噴丸成形是通過(guò)高速運(yùn)動(dòng)的金屬?gòu)椡鑲鬟f能量 ，大量彈丸撞擊作用的集合使得板件受噴表面形成密集凹坑，當(dāng)表面凹坑達(dá)到飽和時(shí)，板件表層材料線性延伸停止，變形程度不再增加，因此噴丸成形的變形量有一定限制，只能適用于相對(duì)厚度較小，外形平緩的壁板。近十幾年來(lái)，人們通過(guò)各種途徑不斷設(shè)法提高噴丸成形能力極限，主要方法有：采用大直徑彈丸（Φ10mm），增加單位時(shí)間內(nèi)彈丸流量 （可達(dá)到200kg/min），采用氣動(dòng)直壓式禾窄葉輪拋丸技術(shù)提高彈丸噴射速度等。而預(yù)應(yīng)力噴丸成形是為了解決機(jī)翼壁板馬鞍型區(qū)域成形難題而發(fā)展起來(lái)的，從大量試驗(yàn)研究中人們逐漸發(fā)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力的使用不但能提高壁板在噴丸中成形方向的可控性，而且在相同噴丸強(qiáng)度下，與自由狀態(tài)噴丸的成形相比，可提高噴丸成形極限達(dá)30%~50%，極大提高了噴丸成形在大型壁板成形中的適應(yīng)能力。

1. 預(yù)應(yīng)力噴丸成型原理

        預(yù)應(yīng)力噴丸成型是指在預(yù)應(yīng)力夾具上對(duì)板件先進(jìn)行彈性預(yù)彎，板件在彎矩作用下發(fā)生彎曲，然后在板件的受拉表面進(jìn)行噴丸的成形方法。預(yù)應(yīng)力噴丸時(shí)，受噴表面是在拉應(yīng)力狀態(tài)下接受彈丸撞擊，與自由狀態(tài)相比，這種拉應(yīng)力有助于受噴材料的延伸，同時(shí)加深壓應(yīng)力層的深度，加大了壓應(yīng)力層中殘余壓應(yīng)力的平均值，保證了板件能夠按照要求方向成形。施加預(yù)應(yīng)力的過(guò)程是彈性變形，應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系符合彈性本構(gòu)方程，外表層應(yīng)力雙向受拉，內(nèi)表層應(yīng)力雙向受壓。

        大型壁板的預(yù)應(yīng)力噴丸成形一般可分為弦向（橫向）和展向（縱向）兩種方式，大型壁板在弦向預(yù)彎狀態(tài)接受噴丸時(shí)，相當(dāng)于兩種應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)的疊加，使得板材表層橫向拉應(yīng)變?cè)龃?，約等于預(yù)彎應(yīng)變與噴丸應(yīng)變之和，內(nèi)表層壓應(yīng)變也增大，從而達(dá)到增加弦向變形的目的，在弦向預(yù)彎狀態(tài)下，展向只相當(dāng)于自由噴丸狀態(tài)，所以預(yù)應(yīng)力噴丸成形也能很好克服球面變形傾向。大部分情況下，壁板在弦向已達(dá)到或超過(guò)外形要求時(shí)，才進(jìn)行展向預(yù)應(yīng)力噴丸，展向外形是在預(yù)彎狀態(tài)下通過(guò)對(duì)特定區(qū)域?qū)姺帕汐@得。展向預(yù)彎同樣加大了展向應(yīng)變，減少了對(duì)彈丸打擊動(dòng)能的要求，因此預(yù)應(yīng)力噴丸成形使許多無(wú)法采用自由狀態(tài)噴丸達(dá)到要求外形的壁板成形出了預(yù)期外形，有效擴(kuò)大了噴丸成形工藝的使用范圍。

