CN105598851A - 高筋条整体壁板扭转变形的喷丸成形方法 - Google Patents

高筋条整体壁板扭转变形的喷丸成形方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种高筋条整体壁板扭转变形的喷丸成形方法，包括以下步骤：步骤1、将该高筋条整体壁板装卡固定；步骤2、对该高筋条整体壁板的两端施加指向蒙皮(1)内侧的力，对该高筋条整体壁板的中部施加指向蒙皮(1)外侧的力；步骤3、在该高筋条整体壁板上确定喷丸区域(3)，在喷丸区域(3)内，使第一喷嘴(4)对蒙皮(1)的外表面按照预定的喷丸轨迹进行喷丸，使第二喷嘴(5)对每个高筋条(2)进行喷丸。该喷丸成形方法拓宽了喷丸成形在高筋薄壁及扭转外型的整体壁板上的应用，从而推动喷丸成形技术的发展，为未来飞行器整体壁板设计制造提供更多空间与选择，为进一步提升飞行器整体设计水平提供可能。

Description

高筋条整体壁板扭转变形的喷丸成形方法
技术领域
本发明涉及钣金成形领域，具体是一种高筋条整体壁板扭转变形的喷丸成形方法。
背景技术
喷丸成形是从表面喷丸强化工艺衍生出来的一种塑性成形方法，其具有以下优点：工艺装备简单，无需模具；喷丸成形零件长度不受设备大小的限制；具有提高零件抗疲劳性能和耐腐蚀性能的特点等。凭借这些技术优势，喷丸成形被广泛应用于飞机机翼、机身，火箭油箱等部件的整体壁板成形中。
随着喷丸成形的技术发展，预应力喷丸成形逐步得到推广，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倍～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，该技术的应用进一步推动了喷丸成形技术的发展。美国金属改进公司利用预应力喷丸成形技术制造了世界最大飞机A380超临界机翼下壁板，它是迄今采用喷丸成形技术所获得的长度最大、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。
未来先进航空、航天飞行器的设计对结构减重要求愈趋严苛，通常会采用整体机加筋条形式代替传统铆接结构以减轻重量，壁板蒙皮减薄，筋条高度增加来保证刚度要求，高筋条薄蒙皮壁板结构形式给制造带来极大困难，传统压弯工艺易使高筋条发生失稳变形、蠕变时效成形需要大量模具成本且回弹变形不易控制，而喷丸成形技术具备解决这类壁板成形难题的潜力。此外，随着先进飞行器对空中机动性、抗空气阻力能力的提升，构成未来飞行器气动外型的整体壁板型面将日趋复杂。特别的，扭转外型的设计将给壁板制造同样带来困难。面临高筋薄壁、型面扭转等难点，喷丸成形技术作为此类壁板成形的主要手段，理应突破相关关键技术，为未来设计提供更多参考与选择。
发明内容
为了克服现有喷丸技术中无法形成外型面和筋条同步扭转的高筋条整体壁板的问题，本发明提供了一种高筋条整体壁板扭转变形的喷丸成形方法。该喷丸成形方法拓宽了喷丸成形在高筋薄壁及扭转外型的整体壁板上的应用，从而推动喷丸成形技术的发展，为未来飞行器整体壁板设计制造提供更多空间与选择，为进一步提升飞行器整体设计水平提供可能。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种高筋条整体壁板扭转变形的喷丸成形方法，该高筋条整体壁板包括蒙皮和至少一个高筋条，高筋条设置于蒙皮的内表面，所述高筋条整体壁板扭转变形的喷丸成形方法包括以下步骤：
