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CN106636589B - 一种控制空心叶片变形的喷丸强化方法 - Google Patents

一种控制空心叶片变形的喷丸强化方法 Download PDF

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CN106636589B CN201610878578.6A CN201610878578A CN106636589B CN 106636589 B CN106636589 B CN 106636589B CN 201610878578 A CN201610878578 A CN 201610878578A CN 106636589 B CN106636589 B CN 106636589B
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Abstract

本发明提供了一种控制空心叶片变形的喷丸强化方法，包括以下步骤：步骤S10：根据空心叶片结构，将空心叶片划分为空心区和实心区；步骤S20：将空心区划分为N个空心分区，将实心区划分为M个实心分区，其中N为大于或等于2的整数，M为大于或等于2的整数；步骤S30：确定各空心分区和各实心分区的喷丸强度；步骤S40：按照确定的各空心分区和各实心分区的喷丸强度，对各空心分区和各实心分区分别进行喷丸强化。本发明通过对各分区采用对应的喷丸强度分别进行喷丸强化，能有效限制空心叶片在喷丸强化时的附加变形，实现对复杂曲面不等厚度空心构件的喷丸强化变形控制。

Description

一种控制空心叶片变形的喷丸强化方法
技术领域
本发明涉及喷丸强化技术领域，尤其是一种控制空心叶片变形的喷丸强化方法。
背景技术
早在上世纪20-30年代，发现了喷丸处理具有改善零件疲劳性能的功效后，由喷(抛)丸清理工艺脱颍而出发展形成的喷丸强化工艺，立即被用来改善汽车零件(特别是弹簧)的疲劳强度，并且在汽车制造业中率先获得了广泛的应用。鉴于该工艺的成本低廉、生产效率高，尤其是强化效果卓著，很快被应用到航空制造业中，并在航空和军工制造业中取得了长足发展并不断完善。
随着航空技术的飞速发展，航空发动机采用的新技术也在不断增加，一些复杂薄壁空心构件成为新一代航空发动机性能提升的重要零件。空心叶片不仅具有复杂的曲面外形，同时还具有复杂的内部结构，如变厚度设计、带加强筋等。由于空心叶片含有空心区域，且各区域厚度不同、加强筋条等结构要素分布的不均匀性以及制造成形时在各区域产生的残余应力不同，在进行空心叶片全表面喷丸强化时，如果各区域采用相同喷丸强度，由于各个区域因喷丸强化产生的材料表层变形量不同，不可避免地会产生结构件的变形现象，特别是在较薄的空心及边缘区域，极易造成结构件外形尺寸超差无法与其它结构连接装配而导致构件报废，造成重大经济损失。
发明内容
本发明的目的是提供一种控制空心叶片变形的喷丸强化方法，能控制复杂曲面不等厚度空心叶片的喷丸变形。
为达到上述目的，本发明提出一种控制空心叶片变形的喷丸强化方法，其包括以下步骤：步骤S10：根据空心叶片结构，将空心叶片划分为空心区和实心区；步骤S20：将空心区划分为N个空心分区，将实心区划分为M个实心分区，其中N为大于或等于2的整数，M为大于或等于2的整数；步骤S30：确定各空心分区和各实心分区的喷丸强度；步骤S40：按照确定的各空心分区和各实心分区的喷丸强度，对各空心分区和各实心分区分别进行喷丸强化。
