渦輪轉(zhuǎn)子支撐錐壁噴丸工藝研究

佟京澤++宋建偉++孟震威++陳征

摘 要：作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的熱端部件之一，渦輪轉(zhuǎn)子占據(jù)極其重要的地位。渦輪轉(zhuǎn)子工況惡劣，受力復(fù)雜，故要求其材料要具備高拉伸強(qiáng)度，高屈服強(qiáng)度，使其在高溫高壓下正常穩(wěn)定運(yùn)行。低壓渦輪轉(zhuǎn)子支撐錐壁是航空發(fā)動(dòng)機(jī)上重要的零組件之一，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，承受多種機(jī)械載荷和熱載荷，因此必須保證支撐錐壁零件具備高可靠性，一旦零件失效后果不堪設(shè)想。噴丸強(qiáng)化是目前國(guó)內(nèi)外使用最廣泛的抗疲勞表面強(qiáng)化技術(shù)之一，文章研究低壓渦輪轉(zhuǎn)子支撐錐壁的噴丸工藝過(guò)程。

關(guān)鍵詞：工藝路線；疲勞壽命；數(shù)控編程；噴丸工藝

中圖分類(lèi)號(hào)：TK47 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）27-0055-02

引言

作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的熱端部件之一，渦輪轉(zhuǎn)子占據(jù)極其重要的地位。渦輪轉(zhuǎn)子工況惡劣，受力復(fù)雜，故要求其材料要具備高拉伸強(qiáng)度，高屈服強(qiáng)度，從而使其在高溫高壓下能正常穩(wěn)定運(yùn)行。新機(jī)的研制，給渦輪部件的材料提出了更高的要求，對(duì)其材料機(jī)械加工特性的研究也變得日趨迫切。低壓渦輪支撐錐壁是航空發(fā)動(dòng)機(jī)重要的零部件，承受著十分復(fù)雜的熱載荷和機(jī)械載荷。支撐錐壁聯(lián)接著渦輪葉盤(pán)與渦輪軸，其型面型腔數(shù)量眾多且難以加工，結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，且制造周期較長(zhǎng)，因此必須保證零件可靠性避免零件失效，航空零部件80%以上失效是由于疲勞失效造成的。噴丸是一種通過(guò)用金屬丸粒不停地撞擊金屬表面從而在其上產(chǎn)生殘留壓應(yīng)力層和冷作硬化來(lái)改進(jìn)金屬的性能的冷加工過(guò)程。這種特種工藝可以提高零件疲勞壽命，增強(qiáng)其可靠性。

1 噴丸工藝原理

噴丸強(qiáng)化工藝是一種表面處理工藝方法，它通過(guò)用金屬丸粒不停地撞擊金屬表面從而在其上產(chǎn)生殘留壓應(yīng)力層同時(shí)又因?yàn)槔鋽D壓使零件表面冷作硬化。殘余壓應(yīng)力可消除零件因機(jī)加、熱處理等環(huán)節(jié)產(chǎn)生的殘余拉應(yīng)力，而冷作硬化使零件的強(qiáng)度有所提高。晶粒晶格的畸變使零件不易產(chǎn)生裂紋擴(kuò)展，從而能顯著提高零件抗疲勞性能和抗應(yīng)力腐蝕能力，延長(zhǎng)零件使用壽命。

