精密铸造涡轮叶片型面尺寸测量方法与流程

本发明涉及涡轮叶片的型面尺寸测量技术领域，特别地，涉及一种精密铸造涡轮叶片型面尺寸测量方法。

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。如图2所示。

技术实现要素：

本发明提供了一种精密铸造涡轮叶片型面尺寸测量方法，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。

本发明提供一种精密铸造涡轮叶片型面尺寸测量方法，包括以下步骤：在三坐标测量仪的测头上标定用于与涡轮叶片型面接触的标定点，标定点为a；在涡轮叶片的预定型面高度的型面轮廓上任取一点作为标定点a对正找准定位的定位点，定位点为b；调整测头高度并适应于定位点b位置处的型面矢量方向，使得测头标定点a与定位点b重合；测头从定位点b位置沿着预定型面高度的型面轮廓行走一圈，获取预定型面高度的型面的实测三坐标测量数据值；实测三坐标测量数据值经过半径补偿获取涡轮叶片的预定型面高度的型面的实际三坐标数据值。

进一步地，标定点a处于三坐标测量仪测量杆轴向相对的测点顶点，此时测点顶点与预定型面高度的型面轮廓重叠，实测三坐标测量数据值通过测点半径进行半径补偿得到实际三坐标数据值。

进一步地，标定点a处于偏离三坐标测量仪测量杆轴向的非顶点位置，标定点a与涡轮叶片的叶型纵向截面线倾角为θ，实测三坐标测量数据值通过测点半径和倾角θ进行半径补偿得到涡轮叶片的预定型面高度的型面的实际三坐标数据值。

进一步地，当涡轮叶片的叶根截面相对于叶尖截面扭角大，而导致叶型纵向截面线倾角θ大，测量误差值δ随之增大，测量误差值δ由测头余弦半径补偿误差导致，此时通过在预定型面高度的型面上下对应高度位置找寻第一辅助测量型面与第二辅助测量型面，通过双线测量法获取对应于第一辅助测量型面和第二辅助测量型面上涡轮叶片的叶片型面倾角α，获取正确的余弦补偿值，从而修正预定型面高度的型面的实际三坐标数据值，获取精确的实际三坐标数据值。

进一步地，预定型面高度为z，取预定型面高度方向单位长度为1分别测量两型面高度下的型面轮廓，上下两型面高度分别为z1和z2；型面高度z1和z2高度下二维平面上测点球心的水平值定位为y(+0.5)和y(-0.5)，则在预定型面高度下二维平面上测点球心的水平值为：

当单位长度1足够小，涡轮叶片轴向上曲线可以近似为直线，因此，

令δy＝y(+0.5)-y(-0.5),则

根据上式可得：

测点圆心为o点，在三角形oab中sinα＝cosθ

因此，

从而可得实际测量值为y-δ。

进一步地，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，测量球采用氮化硅测球、氧化锆测球或红宝石测球。

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；标定点a处于凹陷部的凹陷边缘上。

进一步地，凹陷部呈环状，且沿测量杆的周向环布于测量球表面。

进一步地，凹陷部偏离于测量杆的轴线并布设于测量球表面，通过控制测量杆沿周向转动以调节凹陷部的朝向。

本发明具有以下有益效果：

本发明精密铸造涡轮叶片型面尺寸测量方法，通过分别在三坐标测量仪的测头上设定标定点a以及在预定型面高度的型面轮廓上设定定位点b，通过使标定点a与定位点b的接触重合匹配，并确保测头沿着预定型面高度的型面轮廓行走一圈时测头的标定点a始终贴合于轮廓线，以提高实测三坐标测量数据值的精确度；由于标定点a与三坐标测量获取的数据点位置之间的关系是已知的，因此能够通过该已知关系对实测三坐标测量数据值进行半径补偿，以获取实际三坐标数据值。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精密铸造涡轮叶片型面尺寸测量的点触测量法示意图；