        大型壁板在外力作用下發(fā)生彈性預(yù)彎時(shí)，外力勢(shì)能的變化全部轉(zhuǎn)化為應(yīng)變能儲(chǔ)存于物體內(nèi)部，隨著外力的逐漸增加，壁板材料將經(jīng)歷彈性狀態(tài)到塑性狀態(tài)，而這是一個(gè)連貫過(guò)程，尤其飛行器壁板大多采用高強(qiáng)度鋁合金材料，沒(méi)有明顯屈服狀態(tài)，因此大型壁板預(yù)應(yīng)力噴丸時(shí)，對(duì)壁板施加外力進(jìn)行彈性變形的一種工藝裝備，它不起成型模的作用，只是在板件的受噴表面上產(chǎn)生預(yù)定的拉應(yīng)力（不超過(guò)材料屈服強(qiáng)度），目的是加大成形曲率，克服噴丸成形球面變形傾向，使板件按所需方向變形。預(yù)應(yīng)力施加是根據(jù)三點(diǎn)彎曲原理，其中有兩點(diǎn)起到支點(diǎn)作用，另外一點(diǎn)施力方向相反，起到頂點(diǎn)作用。按施加預(yù)彎的方式，預(yù)應(yīng)力夾具可分為三類：弦向施加預(yù)彎，展向施加預(yù)彎禾局部施加預(yù)彎。

2. 預(yù)應(yīng)力夾具工作原理與總體結(jié)構(gòu)

        新支線飛機(jī)外翼下翼面壁板為超臨界整體厚壁板，不但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且為雙曲率外形，成形難度極大，在自由狀態(tài)下已超過(guò)噴丸成形極限，必須在噴丸前對(duì)其施加預(yù)應(yīng)力，在噴丸過(guò)程中對(duì)其進(jìn)行夾持。因此，預(yù)應(yīng)力噴丸成形是新支線飛機(jī)外翼下翼面壁板噴丸成形的關(guān)鍵技術(shù)。

        在噴丸成形過(guò)程中，前期采用卡板式預(yù)應(yīng)力噴丸成形夾具（見(jiàn)圖1）對(duì)新支線飛機(jī)外翼下翼面壁板進(jìn)行預(yù)彎和夾持，不但工藝穩(wěn)定性差、產(chǎn)品質(zhì)量起伏大，而且加工周期很長(zhǎng)。

        因此，急需對(duì)此種長(zhǎng)板式預(yù)應(yīng)力夾具進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，以提高產(chǎn)品質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)壁板的快速定位、裝夾和施力，縮短壁板加工周期。

圖1 卡板式預(yù)應(yīng)力噴丸夾具

        （一）工作原因

        根據(jù)新支線飛機(jī)外翼下翼面壁板的結(jié)構(gòu)和外形特點(diǎn)，預(yù)應(yīng)力夾具展向禾弦向預(yù)彎采用三點(diǎn)壓彎的方法，施力大小可隨意調(diào)整（見(jiàn)圖2）。

圖2 三點(diǎn)壓彎原理圖

        為滿足預(yù)應(yīng)力夾具的柔性要求，以便加工不同大小的零件，如圖2所示，施力點(diǎn)A，B，C都能夠上下移動(dòng)。A，C兩處移動(dòng)是通過(guò)帶U型槽的壓板和立柱上開(kāi)的等間距的孔來(lái)實(shí)現(xiàn)的。B點(diǎn)是用可安裝在立柱上任意位置的特制弓形夾來(lái)完成位置的調(diào)整。各立住上和壓板、弓形夾配合的壓緊螺釘通過(guò)不同長(zhǎng)度的T形槽半圓壓塊來(lái)壓緊壁板，以保證施力均衡。

        （二）總體結(jié)構(gòu)

        預(yù)應(yīng)力夾具應(yīng)包括基本框架和施力體兩個(gè)主要結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖3）。

        基本框架：在機(jī)床框架上設(shè)置專用轉(zhuǎn)接整體橫梁（可分段設(shè)計(jì)，剛性連接）用于施力體的安裝，其中上橫梁與機(jī)床框架上連接板的距離不小于360mm，下橫梁與地面的距離不小于900mm；施力體分為弦向預(yù)彎施力體禾展向預(yù)彎施力體，在橫梁上按照下中壁板1~24肋位置（除23肋外）分別設(shè)置弦向施力體結(jié)構(gòu)，在1~11肋位置設(shè)置展向施力體，要求1肋施力體與機(jī)床框架左端立柱的距離為2 m。施力體垂直于機(jī)床框架平面，在水平方向上距離可調(diào)。

