淺談某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片榫頭噴丸強(qiáng)化工藝裝備的改進(jìn)與應(yīng)用

趙方

（海翔機(jī)械廠，河北 邯鄲 057150）

1 概述

葉片是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件，在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、停止或狀態(tài)變化時(shí)，葉片要承受氣體負(fù)載、質(zhì)量慣性力、熱載荷和多種循環(huán)載荷，在這種高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速和交變負(fù)荷的極端惡劣條件下還要保持穩(wěn)定可靠的性能。航空發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片每分鐘轉(zhuǎn)速約為15000rpm，此時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)葉片的離心力相當(dāng)于葉片重量的10000倍。即航空發(fā)動(dòng)機(jī)1個(gè)葉片榫頭（工作葉片和渦輪盤相連的部分）要承受的離心力約15t，極易產(chǎn)生疲勞破壞，其疲勞壽命直接決定了發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命，因此對(duì)葉片進(jìn)行延壽強(qiáng)化處理顯得尤為重要。

葉片榫頭噴丸強(qiáng)化就是延壽強(qiáng)化處理的一種方式，主要是利用壓縮空氣將大量的鑄鋼丸噴射到榫頭的工作面上，在其表面積累大量壓應(yīng)力，使榫頭工作面在交變疲勞應(yīng)力下裂紋萌生和擴(kuò)展的勢(shì)壘提高，提高了抗腐蝕破壞和疲勞破壞的能力。另外，在噴丸強(qiáng)化過(guò)程中，榫頭表層組織在彈丸的大力打擊下會(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，表層組織細(xì)化、殘余應(yīng)力值提高，可大大提高工件的疲勞強(qiáng)度。

2 背景

2.1 設(shè)備現(xiàn)狀

工廠現(xiàn)有2臺(tái)手動(dòng)噴丸機(jī)（內(nèi)循環(huán)艙式普壓噴丸機(jī)），一臺(tái)噴丸機(jī)為固定噴槍式，即1把噴槍固定在機(jī)艙內(nèi)的支架上，工作時(shí)，操作者手持葉片（葉身通過(guò)專用工裝保護(hù)），通過(guò)不斷調(diào)整噴槍口與榫頭工作面之間的距離和角度，或移動(dòng)、或翻轉(zhuǎn)葉片來(lái)實(shí)現(xiàn)榫頭的噴丸強(qiáng)化處理；另一臺(tái)噴丸機(jī)為手持噴槍式，工作時(shí)，通過(guò)專用工裝將葉片葉身保護(hù)并固定到機(jī)艙內(nèi)的旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)上，操作者手持噴槍，不斷調(diào)整噴槍口與榫頭工作面之間的距離和角度，通過(guò)直射或掃射來(lái)完成榫頭的噴丸強(qiáng)化處理。

2.2 存在問(wèn)題

（1）葉片榫頭噴丸強(qiáng)化質(zhì)量參差不齊

葉片榫頭工作面的噴丸強(qiáng)化要求為噴丸強(qiáng)度在0.13～0.18A之間，采用30倍放大鏡法檢測(cè)工作面強(qiáng)化的覆蓋率≥100%。葉片榫頭工作面為不規(guī)則形狀（葉片噴丸部位如圖1、2所示，榫頭工作面為區(qū)域），操作者手持噴槍或葉片進(jìn)行榫頭表面的噴丸強(qiáng)化時(shí)，需要操作者依靠視覺(jué)判別噴槍口與榫頭工作面的相對(duì)距離（如圖3所示）和夾角（如圖4所示），并在三維空間內(nèi)做出手動(dòng)調(diào)整，以確保噴丸強(qiáng)度值在工藝要求范圍內(nèi)，對(duì)操作者操作手法有較高的要求，容易出現(xiàn)漏噴區(qū)域和反復(fù)噴射區(qū)域。另外相對(duì)移動(dòng)速度和噴射時(shí)間長(zhǎng)短等因素也在一定程度上，影響榫頭的噴丸質(zhì)量，綜上所述，多種人為操作因素的不穩(wěn)定性，造成了葉片榫頭噴丸強(qiáng)化質(zhì)量參差不齊。

圖1 葉片外形示意圖

圖2 葉片噴丸強(qiáng)化區(qū)域

圖3 噴嘴與工作面的距離

圖4 噴嘴與工作面的夾角

（2）葉片榫頭噴丸強(qiáng)化效率低

隨著工廠某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)展小批量修理后，噴丸工序的生產(chǎn)任務(wù)量加重，某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)單臺(tái)高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片為614件，按照原有工藝方法，每次對(duì)1個(gè)葉片榫頭進(jìn)行噴丸強(qiáng)化，單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片榫頭噴丸強(qiáng)化工序的生產(chǎn)周期約為2個(gè)工作日，效率較低，不能滿足工廠生產(chǎn)計(jì)劃需求。

