喷丸成形

数字化喷丸技术的应用 德国KSA公司采用自动化喷丸成形技术成 功地进行了Ariane5型火箭燃料箱整体壁板 的制造。
KSA与Baiker为Airbus公司联合研制的数控喷丸设备
• 数字化喷丸技术的发展
曾元松提出了同时喷射7 个弹丸的均布模型 Jochen Schwarzer 等提出了19 个弹丸的均匀碰撞模型 S.A.Meguid 等提出了4 弹丸的对称碰撞模型 近年来, 随着计算机硬件技术水平的提高, 已经能够模拟多 达上千个弹丸的撞击过程, 并可获得小尺寸试件的宏观变 形情况。
应用前景
大型飞机中厚板的大曲率成形在不降低其力学性能的前提下，采用机械喷丸方法是很 难成形的。由于激光喷丸技术能产生超过1mm深的残余压缩压力层，使得中厚板的成 形容易实现，并能有效保证零件的使用性能。由于能进行大型板件的精密成形，因而 能减少焊接件和连接件的数量，从而能实现飞机零部件等的轻量化设计，承载更多的 燃料等有效载荷，因而将对航空制造业产生重大影响。 导弹、火箭及核反应堆中核反应金属罐容器等零部件的成形加工，由于这些零部件的 特殊应用场合，除了要有精确的外形外，其表面要求很高的机械力学性能和质量，由 于加工通路难于到达，有些成形表面的处理用传统加工方法十分困难，而激光喷丸由 于光路导向容易实现，且能实现成形与强化复合加工，减少了零件的加工工序，因而 在国防产品的加工中具有潜在的优势。 船舶外板成形目前主要用水火弯曲成形工艺，凭经验和样板在变形过程中经常检查和 修正，生产效率低，曲板成形质量差，影响船舶的装配质量和使用寿命。激光喷丸成 形由于能实现大型中厚板材的精确成形，且在成形表层产生高硬度和很高幅度的残余 压应力，有效提高船舶的装配质量和使用寿命，同时能大大缩短产品的研制周期，产 生巨大的经济效益和社会效益。
高压水喷丸技术的基本原理
高压水射流喷丸强化技术与传统的喷丸强化技术相比具有以下优点： ① 对结构复杂的（如有凹槽结构的）零构件表面的喷丸强化很容易实 施，且不留死角，这是热喷丸强化所不能及的 ② 通过先前的实验验证可知被加工表面的粗糙度值Ra增加很小，有 利于应力集中现象的减少，提高了喷丸强化的效果 ③ 喷丸强化效果比较好，其喷丸强度高，喷丸覆盖率可达100%,另外 高于水射流喷丸强化技术还可实现多表面同时加工。喷丸效率比传 统法高很多，加工成本却低很多。 ④ 高压水射流喷丸技术的加工操作简单方便，对加工对象要求不高， 易于今后该技术的数控化和自动化操作的实现。 ⑤ 与以前的喷丸加工技术相比，由于工作介质主要是水，来源丰富， 对环境无污染，且操作过程中无尘、无毒、无味。是真正的高效、 节能、安全、卫生的喷丸技术；是真正体现“以人为本”政策的加 工技术；是真正实现了绿色环保要求的喷丸强化技术。
双面喷丸成形的优点 双面对喷成形与单面喷丸成形相比，成形 效率高，零件外形光顺，更适合单曲率薄 板零件的成形。 由于双面对喷成形提高了薄板厚度方向的 抵抗失稳能力，对开展薄板喷丸成形的数 值模拟有重要意义。
IV. 高压水喷丸成形技术
利用在水中的高压水射流所产生的气穴效应打击金属零件表面,使 表层材料产生塑性变形,并形成残余压应力层的一种新技术。其基 本原理如图所示,最初的气穴(核)产生于高速区,并随着速度的降低 而逐渐变大形成气泡,这种气泡撞击到金属表面时发生破裂所产生 的冲击波使表层金属发生塑性变形,从而达到强化或成形零件的目 的。
应用 高压水射流的一个作用是破碎，可用其在材料上 开槽，近十年发展到机械辅助剥除大量材料。破 碎功能也应用于机场跑道除胶、桥梁维修、煤层 开采、辅助掘进、公路破坏、大坝浇注冲毛等等。 目前，几乎在所有情况下，设备的研究己经集中 在设计好的喷嘴，以及可靠的旋转喷头和旋转接 头(它们可大大提高水射流束在物件表面上的移动 速度）。
激光喷丸成形的主要特点及优点 • 工艺装备简单，无需成形模具，只需简单的夹具。准备周期短，固定 投资少。 • 加工的柔性大，既可成形单曲率外形如球面，又可成形双曲率外形， 如机翼上下气动弯折区或非直母线区，而且零件长度不受喷丸成形方 法的限制，如需蒙皮的战斗机机翼的长度达几十米。 • 克服了利用冲压模具使板料变形产生有害拉应力的缺点，产生的残余 压应力可对板料起到强化作用，提高了零件抗疲劳、抗腐蚀、抗变形 的性能。 • 激光参数和喷丸的路径精确可控，激光参数具有连续性，重复性，板 料内部的残余应力可以通过增加喷丸的次数叠加，因此成形精确。 • 可对变厚度的板料进行成形，而且成形的零件表面光洁、工艺可靠。
