淺談某型航空發動機葉片榫頭噴丸強化工藝裝備的改進與應用

趙方

（海翔機械廠，河北 邯鄲 057150）

1 概述

葉片是航空發動機的核心部件，在發動機啟動、停止或狀態變化時，葉片要承受氣體負載、質量慣性力、熱載荷和多種循環載荷，在這種高溫、高壓、高轉速和交變負荷的極端惡劣條件下還要保持穩定可靠的性能。航空發動機的葉片每分鐘轉速約為15000rpm，此時，轉動葉片的離心力相當于葉片重量的10000倍。即航空發動機1個葉片榫頭（工作葉片和渦輪盤相連的部分）要承受的離心力約15t，極易產生疲勞破壞，其疲勞壽命直接決定了發動機的使用壽命，因此對葉片進行延壽強化處理顯得尤為重要。

葉片榫頭噴丸強化就是延壽強化處理的一種方式，主要是利用壓縮空氣將大量的鑄鋼丸噴射到榫頭的工作面上，在其表面積累大量壓應力，使榫頭工作面在交變疲勞應力下裂紋萌生和擴展的勢壘提高，提高了抗腐蝕破壞和疲勞破壞的能力。另外，在噴丸強化過程中，榫頭表層組織在彈丸的大力打擊下會發生動態再結晶，表層組織細化、殘余應力值提高，可大大提高工件的疲勞強度。

2 背景

2.1 設備現狀

工廠現有2臺手動噴丸機（內循環艙式普壓噴丸機），一臺噴丸機為固定噴槍式，即1把噴槍固定在機艙內的支架上，工作時，操作者手持葉片（葉身通過專用工裝保護），通過不斷調整噴槍口與榫頭工作面之間的距離和角度，或移動、或翻轉葉片來實現榫頭的噴丸強化處理；另一臺噴丸機為手持噴槍式，工作時，通過專用工裝將葉片葉身保護并固定到機艙內的旋轉工作臺上，操作者手持噴槍，不斷調整噴槍口與榫頭工作面之間的距離和角度，通過直射或掃射來完成榫頭的噴丸強化處理。

2.2 存在問題

（1）葉片榫頭噴丸強化質量參差不齊

葉片榫頭工作面的噴丸強化要求為噴丸強度在0.13～0.18A之間，采用30倍放大鏡法檢測工作面強化的覆蓋率≥100%。葉片榫頭工作面為不規則形狀（葉片噴丸部位如圖1、2所示，榫頭工作面為區域），操作者手持噴槍或葉片進行榫頭表面的噴丸強化時，需要操作者依靠視覺判別噴槍口與榫頭工作面的相對距離（如圖3所示）和夾角（如圖4所示），并在三維空間內做出手動調整，以確保噴丸強度值在工藝要求范圍內，對操作者操作手法有較高的要求，容易出現漏噴區域和反復噴射區域。另外相對移動速度和噴射時間長短等因素也在一定程度上，影響榫頭的噴丸質量，綜上所述，多種人為操作因素的不穩定性，造成了葉片榫頭噴丸強化質量參差不齊。

圖1 葉片外形示意圖

圖2 葉片噴丸強化區域

圖3 噴嘴與工作面的距離

圖4 噴嘴與工作面的夾角

（2）葉片榫頭噴丸強化效率低

隨著工廠某型航空發動機開展小批量修理后，噴丸工序的生產任務量加重，某型航空發動機單臺高壓渦輪轉子葉片為614件，按照原有工藝方法，每次對1個葉片榫頭進行噴丸強化，單臺發動機葉片榫頭噴丸強化工序的生產周期約為2個工作日，效率較低，不能滿足工廠生產計劃需求。

3 總體設計方案

在工廠原有手動噴丸機的基礎上進行升級改造，全面提高某型航空發動機葉片榫頭噴丸強化質量和效率。總體改造方案如下：對噴槍系統進行升級改造，增加噴槍數量，固定噴槍口與榫頭工作面之間的相對距離和角度，且要求噴槍的有效噴丸面積能夠同時覆蓋榫頭工作面的垂直截面形狀區域。對工作臺進行升級改造，將原有旋轉工作臺改為水平線性移動工作平臺（矩形），通過專用工裝同時將多個葉片固定在平臺上。改造后的設備，噴槍與榫頭工作面之間的距離和角度固定，操作者左右移動工作平臺，即可完成葉片榫頭的噴丸強化，能夠有效避免操作者依靠視覺和記憶判別噴丸距離、角度和質量的情況，減少了人為操作誤差造成的漏噴區域和反復噴射的區域，確保了噴丸強度的一致性，減少人為因素對噴丸質量的影響。還能夠同時完成多個葉片榫頭的噴丸強化，提高了工作效率，噴丸機改造后的示意圖如圖5所示，主要改造部位如圖5。

圖5 噴丸機改造后的示意圖

3.1 噴槍系統的改造

葉片榫頭需要噴丸強化的區域為不規則形狀，為確保噴槍的有效噴丸面積能夠覆蓋榫頭工作面的橫截面區域，經過模擬計算，設計6把手動噴槍，通過支架，交叉錯落排列在榫頭的兩側（如圖6所示），每把噴槍的有效噴丸區域都對應榫頭不同位置的工作面，噴槍與榫頭的距離和角度可調整。噴槍口徑為φ8mm，為確保6把噴槍所需氣源能夠均勻足量分配，在設備壓縮氣體進口增加1個氣體混合器，混合器兩端分別開3個氣孔，供給噴槍。通過1個腳踏開關同時控制6把噴槍的開關（6把噴槍設有獨立的氣閥和砂閥調節開關，可分別獨立工作）。

