從航空公司復(fù)合物料的研磨特點(diǎn)、研磨用槍械、衣帽機(jī)械加工和研磨模塊等方面，分析討論復(fù)合物料的研磨工藝方式，并對其表層準(zhǔn)確性控制技術(shù)展開介紹。 高級工程師　黃強(qiáng) 1、序言 近年來，航空公司制造業(yè)對復(fù)合物料的需求大幅提升，大型直升機(jī)中復(fù)合物料的使用范圍非常廣泛。作為直升機(jī)及引擎的優(yōu)良制造物料，復(fù)合物料具有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、質(zhì)量輕及耐蝕性良好等特點(diǎn)。復(fù)合物料物料的研磨操控性決定了其研磨后鉆孔表層準(zhǔn)確性較差。下面從復(fù)合物料的研磨特性、研磨槍械、衣帽選用和研磨模塊等方面，介紹航空公司復(fù)合物料的研磨方式及表層準(zhǔn)確性控制技術(shù)。 2、復(fù)合物料的特點(diǎn)及應(yīng)用 在航空公司工業(yè)領(lǐng)域，復(fù)合物料主要用于制造引擎壓氣機(jī)盤、中空風(fēng)扇葉片、渦輪盤和機(jī)匣殼體等零部件，以及大直升機(jī)起落架、外翼段、機(jī)身外殼、艙門、液壓系統(tǒng)和機(jī)身后段等結(jié)構(gòu)件。目前，復(fù)合物料在航空公司工業(yè)中的使用比例已由6%提升至15%以上?？罩邪褪?77使用了7%～9%的復(fù)合物料配件；為達(dá)到減少燃油消耗20%的目標(biāo)，空中巴士787在研發(fā)過程中投入約20億元，專項(xiàng)研究復(fù)合物料在直升機(jī)某些陰部替代鋁合金，使空中巴士787機(jī)體復(fù)合物料用量達(dá)15%；國內(nèi)大直升機(jī)項(xiàng)目中，復(fù)合物料的用量已從支線客機(jī)ARJ21的4.8%，逐步增長到干線客機(jī)C919的9%以上。 航空公司領(lǐng)域結(jié)構(gòu)輕量化、高強(qiáng)度等需求，使其越來越離不開復(fù)合物料。根據(jù)強(qiáng)度和耐高溫操控性，復(fù)合物料可分為α復(fù)合物料、β復(fù)合物料、α β復(fù)合物料和鈦鋁合金，其中以α β復(fù)合物料（Ti6Al4V）應(yīng)用最為廣泛。α復(fù)合物料熱焊接操控性好，抗氧化性強(qiáng)，但延展性一般；β復(fù)合物料可鍛性良好，冷成形性及熱處理強(qiáng)化性強(qiáng)；α β復(fù)合物料延展性好，可焊接及熱處理強(qiáng)化，抗疲勞操控性良好。 Ti6Al4V的物料成分主要包括Ti、Al、V、Fe、 O、C、S i、C u及少量的N、H、B和Y。復(fù)合物料綜合力學(xué)操控性優(yōu)異，密度低，耐銹蝕操控性良好，作為一種高強(qiáng)度鈦，在航空公司引擎及航空公司工業(yè)領(lǐng)域一直被推廣使用。但是，復(fù)合物料研磨過程中的高溫、高邊界層，使其研磨后表層冷作壓實(shí)現(xiàn)象嚴(yán)重，加劇了槍械的破損，引致其研磨性較差，這些都不利于獲得好的表層質(zhì)量，影響復(fù)合物料配件的使用壽命及引擎工作操控性。下面以Ti6Al4V為研究對象，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐中積累的經(jīng)驗(yàn)方式，對復(fù)合物料配件的研磨操控性、研磨方式及表層檢驗(yàn)技術(shù)展開介紹。 3、鐵合金研磨方式 3.1 槍械的自由選擇 研磨復(fù)合物料的槍械物料應(yīng)具有延展性好、熱硬性好、散熱性及耐磨性好等特點(diǎn)，除此之外，槍械還應(yīng)滿足尖頭堅(jiān)硬、表層光潔等要求。研磨復(fù)合物料物料時(shí)，首選導(dǎo)熱性良好、強(qiáng)度較高的鋁槍械，且鳙的很小、元寶草較大。