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    預應力噴丸成形技術

           噴丸成形是通過高速運動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,當表面凹坑達到飽和時,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),增加單位時間內彈丸流量 (最大可達到200kg/min),采用氣動直壓式禾窄葉輪拋丸技術提高彈丸噴射速度等。而預應力噴丸成形是為了解決機翼壁板馬鞍型區域成形難題而發展起來的,從大量試驗研究中人們逐漸發現預應力的使用不但能提高壁板在噴丸中成形方向的可控性,而且在相同噴丸強度下,與自由狀態噴丸的成形相比,可提高噴丸成形極限達30%~50%,很大提高了噴丸成形在大型壁板成形中的適應能力。

    1.預應力噴丸成型原理

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

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

           大型壁板在外力作用下發生彈性預彎時,外力勢能的變化全部轉化為應變能儲存于物體內部,隨著外力的逐漸增加,壁板材料將經歷彈性狀態到塑性狀態,而這是一個連貫過程,尤其飛行器壁板大多采用高強度鋁合金材料,沒有明顯屈服狀態,因此大型壁板預應力噴丸時,對壁板施加外力進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生預定的拉應力(不超過材料屈服強度),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。預應力施加是根據三點彎曲原理,其中有兩點起到支點作用,另外一點施力方向相反,起到頂點作用。按施加預彎的方式,預應力夾具可分為三類:弦向施加預彎,展向施加預彎禾局部施加預彎。

    2. 預應力夾具工作原理與總體結構

           新支線飛機外翼下翼面壁板為超臨界整體厚壁板,不但結構復雜,而且為雙曲率外形,成形難度極大,在自由狀態下已超過噴丸成形極限,必須在噴丸前對其施加預應力,在噴丸過程中對其進行夾持。因此,預應力噴丸成形是新支線飛機外翼下翼面壁板噴丸成形的關鍵技術。

    在噴丸成形過程中,前期采用卡板式預應力噴丸成形夾具(見圖1)對新支線飛機外翼下翼面壁板進行預彎和夾持,不但工藝穩定性差、產品質量起伏大,而且加工周期很長。

           因此,急需對此種長板式預應力夾具進行優化改進,以提高產品質量,實現壁板的快速定位、裝夾和施力,縮短壁板加工周期。

    圖片1.png圖1 卡板式預應力噴丸夾具


    (一)工作原因

    根據新支線飛機外翼下翼面壁板的結構和外形特點,預應力夾具展向禾弦向預彎采用三點壓彎的方法,施力大小可隨意調整(見圖2)。

    圖片2.png圖2 三點壓彎原理圖

            為滿足預應力夾具的柔性要求,以便加工不同大小的零件,如圖2所示,施力點A,B,C都能夠上下移動。A,C兩處移動是通過帶U型槽的壓板和立柱上開的等間距的孔來實現的。B點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)總體結構

            預應力夾具應包括基本框架和施力體兩個主要結構(見圖3)。

            基本框架:在機床框架上設置專用轉接整體橫梁(可分段設計,剛性連接)用于施力體的安裝,其中上橫梁與機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;施力體分為弦向預彎施力體禾展向預彎施力體,在橫梁上按照下中壁板1~24肋位置(除23肋外)分別設置弦向施力體結構,在1~11肋位置設置展向施力體,要求1肋施力體與機床框架左端立柱的距離為2 m。施力體垂直于機床框架平面,在水平方向上距離可調。

    圖片3.png圖3 夾具總體結構示意圖

    根據新支線飛機外翼下翼面壁板噴丸成形的要求和特點,預應力夾具應滿足以下要求:

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

    (2)設計基準:對機翼壁板設計弦平面進行適當平移,與機床框架平面重合,并保證在機床框架兩側壁板翹曲量均不大于150mm。

    (3)要求在正常使用時,夾具與機床的連接部位不能出現變形。

    (4)施力體結構滿足如圖4所示的相應的運動要求。

    圖片4.png圖4 夾具施力體運動示意圖

    (5)弦向預彎施力體: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置弦向預彎施力體,共24個,在1~2肋中間設置與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肋零件端頭設置定位托桿;在下后壁板靠近10肋零件端頭設置定位托桿;在靠近1肋零件端頭處、3肋及肋間翼稍端頭三處弦向預彎施力體下分別設置定位塊,定位塊應保證在零件裝夾好后,其對接邊緣呈水平狀態。

    (6)弦向施力體上壓塊設置原則:要求下中壁板19~24肋各肋位弦向預彎施力體壓塊壓在口框邊緣,其余各肋位弦向預彎施力體壓在靠近搭接區的零件內邊緣,并且有深入零件內邊緣50mm的連續可調節量。

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

    (8)要求弦向預彎施力頂塊采用Φ50mm鋁棒,安裝可靠、更換容易,要求任意2個弦向預彎施力體可同時夾持1根Φ50mm鋁棒,也可單獨夾持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彎施力體外,任意兩個弦向預彎施力體的上下壓頭可同時夾持1個Φ50mm鋁棒,也可單獨夾持Φ50mm鋁棒。

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

    (10)要求展向預彎施力體壓頭與零件的接觸部分為R50mm球頭。

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

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

    (13)要求弦向預彎量在0~60mm范圍內連續可調。

    (14)要求對2~11肋部位必須考慮展向預彎,對弦向施力體進行加強,以保證在實施展向預彎時,可以以2~11肋部位的弦向預彎施力體為基準,連續施力整體移動展向預彎施力體,實現展向預彎功能。施力方式可為螺桿結構,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量均勻為實際使用數量的1.4倍。

