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蒙皮类钣金零件激光抛喷丸机成形技术

责任编辑:admin人气:-发表时间:2019-01-05 11:40

摘要:机械抛喷丸成形和激光抛喷丸成形是两种抛喷丸成形技术 ,用于成形外形变化平缓的蒙皮类钣金零件。 论述了这两种抛喷丸成形技术的原理、特点和发展趋势 ,并对它们的工艺参数进行了分析和比较。

  随着科学技术的发展, 钣金零件的成形方法也越来越多 ,目前板料的成形方法主要有 :机械抛喷丸成形、冲压成形、激光冲击成形、激光抛喷丸成形及激光诱发热应力成形等。

 在航空航天领域中, 抛喷丸成形技术的应用十分广泛, 可以说在飞机制造业中离不开抛喷丸技术。 因此,研究抛喷丸技术是非常有必要的 ,为此本文分析了传统的机械抛喷丸成形技术与激光抛喷丸成形技术的原理和特点 ,并对这两种成形方法进行了比较。

1、机械抛喷丸成形:

1 .1 、基本原理:

  机械抛喷丸成形是 20 世纪 50 年代随着飞机整体壁板的应用 ,在抛喷丸强化工艺的基础上发展起来的一种工艺方法。 它用以成形外形变化平缓的蒙皮类钣金件 ,这些零件可以是等厚板、变厚度板和带筋整体壁板, 是飞机工业成形整体壁板和整体厚蒙皮零件的主要方法之一。

 机械抛喷丸成形的基本原理是利用高速弹流撞击金属板件表面 ,使受喷表面的表层材料产生塑性变形 ,导致残余应力 ,逐步使整体达到外形曲率要求的一种成形方法。 机械抛喷丸成形时, 每个金属弹丸都以高速撞击金属板件的表面 ,使受喷表面的金属围绕每个弹丸向四周延伸 , 金属的延伸超过材料的屈服极限 ,产生塑性变形, 形成压抗, 从而引起受喷表层的面积加大 ,但表层材料的延伸又为内层金属所牵制,因而在板件内部产生了内应力 ,内应力平衡的结果使板件发生双向弯曲变形, 从而使板料成形。

1 .2、 机械抛喷丸成形后板料的特点:

 (1)上下表层为残余压应力机械抛喷丸成形时, 受喷表层的面积加大,同时又带动内层的材料产生拉伸 ,但内层材料的延伸没有超过材料的屈服极限。 当弹丸脱离板件的表面后,材料发生弹性恢复 ,表层和内层材料同时收缩。 由于金属材料的结构是一整体 ,内外两层之间的相互牵制作用使受喷表层产生残余压应力,而在内层产生残余拉应力。

 

 

(2)受喷表层的材料组织结构发生变化随着受喷表层金属发生塑性变形 ,晶体产生滑移,滑移的结果在亚晶粒内增加位错密度产生晶格畸变。

(3)受喷表面变得粗糙每个弹丸撞击板材表面后 ,挤出一些金属 ,形成浅的球面压坑。 压坑的形状和深度取决于所选择的抛喷丸参数、板材的原始表面粗糙度值和硬度, 使受喷表面变得粗糙。

1 .3 、工艺参数对板料变形的影响:

 影响机械抛喷丸成形的工艺参数主要有喷射时间、弹丸尺寸、喷射距离及喷射角等。

(1)喷射时间的影响在其他抛喷丸参数不变时, 只变化喷射时间 ,开始阶段成形曲率(弧高值)随着喷射时间的增加急剧加大,然后增长的速率逐渐减小。图 3 为喷射时间与弧高值的关系曲线图。

 

(2)弹丸尺寸的影响弹丸在机械抛喷丸成形中起着传递能量的作用 ,像锤击时所用的工具一样起着很重要的作用。从图4 可看出 ,当其他抛喷丸参数不变时, 弹丸尺寸越大 ,成形的曲率也越大, 所以使用大尺寸弹丸成形 ,生产效率高。

 

(3)喷嘴至工件表面距离的影响喷射距加大 ,将从两个方面影响到板件的成形曲率:①受喷表面上弹坑散布区域的直径将增加 ,使得板件成形曲率减小 ;②弹流打击到板件表面的速度发生变化,因而对成形曲率有影响。 

  (4)抛喷丸喷射角的影响当弹丸以 α角撞击板件表面时, 可以将弹流速度分解为两个分量 :一个分量 vn 垂直于板件的表面 ,另一个分量 v t 与板件表面相切。 由于 v n 的作用 ,弹丸打入板件的表面而形成弹坑, 而 v t 则使弹丸磨蚀板件的表面。因此 ,成形曲率应与喷射角的正弦成正比。

  (5)板料厚度对抛喷丸成形的影响板料厚度对机械抛喷丸成形有一定的影响 ,以致于在相同抛喷丸条件下 , 大、中、小 3 种不同厚度的板料抛喷丸成形会产生明显不同的变形效果 :只有一点变形、有一定的变形、有显著的变形。 因此, 在抛喷丸成形中 ,板料厚度是必须考虑的一个重要工艺因素。

 

2、激光抛喷丸成形:

2 .1、基本原理:

 激光抛喷丸成形技术是利用激光诱导产生的冲击波压力 ,在金属板料表面产生深度分布的高幅残余应力场 ,使金属板料产生变形的方法。 其基本原理是,高功率密度短脉冲激光束照射覆盖在金属表面的能量转换体, 由对激光透明的约束层和能够吸收大量激光能量吸收层组成。当激光束通过透明的约束层照射到试件表面的吸收层时 ,吸收层吸收激光能量汽化产生等离子体爆炸, 迅速膨胀的等离子体被限制在约束层和金属表面之间 ,产生一个向金属内部传播的高、强压力冲击波 ,使金属板料产生微观塑性应变, 进而在金属表面及内部产生深层分布的残余压应力场, 根据每一种的应力场分布都有相对应的板材弯曲形状, 故可通过控制应力场分布形式 , 实现板材的成形 ,且成形后的板料表面均存在残余压应力。

