航空公司复合材料研磨方式及表层准确性控制系统

从航空公司复合物料的研磨特点、研磨用枪械、衣帽机械加工和研磨模块等方面，分析讨论复合物料的研磨工艺方式，并对其表层准确性控制技术展开介绍。 高级工程师　黄强 1、序言 近年来，航空公司制造业对复合物料的需求大幅提升，大型直升机中复合物料的使用范围非常广泛。作为直升机及引擎的优良制造物料，复合物料具有结构强度高、质量轻及耐蚀性良好等特点。复合物料物料的研磨操控性决定了其研磨后钻孔表层准确性较差。下面从复合物料的研磨特性、研磨枪械、衣帽选用和研磨模块等方面，介绍航空公司复合物料的研磨方式及表层准确性控制技术。 2、复合物料的特点及应用 在航空公司工业领域，复合物料主要用于制造引擎压气机盘、中空风扇叶片、涡轮盘和机匣壳体等零部件，以及大直升机起落架、外翼段、机身外壳、舱门、液压系统和机身后段等结构件。目前，复合物料在航空公司工业中的使用比例已由6%提升至15%以上。空中巴士777使用了7%～9%的复合物料配件；为达到减少燃油消耗20%的目标，空中巴士787在研发过程中投入约20亿元，专项研究复合物料在直升机某些阴部替代铝合金，使空中巴士787机体复合物料用量达15%；国内大直升机项目中，复合物料的用量已从支线客机ARJ21的4.8%，逐步增长到干线客机C919的9%以上。 航空公司领域结构轻量化、高强度等需求，使其越来越离不开复合物料。根据强度和耐高温操控性，复合物料可分为α复合物料、β复合物料、α β复合物料和钛铝合金，其中以α β复合物料（Ti6Al4V）应用最为广泛。α复合物料热焊接操控性好，抗氧化性强，但延展性一般；β复合物料可锻性良好，冷成形性及热处理强化性强；α β复合物料延展性好，可焊接及热处理强化，抗疲劳操控性良好。 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。复合物料综合力学操控性优异，密度低，耐锈蚀操控性良好，作为一种高强度钛，在航空公司引擎及航空公司工业领域一直被推广使用。但是，复合物料研磨过程中的高温、高边界层，使其研磨后表层冷作压实现象严重，加剧了枪械的破损，引致其研磨性较差，这些都不利于获得好的表层质量，影响复合物料配件的使用寿命及引擎工作操控性。下面以Ti6Al4V为研究对象，结合生产实践中积累的经验方式，对复合物料配件的研磨操控性、研磨方式及表层检验技术展开介绍。 3、铁合金研磨方式 3.1 枪械的自由选择 研磨复合物料的枪械物料应具有延展性好、热硬性好、散热性及耐磨性好等特点，除此之外，枪械还应满足尖头坚硬、表层光洁等要求。研磨复合物料物料时，首选导热性良好、强度较高的铝枪械，且鳙的很小、元宝草较大。为防止刀刃崩刃及裂碎，刀刃刃部应做圆弧过渡处理；研磨时需保持尖头坚硬，有利于及时排屑，防止垫圈粘刀。 研磨复合物料时，为防止枪械本体及薄膜与复合物料造成亲和反应，使枪械破损加剧，通常防止自由选择含钛类铝及含钛薄膜枪械。多年的生产实践发现，含钛类铝枪械虽然容易发生NaCl、破损，但其具有优异的抗扩散破损能力，尤其是高速研磨时，含钛类铝枪械的抗扩散破损能力明显优于YG类铝枪械。 世界各大枪械厂商均推出了针对复合物料配件研磨的研磨钳子。枪械面料及薄膜物料的不断改良，提升了复合物料物料的研磨效率，推动了复合物料工业的发展。伊斯卡（ISCAR）公司的IC20钳子研磨复合物料，枪械尖头坚硬，适合复合物料钻孔的精研磨。