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噴丸成形技術(shù)：小彈丸，大改變 已有6人參與
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噴丸成形技術(shù)：小彈丸，大改變 王明濤 黃遐 2013-07-24 19:45:28 文章來源：http://114.113.227.14/epaper/zgh ... /story/354969.shtml 噴丸作為一種表面強化工藝，它的歷史可追溯到公元前2700年。據(jù)記載，當(dāng)時的鐵匠就已經(jīng)認(rèn)識到在冷態(tài)下經(jīng)過錘子錘打的金屬可以變得更加堅硬。中世紀(jì)的歐洲人在使用馬拉轎車中發(fā)現(xiàn)，同樣的板式彈簧，凡經(jīng)過表面吹沙處理的，使用壽命顯著提高。20世紀(jì)初，人們開始使用金屬顆粒對彈簧和大型齒輪的齒根進行噴丸強化處理。 經(jīng)過20世紀(jì)40年代大批研究者的努力，大家對噴丸工藝的認(rèn)識提升到一個更高層次，從而推動和擴展了這項工藝的應(yīng)用范圍。洛克希德·馬丁公司的工程師Jim Boerger從噴丸強化Almen試片中得到啟發(fā)，開創(chuàng)了一種現(xiàn)代飛機制造中的先進成形技術(shù)——噴丸成形技術(shù)。 噴丸成形的基本原理是：利用高速彈丸（直徑1~6mm）流撞擊金屬板材的表面，使受撞擊的表面及其下層金屬材料產(chǎn)生塑性變形而延伸，從而逐步使板材發(fā)生向受噴面凸起的雙向彎曲變形（如圖所示）。 噴丸成形按照不同的分類方法有著不同的種類：按照噴丸區(qū)域不同，分為單面噴丸成形和雙面噴丸成形；按照彈丸獲得速度的驅(qū)動方式，噴丸成形分為離心式噴丸成形、氣動式噴丸成形和超聲噴丸成形；根據(jù)噴丸成形時是否在零件上預(yù)先施加外載荷，噴丸成形分為自由狀態(tài)噴丸成形和預(yù)應(yīng)力噴丸成形。 噴丸成形工藝優(yōu)點十分顯著。首先，該工藝無需成形模具，工藝裝備簡單，可節(jié)省大量的模具設(shè)計與制造時間，大大縮短了生產(chǎn)準(zhǔn)備周期和成本，并能夠快速、靈活的應(yīng)對設(shè)計更改，特別適合于尺寸大、外形相對平緩的零件。其次，需成形零件的長度不受設(shè)備大小限制（長度可達(dá)35m以上），只要廠房場地允許，可以任意加長機床導(dǎo)軌，適應(yīng)任意長度的大型零件。再次，噴丸成形有助于延長材料疲勞壽命和耐腐蝕性能。 正是基于這些優(yōu)點，噴丸成形技術(shù)已廣泛應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域的整體壁板零件制造。美國首先在“星座號”飛機上運用噴丸成形方法制造機翼整體壁板，從20世紀(jì)50年代中期開始，噴丸成形技術(shù)成為民用軍用飛機機翼、機身等壁板類零件的主要成形手段。進入20世紀(jì)80年代，超臨界機翼成為飛機先進性重要標(biāo)志，組成機翼的整體壁板出現(xiàn)了復(fù)雜馬鞍形和扭轉(zhuǎn)特點，而且?guī)Ы罱Y(jié)構(gòu)明顯增多。對于此類零件傳統(tǒng)噴丸成形很難滿足其所需變形量，為此預(yù)應(yīng)力噴丸成形技術(shù)得到重視。預(yù)應(yīng)力噴丸成形是一種在成形前借助預(yù)應(yīng)力夾具在板坯上施加彈性變形力，然后對其進行噴丸的成形方法。在相同條件下，預(yù)應(yīng)力噴丸的成形極限是自由噴丸的2~3倍，同時預(yù)應(yīng)力噴丸還可有效控制沿噴丸路線方向的附加彎曲變形，該技術(shù)的應(yīng)用進一步推動了噴丸成形技術(shù)的發(fā)展。 