基于工业CT测量数据的空心涡轮叶片三维壁厚分析

　　1　引言

　　对于使用铸造工艺生产的具有薄壁特征的产品,壁厚的控制是设计与检测人员非常关注的问题。壁厚设计得太薄,会产生难于充型的问题,设计得太厚, 容易在铸造过程中产生缩孔等铸造缺陷。通常需要在产品设计阶段进行壁厚的DFM(design for manufacturing,面向制造的设计)分析,检查壁厚的变化趋势、最大壁厚以及最小壁厚。分析后续铸造工艺能否生产出满　　足设计要求的产品。在 检测阶段,主要检测壁厚是否位于设计要求的公差带内。

　　航空发动机涡轮叶片在高温、高压等恶劣的环境下工作,有很高的强度要求。空心涡轮叶片的壁厚是保证叶片强度的一个非常重要的参数。在生产中需要 进行全面、严格地检测。使用超声波测厚仪或涡流测厚仪进行叶片的壁厚测量,由于测头可达性与法向找准的问题,存在检测精度差、覆盖率低的不足[1]。使用 工业CT(computed tomography)设备,可不受涡轮叶片结构的限制,为叶片壁厚测量提供可靠、有效的方法。文献[2]119-121中使用象素尺寸为0.256 mm的工业CT图象,分析叶片壁厚,误差小于0.05 mm,满足叶片壁厚检测要求。但传统的2D工业CT检测叶片壁厚,由于受2D工业CT扫描一周只生成一幅截面图象的限制,通常只选几个典型截面进行检测 (如文献[2]119中选定了三个截面)。若选择上百个截面作涡轮叶片壁厚检　　测,则效率太低。锥束CT技术为空心涡轮叶片的可靠、快速、无损检测的新 途径。使用三维锥束CT设备,扫描一周便能获得重建叶片数百个断层图象所需的所有投影数据。叶片的锥束CT图象序列,也称为叶片数字样品模型,包含叶片的 外表面几何边界与内部材料密度信息,可以此为基础进行叶片壁厚与叶型的几何尺寸测量,以及叶片铸造缺陷的检测。

　　现有的基于工业CT图象的空心叶片壁厚检测方法,主要是在叶片的某一截面进行壁厚分析[3][4]63。为了充分利用涡轮叶片的锥束CT测量数 据,快速、可靠地发现精铸空心涡轮叶片的壁厚缺陷位置,本文提出一种基于模板的空心涡轮叶片三维壁厚分析方法,实现涡轮叶片三维壁厚与壁厚偏差的快速计算 与可视化,并使用仿真生成的涡轮叶片锥束CT图象数据对三维壁厚计算精度进行验证。

　　2　空心叶片壁厚分析相关定义

　　在实际叶片厚度检测中,使用超声波测厚仪沿叶片铸件表面测量点处的法线方法向进行测量。为了方便壁厚分析的自动进行,依据实际的壁厚检测工艺,给出本文讨论的空心叶片壁厚与壁厚特征的定义。

　　定义1　叶片壁厚　对于叶片表面的任意一点P,设其法线方向为N。以点P为起始点,N为方向矢量的射线与叶片另一相对表面的交点为P1,则P与P1两点之间的距离W,称为点P处的叶片壁厚。如图1所示。