活塞杆镀层气密性改善研究.pdf

学术论文 R E S E A R C H 活塞杆镀层气密性改善研究 R e s e a r c ho nA i r t i g h tF u n c t i o nI m p r o v e m e n to f P i s t o nR o dC o a t i n g 中航工业沈阳飞机工业( 集团) 有限公司 田 禾宁保国潘新 【摘要】起落架活塞杆镀铬表面的渗漏现象是飞 机常见的一种故障现象，严重影响飞行安全。通过对渗 漏现象产生机理的分析，来寻求一种切实可行的解决方 法。试验验证了“金刚石碾压+ 超精”这种工艺方法可 有效改善活塞杆镀层的气密性，消除渗漏。由于该工艺 方法简单，性能稳定，在航空武器装备零部件加工和维 修方面具有良好的应用和推广价值。 关键词：活塞杆金刚石碾压超精气密性 I A B S T R A C T lT h el e a k a g eo nt h ep l a t i n gc o a t i n g s u r f a c eo fu n d e r c a r r i a g ep i s t o nr o di sak i n do ff r e q u e n t m a l f u n c t i o n s ，w h i c hs e r i o u s l ya f f e c t st h ef l i g h ts a f e t y T h r o u g ht h ea n a l y s i so nm e c h a n i s mo fl e a k a g e ，af e a s i b l e m e t h o dh a sb e e nf o u n d T h ec r a f t w o r kt e c h n i q u eo fd i a - m o n dr o l l i n ga n du l t r a p r e c i s i o nm a c h i n i n gc o u l de f f e c t i v e l yi m p r o v ea i r t i g h tf u n c t i o no fp i s t o nr o dc o a t i n ga n d e l i m i n a t et h el e a k a g e D u et ot h es i m p l em e a s u r ea n ds t a - b i l ep e r f o r m a n c e ，t h ec r a f t w o r kh a saf a v o r a b l ea p p l i c a t i o n a n ds p r e a d i n gv a l u ef o rt h ep a r t sm a c h i n i n ga n ds e r v i c i n g o fa v i a t i o nw e a p o n K e y w o r d s ：P i s t o nr o d D i a m o n dr o l l i n gU l t r a - p r e c i s i o nA i r t i g h tf u n o t i o n 活塞杆是控制飞机起落架收放的一个关键零件， 由杆身和活塞头组成，材料多为4 0 C r N i 2 S i 2 M o V A 等高 强度结构钢，工作表面通常为硬铬镀层。按设计要求 需要对飞机起落架活塞杆进行例行气密检查，在检查 时经常会发现活塞杆镀铬表面出现渗漏现象( 俗称镀 铬冒汗) 。这表明活塞杆已经发生了漏气故障，如果不 及时排除这种故障，将极大影响起落架的使用性能，对 飞机飞行安全构成威胁11 - 3 1 。通过对这种渗漏现象的持 续研究与探索，发现铬镀层本身结构中存在的网状结 构是引起铬层渗漏的主要原因。