航空发动机叶片的型面质量测量方法对比

西安交通大学科技成果——叶片型面精密测量
成果简介叶片是航空发动机的关键零件，其需求数量巨大，叶片的几何形状和尺寸决定着叶片的工作性能。

叶片的型面质量对发动机的二次流损耗有着较大的影响，直接影响着其能量转换效率。

随着发动机性能的不断提升，如何高效制造出合格的叶片成为目前的一个研究热点，而检测是保证制造精度的重要手段。

因此在发动机零部件的检测中，对叶片型面检测精度和检测效率的要求也越来越高，叶片型面的检测具有十分重要的意义。

目前国内对于航空发动机叶片的检测仍然以标准样板检测为主要手段，但此方式检测效率较低，远无法满足生产周期的要求。

本项目采用数字化检测方式，根据设计将叶片表面的形状转换为离散的几何点坐标数值，可以接触式和非接触式两种方式进行。

接触式的以扫描测头实现沿着叶片叶身型面的连续扫描测量，具有数据测量精度高的特点。

该测量方式具有测量速度快、分辨率高的特点。

通过以上所采集的数据可以高效准确的完成叶片复杂曲面的建模，最后完成误差结果分析。

随着C919国产大飞机的试飞成功，国际上形成了以Airbus、Boeing、COMAC为代表的国际市场竞争新局面。

国产大飞机的发展前景良好，将会逐步形成我国的民机产业。

航空发动机是飞机的心脏也是飞机制造中的难点，其中航空发动机的叶片在航空发动机的制造中占据了约30%的比重。

航空发动机叶片的制造与检测对于保证航空发动机的质量有着重要的意义，有着良好的市场前景。

三坐标测量机在航空发动机叶片型面检测中的应用探析本文从网络收集而来，上传到平台为了帮到更多的人，如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载本文档（有偿下载），另外祝您生活愉快，工作顺利，万事如意！1、前言航空发动机工业是制造业的精华，综合了多学科的成果，技术难度大，研制周期长，耗资多，标志着一个国家的科技水平和国防实力。

叶片是航空发动机的“心脏”部件，直接决定了发动机的性能、安全和寿命。

由于叶片加工质量对飞行安全的重要性尤甚，因此对其品质的检测较其他机械零部件要严格复杂的多。

叶片的几何形状和尺寸决定了叶片的工作性能，而叶片的型面质量直接影响发动机能量转换的效率。

因此在发动机零部件检测中，叶片型面的检测具有十分重要的意义。

在航空发动机叶片检测领域，目前应用最广泛的就是利用接触式三坐标通过二维扫描的方法对叶片型面进行检测。

2、三坐标测量机在叶型检测中的应用三坐标测量机工作原理三坐标测量机是在机械零部件尺寸和行为公差检测中应用最多的测量设备。

它是通过探针在工件上打点或扫描等接触式测量方法对所要测量的元素进行数据采集，然后通过软件计算拟合成所要测量的元素，并最终求出结果。

三坐标测量机的特点是速度快、精度高、稳定性强、测量方法多样化以及强大的软件处理能力。

三坐标测量机测量叶型的具体方法本文举例对某型号发动机风扇转子叶片进行测量，测量采用精度达到(+L/350) um的高精度三坐标测量机。

该风扇叶片是目前所有型号叶片中尺寸最大、扭转最大，加工和叶型检测难度最大的叶片。

其中沿叶片积叠轴方向倾斜角最大处的法线与型面的夹角最大达到20。

下面就以该叶片为例，谈谈三坐标测量机检测叶片型面的方法和遇到的问题。

准备工作首先根据叶片的形状和大小，把叶片装夹在合适的位置，使得在测量过程中探针可测得所有的被测元素，并且探头不会在测量过程中超出边界。

然后根据所有被测元素的位置，准备不同大小和不同角度的探针，并对每个探针进行校准。

其中测量同一型面的不同角度的探针大小必须一致，本文采用的所有探针直径都为1m m。

航空发动机叶片粗糙度测量方法研究张学仪，何小妹*，王一璋，马鹏谋（航空工业北京长城计量测试技术研究所，北京 100095）摘要：航空发动机叶片表面弯扭大，加工过程中难以保证表面粗糙度一致。

