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本帖最后由 pmhpang007 于 2010-11-8 13:23 编辑
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飞机制造中的喷丸成形技术及未来发展与思考3 @ D# T+ _) Y! R
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. x; W; z% ~9 d3 y6 w( m5 {来源：航空制造技术 2010年第16期 作者：:尚建勤 曾元松 作者单位：: 北京航空制造工程研究所/ n2 d7 D4 S4 Z1 i. H) Y# j
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摘要: 喷丸成形是一种借助高速弹丸流撞击金属构件表面,使构件产生变形的金属成形方法,喷丸成形是一种无模成形工艺,是大中型飞机金属机翼整体壁板首选的成形方法. ' V! I4 `4 c) s- r
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2005年4月27日，载客量最多（可达800余人）的空客A380飞机一飞冲天首飞成功，人类民航客机历史上新一代空中巨无霸横空出世，至此自1969年2月9日以来，雄踞该宝座30余年的波音747 飞机，只能退居第二。' p. \/ @2 j. ]! k
无论空客A380还是波音747，在9万飞行小时寿命周期内安全可靠地飞行，必须借助一对巨大机翼产生足够的升力。机翼是飞机制造中最复杂、最困难、最关键的部件，机翼上最重要的零件之一是与飞机外翼几乎等长的机翼整体壁板。飞机机翼整体壁板，是一种能够有效提高飞机性能的重要承力构件，是衡量飞机先进程度的一个重要标志。30余年来，波音747 和空客A380飞机的大型机翼整体壁板成形不约而同地先后选用了喷丸成形工艺。 $ Y4 k/ A% U7 u; w' T, p
* B1 z. V" @3 l9 Z喷丸成形
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& y2 y& i* E) ^; f喷丸成形是一种借助高速弹丸流撞击金属构件表面，使构件产生变形的金属成形方法，喷丸成形是一种无模成形工艺，是大中型飞机金属机翼整体壁板首选的成形方法，其原理如图1所示。+ p$ k5 v$ U/ J5 @5 z
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4 x7 }: @' E# n8 _' c( ^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（见图2）和双面喷丸成形（见图3），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（见图4）和预应力喷丸成形（见图5），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。
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喷丸成形工艺优点显著：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等。自20世纪中叶以来，喷丸成形工艺被广泛应用于飞机尤其是运输机金属机翼整体壁板的成形，包括当前正在营运的所有空客客机系列飞机、波音客机系列飞机、庞巴迪客机等。目前，国内飞豹、枭龙、歼10、ARJ21等飞机机翼整体壁板也采用了喷丸成形工艺。因此，喷丸成形技术是大中型运输机金属机翼制造领域不可或缺的重大关键技术之一。
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9 V: @! Q3 l' w: N1 h( r6 C不过，喷丸成形也具有明显的局限性，如球面变形趋势、变形有限、限制条件苛刻、影响因素繁多等。然而，喷丸成形优异的特点使人们不断寻求突破其局限性的新途径和新方法，不断挖掘喷丸成形技术内在潜力，持续满足以大中型客机复杂金属机翼整体壁板为代表、要求不断提高的构件成形与特殊使用性能要求。 4 c, k0 r) e# {5 m6 J) W7 p5 n
8 T- x2 s8 a& S; Z/ J0 |( f; ?) m7 D在国外，自20世纪50年代初期将喷丸工艺应用于飞机机翼壁板成形以来至20世纪50年代末，喷丸工艺已被西方航空工业大国广泛应用，目前大型机翼整体壁板喷丸成形技术已经被美国金属改进公司和美国波音公司等少数几家公司垄断。伴随机床控制技术的进步，喷丸设备由过去的机械控制喷丸机发展到后来的数控喷丸机。此外，通过竞争兼并，已经形成高度垄断、大型、专业化、喷丸工艺及设备兼营的跨国集团公司喷丸成形设备供应商，如美国金属改进公司等。随着大型运输机机翼设计技术的发展，喷丸成形技术经历了带纵筋机翼整体壁板蒙皮类零件到不带筋条机翼整体厚蒙皮类零件和带曲筋机翼整体壁板类零件的喷丸成形等发展阶段。波音系列客机和空客系列客机的金属机翼整体壁板喷丸成形是喷丸成形技术成功应用的典型代表。
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如图6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、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。3 x' B' L6 I9 E( D; h8 g) ` ~ ]