因电镀铬层工艺本身 固有的特点，铬层在沉积后形成网状裂纹，镀铬表面经 过磨削加工，会使铬镀层的网状裂纹加深加宽。在进 行气密性试验中，气体分子沿着网状裂纹渗出，由此产 生铬层渗漏现象1 4 - 5 1 。 国内外的一些大型航空企业已针对如何消除铬层 7 6 航空制造技术2 0 1 4 年第1 9 期 渗漏现象进行了大量专门的研究，也采取了相应的解决 措施。目前最常用的方法是通过树脂封闭裂纹来提高 铬层的气密性，但这种方法只能在一定程度上减少气泡 渗漏，不能完全消除漏气，有一定的局限性，因此，必须 摸索出一种更加切实可行的工艺方法。通过大量的试 验，发现“金刚石碾压+ 超精”的工艺方法可以消除起 落架活塞杆铬层渗漏的故障，满足气密要求。本文对“金 刚石碾压+ 超精”工艺方法的原理、试验过程、试验结 果及验证效果进行阐述。 1试验过程 1 1 工艺原理 金刚石碾压工艺是一种非切削加工方法，在国外普 遍采用，但在国内还属于一种崭新的工艺方法。其原理 就是通过专用碾压工具，在压力的作用下，使零件表面 产生塑性变形，达到零件表面强化或使铬层均匀致密的 目的。虽然这种方法看似简单，但却能达到很好的效果， 其操作原理如图l 所示。 ，I镀铬区，、 图1金刚石碾压原理 F i g 1P r i n c i p l eo fd i a m o n dr o l l i n g 1 2 试验过程 选用活塞杆作为试验件，试验工具为带金刚石压头 可显示碾压力值的弹簧心轴。 ( 1 ) 试验件的制造：在相同条件下，制造1 组共6 个试验件，试验件材料、热处理状态及结构尺寸与起落 架活塞杆状态相同，按活塞杆的工艺方法进行加工、电 镀铬、磨削，最后保证铬层厚度在2 4 4 8 u m 范围内。 ( 2 ) 碾压前准备：准备碾压工具，调试心轴，在受力 万方数据 学术论文 弹簧上涂润滑油，检查套件和活塞杆，使其在外壳内自 由转动且没有明显间隙；安装夹紧试验件，检查碾压外 圆的跳动误差，保证不大于0 0 2 m m ；在车床刀架上安装 心轴，在心轴上安装金刚石压头并轻轻转动，不能存在 明显的间隙。 ( 3 ) 进行碾压试验：首先设定碾压参数，轴向进给 量要求不大于0 0 8m m r ，因为进给量越小，碾压后的表 面质量越好。金刚石压头应与接触面的法向方向一致， 且与接触面紧密贴合。碾压力在9 8 1 4 7 N 之间，如压力 小于9 8 N ，碾压效果不好，如压力大于1 4 7 N ，铬层将会 出现明显的划痕。然后在碾压表面涂润滑油，用金刚石 头碾压表面，碾压1 次。 ( 4 ) 超精加工：碾压后，被碾压表面的粗糙度( 月。) 一般在0 6 9 m 左右，不能达到活塞杆外圆的粗糙度要求 低于0 2 9 m 的要求。为此，增加超精加工工序，保证粗 糙度达到要求。 ( 5 ) 试验效果的验证：根据H B5 0 4 l 一9 2 硬铬、 乳白铬镀层质量检验、G B T1 2 1 3 7 2 0 0 2 气瓶气密 性试验方法和G B T4 3 4 0 1 2 0 ( ) 9 金属材料维氏硬 度试验第1 部分：试验方法等标准进行一系列相应的 试验，来验证“金刚石碾压+ 超精”工艺方法是否可行， 是否能消除铬层渗漏现象。 2 试验结果分析 2 1 试验前后表面粗糙度的对比分析 不同状态下镀铬表面形貌有很大区别，电镀后镀层 表面的原始形貌表明镀铬层光亮，表面颗粒平整、细密， 表面无起皮、脱落或开裂等现象。在电镀过程中，金属 原子按一定形式有规则地排列，并以一种连续的结晶晶 格形式相互接触生长，形成金属结晶的晶粒。也就是说， 金属镀层呈结晶状态，它是在电结晶过程中形成的。因 此，铬层沿着特定的方向生长，形状趋于规则，但在镀层 表面有可见的明显微裂纹。在金刚石碾压前经磨削后 镀铬表面的形貌中，镀铬表面的微裂纹有扩大的趋势。 而碾压后镀层表面粗糙度得到改善，镀铬表面可见的微 裂纹尺寸减小，晶粒发生细化，经检测，碾压后的表面粗 糙度不能满足设计规定低于0 2 9 m 的要求。