针对现阶段粗糙度测量方法在测量叶片时缺少测量位置和方向的定义，导致测得的粗糙度值无法判定叶片粗糙度合格性的问题，开展了叶片粗糙度测量方法研究。

基于叶片实测截面数据，利用坐标测量机上搭载的粗糙度测头，通过对不同类型的叶片进行多位置多方向的粗糙度测量实验，分析不同位置、不同方向的粗糙度测量结果差异，得到了叶片粗糙度测量方法。

本方法将叶片粗糙度与叶片型面相关联，解决了叶片粗糙度的测量位置和测量方向缺乏规范的问题。

研究结果对准确、有效、规范地评估叶片表面质量的合格性具有重要意义。

关键词：计量学；发动机叶片；粗糙度；坐标测量机中图分类号：TB92；V232.4 文献标志码：A 文章编号：1674-5795（2023）02-0035-09 Research on measurement method of aeroengine blade roughnessZHANG Xueyi, HE Xiaomei*, WANG Yizhang, MA Pengmou(Changcheng Institute of Metrology & Measurement， Beijing 100095， China)Abstract: The surface of aero⁃engine blades has large bending and torsion, and it is difficult to ensure consistent sur⁃face roughness during machining. In view of the lack of definitions of measuring position and direction in the current roughness measurement method when measuring blades, which leads to the problem that the measured roughness value cannot determine the eligibility of blade roughness, the research on blade roughness measurement method is carried out. Based on the measured section data of blades, using the roughness probe carried on the CMM, the blade roughness mea⁃surement method is obtained by carrying out multi⁃position and multi⁃direction roughness measurement experiments on different types of blades and analyzing the difference of the roughness measurement results in different positions and di⁃rections. This method associates the blade roughness with the blade profile, and solves the problem that the measurement position and direction of blade roughness are not standardized. The research results are of great significance to accurately and effectively evaluate the qualification of blade surface quality.Key words: metrology; engine blade; roughness; coordinate measuring machine0　引言叶片是航空发动机中非常关键的一类典型零件，具有种类多、数量大、型面复杂、几何精度要求高等特点［1-2］。

航空发动机叶片运行质量监测及分析研究摘要：叶片作为航空发动机的关键组件，其运行环境恶劣，损耗快、故障率高、造成连带后果严重。

本文通过对叶片运行质量进行监测，结合叶片故障特征征兆，分析叶片运行质量，对叶片的健康水平进行评估，对叶片可能发生的运行质量问题进行早期预警，对故障叶片进行原因分析并提出维护建议。

关键词：航空发动机；叶片；运行质量；监测分析0 航空发动机叶片运行质量监测及分析的重要性转子叶片结构不仅广泛的应用于民用航空、船舶运输业的发动机领域，同时在军事应用领域中，更是作为高性能战斗机、驱逐舰、甚至大型航母的核心动力装备，逐渐展现出舍我其谁的经济价值、军事价值、政治价值及社会价值。

作为一种运行功率大、占地体积小、安装作业量小、能源利用效率高、排放气体污染小等优势于一身的高新设备，航空发动机部件精密、构造复杂、生产工况要求高、维修自愈性能低，这些特点决定了航空发动机是一种故障频发的设备，对于航空发动机各部分运行质量的监测及分析是尤为重要的。

