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超声波喷丸技术大型零件变形校正中的应用

来源:澳门金莎娱乐网站手机版 责任编辑:抛丸机人气:-发表时间:2017-04-26 16:47
    摘要:超声波喷丸技术是一项喷丸新技术,因操纵简便、易控制、成形后的质料综合性能好且无污染,在大型航空企业得到广泛应用。本文结合超声波喷丸设备,先容了超声波喷丸成形原理、特点及参数。通过喷丸试验,分析了喷丸时间和振幅两个参数对成形质量的影响。以某蒙皮壁板和框类零件为例,运用Wheelabrator便携式超声波喷丸设备对该零件的校形进行了验证。实践证明,超声波喷丸技术对蒙皮壁板和框类零件的校形效果较好。
    超声波喷丸技术是近十几年来兴起的一种表面处理惩罚技术,美国和欧洲等发达国家对这种技术进行了研究并在一定范围内生产应用。超声波喷丸技术是利用超声波振动转化为机械振动而产生打击载荷,并作用于金属质料表面,实现金属零件的喷丸强化或喷丸成形。法国SONAT企业于19%年开始对超声波喷丸技术进行研究,目前已开发出一系列的超声波喷丸设备及超声波喷丸成形工艺。Wheelabrator企业研究出便携式超声波喷丸设备,设备特点是碰头移动灵活快捷,喷丸方向完全可以实现人工控制,只需喷丸打击板材表面需要成形的区域,即可实现成形。国内在超声波喷丸设备及相关工艺技术研究方面刚起步,从事超声波喷丸技术研究的单位主要有北京航空制造工程研究所、南京航空航天大学、成飞企业、西飞企业等单位。目前北京航空制造工程研究所和成飞企业两家单位均引进了Wheelabrator便携式超声波喷丸设备并将该设备应用到科研生产中。随着大飞机研制生产,大型蒙皮、壁板、框、梁等整体结构件的普遍应用,整体结构件在飞机上的应用是制造技术上的一大进步,但涉及整体结构件制造的许多关键技术有待解决叼。在整体结构件加工过程中,不但大型蒙皮零件滚弯成形会回弹、会变形,而且壁板、框、梁类等零件铣切后因内应力和残余应力也会发生变形。虽然在生产过程中接纳了抑制加工变形的相应工艺措施,但由于零件质料的种类较多,力学性能各不相同,在不同的加工条件下零件发生变形的形式也各式各样,这使得变形控制更加困难。由于对变形控制的研究尚处于初始阶段,短期内还很难将所有整体结构件的加工变形控制在设计要求的精度范围内。因而,变形校正在相当长的时间内仍然是保证整体结构件加工质量不可缺少的重要手段。Wheelabrator便携式超声波喷丸设备可以用于解决大型蒙皮、壁板、框、梁等零件的校形问题。
 
1、超声波喷丸原理及特点:
1.1、超声波喷丸成形工作原理:
    超声波喷丸成形技术是利用撞针撞击金属板材表面,使受撞击的表面及其下层金属质料产生塑性变形而延伸,逐步使板材向受喷表面凸起的方向发生弯曲变形,达到所需外形的一种成形方法。通过撞针撞击零件表面产生凹坑,类似于硬度实验中的钢球挤压金属物体表面,质料局部发生塑性变形,局部表面积增加,在零件表面的切线方向产生压应力。当大量撞针在平整表面上产生无数凹坑时,压痕之间相互重叠,使一定深度的表层质料产生延伸,从而引起受喷表层面积的增加,金属板料产生弯曲变形。弯曲变形后,板料的内应力重新分布「81,最后,零件的受喷表层和未喷表层内有残余压应力,形成如图1所示的应力分布及板料弯曲形状。
图1喷丸引起的应力分布及板料弯曲
图1喷丸引起的应力分布及板料弯曲
 