為防止刀刃崩刃及裂碎，刀刃刃部應(yīng)做圓弧過渡處理；研磨時(shí)需保持尖頭堅(jiān)硬，有利于及時(shí)排屑，防止墊圈粘刀。 研磨復(fù)合物料時(shí)，為防止槍械本體及薄膜與復(fù)合物料造成親和反應(yīng)，使槍械破損加劇，通常防止自由選擇含鈦類鋁及含鈦薄膜槍械。多年的生產(chǎn)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，含鈦類鋁槍械雖然容易發(fā)生NaCl、破損，但其具有優(yōu)異的抗擴(kuò)散破損能力，尤其是高速研磨時(shí)，含鈦類鋁槍械的抗擴(kuò)散破損能力明顯優(yōu)于YG類鋁槍械。 世界各大槍械廠商均推出了針對復(fù)合物料配件研磨的研磨鉗子。槍械面料及薄膜物料的不斷改良，提升了復(fù)合物料物料的研磨效率，推動(dòng)了復(fù)合物料工業(yè)的發(fā)展。伊斯卡（ISCAR）公司的IC20鉗子研磨復(fù)合物料，槍械尖頭堅(jiān)硬，適合復(fù)合物料鉆孔的精研磨。其IC907鉗子有效率提升了鉗子的耐磨性，適合應(yīng)用于粗研磨及半精研磨中；山高（SECO）公司用于研磨復(fù)合物料的CP200及CP500，使用物理氣相沉積技術(shù)，是一種高硬度超細(xì)顆粒的鉗子面料；瓦爾特（Walter）公司的WSM30、WSM20及WAM20，使用TiCN、TiAlN、TiN與Al2O3薄膜，槍械的抗碎裂、抗破損能力較強(qiáng)。常見的復(fù)合物料研磨槍械及薄膜見表1。 表1　常見的復(fù)合物料研磨槍械及薄膜 據(jù)統(tǒng)計(jì)，航空公司制造領(lǐng)域大部分需使用進(jìn)口槍械，而復(fù)合物料等難研磨物料對于進(jìn)口槍械的依賴程度更高。因此，推動(dòng)國產(chǎn)槍械及薄膜物料的研發(fā)及應(yīng)用，是徹底解決國內(nèi)復(fù)合物料研磨問題的有效率途徑。 3.2 槍械的破損及解決辦法 復(fù)合物料物料研磨時(shí)，在研磨速度較高、吃刀量較大的情況下，槍械前鐵柱研磨溫度最高處會(huì)磨出一個(gè)馬鞍洼，鉗子的研磨刃與馬鞍之間有明顯的棱邊。馬鞍洼的寬度及廣度隨著研磨破損的加重漸漸擴(kuò)展，使研磨刃的剛性減少，繼續(xù)使用槍械會(huì)發(fā)生崩刃現(xiàn)象。鉗子破損的電子電子顯微鏡圖像如圖1所示。 a）前鐵柱破損發(fā)生崩刃現(xiàn)象 b）后鐵柱破損 c）積屑瘤 圖1 鉗子破損的電子電子顯微鏡圖像 復(fù)合物料物料研磨時(shí)，鉗子與鉆孔劇烈摩擦，鉗子后鐵柱與研磨刃交界的陰部磨出元寶草為零的小棱面，形成后鐵柱破損。除此之外，由于復(fù)合物料的研磨壓實(shí)，副研磨刃的刀刃陰部研磨厚度漸漸增大，引致研磨刃打滑，后鐵柱也會(huì)發(fā)生較大破損。 鉗子破損后，可通過觀察墊圈形態(tài)、色調(diào)，機(jī)床的受力、聲音和阻尼等，調(diào)整研磨線速度及進(jìn)給量，控制鉗子前鐵柱異常破損。使用正鳙的槽型鉗子，選用耐磨的鉗子物料或薄膜，提升槍械壽命。 復(fù)合物料研磨過程中容易形成積屑瘤。當(dāng)積屑瘤處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，可代替研磨刃展開研磨，起到保護(hù)槍械的效果；當(dāng)積屑瘤累積到一定程度后，積屑瘤的頂端會(huì)伸出研磨刃之外，槍械的實(shí)際工作鳙的增大，積屑瘤的累積和剝離，直接影響配件研磨的精度。積屑瘤碎片粘附在復(fù)合物料已研磨表層上后，形成硬點(diǎn)和毛刺，影響表層質(zhì)量。積屑瘤無規(guī)律的脫落和生成引致研磨力造成波動(dòng)，進(jìn)而引起研磨阻尼，影響槍械使用壽命。