3 總體設(shè)計(jì)方案

在工廠原有手動(dòng)噴丸機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行升級(jí)改造，全面提高某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片榫頭噴丸強(qiáng)化質(zhì)量和效率?？傮w改造方案如下：對(duì)噴槍系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，增加噴槍數(shù)量，固定噴槍口與榫頭工作面之間的相對(duì)距離和角度，且要求噴槍的有效噴丸面積能夠同時(shí)覆蓋榫頭工作面的垂直截面形狀區(qū)域。對(duì)工作臺(tái)進(jìn)行升級(jí)改造，將原有旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)改為水平線性移動(dòng)工作平臺(tái)（矩形），通過(guò)專用工裝同時(shí)將多個(gè)葉片固定在平臺(tái)上。改造后的設(shè)備，噴槍與榫頭工作面之間的距離和角度固定，操作者左右移動(dòng)工作平臺(tái)，即可完成葉片榫頭的噴丸強(qiáng)化，能夠有效避免操作者依靠視覺(jué)和記憶判別噴丸距離、角度和質(zhì)量的情況，減少了人為操作誤差造成的漏噴區(qū)域和反復(fù)噴射的區(qū)域，確保了噴丸強(qiáng)度的一致性，減少人為因素對(duì)噴丸質(zhì)量的影響。還能夠同時(shí)完成多個(gè)葉片榫頭的噴丸強(qiáng)化，提高了工作效率，噴丸機(jī)改造后的示意圖如圖5所示，主要改造部位如圖5。

圖5 噴丸機(jī)改造后的示意圖

3.1 噴槍系統(tǒng)的改造

葉片榫頭需要噴丸強(qiáng)化的區(qū)域?yàn)椴灰?guī)則形狀，為確保噴槍的有效噴丸面積能夠覆蓋榫頭工作面的橫截面區(qū)域，經(jīng)過(guò)模擬計(jì)算，設(shè)計(jì)6把手動(dòng)噴槍，通過(guò)支架，交叉錯(cuò)落排列在榫頭的兩側(cè)（如圖6所示），每把噴槍的有效噴丸區(qū)域都對(duì)應(yīng)榫頭不同位置的工作面，噴槍與榫頭的距離和角度可調(diào)整。噴槍口徑為φ8mm，為確保6把噴槍所需氣源能夠均勻足量分配，在設(shè)備壓縮氣體進(jìn)口增加1個(gè)氣體混合器，混合器兩端分別開(kāi)3個(gè)氣孔，供給噴槍。通過(guò)1個(gè)腳踏開(kāi)關(guān)同時(shí)控制6把噴槍的開(kāi)關(guān)（6把噴槍設(shè)有獨(dú)立的氣閥和砂閥調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)，可分別獨(dú)立工作）。

圖6 6把噴槍與榫頭位置示意圖

3.2 工作臺(tái)的改造

拆除工作艙內(nèi)可旋轉(zhuǎn)的圓形工作臺(tái)，在原有空間配置水平軌道和可移動(dòng)的工作平臺(tái)（如圖5所示），工作平臺(tái)上配焊有拉桿伸出機(jī)艙外，穿板處采用膠皮密封。通過(guò)專用工裝同時(shí)將多個(gè)葉片固定在平臺(tái)上，因此工作平臺(tái)長(zhǎng)度方向的尺寸越大越好，為最大程度利用機(jī)艙內(nèi)的有效空間，工作平臺(tái)有效尺寸的最大值為機(jī)艙長(zhǎng)度方向的1/2，設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到設(shè)備的維修性和可操作性，左右各預(yù)留部分空間，將工作平臺(tái)長(zhǎng)度方向的尺寸設(shè)計(jì)為400mm。

4 系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)調(diào)試時(shí)，根據(jù)手動(dòng)噴槍使用說(shuō)明書（φ8mm口徑噴槍的最佳噴丸距離是100～120mm），結(jié)合工廠以往實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)，在調(diào)試過(guò)程中，將噴丸距離設(shè)定為110mm。因噴槍射出的丸料垂直射向工作面時(shí)，同等條件下，噴丸強(qiáng)度最大，所以調(diào)試時(shí)設(shè)定噴槍口垂直需要強(qiáng)化的工作面。

4.1 噴槍開(kāi)關(guān)同步性及丸料均勻性調(diào)試

分別調(diào)整6把噴槍上的進(jìn)氣閥和進(jìn)砂閥，調(diào)控進(jìn)氣量和進(jìn)砂量，確保6把噴槍能夠同步開(kāi)關(guān)，且砂量均勻。在距離110mm外的平面上，噴丸強(qiáng)化的有效面積為近圓形且面積相等。

