預(yù)應(yīng)力噴丸成形技術(shù)

       噴丸成形是通過高速運(yùn)動(dòng)的金屬彈丸傳遞能量 ，大量彈丸撞擊作用的集合使得板件受噴表面形成密集凹坑，當(dāng)表面凹坑達(dá)到飽和時(shí)，板件表層材料線性延伸停止，變形程度不再增加，因此噴丸成形的變形量有一定限制，只能適用于相對(duì)厚度較小，外形平緩的壁板。近十幾年來，人們通過各種途徑不斷設(shè)法提高噴丸成形能力極限，主要方法有：采用大直徑彈丸（最大Φ10mm），增加單位時(shí)間內(nèi)彈丸流量 （最大可達(dá)到200kg/min），采用氣動(dòng)直壓式禾窄葉輪拋丸技術(shù)提高彈丸噴射速度等。而預(yù)應(yīng)力噴丸成形是為了解決機(jī)翼壁板馬鞍型區(qū)域成形難題而發(fā)展起來的，從大量試驗(yàn)研究中人們逐漸發(fā)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力的使用不但能提高壁板在噴丸中成形方向的可控性，而且在相同噴丸強(qiáng)度下，與自由狀態(tài)噴丸的成形相比，可提高噴丸成形極限達(dá)30%~50%，很大提高了噴丸成形在大型壁板成形中的適應(yīng)能力。

1.預(yù)應(yīng)力噴丸成型原理

       預(yù)應(yīng)力噴丸成型是指在預(yù)應(yīng)力夾具上對(duì)板件先進(jìn)行彈性預(yù)彎，板件在彎矩作用下發(fā)生彎曲，然后在板件的受拉表面進(jìn)行噴丸的成形方法。預(yù)應(yīng)力噴丸時(shí)，受噴表面是在拉應(yīng)力狀態(tài)下接受彈丸撞擊，與自由狀態(tài)相比，這種拉應(yīng)力有助于受噴材料的延伸，同時(shí)加深壓應(yīng)力層的深度，加大了壓應(yīng)力層中殘余壓應(yīng)力的平均值，保證了板件能夠按照要求方向成形。施加預(yù)應(yīng)力的過程是彈性變形，應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系符合彈性本構(gòu)方程，外表層應(yīng)力雙向受拉，內(nèi)表層應(yīng)力雙向受壓。

       大型壁板的預(yù)應(yīng)力噴丸成形一般可分為弦向（橫向）和展向（縱向）兩種方式，大型壁板在弦向預(yù)彎狀態(tài)接受噴丸時(shí)，相當(dāng)于兩種應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)的疊加，使得板材表層橫向拉應(yīng)變增大，約等于預(yù)彎應(yīng)變與噴丸應(yīng)變之和，內(nèi)表層壓應(yīng)變也增大，從而達(dá)到增加弦向變形的目的，在弦向預(yù)彎狀態(tài)下，展向只相當(dāng)于自由噴丸狀態(tài)，所以預(yù)應(yīng)力噴丸成形也能很好克服球面變形傾向。大部分情況下，壁板在弦向已達(dá)到或超過外形要求時(shí)，才進(jìn)行展向預(yù)應(yīng)力噴丸，展向外形是在預(yù)彎狀態(tài)下通過對(duì)特定區(qū)域?qū)�噴放料獲得。展向預(yù)彎同樣加大了展向應(yīng)變，減少了對(duì)彈丸打擊動(dòng)能的要求，因此預(yù)應(yīng)力噴丸成形使許多無法采用自由狀態(tài)噴丸達(dá)到要求外形的壁板成形出了預(yù)期外形，有效擴(kuò)大了噴丸成形工藝的使用范圍。