如上所述的控制空心叶片变形的喷丸强化方法，其中，在所述步骤S20中，沿空心区两侧侧壁的厚度渐变方向，将空心区划分为依次排列的第一个空心分区至第N个空心分区；沿实心区的厚度渐变方向，将实心区划分为依次排列的第一个实心分区至第M个实心分区，相邻两个空心分区的厚度变化范围、以及相邻两个实心分区的厚度变化范围均为一设定值。
如上所述的控制空心叶片变形的喷丸强化方法，其中，所述设定值为1.0mm～6.0mm。
如上所述的控制空心叶片变形的喷丸强化方法，其中，在所述步骤S30与所述步骤S40之间，还包括以下步骤：步骤S31：采用与各空心分区和各实心分区的形状分别一致的M+N个保护胶带，分别遮蔽各空心分区和各实心分区。
如上所述的控制空心叶片变形的喷丸强化方法，其中，在所述步骤S40中，对各空心分区和各实心分区分别进行喷丸强化的具体操作步骤为：步骤S401：确定N个空心分区和M个实心分区的喷丸顺序；步骤S402：按照喷丸顺序，依次对各空心分区和各实心分区进行喷丸强化，其中，在对N个空心分区和M个实心分区中的任一个分区进行喷丸强化前，先将该分区的保护胶带揭下，并对该分区的相邻分区进行刚性夹持，再将该分区的喷丸强度对应的喷射气压、喷嘴移动速度、弹丸流量、喷嘴直径、弹丸型号及强化轨迹输入到喷丸设备中，然后启动喷丸设备对该分区进行喷丸强化，对该分区的喷丸强化完成后，将该分区的保护胶带重新贴上。
如上所述的控制空心叶片变形的喷丸强化方法，其中，在所述步骤S402中，对该分区的相邻分区进行刚性夹持的同时，对该分区采用预应力夹具施加反向预应力。
如上所述的控制空心叶片变形的喷丸强化方法，其中，在所述步骤S40中，先对位于空心叶片边缘的空心分区和实心分区进行喷丸强化，再对位于空心叶片中间的空心分区和实心分区进行喷丸强化。
如上所述的控制空心叶片变形的喷丸强化方法，其中，在所述步骤S40中，对各空心分区和各实心分区进行的喷丸强化为双面协调对喷全覆盖喷丸强化。
如上所述的控制空心叶片变形的喷丸强化方法，其中，在所述步骤S30中，确定各空心分区和各实心分区的喷丸强度的方法为：首先分别设定空心区的喷丸强度范围和实心区的喷丸强度范围，然后在空心区的喷丸强度范围内，设定各空心分区的喷丸强度，在实心区的喷丸强度范围内，设定各实心分区的喷丸强度。
如上所述的控制空心叶片变形的喷丸强化方法，其中，在所述步骤S20中，沿空心区两侧侧壁厚度减小的方向，将空心区划分为依次排列的第一个空心分区至第N个空心分区，沿实心区厚度减小的方向，将实心区划分为依次排列的第一个实心分区至第M个实心分区；在所述步骤S30中，设定第一个空心分区至第N个空心分区的喷丸强度递减，设定第一个实心分区至第M个实心分区的喷丸强度递减。
本发明的控制空心叶片变形的喷丸强化方法的特点和优点是：
1、本发明的控制空心叶片变形的喷丸强化方法，根据空心叶片的结构，将空心叶片划分为多个空心分区和多个实心分区，喷丸强化时，对各分区采用对应的喷丸强度分别进行喷丸强化，能有效限制空心叶片在喷丸强化时的附加变形，实现对复杂曲面不等厚度空心构件的喷丸强化变形控制；
2、本发明的控制空心叶片变形的喷丸强化方法，采用对受喷区域的相邻区域进行刚性夹持，并施加反向预应力的渐进式选区双面协调对喷的喷丸强化方法，能够有效限制受喷区域的变形；
