陶瓷噴丸強(qiáng)化工藝在起落架構(gòu)件上的應(yīng)用

（中航飛機(jī)股份有限公司長(zhǎng)沙起落架分公司，長(zhǎng)沙 410200）

飛機(jī)起落架是飛機(jī)系統(tǒng)比較重要的部件之一，承擔(dān)著飛機(jī)運(yùn)行過(guò)程中三大重要任務(wù)，即飛機(jī)停機(jī)支撐、滑跑起飛、著陸制動(dòng)，每個(gè)環(huán)節(jié)都是非常重要的，基本囊括了飛機(jī)運(yùn)行中所謂的黑色13分鐘全部過(guò)程，其緩沖支柱部分具有較強(qiáng)的緩沖性能，吸收著陸及地面運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的撞擊和跳動(dòng)能量，改善飛機(jī)起飛著陸性能，尤其在起飛和降落過(guò)程中起落架承受較大載荷，因此選擇超高強(qiáng)度鋼作為主要承力件的加工材料，提高可靠性及使用壽命，保證飛機(jī)運(yùn)行安全。目前國(guó)內(nèi)飛機(jī)起落架主要承力件大量選用30CrMnSiNi2A、300M（40CrNi2Si2MoVA）、A-100鋼等超高強(qiáng)度鋼，起落架結(jié)構(gòu)如圖1所示；為避免制造過(guò)程中出現(xiàn)的表面殘余拉應(yīng)力或局部的加工缺陷等敏感應(yīng)力源，零件設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中采取大量的先進(jìn)技術(shù)，盡可能降低應(yīng)力影響因素，如噴丸強(qiáng)化、金剛石擠壓、整體鍛件加工、真空熱處理、碳氮化處理、表面完整性加工、電鍍工藝應(yīng)用以及表面防護(hù)等一系列技術(shù)，其中噴丸強(qiáng)化工藝簡(jiǎn)單，實(shí)施過(guò)程成本相對(duì)較低，且在提高零件的使用壽命上效果非常顯著，航空工業(yè)應(yīng)用非常普遍。該工藝就是通過(guò)一定的壓力向零件表面噴射彈丸，使零件表面形成一定的壓應(yīng)力，也就是利用噴丸后表面塑性變形層內(nèi)的殘余壓應(yīng)力場(chǎng)和變形的顯微組織，改善金屬材料的疲勞斷裂抗力和應(yīng)力腐蝕（氫脆）斷裂抗力，以達(dá)到充分發(fā)揮金屬材料潛能的目的[1]。

圖1 飛機(jī)起落架系統(tǒng)主要承力零部件Fig.1 Main bearing parts of aircraft landing gear

噴丸強(qiáng)化工藝所用彈丸種類較多，在國(guó)內(nèi)，主要以鑄鋼丸為主，近年來(lái)，隨著產(chǎn)品表面質(zhì)量和疲勞壽命要求的不斷提高，以及國(guó)家對(duì)自然環(huán)境保護(hù)等重視程度的提高，利用原有鑄鋼丸等彈丸進(jìn)行噴丸強(qiáng)化后所形成的有益的殘余壓應(yīng)力、產(chǎn)品表面完整性等都存在較大差距和不足，尤其是對(duì)產(chǎn)品本身表面造成污染，影響其使用性能。與鑄鋼丸相比，陶瓷丸（見(jiàn)圖2）具有環(huán)保、噴打破損率低、強(qiáng)化效果好、噴丸后對(duì)零件表面產(chǎn)生的形變小、對(duì)噴丸零件表面不會(huì)造成鐵元素污染等優(yōu)點(diǎn)，成為當(dāng)今強(qiáng)化工藝技術(shù)行列發(fā)展前景較好的工藝技術(shù)，目前已經(jīng)開(kāi)始在飛機(jī)起落架主要承力構(gòu)件上得到了初步應(yīng)用，成為噴丸強(qiáng)化工藝技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)[2]。與普通彈丸相比：使用陶瓷丸噴丸的材料更廣泛；幾乎不磨損，使用效率高，成本低；破碎率低，破碎后的碎片保持原始的形狀，表面光滑，對(duì)設(shè)備損傷較??；不會(huì)對(duì)零件表面造成污染，不降低強(qiáng)化效果，對(duì)環(huán)境不造成任何污染等，可用于HRC 60左右的零件表面噴丸。成分如表1所示，應(yīng)為高質(zhì)量的氧化鋯和二氧化硅。

