喷丸技术在发动机修理中的应用

john1980 · 发表于 2010-4-18 14:27:54

喷丸技术在发动机修理中的应用

　　喷丸技术在发动机修理和制造过程中以其独到的工艺方法和效果占有特殊的位置，随着发动机制造和修理技术的不断发展和更新，喷丸的工艺效果越来越得到认可。
　　喷丸的强化机理
　　喷丸强化过程是使材料表面层发生循环塑性变形的过程，由于金属材料的力学性能和喷丸工艺条件的不同，喷丸后材料表层将发生组织结构变化（如亚晶粒尺寸，位错密度及组态，相转变等）、表层内形成残余压应力场、表面粗糙度发生变化。
　　这些变化对材料的力学性能（主要是疲劳性能和应力腐蚀开裂性能）产生不同的影响，主要为强化因素，使喷丸后的力学性能改善。也会有一些不利因素，使喷丸后的力学性能下降。在一定条件下，塑变层内的微细亚晶粒、高密度位错、钢中的相变马氏体以及残余压应力等都表现为强化因素。而喷丸后引起的表面粗糙度增高（即应力集中效应增高），喷丸强度过高导致的表面微裂纹等均为不利因素。
　　强化因素又可分为组织结构强化--组织强化和残余强化--应力强化。发动机修理过程中的喷丸强化主要是应力强化。
　　表面未经强化的零件，其疲劳源大部都萌生于材料表面，在这种情况下获得的疲劳极限称为表面疲劳极限。疲劳破坏的产生主要是零件表面产生交变拉应力。喷丸后的零件在其表面能够形成残余压应力场，表面残余压应力可以抵抗外施拉应力的作用，使表面实际承受的交变拉应力水平降低，从而提高喷丸件的疲劳强度。在这种情况下，残余压应力起着直接强化的作用，称之为应力强化。
　　对于光滑表面的材料，最佳的喷丸强化工艺可使材料的疲劳强度提高１．３４倍。喷丸后的零件表面粗糙将略有增高，喷丸过度的零件表面会产生微裂纹，这两种情况将产生不利因素。
　　为此，喷丸强化需根据不同材质，选择合理的工艺参数，喷丸强度适中，要求至少１００％的覆盖率。
　　发动机零件喷丸加工的特点
　　（１）发动机是飞机的动力部件，发动机零件在交变载荷下工作对零件的疲劳寿命要求很高，故大多数零件都采用喷丸强化技术。喷丸强化是提高零件疲劳寿命的有效方法，一般都比未喷丸零件提高１～３倍的疲劳寿命。
　　（２）发动机绝大部分零件是旋转零件，喷丸的部位既有外表面也有内表面；另一类是发动机叶片及榫槽。喷丸强度一般在０．００６～０．００９Ａ２，弹丸尺寸采用１１０＃或１７０＃铸钢丸，多数采用普惠ＳＰＯＰ５０１标准。
　　（３）喷丸的零件价值很高，一般从几万至几十万，个别的有上百万元，如ＲＢ２１１（１～６级）转子轴。每上一项喷丸零件必须提前做好一切准备，如解决设备、材料、工装及工艺技术上的问题。
　　以ＪＴ９Ｄ发动机为例，每台发动机均有上千个零件需要喷丸，从发动机翻修手册中亦可看出，喷丸加工在发动机修理中占有非常重要的地位。
　　发动机零件喷丸实例
　　１．发动机压气机叶片和涡轮叶片
　　其特点是叶片剖面是翼型，产生轴向力，其受力最大处是叶根榫槽的压力边，其上应力集中区还受微动磨蚀等影响，故每种叶片的叶根压力边必须喷丸以释放残余拉应力，用喷丸强化方法增加表面残余压应力，恢复其抗疲劳和抗应力腐蚀性能。
　　采用方箱式喷丸夹具，可以提高夹具的使用效率，节省费用，减少工装数量。一个方箱可加工６～８种叶片，这种夹具装卡方便，材料采用塑料板与零件接触不会划伤零件，也可减少很多保护工作。因为这种夹具只露出需要喷丸的部分，不需要喷丸的叶身处于箱体内部。另一种叶片喷丸夹具为压板式，成组装卡，只露出需要喷丸部位。
　　２．发动机压气机盘和涡轮盘的喷丸强化
　　这类盘尽管形状大小有许多种，但基本的喷丸强化部位不变，都是叶片的叶根与其相配盘的榫槽区域喷丸，这个部位受力最大，而且最薄弱，因此通过喷丸强化来恢复其抗疲劳及抗应力腐蚀性能。
　　这类零件喷丸难度较大，主要是每个榫槽需要逐个进行喷丸，而且根据每个盘的齿数不同进行分度，结合喷嘴的运动方式，调整每个榫槽受喷时的状态，使槽口中心线处于与水平线垂直的位置，这样在喷丸时，可以保证沿榫槽中心线方向能够均匀受喷。
　　喷丸要求工装既要有能分度的转盘，又能使每个斜插的榫槽调整到槽口中心线与水平线垂直的状态，而且喷丸机要具有转动、移动和喷嘴能垂直运动的多功能机床才能完成喷丸工作。
　　零件的装卡通过更换塑料底盘的方法固定各种盘。在连接孔安装尼龙套防止划伤零件。
　　３．ＲＢ２１１组合盘的喷丸
　　该零件非常昂贵，价值数百万元，原配套进口的工装也价值数十万元，为使该零件能在现有的设备内完成喷丸工作，故设计了专用工装，实现了不用人工抬放并以每分钟２．５转转动，实现了喷丸自动化，保证了喷丸质量和人身安全。
