民用飛機(jī)鋁合金噴丸強(qiáng)化工藝研究

朱偉彬

摘 要：噴丸強(qiáng)化和成形工藝廣泛應(yīng)用于民用飛機(jī)零件制造過程中。針對其中鋁合金噴丸強(qiáng)化工藝，該文首先介紹了噴丸強(qiáng)化工藝的原理和作用，然后引出噴丸強(qiáng)化工藝流程，主要包括噴丸強(qiáng)度確定、彈丸選擇、噴丸設(shè)備、工藝規(guī)程及其注意事項(xiàng)、以及零件噴丸后的補(bǔ)加工等，最后對文中涉及的專業(yè)術(shù)語進(jìn)行了一定解釋。該文可用于指導(dǎo)民用飛機(jī)鋁合金零件設(shè)計時的噴丸強(qiáng)化工藝選擇，也可用于民用飛機(jī)鋁合金零件制造時的噴丸強(qiáng)化工藝使用。

關(guān)鍵詞：噴丸強(qiáng)化 彈丸 疲勞強(qiáng)度

中圖分類號：V264.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）05（c）-0095-01

1 噴丸強(qiáng)化簡介

噴丸是將一定直徑（通常為0.019～0.033英寸）的彈丸以一定的速度撞擊金屬表面的一種表面強(qiáng)化工藝。通過噴丸，可以在金屬表層中誘導(dǎo)出有利的殘余壓應(yīng)力，從而提高材料的抗應(yīng)力腐蝕開裂能力并改善材料的疲勞性能。

噴丸強(qiáng)化工藝在民用飛機(jī)零件制造中，主要應(yīng)用于機(jī)翼壁板、機(jī)翼梁、主起落架接頭、球面框或氣密端框緣條等疲勞載荷比較嚴(yán)重的地方。此外噴丸強(qiáng)化工藝也應(yīng)用于加工螺栓體和螺栓頭之間的圓角處以及其他零件的圓角上。但是它更加適用于形狀簡單的零件，不能廣泛用于形狀復(fù)雜的零件。

2 噴丸強(qiáng)化的原理和作用

噴丸是一個將高速運(yùn)動的彈丸連續(xù)不斷的向零件表面噴射的過程。彈丸流的噴射如同無數(shù)小錘向金屬表面錘擊，這就使金屬構(gòu)件表面層產(chǎn)生極為強(qiáng)烈的塑性變形，形成表面強(qiáng)化層。從應(yīng)力狀態(tài)來看，強(qiáng)化層內(nèi)部形成較高的殘余壓應(yīng)力；從組織結(jié)構(gòu)來看，強(qiáng)化層內(nèi)形成了密度極高的位錯，并且在隨后的交變應(yīng)力或溫度的作用下，位錯逐漸排列規(guī)則，形成更加微小的亞晶粒，噴丸強(qiáng)化層內(nèi)所具有的這種不同于心部的壓應(yīng)力狀態(tài)和組織結(jié)構(gòu)，是改善零構(gòu)件疲勞強(qiáng)度以及提高抗應(yīng)力腐蝕性能的兩個主要因素。

強(qiáng)化層內(nèi)的壓應(yīng)力和組織結(jié)構(gòu)并不是固定不變的。零構(gòu)件在長期承受交變應(yīng)力的過程中，一般來講，殘余應(yīng)力會逐漸的發(fā)生松弛，亞晶粒也會逐漸長大，甚至發(fā)生再結(jié)晶過程。在一般情況下，殘余壓應(yīng)力的消失速率和亞晶粒的長大速率取決于施加交變應(yīng)力的水平和溫度。應(yīng)力和溫度越高，二者的變化率越大，因此，噴丸強(qiáng)化零構(gòu)件在經(jīng)過一段時間的使用之后，為恢復(fù)其噴丸強(qiáng)化效果，往往需要再行噴丸強(qiáng)化。

飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的某些構(gòu)件為防止表面產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕而往往采用表面陽極化或其他鍍層。但是，陽極化或鍍層往往降低材料的疲勞強(qiáng)度。噴丸強(qiáng)化可以彌補(bǔ)由于采用保護(hù)層而帶來的疲勞性能方面的損失。必須指出，對薄構(gòu)件噴丸時，應(yīng)注意避免產(chǎn)生不平衡的殘余應(yīng)力；對包鋁板不應(yīng)使用噴丸強(qiáng)化，防止因噴丸而造成鋁層脫落，引起腐蝕。

3 噴丸強(qiáng)化工藝

3.1 噴丸強(qiáng)度的確定

實(shí)際生產(chǎn)通常根據(jù)零件的尺寸、形狀、力學(xué)性能、表面光潔度等情況，參照同類材料和零件的噴丸強(qiáng)度，選擇一種較為適宜的噴丸強(qiáng)度。噴丸強(qiáng)化后用零件作一定數(shù)量的對比試驗(yàn)，通常是疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)或應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)，加載力、周期、振幅等可參照零件的實(shí)際受力情況，例如在適當(dāng)?shù)慕蛔儜?yīng)力下比較未噴丸和噴丸零件（或試樣）的疲勞斷裂壽命，或者比較它們的疲勞強(qiáng)度極限。

