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摘要:为了控制喷砂过程中薄壁件普遍存在的变形问题,本文对喷砂工艺中的喷砂时间、喷砂路径和支撑件对铝合金薄壁构件的形状及尺寸变化的影响规律进行探究,并分析了造成构件尺寸和形状改变的内在机理。结果表明:在喷砂工艺实施初期,弧形铝合金薄壁构件的弦长的收缩量呈现快速增加的趋势,随后趋于平缓,总的收缩量在2。5%左右;对于弧形薄壁构件,喷砂处理过程中喷枪沿着高度方向上下来回移动比沿切向移动时的变形量要大0。3%,而且尺寸趋于稳定的时间更短;利用支撑件是减小薄壁件在喷砂过程中变形的有效手段。

 

  喷砂是一种重要的表面处理工艺,可以提高零件表面的清洁度并实现粗糙度的控制,同时获得表面强化的效果,具有操作简单,效率高,成本低,适应性广的特点,因此,在工程中得到了广泛的应用[1,2,3,4,5,6,7] 。但是,喷砂工艺在处理小工件或薄壁零件时,由于砂粒冲击和残余应力作用会造成工件的变形,影响了零件的安装和使用,降低了生产效率[8,9] 。其中,应用于航空航天的弧形铝合金薄壁构件结构由于自身材料、结构因素,在喷砂过程中就存在明显的变形问题。因此,开展相关方面的研究,对掌握喷砂工艺对变形的影响规律,进而优化喷砂工艺减小形变有着重要的意义。目前国内外的研究主要关注喷砂工艺与工件表面状况的关系,如砂粒特性(包括形状、硬度、质量、成分、种类等)以及喷砂工艺参数(如喷砂距离、角度、喷砂压力等)对表面净化、粗化和活化的影响[10,11,12,13,14] 。国内外关于薄壁零件在喷砂过程的变形问题主要依靠经验。因此,本文针对弧形薄壁铝合金构件在喷砂过程中的变形进行了研究。

1、试验方法:

  本文采用的铝合金为2024铝合金,属于AlCu-Mg系硬铝合金,其主要力学和物理性能为:泊松比66×10-6、延伸率达到15%、弹性模量为72.4GPa、屈服强度为473MPa[15,16] 。因此,2024铝合金在喷砂表面预处理过程中会发生变形问题,特别是薄壁形状复杂构件的变形会更加复杂。

宝岛彩票官网   本文选用常用的弧形铝合金薄壁构件作为研究对象。利用液压锻造将厚度为3mm的2024铝合金板加工成弧度为150(°)的弧形构件,具体的零件尺寸如图1所示,喷砂面为圆弧外表面。

图1 弧形铝合金薄壁构件图Fig.1 Curved thin-walled aluminum alloy component diagram

图1 弧形铝合金薄壁构件图Fig。1 Curved thin-walled aluminum alloy component diagram

  实验所用的砂粒为24#白刚玉砂粒,压缩空气压力为0.3MPa,喷砂距离控制在200mm。要求2024铝合金基体表面达到所有的喷砂表面露出均匀铝合金的金属本色,形成洁净无氧化表面,表面粗糙度Ra在6~10μm之间,且分布较为均匀,所用时间为120s。为分析整个过程中工件变形的特征,设计了喷砂时间为20s、40s、60s、80s、100s、120s,以研究工件不同喷砂时间下的变形特征。另外,针对工件的形状特征,研究了不同喷砂路径对工件的变形影响,设计了如图2所示的两种喷砂路径:一种为沿母线喷砂、沿弧向步进(如图2(a),沿高度方向,下同);另一种为沿弧向喷砂、沿母线步进(如图2(b),沿切线方向,下同)。每组成形工艺参数处理3个试验板,在喷砂完成后对工件沿切线方向的弦长进行测量,对试验数据取算数平均值,并通过工件在喷砂过程中弦长尺寸变化来反映工件的宏观变形。为保证实验的准确性,每个实验板上选取2个测量位置进行工件弦长的测量,如图1所示,即1-1、、2-2。

图2 喷砂时喷枪的移动路径Fig.2 the moving path of the gun

图2 喷砂时喷枪的移动路径Fig.2 the moving path of the gun

 