圖2 陶瓷丸Fig.2 Ceramic balls

表1 陶瓷彈丸所含成分的含量（質(zhì)量百分比）%

2 噴丸工藝試驗(yàn)

2.1 設(shè)備

RSM-50-MR-CS/SS-2-2011數(shù)控噴丸機(jī)。具有鑄鋼（S230）和陶瓷（Z300）兩種彈丸的噴丸能力，也能對(duì)零件小孔及深孔進(jìn)行噴丸，并具有實(shí)時(shí)監(jiān)控噴丸壓力、彈丸流量及故障自動(dòng)檢測(cè)和報(bào)警等功能。噴丸技術(shù)室規(guī)格： 3000mm×1500mm×3200mm；內(nèi)孔：φ50～φ250mm，孔深 1～2m；

噴丸所使用的彈丸、篩網(wǎng)等標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 噴丸所使用的材料以及相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)

2.2 工藝試驗(yàn)

評(píng)價(jià)噴丸強(qiáng)化工藝的指標(biāo)是多方面的，例如噴丸實(shí)施前后表面粗糙度，表面污染、殘余應(yīng)力值等，這些因素或多或少影響著產(chǎn)品最終的性能。本文主要關(guān)注鑄鋼丸、陶瓷丸及兩者復(fù)合噴丸3種工藝下形成的表面殘余應(yīng)力的變化，進(jìn)而確定其工藝的先進(jìn)性。3種工藝試驗(yàn)項(xiàng)目如表3所示。殘余應(yīng)力是指沒(méi)有外力或其他外部因素時(shí)，存在于機(jī)械零件內(nèi)部且處于平衡狀態(tài)的應(yīng)力，金屬零件經(jīng)過(guò)各種冷熱加工，例如鑄造、鍛造、焊接、熱軋、冷拉和切削加工、熱處理等，都能產(chǎn)生分布各異的殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力顯著影響機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度、加工精度和抗腐蝕能力等性能。殘余應(yīng)力對(duì)疲勞強(qiáng)度有決定性的意義。零件表面呈殘余壓應(yīng)力時(shí)，能大大提高疲勞強(qiáng)度，反之表面為拉應(yīng)力，則又明顯降低疲勞強(qiáng)度[3]。噴丸強(qiáng)化就是提高表面壓應(yīng)力，通過(guò)工藝方法提高產(chǎn)品壽命的行之有效的措施之一。

表3 3種工藝試驗(yàn)

2.2.1 噴丸要求

噴丸工藝實(shí)施前首先噴打模擬件，噴丸模擬件如圖3（a）、（b）所示。

通過(guò)模擬噴丸，檢查試片的弧高值、覆蓋率（首批零件噴丸時(shí)應(yīng)繪制飽和曲線），噴丸后檢查零件表面狀態(tài)、覆蓋率，并再次進(jìn)行模擬噴丸，檢查試片的弧高值及覆蓋率是否變化，從而驗(yàn)證在兩次模擬噴丸之間對(duì)零件進(jìn)行噴丸的質(zhì)量。鑄鋼丸每連續(xù)噴丸8h，按噴打零件的參數(shù)再次噴打Almen試片驗(yàn)證噴丸指標(biāo)值；陶瓷丸每連續(xù)噴丸4h，按噴打零件的參數(shù)再次噴打Almen試片驗(yàn)證噴丸指標(biāo)值。

2.2.2 3種工藝對(duì)應(yīng)力場(chǎng)的影響

圖4是3種不同工藝下經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)獲取的對(duì)殘余應(yīng)力場(chǎng)影響的曲線圖，由圖示可知，噴丸強(qiáng)化后，表面均為殘余壓應(yīng)力分布，由于鑄鋼彈丸密度較大，噴丸過(guò)程中，彈丸的沖擊能量較多轉(zhuǎn)變?yōu)椴牧蟽?nèi)部的彈性能量而儲(chǔ)存起來(lái)，形成了較大的表面殘余壓應(yīng)力。

圖3 噴丸模擬件Fig.3 Shot peening simulator

圖4 不同噴丸介質(zhì)對(duì)殘余應(yīng)力場(chǎng)的影響Fig.4 Influence of different shot peening medium on the residual stress field