       大型壁板在外力作用下發(fā)生彈性預(yù)彎時(shí)，外力勢能的變化全部轉(zhuǎn)化為應(yīng)變能儲(chǔ)存于物體內(nèi)部，隨著外力的逐漸增加，壁板材料將經(jīng)歷彈性狀態(tài)到塑性狀態(tài)，而這是一個(gè)連貫過程，尤其飛行器壁板大多采用高強(qiáng)度鋁合金材料，沒有明顯屈服狀態(tài)，因此大型壁板預(yù)應(yīng)力噴丸時(shí)，對(duì)壁板施加外力進(jìn)行彈性變形的一種工藝裝備，它不起成型模的作用，只是在板件的受噴表面上產(chǎn)生預(yù)定的拉應(yīng)力（不超過材料屈服強(qiáng)度），目的是加大成形曲率，克服噴丸成形球面變形傾向，使板件按所需方向變形。預(yù)應(yīng)力施加是根據(jù)三點(diǎn)彎曲原理，其中有兩點(diǎn)起到支點(diǎn)作用，另外一點(diǎn)施力方向相反，起到頂點(diǎn)作用。按施加預(yù)彎的方式，預(yù)應(yīng)力夾具可分為三類：弦向施加預(yù)彎，展向施加預(yù)彎禾局部施加預(yù)彎。

2. 預(yù)應(yīng)力夾具工作原理與總體結(jié)構(gòu)

       新支線飛機(jī)外翼下翼面壁板為超臨界整體厚壁板，不但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且為雙曲率外形，成形難度極大，在自由狀態(tài)下已超過噴丸成形極限，必須在噴丸前對(duì)其施加預(yù)應(yīng)力，在噴丸過程中對(duì)其進(jìn)行夾持。因此，預(yù)應(yīng)力噴丸成形是新支線飛機(jī)外翼下翼面壁板噴丸成形的關(guān)鍵技術(shù)。

在噴丸成形過程中，前期采用卡板式預(yù)應(yīng)力噴丸成形夾具（見圖1）對(duì)新支線飛機(jī)外翼下翼面壁板進(jìn)行預(yù)彎和夾持，不但工藝穩(wěn)定性差、產(chǎn)品質(zhì)量起伏大，而且加工周期很長。

       因此，急需對(duì)此種長板式預(yù)應(yīng)力夾具進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，以提高產(chǎn)品質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)壁板的快速定位、裝夾和施力，縮短壁板加工周期。

圖1 卡板式預(yù)應(yīng)力噴丸夾具

（一）工作原因

根據(jù)新支線飛機(jī)外翼下翼面壁板的結(jié)構(gòu)和外形特點(diǎn)，預(yù)應(yīng)力夾具展向禾弦向預(yù)彎采用三點(diǎn)壓彎的方法，施力大小可隨意調(diào)整（見圖2）。

圖2 三點(diǎn)壓彎原理圖

        為滿足預(yù)應(yīng)力夾具的柔性要求，以便加工不同大小的零件，如圖2所示，施力點(diǎn)A，B，C都能夠上下移動(dòng)。A，C兩處移動(dòng)是通過帶U型槽的壓板和立柱上開的等間距的孔來實(shí)現(xiàn)的。B點(diǎn)是用可安裝在立柱上任意位置的特制弓形夾來完成位置的調(diào)整。各立住上和壓板、弓形夾配合的壓緊螺釘通過不同長度的T形槽半圓壓塊來壓緊壁板，以保證施力均衡。

（二）總體結(jié)構(gòu)

        預(yù)應(yīng)力夾具應(yīng)包括基本框架和施力體兩個(gè)主要結(jié)構(gòu)（見圖3）。

        基本框架：在機(jī)床框架上設(shè)置專用轉(zhuǎn)接整體橫梁（可分段設(shè)計(jì)，剛性連接）用于施力體的安裝，其中上橫梁與機(jī)床框架上連接板的距離不小于360mm，下橫梁與地面的距離不小于900mm；施力體分為弦向預(yù)彎施力體禾展向預(yù)彎施力體，在橫梁上按照下中壁板1~24肋位置（除23肋外）分別設(shè)置弦向施力體結(jié)構(gòu)，在1~11肋位置設(shè)置展向施力體，要求1肋施力體與機(jī)床框架左端立柱的距離為2 m。施力體垂直于機(jī)床框架平面，在水平方向上距離可調(diào)。

