专利名称：单、双曲度整体壁板的超声波喷丸成形方法
技术领域：
本发明涉及机械制造领域，特别设计一种基于高能超声波喷丸成形技术进行单、 双曲度整体壁板的成形方法。
背景技术：
整体壁板的成形加工在航空和国防工业中有着十分广泛的应用，其具有强度重量比高、总体和局部稳定性好、外形准确、疲劳寿命长等特点，因此成为现代飞机普遍采用的高效率结构，是衡量飞机先进程度的一个重要标志。随着现代飞机的飞行速度和载荷等性能的不断提高，对整体壁板的强度等要求也越来越高，同时增加了整体壁板成形的难度。传统的整体壁板成形技术有滚弯成形、增量压弯成形等已无法保证壁板的成形质量，因此在近30余年，喷丸成形成为整体壁板成形的首选工艺。
喷丸成形技术是利用高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，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。虽然该技术工艺装备简单，在成形的同时可以改善零件的抗疲劳性能，但现有的喷丸成形技术会使金属板材受喷表面变得粗糙，影响表面质量，而且由于喷丸成形机理的复杂导致工艺分析的复杂，因此目前喷丸成形参数的选择主要依靠实验数据和操作经验，耗时费资，并且现有的喷丸系统结构十分复杂，每次喷丸后丸粒必须进行回收、 清洗、分级和破粒去除，在喷丸过程破碎的丸粒还会造成一定污染。因此，很有必要在现有技术的基础之上，设计研究出一种可操作性强、加工效率高、适用范围广泛的整体壁板的成形方法。发明内容
发明目的本发明的目的是为了解决现有技术的不足，提供一种易操作实施、加工效率高、可以精确控制板料的成形精度、能加工不同曲率和不同形状的单、双曲度整体壁板的超声波喷丸成形方法，该方法加工制备得到的整体壁板精度高、结构稳固牢靠、表面光滑度好。
技术方案为了实现以上目的，本发明所采取的技术方案为 一种单、双曲度整体壁板的超声波喷丸成形方法，它包括以下步骤利用超声波喷丸设备，所述的超声波喷丸设备包括超声波发生器和冲击枪，所述的冲击枪安装在数控机床主轴侧面，所述的冲击枪包括超声波换能器、与超声波换能器相连的变幅杆、与变幅杆连接的振动工具头和安装在振动工具头上的撞针；在超声波喷丸前先利用撞针进行对刀，然后根据整体壁板成形形状的需求设定不同的成形轨迹，并在数控机床上编制与成形轨迹相应的数控程序，使机床主轴按照设定的成形轨迹编制数控程序移动，带动冲击枪的移动并控制其移动路径，然后开启超声波发生器，超声波换能器将超声波发生器产生的振荡电信号，如20KHz频率的振荡电信号转换为同频率的纵波机械振动，然后再通过变幅杆将超声波换能器的微小振幅进行放大，然后借助安装在振动工具头上上的撞针按成形轨迹冲击金属板材表面，在金属板材内部诱导出不平衡的应力分布形式，使金属板材在冲击方向上发生凸起弯曲变形，得到不同曲度的典型单或双曲度整体壁板。
作为优选方案，以上所述的单、双曲度整体壁板的超声波喷丸成形方法，根据实际需要金属板材的超声波喷丸区域可为单面或双面，可以加工得到单面曲度的整体壁板或双曲度整体壁板，其中撞针的振幅由超声波发生器的电流大小控制，作为优选撞针的振幅可为5至50 μ m，通过调整超声波发生器的电流大小可以控制超声波喷丸的强度，从而可以加工得到不同曲率大小的零件并保证成形件的表面质量。
作为优选方案，以上所述的单、双曲度整体壁板的超声波喷丸成形方法，所述的撞针的直径可以根据实际整体壁板成型的需要而选择，优选撞针的直径为2毫米、3毫米或6毫米。
本发明提供的单、双曲度整体壁板的超声波喷丸成形方法，本发明根据超声波喷丸成形的规律制定不同的成形路径，并编制与成形路径相应的数控程序控制机床主轴，以此实现冲击枪沿喷丸成形加工路径移动，根据整体壁板成形形状的不同而采取不同的成形轨迹从而得到不同形状的整体壁板。
