低壓渦輪長軸是航空發(fā)動機中連接低壓渦輪和風扇轉(zhuǎn)子的關鍵零件，長軸內(nèi)腔有凸臺、凹槽、度面等多種需要測量的結(jié)構，尺寸多、公差嚴、孔口小而內(nèi)腔大的棗核形結(jié)構，給測量帶來很大的困難，實現(xiàn)渦輪長軸內(nèi)外徑幾何尺寸的準確測量對發(fā)動機裝配和使用安全有重要影響。

航空發(fā)動機低壓渦輪長軸幾何結(jié)構復雜，內(nèi)型面呈棗核形結(jié)構，存在多個坐標點、度面、環(huán)槽以及轉(zhuǎn)接圓弧。受測量深度的影響，常用的坐標測量機無法深入內(nèi)腔進行檢測。在研制初期，采用首件解剖檢測，以解剖件的檢測結(jié)果驗證數(shù)控加工設備的精度和加工程序，后續(xù)交付件的內(nèi)腔狀態(tài)由設備精度和固化數(shù)控程序保證，一旦零件內(nèi)腔型面結(jié)構改變或數(shù)控程序優(yōu)化就需要重新進行破壞驗證，這種方法存在檢測時間長、資源浪費等缺點。本文通過工裝設計、測針配置、測量路徑規(guī)劃等技術研究以解決長軸類零件內(nèi)腔尺寸檢測難題，并通過測量系統(tǒng)分析、測量不確定度分析等方法，實現(xiàn)了渦輪長軸幾何尺寸的精準測量。

測量工裝設計

受結(jié)構影響，若長軸在測量機中擺放位置不合適，會超過測量機的量程，無法一次性完成所有特性的測量。為了方便裝夾、便于測量、提高效率，對長軸裝夾及定位方法進行研究，研制合適的測量工裝。工裝設計應該考慮的因素包括：長軸類零件類型多，工裝應具有一定的通用性，能夠?qū)Υ笮〔煌?，結(jié)構相似的軸類零件進行穩(wěn)定定位；開敞性好，盡可能減少測量部位的遮擋；長軸類零件外形尺寸大、測量部位多，設計的工裝應輕便，便于搬運；測具的上、下高度和前、后距離應可以靈活調(diào)整，防止在長軸內(nèi)腔時發(fā)生干涉。為了符合以上要求，裝置采用了分體設計思路，由3個部分組成，包括2個周向定位V形塊和1個軸向零點定位支承桿。

周向后端定位V形塊由底座和條形螺紋孔組成。V形塊底座上兩個條形螺紋孔間距與坐標測量機上的螺紋孔間距相等，條形螺紋孔可以調(diào)節(jié)V形塊前后位置，如圖1（a）所示。

周向前端定位V形塊由支塊、壓緊螺釘、V形支架、滑塊和滑道組成。支塊是一組高度不同的矩形金屬塊，V形支架在滑道中運動，可以調(diào)節(jié)周向前端定位V形塊的高度，如圖1（b）所示。

圖1 軸類零件測量工裝

軸向零點定位支承桿由支承桿、定位銷、滑塊和壓緊螺釘組成，滑塊用于調(diào)節(jié)定位銷的高度，定位銷與長軸前段法蘭上的孔配合，確定零件的軸向零件和角向位置，軸向零點定位支承桿如圖1（c）所示。

兩V形塊配合使用，用于長軸的軸向定位，零點定位支承桿用于長軸的徑向定位。采用測量工裝，可以一次性將零件安裝到位，可直接在工裝上建立測量坐標系，簡化坐標系建立過程，提高檢測效率。

零件安裝

低壓渦輪長軸兩端口的直徑大小不一致，不能簡單地從兩側(cè)分別按照總長的1/2分段測量，需要根據(jù)內(nèi)腔結(jié)構計算不同直徑測針可檢測的長度范圍，從而確定長軸在機床上的擺放位置，以防止量程不足。例如，零件長度為L，通過計算需要從長軸的大端處測量內(nèi)腔2/3L的長度，則測針的測桿長度應不小于2/3L，零件大端應放置在機床最大量程的2/3L+10mm（10mm為安全距離）處。

長軸安裝位置應與測量方向的測針平行，否則測針未到達指定的測量位置時，會與內(nèi)壁產(chǎn)生干涉。一般情況下，校準的測針方向與測量機的機床坐標系平行，故在安裝時，長軸內(nèi)腔軸線與機床坐標系平行。在安裝結(jié)束后須對零件徑向和軸向位置分別進行調(diào)整。

測針選擇

測針類型選擇

低壓渦輪長軸須采用不同類型、不同直徑的測針分段測量。針對不同形狀的棗核形結(jié)構，需要精密計算內(nèi)腔不同部位的直徑，論證不同測針帶來的測量誤差和可能產(chǎn)生的測量干涉。

常用的測針類型包括球形測針、盤形測針和星形測針。球形測針使用簡單，易于操作，用于測量兩端口處的內(nèi)腔型面；盤形測針有一定的厚度，在測量錐型面內(nèi)壁時，盤形測針側(cè)壁與錐型面內(nèi)壁是線接觸而不是面接觸，測量機記錄的是盤形測針中心點的位置，實際接觸位置是盤形上表面與錐面交接的位置，兩者之間將會產(chǎn)生很大誤差，盤形測針接觸位置錯誤如圖2（a）所示，故錐型面內(nèi)壁不能選用盤形測針測量；星形測針裝有4個相互垂直的球形測針，在測量圓柱面內(nèi)壁時，可能會有2個甚至3個測球與內(nèi)壁接觸，造成測量錯誤，星形測針誤測如圖2（b）所示，故測量圓柱面內(nèi)壁時不能采用星形測針測量；在測量凹槽時，受凹槽槽寬限制，須采用適合半徑的星形測針測量。

