民用飛機鋁合金噴丸強化工藝研究

朱偉彬

摘 要：噴丸強化和成形工藝廣泛應用于民用飛機零件制造過程中。針對其中鋁合金噴丸強化工藝，該文首先介紹了噴丸強化工藝的原理和作用，然后引出噴丸強化工藝流程，主要包括噴丸強度確定、彈丸選擇、噴丸設備、工藝規程及其注意事項、以及零件噴丸后的補加工等，最后對文中涉及的專業術語進行了一定解釋。該文可用于指導民用飛機鋁合金零件設計時的噴丸強化工藝選擇，也可用于民用飛機鋁合金零件制造時的噴丸強化工藝使用。

關鍵詞：噴丸強化 彈丸 疲勞強度

中圖分類號：V264.3 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）05（c）-0095-01

1 噴丸強化簡介

噴丸是將一定直徑（通常為0.019～0.033英寸）的彈丸以一定的速度撞擊金屬表面的一種表面強化工藝。通過噴丸，可以在金屬表層中誘導出有利的殘余壓應力，從而提高材料的抗應力腐蝕開裂能力并改善材料的疲勞性能。

噴丸強化工藝在民用飛機零件制造中，主要應用于機翼壁板、機翼梁、主起落架接頭、球面框或氣密端框緣條等疲勞載荷比較嚴重的地方。此外噴丸強化工藝也應用于加工螺栓體和螺栓頭之間的圓角處以及其他零件的圓角上。但是它更加適用于形狀簡單的零件，不能廣泛用于形狀復雜的零件。

2 噴丸強化的原理和作用

噴丸是一個將高速運動的彈丸連續不斷的向零件表面噴射的過程。彈丸流的噴射如同無數小錘向金屬表面錘擊，這就使金屬構件表面層產生極為強烈的塑性變形，形成表面強化層。從應力狀態來看，強化層內部形成較高的殘余壓應力；從組織結構來看，強化層內形成了密度極高的位錯，并且在隨后的交變應力或溫度的作用下，位錯逐漸排列規則，形成更加微小的亞晶粒，噴丸強化層內所具有的這種不同于心部的壓應力狀態和組織結構，是改善零構件疲勞強度以及提高抗應力腐蝕性能的兩個主要因素。

強化層內的壓應力和組織結構并不是固定不變的。零構件在長期承受交變應力的過程中，一般來講，殘余應力會逐漸的發生松弛，亞晶粒也會逐漸長大，甚至發生再結晶過程。在一般情況下，殘余壓應力的消失速率和亞晶粒的長大速率取決于施加交變應力的水平和溫度。應力和溫度越高，二者的變化率越大，因此，噴丸強化零構件在經過一段時間的使用之后，為恢復其噴丸強化效果，往往需要再行噴丸強化。

飛機結構上的某些構件為防止表面產生應力腐蝕而往往采用表面陽極化或其他鍍層。但是，陽極化或鍍層往往降低材料的疲勞強度。噴丸強化可以彌補由于采用保護層而帶來的疲勞性能方面的損失。必須指出，對薄構件噴丸時，應注意避免產生不平衡的殘余應力；對包鋁板不應使用噴丸強化，防止因噴丸而造成鋁層脫落，引起腐蝕。

3 噴丸強化工藝

3.1 噴丸強度的確定

實際生產通常根據零件的尺寸、形狀、力學性能、表面光潔度等情況，參照同類材料和零件的噴丸強度，選擇一種較為適宜的噴丸強度。噴丸強化后用零件作一定數量的對比試驗，通常是疲勞強度試驗或應力腐蝕試驗，加載力、周期、振幅等可參照零件的實際受力情況，例如在適當的交變應力下比較未噴丸和噴丸零件（或試樣）的疲勞斷裂壽命，或者比較它們的疲勞強度極限。

