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(yàn)研究

田碩，白雪飄，陳福龍，曾元松，尚建勤

（中國航空制造技術(shù)研究院 塑性成形技術(shù)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 數(shù)字化塑性成形技術(shù)及裝備北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100024）

以某飛機(jī)機(jī)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(chǔ)工藝研究，獲得其宏觀變形規(guī)律。采用正交試驗(yàn)法，選取零件厚度、噴丸氣壓、移動速度、預(yù)應(yīng)力4個噴丸工藝參數(shù)作為正交試驗(yàn)因素，對2050鋁鋰合金進(jìn)行噴丸成形試驗(yàn)，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(yù)應(yīng)力的增大而減小。根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果可知，各參數(shù)對噴丸變形程度的影響順序?yàn)椋喊宀暮穸龋绢A(yù)應(yīng)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(jīng)驗(yàn)方程，為后續(xù)開展機(jī)身壁板噴丸成形提供了一定的技術(shù)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(qiáng)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(chǎn)生塑性變形進(jìn)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(zhǔn)備周期短、無需模具、加工件尺寸不受設(shè)備規(guī)格限制、加工件抗疲勞壽命長且抗應(yīng)力腐蝕性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各類軍民用飛機(jī)、運(yùn)載火箭等領(lǐng)域的金屬壁板零件制造中[2-3]。

新型鋁鋰合金密度低、比強(qiáng)度高、彈性模量高、高低溫性能好、疲勞裂紋擴(kuò)展速率低、耐腐蝕性能好、加工性好，是理想的航空航天輕質(zhì)結(jié)構(gòu)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(nèi)外鋁鋰合金加工制造技術(shù)主要圍繞時效成形、超塑成形、旋壓成形、輥鍛和焊接等技術(shù)開展[8-10]，針對鋁鋰合金噴丸成形技術(shù)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(fù)合層板（NFMLs）噴丸變形機(jī)理。Bai等[12]對2198鋁鋰合金噴丸成形進(jìn)行了試驗(yàn)研究，獲得了噴丸變形量與噴丸氣壓、預(yù)應(yīng)力及覆蓋率的關(guān)系。Wang等[13]對鋁合金平板件和三筋件進(jìn)行了試驗(yàn)研究，獲得了帶筋壁板弦向變形規(guī)律。國內(nèi)外學(xué)者對鋁鋰合金噴丸強(qiáng)化的研究相對較多，主要是通過模擬和試驗(yàn)研究不同噴丸強(qiáng)化參數(shù)對鋁鋰合金殘余應(yīng)力場的影響作用[14]，以及噴丸強(qiáng)化技術(shù)對鋁鋰合金表面微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)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(shù)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(shù)的研究。

文中以某飛機(jī)機(jī)身壁板為研究對象，通過設(shè)計正交試驗(yàn)方案，開展2050鋁鋰合金平板試驗(yàn)件噴丸成形變形規(guī)律試驗(yàn)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(guān)系模型，以期為后續(xù)噴丸成形機(jī)身壁板參數(shù)選擇提供一定的數(shù)據(jù)參考。

1 試驗(yàn)

1.1 影響因素

試驗(yàn)所用材料為2050鋁鋰合金，其力學(xué)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(yù)彎半徑。

表1 2050鋁鋰合金力學(xué)性能

Tab.1 Mechanical properties of 2050 aluminum-lithium alloy

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

預(yù)彎半徑p。根據(jù)是否在零件上預(yù)先施加外載荷，噴丸成形分為自由狀態(tài)噴丸成形和預(yù)應(yīng)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(jìn)行的噴丸成形方法，主要用于外形和結(jié)構(gòu)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(yù)應(yīng)力夾具預(yù)先在零件板坯上施加載荷，形成彈性應(yīng)變，然后再對其進(jìn)行成形的一種噴丸成形方法，主要用于外形和結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜且曲率半徑較小的零件。由于機(jī)身壁板曲率半徑非常小，因此開展預(yù)應(yīng)力噴丸成形研究，試驗(yàn)中對平板件進(jìn)行彈性預(yù)彎，采用純彎曲理論對預(yù)應(yīng)力進(jìn)行分析，可知平板件中最大預(yù)應(yīng)力出現(xiàn)在上下表面，為防止平板件達(dá)到屈服狀態(tài)，最大預(yù)應(yīng)力一般不超過屈服強(qiáng)度0.2（528 MPa）的80%，試驗(yàn)時選擇4種預(yù)應(yīng)力值。依據(jù)彈性變形純彎曲理論，可獲得不同厚度、不同預(yù)應(yīng)力下的預(yù)彎半徑，如表2所示。

表2 不同厚度平板試驗(yàn)件預(yù)應(yīng)力與預(yù)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(qiáng)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(zhì)量也會相應(yīng)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(qiáng)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(jìn)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(yàn)設(shè)計

由于試驗(yàn)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(shè)計試驗(yàn)。試驗(yàn)考查4個因素，每個試驗(yàn)因素取4個水平，試驗(yàn)表如表3所示，選擇L16(45)正交表進(jìn)行噴丸成形試驗(yàn)。