圖3 夾具總體結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)新支線飛機(jī)外翼下翼面壁板噴丸成形的要求和特點(diǎn)，預(yù)應(yīng)力夾具應(yīng)滿足以下要求：

（1）通用性強(qiáng)，適用于新支線外翼下翼面6項(xiàng)壁板在噴丸成形中的弦向和展向預(yù)彎。

（2）設(shè)計(jì)基準(zhǔn)：對(duì)機(jī)翼壁板設(shè)計(jì)弦平面進(jìn)行適當(dāng)平移，與機(jī)床框架平面重合，并保證在機(jī)床框架兩側(cè)壁板翹曲量均不大于150mm。

（3）要求在正常使用時(shí)，夾具與機(jī)床的連接部位不能出現(xiàn)變形。

（4）施力體結(jié)構(gòu)滿足如圖4所示的相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)要求。

圖4 夾具施力體運(yùn)動(dòng)示意圖

（5）弦向預(yù)彎施力體：要求在下中壁板2~22肋各肋位、2~3肋間中間位置、1肋和24肋零件兩端頭位置分別設(shè)置弦向預(yù)彎施力體，共24個(gè)，在1~2肋中間設(shè)置與2肋平行的、可安裝2肋弦向施力體的安裝位置；要求下前和下后壁板可以共用下中壁板相應(yīng)位置的弦向施力體，不同壁板在各肋位的寬度由不同孔系控制。另在下前壁板靠近15肋零件端頭設(shè)置定位托桿；在下后壁板靠近10肋零件端頭設(shè)置定位托桿；在靠近1肋零件端頭處、3肋及肋間翼稍端頭三處弦向預(yù)彎施力體下分別設(shè)置定位塊，定位塊應(yīng)保證在零件裝夾好后，其對(duì)接邊緣呈水平狀態(tài)。

（6）弦向施力體上壓塊設(shè)置原則：要求下中壁板19~24肋各肋位弦向預(yù)彎施力體壓塊壓在口框邊緣，其余各肋位弦向預(yù)彎施力體壓在靠近搭接區(qū)的零件內(nèi)邊緣，并且有深入零件內(nèi)邊緣50mm的連續(xù)可調(diào)節(jié)量。

（7）要求2肋、3肋、2肋和3肋肋間中間位置弦向預(yù)彎施力體壓塊與零件接觸部分為R50mm的球頭。

（8）要求弦向預(yù)彎施力頂塊采用Φ50mm鋁棒，安裝可靠、更換容易，要求任意2個(gè)弦向預(yù)彎施力體可同時(shí)夾持1根Φ50mm鋁棒，也可單獨(dú)夾持1根Φ50mm鋁棒；要求除2肋、3肋、2肋和3肋肋間中間位置弦向預(yù)彎施力體外，任意兩個(gè)弦向預(yù)彎施力體的上下壓頭可同時(shí)夾持1個(gè)Φ50mm鋁棒，也可單獨(dú)夾持Φ50mm鋁棒。

（9）展向預(yù)彎施力體：共5個(gè)，其中3個(gè)分別用于2肋、3肋、2和3肋肋間中間位置的展向預(yù)彎，其余2個(gè)用于4~11肋的展向預(yù)彎。

