喷丸成形课件

1、喷丸成形喷丸成形原理：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(如图1所示),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。分类：按照驱动弹丸运动的方式，喷丸成形分为叶轮式喷丸成形和气动式喷丸成形。（两者没有本质区别）按照喷打方式，喷丸成形分为单面喷丸成形和双面喷丸成形。（双面喷丸成形主要用于复杂型面构件的成形）根据喷丸成形时构件是否承受弹性外力，喷丸成形分为自由状态喷丸成形和预应力喷丸成形。（预应力喷丸成形可以获得更大的喷丸变形量和更复杂的构件外型） 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

2、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。喷丸成形的优点成本低无需成形模具、生产准备周期短、场地占用少、零件尺寸不受设备喷丸室大小限制等；品质高具有疲延长制件疲劳寿命、提高制件抗耐腐蚀性能的潜质。既可以成形单曲率零件，也可以成形复杂双曲率零件。喷丸成形的局限性球面变形趋势变形有限限制条件苛刻影响因素繁多采用预应力喷丸成形的A380机翼下壁板如图所示，A380 飞机超临界外翼下翼面整体壁板长度30 余m、厚度30 余mm，是迄今采用喷丸成形技术所获得的长度最长

3、、厚度最大的构件，代表了国际喷丸成形工艺技术的最新成果。国内：我国开展喷丸成形技术研发已近40 年，历经机械控制喷丸和数控喷丸等发展阶段，20 世纪90 年代以来迈入数控喷丸成形时代，先后数控喷丸成形成功第三代飞机等机翼整体壁板，以研制成功ARJ21 飞机超临界外翼下翼面整体壁板为标志，国内首次实现真正意义上的喷丸成形。ARJ21飞机机翼下中壁板零件预应力喷丸成形具有的显著作用：（ 1）在一定程度上改变喷丸球面变形趋势、控制喷丸变形主要方向（ 2）提高构件喷丸工艺性（ 3）增加构件喷丸变形量和外型复杂程度。预应力喷丸成形的应用 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，如上面

4、所说的A380飞机超临界外翼下翼面整体壁板以及下图所示的加拿大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。主要问题： 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。发展趋势:研究简单易行的预应力加载方式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数字化喷丸技术的优点：具有准备周期短无需模具加工件长度尺寸不受设备规格的限制（长度可达35m以上）工艺过程稳定及再现性好加工件抗疲劳寿命长和抗应力腐蚀性能强数字化喷丸技术的应用 德国KSA公司采用自

5、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。 KSA与Baiker为Airbus公司联合研制的数控喷丸设备数字化喷丸技术的发展曾元松提出了同时喷射7 个弹丸的均布模型 Jochen Schwarzer 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。主要问题：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

6、快速制定出合理正确的工艺路线等。设备制造商需要与对材料及成形工艺有着专门研究的公司共同合作，才能确保整个喷丸成形项目的顺利完成。双面喷丸成形的优点双面对喷成形与单面喷丸成形相比，成形效率高，零件外形光顺，更适合单曲率薄板零件的成形。由于双面对喷成形提高了薄板厚度方向的抵抗失稳能力，对开展薄板喷丸成形的数值模拟有重要意义。高压水射流喷丸强化技术与传统的喷丸强化技术相比具有以下优点：对结构复杂的（如有凹槽结构的）零构件表面的喷丸强化很容易实施，且不留死角，这是热喷丸强化所不能及的通过先前的实验验证可知被加工表面的粗糙度值Ra增加很小，有利于应力集中现象的减少，提高了喷丸强化的效果喷丸强化效果比较好

7、，其喷丸强度高，喷丸覆盖率可达100%,另外高于水射流喷丸强化技术还可实现多表面同时加工。喷丸效率比传统法高很多，加工成本却低很多。高压水射流喷丸技术的加工操作简单方便，对加工对象要求不高，易于今后该技术的数控化和自动化操作的实现。与以前的喷丸加工技术相比，由于工作介质主要是水，来源丰富，对环境无污染，且操作过程中无尘、无毒、无味。是真正的高效、节能、安全、卫生的喷丸技术；是真正体现“以人为本”政策的加工技术；是真正实现了绿色环保要求的喷丸强化技术。应用 高压水射流的一个作用是破碎，可用其在材料上开槽，近十年发展到机械辅助剥除大量材料。破碎功能也应用于机场跑道除胶、桥梁维修、煤层开采、辅助掘进

8、、公路破坏、大坝浇注冲毛等等。目前，几乎在所有情况下，设备的研究己经集中在设计好的喷嘴，以及可靠的旋转喷头和旋转接头(它们可大大提高水射流束在物件表面上的移动速度）。发展建议(l)进一步加深高压水强化机理的分析，深入研究微射流和冲击波现象的冲击能力和特点，以求更好的控制强化效果;(2)进一步拓宽高压水射流参数进行试验，加深对冲蚀性能影响规律的研究;(3)进一步改进喷嘴结构，提高设备功率，从而提高高压水强化工艺的效率;(4)尽管以纯水作为工作介质的高压水强化工艺不会对环境带来污染破坏，但工作过程中的噪音较大，因此要注意降噪。微粒冲击技术 微粒冲击技术是由日本研究人员最先提出的，其基本原理如下：首