圖3 夾具總體結(jié)構(gòu)示意圖

        根據(jù)新支線飛機(jī)外翼下翼面壁板噴丸成形的要求和特點(diǎn)，預(yù)應(yīng)力夾具應(yīng)滿足以下要求：

        （1）通用性強(qiáng)，適用于新支線外翼下翼面6項(xiàng)壁板在噴丸成形中的弦向和展向預(yù)彎。

        （2）設(shè)計(jì)基準(zhǔn)：對(duì)機(jī)翼壁板設(shè)計(jì)弦平面進(jìn)行適當(dāng)平移，與機(jī)床框架平面重合，并保證在機(jī)床框架兩側(cè)壁板翹曲量均不大于150mm。

        （3）要求在正常使用時(shí)，夾具與機(jī)床的連接部位不能出現(xiàn)永久變形。

        （4）施力體結(jié)構(gòu)滿足如圖4所示的相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)要求。

圖4 夾具施力體運(yùn)動(dòng)示意圖

        （5）弦向預(yù)彎施力體：要求在下中壁板2~22肋各肋位、2~3肋間中間位置、1肋和24肋零件兩端頭位置分別設(shè)置弦向預(yù)彎施力體，共24個(gè)，在1~2肋中間設(shè)置與2肋平行的、可安裝2肋弦向施力體的安裝位置；要求下前和下后壁板可以共用下中壁板相應(yīng)位置的弦向施力體，不同壁板在各肋位的寬度由不同孔系控制。另在下前壁板靠近15肋零件端頭設(shè)置定位托桿；在下后壁板靠近10肋零件端頭設(shè)置定位托桿；在靠近1肋零件端頭處、3肋及肋間翼稍端頭三處弦向預(yù)彎施力體下分別設(shè)置定位塊，定位塊應(yīng)保證在零件裝夾好后，其對(duì)接邊緣呈水平狀態(tài)。

        （6）弦向施力體上壓塊設(shè)置原則：要求下中壁板19~24肋各肋位弦向預(yù)彎施力體壓塊壓在口框邊緣，其余各肋位弦向預(yù)彎施力體壓在靠近搭接區(qū)的零件內(nèi)邊緣，并且有深入零件內(nèi)邊緣50mm的連續(xù)可調(diào)節(jié)量。

        （7）要求2肋、3肋、2肋和3肋肋間中間位置弦向預(yù)彎施力體壓塊與零件接觸部分為R50mm的球頭。

        （8）要求弦向預(yù)彎施力頂塊采用Φ50mm鋁棒，安裝可靠、更換容易，要求任意2個(gè)弦向預(yù)彎施力體可同時(shí)夾持1根Φ50mm鋁棒，也可單獨(dú)夾持1根Φ50mm鋁棒；要求除2肋、3肋、2肋和3肋肋間中間位置弦向預(yù)彎施力體外，任意兩個(gè)弦向預(yù)彎施力體的上下壓頭可同時(shí)夾持1個(gè)Φ50mm鋁棒，也可單獨(dú)夾持Φ50mm鋁棒。

        （9）展向預(yù)彎施力體：共5個(gè)，其中3個(gè)分別用于2肋、3肋、2和3肋肋間中間位置的展向預(yù)彎，其余2個(gè)用于4~11肋的展向預(yù)彎。

        （10）要求展向預(yù)彎施力體壓頭與零件的接觸部分為R50mm球頭。

        （11）要求展向預(yù)彎施體3個(gè)壓頭和弦向展向預(yù)彎施力體的壓頭為弓形夾形式，可沿支柱上下位置連續(xù)可調(diào)，可以互換。

        （12）要求另外單獨(dú)配置弓形夾形式壓頭16個(gè)，其中可安裝Φ50mm鋁棒的8個(gè)，R50mm球頭形成的8個(gè)。

        （13）要求弦向預(yù)彎量在0~60mm范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。

        （14）要求對(duì)2~11肋部位必須考慮展向預(yù)彎，對(duì)弦向施力體進(jìn)行加強(qiáng)，以保證在實(shí)施展向預(yù)彎時(shí)，可以以2~11肋部位的弦向預(yù)彎施力體為基準(zhǔn)，連續(xù)施力整體移動(dòng)展向預(yù)彎施力體，實(shí)現(xiàn)展向預(yù)彎功能。施力方式可為螺桿結(jié)構(gòu)，旋全長(zhǎng)度大于350mm。展向施力體到位后，可拆除弦向施力體，以不影響噴丸成形。

