CN110877295B - 叶片盘湿喷丸的加工方法和叶片盘 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种叶片盘湿喷丸的加工方法和叶片盘，包括以下步骤：a、根据叶片盘的结构特点确定湿喷丸的处理工艺；b、采用处理工艺对叶片盘需要喷丸强化的区域进行湿喷丸处理；c、对湿喷丸处理后的叶片盘进行检测，获得合格的叶片盘；湿喷丸包括玻璃丸或陶瓷丸和液体形成的固液混合介质；玻璃丸或陶瓷丸与液体介质的质量比为4～6∶1。本发明的叶片盘湿喷丸的加工方法，湿喷丸的处理工艺对叶片盘进行强化处理，通过优化湿喷丸的处理工艺，合理选择玻璃丸和液体，各个步骤工艺参数协同增效，使得获得的叶片盘喷丸强化前后，叶片的表面粗糙度Ra增大量≤Ra0.3，叶片的前后缘尺寸变化量≤0.015mm，叶片的型面变形≤0.02mm，叶片盘的抗疲劳寿命提高约20％。

Description

叶片盘湿喷丸的加工方法和叶片盘

技术领域

本发明涉及叶片盘加工技术领域，特别地，涉及一种叶片盘湿喷丸的加工方法。此外，本发明还涉及一种包括上述叶片盘湿喷丸的加工方法获得的叶片盘。

背景技术

某型压气机叶片盘的叶片加工完成后，需要经过喷丸处理，一方面可改善叶片的表面的性能，提高叶片表面完整性，为后续表面处理(如喷涂、喷漆、镀层等)提供稳定性；另一方面，喷丸处理使得叶片表面产生压应力，可有效抑制叶片表面缺陷的延伸，例如抑制裂纹的萌生或扩展，提高零件的抗疲劳性能，从而提高零件的使用寿命。通常喷丸分为干喷丸和湿喷丸，干喷丸已成熟运用在航空领域、汽车行业、船舶行业等，相对干喷丸，目前国内湿喷丸运用很少，特别是针对中小航空发动机叶片加工基本没运用。

发明内容

本发明提供了一种叶片盘湿喷丸的加工方法和叶片盘，以解决现有叶片表面性能较低，以及完善湿喷丸在压气机叶片加工工艺的技术问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种叶片盘湿喷丸的加工方法，包括以下步骤：

a、根据叶片盘的结构特点确定湿喷丸的处理工艺；

b、采用处理工艺对叶片盘需要喷丸强化的区域进行湿喷丸处理；

c、对湿喷丸处理后的叶片盘进行检测，获得合格的叶片盘；

湿喷丸包括玻璃丸或陶瓷丸和液体形成的固液混合介质；玻璃丸或陶瓷丸与液体介质的质量比为4～6∶1。

进一步地，玻璃丸为AGB9玻璃丸；和/或，液体为水。

进一步地，叶片盘采用不锈钢或钛合金制成的叶片盘。

进一步地，湿喷丸采用数控湿喷丸机对叶片盘喷丸；叶片盘安装在转轴上，在湿喷丸处理过程中，以带动叶片盘周向旋转实现叶片盘的多个叶片喷丸强化。

进一步地，湿喷丸的处理工艺包括：采用喷枪进行喷射，喷丸强度为0.08Nmm～0.11Nmm，喷丸压力为0.32MPa～0.42MPa，覆盖率140％～160％。

进一步地，还包括：采用直径为φ7mm～φ9mm的喷枪，在距离叶片表面为100mm～120mm的位置，以60°～90°的入射角度和叶轮盘为9r/min～12r/min的转速进行喷射；喷射的时间为4min～6min。

进一步地，叶片盘沿周向均匀布设有叶片，叶片个数为20～28。

进一步地，叶片的最大外径为190mm～220mm，长度为25mm～35mm，厚度为0.2mm～1.5mm；相邻两个叶片之间的距离为9mm～18mm；叶片前缘与后缘之间的转接角为R0.2～R0.3。