為增大或防止復(fù)合物料研磨過程中積屑瘤的造成，生產(chǎn)實(shí)踐中常見的方式有：提升研磨速度，逐步增加研磨廣度至最佳；使用PVD物理薄膜的鉗子物料；使用高壓冷卻系統(tǒng)等。 在研磨研磨中，由于復(fù)合物料的塑性較低，墊圈與前鐵柱的接觸面積小，槍械破損主要發(fā)生在車刀的前鐵柱上，因此研磨鉗子應(yīng)該選用很小鳙的，合適的鳙的為0°～5°。小鳙的可有效率增大墊圈與前鐵柱的接觸面積，有利于分散集中在尖頭附近的研磨熱；自由選擇5°～10°元寶草可以減少槍械與配件的摩擦。鉗子底面和刀桿之間自由選擇V形接觸面組合，這種強(qiáng)固滾輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可有效率提升刀桿滾輪的剛性，消除槍械阻尼，提升復(fù)合物料鉆孔研磨后的表層質(zhì)量。 3.3 衣帽的自由選擇 復(fù)合物料鉆孔在功能定位裝夾時(shí)，機(jī)械加工壓入力與鉆孔支承力相互作用，在自由狀態(tài)下會(huì)引起應(yīng)力碎裂；復(fù)合物料研磨時(shí)吃刀邊界層較大，故工藝系統(tǒng)需保證有足夠的剛度，需對鉆孔的功能定位結(jié)構(gòu)及功能定位尺寸展開分析，自由選擇穩(wěn)定可靠的功能定位基準(zhǔn)，必要時(shí)增加輔助支撐，或通過過功能定位以提升配件剛性。由于復(fù)合物料易碎裂，所以夾緊力不能大，必要時(shí)可使用扭矩扳手，確保壓入力穩(wěn)定。此外，在使用機(jī)械加工功能定位裝夾復(fù)合物料配件時(shí)，還應(yīng)保證機(jī)械加工的功能定位面與復(fù)合物料鉆孔的功能定位面配合良好，機(jī)械加工的壓入力與鉆孔的支承力相互平衡；對于比較大的壓入面，應(yīng)盡量使用分散壓入的方式，防止壓力集中引致鉆孔碎裂。機(jī)械加工壓板的壓入點(diǎn)應(yīng)盡量靠近鉆孔被研磨表層，以減少復(fù)合物料研磨時(shí)造成的阻尼。 復(fù)合物料研磨嚴(yán)禁使用含鉛、鋅、銅、錫、鎘及低熔點(diǎn)金屬的機(jī)械加工、測具或各種臨時(shí)衣帽，研磨復(fù)合物料的設(shè)備、機(jī)械加工及衣帽應(yīng)保持清潔無污染，復(fù)合物料鉆孔研磨后應(yīng)及時(shí)沖洗，復(fù)合物料表層不允許發(fā)生鉛、鋅、銅、錫、鎘及低熔點(diǎn)金屬等殘留物。轉(zhuǎn)移及搬運(yùn)復(fù)合物料鉆孔時(shí)，應(yīng)使用專用周轉(zhuǎn)箱，防止與其他物料的鉆孔混用和混放。對精研磨后的復(fù)合物料表層展開檢查及沖洗時(shí)，應(yīng)戴上干凈手套，防止油污及指紋污染復(fù)合物料表層，以防止發(fā)生鹽應(yīng)力銹蝕，影響復(fù)合物料鉆孔的服役操控性。 3.4 研磨模塊 復(fù)合物料的研磨模塊主要包括研磨速度、進(jìn)給量和研磨廣度，其中研磨速度是影響其研磨操控性的主要因素。通過將復(fù)合物料鉆孔恒輸出功率研磨及恒線速度研磨展開對比試驗(yàn)，認(rèn)為恒輸出功率研磨狀態(tài)要差于恒線速度研磨。當(dāng)復(fù)合物料的研磨線速度vc=60m/min、進(jìn)給量f=0.127mm/r、研磨廣度ap=0.05～0.1mm時(shí)，復(fù)合物料表層很少發(fā)現(xiàn)壓實(shí)層。 由于壓實(shí)層主要發(fā)生在精研磨后的鉆孔表層上，所以精車時(shí)研磨廣度不宜過大，否則會(huì)造成大量的研磨熱，研磨熱聚集會(huì)引致復(fù)合物料表層林國非政府發(fā)生變化，配件表層易造成壓實(shí)層；研磨廣度過小會(huì)引致鉆孔表層摩擦擠壓，發(fā)生研磨壓實(shí)。因此，復(fù)合物料鉆孔在研磨時(shí)，精車的研磨廣度必須大于槍械倒鈍的尺寸。 復(fù)合物料進(jìn)給量自由選擇應(yīng)適中，若進(jìn)給量過小，研磨時(shí)槍械在壓實(shí)層中研磨，則破損較快。