步骤1、将该高筋条整体壁板装卡固定；
步骤2、对该高筋条整体壁板的两端施加指向蒙皮内侧的力，对该高筋条整体壁板的中部施加指向蒙皮外侧的力；
步骤3、在该高筋条整体壁板上确定喷丸区域，在喷丸区域内，使第一喷嘴对蒙皮的外表面按照预定的喷丸轨迹进行喷丸。
本发明的有益效果是：
1、提出一种对高筋条带筋壁板加载方式，该方式能够保证壁板在弹性变形范围内获得的扭转趋势最明显，而且对筋条施加压力的受力面积最小，以降低筋条失稳变形风险，这样在相同喷丸强度下可获得扭转变形量较大。
2、预加载中使用高筋条压块，保证筋条在喷丸变形过程不发生失稳。
3、设计喷丸区域及工艺参数，对壁板外蒙皮及筋条同步喷丸，实现二者协调扭转变形，在一次预应力加载下同时获得弦向及展向变形，最终获得较大扭转的外型面，可拓宽喷丸成形技术在整体壁板成形方向的应用。
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。
图1是高筋条整体壁板扭转变形的喷丸成形方法中步骤1和步骤2的立体示意图。
图2是该高筋条整体壁板在装卡固定后的侧视图。
图3是压块的立体示意图。
图4是第一喷嘴在喷丸区域的行进轨迹示意图。
图5是高筋条为三个时第二喷嘴在喷丸区域的行进轨迹示意图。
图6是高筋条为三个时第一喷嘴和第二喷嘴的工作状态示意图。
图7是高筋条为两个时第二喷嘴在喷丸区域的行进轨迹示意图。
图8是高筋条为一个时第二喷嘴在喷丸区域的行进轨迹示意图。
图9是高筋条为四个时第二喷嘴在喷丸区域的行进轨迹示意图。
图中附图标记：1、蒙皮；2、高筋条；3、第一喷嘴的喷丸轨迹；4、第一喷嘴；5、第二喷嘴；6、压块；7、顶杆；8、聚氨酯垫层。
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。
一种高筋条整体壁板扭转变形的喷丸成形方法，该高筋条整体壁板包括蒙皮1和高筋条2，高筋条2设置于蒙皮1的内表面，所述高筋条整体壁板扭转变形的喷丸成形方法包括以下步骤：
步骤1、将该高筋条整体壁板装卡固定；
步骤2、对该高筋条整体壁板的两端施加指向蒙皮1内侧的力，对该高筋条整体壁板的中部施加指向蒙皮1外侧的力，如图1和图2所示；
步骤3、在该高筋条整体壁板上确定喷丸区域，在喷丸区域内，使第一喷嘴4对蒙皮1的外表面按照预定的喷丸轨迹进行喷丸。
在本实施例中，第一喷嘴4预定的喷丸轨迹为一条或多条相互平行的线段，在步骤3中，该预定的喷丸轨迹为位于蒙皮1的外表面的线段，该线段与高筋条2的延伸方向在蒙皮1外表面上的投影之间的夹角为锐角或钝角，以便于外力作用下使该高筋条整体壁板扭曲及最终产生扭转变形的高筋条整体壁板扭。
在本实施例中，该高筋条整体壁板的蒙皮1为矩形，高筋条2沿蒙皮1的长度方向或宽度方向设置，蒙皮1由四条边和四个角组成，受到指向蒙皮1内侧的力的所述高筋条整体壁板的两端为该蒙皮1上相对的两个角，蒙皮1上另外的两个角的连线为所述喷丸区域的中心线，该喷丸区域为条形，沿垂直于该中心线的方向，该条形区域的宽度为蒙皮1宽度的30％～60％。如图4中，蒙皮1的左上角和右下角受到指向蒙皮1内侧的力，蒙皮1的左下角和右上角的连线为所述喷丸区域的中心线。高筋条2的延伸方向为图4和图5中的左右方向，该中心线与高筋条2的延伸方向在蒙皮1外表面上的投影之间的夹角小于45°，即图4中第一喷嘴4的喷丸轨迹与高筋条2的延伸方向之间的夹角小于45°。
