飞机模锻件质量检测技术研究

王 巍，胡玉秀

（沈阳航空航天大学航空宇航学院，辽宁 沈阳 110136）

1 引言

数字化飞机制造在大型飞机制造工艺中不断的向前推进，零件生产、部件装配、出厂检验，飞机生产进入全生命周期全数字化时代。质量检测技术在出厂检验中广泛应用，模锻件毛坯生产质量和生产效率直接影响飞机质量，质量检验技术应用于飞机生产的全生命周期将有效提升飞机制造水平。

钛合金因比强度、耐蚀性和耐热性等性能优良而被广泛用于飞机结构件上［1］，相比于板料和铸件，经过锻造加工的金属的组织结构和力学性能明显增加［2］。

模锻件形状不规则，在保障飞机制造准确度和飞机装配准确度的情况下，减少材料浪费会大幅度降低生产成本［3］。现有加工手段会导致锻件质量受多种因素影响，如模锻件毛坯的加热温度、时间和冷却方式等［4］。通过对现存的加工现状分析，提出的问题主要有：

（1）钛合金模锻件毛坯加工余量状态和尺寸不稳定［5］，直接影响后期零件加工工艺，如数控程序编制时，下刀点位置的设置，走刀轨迹的设置，进给的速度的设置等［6］。

（2）部分航空制造单位出现大量的模锻件毛坯在等待铣削加工之前已经变形的问题［7］，影响零件交付，增加飞机生产周期。钛合金模锻件毛坯成形后［8］，在等待加工以前，毛坯会因局部变形影响后期工艺方案［9］。合理分析模锻件毛坯加工余量［10］，依据实际情况提高材料利用率［11］。

（3）钛合金模锻件价值较高，在毛坯成形后，批量的模锻件已经进入待加工状态［12］，加工完成后的零件现有状态接受局部设计更改时［13］，毛坯是可以用的，有时候为了节约成本，再满足设计要求的材料属性时，调整高速铣削加工工艺方案［14］，优化刀具加工轨迹，解决模锻件毛坯因应力而毛坯变形问题［15］。

从以上几点都可以看出余量分析对模锻件成型的意义，余量优化需要同时考虑生产效率和加工难度两方面因素，在保证模锻件加工质量的基础上，根据实际情况，进行钛合金模锻件加工余量分析。模锻件的加工余量合理性，在整套生产环节中起到至关重要的作用，直接影响到材料成本和生产效率。

2 模锻件加工余量分析方法

2.1 三维白光测量系统

三维白光测量系统是一种新型的测量系统，对测量对象的表面灰尘等质量的要求较低，且在不稳定的光源和轻微结构振动等恶劣环境下，也能保证获取测量对象表面数据的完好性。主要由光学头、物理支持平台、主线缆、控制盒、校准块、软件应用程序六部分组成，其中光学头因对测量精度影响较大，一般搭载在物理支持平台上。随着物理支持平台的移动，光学头也进行机械运动。三维白光测量系统结构组成，如图1所示。

图1 三维白光测量系统Fig.1 Three-Dimensional White Light Measurement System

三维白光测量系统对毛坯余量进行针对性的全局或者局部拍摄分析，对飞机模锻件质量检测技术进行研究，将三维白光扫描应用于模锻件毛坯，获取的数据模型与零件模型拟合，设计毛坯合理加工余量，保证最小切割余量下最低材料损耗值，设计合理加工参数。针对毛坯不同结构进行分析，如平直区域部分，设置对称公差带，如毛坯结构较复杂区域及不易加工区域，设置非对称公差带。最后对成型零件进行数字化三维检测，确定零件尺寸，保证后续装配精度。

2.2 基于三维白光测量系统测量飞机模锻件

通过模锻件的理论数据获取实测数据时，以模锻件毛坯形状为基础，设计测量方案进行初步结构分析。在设备测量区域范围内可直接测量，当模锻件毛坯大于测量范围时，多次移动设备并在不同位置进行测量，获取数据利用重叠部分进行拼接，形成完整的模锻件毛坯。在三维白光测量系统的精度范围内获取点云，在测量的特征小于最小点间距的情况下无法获取特征的数据。根据软件设置的不同，采集到点云的数量也有相应的区别，点间距大小直接影响点的数量级。所采集的数据点分别具有相对于机器坐标系的绝对坐标值和相对于零件坐标系的相对坐标值，利用坐标系转换处理点坐标，完成测量任务。三维白光测量系统测量流程，如图2所示。