作为优选方案，以上所述的单、双曲度整体壁板的超声波喷丸成形方法，所述的成形轨迹为锥形整体壁板成形轨迹，其中所述的锥形整体壁板成形轨迹的数控加工程序为按照先沿着平行于金属板材的斜边的直线路径、再沿着中间垂直于底边的直线路径，可以加工得到锥形整体壁板。
作为另一优选方案，以上所述的单、双曲度整体壁板的超声波喷丸成形方法，所述的成形轨迹为凸峰形整体壁板成形轨迹为，所述的凸峰形整体壁板成形轨迹的数控加工程序为按照先沿金属板材的对称中心轴呈“十”字形的直线路径、再沿着板材对角线的直线路径。
作为另一优选方案，以上所述的单、双曲度整体壁板的超声波喷丸成形方法，所述的成形轨迹为折弯形整体壁板成形轨迹，所述的折弯形整体壁板成形轨迹的数控加工程序为按照先在金属板材正面沿着长边方向的直线路径、再在板材反面中部沿着短边方向的直线路径。
有益效果本发明提供的单、双曲度整体壁板的超声波喷丸成形方法与现有技术相比具有以下优点本发明提供的单、双曲度整体壁板的超声波喷丸成形方法，比传统喷丸技术具有可操作性能强、工作效率高，适用范围广泛的优点，可用于加工制备适用于精度要求高的航空航天领域中的整体壁板；并且本方法可以精确控制板料的成形精度、能根据实际需要加工不同曲率和不同形状的典型单、双曲度整体壁板，尤其是通过调节超声波喷丸强度，按照不同的成形轨迹编制相应的数控程序可加工出各种复杂形状的整体壁板，符合高要求的标准， 并且由该方法加工制备得到的整体壁板精度高、结构稳固牢靠、表面光滑度好。
本发明提供的单、双曲度整体壁板的超声波喷丸成形方法，其中所用到的加工设备结构设计合理，轻巧，易操作，自动化程度高，适用性强，整体壁板成型精度好，可克服现有技术中喷丸成形技术的诸多不足。
图1为超声波喷丸成形方法所用到的超声波喷丸设备的结构示意图。
图2为金属板材超声波喷丸成形原理示意图。
图3为锥形整体壁板的成形轨迹的示意图。
图4为凸峰形整体壁板成形轨迹的示意图。
图5为折弯形整体壁板正面成形轨迹的示意图。
图6为折弯形整体壁板反面成形轨迹的示意图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
实施例1锥形整体壁板的超声波喷丸成形方法，它包括以下步骤利用超声波喷丸设备，如图1 和图2所示，所述的超声波喷丸设备包括超声波发生器1和冲击枪2，所述的冲击枪2安装在数控机床主轴3侧面，所述的冲击枪2包括超声波换能器2-1、与超声波换能器2-1相连的变幅杆2-2、与变幅杆2-2-连接的振动工具头2-3和安装在振动工具头2-3上的撞针 2-4 ；在超声波喷丸前先利用撞针2-4进行对刀，然后根据锥形整体壁板成形形状的需求设定锥形整体壁板的成形轨迹，如图3所示，并在数控机床上编制与成形轨迹相应的数控程序，使机床主轴按照锥形整体壁板的成形轨迹编制数控程序(所述的锥形整体壁板成形轨迹的数控加工程序为按照先沿着平行于金属板材的斜边的直线路径、再沿着中间垂直于底边的直线路径，相邻喷丸区域中心线间的距离较近，变形区相互连接，可以使金属板材表面更加光滑)移动，带动冲击枪2的移动并控制其移动路径，然后开启超声波发生器1，超声波换能器2-1将超声波发生器1产生的振荡电信号转换为同频率的纵波机械振动，然后再通过变幅杆2-2将超声波换能器2-1的微小振幅进行放大，然后借助安装在振动工具头上2-3 上的撞针2-4按成形轨迹冲击金属板材表面，使受撞击的表面及其下层金属材料产生塑性变形而延伸，使金属板材在冲击方向上发生凸起弯曲变形，即可得到锥形整体壁板。