（10）要求展向預(yù)彎施力體壓頭與零件的接觸部分為R50mm球頭。

（11）要求展向預(yù)彎施體3個(gè)壓頭和弦向展向預(yù)彎施力體的壓頭為弓形夾形式，可沿支柱上下位置連續(xù)可調(diào)，可以互換。

（12）要求另外單獨(dú)配置弓形夾形式壓頭16個(gè)，其中可安裝Φ50mm鋁棒的8個(gè)，R50mm球頭形成的8個(gè)。

（13）要求弦向預(yù)彎量在0~60mm范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。

（14）要求對(duì)2~11肋部位必須考慮展向預(yù)彎，對(duì)弦向施力體進(jìn)行加強(qiáng)，以保證在實(shí)施展向預(yù)彎時(shí)，可以以2~11肋部位的弦向預(yù)彎施力體為基準(zhǔn)，連續(xù)施力整體移動(dòng)展向預(yù)彎施力體，實(shí)現(xiàn)展向預(yù)彎功能。施力方式可為螺桿結(jié)構(gòu)，旋全長度大于350mm。展向施力體到位后，可拆除弦向施力體，以不影響噴丸成形。

（15）要求所有壓板、螺桿及插銷等易損件的配置數(shù)量均勻?yàn)閷?shí)際使用數(shù)量的1.4倍。

（16）要求在所有涉及的相應(yīng)位置預(yù)留安裝孔位。

（17）要求在各施力體標(biāo)明適用的肋位，共用的弦向預(yù)彎施力體上各不同壁板的定位塊應(yīng)有防錯(cuò)標(biāo)記。

（18）下后壁板的4肋弦向施力體允許平移，但在3肋禾4肋弦向預(yù)彎施力體上增加用于下后壁板三角區(qū)成形的鋁棒。

（19）標(biāo)識(shí)清楚、完整。

（20）夾具總質(zhì)量不超過2t。

（21）夾具總寬度在機(jī)床框架中心兩側(cè)面均不超過285mm。

3. 柔性預(yù)應(yīng)力夾具優(yōu)化要求

預(yù)應(yīng)力夾具總設(shè)計(jì)長度近14m，所使用的零件上千個(gè)，不僅組裝時(shí)難度非常大，裝夾新支線機(jī)翼下翼面壁板時(shí)工作更是繁瑣。為提高預(yù)應(yīng)力夾具的使用性能，要求對(duì)其設(shè)計(jì)方案進(jìn)行一系列的優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力夾具的組合化、標(biāo)準(zhǔn)化和系列化。

（一）基本框架組合化

1. 基本框架組合化

基本框架不但要具有足夠的剛性，與機(jī)床框架連接方便可靠，而且要能夠和夾具施力體相連接，保證在壁板預(yù)彎過程中夾具穩(wěn)定可靠。

2. 施力體組合化

施力體按結(jié)構(gòu)分為滑軌、立柱、弓形夾和壓板。

（1）滑軌組合化：預(yù)應(yīng)力夾具所使用的滑軌均應(yīng)有配套的螺栓、螺母，方便工人取用。

（2）立柱組合化：預(yù)應(yīng)力夾具所有立柱上的固定孔大小一致，所使用的壓緊螺釘和堅(jiān)固螺釘均根據(jù)固定孔的尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)制造，配合性高。

（3）弓形夾組合化：弓形夾的結(jié)構(gòu)、大小均根據(jù)立柱的結(jié)構(gòu)、大小進(jìn)行設(shè)計(jì)，并配有專用的手柄。

（4）壓板組合化：預(yù)應(yīng)力夾具的壓板可以通用，并配有專用的手柄、壓塊和螺釘。

（二）夾具零件標(biāo)準(zhǔn)化

1. 螺釘、螺栓標(biāo)準(zhǔn)化

統(tǒng)一壓板的壓緊螺釘規(guī)格均為M30，滑軌和立柱的連接螺栓均為M20，有效長度為100mm。

2. 壓板標(biāo)準(zhǔn)化

壓板的可調(diào)節(jié)量均為60mm，長度均為180mm。

3. 鋁棒標(biāo)準(zhǔn)化

施力頂塊的鋁棒均為Φ50mm。

4. 立柱標(biāo)準(zhǔn)化

弦向立柱上的固定孔均設(shè)計(jì)為Φ21mm的通孔，間距為60mm，長度與夾具高度保持一致。

5. 壓頭標(biāo)準(zhǔn)化

展向預(yù)彎施力體壓頭與零件接觸部分均為R50mm球頭。

（三）夾具零件系列化

1. 鋁棒系列化

       施力頂塊的鋁棒的長度規(guī)格包括100mm，220mm，800mm，900mm、1.1m，1.2m，1.5m，和3m，以適應(yīng)不同尺寸零件的裝夾。

