一种多点主动加载的飞机壁板预应力喷丸工装及喷丸方法

摘要

本发明是一种多点主动加载的飞机壁板预应力喷丸工装及喷丸方法。它由刚性框架、纵梁和多个冲头组成。框架上设计有直线导轨，直线导轨上安装纵梁，纵梁上安装有高度可由计算机数控调整的冲头及固定壁板的压紧机构。每个冲头均配有一体化数控驱动减速电机，电机转动驱动丝杠，实现冲头体在轴向的高度调整，并能在任意位置锁定。相比于传统预应力喷丸夹具，数控冲头可以构成预弯型面实现对任意曲率的壁板件预弯，数量众多的冲头使得壁板所受预应力更均匀，有效避免单点施力造成局部畸变现象；在喷丸成形过程中，可以根据壁板的变形情况实时调整所使用的冲头高度，提高喷丸成形的精度；喷丸成形后，该工装可作为检验靠模检测曲面壁板的成形误差。

说明书

技术领域

本发明属于机械制造技术领域，具体的说是一种多点主动加载的飞机壁板预应力喷丸 工装及喷丸方法。

背景技术

在飞机制造领域中，作为飞机上最重要的一类零件——整体壁板，它是飞机气动外形 的要组成部分，同时也是机翼、机身等的主要承力构件。但其较大的尺寸和复杂曲率对成 形技术提出了考验。目前在国内外，喷丸成形因其独特的优点成为现代飞机，特别是大型 客机机翼整体壁板成形的一种最佳方法。然而喷丸成形具有一定的成形极限，也就是说其 成形的曲率有一极限值，并且自由喷丸容易造成板料的球面变形。因此提出预应力喷丸成 形技术，即在喷丸之前，先对壁板零件施加预应力，使零件产生预弯，然后再进行喷丸成 形。实践表明,预应力喷丸成形可以大幅度提高自由喷丸的成形极限，同时消除自由喷丸 产生的球面变形倾向，很好地控制变形方向。目前，大型喷丸机均有与其尺寸相对应的预 弯夹具，用来实现不同尺寸，不同曲率的壁板进行夹持和预弯。然而现有技术中常用的夹 具主要存在以下两个方面的不足：一、夹具的施力机构不满足通用性，一套施力机构往往 只限于一种壁板零件；二、预应力施力点较少，容易造成局部畸变，预应力分布不均，预弯效果不佳。

发明内容

本发明提供了一种可由计算机控制多个施力点，针对不同尺寸，任意曲率的壁板类零 件具有通用性的柔性预应力的多点主动加载的飞机壁板预应力喷丸工装及喷丸方法，克服 了现有喷丸工装和喷丸方法的上述不足。

本发明技术方案结合附图说明如下：

一种多点主动加载的飞机壁板预应力喷丸工装，该工装包括接头滑块3、压紧夹5、多 点冲头系统7、齿轮齿条传动机构、两个刚性框架1、两个导轨基座4、两个直线导轨2和多跟纵梁6；两个所述的导轨基座4固定在两个刚性框架1上；两个所述的导轨基座4上安 装有两个直线导轨2；多跟所述的纵梁6的两端分别与接头滑块3连接，并且其中一端安装 有锁死机构9，另一端安装有齿轮齿条传动机构；所述的接头滑块3与直线导轨2滑动配合； 所述的纵梁6上通过第三螺母24固定有多个多点冲头系统7；所述的纵梁6两端的上方均 固定有压紧夹5。

一个所述的导轨基座4上设置有导轨标尺11，所述的纵梁6的侧边设置有纵梁标尺10。

所述的纵梁6的两侧开有贯穿纵梁6的第一T型槽8，中间开有第二T型槽21。

所述的第二T型槽21内装有多套多点冲头系统7；所述的多点冲头系统7包括壳体25、 控制电路26、调整应用电机27、冲头28；所述的调整应用电机27的输出端与带有内螺纹的冲头28螺纹连接；所述的壳体25外设置有固定冲头28的第二螺母29；所述的调整应用 电机27与控制电路26相连；所述的控制电路26通过中继器与计算机相连。