根据本发明的另一方面，还提供了一种如上述叶片盘湿喷丸的加工方法获得的叶片盘。

进一步地，叶片盘经过湿喷丸强化后，叶片的表面粗糙度Ra增大量≤Ra0.3，叶片的前后缘尺寸变化量≤0.015mm，叶片的型面变形≤0.02mm。

本发明具有以下有益效果：

本发明的叶片盘湿喷丸的加工方法，采用湿喷丸的处理工艺对叶片盘进行强化处理，通过优化湿喷丸的处理工艺，合理选择玻璃丸和液体，各个步骤工艺参数协同增效，使得获得的叶片盘喷丸强化前后，叶片的表面粗糙度Ra增大量≤Ra0.3，叶片的前后缘尺寸变化量≤0.015mm，叶片的型面变形≤0.02mm，并且，叶片盘的抗疲劳寿命提高约20％。与传统干喷丸依靠空气加压弹丸相比，湿喷丸依靠液体加速玻璃丸，更容易获得所需要的玻璃丸速度，而且湿喷丸强化技术主要依靠加压后的玻璃丸撞击材料表面，同时湿喷丸工作环境中无粉尘污染，在喷丸过程中，待处理的表面形成一层液膜，起到减少摩擦和表面冷却的作用，固液混合介质使得待处理的表面载荷分布均匀，表面的表层组织获得理想的残余压应力场及加工硬化组织，同时极大地延长了喷枪及湿喷丸的使用周期。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例的叶片盘立体结构示意图；

图2是本发明优选实施例的叶片盘的流道的湿喷丸方法示意图；

图3是本发明优选实施例的叶片盘的叶盆的湿喷丸方法示意图；以及

图4是本发明优选实施例的叶片盘的叶背的湿喷丸方法示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

图1是本发明优选实施例的叶片盘立体结构示意图；图2是本发明优选实施例的叶片盘的流道的湿喷丸方法示意图；图3是本发明优选实施例的叶片盘的叶盆的湿喷丸方法示意图；图4是本发明优选实施例的叶片盘的叶背的湿喷丸方法示意图。

本实施例的叶片盘湿喷丸的加工方法，包括以下步骤：

a、根据叶片盘的结构特点确定湿喷丸的处理工艺；

b、采用处理工艺对叶片盘需要喷丸强化的区域进行湿喷丸处理；

c、对湿喷丸处理后的叶片盘进行检测，获得合格的叶片盘；

湿喷丸包括玻璃丸或陶瓷丸和液体形成的固液混合介质；玻璃丸或陶瓷丸与液体介质的质量比为4～6∶1。

本发明的叶片盘湿喷丸的加工方法，采用湿喷丸的处理工艺对叶片盘进行强化处理，通过优化湿喷丸的处理工艺，合理选择玻璃丸和液体，各个步骤工艺参数协同增效，使得获得的叶片盘喷丸强化前后，叶片的表面粗糙度Ra增大量≤Ra0.3，叶片的前后缘尺寸变化量≤0.015mm，叶片的型面变形≤0.02mm，并且，叶片盘的抗疲劳寿命提高约20％。与传统干喷丸依靠空气加压弹丸相比，湿喷丸依靠液体加速玻璃丸，更容易获得所需要的玻璃丸速度，而且湿喷丸强化技术主要依靠加压后的玻璃丸撞击材料表面，同时湿喷丸工作环境中无粉尘污染，在喷丸过程中，待处理的表面形成一层液膜，起到减少摩擦和表面冷却的作用，固液混合介质使得待处理的表面载荷分布均匀，表面的表层组织获得理想的残余压应力场及加工硬化组织，同时极大地延长了喷枪及湿喷丸的使用周期，

