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国家863计划资助项目(项目编号:2002A A421220)收稿日期:2007年11月
钛合金叶片强化抛光工艺研究*
曾国英
西南科技大学
摘 要：介绍了一种钛合金叶片强化抛光原理，该方法将传统的强化与抛光工序合二为一。建立了强化抛光试验装置，对钛合金叶片进行了强化抛光试验。研究了磨块、频率、时间、振幅等对强化抛光的影响。试验表明：强化抛光后，钛合金叶片表面粗糙度从R a 0 35~0 5 m 下降到R a 0 1~0 12 m，疲劳强度提高了约50%。
关键词：钛合金, 疲劳强度, 振动强化, 抛光, 叶片
Rearch on Process of Strengthening and Polishing Titanium Alloy Blades
Zeng guoying
Abstract:The principle of strengthening and polishing titanium alloy was introduced,which combined strengthening and po-l ishing into a single unit.Experimental equipmen t of strengthening and polishing vibration was established,applied on strengthening and polishing ti taniu m alloy blades.The influence of grinding block,freq uency,time,amplitude and so on to strengthening and polishing was studied.T est shows:the strengthen polishing surface roughness of titaniu m alloy blades was reduced from R a 0 35~0 5 m to R a 0.1~0.12 m,The fatigue strength enhanced approximately 50%.
Keywords:titanium alloy, vi bration, fatigue strength, strengthening, polishing, blade
1 引言
钛合金叶片外形由空间曲面构成，同时，钛合金属于难加工材料，而且导热性差，磨削时容易出现过热，所以表面抛光存在困难，目前大多依赖于手工作业，不仅难以保证质量，而且生产效率较低，工人劳动强度大。同时钛合金叶片在使用过程中在低周范围内承受大的重复载荷，改善叶片微观不平度使表面层强化是提高叶片寿命最重要的途径，现大多采用喷丸方式进行叶片表面强化，从而提高钛合金叶片的疲劳寿命。目前，钛合金叶片的抛光和强化为两道不同的工序，需要不同的加工设备，抛光和强化不能同时进行，生产效率较低。
振动方法是一种简单、经济和高效的加工方法，这种加工方法不受工件的材料、形状和尺寸的限制，故对具有复杂异型曲表面、加工精度要求高的钛合金叶片来说，是较为理想的方法。针对钛合金叶片的强化抛光处理，提出了一种三维强化抛光振动台，用电磁激振，使振动槽产生三维正交振动，在共振状态工作，将传统的抛光与强化工序合二为一。 2 振动强化抛光工作原理及优点
振动强化抛光是利用研磨介质(磨块)与钛合金叶片表面摩擦达到降低零件表面粗糙度的目的，同时与工件表面的振动撞击在表面层形成了残余应力
(主要是压应力)，从而可以达到消除微裂纹和微观不平度、降低表面粗糙度、提高零件疲劳强度的目的。
(1)采用三维振动使研磨介质能够最大限度的处于一种无序振动状态，从而使叶片表面质量均匀稳定。
