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        大型飛機整體壁板噴丸成形延展變形分析

        2017-05-15 09:58:52彭艷敏陳金平王永軍
        航空制造技術(shù) 2017年9期
        關(guān)鍵詞:噴丸板坯壁板

        彭艷敏 ,陳金平 ,楊 亮 ,王永軍

        (1.中航飛機股份有限公司西安飛機分公司,西安 710089;2.西北工業(yè)大學(xué)機電學(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)代先進民用飛機設(shè)計制造領(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)代先進飛機的關(guān)鍵制造技術(shù)之一[1]。

        目前,國內(nèi)飛豹、梟龍、殲 10、ARJ21、C919 等飛機機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

        噴丸成形技術(shù)是20世紀(jì)50年代初伴隨著飛機整體壁板的應(yīng)用,在噴丸工藝的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一項有發(fā)展前景的工藝方法,它是飛機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)模進行展開計算,建立整體壁板板坯工藝模型,然后通過NC數(shù)控機床加工出整體壁板實物板坯,最后采用噴丸成形工藝將其成形至飛機氣動要求所規(guī)定的外形形狀[6]。圖2為大型飛機機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)控機床進行加工的方法相比,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3D零件的過程。因為整體壁板制造環(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算與板坯補償修正技術(shù)己成為我國大型飛機研制首要解決的關(guān)鍵技術(shù)難題,其對機翼制造以及整機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償方法,Douglas Moore[9]在《噴丸成形技術(shù)在民用飛機機翼壁板中的應(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、計算方法及分析測量方法進行闡述,提出了壁板噴丸成形延展量計算的關(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,為補償修正提供了有價值的參考。中航飛機股份有限公司西安飛機分公司從2005年開始在研制新支線ARJ21飛機和大型客機C919等型號的機翼整體壁板時,引入噴丸成形工藝方法,并成立專業(yè)攻堅團隊,通過噴丸成形后的延展數(shù)據(jù),成功修正機翼弦向延展誤差,取得較好的裝機效果。

        2 整體壁板噴丸成形延展理論計算

        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驗證

        整體壁板噴丸成形完后,水平放置在檢驗型架構(gòu)架樣板工裝上,測量標(biāo)定點的坐標(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條件:

        (1)測量對象:整體壁板噴丸成形完成后將放置在檢驗樣板工裝。

        (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、最遠端的兩個定位耳片孔在檢驗型架構(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工裝Fig.6 Inspection tooling of integral panel by shot peen forming

        圖7 整體壁板噴丸成形實測延展趨勢圖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)變的理論計算數(shù)據(jù)和成形后實測延展數(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,理論計算的數(shù)據(jù)與實測值趨勢基本吻合??梢缘贸稣w壁板噴丸成形的延展變形的基本規(guī)律,其理論計算方法可以運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)修正補償,對降低噴丸成形后延展變形有一定的實際參考意義。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

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        [2]尚建勤,曾元松.噴丸成形技術(shù)及未來發(fā)展與思考[J].航空制造技術(shù),2010(16):27-29.

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