毕业设计（论文）-喷丸技术在飞机发动机修理中的应用研究

PAGEPAGE3喷丸技术在发动机修理中的应用研究目录前言………………2喷丸强化原理……………………3喷丸强化设备……………………3气动式喷丸机……………………4机械离心式喷丸机………………5水喷丸强化………5内孔喷丸机………5手提式气动喷丸机………………6新型喷丸技术—旋板（片）强化（软轮喷丸）………………6喷丸技术在飞机发动机修理中的实际应用……7喷丸强化设备的选择原则………7喷丸强化的基本工艺流程………8飞机发动机零件的喷丸强化实例………………8某型发动机压气机Ⅰ级钢叶片喷丸强化………8某型发动机涡轮叶片喷丸强化…………………10结论………………13参考文献…………14致谢………………15前言喷丸加工技术是提高零件疲劳强度的一个重要方法。这种方法近几年在各个工业部门特别是航空工业部门中得到了迅速的推广和使用，并已经标准化。在航空发动机中，用喷丸技术加工处理的零件多达400余种。包括压气机叶片、涡轮叶片、涡轮轴等重要零件。喷丸加工技术不仅能显著提高零件的疲劳强度，而且还能提高零件的耐应力腐蚀能力。喷丸加工工艺还有其成本低、生产效率高等优点。这也是获得广泛应用的主要原因之一。本文将对喷丸技术的基本原理及其分类，最新型喷丸技术，以及在发动机修理中的实际应用等进行阐述和分析。关键词：喷丸技术原理新型喷丸技术实际应用喷丸强化原理喷丸强化是用高速度弹丸（玻璃丸或钢丸）撞击金属零件表面使之产生残余压应力并形成细化压晶粒的冷作硬化层，从而提高零件疲劳强度和抗应力腐蚀能力的一种工艺方法。喷丸强化过程是使材料表面层发生循环塑性变形的过程，依照金属材料的力学性能和喷丸工艺条件的不同，喷丸后材料表层将发生以下变化：组织结构变化（如亚晶粒尺寸、位错密度及组态、相转变等）；表层内形成残余压应力场;表面粗糙度变化.这些变化对材料的力学性能(主要是疲劳性能和应力腐蚀开裂性能)产生两种不同的影响：一种为强化因素，使喷丸后的力学性能改善；另一种为弱化因素，使喷丸后的力学性能下降。在一定条件下，塑变层内的微细亚晶粒、高密度位错、钢中的相变马氏体以及残余压应力等，都表现为强化因素。而喷丸引起的表面粗糙度的增高（即应力集中效应增高），高强度喷丸导致的表面微裂纹等，这些均为弱化因素。强化因素又可分为组织结构强化（简称组织强化）和残余应力强化（简称应力强化）。二、喷丸强化设备常用的喷丸强化工艺有干喷丸、水喷丸和旋板强化工艺。干喷丸工艺是较早采用的喷丸强化技术，它是靠离心轮产生的离心力或是从喷嘴喷出来的压缩空气将弹丸喷射到零件表面，使其获得一定厚度的表面强化层。根据弹丸获得动能的方式，干喷丸强化设备的类型可分为气动式喷丸机和机械离心式喷丸机。如按喷丸机移动的方便程度又可以分为便携式和固定式喷丸机。无论由哪种类型的喷丸机构成的喷丸设备，均应包括以下几个主要部件：（图—01）喷丸机强化室；零件运转装置；弹丸提升装置；弹丸筛分选装置；除尘器。2.1、气动式喷丸机弹丸依靠压缩空气获得动能并借助于喷嘴喷射出，称为气动式喷丸机。不过这种喷丸机所使用的弹丸一般均为比重比较小的玻璃弹丸，当然也可以使用钢丸，不过因为钢丸比重较大，不能直接吸入喷嘴，只能靠其他的提升装置将弹丸提升到一定的高度，再靠弹丸本身的重量落入喷嘴内。