大型飛機(jī)整體壁板噴丸成形延展變形分析

彭艷敏 ，陳金平 ，楊 亮 ，王永軍

（1.中航飛機(jī)股份有限公司西安飛機(jī)分公司，西安 710089;2.西北工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，西安 710072）

大型整體壁板結(jié)構(gòu)件的制造水平已經(jīng)成為現(xiàn)代先進(jìn)民用飛機(jī)設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域的一個重要標(biāo)志，針對這種具有復(fù)雜外形和結(jié)構(gòu)的整體壁板零件的成形技術(shù)就成為現(xiàn)代先進(jìn)飛機(jī)的關(guān)鍵制造技術(shù)之一[1]。

目前，國內(nèi)飛豹、梟龍、殲 10、ARJ21、C919 等飛機(jī)機(jī)翼整體壁板均采用噴丸成形加工工藝[2]。噴丸成形是利用高速金屬彈丸撞擊金屬板材的表面,使受撞擊的表面及其下一層金屬產(chǎn)生塑性變形而延伸,從而引起受噴表面的面積加大帶動內(nèi)層材料拉伸，逐步使板材達(dá)到要求外形的一種成形方法[2-5]，圖1為噴丸成形原理示意圖。

1 整體壁板噴丸成形工藝的特點(diǎn)

噴丸成形技術(shù)是20世紀(jì)50年代初伴隨著飛機(jī)整體壁板的應(yīng)用，在噴丸工藝的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一項(xiàng)有發(fā)展前景的工藝方法，它是飛機(jī)制造中成形整體壁板和整體厚蒙皮零件的主要方法之一。

一方面，整體壁板加工目前最常用的流程是先通過三維CAD工程軟件將壁板三維數(shù)模進(jìn)行展開計(jì)算，建立整體壁板板坯工藝模型，然后通過NC數(shù)控機(jī)床加工出整體壁板實(shí)物板坯，最后采用噴丸成形工藝將其成形至飛機(jī)氣動要求所規(guī)定的外形形狀[6]。圖2為大型飛機(jī)機(jī)翼整體壁板的制造流程示意圖，與傳統(tǒng)的直接采用五坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工的方法相比，此方法板坯數(shù)控加工三坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床即可滿足要求，并且切削量相對較小，節(jié)約成本；另外噴丸成形過程中的強(qiáng)化工藝，可使整體壁板類零件的抗疲勞特性得到提高[6]。

圖1 噴丸成形原理Fig.1 Principle of shot peen forming

另一方面，整體壁板噴丸成形，是將整體壁板板坯工藝2D模型轉(zhuǎn)化為真實(shí)3D零件的過程。因?yàn)檎w壁板制造環(huán)節(jié)中會產(chǎn)生永久變形，既有彈性變形，又有塑性變形。大量彈丸在板料表面上產(chǎn)生無數(shù)凹坑，壓痕之間相互重疊，便可以使一定深度的表層材料產(chǎn)生延伸，從而引起受噴表層面積加大，使金屬板料產(chǎn)生彎曲變形。另外，因噴丸工藝過程存在反復(fù)的試噴和人工校形的現(xiàn)象,噴丸成形后壁板沿展向和弦向存在不同程度的延展變形，進(jìn)而導(dǎo)致壁板的尺寸發(fā)生變化，使得加工出來的壁板超差。板坯的切削加工、噴丸現(xiàn)場溫度、噴丸參數(shù)和成形工藝等多方面因素，以及材料內(nèi)部殘余應(yīng)力分布狀態(tài)的影響，導(dǎo)致壁板在噴丸成形工藝環(huán)節(jié)的變形范圍大,難以有效控制。圖3為噴丸成形過程的壁板板坯延展示意圖。

圖2 整體壁板制造流程圖Fig.2 Flow chart of integral panel manufacture

圖3 噴丸成形板坯延展Fig.3 Panel elongaiton of shot peen forming

隨著機(jī)翼翼型的復(fù)雜化以及整體壁板幾何尺寸的加大，壁板加工存在延展積累效應(yīng)的影響，噴丸延展的問題成為大型飛機(jī)壁板研制中的瓶頸問題[7-8]。整體壁板加工過程延展變形量的精確計(jì)算與板坯補(bǔ)償修正技術(shù)己成為我國大型飛機(jī)研制首要解決的關(guān)鍵技術(shù)難題，其對機(jī)翼制造以及整機(jī)的研制都起著決定性的作用。

