周　亮，王曉平，賈軍鋒，王　偉

(1.中國(guó)人民解放軍駐陜西飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限公司軍事代表室，陜西 漢中 723200；2.中航飛機(jī)股份有限公司 長(zhǎng)沙起落架分公司，陜西 漢中 723200)

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陶瓷彈丸噴丸強(qiáng)化工藝與質(zhì)量控制在起落架制造技術(shù)中的應(yīng)用研究

周亮1，王曉平1，賈軍鋒1，王偉2

(1.中國(guó)人民解放軍駐陜西飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限公司軍事代表室，陜西 漢中 723200；2.中航飛機(jī)股份有限公司 長(zhǎng)沙起落架分公司，陜西 漢中 723200)

摘要：在國(guó)內(nèi)外陶瓷彈丸噴丸強(qiáng)化技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)上，結(jié)合某型飛機(jī)起落架的研制生產(chǎn)，通過(guò)不同材料的產(chǎn)品，用不同規(guī)格的陶瓷、鑄鋼彈丸噴丸進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，找出了噴丸強(qiáng)化對(duì)材料表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力的變化規(guī)律，以及強(qiáng)化效果與噴丸前表面狀態(tài)的關(guān)系。從而優(yōu)化了飛機(jī)起落架陶瓷彈丸噴丸的工藝參數(shù)，保證了過(guò)程質(zhì)量受控，提高了產(chǎn)品壽命。

關(guān)鍵詞：陶瓷彈丸；噴丸強(qiáng)化；起落架；質(zhì)量控制

飛機(jī)起落架是飛機(jī)的關(guān)鍵承力部件之一，既承受著飛機(jī)起落過(guò)程中極大的沖擊力作用，又具有特殊環(huán)境下的抗腐蝕能力；因此，對(duì)材料的性能、零件的設(shè)計(jì)及其制造工藝要求極高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，60%～80%的起落架零件是由于疲勞破壞而失效的。由于大多數(shù)零件疲勞斷裂時(shí)的疲勞裂紋源在表面，為此，在起落架制造過(guò)程中采取了許多提高零件表面抗應(yīng)力腐蝕、抗疲勞性能的技術(shù)，其中表面噴丸強(qiáng)化就是一種典型的工藝方法，噴丸強(qiáng)化后的產(chǎn)品如圖1所示。與其他表面強(qiáng)化工藝(例如滾壓、表面熱處理和表面化學(xué)熱處理等)相比，噴丸強(qiáng)化具有設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便、適應(yīng)面廣、節(jié)能省時(shí)、成本低廉和效果顯著的特點(diǎn)。該工藝已經(jīng)在航空工業(yè)中得到了大量應(yīng)用[1-2]。

圖1　起落架及零部件噴丸強(qiáng)化外觀

1國(guó)內(nèi)外陶瓷彈丸噴丸強(qiáng)化技術(shù)應(yīng)用情況

噴丸強(qiáng)化的彈丸種類較多，如鑄鋼彈丸、玻璃彈丸、陶瓷彈丸、鋼絲切割彈丸及滲碳鋼丸等。由于陶瓷丸的密度小(約是鑄鋼丸的1/2)，對(duì)材料噴丸強(qiáng)化時(shí)所采用的噴丸強(qiáng)度比鑄鋼丸的小，因此，陶瓷丸噴丸后對(duì)材料表面產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力比鑄鋼丸的小。另外，陶瓷丸噴丸強(qiáng)化在環(huán)保、降本節(jié)能以及對(duì)噴丸設(shè)備的保護(hù)上具有顯著優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)外已得到廣泛應(yīng)用，如波音、空客和道蒂等各大航空公司對(duì)陶瓷噴丸強(qiáng)化工藝已有成熟的標(biāo)準(zhǔn)，并應(yīng)用于各種材料(鈦合金、鋁合金和高強(qiáng)度鋼等)、各種零件(齒輪、輪轂、彈簧、剎車桿和扭力臂等)；在國(guó)內(nèi)，對(duì)零件表面的噴丸強(qiáng)化，主要以鑄鋼彈丸噴丸強(qiáng)化為主。陶瓷噴丸技術(shù)尚處于起步階段，還沒(méi)有形成完整的工藝技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，采用陶瓷丸噴丸時(shí)，絕大多數(shù)用作清理工序，以清除鑄鋼丸噴丸時(shí)在零件表面上產(chǎn)生的鐵質(zhì)粉塵污染物等。

