 孔位置度為0.10 mm,其重復(fù)性能夠滿足葉片設(shè)計對測量的要求。
按照本文所述方法建立的葉片氣膜孔工件坐標(biāo)系,為解決葉片氣膜孔的直徑和中心坐標(biāo)的測量問題提供一種比較實用、簡潔、有效的方法和途徑。但是,任何問題都可能有若干解決方案,本文所提出的方法不是唯一方法,僅為可行的方法之一,因此,僅供我國各航空發(fā)動機葉片研制生產(chǎn)單位技術(shù)人員和對該類測量技術(shù)感興趣的科研技術(shù)人員參考。
[1]戴萍,林楓. 氣膜孔幾何結(jié)構(gòu)對渦輪葉片氣膜冷卻影響的研究進(jìn)展[J]. 熱能動力工程,2009,24 (4):15 -20.
[2]楊慕升,徐秋菊. 基于數(shù)字圖像處理的微內(nèi)孔質(zhì)量檢測技術(shù)[J]. 制造技術(shù)與機床,2009 (1):12 -15.
[3]王呈,劉濤,穆軒,等. 航空發(fā)動機葉片氣膜孔測量技術(shù)研究[J]. 計測技術(shù),2012,32 (5):27 -30.