本实施例中，玻璃丸为AGB9玻璃丸；和/或，液体为水。上述玻璃丸为AGB9玻璃丸，上述叶片盘上的叶片壁厚较薄，中间最大厚度小于等于5mm，为防止湿喷丸强化对叶片的破坏或损伤，特别是对前缘或后缘的损伤，因此，采用小尺寸的玻璃丸或陶瓷丸进行喷丸。玻璃丸的主要化学成分是二氧化硅，属于化学惰性的丸料，湿喷丸后不会对不锈钢叶片或钛合金叶片表面形成污染。液体为水，便于获取，也进一步减少对叶片的腐蚀。优选地，玻璃丸为AGB9玻璃丸。通过将AGB9玻璃丸与水混合，获得固液混合介质，通过喷枪对叶片进行喷丸强化处理，由于喷丸介质的冲击作用，冲击使得材料表面组织发生循环塑性变形，起到应力强化及组织强化作用，改善工件表面完整性，以提高金属材料的抗疲劳性能以及耐应力腐蚀开裂能力。

本实施例中，叶片盘采用不锈钢或钛合金制成的叶片盘。采用不锈钢或钛合金制成的叶片盘，使得叶片盘具有较高的比强度和优异额的抗应力、抗腐蚀能力。

本实施例中，湿喷丸采用数控湿喷丸机对叶片盘喷丸。数控湿喷丸机包含湿喷丸喷射装置和湿喷丸物料混合装置，经由湿喷丸物料混合装置中的固液混合介质的混合箱将玻璃丸或陶瓷丸与水混合，获得的固液混合介质，经管路流至湿喷丸喷射装置的喷枪处，叶片盘安装在喷丸室内的移动平台上并可实现轴向旋转，由喷枪处的气源产生的压缩空间使得固液混合介质加速喷射至叶片表面，喷射至叶片表面的固液混合介质之后流向喷丸室下方的收集斗中回收，再将回收的固液混合介质抽入湿喷丸物料混合装置中的缓冲料斗中，经过振动筛选系统进行湿喷丸中丸粒的筛选，不合格的丸粒流入废料斗中，合格的丸粒回收至固液混合介质的混合箱中继续循环使用。叶片盘安装在具有转轴的移动平台上，在湿喷丸处理过程中，以带动叶片盘周向旋转实现叶片盘的多个叶片喷丸强化。上述将叶片盘安装在转轴上，在湿喷丸处理过程中，叶片受到喷枪喷射的玻璃丸和液体的冲击驱使叶片盘周向旋转，使得叶片盘上的多个叶片的受力，并使得每一个叶片喷丸强化均匀，无需人为操作叶片盘，提高加工精度，进一步提高叶片盘表面完整性，提高叶片盘的使用寿命。优选地，玻璃丸或陶瓷丸的粒径小于等于0.1mm。

本实施例中，湿喷丸的处理工艺包括：采用喷枪进行喷射，喷丸强度为0.08Nmm～0.11Nmm，喷丸压力为0.32MPa～0.42MPa，覆盖率140％～160％。不同的湿喷丸参数下的强压工艺对叶片表面的组织变化有不同的影响。随着喷丸强度的增加，材料表面形成的凹坑越多，通过玻璃丸与水共同作用，使得材料表面产生塑性变形，但是进一步增加喷丸强度，增加对材料表面的撞击，并且水流冲刷作用变强，叶片表面组织会出现剥层和开裂等损伤。另外，较高的喷丸强度也会导致叶片表面粗糙度的增加，因此，选择喷丸强度为0.08Nmm～0.11Nmm，为适宜的的加工条件。上述覆盖率140％～160％，使得的提高湿喷丸工艺中的覆盖率可以降低叶片表面粗糙度，但是过高的覆盖率会使得叶片在加工过程中出现软化现象，因此调节喷丸强度与覆盖率之间的搭配，使得各个参数发挥协同增效的作用，提供叶片的综合性能。当覆盖率超出160％，覆盖率160％～200％之间时，随着喷丸强度的增加，材料表面的凹坑增加并明显变深。上述喷丸压力为0.32MPa～0.42MPa，当喷丸压力过大时，会导致叶片表面出现裂纹等损伤，当喷丸压力过小时，喷丸强度效果不明显。优选地，喷丸强度为0.1Nmm，喷丸压力为0.38MPa，覆盖率150％。

