CN113145740B - 一种柔性壁板激光喷丸成形夹具及成形方法 - Google Patents

Abstract

一种柔性壁板激光喷丸成形夹具及成形方法，两个外挂刚性框架相互平行的安装在喷丸机的喷丸室内，承力模块位于外挂刚性框架的两端，升降块位于外挂刚性框架的中间；升降块分别安装外挂刚性框架的两端和之间，紧绳器、承力模块和升降块之间通过牵引组合模块钢丝绳连接，外部处理显示器分别与紧绳器中的力传感器和伺服电机通过数据线连通，以牵引组合模块钢丝绳作为牵引手段，通过中间的升降块将壁板顶起。本发明结构简化、重量更轻，且仍具备柔性可调节的特点。在成形方法上，通过测量牵引组合模块钢丝绳上实际力，计算并对比后可以监测喷丸成形过程中壁板弯曲程度。

Description

一种柔性壁板激光喷丸成形夹具及成形方法

技术领域

本发明涉及机械制造技术领域，具体是一种通过牵引组合模块钢丝绳加载预应力的柔性壁板激光喷丸成形夹具及成形方法。

背景技术

喷丸成形是一种无模化(无模具和压力机)的飞机钣金特种加工工艺成形方法，被广泛用于航空机翼壁板的成形。喷丸方式分为自由喷丸和预应力喷丸，后者通过对喷丸部位加载预应力，使得壁板产生弹性预弯，从而增加了喷丸成形曲率，缓解了自由喷丸产生的球面变形倾向，进而提高了壁板的变形率和喷丸效率。激光喷丸作为一种更为先进的工艺方法，它可通过移动光路发射激光进而在壁板上产生冲击波，对壁板表面形成残余应力，激光喷丸的突出特点是喷丸位置精确可控，喷丸成形效果更为显著。

传统的产生喷丸预应力的方式主要是对壁板特定部位进行刚性支撑，从而引起壁板的弯曲变形。以这种基本思路为指导，传统夹具设计思路是制造与壁板曲率吻合的多组刚性卡板，使用所述多组刚性卡板来夹紧壁板，达到壁板预弯曲的目的。所述夹具的显著缺点是所用夹具需要特制，不具备柔性，且配重较大，适用性0不强，且与之对应的方法也存在无法监测壁板喷丸过程的问题。

随着喷丸成形技术进一步地发展，相继出现了各种柔性预应力夹具。柔性预应力夹具的基本思路是在壁板两端采用夹具夹持固定，中间利用升降控制装置控制预弯程度。在公开号为CN 1850452A的发明创造中公开了一种柔性组合预应力夹具，该柔性组合预应力夹具利用升降装置控制喷丸成形的预弯程度，具体是基于三点弯曲原理，采取通过立柱连接孔来调整位置的调节方式实现夹具的柔性装夹。该夹具结构简单，用于小型壁板喷丸试制效率高，但柔性调节壁板弯曲曲率半径时难度较大，且只能通过弯曲形状进行判断，方法固定。

中国专利CN 106694724B中公开了一种用于大型壁板工件喷丸成形的柔性预应力夹具，这是一种结构较为复杂的柔性预应力夹具。该发明利用千斤顶作为升降控制动力，控制升降板移动，将壁板压紧预弯。此夹具广泛应用在大型壁板的喷丸固定领域，夹持效果好，具备一定的柔性，但需要底部面积和质量都很大的刚性框架作为辅助支撑。除此之外，液压千斤顶的配套设施笨重庞大，占地面积大，对于喷丸的场地提出了较高的要求。

发明内容

为克服现有技术中存在的飞机壁板激光喷丸成形预应力夹具方案占地面积大、准备周期长、辅助设备多、可视化喷丸成形过程不强的不足，本发明提出了一种柔性壁板激光喷丸成形夹具及成形方法。

本发明提出的柔性壁板激光喷丸成形夹具，包括两个相互平行的外挂刚性框架、四个承力模块、两个升降块、两根牵引组合模块钢丝绳、两个紧绳器、两个保险钢丝绳和外部处理显示器。其中，所述两个外挂刚性框架分别是第一外挂刚性框架和第二外挂刚性框架。所述承力模块在沿外挂刚性框架方向排布；所述四个承力模块均分为两组，各组承力模块分别安装在所述第一外挂刚性框架的两端和第二外挂刚性框架的两端，并与所述两个外挂刚性框架相互平行。所述两个升降块分别位于两个所述外挂刚性框架之间。所述牵引组合模块钢丝绳的一端固定在所述紧绳器的收绳轮盘上，另一端依次绕在第一外挂刚性框架上的下承力块中的承力块导轮表面和升降块的升降块导轮表面，并固定在位于第二外挂刚性框架上的下承力块中的承力块导轮上。外部处理显示器的输入端分别与所述紧绳器中的力传感器的输出端和伺服电机的输出端通过数据线连通。

所述承力模块在沿外挂刚性框架方向上的排布区间为400mm-1000mm；所述第一外挂刚性框架与第二外挂刚性框架之间相邻侧表面之间的间距为1000mm～3000mm；所述牵引组合模块钢丝绳的直径为4mm，保险钢丝绳的直径为6mm。

所述第一外挂刚性框架和第二外挂刚性框架用于预应力夹具的定位安装；该外挂刚性框架为条形板。在所述外挂刚性框架上排布有螺纹孔。所述螺纹孔两个一组，每组螺纹孔的中心距与所述下承力块上的安装孔同心；每组螺纹孔中，两个螺纹孔之间的中心距为55mm。

