航空公司復合材料研磨方式及表層準確性控制系統

從航空公司復合物料的研磨特點、研磨用槍械、衣帽機械加工和研磨模塊等方面，分析討論復合物料的研磨工藝方式，并對其表層準確性控制技術展開介紹。 高級工程師　黃強 1、序言 近年來，航空公司制造業對復合物料的需求大幅提升，大型直升機中復合物料的使用范圍非常廣泛。作為直升機及引擎的優良制造物料，復合物料具有結構強度高、質量輕及耐蝕性良好等特點。復合物料物料的研磨操控性決定了其研磨后鉆孔表層準確性較差。下面從復合物料的研磨特性、研磨槍械、衣帽選用和研磨模塊等方面，介紹航空公司復合物料的研磨方式及表層準確性控制技術。 2、復合物料的特點及應用 在航空公司工業領域，復合物料主要用于制造引擎壓氣機盤、中空風扇葉片、渦輪盤和機匣殼體等零部件，以及大直升機起落架、外翼段、機身外殼、艙門、液壓系統和機身后段等結構件。目前，復合物料在航空公司工業中的使用比例已由6%提升至15%以上?？罩邪褪?77使用了7%～9%的復合物料配件；為達到減少燃油消耗20%的目標，空中巴士787在研發過程中投入約20億元，專項研究復合物料在直升機某些陰部替代鋁合金，使空中巴士787機體復合物料用量達15%；國內大直升機項目中，復合物料的用量已從支線客機ARJ21的4.8%，逐步增長到干線客機C919的9%以上。 航空公司領域結構輕量化、高強度等需求，使其越來越離不開復合物料。根據強度和耐高溫操控性，復合物料可分為α復合物料、β復合物料、α β復合物料和鈦鋁合金，其中以α β復合物料（Ti6Al4V）應用最為廣泛。α復合物料熱焊接操控性好，抗氧化性強，但延展性一般；β復合物料可鍛性良好，冷成形性及熱處理強化性強；α β復合物料延展性好，可焊接及熱處理強化，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。復合物料綜合力學操控性優異，密度低，耐銹蝕操控性良好，作為一種高強度鈦，在航空公司引擎及航空公司工業領域一直被推廣使用。但是，復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現象嚴重，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量，影響復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，結合生產實踐中積累的經驗方式，對復合物料配件的研磨操控性、研磨方式及表層檢驗技術展開介紹。 3、鐵合金研磨方式 3.1 槍械的自由選擇 研磨復合物料的槍械物料應具有延展性好、熱硬性好、散熱性及耐磨性好等特點，除此之外，槍械還應滿足尖頭堅硬、表層光潔等要求。研磨復合物料物料時，首選導熱性良好、強度較高的鋁槍械，且鳙的很小、元寶草較大。為防止刀刃崩刃及裂碎，刀刃刃部應做圓弧過渡處理；研磨時需保持尖頭堅硬，有利于及時排屑，防止墊圈粘刀。 研磨復合物料時，為防止槍械本體及薄膜與復合物料造成親和反應，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。多年的生產實踐發現，含鈦類鋁槍械雖然容易發生NaCl、破損，但其具有優異的抗擴散破損能力，尤其是高速研磨時，含鈦類鋁槍械的抗擴散破損能力明顯優于YG類鋁槍械。 世界各大槍械廠商均推出了針對復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，提升了復合物料物料的研磨效率，推動了復合物料工業的發展。伊斯卡（ISCAR）公司的IC20鉗子研磨復合物料，槍械尖頭堅硬，適合復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，適合應用于粗研磨及半精研磨中；山高（SECO）公司用于研磨復合物料的CP200及CP500，使用物理氣相沉積技術，是一種高硬度超細顆粒的鉗子面料；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。常見的復合物料研磨槍械及薄膜見表1。 表1　常見的復合物料研磨槍械及薄膜 據統計，航空公司制造領域大部分需使用進口槍械，而復合物料等難研磨物料對于進口槍械的依賴程度更高。因此，推動國產槍械及薄膜物料的研發及應用，是徹底解決國內復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 復合物料物料研磨時，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磨出一個馬鞍洼，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展，使研磨刃的剛性減少，繼續使用槍械會發生崩刃現象。