(2)在共振状态下，振动强度比非共振状态大10倍以上，这样就使磨块和工件达到了最大碰撞，使工件表面层产生冷作硬化，形成残余压应力，其作用类似于喷丸强化处理。
(3)通过工件与强化抛光介质之间振动产生的摩擦，降低叶片表面粗糙度，同时消除工件的微观裂纹，消除或减少应力集中，也有助于提高工件疲劳强度。
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(4)目前，钛合金叶片的抛光和强化为两道不同的工序，需要不同的加工设备，通过三维振动强化抛光
装置在共振状态下产生的强振动，将传统的抛光与强化两道工序合二为一。
3 三维振动强化抛光试验装置三维振动强化抛光试验装置采用激振器按振动强化抛光的工艺参数所要求的振频(该频率也是系统的固有频率)在三个互相垂直方向对振动台进行正弦激振，使振动槽产生三维正交振动。为保证振动强化抛光工艺系统始终能在5~30Hz 范围内的共振状态下工作，采用了悬臂梁式完成对振动台固频调谐，图1为三维振动装置样机虚拟模型。
图1 强化抛光装置试验样机模型
该装置由振动槽、变刚度调节机构、激振机构、安装架、底座及相应的控制装置组成。采用电动激振方式产生振动，振动参数决定了强化抛光加工质量，为了减少能耗，同时为了产生最大幅度的振动，
装置基于共振状态工作，系统共振频率捕获软件可以自动捕获系统的共振频率，使系统始终工作在共振状态。采用变刚度调节装置调节系统的刚度，就可以改变系统的工作频率，同时在三个方向上分别实现对振频、振幅的连续调节。 4 三维振动强化抛光工艺
青少年怎么治肾虚三维振动强化抛光工艺是先将选定的磨块、缓释剂和水投入振动料桶中，试验装置扫频激振，动态捕获系统三方向共振频率。设置系统激振频率到共振状态，调节其他振动参数进行约15分钟的振动磨合，然后将工件放入振动料桶中进行强化抛光，到了设置的振动时间后振动装置停止工作，取出叶片，将叶片清洗后进行测量。完整的流程如图2
所示。
图2 强化抛光流程
影响振动强化抛光质量的因素主要有磨块、振动频率、振幅、振动加速度等，本文将对抛光介质、振频、振幅、振动加速度、加工时间与表面质量的关系
进行探讨。
5 发动机叶片的强化抛光试验
为了研究三维振动强化抛光装置在不同介质、不同频率、不同时间情况的抛光强化效果，选取了某航空涡轮发动机钛合金叶片进行了强化抛光试验，以8个叶片为一组进行，在三维振动强化抛光装置上，寻找合适的抛光介质、最佳工艺参数以使叶片质量更好。图3
为强化抛光前叶片。
图3 强化抛光叶片
5.1 磨块对表面质量的影响
振动强化抛光加工是由振动槽内的磨块与工件表面之间在振动过程中发生无序碰撞和摩擦而完成的。显然，振动强化抛光的加工效果和效率与磨块关系很大；而磨块特性主要决定于磨料、粒度、结合剂、硬度、组织形状等。
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在振动强化抛光中，磨块的形状及大小影响到型面的抛光质量、抛光均匀性和抛光效率。发动机叶片型面曲率半径变化范围很大，因此，磨块形状及尺寸不能单一化，需要同时使用多种形状及尺寸的磨
块去应对曲率变化的曲面。振动抛光是由磨块与工件无序振动、碰撞和滑磨工件曲表面达到抛光的目的。图4
为不同形状和大小的磨块。
图4 不同形状的磨块
根据叶片强化抛光的性质，按照不同的配比制作了软、中、硬三种不同强度的磨块，磨块形状的组
合都是三菱形80%，其他形状20%，磨块大小均匀
配置。在同一振动参数设置下，采用三种不同磨块对三组发动机叶片进行了强化抛光，振动频率均设置为12Hz，振幅为10mm，表1为三种磨块与表面质量的关系。
表1 磨块与叶片表面质量的关系
组别抛光时间(h)磨块类型抛光前R a
( m)抛光后R a
( m)叶片表面状态13软0.35~0.50.14~0.17表面无划痕23中0.35~0.50.17~0.22表面有轻微划痕3
