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分析航空工业喷丸强化处理中的喷丸成形技术

发布时间:2020.09.03    点击数:146

       喷丸作为一种表面强化工艺,它的历史可追溯到公元前 2700 年,可谓历史悠久。据记载,当时的铁匠就已经认识到在冷态下经过锤子锤打的金属可以变得更加坚硬。中世纪的欧洲人在使用马拉轿车中发现,同样的板式弹簧,凡经过表面吹沙处理的,使用寿命显著提高。这些只是人们对喷丸的最初认识,在进入20 世纪后,人们便 开始使用金属颗粒对弹簧和大型齿轮的齿根进行喷丸强化处理。

       尤其是到了20 世纪 40 年代,大批研究者开始在喷丸工艺方面做出了大量的研究和探索,对喷丸工艺的认识也提升到一个更高层次,从而推动和扩展了这项工艺的应 用范围。洛克希德·马丁公司的工程师 Jim Boerger 从喷丸强化 Almen试片中得到启发,开创了一种现代飞机制造中的先进成形技术——喷丸成形技术。

       喷丸成形的基本原理是:利用高速弹丸(直径1-6mm)流撞击金属板材的表面,使受撞击的表面及其下层金属材料产生塑性变形而延伸,从而逐步使板材发生向受喷 面凸起的双向弯曲变形。

飞机部件喷丸房系统

喷丸成形技术的优点主要有:

1)工艺装备简单,不需要成形模具,因此零件制造成本低,对零件尺寸大小的适应性强;

2)由于喷丸成形后,沿零件厚度方向在上、下两个表面均形成残余压应力(如下图所示),因此在零件成形的同时,还可以改善零件的抗疲劳性 能;

3)既可以成形单曲率零件,也可以成形复杂双曲率零件。 正是基于这些优点,喷丸成形技术已广泛应用于航空航天等领域的整体壁板零件制造。美国率先在“星座号”飞机上采用喷丸成形技术制造机翼整体壁板,20世纪50年代 中期开始,喷丸成形技术开始踏上航空制造的历史舞台,包括民用军用飞机机翼、机身等壁板类零件的成形等。 近年来,随着现代飞机对整体气动性能的要求越来越高,以及计算机技术的快速发展,大大促进了喷丸成形技术的研究和开发,出现了预应力喷丸技术、数字化喷丸成形技术、 新型喷丸成形/强化技术等,大大扩展了喷丸成形技术的加工能力和应用范围。

        进入 20 世纪 80 年代以后,超临界机翼成为飞机的先进性重要标志,组成机翼的整体壁板也出现了复杂马鞍形和扭转特点,而且带筋结构明显增多。对于此类零件 传统喷丸成形很难满足其所需变形量,为此预应力喷丸成形技术便得到了重视。预应力喷丸成形是一种在成形前借助预应力夹具在板坯上施加弹性变形力,然后对其进行 喷丸的成形方法。在相同条件下,预应力喷丸的成形极限是自由喷丸的2-3倍,同时预应力喷丸还可有效控制沿喷丸路线方向的附加弯曲变形,该技术的应用进一步推动了 喷丸成形技术的发展。

       目前,预应力喷丸成形技术在超临界机翼整体壁板的制造中已经获得应用,加拿大NMF公司采用预应力喷丸技术为以色列Galaxy飞机制造的机翼带筋整体壁板。预应力 喷丸成形技术的应用,避免了采用机械弯曲的方法成形该类零件所带来的对疲劳寿命的不利影响。

        当然,要对零件施加预应力需要设计制造专门的预应力夹具,预应力夹具设计时要确保简单、轻便、易于操作,并要与所采用的喷丸设备相协调。因此,进一步研究简单易 行的预应力加载方式以及采用有限元法分析和准确确定所施加预应力的大小,以确保零件在预应力下完全处于弹性变形范围内,将是预应力喷丸成形技术的发展趋势

2、数字化喷丸成形技术 数字化喷丸成形技术,顾名思义便是利用数字化技术对零件进行数字化工艺几何信息分析,对喷丸成形工艺参数进行选择和优化,对喷丸成形过程进行模拟和控制,对成 形零件的外形进行数字化检测,对零件的喷丸成形工艺文件和程序进行数字化管理等,从而实现以数字量的形式描述零件及其喷丸成形全过程,并将各阶段形成的数据统一管 理起来的先进成形技术-数控喷丸。

3、自动化喷丸成形技术 自动化喷丸成形技术的实施现可分为3个阶段,即概念设计和分析阶段、预生产(研制)阶段和生产阶段。

       在概念设计和分析阶段,主要针对零件的CAD数模进行喷丸成形工艺性分析和评估,制定出初始的喷丸成形工艺方案和成形工艺参数,同时针对用户的设备和人员状况制定相 应的需求;在预生产阶段,主要通过试验件的喷丸成形试验对工艺进行优化,生成有关工艺控制文件和程序,同时对用户的设备进行必要的升级和调整,另外,在此阶段还可并行进 行零件设计的更改和完善;在生产阶段,通过调用已经制定好的有关零件控制程序,即可实现自动化喷丸成形,同时完成对相关人员的技术培训。

       通过以上描述的3个阶段,用户的可以建立起自动化喷丸成形技术体系,以后再需要进行新产品开发时,只需要进行离线编程然后再将有关数据和程序传递到用户设备 上,即可进行自动化喷丸成形的工艺,开展加工成形。

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