CN1444663A - 结构构件变形的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于结构构件，尤其是在航空和航天中使用的结构构件变形的方法，该结构构件有一个板状基体和大体从基体成直角出发的并与此基体连接成一体的细长和互相大体平行延伸的肋，此构件的变形借助于一种喷射材料颗粒来进行，颗粒通过喷射以高速冲击到结构构件的表面区上，并由此促使材料塑性变形。本发明的目的是提供一种能简单和经济地实施的方法，借助这种方法可以获得各种单轴向和多轴向的构件几何形状。为达到此目的本发明建议，同时对位于各肋相对纵侧上的相互对置的表面区用喷射材料颗粒加载。

Description

结构构件变形的方法和设备

本发明涉及一种用于结构构件，尤其是在航空和航天飞行中使用的结构构件变形的方法，此结构构件有一个板状基体和大体从基体成直角出发的并与此基体连接成一体的细长和互相大体平行延伸的肋，其中，变形通过喷射一种颗粒材料进行，颗粒以高速冲击在结构构件的表面区上并促使材料塑性变形。

特别是在航空和航天技术中往往采用所谓的结构构件或集成构件(Integralbauteil)，它们大多在一侧，但在有些情况下也在两侧有互相平行延伸的肋，而也许没有加肋的这一侧是平的。如果既沿构件纵向又沿其横向存在肋并且这些肋又都大体互相垂直延伸，则此构件获得一种格子状结构。为了弯曲此类构件必须采用复杂的工艺方法，因为这些肋，尤其当它们平行于弯曲方向延伸时，成为巨大的变形阻力。

前言所述类型的变形方法长期以来已应用于航空和航天技术中弯曲大面积的构件，例如负荷面或机身外壳。在结构构件变形时主要考虑使用颗粒直径达2-4mm的喷射材料颗粒。对于构件的大面积加工可借助离心机叶轮施加喷射材料，而对于局部有限的变形则使用手提式喷射设备。这些手提式喷射设备也用于弯曲肋。为了能基于射流几何形状和射流直径使通常扁平的肋有针对性地变形，要加工的肋部分用一护罩覆盖，以便在要变形的肋的区域内获得期望的伸长梯度。为了覆盖肋上不要加载的面积部分，采用橡胶或其他吸收冲击的材料。肋的这种覆盖需要很高的费用支出，且尤其是在必须制作多个护罩的情况下。

作为上述喷丸方法的替代，由先有技术已知所谓夹钳法(Eckhold法)。在此方法中，卡爪状的夹钳用两个隔开距离的钳口在两个相邻部位夹住肋。通过这两个钳口彼此分开或互相合拢的短距离运动，使肋要么局部延伸要么压缩。通过沿肋的纵向长度重复使用，可造成连续的凸或凹的弯曲。这种弯曲可通过夹钳的行程和重复使用的次数进行调整。

尽管这种夹钳法可以自动化，但其缺点是由于每个夹钳行程只有小量的延伸，所以变形过程需要很长的时间。虽然原则上可以自动化，但这种夹钳法的实施仍要求操作者有丰富的经验，主要是因为肋有折断的危险和有回弹的特性。

此外还众所周知所谓蠕变变形法(Age creep forming)用于结构构件。在这种情况下，构件通过切削加工尤其通过铣削加工首先制成一平坦构型。接着将此构件置入模具内，此模具有成品构件的外形。在压力和温度的影响下构件与此模件相适配。这一变形过程通常持续许多小时。另一个缺点在于，必须为每一种几何形状制造专用的模具。此外，要求针对每个构件单独确定参数，即温度、压力和时间。还有，对于那些不适合在此过程中进行加热处理的材料不能采用这种蠕变变形法。另一个困难是，构件在模具中要有一定量的过延伸，以便补偿构件脱模后的回弹，以便获得期望的准确的构件几何形状。

此外，由US 4329862已知的用于板状构件尤其是机翼结构喷丸变形的方法也属于先有技术。但在其中有待受喷射材料加载的机翼构件没有用肋来增强。因此，上述美国专利申请文件仅建议，在第一个步骤中通过对构件的两侧用喷射材料加载而使之伸长，接着通过仅仅在一侧用喷射材料加载而使之沿另一个方向弯曲。