按弹丸的运动方式，又分为三种类型：引射式、重力式和直接加压式2.1.1、引射式气动喷丸机进入喷嘴的压缩空气使与喷嘴相连的导丸管内产生负压，把弹丸吸入到导丸管并进入喷嘴，然后随压缩空气从喷嘴内射出。其工作原理如下：经由过滤的空气进入喷嘴，与通过导丸管进入喷嘴的弹丸一起从喷嘴射出。与零件表面碰撞后失速的弹丸落入底部储丸箱内。喷丸室内产生的金属和非金属粉尘，通过排尘管道经除尘器排出室外。2.1.2、重力式气动喷丸机将弹丸提升至一定高度后靠自重通过导丸管进入喷嘴，然后随压缩空气喷射出。其工作原理如下：被提升到一定高度的弹丸依靠自重经导丸管流入弹丸筛分选器（在此将小于和大于规定尺寸范围的弹丸以及破碎于合格的弹丸进行分离），合格弹丸通过导丸管直接流入喷嘴，随高压空气从喷嘴射出。经过碰撞失速的弹丸落到底部的弹丸收集箱。这种喷丸机的结构比引射式复杂，它适用于密度较大的金属弹丸，直径通常大于0.3㎜。喷嘴的压缩空气压力一般处于0.2～0.7MPa。弹丸筛分选器由两部分构成：弹丸尺寸筛选器和破碎弹丸分离器。弹丸筛选通常利用往复振动的平筛网或旋转运动的圆锥筛网来剔除尺寸和形状不合格的弹丸。被提升一定高度的弹丸，先经过尺寸筛选器进行筛选，再进入分离器。2.1.3、直接加压式气动喷丸机弹丸与压缩空气在混合室内混合后，通过管道进入喷嘴再喷射出。其工作原理如下：提升机构（气动式或机械式）将落如底部的弹丸提升到一定高度，弹丸靠自重落入储丸箱，通过流量调节阀进入增压箱，再进入含有高压空气的混合室。最后，弹丸与高压空气混合流经喷嘴射出。2.2、机械离心式喷丸机弹丸依靠高速旋转的机械离心轮抛出而获得动能的喷丸机，称作机械离心式喷丸机。其工作原理与重力式气动喷丸机（见2.1.2）基本相同，只是以抛丸代替了喷嘴。比较先进的抛丸器可作上下、前后、左右、旋转和回摆（±45°）等5个自由度的运动，它能满足多品种和复杂型面零件的喷丸处理要求。2.3、水喷丸强化水喷丸与干喷丸强化原理是一样的，只是水喷丸以高速运动的液体弹丸流取代干喷丸中的弹丸，以此来减少干喷丸工艺中所产生的粉尘污染，保护环境，改善工作条件。所谓液体弹丸流，目前常用的是水和弹丸（玻璃丸）的混合物，只要采用合理的工艺参数，水喷丸同样能够得到与干喷丸一样的效果。水喷丸与干喷丸相比，具有污染小，噪声低和弹丸消耗少，节电等优点。水喷丸与干喷丸技术的效能对比如下（表一）：表一水喷丸与干喷丸对比表项目干喷丸水喷丸备注粉尘污染15.66㎜/m31.6㎜/m3噪声污染96分贝80分贝弹丸消耗20㎏/单台发动机3.5㎏/单台发动机全年节约10万元用电量7度/小时1.1度/小时全年节电14166度2.4、内孔喷丸机内孔喷丸机（或称内壁喷丸机）用于孔（通常孔深大于孔径1倍以上）的内表面喷丸强化。它们大都是在重力式或直接加压式气动喷丸机上安装内孔喷嘴而成的。反射式喷嘴的工作原理为：弹丸运动到喷嘴出口时，与其头部的斜平面（倾斜角约为40°）碰撞，运动方向改变之后射向孔壁表面，使表面获得强化。为了均匀地强化孔壁表面，喷嘴（或工件）同时应作旋转和直线运动。2.5、手提式气动喷丸机这种喷丸机主要适用于大型零件局部表面（主要是平面）的强化处理。其主要部件有：特殊喷嘴，直接加压式气动喷丸机。这些部件装在可移动的小车上。其工作原理如下：混合室的弹丸与高压空气的混合流通过具有双层管道的中心管内进入喷嘴，喷射到零件表面。