喷丸成形的局限性
• 球面变形趋势
• 变形有限 • 限制条件苛刻 • 影响因素繁多
喷丸成形的发展
• 国外：自20世纪40年代初期,美国Lockheed航空公司的工程师 JimBoerger从喷丸强化Almen试片产生变形这一特点受到启发,从而开 创了这一对现代飞机制造产生重大影响的先进成形技术。 。伴随机床 控制技术的进步，喷丸设备由过去的机械控制喷丸机发展到后来的数 控喷丸机。此外，通过竞争兼并，已经形成高度垄断、大型、专业化、 喷丸工艺及设备兼营的跨国集团公司喷丸成形设备供应商，如美国金 属改进公司等。随着大型运输机机翼设计技术的发展，喷丸成形技术 经历了带纵筋机翼整体壁板蒙皮类零件到不带筋条机翼整体厚蒙皮类 零件和带曲筋机翼整体壁板类零件的喷丸成形等发展阶段。在成功应 用于Constellation(星座号)飞机壁板零件的生产之后，喷丸成形技术 便被广泛应EM120,A10,A6,EA6,S3A,P3,C5,C130,C141,F15,F5E,B1 等军用飞机及A310-A340、707-777、REGIONALJET、DASH 7、 DASH 8、L1011、MD11、MD80、MD90、MD95、DC10、ATR72、 Do.228、Do.328等民用飞机以及运载火箭ARIANE-4,5和ATLASII上 的整体壁板零件制造中。波音系列客机和空客系列客机的金属机翼整 体壁板喷丸成形是喷丸成形技术成功应用的典型代表。
III.
双面喷丸成形技术 采用不同尺寸的弹丸以不同的速度同时喷射到 零件的上、下两个表面,从而提高喷丸成形能力 和成形效率。采用该方法能达到的曲率半径可 以小至1000mm。双面喷丸成形技术对喷丸设 备的要求较高,不仅要具备同时喷射不同尺寸弹 丸的功能,而且两种尺寸弹丸的速度和流量均要 很好的匹配和控制,才能达到预期的结果。
预应力喷丸成形原理图
预应力喷丸成形具有的显著作用： （ 1）在一定程度上改变喷丸球面变形趋势、 控制喷丸变形主要方向 （ 2）提高构件喷丸工艺性 （ 3）增加构件喷丸变形量和外型复杂程度。
• 预应力喷丸成形的应用
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，如上面所说的A380飞机超临界外翼下翼面整 体壁板以及下图所示的加拿大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。
如图所示，A380 飞机超临界外翼下翼面整体壁板长度30 余m、厚度30 余 mm，是迄今采用喷丸成形技术所获得的长度最长、厚度最大的构件，代表 了国际喷丸成形工艺技术的最新成果。
采用预应力喷丸成形的A380机翼下壁板
• 国内：我国开展喷丸成形技术研发已近40 年，历经机械控制喷丸和数控喷丸等发展 阶段，20 世纪90 年代以来迈入数控喷丸成 形时代，先后数控喷丸成形成功第三代飞 机等机翼整体壁板，以研制成功ARJ21 飞 机超临界外翼下翼面整体壁板为标志，国 内首次实现真正意义上的喷丸成形。
喷丸成形
喷丸成形
• 原理：利用高速弹丸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(如图1所示),从而逐步使板 材发生向受喷面凸起的弯曲变形而达到所 需外形的一种成形方法。
• 分类： • 按照驱动弹丸运动的方式，喷丸成形分为叶轮式喷丸成形 和气动式喷丸成形。（两者没有本质区别） • 按照喷打方式，喷丸成形分为单面喷丸成形和双面喷丸成 形。（双面喷丸成形主要用于复杂型面构件的成形） • 根据喷丸成形时构件是否承受弹性外力，喷丸成形分为自 由状态喷丸成形和预应力喷丸成形。（预应力喷丸成形可 以获得更大的喷丸变形量和更复杂的构件外型）
优点 工件表面粗糙度值较低。 缺点 硬化层的深度较浅。
VI. 激光喷丸成形技术
采用高频、高功率、短脉冲激光束冲击放于层流水中的表面涂有 半透明烧蚀材料的工件表面, 激光脉冲穿过层流水而被烧蚀层吸 收, 并在层流水上产生等离子云, 在10ns～100ns 内等离子快速膨 胀在工件表面上产生1GPa ～ 10GPa 的压力,并形成平面激波, 从 而使工件表层产生塑性变形。
II.
