涡轮叶片截面轮廓尺寸测量方法与流程

本发明涉及航空发动机涡轮叶片测量技术领域，特别地，涉及一种涡轮叶片截面轮廓尺寸测量方法。

背景技术：

涡轮叶片是航空发动机的关键零部件，叶片截面轮廓尺寸和中心位置精度要求高。为满足涡轮叶片的设计要求，需对每片涡轮叶片截面轮廓进行检测，测量精度直接会影响到航空发动机的性能。叶片截面轮廓测量如图1所示。

检测时沿着指定高度对型面进行测量。然而，对于叶根截面相对叶尖截面扭角较大时，叶片纵向截面与水平面存在一定倾角。采用三坐标测量，由于测量头半径的影响，进行半径补偿时，存在较大补偿误差。

三坐标测量误差产生原因如下：三坐标测量叶片截面高度z的叶型时，测量球球心沿着截面恒定高度测量叶型，测量球(半径r)与叶片纵向截面线实际接触点a远远偏离于该截面叶型的理论点b，而经过半径补偿后测量所得实际值c与截面叶型的理论点b仍然存在差距。b点和c点的距离δ即为测量误差值。叶根截面相对叶尖截面扭角越大的涡轮叶片，叶型纵向截面线倾角θ越大，测量误差值δ也随之增大。

技术实现要素：

本发明提供了一种涡轮叶片截面轮廓尺寸测量方法，以解决现有恒定高度截面测量叶型时，由于测头半径的影响，测量后进行二维半径补偿时，产生补偿误差，并且测头半径越大，补偿误差越大，严重影响涡轮叶片测量精度的技术问题。

根据本发明的一个方面，提供一种涡轮叶片截面轮廓尺寸测量方法，利用三坐标测量仪的球头半径补充逆向推导得出涡轮叶片截面轮廓尺寸，包括以下步骤：利用三维建模；构造标准涡轮叶片的预定型面高度的理论叶型轮廓曲线；理论叶型轮廓曲线经半径补偿后构造理论叶型补偿轮廓曲线；理论叶型轮廓曲线与理论叶型补偿轮廓曲线进行比对评价，获取理论误差值；三坐标测量待测量涡轮叶片的预定型面高度的实测叶型轮廓曲线；通过理论误差值和半径补偿，逆向推导得出实际涡轮叶片截面轮廓尺寸。

进一步地，理论叶型轮廓曲线的构造方法为：利用预定型面高度的叶型轮廓曲线的设计参数构造理论叶型轮廓曲线。

进一步地，理论叶型补偿轮廓曲线的构造方法为：令三坐标测量仪的测量球半径为r，预定型面高度为z，在预定型面高度z往上或往下r距离上构造平面β；控制测量球的球心高度保持高度恒定为z进行轮廓测量，保持测量球分别与标准涡轮叶片的型面以及平面β相切，且测量球的球心在平面β的投影为测量球与平面β的切点，而测量球与标准涡轮叶片的型面切点即为测量球与型面的实际接触点。

进一步地，对测量球与平面β和标准涡轮叶片的型面进行滚球运算，测量球运动轨迹在平面β上的切点连线即为测量球球心在平面β上的投影轮廓线；测量球运动轨迹在标准涡轮叶片型面上的切点连线即为测量球与型面实际接触点的触点轮廓线；将投影轮廓线反投影到z高度所在平面即可得到测量球球心轮廓线。

进一步地，恒定至预定型面高度对标准涡轮叶片进行恒定高度测量叶型轮廓时，根据半径补偿原理，将测量球球心轮廓沿三坐标测量仪的测量杆轴向向标准涡轮叶片方向偏置球心半径r，得到理论叶型补偿轮廓曲线；在预定型面高度的二维平面上比对评价，以获取二维平面上理论叶型补偿轮廓曲线与理论叶型轮廓曲线的差别。

进一步地，利用理论叶型补偿轮廓曲线以及理论叶型轮廓曲线，获取理论误差值。

进一步地，装夹固定待测量涡轮叶片，恒定至预定型面高度对待测量涡轮叶片进行恒定高度测量叶型轮廓，获取实测叶型轮廓曲线，通过半径补充获取实际叶型补偿轮廓曲线，实际叶型补偿轮廓曲线通过理论误差值的修正补偿，获取实际涡轮叶片截面轮廓尺寸。

