一种复杂双曲带筋整体壁板的预应力工装及喷丸成形方法与流程

1.本发明涉及材料加工技术领域，具体涉及一种复杂双曲带筋整体壁板的预应力工装及喷丸成形方法。


背景技术：

2.喷丸成形是利用高速弹丸流撞击金属带筋整体壁板的表面，使受喷表面的表层材料产生塑性变形，导致残余应力，逐步使零件达到外形曲率要求的一种成形方法。
3.目前，喷丸成形技术被广泛应用于航空制造业，已经成为大中型飞机金属机翼壁板首选的甚至是唯一的成形手段，如国外b747和a380等空客与波音飞机、国内arj21和c919等飞机的机翼整体壁板几乎都采用喷丸成形。
4.通常，外型比较平缓的飞机蒙皮壁板类构件采用自由应力状态喷丸成形工艺。外型比较复杂的蒙皮壁板类构件采用预应力喷丸成形工艺，在成形过程中蒙皮壁板类构件始终装夹在固定于喷丸机床的吊挂框架内的预应力工装中；预应力工装与蒙皮壁板类构件总重量一般在两吨左右，在喷丸机床额定吊装承载以内；预应力工装长度通常大于蒙皮壁板类构件长度，大体与喷丸机床吊挂框架长度相当；预应力工装和蒙皮壁板类构件重量沿该工装长度基本均匀分布，喷丸机床吊装横梁上的载荷基本均布，其在工作状态下的形变挠度在允许范围内，以使喷丸机床可靠、稳定、持续运行。
5.目前，复杂蒙皮壁板类构件尤其是复杂双曲(包括双凸、马鞍和扭转)外型带筋整体壁板难以喷丸成形，主要问题是在现有喷丸成形技术条件下喷丸成形之后的局部外型难以达到要求外型，特别是壁板筋条方向上的曲率太小，无法满足设计要求，由此限制了这类具有良好减重效果和结构效率的整体壁板的应用，成为相关先进航空器的制造技术瓶颈。
6.突破上述复杂双曲带筋整体壁板制造技术瓶颈，必须采用加强型的预应力工装(以下简称重型预应力工装)，在足够大的预应力状态下对其实施喷丸成形。即对带筋整体壁板复杂双曲外型区域局部施加足够大的弹性预应力，进而需要相当大的局部弹性预弯力，该预弯力由重型预应力工装上的组件如若干立柱及配件等产生，每根立柱自重可达数百公斤，而且重型预应力工装上的其他组件必须加固以增大强度和刚度，因此导致预应力工装沿长度方向重量分布不均、局部显著超重，总体重量成倍甚至成数倍增加，接近甚至达到喷丸机床吊挂许用承载能力极限。因此造成喷丸机的吊挂横梁和框架等明显变形，吊挂系统无法复位和若干运动干涉，结果是复杂双曲外型带筋整体壁板喷丸成形任然无法进行。
7.因此，发明人提供了一种复杂双曲带筋整体壁板的预应力工装及喷丸成形方法。


技术实现要素：

8.(1)要解决的技术问题
9.本发明实施例提供了一种复杂双曲带筋整体壁板的预应力工装及喷丸成形方法，解决了预应力工装重量沿长度分布不均、局部显著超重、总体重量接近设备吊挂极限等致
使其无法喷丸成形以及难以满足壁板外型要求的技术问题。
10.(2)技术方案
11.本发明提供了一种复杂双曲带筋整体壁板的预应力工装，包括刚性组合框架和多个柔性轻质组件，所述刚性组合框架用于对复杂双曲带筋整体壁板实施弹性预应力装夹固定；每个所述柔性轻质组件的一端与所述刚性组合框架的底角连接，其另一端用于与喷丸机床的吊挂框架顶端区域连接。
12.进一步地，所述刚性组合框架为空心矩形或空心工字型型材。
13.进一步地，多个所述柔性轻质组件分别位于所述刚性组合框架的两侧。
14.进一步地，所述柔性轻质组件为钢丝、钢筋或管材。
15.本发明还提供了一种复杂双曲带筋整体壁板的预应力喷丸成形方法，包括以下步骤：
