(1.中國航發(fā)集團(tuán)南方航空工業(yè)集團(tuán)有限公司，株洲 412002； 2.重慶真測科技股份有限公司，重慶 401332；3.重慶大學(xué) 工業(yè)CT無損檢測教育部工程研究中心，重慶 400044)

航空器是一種高度復(fù)雜的精密機(jī)械，航空器的結(jié)構(gòu)需要面臨高寒、高溫、高速、高壓、高轉(zhuǎn)速、高負(fù)荷、缺氧、振動等極端條件的考驗，因此對航空精密鑄件的品質(zhì)提出了嚴(yán)格的要求。隨著當(dāng)下高性能航空器的發(fā)展，對航空精密鑄件制造誤差的管控也提出了更加嚴(yán)格的要求。目前，航空精密鑄件制造公差的測量方法主要還是采用抽樣破壞的測量方式，即通過線切割在關(guān)注部位進(jìn)行破壞性解剖，然后通過游標(biāo)卡尺進(jìn)行取樣測量。隨著航空精密鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的提高以及制造成本的提高，這種傳統(tǒng)方法難以保證批次產(chǎn)品的品質(zhì)，且對于成本控制、交付周期控制等都帶來了不可預(yù)估的影響。因此，當(dāng)前針對復(fù)雜航空精密鑄件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的公差測量方法有待改進(jìn)。筆者采用高能工業(yè)電子計算機(jī)斷層掃描(CT)技術(shù)對某航空精密鑄件毛坯進(jìn)行壁厚測量的研究，為航空精密鑄件的內(nèi)部尺寸測量提供了一種新的選擇。

1 CT原理及特點(diǎn)

CT能在不破壞被測物體的情況下，以二維斷層圖像或三維立體圖像的形式，清晰、準(zhǔn)確、直觀地展示被檢測物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、組成、材料及缺損狀況等[1]。其成像原理如圖1所示。

圖1 CT成像原理

X射線以透射方式穿過被檢測物體，由于在射線穿過路徑上，各種物質(zhì)的厚度、材料密度等因素均會使射線產(chǎn)生不同程度的衰減，通過檢測衰減后的射線信息，利用雷當(dāng)變換和逆變換，從投影數(shù)據(jù)重建出物體橫截面圖像，物體的厚度、結(jié)構(gòu)、材料密度、缺陷大小等的差異反映為圖像上灰度的變化，從而實現(xiàn)在不破壞被檢測物體物理結(jié)構(gòu)的前提下對其進(jìn)行品質(zhì)檢測和評價。

與X射線DR、X射線照相等射線檢測方式不同，工業(yè)CT獲取的是二維斷層或三維立體的圖像，而不是重疊的圖像。通過高精度的CT圖像，能夠準(zhǔn)確反應(yīng)出被檢對象內(nèi)部的空間位置、形貌、尺寸、密度等信息[2]，為定量測量提供可能。

與三坐標(biāo)、卡尺等測量方式相比， CT能夠通過獲得被檢對象任意斷層的圖像,在斷層圖像上進(jìn)行測量，并在無損的前提下對具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的檢測對象的內(nèi)部尺寸進(jìn)行測量[3]。

2 檢測設(shè)備

采用CD-1500BX型9 MeV工業(yè)CT系統(tǒng)，其最大檢測直徑為1 500 mm，最大可穿透厚度為240 mm的鋼。該系統(tǒng)可實現(xiàn)φ650 mm以內(nèi)產(chǎn)品的三代CT掃描,φ1 500 mm內(nèi)產(chǎn)品的二代CT掃描的空間分辨率為2.0 lp·mm-1，分辨率為0.3%，尺寸測量精度達(dá)到0.1 mm，密度測量精度達(dá)到1.0%。檢測前，依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 29069-2012《無損檢測 工業(yè)計算機(jī)層析成像(CT)系統(tǒng)性能測試方法》和國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 29067-2012《無損檢測 工業(yè)計算機(jī)層析成像(CT)圖像測量方法》對系統(tǒng)主要性能指標(biāo)進(jìn)行校驗。實際校驗后，系統(tǒng)指標(biāo)均能達(dá)到系統(tǒng)標(biāo)稱技術(shù)指標(biāo)。

