飛機鈦合金滑軌噴丸強化加工工藝研究

肖靜怡，尹佳

（航空工業西安飛機工業集團（有限）責任公司，西安710089）

0 引言

滑軌是飛機上重要的傳動機構。飛機在起飛和降落時，依靠滑輪架滾輪在滑軌導動面上的滑移，配合搖臂、驅動連桿等傳動機構的運動，縫翼和襟翼能夠靈活改變角度，改善飛機的起飛和著陸性能[1]。

飛機滑軌之前多采用合金鋼或沉淀不銹鋼制造，如40CrNiMoA、15-5PH等，但鋼的密度較大，不利于減輕飛機結構質量。因此，近年來，國內外大中型飛機多采用密度更小的鈦合金制造襟翼、縫翼滑軌，如TC18、TC4等，鈦合金的比強度更高，同時也具有良好的耐腐蝕性能。噴丸強化作為航空結構件表面強化的重要工藝，應用于鈦合金滑軌，一方面能夠顯著提高常規抗疲勞性能和微動疲勞抗力，另一方面也可適當使表面粗糙度增大進而改善后續火焰噴涂涂層與基材的結合強度[2-5]。

1 零件概述

飛機滑軌外形一般包括接頭部分滑軌導動部分，其中導動面受到滾輪滑動摩擦，對疲勞強度和表面硬度要求非常高，加工時需要噴丸強化并進行火焰噴涂。常見的飛機鈦合金滑軌按導動部分的截面結構，可以分為以下3種：“工”字型、“Π”字型、雙“工”字型。本文以“工”字型鈦合金滑軌作為研究對象，主要研究其噴丸強化工藝方法及噴丸引起的零件變形的控制方法。

圖1 飛機滑軌主要結構

零件使用Ti6Al4V鍛件，加工流程為粗加工→去應力退火→精加工→清洗→滲透檢查→噴丸強化→鈍化→火焰噴涂。其中，內外兩側滑軌導動面進行噴丸強化和火焰噴涂。

鈦合金滑軌導動部分為帶輪廓外形的槽型腔的特殊結構，槽腔內材料去除量大，銑切殘余應力集中，存在一定程度的加工變形[6-7]。噴丸強化時，彈丸撞擊零件表面產生了新的殘余應力導致材料內部原有的殘余應力平衡被打破，在應力重新達到平衡的過程中，材料整體結構發生變形。其中，應力集中的槽腔變形最嚴重，且由于肋板和緣板開口處受力最薄弱、剛性最差，因此槽口處變形量最大，極易產生超差問題。同時，滑軌導動部分尺寸較長，外形輪廓也會受噴丸加工影響，產生變形，造成輪廓度超差。因此，如何控制滑軌的變形是噴丸強化工藝的難點。

2 噴丸加工

2.1 工藝流程

由于此類零件僅對導動區域噴丸，因此除常規的清洗、強度驗證和噴丸強化外，還應對導動面以外區域進行保護；同時考慮到滑軌裝配中尺寸精度要求，以及銑切和噴丸加工中的變形影響，需要在噴丸強化前后，對導動面的槽口寬度和外形輪廓進行測量，并針對超差部位進行噴丸校形，以達到裝配要求。

圖2 噴丸加工流程

2.2 參數設計

在設計噴丸工藝參數時，既要滿足設計規定的噴丸強度和覆蓋率，達到提高零件疲勞性能的目的，同時也要考慮可能的外形變化，通過參數設計降低對零件結構外形的影響。

噴丸強化工藝參數主要包括彈丸材料和尺寸、空氣壓力、彈丸流量、噴丸角度和距離等。其中，不同的彈丸材料對確定零構件噴丸強化時效果差別顯著，一是所產生的殘余壓應力峰值大小不同；二是因殘余壓應力峰值對應的參數范圍變化而使零構件表面質量不同[8]。針對20項“工”字型鈦合金滑軌，分別采用鑄鋼丸噴丸設備PR TRAT 4G7 4SM和陶瓷丸噴丸設備MP4000進行噴丸強化工藝試驗。

表1 試驗參數

陶瓷丸的彈性模量（330 GPa）是鑄鋼丸（200 GPa）的165%，抵抗變形的能力更強，可以減少零件表面缺陷，從而減小變形。對20項零件噴丸前后槽口變形量進行統計，使用鑄鋼丸，槽口變形量最大為0.15 mm，其中變形量超過0.05 mm的占55%，而使用陶瓷丸，槽口變形量最大為0.11 mm，變形量超過0.05 mm的占30%。可以看出，使用陶瓷丸噴丸強化，較鑄鋼丸能夠顯著降低槽口變形量。同時，在噴丸強度相同的情況下，陶瓷丸密度較小、沖擊量小，噴丸后試樣表面粗糙度比鑄鋼丸噴丸后的低，因此，陶瓷丸噴丸強化具有更好的疲勞性能[9-10]。