        （15）要求所有壓板、螺桿及插銷等易損件的配置數(shù)量均勻?yàn)閷?shí)際使用數(shù)量的1.4倍。

        （16）要求在所有涉及的相應(yīng)位置預(yù)留安裝孔位。

        （17）要求在各施力體標(biāo)明適用的肋位，共用的弦向預(yù)彎施力體上各不同壁板的定位塊應(yīng)有防錯(cuò)標(biāo)記。

        （18）下后壁板的4肋弦向施力體允許平移，但在3肋禾4肋弦向預(yù)彎施力體上增加用于下后壁板三角區(qū)成形的鋁棒。

        （19）標(biāo)識(shí)清楚、完整。

        （20）夾具總質(zhì)量不超過(guò)2t。

        （21）夾具總寬度在機(jī)床框架中心兩側(cè)面均不超過(guò)285mm。

3. 柔性預(yù)應(yīng)力夾具優(yōu)化要求

        預(yù)應(yīng)力夾具總設(shè)計(jì)長(zhǎng)度近14m，所使用的零件上千個(gè)，不僅組裝時(shí)難度非常大，裝夾新支線機(jī)翼下翼面壁板時(shí)工作更是繁瑣。為提高預(yù)應(yīng)力夾具的使用性能，要求對(duì)其設(shè)計(jì)方案進(jìn)行一系列的優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力夾具的組合化、標(biāo)準(zhǔn)化和系列化。

        （一）基本框架組合化

        1. 基本框架組合化

        基本框架不但要具有足夠的剛性，與機(jī)床框架連接方便可靠，而且要能夠和夾具施力體相連接，保證在壁板預(yù)彎過(guò)程中夾具穩(wěn)定可靠。

        2. 施力體組合化

        施力體按結(jié)構(gòu)分為滑軌、立柱、弓形夾和壓板。

        （1）滑軌組合化：預(yù)應(yīng)力夾具所使用的滑軌均應(yīng)有配套的螺栓、螺母，方便工人取用。

        （2）立柱組合化：預(yù)應(yīng)力夾具所有立柱上的固定孔大小一致，所使用的壓緊螺釘和堅(jiān)固螺釘均根據(jù)固定孔的尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)制造，配合性高。

        （3）弓形夾組合化：弓形夾的結(jié)構(gòu)、大小均根據(jù)立柱的結(jié)構(gòu)、大小進(jìn)行設(shè)計(jì)，并配有專用的手柄。

        （4）壓板組合化：預(yù)應(yīng)力夾具的壓板可以通用，并配有專用的手柄、壓塊和螺釘。

        （二）夾具零件標(biāo)準(zhǔn)化

        1. 螺釘、螺栓標(biāo)準(zhǔn)化

        統(tǒng)一壓板的壓緊螺釘規(guī)格均為M30，滑軌和立柱的連接螺栓均為M20，有效長(zhǎng)度為100mm。

        2. 壓板標(biāo)準(zhǔn)化

        壓板的可調(diào)節(jié)量均為60mm，長(zhǎng)度均為180mm。

        3. 鋁棒標(biāo)準(zhǔn)化

        施力頂塊的鋁棒均為Φ50mm。

        4. 立柱標(biāo)準(zhǔn)化

        弦向立柱上的固定孔均設(shè)計(jì)為Φ21mm的通孔，間距為60mm，長(zhǎng)度與夾具高度保持一致。

        5. 壓頭標(biāo)準(zhǔn)化

        展向預(yù)彎施力體壓頭與零件接觸部分均為R50mm球頭。

        （三）夾具零件系列化

        1. 鋁棒系列化

        施力頂塊的鋁棒的長(zhǎng)度規(guī)格包括100mm，220mm，800mm，900mm、1.1m，1.2m，1.5m，和3m，以適應(yīng)不同尺寸零件的裝夾。