如图2、3和4所示，本实施例中，还包括：采用直径为φ7mm～φ9mm的喷枪，在距离叶片表面为100mm～120mm的位置，以60°～90°的入射角度和9r/min～12r/min的转速进行喷射；喷射的时间为4min～6min。上述喷枪距离叶片表面为100mm～120mm，湿喷丸距离过小，影响流量的稳定性，湿喷丸距离过大，喷丸效果减弱，经过试验确定距离为100mm～120mm，在湿喷丸过程中，受到叶片相互之间的空间影响和遮挡，并保证湿喷丸效果及叶片表面进行全喷丸，以60°～90°的入射角度进行喷射。为了确保覆盖率与湿喷丸强化均匀性，综合考虑转速与喷射的时间，并根据实际叶片表面的形貌对比，选择9r/min～12r/min的叶片盘旋转的转速和时间为4min～6min进行喷射，上述采用喷枪进行流道喷射时，以90°的入射角度进行喷射，采用喷枪进行叶背喷射时，当喷射叶背的右半部分时，以80°的入射角度进行喷射，当喷射叶背的左半部分时，以60°的入射角度进行喷射。采用喷枪进行叶盆喷射时，当喷射叶盆的右半部分时，以80°的入射角度进行喷射，当喷射叶盆的左半部分时，以60°的入射角度进行喷射上述喷射角度为喷枪的喷射方向与湿喷丸的叶片表面切向的夹角。

如图1所示，本实施例中，叶片盘沿周向均匀布设有叶片，叶片个数为20～28。本实施例中，叶片的最大外径为190mm～220mm，长度为25mm～35mm，厚度为0.2mm～1.5mm；相邻两个叶片之间的距离为9mm～18mm；叶片前缘与后缘之间的转接角为R0.2～R0.3。上述叶片盘沿周向均匀布设有多个叶片，依据叶片盘的叶片数量、最大外径、长度、厚度以及叶片间距确定湿喷丸的处理工艺。

还包括在湿喷丸加工前对叶片盘的非喷丸部位进行保护，可采用遮护夹具或者胶带进行保护。在湿喷丸加工之后还包括去除遮护夹具或者胶带后进行清理处理，以去除叶片盘表面残留的湿喷丸，获得合格的产品。

根据本发明的另一方面，还提供了一种如上述叶片盘湿喷丸的加工方法获得的叶片盘。本发明的叶片盘湿喷丸的加工方法获得的叶片盘，达到了对叶片表面进行喷丸强化，并保证了湿喷丸前后叶片面粗糙度和控制了叶片变形量，使得经过湿喷丸强化处理后的叶片盘的抗疲劳寿命提高约20％。满足航天零件的生产应用要求。优选地，叶片盘经过湿喷丸强化后，叶片的表面粗糙度Ra增大≤Ra0.3，叶片的前后缘尺寸变化量≤0.015mm，叶片的型面变形≤0.02mm。

实施例

实施例1

a、根据叶片盘的结构特点：叶片盘沿周向均匀布设有22个不锈钢叶片，叶片的最大外径为200mm，长度为30mm，厚度为0.8mm，相邻两个叶片之间的距离为10mm，叶片前缘与后缘之间的转接角为R0.2；利用遮护夹具对非喷丸部位进行保护，采用数控湿喷丸机对叶片盘喷丸处理，湿喷丸包括AGB9玻璃丸与水的质量比为5∶1，湿喷丸的处理工艺为：采用直径为φ8mm的喷枪进行喷，在距离叶片表面为100mm的位置，采用喷枪进行流道喷射时，以90°的入射角度进行喷射；采用喷枪进行叶背喷射时，当喷射叶背的右半部分时，以80°的入射角度进行喷射，当喷射叶背的左半部分时，以60°的入射角度进行喷射；采用喷枪进行叶盆喷射时，当喷射叶盆的右半部分时，以80°的入射角度进行喷射，当喷射叶盆的左半部分时，以60°的入射角度进行喷射，叶轮盘为10r/min的转速进行喷射，喷射的时间为5min，喷丸强度为0.1Nmm，喷丸压力为0.4MPa，覆盖率150％。