3、本发明的控制空心叶片变形的喷丸强化方法，采用先对空心叶片的边缘区域进行喷丸强化，再对空心叶片的中间区域进行喷丸强化的喷丸强化方法，可在空心叶片边缘区域出现变形后，通过调整空心叶片中间区域的变形来校正边缘区域的变形，从而有效控制空心叶片的变形。
附图说明
以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：
图1是空心叶片划分为多个分区的示意图；
图2是夹具夹持空心叶片的示意图。
主要元件标号说明：
1 空心叶片
2 夹持立柱
3 夹持框
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。
本发明提供一种控制空心叶片变形的喷丸强化方法，用以控制空心叶片因喷丸强化引起的曲面外形变形，其包括以下顺序执行的步骤：
步骤S10：根据空心叶片1(或称为空心构件)结构，将空心叶片1划分为空心区K和实心区S；
步骤S20：将空心区K划分为N个空心分区，将实心区S划分为M个实心分区，其中N为大于或等于2的整数，M为大于或等于2的整数；
步骤S30：确定各空心分区和各实心分区的喷丸强度；
步骤S40：按照确定的各空心分区和各实心分区的喷丸强度，对各空心分区和各实心分区分别进行喷丸强化。
本发明根据空心叶片的结构，将空心叶片划分为空心区和实心区，并将空心区进一步划分为多个空心分区，将实心区进一步划分为多个实心分区，喷丸强化时，对各分区采用不同的喷丸强度分别进行喷丸强化，从而能有效限制空心叶片在喷丸强化时的附加变形，尤其适用于复杂曲面不等厚度空心构件的喷丸强化变形控制。
在一个具体实施例中，在步骤S20中，沿空心区K两侧侧壁的厚度渐变方向，将空心区K划分为依次排列的第一个空心分区K1、第二个空心分区K2……第N个空心分区KN，其中，空心区K的两侧侧壁之间为空心；沿实心区S的厚度渐变方向，将实心区S划分为依次排列的第一个实心分区S1、第二个实心分区S2……第M个实心分区SM，相邻两个空心分区的厚度变化范围、以及相邻两个实心分区的厚度变化范围均为一设定值，较佳地，该设定值为1.0mm～6.0mm。
进一步，在步骤S20中，沿空心区K两侧侧壁厚度减小的方向，将空心区K划分为依次排列的第一个空心分区K1、第二个空心分区K2……第N个空心分区KN，沿实心区S厚度减小的方向，将实心区S划分为依次排列的第一个实心分区S1、第二个实心分区S2……第M个实心分区SM；在步骤S30中，设定第一个空心分区K1、第二个空心分区K2……第N个空心分区KN的喷丸强度递减，设定第一个实心分区S1、第二个实心分区S2……第M个实心分区SM的喷丸强度递减。根据各分区的厚度不同，采用不同的喷丸强度，能限制各分区在喷丸强化时的变形，一般来说，区域厚度越大，喷丸强度越大，具体的各分区的喷丸强度由零件形状、内部结构、材质及性能要求等因素共同决定。
在一个可行的技术方案中，在步骤S30中，确定各空心分区和各实心分区的喷丸强度的方法为：首先分别设定空心区K的喷丸强度范围和实心区S的喷丸强度范围，然后按照划分的区域及厚度变化梯度，在空心区K的喷丸强度范围内，设定各空心分区的喷丸强度，在实心区K的喷丸强度范围内，设定各实心分区的喷丸强度。
例如，空心区K的喷丸强度范围为KQ1～KQn，按照划分的N个空心分区及厚度变化梯度，将喷丸强度KQ1～KQN划分为为N-1个区间，依次为KQ1～KQ2、……、KQN-1～KQN,第一个空心分区K1、第二个空心分区K2……第N个空心分区KN的喷丸强度依次为各区间的端点值KQ1、KQ2、……、KQN；实心区S的喷丸强度范围为SQ1～SQM，按照划分的M个实心分区及厚度变化梯度，将喷丸强度SQ1～SQM划分为为M-1个区间，依次为SQ1～SQ2、……、SQM-1～SQM,第一个实心分区S1、第二个实心分区S2……第M个实心分区SM的喷丸强度依次为各区间的端点值SQ1、SQ2、……、SQM。
