喷丸成形技术的研究进展

喷丸成形技术的研究进展

喷丸成像技术的优点主要体现在以下几个方面。1)工艺装备简单,不需要成形模具,因此零件制造成本低,对零件尺寸大小的适应性强;2)由于喷丸成形后,沿零件厚度方向在上、下两个表面均形成残余压应力(如图2所示),因此在零件成形的同时,还可以改善零件的抗疲劳性能;3)既可以成形单曲率零件,也可以成形复杂双曲率零件。由于喷丸成形技术具有上述优点,因此自20世纪40年代初期,美国Lockheed航空公司的工程师JimBoerger从喷丸强化Almen试片产生变形这一特点受到启发,从而开创了这一对现代飞机制造产生重大影响的先进成形技术。在成功应用于Constellation(星座号)飞机壁板零件的生产之后,喷丸成形技术便被广泛应用于EM120,A10,A6,EA6,S3A,P3,C5,C130,C141,F15,F5E,B1等军用飞机及A310-A340、707-777、REGIONALJET、DASH7、DASH8、L1011、MD11、MD80、MD90、MD95、DC10、ATR72、Do.228、Do.328等民用飞机以及运载火箭ARIANE-4,5和ATLASII上的整体壁板零件制造中。近年来,随着现代先进飞机对整体气动性能的要求越来越高,以及计算机技术的快速发展,大大促进了喷丸成形技术的研究和开发,出现了预应力喷丸成形技术、数字化喷丸成形技术、新型喷丸成形/强化技术等,大大扩展了喷丸成形技术的加工能力和应用范围。1超临界机翼结构及性能通常情况下,喷丸成形前的零件完全处于自由状态,喷丸成形所引起的零件变形量与喷丸强度、弹丸覆盖率和零件厚度有关。影响喷丸强度的因素主要有与弹丸有关的参数,包括弹丸材料、弹丸热处理状态和弹丸直径,以及与喷丸设备有关的参数,包括弹丸速度和喷射角度。影响弹丸覆盖率的因素主要有喷丸时间和受喷零件的材料性能。因此,针对一定的喷丸设备和弹丸,采用最大覆盖率喷丸成形特定材料和厚度的零件时,所获得的变形量是一定的,该变形量反映了相应条件下的喷丸成形极限。超临界机翼是现代先进飞机的一个重要特征,作为构成机翼外形重要零部件之一的整体壁板在外形上具有复杂马鞍形和扭转的特点,在内型上具有整体加强凸台、口框、孔及下陷等,整体带筋结构的应用也越来越多。对于这类零件,由于自由喷丸的成形极限较小,很难满足零件外形所需的变形量,为此出现了预应力喷丸成形技术。如图3所示为预应力喷丸成形的原理图,在对零件喷丸之前,通过特定的工装夹具对零件施加一预定的载荷,从而使零件预先产生一定的弹性变形,然后再对受拉表面进行喷丸成形。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。目前,预应力喷丸成形技术在超临界机翼整体壁板的制造中已经获得应用,如图4所示为加拿大NMF公司采用预应力喷丸技术为以色列Galaxy飞机制造的机翼带筋整体壁板。预应力喷丸成形技术的应用,避免了采用机械弯曲的方法成形该类零件所带来的对疲劳寿命的不利影响。当然,要对零件施加预应力需要设计制造专门的预应力夹具,预应力夹具设计时要确保简单、轻便、易于操作,并要与所采用的喷丸设备相协调。因此,进一步研究简单易行的预应力加载方式以及采用有限元法分析和精确确定所施加预应力的大小,以确保零件在预应力下完全处于弹性变形范围内,将是预应力喷丸成形技术的发展趋势。2数字化喷丸成形技术数字化喷丸成形技术是利用数字化技术对零件进行数字化工艺几何信息分析,对喷丸成形工艺参数进行选择和优化,对喷丸成形过程进行模拟和控制,对成形零件的外形进行数字化检测,对零件的喷丸成形工艺文件和程序进行数字化管理等,从而实现以数字量的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。在数字化喷丸成形技术方面,目前比较成功的应用范例是由德国KSA公司提出的自动化喷丸成形技术(AutomatedShotPeening)。此外,作为数字化技术的重要组成部分,喷丸成形过程的数值模拟技术也获得了长足的发展。2.1零件设计并行调整与完善阶段自动化喷丸成形技术的实施分为3个阶段,即概念设计和分析阶段、预生产(研制)阶段和生产阶段(如图5所示)。在概念设计和分析阶段,主要针对零件的CAD数模进行喷丸成形工艺性分析和评估,制定出初始的喷丸成形工艺方案和成形工艺参数,同时针对用户的设备和人员状况制定相应的需求;在预生产阶段,主要通过试验件的喷丸成形试验对工艺进行优化,生成有关工艺控制文件和程序,同时对用户的设备进行必要的升级和调整,另外,在此阶段还可并行进行零件设计的更改和完善;在生产阶段,通过调用已经制定好的有关零件控制程序,即可实现自动化喷丸成形,同时完成对相关人员的技术培训。