CN112643554B - 一种叶片液体喷丸控制方法 - Google Patents

一种叶片液体喷丸控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明的目的在于提供一种叶片液体喷丸控制方法，包括以下步骤：(1)确定喷丸饱和强度与喷丸参数，(2)确定弹丸射流压痕直径，(3)确定叶片外轮廓坐标，(4)确定叶身喷丸路径，(5)设置旋转速度，(6)确定叶片圆角处路径，(7)叶片液体喷丸。本发明降低了弹丸对零件表面划伤、镶嵌等损伤风险，叶片表面残余应力离散程度小。在钛合金叶片应用本发明所述的喷丸方法喷丸后残余压应力数据变异系数为0.06，而采用传统的喷丸方式喷丸后的残余压应力数据变异系数为0.10。本发明实施后使得喷丸后叶片不仅满足叶片表面质量要求，而且表面残余应力离散程度更小，更有利于提高叶片疲劳寿命，最终提高了整个燃机机组可靠性和耐久性。

Description

一种叶片液体喷丸控制方法
技术领域
本发明涉及的是一种表面强化方法，具体地说是燃气轮机表面强化方法。
背景技术
叶片服役过程中，受到机构振动力、离心力的作用，并长期在高温、复杂的交变载荷环境中工作。叶片运行过程中的受力不均所产生的局部应力及振动等是零组件表面裂纹萌生和早期扩展的主要原因，从而导致叶片疲劳失效。喷丸强化可以有效的提高零组件的疲劳强度，从而提高整个机构的使用寿命。
在传统的干喷丸过程中，叶片喷丸编程控制方式时采用叶片不旋转或叶片随喷枪保持一定角度微动。由于弹丸动能较大，连续旋转式喷丸会造成叶片划伤或弹丸镶嵌，降低零件表面质量，从而无法进行旋转式喷丸。此外，传统方式的叶片喷丸后残余应力离散程度较大，不利于叶片疲劳寿命的提高。
发明内容
本发明的目的在于提供不仅满足叶片表面质量要求，而且表面残余应力离散程度更小，更有利于提高叶片疲劳寿命的一种叶片液体喷丸控制方法。
本发明的目的是这样实现的：
本发明一种叶片液体喷丸控制方法，其特征是：
(1)确定喷丸饱和强度与喷丸参数：通过对喷丸试片进行喷丸处理，建立喷枪速度与喷丸强度的曲线，计算对应喷丸参数的饱和点与饱和点所对应的喷枪速度，选择小于饱和点所对应的喷枪速度V作为叶片喷丸过程中的喷枪速度，确定出此饱和强度下的喷丸参数；
(2)确定弹丸射流压痕直径：准备一个平整的试片，固定在工作转台保持相对静止，保持喷枪与试片垂直并对准试片中心，使用步骤(1)中确定的喷丸参数，对试片进行喷丸处理，喷丸后，测量该参数下弹丸射流所形成压痕的近似圆面积，估算压痕直径D；
(3)确定叶片外轮廓坐标：将叶片与工装组装后，再与设备工作转台进行组装，形成装配件，分别确认叶片叶背侧进排气边横坐标X1、X2与叶盆侧进排气边横坐标X3、X4，测量横坐标距离最大值S，计算比值S/D，X1与X4距离为最大距离S；
(4)确定叶身喷丸路径：横坐标距离最大值S在N等份后，确定进行第1段喷丸的横坐标X5，与叶顶交点为纵坐标Y1，与叶片圆角交点为纵坐标Y2，在叶片(X5、Y1)处起喷，喷枪以速度V竖直运行到(X5、Y2)，以同样速度V再返回(X5、Y1)，喷枪沿纵坐标Y1平移距离D后继续竖直往复运动，直至完成第N次往复运动；
(5)设置旋转速度：在叶片叶身喷丸过程中，保持叶片始终处于旋转状态，旋转速度为R；
