CN101530959B - 带筋结构件的喷丸成形方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于喷丸成形技术，涉及一种带筋结构件的喷丸成形方法。首先，将带筋结构件的截面用材料力学中计算截面图形的形心坐标公式确定带筋结构件剖面的中性轴位置；再根据带筋结构件的外形确定喷打区域。当带筋结构件所需的弯曲变形量较大时，可将带筋结构件放到预应力夹具上，沿筋条方向对带筋结构件施加弹性预弯力，再进行喷丸成形。本发明通过筋条弯曲中性轴确定拉伸变形区域为喷丸区域，同时将非喷丸区域进行遮蔽，实现了对整体带筋结构件的喷丸弯曲成形，使带筋结构件在弯曲成形过程中，不会产生扭转、挠曲和剖面畸变等现象；本发明的方法同样适用于筋条剖面形式为“工”字形和“
Figure 200910130877.1_AB_0
”形整体结构件的喷丸弯曲成形。

Description

带筋结构件的喷丸成形方法
技术领域
本发明属于喷丸成形技术，涉及一种带筋结构件的喷丸成形方法。
背景技术
喷丸成形技术是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，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。该技术始于二十世纪五十年代初期，并随着飞机整体壁板零件的广泛应用而逐步发展起来。由于此种成形方式在成形过程中无需专用模具和压力机，成形方法灵活多样，非常适合于小批量生产，因此，喷丸成形方法被大量应用于飞机的机翼、机身以及运载火箭燃料箱等的壁板成形中。然而，对于带筋结构件的弯曲成形，目前，主要采用压弯或滚弯的成形方法，当筋条较高时，采用以上方法易产生失稳，致使带筋结构件在弯曲成形中，在弯曲的同时还产生扭转、挠曲和剖面畸变等问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够对带筋结构件做喷丸成形的带筋结构件的喷丸成形方法。本发明的技术解决方案是，首先，将带筋结构件的横截面分为i个图形，并用材料力学中计算截面图形的形心坐标公式
Figure GSB00000045805200011
确定带筋结构件剖面的中性轴位置；其中：i——结构件的截面形状的第i个简单图形，其中i＝1，2，…，
Ai——第i个图形的面积；
yi——第i个图形的形心坐标；
y——整个截面的形心坐标；
再根据带筋结构件的外形确定喷打区域，
(1)凸形弯曲变形，
沿筋条纵向，同时对中性轴筋条一侧的两侧面及顶面进行喷丸打击，在喷丸成形的同时遮蔽非喷打区域；
(2)凹形弯曲变形，
沿筋条纵向，同时对中性轴靠近蒙皮一侧的筋条两侧面及筋条所对应蒙皮的外表面与筋条宽度相同的区域进行喷丸打击，在喷丸成形的同时遮蔽非喷打区域。
当带筋结构件所需的弯曲变形量较大时，采用的喷丸方法替换为：首先，将带筋结构件的横截面分为i个图形，并用材料力学中计算截面图形的形心坐标公式
Figure GSB00000045805200021
确定带筋结构件剖面的中性轴位置；其中：i——结构件的截面形状的第i个简单图形，其中i＝1，2，…，
Ai——第i个图形的面积；
yi——第i个图形的形心坐标；
y——整个截面的形心坐标；
(二)将带筋结构件放到预应力夹具上，沿筋条方向对带筋结构件施加弹性预弯力，预弯力的大小应低于零件材料屈服极限的75％；
(三)根据带筋结构件的外形确定喷打区域，
(1)凸形弯曲变形，
沿筋条纵向，对中性轴靠近筋条顶部一侧的筋条表面进行喷丸打击，在喷丸成形的同时遮蔽非喷打区域；
(2)凹形弯曲变形，
沿筋条纵向，对中性轴靠近蒙皮一侧的筋条表面进行喷丸打击，同时，喷打筋条所对应蒙皮的外表面与筋条宽度相同的区域，在喷丸成形的同时遮蔽非喷打区域。
