叶片钢丸振动强化技术

摘 要：本文阐述了叶片强化设备以及用于装夹叶片夹具的基本原理。通过采用不同的强化方式和强化时间对叶片进行强化试验，对比钢丸强化和振动光饰两种方法对叶片表面粗糙度、型面尺寸和表面压应力的影响。

关键词：叶片制造；钢丸振动强化；压应力；振动光饰

中图分类号：TP278 文献标识码：A

国内外航空企业广泛使用表面强化的方法来提高叶片表面压应力，进而提高叶片疲劳性能，以减少叶片在工作中疲劳断裂的发生，达到增加叶片可靠性的目的。喷丸和振动光饰是常见的叶片方法，喷丸强化过程控制较复杂，要求较严格，设备昂贵，同时也存在着喷丸后叶片的表面质量降低，型面产生变形等缺点。振动光饰过程较简单，可以提高叶片表面质量，但表面应力提升能力不强。

针对钢丸强化技术的试验工作，自行设计制造了钢丸强化机和与之配套使用的强化使用的夹具，并进行叶片钢丸强化和振动光饰的振动时间等工艺参数进行摸索。

1.钢丸强化原理

叶片强化的介质是高硬度且表面质量较好的钢球，叶片和钢丸共置于强化机的箱体中，在电机带动下，箱体运动进行振动，带动钢球运动，其强化作用是靠钢球的撞击和挤压叶身产生的。

叶片固定于可旋转的夹具上，在钢丸的冲击下，夹具随之转动，在叶片运动方式固定的情况下，叶片的位置在逐渐变化，使叶片叶身受到均匀的强化作用，而不是像振动光饰那样叶片在强化锅中无限制的运动。

2.钢丸强化设备与夹具

叶片钢丸强化机的基本工作过程是：电机转动产生的动力通过偏心扭转轴将扭矩传递给箱体，箱体则随之产生具有一定振幅和频率的振动，箱体中装有钢丸和带叶片的夹具。通过钢丸撞击和挤压叶片，在叶身产生了强化的效果。钢丸强化机的减震装置是靠装有空气的气囊，压缩空气经过过滤器和调压阀后进入气囊，通过调整气囊中空气的压力。气囊卸压后，箱体的重量由支板承担。

叶片强化用夹具的作用是对叶片进行固定，夹具与叶片一起在强化机的箱体中转动，夹具要保证叶片的叶身在箱体中与钢丸的运动方向垂直。

3.强化试验

3.1 实验材料

（1）设备：钢丸强化机、振动光饰机ZL-55。

（2）强化介质

钢丸：材料：GCr15，硬度：HRc 55～60，尺寸：Φ3.5mm。

灰色三角陶瓷块：尺寸：10×10× 10mm。

（3）对象：某叶片，数量：12片材料：GH150。

3.2 实验方法

（1）叶片标号并型面进行测量，记录数据。

（2）在叶片指定位置检查表面粗糙度并记录数据。

（3）在叶片指定位置检查表面压应力并记录数据。

（4）进行的叶片强化试验。

（5）对强化后的叶片型面进行测量并记录数据。

（6）对强化后的叶片指定位置检查表面粗糙度、压应力并记录数据。

4.试验结果

4.1 钢丸强化对叶片表面质量的影响

（1）钢丸强化能够提高叶片的表面质量

由图1可以看出，钢丸强化可以提高叶片的表面质量，叶片表面在钢丸的柔性冲击下，降低了叶片表面型面的微观不平度，使叶片的表面质量得到提高。

（2）钢丸强化时间与叶片表面质量的关系

由图1的数据可以看出，叶片表面质量没有随着钢丸强化时间的增加而提高，而是在一定范围内变化。也就是说，钢丸强化降低叶片表面微观不平度的能力是有一定限度的。

（3）钢丸强化与振动光饰对叶片表面质量的影响

由图2可以看出，钢丸强化后的叶片表面质量的不低于经过振动光饰的叶片表面质量。

（4）叶片钢丸强化后，感观质量优于振动光饰。

两种强化方式所得到的叶片表面质量是基本相当的，但从实物的感观来看，钢丸强化后的叶片表面亮度要好于振动光饰。

（5）叶片钢丸强化后，叶片表面质量符合设计图要求。

由图1可以看出，钢丸强化后的叶片表面粗糙度值远小于设计图要求的Ra0.4，这种强化方法能够使叶片表面质量符合设计图要求。

4.2 钢丸强化对叶片型面的影响

（1）钢丸强化引起叶片型面的变化。

进行钢丸强化的叶片，在钢丸的冲击和挤压下，在叶片表面形成了冷作硬化层，因而使叶片表面的应力状态发生了改变，由于达到了新的应力平衡，引起叶片型面的变化大于振动光饰叶片型面变化。如图3所示。

（2）叶根的变化要小于叶尖的变化。

由图3所示，经过钢丸强化的叶片接近榫头的叶根其变形程度要小于远离榫头的叶尖。

4.3 钢丸强化对叶片表面压应力的影响

（1）钢丸强化可以显著提高叶片表面压应力

叶片钢丸强化是使钢丸对叶片表面产生挤压和冲击，使叶片表面产生冷作硬化层，叶片表面由原来的拉应力变成压应力，由图4可以看出，叶片表面压应力有显著的提高。

（2）钢丸强化的压应力值随着钢丸强化时间的增加而升高，

由图5可以看出，在不同的强化时间下，叶片表面压应力的值是不同的，随着叶片表面强化的时间增加，叶片的表面压应力也增大，但增幅是越来越小的。

结论

钢丸强化能够显著提高叶片表面质量，包括表面的粗糙度和应力状态，同时也会引起叶身型面的变化，主要变形位置在叶尖。钢丸强化的强化效果明显，压应力值在500MPa～800MPa之间。

参考文献

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