基于正交試驗(yàn)的GH4169高溫合金燃?xì)廨啓C(jī)拉桿螺栓噴砂工藝參數(shù)耦合優(yōu)化及表面完整性強(qiáng)化機(jī)制研究

引言

拉桿組合式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)憑借大剛度質(zhì)量比、冷卻通道易布置、裝配檢修方便等諸多優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于重型燃?xì)廨啓C(jī)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)[1]。但是，在長期運(yùn)行過程中，拉桿組合式轉(zhuǎn)子承受著復(fù)雜的交變循環(huán)載荷，這可能引發(fā)拉桿螺栓松動(dòng)，導(dǎo)致預(yù)緊力下降、輪盤接觸性能退化甚至失效，影響機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。螺紋防松問題一直是工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[2-3]。研究表明，螺栓松動(dòng)的本質(zhì)是內(nèi)外牙發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)[4]、螺紋副微動(dòng)磨損[5]。通過優(yōu)化螺紋結(jié)構(gòu)[6]、增加防松裝置[7]、實(shí)施螺紋表面處理[8-11]等措施，可以有效提升螺紋抗松性能。但在實(shí)際應(yīng)用中，受安裝結(jié)構(gòu)和工作環(huán)境影響，前兩種措施的應(yīng)用局限性較大。噴丸/噴砂作為一種簡單、高效、低成本的表面處理工藝，被廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天、軌道交通、能源動(dòng)力等領(lǐng)域零部件的表面強(qiáng)化[12-15]。

相較于噴丸,噴砂在引入表面硬化層的同時(shí)還會(huì)顯著提升工件表面粗糙度，增大摩擦阻力，利于緊固件螺紋抗松。某重型燃?xì)廨啓C(jī)拉桿螺栓制造技術(shù)規(guī)范中明確要求，需要對(duì)其螺紋部分進(jìn)行噴砂強(qiáng)化處理，并提出了相應(yīng)檢測標(biāo)準(zhǔn)。為獲得合格的產(chǎn)品拉桿噴砂工藝參數(shù)，本文通過試驗(yàn)系統(tǒng)研究了丸料規(guī)格、噴槍移動(dòng)速度、噴槍與工件距離、丸料供給壓力、丸料流量等參數(shù)對(duì)螺紋表面強(qiáng)化效果的影響,綜合分析了噴砂后螺紋表面粗糙度、硬度、殘余應(yīng)力、牙型尺寸及表面形貌變化,研究成果可為相關(guān)工藝技術(shù)人員提供參考。

1、試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)方案

噴砂試驗(yàn)于拉桿自動(dòng)噴砂設(shè)備(KXS-3000C)上進(jìn)行,其噴槍運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)為一套X軸機(jī)械臂,采用西門子伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，重復(fù)定位精度在±0.10mm以內(nèi)。試塊理化檢測設(shè)備與方法包括:使用HOMMEL TESTER T1000粗糙度檢測儀,在0.80mm基準(zhǔn)長度下測量各試塊牙面的表面粗糙度Rmax;在0.5N試驗(yàn)力度條件下,使用BUEHLER維氏硬度測量儀,從距

螺紋表層0.04mm深度位置開始，以0.30mm間距依次選取8個(gè)測量點(diǎn)測量硬度，取8個(gè)測量點(diǎn)平均值作為最終值;采用Proto-LXRD型X射線應(yīng)力分析儀測量殘余應(yīng)力，Mn靶Ka輻射，(311)衍射晶面，檢測試件完整嚙合第1齒的受壓面，取0°和±15°方向上3處測量點(diǎn)的平均值作為最終值;采用FORMTRACER AvantC4000輪廓測量儀測量螺紋牙型輪廓。試驗(yàn)所用的試件及部分檢測設(shè)備如圖1所示。

影響噴丸/噴砂強(qiáng)化效果的工藝參數(shù)很多，包括丸料規(guī)格、丸料供給壓力、丸料流量、噴丸時(shí)間、噴槍與工件距離、噴射角度、噴嘴直徑等。其中，表面覆蓋率主要與噴丸時(shí)間有關(guān)，殘余應(yīng)力、硬度、粗糙度等指標(biāo)受各參數(shù)綜合影響[16-18]。表1中列出了某重型燃?xì)廨啓C(jī)拉桿螺栓噴砂強(qiáng)化表面理化性能的指標(biāo)要求。為兼顧各項(xiàng)要求，需要合理設(shè)置各類工藝參數(shù)。由于開展理化性能檢驗(yàn)需要對(duì)試件進(jìn)行破壞性解剖處理,研究全部參數(shù)變量下的影響規(guī)律耗時(shí)耗力,而正交試驗(yàn)?zāi)芡ㄟ^少量的試驗(yàn)次數(shù)尋找到最優(yōu)工藝參數(shù)組合[18],故開展正交試驗(yàn)以確定各參數(shù)的最優(yōu)組合。

