铝合金转子喷丸强化工艺研究

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某型号导弹用涡轮喷气发动机压气机是三级轴流压气机,转子和静子的材料均为锻造铝合金。转子叶片型面为三维曲面,在四轴数控铣加工中心上完成加工。在机械加工后,叶片的切削表面会残留下拉应力。发动机在工作时压气机转子高速旋转,转子叶片受到交变载荷。转子的叶片根部在长时间的交变载荷和表面拉应力的共同作用下,金属材料表层会产生局部的滑移,形成疲劳裂纹的疲劳源。交变载荷继续作用,疲劳源扩展成细微裂纹并延伸至材料内部,使转子叶片发生疲劳断裂,造成整台发动机失效、报废。通常转子叶片发生疲劳断裂发生在累计试车4小时后。为了满足使用要求必须提高叶片的抗疲劳强度。开展铝合金叶片喷丸强化技术研究。研究工作基于半自动喷丸机开展。设备专为转子叶片喷丸设计,采用侧喷式矛式喷枪。喷枪随主轴上下移动,同时喷枪可绕主轴自转。喷丸时喷枪从两个叶片之间旋转穿过,侧喷喷口完成对一个叶片的叶喷和另一个叶片的叶背的喷丸。喷枪绕主轴自转速度、喷枪上下移动速度、喷枪出口压力、喷丸流量为可调整的参数。设计专用的喷丸模拟工装模拟叶片喷丸状态,通过分别调整喷枪出口压力,喷枪下移速度,喷枪自转速度,更换喷丸流量孔板,摸索各个参数变化对喷丸强度的影响规律。通过喷丸工艺试验,优选出3组喷丸工艺参数作为产品喷丸试验参数。根据产品的结构特点设计专用的喷丸装夹工装,在半自动喷丸设备上装夹产品,分别采用优选的3组喷丸参数对三个转子产品试件进行喷丸,喷丸后的产品进行表面压应力的检测。由于受喷产品母材的强度对喷丸后的残余应力有一定影响,因此3件产品均采用对比试验的方法,即每个产品一半数量的叶片进行喷丸,另一半数量的叶片不进行喷丸。每个产品随机抽3个喷丸叶片和3个未喷丸的叶片,检测表面压应力进行对比。单独对比每个转子,喷丸叶片的表面残余压应力明显高于未喷丸的叶片,而且提高幅度相当大,证明了喷丸能够大幅度提高零件表面的残余压应力。为了进一步确定转子喷丸参数,分别对三个转子进行疲劳对比试验。通过计算和分析试验数据验证了喷丸强化对提高零件的疲劳强度十分有效。并通过试验数据对比,从3组优选的喷丸参数中确定最佳的转子喷丸参数,作为正式产品的喷丸参数。将采用最佳的转子喷丸参数喷丸后的Ⅰ级转子装在发动机上进行地面疲劳寿命考核试验,通过了十余小时的测试,进一步证明了喷丸强化对提高铝合金转子疲劳寿命起到了重要作用。
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