所述承力模块包括上承力块、下承力块、柔性垫块和承力块导轮。所述上承力块固定在下承力块的上表面，并使该上承力块中的承力块导轮与下承力块中的承力块导轮相对应。在该上承力块与下承力块相贴合的表面分别安置有聚氨酯制作的柔性垫块。

所述上承力块的一端有所述承力块导轮的安装槽，将该承力块导轮通过导轮轴安装在该安装槽内。该上承力块与所述下承力块固连。所述下承力块的一端亦有该承力块导轮的安装槽。在该下承力块的另一端的侧表面有外挂刚性框架的卡槽。在该卡槽的上壁板与下壁板上有同心的螺栓孔。

所述升降块的上表面为弧面，并且该弧面的曲率与所成形壁板的曲率相同；在所述升降块的上表面安置有柔性垫块。

所述紧绳器包括伺服电机、收绳轮盘、力传感器、紧绳器导轮和紧绳器壳体。其中，所述伺服电机安装在所述紧绳器壳体内，收绳轮盘固定安装在该伺服电机的输出轴上。所述力传感器安置在紧绳器导轮与所述收绳轮盘之间，通过该力传感器测定牵引组合模块钢丝绳上的拉力。所述紧绳器导轮安装在该紧绳器壳体下端靠壁板的侧面上。

本发明提出的利用所述柔性壁板激光喷丸成形夹具进行柔性壁板激光喷丸成形的具体步骤是：

步骤1，壁板预弯曲：

通过紧绳器中收绳轮盘的转动使牵引组合模块钢丝绳伸长放松，从而升降块被卸载，使得升降块对壁板不产生压力。

将壁板的两端分别支撑在各下承力块上，并通过上承力块压紧。固紧保险钢丝绳。

控制紧绳器中的收绳轮盘转动，使牵引组合模块钢丝绳收紧，所述升降块被抬升至与该壁板的下表面接触压紧。待两个升降块均与所述壁板接触压紧后，开始进行壁板弯曲预加载，完成壁板预弯曲。

在壁板预弯曲中，通过对钢丝绳收缩—确定升降块顶起壁板所需的合力G_n—判定合力G_n与壁板设计参数中的理论力的误差—判断是否完成预弯曲的过程，确定是否完成预弯曲。具体是：

通过伺服电机控制紧绳器中的收绳轮盘转动，从而通过牵引组合模块钢丝绳收缩将升降块顶起对壁板产生作用力，使得壁板产生弯曲，并通过力传感器实时获得壁板弯曲的过程中牵引组合模块钢丝绳上的实际力。根据所述获得的牵引组合模块钢丝绳上实际力计算升降块顶起所述壁板时所需的合力G₁。将获得的合力G₁与该壁板设计参数中的理论力的值进行比较，以控制加载的完成情况。

牵引组合模块钢丝绳的收缩速度为100mm/min，当所述升降块顶起壁板所需的合力达到壁板设计参数中理论力的80％时，调整伺服电机转速，使得收绳速度下降到20mm/min，保证此时所述升降块顶起壁板所需的合力的变化不产生突变抖动，整个预弯曲过程处于准静态。

升降块顶起壁板所需的合力随着预弯曲的进程而不断增大；当所述合力与壁板设计参数中的理论力的数据误差小于±5％时，停止伺服电机的转动，使牵引组合模块钢丝绳保持当前状态30min。

在将获得的合力与该壁板设计参数中的理论力进行比较时，在保持当前状态30min的过程中，若该误差稳定在小于±5％，则说明预弯曲过程完成，进入步骤2；若该误差超过±5％，则启动伺服电机，使所述牵引组合模块钢丝绳继续以20mm/min的速度收缩，重复所述对钢丝绳收缩—确定升降块顶起壁板所需的合力—判定合力与壁板设计参数中的理论力的误差—判断是否完成预弯曲的过程，确定是否完成预弯曲。直至完成对所述壁板的预弯曲。

所述计算升降块顶起壁板时所需合力的具体过程是，将所述牵引组合模块钢丝绳的夹持受力过程抽象简化成简支梁受到弯曲变形时牵引组合模块钢丝绳受力的模型。以承力模块一边的夹持位置为A点，对应的另外一边夹持位置为B点，用于施力的升降块位于AB中点，对壁板的力作用点为O点，AB长为2L，AO、OB分别是牵引组合模块钢丝绳跨过升降块的两部分，AO、OB的长度均为a。AO和OB方向上的牵引组合模块钢丝绳的拉力分别为F₁和F₂，且F₁＝F₂，该F₁和F₂的合力为升降块顶起壁板时所需的合力G_n，所述合力的G_n方向为竖直方向，G_n与F₁、F₂的夹角为α。a由伺服电机旋转圈数计算得出，L为夹具之间距离。根据三角函数关系，有

G_n＝2F₁cosα＝2F₂cosα (2)

公式(2)的G_n中，G表示合力，n为预弯曲过程中第n次的调整。

所述预弯曲过程中，使得壁板与各所述柔性垫块之间分别实现面接触。壁板受到施力模块的固定和升降块的顶起作用，从而发生弹性预变形。所述弹性预变形指的是壁板不发生塑性变形条件时壁板的变形状态，且所述预变形的大小与理论力的大小有一一对应的关系。

