CN105479095A - 一种基于搅拌摩擦加工局部增塑的喷丸成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于搅拌摩擦加工局部增塑的喷丸成形方法，基于搅拌摩擦加工局部增塑的喷丸成形方法包括以下步骤：步骤1、确定待加工零件的拉伸变形区域；步骤2、对拉伸变形区域进行局部搅拌摩擦加工，形成搅拌摩擦区域；步骤3、对待加工零件进行喷丸成形。本发明的有益效果是，采用局部搅拌摩擦加工增加塑性的方法与喷丸成形相结合，可有效提高大曲率壁板构件的喷丸成形极限以及喷丸成形精度。

Description

一种基于搅拌摩擦加工局部增塑的喷丸成形方法

技术领域

本发明涉及整体壁板喷丸成形技术领域，具体是一种基于搅拌摩擦加工局部增塑的喷丸成形方法。

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，因此被大量应用于飞机的机翼、机身以及运载火箭燃料箱等的整体壁板成形中。当前喷丸成形已成为现代飞机，特别是大型飞机整体壁板成形的一种主要方法。

搅拌摩擦加工技术是在搅拌摩擦焊基础上发展的一种新的材料加工技术，其原理是由轴肩和搅拌针组成的焊接工具(搅拌头)高速旋转将搅拌针挤入工件，通过搅拌工具与工件表面摩擦将工件局部加热，软化、强塑性变形、再结晶，从而在搅拌区内形成致密的细晶组织，改善材料的力学性能。

随着飞机性能的不断提高，对飞机结构的气动性和整体性的要求也越来越高。作为构成机翼外形重要零部件之一的整体壁板在外形上具有复杂马鞍形和扭转的特点，在内型上具有整体加强凸台、口框、孔及下陷等。同时为提高飞机的机动性以及气动性能，机翼以及机身的某些局部型面采用大曲率外形。对于带有曲率半径较小区域的这类壁板构件，其成形难度将成倍增加。由于喷丸成形存在一定的喷丸成形极限，无法满足这类零件的成形需求。

发明内容

为了克服现有的喷丸成形技术成形难度大的不足，本发明提供了一种基于搅拌摩擦加工局部增塑的喷丸成形方法，以降低喷丸成形的难度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于搅拌摩擦加工局部增塑的喷丸成形方法，基于搅拌摩擦加工局部增塑的喷丸成形方法包括以下步骤：步骤1、确定待加工零件的拉伸变形区域；步骤2、对拉伸变形区域进行局部搅拌摩擦加工，形成搅拌摩擦区域；步骤3、对待加工零件进行喷丸成形。

进一步地，步骤1包括：步骤1.1、将目标零件的外蒙皮表面作为模具型面，将目标零件展开后得到的平板零件作为初始零件；步骤1.2、对初始零件的表面施加压力，并使初始零件的外表面与模具型面完全贴合，形成待加工零件；步骤1.3、对待加工零件的应变分布进行分析，并确定待加工零件的拉伸变形区域。

进一步地，在步骤1.3中，该拉伸变形区域为应变为正值的区域。

进一步地，步骤2包括：在搅拌摩擦加工时，轴肩的下压量为0.1mm～0.2mm，搅拌头的旋转速度为800r/min～1600r/min。

进一步地，步骤2包括：在搅拌摩擦加工时，搅拌摩擦的加工深度为0.1t～0.3t，t为待加工零件的厚度。

进一步地，步骤2包括：沿设定间距对零件进行多道搅拌摩擦加工，每道搅拌摩擦加工的行进方向均与步骤3中喷丸的行进方向相同。

进一步地，相邻两道搅拌摩擦加工形成的行进轨迹之间相互平行，相邻两道搅拌摩擦加工形成的行进轨迹的中心间距为0.5d～d，d为搅拌摩擦加工使用的搅拌针的最大直径。

进一步地，在步骤3中，对该待加工零件的搅拌摩擦区域进行喷丸成形。

进一步地，在步骤2和步骤3之间，还包括对经过搅拌摩擦加工后的待加工零件施加沿变形方向的弹性预弯应力，弹性预弯应力的施加区域应与该搅拌摩擦区域重合或大于该搅拌摩擦区域，在步骤3中，对该待加工零件的该弹性预弯应力的施加区域进行喷丸成形。

进一步地，弹性预弯应力小于或者等于0.75c，c为搅拌摩擦区域的材料的屈服强度。

本发明的有益效果是，采用局部搅拌摩擦加工增加塑性的方法与喷丸成形相结合，可有效提高大曲率壁板构件的喷丸成形极限以及喷丸成形精度。

施加预应力之前在局部区域进行搅拌摩擦加工处理，可以很好地控制材料流动以及变形方向，更利于马鞍形以及扭转等复杂外形面的成形。

通过搅拌工具与工件表面摩擦，在搅拌区内形成致密的细晶组织，改善材料的力学性能，在获得相同外形曲率的条件下，所需施加预应力以及喷丸强度较小，有利于改善成形零件的性能质量。

