大尺寸2024-T351鋁合金噴丸成形曲率變化規(guī)律研究

尹佳，賈保國，楊輝，徐剛，胡彥華，李凡，王安恒*

大尺寸2024-T351鋁合金噴丸成形曲率變化規(guī)律研究

尹佳1，賈保國1，楊輝1，徐剛1，胡彥華1，李凡2，王安恒2*

（1.中航西安飛機工業(yè)集團股份有限公司，西安 710089；2.安徽工程大學(xué)，安徽 蕪湖 241000）

以噴丸成形工藝下的2024-T351鋁合金平板件和單筋件為研究對象，分析弦向及展向曲率半徑試驗值與擬合值的變形規(guī)律。針對試件厚度、噴丸壓力、噴丸速度、預(yù)彎量4個參數(shù)進行噴丸成形操作的正交試驗，通過測量成形后曲率的變化規(guī)律，分析不同參數(shù)組合對平板件和單筋件成形變化規(guī)律的影響。在不考慮材料性能波動的情況下，隨著平板件厚度和噴丸速度的增大，平板試件的弦向曲率半徑和展向曲率半徑均呈遞增趨勢；而隨著噴丸壓力的增大，平板試件的弦向曲率半徑和展向曲率半徑則呈現(xiàn)遞減趨勢，即當(dāng)平板件厚度和噴丸速度增大時，噴丸成形對平板試件彎曲的影響程度有所增大，曲率半徑減??；反之，噴丸成形對平板試驗件彎曲的影響程度減小，曲率半徑增大。在忽略初始狀態(tài)并將其假設(shè)為自由狀態(tài)或給定預(yù)彎量狀態(tài)的條件下，隨著噴丸速度的增大，單筋試件的曲率半徑遞增，試驗值與擬合值的變化趨勢基本相符，二者最大偏差為11.2%。

噴丸成形；2024-T351鋁合金；曲率半徑；正交實驗；噴丸速度

噴丸成形具有生產(chǎn)效率高、材料利用率高等優(yōu)點，是一種新型金屬成形方法[1]，尤其在大尺寸構(gòu)件制造中，噴丸成形技術(shù)具有重要的應(yīng)用價值[2]。由于2024-T351鋁合金在結(jié)構(gòu)材料和零部件中能夠承受較大的載荷和應(yīng)力，同時具有穩(wěn)定的加工性能和力學(xué)性能，因此它被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車工業(yè)、建筑和電子等領(lǐng)域[3]。因此，研究大尺寸2024-T351鋁合金噴丸成形過程中的曲率變化規(guī)律具有重要意義。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對噴丸成形工藝曲率半徑的變化規(guī)律開展了大量研究，Wang等[4]通過有限元分析優(yōu)化加筋板最大扭轉(zhuǎn)角彈性預(yù)彎的方法，設(shè)計了噴丸成形面積和參數(shù)，研究表明，在外表面的兩個對角線上施加“推”力，在中肋的中心內(nèi)部區(qū)域施加“保持”力，可以實現(xiàn)最大的預(yù)彎扭轉(zhuǎn)。基于此，孫小欽等[5]采用等效噴丸成形誘導(dǎo)應(yīng)力，建立了航空鋁合金2024-T351工字梁預(yù)彎噴丸成形曲率半徑分析數(shù)學(xué)模型，分析了等效調(diào)整噴丸成形參數(shù)對曲率的影響規(guī)律，研究表明，通過對噴丸成形的參數(shù)進行調(diào)整，可以實現(xiàn)對曲率的精確控制和調(diào)節(jié)。Gariépy等[6]建立了數(shù)值模型，對噴射流在樣品上行進時的增量偏轉(zhuǎn)進行了模擬，結(jié)果顯示，有限元分析能夠正確預(yù)測噴丸路徑產(chǎn)生的復(fù)雜半徑分布。Yang等[7]通過實驗和數(shù)值模擬等手段研究了噴丸壓力對噴丸效果的影響，結(jié)果顯示，隨著噴丸氣壓的增大，曲率半徑遞減?；诖?，Lin等[8]利用數(shù)值模擬方法，結(jié)合優(yōu)化算法，通過建立曲率變化的數(shù)學(xué)模型，對曲率變化進行了模擬和優(yōu)化，預(yù)測了不同參數(shù)下的曲率變化效果，并通過優(yōu)化算法尋找最優(yōu)的曲率變化組合。

綜上所述，曲率變化在噴丸成形中十分重要，該參數(shù)直接影響了噴丸效果、表面形貌、材料性能。本文以2024-T351鋁合金平板件和單筋件為研究對象，通過設(shè)計直徑為3.18 mm的大尺寸彈丸噴丸成形正交試驗，并建立曲率半徑與各影響因素之間的定量回歸方程，分析型材噴丸成形后曲率半徑的變化規(guī)律。