步骤2，卸载保险钢丝绳并送入喷丸成形机进行喷丸处理：

补充预弯曲结束后，确认壁板各部位已夹紧，解开保险钢丝绳，将保险钢丝绳从上承力块中取下。

将固定有壁板的夹具送入喷丸机的喷丸室内，按常规方法进行喷丸处理，所述喷丸时选用的弹丸直径为3.18mm，压强为0.5MPa，喷丸覆盖率为40％-80％。

步骤3，壁板喷丸中弯曲程度的监控：

壁板的喷丸成形中，牵引组合模块钢丝绳上实际力实时变化。通过公式(1′)和公式(2′)得到所述牵引组合模块钢丝绳上的实时合力G_m，

G_m＝2F₁cosα＝2F₂cosα (2′)

通过所述实时合力G_m得到在喷丸成形过程中所述壁板的转角和挠度。

所述确定所述壁板转角和挠度的具体过程是：

将壁板的夹持变形过程抽象简化成简支梁受到弯曲变形的模型。以上承力块和下承力块对壁板一端的夹持位置为A点，对应的另外一端夹持位置为B点，并且位于所述A点与B点之间中点处的升降块对壁板的作用点为C点。建立平面右手坐标系，以A点为坐标原点，自A点至B点连线的方向为x轴正方向；过所述A点垂直于AB连线的方向为y轴；z轴的方向按右手定则确定。

在所述A点与B点之间做弧线代表壁板，并使该弧线的曲率与所述壁板的曲率相同。A点处夹具对壁板施加的力为F_Ay，B点处夹具对壁板施加的力为F_By，C点处夹具对壁板施加的力为G_m。根据材料力学弯曲变形计算方法，得到壁板AC、CB两段的转角方程和挠度方程分别为：

AC段：

CB段：

上式中：EI为壁板的抗弯刚度；θ₁为AC段壁板与x轴的转角；θ₂为CB段壁板与x轴的转角；y₁为AC段壁板在y方向的挠度；y₂为CB段壁板在y方向的挠度；L为壁板AC段与CB段在x轴方向的长度。

所述抗弯刚度EI中，E为壁板弹性模量，通过查阅工程手册得到，I为壁板截面惯性矩，通过公式(7)得到

I＝∫r²dS (7)

公式(7)中，dS为壁板截面微元面积；r是壁板截面微元面积与壁板轴线的距离。

通过分别对比牵引组合模块钢丝绳上的实际力与壁板设计参数中的理论力、喷丸过程的转角与壁板设计参数中的转角、喷丸过程的挠度与壁板设计参数中的挠度的接近程度判断壁板弯曲过程的进度，达到对壁板弯曲状态的实时监测。所述具体对比过程是，为了保证壁板过弯曲，牵引组合模块钢丝绳上的实际力、壁板转角和挠度三个参数中任意一个与相对应的设计参数的误差达到±5％，即认定完成壁板弯曲，停止喷丸。

步骤4，壁板卸载。

至此，完成对所述柔性壁板激光喷丸成形。

本发明提出了一种以牵引组合模块钢丝绳牵引为主要手段连接升降设备实现升降控制功能的柔性壁板激光喷丸成形夹具及成形方法，该夹具具有少刚性支撑框架、准备周期短、夹具安装效率高、壁板喷丸通用性好的特点，同时所对应的成形方法具有可量化检测喷丸过程的能力。

本发明提出的以牵引组合模块钢丝绳牵引为主要手段连接升降设备，实现升降控制功能的柔性壁板激光喷丸成形夹具中，夹具零件之间用牵引组合模块钢丝绳连接，牵引组合模块钢丝绳传递力和载荷，采用三点弯曲基本原理对壁板产生作用力，使壁板产生弹性弯曲变形(应保证变形量不宜过大，在弹性范围内，卸下模具后金属板料能够恢复原样)，从而达到加载预应力的目的。

整个夹具被上下对称的安装在喷丸机的外挂刚性框架上，其主要有承力模块、升降块、牵引组合模块钢丝绳、保险钢丝绳、紧绳器等组成。承力模块分布在壁板两侧，通过螺栓固定安装于刚性框架上。升降块不固定，使用时其下部滑轮机构可定位牵引所述牵引组合模块钢丝绳，通过牵引组合模块钢丝绳和承力模块相连接，牵引组合模块钢丝绳受紧绳器牵引而收缩，从而产生张紧力，对壁板的压力通过牵引组合模块钢丝绳传递到承力模块上，达到弦向夹持和施力的目的。保险钢丝绳主要用于预夹持和卸载过程，其布置在壁板喷丸表面上部，如壁板在未夹紧之前弹落，可通过保险钢丝绳进行约束，装夹结束后，保险钢丝绳将被取下，方便后续喷丸工序。

本发明相较于普通喷丸成形夹具，最大特点在于加载预应力方式不同：本发明用牵引组合模块钢丝绳将中间的升降块和两侧的支撑装置相连，以牵引组合模块钢丝绳作为牵引手段，通过中间的升降块将壁板顶起。通过此种设计，整个夹具结构得到了显著的简化，夹具在重量上更轻量化，且仍具备柔性可调节的特点，从而可以适应多种壁板尺寸，且可在实时喷丸成形的过程中通过测量牵引组合模块钢丝绳上的牵引力来监测喷丸成形过程中壁板弯曲程度。

