陶瓷彈丸噴丸強化工藝與質量控制在起落架制造技術中的應用研究

周　亮，王曉平，賈軍鋒，王　偉

(1.中國人民解放軍駐陜西飛機工業(yè)(集團)有限公司軍事代表室，陜西 漢中 723200；2.中航飛機股份有限公司 長沙起落架分公司，陜西 漢中 723200)

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陶瓷彈丸噴丸強化工藝與質量控制在起落架制造技術中的應用研究

周亮1，王曉平1，賈軍鋒1，王偉2

(1.中國人民解放軍駐陜西飛機工業(yè)(集團)有限公司軍事代表室，陜西 漢中 723200；2.中航飛機股份有限公司 長沙起落架分公司，陜西 漢中 723200)

摘要：在國內外陶瓷彈丸噴丸強化技術應用的基礎上，結合某型飛機起落架的研制生產，通過不同材料的產品，用不同規(guī)格的陶瓷、鑄鋼彈丸噴丸進行對比試驗，找出了噴丸強化對材料表面產生殘余壓應力的變化規(guī)律，以及強化效果與噴丸前表面狀態(tài)的關系。從而優(yōu)化了飛機起落架陶瓷彈丸噴丸的工藝參數(shù)，保證了過程質量受控，提高了產品壽命。

關鍵詞：陶瓷彈丸；噴丸強化；起落架；質量控制

飛機起落架是飛機的關鍵承力部件之一，既承受著飛機起落過程中極大的沖擊力作用，又具有特殊環(huán)境下的抗腐蝕能力；因此，對材料的性能、零件的設計及其制造工藝要求極高。據(jù)統(tǒng)計，60%～80%的起落架零件是由于疲勞破壞而失效的。由于大多數(shù)零件疲勞斷裂時的疲勞裂紋源在表面，為此，在起落架制造過程中采取了許多提高零件表面抗應力腐蝕、抗疲勞性能的技術，其中表面噴丸強化就是一種典型的工藝方法，噴丸強化后的產品如圖1所示。與其他表面強化工藝(例如滾壓、表面熱處理和表面化學熱處理等)相比，噴丸強化具有設備簡單、操作方便、適應面廣、節(jié)能省時、成本低廉和效果顯著的特點。該工藝已經在航空工業(yè)中得到了大量應用[1-2]。

圖1　起落架及零部件噴丸強化外觀

1國內外陶瓷彈丸噴丸強化技術應用情況

噴丸強化的彈丸種類較多，如鑄鋼彈丸、玻璃彈丸、陶瓷彈丸、鋼絲切割彈丸及滲碳鋼丸等。由于陶瓷丸的密度小(約是鑄鋼丸的1/2)，對材料噴丸強化時所采用的噴丸強度比鑄鋼丸的小，因此，陶瓷丸噴丸后對材料表面產生的殘余壓應力比鑄鋼丸的小。另外，陶瓷丸噴丸強化在環(huán)保、降本節(jié)能以及對噴丸設備的保護上具有顯著優(yōu)點，在國外已得到廣泛應用，如波音、空客和道蒂等各大航空公司對陶瓷噴丸強化工藝已有成熟的標準，并應用于各種材料(鈦合金、鋁合金和高強度鋼等)、各種零件(齒輪、輪轂、彈簧、剎車桿和扭力臂等)；在國內，對零件表面的噴丸強化，主要以鑄鋼彈丸噴丸強化為主。陶瓷噴丸技術尚處于起步階段，還沒有形成完整的工藝技術標準，采用陶瓷丸噴丸時，絕大多數(shù)用作清理工序，以清除鑄鋼丸噴丸時在零件表面上產生的鐵質粉塵污染物等。

2陶瓷彈丸噴丸強化工藝技術特點

TC18鈦合金、7050鋁合金、300M鋼及A100鋼等材料是現(xiàn)代長壽命、高性能飛機起落架主要承力構件的常用材料。由于材料成分、材料性能及其使用要求不同，有色金屬及超高強度鋼表面噴丸強化與普通碳鋼有所不同，常用的鑄鋼丸噴丸強化對其表面會造成一定的污染及損傷，必定對疲勞壽命產生不良的影響，使得材料未能充分發(fā)揮出其應有的性能水平。陶瓷彈丸及其噴丸工藝技術恰能彌補鑄鋼彈丸及其他彈丸噴丸強化帶來的缺陷。與其他彈丸噴丸強化相比，陶瓷彈丸噴丸強化具有如下優(yōu)點。