2陶瓷彈丸噴丸強(qiáng)化工藝技術(shù)特點(diǎn)

TC18鈦合金、7050鋁合金、300M鋼及A100鋼等材料是現(xiàn)代長(zhǎng)壽命、高性能飛機(jī)起落架主要承力構(gòu)件的常用材料。由于材料成分、材料性能及其使用要求不同，有色金屬及超高強(qiáng)度鋼表面噴丸強(qiáng)化與普通碳鋼有所不同，常用的鑄鋼丸噴丸強(qiáng)化對(duì)其表面會(huì)造成一定的污染及損傷，必定對(duì)疲勞壽命產(chǎn)生不良的影響，使得材料未能充分發(fā)揮出其應(yīng)有的性能水平。陶瓷彈丸及其噴丸工藝技術(shù)恰能彌補(bǔ)鑄鋼彈丸及其他彈丸噴丸強(qiáng)化帶來(lái)的缺陷。與其他彈丸噴丸強(qiáng)化相比，陶瓷彈丸噴丸強(qiáng)化具有如下優(yōu)點(diǎn)。

1)由于其化學(xué)惰性，陶瓷彈丸比其他彈丸可適用的材料更廣泛，幾乎所有材料的噴丸強(qiáng)化都可用陶瓷彈丸，尤其是鈦合金、鋁合金等怕鐵污染的金屬。

2)由于陶瓷丸密度小(約是鑄鋼丸的1/2)，硬度大，對(duì)材料噴丸強(qiáng)化時(shí)所采用的噴丸強(qiáng)度一般也比鑄鋼丸的小，因此，陶瓷彈丸噴丸后對(duì)材料表面產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力也應(yīng)小于鑄鋼丸。

3)在基體表面粗糙度相同的情況下，陶瓷丸噴丸能產(chǎn)生比鑄鋼丸噴丸更低的表面粗糙度值。

4)陶瓷彈丸由于其具有耐磨性好、破碎后的外觀呈光滑型等特點(diǎn)，60個(gè)循環(huán)后陶瓷彈丸只有極少數(shù)彈丸破碎，新舊陶瓷彈丸對(duì)比如圖2所示。破碎后的碎片保持原始的形狀，表面光滑，對(duì)設(shè)備損傷較小，對(duì)環(huán)境污染很小，使用成本較低。

圖2　新舊陶瓷彈丸對(duì)比

3典型材料噴丸強(qiáng)化對(duì)比

通過(guò)采用鑄鋼丸和陶瓷彈丸對(duì)300M鋼、A100鋼、7050鋁合金和TC18鈦合金等典型材料進(jìn)行表面噴丸強(qiáng)化工藝對(duì)比，得出如下結(jié)論。

1)不同的零件材料，在相等或相近噴丸強(qiáng)度下，分別經(jīng)鑄鋼丸和陶瓷丸噴丸后零件表面產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力大小不同。對(duì)于超高強(qiáng)度鋼，鑄鋼丸與陶瓷丸產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力相當(dāng)；對(duì)于鈦合金和鋁合金，陶瓷丸能產(chǎn)生更大的殘余壓應(yīng)力。

2)零件的表面狀態(tài)與噴丸強(qiáng)化效果關(guān)系較大。噴丸前表面粗糙度較小時(shí)，強(qiáng)化效果明顯，表面粗糙度較大時(shí)，強(qiáng)化效果與鑄鋼丸相當(dāng)。而對(duì)于TC18鈦合金和7050鋁合金，當(dāng)噴丸前表面粗糙度較小時(shí)，強(qiáng)化效果較明顯。

