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超声波喷丸技术在大型零件变形校正中的应用

热加工工艺 2017年第7期46卷 156-160页

作者：门向南董锦亮黄振彪何腾达林兵兵徐雪峰陈清根中航工业成都飞机工业(集团)有限公司钣金厂四川成都610092 南昌航空大学航空制造工程学院江西南昌330063

超声波喷丸技术是一项喷丸新技术,因操作简便、易控制、成形后的材料综合性能好且无污染,在大型航空企业得到广泛应用。本文结合超声波喷丸设备,介绍了超声波喷丸成形原理、特点及参数。通过喷丸试验,分析了喷丸时间和振幅两个参数对成... 详细信息

超声波喷丸技术是一项喷丸新技术,因操作简便、易控制、成形后的材料综合性能好且无污染,在大型航空企业得到广泛应用。本文结合超声波喷丸设备,介绍了超声波喷丸成形原理、特点及参数。通过喷丸试验,分析了喷丸时间和振幅两个参数对成形质量的影响。以某蒙皮壁板和框类零件为例,运用Wheelabrator便携式超声波喷丸设备对该零件的校形进行了验证。实践证明,超声波喷丸技术对蒙皮壁板和框类零件的校形效果较好。

关键词：超声波喷丸喷丸校形残余应力蒙皮壁板

超声波喷丸覆盖率对AA2024疲劳性能的影响

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制造技术与机床 2013年第12期 144-146,150页

作者：史学刚薛建刚张雷南京航空航天大学机电学院江苏南京210016

采用超声波喷丸装置,对AA2024进行不同覆盖率(100%,200%,300%)和相同强度的超声波喷丸,研究了喷丸前后的表面粗糙度、显微硬度、残余应力场及半高宽等表面完整性特征参数以及覆盖率对疲劳寿命的影响。结果表明:覆盖率对表面完整性和疲... 详细信息

采用超声波喷丸装置,对AA2024进行不同覆盖率(100%,200%,300%)和相同强度的超声波喷丸,研究了喷丸前后的表面粗糙度、显微硬度、残余应力场及半高宽等表面完整性特征参数以及覆盖率对疲劳寿命的影响。结果表明:覆盖率对表面完整性和疲劳寿命有重大影响,采用300%覆盖率喷丸,可以使AA2024保持较小的表面粗糙度值(R a=1.6μm),较高的显微硬度,较好的残余应力分布及稳定的表面层微观组织,这些因素使得AA2024的疲劳寿命提高了5倍以上;而100%和200%覆盖率对应的疲劳寿命则分别提高了2倍和4倍。

关键词：超声波喷丸覆盖率残余应力场疲劳寿命

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铝合金超声波喷丸成形制件表面完整性研究

中国机械工程 2013年第22期24卷 3100-3104页

作者：史学刚鲁世红张炜南京航空航天大学南京210016 西安飞机工业集团公司西安710089

采用试验方法对AA2024-T351进行数控超声波喷丸成形，研究了超声波喷丸成形制件的显微硬度、残余应力场、表面形貌、表面粗糙度及半高宽等随超声波喷丸过程参数变化的规律，定性地探讨了AA2024-T351超声波喷丸后表面完整性的改善状况。... 详细信息

采用试验方法对AA2024-T351进行数控超声波喷丸成形，研究了超声波喷丸成形制件的显微硬度、残余应力场、表面形貌、表面粗糙度及半高宽等随超声波喷丸过程参数变化的规律，定性地探讨了AA2024-T351超声波喷丸后表面完整性的改善状况。结果表明：超声波喷丸后，制件的显微硬度得到了明显提高（最大增幅为20％），同时在材料表面产生了一定厚度的硬化层（深度约为300μm）；制件内部引入数值较高、分布呈现梯度形式的残余压应力场，残余压应力场的临界深度在500～650μm之间，在距表面200μm处产生了最大残余压应力；制件表面形成一道道犁沟，表面喷丸区域的粗糙度Ra有一定程度的增大；制件表面层的半高宽值变大，深度在125μm左右，半高宽的增大表明材料冷作硬化程度加大、晶体内部位错密度有一定程度的增大。显微硬度的提高、残余压应力场的引入及表面层组织的细化有助于喷丸成形制件疲劳寿命、抗磨损和抗腐蚀性能的提高。