b、采用处理工艺对叶片盘需要喷丸强化的区域进行湿喷丸处理；

c、对湿喷丸处理后的叶片盘去除遮护夹具并进行清理，再进行检测，检测的叶片的表面粗糙度Ra增大量≤Ra0.3，叶片的前后缘尺寸变化量≤0.015mm，叶片的型面变形≤0.02mm，获得合格的叶片盘；

实施例2

a、根据叶片盘的结构特点：叶片盘沿周向均匀布设有22个钛合金叶片，叶片的最大外径为200mm，长度为30mm，厚度为0.8mm，相邻两个叶片之间的距离为15mm，叶片前缘与后缘之间的转接角为R0.2；利用遮护夹具对非喷丸部位进行保护，采用数控湿喷丸机对叶片盘喷丸处理，湿喷丸包括AGB9玻璃丸与水的质量比为4.6∶1，湿喷丸的处理工艺为：采用直径为φ8mm的喷枪进行喷，在距离叶片表面为110mm的位置，采用喷枪进行流道喷射时，以90°的入射角度进行喷射；采用喷枪进行叶背喷射时，当喷射叶背的右半部分时，以83°的入射角度进行喷射，当喷射叶背的左半部分时，以65°的入射角度进行喷射；采用喷枪进行叶盆喷射时，当喷射叶盆的右半部分时，以83°的入射角度进行喷射，当喷射叶盆的左半部分时，以65°的入射角度进行喷射，叶轮盘为11r/min的转速进行喷射，喷射的时间为5min，喷丸强度为0.09Nmm，喷丸压力为0.38MPa，覆盖率145％。

b、采用处理工艺对叶片盘需要喷丸强化的区域进行湿喷丸处理；

c、对湿喷丸处理后的叶片盘去除遮护夹具并进行清理，再进行检测，检测的叶片的表面粗糙度Ra增大量≤Ra0.3，叶片的前后缘尺寸变化量≤0.015mm，叶片的型面变形≤0.02mm，获得合格的叶片盘；

实施例3

a、根据叶片盘的结构特点：叶片盘沿周向均匀布设有22个钛合金叶片，叶片的最大外径为200mm，长度为30mm，厚度为0.8mm，相邻两个叶片之间的距离为9mm，叶片前缘与后缘之间的转接角为R0.2；利用遮护夹具对非喷丸部位进行保护，采用数控湿喷丸机对叶片盘喷丸处理，湿喷丸包括AGB9玻璃丸与水的质量比为5.5∶1，湿喷丸的处理工艺为：采用直径为8mm的喷枪进行喷，在距离叶片表面为115mm的位置，采用喷枪进行流道喷射时，以90°的入射角度进行喷射；采用喷枪进行叶背喷射时，当喷射叶背的右半部分时，以72°的入射角度进行喷射，当喷射叶背的左半部分时，以60°的入射角度进行喷射；采用喷枪进行叶盆喷射时，当喷射叶盆的右半部分时，以72°的入射角度进行喷射，当喷射叶盆的左半部分时，以60°的入射角度进行喷射，叶轮盘为12r/min的转速进行喷射，喷射的时间为5min，喷丸强度为0.11Nmm，喷丸压力为0.41MPa，覆盖率150％。

b、采用处理工艺对叶片盘需要喷丸强化的区域进行湿喷丸处理；

c、对湿喷丸处理后的叶片盘去除遮护夹具并进行清理，再进行检测，检测的叶片的表面粗糙度Ra增大量≤Ra0.3，叶片的前后缘尺寸变化量≤0.015mm，叶片的型面变形≤0.02mm，获得合格的叶片盘；