3)分別用鑄鋼彈丸、陶瓷彈丸對(duì)300M鋼材料試件進(jìn)行噴丸，用Quanta600掃描電鏡(SEM)分析其形貌(見(jiàn)圖3和圖4)。從表面形貌角度分析，由于彈丸自身密度較高，沖擊力較大，鑄鋼彈丸噴丸更容易遮蓋機(jī)械加工的刀痕，但同時(shí)又會(huì)引入較深的彈坑，不利于提高零件的疲勞性能；使用陶瓷彈丸噴丸，選用較大的噴丸強(qiáng)度，既能遮蓋加工刀痕，又能保證較好的平整度，有利于發(fā)揮噴丸的強(qiáng)化作用[3]。

圖3　　　用鑄鋼彈丸噴丸后　　圖4　　　用陶瓷彈丸噴丸后　　　的表面形貌　　　的表面形貌

4噴丸工藝

通過(guò)上述研究分析，結(jié)合起落架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)起落架零件陶瓷彈丸噴丸工藝從如下幾個(gè)方面進(jìn)行控制。

1)技術(shù)文件。依據(jù)Q/6SZ 2287—2012A標(biāo)準(zhǔn)，編制陶瓷丸噴丸強(qiáng)化工藝規(guī)程。

2)設(shè)備。選用數(shù)控噴丸機(jī)RSM-50-MR-CS/SS-2-2011，該噴丸機(jī)具有鑄鋼(S230)和陶瓷(Z300)等2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。

3)人員資質(zhì)。針對(duì)新設(shè)備和新規(guī)范，對(duì)從事噴丸操作和檢驗(yàn)的人員進(jìn)行培訓(xùn)，經(jīng)過(guò)考核合格后持證上崗。

4)材料控制。噴丸所使用的彈丸、試片和篩網(wǎng)等符合相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，具體見(jiàn)表1。但對(duì)零件的內(nèi)圓角、溝槽等進(jìn)行噴丸時(shí)，所選彈丸尺寸應(yīng)小于噴丸區(qū)內(nèi)最小圓角半徑的1/2；如果彈丸通過(guò)凹槽或縫隙才能噴到待噴表面時(shí)，其尺寸應(yīng)小于開(kāi)口寬度的1/4。彈丸表面應(yīng)無(wú)灰塵、油污或其他污物。

表1　噴丸使用的彈丸、試片和篩網(wǎng)等技術(shù)條件

5)工藝流程。工藝流程如圖5所示，在第1組噴打試片檢查合格后，采用相同的設(shè)備、工藝參數(shù)完成零件及第2組試片的噴丸工作，并檢查2組試片弧高度值和覆蓋率是否一致[4]。

圖5　噴丸工藝流程圖

5質(zhì)量控制

5.1材料

對(duì)于陶瓷噴丸中使用的試片、彈丸和篩網(wǎng)等材料應(yīng)嚴(yán)格控制，即應(yīng)經(jīng)過(guò)入廠復(fù)驗(yàn)合格后方能使用。

5.2設(shè)備

噴丸設(shè)備自動(dòng)化控制程度越高，越能保證噴丸質(zhì)量。應(yīng)保證噴丸設(shè)備具有穩(wěn)定的噴丸強(qiáng)度和均勻的覆蓋率；具備去除破碎彈丸的分選裝置；并且能通過(guò)控制壓縮空氣調(diào)整壓力，推動(dòng)干燥彈丸均勻流動(dòng)；氣路系統(tǒng)裝有氣壓控制裝置和油水分離器，既能保證穩(wěn)定的彈丸流，還能抽風(fēng)除塵，滿足環(huán)保要求。

5.3噴丸前準(zhǔn)備

噴丸前零件應(yīng)滿足工程圖樣或數(shù)模要求，同時(shí)應(yīng)對(duì)噴丸區(qū)域的所有銳邊和尖角進(jìn)行倒圓；所有熱處理、磨削、切削、磁力探傷或滲透以及硬度檢查均在噴丸前進(jìn)行，并完成零件所有塑性變形的校正工作；噴丸前應(yīng)對(duì)零件表面進(jìn)行清洗，確保表面無(wú)油脂、污垢和灰塵等污染物。

