某型螺旋桨喷丸机的研制

1 技术发展概况

喷丸处理就是采用压缩空气为动力, 以形成高速弹丸流, 并喷射到被需处理工件表面, 使工件表面的外表面的外表或形状发生变化的一个工艺过程, 是提高零件疲劳寿命的有效方法之一。

其目的是为了消除桨叶表面的应力及较小的损伤, 并形成桨叶表面压应力层以增强疲劳强度。其工作原理为喷丸颗粒在高压气体的作用下, 以极高的速度喷向桨叶, 利用高速丸流的冲击作用清理和强化基底表面从而使喷丸表面变得致密、光滑。同时, 这也是某螺旋桨维护手册中要求完成的内容。喷丸强化是一个冷处理过程, 它在航空领域的应用也是比较广泛的, 它主要用于提高长期服役于高应力工况下金属零件, 如飞机发动机压缩机叶片、机身结构件及其它零部件等的抗疲劳属性。

由于我院飞机使用的螺旋桨大多数为国外生产, 其螺旋桨维护手册要求我们要每个翻修周期都要对螺旋桨进行喷丸处理, 并建议我们使用国外生产的螺旋桨喷丸机。如此一来, 我院不仅花费巨大, 而且在以后的设备维修保养等方面还会受制于人。随着我院机队规模的不断扩大, 飞行任务的逐年增多, 我院螺旋桨的维修任务也不断加大, 维修能力也要相应地提高。因此, 自制螺旋桨喷丸机在我院实际维修工作中是十分可行的。

2 螺旋桨喷丸机的设计思路

喷丸又分为喷丸和喷砂。喷丸是用电机带动叶轮体旋转, 靠离心力的作用, 将丸子 (有铸丸、切丸、不锈钢丸等) 抛向工件的表面。喷砂是利用压缩空气把石英砂高速吹出去对零件表面进行清理的一种方法。

喷丸表面处理, 打击力大, 清理效果明显。但喷丸对薄板工件的处理, 容易使工件变形。在现有的工件表面处理方法中, 清理效果最佳的还是喷砂清理。喷砂适用于工件表面要求较高的清理。

由于我院的某螺旋桨需要喷丸的部位精度比较高, 因此我们采用喷砂作为螺旋桨的表面处理方法。在选定喷丸的方法后, 我们就要根据某螺旋桨维护手册的要求, 对喷丸机进行设计。主要是根据螺旋桨的尺寸和手册中的数据来确定喷丸机的外形尺寸、工作舱尺寸、压缩空气源及其它的参数。

3 螺旋桨喷丸机的总体设计方案

螺旋桨喷丸机主要由工作舱、工件夹具及喷枪、控制电路、丸料容器及丸料输送管路、空气压缩机和储压瓶等组成。其中工件夹具部分会因实际工件的构型及尺寸而不同。根据某螺旋桨维护手册的要求, 螺旋桨需要喷丸的位置有桨叶变距销、桨叶平衡孔、桨毂整个外表面及桨毂内部的轴承凹槽区域。

针对这几个工件的不同构造, 我们为每个工件都设计了一套夹具和喷枪的组合。

(1) 桨叶变距销夹具:桨叶变距销位于桨柄根部平面的外侧, 喷丸区域位于两条虚线之间 (即两个弧形台阶之间的区域) , (如图1) 。由于该变距销与桨柄平面的中心不重合, 因此我们将夹具设计成以变距销中心为圆心的可旋转夹具, 这样整个夹具就会以变距销中心为圆心进行旋转。为了获得较好的喷丸效果, 我们在该夹具上安装了驱动电机, 这样变距销就会旋转地比较均匀, 喷丸效果也会比较好。最后对喷枪的角度和距离不断地进行调节, 直至达到手册要求, (如图2) 。

(2) 桨叶平衡孔喷枪及夹具:桨叶平衡孔位于桨柄根部平面的中心, 喷丸区域位于B和C区域, 如图3。由于该喷丸区域处于桨柄中心的最底部, 因此我们将喷枪设计成带有一定角度的开口。夹具设计成以桨柄根部平面为圆心的可旋转夹具。然后再使喷枪伸入平衡孔底部, 这样整个夹具就会以桨柄中心为圆心进行均匀旋转。为了获得较好的喷丸效果, 我们在该夹具上安装了驱动电机, 这样变距销就会旋转地比较均匀, 喷丸效果也会比较好。最后对喷枪的角度和距离不断地进行调节, 直至达到手册要求, 如图4。