被强化表面上回弹的弹丸由喷嘴四周的毛帘挡住，返回后进入具有负压的喷嘴外层管道，并回到上部的储丸箱内。待混合室内的弹丸全部流出并返回到储丸箱，弹丸再次有储丸箱全部进入混合室，进行下一个循环。因为喷嘴外层套管被抽成负压，所以也称真空喷丸机。2.6、新型喷丸技术—旋板（片）强化（软轮喷丸）旋板强化技术是美国3M公司在喷丸强化技术的基础上研制的新技术。其强化原理是以粘有弹丸的特制旋板在旋转中连续不断地打击金属表面，使其获得一定厚度的表面强化层，达到与喷丸强化同样的效果。旋片（板）喷丸器主要用于大型零件（如飞机机翼梁接头）的局部表面或内孔表面（孔径大于13㎜）喷丸强化。它由2个端部粘上弹丸的旋片和风钻两部分构成，见（图—02）。旋片是一种尼龙编织物，在一端的正面与另一端的反面用胶粘上两排金属弹丸。操作时把旋片固定在风钻头上，打开风钻进气口的调节器，转速控制在2000～6000r/min范围内，把旋转的旋片接近待喷丸强化的表面，直至感到强烈地阻碍旋片继续下降为止。缓慢地平移旋片使被喷表面获得均匀的强化。旋片喷丸强度取决于风钻的转速（弹丸的运动速度）。旋板强化工艺对旋板的工作条件要求十分严格。美国专利规定：弹丸粘结在旋板上，以3100r/min的转速打击金属表面30分钟后，丸粒脱落不得超过20%。我们国家已经研制出符合要求的旋板，故旋板强化在我国航空工业部门已经得到比较广泛的应用。旋片喷丸器的体积小、重量轻，便于在现场对零件进行强化处理。它与喷丸强化相比较有设备简单、特别适用于机件原位局部表面强化。如飞机翻修时分解暴露的各种接头、耳片、吊挂、缘条等大型重要承力件的局部区域。但不适用于金属表面的大面积强化。旋板强化与喷丸强化的详细比较如下（表二）：表二旋板强化与喷丸强化比较序号项目旋板强化喷丸强化1使用部位原位表面强化工作室内表面强化2配套设备一个冷气瓶空气压缩机（1m3/min）一套3使用范围小面积、孔壁大面积、不能强化孔壁4配合要求非强化表面不需要保护非强化表面需要保护5污染情况无污染有污染6设备重量7.5㎏1000㎏7设备体积450×320×200㎜31500×1000×2200㎜3三、喷丸技术在飞机发动机修理中的实际应用3.1、喷丸强化设备的选择原则应根据生产零件的品种、重量、产量、型面复杂程度、弹丸尺寸和密度、喷丸强度等，选择喷丸机的类型。喷丸机类型的选择见下表（表三）：表三各种条件下可选择的喷丸机零件状况及喷丸条件气动喷丸机机械离心式喷丸机旋片喷丸机真空喷丸机内孔喷丸机引射式重力式加压式品种多产量小可选可选可选不可选不可选不可选不可选品种多型面复杂可选可选可选不可选不可选不可选不可选内孔喷丸不可选不可选不可选不可选可选不可选可选品种少型面简单不可选不可选不可选可选不可选不可选不可选品种少重量大不可选可选不可选可选不可选不可选不可选小喷丸强度低可选可选可选不可选可选可选不可选大喷丸强度高不可选可选不可选可选不可选可选不可选尺寸大现场处理不可选不可选不可选不可选可选可选不可选尺寸大局部处理不可选不可选不可选不可选可选可选不可选湿喷丸可选不可选不可选不可选不可选不可选不可选3.2、喷丸强化的基本工艺流程零件喷丸强化的典型工艺流程见下表（表四）：表四零件喷丸强化工艺流程工序工作内容喷丸前检查满足图纸尺寸和表面状态要求；