CN115635004B - 一种马鞍外形带筋壁板喷丸成形方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于航空制造技术领域，尤其涉及一种马鞍外形带筋壁板喷丸成形方法，包括：基于带筋壁板的结构特征，对带筋壁板零件进行几何分析；确定带筋壁板的蒙皮弦向成形曲率及厚度信息，根据信息设计喷丸成形工艺参数，对带筋壁板外表面进行弦向喷丸弯曲成形；利用预弯长桁展向工装对带筋壁板外表面沿展向预弯，在展向预弯的带筋壁板上确定喷丸范围，在喷丸范围内对带筋壁板内表面的筋条进行喷丸弯曲成形；卸载预弯长桁展向工装，对带筋壁板弦向变形进行预弯补偿；在补偿预弯的带筋壁板上确定补偿喷丸区域，在补偿喷丸区域内对带筋壁板的蒙皮外表面进行补偿喷丸；可大幅提高数控喷丸成形精度与蒙皮表面波纹度，使零件外形贴膜间隙小于0.5mm。
Description
技术领域
本发明属于航空制造技术领域，尤其涉及一种马鞍外形带筋壁板喷丸成形方法。
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。此外，喷丸成形工艺参数众多，在无模具条件下通过渐进成形原理来获得目标精确型面，这需要对工艺参数优化设计与精确控制。
随着喷丸成形的技术发展，预应力喷丸成形逐步得到推广，预应力喷丸成形是指在喷丸成形前，借助预应力夹具预先在零件板坯上施加载荷，形成弹性应变，然后再对其进行成形的一种喷丸成形方法。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2～3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，该技术可以解决复杂外型曲率零件的喷丸成形需求，从而进一步推动了喷丸成形技术的发展。
近年来，为了提高喷丸成形极限，激光喷丸成形技术得到逐渐应用。激光喷丸成形技术原理与传统弹丸介质喷丸成形基本一致，二者区别在于输入给壁板零件的变形能量的方式不同。激光喷丸成形在不影响零件表面质量情况下，传递给零件的能量更大，对零件表层残余压应力深度更深。但是，两种技术对零件变形控制的工艺设计方案是近似的。
随着新型先进飞机机动性、隐身性、耐久性、燃油经济性需求的提升，带筋壁板结构日趋复杂，局部气动外形曲率增加(比如沿展向曲率半径小于10m，弦向曲率半径小于3m)，造成壁板沿展、弦向双方向的变形量均加大，筋条的刚性增大制造难度，且双曲率外形的型面精确控制难度加大。其中，带筋壁板马鞍外形(沿筋条方向外表面“凹陷”，垂直筋条方向外表面“凸起”变形)制造难度更大。
因此，突破大曲率马鞍外形带筋壁板的喷丸成形技术成为新型飞机大型带筋壁板制造成功的关键。
发明内容
本发明主要针对以上问题，提出了一种马鞍外形带筋壁板喷丸成形方法，其目的是解决外形精度难于控制问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种马鞍外形带筋壁板喷丸成形方法，该带筋壁板包括蒙皮和至少一个筋条，筋条设置于蒙皮的内表面，所述马鞍外形带筋壁板成形的喷丸成形方法包括以下步骤：
步骤1、基于带筋壁板的结构特征，对带筋壁板零件进行几何分析；
步骤2、根据所述几何分析，确定带筋壁板加工信息，根据所述加工信息设计喷丸成形工艺参数，对带筋壁板外表面进行弦向喷丸弯曲成形；
步骤3、利用预弯长桁展向工装对带筋壁板外表面沿展向预弯，在所述展向预弯的带筋壁板上确定喷丸范围，在所述喷丸范围内对带筋壁板内表面的筋条进行喷丸弯曲成形；
步骤4、卸载所述预弯长桁展向工装，利用弦向补偿工装对所述带筋壁板弦向变形进行预弯补偿；
步骤5、在所述预弯补偿的带筋壁板上确定补偿喷丸区域，在所述补偿喷丸区域内对带筋壁板的蒙皮外表面进行补偿喷丸，所述补偿喷丸区域为两筋根挡条之间的区域。