关键词：超声波喷丸表面完整性残余应力显微硬度

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超声波喷丸校形的应用研究

超声波喷丸校形的应用研究

作者：陈星南京航空航天大学

学位级别：硕士

超声波喷丸校形是一种高效绿色节能的新技术，与传统校形工艺相比具有成本低、可校形范围大、良好的可控性和重复性等优点，有利于壁板类零件的校形，在航空航天领域具有广阔的应用前景。本文对超声波喷丸板料校形技术进行了相关研究，... 详细信息

超声波喷丸校形是一种高效绿色节能的新技术，与传统校形工艺相比具有成本低、可校形范围大、良好的可控性和重复性等优点，有利于壁板类零件的校形，在航空航天领域具有广阔的应用前景。本文对超声波喷丸板料校形技术进行了相关研究，主要研究工作如下：研究了超声波喷丸板料校形的物理过程和基本原理，并以Hertz碰撞理论为基础，对板料喷丸校形过程进行力学分析，研究了板料弯曲成形与喷丸产生的残余应力分布之间的关系，推导出了板料校形量的计算公式。研究了超声波喷丸板料形成的冲击坑形态，分析了冲击坑直径、冲击坑深度与超声波喷丸参数之间的关系，建立了冲击坑直径、冲击坑深度与超声波喷丸参数的经验公式。冲击坑形态是影响包括表面粗糙度和其他表面性能在内的表面完整性基本参数之一。研究了超声波喷丸工艺参数改变对铝合金板料的校形影响，首先探索了喷丸路径对超声波喷丸板料校形的影响，其次，电流强度、撞针直径和喷丸时间等工艺参数对板料校形量的影响，最后针对横向弯曲变形板料和纵向弯曲变形板料制定了合理的校形路径，进行了校形验证，获得了理想的校形效果。根据试验得到的喷丸工艺参数对超声波喷丸板料校形过程进行了有限元建模，包括材料模型、本构模型及网格划分的确定，研究了工艺参数改变对板料校形量的影响，最后对一种复杂曲面变形零件进行了超声波喷丸校形模拟，成功地进行了校形。以上研究表明利用有限元模拟超声波喷丸板料校形过程是可行的。

关键词：超声波喷丸残余应力冲击坑尺寸校形路径有限元模拟

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超声波喷丸加筋板成形工艺研究

超声波喷丸加筋板成形工艺研究

作者：周友良南京航空航天大学

学位级别：硕士

加筋板是工程领域常见的轻量化结构,既能减轻结构自重又能满足结构强度和刚度要求,被广泛运用于航空航天等工业领域。目前采用机械喷丸工艺对加筋板进行成形时,存在带筋板区域弯曲变形量不足的问题,亟需开展加筋板新型喷丸成形工艺研究... 详细信息

