飛機零部件修理過程中吹砂工藝條件的控制

李成龍，桑風(fēng)宏，肖凱

大連長豐實業(yè)總公司，遼寧 大連 116038

吹砂是利用凈化的壓縮空氣將剛玉砂(氧化鋁)、塑料顆粒、石英砂(二氧化硅)等砂料噴向零件表面，借助砂料強力的撞擊作用達(dá)到清理或裝飾的目的[1-2]。吹砂的主要作用為：第一，粗化材料表面，增大材料的比表面積，以提高后續(xù)膜層的附著力；第二，令金屬表面形成致密層，既能消除裂紋等表面缺陷，也能延長材料的再銹蝕期，但可能會影響探傷和表層品質(zhì)；第三，使金屬表面形成一定的壓應(yīng)力，抵消有害的拉應(yīng)力疲勞，達(dá)到表面強化的效果。應(yīng)根據(jù)零件材料、表面狀態(tài)和加工要求來選用不同粒度的砂料。飛機零部件修理常采用白剛玉砂和塑料丸作為砂料。剛玉吹砂的主要用途有：去除零件表面的銹蝕、焊渣、積碳、舊油漆層；去除鑄件、鍛件或熱處理后零件表面的氧化皮；去除零件表面的毛刺或方向性磨痕，降低零件的表面粗糙度，使零件呈漫反射消光狀態(tài)。塑料丸吹砂則主要用于各型飛機的高強度鋼、鋁合金、鎂合金、玻璃鋼等零件表面除漆。

從操作形式看，吹砂機可分為自動式和手動式。自動吹砂機對人操作技能的要求不高。手動吹砂設(shè)備需要操作者結(jié)合不同零件采用不同砂料、壓力和工裝進(jìn)行處理，同時存在人為因素的影響。從結(jié)構(gòu)看，吹砂機可分為吸入式和壓入式。吸入式吹砂機采用引入型噴槍，以壓縮空氣為動力，通過氣流的高速運動在噴槍內(nèi)形成負(fù)壓，吸入砂料，并送到噴槍口高速噴出。這類設(shè)備小型、結(jié)構(gòu)簡單，但生產(chǎn)效率較低，輸送單位質(zhì)量砂料所消耗的壓縮空氣量較大，因而多用于復(fù)雜形狀的中小型零件。壓入式吹砂機采用直射型噴槍，砂料與壓縮空氣在混合室內(nèi)混合后一起沿著軟管送至噴槍口高速噴出，其優(yōu)點是噴射力強、生產(chǎn)效率高，但設(shè)備比較復(fù)雜，更適用于大、中型零件。

目前，吸入式吹砂機已逐漸被壓入式吹砂機取代。但是，飛機修理中涉及的部分零件呈小批量、多品種的特征，有些還是形狀復(fù)雜的小尺寸、高精度零件，存在需要局部處理、退除困難的情況，還是需要采用吸入式吹砂機或便攜式吹砂機。本文主要針對飛機修理過程中不同零件的吹砂進(jìn)行試驗和分析，確定壓入式吹砂機的出砂壓力、接觸角度、吹砂距離、砂料目數(shù)、砂料形狀等技術(shù)參數(shù)，以滿足不同的處理要求，也為其他類似的工業(yè)吹砂應(yīng)用提供參考。

1 實驗

1.1 吹砂實驗

1.1.1 主要儀器

壓入式手動吹砂機(型號SJ-1515P-G、SJ-1010P-G、SJ-8080P-G、SJ-1515P-F)：湖北三江航天涂裝；S4800 型掃描電子顯微鏡：日立；Time3220 粗糙度測試儀：北京時代之峰科技；千分尺(精度0.001 mm)：長城精工。

1.1.2 吹砂工藝

研究試樣為?10 mm × 100 mm 的試棒、?15 mm × 10 mm 的試片及部分實際零件，其材質(zhì)包括：普通碳鋼45 鋼；較高強度鋼30CrMnSiA，高強度鋼30CrMnSiNi2A，超高強度鋼300M；低強度不銹鋼0Cr15Ni5Cu2Ti，高強度不銹鋼2Cr13、1Cr15Ni4Mo3N、0Cr16Ni6；軸承鋼GCr15；鈦合金TC6；鋁合金ZL116、LY12；鎂合金ZM5。

