本文圍繞壁板、夾具、預應力、立柱、成形、噴丸、曲率、要求、位置、框架等有關詞展開編寫的關于預應力噴丸成形技術應用的桐城壁板夾具預應力相關文章，僅供大家了解學習。

預應力噴丸技術噴砂房噴丸是通過高速運動的金屬顆粒來傳遞能量。大量丸料的沖擊使板材的噴涂表面形成密集的凹坑。當表面凹坑達到飽和時，板材表面材料的線性延伸停止，變形程度不再增加。所以噴丸的變形是有一定限制的，只能應用在厚度比較小，外觀比較平整的面板上。近年來，人們一直試圖通過各種途徑來提高噴丸能力的極限。主要方法有:采用大直徑鉛球(大φ10mm)，提高單位時間的丸料流速(高可達200kg/min)。然而，預應力噴丸是為了解決翼板馬鞍形區域的成形問題而開發的。從大量的實驗研究中，人們逐漸發現，在噴丸過程中使用預應力不僅可以提高壁板成形方向的可控性，而且在相同的噴丸強度下，噴丸極限比自由噴丸提高了30%~50%，大大提高了噴丸在大型壁板成形中的適應性。

1.預應力噴丸的原理

預應力噴丸是指在預應力夾具上對板材進行預彎曲，在彎矩的作用下使板材彎曲，然后在板材的拉伸表面進行噴丸的方法。當預應力噴丸時，噴丸表面受到處于拉伸應力狀態的丸料的沖擊。與自由狀態相比，這種拉應力有助于擴展噴丸材料，同時加深壓應力層的深度，增加壓應力層中殘余壓應力的平均值，保證板材能在要求的方向成形。預應力施加的過程是彈性變形，應力應變關系符合彈性本構方程。外表面應力被雙向拉伸，內表面應力被雙向壓縮。

一般來說，大尺寸壁板的預應力噴丸可以分為弦向(橫向)和展向(縱向)兩種方式。大尺寸壁板弦向預彎曲噴丸時，相當于兩種應力應變狀態的疊加，使得壁板表層的橫向拉應變增大，約等于預彎曲應變和噴丸應變之和，內表層的壓應變也增大，從而達到增大弦向變形的目的。在弦向預彎曲狀態下，展向僅相當于自由噴丸。在大多數情況下，展向預應力噴丸只有在壁板弦向已經達到或超過形狀要求時才進行，展向形狀是在預彎曲狀態下，通過在特定區域噴射和排放材料獲得的。展向預彎曲也增加了展向應變，降低了對丸料撞擊動能的要求。因此，預應力噴丸使許多在自由狀態下不能噴丸達到所需形狀的壁板形成預期形狀，有效地擴大了噴丸工藝的應用范圍。

當大型板在外力作用下發生彈性預彎曲時，外部勢能的變化全部轉化為應變能，儲存在物體中。隨著外力的逐漸增大，面板材料會經歷彈性狀態到塑性狀態，這是一個連續的過程。尤其是大部分飛機壁板都是高強度鋁合金材料，沒有明顯的屈服狀態。因此，當對大型面板施加預應力時，外力施加在面板上，使其發生彈性變形。它不起成形模具的作用，只是在板材的噴涂表面產生預定的拉應力(不超過材料屈服強度)，目的是增加成形曲率，克服噴丸的球形變形傾向，使板材向所需方向變形。預應力按三點彎曲原理施加，其中兩點起支點作用，另一點反方向施力，起頂點作用。根據預彎方式，預應力夾具可分為弦向預彎、展向預彎和局部預彎三類。

2.預應力夾具的工作原理和總體結構

新支線飛機外翼下翼壁板為超臨界整體厚壁板，不僅結構復雜，而且為雙曲率形狀。成型極其困難，在自由狀態下已經超過噴丸極限。它必須在噴丸前施加預應力，并在噴丸過程中夾緊。因此，預應力噴丸是新支線飛機外翼下翼壁噴丸的關鍵技術。