表1 燃?xì)廨啓C(jī)拉桿螺栓噴砂檢查指標(biāo)

Table 1 Gas turbine rod bolt sandblasting inspection index

2、同材質(zhì)試板噴砂正交試驗(yàn)

2.1正交試驗(yàn)水平選擇

將1根拉桿毛坯料切割為若干個(gè)直徑60mm、厚10mm的餅狀試塊，用于噴砂正交試驗(yàn)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定了丸料規(guī)格A、噴槍移動(dòng)速度B、噴槍與工件距離C、丸料供給壓力D、丸料流量E5個(gè)關(guān)鍵因素的3個(gè)水平值，如表2所示，并按照L18(35)正交表設(shè)計(jì)試驗(yàn)。

表2 噴砂試驗(yàn)因素水平表

Table 2 Factor level of sandblasting

2.2正交試驗(yàn)結(jié)果分析

18組試驗(yàn)的分組及檢測結(jié)果如表3所示。表中，K為每個(gè)指標(biāo)水平下的取值之和 ( 如 K 1 代表指標(biāo)取水平1時(shí)的和);k為K的平均值(相應(yīng)的K除以水平數(shù),本文為3水平);R為k的極差(最大值減最小值)。可以看出，18組試驗(yàn)的殘余應(yīng)力最小值為597MPa，滿足指標(biāo)要求，而絕大部分試驗(yàn)組的表面粗糙度和硬度均不合格。綜合來看，只有第5、6、11、17組試驗(yàn)結(jié)果滿足表1的指標(biāo)要求。通過極差分析可以得出:對(duì)于表面粗糙度指標(biāo),5個(gè)因素影響的主次順序?yàn)? E >  A >  D >  B >  C;對(duì)于硬度指標(biāo), 5個(gè)因素影響的主次順序?yàn)?B>E>D>A>C;對(duì)于殘余應(yīng)力指標(biāo),5個(gè)因素影響的主次順序?yàn)? A >  D >  E >  C >  B。

由表3還可以看出，D、E對(duì)表面粗糙度、硬度、殘余應(yīng)力3個(gè)指標(biāo)的影響均較大，B、C的影響相對(duì)較小, A的影響適中。 3個(gè)指標(biāo)中, A對(duì)表面粗糙度和殘余應(yīng)力的影響更為明顯,這也與噴砂強(qiáng)化的一般規(guī)律 [13]相吻合。由于粗糙度的目標(biāo)值是趨小,因此粗糙度的最優(yōu)組合是 E 2 A 3 D 2 B 3 C 2 ;硬度和殘余應(yīng)力的目標(biāo)值是趨大，其最優(yōu)組合分別是B3E2D1A1C2、 A 3 D 2 E 2 C 2 B 3 。

基于上述分析結(jié)果,針對(duì)3個(gè)指標(biāo)采用綜合平衡法得到的最優(yōu)參數(shù)選擇為A3B3C2D2E2,即丸料規(guī)格選擇白剛玉WA#180,噴槍移動(dòng)速度選擇10mm/s,噴槍與工件距離選擇100mm,丸料供給壓力選擇0.55MPa,丸料流量選擇6kg/min。觀察表3發(fā)現(xiàn)，

A3B3C2D2E2組合在正交試驗(yàn)組中沒有出現(xiàn)，為驗(yàn)證其實(shí)際噴砂效果，開展了最優(yōu)參數(shù)組下的拉桿螺栓試件噴砂驗(yàn)證性試驗(yàn)。

表3 噴砂工藝正交試驗(yàn)分組及試驗(yàn)結(jié)果

Table 3 Orthogonal experiment grouping and results of sandblasting process

3、拉桿螺栓試件噴砂試驗(yàn)

參考標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品拉桿螺栓尺寸 1: 1制作了試件。由上文分析可知，丸料供給壓力和丸料流量對(duì)表面粗糙度、硬度、殘余應(yīng)力3個(gè)指標(biāo)的影響較大。為獲得合格的工藝參數(shù)，本研究在最優(yōu)組H1的基礎(chǔ)上增加了 3個(gè)試驗(yàn)組H2~H4和1個(gè)未噴砂的對(duì)照組H5。拉桿螺栓試驗(yàn)件噴砂試驗(yàn)參數(shù)如表4所示。