通过这3个阶段在用户的现场建立起自动化喷丸成形技术体系后,对于以后新产品的开发只需通过离线编程,然后再将有关数据和程序传递到用户设备上,即可进行试验和生产。自动化喷丸技术主要包括硬件和软件两个方面。硬件方面需要具备可编程控制的多坐标数控喷丸设备,软件方面需要具备喷丸成形工艺数据库技术、模拟分析技术、数字化测量技术、虚拟可视化技术、以及丰富的实际经验以便快速制定出合理正确的工艺路线等。自动化喷丸成形技术的优点是非常明显的,用户不需进行任何的编程和测试,操作者只需按动开始按钮,设备将自动完成零件程序预先设定好的其它工作。目前,KSA公司采用自动化喷丸成形技术成功地进行了Ariane5型火箭燃料箱整体壁板的制造(如图6所示)。在采用该技术对空客的A380激光焊接机身整体壁板的喷丸校形过程中,实现了不需任何人工校形的完全自动化喷丸加工,同时还与瑞士的喷丸设备制造商Baiker公司联合研制了目前世界上喷丸室最大的数控喷丸成形设备(如图7和图8所示)。但是,自动化喷丸技术在复杂机翼整体壁板的成形方面的应用尚属空白,如何适应复杂外形、结构和材料性能的变化,将是自动化喷丸技术需要进一步研究的问题。2.2丸撞击法模拟长期以来,喷丸成形过程的数值模拟一直是一个很难解决的技术难题,主要存在两个方面的困难:1)喷丸成形的物理过程本身是成千上万个弹丸随机地撞击零件的表面,通过在零件表面局部的塑性变形的累积,逐步形成整个零件宏观的变形。基于这样复杂的物理过程建立合理的数值模拟模型是非常困难的。2)弹丸直径和零件表层所产生的塑性变形层深度与零件的外形尺寸相比差距太大,如果要同时考虑弹丸和零件,采用有限元法进行单元划分时,则庞大的单元和节点数量往往使计算本身难于进行。目前,针对喷丸成形过程模拟方面的研究主要有弹丸撞击法和等效载荷法。弹丸撞击法是采用动态显示有限元法模拟一个或有限个弹丸以一定速度撞击零件表面的过程,可以获得喷丸强度与弹丸覆盖率对残余应力分布及塑性变形层深度的影响规律。采用多弹丸撞击法的有限元模拟一般均把复杂的弹丸随机喷射过程简化为均匀的碰撞过程(如图9所示),曾元松提出了同时喷射7个弹丸的均布模型,JochenSchwarzer等提出了19个弹丸的均匀碰撞模型,S.A.Meguid等提出了4弹丸的对称碰撞模型。近年来,随着计算机硬件技术水平的提高,已经能够模拟多达上千个弹丸的撞击过程,并可获得小尺寸试件的宏观变形情况。虽然弹丸撞击法与喷丸的物理过程非常接近,但是对于实际零件成形过程的模拟,由于弹丸尺寸与零件尺寸之间的差异,仍然无法实现喷丸成形全过程的数值模拟,因此,弹丸撞击法往往仅用于研究喷丸变形机理或作为等效载荷法的基础。等效载荷法的基本思想是以能量等效或变形等效为原则,采用其它加载方式来获得与喷丸方式相同的零件变形效果。所采用的加载方式主要有在单元节点上直接施加力或力矩和热载荷。在节点上直接施加力或力矩的方法可以与弹丸撞击法获得的结果相结合,但是利用现有有限元软件对每个节点施加不同的力和力矩往往非常困难。而在节点上施加热载荷的方式,由于可以采用分层壳单元来离散大型薄壁零件,从而使加载过程变得非常简单,因此,可以很方便地对各种复杂喷丸路径下喷丸成形过程进行模拟,并可获得零件的宏观变形情况。如图10为采用热载荷法模拟的马鞍形零件的喷丸成形过程。采用等效热载荷法目前已经可以做到定性地获得在一定喷丸路径下零件的变形趋势,为实际喷丸工艺方案的制定提供有价值的参考信息。但是,如何定量地预测一定喷丸参数条件下零件变形量的大小,将是下一步喷丸成形过程数值模拟的发展趋势,这需要以大量的基础试验为基础,建立热载荷和喷丸参数之间的关系,才有实现的可能。3新型喷丸加工方法及应用近几年来,出现了一些有别于传统喷丸成形技术的新型喷丸加工方法,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。3.1弹性弹喷的成形双面喷丸成形技术是2002年由德国Aachen工业大学的R.Kopp首次提出,其基本原理是采用不同尺寸的弹丸以不同的速度同时喷射到零件的上、下两个表面,从而提高喷丸成形能力和成形效率(如图11所示)。采用该方法能达到的曲率半径可以小至1000mm。