表3 正交試驗(yàn)因素水平對應(yīng)表

Tab.3 Correspondence table of orthogonal test factor level

1.3 試驗(yàn)方法

依據(jù)表3進(jìn)行噴丸成形試驗(yàn)，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(yù)應(yīng)力沿長度方向施加，預(yù)應(yīng)力施加方向示意圖如圖3所示。試驗(yàn)中采用三點(diǎn)預(yù)彎方法，平板件三點(diǎn)預(yù)彎裝夾圖如圖4所示。每噴完一組試驗(yàn)，測量試驗(yàn)件3個測量點(diǎn)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(yàn)件的相對位置

圖3 預(yù)應(yīng)力施加方向示意圖

圖4 平板件三點(diǎn)預(yù)彎裝夾圖

圖5 噴丸弧高測量位置示意圖

2 結(jié)果與分析

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

圖6 2050鋁鋰合金平板件正交試驗(yàn)實(shí)物

表4 2050鋁鋰合金平板件噴丸成形試驗(yàn)結(jié)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(yàn)方案及噴丸彎曲變形量，得到正交試驗(yàn)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?yàn)椋喊宀暮穸?預(yù)應(yīng)力>移動速度>噴丸氣壓。以因素的水平為橫坐標(biāo)、噴丸彎曲半徑為縱坐標(biāo)，繪制出相應(yīng)曲線如圖7所示。可以看出，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(yù)應(yīng)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(chǎn)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(yù)應(yīng)力的增大，噴丸撞擊后沿著預(yù)應(yīng)力方向的材料更易流動，因此噴丸彎曲半徑隨著預(yù)應(yīng)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(jìn)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(yù)應(yīng)力的關(guān)系如式（1）所示。

式（1）的決定系數(shù)R2=0.964 713、相關(guān)性系數(shù)F=75.181 9，遠(yuǎn)大于F檢驗(yàn)的臨界值F0.05(4,11)=3.36，因此式（1）能較準(zhǔn)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(yàn)值與回歸值對比如圖8所示?？梢钥闯觯貧w值與試驗(yàn)值比較接近，為驗(yàn)證式（1）能否比較準(zhǔn)確預(yù)測平板件噴丸變形量、是否具有一定的普適性，對式（1）進(jìn)行平板件噴丸成形驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果及回歸結(jié)果見表6，2組驗(yàn)證試驗(yàn)的誤差分別為1.8%和14.8%，說明利用試驗(yàn)結(jié)果建立起來的噴丸彎曲半徑回歸模型能夠比較準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)與變形量間的相互預(yù)測。

圖8 噴丸彎曲半徑試驗(yàn)值與回歸值對比

表6 驗(yàn)證試驗(yàn)回歸值與試驗(yàn)值

Tab.6 Regression value and test value of verification test

3 結(jié)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?yàn)椋喊宀暮穸?預(yù)應(yīng)力>移動速度>噴丸氣壓。

[1] 曾元松, 黃遐, 李志強(qiáng). 先進(jìn)噴丸成形技術(shù)及其應(yīng)用與發(fā)展[J]. 塑性工程學(xué)報, 2006, 13(3): 23-29.

ZENG Yuan-song, HUANG Xia, LI Zhi-qiang. The Application and Development of Advanced Shot Peen Forming Technologies[J]. Journal of Plasticity Engineering, 2006, 13(3): 23-29.

[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, 53(16): 26-29.

SHANG Jian-qin, ZENG Yuan-song. Shot Forming Techlonogy and Its Development Trend and Thinking[J]. Aeronautical Manufacturing Technology, 2010, 53(16): 26-29.

[3] 曾元松, 尚建勤, 黃遐, 等. 噴丸成形與強(qiáng)化技術(shù)[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2019: 196-220.

ZENG Yuan-song, SHANG Jian-qin, HUANG Xia, et al. Shot Peen Forming and Shot Peening Technology[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 2019: 196-220.

[4] 余東梅. 鋁鋰合金在航空結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用[J]. 鋁加工, 2018(6): 4-9.

YU Dong-mei. Application of Al-Li Alloy in Aviation Structure Design[J]. Aluminium Fabrication, 2018(6): 4-9.

[5] 李勁風(fēng), 鄭子樵, 陳永來, 等. 鋁鋰合金及其在航天工業(yè)上的應(yīng)用[J]. 宇航材料工藝, 2012, 42(1): 13-19.

LI Jin-feng, ZHENG Zi-qiao, CHEN Yong-lai, et al. Al-Li Alloys and Their Application in Aerospace Industry[J]. Aerospace Materials & Technology, 2012, 42(1): 13-19.

[6] 朱宏偉, 陳永來, 劉春立. 2050鋁鋰合金形變熱處理工藝[J]. 宇航材料工藝, 2019, 49(2): 46-49.

ZHU Hong-wei, CHEN Yong-lai, LIU Chun-li. Thermo-Mechanical Treatment Process of 2050 Al-Li Alloy[J]. Aerospace Materials & Technology, 2019, 49(2): 46-49.