进一步地，在步骤2中，还包括对喷丸区域和喷丸覆盖率的确定，所述喷丸区域的确定包括：以所述筋条所设蒙皮内表面位置对应的外表面区域为加厚区，以所述加厚区以外的外表面区域为喷丸区域；所述喷丸覆盖率为10％-40％。
进一步地，在步骤3中，利用预弯长桁展向工装对带筋壁板外表面沿展向预弯的步骤包括：设计并制造具有曲率的两展向预弯挡条和一展向预弯顶条，将两展向预弯挡条以垂直于所述筋条长度方向在蒙皮的内表面保持固定，将所述展向预弯顶条介于两展向预弯挡条之间、且在蒙皮的外表面侧向带筋壁板移动，使所述带筋壁板与所述展向预弯挡条接触，继续移动直至带筋壁板外表面沿展向呈现凹陷变形。
进一步地，在步骤3中，在所述展向预弯的带筋壁板上确定喷丸范围，其中，所述喷丸范围为两展向预弯挡条之间的区域。
进一步地，在步骤3中，在所述喷丸范围内对带筋壁板内表面的筋条进行喷丸弯曲成形的步骤包括：在所述喷丸范围内对所述筋条的顶面及两侧面进行喷丸弯曲成形。
进一步地，在步骤4中，利用弦向补偿工装对所述带筋壁板弦向变形进行预弯补偿的步骤包括：设计与步骤3中喷丸成形后的蒙皮和筋条沿展向曲率一致的弦向预弯挡条和弦向预弯顶条，其中，所述弦向预弯挡条的数量与所述带筋壁板的筋条数量一致，且该弦向预弯挡条具有与所述加厚区宽度一致的筋根挡条，将所述弦向预弯挡条的筋根挡条放置在所述加厚区的对应位置，将所述弦向预弯顶条介于两个相邻的所述筋条之间；使所述弦向预弯挡条保持固定，移动所述弦向预弯顶条使得带筋壁板外表面沿弦向凸起变形，控制其变形为弹性变形。
进一步地，步骤5之后，还包括：对成形后的带筋壁板外形精度进行测量，对间隙超差区域进行超声波喷丸校形，直至成形外形间隙小于0.5mm的指标要求。
进一步地，步骤1中，对带筋壁板零件进行几何分析，至少包括分析零件壁厚、筋条截面尺寸、展向曲率半径分布、弦向曲率半径分布、中性层位置。
进一步地，步骤2中，所述喷丸成形工艺参数至少包括弹丸规格、弹流量、覆盖率、喷丸气压。
本发明的上述技术方案具有如下优点：通过对带筋壁板零件进行几何分析，确定带筋壁板的成形工艺参数；根据所述工艺参数，对带筋壁板外表面进行弦向喷丸弯曲成形；根据所述工艺参数，利用预弯长桁展向工装对带筋壁板外表面沿展向预弯，在所述展向预弯的带筋壁板上确定喷丸范围，在所述喷丸范围内对带筋壁板内表面的筋条进行喷丸弯曲成形；卸载所述预弯长桁展向工装，根据所述工艺参数，利用弦向补偿工装对所述带筋壁板弦向变形进行预弯补偿；在所述预弯补偿的带筋壁板上确定补偿喷丸区域，在所述补偿喷丸区域内对带筋壁板的蒙皮外表面进行补偿喷丸；本发明针对大曲率马鞍外形带筋壁板，设计了弦向补偿工装，将弦向补偿工装的弦向预弯挡条的筋根挡条放置在所述加厚区的对应位置，在蒙皮外表面弦向补偿喷丸时，可以达到对筋条保型的目的；通过在两筋根挡条之间的区域进行喷丸，可以对带筋壁板弦向变形进行预弯补偿，从而大幅提高数控喷丸成形精度与蒙皮表面波纹度。
附图说明
图1为本发明披露的一种马鞍外形带筋壁板喷丸成形方法路线流程图。
图2为本发明披露的一种带筋壁板处理前的结构示意图。
图3为本发明披露的一种蒙皮弦向喷丸成形后零件外形变化状态图。
图4为本发明披露的一种预弯长桁展向工装对带筋壁板外表面沿展向预弯前的结构示意图。
图5为本发明披露的一种预弯长桁展向工装对带筋壁板外表面沿展向预弯后零件外形变化状态图。
图6为本发明披露的一种对带筋壁板内表面的筋条进行喷丸弯曲成形前的结构示意图。
图7为本发明披露的一种带筋壁板内表面的筋条进行喷丸弯曲成形后零件外形变化状态图。
图8为本发明披露的一种弦向补偿工装的结构示意图。
图9为本发明披露的一种弦向补偿工装对带筋壁板在补偿加工前的主视结构示意图。
图10为本发明披露的一种弦向补偿工装对带筋壁板在补偿加工前的立体结构示意图。