最后，一种在实际工作中采用的结构构件成形方法是，借助现代化的CNC铣床由实心材料铣削出结构构件。但除了材料的大量浪费外，只能制造小量弯曲的结构。应制备成大厚度的原材料成本很高。因此这种方法，尤其用于大面积的构件时，只有在很少数情况下才能经济地使用。此外，由于切削加工同样导致成品构件内显著的回弹效果，从而影响构件的尺寸精确度。

本发明要解决的技术问题是建议一种结构构件的变形方法，采用本方法可以以可靠和经济的方式实现加工后的成品构件有各种几何形状。

从前言所述类型的变形方法出发，上述技术问题按本发明是这样来解决的，即，同时对位于各肋相对纵侧上的相互对置的表面区用喷射材料颗粒加载。

由于受喷丸加载的表面区直接处于相对位置，从而可靠地防止了肋沿横向于其纵向尺寸的方向发生翘曲或扭曲。当象现有技术中那样用手提式喷射装置仅对肋的单侧用喷射材料加载时，尤其令人担忧会发生这种翘曲。另一方面通过同时从两侧在肋表面上冲击的喷射材料，提高了每一个冲击颗粒的效力。在按本发明的方法中将由于材料弹性变形造成的能量损失降到最低程度。通过在肋的某一个高度(相对于基体而言)处按本发明的方法实施两侧喷射材料加载，可实现经如此处理后的结构构件无论是凸的还是凹的弯曲变形。在这里曲率半径的大小通过喷射材料颗粒的尺寸和速度以及喷射处理的持续时间来影响。本发明方法所实现的突出优点是，可仅仅通过对肋实施喷射材料加载来实现结构构件的变形，从而可以取消对基体方面的附加处理。尤其当被处理的结构构件的几何尺寸可以在线测量并被纳入用于控制喷丸处理过程的一种调整策略内时，本发明所建议的方法同样可以实现自动化。

按照本发明方法的一项改进设计，既可以对肋的一个与肋根相邻的纵向条带用喷射粒子加载，也可以对肋的一个与肋顶相邻的纵向条带用喷射粒子加载，其中，纵向条带的宽度最大等于肋高度。

在上面提到的第一种情况下，结构构件的纵肋和/或横肋在根部区内通过喷射材料加载而伸长。由此导致构件凹的弯曲，在这里术语“凹的”是就板状基体设有肋的一侧而言的。

按前述另一种情况，通过纵肋和/或横肋在顶部区内，亦即在其纵向延伸的端侧附近的伸长而获得一种凸的弯曲。

若在具有格子状结构，亦即具有交叉的纵肋和横肋的结构构件中使用本发明的方法，则既可以造成构件单向的弯曲和伸展，也可以造成构件多向的弯曲和伸展。若例如纵肋在根部区内伸长，反之，横肋在顶部区内伸长，则导致由构件凹和凸的弯曲的组合，从而造成一种鞍形的几何形状。对于只有纵肋或横肋的构件，鞍形的结构可这样获得，即，横向于肋纵向的弯曲按先有技术已知的(单侧)方式通过对基体进行喷射材料处理来实现。

本发明还进一步建议，喷射材料颗粒的平均直径为大于4mm。借此也能使有厚壁肋的结构构件可靠地变形。直径大于4mm的大颗粒尤其是大球丸可以撞入肋达到一个较大的深度。

按本发明方法的另一项进一步发展在于，喷射材料颗粒从一个喷射装置的相互对置并互相对准的喷嘴喷出，该喷射装置可沿肋的纵向和高度方向移动。由此可在实施此方法以及实现各种几何形状的过程中实现自动化。

