喷丸成形

喷丸成型

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）

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能。

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。

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。 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。

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。

喷丸成形新技术

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ARJ21飞机机翼下中壁板零件

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。

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。

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。

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

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

1、曾元松提出了同时喷射7 个弹丸的均布模型

2、Jochen Schwarzer 等提出了19 个弹丸的均匀碰撞模型

3、S.A.Meguid 等提出了4 弹丸的对称碰撞模型

4、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。

主要问题：

1、硬件方面:需要具备可编程控制的多坐标数控喷丸设备

2、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。

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。

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。

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。