作为其核心元件的叶轮及叶片，更是决定着航空发动机能否高效、安全、可靠运行的重中之重[1-3]。

国际上对于叶片运行质量的研究领域投入很大关注，美国军方估算每年有一笔1000万美元的专项资金用于监测和维修航空发动机叶片的典型故障-高周疲劳等故障问题。

随着航空发动机朝着更高的温度、压力比要求发展，叶片运行质量问题，特别是在热端部件的叶片质量问题变得更加频繁。

叶片运行质量对航发健康运行的有着至关重要的意义[4]。

1 航空发动机叶片运行质量监测技术目前，对叶片运行质量的监测主要分为叶尖间隙值及叶片振动参数。

其中，叶尖间隙值的变化可以针对性的反映诸多叶片故障，对于叶片萌生裂纹、叶尖碰磨等故障的早期阶段具有特征预警，同时可以进行故障位置的定位；叶片振动参数如：振动幅值、激振频率，转速频率，共振区域，最大振幅，激振倍频等可以分析叶片在振动状态下的应力应变，对叶片裂纹的萌生起到预警作用。

航空发动机叶片型面测量方法评述航空发动机叶片型面测量是指对航空发动机叶片的曲面形状进行测量和评估的过程。

发动机叶片是发动机中最重要的组成部分之一，其曲面形状的精度和几何参数的精确度直接影响着发动机的性能和效率。

因此，对叶片形状的测量和评估非常重要，可以帮助制造商和运营商确保叶片符合设计要求，并作出相应的调整。

1.光学测量法：光学测量法是一种非接触式的测量方法，可以实现高精度和高精度的叶片形状测量。

常用的光学测量方法包括激光干涉法、摄像测量法和相位移法等。

这些方法需要使用专用的光学仪器和设备，通过光束的传播和反射来获取叶片表面形状的数据。

然后，通过数据处理和分析，可以得到叶片的曲率半径、几何参数等信息。

2.接触测量法：接触测量法是一种通过接触式测量设备对叶片进行测量的方法。

常用的接触测量设备包括坐标测量机、扫描仪和测头等。

这些设备可以通过机械接触来获取叶片曲面的数据，并将其转换为数字信号进行处理和分析。

接触测量法具有测量精度高、适用范围广的特点，但需要与叶片接触，有一定的操作难度和风险。

3.比较测量法：比较测量法是一种通过比较不同叶片样本的形状来评估叶片的方法。

常用的比较测量方法包括光学投影仪、光栅测量法和在叶片上粘贴测量栅的方法等。

这些方法可以将叶片形状的数据与已知的参考数据进行比较，从而评估叶片的几何参数和形状是否满足要求。

比较测量法具有简单易行和成本较低的特点，但需要准备参考样本，并且测量结果的准确性受到参考样本的限制。

另外，随着航空发动机叶片制造技术的不断发展，还出现了一些新的测量方法和技术，如三维打印和数字成像等。

这些新方法和技术可以更加准确和高效地测量叶片的形状，并且可以实现对叶片形状的实时监测和反馈控制。

然而，这些新方法和技术的应用还存在一些挑战，如设备成本高、数据处理复杂等。

总的来说，航空发动机叶片型面测量方法的选择应根据具体的要求和条件来确定。

在选择合适的测量方法时，需要考虑叶片的几何参数、形状复杂度、测量精度和成本效益等因素。

万方数据　万方数据　万方数据　万方数据航空发动机叶片型面测量方法评述作者：陆佳艳， 熊昌友， 何小妹， 马骊群， 蔡薇， LU Jia-yan， XIONG Chang-you， HE Xiao-mei， MA Li-qun， CAI Wei作者单位：北京长城计量测试技术研究所,北京,100095刊名：计测技术英文刊名：METROLOGY & MEASUREMENT TECHNOLOGY年，卷(期)：2009,29(3)1.王德辉;张世林;王桂芝CCD技术与图像测量在叶片测量中的应用[期刊论文]-计量与测试技术 2002(02)2.杨永跃;邓善熙;何革群风力机叶片检测中的机器视觉技术[期刊论文]-太阳能学报 2003(02)3.俞学兰;叶佩青航空发动机压气机叶片型面检测技术[期刊论文]-航空制造技术 2007(11)4.王军航空发动机叶片三维轮廓测量方法研究[学位论文] 20045.陈非凡;强锡富汽轮机叶片叶型测量综述[期刊论文]-航空计算技术 1995(03)6.康敏;严德荣;徐家文整体叶盘叶片型面检测用检具设计[期刊论文]-工具技术 2003(12)7.康敏;徐家文用三坐标测量机检测整体叶轮叶片型面误差[期刊论文]-工具技术 2002(08)8.黄春峰现代航空发动机整体叶盘极其制造技术[期刊论文]-航空制造技术 2006(04)9.HORIBE Kyohei;KAWAHIRA Kouji;SAKAI Jun;SAKAKI Junichi Development of GE90-115B Turbofan Engine 2004(01)10.日友工业激光扫描仪介绍 200911.于红英;赵广亮YP02型叶片测量仪控制系统的研制[期刊论文]-制造技术与机床 2006(09)12.陈凯云;谢晓芹;叶佩青航空压气机叶片型面在线激光测量系统设计[期刊论文]-制造技术与机床 2004(zk)本文链接：/Periodical_hkjcjs200903001.aspx。