16.对复杂双曲带筋整体壁板的板坯进行预处理；
17.将预处理后的板坯装夹固定在所述预应力工装上；
18.按照喷丸成形工艺要求，对装夹在所述预应力工装中且满足弹性预应力的板坯进行喷丸成形；
19.拆卸喷丸成形后的壁板并对其进行喷丸校形。
20.进一步地，所述对复杂双曲带筋整体壁板的板坯进行预处理，具体为：喷丸成形前清洁板坯，并依据喷丸成形需要，遮蔽板坯非喷丸区的内、外表面。
21.进一步地，所述将预处理后的板坯装夹固定在所述预应力工装上，具体包括如下步骤：
22.将所述预应力工装安装到喷丸机吊挂框架上；
23.将所述板坯装夹在所述预应力工装上，以使板坯上的弹性预应力达到工艺要求；
24.通过拧紧位于所述预应力工装上的所述柔性轻质组件，以使喷丸机床吊装横梁的承载均衡且形变挠度在允许范围内。
25.进一步地，所述按照喷丸成形工艺要求，对装夹在所述预应力工装中且满足弹性预应力的板坯进行喷丸成形，具体为：
26.按照双曲外型带筋整体壁板预应力喷丸成形的方式对所述板坯的外表面喷丸，并对其内表面依据复杂双曲外型确定处理方式。
27.进一步地，所述并对其内表面依据复杂双曲外型确定处理方式，具体为：
28.对双凸外型区域的内表面不作喷丸处理，以及对非双凸外型区域的内表面仅喷丸筋条上半部分但是对其他内表面概不喷丸。
29.进一步地，所述拆卸喷丸成形后的壁板并对其进行喷丸校形，具体包括如下步骤：
30.松开所述预应力工装上的每个所述柔性轻质组件，并依次卸载预应力、工装及壁板；
31.依据喷丸成形效果，对喷丸成形后的壁板进行喷丸校形处理。
32.(3)有益效果
33.综上，本发明针对喷丸成形的预应力工装结构形式，即刚性部分和轻质柔性部分有机组合的结构形式，既可以作为复杂双曲(包括双凸、马鞍和扭转)外型带筋整体壁板喷丸成形预应力工装的一种结构形式，也可以作为其他蒙皮壁板类构件如双曲外型蒙皮壁
板、一般蒙皮壁板等喷丸成形预应力工装的一种结构形式。该预应力工装的轻量化方式，与无轻质柔性组件的全刚性预应力工装相比，该轻量化方式能够大幅简化预应力工装结构、减少零部件数量、降低材料消耗与结构重量，显著降低制造成本、缩短制造周期和厂房场地占用。而且在本发明上述预应力工装结构形式的基础上，针对复杂双曲外型带筋整体壁板的预应力喷丸成形方法，能够有效消除该类壁板喷丸成形缺陷和废品，能够有效控制该类壁板喷丸变形量及成形精度，实现该类壁板的高精度、高性能、长寿命、大批量的喷丸成形，也有助于复杂双曲外型蒙皮壁板类构件的喷丸成形。
附图说明
34.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
35.图1是复杂双曲外型带筋整体壁板的铣切板坯的外形结构示意图；
36.图2是本发明实施例提供的一种预应力工装的结构示意图；
37.图3是本发明实施例提供的一种喷丸成形时的预应力工装的吊挂状态示意图；
38.图4是本发明实施例提供的另一喷丸成形时的预应力工装的吊挂状态示意图；
39.图5是本发明实施例提供的喷丸成形的复杂双曲外型带筋整体壁板的中间复杂双曲外型区域的局部示意图。
40.图中：
41.1-刚性组合框架；2-柔性轻质组件；3-吊装横梁；4-吊挂框架；100-复杂双曲外型带筋整体壁板板坯；200-成形后的复杂双曲外型带筋整体壁板。
具体实施方式