加筋板是工程领域常见的轻量化结构,既能减轻结构自重又能满足结构强度和刚度要求,被广泛运用于航空航天等工业领域。目前采用机械喷丸工艺对加筋板进行成形时,存在带筋板区域弯曲变形量不足的问题,亟需开展加筋板新型喷丸成形工艺研究。超声波喷丸技术作为一种新型喷丸工艺,可以获得比传统机械喷丸更大更深的残余压应力场,能大幅提高加筋板喷丸成形弯曲变形量,同时表面质量和成形后综合性能也优于传统机械喷丸,为加筋板提供了一种成形新途径。本文运用超声波喷丸成形工艺,以加筋板为研究对象,在超声波喷丸板件成形理论分析的基础之上,对超声波喷丸加筋板成形的成形量、成形特性以及表面性能进行了研究,并结合数值分析方法对超声波喷丸加筋板成形过程进行了模拟,主要研究工作如下:1.理论分析了超声波喷丸的成形过程。基于Hertz碰撞理论,研究了超声波喷丸过程中板件的变形情况和受力情况,探讨了弹塑性变形前后凹坑直径、凹坑深度和冲击力的大小以及回弹后残余应力沿深度方向的分布关系,分析了残余压应力场的产生过程以及板件弯曲变形和残余应力场的关系,推导了板件成形曲率半径与残余压应力的计算公式。2.对无筋壁板进行了超声波喷丸成形试验,分析了不同喷丸轨迹对无筋壁板曲率半径的影响,研究发现采用展向喷丸轨迹可以在提高壁板弦向变形程度的同时降低展向变形程度,有利于改善壁板球面变形趋势。基于展向喷丸轨迹,对加筋板进行了超声波喷丸成形试验,对影响加筋板成形曲率半径的主要喷丸工艺参数进行了研究,分析了加筋板基本弯曲变形规律。结果表明:在展向喷丸轨迹下,加筋板展向与弦向曲率半径的比值基本在11倍以上,此时加筋板展向变形很小可忽略不计,加筋板近似呈现弦向单曲率变形趋势。同时,还获得了加筋板较优成形工艺参数。3.对超声波喷丸后加筋板试件的表面性能进行了研究,分析了不同喷丸工艺参数对试件表面形貌、表面粗糙度、显微硬度以及残余应力场的影响。结果表明,与未喷丸试件相比,超声波喷丸后,成形件的表面粗糙度有所增加、表面硬度得到增大、并在材料表层产生了呈“√”状分布的有益残余压应力场,这表明了超声波喷丸成形技术是集塑性成形和冲击强化为一体的新工艺。同时,还获得了加筋板较优表面性能参数。4.通过动态仿真与静态仿真相结合的方法,建立了超声波喷丸加筋板成形数值分析模型,利用有限元分析方法,研究了不同喷丸工艺参数对加筋板成形曲率半径以及残余应力场的影响,并将数值分析结果和试验结果进行比较,二者的数据误差很小,验证了有限元模型的可靠性,为研制开发大变形机翼壁板的超声波喷丸成形工艺提供理论及数据参考。

关键词：超声波喷丸加筋板成形曲率残余应力数值模拟

表面粗糙度对钛合金超声波喷丸强化影响的有限元分析

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材料保护 2020年第3期53卷 16-22页

作者：王征蔡晋王晓明郑楠常青陆军装甲兵学院装备再制造技术国防科技重点实验室北京100072 中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司辽宁沈阳110043 沈阳航空航天大学航空宇航学院辽宁沈阳110136

探究超声波喷丸强化工艺对不同初始粗糙度的材料表面塑性应变、喷丸覆盖率以及残余应力及表面位移场影响的变化规律。以TC4(Ti6Al4V)钛合金材料为研究对象,基于有限元仿真软件ABAQUS构建超声波喷丸工艺的三维有限元模型,研究粗糙度对材... 详细信息

探究超声波喷丸强化工艺对不同初始粗糙度的材料表面塑性应变、喷丸覆盖率以及残余应力及表面位移场影响的变化规律。以TC4(Ti6Al4V)钛合金材料为研究对象,基于有限元仿真软件ABAQUS构建超声波喷丸工艺的三维有限元模型,研究粗糙度对材料表面超声波喷丸强化效果的影响。结果表明:降低表面初始粗糙度,可以提高达到工艺要求覆盖率的速度和表面发生塑性变形的程度,增加亚表面残余压应力层的深度及对应层深的残余压应力值。

关键词：超声波喷丸覆盖率塑性变形残余压应力

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壁板超声波喷丸成形稳定性研究

壁板超声波喷丸成形稳定性研究

作者：吴天睿南京航空航天大学

学位级别：硕士

超声波喷丸成形是一种新型的板料成形技术,目前已经在航空航天领域得到应用。它较一般板料成形技术具有设备成本低、便携、绿色无污染、成形后材料综合性能好等诸多优势,在飞机机翼壁板的成形和校形上具有广阔的应用前景。然而,在壁板... 详细信息