(6)确定叶片圆角处路径：确认叶片叶背进、排气边侧圆角坐标(X11、Y11)、(X12、Y12)和叶片叶盆进、排气边侧圆角坐标(X13、Y13)、(X14、Y14)，在叶片圆角喷丸过程中，保持叶片不旋转，叶背侧圆角喷丸时以速度V沿点(X11、Y11)移动至点(X12、Y12)，再返回点(X11、Y11)，叶盆侧圆角喷丸时以速度V沿点(X13、Y13)移动至点(X14、Y14)，再返回点(X13、Y13)；
(7)叶片液体喷丸；按照上述步骤，进行叶片的液体喷丸加工，一组叶片加工后，更换叶片后再次按照上述步骤进行叶片的液体喷丸加工，直至该类型全部叶片加工完毕，退卸工装，清理设备待用。
本发明还可以包括：
1、在进行叶片液体喷丸之前，进行喷丸路径验证和喷丸强度验证：
将步骤(1)-(6)编制成喷丸程序导入设备加工***中，同时将叶片进行装夹并放置于设备转台中，调用程序进行无弹丸运行，进行喷丸路径验证；在不装机使用的叶片或叶片模拟件中安装数量M个喷丸试片，进行试片的喷丸强度验证，调用叶片喷丸程序，验证喷丸强度是否满足预定要求，喷丸合格后，再进行叶片液体喷丸加工。
2、S/D的比值向上取整数N，N为叶片满足完全覆盖率所需的加工段数。
3、旋转速度R为5～20r/min；测量喷丸试片数量M≥2。
本发明的优势在于：本发明用于控制喷丸路径与移动轨迹，降低了弹丸对零件表面划伤、镶嵌等损伤风险，叶片表面残余应力离散程度小。在钛合金叶片应用本发明所述的喷丸方法喷丸后残余压应力数据变异系数为0.06，而采用传统的喷丸方式喷丸后的残余压应力数据变异系数为0.10。本发明实施后使得喷丸后叶片不仅满足叶片表面质量要求，而且表面残余应力离散程度更小，更有利于提高叶片疲劳寿命。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为叶片叶身轮廓与点位坐标示意图；
图3a为叶片圆角轮廓与点位坐标示意图(叶背侧)，图3b为叶片圆角轮廓与点位坐标示意图(叶盆侧)。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
结合图1-3b，本发明一种叶片液体喷丸控制方法，用于控制喷丸路径与移动轨迹，该方法包括以下步骤：
步骤一：确定喷丸饱和强度与喷丸参数；
根据叶片喷丸要求，通过对喷丸试片进行喷丸处理，建立喷枪速度与喷丸强度的曲线，计算对应喷丸参数的饱和点与饱和点所对应的喷枪速度。选择小于饱和点所对应的喷枪速度V作为叶片喷丸过程中的喷枪速度。同时，确定出此饱和强度下的喷丸参数。
步骤二：确定弹丸射流压痕直径；
准备一个平整的试片，固定在工作转台保持相对静止，保持喷枪与试片垂直并对准试片中心，使用步骤一中确定的喷丸参数，对试片进行喷丸处理。喷丸后，测量该参数下弹丸射流所形成压痕的近似圆面积，估算压痕直径D。
步骤三：确定叶片外轮廓坐标；
将叶片与工装三维模型组装后，再与设备工作转台三维模型进行组装，形成装配件。分别确认叶片叶背侧进排气边横坐标X1、X2与叶盆侧进排气边横坐标X3、X4，测量横坐标距离最大值S(如图2中X1与X4距离为最大距离S)。计算比值S/D。
步骤四：确定叶身喷丸路径；
