畢業(yè)設計（論文）-噴丸技術在飛機發(fā)動機修理中的應用研究

PAGEPAGE3噴丸技術在發(fā)動機修理中的應用研究目錄前言………………2噴丸強化原理……………………3噴丸強化設備……………………3氣動式噴丸機……………………4機械離心式噴丸機………………5水噴丸強化………5內孔噴丸機………5手提式氣動噴丸機………………6新型噴丸技術—旋板（片）強化（軟輪噴丸）………………6噴丸技術在飛機發(fā)動機修理中的實際應用……7噴丸強化設備的選擇原則………7噴丸強化的基本工藝流程………8飛機發(fā)動機零件的噴丸強化實例………………8某型發(fā)動機壓氣機Ⅰ級鋼葉片噴丸強化………8某型發(fā)動機渦輪葉片噴丸強化…………………10結論………………13參考文獻…………14致謝………………15前言噴丸加工技術是提高零件疲勞強度的一個重要方法。這種方法近幾年在各個工業(yè)部門特別是航空工業(yè)部門中得到了迅速的推廣和使用，并已經標準化。在航空發(fā)動機中，用噴丸技術加工處理的零件多達400余種。包括壓氣機葉片、渦輪葉片、渦輪軸等重要零件。噴丸加工技術不僅能顯著提高零件的疲勞強度，而且還能提高零件的耐應力腐蝕能力。噴丸加工工藝還有其成本低、生產效率高等優(yōu)點。這也是獲得廣泛應用的主要原因之一。本文將對噴丸技術的基本原理及其分類，最新型噴丸技術，以及在發(fā)動機修理中的實際應用等進行闡述和分析。關鍵詞：噴丸技術原理新型噴丸技術實際應用噴丸強化原理噴丸強化是用高速度彈丸（玻璃丸或鋼丸）撞擊金屬零件表面使之產生殘余壓應力并形成細化壓晶粒的冷作硬化層，從而提高零件疲勞強度和抗應力腐蝕能力的一種工藝方法。噴丸強化過程是使材料表面層發(fā)生循環(huán)塑性變形的過程，依照金屬材料的力學性能和噴丸工藝條件的不同，噴丸后材料表層將發(fā)生以下變化：組織結構變化（如亞晶粒尺寸、位錯密度及組態(tài)、相轉變等）；表層內形成殘余壓應力場;表面粗糙度變化.這些變化對材料的力學性能(主要是疲勞性能和應力腐蝕開裂性能)產生兩種不同的影響：一種為強化因素，使噴丸后的力學性能改善；另一種為弱化因素，使噴丸后的力學性能下降。在一定條件下，塑變層內的微細亞晶粒、高密度位錯、鋼中的相變馬氏體以及殘余壓應力等，都表現為強化因素。而噴丸引起的表面粗糙度的增高（即應力集中效應增高），高強度噴丸導致的表面微裂紋等，這些均為弱化因素。強化因素又可分為組織結構強化（簡稱組織強化）和殘余應力強化（簡稱應力強化）。二、噴丸強化設備常用的噴丸強化工藝有干噴丸、水噴丸和旋板強化工藝。干噴丸工藝是較早采用的噴丸強化技術，它是靠離心輪產生的離心力或是從噴嘴噴出來的壓縮空氣將彈丸噴射到零件表面，使其獲得一定厚度的表面強化層。根據彈丸獲得動能的方式，干噴丸強化設備的類型可分為氣動式噴丸機和機械離心式噴丸機。如按噴丸機移動的方便程度又可以分為便攜式和固定式噴丸機。無論由哪種類型的噴丸機構成的噴丸設備，均應包括以下幾個主要部件：（圖—01）噴丸機強化室；零件運轉裝置；彈丸提升裝置；彈丸篩分選裝置；除塵器。2.1、氣動式噴丸機彈丸依靠壓縮空氣獲得動能并借助于噴嘴噴射出，稱為氣動式噴丸機。不過這種噴丸機所使用的彈丸一般均為比重比較小的玻璃彈丸，當然也可以使用鋼丸，不過因為鋼丸比重較大，不能直接吸入噴嘴，只能靠其他的提升裝置將彈丸提升到一定的高度，再靠彈丸本身的重量落入噴嘴內。