进一步地，三坐标测量仪的测头包括测量杆和测量球，测量球采用测量圆球或测量半球。

进一步地，测量球的接触部位设置成向内凹陷的凹陷部，以使凹陷部的凹陷边缘作为接触部位。

进一步地，测量球采用氮化硅测球、氧化锆测球或红宝石测球；测量杆采用不锈钢杆、碳化钨杆或陶瓷杆。

本发明具有以下有益效果：

本发明涡轮叶片截面轮廓尺寸测量方法，利用三维建模，模拟并构造出标准涡轮叶片在预定型面高度的理论叶型轮廓曲线；然后模拟三坐标测量仪的测量球测量过程，构造出理论叶型补偿轮廓曲线，通过理论叶型轮廓曲线与理论叶型补偿轮廓曲线的比对评价，得到理论误差值作为后续待测量涡轮叶片在预定型面高度的测量值的修正参考；采用三坐标测量仪对待测量涡轮叶片在预定型面高度的截面轮廓尺寸进行实际测量，获取实测叶型轮廓曲线，然后通过对实测叶型轮廓曲线进行半径补偿，并结合理论误差值，从而逆向推导得出实际涡轮叶片截面轮廓尺寸。整个测量过程简便，工作效率高，测量精度高。适合于各种类型的精密铸造涡轮叶片的型面尺寸测量。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是精密铸造涡轮叶片的叶片待检测型面的示意图；

图2是三坐标测量误差分析示意图；

图3是本发明优选实施例的涡轮叶片截面轮廓尺寸测量的示意图；

图4是本发明优选实施例的理论叶型补偿二维示意图；

图5是本发明优选实施例的理论叶型补偿滚球(面倒圆运算)示意图；

图6是本发明优选实施例的测量半径补偿三维示意图；

图7是本发明优选实施例的测量半径补偿二维示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由下述所限定和覆盖的多种不同方式实施。

图3是本发明优选实施例的涡轮叶片截面轮廓尺寸测量的示意图；图4是本发明优选实施例的理论叶型补偿二维示意图；图5是本发明优选实施例的理论叶型补偿滚球(面倒圆运算)示意图；图6是本发明优选实施例的测量半径补偿三维示意图；图7是本发明优选实施例的测量半径补偿二维示意图。

如图3、图4、图5、图6和图7所示，本实施例的涡轮叶片截面轮廓尺寸测量方法，利用三坐标测量仪的球头半径补充逆向推导得出涡轮叶片截面轮廓尺寸，包括以下步骤：利用三维建模；构造标准涡轮叶片的预定型面高度的理论叶型轮廓曲线；理论叶型轮廓曲线经半径补偿后构造理论叶型补偿轮廓曲线；理论叶型轮廓曲线与理论叶型补偿轮廓曲线进行比对评价，获取理论误差值；三坐标测量待测量涡轮叶片的预定型面高度的实测叶型轮廓曲线；通过理论误差值和半径补偿，逆向推导得出实际涡轮叶片截面轮廓尺寸。本发明涡轮叶片截面轮廓尺寸测量方法，利用三维建模，模拟并构造出标准涡轮叶片在预定型面高度的理论叶型轮廓曲线；然后模拟三坐标测量仪的测量球测量过程，构造出理论叶型补偿轮廓曲线，通过理论叶型轮廓曲线与理论叶型补偿轮廓曲线的比对评价，得到理论误差值作为后续待测量涡轮叶片在预定型面高度的测量值的修正参考；采用三坐标测量仪对待测量涡轮叶片在预定型面高度的截面轮廓尺寸进行实际测量，获取实测叶型轮廓曲线，然后通过对实测叶型轮廓曲线进行半径补偿，并结合理论误差值，从而逆向推导得出实际涡轮叶片截面轮廓尺寸。整个测量过程简便，工作效率高，测量精度高。适合于各种类型的精密铸造涡轮叶片的型面尺寸测量。