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6 ?+ I+ B% M, P; e+ C- z( H在国内，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（见图7）为标志，国内首次实现真正意义上的喷丸成形。
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6 S. L, T) C9 S6 I. q7 Y6 V$ DARJ21支线飞机超临界外翼下翼面整体壁板长度10余m、厚度10余mm，是国内采用喷丸成形工艺技术所获得的长度最长、厚度最大、外型最复杂的构件，被公认为国内喷丸成形技术最高成就。
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长期以来，国内外喷丸成形技术研发十分活跃，新手段新方法相继出现，如以增大变形量为目的的不同大小弹丸同时双面喷丸方法、以控制喷丸区域和变形为目的的超声喷丸、以增加残余压应力层深度与残余应力大小为目的的激光冲击喷丸、以开辟喷丸成形新途径为目的的高压水喷丸、以显著提高材料利用率为目的的激光焊接与摩擦焊接带筋整体壁板喷丸成形等。 " i* Q2 a! h+ S; R5 W, y, l
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预应力喷丸成形 4 C. {& o: t; i# Y, @2 H
7 K0 P3 R7 X! i* C3 I. E k预应力喷丸成形，是指在喷丸成形前，借助预应力夹具等，预先在板坯上施加变形力，形成弹性应变，然后对其进行成形的一种喷丸成形方法。在以直纹外型面为主的厚蒙皮与整体壁板逐渐淡出，而具有复杂双曲外型面的厚蒙皮与无筋或带筋整体壁板逐步成为应用主流的情况下，预应力在喷丸成形中的作用日益突出。 / I" ^. T. z$ K
; j' j( D$ E- F. r预应力喷丸成形具有3个显著作用：（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。国内认识和应用预应力喷丸的历史几乎与喷丸成形技术的历史一样长，但是至20世纪后期，由于预应力喷丸成形受应用对象及效果的影响，未受到应有的重视。
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/ I8 G% ^6 a9 d/ ]2 ~0 l20世纪90年代中后期，预应力在国内逐渐受到重视，将其作为影响喷丸成形的重要因素之一加以研究。由此，揭示了简单预应力喷丸变形的规律，阐明了预应力喷丸变形的3种形变现象，提出了精密预应力喷丸成形的概念和依据。针对喷丸成形基本问题、典型问题及亚欧快车AE100飞机超临界机翼整体壁板喷丸成形问题等，开展了一系列预应力喷丸成形技术专题研究，最终有效地解决了过去国内乃至国际上一直悬而未决的技术难题，形成多项专有技术，丰富了预应力喷丸成形技术内涵，推进了预应力喷丸成形技术发展进步，奠定了包括超临界机翼整体壁板在内的大型复杂构件预应力喷丸成形技术基础。
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! T! Z' h% l8 S& ]/ ^& `* X进入21世纪，伴随着承载中华民族民机梦想，具有我国自主知识产权的ARJ21先进支线飞机的正式立项研制，国内真正迎来了超临界机翼整体壁板喷丸成形时代。ARJ21飞机在国内首次采用超临界机翼，该机翼是ARJ21飞机最大的亮点和先进性标志。机翼整体壁板长度和厚度尺寸之大、结构和外型之复杂均创造了当时国内之最，其喷丸成形面临一系列跨时代技术难题、成为ARJ21飞机研制的关键技术瓶颈。在国内，仅仅能够承担制造ARJ21飞机机体，而配套发动机等主要系统几乎全部由国外制造商成套提供。在这种背景下，该机超临界机翼整体壁板喷丸成形技术能否成功突破，攸关ARJ21飞机研制的成败。
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: a; S4 d; x2 q" f1 D4 `) W0 f不负时代，不辱使命。几乎与空客A380飞机外翼下翼面整体壁板预应力喷丸成形同步，国内成功实现了超临界机翼整体壁板预应力喷丸成形技术的一系列重大突破，形成多项专有技术和ARJ21飞机超临界机翼整体壁板预应力喷丸成形批产能力。中国因此成为世界上少数几个掌握大型超临界机翼整体壁板数控预应力喷丸成形技术的国家，技术水平达到同类技术的世界先进水平。 . f+ d6 D/ V* |2 w: R/ X% D
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国际竞争无止境，技术进步无终期。近年来，复杂外型曲筋整体壁板逐渐成为国内数控预应力喷丸成形技术研究热点之一，目前已经在该领域获得了国际前沿的关键技术突破。由于预应力喷丸成形技术的独特优势，今后其重要性必将更加突出。 ; \: Z3 r2 d- z" z
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发表于 2010-11-8 13:17:43
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