本发明内容在国内各航空研究所中的小型壁板激光喷丸机上具有实际意义，可满足小型壁板激光喷丸机喷丸室空间小、实验流程简单、工人操作简便等条件。除此之外，夹具方案的操作性强，具有通过测量牵引组合模块钢丝绳上的牵引力来监测喷丸成形进度的能力，适用于机翼壁板喷丸成形的工艺参数实验研究和小型壁板激光喷丸成形。

附图说明

图1是壁板激光喷丸成形夹具的结构示意图。

图2是外挂刚性框架示意图。

图3是承力模块的结构示意图。

图4是升降块的结构示意图。

图5是牵引组合模块钢丝绳-紧绳器-外部处理显示器的结构示意图。

图6是壁板弯曲牵引组合模块钢丝绳受力分析图。

图7是壁板弯曲变形分析图。

图8是夹具使用方法和壁板监测过程流程图。

图中：1.第一外挂刚性框架；2.上承力块；3.下承力块；4.柔性垫块；5.承力块导轮；6.紧固螺栓；7.连接螺栓；8.壁板；9.升降块；10.牵引组合模块钢丝绳；11.紧绳器；12.外部处理显示器；13.保险钢丝绳；14.伺服电机；15.收绳轮盘；16.力传感器；17.升降块导轮；18.紧绳器导轮；19.第二外挂刚性框架。

具体实施方式

本实施例是一种柔性壁板激光喷丸成形夹具，包括两个外挂刚性框架、四个承力模块、两个升降块9、两根牵引组合模块钢丝绳10、两个紧绳器11、两个保险钢丝绳13和一个外部处理显示器12。其中，所述两个外挂刚性框架分别是第一外挂刚性框架1和第二外挂刚性框架19；两个外挂刚性框架相互平行的安装在喷丸机的喷丸室内。其中，所述承力模块、升降块的包容体的长宽高尺寸为400mm×150mm×400mm；所述承力模块在沿外挂刚性框架方向上的排布区间在400mm-1000mm之间；所述第一外挂刚性框架1与第二外挂刚性框架19之间相邻侧表面之间的间距根据待成形壁板的外形尺寸确定，为1000mm～3000mm；所述牵引组合模块钢丝绳的直径为4mm，保险钢丝绳的直径为6mm。

所述四个承力模块均分为两组，各组承力模块分别安装在所述第一外挂刚性框架1的两端和第二外挂刚性框架19的两端，并与所述两个外挂刚性框架相互平行。所述两个升降块9分别位于两个所述外挂刚性框架之间。所述牵引组合模块钢丝绳10的一端固定在所述紧绳器11的收绳轮盘15上，另一端依次绕在第一外挂刚性框架1上的下承力块3中的承力块导轮5的表面和升降块9的升降块导轮17的表面，并固定在位于第二外挂刚性框架19上的下承力块3中的承力块导轮5上。外部处理显示器12的输入端分别与所述紧绳器11中的力传感器16的输出端和伺服电机14的输出端通过数据线连通。

使用时，将待喷丸加工的壁板8的四个角分别装入各所述承力模块中。将该组合装配后的壁板激光喷丸成形夹具连同待喷丸加工的壁板一同装入喷丸机的喷丸室内，实施喷丸工艺。喷丸过程中，通过紧绳器11的约束，对升降块9做功，通过该升降块的上下位移将壁板顶起，从而实现壁板的弯曲。

所述第一外挂刚性框架1和第二外挂刚性框架19用于预应力夹具的定位安装；该外挂刚性框架为条形板。在所述外挂刚性框架上排布有一排用于安装连接螺栓7的螺纹孔。所述螺纹孔两个一组，每组螺纹孔的中心距与所述下承力块3上的安装孔同心；每组螺纹孔中，两个螺纹孔之间的中心距为55mm。

所述承力模块包括上承力块2、下承力块3、柔性垫块4和承力块导轮5。所述上承力块2通过紧固螺栓6固定在下承力块3的上表面，并使该上承力块中的承力块导轮5与下承力块中的承力块导轮5相对应。在该上承力块与下承力块相贴合的表面分别安置有聚氨酯制作的柔性垫块4。

所述上承力块2为块状。该上承力块的一端有所述承力块导轮5的安装槽，将该承力块导轮通过导轮轴安装在该安装槽内。在该上承力块上有紧固螺栓6的安装孔，通过该紧固螺栓将该上承力块与所述下承力块连接。

所述下承力块3亦为块状。该下承力块的一端有所述承力块导轮5的安装槽，将该承力块导轮通过导轮轴安装在该安装槽内。在该下承力块的另一端的侧表面有外挂刚性框架的卡槽。在该卡槽的上壁板与下壁板上有同心的螺栓孔。

所述升降块9为梯形块；该升降块的上表面为弧面，并且该弧面的曲率与所成形壁板8的曲率相同；在所述升降块的上表面安置有柔性垫块4。该升降块的下表面为有用于安装升降块导轮17的U形槽；该升降块导轮通过导轮轴安装在该槽内。

所述两个保险钢丝绳13位于壁板8的待喷丸面。并且由于所述保险钢丝绳13的断裂强度优于牵引组合模块钢丝绳10的断裂强度，故能够对潜在的因壁板夹持失败滑脱而导致的事故进行限制和预防。

所述紧绳器11包括伺服电机14、收绳轮盘15、力传感器16、紧绳器导轮18和紧绳器壳体。其中，所述伺服电机14安装在所述紧绳器壳体内，收绳轮盘15固定安装在该伺服电机14的输出轴上。所述力传感器16安置在紧绳器导轮18与所述收绳轮盘之间，通过该力传感器测定牵引组合模块钢丝绳10上的拉力。所述紧绳器导轮18安装在该紧绳器壳体下端靠壁板的侧面上。

