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第 3 卷
2015 年
6 月刊
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第 3 卷- 2015 年 6 月刊
航空航天领域的湿式喷丸



Vapormatt Leopard 1


Vapormatt Leopard 2


飞机引擎


喷丸强化涡轮叶片夹具

 聚光灯

全球Vapormatt Group建立于1978年,总公司位于英国的萨默塞特,汤顿。公司由第三代Ashworth家族所有。作为压力再循环湿式喷丸工艺的创始者,Ashworth家族拥有此领域超过50年的的积累经验的专业知识。公司设计和产品手册以及自动表面清洁、喷丸和研磨设备使用了Vapormatt湿式喷丸工艺和高压水系统。

Vapormatt公司的销售工程师Phil Dawes说明道,在需要对大量工件进行工艺处理(从清洁轮胎到喷丸强化)时,航空公司评估的关键是是湿式喷丸的通用性。

  涡轮叶片的使用寿命可通过喷丸处理延长超过千倍,喷丸工艺使用微小、坚硬的颗粒冲击叶片表面。同时,在裂缝检测前,必须清洁飞机轮胎表面污垢。这只是航空航天领域工业处理许多应用中的两种。令人惊讶的是它们可以用同一种技术来完成:湿式喷丸。
  湿式喷丸使用的是载液中的固体颗粒悬浮来处理材料表面,载液通常为水。悬浮液与高压气体混合,并通过喷嘴喷射至材料表面。为了达到特定的效果,不同的元素可以灵活变化。加热水和添加清洁剂以及塑性清洗颗粒更有利于清洁;但增加喷嘴压力和添加硬度更高的颗粒(如氧化铝和陶瓷)将为进一步的处理工艺(如粘合)作表面准备,甚至通过喷丸强化表面。
  这意味着这种单一处理可以完成多个工业任务,从通过表面研磨进行温和清洁到喷丸强化。此工艺具有高通用性和稳定的安全性(它不会产生灰尘或静电)并且可提供强化的表面,这正是航空航天业所需要的核心优点。

影响因素

  第一次看见时,湿式喷丸看起来像是在用污水喷射表面。但支撑这项强大、灵活的技术需要谨慎选择磨料颗粒、喷嘴压力、水温以及其他因素,从而用于航空航天工业领域的多种应用中:
• 对涡轮和扇叶喷丸强化
• 为粘合和喷涂作表面准备
• 脱漆-不损坏基体材料
• 除油、除锈和除垢
• 为大修和裂纹检测进行常规清洁。
  磨料颗粒选择很关键。精细颗粒和较大颗粒相比会产生较小的影响。例如,氧化铝会达到“切割”效果并形成哑光面。硅玻璃丸会形成“抛光”面,而陶瓷、塑料和钢颗粒的效果也各不相同。一些其他可用介质包括:铝矾土、玻璃、冰甚至是李子核或核桃壳!
  湿式喷丸的液体种类使其具有高通用性:变更弹丸介质可以将清洁处理变为表面处理。但主要优点无疑是它形成的表面具有优良的光洁度:湿式喷丸的润滑效果使得颗粒在材料表面具有流动性,因此可以处理更多复杂形状的工件,处理可使表面更加均匀并且为涂层、涂装或粘合作更好的准备。
  其他的优点包括:占用资源少、部件磨损低、固体介质破碎率低、有效过滤和分离磨料颗粒以及不需要预清洁或除油。
  悬浮液的组成对此工艺很重要。湿式喷丸的喷嘴喷出物可能看起来没有变化,但是可以通过变更和控制基础参数来改变工艺。最先进的系统使用软件控制融合和监控气体、空气和固体的流动。
  磨料介质的性能对工艺的影响最大。像氮化硅这样的高硬度颗粒会对软的物体(如碳酸氢钠)有特殊的效果。颗粒的形状、硬度和尺寸决定了磨料效果。
  但其他因素也会改变效果:喷嘴数量、种类和部署的角度会导致效果变化非常大。气压决定了喷嘴喷出悬浮液的速度和工艺的动能。悬浮液的酸度或碱度将决定其在工艺(如清洁或防锈)中的效果。
  通过规定和和控制这些因素和其他因素,从为粘合准备复合表面到为模具去毛刺,客户都将获得所需的特定效果。目前最精细的湿式喷丸机器可以严密控制介质浓度、处理温度、添加剂和喷丸压力以达到一致的、可重复的表面光洁度(相对容易改变),这进一步提高了湿式喷丸的通用性。