图4是本发明优选实施例的精密铸造涡轮叶片型面尺寸测量的结构示意图；

图5是本发明优选实施例的精密铸造涡轮叶片型面尺寸测量的双线测量法示意图；

图6是本发明优选实施例的精密铸造涡轮叶片型面尺寸测量的实际测量值换算获取示意图。

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精密铸造涡轮叶片型面尺寸测量的点触测量法示意图；图4是本发明优选实施例的精密铸造涡轮叶片型面尺寸测量的结构示意图；图5是本发明优选实施例的精密铸造涡轮叶片型面尺寸测量的双线测量法示意图；图6是本发明优选实施例的精密铸造涡轮叶片型面尺寸测量的实际测量值换算获取示意图。

如图3和图4所示，本实施例的精密铸造涡轮叶片型面尺寸测量方法，包括以下步骤：在三坐标测量仪的测头上标定用于与涡轮叶片型面接触的标定点，标定点为a；在涡轮叶片的预定型面高度的型面轮廓上任取一点作为标定点a对正找准定位的定位点，定位点为b；调整测头高度并适应于定位点b位置处的型面矢量方向，使得测头标定点a与定位点b重合；测头从定位点b位置沿着预定型面高度的型面轮廓行走一圈，获取预定型面高度的型面的实测三坐标测量数据值；实测三坐标测量数据值经过半径补偿获取涡轮叶片的预定型面高度的型面的实际三坐标数据值。本发明精密铸造涡轮叶片型面尺寸测量方法，通过分别在三坐标测量仪的测头上设定标定点a以及在预定型面高度的型面轮廓上设定定位点b，通过使标定点a与定位点b的接触重合匹配，并确保测头沿着预定型面高度的型面轮廓行走一圈时测头的标定点a始终贴合于轮廓线，以提高实测三坐标测量数据值的精确度；由于标定点a与三坐标测量获取的数据点位置之间的关系是已知的，因此能够通过该已知关系对实测三坐标测量数据值进行半径补偿，以获取实际三坐标数据值。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。

如图3和图4所示，本实施例中，标定点a处于三坐标测量仪测量杆轴向相对的测点顶点，此时测点顶点与预定型面高度的型面轮廓重叠，实测三坐标测量数据值通过测点半径进行半径补偿得到实际三坐标数据值。通过将标定点a设置在三坐标测量仪测量杆轴向相对的测点顶点，使得标定点a与定位点b贴合时，三坐标测量仪的y轴与涡轮叶片的预定型面高度的型面垂直，此时测头从定位点b位置沿着预定型面高度的型面轮廓行走一圈所测得的实测三坐标测量数据值通过增减测头的测量球半径r即可得到实际三坐标数据值。可选地，通过调整装夹在涡轮叶片两端的夹具调整涡轮叶片的姿态，使涡轮叶片的预定型面高度的型面与三坐标测量仪测量杆的中心轴处于同一平面，通过旋转型面轮廓以使标定点a与定位点b贴合，然后在开始对该型面轮廓的三坐标测量。

如图3和图4所示，本实施例中，标定点a处于偏离三坐标测量仪测量杆轴向的非顶点位置，标定点a与涡轮叶片的叶型纵向截面线倾角为θ，实测三坐标测量数据值通过测点半径和倾角θ进行半径补偿得到涡轮叶片的预定型面高度的型面的实际三坐标数据值。实际测量过程中，测头从定位点b位置沿着预定型面高度的型面轮廓行走时由于相互接触时产生的作用力会导致测头的测量杆发生沿径向的微变形，容易产生误差，此时通过调整测量杆的倾斜位置，使测量杆的轴向与接触时产生作用力的方向保持一致，从而消减接触作用力导致的测头微变形现象，从而提高测量精度。特别是测量杆长度越长时，该微变形导致的误差越大，因此需要通过调至测量杆相对于预定型面高度的型面的正对方向，以消除该误差影响。