在该喷丸区域内，第一喷嘴4预定的喷丸轨迹为平行于上述中心线的至少一条斜线段，该斜线段也可以与该中心线之间的距离为零。如图4所示，在本实施例的在步骤3中，第一喷嘴4的喷丸轨迹可以为三条相互平行的虚线，相邻的两条虚线之间的距离为80mm。第一喷嘴4在喷丸时，依次按照从下向上或从上向下的顺序沿每一条虚线对蒙皮1的外表面进行喷丸，第一喷嘴4在沿一条虚线行进的过程中可以按照从左向右的方向行进。优选，第一喷嘴4为直喷嘴，第一喷嘴4的喷射方向垂直于蒙皮1的外表面。
在本实施例的步骤3中，还包括使第二喷嘴5在该喷丸区域内对高筋条2进行喷丸，第二喷嘴5为对称设置在高筋条2两侧的双弯喷嘴，当该高筋条整体壁板含有多个相互平行的高筋条2时，在步骤3中，第二喷嘴5能够在该喷丸区域内沿高筋条2的延伸方向依次对每个高筋条2两侧的表面进行喷丸，如第二喷嘴5能够在该喷丸区域内沿高筋条2的延伸方向依次对每个高筋条2两侧的根部进行喷丸。第二喷嘴5的喷丸行进轨迹为，如图5至图9所示的高筋条2上的虚线。即在步骤3中，第二喷嘴5在喷丸时，依次按照从下向上或从上向下的顺序沿每一条虚线对每个高筋条2进行喷丸，第二喷嘴5在沿一条虚线行进的过程中可以按照从左向右的方向行进。如高筋条2为1个时，在喷丸区域中，第二喷嘴5沿图8中的虚线对一个高筋条2的两侧的表面进行喷丸。如高筋条2为2个时，在喷丸区域中，第二喷嘴5依次沿图7中的下部的虚线和上部的虚线相应连续的对下部的高筋条2和上部的高筋条2的两侧的表面进行喷丸。如高筋条2为3个时，在喷丸区域中，第二喷嘴5依次沿图5中的下部的虚线、中部的虚线和上部的虚线相应连续的对下部的高筋条2、中部的高筋条2和上部的高筋条2的两侧的表面进行喷丸。高筋条2可以为多个，本实施例中不再详细介绍，第二喷嘴5的喷丸轨迹可以参考图5至图9中高筋条2上的虚线。
在步骤3中，第一喷嘴4的喷丸轨迹为图4中所示的3条斜虚线。第二喷嘴5沿高筋条2的延伸方向行进，即第二喷嘴5的喷丸轨迹为与高筋条2相对应的虚线，如第二喷嘴5的喷丸轨迹为图5中的三条虚线、图7中的两条虚线、图8中的一条虚线或图9中的四条虚线。第一喷嘴4和第二喷嘴5均在喷丸区域内喷丸，第一喷嘴4和第二喷嘴5的喷丸时间相同，如当高筋条2为3个时，图4中虚线的总长度除以第一喷嘴4的喷丸速度等于图5中虚线的总长度除以第二喷嘴5的喷丸速度。
在本实施例中，沿垂直于蒙皮1的方向，高筋条2的高度为40mm～70mm。当该高筋条整体壁板含有奇数个高筋条2时，如高筋条2的数量为1个或3个以上，在步骤1中，采用一个压块6和四个顶杆7对该高筋条整体壁板装卡固定，压块6位于蒙皮1的内侧，顶杆7位于蒙皮1的外侧，压块6位于该高筋条整体壁板的中心，压块6与位于中心的一个高筋条2连接，四个顶杆7与蒙皮1的四个角一一对应抵接，如图5所示。如果高筋条2的数量为1个时，压块6与高筋条2的中心连接。如果为3个以上时，压块6与多个高筋条2中位于中心高筋条2的中心连接。