该方法同样适用于整体带筋以及不带筋的复杂双曲率外形带筋整体壁板的预应力喷丸成形。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明第一实施例的流程示意图；

图2为本发明第二实施例的流程示意图；

图3为本发明待加工零件的结构示意图；

图4为本发明待加工零件的应力分布示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1所示，本发明实施例提供了一种基于搅拌摩擦加工局部增塑的喷丸成形方法，该基于搅拌摩擦加工局部增塑的喷丸成形方法包括以下步骤：

步骤1、确定待加工零件的拉伸变形区域。

步骤2、对该拉伸变形区域进行局部搅拌摩擦加工，形成搅拌摩擦区域。

步骤3、对该待加工零件进行喷丸成形。

上述待加工零件为大曲率壁板构件，本发明实施例采用局部搅拌摩擦加工增加塑性的方法与喷丸成形相结合，可有效提高大曲率壁板构件的喷丸成形极限以及喷丸成形精度。其中，步骤2中，对拉伸变形区域进行局部搅拌摩擦加工是根据加工需求选取对应的区域进行搅拌摩擦加工，该区域大小可以与拉伸变形区域相同，也可以小于拉伸变形区域。上述搅拌摩擦加工区域的选取是根据不同的工作需要进行选取的。本发明该实施例在步骤3中，对该待加工零件的搅拌摩擦区域进行喷丸成形。本发明实施例中的该步骤1包括：

步骤1.1、将目标零件的外蒙皮表面作为模具型面，将该目标零件展开后得到的平板零件作为初始零件。

步骤1.2、通过一根压杆2对该初始零件的表面施加压力，并使该初始零件的外表面与该模具型面完全贴合，形成该待加工零件1，如图3所示，该待加工零件1左右两端的限位杆3对待加工零件1的左右两端起到限位作用。

步骤1.3、对该待加工零件的应变分布进行分析，并确定该待加工零件的该拉伸变形区域4。

其中，上述步骤1.1可以在CATIA软件中进行，上述步骤1.3可以通过有限元分析方法进行确定。本实施例中该拉伸变形区域为应变方向与压杆2压力的施力方向相同的区域。也可以理解为如图4所示，在应变与位置关系坐标系中，X轴表示该待加工零件1上不同点的位置，Y轴表示该待加工零件1的应变值，在该坐标系中，图3中待加工零件1的左端位于原点，待加工零件1的右端位于X轴上且位于正方向上，Y轴的正方向与该压杆2施加的压力的施力方向相对应，上述拉伸变形区域4是指应变值为正值所对应的区域。

该步骤2包括：在搅拌摩擦加工时，轴肩的下压量为0.1mm～0.2mm。搅拌头的旋转速度为800r/min～1600r/min。搅拌摩擦的加工深度为0.1t～0.3t，t为该待加工零件的厚度。

同时，在步骤2中为使搅拌摩擦加工的搅拌头能对整个大范围待加工区域进行搅拌，形成组织和性能优异的材料，常使搅拌头沿一定间距的水平线路进行多道搅拌摩擦加工，每道该搅拌摩擦加工的行进方向均与步骤3中该喷丸的行进方向相同。喷丸方向与零件的变形方向相垂直。相邻两道该搅拌摩擦加工形成的行进轨迹之间相互平行，相邻两道该搅拌摩擦加工形成的行进轨迹的中心间距为0.5d～d，d为该搅拌摩擦加工使用的搅拌针的最大直径。

本发明还提供了第二种实施例，如图2所示，相比于上述的第一实施例，在保证步骤1.1中施加的压力不变的情况下，该实施例在步骤2和步骤3之间还包括对经过搅拌摩擦加工后的该待加工零件施加沿变形方向的弹性预弯应力，弹性预弯应力的施加区域应与该搅拌摩擦区域重合或大于该搅拌摩擦区域，在步骤3中，对该待加工零件的该弹性预弯应力的施加区域进行喷丸成形。该弹性预弯应力小于或者等于0.75c，c为该搅拌摩擦区域的材料的屈服强度。

具体地，该实施例中的待加工零件为向上凸起的拱形带筋结构件，先通过有限元分析对该带筋结构件成形外形进行分析，确定拉伸变形区域在蒙皮的中心区域。其次，将蒙皮的中心区域设定为搅拌摩擦区域，搅拌摩擦加工时轴肩下压量为0.1mm，搅拌头旋转速度1000r/min，加工速度100mm/min，加工深度为2mm(零件蒙皮厚度为8mm)，每道搅拌摩擦加工的中心的间距为L＝5mm。然后，将零件放到预应力夹具上，沿变形方向施加弹性预弯，确保拉伸变形区域在预应力喷丸范围内，预弯力的大小应确保零件材料的应力状态处于弹性范围内。该实施例中的零件材料为2024T351金属材料，预弯力的大小按该材料搅拌摩擦加工后屈服应力450MPa的75％施加。最后，对预应力拉伸区域进行喷丸。

