探究气动条带式喷丸成形技术

探究气动条带式喷丸成形技术

姜伟 ,冯文涛 ,王佳文 ,别吉松

中航西安飞机工业集团股份有限公司    陕西西安   710089

摘要：气动条带式喷丸技术如今被广泛运用于航空航天等领域，其可以有效提升机械零件的强度，并且具有成本低、设备简单等诸多特点。基于此，本文主要探究气动条带式喷丸成形技术展开研究，并对其具体应用和未来发展方向展开探讨，以供参考。

关键词：气动条带式；喷丸；航空；机翼

引言

现如今，随着时代的发展和社会进步，对民机飞行速度和经济性要求也在进一步提升，而飞机设计也从之前的直纹面翼型转变为复杂双曲率超临界翼型。也正是因为这种变动，使得直线抛丸这种传统的方法难以适应大型超临界翼型壁板成型需要，而气动条带式喷丸成形技术可以借助机床运动坐标以及包络构成不同形状的喷丸轨迹，也更好满足不同外形机翼壁板成形需要[1]。下面就对喷丸成形技术展开分析，并对气动条带式喷丸成形技术展开研究。

一、喷丸成形技术的发展概况

1.国外发展概况

喷丸成形技术在国外最早被运用于军用飞机制造当中。在二十世纪四十年代初，Jim Boerger（美国）是最早提出喷丸成形技术这一概念的人，并将该技术运用于飞机机翼整体壁板加工当中，这也使得喷丸成形技术的应用领域不再仅局限于对材料表面的处理和强化作用[2]。后来喷丸成形技术被运用于航空制造领域当中，该技术在欧美国家获得快速发展和广泛应用，并成为机翼壁板成形中的一项重要技术。到二十世纪五十年代中期，该技术成为军用飞机和民用飞机机翼以及机身零件制造的主要手段，在八十年代，超临界机翼已经成为评判一个飞机是否先进的重要标志之一。但同时，由于构成机翼整体壁板带筋结构越来越复杂化，这也使得传统喷丸成形技术难以满足机翼整体壁板结构要求。预应力喷丸成形技术和传统的喷丸成形技术性对比，其成形极限超出传统技术的2到3倍，也因此预应力喷丸成形技术出现后获得大众的重视和广泛应用。现阶段，欧美地区的发达国家在航空制造领域中，喷丸成形技术的发展进一步提升，在一些大型机翼整体壁板方面的成形精度进一步提升，并已经做到对先进喷丸成形技术的垄断[3]。就拿波音公司来说，其金属机翼整体壁板喷丸成形技术在航空制造领域处于先进水平，而A380飞机超临界外翼下翼面整体壁板的喷丸成形技术，就是一个非常典型的代表。

图1 喷丸成形原理

2.国内发展概况

在我国，喷丸成形技术发展比较晚，在二十世纪60年代末期才开始喷丸成形技术的研发工作[4]。起初，喷丸成形技术的研究主要由我国一些高校还有几大主机所负责。在二十世纪九十年代中期，中航工业不断创新，打破国外技术垄断，成功突破了超临界机翼整体壁板喷丸成形的关键技术，并将预应力喷丸成形关键技术运用于国产ARJ21飞机制造当中，也使得我国成为当时世界上为数不多的掌握超临界机翼整体壁板喷丸成形技术的国家[5]。西安飞机制造企业和高校展开合作，对多个关键型号展开研究，掌握了除了超临界之外的高筋壁板喷丸等关键喷丸成形技术，并构建了较为完善的喷丸成形加工产线，为我国自主研发生产大飞机奠定了良好基础[5]。现阶段，我国对于喷丸成形技术的研究重点在工艺参数方面，对不同喷丸工艺参数与成形规律之间的关系展开研究，并为喷丸工艺的优化提供支持。

图2 喷丸技术所制造的机翼壁板零件

图3 预应力喷丸成形的A380机翼壁板

二、气动条带式喷丸成形技术应用对象的几何特征

对于国产ARJ21飞机而言，其机翼主要是由两部分构成，分别为中央翼和外翼两个部分，其上后壁板作为外翼壁板中尺寸最大的一个零件，其材料采用的是7055-T7751，长宽尺寸为12670mm×2130mm，横截面厚度最大可以达到811.6mm。上后壁板设计数模主要借助CATIA系统平台，借助参数化设计来构建的壁板3D理论数模，这也为对后续机翼壁板几何特征的分析计算工作带来便利。在对机翼壁板几何特征分析时，主要从三个方面进行，分别为喷丸路径、外形曲率以及壁板厚度。这三个方面看似独立，但各自之间有着密切联系，而外形曲面曲率分析作为喷丸路径的第一个步骤，关系到喷丸工艺参数初选和优化的各个步骤。在超临界机翼壁板当中，最复杂的就是喷丸路径规划与分析工作。