噴丸過程中，前期采用夾板預應力噴丸夾具(見圖1)對新支線飛機外翼下翼壁板進行預彎夾緊，不僅工藝穩定性差，產品質量波動大，而且加工周期長。

因此，迫切需要對此類長板預應力夾具進行優化和改進，以提高產品質量，實現面板的快速定位、夾緊和施力，縮短面板的加工周期。

圖1夾板式預應力噴丸夾具

(1)工作原因

根據新支線飛機外翼下翼壁板的結構和形狀特點，預應力夾具在跨弦方向的預彎采用三點彎曲的方法，施加的力可以任意調節(見圖2)。

圖2三點彎曲示意圖

為了滿足預應力夾具的柔性要求，以便加工不同尺寸的零件，如圖2所示，施加點A、B、C都可以上下移動。A和C之間的運動是通過U形槽壓板和立柱上等間距的孔來實現的。B點是使用特殊的弓形夾，可以安裝在立柱上的任意位置，完成位置調整。每組與壓板和弓形夾相配合的壓緊螺釘通過不同長度的T型槽半圓壓塊壓緊墻板，保證施力平衡。

(二)總體結構

預應力夾具應包括兩個主要結構:基本框架和施力主體(見圖3)。

基礎框架:機床框架設有專用的傳遞整體梁(可分段設計，剛性連接)用于施力體的安裝，其中上梁與機床框架上的連接板的距離不小于360mm，下梁與地面的距離不小于900mm；施力體分為弦向預彎曲施力體和展向預彎曲施力體。梁根據下中壁板1~24肋(23肋除外)位置設置弦向施力體，在1~11肋位置設置展向施力體。要求一根肋骨施力體與機床機架左立柱的距離為2 m，施力體垂直于機床機架平面，水平方向距離可調。

圖3夾具整體結構示意圖

根據新支線飛機外翼下翼壁板噴丸的要求和特點，預應力夾具應滿足以下要求:

(1)通用性強，適用于噴丸處理中新支線外翼下翼面六塊壁板的弦向和展向預彎。

(2)設計基準:適當平移機翼面板的設計弦平面，使其與機床框架平面重合，并保證機床框架兩側面板的翹曲不大于150mm。

(3)要求在正常使用過程中，夾具與機床的連接部分不能永久變形。

(4)施力體的結構滿足相應的運動要求，如圖4所示。

圖4是夾具施力體的運動示意圖

(5)弦向預彎施力體:要求在第2~22根筋的每個筋位、第2~3根筋之間的中間位置、第1~2根筋的兩端位置分別設置24個弦向預彎施力體，平行于第2根筋的安裝位置可以設置在第1 ~ 2根筋的中間。要求下前、下后壁板在下中壁板對應位置可以共用弦向施力體，每個筋位不同壁板的寬度由不同的孔系控制。另外，在下前壁板靠近15肋部的端部設有定位支撐桿；下后壁靠近10肋部的一端設有定位支撐桿；在靠近1肋部分、3肋部分和肋間翼稍端的弦向預彎力體下分別設置定位塊。定位塊應確保零件的對接邊緣在夾緊后保持水平。

(6)弦向受力體上壓塊的設置原則:要求下中壁板19~24各肋位的弦向預彎受力體壓塊壓在口框邊緣，其它肋的弦向預彎受力體壓塊壓在靠近搭接區的部位內緣，深度為該部位內緣50mm的連續可調量。

(7)要求弦向預彎力施加體的壓塊與肋2、3、2、3之間的中間部位的接觸部分為R50 mm的球頭

(8)要求頂塊弦向預彎力采用φ；50毫米鋁條安裝可靠，更換方便。要求任意兩個弦向預彎力體能同時夾緊一根桿件φ50mm鋁棒，或者一件可以單獨拿φ50毫米鋁棒；要求任意兩個弦向預彎力體的上下壓頭能夾住一個φ；50mm鋁棒，也可以單獨夾緊φ50毫米鋁棒。

(9)展向預彎施力體:共5個，其中3個分別用于2、3、2、3肋間中間位置的展向預彎，另外2個用于4~11肋的展向預彎。

(10)要求展向預彎施力體的壓頭與零件的接觸部分應為R50mm球頭。

(11)要求翼展方向預彎曲劑的三個壓頭和翼展方向預彎曲劑的壓頭為弓形夾的形式，其可以沿著支柱的上部和下部位置連續調節和互換。

(12)需要單獨配置16個弓夾形式的壓頭，其中φ；八個50毫米鋁棒和八個r50毫米球頭。

(13)要求弦向預彎在0～60mm范圍內連續可調。

(14)要求2~11肋部考慮展向預彎曲，加強弦向施力體，確保2~11肋部的展向預彎曲施力體可以作為基準繼續施力，并整體移動展向預彎曲施力體，實現展向預彎曲功能。施力方式可以是螺釘結構，螺釘全長大于350mm。在翼展方向施力主體就位后，弦向施力主體可被移除，以便不影響噴丸處理。