按彈丸的運動方式，又分為三種類型：引射式、重力式和直接加壓式2.1.1、引射式氣動噴丸機進入噴嘴的壓縮空氣使與噴嘴相連的導丸管內產生負壓，把彈丸吸入到導丸管并進入噴嘴，然后隨壓縮空氣從噴嘴內射出。其工作原理如下：經由過濾的空氣進入噴嘴，與通過導丸管進入噴嘴的彈丸一起從噴嘴射出。與零件表面碰撞后失速的彈丸落入底部儲丸箱內。噴丸室內產生的金屬和非金屬粉塵，通過排塵管道經除塵器排出室外。2.1.2、重力式氣動噴丸機將彈丸提升至一定高度后靠自重通過導丸管進入噴嘴，然后隨壓縮空氣噴射出。其工作原理如下：被提升到一定高度的彈丸依靠自重經導丸管流入彈丸篩分選器（在此將小于和大于規(guī)定尺寸范圍的彈丸以及破碎于合格的彈丸進行分離），合格彈丸通過導丸管直接流入噴嘴，隨高壓空氣從噴嘴射出。經過碰撞失速的彈丸落到底部的彈丸收集箱。這種噴丸機的結構比引射式復雜，它適用于密度較大的金屬彈丸，直徑通常大于0.3㎜。噴嘴的壓縮空氣壓力一般處于0.2～0.7MPa。彈丸篩分選器由兩部分構成：彈丸尺寸篩選器和破碎彈丸分離器。彈丸篩選通常利用往復振動的平篩網或旋轉運動的圓錐篩網來剔除尺寸和形狀不合格的彈丸。被提升一定高度的彈丸，先經過尺寸篩選器進行篩選，再進入分離器。2.1.3、直接加壓式氣動噴丸機彈丸與壓縮空氣在混合室內混合后，通過管道進入噴嘴再噴射出。其工作原理如下：提升機構（氣動式或機械式）將落如底部的彈丸提升到一定高度，彈丸靠自重落入儲丸箱，通過流量調節(jié)閥進入增壓箱，再進入含有高壓空氣的混合室。最后，彈丸與高壓空氣混合流經噴嘴射出。2.2、機械離心式噴丸機彈丸依靠高速旋轉的機械離心輪拋出而獲得動能的噴丸機，稱作機械離心式噴丸機。其工作原理與重力式氣動噴丸機（見2.1.2）基本相同，只是以拋丸代替了噴嘴。比較先進的拋丸器可作上下、前后、左右、旋轉和回擺（±45°）等5個自由度的運動，它能滿足多品種和復雜型面零件的噴丸處理要求。2.3、水噴丸強化水噴丸與干噴丸強化原理是一樣的，只是水噴丸以高速運動的液體彈丸流取代干噴丸中的彈丸，以此來減少干噴丸工藝中所產生的粉塵污染，保護環(huán)境，改善工作條件。所謂液體彈丸流，目前常用的是水和彈丸（玻璃丸）的混合物，只要采用合理的工藝參數，水噴丸同樣能夠得到與干噴丸一樣的效果。水噴丸與干噴丸相比，具有污染小，噪聲低和彈丸消耗少，節(jié)電等優(yōu)點。水噴丸與干噴丸技術的效能對比如下（表一）：表一水噴丸與干噴丸對比表項目干噴丸水噴丸備注粉塵污染15.66㎜/m31.6㎜/m3噪聲污染96分貝80分貝彈丸消耗20㎏/單臺發(fā)動機3.5㎏/單臺發(fā)動機全年節(jié)約10萬元用電量7度/小時1.1度/小時全年節(jié)電14166度2.4、內孔噴丸機內孔噴丸機（或稱內壁噴丸機）用于孔（通?？咨畲笥诳讖?倍以上）的內表面噴丸強化。它們大都是在重力式或直接加壓式氣動噴丸機上安裝內孔噴嘴而成的。反射式噴嘴的工作原理為：彈丸運動到噴嘴出口時，與其頭部的斜平面（傾斜角約為40°）碰撞，運動方向改變之后射向孔壁表面，使表面獲得強化。為了均勻地強化孔壁表面，噴嘴（或工件）同時應作旋轉和直線運動。2.5、手提式氣動噴丸機這種噴丸機主要適用于大型零件局部表面（主要是平面）的強化處理。其主要部件有：特殊噴嘴，直接加壓式氣動噴丸機。這些部件裝在可移動的小車上。