最后经过 超精磨后的镀铬表面变得更加光滑，表面质量明显得到 改善，经检测，超精磨后表面粗糙度低于0 2 9 m ，可以满 足设计要求。表l 为各状态下镀层表面表面粗糙度数值。 2 2 “金刚石碾压+ 超精”后镀层硬度检查 镀铬的目的主要是利用铬的高硬度、高耐磨性。根 据H B5 0 4 l 一9 2 的规定，硬铬镀层的显微硬度不应低于 H V 7 0 0 ，金刚石碾压前后的铬镀层硬度见表2 。 从表2 数据可以看出，试件经“金刚石碾压+ 超精” 表1金刚石碾压前后试件镀铬层表面粗糙度( 月 一r耳l I 撑0 3 7 90 6 6 40 0 6 5 5 2 #0 3 9 20 5 6 4o 0 5 7 8 3 #0 3 2 I0 6 2 60 0 6 7 8 4 #O 3 1 2( ) 5 4 4o 0 7 8 2 错0 3 3 5O 6 4 20 0 8 6 5 6 #o 3 7 90 5 6 7o 0 6 7 5 表2 金刚石碾压前后试件镀铬层显微硬度( H V 试件序号 碾压前碾压后 1 #7 8 59 2 8 2 #7 5 99 6 2 3 #7 3 99 5 9 4 0 7 5 4 9 8 8 5 #7 2 89 4 7 硎 7 5 09 5 5 后前后硬度值都符合航标规定要求，但“金刚石碾压+ 超精”后的表面硬度值更高。主要是因为镀层经过金 刚石碾压后，表面晶粒发生细化，细小的晶粒提供了更 多的“晶核”，即形核中心，有效实现了细化晶粒的强化。 另外，在碾压过程中，镀层中产生高密度的位错，根据位 错理论，强化是由基质金属中滑动位错与微粒间的切割 或绕过作用引起的，只要当镀层中存在一定数量的位错 时，位错强化就会起到作用。同时，细小颗粒与周围的 高密度位错发生弹性交互作用，加剧了强化效果，又进 一步提高了镀层的耐磨性能，从而提高了镀层的硬度及 耐磨性。 2 3 “金刚石碾压+ 超精”后镀层与基体结合力检查 镀层的结合力是指镀层与基体之间的结合强度，即 单位面积的镀层从基体上剥离下来所需要的力，它表示 镀层与工件之间的连接强弱，是镀层工作的基础【6 I 。对 于碾压处理后的镀层来说，检测镀层的结合力也是评 定镀层使用性能的一个重要指标。为检查“金刚石碾 压+ 超精”后镀层的结合力，按标准选用了2 种检查方 法：一是微观观察法，二是试验验证法。( 1 ) 微观检查 法：选取碾压后镀层的截面，通过显微镜来观察镀层与 金属基体结合处的状况。本试验经“金刚石碾压+ 超 精”处理后，镀层表面的裂纹有被弥合的现象，镀铬层 与基体结合良好，未见分离开裂现象，说明经金刚石碾 压不影响镀层与基体的结合。同时，通过对试件经金刚 ( 下转第9 4 页) 2 0 1 4 年第1 9 期航空制造技术7 7 万方数据 学术论文 将读取的复合材料数据保存为t x t 格式，自动启动 P A T R A N 软件并加载指定的C A T I A 复合材料模型，建 立与复合材料模型相对应的材料库，如图8 所示。建立 与复合材料模型中的一致的铺层数据，如图9 所示。本 程序以S y s w a r e 平台中间件为基础框架，在中航工业某 研究所得到应用。 6 结束语 本文对C A T I A 和P A T R A N 进行相应的二次开发。 通过对C A T I A 复合材料模型进行数据读取，并对几何 图形进行操作，为P A T R A N 提供相关的输入数据和几 何图形。以输人数据为基础快速完成了复合材料分析 的前处理工作。使得C A T I A 复合材料数据无缝转换到 有限元软件中，将铺层的力学性能、铺层方向、铺层形式 直接体现在分析仿真中，使得设计分析工作的自动化水 _ _ _ _ 一 一 图7C A T I A 复材模型 F i g7C A T I Am o d e lo fc o m p o s i t em a t e r i a 图8 建立的材料库 F i g 8E s t a b l i s h m e