本实施例中，理论叶型轮廓曲线的构造方法为：利用预定型面高度的叶型轮廓曲线的设计参数构造理论叶型轮廓曲线。理论叶型轮廓曲线直接按照设计要求进行模拟和构造，不会受到实际涡轮叶片各个环境因素的影响，以确保后续数据获取的精确性。

如图3、图4和图5所示，本实施例中，理论叶型补偿轮廓曲线的构造方法为：令三坐标测量仪的测量球半径为r，预定型面高度为z，在预定型面高度z往上或往下r距离上构造平面β；控制测量球的球心高度保持高度恒定为z进行轮廓测量，保持测量球分别与标准涡轮叶片的型面以及平面β相切，且测量球的球心在平面β的投影为测量球与平面β的切点，而测量球与标准涡轮叶片的型面切点即为测量球与型面的实际接触点。通过在预定型面高度z的高度方向上距离为r的位置模拟一个虚拟的平面β，构成测量球在两个方向上的相切面，通过测量球在平面β上的相切的切点找寻测量球球心在平面β上的投影位置，从而逆向推导得出测量球的球心在预定型面高度z的二维平面上的位置。通过测量球与涡轮叶片型面的相切的切点构造出测量球在涡轮叶片上实际测量的接触位置。

如图3、图4和图5所示，本实施例中，对测量球与平面β和标准涡轮叶片的型面进行滚球运算，测量球运动轨迹在平面β上的切点连线即为测量球球心在平面β上的投影轮廓线；测量球运动轨迹在标准涡轮叶片型面上的切点连线即为测量球与型面实际接触点的触点轮廓线；将投影轮廓线反投影到z高度所在平面即可得到测量球球心轮廓线。平面β与z高度所在平面之间的相互投影关系，以及模拟测量球的行走测量一圈，从而获取实际接触点的触点轮廓线以及测量球球心轮廓线，作为理论误差值获取的基本理论数据值。

如图3、图4和图5所示，本实施例中，恒定至预定型面高度对标准涡轮叶片进行恒定高度测量叶型轮廓时，根据半径补偿原理，将测量球球心轮廓沿三坐标测量仪的测量杆轴向向标准涡轮叶片方向偏置球心半径r，得到理论叶型补偿轮廓曲线；在预定型面高度的二维平面上比对评价，以获取二维平面上理论叶型补偿轮廓曲线与理论叶型轮廓曲线的差别。通过模拟测量获取的基本理论数据值，进行二维平面上理论叶型半径补偿，从而获取理论叶型补偿轮廓曲线，并通过理论叶型补偿轮廓曲线与理论叶型轮廓曲线的比对，获取两者的理论差异，从而获取理论误差值。

如图3、图4和图5所示，本实施例中，利用理论叶型补偿轮廓曲线以及理论叶型轮廓曲线，获取理论误差值。

如图6和图7所示，本实施例中，装夹固定待测量涡轮叶片，恒定至预定型面高度对待测量涡轮叶片进行恒定高度测量叶型轮廓，获取实测叶型轮廓曲线，通过半径补充获取实际叶型补偿轮廓曲线，实际叶型补偿轮廓曲线通过理论误差值的修正补偿，获取实际涡轮叶片截面轮廓尺寸。通过在三坐标测量仪上实际装夹固定待测量涡轮叶片，对待测量涡轮叶片的预定型面高度的型面进行实际测量，获取实测叶型轮廓曲线，通过二维平面的半径补充获取实际叶型补偿轮廓曲线，通过理论误差值对实际叶型补偿轮廓曲线进行修正补偿，从而获取该涡轮叶片的实际截面轮廓尺寸。