热处理状态及表面质量（如喷丸区锐边、尖角倒圆，不应有任何包覆层等）喷丸前准备喷丸设备检查，喷丸机构试运行；弹丸检测；非喷丸区保护；零件表面清洗；调整喷射距离和喷射角度喷丸处理喷丸强度及覆盖率调整；严格按已确定的工艺参数；做好原始记录喷丸后处理去除遮盖物；清洗喷丸表面；喷丸表面去层加工检验按检验文件实施；喷丸强度及覆盖率；原始记录注意事项：喷丸前零件必须完成规定的热处理和无损检测工序；使用模拟工件放入喷丸室，调试喷丸机，使其参数达到工艺要求；喷丸后处理零件表面时应严格按照工艺要求操作，严禁损伤零件表面；禁止采用机械加工的方法对喷丸后的零件进行校形。3.3、飞机发动机零件的喷丸强化实例1、某型发动机压气机Ⅰ级钢叶片喷丸强化、喷丸总则压气机Ⅰ级钢叶片喷丸时，必须保持叶片原台装放，不允许混放、丢失；叶片不允许掉地，叶片装卸过程中，均不允许打伤叶片；操作时，必须严格执行相关操作规程；凡需进行喷丸的叶片，不允许有变形、腐蚀坑及未经抛光的打伤存在。、喷丸操作打开抽风机，检查管路是否良好，各个吸丸管放置位置不应影响转盘转动，吸丸管应插入丸堆中，喷枪位置应保证吸丸工作正常进行；把叶片装在夹具上，关上喷丸门；喷丸参数：丸粒：玻璃弹丸，直径d=0.16～0.25㎜空气压力：0.35～0.4MP喷嘴至叶片表面距离：80～120㎜喷嘴角度：90°±5°喷嘴数量：8个转盘速度：6r/min喷丸时间：25～30min弧高度值：fЛ=0.16±0.02㎜d、拆卸叶片时，不允许损伤叶片，并用冷气吹干净叶片上的尘粒（或用毛刷刷干净）。、弧高度值检查用70#弹簧钢Ⅱ号标准弧高度试片固定在试片专用夹具上，随同叶片一起送进喷丸机内喷丸处理，试片受喷表面应垂直对准喷嘴轴线。试片尺寸要求如下：试片长度：76±0.3㎜试片宽度：19±0.1㎜试片厚度：1.3±0.025㎜表面粗糙度Ra最大允许值为0.8微米表面硬度：HRC=44～50平行度公差：±0.025㎜试片在使用前应检查平行度公差是否达到要求，不符合要求者可用铜榔头校正试片，边缘有剪切毛刺等，应抛光处理，非边缘部位不允许抛光。喷丸后取下试片，在弧高度测具上用精度为0.01㎜的百分表进行测量，弧高度值应为：fЛ=0.16±0.02㎜喷丸前将试片放在弧高度测具上贴紧，把百分表调至零位，对试片测量面的反面进行喷丸，喷丸后测量时，百分表对准试片的非喷丸面。弧高度值不合格时，允许在给定范围内，调整喷嘴前的空气压力，如仍不符合，应检查喷嘴的磨损情况，喷嘴磨损直径超过2㎜时，更换喷嘴，如仍不符合，补充新丸粒。、覆盖率检查喷丸后受喷表面麻坑所占的面积和与总面积和的比值，称为表面覆盖率。压气机Ⅰ级钢叶片的表面覆盖率，对于距进、排气边缘5㎜范围内和圆弧上及距叶根1/3叶身上范围内不低于98%，其他部位不低于80%；覆盖率未达到要求的叶片，应进行补充喷丸。2、某型发动机涡轮叶片喷丸强化⑴、涡轮叶片裂纹分析由GH32、GH33热强合金制造的涡轮叶片，是发动机上的重要零件。它在高温（750℃）和受力大的条件下进行工作。根据X-射线法测得它的主要故障是第一榫槽裂纹和叶片叶身排气边缘裂纹。这种故障直接影响着使用的安全可靠性，在工厂也因裂纹而使大量叶片报废，所以，对涡轮叶片进行喷丸强化处理，提高其抗疲劳强度，降低生产成本。