喷丸成型:喷丸成型技术及其数值模拟技术综述节选
发布日期:2021/7/26 10:22:50

1、引言

喷丸成形技术是利用髙速弹丸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(如图1所示),从而逐步使板材发生向受喷面凸起的弯曲变形而达到所需外形的一种成形方法。

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喷丸成形技术的优点主要有:

1)工艺装备简单,不需要成形模具,因此零件制造成本低,对零件尺寸大小的适应性强;

2)由于喷丸成形后,沿零件厚度方向在上、下两个表面均形成残余压应力(如图2所示),因此在零件成形的同时,还可以改善零件的抗疲劳性能;

3)既可以成形单曲率零件,也可以成形复杂双曲率零件。

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喷丸成形技术便被广泛应用于EM120,A10,A6,EA6,S3A.P3,C5,C130,C141.F15,F5EBl等军用飞机及A310-A340、707-777、 REGIONAL JET、DASH7、DAsH8、L1011、MD11、MD80、MD90、MD95、DC10、ATR72、Do.228、Do.328等民用飞机以及运载火箭 ARIANE-4,5和ATLAS II上的整体壁板零件制造中。

近年来,随着现代先进飞机对整体气动性能的要求越来越高,以及计算机技术的快速发展,大大促进了喷丸成形技术的研究和开发,出现了预应力喷丸成形技术、数字化喷丸成形技术、新型喷丸成形/强化技术等,大大扩展了喷丸成形技术的加工能力和应用范围。


2、喷丸成形过程的数值模拟技术

目前,针对喷丸成形过程模拟方面的研究主要有弹丸撞击法和等效载荷法。弹丸撞击法是采用动态显示有限元法模拟一个或有限个弹丸以一定速度撞击零件表面的过程,可以获得喷丸强度与弹丸覆盖率对残余应力分布及塑性变形层深度的影响规律采用多弹丸撞击法的有限元模拟般均把复杂的弹丸随机喷射过程简化为均匀的碰撞过程(如图9所示),曾元松提出了同时喷射7个弹丸的均布模型, Jochen Schwarzer等提出了19个弹丸的均匀碰撞模型,S.A. Meguid等提出了4弹丸的对称碰撞模型。近年来,随着计算机硬件技术水平的提高,已经能够模拟多达上千个弹丸的撞击过程,并可获得小尺寸试件的宏观变形情况。

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虽然弹丸撞击法与喷丸的物理过程非常接近,但是对于实际零件成形过程的模拟,由于弹丸尺寸与零件尺寸之间的差异,仍然无法实现喷丸成形全过程的数值模拟,因此,弹丸撞击法往往仅用于研究喷丸变形机理或作为等效载荷法的基础。

等效载荷法的基本思想是以能量等效或变形等效为原则,采用其它加载方式来获得与喷丸方式相同的零件变形效果。所采用的加载方式主要有在单元节点上直接施加力或力矩和热载荷。在节点上直接施加力或力矩的方法可以与弹丸撞击法获得的结果相结合,但是利用现有有限元软件对每个节点施加不同的力和力矩往往非常困难。而在节点上施加热载荷的方式,由于可以采用分层壳单元来离散大型薄壁零件,从而使加载过程变得非常简单,因此,可以很方便地对各种复杂喷丸路径下喷丸成形过程进行模拟,并可获得零件的宏观变形情况。如图10为采用热载荷法模拟的马鞍形零件的喷丸成形过程。

采用等效热载荷法目前已经可以做到定性地获得在一定喷丸路径下零件的变形趋势,为实际喷丸工艺方案的制定提供有价值的参考信息。但是,如何定量地预测一定喷丸参数条件下零件变形量的大小,将是下一步喷丸成形过程数值模拟的发展趋势,这需要以大量的基础试验为基础,建立热载荷和喷丸参数之间的关系,才有实现的可能。

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3、新型喷丸成形技术

近几年来,出现了一些有别于传统喷丸成形技术的新型喷丸加工方法,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。

新型喷丸成形技术可在网站其他具体分类中查阅。


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