横坐标距离最大值S在N等份后，确定进行第1段喷丸的横坐标X5，与叶顶交点为纵坐标Y1，与叶片圆角交点为纵坐标Y2。在叶片(X5、Y1)处起喷，喷枪以速度V竖直运行到(X5、Y2)，以同样速度V再返回(X5、Y1)。喷枪沿纵坐标Y1平移距离D后继续竖直往复运动。直至完成第N次往复运动。
步骤五：设置旋转速度；
在叶片叶身喷丸过程中，保持叶片始终处于旋转状态，旋转速度R根据叶片覆盖率与残余应力结果综合确定。
步骤六：确定叶片圆角处路径；
确认叶片叶背进、排气边侧圆角坐标(X11、Y11)、(X12、Y12)，叶片叶盆进、排气边侧圆角坐标(X13、Y13)、(X14、Y14)。在叶片圆角喷丸过程中，保持叶片不旋转，叶背侧圆角喷丸时以速度V沿点(X11、Y11)移动至点(X12、Y12)，再返回点(X11、Y11)。叶盆侧圆角喷丸时以速度V沿点(X13、Y13)移动至点(X14、Y14)，再返回点(X13、Y13)。
步骤七：叶片程序校对；
将已编制的喷丸程序导入设备加工***中，同时将叶片进行装夹并放置于设备转台中。调用程序进行无弹丸运行，进行喷丸路径验证。
步骤八：叶片模拟件液体喷丸；
在不装机使用的叶片或叶片模拟件中安装数量M个喷丸试片，进行试片的喷丸强度验证。调用步骤七中的叶片喷丸程序，验证喷丸强度是否满足要求。
步骤九：叶片液体喷丸；
叶片模拟件喷丸合格后，方可进行叶片的液体喷丸加工。一组叶片加工合格后，更换叶片再次调用该叶片的喷丸程序，直至该类型全部叶片加工合格，退卸工装，清理设备待用。
步骤三应用三维模型软件推荐使用UG、CATIA等。
步骤三中S/D比值，向上取整数N，N为叶片满足完全覆盖率所需的加工段数。
步骤五中旋转速度R推荐为5～20r/min。
步骤七采用Almen试片，试片的检测仪器采用Almen-Gage测试仪进行检测。
步骤七测量喷丸试片数量M≥2。
工作原理：
液体喷丸是利用钢丸和变压器油的混合磨液高速撞击零组件表面，使得零组件表面发生弹塑性变形，残余压应力场，最终使得零组件可靠性和耐久性得到提高。液体喷丸实施过程中的湿摩擦极大地减小了弹丸对叶片的表面损伤，可有效提高叶片表面质量，为开展叶片的旋转式喷丸提供了有力的条件。本发明提供一种叶身连续旋转式液体与圆角非旋转式喷丸编程控制方法，喷丸实施过程中不同角度的射流对叶片进行撞击使得叶片受力更加趋向于均匀一致，从而在本发明实施后，叶片表面残余应力离散程度较小，更利于叶片疲劳寿命的提高。
实施例1：
本实施例是一种钛合金叶片表面强化方法，其具体步骤如下：
步骤1：本实施例前在叶片叶背、叶盆、圆角处安装3个Almen试片，进行试片的液体喷丸强度验证，调用叶片喷丸程序验证喷丸强度是否满足0.25N～0.35Nmm
步骤2：将叶片装夹后置于设备转台上，调用叶片喷丸进行液体喷丸处理。喷丸后要求覆盖率≥100％。
步骤3：本实施例满足后喷丸要求后，更换叶片再次调用该叶片的喷丸程序，直至同批次全部叶片加工合格。
步骤4：本实施例满足要求后，退卸工装，清理设备待用。
步骤5：本实施例后，对液体喷丸后的钛合金叶片进行表面残余应力测试。
步骤6：本实施例后，通过进行残余应力测试与分析，应用本发明所述的喷丸方法喷丸后残余应力层深度符合要求。应用本发明所述的喷丸方法喷丸后残余压应力数据与设计要求的残余压应力范围符合率为95％，而采用传统的喷丸方式喷丸后残余压应力数据与设计要求的残余压应力范围符合率仅为80％。应用本发明所述的喷丸方法喷丸后残余压应力数据变异系数为0.06，而采用传统的喷丸方式喷丸后的残余压应力数据变异系数为0.10。