        2. 壓緊螺栓系列化

        壓緊螺釘?shù)拈L(zhǎng)度規(guī)格包括250mm，280mm，350mm，400mm，以用于對(duì)壁板不同部位不同程度的預(yù)彎。

        3. 立柱系列化

        為滿足壁板不同肋位的需要，立柱設(shè)計(jì)有90°直立柱、60°斜立柱等類型。

4. 柔性預(yù)應(yīng)力夾具優(yōu)化設(shè)計(jì)

        （一）夾具整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        夾具總設(shè)計(jì)重量近2t，為防止夾具的重力全部作用到機(jī)床上橫梁或者下橫梁上，使其產(chǎn)生嚴(yán)重的凹曲變形（見(jiàn)圖5（a）和圖5（b）），為了把夾具的重力均勻分散到上、下橫梁上（見(jiàn)圖5（c）），將立柱兩端禾滑軌安裝配合的孔間距做到和上下滑軌孔間距相同。

        由于機(jī)床上、下橫梁有一定彈性，使它們可以同時(shí)承受立柱的重力。立柱在受到機(jī)床上橫梁向上拉力的同時(shí)，也受到下橫梁對(duì)它向上的支撐力。這樣立柱的重力就被分散到上下橫梁上，減小了機(jī)床框架的變形。長(zhǎng)壁－015為例來(lái)說(shuō)，除4肋位之前的立柱禾24肋的立柱為斜立柱外，其余立柱都與機(jī)床框架水平面垂直，作為別承力立柱使用（見(jiàn)圖6）。

圖5 噴丸機(jī)床上下橫梁受力示意圖

圖6 噴丸夾具與機(jī)床上下橫梁安裝示意圖

        （二）夾具弦向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        為保證夾具的剛性符合要求，且?jiàn)A具的總質(zhì)量不超過(guò)設(shè)計(jì)要求 ，在每個(gè)肋位設(shè)1個(gè)80mm×80mm、壁厚5mm的方鋼作為弦向立柱。12.5長(zhǎng)的馬鞍形雙曲壁板共有22根弦向立柱作為弦向施力體，并且局部還配有與單個(gè)螺釘配合的光面壓板，施力靈活，方便。

        各立柱和壓板、弓形夾配合的壓緊螺釘通過(guò)不同長(zhǎng)度的T形槽半圓壓塊來(lái)壓緊壁板，達(dá)到勢(shì)力均衡，為了防止壓壞壁板，壓塊采用硬鋁制造。T形槽半圓壓塊100mm，長(zhǎng)4m。局部還配有單個(gè)螺釘配合的光面壓塊，施力靈活、方便。

        （三）夾具展向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        不同結(jié)構(gòu)和大小的壁板展向成形是通過(guò)弦向立柱和展向立柱在滑軌上的前后移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。夾具體上、下橫梁都裝有滑軌，滑軌上開(kāi)有間距50mm的圓孔，和立柱上的孔通過(guò)M20的螺栓連接，通過(guò)立柱和滑軌上不同位置孔的配合，來(lái)實(shí)現(xiàn)壁板展向預(yù)彎的粗調(diào)。

        在展向彎曲比較大的1到11肋位使用展向立柱，在這14根弦向立柱上下兩邊各開(kāi)了2個(gè)和展向立柱連接的M30的螺栓孔，4根展向立柱和它們配合使用。

        由于加工的零件長(zhǎng)短大小不一，長(zhǎng)達(dá)12m多，夾具體總長(zhǎng)也近14m。考慮到整個(gè)工裝禾機(jī)床的強(qiáng)度、剛性、重量、制造的可行性，夾具是用槽鋼、方鋼焊接成的3個(gè)上框架和3個(gè)下框架構(gòu)成的?？蚣芎炭蚣苤g用鋼板通過(guò)螺栓連接起來(lái)。上下框架又通過(guò)螺栓和機(jī)床連接，夾具體裝卸靈活，方便。機(jī)床框架帶有若干Φ15mm的孔，使夾具和機(jī)床框架完全成為一體。上、下框架橫梁上按肋位打有和滑軌安裝的孔，它們的裝配也是通過(guò)螺栓螺母完成的。