以上所述的锥形整体壁板的超声波喷丸成形方法，根据成形轨迹编制的数控加工程序进行重复喷丸加工或改变超声波发生器1的电流大小控制撞针2-4的振幅，如撞针2-4 的振幅可在5至50 μ m内调整，将覆盖率控制在100%至300%，板材的弯曲变形量随喷丸加工速度大小而增减，即可得到需要曲度的锥形整体壁板。
以上所述的锥形整体壁板的超声波喷丸成形方法，所述的撞针2-4的直径为2毫米、3毫米或6毫米。
实施例2凸峰形整体壁板的超声波喷丸成形方法，它包括以下步骤利用超声波喷丸设备，如图 1和图2所示，所述的超声波喷丸设备包括超声波发生器1和冲击枪2，所述的冲击枪2安装在数控机床主轴3侧面，所述的冲击枪2包括超声波换能器2-1、与超声波换能器2-1相连的变幅杆2-2、与变幅杆2-2连接的振动工具头2-3和安装在振动工具头2-3上的撞针 2-4 ；在超声波喷丸前先利用撞针2-4进行对刀，然后根据凸峰形整体壁板成形形状的需求设定凸峰形整体壁板的成形轨迹，如图4所示，并在数控机床上编制与成形轨迹相应的数控程序，使机床主轴按照凸峰形整体壁板的成形轨迹编制数控程序(所述的凸峰形整体壁板成形轨迹的数控加工程序为按照先沿金属板材的对称中心轴呈“十”字形的直线路径、再沿着板材对角线的直线路径)移动，带动冲击枪2的移动并控制其移动路径，然后开启超声波发生器1，超声波换能器2-1将超声波发生器1产生的振荡电信号转换为同频率的纵波机械振动，然后再通过变幅杆2-2将超声波换能器2-1的微小振幅进行放大，然后借助安装在振动工具头上2-3上的撞针2-4按成形轨迹冲击金属板材表面，使受撞击的表面及其下层金属材料产生塑性变形而延伸，使金属板材在冲击方向上发生凸起弯曲变形，即可得到凸峰形整体壁板。
以上所述的凸峰形整体壁板的超声波喷丸成形方法，根据成形轨迹编制的数控加工程序进行重复喷丸加工或改变超声波发生器1的电流大小控制撞针2-4的振幅，如撞针 2-4的振幅可在5至50 μ m内调整，将覆盖率控制在100%至300%，板材的弯曲变形量随喷丸加工速度大小而增减，即可得到需要曲度的凸峰形整体壁板。
以上所述的凸峰形整体壁板的超声波喷丸成形方法，所述的撞针2-4的直径为2 毫米、3毫米或6毫米。
实施例3折弯形整体壁板的超声波喷丸成形方法，它包括以下步骤利用超声波喷丸设备，如图 1和图2所示，所述的超声波喷丸设备包括超声波发生器1和冲击枪2，所述的冲击枪2安装在数控机床主轴3侧面，所述的冲击枪2包括超声波换能器2-1、与超声波换能器2-1相连的变幅杆2-2、与变幅杆2-2连接的振动工具头2-3和安装在振动工具头2-3上的撞针 2-4；在超声波喷丸前先利用撞针2-4进行对刀，然后根据折弯形整体壁板成形形状的需求设定折弯形整体壁板的成形轨迹，如图5和图6所示，并在数控机床上编制与成形轨迹相应的数控程序，使机床主轴按照折弯形整体壁板的成形轨迹编制数控程序(所述的折弯形整体壁板成形轨迹的数控加工程序为按照先在金属板材正面沿着长边方向的直线路径、再在板材反面中部沿着短边方向的直线路径)移动，带动冲击枪2的移动并控制其移动路径，然后开启超声波发生器1，超声波换能器2-1将超声波发生器1产生的振荡电信号转换为同频率的纵波机械振动，然后再通过变幅杆2-2将超声波换能器2-1的微小振幅进行放大，然后借助安装在振动工具头上2-3上的撞针2-4按成形轨迹冲击金属板材表面，使受撞击的表面及其下层金属材料产生塑性变形而延伸，使金属板材在冲击方向上发生凸起弯曲变形， 即可得到折弯形整体壁板。
以上所述的双曲度折弯形整体壁板的超声波喷丸成形方法，根据成形轨迹编制的数控加工程序进行重复喷丸加工或改变超声波发生器1的电流大小控制撞针2-4的振幅， 如撞针2-4的振幅可在5至50 μ m内调整，将覆盖率控制在100%至300%，板材的弯曲变形量随喷丸加工速度大小而增减，即可得到需要的双曲度折弯形整体壁板。