两个所述的第一T型槽8内设置有压紧夹5，所述的压紧夹5包括压紧夹机架16、调节 杆17和压紧夹压头18；所述的压紧夹机架16的两端通过第一螺栓14设置在第一T型槽8内，所述的第一螺栓14的上方设置有第一螺母19；所述的第一螺栓14和第一螺母19之间 设有垫片20；所述的调节杆17固定在压紧夹机架16的一端，其下端固定有压紧夹压头18； 所述的压紧夹压头18和冲头28之间放置壁板零件12。

所述的壁板零件12和冲头28之间有聚氨酯的弹性垫13。

所述的齿轮齿条传动机构包括齿条22和齿轮23；所述的齿轮23通过齿轮轴与纵梁6 连接；所述的齿条22固定在两个导轨基座4上并且与齿轮23相啮合。

一种多点主动加载的飞机壁板预应力喷丸方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、喷丸前，首先由公式计算确定出预弯型面，由冲头28构成预弯型面，多个冲 头排列成“面”实现预应力的施加以保证预应力均匀；

步骤二、喷丸过程中，由于实际预弯量和喷丸参数难以精确制定，因预弯量偏大或偏 小及喷丸参数的不精确性造成的受力误差可以通过实时调整冲头28高度的方法加以补偿， 弯矩偏大则降低冲头28高度，弯矩偏小则升高冲头28高度；

步骤三、喷丸后，冲头28可以构成零件型面作为检验靠模检测曲面壁板的成形误差。

本发明的有益效果为：

本发明用多点冲头系统最大尺度发挥夹具的“柔性”特点，喷丸前，由计算机控制的冲 头可以精确地构成任意曲率的预弯型面，因此可实现对不同形状，任意曲率的壁板件预弯。 同时数量众多的冲头使得壁板所受预应力更均匀，有效避免单点施力造成局部畸变现象， 保证预应力效果；在喷丸成形过程中，可以根据壁板的变形情况实时调整所使用的冲头高 度，提高喷丸成形的精度；喷丸成形后，数控冲头可以构成零件型面作为检验靠模检测曲 面壁板的成形误差。

附图说明

图1是多点主动加载的飞机壁板预应力喷丸工装结构示意图；

图2是多点主动加载的飞机壁板预应力喷丸工装进行弦向预弯的示意图；

图3是多点主动加载的飞机壁板预应力喷丸工装进行双曲率预弯的示意图；

图4是多点主动加载的飞机壁板预应力喷丸工装的压紧夹子示意图；

图5是纵梁横截面“T”型槽结构的一种示意图；

图6是纵梁横截面“T”型槽结构的另一种示意图；

图7是锁死装置示意图。

图中：1、刚性框架；2、直线导轨；3、接头滑块；4、导轨基座；5、压紧夹；6、纵梁； 7、多点冲头系统；8、第一T型槽；9、锁死机构；10、纵梁标尺；11、导轨标尺；12、壁 板零件；13、弹性垫；14、第一螺栓；15、双曲率预弯零件；16、压紧夹机架；17、调节 杆；18、压紧夹压头；19、第一螺母；20、垫片；21、第二T型槽；22、齿条；23、齿轮； 24、第三螺母；25、壳体；26、控制电路；27、调整应用电机；28、冲头；29、第二螺母； 30、第二螺栓；31、挡板；32、手柄。

具体实施方式

参阅图1、图2、图3，一种多点主动加载的飞机壁板预应力喷丸工装，该工装包括接头滑块3、压紧夹5、多点冲头系统7、齿轮齿条传动机构、两个刚性框架1、两个导轨基 座4、两个直线导轨2和多跟纵梁6；两个所述的导轨基座4固定在两个刚性框架1上；两 个所述的导轨基座4上安装有两个直线导轨2；多跟所述的纵梁6的两端分别与接头滑块3 连接，并且其中一端安装有锁死机构9，另一端安装有齿轮齿条传动机构；所述的接头滑块 3与直线导轨2滑动配合，接头滑块3可以带动纵梁6在直线导轨2上往复移动，移动的目 的在于根据不同展向尺寸的壁板调整纵梁6的位置，同时导轨基座4上安装有导轨标尺11， 定位完成后，利用锁死装置9将纵梁固定，所述锁死装置由第二螺栓30和挡板31组成， 利用第二螺栓30顶在导轨基座4上实现锁死，如图7所示。所述的纵梁6上通过第三螺母 24固定有多个多点冲头系统7；所述的纵梁6两端的上方均固定有压紧夹5。