42.下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。
43.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本技术。
44.图2是本发明实施例提供的一种复杂双曲带筋整体壁板的预应力工装的结构示意图，该预应力工装可以包括刚性组合框架1和多个柔性轻质组件2，刚性组合框架1用于对复杂双曲带筋整体壁板实施弹性预应力装夹固定；每个柔性轻质组件2的一端与刚性组合框架1的底角连接，其另一端用于与喷丸机床的吊挂框架4顶端区域连接。
45.在上述实施方式中，该复杂双曲外型带筋整体壁板的预应力工装，不同于现有和以往的预应力工装结构形式，采用一种全新的结构形式，由刚性组合框架1和柔性轻质组件2两大部分组成。
46.具体地，如图2所示，刚性组合框架1，主要由空心矩形或空心工字型材等轻质结构组成，用以实施弹性预应力装夹和实现预应力工装的主要功能；柔性轻质组件2，主要由两
根或两根以上分列预应力工装左右的钢丝、钢筋或管材等柔性材料组件构成，一端连接刚性组合框架1的底角、另一端连接喷丸机床的吊挂框架4上端等部位，用以有效化解预应力工装重量分布不均和局部超重，以及吊挂横梁3和吊挂框架4变形等问题，是复杂双曲外型带筋整体壁板预应力工装不可或缺的重要组成部分。
47.其中，该刚性组合框架本身就是一种预应力工装(现在已经比较常用)，全部由刚性构件组成，主要包括框架、导轨、立柱及螺栓，导轨成对(或成双)被螺钉水平固定在框架的上、下框梁上，松开导轨上的螺钉时导轨可以在框架的上、下框梁上左、右移动，导轨移动到任一设定位置后可以通过拧紧其上的螺钉固定导轨，这里在框架的上、下框梁上可以布置若干对(或成双)导轨。
48.立柱被螺钉竖直固定在上、下成对(或成双)安装的导轨上，卸掉螺钉时立柱可以在一对上、下导轨间前、后移动，立柱移动到若干设定位置中的任意确定位置后可以通过拧紧其上的螺钉固定立柱，在这里一对导轨上最多可以布置两根立柱。
49.螺栓安装在立柱上，螺栓可以沿立柱上、下变化位置，一根立柱上可以分布排列若干螺栓。
50.依据喷丸成形双曲带筋整体壁板的弹性预应力装夹固定需要，在确定螺栓、立柱和导轨的数量及位置并与该壁板一起安装之后，通过控制分布在该壁板前、后(或内、外表面)的立柱上的螺栓进给量大小，则可以对该壁板施加预应力并控制预应力大小。
51.其中，采用柔性轻质组件的情况下，如图3所示，当预紧柔性轻质组件之后，其内部产生拉力l1、l2，其竖直分力分别为t1、t2，刚性组合框架及其上的预应力夹装的整体壁板总重量为g，吊挂横梁中间位置承受的力为p，则g、p、t1、t2四者之间存在关系g＝p+t1+t2，该式可以变换为p＝g-t
1-t2；因t1＞0，t2＞0，所以p＜g，即通过预紧柔性轻质组件，将吊挂横梁中间位置承受力p的一部分分别分解为吊挂横梁两端区域承受的力t1和t2，使吊挂横梁中间位置承受的力显著减小，实现化解局部超重问题。此外，如果t1+t2＞g时，则p＜0，即吊挂横梁中间受力由向下拉转为向上推，因此彻底改变吊挂横梁中间受力及形变状况。
52.通常，预应力工装固定在喷丸机床吊挂框架4上。在预应力装夹板坯之前，首先松开钢丝、钢筋或管材等柔性轻质组件，以便预应力装夹壁板。
