燃?xì)廨啓C(jī)葉片噴丸表面超精工藝研究

鄭娟

摘要：燃?xì)廨啓C(jī)廣泛應(yīng)用于發(fā)電、船艦等能源、國防、交通領(lǐng)域，是關(guān)系國家安全和國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的高技術(shù)核心裝備，屬于市場前景巨大的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)。本文針對世界上功率最大的燃?xì)廨啓C(jī)葉片表面超精要求開展工藝技術(shù)研究，使得噴丸表面的葉片最終到達(dá)鏡面效果的同時(shí)，滿足表面殘余應(yīng)力和表面完整性技術(shù)要求。

Abstract： Gas turbine is widely used in power generation， ship and other energy， national defense， transportation fields. It is a high-tech core equipment related to national security and national economic development， and belongs to the high-tech industry with huge market prospect. In this paper， the technology research is carried out for the super precision requirement of the blade surface of the gas turbine with the largest power in the world， so that the blade on the shot peened surface can reach the mirror effect finally， and at the same time， it can meet the technical requirements of surface residual stress and surface integrity.

關(guān)鍵詞：燃?xì)廨啓C(jī)葉片;超精表面;噴丸;表面完整性;數(shù)控砂帶磨削

Key words： gas turbine blade;ultra-finish surface;shot peening;surface integrity;CNC belt grinding

0 ?引言

燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展是國家戰(zhàn)略性高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，發(fā)展燃機(jī)產(chǎn)業(yè)，對于推動(dòng)國家產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整與轉(zhuǎn)型升級，提升經(jīng)濟(jì)發(fā)展質(zhì)量和效益具有重大戰(zhàn)略意義。圖1是加工好的燃?xì)廨啓C(jī)超精表面。而“超精表面”這個(gè)概念的引入源于通用公司H級燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)葉片，表面質(zhì)量的提高其目的在于提高燃?xì)膺M(jìn)氣效率，同時(shí)增加壓氣機(jī)葉片的疲勞壽命。該燃機(jī)是當(dāng)前世界上功率最大的燃?xì)廨啓C(jī)，輸出功率可達(dá)397MW，具有最新型的燃燒室，能使氮氧化物的排放降低到15ppm的水平，遠(yuǎn)低于我國國家的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，是業(yè)界領(lǐng)先的環(huán)保型燃?xì)廨啓C(jī)。因此，新型超精的燃機(jī)葉片將會(huì)成為未來的主流，對于掌握超精葉片表面的加工工藝研究勢在必行。

1 ?表面完整性和超精加工難點(diǎn)

1.1 表面完整性

提到超精表面加工的時(shí)候，我們就不得不提另一概念——表面完整性。在不同載荷條件下，零件的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是不同的，對于同一種材料而言，疲勞強(qiáng)度往往比靜載強(qiáng)度低很多。所以，受循環(huán)載荷的零件將疲勞壽命作為其設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。當(dāng)零件的加工尺寸及結(jié)構(gòu)形式和材料性能確定后，疲勞強(qiáng)度往往取決于表面的質(zhì)量狀態(tài)，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，大部分的疲勞裂紋都萌生于表面，因此，零件的表面質(zhì)量是至關(guān)重要的，表面完整性概念也因此而產(chǎn)生。

1964年，F(xiàn)ield在文中首次提出表面完整性概念，經(jīng)過大半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，表面完整性已完全深入航空制造領(lǐng)域和民用高端機(jī)械領(lǐng)域。表面完整性是指零部件加工后表面幾何和物理質(zhì)量的總稱，從廣義上講表面完整性包括兩個(gè)組成部分：①與零件表面紋理變化有關(guān)的部分，稱為外部效應(yīng)，其中包括表面粗糙度、波紋度、刀紋方向和宏觀缺陷;②與零件表層冶金物理特征變化的有關(guān)部分，即內(nèi)部效應(yīng)，其中包括顯微結(jié)構(gòu)變化、再結(jié)晶、晶間腐蝕、熱影響區(qū)、顯微裂紋、硬度變化、塑性變形、殘余應(yīng)力、材料非同性質(zhì)和合金貧化等。而超精表面加工是表面完整性概念的引申，通俗的講，即通過機(jī)械加工方式對零件表面進(jìn)行微觀和宏觀的質(zhì)量改善。

1.2 超精加工難點(diǎn)