1 試驗

1.1 型材選取與型材制備

試驗材料為大尺寸2024-T351鋁合金。試驗件為平板件和單筋件，平板件為200 mm×400 mm不同厚度的鋁型材；單筋件長度為1 580 mm，中性層距蒙皮外表面11.4 mm，其截面剖視圖如圖1所示。試驗件由不同厚度的2024-T351鋁合金制成。

圖1 試驗件截面圖

1.2 方法

在型材噴丸成形過程中，能夠影響試件發(fā)生變形的主要因素包括以下幾個方面：1）噴丸材料的硬度、強度和塑性等[9-12]；2）噴丸速度和角度[13-15]；3）噴丸強度和時間[16-17]；4）工件形狀和尺寸[18-20]；5）噴丸設(shè)備和工藝參數(shù)的選擇[21]。合理選擇噴丸設(shè)備和優(yōu)化工藝參數(shù)，能夠最大程度地降低對單筋件的變形影響。本文旨在研究噴丸成形工藝參數(shù)與試件噴丸成形曲率半徑大小之間的定量關(guān)系，主要考慮了噴丸壓力、噴丸速度、預(yù)彎量3個參數(shù)，設(shè)計了三因素三水平的正交試驗，擬通過回歸方程分析各工藝參數(shù)對噴丸成形后曲率半徑變化的影響。利用式（1）計算試驗后的成形曲率[14]。

式中：為曲率半徑；為弧弓弦長；Δ為弧弓高。

2 噴丸試驗結(jié)果與分析

2.1 平板件

對于平板件的噴丸，通常需要選擇適當(dāng)?shù)膰娡璨牧稀⒑线m的噴丸角度和噴丸模式，根據(jù)平板件的材料和尺寸調(diào)整噴丸參數(shù)，平板件噴丸前需要進行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理等[22]?；诖耍疚臄M建立噴丸成形工藝參數(shù)與試件噴丸成形曲率半徑大小之間的定量關(guān)系[23]。

針對2024-T351鋁合金，開展了3種工藝參數(shù)（噴丸壓力、噴丸速度和噴丸厚度）對應(yīng)曲率半徑變化影響的正交試驗，其中噴丸壓力分別為0.15、0.25、0.35 MPa，噴丸速度分別為4、6、8 kg/min，噴丸厚度分別為3、6、9 mm。材料性能屬性如表1所示。選取直徑為3.18 mm的滲碳鋼球，噴射初始距離為300 mm，彈丸初始流量為12 kg/min，噴射角度為90°。試件尺寸如表2所示。利用正交試驗，通過弦向和展向曲率半徑分析曲率半徑的變化規(guī)律。平板件正交試驗參數(shù)如表3所示。

表1 2024-T351鋁合金材料屬性

Tab.1 Properties of 2024-T351 aluminum alloy material

表2 試件尺寸

Tab.2 Specimen dimension

表3 平板件正交試驗參數(shù)

Tab.3 Orthogonal experimental parameters of flat specimen

為更直觀地反映工藝參數(shù)影響弦向與展向曲率半徑變化的規(guī)律[24]，繪制了噴丸成形工藝參數(shù)與曲率半徑的關(guān)系曲線，如圖2所示。在噴丸壓力從0.15 MPa增到0.35 MPa的過程中，平板件弦向和展向曲率半徑都有不同程度的變化，且速率由快到慢，如圖3所示。

為了進行定性分析，本文采用正交試驗的方法研究了3個因素對噴丸成形曲率的影響規(guī)律[25-26]，如圖4所示。可知，隨著噴丸速度的加快，曲率半徑呈上升趨勢。因此，當(dāng)噴丸速度加快時，噴完覆蓋率則隨之減小，導(dǎo)致單位面積受到噴丸的作用減小，引起變形能量減小，最終使彎曲半徑增大。

圖2 噴丸成形工藝類型與曲率半徑關(guān)系

圖3 噴丸成形過程中壓力對曲率半徑的影響

圖4 噴丸成形過程中噴丸速度對曲率半徑的影響

對于型材研究工作，分析厚度因素是必不可少的。平板件厚度對曲率半徑的影響如圖5所示?？芍桨寮穸鹊脑龃笫箛娡璩尚巫冃文芰档?，相較于弦向曲率半徑，展向曲率半徑的變化更大。

圖5 平板件厚度對曲率半徑的影響

2.2 單筋件

本文著重研究噴丸壓力、移動速度和預(yù)彎量3個主要參數(shù)對單筋件曲率半徑的影響規(guī)律。對每個因素相同水平的試驗數(shù)據(jù)進行分組，并進行正交試驗設(shè)計[27]，單筋件正交試驗參數(shù)見表4。通過計算每組試驗數(shù)據(jù)的平均值，獲得不同參數(shù)水平下的曲率半徑平均值，并得出相關(guān)參數(shù)之間的定量關(guān)系。

表4 單筋件正交試驗參數(shù)

