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第 5 卷- 2017 年 3 月刊
科学地控制:如何为航空航天部件创造您所需的表面质量



航空部件


增强复合材料黏合性能


Leopard Cub


Sabre

 聚光灯

环球Vapormatt集团成立于1978年,且总部设在英国Somerset郡的Taunton。本公司由Ashworth家族的第三代成员掌管。作为压力再循环湿喷丸方法的创始者,Ashworth家族在该领域已经拥有超过50年的丰富经验和专业知识。该公司使用Vapormatt湿喷丸技术和高压水系统,设计和制造手动和自动表面清洗、喷丸和精加工机器。

简介

  因为安全至上,航空航天工业具有难以置信的高标准。因而,有很多零部件的制造和维护方面的管理规范。这些零件由从钢到钛变化的各种材料制成,且越来越多地由碳纤维复合材料等复合材料制成。

  所用必须是有强度和弹性的材料,而且是能够适用于航空航天制造业中的材料--以便使其能接受像黏合技术这样的技术进行操作。最大化这些材料特性的关键在于正确的表面处理措施,而且存在很多的实现方式。

  其中一项在航空航天领域中应用势头正迅猛增加的技术是湿喷砂技术。该技术十分简单,其在液相载体中悬垂固体颗粒来处理表面。将液体磨料与加压气体混合所得的浆料通过喷嘴至材料表面上。该简易技术通过精细地控制,改变每项参数,可以实现完成从柔和清洗任务到全表面喷丸任务中的各种航空航天表面精加工任务。

  虽然湿喷丸技术的原理一目了然,但实施起来更加复杂。为了充分发挥湿喷丸技术的作用,其需要控制大约15个单独参数,比如,磨料颗粒的性质和大小、每个喷嘴对着材料表面的角度和浆料从喷嘴流出的速度。

  Vapormatt能够使整个该过程自动化并得到控制,这让湿喷丸技术成为了航空航天领域中的关键技术。

工业要求

  长期建立起来的用于表面处理的技术是干喷丸技术。这里,磨料颗粒通过空气并在整个部件表面被烧制。虽然这是一个有效的方法,但其也有自身的缺点--产生了灰尘、静电和噪音。更有可能的是,其还会引起表面的污染--裂缝和腐蚀开始的源头。湿喷丸技术可以解决这些问题,且在适当的情况下,其可以在多个应用中取代干喷丸技术。

喷丸技术

  由于喷丸技术可以赋予涡轮叶片等部件额外的强度和寿命,所以其是航空航天领域中一项重要技术。该技术涉及到通过使用坚硬的球形颗粒进行击打,使表面受到压应力。这使得其具有抗裂性,并因此延长了使用寿命。

  长久以来,都是使用干喷丸技术在表面处烧制这些坚硬的颗粒。这样就提供了大量的外力,且仍然在广泛使用中,但是存在一些缺点--最明显地就是灰尘的产生。

  沾灰的部件必须要经过后处理清洗过程。灰尘环境下还存在卫生和安全问题--在极端情况下,会产生爆炸性气体。虽然干喷丸技术有效,但可以通过使用湿喷丸技术作为替代来克服这些问题。

  应该强调的是,航空航天制造商无法轻易地选择湿喷丸技术去替代干喷丸技术。一些书面规范--尤其是较早的规范--会坚持使用干喷丸技术。其他的规范,虽然在这些技术上允许有选择,但其仍然需要巧妙应用湿喷丸技术,以便能正确地完成工作。Vapormatt可以提出最好的方式来将湿喷丸技术应用到这一关键的和重要的过程中--且最重要的要素是控制。

  执行喷丸操作,以便在金属(比如钛)表面中产生具体的变化。如果足够的磨料颗粒不是球形的,也就是说它们毁坏了很多,那么它们将产生较低的效果且产生有害影响--会潜在地导致像涡轮叶片这样的部件发生早期(或甚至是惨重的)故障。

  为了应对这些问题, Vapormatt已开发出了一种精密的反馈技术,其不仅可以监控颗粒的大小(破损颗粒的大小小于未破损颗粒),还可以维持过程中的颗粒的浓度,以便使浆料可以继续完全发挥其作用。

  系统使用其已授予专利的“淘析塔”将“破碎的”颗粒分离出来。其工作原理是斯托克斯定律--证明了颗粒通过流体的下落速率与其大小和密度相关。随着浆料的循环,其被投入向上泵送的水柱中:较重的颗粒快速掉落至底部,而较轻的则随着水柱上升并从顶部流出以通过传统过滤器移除。