對于整體壁板噴丸成形延展變形量補(bǔ)償方法，Douglas Moore[9]在《噴丸成形技術(shù)在民用飛機(jī)機(jī)翼壁板中的應(yīng)用》一文中提及到噴丸成形過程中會產(chǎn)生壁板延展變形，使得壁板長度增長，在15m的范圍內(nèi)存在6mm左右的延展變形。西北工業(yè)大學(xué)王永軍等[7]針對整體壁板制造環(huán)節(jié)的不同階段，數(shù)控加工因素、環(huán)境溫度變化以及噴丸成形等對壁板延展量的主要影響因素、計(jì)算方法及分析測量方法進(jìn)行闡述，提出了壁板噴丸成形延展量計(jì)算的關(guān)鍵技術(shù)及解決方案。西北工業(yè)大學(xué)陳龍輝采[10]用有限元等效模擬的方法，模擬分析了某個大型壁板在噴丸成形過程的延展規(guī)律，為補(bǔ)償修正提供了有價(jià)值的參考。中航飛機(jī)股份有限公司西安飛機(jī)分公司從2005年開始在研制新支線ARJ21飛機(jī)和大型客機(jī)C919等型號的機(jī)翼整體壁板時(shí)，引入噴丸成形工藝方法，并成立專業(yè)攻堅(jiān)團(tuán)隊(duì)，通過噴丸成形后的延展數(shù)據(jù)，成功修正機(jī)翼弦向延展誤差，取得較好的裝機(jī)效果。

2 整體壁板噴丸成形延展理論計(jì)算

壁板噴丸成形后存在沿展向和沿弦向兩個方向的延展變形，而噴丸成形后的延展數(shù)據(jù)表明：沿展向的延展變形是弦向的數(shù)倍，弦向延展變形在壁板加工誤差范圍之內(nèi)，符合整體壁板加工公差要求，因此，本文僅討論沿展向的應(yīng)變。假設(shè)沿翼展方向的應(yīng)變?yōu)棣う?，塑性變形層深度為Δt，塑形變形層面積為Aout，單位截面的殘余應(yīng)力層面積為Ain，壁板截面之間的單位長度Li，截面零件平均厚度t,截面零件平均寬度b,如圖4所示。

式中，Ain=t·b，Aout=2Δt·b，因此，

取塑性變形層深度Δt=0.2～0.4mm,噴丸殘余應(yīng)力為σs=200～260MPa，彈性模量 E=72000MPa，通過式（2）得出整體壁板噴丸成形延展理論變形量，如表1所示。圖5為噴丸成形延展變形量趨勢圖。

圖4 截面參數(shù)說明Fig.4 Parameters of cross section

圖5 噴丸成形延展理論變形量趨勢圖Fig.5 Elongation deformation trend chart of shot peen forming

表1 整體壁板噴丸成形延展理論變形量部分?jǐn)?shù)據(jù)mm

3 整體壁板噴丸成形延展試驗(yàn)驗(yàn)證

整體壁板噴丸成形完后，水平放置在檢驗(yàn)型架構(gòu)架樣板工裝上，測量標(biāo)定點(diǎn)的坐標(biāo)值，對比產(chǎn)品數(shù)模，得到噴丸延展變形量。圖6為整體壁板檢驗(yàn)型架構(gòu)架樣板工裝示意圖。

整體壁板噴丸成形延展變形試驗(yàn)條件：

（1）測量對象：整體壁板噴丸成形完成后將放置在檢驗(yàn)樣板工裝。

（2）測量設(shè)備：激光跟蹤儀。

（3）測量方法：利用整體壁板翼根部、最遠(yuǎn)端的兩個定位耳片孔在檢驗(yàn)型架構(gòu)架樣板工裝上定位，用沙袋壓平整體壁板，保證與檢驗(yàn)型架構(gòu)架樣板工裝外形檢測面貼合。

（4）測量內(nèi)容：整體壁板噴丸成形肋位置坐標(biāo)值、外形線坐標(biāo)值、測量環(huán)境（溫度、濕度）等。

將經(jīng)整理的壁板的測量數(shù)據(jù)（如表2）和整體壁板部分測量數(shù)據(jù)導(dǎo)入工裝坐標(biāo)系，計(jì)算肋位處延展變形量，圖7為整體壁板肋位處延展數(shù)據(jù)。

圖6 整體壁板噴丸成形檢驗(yàn)工裝Fig.6 Inspection tooling of integral panel by shot peen forming

圖7 整體壁板噴丸成形實(shí)測延展趨勢圖Fig.7 Elongation deformation trend chart of integral panel by shot peen forming

4 結(jié)論

通過對整體壁板噴丸成形翼展方向應(yīng)變的理論計(jì)算數(shù)據(jù)和成形后實(shí)測延展數(shù)據(jù)對比，除因測量方法和人為因素導(dǎo)致數(shù)據(jù)個別肋位測量數(shù)據(jù)偏差較大以外，理論計(jì)算的數(shù)據(jù)與實(shí)測值趨勢基本吻合?？梢缘贸稣w壁板噴丸成形的延展變形的基本規(guī)律，其理論計(jì)算方法可以運(yùn)用在噴丸成形前的整體壁板展開環(huán)節(jié)，增加延展量預(yù)修正補(bǔ)償，對降低噴丸成形后延展變形有一定的實(shí)際參考意義。對于類似整體壁板噴丸成形的研究起到了很好的借鑒作用,提高了壁板類零件的質(zhì)量和批量生產(chǎn)能力。特別是對飛機(jī)整體壁板類的大型壁板的加工,降低延展變形的不確定性，縮短壁板研制周期和降低成本，具有一定的指導(dǎo)意義。

表2 整體壁板噴丸成形激光測量數(shù)據(jù)mm

參 考 文 獻(xiàn)

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