Claims (5)

1.一种叶片液体喷丸控制方法，其特征是：
(1)确定喷丸饱和强度与喷丸参数：通过对喷丸试片进行喷丸处理，建立喷枪速度与喷丸强度的曲线，计算对应喷丸参数的饱和点与饱和点所对应的喷枪速度，选择小于饱和点所对应的喷枪速度V作为叶片喷丸过程中的喷枪速度，确定出此饱和强度下的喷丸参数；
(2)确定弹丸射流压痕直径：准备一个平整的试片，固定在工作转台保持相对静止，保持喷枪与试片垂直并对准试片中心，使用步骤(1)中确定的喷丸参数，对试片进行喷丸处理，喷丸后，测量该参数下弹丸射流所形成压痕的近似圆面积，估算压痕直径D；
(3)确定叶片外轮廓坐标：将叶片与工装组装后，再与设备工作转台进行组装，形成装配件，分别确认叶片叶背侧进排气边横坐标X1、X2与叶盆侧进排气边横坐标X3、X4，测量横坐标距离最大值S，计算比值S/D，X1与X4距离为最大距离S；
(4)确定叶身喷丸路径：横坐标距离最大值S在N等份后，确定进行第1段喷丸的横坐标X5，与叶顶交点为纵坐标Y1，与叶片圆角交点为纵坐标Y2，在叶片(X5、Y1)处起喷，喷枪以速度V竖直运行到(X5、Y2)，以同样速度V再返回(X5、Y1)，喷枪沿纵坐标Y1平移距离D后继续竖直往复运动，直至完成第N次往复运动；
(5)设置旋转速度：在叶片叶身喷丸过程中，保持叶片始终处于旋转状态，旋转速度为R；
(6)确定叶片圆角处路径：确认叶片叶背进、排气边侧圆角坐标(X11、Y11)、(X12、Y12)和叶片叶盆进、排气边侧圆角坐标(X13、Y13)、(X14、Y14)，在叶片圆角喷丸过程中，保持叶片不旋转，叶背侧圆角喷丸时以速度V沿点(X11、Y11)移动至点(X12、Y12)，再返回点(X11、Y11)，叶盆侧圆角喷丸时以速度V沿点(X13、Y13)移动至点(X14、Y14)，再返回点(X13、Y13)；
(7)叶片液体喷丸；按照上述步骤，进行叶片的液体喷丸加工，一组叶片加工后，更换叶片后再次按照上述步骤进行叶片的液体喷丸加工，直至该类型全部叶片加工完毕，退卸工装，清理设备待用。
2.根据权利要求1所述的一种叶片液体喷丸控制方法，其特征是：在进行叶片液体喷丸之前，进行喷丸路径验证和喷丸强度验证：
将步骤(1)-(6)编制成喷丸程序导入设备加工***中，同时将叶片进行装夹并放置于设备转台中，调用程序进行无弹丸运行，进行喷丸路径验证；在不装机使用的叶片或叶片模拟件中安装数量M个喷丸试片，进行试片的喷丸强度验证，调用叶片喷丸程序，验证喷丸强度是否满足预定要求，喷丸合格后，再进行叶片液体喷丸加工。
3.根据权利要求1或2所述的一种叶片液体喷丸控制方法，其特征是：S/D的比值向上取整数N，N为叶片满足完全覆盖率所需的加工段数。
4.根据权利要求1或2所述的一种叶片液体喷丸控制方法，其特征是：旋转速度R为5～20r/min；测量喷丸试片数量M≥2。
5.根据权利要求3所述的一种叶片液体喷丸控制方法，其特征是：旋转速度R为5～20r/min；测量喷丸试片数量M≥2。
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