  同时,该系统通过使用本任务专门构建的密度计对浆料浓度的监控,来测量“好”颗粒遗留量。通过检测何时出现磨料颗粒不够,可以自动添加入新的颗粒。Vapormatt用于喷丸的湿喷丸技术商业化背后的关键因素是能够在精密公差内维持浆料环境和浓度。

复合材料

  当讨论复合材料时,湿喷丸技术证明自身比其他制备用于黏合剂黏合或涂料黏合表面的方法更优越。

  碳纤维增强塑料(CFRPs)在航空航天领域越来越重要,比如在787 Dreamliner和Airbus 380等模型中。一家英国战略咨询公司Future Materials Group认为小型飞机--比如Airbus 320--在未来还会采用更多的碳纤维。这将会将工业进一步转向“碳未来”。

  航空航天领域使用这些的关键在于将这些与传统材料结合,这意味着将二者黏合起来。由于湿喷丸技术的柔和、可重复的特性--确保不会破坏单个纤维,所以其是制备用于黏合的复合表面的最好方式。同时,其能够处理表面的每个部分,这使其具有更大的优势。其是唯一精细到足以移除纤维之间一些聚合物基质--确保用于黏合的表面具有高度的活性--的技术。

  已经建立起来的方法,比如手动磨损法、干喷丸法和剥离层法,都受限于提供精确的、可再生的产物的能力上。这意味着它们不会满足复合部件所需的认证水平。

  湿喷丸技术在制备复合部件上,精确度和可再生性上得到提升。对于风机叶片或引擎部件等的高价值复合部件来说,可再生性变得尤为重要:干喷丸技术和手动磨损法会引起过度处理。即使这只会持续几秒钟,但其可以损伤下方的纤维,且因此会损伤部件。

  在对浆料和气压控制到位的情况下,可以配置微调缓冲器,使其进行更缓和的运转,以确保不会使纤维受损伤。水缓冲器依靠气压和水压之间的比例,且产生几个效果:其使磨损介质得到润滑;其消除静电聚积;其清洗表面;其避免坚硬的颗粒浸入软复合树脂表面中;以及其避免了纤维的损伤。

其他用途

  喷丸处理和复合表面处理是湿喷丸技术的主要应用,但是还存在其他应用--从清洁和涂料剥离应用到测试和制造应用。

  例如,在更换飞机轮胎时,使用非破坏性测试方法对机轮的裂缝进行检查。首先必须移除表面灰尘,且这可以使用湿喷丸技术来完成。裂缝通过使用正确的磨料被清理,而不是通过锤压被掩盖住。以同样的方式增加喷射压力--可以改变磨料--将该阶段更进一步,且可以将部件上的涂料移除。这里,像化学清洁技术这样的技术是一个更安全的替代技术。

  还存在将湿喷丸技术直接并入到制造中的方式:除了其在喷丸技术中发挥的作用--制造像风机叶片上机翼这样的部件的关键步骤--之外,比如将抗蚀性从脱蜡法产生的铸件上的精细特征中移除时,其还可以应用至铸造厂内的生产操作中。

  湿喷丸技术的一个优势在于:可以通过改变生产条件--和磨料的性质,将单个技术应用到各种工业生产任务中。

控制的重要性

  通过对湿喷丸技术进行控制和自动化,Vapormatt已经使其在航天领域成为一项强大的--且广泛应用的--技术。

  传统意义上,湿喷丸技术是一项手动操作过程,其中,操作者使用喷射枪处理大型构件--就像使用高压清洗机清洗你的汽车一样。但是为了保证一致性,其变得更加自动化--尤其在高规范的航天工业当中。

  一个很好的例子就是:在对机翼进行表面处理时,可以使用除冰带进行贴附。自动湿喷丸技术确保表面清洁度的一致性,且保证了每次的黏合度都相同。

  自动化还有助于避免部件的“过度处理”。已经提及的一个例子是在复合物中的--其中,过量的处理会损伤纤维和降低机械特性。然而,坚固的金属部件也应用到该原理。

  例如,燃烧外壳和圆盘的修理和清洁用到湿喷丸技术。然而,绝对不对它们进行过度处理。在处理之前和之后可以对部件进行称重以确保没有金属从部件上移除,这是十分重要的。

  没人愿意为价值昂贵的圆盘件的损失而担责。与其他方面相比,这更显示了简单地对表面进行喷丸是不够的,且该处理操作必须保持在严谨的控制下进行。

  总体来说,自动湿喷丸技术是一项灵活的、可调整的方法,其比传统的表面处理技术具有更多的优势。在航空航天领域,其正成为一项有力的工具且随着复合材料在工业中变得尤为重要,这样的势头将会持续增长。



Vapormatt
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