在本实施例中，当该高筋条整体壁板含有偶数个高筋条2时，如高筋条2的数量为2个或4个以上，在步骤1中，采用两个压块6和四个顶杆7对该高筋条整体壁板装卡固定，压块6位于蒙皮1的内侧，顶杆7位于蒙皮1的外侧，两个压块6的连线的中点位于该高筋条整体壁板的中心，两个压块6的连线与蒙皮1的长度方向垂直，两个压块6与多个高筋条2中位于中心的两个高筋条2一一对应连接，四个顶杆7与蒙皮1的四个角一一对应抵接。如果高筋条2的数量为2个时，如图7所示，两个压块6分别与两个高筋条2的中心连接。如果为4个以上时，两个压块6与多个高筋条2中位于中心两个高筋条2的中心连接，如图9所示。
在本实施例中，高筋条2呈T形，针对高筋条2易失稳特点，设计该压块6，该压块6既能对筋条施加压力，又能保证筋条不发生失稳。压块6内含有与高筋条2相对应的T形通槽，高筋条2插接于压块6的该T形通槽内，高筋条2的外表面与压块6的内表面之间存在间隙，该间隙内填充有聚氨酯垫层8，如图2和图3所示。
在本实施例中，四个顶杆7中位于蒙皮1的两个对角的两个顶杆7相互平行，每个顶杆7到蒙皮1的中心的距离均相同，相邻的两个顶杆7之间夹角为80°～90°。在步骤2中：仅位于蒙皮1的两个对角的两个顶杆7通过沿垂直于蒙皮1表面的方向向蒙皮1内侧移动并按压蒙皮1的所述两个对角，使该高筋条整体壁板的两端受到指向蒙皮1内侧的力A；压块6通过保持静止不动，使该高筋条整体壁板的中部受到垂直于蒙皮1表面并指向蒙皮1外侧的力，如图1所示。
下面以三筋条整体壁板作为研究对象进行喷丸扭转变形。
步骤1、该高筋条整体壁板的材料为7050铝合金，筋条2的高度为58mm，蒙皮1的厚度4mm，筋条2与蒙皮1的厚度比为14.5。在ABAQUS软件中模拟壁板扭转弹性加载过程，确定壁板最大应力为材料屈服强度90％时的加载位置，此时弦向边线中点的曲率半径为485mm，将该高筋条整体壁板装卡固定。
步骤2、如图1所示，使相对的2个顶杆7垂直于蒙皮1向内移动，另2个顶杆7和1个压块6不动，使得蒙皮1的弦向边线中点的曲率半径达到485mm。压块6保证筋条未发生失稳变形。
步骤3、依据表1工艺参数调整MPF15000数控喷丸机床，编制喷丸程序，沿图5中的喷丸路径，开启3喷嘴同时对该高筋条整体壁板喷丸(1个第一喷嘴4喷蒙皮1，2个第二喷嘴5喷筋条2)。
喷丸结束后将该高筋条整体壁板进行三坐标测量，在CATIA中拟合出零件变形后外型面。经测绘得到，蒙皮1的4个角点两两沿弦向连线，形成夹角为3.1°。
表1喷丸成形参数
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)

1.一种高筋条整体壁板扭转变形的喷丸成形方法，其特征在于，该高筋条整体壁板包括蒙皮(1)和至少一个高筋条(2)，高筋条(2)设置于蒙皮(1)的内表面，所述高筋条整体壁板扭转变形的喷丸成形方法包括以下步骤：
步骤1、将该高筋条整体壁板装卡固定；
步骤2、对该高筋条整体壁板的两端施加指向蒙皮(1)内侧的力，对该高筋条整体壁板的中部施加指向蒙皮(1)外侧的力；
步骤3、在该高筋条整体壁板上确定喷丸区域，在喷丸区域内，使第一喷嘴(4)对蒙皮(1)的外表面按照预定的喷丸轨迹进行喷丸。