图2 三维白光测量系统测量流程Fig.2 Measurement Process of Three-Dimensional White Light Measurement System

在采集过程中存在的声音会影响激光的传播，降噪就是将采集过程中因振动影响的光路由曲线复原为直线。激光采集的点云有一定精度范围，在扫描后为提高因环境噪音影响的精度，使激光变得平整而进行积极棱柱形的降噪方式，保证点云在进行微调过程中，零件表面光顺圆滑且不失真。

通过三维白光扫描系统得到的模锻件毛坯数据组存在以下几种情况，扫描获得点云形状不完整，存在正面侧面数据未获取的情况，部分扫描细节部分，部分对整体轮廓进行完整扫描但局部存在缺陷。在对获取到的模锻件毛坯数据组数据进行处理过程中，首先进行质量筛查，选取扫描质量较好，片体较大部分为固定部分，由移动浮动部分向固定部分拼接，在公共部分取点。其次对关键部分进行距离和角度的获取，例如平行平面距离获取及相交平面角度获取，主要采用以下几种方式：

（1）首先平面度分析，对两个进行分别处理后，根据所选取质量较好的点进行拟合平面，为两平行平面的中央平面。

（2）选取两平面获取质量较好的点云平面进行平面拟合，根据此平面进行平移的方式拟合另一个平面，得到平行平面距离。

（3）对于相交平面，也可以首先得到角平分平面，再对真实平面进行拟合，获取最终两平面夹角值。

2.3 处理获取飞机模锻件数据

三维白光测量系统获取的飞机模锻件数据文件，一般以asc等格式存放，将大量点统一法向后，以点云的形式进行逆向处理，通过几种宏程序语言来进行数据处理，如Basicscript，Vbscript，Jscript。首先提取模锻件毛坯实体的毛坯点云信息，与零件模型进行对比，并进行最佳拟合。在拟合后进行余量分析，确定加工方案，加工完成后进行质量检测，并交付终检。以下为数据处理的两种方法，如图3所示。

图3 数据处理方式Fig.3 Data Processing Mode

2.3.1 最佳拟合法对齐模锻件毛坯与零件模型

最佳拟合法对齐模锻件毛坯和零件模型是将模锻件毛坯上的每个点和零件模型进行匹配，模锻件毛坯的每个点对应的是距离模型中最短距离的点，对每对点进行距离计算，并求出所有距离的平方的算数平均数。其公式如下：

式中：A—模锻件毛坯与零件模型对齐平均距离的平方；n—模锻件毛坯与零件模型对齐所计算点的总数；N12—模锻件毛坯与零件模型对齐后第一个点距离的平方；N22—模锻件毛坯与零件模型对齐后第二个点距离的平方；Nn2—模锻件毛坯与零件模型对齐后第二个点距离的平方。

对每种拟合的情况求出A值，取最小值，最小值代表的拟合情况为最佳拟合法的点云对齐结果。使用切面法判断最短距离，模型中每一个点都形成一个切面，当模锻件毛坯点与零件模型上选取的点的连线和切面垂直时，判定这两个点的连线为最短距离。设置一个距离范围，在距离范围的五十倍以上，判定距离失效。得到有效距离的点中进行上述公式的求解，求解拟合的平均最小距离，在更换拟合位置，反复求得最佳拟合位置关系。

在软件中，对毛坯数据进行杂点处理，包括噪音点、体外孤点和重复的覆盖点等。使得虚拟毛坯数据规律化呈现，在曲率变化不太大的情况下，呈现点等大点间距分布，在曲率变化较大的情况下，呈现点等小点间距分布。获取每个点对应模型数据的最短距离点时，使用切线寻找的方式，保证每个点都能得到对应的点，对于质量较差的点，或距离较大的点，使用排除法，不将其放到平均值求和中。