噴丸強(qiáng)化是一種冷加工工藝，對(duì)于噴丸強(qiáng)化的效能評(píng)定來(lái)說(shuō)噴丸強(qiáng)度、表面覆蓋率和粗糙度都是較為重要的考察項(xiàng)，在這些技術(shù)要求中又以噴丸強(qiáng)度最為關(guān)鍵也最難控制。實(shí)際加工中零件的噴丸強(qiáng)度值受到十余種工藝參數(shù)的影響，包括壓縮空氣壓力、流量、彈丸材質(zhì)、噴嘴類(lèi)型及尺寸、噴射角度等等，這其中細(xì)小的變化也會(huì)相應(yīng)的改變噴丸強(qiáng)化的最終效果。對(duì)于噴丸強(qiáng)化工藝來(lái)說(shuō)，必須嚴(yán)格監(jiān)控各參數(shù)的變化，為了簡(jiǎn)化噴丸工藝中過(guò)程的控制，在對(duì)同一部位進(jìn)行噴丸強(qiáng)化加工時(shí)，可以將噴射角度、彈丸、噴嘴等參數(shù)進(jìn)行固化，而僅通過(guò)調(diào)整空氣壓力和彈丸的流量以及加工時(shí)間等幾個(gè)因素來(lái)保證噴丸效果的穩(wěn)定。

2 渦輪轉(zhuǎn)子支撐錐壁的工藝性分析及工藝方法的確定

2.1 零件特點(diǎn)及設(shè)計(jì)要求

低壓渦輪轉(zhuǎn)子支撐錐壁表面分為噴丸區(qū)、任意噴丸區(qū)、禁噴區(qū)，所涉及零件特征：型腔、型面、內(nèi)孔、里沿。該零件是一個(gè)典型的復(fù)雜型面盤(pán)型零件，零件的最大外圓大于Φ750mm，型腔淺但是所處位置較深，數(shù)量較多，且形狀復(fù)雜，加工孔數(shù)多，對(duì)噴丸工藝技術(shù)要求較高。

2.2 工藝準(zhǔn)備及特種工藝工序的安排

在噴丸工序之前，需完成零件相關(guān)尺寸特性等所有機(jī)械加工工序，之后根據(jù)工廠現(xiàn)有設(shè)備條件，采用數(shù)控噴丸機(jī)對(duì)零件進(jìn)行噴丸。在接收零件后指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)操作人員按工藝規(guī)程對(duì)零件進(jìn)行清理，按規(guī)程標(biāo)注區(qū)域?qū)α慵系慕麌妳^(qū)進(jìn)行保護(hù)。通常禁噴區(qū)的保護(hù)分為兩種方式，對(duì)于大批量的產(chǎn)品一般通過(guò)專(zhuān)用遮擋工裝對(duì)其進(jìn)行保護(hù)，對(duì)于研制件或件數(shù)較少的產(chǎn)品一般采用專(zhuān)門(mén)的保護(hù)膠帶對(duì)零件進(jìn)行保護(hù)，本次采用的是專(zhuān)用保護(hù)膠帶對(duì)零件進(jìn)行保護(hù)。

2.3 工藝路線的確定

2.3.1 工序路線的安排

轉(zhuǎn)子支撐錐壁噴丸的工藝路線為：

接收零件→零件保護(hù)→錐壁定點(diǎn)試片噴丸→錐壁移動(dòng)試片噴丸→錐壁一面定點(diǎn)噴丸→錐壁一面移動(dòng)噴丸→錐壁一面補(bǔ)充噴丸→錐壁二面定點(diǎn)噴丸→錐壁二面移動(dòng)噴丸→錐壁內(nèi)腔試片噴丸→錐壁內(nèi)腔噴丸→清理→最終檢驗(yàn)

低壓渦輪轉(zhuǎn)子支撐錐壁是發(fā)動(dòng)機(jī)中的結(jié)構(gòu)支撐部件，其對(duì)抗疲勞性能要求較為嚴(yán)格，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)其噴丸工藝路線分為第一面定點(diǎn)噴丸，第一面移動(dòng)噴丸，第二面定點(diǎn)噴丸，第二面移動(dòng)噴丸，小孔噴丸，再根據(jù)噴丸路線編制對(duì)應(yīng)的試片噴丸工序。