工作时，通过伺服电机14带动收绳轮盘15旋转，从而使牵引组合模块钢丝绳10收紧，进而通过升降块9的位移使壁板产生弯曲变形。牵引组合模块钢丝绳的伸长量或收缩量通过伺服电机旋转圈数确定，升降块顶起壁板所需的合力通过力传感器16和收绳轮盘15提供的拉力与该收绳轮盘上的牵引组合模块钢丝绳伸长量或收缩量得到。将所述作用力输入到外部处理显示器12，与设定参数的对比，从而完成对整个夹持过程和喷丸过程进行监视和控制。

本发明夹具夹持壁板进行喷丸成形的具体步骤是：

步骤1，壁板预弯曲：

通过伺服电机的转动控制紧绳器中的收绳轮盘转动，使牵引组合模块钢丝绳伸长放松，从而升降块9被卸载，使得升降块对壁板不产生压力。

将壁板的两端分别支撑在两端的下承力块上。放置完毕后，通过紧固螺栓6将上承力块与下承力块固紧。固紧保险钢丝绳。

通过伺服电机的转动控制紧绳器中的收绳轮盘转动，使牵引组合模块钢丝绳收紧，使升降块被抬升至与该壁板的下表面接触压紧。待两个升降块均与所述壁板接触压紧后，开始进行壁板弯曲预加载，完成壁板预弯曲。

在壁板预弯曲中，通过对钢丝绳收缩—确定升降块顶起壁板所需的合力G_n—判定合力G_n与壁板设计参数中的理论力的误差—判断是否完成预弯曲的过程，确定是否完成预弯曲。具体是：

通过伺服电机控制紧绳器中的收绳轮盘转动，从而通过牵引组合模块钢丝绳收缩将升降块顶起对壁板产生作用力，使得壁板产生弯曲，并通过力传感器16实时获得壁板弯曲的过程中牵引组合模块钢丝绳上的实际力。根据所述获得的牵引组合模块钢丝绳上实际力计算升降块顶起所述壁板时所需的合力G₁。将获得的合力G₁与该壁板设计参数中的理论力的值进行比较，以控制加载的完成情况。

牵引组合模块钢丝绳收缩速度为100mm/min，当所述升降块顶起壁板所需的合力达到壁板设计参数中理论力的80％时，调整伺服电机转速，使得收绳速度下降到20mm/min，保证此时所述升降块顶起壁板所需的合力的变化不产生突变抖动，整个预弯曲过程处于准静态。

升降块顶起壁板所需的合力随着预弯曲的进程而不断增大；当所述合力与壁板设计参数中的理论力的数据误差小于±5％时，停止伺服电机的转动，使牵引组合模块钢丝绳保持当前状态30min。

在将获得的合力与该壁板设计参数中的理论力进行比较时，在保持当前状态30min的过程中，若该误差稳定在小于±5％，则说明预弯曲过程完成，进入步骤2；若该误差超过±5％，则启动伺服电机，使所述牵引组合模块钢丝绳继续以20mm/min的速度收缩，重复所述对钢丝绳收缩—确定升降块顶起壁板所需的合力—判定合力与壁板设计参数中的理论力的误差—判断是否完成预弯曲的过程，确定是否完成预弯曲。直至完成对所述壁板的预弯曲。

所述牵引组合模块钢丝绳的继续收缩的过程是，将升降块顶起继续对壁板产生作用力，使得壁板产生弯曲，并通过力传感器16实时获得壁板弯曲的过程中牵引组合模块钢丝绳上的实际力。再根据所述获得的牵引组合模块钢丝绳上实际力计算升降块顶起所述壁板时所需的合力G₂。将获得的合力G₂与该壁板设计参数中的理论力的值进行比较，以控制加载的完成情况。

当所述合力与壁板设计参数中的理论力的数据误差小于±5％时，停止伺服电机的转动，使牵引组合模块钢丝绳保持当前状态30min。在保持当前状态30min的过程中：若该误差稳定在小于±5％，则说明预弯曲过程完成；若该误差超过±5％，则启动伺服电机，再次重复所述对钢丝绳收缩—确定升降块顶起壁板所需的合力—判定合力与壁板设计参数中的理论力的误差—判断是否完成预弯曲的过程，确定是否完成预弯曲。

所述牵引组合模块钢丝绳的收缩速度为20mm/min。

直至完成对所述壁板的预弯曲。

所述计算升降块顶起壁板时所需合力的具体过程是，将所述牵引组合模块钢丝绳的夹持受力过程抽象简化成简支梁受到弯曲变形时牵引组合模块钢丝绳受力的模型。以承力模块一边的夹持位置为A点，对应的另外一边夹持位置为B点，用于施力的升降块位于AB中点，对壁板8的力作用点为O点，AB长为2L，AO、OB分别是牵引组合模块钢丝绳10跨过升降块9的两部分，AO、OB的长度均为a。AO和OB方向上的牵引组合模块钢丝绳的拉力分别为F₁和F₂，且F₁＝F₂，该F₁和F₂的合力为升降块顶起壁板时所需的合力G_n，所述合力的G_n方向为竖直方向，G_n与F₁、F₂的夹角为α。a由伺服电机旋转圈数计算得出，L为夹具之间距离。根据三角函数关系，有