進(jìn)給量可根據(jù)不同的槍械R展開自由選擇，精研磨一般自由選擇很小的進(jìn)給量，這是因?yàn)榇筮M(jìn)給量研磨會(huì)使槍械邊界層增加，使槍械受熱彎曲或崩刃。表2為不同類型及面料的槍械研磨復(fù)合物料時(shí)的常見模塊。 表2 不同類型及面料的槍械研磨復(fù)合物料時(shí)的常見模塊 3.5 冷卻系統(tǒng) 復(fù)合物料研磨對研磨液的要求是霧化程度低。復(fù)合物料研磨時(shí)需自由選擇高壓冷卻槍械，配合機(jī)床的高壓泵，冷卻壓力可達(dá)60×105～150×105Pa。使用高壓冷卻槍械研磨復(fù)合物料，可提升研磨速度2～3倍，延長槍械使用壽命，改善復(fù)合物料墊圈形態(tài)。研磨復(fù)合物料鉆孔時(shí)澆注研磨液，研磨力比干切復(fù)合物料增大5%～15%，徑向力增大10%～15%，研磨溫度減少5%～10%，研磨后復(fù)合物料表層方稈良好，塊狀NaCl物較少，有利于獲得較高的表層質(zhì)量。 目前使用的Trim E206化合乳液，由8%的原液與92%的純凈水混合而成，濃度為7%～9%，在復(fù)合物料物料研磨中能達(dá)到良好的研磨效果，在車削、銑削和磨削研磨中均可使用。Trim E206中含有特效添加劑，可有效率控制積屑瘤的造成。研磨液中添加有微小乳化分子，提升了研磨液的穩(wěn)定性，減少了研磨過程中研磨液的帶走量，研磨液更容易進(jìn)入鉆孔研磨陰部。除此之外，Trim E206有較強(qiáng)的抗油污能力，研磨液殘留物易溶于水及工作液，有利于維持設(shè)備及研磨配件表層的整潔性。 4、鐵合金表層準(zhǔn)確性 4.1 復(fù)合物料合金鋼電子顯微鏡非政府檢驗(yàn) 復(fù)合物料電子顯微鏡非政府檢驗(yàn)是指對沖刷處理后的復(fù)合物料配件表層用電子電子顯微鏡鏡展開檢驗(yàn)，觀察復(fù)合物料物料具有的非政府方稈特征、分布等，用以檢驗(yàn)復(fù)合物料的林國非政府是否符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及圖樣規(guī)范。復(fù)合物料合金鋼的電子顯微鏡非政府檢驗(yàn)步驟：合金鋼粗研磨→表層研磨→表層沖刷→沖洗→吹干→電子顯微鏡檢驗(yàn)。Ti6Al4V復(fù)合物料的電子顯微鏡檢驗(yàn)如圖2所示。 a）表層研磨 b）表層沖刷 c）清水沖洗 d）電子顯微鏡檢驗(yàn) 圖2 Ti6Al4V復(fù)合物料的電子顯微鏡檢驗(yàn) 合金鋼粗研磨的目的是將α層完全除去。復(fù)合物料表層使用粒度400#～800#的鋁砂紙研磨，表層粗糙度值需達(dá)到Ra=0.025μm或更高等級要求。沖刷使用Kroll試劑，按2%HF、4%HNO3及水溶液配成，將適量的Kroll試劑涂抹在研磨處理后的復(fù)合物料表層上，直至獲得所需要的清晰非政府后，在水中展開沖洗并吹干，使用手持式電子電子顯微鏡鏡對復(fù)合物料表層展開檢驗(yàn)，非政府中應(yīng)含有10%～50%的初生α。圖3所示Ti6Al4V復(fù)合物料電子顯微鏡非政府方稈為合格的林國非政府。 a）β轉(zhuǎn)變基體中初生α b）β晶界不連續(xù)α c）β晶粒片狀α 圖3 Ti6Al4V復(fù)合物料電子顯微鏡非政府方稈 4.2 復(fù)合物料紅色陰極化銹蝕檢驗(yàn) 復(fù)合物料研磨時(shí)，當(dāng)鉗子側(cè)刃擠壓破損后，鉗子抗沖擊操控性漸漸減少，引致復(fù)合物料已研磨表層因擠壓過熱而造成研磨壓實(shí)。通常使用紅色陰極化銹蝕的方式對壓實(shí)等瑕疵展開檢驗(yàn)。復(fù)合物料鉆孔紅色陰極化銹蝕后的表層如圖4所示。氧化后的復(fù)合物料鉆孔經(jīng)后處理溶解后，合格氧化膜的色調(diào)應(yīng)為均勻的淺紅色（闕丘4a）。