53.针对复杂双曲(包括双凸、马鞍和扭转)外型带筋整体壁板喷丸成形技术难题，化解其预应力工装重量沿长度分布不均、局部显著超重、总体重量接近设备吊挂极限等致使其无法喷丸成形以及难以满足壁板外型要求的难题，突破其喷丸成形技术瓶颈，实现其长寿命、高性能、低成本成形，促进喷丸成形技术进步与应用、以及先进航空航天器的研制和生产。同时，为蒙皮壁板类构件喷丸成形工装设计、制造及使用提供一种崭新的方法。
54.该预应力工装可以有效地拓展喷丸机床的成形能力及应用范围，采用上述柔性轻质组件和刚性组合框架构成的预应力工装，能够适用于现有喷丸机床预应力喷丸成形甚至更复杂双曲外型的带筋整体壁板和蒙皮壁板类构件，有效拓展了现有喷丸机床的成形能力及应用范围。
55.作为一种优选的实施方式，刚性组合框架1为空心矩形或空心工字型材。其中，空心矩形或空心工字型材的选取是为了减轻预应力工装的整体重量。
56.作为一种优选的实施方式，多个柔性轻质组件2分别位于刚性组合框架1的两侧。其中，柔性轻质组件2采用这样的设置方式是为了既能有效化解预应力工装的重量分布不
均和局部超重，以及吊挂横梁和框架变形等问题，又能最大限度地减少自身重量和整个预应力工装重量。具体地，柔性轻质组件2的个数最好选为偶数，分别在刚性组合框架1的两侧各设置一半，以确保两侧的受力能够更加均匀。
57.作为一种优选的实施方式，柔性轻质组件2为钢丝、钢筋或管材。其中，选用钢丝、钢筋或管材是为了减轻预应力工装的整体重量。
58.本发明实施例还提供了一种复杂双曲带筋整体壁板的预应力喷丸成形方法，包括以下步骤：
59.s100、对复杂双曲带筋整体壁板的板坯进行预处理；
60.s200、将预处理后的板坯固定装夹在预应力工装上；
61.s300、按照喷丸成形工艺要求，对装夹在预应力工装中且满足弹性预应力的板坯进行喷丸成形；
62.s400、拆卸喷丸成形后的壁板并对其进行喷丸校形。
63.在上述实施方式中，实现复杂双曲(包括双凸、马鞍和扭转)外型带筋整体壁板的喷丸成形，通过采用柔性轻质组件和刚性组件构成的预应力工装，消除了因为预应力工装局部超重产生的喷丸机无法运行、该类壁板无法喷丸成形等一系列问题，实现了复杂双曲外型带筋整体壁板喷丸成形，也有助于实现复杂外型蒙皮壁板类构件的喷丸成形。
64.作为一种优选的实施方式，步骤s100中，对复杂双曲带筋整体壁板的板坯进行预处理，具体为：喷丸成形前清洁板坯，并依据喷丸成形需要，遮蔽板坯非喷丸区的内、外表面。
65.具体地，与一般壁板板坯处理方式和要求基本一样。板坯即铣切之后的、用于喷丸成形的、复杂双曲外型带筋整体壁板的毛坯，板坯有外表面和内表面两个主要表面，外表面多为平面，内表面包括加强凸台、减重槽以及若干筋条(或长桁)等。喷丸成形前，清洁板坯，使其表面无油污、无水气、无污染。然后依据喷丸成形需要，遮蔽保护板坯非喷丸区的内、外表面。
66.作为一种优选的实施方式，步骤s200中，将预处理后的板坯固定装夹在预应力工装上，具体包括如下步骤：
67.s201、将预应力工装安装到喷丸机吊挂框架上；
68.s202、将板坯装夹在预应力工装上，以使板坯上的弹性预应力达到工艺要求；
69.s203、通过拧紧位于预应力工装上的柔性轻质组件，以使喷丸机床吊装横梁的承载均衡且形变挠度在允许范围内。
70.具体地，与一般的双曲外型带筋整体壁板板坯预应力装夹要求和方式大致一样，将其板坯固定装夹在预应力工装上，但是必须使壁板板坯上的弹性预应力达到复杂双曲外型带筋整体壁板喷丸成形工艺要求，以促进喷丸成形。