表1 列出了不同零件吹砂的砂料種類和目數(shù)、出砂壓力等參數(shù)。

表1 吹砂處理工藝條件Table 1 Sandblasting conditions

吹砂的注意事項如下：

1) 正式吹砂前，先調(diào)節(jié)壓力試噴，以保證出砂穩(wěn)定及壓力穩(wěn)定。

2) 根據(jù)不同零件的特征選用不同的設(shè)備進(jìn)行吹砂，鈦合金零件和不銹鋼零件不能與一般的鋼鐵零件共用一個砂箱。

3) 吹砂時，保持噴嘴與零件的待吹砂表面距離為150 ～ 250 mm，吹砂角度為45° ～ 80°，令噴槍與零件之間保持相對平穩(wěn)的移動，使工件表面均勻地受到砂料撞擊，禁止長時間集中于一處吹砂，盡量減少吹砂次數(shù)。

1.2 吹砂要求

1.2.1 外觀(日常檢查)

外觀屬于日常檢查項目。目視吹砂零件外表面，用5 ～ 10 倍的放大鏡檢查外部，或使用照明工具檢查零件內(nèi)表面，確認(rèn)不存在舊漆層、打傷、變形、銹蝕、殘砂、漏吹和其他污物，顏色應(yīng)均勻一致。

針對熱處理后需進(jìn)行硫酸銅試劑檢驗的不銹鋼零件，關(guān)鍵零件應(yīng)100%檢驗，其余零件進(jìn)行抽檢(100 件以上抽檢5%、50 ～ 100 件抽檢15%、50 件以下抽檢30%)。檢驗步驟為：先用壓縮空氣吹凈零件，再將硫酸銅試劑(由16 ～ 17 g/L CuSO4·5H2O 和5 ～ 6 mL/L 硫酸組成，有效期為2 周)擦拭在被測零件表面，6 min 后擦干，表面沒有銅析出表示合格。

1.2.2 尺寸和清理效果(周期性檢查)

由于批量生產(chǎn)時，吹砂結(jié)束后要快速轉(zhuǎn)交下道工序，無法像外觀那樣，對大量產(chǎn)品的尺寸精度和表面狀態(tài)進(jìn)行檢查，只能按批次檢查或者進(jìn)行周期性檢查。

1.2.2.1 尺寸公差

對于具有公差尺寸要求的零件，在正常工藝條件下首次吹砂后可不考慮零件尺寸。但對于多次返工吹砂處理的零件，尺寸變化會影響電鍍層或其他涂層的厚度。例如，高強度鋼鍍鎘層厚度為3 ～ 6 μm，那么吹砂前后的零件尺寸變化量不能超過3 μm(含測量誤差)，即1 ～ 2 μm 的尺寸變化量可以接受。

1.2.2 .2 表面粗糙度

對于具有表面粗糙度要求的零件，在吹砂后進(jìn)行全數(shù)檢驗不現(xiàn)實，可進(jìn)行抽檢。也可以按照電鍍工藝進(jìn)行鍍后控制檢測。當(dāng)吹砂、電鍍屬于同一部門或工序時，技術(shù)管控更易執(zhí)行。

1.2.2 .3 清理效果

目視檢查外觀較為單一，必要時可借助金相顯微鏡或者掃描電鏡來進(jìn)一步檢查清理效果，并基于此，分析吹砂對后續(xù)涂(鍍)層結(jié)合力的影響。該法也可作為分析涂(鍍)層結(jié)合力故障問題的手段之一。

每月進(jìn)行1 次綜合檢查，檢查項目包含尺寸公差變化、表面粗糙度變化和清理效果，根據(jù)檢查結(jié)果逆向控制工藝參數(shù)、設(shè)備操作和物料，并針對特殊零件，確定相應(yīng)的參數(shù)范圍。

2 結(jié)果與討論

2.1 吹砂對零件尺寸的影響

2.1.1 常規(guī)吹砂

按照表1 的工藝參數(shù)對各類零件進(jìn)行吹砂，然后檢測尺寸變化，未發(fā)現(xiàn)零件尺寸變化明顯的情況。實際生產(chǎn)時進(jìn)行抽樣檢查，也未出現(xiàn)因吹砂引起的金屬基體尺寸變化的現(xiàn)象，因此重點分析多次返工吹砂后試樣的尺寸變化情況。

