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活塞杆镀层气密性改善研究

                                   活塞杆镀层气密性改善研究    
                                         田禾 宁保国 潘新
                        中航工业沈阳飞机工业( 集团) 有限公司
    [ 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
    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40CrNi2Si2MoVA 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[1-3]。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[4-5]。 
    国内外的一些大型航空企业已针对如何消除铬层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1 所示。
              
    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24~48μm 范围内。
    (2)碾压前准备:准备碾压工具,调试心轴,在受力弹簧上涂润滑油,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0.02mm;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0.08 mm/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98~147N 之间,如压力小于98N,碾压效果不好,如压力大于147N,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(R a)一般在0.6μm 左右,不能达到活塞杆外圆的粗糙度要求低于0.2μm 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HB 5041— 92《硬铬、乳白铬镀层质量检验》、GB/T 12137—2002《 气瓶气密性试验方法》和GB/T 4340.1— 2009《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 0.2μm 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0.2μm,可以满足设计要求。表1 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HB 5041— 92 的规定,硬铬镀层的显微硬度不应低于HV700,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”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]。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,通过对试件经金刚石碾压后的截面观察,硬铬层上的气孔数≤ 5 个/dm2(1dm2=100cm2),符合HB 5041— 92《硬铬、乳白铬镀层质量检验》规定,为此判定达到航标规定的要求。(2)试验验证法:用锉刀沿与镀层成45° 的方向由基体向镀层的方向单向运动,用粗齿锉刀对断面进行锉锯。结果表明覆盖层附着良好,镀层无起皮、剥离、脱落现象发生。
    2.4 金刚石碾压后镀层气密性检查
    对“金刚石碾压+ 超精”后的6 件试样在规定的压力下进行了气密度试验,发现气密全部合格。选取了3个存在渗漏现象的活塞杆,进行了“金刚石碾压+ 超精”加工,再次进行气密性检查,发现渗漏现象全部消除,气密合格。后期,把“金刚石碾压+ 超精”这种工艺方法用在活塞杆的实际生产中,产品交付后,用户再也没有反馈过活塞杆渗漏故障,证明“金刚石碾压+ 超精”这种工艺方法能彻底消除活塞杆镀层气密不合格的故障。
    3· 结论
    “金刚石碾压+ 超精”的工艺方法可以细化镀铬层晶粒,提高镀铬层与基体之间的结合力,增加镀铬层表面的硬度,有效改善镀铬层性能,彻底解决活塞杆铬层的渗漏故障。该工艺方法简单、性能稳定,因此,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。
参考文献
[1]冯春晓, 李青峰, 扬萍, 等. 飞机起落架作动筒活塞杆的电刷镀修复. 材料保护, 2003, 10(36): 50-51.
[2]闰磊, 高国庆, 杨川, 等. 20CrNi3 活塞杆镀铬层表面网纹分析. 材料热处理技术,2011, 40(18): 131-137.
[3]田永良. 活塞杆镀硬铬. 电镀与环保, 2010, 30(5): 47-48.
[4]束德林. 工程材料力学性能. 北京: 机械工业出版社, 2006.
[5]张允诚, 胡如南, 向荣. 电镀手册( 上册). 北京: 国防工业出版社, 1997.
[6]黎向锋, 左敦稳, 王珉. 通过过渡层改善金刚石膜和基体间的结合性能. 材料开发与应用, 2000, 1(15): 35-39.(责编 亿霖)


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