表2 槽口變形量統計

圖3 零件噴丸前后表面對比

2.3 保護方法

不同滑軌導動面方向，導致保護區域有所區別，圖4所示是兩種典型工字型結構滑軌的噴丸區域。

對于非噴丸區域，可使用醫用橡皮膏和噴丸專用保護膠帶進行遮蔽，兩種膠帶使用時有以下特點：1）醫用橡皮膏保護厚度薄，需要粘貼3層或以上，才能起到緩沖彈丸撞擊能量的作用，根據各滑軌零件保護區域不同，一項零件所需的保護時間需20～30 min，但其造價低廉，易于拆除；2）噴丸專用保護膠帶厚度約1 mm，使用一層即可起到保護作用，一項零件所需的保護時間比起醫用橡皮膏可節約30%～50%，但在溫度超過25℃時，保護膠帶上的涂膠就會粘附在零件表面，難以使用噴丸常規清理溶劑（如工業酒精、丙酮）去除，需使用航空汽油等溶劑擦拭。所以，根據兩種膠帶的特點和產品質量的要求，規定當現場溫度低于25 ℃時，使用噴丸專用保護膠帶；當現場溫度高于25 ℃時，使用醫用橡皮膏進行保護。

圖4 典型保護區域示意圖

圖5 兩種噴丸保護介質使用對比

2.4 工具設計

由于滑軌導動面長度較長，測量時需沿導軌面全長進行多點測量，一般需要10點以上，測量耗時長。由于槽口所處的面為圓弧面，使用游標卡尺測量時會出現與零件的相對位置不準確導致多次測量結果不一致的現象，游標卡尺夾卡過緊造成零件彈性變形等問題，測量準確度依賴工人的技能和經驗。為了更加嚴格地控制零件外形，根據每項滑軌的槽寬尺寸和導動面方向，制作專用檢驗卡規和塞規。卡規和塞規均采用通止端設計，卡規用于檢驗外側導動面間距離，塞規用于檢驗內側導動面距離。

圖6 滑軌專用測量卡/塞規示意圖

經某架機統計，使用專用卡/塞規測量單件滑軌的時間平均為3 min，而使用游標卡尺的時間為12 min，測量時間減少75%。通過不同操作工人分別使用游標卡尺和專用卡/塞規對比，前者測量誤差最大為0.03 mm，后者測量結果一致。該措施更好地保證了產品尺寸精度。

2.5 校形方法

由于噴丸強化加工時，彈丸接觸零件不會造成零件表面溫度升高，也不存在裝夾應力，因此零件變形的主要原因是噴丸加工引入的殘余應力，變形主要分為以下兩個方面：1）槽口變形，基本為縮口變形；2）輪廓度變形，變形趨勢為導動面從彎變平。這兩種變形所使用的校形方法不同。

對于縮口變形，使用旋片噴丸機，對槽內側壁靠近縮口處進行噴丸，使用1×1-1/4旋板，轉速5000～8000 r/min，以前進畫圓的運動軌跡對校形區域進行噴丸校形。此種方法針對性強，可以不必對非噴丸區域進行保護，還可隨時使用量具測量槽口變形量，控制校形效果。使用旋片噴丸校形需要注意避免過度噴丸，造成表面質量下降。

對于輪廓變形，由于校形區域較大，使用旋片噴丸的效果不佳，可以使用數控噴丸機床，保護緣板校形區域兩側，對輪廓外側面筋條處以更大強度進行噴丸校形，但該強度必須滿足設計要求。校形不需要滿足100%覆蓋率，所以可以根據需要控制機床進給速度，達到不同校形量。

3 結語

本文討論了飛機鈦合金滑軌的噴丸加工工藝方法，包括加工流程、噴丸參數設計、保護方法和檢驗工具，并以“工”字型滑軌為例，列舉了兩種常見噴丸后變形的校形方法，得到以下結論：

1）使用陶瓷丸介質進行噴丸強化，比鑄鋼丸介質能更好地抑制噴丸加工變形，且能獲得更好的零件表面質量。

2）噴丸加工引起的變形可以通過噴丸進行校正，“工”字型滑軌最常見的變形是端口縮口和輪廓度變形。其中，縮口使用旋片噴丸校形，輪廓變形使用機床校形能分別獲得更好的校形效果。