隨著信息化時代的到來，計算機技術(shù)的快速發(fā)展促進了噴丸成形技術(shù)的研發(fā)，隨之出現(xiàn)了數(shù)字化噴丸成形技術(shù)，開創(chuàng)了噴丸成形技術(shù)的新紀(jì)元。數(shù)字化噴丸成形是以數(shù)字量形式描述零件及其噴丸成形全過程，并將各階段形成的數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理起來的先進成形技術(shù)，比較成功的范例是德國KSA公司提出的自動化噴丸成形技術(shù)。多年來KSA與空客建立合作關(guān)系，早期為空客制造A310機身壁板，在2001年實現(xiàn)對A380激光焊機身壁板的噴丸成形和校形，并與Baiker公司聯(lián)合為空客研制出當(dāng)時世界上噴丸室最大的數(shù)控噴丸成形設(shè)備。 目前，噴丸成形工藝廣泛應(yīng)用于大中型客機（包括當(dāng)前正在運營的所有空客、波音客機系列飛機）和運輸機的機翼整體壁板的成形。因此，大型機翼整體壁板噴丸成形技術(shù)是大型飛機機翼制造的核心技術(shù)之一，該技術(shù)已經(jīng)被美國波音和金屬改進公司及歐洲空客等少數(shù)幾家公司壟斷，并對其他國家實施技術(shù)封鎖。隨著大型飛機設(shè)計要求不斷提高，噴丸成形技術(shù)經(jīng)歷了整體壁板從單曲率到復(fù)雜雙曲率，從不帶筋到帶筋的應(yīng)用過程，成形構(gòu)件的外形和結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度日趨加大，為噴丸成形技術(shù)帶來了前所未有的挑戰(zhàn)與機遇。 展望未來，噴丸成形技術(shù)的發(fā)展將呈現(xiàn)以下特點：首先，噴丸對象及設(shè)備大型化，如大型復(fù)雜外型整體壁板、大型整體結(jié)構(gòu)等噴丸，它們需要大型噴丸設(shè)備及相應(yīng)噴丸技術(shù)。其次，噴丸壁板外型結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜化，即在現(xiàn)有可噴丸成形構(gòu)件外型、結(jié)構(gòu)和形狀的基礎(chǔ)上更加復(fù)雜，要求更大的噴丸變形量。再次，噴丸過程智能化，最大限度地把人力從繁雜的噴丸工藝過程中解放出來、提高噴丸質(zhì)量和效率，而現(xiàn)代科技發(fā)展與進步使噴丸過程智能化的逐步實現(xiàn)已經(jīng)成為可能。最后，新型噴丸加工方法的不斷涌現(xiàn)，其中雙面噴丸成形技術(shù)、激光噴丸成形技術(shù)、超聲噴丸成形技術(shù)和高壓水噴丸成形技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用得到了廣泛的重視和關(guān)注。 小小彈丸，改變的不僅僅是零件的形狀，還在改變著現(xiàn)代飛機制造技術(shù)的發(fā)展。在航空航天制造快速進步的今天，噴丸成形技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用前景光明，技術(shù)經(jīng)濟市場廣闊，在整體壁板制造中定將占領(lǐng)不可替代的位置。 （作者單位為中航工業(yè)制造所） 文章來源：http://114.113.227.14/epaper/zgh ... /story/354969.shtml |