1)由于其化學惰性，陶瓷彈丸比其他彈丸可適用的材料更廣泛，幾乎所有材料的噴丸強化都可用陶瓷彈丸，尤其是鈦合金、鋁合金等怕鐵污染的金屬。

2)由于陶瓷丸密度小(約是鑄鋼丸的1/2)，硬度大，對材料噴丸強化時所采用的噴丸強度一般也比鑄鋼丸的小，因此，陶瓷彈丸噴丸后對材料表面產生的殘余壓應力也應小于鑄鋼丸。

3)在基體表面粗糙度相同的情況下，陶瓷丸噴丸能產生比鑄鋼丸噴丸更低的表面粗糙度值。

4)陶瓷彈丸由于其具有耐磨性好、破碎后的外觀呈光滑型等特點，60個循環(huán)后陶瓷彈丸只有極少數(shù)彈丸破碎，新舊陶瓷彈丸對比如圖2所示。破碎后的碎片保持原始的形狀，表面光滑，對設備損傷較小，對環(huán)境污染很小，使用成本較低。

圖2　新舊陶瓷彈丸對比

3典型材料噴丸強化對比

通過采用鑄鋼丸和陶瓷彈丸對300M鋼、A100鋼、7050鋁合金和TC18鈦合金等典型材料進行表面噴丸強化工藝對比，得出如下結論。

1)不同的零件材料，在相等或相近噴丸強度下，分別經鑄鋼丸和陶瓷丸噴丸后零件表面產生的殘余壓應力大小不同。對于超高強度鋼，鑄鋼丸與陶瓷丸產生的殘余壓應力相當；對于鈦合金和鋁合金，陶瓷丸能產生更大的殘余壓應力。

2)零件的表面狀態(tài)與噴丸強化效果關系較大。噴丸前表面粗糙度較小時，強化效果明顯，表面粗糙度較大時，強化效果與鑄鋼丸相當。而對于TC18鈦合金和7050鋁合金，當噴丸前表面粗糙度較小時，強化效果較明顯。

3)分別用鑄鋼彈丸、陶瓷彈丸對300M鋼材料試件進行噴丸，用Quanta600掃描電鏡(SEM)分析其形貌(見圖3和圖4)。從表面形貌角度分析，由于彈丸自身密度較高，沖擊力較大，鑄鋼彈丸噴丸更容易遮蓋機械加工的刀痕，但同時又會引入較深的彈坑，不利于提高零件的疲勞性能；使用陶瓷彈丸噴丸，選用較大的噴丸強度，既能遮蓋加工刀痕，又能保證較好的平整度，有利于發(fā)揮噴丸的強化作用[3]。

圖3　　　用鑄鋼彈丸噴丸后　　圖4　　　用陶瓷彈丸噴丸后　　　的表面形貌　　　的表面形貌

4噴丸工藝

通過上述研究分析，結合起落架的結構特點，對起落架零件陶瓷彈丸噴丸工藝從如下幾個方面進行控制。

1)技術文件。依據(jù)Q/6SZ 2287—2012A標準，編制陶瓷丸噴丸強化工藝規(guī)程。

2)設備。選用數(shù)控噴丸機RSM-50-MR-CS/SS-2-2011，該噴丸機具有鑄鋼(S230)和陶瓷(Z300)等2種彈丸的噴丸能力，也能對零件小孔及深孔進行噴丸，并具有實時監(jiān)控噴丸壓力、彈丸流量及故障自動檢測和報警等功能。

3)人員資質。針對新設備和新規(guī)范，對從事噴丸操作和檢驗的人員進行培訓，經過考核合格后持證上崗。

4)材料控制。噴丸所使用的彈丸、試片和篩網等符合相應的標準，具體見表1。但對零件的內圓角、溝槽等進行噴丸時，所選彈丸尺寸應小于噴丸區(qū)內最小圓角半徑的1/2；如果彈丸通過凹槽或縫隙才能噴到待噴表面時，其尺寸應小于開口寬度的1/4。彈丸表面應無灰塵、油污或其他污物。

表1　噴丸使用的彈丸、試片和篩網等技術條件

5)工藝流程。工藝流程如圖5所示，在第1組噴打試片檢查合格后，采用相同的設備、工藝參數(shù)完成零件及第2組試片的噴丸工作，并檢查2組試片弧高度值和覆蓋率是否一致[4]。

