2050鋁鋰合金噴丸成形變形規(guī)律試驗研究

田碩，白雪飄，陳福龍，曾元松，尚建勤

2050鋁鋰合金噴丸成形變形規(guī)律試驗研究

田碩，白雪飄，陳福龍，曾元松，尚建勤

（中國航空制造技術研究院 塑性成形技術航空科技重點實驗室 數(shù)字化塑性成形技術及裝備北京市重點實驗室，北京 100024）

以某飛機機身壁板為研究對象，采用2050鋁鋰合金材料開展噴丸成形基礎工藝研究，獲得其宏觀變形規(guī)律。采用正交試驗法，選取零件厚度、噴丸氣壓、移動速度、預應力4個噴丸工藝參數(shù)作為正交試驗因素，對2050鋁鋰合金進行噴丸成形試驗，研究不同工藝參數(shù)對噴丸變形的影響規(guī)律。隨著4個噴丸工藝參數(shù)的變化，2050鋁鋰合金噴丸彎曲半徑曲線均呈現(xiàn)出冪函數(shù)曲線特征，其中噴丸彎曲半徑隨著零件厚度和移動速度的增大而增大，隨著噴丸氣壓和預應力的增大而減小。根據(jù)正交試驗結果可知，各參數(shù)對噴丸變形程度的影響順序為：板材厚度＞預應力＞移動速度＞噴丸氣壓。通過回歸分析建立了噴丸彎曲半徑與工藝參數(shù)間的冪函數(shù)經驗方程，為后續(xù)開展機身壁板噴丸成形提供了一定的技術支撐。

2050鋁鋰合金；噴丸成形；工藝參數(shù)

噴丸成形是從表面噴丸強化工藝中衍生出來的一種塑性成形方法，其原理是利用高速彈丸流撞擊金屬板材的表面，使受撞擊的表面及其下層金屬材料產生塑性變形進而延伸，從而使板材逐步發(fā)生向受噴面凸起的雙向彎曲變形而形成所需外形[1]。噴丸成形由于具有準備周期短、無需模具、加工件尺寸不受設備規(guī)格限制、加工件抗疲勞壽命長且抗應力腐蝕性能優(yōu)良等優(yōu)點，廣泛應用于各類軍民用飛機、運載火箭等領域的金屬壁板零件制造中[2-3]。

新型鋁鋰合金密度低、比強度高、彈性模量高、高低溫性能好、疲勞裂紋擴展速率低、耐腐蝕性能好、加工性好，是理想的航空航天輕質結構材料[4-5]。與其他第3代鋁鋰合金相比，2050鋁鋰合金中Li元素含量較低，材料減重效果不明顯，但其仍有優(yōu)良的綜合性能，特別是較好的耐熱性和耐損傷容限性，且抗疲勞性能良好[6-7]。目前國內外鋁鋰合金加工制造技術主要圍繞時效成形、超塑成形、旋壓成形、輥鍛和焊接等技術開展[8-10]，針對鋁鋰合金噴丸成形技術的研究較少。Li等[11]研究了新型玻璃纖維–鋁鋰合金超混雜復合層板（NFMLs）噴丸變形機理。Bai等[12]對2198鋁鋰合金噴丸成形進行了試驗研究，獲得了噴丸變形量與噴丸氣壓、預應力及覆蓋率的關系。Wang等[13]對鋁合金平板件和三筋件進行了試驗研究，獲得了帶筋壁板弦向變形規(guī)律。國內外學者對鋁鋰合金噴丸強化的研究相對較多，主要是通過模擬和試驗研究不同噴丸強化參數(shù)對鋁鋰合金殘余應力場的影響作用[14]，以及噴丸強化技術對鋁鋰合金表面微觀結構、力學性能、疲勞壽命、顯微硬度的影響規(guī)律[15-20]?？紤]到噴丸成形技術在研制航空航天壁板類零件方面的優(yōu)越性，亟待開展鋁鋰合金噴丸成形技術的研究。

文中以某飛機機身壁板為研究對象，通過設計正交試驗方案，開展2050鋁鋰合金平板試驗件噴丸成形變形規(guī)律試驗研究，通過極差法分析確定噴丸成形工藝參數(shù)影響噴丸變形程度的主次順序，采用回歸分析方法獲得噴丸成形彎曲半徑與工藝參數(shù)之間的關系模型，以期為后續(xù)噴丸成形機身壁板參數(shù)選擇提供一定的數(shù)據(jù)參考。