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小小丸粒助力中國大飛機騰飛 ——中航工業(yè)制造所噴丸成形技術(shù)發(fā)展歷程 建勤 2013-07-24 19:45:27 文章來源：http://114.113.227.14/epaper/zgh ... /story/354974.shtml 2008年11月28日，在上海大場機場，首架具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)ARJ21噴氣式客機伴隨著巨大的轟鳴聲于12時23分沖天而起，翱翔藍(lán)天一小時之后返回，于13時24分平穩(wěn)降落機場。這標(biāo)志著國產(chǎn)ARJ21飛機首飛成功，標(biāo)志著中國已經(jīng)具備先進客機制造實力。 大家可曾知道：ARJ21飛機研制成功絲毫離不開尺寸大小不足4毫米甚至更小的小小丸粒，ARJ21飛機超臨界機翼壁板復(fù)雜氣動外型面研制成功更離不開這些小小的丸粒。毫不夸張地講，小小丸粒成就了ARJ21飛機，小小丸粒成就了中國民機產(chǎn)業(yè)。 丸粒雖小，效果神奇。丸粒選用砂子，可用于清理鑄件吹砂、鍛件除氧化皮、鋼鐵制品除銹以及表面修飾等；令人稱奇的是丸粒也可以選用面粉，用于清理飛機油漆涂層等。丸粒選用玻璃丸，主要用于噴丸強化，通過在金屬構(gòu)件表面100%飽和噴丸而形成均勻分布的壓應(yīng)力層，提高其抗疲勞和耐腐蝕性能。丸粒選用鋼鐵丸或陶瓷丸，主要用于噴丸強化和噴丸成形。其中，噴丸成形是指利用高速彈丸有選擇地、逐步地撞擊金屬構(gòu)件表面而最終使其獲得所需外型。ARJ21飛機超臨界機翼整體壁板就是采用噴丸成形技術(shù)獲得復(fù)雜氣動外型的。 噴丸成形由噴丸強化發(fā)展而來。上世紀(jì)50年代初期噴丸成形技術(shù)被首次應(yīng)用于Constellation飛機機翼壁板噴丸成形。噴丸成形由于具有無需成形模具、準(zhǔn)備周期短、場地占用少、設(shè)備適用性廣及加工成本低，而且經(jīng)過后序飽和噴丸可以明顯提高構(gòu)件疲勞壽命和耐腐蝕性能等顯著優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于飛機整體壁板的成形，如20世紀(jì)60年代末以來的波音747、本世紀(jì)初期至今的空客A380等。噴丸成形一直是飛機機翼整體壁板首選甚至是唯一的成形手段。 國內(nèi)噴丸成形技術(shù)研究起步較晚，始于20世紀(jì)60年代末期。中航工業(yè)北京航空制造工程研究所（以下簡稱“制造所”）是國內(nèi)唯一從事壁板噴丸成形技術(shù)研究的科研單位。萬事開頭難，技術(shù)資料的極其匱乏使當(dāng)時開展噴丸成形技術(shù)研究困難重重。制造所積極探索噴丸成形工藝，由摸索噴丸變形規(guī)律、落實彈丸供給、開發(fā)噴丸設(shè)施以及初步應(yīng)用研究，到自主研制電氣控制噴丸機并配套相關(guān)主機廠，分別應(yīng)用于殲6、殲7、殲8、運7、轟6等飛機機翼機身壁板的噴丸成形；至20世紀(jì)80年代末期，制造所基本掌握了針對直紋翼型機翼整體壁板以噴丸成形為主的、以機械校形和榔頭敲擊為輔的噴丸成形工藝，建立了飛機壁板噴丸成形技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，編寫完成相關(guān)工程手冊，基本構(gòu)建完成噴丸成形技術(shù)體系及其設(shè)備配套�？傮w而言，這一時期噴丸成形技術(shù)研究成效顯著，基本滿足了上述二代機機翼整體壁板的噴丸成形需要，為日后深入開展研究工作奠定了一定的技術(shù)基礎(chǔ)。但是，由于受客觀條件限制、壁板外型及其技術(shù)要求低、技術(shù)自身發(fā)展規(guī)律制約等因素影響，機翼壁板噴丸成形尚無法擺脫機械校形和榔頭敲擊，因此國內(nèi)這一時期的機翼壁板噴丸成形尚不屬于真正意義上的（純）噴丸成形。 20世紀(jì)90年代初，國內(nèi)噴丸成形技術(shù)研究迎來第二個高潮。