本发明具有的优点和有益效果，本发明通过筋条弯曲中性轴确定拉伸变形区域为喷丸区域，同时将非喷丸区域进行遮蔽，实现了对整体带筋结构件的喷丸弯曲成形，使带筋结构件在弯曲成形过程中，不会产生扭转、挠曲和剖面畸变等现象；喷丸成形带筋结构件表面的残余应力为压应力，与采用机械弯曲方法成形后表面为残余拉应力相比，可以显著提高构件的疲劳寿命。采用本发明的方法同样适用于筋条剖面形式为“工”字形和
Figure GSB00000045805200022
形整体结构件的喷丸弯曲成形；通过施加纵向弯曲力及因此产生的预先弹性变形，可显著增大带筋结构件的喷丸变形量。
附图说明
图1是带筋结构件剖面弯曲中性轴示意图；
图2是本发明带筋结构件的喷丸成形过程示意图，其中，2-a是凸形弯曲变形过程示意图，2-b是凹形弯曲变形过程示意图。
图3是本发明带筋结构件预应力喷丸成形过程示意图，其中，3-a是凸形弯曲变形过程示意图，3-b是凹形弯曲变形过程示意图。
具体实施方式
第一步，采用材料力学中计算截面图形的形心坐标公式
Figure GSB00000045805200031
确定带筋结构件剖面的中性轴位置1，可将截面视为由几个简单图形构成的组合图形，式中Ai为组合图形中第i个简单图形之面积，yi为该简单图形的形心坐标；
第二步，根据零件所需外形，确定喷丸区域：
Figure GSB00000045805200032
凸形弯曲变形，沿筋条纵向对中性轴一侧靠近筋条顶部4筋条的三个表面2进行喷丸，如图2-a所示，可形成凸形弯曲变形，在喷丸成形的同时应遮蔽非喷打区域3，按照喷丸壁板的喷丸方法对喷丸区域进行喷丸。
Figure GSB00000045805200033
凹形弯曲变形，沿筋条纵向对中性轴一侧靠近蒙皮5的筋条表面2进行喷丸，同时，喷打筋条所对应蒙皮5的外表面与筋条宽度相同的区域，如图2-b所示，形成凹形弯曲变形，在喷丸成形的同时应遮蔽非喷打区域3，按照喷丸壁板的喷丸方法对喷丸区域进行喷丸。
为提高弯曲变形量，可在此基础之上采用预应力喷丸成形方法，其步骤如下：
第一步，采用材料力学中计算截面图形的形心坐标公式
Figure GSB00000045805200034
确定带筋结构件剖面的中性轴位置1；
第二步，将零件放到预应力夹具上，沿筋条方向施加弹性预弯力，预弯力的大小应低于零件材料屈服极限的75％，以确保材料的变形在弹性范围内，即在卸载后零件形状能完全恢复到初始状态；
第三步，根据零件所需外形，确定喷丸区域：
Figure GSB00000045805200035
凸形弯曲变形，沿筋条纵向对中性轴一侧靠近筋条顶部4的全部筋条表面2进行喷丸，可形成凸形弯曲变形，如图3-a所示，形成凸形弯曲变形，在喷丸成形的同时遮蔽非喷打区域3，按照喷丸壁板的喷丸方法对喷丸区域进行喷丸；
Figure GSB00000045805200041
凹形弯曲变形，沿筋条纵向对中性轴一侧靠近蒙皮5的筋条表面2进行喷丸，同时喷打筋条所对应蒙皮5的外表面区域，该区域宽度与筋条宽度相同，形成凹形弯曲变形，如图3-b所示。在喷丸成形的同时应遮蔽非喷打区域3，按照喷丸壁板的喷丸方法对喷丸区域进行喷丸。
实施例一
喷丸成形带筋结构件使其沿筋条方向形成凸形弯曲变形，材料为铝合金2024T351，目标曲率半径为2500mm，筋条高度50mm，壁板厚10mm，筋条厚度6mm，壁板宽90mm材料喷丸成形方法如下：
1)确定中性轴位置，将带筋结构件的横截面分为i个图形，并用材料力学中计算截面图形的形心坐标公式
Figure GSB00000045805200042
确定带筋结构件剖面的中性轴位置；
Figure GSB00000045805200043
中性轴距筋条顶部47.5mm；