1 試驗

1.1 影響因素

試驗所用材料為2050鋁鋰合金，其力學性能見表1。噴丸成形時，影響零件成形的主要噴丸參數(shù)為噴丸氣壓、覆蓋率、零件厚度和預彎半徑。

表1 2050鋁鋰合金力學性能

Tab.1 Mechanical properties of 2050 aluminum-lithium alloy

試驗件厚度。材料越厚，需要的成形力越大。根據(jù)應用構件的厚度特征，選擇厚度為2、4、6、8 mm的試驗件作為研究對象，試驗件規(guī)格為400 mm× 300 mm。

預彎半徑p。根據(jù)是否在零件上預先施加外載荷，噴丸成形分為自由狀態(tài)噴丸成形和預應力噴丸成形，前者指在零件板坯上未施加附加載荷情況下進行的噴丸成形方法，主要用于外形和結構比較簡單且曲率半徑較大的零件；后者指在噴丸成形前，借助預應力夾具預先在零件板坯上施加載荷，形成彈性應變，然后再對其進行成形的一種噴丸成形方法，主要用于外形和結構比較復雜且曲率半徑較小的零件。由于機身壁板曲率半徑非常小，因此開展預應力噴丸成形研究，試驗中對平板件進行彈性預彎，采用純彎曲理論對預應力進行分析，可知平板件中最大預應力出現(xiàn)在上下表面，為防止平板件達到屈服狀態(tài)，最大預應力一般不超過屈服強度0.2（528 MPa）的80%，試驗時選擇4種預應力值。依據(jù)彈性變形純彎曲理論，可獲得不同厚度、不同預應力下的預彎半徑，如表2所示。

表2 不同厚度平板試驗件預應力與預彎半徑

Tab.2 Correspondence between prestress and pre-bending radius of panels with different thickness

彈丸尺寸。對于薄蒙皮類壁板零件噴丸成形，彈丸尺寸是影響噴丸強度的主要參數(shù)之一，一般彈丸尺寸越大，成形的曲率半徑越小，表面質量也會相應下降。文中平板件最小厚度為2 mm，選擇尺寸規(guī)格較小的ASH230彈丸作為研究對象，彈丸直徑為0.6 mm。

噴丸氣壓。噴丸氣壓是影響噴丸強度的主要參數(shù)之一，噴丸氣壓越大，對受噴零件表面的作用力越大。文中噴丸氣壓分別選擇0.15、0.2、0.25、0.3 MPa。

覆蓋率。噴射時間直接影響零件受噴區(qū)域的覆蓋率，文中通過控制平板件的移動速度控制噴丸時間以進一步反映平板件覆蓋率的大小，移動速度分別選擇1 500、2 500、3 500、4 500 mm/min。

1.2 試驗設計

由于試驗因素及其參數(shù)較多，為節(jié)約成本，采用正交優(yōu)化的方法設計試驗。試驗考查4個因素，每個試驗因素取4個水平，試驗表如表3所示，選擇L16(45)正交表進行噴丸成形試驗。

表3 正交試驗因素水平對應表

Tab.3 Correspondence table of orthogonal test factor level

1.3 試驗方法

依據(jù)表3進行噴丸成形試驗，僅在平板件中間區(qū)域噴打一個條帶，噴丸區(qū)域如圖1所示，噴嘴與平板件的相對位置見圖2，預應力沿長度方向施加，預應力施加方向示意圖如圖3所示。試驗中采用三點預彎方法，平板件三點預彎裝夾圖如圖4所示。每噴完一組試驗，測量試驗件3個測量點垂直軋制方向的曲率半徑，噴丸弧高測量位置示意圖如圖5所示。

圖1 噴丸區(qū)域

圖2 噴嘴與平板試驗件的相對位置

圖3 預應力施加方向示意圖

圖4 平板件三點預彎裝夾圖

圖5 噴丸弧高測量位置示意圖

2 結果與分析

2050鋁鋰合金平板件正交試驗實物如圖6所示。根據(jù)圖5中測量點位置分別對平板件成形后彎曲半徑進行測量，以3個測量點處彎曲半徑的平均值為2050平板件噴丸變形量，試驗結果如表4所示。

圖6 2050鋁鋰合金平板件正交試驗實物

表4 2050鋁鋰合金平板件噴丸成形試驗結果

Tab.4 Shot peen forming test results of 2050 aluminum-lithium alloy panel

由表4中平板件噴丸試驗方案及噴丸彎曲變形量，得到正交試驗的極差分析表如表5所示。

表5 2050鋁鋰合金平板件噴丸變形量極差分析表

Tab.5 Range analysis of shot peening deformation of 2050 aluminum-lithium alloy panel