由于葉片受發(fā)動(dòng)機(jī)工作環(huán)境的影響，因此，葉片必須具備抗腐蝕、抗氧化、抗疲勞等性能。如果要提高零件表面的抗疲勞能力就需要引入機(jī)械或化學(xué)的特種工藝，如噴丸、鍍層等，但是在特種工藝過后，零件表面的粗糙度會(huì)急劇的升高或產(chǎn)生顯微裂紋，這樣就會(huì)破壞零件表面完整性。因此，超精加工的難點(diǎn)主要是零件的抗疲勞工藝和粗糙度降低工藝的矛盾。這時(shí)我們就需采用一種工藝方法，既能降低表面粗糙度值達(dá)到超精Ra0.2效果，又能保證我們增加的表面強(qiáng)化層不被去除掉。

2 ?超精加工工藝研究

一般壓氣機(jī)葉片在葉型加工完成后，表面粗糙度可以達(dá)到Ra0.4，但由于需要增加葉片葉身表面抗疲勞性能會(huì)增加噴丸工藝。噴丸的過程就是將大量彈丸噴射到葉片的整個(gè)葉身表面，就像無數(shù)個(gè)小錘對零件表面進(jìn)行錘擊，使零件表面產(chǎn)生極為強(qiáng)烈的塑性變形，產(chǎn)生一定厚度的冷作硬化層，即表面強(qiáng)化層。在顯微鏡下所看到噴丸后的零件表面就是由無數(shù)凹坑形成（見圖2）。所以，噴丸后的葉片葉身表面粗糙度會(huì)急劇上升甚至達(dá)到Ra3.2，完全不能滿足客戶要求。因此針對該問題，開展葉片噴丸表面超精工藝研究試驗(yàn)。

2.1 試驗(yàn)方案

一般提高葉片表面質(zhì)量的方法通常采用手工拋光和振動(dòng)光飾，但是對于降低噴丸表面的粗糙度，手工拋光與振動(dòng)光飾在控制去除量均勻性上難度非常大，而且很難滿足要求。因此，結(jié)合公司現(xiàn)有設(shè)備采用六軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控砂帶磨床進(jìn)行新工藝開發(fā)工藝試驗(yàn)。

數(shù)控砂帶磨削是磨削和拋光相結(jié)合的新工藝，具有磨削效率高、表面質(zhì)量好、能量消耗低等特點(diǎn)，適用于各種材料及不同形狀零件，其加工具有靈活性。砂帶磨削是根據(jù)工件形狀，以相應(yīng)的接觸方式，利用高速運(yùn)動(dòng)的砂帶對工件表面進(jìn)行磨削、研磨和拋光的一種新型高效磨拋工藝，主要由砂帶、接觸輪等組成。而砂帶是其中非常重要的組成部分，也是進(jìn)行砂帶磨削的核心部分。數(shù)控砂帶磨削屬于一種可視化的、特殊的、多刀多刃的工具，主要由結(jié)合劑、磨粒和基體這三個(gè)部分組合而成。在進(jìn)行砂帶磨削時(shí)，通過給予磨粒一定的壓力來使其進(jìn)行切削運(yùn)動(dòng)，并與零件實(shí)現(xiàn)相互作用，最終形成對零件表面的拋光和磨削效果。

一般對于不銹鋼材料的壓氣機(jī)葉片，表面噴丸強(qiáng)度要求是9～12N，噴丸覆蓋率為100%，表面壓應(yīng)力層深度可達(dá)到200um左右，噴丸后葉片表面粗糙度一般為Ra1.6～Ra3.2。為滿足噴丸表面完整性要求——?dú)堄鄳?yīng)力值大小和壓應(yīng)力層深度要求，同時(shí)降低葉片表面粗糙度至Ra0.4，采用數(shù)控砂帶磨削加工，選擇合適的加工參數(shù)，對零件表面材料去除量進(jìn)行控制，這樣既可去除零件噴丸表面材料的高點(diǎn)降低表面粗糙度，同時(shí)保證了零件表面的殘余應(yīng)力值和壓應(yīng)力層深度不被破壞。數(shù)控砂帶磨削后，再將葉片進(jìn)行振動(dòng)光飾提高其表面完整性。