2. 壓緊螺栓系列化

       壓緊螺釘?shù)拈L度規(guī)格包括250mm，280mm，350mm，400mm，以用于對(duì)壁板不同部位不同程度的預(yù)彎。

3. 立柱系列化

       為滿足壁板不同肋位的需要，立柱設(shè)計(jì)有90°直立柱、60°斜立柱等類型。

4. 柔性預(yù)應(yīng)力夾具優(yōu)化設(shè)計(jì)

（一）夾具整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

       夾具總設(shè)計(jì)重量近2t，為防止夾具的重力全部作用到機(jī)床上橫梁或者下橫梁上，使其產(chǎn)生嚴(yán)重的凹曲變形（見圖5（a）和圖5（b）），為了把夾具的重力均勻分散到上、下橫梁上（見圖5（c）），將立柱兩端禾滑軌安裝配合的孔間距做到和上下滑軌孔間距相同。

由于機(jī)床上、下橫梁有一定彈性，使它們可以同時(shí)承受立柱的重力。立柱在受到機(jī)床上橫梁向上拉力的同時(shí)，也受到下橫梁對(duì)它向上的支撐力。這樣立柱的重力就被分散到上下橫梁上，減小了機(jī)床框架的變形。以最長壁－015為例來說，除4肋位之前的立柱禾24肋的立柱為斜立柱外，其余立柱都與機(jī)床框架水平面垂直，作為別承力立柱使用（見圖6）。

圖5 噴丸機(jī)床上下橫梁受力示意圖

圖6 噴丸夾具與機(jī)床上下橫梁安裝示意圖

（二）夾具弦向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

       為保證夾具的剛性符合要求，且夾具的總質(zhì)量不超過設(shè)計(jì)要求 ，在每個(gè)肋位設(shè)1個(gè)80mm×80mm、壁厚5mm的方鋼作為弦向立柱。12.5長的馬鞍形雙曲壁板共有22根弦向立柱作為弦向施力體，并且局部還配有與單個(gè)螺釘配合的光面壓板，施力靈活，方便。

各立柱和壓板、弓形夾配合的壓緊螺釘通過不同長度的T形槽半圓壓塊來壓緊壁板，達(dá)到勢力均衡，為了防止壓壞壁板，壓塊采用硬鋁制造。T形槽半圓壓塊最短100mm，最長4m。局部還配有單個(gè)螺釘配合的光面壓塊，施力靈活、方便。

（三）夾具展向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

         不同結(jié)構(gòu)和大小的壁板展向成形是通過弦向立柱和展向立柱在滑軌上的前后移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。夾具體上、下橫梁都裝有滑軌，滑軌上開有間距50mm的圓孔，和立柱上的孔通過M20的螺栓連接，通過立柱和滑軌上不同位置孔的配合，來實(shí)現(xiàn)壁板展向預(yù)彎的粗調(diào)。

在展向彎曲比較大的1到11肋位使用展向立柱，在這14根弦向立柱上下兩邊各開了2個(gè)和展向立柱連接的M30的螺栓孔，4根展向立柱和它們配合使用。

       由于加工的零件長短大小不一，最長達(dá)12m多，夾具體總長也近14m。考慮到整個(gè)工裝禾機(jī)床的強(qiáng)度、剛性、重量、制造的可行性，夾具是用槽鋼、方鋼焊接成的3個(gè)上框架和3個(gè)下框架構(gòu)成的。框架禾框架之間用鋼板通過螺栓連接起來。上下框架又通過螺栓和機(jī)床連接，夾具體裝卸靈活，方便。機(jī)床框架帶有若干Φ15mm的孔，使夾具和機(jī)床框架完全成為一體。上、下框架橫梁上按肋位打有和滑軌安裝的孔，它們的裝配也是通過螺栓螺母完成的。

