6 喷丸成形

3．单曲度壁板的喷丸成形
单曲度壁板的喷丸成形
机翼整体蒙皮大都是单曲度的， 即在弦向有曲度，沿翼展方向为直母 线。在结构上，一般情况下沿弦向无 筋条，沿翼展方向有筋条。因此弦线 方向刚度小，而展向刚度大，这有利 于弦向弯曲变形，而展向基本不变形。
4．双曲度壁板的喷丸成形
双曲度壁板的成形一般是先成形 为单曲度壁板，然后再成形为双曲度 壁板。 不使用夹具，自由状态下喷丸， 逐步成形。
2．整体壁板的化学铣切
（1）化铣原理
利用金属能在某些酸或碱溶液中溶 解的特性，“铣切”（蚀除）去需加工 的表面，对于不需加工的表面则用保护 层加以保护。 利用酸或碱蚀除金属的原理，不仅 可加工铝合金而且能加工某些合金钢或 钛合金。
2Al + 2NaOH + 2H2O -> 2NaAlO2 + 3H2
பைடு நூலகம்
五、喷丸成形新技术
• 预应力喷丸成形技术：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。
避免了采用机械弯曲的 方法成形该类零件所带 来的对疲劳寿命的不利 影响。
五、喷丸成形新技术
• 预应力喷丸成形 技术的应用
采用预应力喷丸技术制造的机翼带 筋整体壁板
三、激光喷丸成形
• 应用前景：
– 航空制造业 – 国防工业 – 船舶和汽车制造业
对于大型薄壁零件的激光喷丸成形， 成形效率和设备成本依然是制约其实际应 用的最主要问题，因此，低成本高效率激
光喷丸成形技术的研究和开发将是未来的 发展趋势
三、激光喷丸成形
• 工艺参数对板料变形的影响 ：主要有 激光能量、激光斑点大小、板料表面 涂层厚度、约束层、激光喷丸入射角 及板料厚度等。
2、挤压毛坯
—— 挤压毛坯
它的优点是能得到比模锻更大的壁 板，与模锻相比较，这种方法所需的设 备功率较小，模具制造费用较低，生产 效率高，挤压毛坯中除形状复杂部位， 需表面修整外，不需进一步加工。 毛坯供应仍受挤压设备吨位及校平 设备限制，模具寿命低。
3、自由锻毛坯和热轧平板
——自由锻毛坯和热轧平板
二、整体壁板的毛坯制造
目前应用的整体壁板主要为铝合金 制成。制造整体壁板毛坯的方案很多， 其中主要有： 1、热模锻制造毛坯 2、挤压毛坯 3、自由锻板坯或用热轧平板做毛坯 4、特种铸造
* 各种整体壁板毛坯的比较
1、热模锻毛坯
—— 热模锻毛坯
它的优点是生产率高，锻件有连续 的纤维组织，晶粒致密，强度高。 它可以制造复杂的纵横或扇形分布 的筋和肋条，可以同时制造出对接接头。 但模锻需要吨位极大的机床，锻模 制造也很困难，周期长劳动量大。
三、激光喷丸成形
激光能量的影响
三、激光喷丸成形
激光斑点大小的影响
三、激光喷丸成形
涂层的影响
有涂层的板料其成形量大于无涂层的板 料，且有涂层的板料不易被激光烧伤， 增加了保护作用。
三、激光喷丸成形
约束层厚度的影响
三、激光喷丸成形
激光入射角的影响
三、激光喷丸成形
板料厚度的影响
三、激光喷丸成形
* 毛坯的校平与消除残余内应力
供应给飞机制造厂的整体壁板毛坯在原 材料工厂需要进行热处理、时效、校平、消 除残余应力及探伤检验等等工序。 其中校平与消除残余应力是影响整体壁 板加工效率和质量的重要环节。 消除残余内应力最有效的办法是在厚板 淬火后经过1.5~2.5%变形程度的拉伸校正， 然后经过自然或人工时效处理再送去加工。
在化铣中，腐蚀不仅在无保护层部 位进行，而且会逐步深入到保护层下面。 筋条宽度为b，则留的保护层宽度应是 b+2a，a的尺寸由化铣深度h来确定。
四、整体壁板的成形
整体壁板由于尺寸大，材料厚，带 有各种加强筋和凸台，外形准确度要求 高，在成形问题上存在很多困难。 由于壁板的规格、品种很多、尺寸 大小不一，外形曲度有很大变化，所以 需要针对具体零件的特点，工厂的生产 条件，工人的技术水平，试制周期，生 产批量等进行具体分析，订出切实可行 的工艺方案。
第六章 喷丸成形
一、喷丸成形定义及特点 二、机械喷丸成形 三、激光喷丸成形 四、整体壁板的喷丸成形 五、喷丸成形新技术