2.3.2 基准特征拟合法

基准特征拟合法首先判断基准特征，一般为平面、柱面、锥面。在选取基准特征后，将虚拟毛坯数据的基准特征和模型数据的基准特征进行拟合。此种方式对电脑性能要求较低。

除上述两种数据处理方式，还有其他的数据处理方式，如迭代法对齐，3-2-1建立坐标系，坐标系与坐标系对齐等。在进行实测数据与理论数据对齐过程中，最重要的参考因素就是毛坯余量加工方案，在对齐时，一定要考虑在加工模锻件毛坯的走刀轨迹，在保证加工的基础上进行拟合对齐。

2.4 数据对比方法

将实测数据和理论数据同时导入软件中进行对比分析，分别进行2D比较和3D比较。在进行模锻件毛坯和零件理论数据进行与比较之后，进行精确对齐，并进行三维立体比较分析。通过色谱图分析，红色为扫描到的模锻件毛坯点云信息，蓝色部分为零件实体模型，可以观测到红色区域均匀分布在模锻件虚拟模型的周围。依据分析结果进一步设计加工流程。

在进行理论数据和实测数据对比分析时，余量时以闭环形式存在的。在二维截面一般会存在平行直线，对于平行直线，控制模锻件毛坯和零件模型的相对位置关系通常使用以下公式。

尺寸平均值：

尺寸的极值最大值为Xomax（最远距离）和最小值为Xomin（最近距离）。

上偏差ES0和下偏差EI0：

式中：Xav—模锻件毛坯和零件模型的相对位置的尺寸平均值；Xi—模锻件毛坯和零件模型的第i个点的尺寸；n—模锻件毛坯和零件模型计算相对位置的点的个数；Xomax—模锻件毛坯和零件模型的相对位置的尺寸最大值（最远距离）；Xomin—模锻件毛坯和零件模型的相对位置的尺寸最小值（最近距离）；Xmax—模锻件毛坯和零件模型的相对位置的尺寸最远距离的五个值的平均值；Xmin—模锻件毛坯和零件模型的相对位置的尺寸最近距离的五个值的平均值；ES0—模锻件毛坯和零件模型的相对位置的上偏差；EI0—模锻件毛坯和零件模型的相对位置的下偏差。

在进行二维截面尺寸偏差计算时，对每一点进行配对，将每两点的距离求平均值，为两直线距离，距离的极值为最远距离，上下偏差为与直线距离的差，在设计刀具轨迹路径时，可以作为参考。

3 模锻件质量检测技术研究

三维白光测量系统应用于大型磨锻件毛坯加工余量的分析中，不仅使产品质量得到提升，而且减少零件毛坯报废率。对大型磨锻件毛坯数据采集和对加工完成产品的质量检测数据的收集，将会直接提高后续零件和组合件的装配效率。

3.1 某型飞机零件结构概述

某型飞机关键疲劳部位的关键长梁类零件，该零件毛坯为钛合金模锻件，零件长542mm宽203mm，厚度δ=25mm。

以某机大型模锻件的其中一部分进行举例分析。在此模锻件加工之前，进行零件模型外形分析，该零件较长呈扁平状，图形较规则，零件毛坯局部视图，如图4所示。由于该零件生产制造单位对该毛坯制造时间较长，后期接受设计更改单，对零件局部进行更改，而零件毛坯沿用设计更改之前的毛坯材料。因此，需要通过现有毛坯进行余量分析，从而调整加工坐标系与编程轨迹，优化工艺。

图4 模锻件理论模型图Fig.4 Theoretical Model Diagram of Die Forgings

3.2 基于三维白光测量系统测量方法与数据处理

利用三维白光测量系统进行真实物理模型数据的获取。搭建物理测量平台，将模锻件放置在稳定，保证其位置固定后安装白光扫描头。对三维白光测量系统进行校准并进行三维白光扫描，对扫描的点云数据进行处理。