    (16)要求在所有涉及的相應位置預留安裝孔位。

    (17)要求在各施力體標明適用的肋位,共用的弦向預彎施力體上各不同壁板的定位塊應有防錯標記。

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

    (19)標識清楚、完整。

    (20)夾具總質量不超過2t。

    (21)夾具總寬度在機床框架中心兩側面均不超過285mm。

    3. 柔性預應力夾具優化要求

    預應力夾具總設計長度近14m,所使用的零件上千個,不僅組裝時難度非常大,裝夾新支線機翼下翼面壁板時工作更是繁瑣。為提高預應力夾具的使用性能,要求對其設計方案進行一系列的優化,以實現預應力夾具的組合化、標準化和系列化。

    (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,保證在壁板預彎過程中夾具穩定可靠。

    2. 施力體組合化

    施力體按結構分為滑軌、立柱、弓形夾和壓板。

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

    (2)立柱組合化:預應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固螺釘均根據固定孔的尺寸進行設計制造,配合性高。

    (3)弓形夾組合化:弓形夾的結構、大小均根據立柱的結構、大小進行設計,并配有專用的手柄。

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

    (二)夾具零件標準化

    1. 螺釘、螺栓標準化

    統一壓板的壓緊螺釘規格均為M30,滑軌和立柱的連接螺栓均為M20,有效長度為100mm。

    2. 壓板標準化

    壓板的可調節量均為60mm,長度均為180mm。

    3. 鋁棒標準化

    施力頂塊的鋁棒均為Φ50mm。

    4. 立柱標準化

    弦向立柱上的固定孔均設計為Φ21mm的通孔,間距為60mm,長度與夾具高度保持一致。

    5. 壓頭標準化

    展向預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格包括100mm,220mm,800mm,900mm、1.1m,1.2m,1.5m,和3m,以適應不同尺寸零件的裝夾。

    2. 壓緊螺栓系列化

           壓緊螺釘的長度規格包括250mm,280mm,350mm,400mm,以用于對壁板不同部位不同程度的預彎。

    3. 立柱系列化

           為滿足壁板不同肋位的需要,立柱設計有90°直立柱、60°斜立柱等類型。

    4. 柔性預應力夾具優化設計

    (一)夾具整體結構設計

           夾具總設計重量近2t,為防止夾具的重力全部作用到機床上橫梁或者下橫梁上,使其產生嚴重的凹曲變形(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。

    由于機床上、下橫梁有一定彈性,使它們可以同時承受立柱的重力。立柱在受到機床上橫梁向上拉力的同時,也受到下橫梁對它向上的支撐力。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,其余立柱都與機床框架水平面垂直,作為別承力立柱使用(見圖6)。

    圖片5.png圖5 噴丸機床上下橫梁受力示意圖

    圖片6.png圖6 噴丸夾具與機床上下橫梁安裝示意圖

    (二)夾具弦向結構設計

           為保證夾具的剛性符合要求,且夾具的總質量不超過設計要求 ,在每個肋位設1個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。局部還配有單個螺釘配合的光面壓塊,施力靈活、方便。

    (三)夾具展向結構設計

             不同結構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來實現。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,來實現壁板展向預彎的粗調。

    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12m多,夾具體總長也近14m?紤]到整個工裝禾機床的強度、剛性、重量、制造的可行性,夾具是用槽鋼、方鋼焊接成的3個上框架和3個下框架構成的?蚣芎炭蚣苤g用鋼板通過螺栓連接起來。上下框架又通過螺栓和機床連接,夾具體裝卸靈活,方便。機床框架帶有若干Φ15mm的孔,使夾具和機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)夾具的標識標記

            為提高預應力夾具的通用性,滿足新支線外翼下翼面6項壁板(圖號分別為下前壁板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彎,減少夾具立柱的安裝與調整,降低工人的勞動強度,4~23肋立柱的位置設計與6塊壁板肋位均重合,無論哪塊壁板安裝時,無需更換,只需調整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整的立柱打出所需的定位孔,并打上標記,方便工人進行安裝使用。

    5. 預彎位置確定和預彎量測量

           大型復雜雙曲率壁板的外形數學曲面一般均包含若干個不同特征的馬鞍型禾雙凸型區域,在施加預應力進行預彎時,支點和壓點的位置很難確定,尤其對于外形突變的復雜區域,三點預彎相對位置的不同,就會引起噴丸后該區域外形的顯著變化,如果預彎位置不合適,壁板變形就會偏離要求外形,甚至起到相反作用,根據實踐經驗,預彎位置的設計關系大型壁板噴丸成形的成功與否。

    (一)預彎位置確定

           對壁板3D數模進行系統幾何分析是確定預彎位置的基礎,從數學角度來看,雙曲率壁板外形面上每個點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主曲率構成,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,通過對壁板不同區域幾何特征分析,能夠確定弦向和展向預彎的部位和三點預彎支點和壓點的位置。

           大型壁板上馬鞍型區域外形曲率的兩個主曲率為異號,在其展向兩側區應存在展向曲率從凹變凸發生改變的邊界點,并且有展向彎曲半徑最小的凹點。參照圖7所示,a,b,c和d四點為典型馬鞍型區域在機翼壁板展向外形面兩邊沿的邊界點,e為ab線上主極小曲率值(即展向曲率)最大點,f為cd線上主極小曲率最大值點,由此得到展向預彎時線ac,ef和bd構成展向三點預彎位置,其中ac和bd為支點位置,ef為壓點位置。

    圖片7.png圖7 馬鞍型區域預彎位置確定原理圖

    (二)預彎量測量

             當對大型壁板施加外力進行預彎時,有應力和應變兩個變量。應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算應變量。


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