圖2 測針選擇示意

通過綜合考慮測量的可達性和準確性，分析可能產(chǎn)生的干涉和大半徑測針造成的余弦誤差，根據(jù)內(nèi)腔結(jié)構計算不同結(jié)構、不同直徑測針檢測的長度范圍。最終確定在測量長軸端口位置時選用球形測針；測量內(nèi)腔柱面直徑時選用盤形測針；測量錐面和凹槽時選用星形測針。

測針直徑選擇

在規(guī)劃測量方案時，通常選用的最長測針測桿長度約為軸總長的2/3。由于測針的測桿直徑不均勻，選擇盤形測針和星形測針測量時，需要借助數(shù)學模型準確計算。若盤形測針直徑過小或星形測針的4個測針測桿長度過小，測針測球還未接觸到軸的內(nèi)壁，測量桿就會碰撞到最小內(nèi)腔的內(nèi)壁；若盤形測針直徑過大或星形測針的4個測針測桿長度過大，會無法通過內(nèi)腔最小直徑處。當測針經(jīng)過的內(nèi)腔最小直徑為d，測量部位的圓直徑為D，測桿最大直徑為m，則測量選擇的盤形測針直徑或星形測針最大外接圓直徑M的范圍為D＞M＞（D-d+m+安全距離）。盤形測針如圖3（a）所示，星形測針如圖3（b）所示，測針直徑與長軸內(nèi)腔直徑關系如圖3（c）所示。

圖3 測針結(jié)構與測量關系

路徑規(guī)劃

與傳統(tǒng)的測量方法不同，長軸內(nèi)腔內(nèi)的凸臺、導角等結(jié)構在測量時，測針所在位置不可見，不能直接在測量部位采點，需要合理規(guī)劃測量路徑，采用合適的測量方式。

低壓渦輪長軸結(jié)構類型多，測量時需要綜合使用多種類型和直徑的測針，測試測量機更換測針的時間與安全移動的時間，比較不同測針測量同一部位測量時間與采用同一測針測量不同部位的時間，歸納出各種測量方案的檢測效率。

經(jīng)過測試，測量機更換一次測針用時20s，最長距離的移動時間為10s。在相同條件下完成長軸特性測量，采用測量部位優(yōu)先（用不同測針完成同一部位測量后更換到下一測量位置）的測量時間為2.5h，而采用測針優(yōu)先（用同一測針完成不同部位上需要用該測針測量的結(jié)構后更換其他測針）的時間為1.5h。為了提高測量效率，以不同測針名為索引，對測量特性進行分組，各組間的測量順序按就近原則進行排序，按照優(yōu)化的測量路徑，檢測效率能提高30%以上。

測量數(shù)模

低壓渦輪軸內(nèi)腔測量無法通過目視采點，需要通過數(shù)模引導測量，且測量路徑規(guī)劃、測針類型選擇、測量理論值和測量位置都需要通過數(shù)模推算得出，故數(shù)模的準確性、完整性對測量結(jié)論的可靠性起到非常重要的作用。建模過程應嚴格按照基于航空發(fā)動機建模要求執(zhí)行，模型應保證完整準確，無冗余、無碎面，工件坐標系準確并與設計基準一致。

關鍵特性尺寸的測量和評價

低壓渦輪軸關鍵結(jié)構尺寸可分為徑向尺寸、軸向尺寸、形位公差、壁厚尺寸4大類300多個特性。通過穩(wěn)定的定位、合理的測針、準確的數(shù)模和測量策略，能夠?qū)崿F(xiàn)長軸特性的精準檢測，但長軸壁厚和大圓弧曲面與圓柱面交點錯檢率較高，需要重點分析。

長軸壁厚測量

壁厚的測量是在長軸指定截面的內(nèi)外壁上測量同心圓，計算同心圓的半徑差，即指定位置的壁厚，測量時需要在數(shù)模內(nèi)外壁的同一截面選取圓特性，應用相同的測針、測量策略、擬合方法和評價方法，否則就會造成測量錯誤。

通過檢驗員在長軸5個不同截面上分別測量壁厚，每個截面圓測量2次，進行測量系統(tǒng)分析，測量系統(tǒng)分辨數(shù)均大于4，具有很好的分辨能力。測量的重復性和再現(xiàn)性均小于零件公差的30%，說明該測量方法是可接受的。

大圓弧曲面與圓柱面交點測量

大圓弧曲面與圓柱面交點的測量是檢測的難題之一。為了保證測量的準確性，對大圓弧面和圓柱面進行高密度掃描，掃描時一定要保證掃描線在軸的同一母線上，參考理論數(shù)模，將掃描點進行過濾重新擬合，構造實測圓，實測圓與圓柱面相交，計算相交點間的距離。

為了驗證檢測的可靠性，對同一零件尺寸及偏差為（16±0.2）mm的交點尺寸連續(xù)測量6次，測量結(jié)論如表1所示。采用A類評定方法進行測量不確定度分析，得出合成不確定度為6.36μm，擴展不確定度為12.72μm。因為（16±0.2）mm交點尺寸的公差為-0.2～0.2mm，公差的1/4為0.1mm，測量不確定度滿足小于公差1/4的標準要求。

表1 交點尺寸測量結(jié)果

結(jié)束語

針對航空發(fā)動機低壓渦輪長軸結(jié)構特點，通過測量工裝研制、測量過程研究，評價結(jié)果驗證，實現(xiàn)了發(fā)動機低壓渦輪長軸內(nèi)腔的準確高效檢測，保證了長軸內(nèi)腔關鍵特性尺寸測量和評價方法的準確性。檢測方法通用性較強，能同時實現(xiàn)其他多種軸類零件的可靠測量。