渦輪轉子支撐錐壁噴丸工藝研究

佟京澤++宋建偉++孟震威++陳征

摘 要：作為航空發動機的熱端部件之一，渦輪轉子占據極其重要的地位。渦輪轉子工況惡劣，受力復雜，故要求其材料要具備高拉伸強度，高屈服強度，使其在高溫高壓下正常穩定運行。低壓渦輪轉子支撐錐壁是航空發動機上重要的零組件之一，其結構復雜，承受多種機械載荷和熱載荷，因此必須保證支撐錐壁零件具備高可靠性，一旦零件失效后果不堪設想。噴丸強化是目前國內外使用最廣泛的抗疲勞表面強化技術之一，文章研究低壓渦輪轉子支撐錐壁的噴丸工藝過程。

關鍵詞：工藝路線；疲勞壽命；數控編程；噴丸工藝

中圖分類號：TK47 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）27-0055-02

引言

作為航空發動機的熱端部件之一，渦輪轉子占據極其重要的地位。渦輪轉子工況惡劣，受力復雜，故要求其材料要具備高拉伸強度，高屈服強度，從而使其在高溫高壓下能正常穩定運行。新機的研制，給渦輪部件的材料提出了更高的要求，對其材料機械加工特性的研究也變得日趨迫切。低壓渦輪支撐錐壁是航空發動機重要的零部件，承受著十分復雜的熱載荷和機械載荷。支撐錐壁聯接著渦輪葉盤與渦輪軸，其型面型腔數量眾多且難以加工，結構極其復雜，且制造周期較長，因此必須保證零件可靠性避免零件失效，航空零部件80%以上失效是由于疲勞失效造成的。噴丸是一種通過用金屬丸粒不停地撞擊金屬表面從而在其上產生殘留壓應力層和冷作硬化來改進金屬的性能的冷加工過程。這種特種工藝可以提高零件疲勞壽命，增強其可靠性。

1 噴丸工藝原理

噴丸強化工藝是一種表面處理工藝方法，它通過用金屬丸粒不停地撞擊金屬表面從而在其上產生殘留壓應力層同時又因為冷擠壓使零件表面冷作硬化。殘余壓應力可消除零件因機加、熱處理等環節產生的殘余拉應力，而冷作硬化使零件的強度有所提高。晶粒晶格的畸變使零件不易產生裂紋擴展，從而能顯著提高零件抗疲勞性能和抗應力腐蝕能力，延長零件使用壽命。

噴丸強化是一種冷加工工藝，對于噴丸強化的效能評定來說噴丸強度、表面覆蓋率和粗糙度都是較為重要的考察項，在這些技術要求中又以噴丸強度最為關鍵也最難控制。實際加工中零件的噴丸強度值受到十余種工藝參數的影響，包括壓縮空氣壓力、流量、彈丸材質、噴嘴類型及尺寸、噴射角度等等，這其中細小的變化也會相應的改變噴丸強化的最終效果。對于噴丸強化工藝來說，必須嚴格監控各參數的變化，為了簡化噴丸工藝中過程的控制，在對同一部位進行噴丸強化加工時，可以將噴射角度、彈丸、噴嘴等參數進行固化，而僅通過調整空氣壓力和彈丸的流量以及加工時間等幾個因素來保證噴丸效果的穩定。

2 渦輪轉子支撐錐壁的工藝性分析及工藝方法的確定

2.1 零件特點及設計要求

低壓渦輪轉子支撐錐壁表面分為噴丸區、任意噴丸區、禁噴區，所涉及零件特征：型腔、型面、內孔、里沿。該零件是一個典型的復雜型面盤型零件，零件的最大外圓大于Φ750mm，型腔淺但是所處位置較深，數量較多，且形狀復雜，加工孔數多，對噴丸工藝技術要求較高。