超声波喷丸成形是一种新型的板料成形技术,目前已经在航空航天领域得到应用。它较一般板料成形技术具有设备成本低、便携、绿色无污染、成形后材料综合性能好等诸多优势,在飞机机翼壁板的成形和校形上具有广阔的应用前景。然而,在壁板喷丸成形的实际过程中,随着喷丸能量的增强,板料残余应力的增大与不均匀分布往往会导致在壁板较薄的区域产生失稳变形,这严重地影响壁板的成形精度和力学性能。因此,研究壁板超声波喷丸成形的稳定性,确定壁板超声波喷丸成形的失稳条件,并继而优化壁板超声波喷丸成形的工艺参数,具有很强的实际应用价值。文章从如下三个方面展开了壁板超声波喷丸成形稳定性的研究:首先对超声波喷丸成形的机理和成形特征进行理论分析,利用Herz碰撞理论推导出了喷丸碰撞压力分布公式,推导了板材喷丸成形曲率半径与残余应力以及塑性变形层深度的关系;分析了薄板喷丸失稳的机理和特点,使用四简支双向受压模型对薄板喷丸失稳进行了力学分析,推导出薄板临界失稳条件下的载荷情况。其次,对机翼壁板四种典型结构的试验件进行了超声波喷丸成形试验,使用多元线性回归的方法对试验数据进行了处理,得出了壁板弦向和展向的成形曲率与超声波喷丸工艺参数之间的关系式。设计了壁板超声波喷丸局部失稳试验,得出了临界失稳状态下的超声波喷丸工艺参数组合,确定了壁板超声波喷丸成形工艺参数的安全范围。有限元模拟方面,采用等效热载荷模拟方法对超声波喷丸成形进行模拟,该方法科学、高效,既能够准确有效地模拟超声波喷丸成形的成形曲率,同时又大量减少了模拟的计算成本。将有限元模拟结果与超声波喷丸成形试验的结果进行对比,两者结果较为一致,具有较好的参考意义;探讨了薄壁板发生整体失稳的条件:通过直接模拟法,使用多单丸阵列模型模拟了薄板件的喷丸整体失稳状态,得出了不同厚度的板材发生整体失稳时的喷丸强度大小和板材能够发生整体失稳的临界厚度。

关键词：超声波喷丸成形曲率失稳有限元

多撞针高能超声波喷丸成形技术及工艺参数研究

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多撞针高能超声波喷丸成形技术及工艺参数研究

作者：马青霄中国科学院大学(中国科学院宁波材料技术与工程研究所)

学位级别：硕士

超声波喷丸成形技术是一种先进喷丸成形技术,相较于传统的机械喷丸具有加工过程环保无污染、设备成本低、加工件表面质量好等优点,且应用前景广阔。本文对多撞针高能超声波喷丸成形技术及其工艺参数进行了相关研究,主要研究工作如下:本... 详细信息

超声波喷丸成形技术是一种先进喷丸成形技术,相较于传统的机械喷丸具有加工过程环保无污染、设备成本低、加工件表面质量好等优点,且应用前景广阔。本文对多撞针高能超声波喷丸成形技术及其工艺参数进行了相关研究,主要研究工作如下:本文对超声波喷丸成形过程进行了理论分析,并设计了超声谐振系统。根据Hertz弹性接触理论、弹塑性理论和逆屈服硬化的物理概念对喷丸成形过程进行了力学分析,根据Al-Hassani残余应力计算理论,分析了超声喷丸成形后的残余应力。设计的超声功率系统,换能器采用压电陶瓷换能器,变幅杆辐射端面振幅基本相同,放大系数约为4.06。对超声波喷丸处理过程中撞针冲击运动特性进行了研究。通过搭建撞针冲击响应信号检测系统平台、建立撞针冲击金属材料的动态有限元模型,定义了撞针冲击的有效频次,并分析了气体压力、超声波振幅及撞针行程对撞针冲击速度的影响规律。结果表明:撞针冲击靶材具有多速度、随机的特点,撞针冲击速度与冲击力呈正相关;植入的残余压应力层厚度及大小主要取决于较大速度的冲击,将达到最大冲击速度50%的冲击定义为有效冲击。基于正交试验,对自研多撞针超声喷丸校形设备的工艺参数展开研究,分析了气体压力、撞针行程和超声波振幅对喷丸强度的影响及各参数在超声喷丸成形中的权重。结果表明:喷丸强度与超声波振幅及气压呈正相关,与撞针行程呈负相关;其中,对薄壁件弯曲变形影响最大的工艺参数是超声波振幅,其次是撞针行程,影响最小的是气压,该结果对超声波喷丸成形工艺参数的选择起到指导作用。通过Abaqus模拟仿真,研究了撞针冲击运动对残余应力场分布的影响,建立了超声波喷丸形变预测模型,并通过试验验证了有限元模拟结果的有效性。结果表明:当撞针每两次冲击位置之间的间隔不大于0.4mm时,可以得到均匀残余应力场;7075铝合金薄壁板弧高值有限元模拟结果与实验结果差值为0.822mm,对应误差率为15.7%,成功验证了有限元形变预测模型的有效性,为超声波喷丸成形实验和生产提供理论指导。