一、喷丸成形定义及特点
• 定义：所谓喷丸成形即喷射弹丸的喷嘴 对准工件要求部位喷射弹丸，打击工件 表面层，使之产生塑性变形达到成形目 的。
一、喷丸成形定义及特点
特点：
工艺装备简单，不需要成形模具； 在零件成形的同时，还可以改善零件的抗疲劳性 能； 既可以成形单曲率零件，也可以成形复杂双曲率 零件； 一般情况下并不造成废品，如果出现过成形可在 其背面喷击修正过来‘ 工件表面光洁度降低；
采用预应力喷丸技术制造的 A380机翼下壁板
五、喷丸成形新技术
• 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。
（2）化铣整体蒙皮的工艺余量
化铣蒙皮的成形可在化铣工序 之前成形，成形后再化铣，这给带 来了很大的方便，成形方法仍然可 采用常规方法进行，如拉弯、滚弯、 闸压和拉形以及其他方法等。 化铣板件应留有足够的工艺余 量。具体内容是按如下要求确定：
工艺余量确定的具体内容
• 毛料周边工艺余量 n ： 对厚件、深腐蚀 n = 50~80 mm 对薄件、浅腐蚀 n = 20~40 mm • 筋条的工艺余量：
喷嘴结构
整体壁板工件曲率的控制
工件被喷击后产生的曲率大小与 两组因数有关，其一是喷击强度，这 里包括弹丸的大小、重量、硬度、弹 丸喷击的速度以及喷击的角度；其二 是覆盖率，即凹坑的总面积与被喷面 积之比。改变这两组因素，就可以控 制工件的曲率。在生产中，主要控制 喷击过程的空气压力和工件送进速度。
三、激光喷丸成形
• 基本原理：利用激光诱导产生的冲击波 压力，在金属板料表面产生深度分布的 高幅残余应力场，使金属板料产生变形。
三、激光喷丸成形
• 技术特点 ：
– 工艺装备简单； – 无工艺余料； – 加工的柔性大；
– 激光冲击的激光脉冲参数和作用区域可精确 控制，参数也具有可重复性； – 克服了利用冲压模具使板料变形产生有害拉 应力的缺点。
它的优点是厚板供应来源广，而且 允许设计者较自由地布置筋条和凸台， 生产准备周期短，能适应机种迅速改变， 制造精度及光洁度较高。 其缺点也是非常明显的，即加工量 大，材料利用率很低（一般仅为10%左 右），需配备大型高效率切削机床。
4、特种铸造
—— 特种铸造
对尺寸不大，有敝开斜角内肋， 而当壁板厚度大于2~4 mm时，可以 采用挤铸和低压铸造法制造整体壁 板毛坯。 无可否认，由于铸造金属机械 性能较差，使铸造整体壁板的应用 受到限制。
三、整体壁板的加工
常见的加工方法有两种： —— 机械加工（NC加工）
机械加工方法通常是先加工而后成形。 （由于先成形后加工较困难）。
—— 化学铣切
利用化学铣切无切削力的特点，整体 壁板蒙皮可先成形后进行化学铣切。
1．整体壁板的机械加工
加工整体壁板的金属切削机床在 早期大多用大型龙门铣床、龙门刨床 以及摇臂铣床等改装而成，它们一般 均采用真空夹具，它的特点是施压均 匀，装夹方便，没有夹紧伤痕。 目前随着数控技术日益广泛的应 用，整体壁板加工中大多采用数控机 床来加工。
—— 整体壁板的滚弯成形
—— 整体壁板的滚弯成形
单曲度整体壁板不仅可用闸压成形 也可用滚弯成形。成形时在内表面垫 以硬塑料板，此塑料板预先加工出窝 存筋条的凹糟，塑料板与工件一起滚 弯，避免由于筋条而阻碍滚弯。
—— 整体壁板的拉形
沿用成形飞机蒙皮的拉形方法，用 普通机床亦可拉形简单型式的整体壁 板，但通常需要专用的复杂工夹具。 复杂整体壁板由于有筋条部位和无 筋条部位之间刚度差异很大，通常在 拉形后表面出现严重凸凹不平，因此 一般需采用专用拉形机拉形。
2．整体壁板的喷丸成形
喷丸技术早期主要用于强化工件 表面层，使表面产生压缩应力，达到 提高疲劳强度和抗腐蚀能力的目的。 后来随着整体壁板的出现，喷丸技术 又为成形整体蒙皮的工艺方法之一。
（1）喷丸成形原理