4.2 噴丸強(qiáng)度和有效面積的調(diào)試

根據(jù)修理工藝要求，以A試片為試驗(yàn)工件，通過(guò)逐步增加噴丸壓力的方法，計(jì)算噴丸強(qiáng)度，當(dāng)噴丸強(qiáng)度符合工藝要求時(shí)，記錄噴丸壓力及單噴槍的有效噴丸強(qiáng)化面積的直徑。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1

綜合以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)，噴丸壓力在0.45～0.6MPa之間時(shí)，噴丸強(qiáng)度在0.131～0.165A之間，滿足工藝要求；當(dāng)噴丸壓力在0.5～0.6MPa之間，有效噴丸面積的直徑最大為φ10mm，綜上可以得出結(jié)論：當(dāng)噴丸壓力為0.5～0.6MPa，噴丸距離為110mm，噴槍口垂直于工作面時(shí)，單把噴槍的有效噴丸面積的直徑最大為φ10mm，且噴丸強(qiáng)度為0.143～0.165A之間，符合工藝要求，因此后續(xù)試驗(yàn)時(shí)，將噴丸壓力設(shè)定為0.5MPa，有效噴丸強(qiáng)化面積的直徑按照φ10mm計(jì)算。

4.3 噴槍間距及角度的調(diào)試

若同側(cè)的3把噴槍（如圖7所示）的距離太近，高速射出的丸料之間就會(huì)發(fā)生碰撞干涉，不規(guī)則的碰撞，會(huì)改變丸料的動(dòng)量，進(jìn)而影響單把噴槍的噴丸強(qiáng)度和有效強(qiáng)化面積。在機(jī)艙有限空間內(nèi)，若噴槍之間的距離過(guò)大，就會(huì)減少工作平臺(tái)的有效工作行程，縮減工作平臺(tái)同時(shí)裝夾葉片的數(shù)量（如圖8所示），試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2

圖8 平臺(tái)有效工作行程示意圖

經(jīng)過(guò)不斷調(diào)整噴槍的間距和角度，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證：位于榫頭一側(cè)的噴槍，相鄰2把噴槍的距離在20mm以上時(shí)，噴丸強(qiáng)度和有效強(qiáng)化面積的直徑最大，分別為0.143A和φ10mm；相鄰2把噴槍之間的距離在40mm時(shí)，平臺(tái)上最多能安裝的葉片數(shù)量由6個(gè)降為5個(gè)。綜上可以得出結(jié)論，當(dāng)噴丸壓力為0.5MPa，噴槍口垂直于工作面，噴丸距離為110mm時(shí)，位于榫頭兩側(cè)相鄰2把噴槍之間的距離在20～30mm時(shí)，有效噴丸強(qiáng)化面積的直徑最大為φ10mm，安裝的葉片數(shù)量最多為6片。

5 應(yīng)用情況

5.1 試驗(yàn)鑒定

隨機(jī)選取30個(gè)某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片作為試驗(yàn)件，共分為5組，且葉片榫頭全部均勻涂抹著色劑（用于檢查榫頭工作面噴丸強(qiáng)化的覆蓋率），試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3

結(jié)論：操作者在15min內(nèi)完成了30個(gè)葉片榫頭的噴丸強(qiáng)化工作，用30倍放大鏡法檢測(cè)，葉片榫頭部分著色劑全部去除，噴丸強(qiáng)度覆蓋率≥100%。30個(gè)葉片榫頭噴丸強(qiáng)化的一次提交合格率均為100%。單個(gè)葉片榫頭噴丸強(qiáng)化生產(chǎn)效率提高了3倍。

5.2 鞏固措施

鑒定驗(yàn)收完成后，鎖定6把噴槍的角度與位置，記錄每把噴槍進(jìn)氣閥和進(jìn)砂閥開(kāi)關(guān)的位置，避免因人為誤操作而影響設(shè)備性能。

將設(shè)備噴丸壓力設(shè)定值、葉片安裝數(shù)量和工藝操作方法等納入到《XX型航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片修理工藝規(guī)程》中。

5.3 效果檢查

設(shè)備投入使用后，會(huì)同技術(shù)處、質(zhì)量處和使用車間，對(duì)5臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片榫頭噴丸強(qiáng)化情況進(jìn)行追蹤檢查，結(jié)果顯示，5臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的3070個(gè)高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片榫頭噴丸強(qiáng)化一次提交合格率均為100%，質(zhì)量穩(wěn)定可靠，且工藝方法操作簡(jiǎn)單，該工序的生產(chǎn)效率提高了3倍，得到單位領(lǐng)導(dǎo)及操作者一致好評(píng)。