如图5和图6所示，本实施例中，当涡轮叶片的叶根截面相对于叶尖截面扭角大，而导致叶型纵向截面线倾角θ大，测量误差值δ随之增大，测量误差值δ由测头余弦半径补偿误差导致，此时通过在预定型面高度的型面上下对应高度位置找寻第一辅助测量型面与第二辅助测量型面，通过双线测量法获取对应于第一辅助测量型面和第二辅助测量型面上涡轮叶片的叶片型面倾角α，获取正确的余弦补偿值，从而修正预定型面高度的型面的实际三坐标数据值，获取精确的实际三坐标数据值。当涡轮叶片的叶根截面相对于叶尖截面扭角大，而导致叶型纵向截面线倾角θ大，测量误差值δ随之增大，此时采用点触测量法进行测量时会受到测头余弦半径补偿误差的影响，而导致测量数据误差过大，无法满足精密铸造涡轮叶片型面尺寸测量的精度要求，因此需要采用双线测量法进行测量以对测量产生的误差进行修正。而采用双线测量法，通过在预定型面高度的型面上下位置对应选取两个二维截面，只需要求出对应的二维截面上叶片型面的倾角α，即可得出正确的余弦补偿值，从而获取预定型面高度的型面尺寸的实际测量值。

如图5和图6所示，本实施例中，预定型面高度为z，取预定型面高度方向单位长度为1(其中，1表示一个单位长度)分别测量两型面高度下的型面轮廓，上下两型面高度分别为z1和z2；型面高度z1和z2高度下二维平面上测点球心的水平值定位为y(+0.5)和y(-0.5)，则在预定型面高度下二维平面上测点球心的水平值为：

当单位长度1足够小，涡轮叶片轴向上曲线可以近似为直线，因此，

令δy＝y(+0.5)-y(-0.5),则

根据上式可得：

测点圆心为o点，在三角形oab中sinα＝cosθ

因此，

从而可得实际测量值为y-δ。

本实施例中，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。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。

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；标定点a处于凹陷部的凹陷边缘上。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，凹陷部呈环状，且沿测量杆的周向环布于测量球表面。方便标定点a的标定，同时边缘标定点a与定位点b之间的找正对准，能够快速实现测量，从而提高测量效率。

本实施例中，凹陷部偏离于测量杆的轴线并布设于测量球表面，通过控制测量杆沿周向转动以调节凹陷部的朝向。对于涡轮叶片的叶根截面相对于叶尖截面扭角较大的状况，可以通过调整控制凹陷部的朝向，使凹陷部上设置的标定点a能够轻易与定位点b进行找正对准，能够快速实现测量，从而提高测量效率。

实施时，一种涡轮叶片型面测量的方法，具体如下：

1、点触测量法。为准确测量型面数据，方法如下：三坐标按照预定型面轨迹，采用点接触法方法测量指定型面高度型面，测量后，进行半径补偿。该方法采用点接触型面，测头调整球心高度，自适应型面矢量方向，使得测头顶点a与型面上测点b重合，从而消除半径补偿误差，提高测量精度。如图3所示。

2、双线测量法。由点触测量法测量误差分析可知，测量误差主要是测头余弦半径补偿误差导致。因此，只需求出对应二维截面上叶片型面倾角α，即可得出正确余弦补偿值。双线测量方法如下：以指定截面高度z为中心，取高度方向单位长度为1，分别测量两高度(z1和z2)下的型面轮廓，如图5和图6所示。

预定型面高度为z，取预定型面高度方向单位长度为1分别测量两型面高度下的型面轮廓，上下两型面高度分别为z1和z2；型面高度z1和z2高度下二维平面上测点球心的水平值定位为y(+0.5)和y(-0.5)，则在预定型面高度下二维平面上测点球心的水平值为：

当单位长度1足够小，涡轮叶片轴向上曲线可以近似为直线，因此，

令δy＝y(+0.5)-y(-0.5),则

根据上式可得：

测点圆心为o点，在三角形oab中sinα＝cosθ

因此，

从而可得实际测量值为y-δ。

双线测量法相对于点触测量法操作简单，工作效率高。

某航空发动机动力涡轮工作叶片，叶型复杂，叶根截面相对叶尖截面扭角较大，采用点触测量法和双线测量法，测量结果准确。采用该方法，保证了测量的精度。

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。