圖5　噴丸工藝流程圖

5質量控制

5.1材料

對于陶瓷噴丸中使用的試片、彈丸和篩網等材料應嚴格控制，即應經過入廠復驗合格后方能使用。

5.2設備

噴丸設備自動化控制程度越高，越能保證噴丸質量。應保證噴丸設備具有穩(wěn)定的噴丸強度和均勻的覆蓋率；具備去除破碎彈丸的分選裝置；并且能通過控制壓縮空氣調整壓力，推動干燥彈丸均勻流動；氣路系統(tǒng)裝有氣壓控制裝置和油水分離器，既能保證穩(wěn)定的彈丸流，還能抽風除塵，滿足環(huán)保要求。

5.3噴丸前準備

噴丸前零件應滿足工程圖樣或數(shù)模要求，同時應對噴丸區(qū)域的所有銳邊和尖角進行倒圓；所有熱處理、磨削、切削、磁力探傷或滲透以及硬度檢查均在噴丸前進行，并完成零件所有塑性變形的校正工作；噴丸前應對零件表面進行清洗，確保表面無油脂、污垢和灰塵等污染物。

5.4噴丸過程控制

每批零件在4 h內完成時，生產結束后至少要進行1次強度驗證；但若使用計算機控制和監(jiān)視噴丸設備進行噴丸強化工作時，生產結束后可不進行強度驗證。首批件噴丸應提供噴丸強度曲線，噴丸曲線應由原點和至少4點(第1點的時間為小于Almen試片100%覆蓋率所要求的時間，且至少有1點指示飽和狀態(tài)，還有1點的噴丸時間至少應是飽和點時間的2倍或以上)在弧高度-時間坐標圖中繪制出來(擬合曲線如圖6所示)，由此確定出飽和點，即噴丸強度。零件噴丸工藝參數(shù)與試片噴丸工藝參數(shù)相同，在進行零件噴丸強化前、后應分別進行1次試片噴丸，只有當2次試片噴丸的弧高度值、覆蓋率都合格時，才能認為產品噴丸強化合格。

圖6　噴丸強度的確定方法

5.5噴丸后控制

噴丸后清除零件表面上的彈丸和遮蔽物，原則上不能進行熱處理及其他與應力釋放有關的工序。噴丸后零件可采用噴丸成形和校正校形，當用其他方法校形時，校形后應進行滲透檢查。經過噴丸后的表面粗糙度Ra，可以通過輕珩磨、研磨、手工砂光或砂帶輪拋光的方法進行改善。

5.6不合格品控制

當零件噴丸前、后2次噴丸強度測定符合圖樣要求，則此2次檢測之間的零件為合格品；若最后噴丸強度未達到圖樣要求，允許按要求進行補噴，補噴后產品的覆蓋率可用10倍放大鏡觀察表面，需噴丸的部位表面均應被彈丸坑覆蓋，不應有漏噴；若有漏噴部位，允許進行補噴或局部補噴，覆蓋率檢測在一批中可隨機抽取3～5件，若抽檢發(fā)現(xiàn)漏噴后，第2次檢測時應加倍，再發(fā)現(xiàn)漏噴則應逐件進行檢驗。

6結語

綜上所述，可以得出如下結論。

The Applied Research of Ceramic Shot Peening Process and Quality Control in the Gear Manufacturing Technology

ZHOU Liang1, WANG Xiaoping1, JIA Junfeng1, WANG Wei2

(1.The Military Representative Office of Shaanxi Aircraft Industry (Group) Co., Ltd., Hanzhong 723200, China;2.AVIC Landing Gear Advanced Manufacturing Group Co., Ltd., Hanzhong 723200, China)

Abstract：The article finds out transformation rule and strengthened effect of residual compressive stress caused by shot peening strengthening on the surface of material, and the relationship with surface condition prior to peening, based on technical application of domestic and foreign ceramic shot peening strengthening, in combination with the development production of aircraft landing gear, and by test compared ceramic shot of different strength with different material. Thus, optimize process parameter of ceramic shot peening of aircraft landing gear to ensure process quality control to improve the product life.

Key words:ceramic shot peening, peening strengthening, landing gear, quality control

中圖分類號：TQ 174.5

文獻標志碼:A