关键词：超声波喷丸正交试验喷丸强度残余应力有限元模拟

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带孔壁板数控超声波喷丸成形技术研究

带孔壁板数控超声波喷丸成形技术研究

作者：刘朝训南京航空航天大学

学位级别：硕士

航空结构壁板通常带有减轻孔、装配孔、工艺孔等结构,在带孔板单曲率喷丸成形时,常常会发生孔区域与其他喷丸部位曲率半径不相等,而且孔区域部位产生孔区变形、开裂、应力集中的问题[40],严重地影响了壁板的成形精确和强度性能。这些都... 详细信息

航空结构壁板通常带有减轻孔、装配孔、工艺孔等结构,在带孔板单曲率喷丸成形时,常常会发生孔区域与其他喷丸部位曲率半径不相等,而且孔区域部位产生孔区变形、开裂、应力集中的问题[40],严重地影响了壁板的成形精确和强度性能。这些都与带孔壁板喷丸成形后残余应力分布有关,而残余应力分布又受喷丸区域、壁板几何结构和喷丸工艺参数等因素的影响。针对带孔壁板喷丸成形相关缺陷,从理论上研究了板料喷丸后残余应力分布规律,以及残余应力场对板料的成形机理,从试验和有限元角度研究喷丸区域、壁板几何结构和喷丸工艺参数等对带孔板成形质量的影响,确定了适合带孔板喷丸成形工艺方法及最佳参数水平。1.探讨了使板材产生弹性和弹塑性变形的临界喷丸速度,此速度公式考虑到了撞针和靶材的密度、弹性模量、泊松比,静态与动态屈服强度。利用Herz碰撞理论推导出了碰撞压力分布公式,并从弹塑性力学角度推导了塑性变形区回弹前后的弹坑直径,弹坑深度及冲击力大小计算公式,分析得出了板料回弹前后的残余应力相关公式,以及残余应力分布对受喷板料弯曲变形公式。2.分析了带孔板超声波喷丸成形后的成形特征及孔异形情况,探讨了喷丸区域布局及板料结构对带孔板喷丸成形质量影响,绘制了不同喷丸参数喷丸时应采用的喷丸孔边距和加强环厚度曲线,结果表明:采用加强环+条带喷丸方式可以显著的提高带孔板喷丸成形质量,加强环厚度H与宽度M主要影响曲率半径差值C,而孔边距L主要影响孔异形程度B。选取最佳孔边距L为3～10mm,最佳加强环宽度M为9～15mm,最佳加强环厚度为1～3mm。3.构建了有限元模拟方案,确定采用动态分析步与静态分析步结合的模拟方法。采用ABAQUS模拟和研究了不同喷丸区域布局、带孔板孔区结构和喷丸工艺参数对带孔板喷丸成形质量的影响,并将试验研究与有限元模拟的结果进行对比和分析,结果显示:ABAQUS有限元模拟结果与试验结果在影响趋势、数据点差值方面的吻合度较好,总体上,模拟结果与试验结果的最大误差为22%,平均误差为13.3%,具有较好的参考意义。

关键词：带孔板超声波喷丸碰撞理论工艺参数有限元模拟