3.2 彈丸的選擇

一般情況根據下述原則來選擇彈丸。

（1）鋁合金最好采用玻璃丸。

（2）對表面光潔度無嚴格要求的大型零件，可采用較大的彈丸以獲得較高的噴丸強度。

（3）對表面光潔度要求較高的零件，應采用較小的彈丸，在保證具有足夠噴丸強度的同時，盡量滿足規定的光潔度要求。

（4）帶有內外圓角、溝槽的零件，所選擇的彈丸直徑應小于內外圓角半徑以及溝槽的寬度。

3.3 噴丸設備

民用飛機零件制造中，通常采用三種類型的噴丸設備，它們是帶噴嘴的空氣增壓設備、離心輪噴丸設備和裝在氣鉆上的翼片輪手提式噴丸設備。后者主要用于返工噴丸處理。使用上述3種類型設備時，其彈丸流方向與零件表面法線方向之間的夾角均應小于45°。固定式噴丸設備必須具備從彈丸源中剔除破碎或變形彈丸的能力。

3.4 噴丸工藝規程及注意事項

對零件噴丸前，應先在廢料上試噴，以對彈丸進行預處理，去除其尖銳的棱角，并用阿爾名試片來驗證噴丸強度是否在所規定的范圍內。彈丸必須呈球形，符合規定規格的彈丸數量應占總量的80%以上。

對零件噴丸前，零件應完成熱處理、無損檢測、尺寸檢查和表面光潔度測量以及硬度測試等所有工序。零件表面有涂層的，應在噴丸前將其退去，并按工藝規范進行清洗，務必清除表面的灰塵、油污、腐蝕物等。

對零件噴丸時，應按工藝規范要求檢查噴丸強度和彈丸尺寸的均勻性，確保工藝參數的穩定性。應采用阿爾名試片來測量噴丸強度。為確保獲取100%的覆蓋率，采用10倍放大鏡來進行目視檢查。

對零件噴丸時，由于彈丸的磨損和破碎，往往需要更換或補充新彈丸，這樣就出現了新舊彈丸搭配使用的比例問題。若使用鑄鐵或玻璃彈丸，可以直接向噴丸機內補充新彈丸；若使用鋼絲切割的鋼彈丸，應嚴格控制帶尖棱角的新彈丸的加入量，以保證合格彈丸的數量不少于80%。

對零件噴丸后，零件應按工藝規范要求進行防銹和防止物理損傷保護，經噴丸處理的鋁零件，所能承受的最高溫度是225°F。噴丸后的零件不允許用機械方法校形。強化零件在以后的加工工序中如需要熱處理，為最大限度發揮殘余壓應力的有利作用，在一般情況下，對鋁合金加熱溫度不應超過100°C，以防止表面殘余壓應力出現大幅度的松弛。強化后的零件表面需進行磨削或切削加工時，在一般情況下，切削深度不應超過0.02～0.05mm（具體的深度視噴丸強度酌情規定）。

3.5 補加工

如果必須從噴丸處理過的零件上取出部分材料，則應遵守以下規定。

對于鋁合金，從零件表面上可去除的材料量最多可達阿爾名A試片弧高度的10%或阿爾名N試片弧高度的3%，例如噴丸強度為0.010A的低強度零件，允許去除的最大材料為0.001inch；

若缺陷的光飾打磨深度超出規定的限度，則應對該部位重新噴丸。重新噴丸時，可采用裝在氣鉆上的旋轉翼片輪手提式設備。經翼片輪重新噴丸處理的零件，可去除的材料量達阿爾名試片弧高度的8%或0.0005inch，視材料而定。不得進行諸如校形、磨削、侵蝕（不包括清洗和陽極化處理）以及會降低或消除噴丸壓應力甚至產生有害應力的所有其他操作。

3.6 其他

噴丸工藝中經常采用以下有特定含義的一些術語：

阿爾名試片——用來檢測噴丸強度的一種金屬平板料。

阿爾名試片的弧高度——在阿爾名試片的一側進行噴丸時所產生的弧高度增量，所用測量單位為0.001inch，弧高度與噴丸強度呈正比。

壓坑——由各個撞擊金屬表面的彈丸所形成的局部小坑。

噴丸強度——衡量彈丸撞擊能量的一種尺度。

飽和狀態——表示噴丸時間增加100%而噴丸強度的提高量等于或小于10%這樣的一種狀態。

100%覆蓋率——表示在整個零件表面上獲取均勻且互相搭疊壓坑的一種狀態。

參考文獻

[1] 杜洪增.飛機結構疲勞強度與斷裂分析[M].北京：中國民航出版社，1996.

[2] 費衡甫.麥道飛機聯絡工程手冊[M].北京：航空工業出版社，1997.