2.1.2 多次返工吹砂

按照表1 對各類零件進(jìn)行多次吹砂，分析其相對于原始尺寸的變化情況，結(jié)果見表2。

表2 吹砂不同次數(shù)后不同材質(zhì)零件尺寸的減小量Table 2 Decrease in size of products made of different materials after being sandblasted for different times(單位：μm)

從表2 可知，除了低強度不銹鋼0Cr15Ni5Cu2Ti 外，其他金屬零件在經(jīng)歷2 次吹砂后尺寸并無明顯變化。3 次吹砂后，高強度鋼30CrMnSiNi2A 和300M 的尺寸略微減小(≤2 μm)，總體變化不大；強度較低的鋼制零件(如45 鋼)在經(jīng)歷4 次吹砂后，尺寸大幅降低，減小了大概20 μm；鈦合金經(jīng)歷3 次吹砂后尺寸也有所降低，但由于鈦合金具有較高的比強度，在第四次吹砂時尺寸才有明顯降低。

因此，在正常工藝條件下，為減小多次吹砂對零件尺寸的影響，一般鋼鐵件、不銹鋼件、鈦合金件都要盡量減少吹砂次數(shù)，因為多次表面處理返工或者表面有嚴(yán)重的氧化、銹蝕都會造成基體尺寸減小。另外，針對彈簧、薄板等易變形零件，還要控制好吹砂距離、壓力等參數(shù)，保證不因為吹砂力度較大而引起零件變形，甚至影響彈簧力值或者基體強化層的表面強度。

2.2 吹砂對零件表面粗糙度的影響

由于零件吹砂后的粗糙度變化對退漆、除銹、除膜等的影響較小，對電鍍、鈍化等的前處理影響較大，因此本次研究主要針對航空零件常用的30CrMnSiA、0Cr15Ni5Cu2Ti、30CrMnSiNi2A、GCr15 等材料(后兩種材料常用于精密鋼制件)進(jìn)行吹砂試驗，以研究吹砂對零件表面粗糙度的影響。

2.2.1 常規(guī)吹砂

實際生產(chǎn)時進(jìn)行抽樣檢查，未出現(xiàn)因吹砂引起表面粗糙度不合格現(xiàn)象，因此重點分析多次吹砂后材料表面粗糙度的變化情況。

2.2.2 多次返工吹砂

結(jié)合近年來的生產(chǎn)實踐，在工藝編制和工序設(shè)計時，對工件吹砂后的表面粗糙度(Ra)要求如下：

1) 新制件吹砂后的表面粗糙度允許降1 級，即Ra增大1 倍。

2) 返工零件或者從原機拆卸下來的舊制件在無二次機械加工的前提下，經(jīng)過除油、除銹、退鍍后，一般鋼鐵件吹砂后的表面粗糙度允許降2 級(即Ra增大2 倍)，而對于低強度不銹鋼、鈦合金零件，吹砂后的表面粗糙度不作特殊要求，能裝配即可。

選取4 種材料的高精度表面進(jìn)行多次吹砂，并檢測表面粗糙度Ra，結(jié)果列于表3。

表3 吹砂不同次數(shù)后不同材質(zhì)零件的表面粗糙度Table 3 Surface roughness of products made of different materials after being sandblasted for different times(單位：μm)

從表3 可知，較高強度鋼30CrMnSiA 和高強度鋼30CrMnSiNi2A 在每次吹砂后基本能夠保證表面粗糙度降低1 級；低強度不銹鋼0Cr15Ni5Cu2Ti 在第一次吹砂后表面粗糙度變化不大，這是因為0Cr15Ni5Cu2Ti 吹砂時采用了較小的壓力和較細(xì)的砂料(見表1 第7 項)，但這種低強度不銹鋼經(jīng)過多次吹砂后，表面粗糙度變化明顯；GCr15 屬于硬度較高的軸承鋼，較小的吹砂壓力和較細(xì)的砂料不會對其產(chǎn)生很大的影響，吹砂數(shù)次后Ra的變化都不大。