对于喷丸强度的确定方法，本发明并不限于此，也可以采用其它现有技术确定各空心分区和各实心分区的喷丸强度，例如采用S-N曲线法或移植法确定各空心分区和各实心分区的最佳喷丸强度，还可以根据相关标准确定。
在一个优选的实施例中，在步骤S30与步骤S40之间，还包括步骤S31：采用与各空心分区的形状和各实心分区的形状分别一致(对应)的M+N个喷丸保护胶带，分别遮蔽各空心分区和各实心分区，在步骤S40中，对任一分区进行喷丸强化前，先将该分区的喷丸保护胶带揭掉，对该分区的喷丸强化完成后，再将该分区的喷丸保护胶带重新贴上。通过设置喷丸保护胶带，可以对非喷丸区域的表面进行遮蔽保护，方便对各分区分别喷丸强化。
进一步，在步骤S40中，对各空心分区和各实心分区分别进行喷丸强化的具体操作步骤为：
步骤S401：确定各空心分区和各实心分区的喷丸顺序；
步骤S402：按照喷丸顺序，依次对各空心分区和各实心分区进行喷丸强化，其中，在对N个空心分区和M个实心分区中的任一分区(可称为受喷区域)进行喷丸强化前，先将该分区(即受喷区域)的保护胶带揭下，并对该分区的相邻分区进行刚性夹持，再将该分区的喷丸强度对应的喷射气压、喷嘴移动速度、弹丸流量、喷嘴直径、弹丸型号及强化轨迹输入到喷丸设备中，然后启动喷丸设备对该分区进行喷丸强化，对该分区的喷丸强化完成后，将该分区的保护胶带重新贴上。
其中，各分区的喷丸强度对应的喷射气压、喷嘴移动速度、弹丸流量、喷嘴直径、弹丸型号及强化轨迹可根据相关标准选择，故不赘述。
更进一步，在步骤S40中，先对位于空心叶片1边缘的空心分区和实心分区进行喷丸强化，再对位于空心叶片1中间的空心分区和实心分区进行喷丸强化。也就是说，在步骤S401中，将位于空心叶片1周缘的分区作为在先喷丸区域，将位于空心叶片1中间的分区作为在后喷丸区域，对于空心叶片1周缘的多个分区的喷丸顺序，本发明不加以限制，例如可以沿空心叶片1周缘的周向依次进行喷丸强化，对于空心叶片1中间的多个分区的喷丸顺序，本发明也不加以限制，例如可以按某个方向(如由左至右)依次喷丸强化。
由于先对空心叶片的边缘区域进行喷丸强化，若边缘区域出现强化变形，可以通过调整空心叶片中间区域的强化变形，例如通过改变喷丸强度来调整中间区域的强化变形，来调节边缘区域的强化变形，从而实现利用中间区域的变形来调整边缘区域的变形，达到互相校正变形的效果，反之则无法校正。
更进一步，在步骤S402中，对该分区的相邻分区进行刚性夹持的同时，若该分区为易变形区域，还需对该分区采用预应力夹具施加反向预应力，以进一步限制受喷区域的变形，预应力夹具的结构为现有技术，故不赘述。
进一步，在步骤S40中，对各空心分区和各实心分区进行的喷丸强化为双面协调对喷全覆盖喷丸强化，即，在空心叶片的分区的两面相对应位置同步进行喷丸强化，并且受喷位置覆盖率大于或等于100％。
如图2所示，采用夹具对空心叶片1的受喷区域的相邻分区进行刚性夹持，该夹具包括两个夹持立柱2和一个方框形的夹持框3，两个夹持立柱2分别与夹持框3通过螺栓连接，通过旋转螺栓，可以调节两个夹持立柱2之间的间距，通过旋紧夹持立柱2与夹持框3之间的连接螺栓，将空心叶片1夹持在两个夹持立柱2之间，空心叶片1的受喷区域位于夹持框3内侧，即夹持框3围绕在受喷区域外侧。但本发明并不限于此，还可以采用其它现有夹具对空心叶片进行刚性夹持。
