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航空发动机钛合金叶片抛光烧蚀问题解决措施

发布日期:2018-11-21  浏览次数:41
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  摘 要:本文介绍了航空发动机钛合金叶片型面抛光加工工艺,烧蚀(伤)工程化检测方法,以及烧蚀(伤)后叶片表面状态,分析了产生烧蚀(伤)的原因,介绍了避免产生烧蚀(伤)问题所进行的一系列加工试验工作,通过对各种加工方法及参数的反复实验,总结提出了避免合金叶片型面抛光烧蚀(伤)问题的合理加工方法及参数,为钛合金叶片高质量高效率的加工总结了一定的经验。
  关键词:钛合金;叶片;烧蚀;烧伤;砂轮;抛光;砂带抛光
  1 概述
  钛合金是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属,因其具有强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点而在航空设备制造中得以广泛应用,主要用于生产发动机压气机。但是钛合金有其独特的物理性质以及化学性质,因此加工后的材料质量性能很难发生较好的改变,因此在生产过程中会产生较大的损失,同时也会对发动机的安全性造成影响。
  2 抛光工艺
  需要进行加工的叶片采用了拍好标注为TC4的加工材料,叶片的型面结构长宽分别为110mm和35mm,在加工过程中需要对叶盆、叶背、进、排气边缘及型面与安装板转接处进行打磨抛光,使用的设备是砂轮抛光机,为了达到设计图中对型面和边缘要求的粗糙度和形状技术要求,抛光工序应有:粗抛光工序、半精抛光工序和精抛光工序。
  2.1 叶片型面粗抛光
  粗抛光(俗称修型、打残余)是叶片精抛光前的准备工作,使用46#粒度碳化硅砂轮,去除机加工给叶片型面留下的较多的余量和修整叶片型面的形状。粗抛光叶身表面粗糙在Ra3.2μm以下,一般情况下粗抛光留余量为0.08mm。
  2.2 型面半精抛光
  半精抛光是精抛光的准备工作。半精抛光是用羊毛毡轮粘附100#~120#粒度碳化硅砂粒抛修型面。半精抛光目的是为了进一步抛修型面、排除波纹、降低粗糙度Ra值。半精抛叶型留余量0.02mm。半精抛光叶身表面粗糙度在Ra0.8μm。
  2.3 型面精抛光
  精抛光是在半精抛光的基础上对型面光饰,使其达到规定的粗糙度和图纸技术要求和尺寸精度要求的工序。叶片型面的打磨抛光为无冷却液的干磨削形式。
  3 钛合金叶片型面抛光烧蚀检测方法及产生原因
  3.1 钛合金叶片型面抛光烧蚀检测方法
  钛合金叶片材质较软,工程化检测该材料叶片型面打磨抛光烧蚀现象的方法是利用表面弱腐蚀检验方法进行,其所反映的现象是叶片型面表面出现微小的腐蚀麻坑。
  3.2 钛合金叶片型面抛光烧蚀产生的原因
  根据对叶片型面抛光过程的实际了解,依照实际发生的状况,通过分析可以发现,所脱落的砂粒大多产生于砂轮的上部,会在磨削的过程中受到磨削压力,因而钛合金材料会发生较强的软化倾向,因而在这种情况下便会瞬间发生焊附现象。
  4 避免烧蚀现象的抛光方法选择及加工试验
  4.1 抛光方法的选择
  机械抛光方法多种多样,通过使用不同的磨料以及抛掉余量的改变,对烧蚀影响予以确定,最终确定一个合理的抛光加工方式。
  4.2 砂轮机磨削抛光实验
  砂轮机磨削抛光是通过安装于机床或工具转动轴上高速旋转的砂轮或粘附磨料的弹性材料磨轮进行磨削加工的工艺方法。砂轮机磨削实验的叶片型面尺寸规格、使用的设备转速、砂轮规格尺寸按照文章前述的工艺文件规定不变,叶片盆、背单面余量0.2。
  4.2.1 白刚玉和碳化硅磨料实验结果
  分别使用白刚玉和碳化硅材质的磨料各对15片叶片按照工艺文件规定的三个步骤加工余量要求进行抛光,每个叶片最终形成的加工表面经腐蚀检查均有比较严重的烧蚀现象,同时每个叶片有较严重烧伤现象。
  4.2.2 碳化硅和氮化硼磨料实验结果
  通过羊毛毡轮对剩余的0.1余量进行抛光,需要注意的是羊毛毡轮上粘附有粒度为100#的碳化硅砂粒,抛光后再对表面进行最终的抛光,可以分别采用树脂结合剂以及陶瓷结合剂,抛光完成后需要对最终的产品表面进行烧蚀检查,通过对所加工7片叶片型面进行腐蚀检查,发现存在个别轻微烧蚀坑,同时每个叶片有小面积轻微烧伤现象。
  4.2.3 专用抛光轮实验结果
  使用专用抛光轮进行试验,将磨余量降至0.1后,再对叶片表面采用砂轮进行最后的抛光,通过检查8片叶片型面没有出现烧蚀,但是7片的型面则粗线了小面积的烧蚀。
  4.3 砂带机磨削抛光实验
  砂带机磨削抛光是通过安装于机床或工具主动轮与从动轮之间连接的高速运动砂带进行磨削加工的工艺方法。砂带由基体、结合剂、磨料三部分组成。砂带机磨削较砂轮磨削有磨削效率高、磨削温度低、磨削稳定性较好、磨削经济性好等优点,实验选择的砂带抛光机线速度调整范围10~50m/s,使用砂带长度2640mm。
  4.4 抛光质量效果分析
  4.4.1 在砂轮抛光机设备上,使用白刚玉、碳化硅砂轮和磨料进行钛合金叶片型面的连续打磨抛光时,会出现表面烧蚀现象,同时伴随烧伤现象产生;
  4.4.2 在砂轮抛光机设备上,使用100%的立方氮化硼砂轮进行钛合金叶片型面的连续打磨抛光,存在个别轻微烧蚀坑,同时每个叶片有小面积轻微烧伤现象;
  4.4.3 在砂轮抛光机设备上,使用不脱粒专用砂轮进行钛合金叶片型面的连续打磨抛光不会在表面发生较为明显的烧蚀现象,但是烧伤现象的出现是不可避免的。
  5 加工方案确定
  通过加工实验研究的开展,对该叶片打磨抛光所获得的经济、高效与合理的加工工艺方法是,使用砂带抛光机方法进行加工,每个步骤的加工过程是,使用80#粒度40mm宽碳化硅布基砂带以约20m/s线速度打磨余量0.12,使用240#粒度33mm宽碳化硅布基砂带以约24m/s线速度打磨余量0.06mm,使用320#粒度16mm宽碳化硅尼龙纤维砂带以26m/s线速度打磨0.02mm余量。该方法可连续长时间进行抛光加工,且不产生任何烧蚀和烧伤现象。
  参考文献
  [1]乔丽静.航空钛合金技术发展论坛在北京成功召开[J].中国材料进展,2010(05).
  [2]干为民,刘延禄,徐家文.整体叶轮叶片型面数控展成电解磨削机床及运动分析[A].特种加工技术-2001年中国机械工程学会年会暨第九届全国特种加工学术年会论文集[C].2001.
  [3]孙广标,文保平,任延华.钢片综的抛光工艺研究[A].陕西省机械工程学会电加工分会第七届学术年会论文集[C].2000.

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