由表5可知，各參數(shù)對噴丸過程中平板件變形程度的影響順序為：板材厚度>預應力>移動速度>噴丸氣壓。以因素的水平為橫坐標、噴丸彎曲半徑為縱坐標，繪制出相應曲線如圖7所示?？梢钥闯?，隨著4個噴丸工藝參數(shù)的變化，噴丸彎曲半徑曲線均呈現(xiàn)出冪函數(shù)曲線特征，噴丸彎曲半徑隨著零件厚度和移動速度的增大而增大，隨著噴丸氣壓和預應力的增大而減小。隨著零件厚度的增加，截面抗彎剛度逐漸增加，因此噴丸彎曲半徑隨著零件厚度的增大而增大；隨著零件移動速度的增大，單位面積上彈坑數(shù)量呈線性減少，材料表面延展變形程度逐漸減小，因此噴丸彎曲半徑隨著移動速度的增大而增大；隨著噴丸氣壓的增大，撞擊到材料表面的彈丸具有更大動能，能夠產生更大更深的彈坑，即材料表面延展變形程度逐漸增大，因此噴丸彎曲半徑隨著噴丸氣壓的增大而減小；隨著預應力的增大，噴丸撞擊后沿著預應力方向的材料更易流動，因此噴丸彎曲半徑隨著預應力的增大而減小。

對表4中16組噴丸工藝參數(shù)與噴丸彎曲半徑進行回歸分析，得出噴丸彎曲半徑s與零件厚度、噴丸氣壓、移動速度和預應力的關系如式（1）所示。

式（1）的決定系數(shù)R2=0.964 713、相關性系數(shù)F=75.181 9，遠大于F檢驗的臨界值F0.05(4,11)=3.36，因此式（1）能較準確地擬合數(shù)據(jù)。利用式（1）計算出16組平板件噴丸彎曲半徑回歸值，噴丸彎曲半徑試驗值與回歸值對比如圖8所示?？梢钥闯?，回歸值與試驗值比較接近，為驗證式（1）能否比較準確預測平板件噴丸變形量、是否具有一定的普適性，對式（1）進行平板件噴丸成形驗證試驗，試驗結果及回歸結果見表6，2組驗證試驗的誤差分別為1.8%和14.8%，說明利用試驗結果建立起來的噴丸彎曲半徑回歸模型能夠比較準確地實現(xiàn)工藝參數(shù)與變形量間的相互預測。

圖8 噴丸彎曲半徑試驗值與回歸值對比

表6 驗證試驗回歸值與試驗值

Tab.6 Regression value and test value of verification test

3 結論

1）噴丸成形工藝參數(shù)對2050鋁鋰合金平板件變形程度的影響主次順序為：板材厚度>預應力>移動速度>噴丸氣壓。

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Experimental Research on Deformation Law of 2050 Al-Li Alloy Shot Peen Forming

TIAN Shuo, BAI Xue-piao, CHEN Fu-long, ZENG Yuan-song, SHANG Jian-qin

(Beijing Key Laboratory of Digital Plasticity Forming Technology and Equipment, Aeronautical Science and Technologies Key Laboratory for Plastic Forming, AVIC Manufacturing Technology Institute, Beijing 100024, China)

The work aims to take aircraft fuselage panels as the research objects to study the basic process of shot peen forming with 2050 Al-Li alloy, and obtain the macro deformation law. Four shot peen forming process parameters including panel thickness, air pressure, moving speed, and prestress were selected as orthogonal test factors, and shot peen forming experiments were carried out on 2050 Al-Li alloy to study the effect of different process parameters on shot peening deformation. The bending radius of 2050 Al-Li alloy presented a power function distribution with the four shot peen forming process parameters. The bending radius increased with increasing panel thickness and moving speed, and decreased with increasing shot peening air pressure and prestress. According to the orthogonal test results, the effect order of parameters on shot peening deformation is panel thickness > prestress > moving speed > air pressure. Then, the empirical equation of power function between shot peening bending radius and process parameters is established by regression analysis, which provides technical support for subsequent shot peening of aircraft fuselage panels.

2050 Al-Li alloy; shot peen forming; process parameters

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.08.010

TG30；V261

A

1674-6457(2022)08-0067-06

2021–12–15

田碩（1995—），男，碩士，助理工程師，主要研究方向為噴丸成形及強化工藝。

曾元松（1971—），男，博士，研究員，主要研究方向為飛機整體結構成形技術。

責任編輯：蔣紅晨