此外，比较有利的是所有喷嘴沿同一个方向和具有相同速度地同步移动。由此保证即使处理地点连续转移，也能始终对肋的相互对置的表面区进行喷丸加载。

本发明还提供一种用于结构构件，尤其是航空和航天中使用的结构构件变形的设备，其中，此结构构件有一个板状基体和从基体成直角出发的并与此基体连接成一体的细长和互相大体平行延伸的肋，这种设备可使结构构件的表面区被高速冲击的喷射材料颗粒加载，从而促使材料塑性变形，按本发明此设备的特征在于至少有两个分别用于定向喷出一束颗粒射流的喷嘴，其中，这两束颗粒射流互相对准，并且喷嘴彼此间的间距比肋的厚度大。喷嘴优选可定位在相邻肋之间的空隙内，由此可实现颗粒射流以大约90°角对准肋的表面。

借助这种设备可以采取比较简单的措施实施前面已说明的变形方法。通过喷射颗粒射流的两个喷嘴或其喷出方向的固定配置，始终可以保证对于肋上位于相对位置的表面区进行喷丸加载。若喷嘴可定位在相邻肋之间的空隙内，则颗粒可垂直地冲击要加工的表面区。

最后，按本发明还规定，所有喷嘴可共同地沿肋纵向和高度方向移动，因此即使对于大尺寸的构件也可以在肋的各种部位实施变形。因此可以在要变形的构件上实现许多可能的几何形状变形。

下面借助附图中表示的设备实施方式对本发明方法予以详细说明，附图中：

图1表示具有两个彼此对准的喷嘴的用于结构构件变形的设备；

图2a为图1所示结构构件局部剖切后的立体视图；

图2b为图2a所示构件的侧视图；

图2c为图2b所示构件被制成凸的弯曲状之后的侧视图；

图3a至3c与图2a-2c所示相对应，但用于制造凹的弯曲形状；

图4表示在进行凸的弯曲变形时肋内的延伸应变量分布状况；以及

图5与图4所示相对应，但表示的是在进行凹的弯曲变形时肋内的延伸应变量分布状况。

图1所示用于结构构件变形的设备仅有两个喷嘴1a和1b，从这两个喷嘴的前侧2a及2b分别射出一束略呈锥形扩张的颗粒状喷射材料射流3a/3b。喷射材料颗粒为弹丸形并且其直径大于4mm(例如6mm)。用于将喷射材料输入喷嘴1a和1b的输送管以及喷射设备的另一些部件是众所周知的，因此在图中没有进一步示出。

采用该局部示出的变形设备可使金属材料制的结构构件4变形。该结构构件4由一板状的仅局部表示的基体5和多个从基体成直角状出发并与基体5连成一体的肋6组成，为了看得清楚起见只部分表示了其中一个肋。这些肋6在被加工的构件上相互间按这样一个相同的间距彼此平行地延伸，即，使得喷嘴1a和1b加上相关的输入装置可定位在相邻肋6之间的空隙内。喷嘴1a、1b之间的间距A设计成可让具有厚度D的有待喷丸处理的肋6布置在它们之间，而且与此同时还在喷嘴1a、1b与肋表面之间留有足够的空间，以保证喷射材料无干扰地流出。

图1表示喷嘴1a/1b垂直于肋6定向时的情况。但颗粒射流也可以倾斜地从上方以一个不为90°的角度冲击在肋表面上。因此喷嘴1a/1b可以设在一个处于肋上侧上方的平面内并移动。

两个喷嘴1a/1b公共的纵轴线7垂直于肋6的两个侧面8a和8b延伸。由此保证在处于相对位置的侧面8a和8b上，相对的并基本上完全一致的表面区被射流3a和3b加载。因此在射流平均强度相同的情况下，在被加载的肋部分区域内存在力平衡，它防止肋6的翘曲或一侧偏斜。

由图2a和2b可看到一个局部剖切后的结构构件4的轴侧视图，其中一个从肋顶9出发的纵向条带10a被突显出来，它平行于肋6的纵向长度延伸。其宽度11约占肋6高度12的40％的这个纵向条带10a借助喷嘴2b受喷射材料加载。相应地一个在图中看不到的处于相对位置的具有相同宽度11的纵向条带10b也借助于喷嘴2a受喷射材料加载。因此在图1中表示的喷嘴布局可共同地，亦即不改变这两个喷嘴2a/2b彼此的相对位置及定向地，沿肋6纵向例如以恒速移动。

