楊 坤

噴丸校形對薄壁蒙皮結(jié)構(gòu)疲勞性能影響的研究

楊 坤

介紹了薄壁蒙皮結(jié)構(gòu)噴丸校形方法，通過試驗(yàn)方法研究了噴丸校形對零件疲勞性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明噴丸校形對不同材料薄板疲勞性能影響有差異，為型號(hào)實(shí)際應(yīng)用提供了數(shù)據(jù)參考。

薄壁蒙皮是飛機(jī)重要承力結(jié)構(gòu)件，成形工藝是其制造的重要的工藝之一，傳統(tǒng)成形方法為滾彎成形和拉伸成形。滾彎成形用于單曲蒙皮成形，拉伸成形用于復(fù)雜外形蒙皮成形。蒙皮成形后會(huì)進(jìn)行如機(jī)加、化銑等工序以去除部分材料。在整個(gè)加工過程中難免造成蒙皮外形變形超差，影響飛機(jī)氣動(dòng)性能。因此校形工藝自然成為蒙皮成形的重要技術(shù)之一。

傳統(tǒng)蒙皮校形方法有人工校形和機(jī)械校形，如人工榔頭敲擊，單曲蒙皮二次滾彎等，但校形效果不理想，特別是對于大尺寸蒙皮，人工校形異常困難。如何解決校形問題，不妨從蒙皮成形技術(shù)的發(fā)展中需求突破。

近年來，隨著現(xiàn)代先進(jìn)飛行器對氣動(dòng)性能的要求的提高和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，極大促進(jìn)了噴丸成形技術(shù)的研發(fā)，出現(xiàn)了如預(yù)應(yīng)力噴丸成形、數(shù)字化噴丸成形、雙面噴丸成形、激光噴丸成形、超聲波噴丸成形、高壓水噴丸成形等，大大擴(kuò)展了噴丸成形的加工能力和適用范圍。噴丸成形的原理利用高速彈丸流撞擊金屬板材表面，使受撞擊的表面表層材料產(chǎn)生塑形變形，逐步使板材發(fā)生向受噴面凸起的彎曲變形而達(dá)到所需外形的一種成形方法，見圖1。該技術(shù)已成功應(yīng)用于C130、F15、B777、A310、A380等壁板零件制造中，其技術(shù)優(yōu)點(diǎn)有：

工裝簡單，不需要特殊模具，成本低；

適用范圍廣，對零件尺寸適應(yīng)性強(qiáng)，且單曲外形和雙曲外形均可應(yīng)用；

零件表層形成殘余壓應(yīng)力，有利于改善零件的抗疲勞性能。

噴丸校形和噴丸成形原理一致，本文針對大尺寸薄壁蒙皮結(jié)構(gòu)噴丸校形技術(shù)進(jìn)行了分析研究，通過試驗(yàn)研究了噴丸校形對零件疲勞性能的影響，為型號(hào)實(shí)際應(yīng)用提供了數(shù)據(jù)參考。

圖1　噴丸成形原理圖

蒙皮結(jié)構(gòu)噴丸校形疲勞性能影響驗(yàn)證

從噴丸成形原理上分析，零件噴丸后表層形成殘余壓應(yīng)力，有利于改善零件的抗疲勞性能。在實(shí)際應(yīng)用噴丸校形工藝時(shí)，噴丸校形效果會(huì)受彈丸尺寸、噴丸氣壓、噴丸時(shí)間、噴丸距離及噴丸角度等工藝參數(shù)影響，為研究噴丸校形對零件疲勞性能的實(shí)際影響，本研究根據(jù)實(shí)際型號(hào)應(yīng)用情況設(shè)計(jì)開展了相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證研究。

試驗(yàn)規(guī)劃

針對型號(hào)應(yīng)用中壁板類結(jié)構(gòu)實(shí)際使用的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，試驗(yàn)主要規(guī)劃了第三代鋁鋰合金2060板材、常規(guī)鋁合金2524和2024板材三種材料的試驗(yàn)件，厚度規(guī)格為1.6mm、2.0mm兩種，噴丸氣壓為0.12Mpa、0.15Mpa，彈丸相同，試驗(yàn)件噴丸由人工手持噴丸設(shè)備完成，具體試驗(yàn)項(xiàng)目見表1。試驗(yàn)件型式見示意圖2，試驗(yàn)件制造有具備加工條件的工廠加工制造，試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)航空工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)HB5287-96《金屬材料軸向加載疲勞試驗(yàn)方法》進(jìn)行。

圖2　試驗(yàn)件

表1　試驗(yàn)項(xiàng)目

試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)，分析結(jié)果見表 2。從表2數(shù)據(jù)可以看出：

鋁鋰合金2060、常規(guī)鋁合金2524兩種規(guī)格板材噴丸校形后，相對噴丸前疲勞性能提升約10％～30％，平均約15％，有利于零件疲勞性能改善。

常規(guī)鋁合金2024兩種規(guī)格板材噴丸校形后，相對噴丸前疲勞性能降低約10％，為此不建議對該類情況的薄壁零件進(jìn)行噴丸校形。

同種材料兩組試驗(yàn)對比，噴丸后鋁鋰合金2060板材疲勞性能有明顯改善，且相差較大。相比之下，常規(guī)鋁合金2524和2024兩種板材無明顯改善。

噴丸校形對三種材料的板材疲勞性能的影響不同，噴丸校形對鋁鋰合金2060板材疲勞性能有明顯改善，常規(guī)鋁合金2524次之，而試驗(yàn)測試的常規(guī)鋁合金2024板材噴丸后性能降低。

表2　試驗(yàn)結(jié)果

結(jié)束語

本文通過試驗(yàn)研究了噴丸校形對薄壁結(jié)構(gòu)疲勞性能的影響，為型號(hào)應(yīng)用提供了數(shù)據(jù)參考，但試驗(yàn)結(jié)果有明顯差異性，噴丸校形對三種材料的板材疲勞性能的影響不同。另一方面，噴丸工藝控制對噴丸結(jié)果有直接的影響，特別是人工噴丸不夠穩(wěn)定，后續(xù)有必要開展進(jìn)一步工作，研究具體彈丸直徑、噴丸氣壓、噴丸距離、覆蓋率等參數(shù)對零件疲勞性能的影響。同時(shí)，近年來預(yù)應(yīng)力噴丸成形、數(shù)字化噴丸成形、雙面噴丸成形、激光噴丸成形、超聲波噴丸成形、高壓水噴丸成形等新型先進(jìn)噴丸成形技術(shù)發(fā)展迅速，而且結(jié)合自動(dòng)化控制技術(shù)，其技術(shù)穩(wěn)定性更好，成形精度更高，部分成形技術(shù)在國外已得到商業(yè)應(yīng)用，例如空客利用超聲波自動(dòng)化成形技術(shù)對A380激光焊接機(jī)身整體壁板進(jìn)行校形，實(shí)現(xiàn)了不需任何人工校形的全自動(dòng)化噴丸加工，后續(xù)國內(nèi)應(yīng)積極開展相關(guān)研究工作。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.15.007