　　４．特形叶片喷丸
　　采用橡胶分瓣保护夹具成组喷丸，特点是将所有喷丸区域露出，需要保护的区域处在筒内。这样可减少保护工序，零件可以在同一夹具上四个方向全方位喷丸。
　　５．各种轴件的喷丸
　　各种传动齿轮轴磨损的修复一般通过电镀的方法恢复尺寸，为保证电镀层与零件本体的结合强度，电镀前安排喷丸提高零件的抗疲劳和抗应力腐蚀性能。通过对比实验可以看出，喷丸后的电镀件其疲劳寿命可提高几倍至几十倍，故国外在零件电镀前均安排喷丸强化工序。
　　喷丸的质量控制
　　零件经过喷丸后其形状、尺寸和重量等基本上不发生变化，仅使零件的表层发生塑性变形。检查喷丸强化的效果是用ＡＬＭＥＮ试片，通过对ＡＬＭＥＮ试片进行喷丸后检测其变形量来评定喷丸强化产生的综合效应。
　　１．喷丸的工艺参数
　　喷丸过程中影响和决定喷丸质量的各种因素称为喷丸工艺参数，包括介质材料、介质尺寸、介质硬度、喷丸介质与零件表面的相对速度、介质的流量、介质流动与零件表面的角度、喷丸时间、喷嘴至零件表面的距离、混合比（限于湿喷）。
　　实际生产过程中是依据介质的破碎率、喷丸强度和表面覆盖率来检验、控制和评定喷丸质量的。
　　２．ＡＬＭＥＮ试片（弧高度试片）
　　（１）试片的技术参数：ＡＬＭＥＮ试片是用来评定所有工艺参数在喷丸过程中所产生的综合效应的。该试片由弹簧钢制成，共有三种尺寸规格，分别用Ｎ，Ｃ，Ａ表示。主要技术参数见表。
　　（２）夹具和仪表：使用ＡＬＭＥＮ试片评定喷丸强度时还需使用专用的夹具和仪表。夹具为高碳工具钢制作，硬度应为ＨＲＣ＞５５。
　　（３）用弧高度曲线求喷丸强度
　　实验方法：取一试片用四个螺钉固定在试片夹具上，置于喷丸室内喷丸，有两种方法可获得喷丸强度。
　　第一，试片置于喷嘴下不移动，以时间ｔ（通常为５～１０ｓ）计算喷丸的时间，喷丸后从夹具上取下试片，测弧高度值，得ｆ１。通常重复操作１０次左右（喷过的试片报废），获得约１０个弧高度值，然后绘制弧高度曲线（ｆ－ｔ），如图１。
　　第二，试片置于喷嘴下且与喷嘴有相对运动，以试片经过喷嘴的次数--喷丸次数ｎ记作喷丸的时间，然后测弧高度，绘制弧高度曲线（ｆ－ｎ）。
　　实际生产中多用弧高度－次数（ｆ－ｎ曲线，因其更方便，更实用。
　　制作ｆ－ｔ或ｆ－ｎ曲线的目的是为了确定喷丸强度。
　　任何一组喷丸工艺参数下的弧高度曲线上都有一个饱和点，饱和点定义为在一倍于饱和点的喷丸时间下，弧高度值的增量不应超过饱和点弧高度值的１０％，饱和点的弧高度值定义为喷丸强度。
　　喷丸强度表现出来的是材料表面产生循环塑性变形程度及其深度。喷丸强度越高，材料表面塑性变形越强烈。
　　（４）喷丸强度的表示方法
　　喷丸强度分为高、中、低三个级别，分别用Ｃ，Ａ，Ｎ三种试片测量，以Ｃ，Ａ，Ｎ和前面的数字（单位为ｍｍ）表示。例如：若用Ａ试片测得的弧高度为０．４ｍｍ时，记作０．４Ａ；用Ｎ试片测得的弧高度为０．３６ｍｍ时，记作０．３６Ｎ。
　　喷丸强度有正允差，允差范围为０，＋３０％但最小值为０．０８ｍｍ。例如，若图纸上标注为０．４５Ａ时，则允差范围为０．４５～０．５３Ａ；如规定值为０．２Ａ时，允差范围为０．２～０．２８Ａ。三种试片喷丸强度之间的关系近似如下：
　　Ｎ≈３ＡＣ≈０．２９Ａ
　　（５）表面覆盖率
　　被喷零件表面上弹坑占据的面积与被喷表面总面积之比值，称为表面覆盖率，简称覆盖率，以百分数表示。凡规定强化的零件，覆盖率不应小于１００％。在达到规定的喷丸强度条件下，零件的硬度如低于或等于试片的硬度时，该零件的覆盖率能够达到或超过１００％；当零件的硬度高于试片的硬度时，零件的覆盖率则必低于１００％。
　　覆盖率的检查：生产中可用１０倍放大镜目视检查零件的覆盖率，如果对检查结果有争议，可作金相分析。
　　（６）按喷试片的参数进行零件喷丸
　　按工艺要求喷试片求得喷丸强度，记录下喷丸强度、喷嘴数量、喷嘴至零件的距离、喷丸压力、介质浓度等对喷丸有影响的所有参数。将零件安装在工装夹具上，按喷试片参数进行喷丸。
　　结束语
　　喷丸的目的主要是对零件表面进行应力强化以提高疲劳强度，经过喷丸强化的零件视零件材料不同，强化的效果也不一样。有的材料喷丸强化后效果非常好，能够大大提高材料的疲劳强度，如有的钛合金材料，喷丸强化后材料的疲劳强度可提高５０％～８０％，有的合金钢喷丸后强度可提高２０％～３０％，有的材料喷丸后其抗疲劳特性改善不大，在生产中要注意合理地应用