另外，控制零件鍍前的表面粗糙度也很關(guān)鍵，鍍前表面不夠光滑、平整，后期吹砂更加困難[3-4]。實際生產(chǎn)中，由于工序間防銹工作不到位而出現(xiàn)銹蝕、熱處理嚴(yán)重氧化等情況的話，都會使零件表面粗糙度不達(dá)標(biāo)。

2.3 吹砂工藝條件對清理效果的影響

在吹砂過程中，除了空氣壓力、砂料種類和目數(shù)，砂料純度、噴射角度、噴射距離等也會影響吹砂清理效果。適當(dāng)增大壓力、增大砂料粒度或縮短吹砂距離可以增強結(jié)合力，提高生產(chǎn)效率；吹砂過度也可能對零件精度和基體狀態(tài)產(chǎn)生影響。所以，控制這些影響因素尤為關(guān)鍵。下面以幾種材質(zhì)的零件為例進(jìn)行分析。

沉淀硬化不銹鋼1Cr15Ni4Mo3N 在熱處理后表面生成氧化層，這種氧化層不耐腐蝕，因此要采用表4 的方法清除。

表4 熱處理產(chǎn)生的氧化層的去除方法Table 4 Methods for removal of oxidation films formed during different heat treatments

實際生產(chǎn)中多數(shù)都通過吹砂來清除熱處理產(chǎn)生的氧化層，吹砂后采用硫酸銅試劑來檢測是否有鐵碳氧化物殘留。為保證清理效果，不銹鋼不能與鋼鐵件使用一個砂箱或同種砂料，吹砂的壓力可適當(dāng)加大，一般以0.3 MPa 為宜。

2.3.2 TC6 熱噴涂前吹砂

鍍鉻層、化學(xué)鍍鎳層及熱噴涂層都是硬質(zhì)層，對底層表面品質(zhì)的要求較高，否則容易出現(xiàn)結(jié)合力差的問題。圖1 是航空鈦合金TC6 熱噴涂碳化鎢后的表面形貌。從中可以看出，涂層間存在孔隙和孔洞。經(jīng)分析得知，零件吹砂采用的是大型設(shè)備，因吹砂過程出砂量不穩(wěn)定而采用了0.4 MPa 以上的空氣壓力、不超過100 mm的吹砂距離及接近90°的吹砂角度，造成少量剛玉砂留在鈦合金表面，雖然涂層結(jié)合力合格，但不夠連續(xù)致密，使涂層與基體間的孔隙增加。

圖1 鈦合金TC6 表面熱噴涂碳化鎢涂層的表面形貌Figure 1 Surface morphology of tungsten carbide coating sprayed on surface of TC6 titanium alloy

2.3.3 0Cr16Ni6 電鍍前吹砂

高精度不銹鋼0Cr16Ni6 電鍍前要進(jìn)行吹砂，以提高鍍層結(jié)合力。某0Cr16Ni6 工件在吹砂后，目視檢查表面氧化層已除凈，并且整體明顯變暗(見圖2a)，然而在電鍍銅、鎳后出現(xiàn)如圖2b 和圖2c 所示的起泡現(xiàn)象。經(jīng)分析得出，不銹鋼外表較光亮，尺寸精度較高(Ra≤0.4 μm，直徑方向的尺寸公差為0 ～ 0.01 μm)，吹砂時采用的空氣壓力較小(約0.15 MPa)，吹砂距離也較遠(yuǎn)(將近250 mm)，雖然吹砂后外觀變化明顯，但Ra變化不大，僅從0.4 μm 增大至0.5 μm。提高空氣壓力至0.25 MPa 并縮短吹砂距離到150 mm 進(jìn)行加強吹砂，電鍍后未再出現(xiàn)起泡，鍍層結(jié)合力滿足要求。

圖2 不銹鋼0Cr16Ni6 工件經(jīng)不同工藝處理后的外觀Figure 2 Appearance of parts made of 0Cr16Ni6 stainless steel after being treated by different processes