弹丸由压缩空气吸入喷嘴，又由喷嘴 向工件表面喷射。 所谓喷丸成形即喷射弹丸的喷嘴对准 工件要求部位喷射弹丸，打击工件表面层， 使之产生塑性变形达到成形目的。 弹丸打击到工件表面，表面层会出现 许许多多凹坑，凹坑周围金属向径向排挤。 其结果是上表面的面积增加，其自然趋势 是拱起。
（2）喷丸设备
目前采用的喷丸设备有两种： 叶轮式喷丸机 弹丸是依靠叶轮 的离心力甩出来。 壁板的成形曲率取 决于叶轮的速度， 弹丸的重量和大小以及工件喷击的覆 盖率。
压缩空气式喷丸机
弹丸是由压缩 空气吸入喷嘴， 然后又由喷嘴 喷射到工件表 面。
喷丸设备所使用的弹丸
弹丸材料有两种： 一种是钢丸，直径有0.1~0.3mm； 0.5~0.6mm以及0.6~0.9mm几种。 另一种是玻璃丸，直径是0.5~1mm。 钢丸质量大，不易破裂，但因铁质 对工件有污染影响，成形后工件表面 要清洗。玻璃丸没有这个缺点，但玻 璃丸质量小易破裂。
双曲度壁板的喷丸成形
整体壁板的其他成形方法
整体壁板的成形，除上面介绍的 几种方法以外，还有用淬火成形，即 用模子成形的同时淬火之，爆炸成形 方法以及蠕变成形方法。爆炸成形主 要问题是工艺装备费用太大。蠕变成 形问题，据有关资料介绍对铝铜合金 不适用，因为会造成晶粒粗化。
五、喷丸成形新技术
• • • • • 预应力喷丸成形技术 数字化喷丸成形技术 双面喷丸成形技术 超声喷丸成形技术 高压水喷丸成形技术
二、机械喷丸成形
喷射时间对板料变形的影响
二、机械喷丸成形
弹丸尺寸对板料变形的影响
二、机械喷丸成形
喷射距离对板料变形的影响
二、机械喷丸成形
喷射角对板料变形的影响：
成形曲率应与喷射角的正 弦成正比
二、机械喷丸成形
板料厚度对板料变形的影响
三、激光喷丸成形
• • • • • 基本原理 技术特点 应用前景 工艺参数的影响 机械喷丸成形与激光喷丸成形的对比
四、整体壁板的喷丸成形
• • • • 概述 整体壁板的毛坯 整体壁板的加工 整体壁板的成形
整体壁板
柱形壁板
锥形壁板
凸峰壁板
马鞍形 壁板
折弯壁板
一、概述
何为整体壁板? 是由整块板坯制成的飞机整体结 构承力件，整体壁板的结构要素（如 长桁、蒙皮加强垫板等）之间无任何 连接，一般构成飞机的气动外形。 无加强筋的整体壁板又称整体厚 蒙皮。
表面包铝层可能被击破，影响抗蚀能力。
二、机械喷丸成形
• 基本原理：利用高速弹流撞击金属板件 表面，使受喷表面的表层材料产生塑性 变形，导致残余应力，逐步使整体达到 外形曲率要求。
二、机械喷丸成形
• 工艺参数对板料变形的影响：
– – – – – – 喷射时间 弹丸尺寸 喷射距离 喷射角 板料厚度 ……
优点
1. 设计方面： —— 等强度设计，强度/重量比高，刚性好 —— 疲劳寿命长 —— 外形准确，表面光滑 —— 简化油箱的密封，空间利用率高
2. 工艺方面
• 简化了互换性，减轻了装配劳动量 提高了装配精度 • 缩短生产准备周期 • 提高劳动生产率
问题
• 加工设备增加
• 毛坯的制造周期长，费用高 —— 成本增加 • 产生裂纹后扩展较快 —— “破损安全性”差
1．常规成形方案
—— 整体壁板的闸压成形 —— 整体壁板的滚弯成形 —— 整体壁板的拉形
—— 整体壁板的闸压成形
—— 整体壁板的闸压成形
单曲度整体壁板可用闸压成形。 在筋条之间垫以硬塑料板，在凹模上垫以 弹簧钢板托住工件，这两点都是为着使成形 工件表面光滑，减少棱边现象。 闸压成形时当壁板长度超过模具时，可以 沿长度方向移动壁板位置，以成形大长度整 体壁板。 压弯成形时也可将工件加热（约200º C） 以暂时降低材料屈服应力从而减少残余应力。
机械喷丸成形与激光喷丸成形的比较分析
发现激光喷丸成形后金属板料产生的残余 应力深度是机械喷丸成形的5～10 倍，激 光喷丸成形的金属板料成形曲率是机械喷 丸成形的3～8 倍
三、激光喷丸成形
残余压应力深度对比
三、激光喷丸成形
残余应力在试件厚度方向 上的分布
变应力疲劳实验结果
三、激光喷丸成形
经比较可见，不管是零件成形量、喷 丸强度，还是残余应力深度，激光喷 丸比机械喷丸效果都要好。