圖6 6把噴槍與榫頭位置示意圖

3.2 工作臺的改造

拆除工作艙內可旋轉的圓形工作臺，在原有空間配置水平軌道和可移動的工作平臺（如圖5所示），工作平臺上配焊有拉桿伸出機艙外，穿板處采用膠皮密封。通過專用工裝同時將多個葉片固定在平臺上，因此工作平臺長度方向的尺寸越大越好，為最大程度利用機艙內的有效空間，工作平臺有效尺寸的最大值為機艙長度方向的1/2，設計時，考慮到設備的維修性和可操作性，左右各預留部分空間，將工作平臺長度方向的尺寸設計為400mm。

4 系統調試

系統調試時，根據手動噴槍使用說明書（φ8mm口徑噴槍的最佳噴丸距離是100～120mm），結合工廠以往實際使用經驗，在調試過程中，將噴丸距離設定為110mm。因噴槍射出的丸料垂直射向工作面時，同等條件下，噴丸強度最大，所以調試時設定噴槍口垂直需要強化的工作面。

4.1 噴槍開關同步性及丸料均勻性調試

分別調整6把噴槍上的進氣閥和進砂閥，調控進氣量和進砂量，確保6把噴槍能夠同步開關，且砂量均勻。在距離110mm外的平面上，噴丸強化的有效面積為近圓形且面積相等。

4.2 噴丸強度和有效面積的調試

根據修理工藝要求，以A試片為試驗工件，通過逐步增加噴丸壓力的方法，計算噴丸強度，當噴丸強度符合工藝要求時，記錄噴丸壓力及單噴槍的有效噴丸強化面積的直徑。試驗數據如表1所示。

表1

綜合以上試驗數據，噴丸壓力在0.45～0.6MPa之間時，噴丸強度在0.131～0.165A之間，滿足工藝要求；當噴丸壓力在0.5～0.6MPa之間，有效噴丸面積的直徑最大為φ10mm，綜上可以得出結論：當噴丸壓力為0.5～0.6MPa，噴丸距離為110mm，噴槍口垂直于工作面時，單把噴槍的有效噴丸面積的直徑最大為φ10mm，且噴丸強度為0.143～0.165A之間，符合工藝要求，因此后續試驗時，將噴丸壓力設定為0.5MPa，有效噴丸強化面積的直徑按照φ10mm計算。

4.3 噴槍間距及角度的調試

若同側的3把噴槍（如圖7所示）的距離太近，高速射出的丸料之間就會發生碰撞干涉，不規則的碰撞，會改變丸料的動量，進而影響單把噴槍的噴丸強度和有效強化面積。在機艙有限空間內，若噴槍之間的距離過大，就會減少工作平臺的有效工作行程，縮減工作平臺同時裝夾葉片的數量（如圖8所示），試驗數據如表2所示。

表2

圖8 平臺有效工作行程示意圖

經過不斷調整噴槍的間距和角度，通過試驗驗證：位于榫頭一側的噴槍，相鄰2把噴槍的距離在20mm以上時，噴丸強度和有效強化面積的直徑最大，分別為0.143A和φ10mm；相鄰2把噴槍之間的距離在40mm時，平臺上最多能安裝的葉片數量由6個降為5個。綜上可以得出結論，當噴丸壓力為0.5MPa，噴槍口垂直于工作面，噴丸距離為110mm時，位于榫頭兩側相鄰2把噴槍之間的距離在20～30mm時，有效噴丸強化面積的直徑最大為φ10mm，安裝的葉片數量最多為6片。

5 應用情況

5.1 試驗鑒定

隨機選取30個某型航空發動機高壓渦輪轉子葉片作為試驗件，共分為5組，且葉片榫頭全部均勻涂抹著色劑（用于檢查榫頭工作面噴丸強化的覆蓋率），試驗數據如表3所示。

表3

結論：操作者在15min內完成了30個葉片榫頭的噴丸強化工作，用30倍放大鏡法檢測，葉片榫頭部分著色劑全部去除，噴丸強度覆蓋率≥100%。30個葉片榫頭噴丸強化的一次提交合格率均為100%。單個葉片榫頭噴丸強化生產效率提高了3倍。

5.2 鞏固措施

鑒定驗收完成后，鎖定6把噴槍的角度與位置，記錄每把噴槍進氣閥和進砂閥開關的位置，避免因人為誤操作而影響設備性能。

將設備噴丸壓力設定值、葉片安裝數量和工藝操作方法等納入到《XX型航空發動機葉片修理工藝規程》中。

5.3 效果檢查

設備投入使用后，會同技術處、質量處和使用車間，對5臺發動機葉片榫頭噴丸強化情況進行追蹤檢查，結果顯示，5臺發動機的3070個高壓渦輪轉子葉片榫頭噴丸強化一次提交合格率均為100%，質量穩定可靠，且工藝方法操作簡單，該工序的生產效率提高了3倍，得到單位領導及操作者一致好評。