綜上可知，吹砂過程應(yīng)控制好空氣壓力及噴槍與零件的距離。若空氣壓力太低，達(dá)不到清理效果，影響電鍍結(jié)合力；若空氣壓力太高、噴槍與零件的距離太近，會造成零件尺寸降低，同時砂料破碎率會顯著上升，砂料尖角嵌入被噴物的概率升高，基體與鍍層間易出現(xiàn)砂料夾雜現(xiàn)象，造成砂料浪費。

綜上所述，對人感染H7N9禽流感病毒患者實施CPT可以改善肺臟氣體交換功能，改善機體缺氧狀態(tài)；俯臥位通氣可使患者肺水腫情況得到改善，最終改善ARDS患者的氧合；CPT和俯臥位通氣可明顯改善患者的肺部通氣與換氣功能，但對血流動力學(xué)未產(chǎn)生不利影響。由于本研究病例數(shù)少，胸肺物理治療以及俯臥位通氣對人感染H7N9禽流患者的肺功能的預(yù)防改善作用以及遠(yuǎn)期效果還需進(jìn)一步臨床研究證實。

2.4 工藝條件對零件結(jié)構(gòu)和底涂層的影響

2.4.1 砂料殘留

在飛機部附件修理過程中，由于很多零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各部件尺寸配合、關(guān)聯(lián)裝配，分解之后將很難恢復(fù)，整體分解也會產(chǎn)生不必要的周期浪費和次生品質(zhì)風(fēng)險，因此要盡可能地對部分區(qū)域進(jìn)行保護，對特定區(qū)域進(jìn)行表面處理，避免分解及重新組裝。吹砂工序同樣需要解決這樣的修理難題，吹砂前應(yīng)對標(biāo)牌、油孔、組合件縫隙、配合間隙、尺寸精密部位等非吹砂表面進(jìn)行保護，防止砂料顆粒進(jìn)入其中而產(chǎn)生系統(tǒng)污染或零件運轉(zhuǎn)卡滯。圖3 是飛機某型傳感器組件(吹砂后的狀態(tài))，內(nèi)部涉及電傳機構(gòu)和相關(guān)元件，外部整體有表面處理層和漆層。需要提前對端口和傳輸口進(jìn)行密封保護，才能通過吹砂去除外表面漆層。

圖3 飛機修理中的組合件吹砂Figure 3 Sandblasted assembly during aircraft repairing

另外，對于一些腐蝕情況復(fù)雜的零件，吹砂前要識別零件漆層厚度和腐蝕程度。首先對零件進(jìn)行整體吹砂，然后對漆層較厚、腐蝕程度較高的部位吹砂，減少對已吹凈部位的重復(fù)處理次數(shù)，也減少砂料對保護部位的沖擊，以防非吹砂部位防護失效。

2.4.2 底層破壞

在吹砂去除涂(鍍)層時，砂料必然會對基體金屬造成沖擊，這就需要選擇正確的砂料和壓力。若金屬表面存在電鍍層、陽極氧化層、噴涂層等涂(鍍)層，并且需要盡可能保留這些涂(鍍)層(飛機修理時允許不進(jìn)行底層的表面處理)，宜進(jìn)一步采取小型吹砂機(見圖4)。這種小型吹砂機可以對特定位置進(jìn)行壓力可變、砂料可切換的靈活處理。

圖4 小型吹砂機Figure 4 Portable small-sized sandblasting machine

飛機修理中很多支臂、托板都要保證在底層硬質(zhì)陽極化膜無大面積損傷的前提下退漆，可以采用吹塑料丸的方式進(jìn)行除漆。例如，飛機某型鋁合金掛梁導(dǎo)軌需要退除耐磨涂層，其底層是鋁合金硬質(zhì)陽極化膜，若采用大型壓入式吹砂機直接退膜，會損傷底層的硬質(zhì)陽極化膜(見圖5a 框線區(qū))，降低修理后的使用性能。這是由于壓入式吹砂機的吹砂效率較高，局部過度吹砂的情況難以避免。對此，可以先使用壓入式吹砂機對導(dǎo)軌整體進(jìn)行一遍簡單的吹砂，再采用小型吹砂機進(jìn)行手工定位吹砂(用46 目棕剛玉砂，壓力為0.2 ～ 0.3 MPa)，人為識別去除狀態(tài)，更易控制吹砂力度，減少吹砂對底層氧化膜的損傷，效果見圖5b 框線區(qū)。