应用本发明实施例中的基于搅拌摩擦加工局部增塑的喷丸成形方法将经搅拌摩擦加工处理的零件与未经处理的零件在喷丸成形工装上进行喷丸成形对比试验。喷丸参数：弹丸D3.18；弹流量12Kg/min；气压0.5MPa；移动速度500mm/min；喷射距300mm。下表是喷丸成形后零件的曲率半径，在相同喷丸成形工艺参数下经过搅拌摩擦加工处理后的试验件可以获得较小的成形曲率半径。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：采用局部搅拌摩擦加工增加塑性的方法与喷丸成形相结合，可有效提高大曲率壁板构件的喷丸成形极限以及喷丸成形精度。

施加预应力之前在局部区域进行搅拌摩擦加工处理，可以很好地控制材料流动以及变形方向，更利于马鞍形以及扭转等复杂外形面的成形。

通过搅拌工具与工件表面摩擦，在搅拌区内形成致密的细晶组织，改善材料的力学性能，在获得相同外形曲率的条件下，所需施加预应力以及喷丸强度较小，有利于改善成形零件的性能质量。

该方法同样适用于整体带筋以及不带筋的复杂双曲率外形带筋整体壁板的预应力喷丸成形。

以上所述，仅为本发明的具体实施例，不能以其限定发明实施的范围，所以其等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修饰，都应仍属于本专利涵盖的范畴。另外，本发明中的技术特征与技术特征之间、技术特征与技术方案之间、技术方案与技术方案之间均可以自由组合使用。

Claims (10)

1.一种基于搅拌摩擦加工局部增塑的喷丸成形方法，其特征在于，该基于搅拌摩擦加工局部增塑的喷丸成形方法包括以下步骤：

步骤1、确定待加工零件的拉伸变形区域；

步骤2、对该拉伸变形区域进行局部搅拌摩擦加工，形成搅拌摩擦区域；

步骤3、对该待加工零件进行喷丸成形。

2.根据权利要求1所述的基于搅拌摩擦加工局部增塑的喷丸成形方法，其特征在于，该步骤1包括：

步骤1.1、将目标零件的外蒙皮表面作为模具型面，将该目标零件展开后得到的平板零件作为初始零件；

步骤1.2、对该初始零件的表面施加压力，并使该初始零件的外表面与该模具型面完全贴合，形成该待加工零件；

步骤1.3、对该待加工零件的应变分布进行分析，并确定该待加工零件的该拉伸变形区域。

3.根据权利要求2所述的基于搅拌摩擦加工局部增塑的喷丸成形方法，其特征在于，在步骤1.3中，该拉伸变形区域为应变为正值的区域。

4.根据权利要求1所述的基于搅拌摩擦加工局部增塑的喷丸成形方法，其特征在于，该步骤2包括：在搅拌摩擦加工时，轴肩的下压量为0.1mm～0.2mm，搅拌头的旋转速度为800r/min～1600r/min。

5.根据权利要求1所述的基于搅拌摩擦加工局部增塑的喷丸成形方法，其特征在于，该步骤2包括：在搅拌摩擦加工时，搅拌摩擦的加工深度为0.1t～0.3t，t为该待加工零件的厚度。

6.根据权利要求1所述的基于搅拌摩擦加工局部增塑的喷丸成形方法，其特征在于，该步骤2包括：沿设定间距对该零件进行多道搅拌摩擦加工，每道该搅拌摩擦加工的行进方向均与步骤3中该喷丸的行进方向相同。

7.根据权利要求6所述的基于搅拌摩擦加工局部增塑的喷丸成形方法，其特征在于，相邻两道该搅拌摩擦加工形成的行进轨迹之间相互平行，相邻两道该搅拌摩擦加工形成的行进轨迹的中心间距为0.5d～d，d为该搅拌摩擦加工使用的搅拌针的最大直径。

8.根据权利要求1所述的基于搅拌摩擦加工局部增塑的喷丸成形方法，其特征在于，在步骤3中，对该待加工零件的搅拌摩擦区域进行喷丸成形。

9.根据权利要求1所述的基于搅拌摩擦加工局部增塑的喷丸成形方法，其特征在于，在步骤2和步骤3之间，还包括对经过搅拌摩擦加工后的该待加工零件施加沿变形方向的弹性预弯应力，弹性预弯应力的施加区域应与该搅拌摩擦区域重合或大于该搅拌摩擦区域，在步骤3中，对该待加工零件的该弹性预弯应力的施加区域进行喷丸成形。

10.根据权利要求9所述的基于搅拌摩擦加工局部增塑的喷丸成形方法，其特征在于，该弹性预弯应力小于或者等于0.75c，c为该搅拌摩擦区域的材料的屈服强度。