3.2 彈丸的選擇

一般情況根據(jù)下述原則來選擇彈丸。

（1）鋁合金最好采用玻璃丸。

（2）對表面光潔度無嚴(yán)格要求的大型零件，可采用較大的彈丸以獲得較高的噴丸強(qiáng)度。

（3）對表面光潔度要求較高的零件，應(yīng)采用較小的彈丸，在保證具有足夠噴丸強(qiáng)度的同時，盡量滿足規(guī)定的光潔度要求。

（4）帶有內(nèi)外圓角、溝槽的零件，所選擇的彈丸直徑應(yīng)小于內(nèi)外圓角半徑以及溝槽的寬度。

3.3 噴丸設(shè)備

民用飛機(jī)零件制造中，通常采用三種類型的噴丸設(shè)備，它們是帶噴嘴的空氣增壓設(shè)備、離心輪噴丸設(shè)備和裝在氣鉆上的翼片輪手提式噴丸設(shè)備。后者主要用于返工噴丸處理。使用上述3種類型設(shè)備時，其彈丸流方向與零件表面法線方向之間的夾角均應(yīng)小于45°。固定式噴丸設(shè)備必須具備從彈丸源中剔除破碎或變形彈丸的能力。

3.4 噴丸工藝規(guī)程及注意事項(xiàng)

對零件噴丸前，應(yīng)先在廢料上試噴，以對彈丸進(jìn)行預(yù)處理，去除其尖銳的棱角，并用阿爾名試片來驗(yàn)證噴丸強(qiáng)度是否在所規(guī)定的范圍內(nèi)。彈丸必須呈球形，符合規(guī)定規(guī)格的彈丸數(shù)量應(yīng)占總量的80%以上。

對零件噴丸前，零件應(yīng)完成熱處理、無損檢測、尺寸檢查和表面光潔度測量以及硬度測試等所有工序。零件表面有涂層的，應(yīng)在噴丸前將其退去，并按工藝規(guī)范進(jìn)行清洗，務(wù)必清除表面的灰塵、油污、腐蝕物等。

對零件噴丸時，應(yīng)按工藝規(guī)范要求檢查噴丸強(qiáng)度和彈丸尺寸的均勻性，確保工藝參數(shù)的穩(wěn)定性。應(yīng)采用阿爾名試片來測量噴丸強(qiáng)度。為確保獲取100%的覆蓋率，采用10倍放大鏡來進(jìn)行目視檢查。

對零件噴丸時，由于彈丸的磨損和破碎，往往需要更換或補(bǔ)充新彈丸，這樣就出現(xiàn)了新舊彈丸搭配使用的比例問題。若使用鑄鐵或玻璃彈丸，可以直接向噴丸機(jī)內(nèi)補(bǔ)充新彈丸；若使用鋼絲切割的鋼彈丸，應(yīng)嚴(yán)格控制帶尖棱角的新彈丸的加入量，以保證合格彈丸的數(shù)量不少于80%。

對零件噴丸后，零件應(yīng)按工藝規(guī)范要求進(jìn)行防銹和防止物理損傷保護(hù)，經(jīng)噴丸處理的鋁零件，所能承受的最高溫度是225°F。噴丸后的零件不允許用機(jī)械方法校形。強(qiáng)化零件在以后的加工工序中如需要熱處理，為最大限度發(fā)揮殘余壓應(yīng)力的有利作用，在一般情況下，對鋁合金加熱溫度不應(yīng)超過100°C，以防止表面殘余壓應(yīng)力出現(xiàn)大幅度的松弛。強(qiáng)化后的零件表面需進(jìn)行磨削或切削加工時，在一般情況下，切削深度不應(yīng)超過0.02～0.05mm（具體的深度視噴丸強(qiáng)度酌情規(guī)定）。

3.5 補(bǔ)加工

如果必須從噴丸處理過的零件上取出部分材料，則應(yīng)遵守以下規(guī)定。

對于鋁合金，從零件表面上可去除的材料量最多可達(dá)阿爾名A試片弧高度的10%或阿爾名N試片弧高度的3%，例如噴丸強(qiáng)度為0.010A的低強(qiáng)度零件，允許去除的最大材料為0.001inch；

若缺陷的光飾打磨深度超出規(guī)定的限度，則應(yīng)對該部位重新噴丸。重新噴丸時，可采用裝在氣鉆上的旋轉(zhuǎn)翼片輪手提式設(shè)備。經(jīng)翼片輪重新噴丸處理的零件，可去除的材料量達(dá)阿爾名試片弧高度的8%或0.0005inch，視材料而定。不得進(jìn)行諸如校形、磨削、侵蝕（不包括清洗和陽極化處理）以及會降低或消除噴丸壓應(yīng)力甚至產(chǎn)生有害應(yīng)力的所有其他操作。

3.6 其他

噴丸工藝中經(jīng)常采用以下有特定含義的一些術(shù)語：

阿爾名試片——用來檢測噴丸強(qiáng)度的一種金屬平板料。

阿爾名試片的弧高度——在阿爾名試片的一側(cè)進(jìn)行噴丸時所產(chǎn)生的弧高度增量，所用測量單位為0.001inch，弧高度與噴丸強(qiáng)度呈正比。

壓坑——由各個撞擊金屬表面的彈丸所形成的局部小坑。

噴丸強(qiáng)度——衡量彈丸撞擊能量的一種尺度。

飽和狀態(tài)——表示噴丸時間增加100%而噴丸強(qiáng)度的提高量等于或小于10%這樣的一種狀態(tài)。

100%覆蓋率——表示在整個零件表面上獲取均勻且互相搭疊壓坑的一種狀態(tài)。

參考文獻(xiàn)

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