本发明采用对受喷区域的相邻区域进行刚性夹持，并施加反向预应力的渐进式选区双面协调对喷的喷丸强化方法，能够有效限制受喷区域的变形。
以下对本发明的喷丸强化方法举例说明：
对某空心叶片1进行喷丸强化，如图1所示，首先进行区域划分，将空心叶片1划分为空心区K和实心区S，沿空心区K两侧侧壁厚度渐变(例如减小)的方向，将空心区K划分为第一个空心分区K1、第二个空心分区K2和第三个空心分区K3，沿实心区S厚度渐变(例如减小)的方向，将实心区S划分为第一个实心分区S1、第二个实心分区S2、第三个实心分区S3、第四个实心分区S4和第五个实心分区S5，相邻两个分区的厚度变化范围为1.0mm～6.0mm；
然后，设计空心区K的喷丸强度范围为0.15mmN～0.4mmN，实心区S的喷丸强度范围为0.1mmA～0.3mmA，设计第一个空心分区K1的喷丸强度KQ1、第二个空心分区K2的喷丸强度KQ2、第三个空心分区K3的喷丸强度KQ3、第一个实心分区S1的喷丸强度SQ1、第二个实心分区S2的喷丸强度SQ2、第三个实心分区S3的喷丸强度SQ3、第四个实心分区S4的喷丸强度SQ4、第五个实心分区S5的喷丸强度SQ5分别为：KQ1＝0.4mmN(即0.4N)，KQ2＝0.25mmN，KQ3＝0.15mmN，SQ1＝SQ2＝SQ3＝0.1mmA(即0.1A)，SQ4＝0.3mmA，SQ5＝0.2mmA；
空心叶片的各分区的喷丸强度如表1所示：
表1空心叶片各分区的喷丸强度
喷丸强化位置 叶片空心区 叶片实心区
K1 KQ1 -
K2 KQ2 -
K3 KQ3 -
S1 - SQ1
S2 - SQ2
S3 - SQ3
S4 - SQ4
S5 - SQ5
详细工艺参数如表2所示：
表2各分区的喷丸强度对应的工艺参数
之后，按照零件划分的分区K1～K3和S1～S5的形状，将可重复利用的喷丸保护胶带裁剪成对应的形状，分别粘贴到空心叶片表面的各个分区进行遮蔽保护；
随后，先选择位于空心叶片边缘的分区S1～S3区域进行喷丸强化，再逐步喷丸强化空心叶片中间区域的分区K1～K3和S4～S5，喷丸顺序为由空心叶片边缘向中心区域逐渐转移。在喷丸强化第一个实心分区S1时，对其相邻区域进行反向预应力刚性夹持，然后将第一个实心分区S1的保护胶带揭掉，将此分区所设计喷丸强度对应的喷射气压、喷嘴移动速度、弹丸流量、喷嘴直径、弹丸型号及强化轨迹输入到喷丸设备中，对此区域进行双面协调对喷全覆盖喷丸强化，然后将此分区的揭掉的喷丸保护胶带重新贴上以实现在喷丸强化其它分区时的表面保护。按此步骤逐步完成薄壁空心构件分区S2～S5、K1～K3的整体喷丸强化。喷丸夹持示意图如图2所示，图中第二个空心区K2为受喷区域。
以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。而且需要说明的是，本发明的各组成部分并不仅限于上述整体应用，本发明的说明书中描述的各技术特征可以根据实际需要选择一项单独采用或选择多项组合起来使用，因此，本发明理所当然地涵盖了与本案发明点有关的其它组合及具体应用。

Claims (10)

1.一种控制空心叶片变形的喷丸强化方法，用以控制空心叶片因喷丸强化引起的曲面外形变形，其特征在于，所述控制空心叶片变形的喷丸强化方法包括以下步骤：