71.拉紧位于预应力工装左右的钢丝或钢筋等柔性轻质组件，使喷丸机吊装横梁上的承载尽可能均衡，避免吊挂横梁和框架挠度超标，实现吊挂系统正常复位，消除壁板送进运动干涉，确保喷丸机运行和成形过程稳定、可靠。
72.喷丸成形前，务必一方面遮蔽保护可能被喷打的紧固件、工装和夹具，二方面避免各种运动干涉。
73.作为一种优选的实施方式，步骤s300中，按照喷丸成形工艺要求，对装夹在预应力
工装中且满足弹性预应力的板坯进行喷丸成形，具体为：
74.按照双曲外型带筋整体壁板预应力喷丸成形的方式对板坯的外表面喷丸，并对其内表面依据复杂双曲外型确定处理方式。
75.其中，上面的步骤s100～s400都是为了喷丸成形操作做准备。
76.一、准备工作
77.1)在喷丸机上使用刚性组合框架(刚性预应力工装)；
78.2)对装夹在刚性组合框架内的双曲带筋整体壁板，通过改变和调节位于壁板内、外表面两侧的竖直立柱上的螺栓进给量，对该壁板施加必要的、足够的弹性预应力；
79.3)确认施加的弹性预应力达到该壁板预应力喷丸成形要求之后，固定该壁板和刚性组合框架；
80.4)拧紧和调节分布在刚性组合工装两侧的轻质柔性组件，消除吊挂横梁载荷沿长度局部集中、分布不均、挠度超限、运动干涉、无法喷丸等现象，确保喷丸成形过程能够正常、稳定、可靠运行；
81.5)有效遮蔽保护该壁板和刚性组合框架上的非喷丸区域/表面。
82.二、成形喷丸
83.1)首先，对外表面喷丸成形；
84.2)其次，对内表面(也称内型面)喷丸成形，这里对该壁板的双凸外型区域对应的内表面均不进行喷丸成形；但是对于该壁板的非双凸外型区域对应的内表面，也仅仅喷丸筋条上半部分(即筋条顶部)表面区域，但是对其他内表面区域概不喷丸；
85.3)然后，对于被刚性组合框架(预应力工装)遮挡的本应喷丸而未喷打到的区域进行补充喷丸成形；
86.4)最后，松开轻质柔性组件，接下来松开立柱上的紧紧顶压在壁板内、外表面上的螺栓，卸掉壁板上的所有外部载荷，由此获得了外型基本满足要求的双曲外型带筋整体壁板，但并不能够完全满足外型精度要求，此刻该壁板仍有一些局部的外型没有达到精度要求，这些局部外型需要后续的喷丸校形才能最终达到外型精度要求。
87.三、成形校形
88.喷丸校形时，依据该壁板实际外型状况，可以对该壁板外型误差超标区域及相关区域的内、外表面进行有效地喷丸校形(此刻，喷丸校形的区域既可以包含该壁板的全部外表面、也可以包含该壁板的全部内表面)，使该壁板的外型完全满足其精度要求，最终获得外型合格的双曲外型整体壁板，实现了双曲外型整体壁板(尤其是大曲率双曲外型整体壁板)的喷丸成形。
89.作为一种优选的实施方式，并对其内表面依据复杂双曲外型确定处理方式，具体为：
90.对双凸外型区域的内表面不作喷丸处理，以及对非双凸外型区域的内表面仅喷丸筋条上半部分但是对其他内表面概不喷丸。
91.其中，对该壁板内表面分为两种不同情况分别处理，第一种情况针对双凸外型区域的内表面不作喷丸处理，第二种情况针对非双凸外型区域的内表面仅喷丸筋条上半部分表面区域但是对其他内表面区域概不喷丸，由此便获得复杂双曲(包括双凸、马鞍和扭转)外型带筋整体壁板，实现其喷丸成形。
92.作为一种优选的实施方式，步骤s400中，拆卸喷丸成形后的壁板并对其进行喷丸校形，具体包括如下步骤：