試驗(yàn)過(guò)程通過(guò)XStress3000應(yīng)力儀對(duì)高強(qiáng)鋼在不同噴丸參數(shù)下噴丸產(chǎn)生的殘余應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量。噴丸產(chǎn)生的殘余應(yīng)力場(chǎng)為壓應(yīng)力場(chǎng)，并且存在以下4個(gè)特征參數(shù)：表面殘余應(yīng)力σrs、最大殘余壓應(yīng)力σrm、最大殘余壓應(yīng)力深度Zm和殘余壓應(yīng)力深度Z。不同噴丸工藝所測(cè)得的殘余壓應(yīng)力場(chǎng)，特征參數(shù)列于表4中。噴丸產(chǎn)生的殘余應(yīng)力場(chǎng)中，表面殘余壓應(yīng)力并不是最大值，最大殘余壓應(yīng)力位于距離表面一定深度處，并且殘余壓應(yīng)力場(chǎng)具有一定的梯度關(guān)系，在一定深度處由壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力[4]。

表4 噴丸殘余應(yīng)力場(chǎng)特征參數(shù)

由表4測(cè)得的不同噴丸工藝殘余應(yīng)力場(chǎng)特征參數(shù)可以看出，二次噴丸工藝具有最高的表面殘余壓應(yīng)力，而陶瓷彈丸噴丸具有最高的最大殘余壓應(yīng)力值，3種工藝的殘余壓應(yīng)力場(chǎng)深度相當(dāng)，均約為300μm。

3 結(jié)束語(yǔ)

陶瓷噴丸工藝的工程化應(yīng)用是在某課題研究基礎(chǔ)之上，通過(guò)大量的工藝驗(yàn)證，通過(guò)研究以及試驗(yàn)件的試加工鑒定，從而實(shí)現(xiàn)具體的工程化應(yīng)用。該工藝的工程化應(yīng)用達(dá)到了三方面的效果，其一，打破了長(zhǎng)期使用鑄鋼丸等普通彈丸噴丸強(qiáng)化工藝，有助于提高承力構(gòu)件疲勞強(qiáng)度，為研制長(zhǎng)壽命起落架增添有效的工藝技術(shù)；其次，該工藝在國(guó)外已有幾十年的成熟應(yīng)用，但其核心技術(shù)嚴(yán)禁封鎖，此工藝的工程化應(yīng)用將大大縮小在表面強(qiáng)化工藝行業(yè)與國(guó)外的差距；最后，因陶瓷丸硬度高、環(huán)保性能好，對(duì)零件及環(huán)境污染小，適合綠色環(huán)保項(xiàng)目要求，也是先進(jìn)制造工藝項(xiàng)綠色環(huán)保方面發(fā)展的典型之一[5]。

但同時(shí)由于陶瓷彈丸是一種新型彈丸，國(guó)內(nèi)有關(guān)的研究報(bào)道及應(yīng)用情況較少，與鑄鋼彈丸相比，其密度小、噴丸過(guò)程中使用的噴丸強(qiáng)度也相對(duì)較小，對(duì)材料表面質(zhì)量及試驗(yàn)件疲勞壽命的影響也有所不同，因此，需對(duì)陶瓷彈丸噴丸強(qiáng)化做各方面詳細(xì)的研究：

（1）對(duì)陶瓷彈丸與鑄鋼彈丸噴丸強(qiáng)化機(jī)理性原因做更詳細(xì)的研究對(duì)比，如噴丸強(qiáng)化對(duì)試驗(yàn)件表面殘余應(yīng)力、疲勞壽命關(guān)系做系統(tǒng)的研究，為設(shè)計(jì)、噴丸工藝提供指導(dǎo)性資料；

（2）由于陶瓷彈丸尺寸可以做得更小，可以對(duì)某些螺紋根部R進(jìn)行噴丸強(qiáng)化。因此，研究陶瓷彈丸對(duì)螺紋進(jìn)行噴丸強(qiáng)化與螺紋滾壓強(qiáng)化做對(duì)比，將為螺紋強(qiáng)化工藝提供更多選擇方式的可能。

（3）研究鑄鋼彈丸與陶瓷彈丸噴丸強(qiáng)化對(duì)試驗(yàn)件抗應(yīng)力腐蝕性能的對(duì)比，將具有重要的意義。

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