鉗子破損的電子電子顯微鏡圖像如圖1所示。 a）前鐵柱破損發生崩刃現象 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 復合物料物料研磨時，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，由于復合物料的研磨壓實，副研磨刃的刀刃陰部研磨厚度漸漸增大，引致研磨刃打滑，后鐵柱也會發生較大破損。 鉗子破損后，可通過觀察墊圈形態、色調，機床的受力、聲音和阻尼等，調整研磨線速度及進給量，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。 復合物料研磨過程中容易形成積屑瘤。當積屑瘤處于穩定狀態時，可代替研磨刃展開研磨，起到保護槍械的效果；當積屑瘤累積到一定程度后，積屑瘤的頂端會伸出研磨刃之外，槍械的實際工作鳙的增大，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合物料已研磨表層上后，形成硬點和毛刺，影響表層質量。積屑瘤無規律的脫落和生成引致研磨力造成波動，進而引起研磨阻尼，影響槍械使用壽命。為增大或防止復合物料研磨過程中積屑瘤的造成，生產實踐中常見的方式有：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；使用高壓冷卻系統等。 在研磨研磨中，由于復合物料的塑性較低，墊圈與前鐵柱的接觸面積小，槍械破損主要發生在車刀的前鐵柱上，因此研磨鉗子應該選用很小鳙的，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，這種強固滾輪結構設計，可有效率提升刀桿滾輪的剛性，消除槍械阻尼，提升復合物料鉆孔研磨后的表層質量。 3.3 衣帽的自由選擇 復合物料鉆孔在功能定位裝夾時，機械加工壓入力與鉆孔支承力相互作用，在自由狀態下會引起應力碎裂；復合物料研磨時吃刀邊界層較大，故工藝系統需保證有足夠的剛度，需對鉆孔的功能定位結構及功能定位尺寸展開分析，自由選擇穩定可靠的功能定位基準，必要時增加輔助支撐，或通過過功能定位以提升配件剛性。由于復合物料易碎裂，所以夾緊力不能大，必要時可使用扭矩扳手，確保壓入力穩定。此外，在使用機械加工功能定位裝夾復合物料配件時，還應保證機械加工的功能定位面與復合物料鉆孔的功能定位面配合良好，機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，應盡量使用分散壓入的方式，防止壓力集中引致鉆孔碎裂。機械加工壓板的壓入點應盡量靠近鉆孔被研磨表層，以減少復合物料研磨時造成的阻尼。 復合物料研磨嚴禁使用含鉛、鋅、銅、錫、鎘及低熔點金屬的機械加工、測具或各種臨時衣帽，研磨復合物料的設備、機械加工及衣帽應保持清潔無污染，復合物料鉆孔研磨后應及時沖洗，復合物料表層不允許發生鉛、鋅、銅、錫、鎘及低熔點金屬等殘留物。轉移及搬運復合物料鉆孔時，應使用專用周轉箱，防止與其他物料的鉆孔混用和混放。對精研磨后的復合物料表層展開檢查及沖洗時，應戴上干凈手套，防止油污及指紋污染復合物料表層，以防止發生鹽應力銹蝕，影響復合物料鉆孔的服役操控性。 3.4 研磨模塊 復合物料的研磨模塊主要包括研磨速度、進給量和研磨廣度，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，認為恒輸出功率研磨狀態要差于恒線速度研磨。當復合物料的研磨線速度vc=60m/min、進給量f=0.127mm/r、研磨廣度ap=0.05～0.1mm時，復合物料表層很少發現壓實層。 由于壓實層主要發生在精研磨后的鉆孔表層上，所以精車時研磨廣度不宜過大，否則會造成大量的研磨熱，研磨熱聚集會引致復合物料表層林國非政府發生變化，配件表層易造成壓實層；研磨廣度過小會引致鉆孔表層摩擦擠壓，發生研磨壓實。因此，復合物料鉆孔在研磨時，精車的研磨廣度必須大于槍械倒鈍的尺寸。 復合物料進給量自由選擇應適中，若進給量過小，研磨時槍械在壓實層中研磨，則破損較快。進給量可根據不同的槍械R展開自由選擇，精研磨一般自由選擇很小的進給量，這是因為大進給量研磨會使槍械邊界層增加，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合物料時的常見模塊。 表2 不同類型及面料的槍械研磨復合物料時的常見模塊 3.5 冷卻系統 復合物料研磨對研磨液的要求是霧化程度低。復合物料研磨時需自由選擇高壓冷卻槍械，配合機床的高壓泵，冷卻壓力可達60×105～150×105Pa。使用高壓冷卻槍械研磨復合物料，可提升研磨速度2～3倍，延長槍械使用壽命，改善復合物料墊圈形態。