93.s401、松开预应力工装上的每个柔性轻质组件，并依次卸载预应力、工装及壁板；
94.s402、依据喷丸成形效果，对喷丸成形后的壁板进行喷丸校形处理。
95.具体地，复杂双曲外型带筋整体壁板喷丸成形之后拆卸时，务必首先松开预应力工装上的钢丝、钢筋或管材，然后依次卸载预应力、工装及壁板。最终，依照常规，视喷丸成形效果，对喷丸成形后的复杂双曲外型带筋整体壁板进行必要的喷丸校形等处理。
96.实施例
97.以具有复杂双曲(双凸)外型带筋整体壁板喷丸成形为例，其铣切板坯如图1所示，壁板材料为2024-t351铝合金，屈服极限σs＝370mpa，筋条长度19000mm，筋条数量5根。这里，复杂双曲(双凸)外型区基本位于壁板中间区域。
98.步骤一、针对复杂双曲(双凸)外型带筋整体壁板(见图1)，清洗表面，利用胶带等遮蔽整体壁板非喷丸成形区表面。
99.步骤二、预应力装夹复杂双曲(双凸)外型带筋整体壁板铣切板坯。
100.首先，将复杂双曲(双凸)外型带筋整体壁板的预应力工装(见图2)安装到喷丸机吊挂框架上。该预应力工装不同于过去的结构形式，采用一种全新的结构形式，由刚性组合框架和柔性轻质组件两大部分组成；刚性组合框架，主要由空心矩形或空心工字型材等组成，用作预应力工装对该类壁板实施弹性预应力装夹固定；柔性轻质组件，主要由两根分列预应力工装左右的钢筋组成，一端连接刚性组合框架的底角、另一端连接喷丸机床吊挂框架的上端部位，用以有效化解预应力工装重量分布不均和局部超重，以及吊挂横梁和框架变形等问题。在预应力装夹板坯之前，首先松开钢丝、钢筋或管材等柔性轻质组件，以便预应力装夹板坯。
101.其次，将复杂双曲(双凸)外型带筋整体壁板装夹在预应力工装上，使壁板板坯上的弹性预应力达到工艺要求，以利喷丸成形。整个装夹与一般的双凸外型带筋整体壁板板坯预应力装夹要求和方式基本一致。
102.再次，通过丝扣拧紧位于预应力工装左右的柔性轻质组件钢筋等(见图3和图4)，使喷丸机床吊装横梁上的承载均衡且形变挠度均控制在允许范围内，确保喷丸机床运行和喷丸成形过程可靠、稳定和持续。
103.最后，按照喷丸成形工艺要求，遮蔽保护容易受喷打损坏的紧固件和工装夹具，并试运行喷丸机床以避免运动干涉。
104.步骤三、按照喷丸成形工艺要求，对装夹在预应力工装中且获得足够弹性预应力的复杂双曲(双凸)外型带筋整体壁板板坯喷丸成形。按照一般的双曲(双凸)外型带筋整体壁板预应力喷丸成形的方式对该壁板外表面喷丸，但是对其内表面概不喷丸。完成喷丸成形工序之后，准备卸载预应力及其工装和壁板。
105.步骤四、复杂双曲(双凸)外型带筋整体壁板喷丸成形之后拆卸时，务必首先松开分列预应力工装左右的两根柔性轻质组件钢筋等，其次依次卸载预应力、工装及壁板。然后，视喷丸成形效果，对喷丸成形后的复杂双曲(双凸)外型带筋整体壁板进行必要的喷丸校形等处理。最终实现复杂双曲(双凸)外型带筋整体壁板的喷丸成形，获得满足设计技术要求的、合格的复杂双曲(双凸)外型带筋整体壁板(见图5)。
106.需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。
107.以上仅为本技术的实施例而已，并不限制于本技术。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的权利要求范围内。