Tab.4 Orthogonal experimental parameters for single rib parts

對單筋件彎曲變形量的影響程度進行權(quán)重分析，各因素按影響程度由大到小的順序依次為：噴丸壓力、預(yù)彎量、噴丸速度，即噴丸速度對曲率變形量的影響最小，其次是預(yù)彎量，而噴丸壓力對曲率變形量的影響較大。表明在噴丸成形過程中，調(diào)整噴丸速度和預(yù)彎量可能會對試件的曲率產(chǎn)生更顯著的影響，而調(diào)整噴丸壓力對曲率的影響則相對較小。

3 建立曲率半徑回歸方程

為獲得曲率半徑與各工藝參數(shù)之間的定量關(guān)系，進行相關(guān)參數(shù)的回歸分析。設(shè)曲率半徑為、噴丸壓力為、噴丸速度為、試件厚度為，建立模型如式（2）所示。

=(,,) (2)

該回歸分析可確定各個工藝參數(shù)對曲率半徑的影響程度及其數(shù)值關(guān)系，達到所需的曲率半徑并準(zhǔn)確地預(yù)測和調(diào)整工藝參數(shù)，其關(guān)系表達式如式（3）所示。

式中：、均為回歸方程系數(shù)。

弦向曲率半徑方程如式（4）所示。

式中：為計算曲率半徑的一個常數(shù)。

展向曲率半徑方程如式（5）所示。

將平板件與單筋件2個正交試驗值代入回歸方程進行驗證。如圖6所示，對比單筋件正交試驗與擬合試驗的9組數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)試驗值與擬合值基本相符，最大偏差為11.2%。這表明曲率半徑的回歸方程可以較好地反映噴丸成形工藝參數(shù)與單筋件曲率半徑的關(guān)系。

圖6 回歸方程擬合值與試驗值對比

4 結(jié)論

進行了大尺寸2024-T351鋁合金平板件和單筋件的噴丸試驗，分析了噴丸成形過程中工藝參數(shù)與曲率半徑之間的關(guān)系。通過建立回歸方程并分析其結(jié)果，發(fā)現(xiàn)試驗值與擬合值基本相符，最大偏差僅為11.2%。證明了回歸方程在預(yù)測曲率半徑方面的準(zhǔn)確性。

噴丸成形工藝參數(shù)分析結(jié)果表明，隨著平板件厚度和噴丸速度的增大，平板試驗件的弦向曲率半徑和展向曲率半徑均遞增；反之，平板試驗件的弦向曲率半徑和展向曲率半徑均遞減。正交試驗結(jié)果表明，噴丸壓力對曲率半徑的影響最大，其次是試件厚度，噴丸速度的影響最小。隨著試件厚度和移動速度的增大，曲率半徑遞增；而隨著噴丸壓力的增大，曲率半徑遞減。

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Curvature Change Law of Large Size 2024-T351 Aluminum Alloy under Shot Peening Forming

YIN Jia1, JIA Baoguo1, YANG Hui1, XU Gang1, HU Yanhua1, LI Fan2,WANG Anheng2*

(1. AVIC Xi'an Aircraft Industry Group Co., Ltd., Xi'an 710089, China; 2. Anhui Polytechnic University, Anhui Wuhu 241000, China)

The work aims to take 2024-T351 aluminum alloy flat and single rib parts under shot peening forming technology as the research object to analyze the deformation laws of chord and spanwise curvature radius test values and fitting values. The orthogonal experimental method was adopted to apply four parameters, namely specimen thickness, shot peening pressure, shot peening speed, and prebending amount, to the shot peening forming operation. The curvature change law after forming was measured, and the forming change law of flat and single rib parts was analyzed under different parameter combinations. Regardless of the material performance fluctuation, as the thickness of the flat specimen and the shot peening speed increased, both the chordal curvature radius and the spanwise curvature radius of the flat specimen showed a decreasing trend. As the shot peening pressure increased, the chord curvature radius and the spanwise curvature of the flat specimen both decreased. When the thickness and shot peening speed of the flat specimen increased, the bending degree of the flat specimen by shot peening forming increased, resulting in a decrease in the curvature radius. When the shot peening pressure increased, the degree of bending of the flat specimen caused by shot peening decreased, resulting in an increase in the curvature radius. Regardless of whether the initial state is a free state or a given prebending state, as the shot peening speed increases, the curvature radius of the single rib specimen increases. The experimental values are basically consistent with the fitted values, with a maximum deviation of 11.2%.

shot peening forming; 2024-T351 aluminum alloy; curvature radius; orthogonal experiment; shot peening speed

10.3969/j.issn.1674-6457.2024.03.018

V26

A

1674-6457(2024)03-0165-06

2023-12-22

2023-12-22

尹佳, 賈保國, 楊輝, 等. 大尺寸2024-T351鋁合金噴丸成形曲率變化規(guī)律研究[J]. 精密成形工程, 2024, 16(3): 165-170.

YIN Jia, JIA Baoguo, YANG Hui, et al. Curvature Change Law of Large Size 2024-T351 Aluminum Alloy under Shot Peening Forming[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2024, 16(3): 165-170.

（Corresponding author）