(15)要求壓板、螺釘、螺栓等所有易損件的配置數量。應為實際使用量的1.4倍。

(16)要求在所有相關位置預留安裝孔。

(17)要求在每個施力體上標出適用的肋位置，共用弦向預彎施力體上不同面板的定位塊應有防錯標記。

(18)下后壁板的4肋弦向施力主體被允許平移，但是用于形成下后壁板的三角形區域的鋁棒被添加到3肋和4肋弦向預彎曲施力主體。

(19)清晰完整的標識。

(20)夾具的總質量不得超過2t。

(21)夾具在機床框架中心兩側的總寬度不得超過285mm。

3.柔性預應力夾具的優化要求

預應力夾具總設計長度近14m，使用零件數以千計，不僅裝配難度很大，而且新支翼下翼壁板的夾緊工作也更加繁瑣。為了提高預應力夾具的性能，需要對其設計方案進行一系列優化，實現預應力夾具的組合化、標準化和系列化。

(一)基本框架組合

1.基本框架的組合

基本上框架既要有足夠的剛度，與機床框架連接方便可靠，又要能與夾具的施力體連接，保證夾具在面板預彎過程中穩定可靠。

2.施力體的組合

施力體按結構分為滑軌、立柱、弓形夾和壓板。

(1)滑軌的組合:預應力夾具使用的滑軌應有配套的螺栓和螺母，便于工人取用。

(2)立柱組合:預應力夾具所有立柱上的固定孔尺寸相同，使用的壓緊螺釘和實心螺釘均根據固定孔尺寸設計制造，兼容性高。

(3)弓夾組合:弓夾的結構和尺寸根據立柱的結構和尺寸設計，并配有專用手柄。

(4)壓板組合:預應力夾具的壓板可以通用，并配有專用手柄、壓塊和螺釘。

(2)夾具零件的標準化

1.螺釘和螺栓的標準化

統一壓板壓緊螺釘均為M30，滑軌與立柱連接螺栓為M20，有效長度為100mm。

2.壓盤的標準化

壓板的可調量為60mm，長度為180mm。

3.鋁桿的標準化

頂塊的鋁桿都是φ；50毫米.

4.列的標準化

弦柱上的固定孔都設計成φ；1 mm通孔，間距60mm，長度與夾具高度一致。

5.壓頭標準化

施力體的壓頭與零件的接觸部位均為R50mm球頭。

(3)夾具零件的系列化

1.鋁桿的系列化

頂塊鋁條的長度規格有100mm、220mm、800mm、900mm、1.1m、1.2m、1.5m、3m，以適應不同尺寸零件的夾持。

2.壓縮螺栓的系列化

壓緊螺釘的長度規格有250mm、280mm、350mm、400mm，用于對墻板的不同部位進行不同程度的預彎。

3.列的序列化

為了滿足墻板不同肋位的需要，柱子設計成90 度垂直柱，60 度斜柱等類型。

4.柔性預應力夾具的優化設計。

(一)夾具的總體結構設計

夾具的總設計重量接近2t。為了防止夾具的重力作用在機床的上梁或下梁上，造成嚴重的下凹變形(見圖5(a)和圖5(b))，并使夾具的重力均勻分布到上下梁上(見圖5(c))，立柱兩端的谷物滑軌的孔距應與上下滑軌的孔距相同。

因為機床的上下橫梁有一定的彈性，可以同時承受立柱的重力。當立柱被機床的上梁向上拉時，它也被下梁向上支撐。這樣立柱的重力就分散到上下橫梁上，減少了機床機架的變形。以長的墻-015為例，除4肋柱和24肋柱為斜柱外，其余柱均垂直于機床機架水平面，作為承重柱使用(見圖6)。