表4 拉桿螺栓試件噴砂試驗(yàn)參數(shù)

Table 4 Parameters of sandblasting test for the threaded rod specimens

試驗(yàn)后將每個(gè)試驗(yàn)件分割為3份,分別用于測量表面粗糙度、硬度和殘余應(yīng)力，并分別在每份試驗(yàn)件0°、90°、180°和270°位置切出4個(gè)試塊,以4個(gè)試塊檢測值的平均值作為最終值。圖2對(duì)比了表4中5組試驗(yàn)件的表面粗糙度、硬度、殘余應(yīng)力檢測結(jié)果。可以看出:5組試驗(yàn)件中，H5的3個(gè)指標(biāo)均處在較低水平，H1~H4的3個(gè)指標(biāo)均有明顯提高;H2、H3的3個(gè)指標(biāo)均滿足表1中的齒面檢測要求。

為驗(yàn)證H2、H3試驗(yàn)組的螺紋尺寸變化和螺紋表面噴砂覆蓋率指標(biāo)，采用外徑千分尺和螺紋千分尺測量并記錄了噴砂前后螺紋外徑、中徑值，同時(shí)目視檢查了覆蓋率，結(jié)果如表5所示。可以看出，H2、H3試驗(yàn)組均滿足表1中的螺紋尺寸和螺紋表面噴砂覆蓋率指標(biāo)要求。結(jié)合圖2數(shù)據(jù)，相比之下，H2試驗(yàn)組的硬度值和殘余應(yīng)力值更高，雖然其表面粗糙度值也較高，但仍在要求范圍內(nèi)。綜合考慮，本文最終選擇H2試驗(yàn)組參數(shù)，即彈丸規(guī)格選擇白剛玉WA#180，噴槍移動(dòng)速度選擇10mm/s,工件與噴槍距離選擇100mm,丸料供給壓力選擇0.55MPa,丸料流量選擇4kg/min,作為最終產(chǎn)品拉桿噴砂工藝參數(shù)。

表5 噴砂前后螺紋尺寸對(duì)比

Table 5 Thread size comparison before and after sandblasting

此外，從表5還可以得出，在覆蓋率超過100%的情況下，噴砂后的螺紋外徑、中徑尺寸較噴砂前平均減少了約0.03mm,這主要是由于噴砂會(huì)剝離螺紋表層少量組織 [15]。為進(jìn)一步觀察噴砂前后螺紋牙型變化,使用工業(yè)電子放大鏡觀察螺紋表面形貌,如圖3所示。噴砂前螺紋牙面清晰可見加工刀痕，噴砂后表面呈啞光色，刀痕消失，表面變得凹凸不平。采用輪廓測量儀對(duì)螺紋牙型輪廓進(jìn)行檢測,結(jié)果如圖4所示，噴砂后螺紋牙型輪廓面整體內(nèi)縮約0.015mm。由此可見,噴砂處理在引起試件表面粗糙度上升的同時(shí)，還造成了輪廓尺寸變化。

4、結(jié)論

(1)噴砂參數(shù)中，丸料供給壓力和丸料流量對(duì)表面粗糙度、硬度、殘余應(yīng)力3個(gè)指標(biāo)的影響均較大;噴槍移動(dòng)速度、噴槍與工件距離對(duì)3個(gè)指標(biāo)的影響相對(duì)較小;丸料規(guī)格對(duì)3個(gè)指標(biāo)的影響適中,其中對(duì)表面粗糙度和殘余應(yīng)力的影響相對(duì)較大。

(2)滿足性能指標(biāo)要求的產(chǎn)品拉桿噴砂工藝參數(shù)為:白剛玉WA#180彈丸,噴槍移動(dòng)速度10mm/s,噴槍與工件距離100mm,丸料供給壓力0.55MPa,丸料流量4kg/min。

(3)噴砂處理起到了表面強(qiáng)化作用,試驗(yàn)件表面硬度及殘余應(yīng)力均有明顯提高，但同時(shí)帶來了表面粗糙度上升和輪廓尺寸變化。在進(jìn)行噴砂強(qiáng)化效果評(píng)價(jià)時(shí),既要選擇合適的量化指標(biāo),也要綜合考慮各因素對(duì)指標(biāo)的影響。

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（注，原文標(biāo)題：GH4169高溫合金拉桿螺栓噴砂強(qiáng)化試驗(yàn)研究_程正）