图11为本发明披露的一种完成弦向补偿加工后零件外形变化状态图。
图中：10、带筋壁板；10-1、筋条；10-2、蒙皮；0-1、喷丸区域；0-2、加厚区；0-3、顶面；0-4、侧面；0-5、补偿喷丸区域；1-1、展向预弯挡条；1-2、展向预弯顶条；1-3、顶杆；2-1、弦向预弯挡条；2-2、弦向预弯顶条；2-1-1、筋根挡条；2-2-1、蒙皮顶条。
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。
在喷丸成形工艺过程中，众多工艺参数匹配综合影响着零件外形精度与表面质量。针对大曲率带筋壁板喷丸成形，克服筋条大刚性约束作用，必须施压预应力来加大展向方向变形能力。针对筋条沿展向外表面“凹陷”变形情况，预应力的施加以及喷丸筋条使其延展会抑制蒙皮弦向的变形，从而使得弦向精度不足。再对蒙皮进行弦向“凸起”变形时候往往会引起喷丸覆盖率过大而使材料硬化，产生表面其波浪等问题。
因此，大曲率带筋壁板马鞍外形精度很难控制，本实施例针对该问题提出了一种马鞍外形带筋壁板喷丸成形方法，可大幅提高零件外形精度及表面波纹度。
如图2所示，该带筋壁板10包括蒙皮10-2和至少一个筋条10-1，筋条10-1设置于蒙皮10-2的内表面，马鞍外形带筋壁板成形的喷丸成形方法如图1所示，包括以下步骤：
步骤1：几何数模分析，基于带筋壁板10的结构特征，对带筋壁板10零件进行几何分析。
具体地，可利用CAT IA或其它三维软件，对带筋壁板10零件进行几何分析，包含带筋壁板10的壁厚、筋条10-1截面尺寸、展向曲率半径分布、弦向曲率半径分布、中性层位置等信息。
步骤2：外蒙皮弦向喷丸成形，根据所述几何分析，确定带筋壁板10的加工信息，根据所述加工信息设计喷丸成形工艺参数，对带筋壁板10外表面进行弦向喷丸弯曲成形。
在本实施例中，需要根据几何数据确定带筋壁板10的蒙皮弦向成形曲率及厚度，设计喷丸成形工艺参数，包括弹丸规格、弹流量、覆盖率、喷丸气压等。喷丸区域0-1为零件外表面筋条10-1的加厚区0-2以外的区域，可以理解的是，以筋条10-1所设蒙皮10-2内表面位置对应的外表面区域为加厚区0-2，以加厚区0-2以外的外表面区域为喷丸区域0-1，如图2所示。喷丸覆盖率为10％-40％。蒙皮10-2弦向喷丸成形后零件外形变化如图3所示，利用高速弹丸流撞击蒙皮10-2的喷丸区域0-1，使受撞击的表面及其下层蒙皮材料产生塑性变形而延伸，逐步使带筋壁板10发生向受喷面凸起的弯曲变形。
在一些可选的实施例中，步骤2中依据信息设计喷丸成形工艺参数，对带筋壁板10外表面进行弦向喷丸弯曲成形，具体为：依据喷丸成形的参数编辑数控程序，利用数控喷丸成形设备对带筋壁板10进行喷丸弯曲成形。
步骤3：长桁展向喷丸成形，利用预弯长桁展向工装对带筋壁板10外表面沿展向预弯，在所述展向预弯的带筋壁板上确定喷丸范围，在所述喷丸范围内对带筋壁板内表面的筋条进行喷丸弯曲成形。
在本实施例中，首先需要设计并制造预如图4-图5所示的预弯长桁展向工装，包括两组展向预弯挡条1-1、展向预弯顶条1-2、若干顶杆1-3。其中，两组展向预弯挡条1-1沿筋条10-1垂直方向设置，并位于两侧，若干顶杆1-3沿展向预弯顶条1-2的长度方向均匀设置，有利于保证施力均匀。
其次，展向预弯挡条1-1、展向预弯顶条1-2分别与带筋壁板10接触的面上带有曲率，若干顶杆1-3成一组，移动顶杆1-3向展向预弯顶条1-2靠近直至展向预弯顶条1-2接触带筋壁板10，继续向带筋壁板10方向移动直至带筋壁板10与展向预弯挡条1-1接触，如图5所示，当继续移动顶杆1-3时，使得带筋壁板10外表面沿展向呈现“凹陷”变形，该“凹陷”变形为弹性变形，即将展向预弯顶条1-2移除后，带筋壁板10回弹至前一步外形。整个预弯过程展向预弯挡条1-1被约束静止。