双面喷丸成形技术对喷丸设备的要求较高,不仅要具备同时喷射不同尺寸弹丸的功能,而且两种尺寸弹丸的速度和流量均要很好的匹配和控制,才能达到预期的结果。3.2残余压应力值更大,变形能力更大激光喷丸成形技术大约在1965年首次提出,其基本原理是采用高频、高功率、短脉冲激光束冲击放于层流水中的表面涂有半透明烧蚀材料的工件表面,激光脉冲穿过层流水而被烧蚀层吸收,并在层流水上产生等离子云,在10ns～100ns内等离子快速膨胀在工件表面上产生1GPa～10GPa的压力,并形成平面激波,从而使工件表层产生塑性变形。与传统喷丸工艺相比,激光喷丸所产生的残余压应力值更大,残余压应力分布区距喷丸表面更深,为传统喷丸的3～5倍(如图12所示)。因此,激光喷丸用于金属零件的表面强化(激光冲击强化)可以大大提高零件抗疲劳及应力腐蚀的能力,用于薄壁零件的成形则可获得比传统喷丸更大的变形能力。激光喷丸强化技术早在1997年就被GE公司用于军用发动机的风扇叶片前缘的表面强化,以减轻外物撞击所产生的损伤。美国金属改进公司(MIC)采用美国劳伦斯国家实验室(LLNL)的激光技术,在2002年5月安装了2台商用激光喷丸系统,目前正用于民用涡轮发动机钛合金转子部件的表面强化处理,该公司计划还将建立3台商用激光喷丸系统。在采用激光喷丸技术进行零件的成形方面,虽然目前还没有具体应用的实例,但是初步的试验研究表明,对于不同厚度的2024T3和2024T8材料,激光喷丸成形所达到的曲率半径是传统喷丸成形曲率半径的10%～20%,可见激光喷丸成形技术在成形具有大的厚度和较小曲率半径的零件方面具有广阔的应用前景。但是对于大型薄壁零件的激光喷丸成形,成形效率和设备成本依然是制约其实际应用的最主要问题,因此,低成本高效率激光喷丸成形技术的研究和开发将是未来的发展趋势。3.3图1:美国专四菌株,专家建学视角下的wsf-pb超声喷丸主要是利用超声波使弹丸产生机械振动,从而驱动弹丸对工件进行喷丸处理的工艺,其基本原理如图13所示。超声喷丸采用的喷丸介质除了采用钢丸外,还可以使用端头具有不同曲率半径的喷针(如图14所示)。超声喷丸的优点在于可以获得比传统喷丸更深残余压应力层,且残余压应力的数值也更大,同时表面粗糙度也好于传统喷丸工艺。法国SONATS公司于1996年开始此项技术的研究,目前已开发出一套超声喷丸技术(STRESSONIC(c))及其相应的超声波喷丸设备,并大量应用于航空航天、造船及汽车行业等,如图15是空客公司采用超声喷丸对焊接机身整体壁板进行喷丸校形。此外,利用超声喷丸技术获得金属材料表面纳米层的研究,也是当前国际上的一个研究热点。目前,超声喷丸工艺参数的控制主要通过人工来控制,自动控制技术在超声喷丸成形技术中的应用将是进一步发展的趋势。3.4金属残余压应力层强化试验高压水喷丸或气穴无弹丸喷丸技术(CavitationShotlessPeening),是由日本东京大学的HitoshiSoyama最早于2000年提出的一种金属表面强化和成形新概念,即利用在水中的高压水射流所产生的气穴效应打击金属零件表面,使表层材料产生塑性变形,并形成残余压应力层的一种新技术。其基本原理如图16所示,最初的气穴(核)产生于高速区,并随着速度的降低而逐渐变大形成气泡,这种气泡撞击到金属表面时发生破裂所产生的冲击波使表层金属发生塑性变形,从而达到强化或成形零件的目的。已有的研究表明,通过对铝合金、硅锰合金和碳钢等材料的高压水冲击强化处理后,可以使强化试件的疲劳强度比未强化试件的疲劳强度分别提高56%和11%,与传统喷丸强化相比,疲劳强度提高了4%～36%,同时高压水喷丸处理后的试件表面粗糙度变化不大,而传统喷丸处理后试件的表面粗糙度值Ra将成倍增加。进一步研究高压水喷丸技术的微观作用机理,提高强化和成形的效率,并开展有关应用基础研究将是高压水喷丸技术下一步需要开展的研究工作。4技术研究现状随着预应力喷丸成形技术和数字化喷丸成形技术的发展,传统喷丸成形技术在现代航空航天工业中必将发挥越来越重要的作用。同时,随着激光喷丸、超声喷丸、高压水喷丸等新型喷丸技术的出现并逐步得到应用,将大大扩展喷丸成形技术应用领域和范围。结合当前我国喷丸技术研究和应用现状,作者认为应重点开展如下几方面的研究工作:1)复杂外形和结构整体壁板的预应力喷丸成形技术。特别是针对超临界机翼的整体带筋和不带筋马鞍形壁板,预应力喷丸技术尤为重要,关键在于预应力工装的设计、预应力大小的确定及与喷丸参数的相互影响规律的研究。2)自动化喷丸成形技术。目前国内各主要飞机制造厂相继引进了国外先进的数控喷(