工具展望2019No.1　航空发动机叶片测量新技术 叶片作为发动机的重要部件之一,其在航空发动机制造中所占比重约为30%㊂由于叶片形状复杂㊁尺寸跨度大(长度20-800mm)㊁受力恶劣㊁承载最大,且在高温㊁高压和高转速的工况下运转,使得发动机的性能在很大程度上取决于叶片型面的设计制造水平㊂目前,航空发动机的叶片制造方法主要有电解加工㊁铣削加工㊁精密锻造㊁精密铸造等㊂由于叶片零件壁薄㊁叶身扭曲大㊁型面复杂,容易产生变形,严重影响了叶片的加工精度和表面质量㊂如何严格控制叶片的加工误差,保证良好的型面精度,成为检测工作关注的重点㊂叶片型面是基于叶型按照一定积累叠加规律形成的空间曲面,由于叶片形状复杂特殊㊁尺寸众多㊁公差要求严格,所以叶片型线的参数没有固定的规律,叶片型面的复杂性和多样性使叶片的测量变得较为困难㊂在叶片检测过程中,传统的标准样板测量手段效率低下㊁发展缓慢,严重制约着设计㊁制造和检测的一体化进程㊂由于航空发动机叶片的数量大㊁检测项目多,三坐标检测技术的引入很大程度地改善了叶片制造过程中检测周期长㊁检测结果不准确等问题㊂三坐标检测适用性强㊁适用面广㊁检测快速㊁结果准确,随着我国航空工业的发展,三坐标测量机在叶片生产主机厂家逐渐得到普及㊂但由于叶片型面复杂㊁精度要求高,不同厂家的测量方式㊁测量流程和数据处理方式不同,导致叶片的测量结果不一致,测量工作反复,严重制约着叶型检测效率的提高㊂叶型检测难点具体表现为:(1)测量精度和效率要求高㊂叶片型面的测量精度直接反映制造精度,通常要求测量精度达到10μm,甚至1μm㊂因此对测量环境要求严格苛刻,通常需要专门的测量室㊂叶片是批量生产零件,数量成千上万,应尽可能提高测量速度和效率㊂生产车间和测量室之间的反复运输和等待,使得检测效率低下㊂(2)测量可靠性要求高㊂叶片测量和数据处理结果应反映叶片的实际加工状态,以此保证叶片的制造质量㊂(3)数据处理过程复杂㊂叶片图纸上不但有叶型㊁弦长㊁前缘后缘半径等尺寸误差要求,还有叶片的形状轮廓㊁弯曲㊁扭转㊁偏移等形位误差要求㊂利用三坐标测量机获取的测量数据存在噪点,通常需要对原始的测量点集进一步简化,提取不同的尺寸和特征参数;还需进行复杂的配准运算,迭代求解叶片的形位误差㊂其中算法选用不同得到的误差评定结果各有差异,导致整个处理过程复杂㊂叶片测量新技术:(1)基于数字样板叶型检测方法标准样板是根据叶片的理论型线设计制造的与叶型截面对应的母模量具,使用叶片固定座(即型面测具)把叶片固定后,用处于理想位置的叶盆标准样板和叶背标准样板检查叶盆㊁叶背型面间隙,并反复调整叶片空间位置,以型线的吻合度作为衡量其是否合格的依据㊂叶型设计图多以透光度或相对误差来表示,如±0.15mm㊂这个比对误差实际上并不是单纯的形状误差,而是形状误差㊁尺寸误差㊁位置误差三者的综合体㊂针对标准样板法的特点和存在的缺点,西北工业大学研究了基于数字样板的检测方法㊂数字样板检测方法是基于标准样板法的原理,利用数字化测量手段获61工具展望2019No.1　