首先进行预对齐，设置较大的统一采样距离，观察对齐程度。当观察到点云均匀分布在零件模型周围时进行三维模型的对比，设置颜色区分点到模型的距离，设置一色为到模型距离较小的点，一色为到模型距离较大的点，一色为距离合适的点。对于一色区域，设置加工余量时设置较小加工公差，对待一色区域，合理设置较大加工余量，对于一色区域设置较为合理的加工余量，保证后续加工有效的进行，如图5所示。

图5 测量数据和零件模型预比较Fig.5 Pre-Comparison of Measurement Data and Part Model

通过对点云数据的对齐处理，在对齐后分别对其进行分析截面尺寸偏差和整体尺寸偏差。稀疏数据点是将在同一局部处大量数据量简化成少部分数据量，分别得出稠密数据点分析后数据和稀疏数据点分析后数据。可以直观观测到较稠密的点能更好的对尺寸偏差进行分析比较，更好发现加工余量之间的关系。对精度要求较低的情况下，较少的数据量会更加方便我们的处理和使用。进行加工参数分析时，需选取部分关键截面，进行数据分析，并根据毛坯余量的多少设置粗加工参数及精加工参数。对表面质量要求低，误差容忍度大的零件，可以进行一次加工成型。对磨锻件毛坯进行测量后将测量数据和零件模型进行拟合对齐。点云对齐三维对比效果，如图6所示。可以观察到点云均匀分布在零件模型周围。在进行了三维立体比较分析后，需要对二维的截面进行进一步分析。分析在截面内的平面偏差平面，需要先找到截面上点，一般用三个点设置截面，以此做一个平面偏差，或使用相对于视角垂直的平面及坐标系平面。并进行详细注释，标注每个点的详细偏差。在模锻件毛坯中选取合适的截面，进行分析模型和点之间距离的区别，可以观察大部分为一色区域，也就是较为合适的加工余量区域，但是局部存在一色和一色部分，此处在设计加工流程时，设置合适的切削余量，保证零件制造精度。完成磨锻件的加工后，需要再次进行白光扫描获取加工完成零件的信息。截面法分析结果，如图7所示。

表1 数据和零件模型对齐比较结果Tab.1 Data and Part Model Alignment Comparison

图6 数据和零件模型对齐比较Fig.6 Comparison of Alignment between Measurement Data and Part Model

图7 选取截面并进行偏差分析Fig.7 Model Select the Cross Section and Carry on the Deviation Analysis

表2 截面并进行偏差分析结果Tab.2 Cross Section and Deviation Analysis Results

通过上述余量分析结果，毛坯余量最大变化范围在1mm左右，根据余量均布分配的方式，可以调整相应的坐标系原点从而进行钛合金模锻件零件加工。零件加工坐标系调整前后的对比效果，如图8所示。在该零件加工过程中，粗加工Z向最大侧弯不超过0.5mm，在精加工中零件未发现明显Z向翘曲，零件加工状态稳定，经过扫描通过调整原点坐标系，调整坐标系使原点坐标系沿Z负向0.5mm。通过采用三维白光测量系统，对毛坯余量分析研究，最终减少现有材料由于变形而产生加工报废，从而提高了零件表面质量。通过对三维白光测量系统在大型模锻件毛坯余量分析中的实践和应用，提高了零件加工质量，减少由于材料变形而产生报废率，节约成本。

图8 刀具轨迹调整前后的对比效果Fig.8 Comparison Effect Before and after Tool Path Adjustment

4 结束语

对大型飞机模锻件加工余量分析的方法研究，采用了三维白光测量系统的方法与最佳拟合法对齐点云的技术，达到了实测数据和理论数据对齐，并为钛合金模锻件零件加工工艺修正提出了有效的数据保证，解决了模锻件毛坯因释放残余应力变形影响加工的问题。

（1）三维白光测量系统获取钛合金模锻件毛坯数据文件，并进行处理得到距离和角度等相关信息，为后续加工方案提供了数据保障。

（2）以关键疲劳部位的关键长梁类零件为例，在生产过程中质量检验技术的应用，不仅使产品质量得到提升，而且减少零件毛坯报废率。