其IC907钳子有效率提升了钳子的耐磨性，适合应用于粗研磨及半精研磨中；山高（SECO）公司用于研磨复合物料的CP200及CP500，使用物理气相沉积技术，是一种高硬度超细颗粒的钳子面料；瓦尔特（Walter）公司的WSM30、WSM20及WAM20，使用TiCN、TiAlN、TiN与Al2O3薄膜，枪械的抗碎裂、抗破损能力较强。常见的复合物料研磨枪械及薄膜见表1。 表1　常见的复合物料研磨枪械及薄膜 据统计，航空公司制造领域大部分需使用进口枪械，而复合物料等难研磨物料对于进口枪械的依赖程度更高。因此，推动国产枪械及薄膜物料的研发及应用，是彻底解决国内复合物料研磨问题的有效率途径。 3.2 枪械的破损及解决办法 复合物料物料研磨时，在研磨速度较高、吃刀量较大的情况下，枪械前铁柱研磨温度最高处会磨出一个马鞍洼，钳子的研磨刃与马鞍之间有明显的棱边。马鞍洼的宽度及广度随着研磨破损的加重渐渐扩展，使研磨刃的刚性减少，继续使用枪械会发生崩刃现象。钳子破损的电子电子显微镜图像如图1所示。 a）前铁柱破损发生崩刃现象 b）后铁柱破损 c）积屑瘤 图1 钳子破损的电子电子显微镜图像 复合物料物料研磨时，钳子与钻孔剧烈摩擦，钳子后铁柱与研磨刃交界的阴部磨出元宝草为零的小棱面，形成后铁柱破损。除此之外，由于复合物料的研磨压实，副研磨刃的刀刃阴部研磨厚度渐渐增大，引致研磨刃打滑，后铁柱也会发生较大破损。 钳子破损后，可通过观察垫圈形态、色调，机床的受力、声音和阻尼等，调整研磨线速度及进给量，控制钳子前铁柱异常破损。使用正鳙的槽型钳子，选用耐磨的钳子物料或薄膜，提升枪械寿命。 复合物料研磨过程中容易形成积屑瘤。当积屑瘤处于稳定状态时，可代替研磨刃展开研磨，起到保护枪械的效果；当积屑瘤累积到一定程度后，积屑瘤的顶端会伸出研磨刃之外，枪械的实际工作鳙的增大，积屑瘤的累积和剥离，直接影响配件研磨的精度。积屑瘤碎片粘附在复合物料已研磨表层上后，形成硬点和毛刺，影响表层质量。积屑瘤无规律的脱落和生成引致研磨力造成波动，进而引起研磨阻尼，影响枪械使用寿命。为增大或防止复合物料研磨过程中积屑瘤的造成，生产实践中常见的方式有：提升研磨速度，逐步增加研磨广度至最佳；使用PVD物理薄膜的钳子物料；使用高压冷却系统等。 在研磨研磨中，由于复合物料的塑性较低，垫圈与前铁柱的接触面积小，枪械破损主要发生在车刀的前铁柱上，因此研磨钳子应该选用很小鳙的，合适的鳙的为0°～5°。小鳙的可有效率增大垫圈与前铁柱的接触面积，有利于分散集中在尖头附近的研磨热；自由选择5°～10°元宝草可以减少枪械与配件的摩擦。钳子底面和刀杆之间自由选择V形接触面组合，这种强固滚轮结构设计，可有效率提升刀杆滚轮的刚性，消除枪械阻尼，提升复合物料钻孔研磨后的表层质量。 3.3 衣帽的自由选择 复合物料钻孔在功能定位装夹时，机械加工压入力与钻孔支承力相互作用，在自由状态下会引起应力碎裂；复合物料研磨时吃刀边界层较大，故工艺系统需保证有足够的刚度，需对钻孔的功能定位结构及功能定位尺寸展开分析，自由选择稳定可靠的功能定位基准，必要时增加辅助支撑，或通过过功能定位以提升配件刚性。由于复合物料易碎裂，所以夹紧力不能大，必要时可使用扭矩扳手，确保压入力稳定。此外，在使用机械加工功能定位装夹复合物料配件时，还应保证机械加工的功能定位面与复合物料钻孔的功能定位面配合良好，机械加工的压入力与钻孔的支承力相互平衡；对于比较大的压入面，应尽量使用分散压入的方式，防止压力集中引致钻孔碎裂。机械加工压板的压入点应尽量靠近钻孔被研磨表层，以减少复合物料研磨时造成的阻尼。 