然后，对带筋壁板10长桁进行喷丸成形，喷丸区域为筋条10-1的顶面0-3及两个筋条10-1的侧面0-4，喷丸范围为两个展向预弯挡条1-1之间，具体如图6所示。
步骤4：特殊工装设计制造，卸载所述预弯长桁展向工装，利用弦向补偿工装对所述带筋壁板弦向变形进行预弯补偿。
在本实施例中，对完成步骤3中的预弯长桁展向工装进行卸载，卸载工装后，带筋壁板10变形结果如图7所示。可以看出，沿展向外表面呈现“凹陷”变形，然而受到筋条10-1凸起对蒙皮10-2向内表面约束作用，沿弦向曲率减小，外表面总体呈现马鞍外形。
针对蒙皮10-2弦向的变形被抑制的情况，本实施例设计如图8所示的弦向补偿工装，对弦向变形进行补偿预弯，预弯过程保持长桁展向方向的外形。其中，弦向补偿工装包括弦向预弯挡条2-1、弦向预弯顶条2-2，与带筋壁板10的接触面均带有弧度，其曲面曲率与前一步喷丸成形后壁板筋板10沿展向曲率一致。弦向预弯挡条2-1的数量与带筋壁板10筋条数量一致。补偿预弯时，弦向预弯挡条2-1保持固定，移动弦向预弯顶条2-2使得带筋壁板10的外表面沿弦向凸起变形，控制其变形为弹性变形，即将弦向预弯顶条2-2移除后带筋壁板10回弹至本步骤之前外形。
步骤5：外蒙皮弦向补偿喷丸，在所述预弯补偿的带筋壁板10上确定补偿喷丸区域0-5，在所述补偿喷丸区域0-5内对带筋壁板10的蒙皮10-2外表面进行补偿喷丸。
于本实施例的一个弦向补偿工装的例子，如图9-图10所示，弦向预弯挡条2-1具有筋根挡条2-1-1，弦向预弯顶条2-2具有蒙皮顶条2-2-1，筋根挡条2-1-1和蒙皮顶条2-2-1分别作为接触蒙皮10-2外表面和内表面的抵持部，其中，筋根挡条2-1-1的宽度与带筋壁板10的筋条10-1的加厚区0-2宽度一致，喷丸前，将弦向预弯挡条2-1的筋根挡条2-1-1放置在加厚区0-2的对应位置，根据两筋根挡条2-1-1所设位置，将两筋根挡条2-1-1之间的区域作为补偿喷丸区域0-5，由此，在对蒙皮10-2进行补偿喷丸时，可实现筋条10-1保型，可大幅提高数控喷丸成形精度与蒙皮表面波纹度，使零件外形贴膜间隙小于0.5mm。
具体地，在喷丸前，使弦向预弯挡条2-1保持固定，将弦向预弯顶条2-2介于两个相邻的筋条10-1之间，其宽度优选为25-50mm，在补偿喷丸区域0-5进行补偿喷丸时，移动弦向预弯顶条2-2。完成补偿喷丸后卸载弦向补偿工装，带筋壁板10的变形如图11所示。
最后，还可以对完成上述步骤1-步骤5的带筋壁板10进行局部超声喷丸校正，于本实施例的一个校正的例子，利用样板或卡板式检验工装对成形后的带筋壁板10的外形精度进行测量，对间隙超差区域进行超声波喷丸校形，直至外形间隙小于0.5mm的指标要求。
本领域技术人员可以理解，图4-图6、图8-图10中示出的各预弯工装的具体结构并不构成对本马鞍外形带筋壁板喷丸成形的限定，各预弯工装可以包括比图示更多或更少的部件，某些部件也并不属于各预弯工装的必须构成，完全可以根据需要在不改变发明的本质的范围内而省略，或者组合某些部件。
在一具体实施例中，以某型带筋壁板10零件为例(尺寸大约6000mm×1400mm，材料牌号：2024-T351)，沿筋条10-1方向外表面凹陷变形的最小曲率半径约5000mm，垂直筋条10-1方向外表面凸起变形最小曲率半径约2400mm。利用上述实施例中的方法对零件进行喷丸成形，达到外型贴模间隙小于0.5mm的要求(按规范标准加载状态)，且蒙皮10-2表面波纹度满足要求。