1.2、超声波喷丸机工作原理:
    超声波发生器发出15~40 kHz的高频电振荡信号,换能器将电振荡信号转换为高频机械振动,变幅杆与换能器连接,并将换能器输出端的振荡幅值放大后传给振动工具头,振动工具头输出端(即撞针)输出振动幅值。撞针在振动工具头内以一定的速度撞击零件表面,从而使零件表面获得均匀处理惩罚。处理惩罚过程与传统喷丸过程近似,超声波成形原理如图2所示。
 
1.3、超声波喷丸特点:
    超声波喷丸成形与传统的喷丸成形技术相比,
图2超声波喷丸成形原理图
图2超声波喷丸成形原理图
具有以下独特的优势:
    (1)操纵简便易控制。在超声波喷丸成形过程中,可以通过调整超声波发生器的频率、更换碰头或撞针在质料表面的撞击次数来控制金属板料表面的残余应力的大小和深度,从而实现金属板料精确成形。
    (2)成形后的质料综合性能好。与其它喷丸成形相比,超声波喷丸成形后的板材表面光滑,粗糙度良好。撞针撞击部位的圆度和表面粗糙度精度高,撞针的速度方向随机,而且速度要小于传统丸粒,这些因素都使喷丸处理惩罚后的工件表面粗糙度值下降。除此之外,超声波喷丸成形的同时所产生的残余压应力是传统喷丸方法的数倍,可对板料起到更好的成形作用,明显提高了零件抗疲劳、抗腐蚀、抗变形性能。
    (3)无污染。机械喷丸成形需要在每次喷丸结束后对弹丸进行收集、分离以及破损弹丸去除。而超声波喷丸成形的撞针材质一般选用硬质合金钢,不会发生破损,不需要清理,是一项无污染的制造技术。
 
2、超声波喷丸成形试验:
2.1、试验设备:
    Wheelabrator便携式超声波喷丸机可用于大型壁板、框、梁等结构件机械加工后变形校正。该设备主要由超声波发生器、换能器、变幅杆、工作端面(振动工具头、撞针)等部件组成,具体结构如图3所示。
    超声波发生器将220V或380V的交流电转换成超声频电振荡信号,由变幅杆将机械振动的振幅进行放大,磁致伸缩或压电效应超声波换能器的变形量很小,即使在共振条件下,振幅也不凌驾0.005 ~ 0.01 mm,超声波发生器产生的超声频振荡信号经超声波换能器转换成具有同一频率的机械振动,超声波机械振动再经变幅杆放大后通报给工作端面,由工作端面上的撞针以一定的速度和能量进行超声喷丸打击工件,工作端面如图4所示
图3便携式超声波喷丸机结构 图4工作端面


图3便携式超声波喷丸机结构
图4工作端面
2.2、试验质料:
    喷丸试验质料主要包括撞针和ALMEN试片,撞针是喷丸发生的介质,而ALMEN试片是国际通用的弧高度测试法来衡量喷丸强度的标准试片,具体特性见表1。本试验根据设备要求选择A型ALMEN试片。
表1喷丸试验质料
表1喷丸试验质料
本试验试片的质料为7075-T651、厚度分别为
2,3,4,5 mm、尺寸为70 mmx40 mm的进口铝合金其常温的力学性能参数见表2。
 
3、超声波喷丸主要工艺参数及影响:
    影响喷丸强度的超声波喷丸工艺参数主要有:喷射时间、撞针质料、撞针直径、振幅、频率等。结合试验设备情况,由于撞针的质料为硬质合金、撞针直
表2  7075-T651铝合金的常温力学性能

