喷丸成型:大型机翼整体壁板系统化喷丸成形技术
发布日期:2021/7/27 11:45:04

大型机翼整体壁板是现代大型飞机重要的大型承力整体结构件并且通常直接构成飞机的气动外形。喷丸成形是现代大型轻质高强铝合金整体壁板件成形制造的首选技术方法,但如何实现大型机翼整体壁板的精确喷丸成形一直是现代航空制造技术领域的一个难点问题。针对这一工程问题,本文采用系统化的方法,将影响大型机翼整体壁板喷丸成形精度的因素分解为壁板平面板坯误差、成形参数设计准确度、成形参数控制精度、环境因素。针对这些因素,采用基于变形位能最小的板坯优化设计来减小由板坯导致的成形误差;采用数据拟合、人工神经网络以及解析模型计算相结合的喷丸成形参数综合设计方法来提高喷丸参数设计的精度和效率;建立了板坯修正模型以修正环境温度、喷丸设备参数波动等因素对成形件形状和尺寸的影响;对于从喷丸设备上下线后仍存在的外形贴模误差,则采用手提喷丸机进行局部的渐进式校形喷丸至外形贴模。壁板喷丸成形的工程实践表明,本文所提出的系统化方法能够有效提高大型机翼整体壁板喷丸成形的精度和效率,并可满足工业生产的需求。

工程实例

对所提出的大型机翼整体壁板精确喷丸成形技术以某大型客机的下中机翼整体壁板(如图10所示)为对象进行了应用验证。机翼采用大展弦比超临界翼型,壁板具有马鞍形、双凸形并带扭转的复杂双 曲 率 外 形,如 图 11 所示。壁 板 尺 寸 为16276mm ×938mm,厚 度 采 用 从 2 mm 到22mm的变厚度设计并带有若干加厚口框、条带和下陷等整体结构。壁板材料为2024HDT-T351。为满足飞机的长寿命服役要求,需大幅减小装配应力,因此增加了沿翼展方向的检验要求,成形的形状误差要求≤0.5mm,尺寸误差≤±1.5mm。

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如果采用传统的喷丸成形方法,该壁板的喷丸成形流程是首先进行基础单元件喷丸成形试验,再开展局部件喷丸成形,最后进行 整 体1:1件的喷丸成形,由于未采用优化的板坯设计、精确的喷丸参数设计方法以及未将环境影响因素考虑在内,因此,采用传统的方法对该复杂外形壁板进行喷丸成形通常需要进行大量的迭代试验,研制成本高、周期长,且成形精度不理想。

在本文所建立的精确喷丸成形技术框架下,首先采用式(6)所示的最小变形能模型对壁板平面板坯的形状和尺寸进行优化,优化过程中壁板成形的等效变形能的变化过程如图12所示,由此使壁板板坯达到最优的平面形状和尺寸,减小由板坯平面形状和尺寸引起的误差。所建立的平面板坯几何模型如图13所示。

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根据壁板外形曲面几何分析,可确定精确的喷丸成形路径。根据喷丸路径上的弯曲半径及厚度信息,由基础实验数据拟合、人工神经网络预测或解析计算可确定对应的喷丸参数。由实际的喷丸成形试验测得该壁板材料及结构对环境温度的延展喷丸变形响应如图14所示,由线性拟合得该响应关系可近似表示为

δ=9.66-0.17T

式中:T 为喷丸成形时的环境温度(℃)。

根据式(8)可得对于给定的预期成形环境温度T ,该壁板板坯的修正补偿系数为

当 m =n=x时,

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在其他情况(m,n=x,y但不同时取x)下,

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预期的喷丸 成 形 环 境 温 度 为5月 中 旬23~26℃,取其中值为T=24.5 ℃,因此壁板对成形环境温度的补偿系数为image.png补偿后的平面板坯模型如图15所示。


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优化后的喷丸成形参数如表3所示。在喷丸机床上完成喷丸成形后的壁板采用专用的构架样板在每200mm×200mm 面积上加不超过3.8kg的沙袋的压力作用下对成形件尺寸和 误差进行检测,如图16所示,其外形误差分布如图17所示。

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由检测到的外形误差可知,仍有部分点位(如1.5m、2m、11.5m 等)处的成形贴模误差超出≤0.5mm 的设计 要求,这主要是由机床的弹丸流量和气压控制误差等因素造成的。对于形状误差超差部分的位置,可采用手持式超声喷丸机进行局部渐进式校形喷丸至外形贴模 (形状贴模误差≤0.5mm)。

 结 论

大型机翼整体壁板的喷丸成形是一个受板坯尺寸、环境温度、残余应力场等多种非线性因素和工艺参数影响的复杂的系统化工程问题,需要对成形过程的每个环节建立相应的数学模型进行精确控制才能实现壁板件的精确成形。综合起来,至少需要从以下3个方面进行综合的系统化控制,才能实现大型机翼整体壁板的精确喷丸成形:

1)对整体壁板板坯采用使其总体变形能量最小的优化展开计算方法才能获得使成形误差最小的平面板坯。

2)对整体壁板的喷丸成形参数设计采用数据拟合、人工神经网络与解析计算模型等实验与机理相结合的综合设计方法,有利于提高工艺参数预测的准确度。

3)常用壁板铝合金材料的热膨胀变形、喷丸环境温度以及喷丸残余应力场等因素可对大型机翼整体壁板的成形尺寸误差产生显著影响,因此需要将这些因素都包含到大型机翼整体壁板喷丸变形误差控制模型内,才能实现大型机翼整体壁板的精确喷丸成形。

无论是采用复合材料还是轻质合金,大型机翼整体壁板都是现代大型飞机不可或缺的关键结构件。对于轻质合金大型机翼整体壁板件的成形制造,喷丸成形方法未来在与其他技术方法竞争的过程中,以下几个方面的问题仍有待进一步的深入研究:

1)准确高效率的成形过程数值模拟技术。重点在于建立合适的加载条件、边界条件以及可对大型薄壁件在喷丸表层挤压应力场作用下的变形行为进行准确模拟的单元模型。

2)预应力喷丸成形的理论模型、精确参数设计方法以及成形过程数值模拟技术。重点在于建立包含预应力参数的喷丸成形理论模型、数值计算模型以及参数预测方法,用于预应力条件下的精确喷丸成形工艺设计。

3)高精度喷丸变形测量方法。重点在于不同条件(温度、表层残余应力场、结构等)下宏观喷丸试件在应变精度在10-5量级以上的弯曲、延展以及弯曲-延展复合的变形测量方法以及影响因素分析。


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