G_n＝2F₁cosα＝2F₂cosα (2)

公式(2)中的G_n，其中G表示合力，n为预弯曲过程中第n次的调整。

所述预弯曲过程中，使得壁板8与各所述柔性垫块4之间分别实现面接触。壁板8受到施力模块的固定和升降块的顶起作用，从而发生弹性预变形。所述弹性预变形指的是壁板不发生塑性变形条件时壁板的变形状态，且所述预变形的大小与理论力的大小有一一对应的关系。

步骤2，卸载保险钢丝绳并送入喷丸成形机进行喷丸处理：

补充预弯曲结束后，确认壁板各部位已夹紧，解开保险钢丝绳13，将保险钢丝绳从上承力块中取下。

将固定有壁板的夹具送入喷丸机的喷丸室内，按常规方法进行喷丸处理，所述喷丸时选用的弹丸直径为3.18mm，压强为0.5MPa，喷丸覆盖率为40％-80％。

步骤3，壁板喷丸中弯曲程度的监控：

随着喷丸的进行，壁板发生塑性变形，外部处理显示器实时显示出的牵引组合模块钢丝绳上实际力也随之发生变化。通过公式(1′)和公式(2′)得到所述牵引组合模块钢丝绳上的实时合力G_m，进而得到壁板在喷丸过程壁板的转角和挠度。

确定所述转角和挠度的具体过程是：

将壁板8的夹持变形过程抽象简化成简支梁受到弯曲变形的模型。以上承力块和下承力块对壁板一端的夹持位置为A点，对应的另外一端夹持位置为B点，并且位于所述A点与B点之间中点处的升降块对壁板8的作用点为C点。建立平面右手坐标系，以A点为坐标原点，自A点至B点连线的方向为x轴正方向；过所述A点垂直于AB连线的方向为y轴；z轴的方向按右手定则确定。

在所述A点与B点之间做弧线代表壁板，并使该弧线的曲率与所述壁板的曲率相同。A点处夹具对壁板施加的力为F_Ay，B点处夹具对壁板施加的力为F_By，C点处夹具对壁板施加的力为G_m。根据材料力学弯曲变形计算方法，得到壁板AC、CB两段的转角方程和挠度方程分别为：

AC段：

CB段：

上式中：EI为壁板的抗弯刚度；θ₁为AC段壁板与x轴的转角；θ₂为CB段壁板与x轴的转角；y₁为AC段壁板在y方向的挠度；y₂为CB段壁板在y方向的挠度；L为壁板AC段与CB段在x轴方向的长度。

所述抗弯刚度EI中，E为壁板弹性模量，通过查阅工程手册得到，I为壁板截面惯性矩，通过公式(7)得到

I＝∫r²dS (7)

公式(7)中，dS为壁板截面微元面积；r是壁板截面微元面积与壁板轴线的距离。

随着喷丸的进行，牵引组合模块钢丝绳上的实际力减小，得到的各所述转角和各所述挠度逐渐增大，通过分别对比牵引组合模块钢丝绳上的实际力与壁板设计参数中的理论力、喷丸过程的转角与壁板设计参数中的转角、喷丸过程的挠度与壁板设计参数中的挠度的接近程度判断壁板弯曲过程的进度，达到对壁板弯曲状态的实时监测。所述具体对比过程是，为了保证壁板过弯曲，牵引组合模块钢丝绳上的实际力、壁板转角和挠度三个参数只要有一个与相对应的设计参数的误差达到±5％，即认定完成壁板弯曲，此时停止喷丸。

步骤4，壁板卸载

将组合装配后的壁板激光喷丸成形夹具连同喷丸加工后的壁板一同推出喷丸机的喷丸室。

壁板卸载步骤与壁板预弯曲步骤类似，先加装保险钢丝绳，再控制伺服电机转动，使收绳轮盘带动牵引组合模块钢丝绳伸长，升降块下降，升降块与壁板脱离。将上下承力块的紧固螺栓卸载，此时整个壁板将被卸载，待壁板完全脱离夹具后，取出成形后的壁板，夹具归位，壁板卸载完毕。

Claims (6)

1.一种柔性壁板激光喷丸成形夹具，其特征在于：包括两个相互平行的外挂刚性框架、四个承力模块、两个升降块、两根牵引组合模块钢丝绳、两个紧绳器、两个保险钢丝绳和外部处理显示器；

其中，两个外挂刚性框架分别是第一外挂刚性框架和第二外挂刚性框架；所述第一外挂刚性框架和第二外挂刚性框架用于预应力成形夹具的定位安装；第一外挂刚性框架和第二外挂刚性框架均为条形板；

四个承力模块均分为两组；第一组的两个承力模块分别安装在第一外挂刚性框架的两端，并沿第一外挂刚性框架的长度方向排布；第二组的两个承力模块分别安装在第二外挂刚性框架的两端，并沿第二外挂刚性框架的长度方向排布；第一外挂刚性框架和第二外挂刚性框架相互平行；