复合物料研磨严禁使用含铅、锌、铜、锡、镉及低熔点金属的机械加工、测具或各种临时衣帽，研磨复合物料的设备、机械加工及衣帽应保持清洁无污染，复合物料钻孔研磨后应及时冲洗，复合物料表层不允许发生铅、锌、铜、锡、镉及低熔点金属等残留物。转移及搬运复合物料钻孔时，应使用专用周转箱，防止与其他物料的钻孔混用和混放。对精研磨后的复合物料表层展开检查及冲洗时，应戴上干净手套，防止油污及指纹污染复合物料表层，以防止发生盐应力锈蚀，影响复合物料钻孔的服役操控性。 3.4 研磨模块 复合物料的研磨模块主要包括研磨速度、进给量和研磨广度，其中研磨速度是影响其研磨操控性的主要因素。通过将复合物料钻孔恒输出功率研磨及恒线速度研磨展开对比试验，认为恒输出功率研磨状态要差于恒线速度研磨。当复合物料的研磨线速度vc=60m/min、进给量f=0.127mm/r、研磨广度ap=0.05～0.1mm时，复合物料表层很少发现压实层。 由于压实层主要发生在精研磨后的钻孔表层上，所以精车时研磨广度不宜过大，否则会造成大量的研磨热，研磨热聚集会引致复合物料表层林国非政府发生变化，配件表层易造成压实层；研磨广度过小会引致钻孔表层摩擦挤压，发生研磨压实。因此，复合物料钻孔在研磨时，精车的研磨广度必须大于枪械倒钝的尺寸。 复合物料进给量自由选择应适中，若进给量过小，研磨时枪械在压实层中研磨，则破损较快。进给量可根据不同的枪械R展开自由选择，精研磨一般自由选择很小的进给量，这是因为大进给量研磨会使枪械边界层增加，使枪械受热弯曲或崩刃。表2为不同类型及面料的枪械研磨复合物料时的常见模块。 表2 不同类型及面料的枪械研磨复合物料时的常见模块 3.5 冷却系统 复合物料研磨对研磨液的要求是雾化程度低。复合物料研磨时需自由选择高压冷却枪械，配合机床的高压泵，冷却压力可达60×105～150×105Pa。使用高压冷却枪械研磨复合物料，可提升研磨速度2～3倍，延长枪械使用寿命，改善复合物料垫圈形态。研磨复合物料钻孔时浇注研磨液，研磨力比干切复合物料增大5%～15%，径向力增大10%～15%，研磨温度减少5%～10%，研磨后复合物料表层方秆良好，块状NaCl物较少，有利于获得较高的表层质量。 目前使用的Trim E206化合乳液，由8%的原液与92%的纯净水混合而成，浓度为7%～9%，在复合物料物料研磨中能达到良好的研磨效果，在车削、铣削和磨削研磨中均可使用。Trim E206中含有特效添加剂，可有效率控制积屑瘤的造成。研磨液中添加有微小乳化分子，提升了研磨液的稳定性，减少了研磨过程中研磨液的带走量，研磨液更容易进入钻孔研磨阴部。除此之外，Trim E206有较强的抗油污能力，研磨液残留物易溶于水及工作液，有利于维持设备及研磨配件表层的整洁性。 4、铁合金表层准确性 4.1 复合物料合金钢电子显微镜非政府检验 复合物料电子显微镜非政府检验是指对冲刷处理后的复合物料配件表层用电子电子显微镜镜展开检验，观察复合物料物料具有的非政府方秆特征、分布等，用以检验复合物料的林国非政府是否符合相关标准及图样规范。复合物料合金钢的电子显微镜非政府检验步骤：合金钢粗研磨→表层研磨→表层冲刷→冲洗→吹干→电子显微镜检验。Ti6Al4V复合物料的电子显微镜检验如图2所示。 a）表层研磨 b）表层冲刷 c）清水冲洗 d）电子显微镜检验 图2 Ti6Al4V复合物料的电子显微镜检验 合金钢粗研磨的目的是将α层完全除去。复合物料表层使用粒度400#～800#的铝砂纸研磨，表层粗糙度值需达到Ra=0.025μm或更高等级要求。