步骤S10：根据空心叶片结构，将空心叶片划分为空心区和实心区；
步骤S20：将空心区划分为N个空心分区，将实心区划分为M个实心分区，其中N为大于或等于2的整数，M为大于或等于2的整数；
步骤S30：确定各空心分区和各实心分区的喷丸强度；
步骤S40：按照确定的各空心分区和各实心分区的喷丸强度，对各空心分区和各实心分区分别进行喷丸强化。
2.如权利要求1所述的控制空心叶片变形的喷丸强化方法，其特征在于，在所述步骤S20中，沿空心区两侧侧壁的厚度渐变方向，将空心区划分为依次排列的第一个空心分区至第N个空心分区；沿实心区的厚度渐变方向，将实心区划分为依次排列的第一个实心分区至第M个实心分区，相邻两个空心分区的厚度变化范围、以及相邻两个实心分区的厚度变化范围均为一设定值。
3.如权利要求2所述的控制空心叶片变形的喷丸强化方法，其特征在于，所述设定值为1.0mm～6.0mm。
4.如权利要求1所述的控制空心叶片变形的喷丸强化方法，其特征在于，在所述步骤S30与所述步骤S40之间，还包括以下步骤：
步骤S31：采用与各空心分区和各实心分区的形状分别一致的M+N个保护胶带，分别遮蔽各空心分区和各实心分区。
5.如权利要求4所述的控制空心叶片变形的喷丸强化方法，其特征在于，在所述步骤S40中，对各空心分区和各实心分区分别进行喷丸强化的具体操作步骤为：
步骤S401：确定N个空心分区和M个实心分区的喷丸顺序；
步骤S402：按照喷丸顺序，依次对各空心分区和各实心分区进行喷丸强化，其中，在对N个空心分区和M个实心分区中的任一个分区进行喷丸强化前，先将该分区的保护胶带揭下，并对该分区的相邻分区进行刚性夹持，再将该分区的喷丸强度对应的喷射气压、喷嘴移动速度、弹丸流量、喷嘴直径、弹丸型号及强化轨迹输入到喷丸设备中，然后启动喷丸设备对该分区进行喷丸强化，对该分区的喷丸强化完成后，将该分区的保护胶带重新贴上。
6.如权利要求5所述的控制空心叶片变形的喷丸强化方法，其特征在于，在所述步骤S402中，对该分区的相邻分区进行刚性夹持的同时，对该分区采用预应力夹具施加反向预应力。
7.如权利要求1至6任一项所述的控制空心叶片变形的喷丸强化方法，其特征在于，在所述步骤S40中，先对位于空心叶片边缘的空心分区和实心分区进行喷丸强化，再对位于空心叶片中间的空心分区和实心分区进行喷丸强化。
8.如权利要求1至6任一项所述的控制空心叶片变形的喷丸强化方法，其特征在于，在所述步骤S40中，对各空心分区和各实心分区进行的喷丸强化为双面协调对喷全覆盖喷丸强化。
9.如权利要求1至6任一项所述的控制空心叶片变形的喷丸强化方法，其特征在于，在所述步骤S30中，确定各空心分区和各实心分区的喷丸强度的方法为：首先分别设定空心区的喷丸强度范围和实心区的喷丸强度范围，然后在空心区的喷丸强度范围内，设定各空心分区的喷丸强度，在实心区的喷丸强度范围内，设定各实心分区的喷丸强度。
10.如权利要求2或3所述的控制空心叶片变形的喷丸强化方法，其特征在于，
在所述步骤S20中，沿空心区两侧侧壁厚度减小的方向，将空心区划分为依次排列的第一个空心分区至第N个空心分区，沿实心区厚度减小的方向，将实心区划分为依次排列的第一个实心分区至第M个实心分区；
在所述步骤S30中，设定第一个空心分区至第N个空心分区的喷丸强度递减，设定第一个实心分区至第M个实心分区的喷丸强度递减。
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