航空精密鑄件的計算機層析成像測量方法

(1.中國航發(fā)集團南方航空工業(yè)集團有限公司，株洲 412002； 2.重慶真測科技股份有限公司，重慶 401332；3.重慶大學 工業(yè)CT無損檢測教育部工程研究中心，重慶 400044)

航空器是一種高度復雜的精密機械，航空器的結構需要面臨高寒、高溫、高速、高壓、高轉速、高負荷、缺氧、振動等極端條件的考驗，因此對航空精密鑄件的品質提出了嚴格的要求。隨著當下高性能航空器的發(fā)展，對航空精密鑄件制造誤差的管控也提出了更加嚴格的要求。目前，航空精密鑄件制造公差的測量方法主要還是采用抽樣破壞的測量方式，即通過線切割在關注部位進行破壞性解剖，然后通過游標卡尺進行取樣測量。隨著航空精密鑄件結構復雜性的提高以及制造成本的提高，這種傳統(tǒng)方法難以保證批次產品的品質，且對于成本控制、交付周期控制等都帶來了不可預估的影響。因此，當前針對復雜航空精密鑄件內部結構的公差測量方法有待改進。筆者采用高能工業(yè)電子計算機斷層掃描(CT)技術對某航空精密鑄件毛坯進行壁厚測量的研究，為航空精密鑄件的內部尺寸測量提供了一種新的選擇。

1 CT原理及特點

CT能在不破壞被測物體的情況下，以二維斷層圖像或三維立體圖像的形式，清晰、準確、直觀地展示被檢測物體的內部結構、組成、材料及缺損狀況等[1]。其成像原理如圖1所示。

圖1 CT成像原理

X射線以透射方式穿過被檢測物體，由于在射線穿過路徑上，各種物質的厚度、材料密度等因素均會使射線產生不同程度的衰減，通過檢測衰減后的射線信息，利用雷當變換和逆變換，從投影數據重建出物體橫截面圖像，物體的厚度、結構、材料密度、缺陷大小等的差異反映為圖像上灰度的變化，從而實現在不破壞被檢測物體物理結構的前提下對其進行品質檢測和評價。

與X射線DR、X射線照相等射線檢測方式不同，工業(yè)CT獲取的是二維斷層或三維立體的圖像，而不是重疊的圖像。通過高精度的CT圖像，能夠準確反應出被檢對象內部的空間位置、形貌、尺寸、密度等信息[2]，為定量測量提供可能。

與三坐標、卡尺等測量方式相比， CT能夠通過獲得被檢對象任意斷層的圖像,在斷層圖像上進行測量，并在無損的前提下對具有復雜結構的檢測對象的內部尺寸進行測量[3]。

2 檢測設備

采用CD-1500BX型9 MeV工業(yè)CT系統(tǒng)，其最大檢測直徑為1 500 mm，最大可穿透厚度為240 mm的鋼。該系統(tǒng)可實現φ650 mm以內產品的三代CT掃描,φ1 500 mm內產品的二代CT掃描的空間分辨率為2.0 lp·mm-1，分辨率為0.3%，尺寸測量精度達到0.1 mm，密度測量精度達到1.0%。檢測前，依據國家標準GB/T 29069-2012《無損檢測 工業(yè)計算機層析成像(CT)系統(tǒng)性能測試方法》和國家標準GB/T 29067-2012《無損檢測 工業(yè)計算機層析成像(CT)圖像測量方法》對系統(tǒng)主要性能指標進行校驗。實際校驗后，系統(tǒng)指標均能達到系統(tǒng)標稱技術指標。

3 檢測參數

(1) 掃描方式

航空精密鑄件的最大回轉直徑約為840 mm，因此采用二代CT掃描方式。

(2) 射線源參數

對于電子直線加速器，在能量一定時，增加其出束頻率可提高射線強度，增強信噪比。加速器出束頻率設為200 Hz。

(3) 切片厚度

切片厚度越小，越有利于提高縱向分辨率，增強未貫通切片異物的缺陷檢出靈敏度，但降低了信噪比和密度分辨能力；切片厚度越大，越有利于增加信噪比，但降低了縱向分辨率。切片厚度并非越大或越小越好，而應根據具體情況折中選擇確定，因此切片厚度選定為1.0 mm。

(4) 圖像矩陣

為了減小每個像素的實物尺寸，又不使掃描時間增加太多，圖像矩陣設定為2 048像素×2 048像素。

(5) 視場直徑

精密鑄件的直徑為840 mm，選定視場直徑為1 000 mm。

4 測量結果及分析

4.1 測量結果

在精密鑄件上選取若干工藝控制層進行二代CT掃描，獲得斷層圖像。在斷層圖像上選取若干測量點，使用圖像處理軟件測出壁厚。在機匣實物上找到測量點對應的位置，用游標卡尺測量壁厚，將兩種方式獲取的數據做比對分析。

精密鑄件3個工藝控制層的CT圖像及測量點分別如圖2～4所示。

圖2 斷層1圖像及測量點位置

圖3 斷層2圖像及測量點位置

圖4 斷層3圖像及測量點位置

利用圖像處理分析軟件中的壁厚測量功能，對測量點進行測量，并在線切割解剖后用游標卡尺在測量點對應的精密鑄件相應位置進行厚度測量。兩種方法的測量結果見表1和圖5。

表1 兩種方法的尺寸測量結果 mm

圖5 CT與卡尺測量結果對比

4.2 誤差來源分析

通過測量數據可以看出,使用CT圖像測量得到的機匣壁厚與實際測量的壁厚基本能夠保持在0.1 mm的偏差范圍內，對比驗證具有較好的一致性。

此外，受限于測量條件，測量誤差主要來源于以下幾個方面：

(1) 機匣外形不規(guī)則，通過掃描高度尋找斷層位置時可能存在誤差。

(2) 被檢機匣為毛坯件，表面粗糙，增大了兩種測量方法的誤差。

(3) CT圖像所示的斷面與機匣壁不完全垂直，會帶來測量結果的偏差。

5 結語

工業(yè)CT測量方法具有無損、可測量內部結構等特點，在復雜型腔結構尺寸測量等應用場合具有其他方法無法替代的優(yōu)勢。通過試驗對比驗證，CT測量方法和傳統(tǒng)測量方法所獲得的結果具有較好的一致性，因此使用CT測量方法對航空精密鑄件關鍵結構壁厚的公差進行控制是可行的，該方法對于降低成本、控制每件產品的制造符合性具有重要價值和意義。