表2  7075-T651铝合金的常温力学性能
径为小2mm,频率为(20士1)kHz、喷丸角度900,主要分析了喷射时间和振幅两个参数的影响。
3.1、振幅对喷丸强度和喷丸时间的影响:
    小于40%的振幅对零件的校形没有意义,因此,利用超声波喷丸设备分别对50% ,60% ,70% ,80% ,90%和100%的振幅进行超声波喷丸强度确定试验,具体试验情况见表3
表3不同振幅对应的饱和时间和饱和强度 图5振幅与饱和强度/饱和时间关系曲线 图6超声波喷丸强度与喷丸时间关系曲线
短。超声波喷丸强度随着喷丸时间的延长而增加,其
过程由急速增加到平缓状态,与传统的机械喷丸类似。
3.2、振幅对不同质料厚度变形量的影响:
    在确定喷丸强度所选择的振幅基础上,接纳厚度分别为2,3,4,5 mm,尺寸为70 mmx40 mm,质料为7075-T651的试片进行超声波成形试验,验证在不同振幅下超声波喷丸对不同的质料厚度变形影响,从而建立超声波校正工艺规范,用于引导实际操纵和生产。具体试验参数为:喷丸角度900,手柄移动速度1 r/s ,覆盖率100%。试片喷丸后的状态见图7,试验结果见表4。
图7试片喷丸后的状态(振幅70%) 表4不同振幅下不同质料厚度的变形弧高值
图7试片喷丸后的状态(振幅70%)
表4不同振幅下不同质料厚度的变形弧高值
    根据表4的试验数据可知:在其它参数相同情况下,当试片的覆盖率达到100%时,试片的变形量随着振幅的增加而增大,但是试片的变形量随着试片厚度的增加而降低。
 
4、超声波喷丸设备应用实例:
    现代大型飞行器的航空结构件(例如:机翼壁板、机加框、梁)一般由轻金属质料制造,例如高强铝合金。为了提高零件的机械强度和使用寿命,减轻零件重量,这些零件一般被设计成为带有筋条和凹腔的复杂结构外形。一般情况下,在数控加工过程中,金属板料内部会产生应力,这些应力分布复杂且难以预测。机械加工后应力就会重新分布直至达到平衡状态,导致机翼壁板、框、梁等零件变形,这就必须通过校正过程来满足零件的精确几何外形f}lcWheelabrator便携式超声波喷丸机因效率高、控制好、使用方便等特点在成飞企业已得到应用。
4.1、大型蒙皮壁板零件的校形:
    图8为某蒙皮壁板零件,尺寸大小为8200 mmx1800 mm,曲率半径为2516 mm,有4级台阶,台阶厚度分别为5.8,4.6,3.2,2.Smm。零件接纳先滚弯成形再利用真空铣夹进行压平铣切的方式加工。但在加过程中,由于零件刚度差,加工完成后,因整体壁板内应力重新分布等多种原因,导致壁板产生变形。应用Wheelabrato:便携式超声波喷丸设备对变形的壁板进行校正,并在检验夹具上进行检验,直至完全符合理论外形。
图8某蒙皮壁板零件2D图
 
图8某蒙皮壁板零件2D图
4.2、框、梁类零件的校形:
    图9为某加工框零件,弦长为1800 mm,曲率半径为1200 mm的单曲率零件。工件在切削加工过程中,随着被切削质料的去除,一方面引起工件内部原有残余应力的释放和再分布,另一方面由于切削力和切削热的作用,在工件表层产生新的残余应力,这种残余应力只分布在已加工表面的表层。加工完成后,因零件残余应力的重新分布,导致零件产生变形。应用Wheelabrato:便携式超声波喷丸设备对变
 
图9某加工框零件
图9某加工框零件
形的框零件进行校正,在检验夹具上检验直至完全符合理论外形。超声波喷丸校正前后对比如图10所示,由图可知,校形前零件与检验夹具间隙较大,校形后零件与检验夹具贴合较好。
图10超声波喷丸校形前后对比图
图10超声波喷丸校形前后对比图
 
5、结论:
    (1)振幅与饱和强度呈正相关,随着振幅的增加喷丸强度值增高。振幅与饱和时间呈负相关,即随着振幅的增加饱和时间变短。超声波喷丸强度随着喷丸时间的延长而增加,其过程由急速增加转为平缓状态,与传统的机械喷丸类似。
    (2)在其它参数相同情况下,当试片的覆盖率达到100%时,试片的变形量随着振幅的增加而增大,但试片的变形量随着试片厚度的增加而降低。
    (3)实践证明,Wheelabrator超声波喷丸设备对大型机械加工件和饭金件的变形校正效果较好。

此文关键字:超声波喷丸机,喷丸机

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