發(fā)生研磨壓實(shí)的復(fù)合物料鉆孔在銹蝕檢驗(yàn)后，鉆孔表層呈現(xiàn)出深紅色（闕丘4b）或局部色調(diào)較深（闕丘4c），且各陰部的色調(diào)不均勻。 a）均勻淺紅色 b）深紅色 c）局部深紅色 圖4 復(fù)合物料鉆孔紅色陰極化銹蝕后的表層 紅色陰極化銹蝕后，對于發(fā)生研磨壓實(shí)的配件，可通過調(diào)整研磨復(fù)合物料的研磨槍械面料、薄膜及研磨角度，優(yōu)化走刀路徑及研磨模塊等方式，控制并消除研磨壓實(shí)。 4.3 復(fù)合物料表層光飾研磨 為了除去復(fù)合物料壓氣機(jī)盤、輪轂、葉輪、軸和轉(zhuǎn)子隔圈的表層瑕疵，提升配件的工作壽命，在對復(fù)合物料鉆孔完成所有的機(jī)械研磨工序后，可使用手動(dòng)蛙式光飾的方式，對鉆孔表層展開光飾研磨。蛙式光飾需使用圖5所示光飾研磨工具：轉(zhuǎn)動(dòng)氣槍（輸出功率18000r/min）、研磨桿、鋁或碳化硅砂布（規(guī)格10mm×20mm、粒度120#）。 a）轉(zhuǎn)動(dòng)氣槍 b）研磨桿 c）砂布 圖5　光飾研磨工具 復(fù)合物料鉆孔內(nèi)槽光飾研磨如圖6所示。為達(dá)到良好的光飾效果，可使用以下方式。 1）用鋁砂布沿其長度方向折疊，牢固地插入研磨桿前端滾輪槽內(nèi)，并按照與旋桿轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的方向擰緊，每光飾一處鉆孔表層后換一次新砂布（闕丘6a）。 2）轉(zhuǎn)動(dòng)的砂布應(yīng)在復(fù)合物料表層往復(fù)運(yùn)動(dòng)一個(gè)或兩個(gè)周期，每個(gè)周期運(yùn)動(dòng)10～30s，往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度約為1.57mm/s（闕丘6b）。 3）當(dāng)對復(fù)合物料鉆孔不同的表層展開光飾時(shí)，應(yīng)在周期間更換砂布。使用手動(dòng)光飾時(shí)，應(yīng)使用適當(dāng)?shù)闹箘?dòng)扳手或機(jī)械廣度止動(dòng)裝置，來控制轉(zhuǎn)動(dòng)砂布的穿過。 a）砂布安裝 b）轉(zhuǎn)動(dòng)研磨 圖6　復(fù)合物料鉆孔內(nèi)槽光飾研磨 5、結(jié)束語 復(fù)合物料屬于典型的難研磨物料，研磨時(shí)由于研磨邊界層大、研磨溫度高且槍械破損嚴(yán)重，所以自由選擇合理的槍械物料及鉗子角度是復(fù)合物料研磨面臨的首要問題。含Ti鋁槍械抗擴(kuò)散破損操控性良好，研磨時(shí)槍械表層形成穩(wěn)定的復(fù)合物料NaCl層，可以起到抑制破損的作用。隨著國產(chǎn)槍械的發(fā)展，復(fù)合物料的研磨效率漸漸提升，節(jié)約了研磨成本，對實(shí)現(xiàn)引擎整體國產(chǎn)化起到了積極作用。在生產(chǎn)實(shí)踐中，復(fù)合物料研磨應(yīng)基于企業(yè)現(xiàn)有技術(shù)、設(shè)備、管理和成本等條件，自由選擇合理的功能定位衣帽，利用企業(yè)信息化數(shù)據(jù)平臺(tái)優(yōu)選研磨模塊，漸漸摒棄只憑經(jīng)驗(yàn)、類比自由選擇模塊的粗放型研磨理念。 通過對復(fù)合物料合金鋼展開電子顯微鏡非政府檢驗(yàn)，對粗研磨后復(fù)合物料的林國非政府展開了對比評定；光飾研磨可有效率除去復(fù)合物料表層的研磨及物料瑕疵，提升鉆孔使用壽命；紅色陰極化銹蝕檢驗(yàn)可以有效率識(shí)別復(fù)合物料在研磨過程中發(fā)生的研磨壓實(shí)等瑕疵；有效率控制復(fù)合物料研磨表層準(zhǔn)確性，對穩(wěn)定復(fù)合物料研磨質(zhì)量，提升復(fù)合物料鉆孔使用壽命有重要意義。