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喷丸成形技术：小弹丸，大改变 已有6人参与
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喷丸成形技术：小弹丸，大改变 王明涛 黄遐 2013-07-24 19:45:28 文章来源：http://114.113.227.14/epaper/zgh ... /story/354969.shtml 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最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，最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。最后，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。 （作者单位为中航工业制造所） 文章来源：http://114.113.227.14/epaper/zgh ... /story/354969.shtml |
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小小丸粒助力中国大飞机腾飞 ——中航工业制造所喷丸成形技术发展历程 建勤 2013-07-24 19:45:27 文章来源：http://114.113.227.14/epaper/zgh ... /story/354974.shtml 2008年11月28日，在上海大场机场，首架具有我国自主知识产权的国产ARJ21喷气式客机伴随着巨大的轰鸣声于12时23分冲天而起，翱翔蓝天一小时之后返回，于13时24分平稳降落机场。这标志着国产ARJ21飞机首飞成功，标志着中国已经具备先进客机制造实力。 大家可曾知道：ARJ21飞机研制成功丝毫离不开尺寸大小不足4毫米甚至更小的小小丸粒，ARJ21飞机超临界机翼壁板复杂气动外型面研制成功更离不开这些小小的丸粒。毫不夸张地讲，小小丸粒成就了ARJ21飞机，小小丸粒成就了中国民机产业。 丸粒虽小，效果神奇。丸粒选用砂子，可用于清理铸件吹砂、锻件除氧化皮、钢铁制品除锈以及表面修饰等；令人称奇的是丸粒也可以选用面粉，用于清理飞机油漆涂层等。丸粒选用玻璃丸，主要用于喷丸强化，通过在金属构件表面100%饱和喷丸而形成均匀分布的压应力层，提高其抗疲劳和耐腐蚀性能。丸粒选用钢铁丸或陶瓷丸，主要用于喷丸强化和喷丸成形。其中，喷丸成形是指利用高速弹丸有选择地、逐步地撞击金属构件表面而最终使其获得所需外型。ARJ21飞机超临界机翼整体壁板就是采用喷丸成形技术获得复杂气动外型的。 喷丸成形由喷丸强化发展而来。上世纪50年代初期喷丸成形技术被首次应用于Constellation飞机机翼壁板喷丸成形。喷丸成形由于具有无需成形模具、准备周期短、场地占用少、设备适用性广及加工成本低，而且经过后序饱和喷丸可以明显提高构件疲劳寿命和耐腐蚀性能等显著优势，被广泛应用于飞机整体壁板的成形，如20世纪60年代末以来的波音747、本世纪初期至今的空客A380等。喷丸成形一直是飞机机翼整体壁板首选甚至是唯一的成形手段。 国内喷丸成形技术研究起步较晚，始于20世纪60年代末期。中航工业北京航空制造工程研究所（以下简称“制造所”）是国内唯一从事壁板喷丸成形技术研究的科研单位。万事开头难，技术资料的极其匮乏使当时开展喷丸成形技术研究困难重重。制造所积极探索喷丸成形工艺，由摸索喷丸变形规律、落实弹丸供给、开发喷丸设施以及初步应用研究，到自主研制电气控制喷丸机并配套相关主机厂，分别应用于歼6、歼7、歼8、运7、轰6等飞机机翼机身壁板的喷丸成形；至20世纪80年代末期，制造所基本掌握了针对直纹翼型机翼整体壁板以喷丸成形为主的、以机械校形和榔头敲击为辅的喷丸成形工艺，建立了飞机壁板喷丸成形技术标准，编写完成相关工程手册，基本构建完成喷丸成形技术体系及其设备配套。总体而言，这一时期喷丸成形技术研究成效显著，基本满足了上述二代机机翼整体壁板的喷丸成形需要，为日后深入开展研究工作奠定了一定的技术基础。但是，由于受客观条件限制、壁板外型及其技术要求低、技术自身发展规律制约等因素影响，机翼壁板喷丸成形尚无法摆脱机械校形和榔头敲击，因此国内这一时期的机翼壁板喷丸成形尚不属于真正意义上的（纯）喷丸成形。 20世纪90年代初，国内喷丸成形技术研究迎来第二个高潮。制造所作为型号攻关项目技术顾问和参研单位，面对喷丸成形专业技术人才匮乏、仅有的少数专业人员知识老化、与国外数控喷丸工艺及设备存在代差等严峻问题，精心选型并引进国内首台数控喷（抛）丸机，到20世纪90年代中期，掌握了机翼6米级整体壁板喷（抛）丸成形技术，使国内喷丸成形技术跨入数控时代。同期，制造所自主研制成功国内首台数控喷（抛）丸机。相关工艺和设备研究成果分别荣获部级科技成果奖。 20世纪90年代中期，制造所利用自主研制的技术数控喷丸机，系统研究数控喷丸成形基本规律，重点开发预应力喷（抛）喷丸成形技术。针对亚欧快车AE100飞机研制需求，在国内首次探索研究超临界机翼整体壁板喷（抛）丸成形技术，最终形成具有珍贵价值的超临界机翼整体壁板喷（抛）丸成形技术思想。此外，AE100飞机开创了国内超临界机翼及其整体壁板喷（抛）丸成形技术研究新纪元。 本世纪初，屡挫屡战的国内民机产业誓死一搏，决心自主研制ARJ21喷气式支线飞机。制造所作为项目组长和参研单位，开展ARJ21飞机超临界机翼整体壁板喷丸成形技术研究。与过去直纹或以直纹为主的机翼整体壁板沿等百分线逐窄条喷丸成形截然不同，超临界机翼整体壁板没有等百分线而且外型不但弦向弯曲且展向弯折并扭转，其喷丸成形困难之大无异于老虎吃天。最终，制造所打破国外技术垄断和封锁，攻克了ARJ21超临界机翼整体壁板喷丸成形技术，使中国成为世界上第三个掌握超临界机翼整体壁板喷丸成形技术的国家，掌握了民机研制和生产的重大、关键及核心技术，研究成果荣获国家科技进步二等奖。至此，我国彻底摆脱了对机械校形和榔头敲击的严重依赖，实现了真正意义上的喷丸成形，国产飞机6~9万飞行小时寿命不再是奢望。这些研究成果奠定了国内民机研制、生产及产业发展的坚实基础，在国内民机产业发展史上留下了浓墨重彩的一笔。 近年来，依然不能制造大型飞机的残酷现实与日益雄厚的国家实力极不相称，国家大飞机发展规划被不失时机地推出。减重是飞机一贯的追求目标，带筋特别是高筋整体壁板具有优异的减重效果、结构效率及密封效果，一直为国内外大飞机所青睐。但是随着筋条高度增加，带筋整体壁板喷丸成形技术难度急剧增大。然而，当时在国内带筋整体壁板喷丸成形被认为是禁区，不具备带筋整体壁板喷丸成形技术能力，更别说高筋整体壁板喷丸成形。为此，制造所针对筋高创造国际纪录的大型复杂带筋整体壁板喷丸成形这一世界性难题，开展大型复杂带筋整体壁板喷丸成形技术研究，最终突破了过去的一个个喷丸成形禁区和堡垒，攻克了大型复杂带筋整体壁板喷丸成形技术难题，执国际带筋整体壁板喷丸成形技术之牛耳，为国产大飞机研制奠定了坚实可靠的技术基础。 未来，一个前途无限的中国需要一个无比强大的航空工业，一个强盛的航空工业将为喷丸成形技术提供广阔而美好的发展空间，小小丸粒将继续创造一个又一个神奇。 |
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