大型和小型工件

  进一步说明湿式喷丸的通用性:工件尺寸并不是限制因素-因为它可以用于从螺母和螺栓到机翼帆桅杆的任何工件。大型和小型工件接受相同的处理很常见:小型附件可能需要和大型锻件相同的表面处理,尤其是后期需要粘着在一起的工件。但是这种“相同处理”可以用不同的方式完成。例如,小型附件可以成批在滚筒中处理。但是如机翼帆桅杆这样的工件则需要放置在大处理室中,然后由自动或伺服控制喷嘴在工件表面移动以进行喷丸。
  传统工艺则需手工处理:穿着防护服的操作员需要拿着喷枪处理整个工件的表面。一些处理仍需手工完成,如清洁飞机轮胎以进行潜在裂纹测试。但如其他工业工艺领域的趋势一样,在湿式喷丸领域自动化操作将越来越普遍。
  处理如机翼帆桅杆这样的大型部件,自动化操作确保了一致性。在高度管制的工业领域(如航空航天业),每个工件的质量都需要完全相同,这需要通过完全相同的方式处理每一个工件来达到。
  在处理机翼表面时,可以将除冰带胶合至机翼,这是一个很好的例子。自动化湿式喷丸确保了一致的表面清洁度,这保证了每次处理粘合相同。
  对于小型部件来说,自动化的主要优点是省时省钱,因为手工处理多个分离工件费用非常昂贵。

监管和控制

  控制湿式喷丸的参数约有15个,这使得此工艺变得非常复杂。但Vapormatt相信只要这些参数可测量,就一定可控制。工艺的线路图显示了必须控制的多个参数。这些参数包括:
• 气压和通气量
• 悬浮液压力
• 水温、pH和导电性
• 过滤、冲洗、干燥
• 喷枪(喷嘴)角度、范围和速度
  但仅仅测量这些参数水平是不够的。此工艺必须自动化控制-最重要测量值的其中一项是悬浮液中的颗粒等级。
  因为湿式喷丸时磨料颗粒破碎将会导致工艺失效。解决方法是向悬浮液中添加更多的磨料颗粒,但是添加的比例必须正确,并且添加速率必须与当前颗粒破碎率一致,这在关键工艺(如喷丸强化)中尤其重要。
  磨料颗粒的浓度(按重量计算)需为15-20%(在某些情况下,需达到50%)。维持浓度依赖于工艺的严密控制。Vapormatt用一种非常简便的方式完成此工作:使用其专利的淘洗塔。此项工作根据斯托克斯定律执行,此定律指出液体中颗粒沉降速率与颗粒的尺寸和密度有关。根据此定律,由于悬浮液可回收,它被注入向上抽送的水柱中:较重的颗粒更快沉降至底部,而较轻的颗粒则停留在顶端并被清除。通过使用淘洗塔,非常细小的介质可以用于设置为500目筛网的喷丸机器,介质的最小尺寸可为25微米。
  工艺的第二阶段是测量剩余“合格”颗粒数量。此阶段是通过使用流量计连续监控悬浮液密度来完成。通过检测多数颗粒分解的时间,新的颗粒自动得到添加。

轮胎清洁、喷丸强化

  航空航天业在多种操作中应用了湿式喷丸工艺。整个系列的航空航天业工艺可通过这种单一的技术来完成。
  其中一项是清洁。更换飞机轮胎时,需要对轮胎进行无损检测来检查裂纹。首先,需要使用低压湿式喷丸来清除轮胎表面污垢,但不能影响到漆层。在工业领域这种技术还有许多其他的应用,如除漆、准备复合材料和除油。但是目前最常用的技术是喷丸强化,此工艺用于处理关键工件(如涡轮叶片)的表面。此工艺在工件表面形成压应力,从而对裂纹产生抵抗作用,使其服务寿命延长超过千倍。
  传统的喷丸工艺通过干喷射处理执行,并使用巨大的力量冲击表面。但湿式喷丸有其优点:它可以形成更加光滑的表面,并且不太可能由于介质冲击产生表面污垢-裂纹会从污垢处萌生。一家领先的航空航天制造商最近就因此开始使用Vapormatt的湿式喷丸工艺。此转变具有一定的经济意义,因为此公司已经在很多其他操作中使用湿式喷丸。
  总而言之,最大的优点是:通过投资一项创新、灵活的技术,航空公司可以进行多种独立的工业操作-否则该公司可能需要投资几种不同的技术。



Vapormatt
Monarch Centre, Venture Way
Priorswood Industrial Est., Taunton
Somerset, TA2 8DE, England
电话:+44.1823.257976
邮箱:sales@vapormatt.com
www.vapormatt.com
 
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