⑵、喷丸工艺参数喷丸设备及喷丸强化工艺参数如下：设备：气动式喷丸机，机内装有六个喷嘴，相错一定距离，喷嘴垂直于叶片喷射；丸粒：玻璃弹丸，直径d=0.05～0.15㎜；空气压力：0.2～0.4MP；喷口至零件距离：120～140㎜；喷射时间：30～40秒（单个零件）喷嘴数量：6个喷射角度：90°±5°弧高度值：fЛ=1.4±0.01㎜操作方法：打开搅拌气压开关2～3分钟后，方可打开喷丸气压开关，使6个喷嘴前压力表示数为0.2～0.4MP；将叶片插入传送带榫头；用清水洗净叶片上的丸粒后装箱。⑶、喷丸效果的检查方法喷丸强化工艺参数直接影响着喷丸强化的效果，而一些参数的变化不易直接观察，我们采用以下方法检查喷丸强化效果。弧高度值检验法：用GH33材料制成厚度为1.4±0.01㎜的弧高度值试片，经喷丸强化后其弧高度值应达到0.13㎜以上。涂色检查：把需喷丸的一个零件，涂上颜色，然后和零件一起装入喷丸机，经0.5～1分钟喷丸强化后，检查涂色叶片表面喷丸是否均匀。由此检查各喷嘴的工作情况。外观检查：按工人实际经验，观察零件表面光亮程度，由此检查强化效果。一般情况下表面呈乌亮颜色的喷丸质量为最佳。⑷、喷丸强化的实际效果简化工序、提高工效；叶片一般需要两道抛光工序，经采用喷丸强化工艺后，减少了机械抛光工序，而使叶片表面光洁度提高一级，并且减轻了劳动强度，改善了劳动条件，使工效提高1.5～2倍。涡轮叶片经喷丸强化后，疲劳强度有显著提高（见表五、六）。喷丸的叶片经710小时的地面长期试车考验，叶片良好，第一榫槽仍保持-60㎏/㎜2以上的残余压应力（见表七）。表五不同状态的GH33涡轮叶片第一榫槽出现疲劳裂纹的循环次数叶片疲劳前实验的状态疲劳实验条件疲劳实验结果循环次数（次）断裂情况新叶片温度：550℃平均应力：40㎏/㎜2交变应力：±21㎏/㎜2频率：～70次/秒1×106出现裂纹使用650小时后第一榫槽经滚压强化<1×106出现裂纹使用650小时后第一榫槽滚压强化，又使用200小时后喷丸强化>1×107未出现裂纹表六不同状态的GH33涡轮叶片第一榫槽出现疲劳裂纹的循环次数叶片实验前状态疲劳实验条件[2]疲劳实验结果平均应力（㎏/㎜2）交变应力（㎏/㎜2）循环次数（次）断裂情况使用寿命为750小时38±214.46×105第二榫槽38±213.27×105第一榫槽38±212.1×105第一榫槽38±196.14×105第一榫槽36±183.14×105第一榫槽使用寿命为750小时后采用喷丸强化[1]38±21>1.0×107未出现断裂40±21>1.0×107>1.0×107>1.0×107[1]疲劳实验前第一榫槽压应力为：-115㎏/㎜2；疲劳实验后第一榫槽压应力为：-65㎏/㎜2。[2]实验温度：550℃；振动频率：～70次/秒。表七GH33涡轮叶片经250小时长期试车前后第一榫槽表面残余应力的变化情况叶片使用和采用工艺情况试车前第一榫槽残余压应力（㎏/㎜2）试车后第一榫槽残余压应力（㎏/㎜2）使用706小时+第一榫槽“去层电抛光”+460小时长期试车+喷丸强化[1]-105-92使用706小时+喷丸强化+460小时长期试车-86-100-60-100[1]喷丸工艺参数：压力：0.3MP距离：120㎜结论经历40多年发展起来的喷丸强化处理工艺，使高强度合金的疲劳性能和抗应力腐蚀能力获得了很大的