图2 喷砂时喷枪的移动路径Fig.2 the moving path of the gun

图2 喷砂时喷枪的移动路径Fig.2 the moving path of the gun

  设计了针对弧形薄壁构件吹砂专用支撑件,如图3所示。以期通过支撑件自身强度和刚度,可以为铝合金板提供支撑、固定等作用,减小工件在喷砂过程中的变形。

图3 支撑件工程图、实物图Fig.3 Engineer drawing and physical map of Support

图3 支撑件工程图、实物图Fig.3 Engineer drawing and physical map of Support 

 

图3 支撑件工程图、实物图Fig.3 Engineer drawing and physical map of Support

图3 支撑件工程图、实物图Fig。3 Engineer drawing and physical map of Support  

 

2、试验结果及讨论:

2.1、喷砂时间对构件变形的影响:

  喷砂时间对于弧形薄壁件的影响结果如图4所示。由于2024铝合金有较大的弹性模量和屈服强度,导致弧形薄壁铝合金构件在液压成型后存在一定的回弹现象,构件的实际弦长尺寸大于理论尺寸。在喷砂过程中,随着喷砂时间的增加,弧形薄壁构件弦长变化的总体趋势是:在喷砂开始前20s,弦长尺寸会快速减小,随着喷砂时间的进一步延长,尺寸减小的速率会逐渐减缓。在喷砂初期,构件表面总体上虽然有粗化现象,如图5所示,但还没有达到技术要求,而且构件的弦长快速的减小,这是由于砂粒高速撞击基体表面,改变了工件内部的应力状态[17,18,19] ,如图6所示。
  由于工件是通过弯曲成型得到的,所以工件外表面受到拉应力,内表面受到压应力,而在喷砂过程中,砂粒的撞击作用,会产生压应力;当压应力达到剪切强度时,会发生塑性变形,而通常最大的剪切应力出现在与外力呈45°的方向上,使得工件外表面出现了许多微小的凹坑,使得外表面部分的应力转变为压应力[11] ;而且工件在喷砂过程中受到砂粒撞击产生的周期性应力作用,该周期性应力产生的剪切分量会与工件内部的残余应力共同作用,在材料的局部高应力区超过其动态剪切屈服应力,从而产生微观塑性变形并释放部分应力,出现松弛应力,使得喷砂后工件内表面压应力F4小于喷砂之前工件内表面压应力F2;而工件在喷砂后外表面的压应力F3要大于内表面的压应力F4,引起弧形薄壁构件快速的收缩变弯。喷砂时间超过20s后,随着变形程度的进一步增加,应变硬化开始占主导,会阻碍工件的进一步变形,导致工件的变形趋势变得缓慢。

图4 薄壁铝合金弦长随喷砂时间的变化规律Fig.4 chord length ofthin aluminum variation with time of the sandblasting

图4 薄壁铝合金弦长随喷砂时间的变化规律Fig。4 chord length ofthin aluminum variation with time of the sandblasting

 

图5 工件表面粗糙度随喷砂时间的变化规律Fig.5 The variation of surface roughness with sand blasting time

图5 工件表面粗糙度随喷砂时间的变化规律Fig.5 The variation of surface roughness with sand blasting time

 

图6 弧形构件微单元应力状态图Fig.6 Stress state of the curved components

图6 弧形构件微单元应力状态图Fig.6 Stress state of the curved components

 

2.2、喷砂路径对构件变形的影响:

宝岛彩票官网   对比了两种路径即沿高度方向的往复移动以及沿切线方向的往复移动对构件变形的影响,所得实验结果如表1和表2所示。

宝岛彩票官网 表1 喷枪沿高度方向喷砂过程中工件的弦长的收缩率Table1 Shrinkage of chord length when gun moved along height direction

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表1 喷枪沿高度方向喷砂过程中工件的弦长的收缩率Table1 Shrinkage of chord length when gun moved along height direction

表2 喷枪沿切线方向喷砂过程中工件的弦长的收缩率Table 2 Shrinkage of chord length when gun moved along tangential direction

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表2 喷枪沿切线方向喷砂过程中工件的弦长的收缩率Table 2 Shrinkage of chord length when gun moved along tangential direction