5.4噴丸過(guò)程控制

每批零件在4 h內(nèi)完成時(shí)，生產(chǎn)結(jié)束后至少要進(jìn)行1次強(qiáng)度驗(yàn)證；但若使用計(jì)算機(jī)控制和監(jiān)視噴丸設(shè)備進(jìn)行噴丸強(qiáng)化工作時(shí)，生產(chǎn)結(jié)束后可不進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)證。首批件噴丸應(yīng)提供噴丸強(qiáng)度曲線，噴丸曲線應(yīng)由原點(diǎn)和至少4點(diǎn)(第1點(diǎn)的時(shí)間為小于Almen試片100%覆蓋率所要求的時(shí)間，且至少有1點(diǎn)指示飽和狀態(tài)，還有1點(diǎn)的噴丸時(shí)間至少應(yīng)是飽和點(diǎn)時(shí)間的2倍或以上)在弧高度-時(shí)間坐標(biāo)圖中繪制出來(lái)(擬合曲線如圖6所示)，由此確定出飽和點(diǎn)，即噴丸強(qiáng)度。零件噴丸工藝參數(shù)與試片噴丸工藝參數(shù)相同，在進(jìn)行零件噴丸強(qiáng)化前、后應(yīng)分別進(jìn)行1次試片噴丸，只有當(dāng)2次試片噴丸的弧高度值、覆蓋率都合格時(shí)，才能認(rèn)為產(chǎn)品噴丸強(qiáng)化合格。

圖6　噴丸強(qiáng)度的確定方法

5.5噴丸后控制

噴丸后清除零件表面上的彈丸和遮蔽物，原則上不能進(jìn)行熱處理及其他與應(yīng)力釋放有關(guān)的工序。噴丸后零件可采用噴丸成形和校正校形，當(dāng)用其他方法校形時(shí)，校形后應(yīng)進(jìn)行滲透檢查。經(jīng)過(guò)噴丸后的表面粗糙度Ra，可以通過(guò)輕珩磨、研磨、手工砂光或砂帶輪拋光的方法進(jìn)行改善。

5.6不合格品控制

當(dāng)零件噴丸前、后2次噴丸強(qiáng)度測(cè)定符合圖樣要求，則此2次檢測(cè)之間的零件為合格品；若最后噴丸強(qiáng)度未達(dá)到圖樣要求，允許按要求進(jìn)行補(bǔ)噴，補(bǔ)噴后產(chǎn)品的覆蓋率可用10倍放大鏡觀察表面，需噴丸的部位表面均應(yīng)被彈丸坑覆蓋，不應(yīng)有漏噴；若有漏噴部位，允許進(jìn)行補(bǔ)噴或局部補(bǔ)噴，覆蓋率檢測(cè)在一批中可隨機(jī)抽取3～5件，若抽檢發(fā)現(xiàn)漏噴后，第2次檢測(cè)時(shí)應(yīng)加倍，再發(fā)現(xiàn)漏噴則應(yīng)逐件進(jìn)行檢驗(yàn)。

6結(jié)語(yǔ)

綜上所述，可以得出如下結(jié)論。

The Applied Research of Ceramic Shot Peening Process and Quality Control in the Gear Manufacturing Technology

ZHOU Liang1, WANG Xiaoping1, JIA Junfeng1, WANG Wei2

(1.The Military Representative Office of Shaanxi Aircraft Industry (Group) Co., Ltd., Hanzhong 723200, China;2.AVIC Landing Gear Advanced Manufacturing Group Co., Ltd., Hanzhong 723200, China)

Abstract：The article finds out transformation rule and strengthened effect of residual compressive stress caused by shot peening strengthening on the surface of material, and the relationship with surface condition prior to peening, based on technical application of domestic and foreign ceramic shot peening strengthening, in combination with the development production of aircraft landing gear, and by test compared ceramic shot of different strength with different material. Thus, optimize process parameter of ceramic shot peening of aircraft landing gear to ensure process quality control to improve the product life.

Key words:ceramic shot peening, peening strengthening, landing gear, quality control

中圖分類號(hào)：TQ 174.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A