制造所作為型號攻關(guān)項目技術(shù)顧問和參研單位，面對噴丸成形專業(yè)技術(shù)人才匱乏、僅有的少數(shù)專業(yè)人員知識老化、與國外數(shù)控噴丸工藝及設(shè)備存在代差等嚴(yán)峻問題，精心選型并引進國內(nèi)首臺數(shù)控噴（拋）丸機，到20世紀(jì)90年代中期，掌握了機翼6米級整體壁板噴（拋）丸成形技術(shù)，使國內(nèi)噴丸成形技術(shù)跨入數(shù)控時代。同期，制造所自主研制成功國內(nèi)首臺數(shù)控噴（拋）丸機。相關(guān)工藝和設(shè)備研究成果分別榮獲部級科技成果獎。 20世紀(jì)90年代中期，制造所利用自主研制的技術(shù)數(shù)控噴丸機，系統(tǒng)研究數(shù)控噴丸成形基本規(guī)律，重點開發(fā)預(yù)應(yīng)力噴（拋）噴丸成形技術(shù)。針對亞歐快車AE100飛機研制需求，在國內(nèi)首次探索研究超臨界機翼整體壁板噴（拋）丸成形技術(shù)，最終形成具有珍貴價值的超臨界機翼整體壁板噴（拋）丸成形技術(shù)思想。此外，AE100飛機開創(chuàng)了國內(nèi)超臨界機翼及其整體壁板噴（拋）丸成形技術(shù)研究新紀(jì)元。 本世紀(jì)初，屢挫屢戰(zhàn)的國內(nèi)民機產(chǎn)業(yè)誓死一搏，決心自主研制ARJ21噴氣式支線飛機。制造所作為項目組長和參研單位，開展ARJ21飛機超臨界機翼整體壁板噴丸成形技術(shù)研究。與過去直紋或以直紋為主的機翼整體壁板沿等百分線逐窄條噴丸成形截然不同，超臨界機翼整體壁板沒有等百分線而且外型不但弦向彎曲且展向彎折并扭轉(zhuǎn)，其噴丸成形困難之大無異于老虎吃天。最終，制造所打破國外技術(shù)壟斷和封鎖，攻克了ARJ21超臨界機翼整體壁板噴丸成形技術(shù)，使中國成為世界上第三個掌握超臨界機翼整體壁板噴丸成形技術(shù)的國家，掌握了民機研制和生產(chǎn)的重大、關(guān)鍵及核心技術(shù)，研究成果榮獲國家科技進步二等獎。至此，我國徹底擺脫了對機械校形和榔頭敲擊的嚴(yán)重依賴，實現(xiàn)了真正意義上的噴丸成形，國產(chǎn)飛機6~9萬飛行小時壽命不再是奢望。這些研究成果奠定了國內(nèi)民機研制、生產(chǎn)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展的堅實基礎(chǔ)，在國內(nèi)民機產(chǎn)業(yè)發(fā)展史上留下了濃墨重彩的一筆。 近年來，依然不能制造大型飛機的殘酷現(xiàn)實與日益雄厚的國家實力極不相稱，國家大飛機發(fā)展規(guī)劃被不失時機地推出。減重是飛機一貫的追求目標(biāo)，帶筋特別是高筋整體壁板具有優(yōu)異的減重效果、結(jié)構(gòu)效率及密封效果，一直為國內(nèi)外大飛機所青睞。但是隨著筋條高度增加，帶筋整體壁板噴丸成形技術(shù)難度急劇增大。然而，當(dāng)時在國內(nèi)帶筋整體壁板噴丸成形被認(rèn)為是禁區(qū)，不具備帶筋整體壁板噴丸成形技術(shù)能力，更別說高筋整體壁板噴丸成形。為此，制造所針對筋高創(chuàng)造國際紀(jì)錄的大型復(fù)雜帶筋整體壁板噴丸成形這一世界性難題，開展大型復(fù)雜帶筋整體壁板噴丸成形技術(shù)研究，最終突破了過去的一個個噴丸成形禁區(qū)和堡壘，攻克了大型復(fù)雜帶筋整體壁板噴丸成形技術(shù)難題，執(zhí)國際帶筋整體壁板噴丸成形技術(shù)之牛耳，為國產(chǎn)大飛機研制奠定了堅實可靠的技術(shù)基礎(chǔ)。 未來，一個前途無限的中國需要一個無比強大的航空工業(yè)，一個強盛的航空工業(yè)將為噴丸成形技術(shù)提供廣闊而美好的發(fā)展空間，小小丸粒將繼續(xù)創(chuàng)造一個又一個神奇。 |
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