每个所述承力模块包括：上承力块、下承力块、第一柔性垫块和上承力块导轮、下承力块导轮；每个所述上承力块的一端设有安装所述上承力块导轮的上安装槽，将该上承力块导轮通过导轮轴安装在该上安装槽内；每个所述下承力块的一端设有安装该下承力块导轮的下安装槽；所述上承力块固定在下承力块的上表面，并使该上承力块中的上承力块导轮与下承力块中的下承力块导轮相对应；在每个下承力块的另一端的侧表面有用于固定第一外挂刚性框架或第二外挂刚性框架的卡槽，在该卡槽的上壁板与下壁板上均设有对应同心的螺栓孔；在第一外挂刚性框架和第二外挂刚性框架上均排布有螺纹孔，所述螺纹孔两个一组，每组的两个螺纹孔的中心与对应的承力模块的所述下承力块上的相应的螺栓孔的中心同心；在上承力块与下承力块相贴合的表面均安置有第一柔性垫块；

两个升降块均位于第一外挂刚性框架和第二外挂刚性框架之间；所述升降块的上表面为弧面，并且该弧面的曲率与所成形壁板的曲率相同；在所述升降块的上表面安置有第二柔性垫块；

每一根所述牵引组合模块钢丝绳的一端固定在对应的一个所述紧绳器的收绳轮盘上，另一端依次绕在紧绳器的紧绳器导轮、第一外挂刚性框架对应的一端的承力模块的下承力块中的下承力块导轮表面和对应的一个升降块的升降块导轮表面，之后固定在第二外挂刚性框架对应的一端的承力模块的下承力块中的下承力块导轮上；每一个保险钢丝绳的一端固定在位于第一外挂刚性框架一端的承力模块的上承力块上，每一个保险钢丝绳的另一端固定在位于第二外挂刚性框架上对应的一端的承力模块的上承力块上；

外部处理显示器的输入端分别与所述紧绳器的力传感器的输出端和紧绳器的伺服电机的输出端通过数据线连通。

2.如权利要求1所述的柔性壁板激光喷丸成形夹具，其特征在于：所述紧绳器包括伺服电机、收绳轮盘、力传感器、紧绳器导轮和紧绳器壳体；其中，所述伺服电机安装在所述紧绳器壳体内，收绳轮盘固定安装在该伺服电机的输出轴上；所述力传感器安置在紧绳器导轮与所述收绳轮盘之间，通过该力传感器测定牵引组合模块钢丝绳上的实际力；所述紧绳器导轮安装在该紧绳器壳体侧面的下侧上。

3.如权利要求1所述的柔性壁板激光喷丸成形夹具，其特征在于：第一柔性垫块由聚氨酯制作。

4.如权利要求1所述的柔性壁板激光喷丸成形夹具，其特征在于：每组螺纹孔中，两个螺纹孔之间的中心距为55mm。

5.一种利用权利要求1-4之任一所述的柔性壁板激光喷丸成形夹具进行柔性壁板激光喷丸成形的方法，其特征在于，具体步骤是：

步骤1，壁板预弯曲：

通过紧绳器中收绳轮盘的转动使牵引组合模块钢丝绳伸长放松，从而升降块被卸载，使得升降块对壁板不产生压力；

将壁板的两端分别支撑在各下承力块上，并通过上承力块压紧壁板；固紧保险钢丝绳；控制紧绳器中的收绳轮盘转动，使牵引组合模块钢丝绳收紧，从而使得两个所述升降块被抬升至与该壁板的下表面接触压紧；待两个升降块均与所述壁板接触压紧后，开始进行壁板弯曲预加载，完成壁板预弯曲；

在壁板预弯曲中，通过执行对牵引组合模块钢丝绳进行收缩——确定升降块顶起壁板所需的合力G_n——判定升降块顶起壁板所需的合力G_n与壁板设计参数中的理论力的值的误差——判断是否完成预弯曲这一过程，以确定是否完成预弯曲；具体是：通过伺服电机控制紧绳器中的收绳轮盘转动，从而通过牵引组合模块钢丝绳收缩将升降块顶起对壁板产生作用力，使得壁板产生弯曲，并通过力传感器实时获得壁板弯曲的过程中牵引组合模块钢丝绳上的实际力；根据牵引组合模块钢丝绳上的实际力计算升降块顶起壁板时所需的合力G_n；将升降块顶起壁板时所需的合力G_n与该壁板设计参数中的理论力的值进行比较，以控制加载的完成情况；

所述计算升降块顶起壁板时所需的合力G_n的具体过程是，将所述牵引组合模块钢丝绳的夹持受力过程抽象简化成简支梁受到弯曲变形时牵引组合模块钢丝绳受力的模型；以位于壁板一边的一个承力模块的上承力块和下承力块对壁板一端的夹持位置为A点，以位于壁板另外一边的对应的一个承力模块的上承力块和下承力块对壁板另一端的对应的夹持位置为B点，用于施力的对应的一个升降块位于通过AB连线中点的垂直直线上，牵引组合模块钢丝绳对升降块的力作用点为O点，AB之间直线长度为2L，OA是牵引组合模块钢丝绳位于壁板一侧的一个承力块和升降块之间的部分，OB是牵引组合模块钢丝绳位于壁板另一侧的对应的一个承力块和升降块之间的部分，OA、OB的长度均为a；OA方向上和OB方向上的牵引组合模块钢丝绳上的实际力分别为F₁和F₂，且F₁＝F₂，F₁和F₂的合力为升降块顶起壁板时所需的合力G_n，所述升降块顶起壁板时所需的合力G_n的方向为竖直方向，G_n与F₁、F₂的夹角均为α；a由伺服电机旋转圈数计算得出；G_n中的n的含义是预弯曲过程中第n次调整；根据三角函数关系，有