数字化喷丸成形技术 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。
ARJ21飞机机翼下中壁板零件
喷丸成形新技术
I. 预应力喷丸成形：
在对零件喷丸之前,通过特定的工装夹具对零件施加一 预定的载荷,从而使零件预先产生一定的弹性变形,然后 再对受拉表面进行喷丸成形。在相同喷丸强度和覆盖 率条件下,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。
主要问题： 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。
发展趋势:
研究简单易行的预应力加载方式 采用有限元法分析和精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
数字化喷丸技术的优点： • 具有准备周期短 • 无需模具 • 加工件长度尺寸不受设备规格的限制（长 度可达35m以上） • 工艺过程稳定及再现性好 • 加工件抗疲劳寿命长和抗应力腐蚀性能强
V.
微粒冲击技术
微粒冲击技术是由日本研究人员最先提出的，其基本原理如下：首 先用直径为几十微米、硬度高于工件的微粒以近音速 （150~200m/s）冲击工件表面，并使微粒镶嵌于工件中形成复 合表面，然后换用具有固体润滑特性的微粒或Ag、Sn和MoS2等 软质金属微粒对工件表面实施二次冲击，最终在硬质微粒复合面 的基础上生成镀膜层，该镀膜层的厚度通常能够达到数个微米。
主要问题： 硬件方面:需要具备可编程控制的多坐标数控喷丸设备 软件方面:需要具备喷丸成形工艺数据库技术、模拟分析 技术、数字化测量技术、虚拟可视化技术、以及丰富的实 际经验以便快速制定出合理正确的工艺路线等。设备制造
商需要与对材料及成形工艺有着专门研究的公司共同合作，
才能确保整个喷丸成形项目的顺利完成。
喷丸成形所引起的零件变形量与喷丸强度、弹丸覆盖率和 零件厚度有关。 影响喷丸强度的因素主要有与弹丸有关的参数，包括弹丸 材料、弹丸热处理状态和弹丸直径，以及与喷丸设备有关 的参数，包括弹丸速度和喷射角度。
影响弹丸覆盖率的因素主要有喷丸时间和受喷零件的材料
性Байду номын сангаас。
喷丸成形的优点
• 成本低——无需成形模具、生产准备周期 短、场地占用少、零件尺寸不受设备喷丸 室大小限制等； • 品质高——具有疲延长制件疲劳寿命、提 高制件抗耐腐蚀性能的潜质。 • 既可以成形单曲率零件，也可以成形复杂 双曲率零件。
发展建议 (l)进一步加深高压水强化机理的分析，深入研究微 射流和冲击波现象的冲击能力和特点，以求更好 的控制强化效果; (2)进一步拓宽高压水射流参数进行试验，加深对冲 蚀性能影响规律的研究; (3)进一步改进喷嘴结构，提高设备功率，从而提高 高压水强化工艺的效率; (4)尽管以纯水作为工作介质的高压水强化工艺不会 对环境带来污染破坏，但工作过程中的噪音较大， 因此要注意降噪。