圖5噴丸機上、下橫梁的機械示意圖

圖6噴丸夾具和機床上下橫梁安裝圖

(2)夾具的弦結構設計

為保證夾具的剛度滿足要求，且夾具的總質量不超過設計要求，每個肋位設置一個80mm×。弦柱采用壁厚為5mm的80mm方鋼。12.5長的馬鞍形雙曲墻板共有22根弦向柱作為弦向施力體，局部還提供了與單螺桿匹配的光滑壓板，使施力靈活方便。

每根立柱的壓緊螺釘與壓板和弓形夾相配合，通過不同長度的T型槽半圓壓塊壓緊墻板，達到力的平衡。為了防止墻板被壓壞，壓塊由硬鋁制成。t型槽半圓壓塊短100mm，長4m。還配有與單螺桿局部匹配的光滑壓塊，靈活方便施力。

(3)夾具的跨越結構設計

通過在滑軌上來回移動弦柱和展向柱來實現具有不同結構和尺寸的面板的展向成形。具體來說，夾具的上下橫梁上設有滑軌，滑軌上設有間距為50mm的圓孔，通過M20螺栓與立柱上的孔連接。通過立柱和滑軌上不同位置的孔的配合，實現面板跨度預彎的粗調。

展向柱用于展向彎曲較大的1-11肋位置。在這14根弦向柱的上下兩側開有兩個與展向柱連接的M30螺栓孔，四根展向柱與它們一起使用。

由于被加工零件長度不同，大長度超過12m，夾具總長度近14m。考慮到整個工裝機床的強度、剛度、重量和制造可行性，夾具由槽鋼和方鋼焊接而成的三個上框架和三個下框架組成。框架由鋼板和螺栓連接。上下框架通過螺栓與機床連接，夾具靈活，拆裝方便。機床機架有幾個φ；15mm孔，使夾具和機床框架完全成為一體。上下框架的橫梁上根據肋的位置打有安裝滑軌的孔，它們的組裝也是通過螺栓螺母完成的。

(4)固定裝置的識別標志

為了提高預應力夾具的通用性，要求對新支線外翼下翼的六塊面板(圖號為前下面板572A2000-014-001/002、中下面板572A2000-015-001/002和后下面板572A2000-016-001/002)進行噴丸處理。4~23根肋柱的位置設計與6塊墻板的肋位相吻合。無論安裝哪種墻板，都不需要更換。只需調整1~3根肋柱和24根肋柱的位置，即可保證墻板的夾緊。上下橫梁上打有需要的定位孔，供立柱調整，方便工人安裝使用。

5.預彎位置的確定和預彎量的測量

大型雙曲壁板的數學曲面一般包含幾個不同特征的馬鞍型和雙凸型區域。預彎施加預應力時，支點和壓點的位置難以確定。特別是對于形狀突變的復雜區域，三個預彎點的相對位置差異會導致噴丸后該區域形狀發生變化。如果預彎位置不合適，墻板的變形會偏離要求的形狀，甚至產生相反的效果。根據實踐經驗，預彎位置的設計關系到大型壁板的噴丸。

(1)預彎位置的確定

對覆蓋件三維數值模型進行系統的幾何分析是確定預彎位置的基礎。從數學的角度來看，雙曲面板外表面上各點的曲率一般由大曲率和小曲率兩個主曲率組成，這兩個主曲率相互垂直或成一定角度，大曲率的方向往往與面板的弦方向近似一致，稱為弦曲率。小曲率的方向通常與壁板的展向曲率大致相同，稱為展向曲率。通過分析壁板不同區域的幾何特征，可以確定弦向和展向預彎的位置以及三點預彎支點和壓力點的位置。

大壁板馬鞍形區域的兩個主曲率符號不同，應該存在一個展向曲率由凹變凸的邊界點，以及一個展向彎曲半徑小的凹點。如圖7所示，A、B、C、D四個點是翼片展向輪廓面兩邊緣上典型馬鞍形區域的邊界點，E是ab線上主小曲率(即展向曲率)的大點，F是cd線上主小曲率的大點。因此，展向預彎曲線ac、ef和bd構成展向三點預彎曲位置，其中ac和bd是支點位置，ef是按壓點位置。

圖7確定鞍座區域預彎位置示意圖

(2)預彎曲的測量

當外力施加到大尺寸板進行預彎曲時，有兩個變量，應力和應變。應變值易于測量和控制，通常通過用弓形計測量彎曲半徑來計算應變。

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