G_n＝2F₁cosα＝2F₂cosα；

所述预弯曲过程中，使得壁板与各个所述第一柔性垫块和第二柔性垫块之间分别实现面接触；壁板受到施力模块的固定和两个升降块的顶起作用，从而发生弹性预变形；所述弹性预变形指的是壁板不发生塑性变形条件时壁板的变形状态，且所述预变形的力的大小与理论力的大小有一一对应的关系；

牵引组合模块钢丝绳的收缩速度为100mm/min，当所述升降块顶起壁板所需的合力G_n达到壁板设计参数中的理论力的值的80％时，调整伺服电机转速，使得收绳速度下降到20mm/min，保证此时所述升降块顶起壁板所需的合力G_n的变化不产生突变抖动，整个预弯曲过程处于准静态；

升降块顶起壁板所需的合力G_n随着预弯曲的进程而不断增大；当所述升降块顶起壁板所需的合力G_n与壁板设计参数中的理论力的值的误差小于±5％时，停止伺服电机的转动，使牵引组合模块钢丝绳保持当前状态30min；

在将所述升降块顶起壁板所需的合力G_n与该壁板设计参数中的理论力的值进行比较时，在保持当前状态30min的过程中，若该误差稳定在小于±5％，则说明预弯曲过程完成，进入步骤2；

若该误差超过±5％，则启动伺服电机，使所述牵引组合模块钢丝绳以20mm/min的速度收缩，重复执行对牵引组合模块钢丝绳进行收缩——确定升降块顶起壁板所需的合力G_n——判定升降块顶起壁板所需的合力G_n与壁板设计参数中的理论力的值的误差——判断是否完成预弯曲这一过程，以确定是否完成预弯曲；直至完成对所述壁板的预弯曲；

步骤2，卸载保险钢丝绳并将壁板送入喷丸成形机进行喷丸处理：

壁板预弯曲结束后，确认壁板各部位已夹紧，解开保险钢丝绳，将保险钢丝绳从相应的上承力块中取下；

将固定有壁板的成形夹具送入喷丸机的喷丸室内，按常规方法进行喷丸处理，所述喷丸时选用的弹丸直径为3.18mm，压强为0.5MPa，喷丸覆盖率为40％-80％；

步骤3，壁板喷丸中弯曲程度的监控：

壁板的喷丸成形过程中，牵引组合模块钢丝绳上的实际力会实时变化；本步骤中，OA方向上和OB方向上的牵引组合模块钢丝绳上的实际力分别为f₁和f₂，牵引组合模块钢丝绳上的实时合力G_m与f₁、f₂的夹角均为β；通过以下两个公式得到所述牵引组合模块钢丝绳上的实时合力G_m：

G_m＝2f₁cosβ＝2f₂cosβ；

上述公式中，参数a、L的含义与步骤1中相同；

通过所述牵引组合模块钢丝绳上的实时合力G_m得到在喷丸成形过程中所述壁板的转角和挠度；

通过分别对比牵引组合模块钢丝绳上的实际力与壁板设计参数中的理论力、壁板喷丸过程的转角与壁板设计参数中的转角、壁板喷丸过程的挠度与壁板设计参数中的挠度的接近程度，来判断壁板弯曲过程的进度，达到对壁板弯曲状态的实时监测；具体对比过程是，为了保证壁板过弯曲，如果牵引组合模块钢丝绳上的实际力与壁板设计参数中的理论力的误差、壁板喷丸过程的转角与壁板设计参数中的转角的误差、壁板喷丸过程的挠度与壁板设计参数中的挠度的误差中的任意一个达到±5％，即认定完成壁板弯曲，停止喷丸；

步骤4，壁板卸载；

至此，完成对所述柔性壁板激光喷丸成形。

6.如权利要求5所述柔性壁板激光喷丸成形的方法，其特征在于，确定所述壁板的转角和挠度的具体过程是：

将壁板的夹持变形过程抽象简化成简支梁受到弯曲变形的模型；以位于壁板一边的一个承力模块的上承力块和下承力块对壁板一端的夹持位置为A点，以位于壁板另外一边的对应的一个承力模块的上承力块和下承力块对壁板另一端的对应的夹持位置为B点；对应的一个升降块位于通过AB连线中点的垂直直线上，所述的升降块对壁板的作用点为C点；建立平面右手坐标系，以A点为坐标原点，自A点至B点连线的方向为x轴正方向；过所述A点垂直于AB连线的方向的竖线为y轴；z轴的方向按右手定则确定；

在所述A点与B点之间做弧线代表壁板，并使该弧线的曲率与所述壁板的曲率相同；A点处成形夹具对壁板施加的力为F_Ay，B点处成形夹具对壁板施加的力为F_By，C点处升降块对壁板施加的力为G_m，所述的G_m即为牵引组合模块钢丝绳上的实时合力G_m；根据材料力学弯曲变形计算方法，得到壁板的AC、CB两段的转角方程和挠度方程分别为：

AC段：

CB段：

EI为壁板的抗弯刚度；θ₁为AC段壁板与x轴的转角；θ₂为CB段壁板与x轴的转角；y₁为AC段壁板在y方向的挠度；y₂为CB段壁板在y方向的挠度；L为壁板AC段或CB段在x轴上的投影长度；

抗弯刚度EI中，E为壁板弹性模量，通过查阅工程手册得到，I为壁板截面惯性矩，通过公式I＝∫r²dS得到，其中，dS为壁板截面微元面积；r是壁板截面微元面积与壁板轴线的距离。

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