        （四）夾具的標(biāo)識(shí)標(biāo)記

        為提高預(yù)應(yīng)力夾具的通用性，滿足新支線外翼下翼面6項(xiàng)壁板（圖號(hào)分別為下前壁板572A2000-014-001/002，下中壁板572A2000-015-001/002，下后壁板572A2000-016-001/002）在噴丸成形中的弦向和展向預(yù)彎，減少夾具立柱的安裝與調(diào)整，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，4~23肋立柱的位置設(shè)計(jì)與6塊壁板肋位均重合，無(wú)論哪塊壁板安裝時(shí)，無(wú)需更換，只需調(diào)整1~3肋及24肋立柱的位置來(lái)保證壁板的裝夾，且在上下橫梁上為需調(diào)整的立柱打出所需的定位孔，并打上標(biāo)記，方便工人進(jìn)行安裝使用。

5. 預(yù)彎位置確定和預(yù)彎量測(cè)量

        大型復(fù)雜雙曲率壁板的外形數(shù)學(xué)曲面一般均包含若干個(gè)不同特征的馬鞍型禾雙凸型區(qū)域，在施加預(yù)應(yīng)力進(jìn)行預(yù)彎時(shí)，支點(diǎn)和壓點(diǎn)的位置很難確定，尤其對(duì)于外形突變的復(fù)雜區(qū)域，三點(diǎn)預(yù)彎相對(duì)位置的不同，就會(huì)引起噴丸后該區(qū)域外形的顯著變化，如果預(yù)彎位置不合適，壁板變形就會(huì)偏離要求外形，甚至起到相反作用，根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，預(yù)彎位置的設(shè)計(jì)關(guān)系大型壁板噴丸成形的成功與否。

        （一）預(yù)彎位置確定

        對(duì)壁板3D數(shù)模進(jìn)行系統(tǒng)幾何分析是確定預(yù)彎位置的基礎(chǔ)，從數(shù)學(xué)角度來(lái)看，雙曲率壁板外形面上每個(gè)點(diǎn)的曲率一般是由方向相互垂直或成一定角度的極大和極小兩個(gè)主曲率構(gòu)成，并且極大曲率的方向往往近似與壁板弦向一致，稱為弦向曲率；極小曲率的方向往往近似與壁板展向一致，稱為展向曲率，通過(guò)對(duì)壁板不同區(qū)域幾何特征分析，能夠確定弦向和展向預(yù)彎的部位和三點(diǎn)預(yù)彎支點(diǎn)和壓點(diǎn)的位置。

        大型壁板上馬鞍型區(qū)域外形曲率的兩個(gè)主曲率為異號(hào)，在其展向兩側(cè)區(qū)應(yīng)存在展向曲率從凹變凸發(fā)生改變的邊界點(diǎn)，并且有展向彎曲半徑小的凹點(diǎn)。參照?qǐng)D7所示，a，b，c和d四點(diǎn)為典型馬鞍型區(qū)域在機(jī)翼壁板展向外形面兩邊沿的邊界點(diǎn)，e為ab線上主極小曲率值（即展向曲率）大點(diǎn)，f為cd線上主極小曲率值點(diǎn)，由此得到展向預(yù)彎時(shí)線ac，ef和bd構(gòu)成展向三點(diǎn)預(yù)彎位置，其中ac和bd為支點(diǎn)位置，ef為壓點(diǎn)位置。

圖7 馬鞍型區(qū)域預(yù)彎位置確定原理圖

        （二）預(yù)彎量測(cè)量

        當(dāng)對(duì)大型壁板施加外力進(jìn)行預(yù)彎時(shí)，有應(yīng)力和應(yīng)變兩個(gè)變量。應(yīng)變值易于測(cè)量和控制，通常是采用弧高儀通過(guò)測(cè)量彎曲半徑來(lái)計(jì)算應(yīng)變量。