[7] 李紅英, 王小雨, 余瑋琛. 時效制度對2050鋁鋰合金微觀組織和力學(xué)性能的影響[J]. 中國有色金屬學(xué)報, 2018, 28(12): 2433-2440.

LI Hong-ying, WANG Xiao-yu, YU Wei-chen. Effect of Aging Treatment on Microstructures and Properties of 2050 Aluminum Lithium Alloy[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2018, 28(12): 2433-2440.

[8] 吳秀亮, 劉銘, 臧金鑫, 等. 鋁鋰合金研究進(jìn)展和航空航天應(yīng)用[J]. 材料導(dǎo)報, 2016, 30(S2): 571-578.

WU Xiu-liang, LIU Ming, ZANG Jin-xin, et al. Research Progress and Aerospace Application of Aluminum Lithium Alloys[J]. Materials Review, 2016, 30(S2): 571-578.

[9] 徐進(jìn)軍, 江茫, 熊純. 鋁鋰合金及其在航空航天領(lǐng)域成形技術(shù)的研究進(jìn)展[J]. 熱加工工藝, 2019, 48(24): 11-16.

XU Jin-jun, JIANG Mang, XIONG Chun. Research Progress of Al-Li Alloys and Its Forming Technology for Aeronautic and Astronautic Industry[J]. Hot Working Technology, 2019, 48(24): 11-16.

[10] 馮朝輝, 于娟, 郝敏, 等. 鋁鋰合金研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢[J]. 航空材料學(xué)報, 2020, 40(1): 1-11.

FENG Zhao-hui, YU Juan, HAO Min, et al. Research Progress and Development Trend of Aluminum-Lithium Alloys[J]. Journal of Aeronautical Materials, 2020, 40(1): 1-11.

[11] LI Hua-guan, LU Yi, HAN Zheng-dong, et al. The Shot Peen Forming of Fiber Metal Laminates Based on the Aluminum-Lithium Alloy: Deformation Characteristics[J]. Composites Part B, 2019, 158: 279-285.

[12] BAI X P, ZENG Y S, MENG Q, et al. Experimental Investigation on Shot Peen Forming of 2198 Al-Li Alloy Plate[C]// 12th International Conference on Shot Peening, Goslar, 2012: 439-444.

[13] WANG M, ZENG Y, BAI X. Deformation Behavior of 7050 Aluminum Alloy Panels with Variable Thickness by Shot Peen Forming[C]// 2018 7th International Conference on Energy and Environmental Protection (ICEEP 2018), 2018.

[14] 王永軍, 孫寶龍, 張煒, 等. 鋁鋰合金噴丸強(qiáng)化數(shù)值模擬及試驗(yàn)[J]. 航空動力學(xué)報, 2015, 30(3): 595-602.

WANG Yong-jun, SUN Bao-long, ZHANG Wei, et al. Numerical Simulation and Experiment on Shot Peening of Al-Li Alloy[J]. Journal of Aerospace Power, 2015, 30(3): 595-602.

[15] EFTEKHARI A, TALIA J, MAZUMDAR P. Influence of Surface Condition on the Fatigue of an Aluminum-Lithium Alloy (2090-T3)[J]. Materials Science & Engineering A, 1995, 199(2): L3-L6.

[16] SUN B, WANG Y, XIAO J, et al. Evolution of Microstructure and Properties of 2196 Al-Li Alloy Induced by Shot Peening[J]. Procedia Engineering, 2014, 81: 1043-1048.

[17] TAO Xue-fei, GAO Yu-kui, KANG Jian-mei, et al. Softening Effects Induced by Shot Peening for an Aluminum-Lithium Alloy[J]. Metallurgical and Materials Transactions, 2020, 51(1): 410-418.

[18] REYNIER B, CHAPPUIS G, SPRAUEL J M. X-Ray Diffraction Study of the Fatigue Behavior of a Shot-Peened Aluminum-Lithium Alloy[J]. Experimental Mechanics, 1995, 35(2): 112-123.

[19] 張杰, 白雪飄, 陸業(yè)航, 等. 不同強(qiáng)度噴丸處理后鋁鋰合金表面的殘余應(yīng)力[J]. 機(jī)械工程材料, 2016, 40(2): 37-39.

ZHANG Jie, BAI Xue-piao, LU Ye-hang, et al. Surface Residual Stress in Aluminum-Lithium Alloy Shot-Peened at Different Shot Peening Intensities[J]. Materials for Mechanical Engineering, 2016, 40(2): 37-39.

[20] CHEN Hong-tang, WANG Shou-ren, LU Su-fen, et al. Simulation and Experimental Validation of Residual Stress and Surface Roughness of High Manganese Steel after Shot Peening[J]. Procedia CIRP, 2018, 71: 227-231.

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?yàn)閲娡璩尚渭皬?qiáng)化工藝。

曾元松（1971—），男，博士，研究員，主要研究方向?yàn)轱w機(jī)整體結(jié)構(gòu)成形技術(shù)。

責(zé)任編輯：蔣紅晨