以上所述的双曲度折弯形整体壁板的超声波喷丸成形方法，所述的撞针2-4的直径为2毫米、3毫米或6毫米。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
权利要求
1.一种单、双曲度整体壁板的超声波喷丸成形方法，其特征在于，它包括以下步骤利用超声波喷丸设备，所述的超声波喷丸设备包括超声波发生器(1)和冲击枪0)，所述的冲击枪( 安装在数控机床主轴C3)侧面，所述的冲击枪( 包括超声波换能器 0-1)、与超声波换能器相连的变幅杆0-2)、与变幅杆(2- 连接的振动工具头 (2-3)和安装在振动工具头(2- 上的撞针0-4)；在超声波喷丸前先利用撞针(2-4)进行对刀，然后根据整体壁板成形形状的需求设定不同的成形轨迹，并在数控机床上编制与成形轨迹相应的数控程序，使机床主轴按照设定的成形轨迹编制数控程序移动，带动冲击枪的移动并控制其移动路径，然后开启超声波发生器(1)，超声波换能器(2-1)将超声波发生器(1)产生的振荡电信号转换为同频率的纵波机械振动，然后再通过变幅杆(2- 将超声波换能器(2-1)的微小振幅进行放大，然后借助安装在振动工具头上(2- 上的撞针(2-4)按成形轨迹冲击金属板材表面，在金属板材内部诱导出不平衡的应力分布形式，使金属板材在冲击方向上发生凸起弯曲变形，得到不同曲度的典型单、双曲度整体壁板。
2.根据权利要求1所述的单、双曲度整体壁板的超声波喷丸成形方法，其特征在于，金属板材的超声波喷丸区域为单面或双面，撞针0-4)的振幅由超声波发生器(1)的电流大小控制，撞针(2-4)的振幅为5至50 μ m。
3.根据权利要求1所述的单、双曲度整体壁板的超声波喷丸成形方法，其特征在于，所述的撞针(2-4)的直径为2毫米、3毫米或6毫米。
4.根据权利要求1所述的单、双曲度整体壁板的超声波喷丸成形方法，其特征在于，所述的成形轨迹为锥形整体壁板成形轨迹、凸峰形整体壁板成形轨迹或折弯形整体壁板成形轨迹。
5.根据权利要求1所述的单、双曲度整体壁板的超声波喷丸成形方法，其特征在于，所述的锥形整体壁板成形轨迹的数控加工程序为按照先沿着平行于金属板材的斜边的直线路径、再沿着中间垂直于底边的直线路径。
6.根据权利要求1所述的单、双曲度整体壁板的超声波喷丸成形方法，其特征在于，所述的凸峰形整体壁板成形轨迹的数控加工程序为按照先沿金属板材的对称中心轴呈“十” 字形的直线路径、再沿着板材对角线的直线路径。
7.根据权利要求1所述的单、双曲度整体壁板的超声波喷丸成形方法，其特征在于，所述的折弯形整体壁板成形轨迹的数控加工程序为按照先在金属板材正面沿着长边方向的直线路径、再在板材反面中部沿着短边方向的直线路径。
全文摘要
本发明公开了一种单、双曲度整体壁板的超声波喷丸成形方法，该方法利用超声波喷丸设备，根据整体壁板成形形状的需求设定不同的成形轨迹，并在数控机床上编制与成形轨迹相应的数控程序，使机床主轴按编制的数控程序移动，并控制冲击枪(2)的移动，利用超声波换能器(2-1)将超声波发生器(1)产生的振荡电信号转换为同频率的纵波机械振动，再通过变幅杆(2-2)将微小振幅进行放大，借助振动工具头(2-3)上的撞针(2-4)按成形轨迹冲击板材表面，使板材在冲击方向上发生凸起弯曲变形，得到不同曲度的单或双曲度整体壁板。该方法可操作性能强、工作效率高，成形精度高、适用范围广泛，可用于加工制备精度要求高的不同曲率和不同形状的单、双曲度航空航天领域中的整体壁板。
文档编号B24C3/32GK102513942SQ20111042202
公开日2012年6月27日 申请日期2011年12月16日 优先权日2011年12月16日
发明者付裕, 林明路, 王德亮, 金斌, 陈维, 高琳, 鲁世红 申请人:南京航空航天大学