2.2 工藝準備及特種工藝工序的安排

在噴丸工序之前，需完成零件相關尺寸特性等所有機械加工工序，之后根據工廠現有設備條件，采用數控噴丸機對零件進行噴丸。在接收零件后指導現場操作人員按工藝規程對零件進行清理，按規程標注區域對零件上的禁噴區進行保護。通常禁噴區的保護分為兩種方式，對于大批量的產品一般通過專用遮擋工裝對其進行保護，對于研制件或件數較少的產品一般采用專門的保護膠帶對零件進行保護，本次采用的是專用保護膠帶對零件進行保護。

2.3 工藝路線的確定

2.3.1 工序路線的安排

轉子支撐錐壁噴丸的工藝路線為：

接收零件→零件保護→錐壁定點試片噴丸→錐壁移動試片噴丸→錐壁一面定點噴丸→錐壁一面移動噴丸→錐壁一面補充噴丸→錐壁二面定點噴丸→錐壁二面移動噴丸→錐壁內腔試片噴丸→錐壁內腔噴丸→清理→最終檢驗

低壓渦輪轉子支撐錐壁是發動機中的結構支撐部件，其對抗疲勞性能要求較為嚴格，根據其結構特點對其噴丸工藝路線分為第一面定點噴丸，第一面移動噴丸，第二面定點噴丸，第二面移動噴丸，小孔噴丸，再根據噴丸路線編制對應的試片噴丸工序。

2.3.2 型面型腔噴丸過程

先將噴丸試片通過專用夾具安裝在數控噴丸機上，之后通過試片程序對其進行噴丸，根據試片結果進行弧高度曲線的劃定并根據圖紙要求，確定了噴射角度，彈丸流量，空氣壓力，噴丸時間或噴丸次數，其余相關參數由數控噴丸機固化，在對應零件部位的試片噴丸之后立即進行對該部位的噴丸工序，轉子支撐錐壁的輻板部位面積大，要求噴丸表面覆蓋均勻，在本次過程中采用移動式噴丸的方式，通過程序控制噴嘴沿零件型面移動，同時保持各項工藝參數不變，完成對零件大面積、長距離、型面結構簡單部位的噴丸。零件的細小型腔部位，采用定點噴丸的方式對其進行噴丸。由于零件內部復雜，存在著相互遮擋問題，腔體里側丸粒無法觸及等問題，本次主要通過編制數控程序與手動操作相結合以示教的方式對難以觸及的型腔進行逐次逼近，記錄每次的位置點，根據位置點進行程序編制，從而實現對第一面與第二面的噴丸，如圖1、2所示。

2.3.3 小孔噴丸過程

根據設計要求需要對支撐錐壁眾多加工孔進行噴丸，通常小孔噴丸的方法分為兩種情況：第一、在孔外側用噴嘴直接噴丸，當孔直徑大于孔深時，可以從孔的側面進行噴丸，因每次只能噴到孔的1/4面積，所以要對孔進行4個方向噴丸。當孔直徑小于孔深但孔深小于二倍孔直徑并且是通孔時，采用外噴嘴噴丸時要從孔的兩側進行噴丸，但也要對孔進行4個方向噴丸，左右方向噴丸，前后也要進行噴丸，才能達到完全覆蓋，為提高效率，也可以采用4個噴嘴在孔的4個方向同時進行噴丸。第二、在孔內側采用反射式噴嘴進行噴丸，在通孔的任一端放置一個反射式噴嘴，將其伸入小孔可以對通孔內徑進行噴丸，為了獲得均勻的覆蓋率有時需要旋轉式反射噴嘴。本次采用第一種方式對轉子支撐錐壁加工孔進行噴丸。

3 結束語

在10倍放大鏡下，對零件的噴丸后表面進行了細致的檢查，噴丸后的形貌均勻，覆蓋率達到設計要求，通過檢查噴丸試片及對應的弧高度曲線，證明噴丸工藝參數滿足圖紙要求，制定的工藝路線正確合理，順利完成了低壓轉子支撐錐壁的噴丸工序，保證零件加工噴丸區域的要求和技術條件。噴丸處理后表面形成殘余壓應力層和冷作硬化可對零件表面強化，同時也可以破碎機械加工的刀痕，減小缺口敏感性，從而有效提高零件抗疲勞強度，一般可提高疲勞壽命1-3倍，甚至可提高幾十倍。

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