研磨復合物料鉆孔時澆注研磨液，研磨力比干切復合物料增大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%，在復合物料物料研磨中能達到良好的研磨效果，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，提升了研磨液的穩定性，減少了研磨過程中研磨液的帶走量，研磨液更容易進入鉆孔研磨陰部。除此之外，Trim E206有較強的抗油污能力，研磨液殘留物易溶于水及工作液，有利于維持設備及研磨配件表層的整潔性。 4、鐵合金表層準確性 4.1 復合物料合金鋼電子顯微鏡非政府檢驗 復合物料電子顯微鏡非政府檢驗是指對沖刷處理后的復合物料配件表層用電子電子顯微鏡鏡展開檢驗，觀察復合物料物料具有的非政府方稈特征、分布等，用以檢驗復合物料的林國非政府是否符合相關標準及圖樣規范。復合物料合金鋼的電子顯微鏡非政府檢驗步驟：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。Ti6Al4V復合物料的電子顯微鏡檢驗如圖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 圖2 Ti6Al4V復合物料的電子顯微鏡檢驗 合金鋼粗研磨的目的是將α層完全除去。復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合物料表層展開檢驗，非政府中應含有10%～50%的初生α。圖3所示Ti6Al4V復合物料電子顯微鏡非政府方稈為合格的林國非政府。 a）β轉變基體中初生α b）β晶界不連續α c）β晶粒片狀α 圖3 Ti6Al4V復合物料電子顯微鏡非政府方稈 4.2 復合物料紅色陰極化銹蝕檢驗 復合物料研磨時，當鉗子側刃擠壓破損后，鉗子抗沖擊操控性漸漸減少，引致復合物料已研磨表層因擠壓過熱而造成研磨壓實。通常使用紅色陰極化銹蝕的方式對壓實等瑕疵展開檢驗。復合物料鉆孔紅色陰極化銹蝕后的表層如圖4所示。氧化后的復合物料鉆孔經后處理溶解后，合格氧化膜的色調應為均勻的淺紅色（闕丘4a）。發生研磨壓實的復合物料鉆孔在銹蝕檢驗后，鉆孔表層呈現出深紅色（闕丘4b）或局部色調較深（闕丘4c），且各陰部的色調不均勻。 a）均勻淺紅色 b）深紅色 c）局部深紅色 圖4 復合物料鉆孔紅色陰極化銹蝕后的表層 紅色陰極化銹蝕后，對于發生研磨壓實的配件，可通過調整研磨復合物料的研磨槍械面料、薄膜及研磨角度，優化走刀路徑及研磨模塊等方式，控制并消除研磨壓實。 4.3 復合物料表層光飾研磨 為了除去復合物料壓氣機盤、輪轂、葉輪、軸和轉子隔圈的表層瑕疵，提升配件的工作壽命，在對復合物料鉆孔完成所有的機械研磨工序后，可使用手動蛙式光飾的方式，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：轉動氣槍（輸出功率18000r/min）、研磨桿、鋁或碳化硅砂布（規格10mm×20mm、粒度120#）。 a）轉動氣槍 b）研磨桿 c）砂布 圖5　光飾研磨工具 復合物料鉆孔內槽光飾研磨如圖6所示。為達到良好的光飾效果，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，并按照與旋桿轉動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）轉動的砂布應在復合物料表層往復運動一個或兩個周期，每個周期運動10～30s，往復運動速度約為1.57mm/s（闕丘6b）。 3）當對復合物料鉆孔不同的表層展開光飾時，應在周期間更換砂布。使用手動光飾時，應使用適當的止動扳手或機械廣度止動裝置，來控制轉動砂布的穿過。 a）砂布安裝 b）轉動研磨 圖6　復合物料鉆孔內槽光飾研磨 5、結束語 復合物料屬于典型的難研磨物料，研磨時由于研磨邊界層大、研磨溫度高且槍械破損嚴重，所以自由選擇合理的槍械物料及鉗子角度是復合物料研磨面臨的首要問題。含Ti鋁槍械抗擴散破損操控性良好，研磨時槍械表層形成穩定的復合物料NaCl層，可以起到抑制破損的作用。隨著國產槍械的發展，復合物料的研磨效率漸漸提升，節約了研磨成本，對實現引擎整體國產化起到了積極作用。在生產實踐中，復合物料研磨應基于企業現有技術、設備、管理和成本等條件，自由選擇合理的功能定位衣帽，利用企業信息化數據平臺優選研磨模塊，漸漸摒棄只憑經驗、類比自由選擇模塊的粗放型研磨理念。 通過對復合物料合金鋼展開電子顯微鏡非政府檢驗，對粗研磨后復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可以有效率識別復合物料在研磨過程中發生的研磨壓實等瑕疵；有效率控制復合物料研磨表層準確性，對穩定復合物料研磨質量，提升復合物料鉆孔使用壽命有重要意義。