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噴丸成形是通過(guò)高速運(yùn)動(dòng)的金屬?gòu)椡鑲鬟f能量 ,大量彈丸撞擊作用的集合使得板件受?chē)姳砻嫘纬擅芗伎?,?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(lái),人們通過(guò)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(Φ10mm),增加單位時(shí)間內(nèi)彈丸流量 (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(lái)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%,極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?chē)姳砻媸窃诶瓚?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?chē)姴牧系难由?,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(guò)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?chē)娡钑r(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?cè)龃?,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(guò)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(guò)對(duì)特定區(qū)域?qū)姺帕汐@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(wú)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(shì)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(guò)程,尤其飛行器壁板大多采用高強(qiáng)度鋁合金材料,沒(méi)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?chē)姳砻嫔袭a(chǎn)生預(yù)定的拉應(yīng)力(不超過(guò)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(lèi):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(guò)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(guò)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(guò)程中,前期采用卡板式預(yù)應(yīng)力噴丸成形夾具(見(jiàn)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(zhǎng)。
因此,急需對(duì)此種長(zhǎng)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(jiàn)圖2)。
圖2 三點(diǎn)壓彎原理圖
為滿(mǎn)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(guò)帶U型槽的壓板和立柱上開(kāi)的等間距的孔來(lái)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(lái)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(guò)不同長(zhǎng)度的T形槽半圓壓塊來(lái)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(jiàn)圖3)。
基本框架:在機(jī)床框架上設(shè)置專(zhuān)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(mǎn)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)永久變形。
(4)施力體結(jié)構(gòu)滿(mǎn)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(zhǎng)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(xiāo)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(guò)2t。
(21)夾具總寬度在機(jī)床框架中心兩側(cè)面均不超過(guò)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(zhǎng)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(guò)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(zhuān)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(zhuān)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(zhǎng)度為100mm。
2. 壓板標(biāo)準(zhǔn)化
壓板的可調(diào)節(jié)量均為60mm,長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(mǎn)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(lèi)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(jiàn)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(jiàn)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。長(zhǎng)壁-015為例來(lái)說(shuō),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(jiàn)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?jiàn)A具的總質(zhì)量不超過(guò)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(zhǎng)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(guò)不同長(zhǎng)度的T形槽半圓壓塊來(lái)壓緊壁板,達(dá)到勢(shì)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100mm,長(zhǎng)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(guò)弦向立柱和展向立柱在滑軌上的前后移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。夾具體上、下橫梁都裝有滑軌,滑軌上開(kāi)有間距50mm的圓孔,和立柱上的孔通過(guò)M20的螺栓連接,通過(guò)立柱和滑軌上不同位置孔的配合,來(lái)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(kāi)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(zhǎng)短大小不一,長(zhǎng)達(dá)12m多,夾具體總長(zhǎng)也近14m??紤]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??蚣芎炭蚣苤g用鋼板通過(guò)螺栓連接起來(lái)。上下框架又通過(guò)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(guò)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(mǎn)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(wú)論哪塊壁板安裝時(shí),無(wú)需更換,只需調(diào)整1~3肋及24肋立柱的位置來(lái)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(cè)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(lái)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(chēng)為弦向曲率;極小曲率的方向往往近似與壁板展向一致,稱(chēng)為展向曲率,通過(guò)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)大點(diǎn),f為cd線上主極小曲率值點(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(cè)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(cè)量和控制,通常是采用弧高儀通過(guò)測(cè)量彎曲半徑來(lái)計(jì)算應(yīng)變量。
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