2.3.2 型面型腔噴丸過(guò)程

先將噴丸試片通過(guò)專(zhuān)用夾具安裝在數(shù)控噴丸機(jī)上，之后通過(guò)試片程序?qū)ζ溥M(jìn)行噴丸，根據(jù)試片結(jié)果進(jìn)行弧高度曲線的劃定并根據(jù)圖紙要求，確定了噴射角度，彈丸流量，空氣壓力，噴丸時(shí)間或噴丸次數(shù)，其余相關(guān)參數(shù)由數(shù)控噴丸機(jī)固化，在對(duì)應(yīng)零件部位的試片噴丸之后立即進(jìn)行對(duì)該部位的噴丸工序，轉(zhuǎn)子支撐錐壁的輻板部位面積大，要求噴丸表面覆蓋均勻，在本次過(guò)程中采用移動(dòng)式噴丸的方式，通過(guò)程序控制噴嘴沿零件型面移動(dòng)，同時(shí)保持各項(xiàng)工藝參數(shù)不變，完成對(duì)零件大面積、長(zhǎng)距離、型面結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單部位的噴丸。零件的細(xì)小型腔部位，采用定點(diǎn)噴丸的方式對(duì)其進(jìn)行噴丸。由于零件內(nèi)部復(fù)雜，存在著相互遮擋問(wèn)題，腔體里側(cè)丸粒無(wú)法觸及等問(wèn)題，本次主要通過(guò)編制數(shù)控程序與手動(dòng)操作相結(jié)合以示教的方式對(duì)難以觸及的型腔進(jìn)行逐次逼近，記錄每次的位置點(diǎn)，根據(jù)位置點(diǎn)進(jìn)行程序編制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)第一面與第二面的噴丸，如圖1、2所示。

2.3.3 小孔噴丸過(guò)程

根據(jù)設(shè)計(jì)要求需要對(duì)支撐錐壁眾多加工孔進(jìn)行噴丸，通常小孔噴丸的方法分為兩種情況：第一、在孔外側(cè)用噴嘴直接噴丸，當(dāng)孔直徑大于孔深時(shí)，可以從孔的側(cè)面進(jìn)行噴丸，因每次只能?chē)姷娇椎?/4面積，所以要對(duì)孔進(jìn)行4個(gè)方向噴丸。當(dāng)孔直徑小于孔深但孔深小于二倍孔直徑并且是通孔時(shí)，采用外噴嘴噴丸時(shí)要從孔的兩側(cè)進(jìn)行噴丸，但也要對(duì)孔進(jìn)行4個(gè)方向噴丸，左右方向噴丸，前后也要進(jìn)行噴丸，才能達(dá)到完全覆蓋，為提高效率，也可以采用4個(gè)噴嘴在孔的4個(gè)方向同時(shí)進(jìn)行噴丸。第二、在孔內(nèi)側(cè)采用反射式噴嘴進(jìn)行噴丸，在通孔的任一端放置一個(gè)反射式噴嘴，將其伸入小孔可以對(duì)通孔內(nèi)徑進(jìn)行噴丸，為了獲得均勻的覆蓋率有時(shí)需要旋轉(zhuǎn)式反射噴嘴。本次采用第一種方式對(duì)轉(zhuǎn)子支撐錐壁加工孔進(jìn)行噴丸。

3 結(jié)束語(yǔ)

在10倍放大鏡下，對(duì)零件的噴丸后表面進(jìn)行了細(xì)致的檢查，噴丸后的形貌均勻，覆蓋率達(dá)到設(shè)計(jì)要求，通過(guò)檢查噴丸試片及對(duì)應(yīng)的弧高度曲線，證明噴丸工藝參數(shù)滿足圖紙要求，制定的工藝路線正確合理，順利完成了低壓轉(zhuǎn)子支撐錐壁的噴丸工序，保證零件加工噴丸區(qū)域的要求和技術(shù)條件。噴丸處理后表面形成殘余壓應(yīng)力層和冷作硬化可對(duì)零件表面強(qiáng)化，同時(shí)也可以破碎機(jī)械加工的刀痕，減小缺口敏感性，從而有效提高零件抗疲勞強(qiáng)度，一般可提高疲勞壽命1-3倍，甚至可提高幾十倍。

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