参阅图5、图6，所述的纵梁6的两侧开有贯穿纵梁6的第一T型槽8，中间开有第二 T型槽21。

纵梁内部的第二T型槽21内装有多套多点冲头系统7；所述的多点冲头系统7包括壳 体25、控制电路26、调整应用电机27、冲头28；所述的控制电路26、调整应用电机27 设置在壳体25内；所述的调整应用电机27的输出端与带有内螺纹的冲头28螺纹连接；所 述的壳体25外设置有固定冲头28的第二螺母29；所述的调整应用电机27与控制电路26 相连；所述的控制电路通过中继器与计算机相连。由计算机布置多个中继器，中继器控制 多个调整应用电机27，调整应用电机27带动螺杆旋转，从而带动具有内螺纹的冲头28上 下移动，实现冲头28在其轴向调整，并可在任意位置定位。利用冲头28可以在轴向任意 位置定位的特点，数量众多的冲头28作为施力机构可以组成曲率任意的预弯型面，实现对 壁板的预弯。壳体25可带动整套多点冲头系统7在第二T型槽21内自由移动，壳体25外 裝有用以移动完成后固定冲头28的第二螺母29，纵梁侧边安装有纵梁标尺10。

参阅图1、图4，两个所述的第一T型槽8内设置有压紧夹5，所述的压紧夹5包括压紧夹机架16、调节杆17和压紧夹压头18；所述的压紧夹机架16的两端通过第一螺栓14 设置在第一T型槽8内，第一螺栓14可以在第一T型槽8内自由移动，第一螺栓14上方 还带有第一螺母19。冲头18和压紧夹5的位置均可以根据不同弦向尺寸的壁板零件12进 行调整；所述的第一螺栓14和第一螺母19之间设有垫片20；所述的调节杆17固定在压紧 夹机架16的一端，其下端固定有压紧夹压头18；所述的压紧夹压头18和冲头28之间放置 壁板零件12。移动时，首先拧开第一螺母19，在第一T型槽8内移动第一螺栓14，以纵梁 标尺10进行定位，到达合适位置后拧上第一螺母19，固定夹子。

参见图2，图2是对壁板的弦向预弯，首先，根据壁板展向尺寸，用齿轮齿条机构移动 接头滑块3以调整纵梁6的位置，且直线导轨基座2上安装有导轨标尺11可以对纵梁6进行定位，纵梁6到合适位置后用锁死装置9固定纵梁。其次，根据壁板的弦向尺寸，利用 第二T型槽21调整多点冲头系统7和压紧夹5在纵梁6上的位置。多点冲头系统7移动前， 先拧开壳体25外的第二螺母29，再移动壳体25以带动整套多点冲头系统7，纵梁6侧边 安装有标尺10用以定位，定位完成后，拧紧第二螺母29固定冲头。压紧夹5移动通过移 动第一T型槽8内的第一螺栓14实现，同样以纵梁标尺10进行定位，定位完成后，拧紧 第一螺母19固定压紧夹。然后操作手柄32，手柄32上推，打开夹子，放置壁板零件12， 然后操作手柄，根据四连杆机构的自动锁死功能，压紧壁板。再由计算机控制调整应用电 机27，带动丝杠旋转，从而带动具有内螺纹的冲头28向上移动，众多的冲头28同时向上 施压，形成预弯曲面。同时为了避免多点基本体冲头对壁板造成的微小压痕和应力集中， 可以在多点冲头28和壁板之间加一层材料为聚氨酯的弹性垫13。喷丸成形过程中，因预弯 量难以精确计算，由预弯量偏大或者偏小及喷丸参数的不精确性造成的误差可以通过实时 调整冲头28高度加以补偿。壁板受弯矩偏大则降低冲头28高度，壁板受弯矩偏小则升高 冲头28高度。喷丸后，冲头28构成零件外形曲面，该工装还可作为检验靠模检测曲面壁 板的成形误差。