3
尽根没入
硬
0.35~0.5
0.21~0.3
表面有明显划痕
从表1可以看出采用软磨块对钛合金叶片进行强化抛光能取得较好效果，而硬磨块，由于结构致
表2 振动参数与表面粗糙度的关系
组别振动频率(Hz)振动幅值(mm)振动加速度(m.s-2) x y z x y z x y z 加工时间
(h)
加工后R a
( m)
1881410101035356040.1~0.12
266911111125253440.12~0.14
318182566643436540.15~0.18
425253055549497040.17~0.20
密，硬度偏高，工件表面划痕明显，效果较差。因此
采用优选出的软磨块在三维振动强化抛光装置上对
钛合金发动机叶片进行强化抛光试验。
5.2 振动参数对表面质量的影响
采用前面优选出的磨块，在相同加工时间条件
下对不同振动参数的加工情况进行了研究，表2给
出了4组不同频率组合情况下的加工情况，加工时
间均为4小时，强化抛光前表面粗糙度为R a0.35~
0.5 m。粗糙度测试仪器为激光表面粗糙度仪，每
个叶片两个表面均取10个测试点。表中只给出了
表面粗糙度的值，这是由于表面粗糙度的测试相对
thin反义词比较简单和快捷，所以在进行对比试验时只对粗糙度进行了分析，疲劳强度与加工参数的关系则没有进行研究。
试验发现振动频率在5~15Hz范围内能达到较好的强化抛光效果，如果频率太高，则振动幅度较小，磨块与工件表面的相对摩擦不够，抛光效果不理想;
而频率太低的话，磨块的动能不足，影响磨块与工件表面的撞击力，对抛光效果也有影响。将三维频
率进行了不同的组合，在f x与f y取相对比较小的频率，而f z取相对比较大的频率能达到较好的抛光效果，在此状态下磨块既有较大的振动幅度同时又具有足够的动能。
将振动强化抛光装置三方向的激振频率设置在f x=8Hz,f y=8Hz,f z=14Hz下对叶片进行了强化抛光，研究了加工时间对表面粗糙度的影响。表3给出了加工时间与表面粗糙度的关系。从表3可以看出，随着加工时间的增加，表面粗糙度会持续下降，但下降的幅度随着时间的增加在降低，因此，在实际的加工中应选取经济的加工时间。
表3 加工时间与表面粗糙度的关系加工时间
(h)
12345
表面粗糙度R a( m)0.22~
0.27
0.16~
0.2
0.12~
0.15
0.1~
0.12
0.1
6 钛合金叶片的疲劳强度测试
由于钛合金叶片形状极不规则，为了测试钛合金叶片强化抛光前后疲劳强度的变化，设计了专用夹具，在相同载荷、相同作用点、相同频率作用下对叶片进行疲劳强度测试(即每个叶片的试验条件相同)，以比较强化抛光前后疲劳强度的变化情况。由于疲劳强度的测试比表面粗糙度复杂，同时费用较高，所需时间也较长，无法如进行粗糙度测试一样进行多组测试。选取的是经过4小时强化抛光的叶片与强化抛光前叶片进行疲劳强度测试，下面是测试情况:
检验仪器:MTS809材料试验机，自制特殊结构夹具(见图5)
图5 MTS809材料试验机及专用自制夹具
试验方法:
(1)将试样一端水平安装在专用自制试样夹具上，该自制试样夹具安装在MTS809的左侧横梁立柱上，试样安装后其纵向轴线垂直于立柱并过试验机架的中垂线;
(2)加载夹持链为：专用自制夹头+试样 圆柱下夹头 MTS载荷传感器 MTS作动器;
(3)试验频率为0.8Hz，采用载荷控制，最大载荷为800N，疲劳循环载荷比R为0.25。循环采用RAMP三角波形;
(4)失效准则：首先载荷控制下位移循环至安定，在约95%N f的循环次数内试样位移保持稳定，当试样危险局部发生启裂后，疲劳裂纹逐渐扩展，此时刚度降低将使得试样接触下夹头端的位移逐渐增大，一旦该位移相对于安定位移增加2.8mm则判定试样疲劳失效，试验机自动停机。