（四）夾具的標(biāo)識(shí)標(biāo)記

        為提高預(yù)應(yīng)力夾具的通用性，滿足新支線外翼下翼面6項(xiàng)壁板（圖號(hào)分別為下前壁板572A2000-014-001/002，下中壁板572A2000-015-001/002，下后壁板572A2000-016-001/002）在噴丸成形中的弦向和展向預(yù)彎，減少夾具立柱的安裝與調(diào)整，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，4~23肋立柱的位置設(shè)計(jì)與6塊壁板肋位均重合，無論哪塊壁板安裝時(shí)，無需更換，只需調(diào)整1~3肋及24肋立柱的位置來保證壁板的裝夾，且在上下橫梁上為需調(diào)整的立柱打出所需的定位孔，并打上標(biāo)記，方便工人進(jìn)行安裝使用。

5. 預(yù)彎位置確定和預(yù)彎量測量

       大型復(fù)雜雙曲率壁板的外形數(shù)學(xué)曲面一般均包含若干個(gè)不同特征的馬鞍型禾雙凸型區(qū)域，在施加預(yù)應(yīng)力進(jìn)行預(yù)彎時(shí)，支點(diǎn)和壓點(diǎn)的位置很難確定，尤其對(duì)于外形突變的復(fù)雜區(qū)域，三點(diǎn)預(yù)彎相對(duì)位置的不同，就會(huì)引起噴丸后該區(qū)域外形的顯著變化，如果預(yù)彎位置不合適，壁板變形就會(huì)偏離要求外形，甚至起到相反作用，根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，預(yù)彎位置的設(shè)計(jì)關(guān)系大型壁板噴丸成形的成功與否。

（一）預(yù)彎位置確定

       對(duì)壁板3D數(shù)模進(jìn)行系統(tǒng)幾何分析是確定預(yù)彎位置的基礎(chǔ)，從數(shù)學(xué)角度來看，雙曲率壁板外形面上每個(gè)點(diǎn)的曲率一般是由方向相互垂直或成一定角度的極大和極小兩個(gè)主曲率構(gòu)成，并且極大曲率的方向往往近似與壁板弦向一致，稱為弦向曲率；極小曲率的方向往往近似與壁板展向一致，稱為展向曲率，通過對(duì)壁板不同區(qū)域幾何特征分析，能夠確定弦向和展向預(yù)彎的部位和三點(diǎn)預(yù)彎支點(diǎn)和壓點(diǎn)的位置。

       大型壁板上馬鞍型區(qū)域外形曲率的兩個(gè)主曲率為異號(hào)，在其展向兩側(cè)區(qū)應(yīng)存在展向曲率從凹變凸發(fā)生改變的邊界點(diǎn)，并且有展向彎曲半徑最小的凹點(diǎn)。參照?qǐng)D7所示，a，b，c和d四點(diǎn)為典型馬鞍型區(qū)域在機(jī)翼壁板展向外形面兩邊沿的邊界點(diǎn)，e為ab線上主極小曲率值（即展向曲率）最大點(diǎn)，f為cd線上主極小曲率最大值點(diǎn)，由此得到展向預(yù)彎時(shí)線ac，ef和bd構(gòu)成展向三點(diǎn)預(yù)彎位置，其中ac和bd為支點(diǎn)位置，ef為壓點(diǎn)位置。

圖7 馬鞍型區(qū)域預(yù)彎位置確定原理圖

（二）預(yù)彎量測量

         當(dāng)對(duì)大型壁板施加外力進(jìn)行預(yù)彎時(shí)，有應(yīng)力和應(yīng)變兩個(gè)變量。應(yīng)變值易于測量和控制，通常是采用弧高儀通過測量彎曲半徑來計(jì)算應(yīng)變量。