在同一曲率下，实施例中马鞍外形带筋壁板通过上述实施方法，使得在筋条10-1保型的基础上进行蒙皮10-2补偿喷丸，可大幅提高数控喷丸成形精度与蒙皮表面波纹度，使零件外形贴膜间隙小于0.5mm，同时，使本发明制备的带筋壁板10马鞍外形广泛地用作新型飞机机翼、机身等结构上。另外，本发明的路线方法同样适用激光喷丸成形，同时针对焊接或者铆接筋条的带筋壁板的喷丸成形方法同样适用。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种马鞍外形带筋壁板喷丸成形方法，其特征在于，该带筋壁板包括蒙皮和至少一个筋条，筋条设置于蒙皮的内表面，所述马鞍外形带筋壁板成形的喷丸成形方法包括以下步骤：
步骤1、基于带筋壁板的结构特征，对带筋壁板零件进行几何分析；
步骤2、根据所述几何分析，确定带筋壁板加工信息，根据所述加工信息设计喷丸成形工艺参数，对带筋壁板外表面进行弦向喷丸弯曲成形；
步骤3、利用预弯长桁展向工装对带筋壁板外表面沿展向预弯，在所述展向预弯的带筋壁板上确定喷丸范围，在所述喷丸范围内对带筋壁板内表面的筋条进行喷丸弯曲成形；
步骤4、卸载所述预弯长桁展向工装，利用弦向补偿工装对所述带筋壁板弦向变形进行预弯补偿；
步骤5、在所述预弯补偿的带筋壁板上确定补偿喷丸区域，在所述补偿喷丸区域内对带筋壁板的蒙皮外表面进行补偿喷丸，所述补偿喷丸区域为两筋根挡条之间的区域；
在步骤2中，还包括对喷丸区域和喷丸覆盖率的确定，所述喷丸区域的确定包括：以所述筋条所设蒙皮内表面位置对应的外表面区域为加厚区，以所述加厚区以外的外表面区域为喷丸区域；
在步骤4中，利用弦向补偿工装对所述带筋壁板弦向变形进行预弯补偿的步骤包括：设计与步骤3中喷丸成形后的蒙皮和筋条沿展向曲率一致的弦向预弯挡条和弦向预弯顶条，其中，所述弦向预弯挡条的数量与所述带筋壁板的筋条数量一致，且该弦向预弯挡条具有与所述加厚区宽度一致的筋根挡条，将所述弦向预弯挡条的筋根挡条放置在所述加厚区的对应位置，将所述弦向预弯顶条介于两个相邻的所述筋条之间；使所述弦向预弯挡条保持固定，移动所述弦向预弯顶条使得带筋壁板外表面沿弦向凸起变形，控制其变形为弹性变形。
2.如权利要求1所述的一种马鞍外形带筋壁板喷丸成形方法，其特征在于，所述喷丸覆盖率为10%-40%。
3.如权利要求1所述的一种马鞍外形带筋壁板喷丸成形方法，其特征在于，在步骤3中，利用预弯长桁展向工装对带筋壁板外表面沿展向预弯的步骤包括：设计并制造具有曲率的两展向预弯挡条和一展向预弯顶条，将两展向预弯挡条以垂直于所述筋条长度方向在蒙皮的内表面保持固定，将所述展向预弯顶条介于两展向预弯挡条之间、且在蒙皮的外表面侧向带筋壁板移动，使所述带筋壁板与所述展向预弯挡条接触，继续移动直至带筋壁板外表面沿展向呈现凹陷变形。
4.如权利要求3所述的一种马鞍外形带筋壁板喷丸成形方法，其特征在于，在步骤3中，在所述展向预弯的带筋壁板上确定喷丸范围，其中，所述喷丸范围为两展向预弯挡条之间的区域。
5.如权利要求1或3或4所述的一种马鞍外形带筋壁板喷丸成形方法，其特征在于，在步骤3中，在所述喷丸范围内对带筋壁板内表面的筋条进行喷丸弯曲成形的步骤包括：在所述喷丸范围内对所述筋条的顶面及两侧面进行喷丸弯曲成形。
6.如权利要求1所述的一种马鞍外形带筋壁板喷丸成形方法，其特征在于，步骤5之后，还包括：对成形后的带筋壁板外形精度进行测量，对间隙超差区域进行超声波喷丸校形，直至成形外形间隙小于0.5mm的指标要求。
7.如权利要求1所述的一种马鞍外形带筋壁板喷丸成形方法，其特征在于，步骤1中，对带筋壁板零件进行几何分析，至少包括分析零件壁厚、筋条截面尺寸、展向曲率半径分布、弦向曲率半径分布、中性层位置。
8.如权利要求1所述的一种马鞍外形带筋壁板喷丸成形方法，其特征在于，步骤2中，所述喷丸成形工艺参数至少包括弹丸规格、弹流量、覆盖率、喷丸气压。
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