2 .2、激光抛喷丸成形的技术特点:

  (1)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。

  (2)无工艺余料 。 不仅节省了原材料 , 还减少了成形后的修边和铣削工序。

  (3)加工的柔性大 。 既可成形单曲率外形 , 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,且零件长度不受抛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。

  (4)激光冲击的激光脉冲参数和作用区域可精确控制 ,参数也具有可重复性。 可在同一地方通过以累积的形式多次抛喷丸, 因而残余压应力的大小和压应力层的深度可精确控制, 成形形状精确。

  (5)克服了利用冲压模具使板料变形产生有害拉应力的缺点。 在进行成形的同时产生的压应力 , 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。

2 .3、激光抛喷丸成形应用前景:

  由于激光抛喷丸成形技术具有较好的加工性能,成形的零件具有优异的使用性能, 因而在实际生产中具有巨大潜在的应用前景 :

  (1)航空制造业 。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, 采用机械抛喷丸方法是很难成形的。 激光抛喷丸成形技术由于能产生超过 1 mm 深的残余压缩压力, 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。

  (2)国防工业。 导弹 、火箭以及核反应堆中核反应金属罐容器等零部件的应用场合比较特殊, 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表面质量。由于加工通路难以到达 ,有些成形表面的处理用传统加工方法十分困难 , 而激光抛喷丸由于光路导向容易实现 ,且能实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。

  (3)船舶和汽车制造业。 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。激光抛喷丸成形由于能实现大型中厚板材的精确成形, 且在成形表面产生高硬度和高幅残余压应力, 能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,因而产生巨大的经济效益和社会效益。

 

2 .4、分析工艺参数对板料变形的影响:

  激光抛喷丸成形的工艺过程较复杂, 影响成形的工艺参数主要有激光能量、激光斑点大小、板料表面涂层厚度、约束层、激光抛喷丸入射角及板料厚度等。

(1)激光能量的影响不同的激光能量对板料变形量有一定的影响,

(2)激光斑点大小的影响光斑直径是可变化的。受激光功率密度限制 ,光斑直径较小时 ,冲击波以球形膨胀,其衰减的比率为 1/ r 2 。 当光斑的直径较大时 ,等离子体以平面的形状膨胀 ,冲击波衰减的比例为 1/ r 。 因此 ,光斑直径较大时 ,能量衰减较小 ,一维平面的冲击波传播得较远[ 4] 。 

(3)涂层的影响激光抛喷丸金属板料时, 在板料表面涂一层均匀的黑漆 ,其作用是提高激光辐射的吸收和防止金属表面熔化及汽化。 实验证明, 有涂层的板料其成形量大于无涂层的板料, 且有涂层的板料不易被激光烧伤 ,增加了保护作用。

(4)约束层的影响在涂层上面再覆盖一层透明的材料 ,称为约束层。其作用就是对等离子体的膨胀进行限制约束 , 不仅能大幅提高激光冲击波的峰值压力, 且能延长激光冲击波压力的作用时间, 从而提高激光冲击波作用于靶材的冲击动量[ 5] 。有无约束层, 对板料变形量及其应力大小有很大的影响。

 

(5)激光入射角的影响虽然激光抛喷丸成形是靠激光辐照金属板料后产生的冲击波压力作用在板料表面 ,产生残余应力使板料成形 ,但是用不同的入射角抛喷丸板料后, 留在板料中的残余应力是不同的。图 11 为采用不

(6)板料厚度的影响板料厚度对激光抛喷丸成形也有一定的影响 ,板料越厚,其残余应力就越小 , 板料的成形量也越小(图 12)。

  同的入射角对板料进行抛喷丸成形时的应力分布图。

3、两种抛喷丸成形的比较分析:

   机械抛喷丸成形和激光抛喷丸成形是目前两种常用的成形方法, 经抛喷丸后的零件其疲劳寿命和抗腐蚀能力都有明显的提高。 由于这两种抛喷丸成形的机理是不同的,从影响抛喷丸成形的工艺参数上看,也有很大的差别。 影响机械抛喷丸成形的工艺参数主要有喷射时间、抛喷丸速度、弹珠的直径、抛喷丸喷射角及板料厚度 ;而影响激光抛喷丸成形的工艺参数主要有激光能量、激光斑点大小、涂层、约束层、激光入射角及板料厚度。 比较抛喷丸成形后的零件, 发现激光抛喷丸成形后金属板料产生的残余应力深度是机械抛喷丸成形的 5 ~ 10 倍, 激光抛喷丸成形的金属板料成形曲率是机械抛喷丸成形的 3 ~ 8 倍[ 6] 。

 

 

 

经比较可见 ,不管是零件成形量、抛喷丸强度 , 还是残余应力深度 ,激光抛喷丸比机械抛喷丸效果都要好。

4、结束语:

 由于激光抛喷丸成形技术是一种全新的板料塑性变形技术 ,所以其技术还不够完善 ,需要继续探索和研究 ,而机械抛喷丸成形技术已有五六十年的历史了 , 其技术已相当成熟。 本文比较两者的优缺点和相似点,可以用机械抛喷丸成形的思路来研究激光抛喷丸成形,激光抛喷丸成形技术可以看作是机械抛喷丸成形在设备技术上的提高。 金属板料抛喷丸成形的关键是控制其工艺参数, 在激光抛喷丸成形中 ,怎么样优化选择工艺参数是我们正在研究的课题。

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