2.2 試驗(yàn)過程

選用一個(gè)壓氣機(jī)葉片進(jìn)行試驗(yàn)，該葉片最大弦長110mm，葉身高度260mm，圖紙規(guī)定噴丸后表面粗糙度要求達(dá)到Ra0.2。先對噴丸后的試驗(yàn)葉片進(jìn)行粗糙度的測量，其葉身檢測平均值為Ra2.0。然后對試驗(yàn)件在六軸數(shù)控砂帶磨床上進(jìn)行加工，分粗拋和精拋兩個(gè)工步。在工藝參數(shù)的選擇上，葉片噴丸表面具有多項(xiàng)指標(biāo)要求，而數(shù)控砂帶磨削具有多影響因素的加工參數(shù)，具有高復(fù)雜性和非線性的特點(diǎn)。因此，數(shù)控砂帶磨削工藝參數(shù)研究，主要從砂帶、接觸輪、加工參數(shù)等方面分析對材料去除量及表面粗糙度的影響，嚴(yán)格控制加工表面紋理以及提升拋光后零件表面均勻性。經(jīng)過多組試驗(yàn)對比后，最終摸索出最優(yōu)加工參數(shù)為：粗拋采用P400無紡布砂帶，直徑30mm接觸輪，加工行距0.6mm，進(jìn)給速度F5000mm/min，轉(zhuǎn)速S2200r/min，粗拋1次;精拋采用P600無紡布砂帶，直徑30mm接觸輪，加工行距0.4mm，進(jìn)給速度F4000mm/min，轉(zhuǎn)速S1800r/min，精拋1～2次。加工完成后，對試驗(yàn)件分別從表面粗糙度、材料去除量、表面殘余應(yīng)力這三個(gè)方面進(jìn)行檢測及對比分析。

表面粗糙度情況：將數(shù)控砂帶磨削加工后的試驗(yàn)件，用粗糙度儀器SJ210檢測葉身，葉盆和葉背各進(jìn)行10個(gè)點(diǎn)檢測，其平均粗糙度值低至Ra0.25。再將試驗(yàn)件放入振動(dòng)鍋中進(jìn)行振動(dòng)光飾，最終測量葉身表面粗糙度，葉盆和葉背同樣各檢測10個(gè)點(diǎn)，其平均粗糙度值小于Ra0.2，因此，葉片葉身最終粗糙度值滿足圖紙要求。

材料去除量情況：將葉片數(shù)控砂帶磨削前三坐標(biāo)檢測葉型數(shù)據(jù)與振動(dòng)光飾后三坐標(biāo)檢測的葉型數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)葉片葉盆葉背單面尺寸去除量小于0.015mm，也就是說葉片單面材料去除量控制在噴丸壓應(yīng)力層深度10%以內(nèi)，這樣葉身表面噴丸凹坑痕跡仍然存在。因此，采用數(shù)控砂帶磨削可有效控制材料的去除量，并且對噴丸壓應(yīng)力深度影響較小。

表面殘余應(yīng)力情況：選擇一件材料去除量最大的試驗(yàn)件進(jìn)行殘余應(yīng)力分析，采用Proto LXRD儀器檢測葉背1點(diǎn)，葉盆1點(diǎn)，前緣1點(diǎn)各8個(gè)深度的殘余應(yīng)力，通過對比檢測結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)最大殘余應(yīng)力在表層或次表層，0.003英寸處壓應(yīng)力大于40ksi，0.006英寸處為壓應(yīng)力。由此可見，數(shù)控砂帶磨削工藝采用合適的加工工藝參數(shù)所去除的表面材料對噴丸表面殘余應(yīng)力值影響較小。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

通過多組工藝試驗(yàn)對比，最終摸索出最優(yōu)數(shù)控砂帶磨削加工工藝參數(shù)，不僅可以降低噴丸表面的粗糙度達(dá)到Ra0.2，而且還不會(huì)降低或破壞噴丸表面的殘余應(yīng)力和壓應(yīng)力層深度，實(shí)現(xiàn)了葉片加工表面超精效果。因此，采用數(shù)控砂帶磨削加工實(shí)現(xiàn)噴丸葉片表面超精效果的工藝方法是可行的。

3 ?結(jié)束語

人類在發(fā)展，科技在進(jìn)步，為了滿足現(xiàn)代高科技設(shè)計(jì)要求，加工工藝也在不斷提升。通過工藝試驗(yàn)，摸索加工工藝參數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)了采用六軸數(shù)控砂帶磨削的加工工藝，使得葉片噴丸表面達(dá)到超精效果同時(shí)也不會(huì)降低或破壞原噴丸表面的殘余應(yīng)力和壓應(yīng)力，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的安全性能與抗疲勞性。

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