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喷丸成形技术之小弹丸 大改变

作者:发表时间2015-06-13 10:48
喷丸作为一种表面强化工艺,它的历史可追溯到公元前2700年。据记载,当时的铁匠就已经认识到在冷态下经过锤子锤打的金属可以变得更加坚硬。中世纪的欧洲人在使用马拉轿车中发现,同样的板式弹簧,凡经过表面吹沙处理的,使用寿命显著提高。20世纪初,人们开始使用金属颗粒对弹簧和大型齿轮的齿根进行喷丸强化处理。           经过20世纪40年代大批研究者的努力,大家对喷丸工艺的认识提升到一个更高层次,从而推动和扩展了这项工艺的应用范围。洛克希德·马丁公司的工程师Jim Boerger从喷丸强化Almen试片中得到启发,开创了一种现代飞机制造中的先进成形技术——喷丸成形技术。           喷丸成形的基本原理是:利用高速弹丸(直径1~6mm)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双向弯曲变形(如图所示)。           喷丸成形按照不同的分类方法有着不同的种类:按照喷丸区域不同,分为单面喷丸成形和双面喷丸成形;按照弹丸获得速度的驱动方式,喷丸成形分为离心式喷丸成形、气动式喷丸成形和超声喷丸成形;根据喷丸成形时是否在零件上预先施加外载荷,喷丸成形分为自由状态喷丸成形和预应力喷丸成形。           喷丸成形工艺优点十分显著。首先,该工艺无需成形模具,工艺装备简单,可节省大量的模具设计与制造时间,大大缩短了生产准备周期和成本,并能够快速、灵活的应对设计更改,特别适合于尺寸大、外形相对平缓的零件。其次,需成形零件的长度不受设备大小限制(长度可达35m以上),只要厂房场地允许,可以任意加长机床导轨,适应任意长度的大型零件。再次,喷丸成形有助于延长材料疲劳寿命和耐腐蚀性能。           正是基于这些优点,喷丸成形技术已广泛应用于航空航天等领域的整体壁板零件制造。美国首先在"星座号"飞机上运用喷丸成形方法制造机翼整体壁板,从20世纪50年代中期开始,喷丸成形技术成为民用军用飞机机翼、机身等壁板类零件的主要成形手段。进入20世纪80年代,超临界机翼成为飞机先进性重要标志,组成机翼的整体壁板出现了复杂马鞍形和扭转特点,而且带筋结构明显增多。对于此类零件传统喷丸成形很难满足其所需变形量,为此预应力喷丸成形技术得到重视。预应力喷丸成形是一种在成形前借助预应力夹具在板坯上施加弹性变形力,然后对其进行喷丸的成形方法。在相同条件下,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,该技术的应用进一步推动了喷丸成形技术的发展。           随着信息化时代的到来,计算机技术的快速发展促进了喷丸成形技术的研发,随之出现了数字化喷丸成形技术,开创了喷丸成形技术的新纪元。数字化喷丸成形是以数字量形式描述零件及其喷丸成形全过程,并将各阶段形成的数据统一管理起来的先进成形技术,比较成功的范例是德国KSA公司提出的自动化喷丸成形技术。多年来KSA与空客建立合作关系,早期为空客制造A310机身壁板,在2001年实现对A380激光焊机身壁板的喷丸成形和校形,并与Baiker公司联合为空客研制出当时世界上喷丸室较大的数控喷丸成形设备。           目前,喷丸成形工艺广泛应用于大中型客机(包括当前正在运营的所有空客、波音客机系列飞机)和运输机的机翼整体壁板的成形。因此,大型机翼整体壁板喷丸成形技术是大型飞机机翼制造的核心技术之一,该技术已经被美国波音和金属改进公司及欧洲空客等少数几家公司垄断,并对其他国家实施技术封锁。随着大型飞机设计要求不断提高,喷丸成形技术经历了整体壁板从单曲率到复杂双曲率,从不带筋到带筋的应用过程,成形构件的外形和结构复杂程度日趋加大,为喷丸成形技术带来了前所未有的挑战与机遇。           展望未来,喷丸成形技术的发展将呈现以下特点:首先,喷丸对象及设备大型化,如大型复杂外型整体壁板、大型整体结构等喷丸,它们需要大型喷丸设备及相应喷丸技术。其次,喷丸壁板外型结构日益复杂化,即在现有可喷丸成形构件外型、结构和形状的基础上更加复杂,要求更大的喷丸变形量。再次,喷丸过程智能化,较大限度地把人力从繁杂的喷丸工艺过程中解放出来、提高喷丸质量和效率,而现代科技发展与进步使喷丸过程智能化的逐步实现已经成为可能。较后,新型喷丸加工方法的不断涌现,其中双面喷丸成形技术、激光喷丸成形技术、超声喷丸成形技术和高压水喷丸成形技术的发展和应用得到了广泛的重视和关注。           小小弹丸,改变的不仅仅是零件的形状,还在改变着现代飞机制造技术的发展。在航空航天制造快速进步的今天,喷丸成形技术发展和应用前景光明,技术经济市场广阔,在整体壁板制造中定将占领不可替代的位置

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