圖5 吹砂退漆工藝改進(jìn)前(a)后(b)的效果Figure 5 Paint removal effectiveness before (a) and after (b) modification of sandblasting

2.5 工藝條件對批量生產(chǎn)進(jìn)度和品質(zhì)的影響

按照工藝文件，吹砂到電鍍的間隔時間有明確要求：對于抗拉強度在1 300 MPa 以上的高強度鋼，間隔時間一般不得超過1 h；對于允許鍍前活化的工件，不允許超過2 h。如未明確要求間隔時間，則視為連續(xù)生產(chǎn)過程，也就是吹砂后立即電鍍，間隔時間不超過1 h。但是，大批量生產(chǎn)中間隔時間的控制較為困難，吹砂工作應(yīng)分批進(jìn)行，保證吹砂設(shè)備有效運行，吹砂完畢盡快轉(zhuǎn)交下道工序，以縮短間隔時間、減少工序間污染。

實際生產(chǎn)時，采用自動壓入式吹砂機，結(jié)合吹砂自動生產(chǎn)線可以有效提高產(chǎn)能，但是該種方式更多適用于形狀規(guī)則、種類單一、批量較大的機械類零件，不適用于種類復(fù)雜的表面處理生產(chǎn)模式。對于“小批量、多品種”的生產(chǎn)，應(yīng)采用手動吹砂設(shè)備(如圖6 所示)。例如彈簧、螺栓、殼體等零件，電鍍前的吹砂應(yīng)采用較小的壓力(一般為0.2 ～ 0.3 MPa)，并需要操作人員在吹砂過程中頻繁檢查零件的吹砂狀態(tài)，這些都是自動吹砂設(shè)備無法實現(xiàn)的。

圖6 手動吹砂機Figure 6 Manual sandblasting machine

鈦合金、不銹鋼及一般鋼鐵件都需要專用砂箱、砂料分別處理，避免因混砂而影響吹砂效果。對于同時存在鋁合金、鋼鐵件混合材質(zhì)的組合件，應(yīng)該優(yōu)先選用塑料丸進(jìn)行吹砂，避免剛玉砂損傷有色金屬。另外，對于漆層較厚、形狀復(fù)雜等難以吹砂的零件，例如飛機輪轂、大殼體、搖臂等鋁合金件，可在吹砂前用鐵絲或不銹鋼網(wǎng)筐裝掛在退漆劑中浸泡退漆。浸泡初期，每10 ～ 15 min 檢查一次，不允許金屬表面出現(xiàn)腐蝕；漆層開始掉落或膨脹松軟時應(yīng)加強觀察，每2 min 至少檢查一次；當(dāng)大部分漆層膨脹、松軟時，取出零件，用自來水沖洗干凈，保證零件所有部位無退漆劑殘留后吹干，再對凹凸部位、個別特殊點進(jìn)行吹砂。如此可以在較大程度上提升生產(chǎn)進(jìn)度。

3 結(jié)論

1) 由于吹砂直接影響著工件的尺寸和粗糙度，應(yīng)盡量減少吹砂次數(shù)，不同材料多次吹砂的影響程度不同。

2) 壓力、吹砂距離和砂料粒度是影響吹砂效果的關(guān)鍵因素。為保證不同零件在通用條件下能夠同時進(jìn)行吹砂處理，必須通過實驗研究和生產(chǎn)實踐總結(jié)出合適的工藝參數(shù)并嚴(yán)格控制，定期結(jié)合零件和吹砂對象進(jìn)行工藝改進(jìn)。例如：相比于鋼鐵件，鈦合金電鍍前處理所用砂料應(yīng)更細(xì)(目數(shù)更大)；對薄壁件或易變形件吹砂要適當(dāng)降低壓力，以使工件保持外形；精密件吹砂所用的砂料足夠細(xì)小時，要適當(dāng)增大壓力，避免粗糙度不足而影響后續(xù)涂(鍍)層的結(jié)合力。

3) 對于吹砂退漆后需要保留底層涂層的零件，推薦采用吸入式小型吹砂機，并盡量選擇塑料丸等軟質(zhì)砂料；對于“小批量、多品種”的生產(chǎn)，宜采用手動吹砂設(shè)備。