(3) 桨毂喷枪及夹具:桨毂的喷丸区域为整个外表面和桨毂内部的轴承凹槽区域, 如图5。由于桨毂的喷丸区域并不连贯, 因此我们将桨毂的喷丸分成两部分进行。针对桨毂喷丸的特点, 我们将桨毂夹具设计成可围绕桨毂中心旋转, 将喷枪设计成可以围绕水平轴旋转。这样对于桨毂内部的轴承凹槽区域, 我们将夹具固定好之后, 并对喷枪的距离进行调节, 这样喷枪就可以围绕水平轴旋转, 从而将喷丸覆盖整个凹槽区域, 就可以达到手册的要求了, 如图6。

而对于桨毂整个表面的喷丸, 我们将桨毂外表面朝上放置在夹具上, 并将喷枪的的距离进行调节。在喷丸的同时, 夹具会以一定的速度旋转, 这样喷丸就能覆盖整个桨毂的外表面, 如图7。

4 螺旋桨喷丸机在制作过程中需注意的问题

在整个螺旋桨喷丸的过程中, 我们需要注意的问题很多, 主要包括以下几个方

(1) 喷丸之后工件的温度限制。铝合金工件的工件的温度不能超过93℃。为了防止工件表面的温度过高, 我们在工作舱内增加了一套风机, 利用空气的循环, 来达到为工件表面降温的目的。

(2) 干燥、清洁、压力足够的气源。因此, 我们为喷丸设备设计了一套完善的气源系统, 有空气压缩机、储压瓶、过滤装置和除湿装置, 以确保能在喷丸过程中提供持续的、清洁的和干燥的空气。并且通过气源压力的调节来控制进入喷枪的压缩空气的压力, 从而来实现对气流的控制。

(3) 喷丸机的除尘。在喷丸过程中, 喷丸机不可避免地产生粉尘 (粉尘主要为工件表面的被清理掉的氧化层及各种边角毛刺等) 。为此, 我们为喷丸机设计了一套除尘系统, 主要由波纹除尘管及滤芯除尘器等组成。它可以使粉尘与气体有效地分离, 将工作中产生的粉尘清除, 大大降低对环境的污染, 以及对人体产生的危害。

(4) 维修及保养。喷丸机在连续对工件进行喷丸时, 中途不要关断电源, 防止造成设备过热;如果长时间不使用喷丸机, 应将丸料容器内的丸料清楚干净, 以免丸料受潮;要定期对设备进行清洁及润滑。

5 螺旋桨喷丸工艺的编制和实施

根据上述分析、论证和定型, 并结合螺旋桨维护手册的具体要求, 我们编写了某螺旋桨及桨叶的喷丸工艺。另外, 我们将螺旋桨喷丸机的使用及日常维护工作也编写到工艺中去。使得整个螺旋桨喷丸工艺更具有指导性及操作性。

喷丸这种工艺应用在飞机螺旋桨上的要求是比较高的, 目前国内的螺旋桨制造及维修厂家还未针对螺旋桨设计专门的喷丸机。在无参考的依据的情况下, 我们通过各种渠道积极与相关厂家进行联系, 并根据某螺旋桨维护手册的要求, 来对喷丸机的总体方案进行设计, 同时对喷丸机的各种参数进行调节, 以使得工件的喷丸效果符合要求。

我们研制针对我院螺旋桨特点的喷丸机具有较好的实用及经济效益, 为国家及学院节约了大量资金。某螺旋桨喷丸机的研制成功, 使得学院对螺旋桨的维修深度加大, 螺旋桨的维修质量得到了提高, 也使得学院飞行训练的安全得到保障。同时, 也为我院为同类型的设备研发铺垫了道路。

摘要：本文针对螺旋桨各个喷丸部位及范围的特点, 对喷枪及夹具进行了相应的设计。同时, 在夹具上安装了驱动电机, 使喷丸更加均匀。另外, 根据实际制作中遇到的问题, 对喷丸机进行了相应的改进, 使得最终的喷丸效果达到螺旋桨厂家维护手册的要求。

关键词：强化,清理,夹具,喷枪