本实施例中，三坐标测量仪的测头包括测量杆和测量球，测量球采用测量圆球或测量半球。测量球采用测量圆球时，测量圆球的接触面积大，当型面与测头相对位置一定时，测量圆球的测量范围更广，测量角度更大。测量球采用测量半球时，测量半球的径向尺寸能够与测量杆的径向尺寸保持一致，能够有效缩减测量球的径向尺寸，而测量球的径向尺寸越小，半径补偿产生的误差越小，从而能够提高测量精度；另外缩小测量球的径向尺寸，还能够减少测量时受到的干扰，避免测量球在为接触到目标位置时误接触到其他部位上而产生的误差。测量杆需要具有刚性，以确保测量过程中的弯曲量降至最低。测量杆除了可以采用不锈钢外，还可以采用碳化钨杆，刚度大，便于小直径化以及超出化设计。测量杆也可以采用陶瓷杆，刚度由于钢杆，重量远比碳化钨轻。测量杆采用陶瓷杆时，由于测头容易发生碰撞而破碎，因此对测头需要有额外的碰撞保护。重量极轻的碳纤维是一种惰性材料，该特性与特殊树脂基体相结合能够具有优异的防护作用，具有优异的减振性能，也可以用于作为测头的材料。

本实施例中，测量球的接触部位设置成向内凹陷的凹陷部，以使凹陷部的凹陷边缘作为接触部位。通过凹陷边缘与目标位置接触，能够轻易确定接触点，确保接触位置的精度，并且该位置与测头的测量中心位置之间的关系是已知的，因此能够轻易得到预定型面高度的型面的尺寸实际测量值。

本实施例中，测量球采用氮化硅测球、氧化锆测球或红宝石测球。扫描铝材或铸铁材料时，如果采用红宝石球，会在接触过程中，两种材料之间相互作用而产生对红宝石测球表面的粘附磨损，因此需要采用氮化硅测球。测量杆采用不锈钢杆、碳化钨杆或陶瓷杆。可选地，测量球也可以采用工具钢，例如t8a，或者通过淬火硬度hrc55-60也可。

实施时，提供一种涡轮叶片的叶片型面测量的方法，具体如下：

理论叶型补偿法。因测量干涉导致半径补偿误差如图2所示：b点为理论叶型轮廓上的点，采用恒定高度测量(测头球心高度不变)时，由于接触干涉使得实际触碰于a点，经过z平面半径补偿后所得实际的测量点为c。

因此，理论叶型补偿法构思如下：根据理论三维模型，对预定高度理论叶型轮廓，将采用恒定高度球测头接触叶片表面测量轮廓时，计算出半径补偿后c点的实际型面轮廓(理论叶型补偿轮廓)，利用三维建模软件(如ug软件)预先构造出来，并将该轮廓曲线作为参考，并与实际叶片测量轮廓曲线进行比较评价(如图6和图7)。

该理论叶型补偿轮廓构造方法如下：

令测头的测量球半径为r，在预定高度z往下(或往上)r距离上构造平面β，恒定高度z进行轮廓测量时，测头必定与平面β相切，且测头球心在平面β的投影为切点，而测头与叶片曲面的切点即为测头与曲面实际接触点，在二维平面上如图2所示a点。

因此，对测量球与平面β和叶型曲面进行滚球运算(面倒圆运算)，如图5所示，平面β上的切点连线(即测头与平面β的切点连线)即为测头球心在平面β的投影轮廓线；涡轮叶片曲面切点连线即为测头与叶片曲面实际接触点的轮廓线(这条轮廓线是一条三维曲线)。

将上述平面上β的切点连线反投影到z平面即可的测量球球心轮廓线。恒定高度测量叶型轮廓时，根据半径补偿原理，将球心轮廓向内偏置球心半径r，即可得理论叶型补偿轮廓曲线。该轮廓线在二维上的点如图2所示的c点。在二维平面上可见理论叶型补偿轮廓曲线和理论叶型轮廓曲线的差别，如图4所示。

理论叶型轮廓测量补偿方法，消除球测头半径补偿误差，提高叶片测量精度和合格率。本发明涉及叶片尺寸测量的方法，尤其是一种叶片型面误差补偿的方法及叶型补偿轮廓的构造方法。操作简便，保证了测量精度，提高了合格率，效果显著。经试验和实际生产验证，方案可行。某航空发动机动力涡轮工作叶片，叶型为扭曲曲面，轮廓尺寸精度要求±0.05mm，叶根截面相对叶尖截面扭角和厚度较大时。采用理论叶型补偿法后叶型如图5所示。其中理论补偿叶型较理论叶型的误差值最大有0.09mm。采用该方法，保证了测量精度，提高了合格率。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。