结果表明,在喷砂过程中,喷枪相对于工件的移动路径对于工件的变形有着重要的影响。正如表1以及表2所示,由于喷枪相对于工件的移动路径不同,导致工件在相同的喷砂时间下,其弦长的伸缩率完全不同,而且在喷砂后期,弦长收缩率变化趋势也不同。如图7所示,大量砂粒的撞击作用力使得工件在撞击区域产生局部塑性变形。当喷枪沿高度方向移动时,会造成工件形成沿高度方向的塑性变形带,工件内部的应力场变为:外表面受到压应力,内表面受到拉应力,该部分撞击区的工件有曲率减小的趋势。由于构件具有弧形、薄壁的特点,自身刚度有限,使得工件在弦长方向变形很大;相比较之下,喷枪沿切线方向往复移动的影响较小,因此,沿该方向喷砂所产生的变形量要小于喷枪沿高度方向喷砂所产生的变形量。

图7 喷枪沿高度方向喷砂时力矩示意图Fig.7 Torque schematic of gun moving along height direction

图7 喷枪沿高度方向喷砂时力矩示意图Fig。7 Torque schematic of gun moving along height direction

2.3、支撑件对构件变形的影响:

  在喷砂过程中,有支撑件约束与没有支撑件约束时,工件的弦长变化率如图8所示。由图可知,两种情况下的构件变形均主要发生在喷砂处理的前20s,在此期间,构件的弦长会有很大的收缩,但有支撑件约束时,工件的变形量明显减小。而且,随着喷砂时间的增加,收缩量不断增加,到120s时,构件的弦长由无支撑件约束时的2。5%减小至有支撑件约束时的1。2%。在喷砂后期,有支撑件约束时,构件的弦长大小更快的趋于平稳。

图8 喷砂时间0~120s内,有无支撑件约束时工件的收缩百分比Fig.8 Blasting time from 0 to 120s,percent shrinkage of the components with or without the support constraint

图8 喷砂时间0~120s内,有无支撑件约束时工件的收缩百分比Fig.8 Blasting time from 0 to 120s,percent shrinkage of the components with or without the support constraint

  喷砂过程中,弧形铝合金薄壁构件会受到从喷枪口喷出的高速砂粒和动态压力的撞击,进而改变工件外表面的应力状态,使得外表面由机械加工过程中残留的拉应力转变为压应力[20] 。由于弧形铝合金薄壁构件在加工成型后存在回弹现象[21] ,导致其实际的尺寸与理论尺寸不符,也与支撑件尺寸不同,在构件与支撑件之间存在间隙。在喷砂前20s,在砂粒撞击力的作用下,有支撑件约束的构件会发生塑性变形,最终构件内表面会与支撑件外表面重合。而无支撑件约束构件由于处于无约束状态,相应的弦长收缩量比有支撑件约束时大得多。作为一种控制零件内部形状而设计的工装,支撑件所具有的高强度和较大的刚度可以减小弧形薄壁构件喷砂所引起的变形,能够保证喷砂后的零件达到设计要求的相对位置公差和形位公差[22] ,并保证最终组装后的装配精度,使得在吹砂后期引起的弦长收缩率基本保持不变。在喷砂过程中虽然无支撑件约束的构件的变形会引起应变硬化效应,导致其弦长收缩率增长变缓,但仍远远大于有支撑件约束构件的收缩率。

3、结论:

  通过实验研究了弧形铝合金薄壁构件在喷砂过程中各工艺参量变化对其产生的变形影响,主要结论如下:

(1)随着喷砂时间的延长,弧形铝合金薄壁构件的弦长收缩量呈现先快速增加后趋于平缓的趋势。在喷砂初期,由于砂粒的撞击作用,使得工件内部应力发生松弛现象,工件的弦长尺寸快速减小;在喷砂后期,由于应变硬化的影响,使得弦长收缩量的增加趋于平缓。

(2)与无支撑件约束相比,预制支撑件喷砂的工件在喷砂初期也存在弦长快速下降的现象,但是明显小于无支撑件约束时产生的变形量。其原因是喷砂前期在砂粒撞击作用下,由于回弹现象造成的构件与支撑件之间的间隙逐渐减小,当两者的表面重合后,支撑件起到了约束和支撑作用,限制了工件的弦长减小,所以有支撑件约束的工件的变形量大大降低。

(3)喷砂路径对于工件的形变会产生影响。喷枪沿着高度方向上下来回移动喷砂时所产生的弦长收缩率比沿切向移动时略大,而且趋于稳定的时间要更长。其原因主要是当喷枪沿高度方向移动时,会形成沿高度方向的塑性变形带,相对于喷枪沿切线方向运动时形成的塑形变形带,该塑形变形带的工件在应力作用下有曲率减小的趋势,在多次往复喷砂后造成了工件的收缩增大。


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