其工作原理如下：混合室的彈丸與高壓空氣的混合流通過具有雙層管道的中心管內進入噴嘴，噴射到零件表面。被強化表面上回彈的彈丸由噴嘴四周的毛簾擋住，返回后進入具有負壓的噴嘴外層管道，并回到上部的儲丸箱內。待混合室內的彈丸全部流出并返回到儲丸箱，彈丸再次有儲丸箱全部進入混合室，進行下一個循環(huán)。因為噴嘴外層套管被抽成負壓，所以也稱真空噴丸機。2.6、新型噴丸技術—旋板（片）強化（軟輪噴丸）旋板強化技術是美國3M公司在噴丸強化技術的基礎上研制的新技術。其強化原理是以粘有彈丸的特制旋板在旋轉中連續(xù)不斷地打擊金屬表面，使其獲得一定厚度的表面強化層，達到與噴丸強化同樣的效果。旋片（板）噴丸器主要用于大型零件（如飛機機翼梁接頭）的局部表面或內孔表面（孔徑大于13㎜）噴丸強化。它由2個端部粘上彈丸的旋片和風鉆兩部分構成，見（圖—02）。旋片是一種尼龍編織物，在一端的正面與另一端的反面用膠粘上兩排金屬彈丸。操作時把旋片固定在風鉆頭上，打開風鉆進氣口的調節(jié)器，轉速控制在2000～6000r/min范圍內，把旋轉的旋片接近待噴丸強化的表面，直至感到強烈地阻礙旋片繼續(xù)下降為止。緩慢地平移旋片使被噴表面獲得均勻的強化。旋片噴丸強度取決于風鉆的轉速（彈丸的運動速度）。旋板強化工藝對旋板的工作條件要求十分嚴格。美國專利規(guī)定：彈丸粘結在旋板上，以3100r/min的轉速打擊金屬表面30分鐘后，丸粒脫落不得超過20%。我們國家已經研制出符合要求的旋板，故旋板強化在我國航空工業(yè)部門已經得到比較廣泛的應用。旋片噴丸器的體積小、重量輕，便于在現場對零件進行強化處理。它與噴丸強化相比較有設備簡單、特別適用于機件原位局部表面強化。如飛機翻修時分解暴露的各種接頭、耳片、吊掛、緣條等大型重要承力件的局部區(qū)域。但不適用于金屬表面的大面積強化。旋板強化與噴丸強化的詳細比較如下（表二）：表二旋板強化與噴丸強化比較序號項目旋板強化噴丸強化1使用部位原位表面強化工作室內表面強化2配套設備一個冷氣瓶空氣壓縮機（1m3/min）一套3使用范圍小面積、孔壁大面積、不能強化孔壁4配合要求非強化表面不需要保護非強化表面需要保護5污染情況無污染有污染6設備重量7.5㎏1000㎏7設備體積450×320×200㎜31500×1000×2200㎜3三、噴丸技術在飛機發(fā)動機修理中的實際應用3.1、噴丸強化設備的選擇原則應根據生產零件的品種、重量、產量、型面復雜程度、彈丸尺寸和密度、噴丸強度等，選擇噴丸機的類型。噴丸機類型的選擇見下表（表三）：表三各種條件下可選擇的噴丸機零件狀況及噴丸條件氣動噴丸機機械離心式噴丸機旋片噴丸機真空噴丸機內孔噴丸機引射式重力式加壓式品種多產量小可選可選可選不可選不可選不可選不可選品種多型面復雜可選可選可選不可選不可選不可選不可選內孔噴丸不可選不可選不可選不可選可選不可選可選品種少型面簡單不可選不可選不可選可選不可選不可選不可選品種少重量大不可選可選不可選可選不可選不可選不可選小噴丸強度低可選可選可選不可選可選可選不可選大噴丸強度高不可選可選不可選可選不可選可選不可選尺寸大現場處理不可選不可選不可選不可選可選可選不可選尺寸大局部處理不可選不可選不可選不可選可選可選不可選濕噴丸可選不可選不可選不可選不可選不可選不可選3.2、噴丸強化的基本工藝流程零件噴丸強化的典型工藝流程見下表（表四）：表四零件噴丸強化工藝流程工序工作內容噴丸前檢查滿足圖紙尺寸和表面狀態(tài)要求；熱處理狀態(tài)及表面質量（如噴丸區(qū)銳邊、尖角倒圓，不應有任何包覆層等）噴丸前準備噴丸設備檢查，噴丸機構試運行；彈丸檢測；非噴丸區(qū)保護；零件表面清洗；調整噴射距離和噴射角度噴丸處理噴丸強度及覆蓋率調整；嚴格按已確定的工藝參數；做好原始記錄噴丸后處理去除遮蓋物；清洗噴丸表面；噴丸表面去層加工檢驗按檢驗文件實施；噴丸強度及覆蓋率；原始記錄注意事項：噴丸前零件必須完成規(guī)定的熱處理和無損檢測工序；使用模擬工件放入噴丸室，調試噴丸機，使其參數達到工藝要求；噴丸后處理零件表面時應嚴格按照工藝要求操作，嚴禁損傷零件表面；禁止采用機械加工的方法對噴丸后的零件進行校形。3.3、飛機發(fā)動機零件的噴丸強化實例1、某型發(fā)動機壓氣機Ⅰ級鋼葉片噴丸強化、噴丸總則壓氣機Ⅰ級鋼葉片噴丸時，必須保持葉片原臺裝放，不允許混放、丟失；葉片不允許掉地，葉片裝卸過程中，均不允許打傷葉片；操作時，必須嚴格執(zhí)行相關操作規(guī)程；凡需進行噴丸的葉片，不允許有變形、腐蝕坑及未經拋光的打傷存在。、噴丸操作打開抽風機，檢查管路是否良好，各個吸丸管放置位置不應影響轉盤轉動，吸丸管應插入丸堆中，噴槍位置應保證吸丸工作正常進行；把葉片裝在夾具上，關上噴丸門；噴丸參數：丸粒：玻璃彈丸，直徑d=0.16～0.25㎜空氣壓力：0.35～0.4MP噴嘴至葉片表面距離：80～120㎜噴嘴角度：90°±5°噴嘴數量：8個轉盤速度：6r/min噴丸時間：25～30min弧高度值：fЛ=0.16±0.02㎜d、拆卸葉片時，不允許損傷葉片，并用冷氣吹干凈葉片上的塵粒（或用毛刷刷干凈）。、弧高度值檢查用70#彈簧鋼Ⅱ號標準弧高度試片固定在試片專用夾具上，隨同葉片一起送進噴丸機內噴丸處理，試片受噴表面應垂直對準噴嘴軸線。試片尺寸要求如下：試片長度：76±0.3㎜試片寬度：19±0.1㎜試片厚度：1.3±0.025㎜表面粗糙度Ra最大允許值為0.8微米表面硬度：HRC=44～50平行度公差：±0.025㎜試片在使用前應檢查平行度公差是否達到要求，不符合要求者可用銅榔頭校正試片，邊緣有剪切毛刺等，應拋光處理，非邊緣部位不允許拋光。噴丸后取下試片，在弧高度測具上用精度為0.01㎜的百分表進行測量，弧高度值應為：fЛ=0.16±0.02㎜噴丸前將試片放在弧高度測具上貼緊，把百分表調至零位，對試片測量面的反面進行噴丸，噴丸后測量時，百分表對準試片的非噴丸面。弧高度值不合格時，允許在給定范圍內，調整噴嘴前的空氣壓力，如仍不符合，應檢查噴嘴的磨損情況，噴嘴磨損直徑超過2㎜時，更換噴嘴，如仍不符合，補充新丸粒。、覆蓋率檢查噴丸后受噴表面麻坑所占的面積和與總面積和的比值，稱為表面覆蓋率。壓氣機Ⅰ級鋼葉片的表面覆蓋率，對于距進、排氣邊緣5㎜范圍內和圓弧上及距葉根1/3葉身上范圍內不低于98%，其他部位不低于80%；覆蓋率未達到要求的葉片，應進行補充噴丸。2、某型發(fā)動機渦輪葉片噴丸強化⑴、渦輪葉片裂紋分析由GH32、GH33熱強合金制造的渦輪葉片，是發(fā)動機上的重要零件。它在高溫（750℃）和受力大的條件下進行工作。根據X-射線法測得它的主要故障是第一榫槽裂紋和葉片葉身排氣邊緣裂紋。這種故障直接影響著使用的安全可靠性，在工廠也因裂紋而使大量葉片報廢，所以，對渦輪葉片進行噴丸強化處理，提高其抗疲勞強度，降低生產成本。