参见图3，图3是对壁板的双曲率预弯，实际飞机壁板的曲率十分复杂，曲率变化并不 是均匀的，且除了最重要的弦向曲率外，往往还具有一定的展向曲率，因此在实施双曲率 预弯过程中，需要调整调节杆17的长度，以控制压紧夹压头18的高度才能实现对双曲率壁板15的压紧。多点冲头装置针对曲率复杂的壁板零件的预弯具有突出的优势，即根据板材的预弯量计算出每个冲头28的位移量，由计算机精确控制每个冲头28在其轴向的位移即可。

因壁板的成形曲率不同，其所需预弯量和预弯曲率均不同。因此预应力喷丸夹具必须 具备对不同曲率壁板的预弯的能力，即所谓的通用性或“柔性”。多点主动加载的飞机壁板 预应力喷丸工装的“柔性”由高度数控的多点冲头系统、可沿“T”槽移动的压紧夹和冲头系 统，以及沿直线导轨移动的纵梁共同实现。多点冲头系统最为突出的优势在于：喷丸前， 由数控的多冲头可精确构成曲率任意的预弯型面，预弯型面可由壁板的过弯系数计算得出， 因此，依靠此喷丸工装可以自动化实现对任意复杂曲率壁板件的的预弯，且多个施力点将 壁板受力离散化，避免单点或三点压弯造成的局部畸变，壁板所受预应力更均匀，保证预 应力效果；喷丸过程中，由预弯量偏大或者偏小造成的受力误差可以通过实时调整数控冲 头高度加以补偿，提高喷丸成形精度；喷丸后，数控冲头构成零件外形曲面，该工装还可 作为检验靠模检测曲面壁板的成形误差。

一种多点主动加载的飞机壁板预应力喷丸方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、喷丸前，首先由公式计算确定出预弯型面，由数控冲头28构成预弯型面，多 个冲头28排列成“面”实现预应力的施加以保证预应力均匀，预弯型面的计算步骤为：

1、确定基准面和基准点；基准面：壁板零件12两端的弦向截面，基准点(y₀,z₀)：>

2、计算基准面上的外形曲线；将零件外形曲线分成许多段,按下式计算每弧段的弦长L 和斜率K：

k_n-1＝(z_n-z_n-1)/(y_n-y_n-1)

然后,再计算预弯曲线上任意点的坐标值y_n'和z_n',以构成预弯曲线，

y_n'＝y_n-1'+L_n-1×cos(α_n-1-γ₀-γ₁-Λ-γ_n-1)

z_n'＝z_n-1'+L_n-1×sin(α_n-1-γ₀-γ₁-Λ-γ_n-1)

其中，y_n、y_n-1和z_n、z_n-1为零件外形曲线每弧段两端点的弦向和高向坐标值；y_n'、y_n-1'和z_n'、>n-1'为预弯外形曲线上任意点的坐标值；α_n-1＝arctgK_n-1，γ_n-1＝(C-1)θ_n-1，θ_n-1＝arctg(k_n-2-k_n-1)/(1+K_n-2×K_n-1)，C——过弯系数，其值为零件外形曲率半径与预弯半径的比值。

3、构造预弯型面；采用相同的过弯系数计算出两个基准面上的外形曲线后，对两条外 形曲线上的对应点(同一母线上)连直线,即可构成预弯型面。

步骤二、喷丸过程中，由于实际预弯量和喷丸参数难以精确制定，因预弯量偏大或偏 小及喷丸参数的不精确性造成的受力误差可以通过实时调整冲头28高度的方法加以补偿， 弯矩偏大则降低冲头28高度，弯矩偏小则升高冲头28高度。

步骤三、喷丸后，冲头28可以构成零件型面作为检验靠模检测曲面壁板的成形误差。