冲刷使用Kroll试剂，按2%HF、4%HNO3及水溶液配成，将适量的Kroll试剂涂抹在研磨处理后的复合物料表层上，直至获得所需要的清晰非政府后，在水中展开冲洗并吹干，使用手持式电子电子显微镜镜对复合物料表层展开检验，非政府中应含有10%～50%的初生α。图3所示Ti6Al4V复合物料电子显微镜非政府方秆为合格的林国非政府。 a）β转变基体中初生α b）β晶界不连续α c）β晶粒片状α 图3 Ti6Al4V复合物料电子显微镜非政府方秆 4.2 复合物料红色阴极化锈蚀检验 复合物料研磨时，当钳子侧刃挤压破损后，钳子抗冲击操控性渐渐减少，引致复合物料已研磨表层因挤压过热而造成研磨压实。通常使用红色阴极化锈蚀的方式对压实等瑕疵展开检验。复合物料钻孔红色阴极化锈蚀后的表层如图4所示。氧化后的复合物料钻孔经后处理溶解后，合格氧化膜的色调应为均匀的浅红色（阙丘4a）。发生研磨压实的复合物料钻孔在锈蚀检验后，钻孔表层呈现出深红色（阙丘4b）或局部色调较深（阙丘4c），且各阴部的色调不均匀。 a）均匀浅红色 b）深红色 c）局部深红色 图4 复合物料钻孔红色阴极化锈蚀后的表层 红色阴极化锈蚀后，对于发生研磨压实的配件，可通过调整研磨复合物料的研磨枪械面料、薄膜及研磨角度，优化走刀路径及研磨模块等方式，控制并消除研磨压实。 4.3 复合物料表层光饰研磨 为了除去复合物料压气机盘、轮毂、叶轮、轴和转子隔圈的表层瑕疵，提升配件的工作寿命，在对复合物料钻孔完成所有的机械研磨工序后，可使用手动蛙式光饰的方式，对钻孔表层展开光饰研磨。蛙式光饰需使用图5所示光饰研磨工具：转动气枪（输出功率18000r/min）、研磨杆、铝或碳化硅砂布（规格10mm×20mm、粒度120#）。 a）转动气枪 b）研磨杆 c）砂布 图5　光饰研磨工具 复合物料钻孔内槽光饰研磨如图6所示。为达到良好的光饰效果，可使用以下方式。 1）用铝砂布沿其长度方向折叠，牢固地插入研磨杆前端滚轮槽内，并按照与旋杆转动方向相反的方向拧紧，每光饰一处钻孔表层后换一次新砂布（阙丘6a）。 2）转动的砂布应在复合物料表层往复运动一个或两个周期，每个周期运动10～30s，往复运动速度约为1.57mm/s（阙丘6b）。 3）当对复合物料钻孔不同的表层展开光饰时，应在周期间更换砂布。使用手动光饰时，应使用适当的止动扳手或机械广度止动装置，来控制转动砂布的穿过。 a）砂布安装 b）转动研磨 图6　复合物料钻孔内槽光饰研磨 5、结束语 复合物料属于典型的难研磨物料，研磨时由于研磨边界层大、研磨温度高且枪械破损严重，所以自由选择合理的枪械物料及钳子角度是复合物料研磨面临的首要问题。含Ti铝枪械抗扩散破损操控性良好，研磨时枪械表层形成稳定的复合物料NaCl层，可以起到抑制破损的作用。随着国产枪械的发展，复合物料的研磨效率渐渐提升，节约了研磨成本，对实现引擎整体国产化起到了积极作用。在生产实践中，复合物料研磨应基于企业现有技术、设备、管理和成本等条件，自由选择合理的功能定位衣帽，利用企业信息化数据平台优选研磨模块，渐渐摒弃只凭经验、类比自由选择模块的粗放型研磨理念。 通过对复合物料合金钢展开电子显微镜非政府检验，对粗研磨后复合物料的林国非政府展开了对比评定；光饰研磨可有效率除去复合物料表层的研磨及物料瑕疵，提升钻孔使用寿命；红色阴极化锈蚀检验可以有效率识别复合物料在研磨过程中发生的研磨压实等瑕疵；有效率控制复合物料研磨表层准确性，对稳定复合物料研磨质量，提升复合物料钻孔使用寿命有重要意义。