⑵、噴丸工藝參數噴丸設備及噴丸強化工藝參數如下：設備：氣動式噴丸機，機內裝有六個噴嘴，相錯一定距離，噴嘴垂直于葉片噴射；丸粒：玻璃彈丸，直徑d=0.05～0.15㎜；空氣壓力：0.2～0.4MP；噴口至零件距離：120～140㎜；噴射時間：30～40秒（單個零件）噴嘴數量：6個噴射角度：90°±5°弧高度值：fЛ=1.4±0.01㎜操作方法：打開攪拌氣壓開關2～3分鐘后，方可打開噴丸氣壓開關，使6個噴嘴前壓力表示數為0.2～0.4MP；將葉片插入傳送帶榫頭；用清水洗凈葉片上的丸粒后裝箱。⑶、噴丸效果的檢查方法噴丸強化工藝參數直接影響著噴丸強化的效果，而一些參數的變化不易直接觀察，我們采用以下方法檢查噴丸強化效果?；「叨戎禉z驗法：用GH33材料制成厚度為1.4±0.01㎜的弧高度值試片，經噴丸強化后其弧高度值應達到0.13㎜以上。涂色檢查：把需噴丸的一個零件，涂上顏色，然后和零件一起裝入噴丸機，經0.5～1分鐘噴丸強化后，檢查涂色葉片表面噴丸是否均勻。由此檢查各噴嘴的工作情況。外觀檢查：按工人實際經驗，觀察零件表面光亮程度，由此檢查強化效果。一般情況下表面呈烏亮顏色的噴丸質量為最佳。⑷、噴丸強化的實際效果簡化工序、提高工效；葉片一般需要兩道拋光工序，經采用噴丸強化工藝后，減少了機械拋光工序，而使葉片表面光潔度提高一級，并且減輕了勞動強度，改善了勞動條件，使工效提高1.5～2倍。渦輪葉片經噴丸強化后，疲勞強度有顯著提高（見表五、六）。噴丸的葉片經710小時的地面長期試車考驗，葉片良好，第一榫槽仍保持-60㎏/㎜2以上的殘余壓應力（見表七）。表五不同狀態(tài)的GH33渦輪葉片第一榫槽出現疲勞裂紋的循環(huán)次數葉片疲勞前實驗的狀態(tài)疲勞實驗條件疲勞實驗結果循環(huán)次數（次）斷裂情況新葉片溫度：550℃平均應力：40㎏/㎜2交變應力：±21㎏/㎜2頻率：～70次/秒1×106出現裂紋使用650小時后第一榫槽經滾壓強化<1×106出現裂紋使用650小時后第一榫槽滾壓強化，又使用200小時后噴丸強化>1×107未出現裂紋表六不同狀態(tài)的GH33渦輪葉片第一榫槽出現疲勞裂紋的循環(huán)次數葉片實驗前狀態(tài)疲勞實驗條件[2]疲勞實驗結果平均應力（㎏/㎜2）交變應力（㎏/㎜2）循環(huán)次數（次）斷裂情況使用壽命為750小時38±214.46×105第二榫槽38±213.27×105第一榫槽38±212.1×105第一榫槽38±196.14×105第一榫槽36±183.14×105第一榫槽使用壽命為750小時后采用噴丸強化[1]38±21>1.0×107未出現斷裂40±21>1.0×107>1.0×107>1.0×107[1]疲勞實驗前第一榫槽壓應力為：-115㎏/㎜2；疲勞實驗后第一榫槽壓應力為：-65㎏/㎜2。[2]實驗溫度：550℃；振動頻率：～70次/秒。表七GH33渦輪葉片經250小時長期試車前后第一榫槽表面殘余應力的變化情況葉片使用和采用工藝情況試車前第一榫槽殘余壓應力（㎏/㎜2）試車后第一榫槽殘余壓應力（㎏/㎜2）使用706小時+第一榫槽“去層電拋光”+460小時長期試車+噴丸強化[1]-105-92使用706小時+噴丸強化+460小時長期試車-86-100-60-100[1]噴丸工藝參數：壓力：0.3MP距離：120㎜結論經歷40多年發(fā)展起來的噴丸強化處理工藝，使高強度合金的疲勞性能和抗應力腐蝕能力獲得了很大的