9、先用直径为几十微米、硬度高于工件的微粒以近音速（150200m/s）冲击工件表面，并使微粒镶嵌于工件中形成复合表面，然后换用具有固体润滑特性的微粒或Ag、Sn和MoS2等软质金属微粒对工件表面实施二次冲击，最终在硬质微粒复合面的基础上生成镀膜层，该镀膜层的厚度通常能够达到数个微米。 优点工件表面粗糙度值较低。缺点硬化层的深度较浅。 激光喷丸成形技术 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10ns100ns 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,

10、 从而使工件表层产生塑性变形。激光喷丸成形的主要特点及优点工艺装备简单，无需成形模具，只需简单的夹具。准备周期短，固定投资少。加工的柔性大，既可成形单曲率外形如球面，又可成形双曲率外形，如机翼上下气动弯折区或非直母线区，而且零件长度不受喷丸成形方法的限制，如需蒙皮的战斗机机翼的长度达几十米。克服了利用冲压模具使板料变形产生有害拉应力的缺点，产生的残余压应力可对板料起到强化作用，提高了零件抗疲劳、抗腐蚀、抗变形的性能。激光参数和喷丸的路径精确可控，激光参数具有连续性，重复性，板料内部的残余应力可以通过增加喷丸的次数叠加，因此成形精确。可对变厚度的板料进行成形，而且成形的零件表面光洁、工艺可靠。应

11、用前景大型飞机中厚板的大曲率成形在不降低其力学性能的前提下，采用机械喷丸方法是很难成形的。由于激光喷丸技术能产生超过1mm深的残余压缩压力层，使得中厚板的成形容易实现，并能有效保证零件的使用性能。由于能进行大型板件的精密成形，因而能减少焊接件和连接件的数量，从而能实现飞机零部件等的轻量化设计，承载更多的燃料等有效载荷，因而将对航空制造业产生重大影响。导弹、火箭及核反应堆中核反应金属罐容器等零部件的成形加工，由于这些零部件的特殊应用场合，除了要有精确的外形外，其表面要求很高的机械力学性能和质量，由于加工通路难于到达，有些成形表面的处理用传统加工方法十分困难，而激光喷丸由于光路导向容易实现，且能实

12、现成形与强化复合加工，减少了零件的加工工序，因而在国防产品的加工中具有潜在的优势。船舶外板成形目前主要用水火弯曲成形工艺，凭经验和样板在变形过程中经常检查和修正，生产效率低，曲板成形质量差，影响船舶的装配质量和使用寿命。激光喷丸成形由于能实现大型中厚板材的精确成形，且在成形表层产生高硬度和很高幅度的残余压应力，有效提高船舶的装配质量和使用寿命，同时能大大缩短产品的研制周期，产生巨大的经济效益和社会效益。发展建议 结合目前激光喷丸成形研究的现状，认为该技术要进入大规模的工程应用，尚需在以下几个方面进行深入的研究:(l)深入研究在激光冲击波压力作用下金属板料的动态响应和塑性变形机理，以及冲击波诱导

13、残余应力的生成机理和分布特点。建立多参数关联的残余应力理论模型，从而能在一定的激光参数下实现残余应力场的正确预测，这是优化工艺参数，实现残余应力场有效控制的前提和基础。(2)在大量实验和数值模拟的基础上，建立典型材料的激光工艺参数一残余应力场一板料变形量这三者之间的数据库，从而为实现激光喷丸柔性成形中参数的合理选取，编制板料变形控制软件提供可靠的依据。(3)深入研究三维零件的激光喷丸成形工艺。对于一些复杂形状的三维零件，可开展预应力激光喷丸成形技术。预应力喷丸成形与自由状态喷丸成形相比，可使板料容易发生弯曲变形，同时能增加板料的成形曲率。如先采用CO:激光器按照一定的轨迹对板料进行激光热应力扫

14、描，使板料内部产生一定的预应力，然后再利用高功率脉冲激光器对板料进行连续的激光喷丸，使板料最终达到理想的形状。目前课题组已开始对激光预应力复合成形技术进行了研究，从而能使激光喷丸成形具有更大的通用性和实用价值。超声波喷丸成形 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。超声喷丸的基本原理超声喷丸采用的介质钢丸端头具有不同曲率半径的喷针超声喷丸技术的优点主要体现在以下几个方面：1、超声喷丸产生的残余压应力值要优于传统喷丸；2、超声喷丸成形工件表面粗糙度好；3、超声喷丸设备体积小；4、工作现场无环境污染；5、丸粒用量少，可多次循环利用，工艺参数少，容易控制法国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%)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,下图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。采用超声喷丸技术对焊接机身整体壁板进行校形下图为便携式超声喷丸设备： 目前, 超声喷丸工艺参数的控制主要通过人工来控制, 自动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。 但是国内在设备和相关工艺技术研究方而均属空白，需要尽快开展这方面的研究工作。喷丸成形的发展趋势（1） 喷丸成形对象及设备大型化，如大型复杂外型整体壁板、大型