对比例1

与实施例1区别在于：湿喷丸包括AGB9玻璃丸与水的质量比为2∶1。

对比例2

与实施例1区别在于：喷丸强度为0.01Nmm。

对比例3

与实施例1区别在于：喷丸强度为0.2Nmm。

对比例4

与实施例1区别在于：覆盖率200％。

将上述实施例与对比例进行喷丸效果检测，实验结果如表1所示。

表1湿喷丸效果测试结果

与实施例1区别在于：

由表1可知，实施例1、2和3的加工方法获得的叶片盘，使得叶片表面粗糙度Ra增大均低于Ra0.3，叶片的型面变形均低于0.02mm，疲劳寿命提高约20％。对比例1、2、3、和4的加工方法获得的叶片盘强化效果及抗疲劳寿命存在缺陷，无法满足航空设备生产应用的要求。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种叶片盘湿喷丸的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、根据叶片盘的结构特点确定湿喷丸的处理工艺，所述湿喷丸采用数控湿喷丸机对所述叶片盘喷丸，数控湿喷丸机包含湿喷丸喷射装置和湿喷丸物料混合装置，经由湿喷丸物料混合装置中的固液混合介质的混合箱将AGB9玻璃丸与水混合，获得的固液混合介质，经管路流至湿喷丸喷射装置的喷枪处，叶片盘安装在喷丸室内的移动平台上并可实现轴向旋转，由喷枪处的气源产生的压缩空间使得固液混合介质加速喷射至叶片表面，喷射至叶片表面的固液混合介质之后流向喷丸室下方的收集斗中回收，再将回收的固液混合介质抽入湿喷丸物料混合装置中的缓冲料斗中，经过振动筛选系统进行湿喷丸中丸粒的筛选，不合格的丸粒流入废料斗中，合格的丸粒回收至固液混合介质的混合箱中继续循环使用，所述叶片盘安装在转轴上，在所述湿喷丸处理过程中，以带动所述叶片盘周向旋转实现所述叶片盘的多个叶片喷丸强化，所述叶片盘安装在具有转轴的移动平台上，在湿喷丸处理过程中，以带动所述叶片盘周向旋转实现所述叶片盘的多个叶片喷丸强化；

b、采用所述处理工艺对叶片盘需要喷丸强化的区域进行湿喷丸处理；

c、对所述湿喷丸处理后的叶片盘进行检测，获得合格的叶片盘；

所述湿喷丸包括AGB9玻璃丸和水形成的固液混合介质；

所述AGB9玻璃丸与所述水的质量比为4～6∶1；

所述湿喷丸的处理工艺包括：采用喷枪进行喷射，喷丸强度为0.08Nmm～0.11Nmm，喷丸压力为0.32MPa～0.42MPa，覆盖率140％～160％，采用直径为φ7mm～φ9mm的喷枪，在距离叶片表面为100mm～120mm的位置，以60°～90°的入射角度和叶轮盘为9r/min～12r/min的转速进行喷射，所述喷射的时间为4min～6min。

2.根据权利要求1所述的叶片盘湿喷丸的加工方法，其特征在于，

所述叶片盘采用不锈钢或钛合金制成的叶片盘。

3.根据权利要求1所述的叶片盘湿喷丸的加工方法，其特征在于，

所述叶片盘沿周向均匀布设有叶片，所述叶片个数为20～28。

4.根据权利要求3所述的叶片盘湿喷丸的加工方法，其特征在于，

所述叶片的最大外径为190mm～220mm，长度为25mm～35mm，厚度为0.2mm～1.5mm；

相邻两个所述叶片之间的距离为9mm～18mm；

所述叶片前缘与后缘之间的转接角为R0.2～R0.3。

5.一种如权利要求1至4任一项所述的叶片盘湿喷丸的加工方法获得的叶片盘。

6.根据权利要求5所述的叶片盘湿喷丸的加工方法获得的叶片盘，其特征在于，

所述叶片盘经过湿喷丸强化后，叶片的表面粗糙度Ra增大量≤Ra0.3，叶片的前后缘尺寸变化量≤0.015mm，叶片的型面变形≤0.02mm。

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