2.根据权利要求1所述的高筋条整体壁板扭转变形的喷丸成形方法，其特征在于，在步骤3中，第一喷嘴(4)预定的喷丸轨迹为位于蒙皮(1)的外表面的线段，该线段与高筋条(2)的延伸方向在蒙皮(1)外表面上的投影之间的夹角为锐角或钝角。
3.根据权利要求1所述的高筋条整体壁板扭转变形的喷丸成形方法，其特征在于，该高筋条整体壁板的蒙皮(1)为矩形，高筋条(2)沿蒙皮(1)的长度方向或宽度方向设置，蒙皮(1)由四条边和四个角组成，受到指向蒙皮(1)内侧的力的所述高筋条整体壁板的两端为该蒙皮(1)上相对的两个角，蒙皮(1)上另外的两个角的连线为该喷丸区域的中心线，该喷丸区域为条形，沿垂直于该中心线的方向，该条形的喷丸区域的宽度为蒙皮(1)宽度的30％～60％。
4.根据权利要求3所述的高筋条整体壁板扭转变形的喷丸成形方法，其特征在于，第一喷嘴(4)为直喷嘴，第一喷嘴(4)的喷射方向垂直于蒙皮(1)的外表面，在该喷丸区域内，该预定的喷丸轨迹为平行于该中心线的一条或多条线段。
5.根据权利要求3所述的高筋条整体壁板扭转变形的喷丸成形方法，其特征在于，在步骤3中还包括使第二喷嘴(5)在该喷丸区域内对高筋条(2)进行喷丸，第二喷嘴(5)为对称设置在高筋条(2)两侧的双弯喷嘴，当该高筋条整体壁板含有多个相互平行的高筋条(2)时，在步骤3中，第二喷嘴(5)能够在该喷丸区域内沿高筋条(2)的延伸方向依次对每个高筋条(2)两侧的表面进行喷丸。
6.根据权利要求1所述的高筋条整体壁板扭转变形的喷丸成形方法，其特征在于，在步骤3中，第一喷嘴(4)和第二喷嘴(5)同时开始喷丸，第一喷嘴(4)和第二喷嘴(5)的喷丸时间相同。
7.根据权利要求1所述的高筋条整体壁板扭转变形的喷丸成形方法，其特征在于，该高筋条整体壁板含有奇数个高筋条(2)，在步骤1中，采用一个压块(6)和四个顶杆(7)对该高筋条整体壁板装卡固定，压块(6)位于蒙皮(1)的内侧，顶杆(7)位于蒙皮(1)的外侧，压块(6)位于该高筋条整体壁板的中心，压块(6)与位于中心的一个高筋条(2)连接，四个顶杆(7)与蒙皮(1)的四个角一一对应抵接。
8.根据权利要求1所述的高筋条整体壁板扭转变形的喷丸成形方法，其特征在于，高筋条整体壁板含有偶数个高筋条(2)，在步骤1中，采用两个压块(6)和四个顶杆(7)对该高筋条整体壁板装卡固定，压块(6)位于蒙皮(1)的内侧，顶杆(7)位于蒙皮(1)的外侧，两个压块(6)的连线的中点位于该高筋条整体壁板的中心，两个压块(6)的连线与蒙皮(1)的长度方向垂直，两个压块(6)与位于中心的两个高筋条(2)一一对应连接，四个顶杆(7)与蒙皮(1)的四个角一一对应抵接。
9.根据权利要求7或8所述的高筋条整体壁板扭转变形的喷丸成形方法，其特征在于，高筋条(2)呈T形，压块(6)内含有与高筋条(2)相对应的T形通槽，高筋条(2)插接于压块(6)的该T形通槽内，高筋条(2)的外表面与压块(6)的内表面之间存在间隙，该间隙内填充有聚氨酯垫层(8)。
10.根据权利要求7或8所述的高筋条整体壁板扭转变形的喷丸成形方法，其特征在于，四个顶杆(7)中位于蒙皮(1)的两个对角的两个顶杆(7)相互平行，每个顶杆(7)到蒙皮(1)的中心的距离均相同，相邻的两个顶杆(7)之间夹角为80°～90°。
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