2)沿筋条纵向对中性轴靠近筋条一侧的顶部全部筋条表面进行喷丸，主要喷丸工艺参数为弹丸￠3.0mm气压0.3MPa，移动速度2000mm/s，喷射距100mm。
实施例二
喷丸成形带筋结构件使其沿筋条方向形成凹形弯曲变形，材料为铝合金2024T351，目标曲率半径为4000mm，筋条高度56mm，壁板厚4mm，筋条厚度4mm，壁板宽70mm成形方法如下：
1)确定中性轴位置，
Figure GSB00000045805200044
中性轴距筋条顶部44.7mm；
2)沿筋条纵向对中性轴一侧靠近蒙皮的筋条表面进行喷丸，同时喷打筋条所对应蒙皮的外表面区域，该喷丸区域的宽度与筋条宽度相同。主要喷丸工艺参数为弹丸S660气压0.6MPa，移动速度1000mm/s，喷射距150mm。
实施例三
喷丸成形带筋结构件使其沿筋条方向形成凸形弯曲变形，整体带筋结构件形状为材料为铝合金2024T351，目标曲率半径为2000mm，筋条高度45mm，壁板厚9mm，筋条厚度8mm，筋条顶部宽度20mm，筋条顶部厚度6mm，壁板宽85mm采用预应力喷丸成形，成形方法如下：
1)确定中性轴位置，将带筋结构件的横截面分为i个图形，并用材料力学中计算截面图形的形心坐标公式
Figure GSB00000045805200051
确定带筋结构件剖面的中性轴位置；
Figure GSB00000045805200052
中性轴距筋条顶部42.6mm；
2)将该零件放到预应力夹具上，沿零件筋条方向施加弹性预弯。零件材料为2024T351，预弯力的大小按该材料的屈服极限367MPa的75％施加，即275.25Mpa；
3)对中性轴一边的全部筋条表面进行喷丸，主要喷丸工艺参数为弹丸S460气压0.3～0.5MPa，移动速度1500～3500mm/s，喷射距150mm；
4)卸掉预应力夹具。

Claims (2)

1.一种带筋结构件的喷丸成形方法，其特征是，首先，将带筋结构件的横截面分为i个图形，并用材料力学中计算截面图形的形心坐标公式
Figure FSB00000045805100011
确定带筋结构件剖面的中性轴位置；其中：i——结构件的截面形状的第i个简单图形，其中i＝1，2，…，
Ai——第i个图形的面积；
yi——第i个图形的形心坐标；
y——整个截面的形心坐标；
再根据带筋结构件的外形确定喷打区域，
(1)凸形弯曲变形，
沿筋条纵向，同时对中性轴筋条一侧的两侧面及顶面进行喷丸打击，在喷丸成形的同时遮蔽非喷打区域；
(2)凹形弯曲变形，
沿筋条纵向，同时对中性轴靠近蒙皮一侧的筋条两侧面及筋条所对应蒙皮的外表面与筋条宽度相同的区域进行喷丸打击，在喷丸成形的同时遮蔽非喷打区域。
2.根据权利要求1所述的带筋结构件的喷丸成形方法，其特征是，当带筋结构件所需的弯曲变形量较大时，采用的喷丸方法替换为：首先，将带筋结构件的横截面分为i个图形，并用材料力学中计算截面图形的形心坐标公式
Figure FSB00000045805100012
确定带筋结构件剖面的中性轴位置；其中：i——结构件的截面形状的第i个简单图形，其中i＝1，2，…，
Ai——第i个图形的面积；
yi——第i个图形的形心坐标；
y——整个截面的形心坐标；
(二)将带筋结构件放到预应力夹具上，沿筋条方向对带筋结构件施加弹性预弯力，预弯力的大小应低于零件材料屈服极限的75％；
(三)根据带筋结构件的外形确定喷打区域，
(1)凸形弯曲变形，
沿筋条纵向，对中性轴靠近筋条顶部一侧的筋条表面进行喷丸打击，在喷丸成形的同时遮蔽非喷打区域；
(2)凹形弯曲变形，
沿筋条纵向，对中性轴靠近蒙皮一侧的筋条表面进行喷丸打击，同时，喷打筋条所对应蒙皮的外表面与筋条宽度相同的区域，在喷丸成形的同时遮蔽非喷打区域。
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