取测量数据,然后利用虚拟的数字样板,与实测的数据进行匹配,在公差约束条件下达到最佳匹配㊂最后在该最佳姿态下,求解叶型各项形位误差㊂数字样板检测方法可归纳为三个主要过程:实物样板数字化㊁匹配过程模型化㊁误差评定过程自动化㊂实物样板数字化是将传统的实物样板转换为CAD模型,以数字模型的方式进行样板比对和误差评定㊂由叶片设计模型构造的三维CAD模型,它包括了加工叶片完整的截面几何信息㊁基准信息,是数字样板法误差评定的模型基础,可以进行表面轮廓度分析㊁叶型特征参数和形位误差的分析和评定㊂对于数字样板法的原始测量点集,主要通过CMM测量获得㊂在数字样板构造的基础上,通过匹配过程的模型化对测量数据和数字样板自动进行调整㊂针对数字样板法中的原始测量数据,通常需要进行数据预处理,获取真实有效的型面测量数据参与数字样板检测㊂其中,数据预处理包括测量点去噪㊁测头半径补偿㊁坐标变换㊁测量点与曲面的配准㊁测量点排序等㊂其中,数据处理的第一步,就是对得到的型面测量点进行去噪,筛选有效的测量数据㊂其次,CMM测量得到的数据是测头球心数据,必须进行测头半径补偿㊂对于叶片测量时的装夹引起的系统误差,在样板匹配前必须进行坐标系对齐来消除㊂基于数字样板的叶片检测模块功能结构(2)叶片高速连续扫描技术为提高整体叶盘叶片的检测效率,雷尼绍公司近年来开发了SPRINT高速扫描系统㊂与传统的机内测量技术相比,SPRINT叶片测量系统可以显著缩短测量循环时间,对叶片前边缘也能提供精确出色的测量结果,可以为叶片自适应加工㊁工序间检测等提供很好的检测数据㊂叶片测量分析软件可通过数控机床控制器上的Productivity+CNC plug-in直接运行,因此测量数据可通过宏变量自动提供给数控机床,也可以自动提供给连接的计算机进行下游数据处理㊂SPRINT系统配备的OSP60SPRINT测头每秒可采集1000个3D数据点,从而满足叶片在机快速检测的要求㊂利用SPRINT系统进行测量时,在CNC机床上分别从四个方向对叶片进行测量,从而避免在测量过程中发生测头与工件之间的碰撞干涉㊂在测量之后,四部分的测量数据将被拼合成一个完整的叶片测量数据集㊂SPRINT系统可以用于加工过程中工序间的检测,以确保产品的加工过程正确㊂同时,还可以作为加工完成后的质量检测使用㊂加工过程中以及加工后的型面误差检测是确保叶片加工质量符合公差要求的必要手段㊂随着测量技术的不断发展,逐渐出现快速㊁简易㊁高效的叶片测量与数据处理技术㊂同时,随着智能加工技术的发展,在机快速检测技术将推动叶片加工质量与成品率的提升㊂在这一发展过程中,需要重视和建立叶片在机测量和加工质量的评估标准,从而为这类技术的推广使用奠定基础㊂71。