试验结果：强化抛光前叶片的平均疲劳强度为
14944N f /cycle，强化抛光后平均疲劳强度为22503N f /cycle，表面经受强化抛光处理的叶片的疲劳寿命均高于未经强化处理的叶片的疲劳寿命。图6为进
行疲劳强度试验的叶片。
图6 进行疲劳强度试验的叶片 7 结语
(1)对三种磨块进行了抛光试验，结果表明，三种磨块配比方案中软磨块能达到较好的抛光效果。
(2)研究了强化抛光频率、振幅、加速度、抛光时间等工艺参数与钛合金叶片表面粗糙度的关系，找出了较佳的强化抛光工艺参数。
(3)强化抛光后钛合金叶片的表面粗糙度从原来的R a 0 35~0 5 m 下降到R a 0 1~0 12 m 。
(4)强化抛光后钛合金叶片的平均疲劳强度由14944N f /cycle 提高为22503N f /cycle，提高幅度约为50%。
(5)振动强化抛光工艺将传统的强化和抛光两道工序合二为一，使钛合金叶片的强化与抛光同时在一台设备一个工序中完成，简化了加工工艺，同时提高了工作效率，降低了生产成本。
这个世界上有鬼吗参考文献
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作者：曾国英，副教授，西南科技大学制造学院,621010四川省绵阳市
我国大飞机确定五大主制造商
大飞机 发动机的研制是中国制造商面临的一大挑战，中国一航正在加紧进行发动机方面的研究。国际航空制造业巨头波音和空客的发动机，则主要由世界三大发动机供应商GE 、罗 罗和普惠供应。 大飞机 公司中国商用飞机有限公司正式挂牌后，除了总装、研发基地在紧张的选择之中, 大飞机 的主要制造商也已经浮出水面。
从中航二集团旗下的哈尔滨飞机工业集团有限责任公司获悉，哈飞集团与同在中航二集团旗下的陕飞集团、中国一航旗下的西飞集团、沈飞集团和成飞集团并肩成为 大飞机 五大主制造商。
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机制造工作面临的最大挑战，也是最难突破的。 以前国际上的大型客机采用的材料都是以先进铝合金为主，复合材料为辅，但到了波音787时，复合材料使用出现质的飞跃，不仅数量激增，而且开始用于飞机的主要受力件。
周济生介绍，所谓复合材料，主要是指碳纤维、树脂等材料，目前中航商飞制造ARJ21支线飞机也运用了复合材料，但主要是从美国进口，这一领域也是中国企业需要提升的地方。
据哈飞集团副总工程师李瑞义介绍，大飞机机体结构的30%~40%将采用复合材料，这也为哈飞集团能够成为 大
飞机 五大主制造商之一奠定了基础。
李建歌手>翻译1据了解，复合材料是哈飞集团的优势产业。作为目前国内最大的航空复合材料研制、生产基地，公司拥有总面积近7万平方米的复合材料厂房，各类设备100余台套；成立了复合材料结构设计室，建立了完整配套的复合材料研发、制造、检测、实验技术体系，拥有一支高素质专业技术和制造队伍；建立了复合材料知识数据库，掌握了国际先进、配套齐全的标准规范。
目前，作为我国直升机和通用航空飞机的机身制造商的哈飞集团已经将复合材料广泛应用于 直九 系列直升机、HC120直升机及空客A320结构件、波音787整流罩等产品。
在国际航协年度会议期间，中国一航旗下的西飞集团总裁高大成说，目前中国一航旗下的多家公司已经拥有了生产复合材料零部件的能力和经验。比如成飞集团已经向波音交付了波音787方向舵，波音787主要特点就是应用了复合材料，而方向舵则是飞机制造主体部件的一部分，也是中国目前承接最大的民用飞机复合材料部件，长约10.7米，宽3米，说明我国企业已经拥有了自行制造飞机主体部件的能力。而西飞集团自1994年就开始为波音的项目提供零部件。
不过，中国一航副总经理胡问鸣说，除了机身主体, 大飞机 发动机的研制将是中国制造商面临的一大挑战，目前，中国一航也在加紧进行发动机方面的研究。