图2c表示结构构件4在纵向条带10a和10b区内经喷丸处理后所成的形状。由于在肋顶9区内产生的材料延伸，亦即构件在此区内伸长，不仅肋6而且与之连成一体的基体均成凸弯的形状。尽管有这种弯曲形状，但肋6的侧面8a和8b仍分别处于一个平面内。

除了肋6沿纵向弯曲外，通过喷丸处理基体5下侧13或上侧14也可附加地获得垂直于肋6纵向长度的弯曲。以此方式可形成鞍形结构。

在结构构件有格子状结构，亦即有沿构件纵向和横向交叉的肋的情况下，仅通过肋的喷射处理便可获得这种鞍形结构。但在这里也可选择附加的基体喷射处理。

图3a至3c表示借助喷射材料处理应造成结构构件4凹弯的情况。纵向条带10a′在这里处于肋根15区内并与基体5上侧14直接相连。

在处于相对位置的纵向条带10a′和10b′经成功地喷射材料处理后，结构构件4成为图3c表示的凹的弯曲形状。由于肋6在其根部伸长，同时使板状基体5的材料一起延伸。纵向条带10a′和10b′的宽度11仍为结构构件4高度12的约40％。

最后，由图4和5还可看出在用喷射材料加载的纵向条带10a(在肋顶)或10a′(在肋根)区内延伸应变量的分布状况。在图4所示情况下，延伸应变量从纵向条带10a的下边界线16起一直到肋顶9线性地从零增加到最大值，而在图5所示的结构构件4中延伸应变量同样从纵向条带10a′的上边界线17起线性地一直增加到肋过渡到基体15的肋根15处，在肋根15处存在延伸应变量的最大值。

Claims (9)

1.一种用于结构构件，尤其是在航空和航天中使用的结构构件变形的方法，该结构构件有一个板状基体和一些大体从基体成直角出发的并与此基体连接成一体的细长和互相大体平行延伸的肋，其中，变形通过喷射一种颗粒材料进行，所述颗粒以高速冲击在结构构件的表面区上并促使材料塑性变形，其特征在于：同时对位于各肋相对纵侧上的相互对置的表面区用喷射材料颗粒加载。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：用喷射材料颗粒对肋的一个与肋根相邻的给向条带加载，其中，该纵向条带的宽度最多等于肋高度的一半。

3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：用喷射材料颗粒对肋的一个与肋顶相邻的纵向条带加载，其中，该纵向条带的宽度最多等于肋高度的一半。

4.按照权利要求3所述的方法，其特征在于：所述喷射材料颗粒的平均直径大于4mm。

5.按照权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于：所述喷射材料颗粒从一个喷射设备的一些相对置并互相对准的喷嘴喷出，这些喷嘴沿肋的纵向和高度方向移动。

6.按照权利要求5所述的方法，其特征在于：所述喷嘴沿同一个方向以相同速度同步移动。

7.一种用于结构构件(4)，尤其是在航空和航天中使用的结构构件变形的设备，其中，该结构构件(4)具有一个板状基体(5)和大体从基体成直角出发的并与此基体(5)连接成一体的细长和互相大体平行延伸的肋(6)，其中，可借助此设备将一种喷射材料颗粒高速撞击到结构构件(4)的表面区上，由此促使被撞击表面区内的材料塑性变形，其特征在于有至少两个喷嘴(1a/1b)，分别用于定向喷出一束颗粒射流(3a、3b)，其中，这些颗粒射流(3a、3b)互相对准，并且所述各喷嘴(1a、1b)间的间距(A)比肋(6)的厚度(D)大。

8.按照权利要求7所述的设备，其特征在于：所述喷嘴(1a、1b)可定位在相邻肋(6)之间的空隙内。

9.按照权利要求7或8所述的设备，其特征在于：所述喷嘴(1a、1b)可共同沿肋(6)的纵向和高度方向移动。

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