3 檢測參數(shù)

(1) 掃描方式

航空精密鑄件的最大回轉(zhuǎn)直徑約為840 mm，因此采用二代CT掃描方式。

(2) 射線源參數(shù)

對于電子直線加速器，在能量一定時，增加其出束頻率可提高射線強(qiáng)度，增強(qiáng)信噪比。加速器出束頻率設(shè)為200 Hz。

(3) 切片厚度

切片厚度越小，越有利于提高縱向分辨率，增強(qiáng)未貫通切片異物的缺陷檢出靈敏度，但降低了信噪比和密度分辨能力；切片厚度越大，越有利于增加信噪比，但降低了縱向分辨率。切片厚度并非越大或越小越好，而應(yīng)根據(jù)具體情況折中選擇確定，因此切片厚度選定為1.0 mm。

(4) 圖像矩陣

為了減小每個像素的實物尺寸，又不使掃描時間增加太多，圖像矩陣設(shè)定為2 048像素×2 048像素。

(5) 視場直徑

精密鑄件的直徑為840 mm，選定視場直徑為1 000 mm。

4 測量結(jié)果及分析

4.1 測量結(jié)果

在精密鑄件上選取若干工藝控制層進(jìn)行二代CT掃描，獲得斷層圖像。在斷層圖像上選取若干測量點(diǎn)，使用圖像處理軟件測出壁厚。在機(jī)匣實物上找到測量點(diǎn)對應(yīng)的位置，用游標(biāo)卡尺測量壁厚，將兩種方式獲取的數(shù)據(jù)做比對分析。

精密鑄件3個工藝控制層的CT圖像及測量點(diǎn)分別如圖2～4所示。

圖2 斷層1圖像及測量點(diǎn)位置

圖3 斷層2圖像及測量點(diǎn)位置

圖4 斷層3圖像及測量點(diǎn)位置

利用圖像處理分析軟件中的壁厚測量功能，對測量點(diǎn)進(jìn)行測量，并在線切割解剖后用游標(biāo)卡尺在測量點(diǎn)對應(yīng)的精密鑄件相應(yīng)位置進(jìn)行厚度測量。兩種方法的測量結(jié)果見表1和圖5。

表1 兩種方法的尺寸測量結(jié)果 mm

圖5 CT與卡尺測量結(jié)果對比

4.2 誤差來源分析

通過測量數(shù)據(jù)可以看出,使用CT圖像測量得到的機(jī)匣壁厚與實際測量的壁厚基本能夠保持在0.1 mm的偏差范圍內(nèi)，對比驗證具有較好的一致性。

此外，受限于測量條件，測量誤差主要來源于以下幾個方面：

(1) 機(jī)匣外形不規(guī)則，通過掃描高度尋找斷層位置時可能存在誤差。

(2) 被檢機(jī)匣為毛坯件，表面粗糙，增大了兩種測量方法的誤差。

(3) CT圖像所示的斷面與機(jī)匣壁不完全垂直，會帶來測量結(jié)果的偏差。

5 結(jié)語

工業(yè)CT測量方法具有無損、可測量內(nèi)部結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，在復(fù)雜型腔結(jié)構(gòu)尺寸測量等應(yīng)用場合具有其他方法無法替代的優(yōu)勢。通過試驗對比驗證，CT測量方法和傳統(tǒng)測量方法所獲得的結(jié)果具有較好的一致性，因此使用CT測量方法對航空精密鑄件關(guān)鍵結(jié)構(gòu)壁厚的公差進(jìn)行控制是可行的，該方法對于降低成本、控制每件產(chǎn)品的制造符合性具有重要價值和意義。