1.喷丸路径规划

在上个世纪九十年代，喷丸路径规划首次在一些重点型号机翼壁板抛丸成形试验的研究中被提出。喷丸路径就是在机翼壁板表面，喷嘴在运行中所形成的路线或是弹丸形成的轨迹就可以被称之为弹丸路径。通常情况下，在分析喷丸路径时，传统的直纹面单曲率外形壁板可以依照等百分线设定，对于大型复杂的双曲面外型机翼壁板而言，其外形主要是由多个控制面板构成。就比如说，国产ARJ21飞机外翼一共有十三个控制剖面，但并没有设定等百分线，整个翼型曲面上分布着若干个马鞍型或是双凸型且带有空间扭转，这种翼型和传统的翼型存在很大差异，所以怎样对喷丸路径进行规划成为这种壁板喷丸需要解决的首要问题。

从数学角度对喷丸路径进行分析，双曲率壁板外形中各个点的曲率都是由极大、极小两个主曲率所构成，这两个极大极小的主曲率存在相互垂直或有一定角度的关系，其中极大曲率方向和其弦向外形一直非常相似，所以可以将其称为弦向曲率，而另一个曲率则可以被称之为展向曲率。按照理论角度来分析，在形成壁板外形上面各个点的两个主曲率都可以构成需要的曲面形状，所以可以结合成形的具体要求将加工路径划分为弦向喷丸与展向喷丸路径，这两个路径分别可以运用于成形弦向曲率和展向曲率。对于大型机翼壁板而言，展弦比比较大，并且展向曲率通常会小于壁板弦向曲率。所以在弦向曲率形成后，需要依照对喷延展放料来成形展向曲率。 实际工程结果显示，使用等强度双面喷丸壁板，可以成形出马鞍形和扭曲，同时其延展区域和量值都比较小。所以，在大型整体壁板中，弦向路径分析与弦向曲率成形已经成为喷丸成形的核心，对双曲率壁板外形成形的影响非常大。

对于复杂机翼壁板喷丸路径的规划工作而言，需要考虑到壁板曲面曲率的分布情况、厚度分布情况、参考线方向以及喷丸路径等方面的因素。喷丸路径规划需要遵循以下几个原则：第一，喷丸路径规划需要尽可能通过曲面上极小曲率半径较小的位置；第二，喷丸路径的选择应当通过壁板比较厚的位置；第三，喷丸路径曲线的选择应当尽可能沿曲面等百分线方向。如果外形曲面比较复杂，可以借助外形曲面的弦向控制曲线构造等百分线，并将其作为曲面参考等百分线；第四，在路径规划时，还需要结合具体工艺特点来合理调整喷丸路径。结合这几点原则，喷丸路径的规划需要先做好壁板外形曲面网格离散化，然后借助对局部离散点的曲面拟合来计算曲率，随后依照上述原则来进行喷丸路径规划，对特征点实施搜索，尽可能将搜索到的特征点实施曲线拟合，以形成一条经过曲面极小曲率半径较小部位的拟合曲线，这条曲线的方向和其所在位置参考等百分线方向接近，并经过壁板比较厚的部位。结合机床喷嘴热区有效宽度特点对，以交互式的方式对该拟合曲线做出调整，结合最终调整结果对曲线两侧其他曲线进行计算，获得弦向曲率成形的喷丸路径。现阶段，CAD设计软件在运用于曲面曲率分析时，其分析会有很大的局限性，需要借助人工交互工作，由于在曲面极小曲率半径分析时，所给出的结果不够精细化，因此难以满足喷丸路径设计对于曲面分析的精细化要求，所以还需要借助曲面分析和喷丸路径计算一起来进行计算。

图4 喷丸控制方法

2.区域划分与工艺参数确定

对于大型机翼壁板而言，其厚度和曲率分布相比较于基本工艺参数试验件来说，其试验设计工作要更加复杂。主要是因为在较大区域内，要想严格依照机翼壁板厚度以及曲率半径来对喷丸参数做出精准改变来完成喷丸成形，这项工作不仅需要花费大量的时间，而且操作可行性非常低，就算是在喷丸路径的每一个点上，也都会面临这种问题。所以，每一个喷丸路径分段、分区是设定喷丸工艺参数的前提。喷丸成形参数基础主要是以板材厚度、曲率半径以及喷丸强度为基础。然而在实际当中，壁板厚度分布并不均匀，并且其变化具有多样性，借助基本成形数据来开展宏观变性是具备可行性的。在开展壁板喷丸成形工艺参数设计时，应当重点关注以下两点：第一，怎样对其中一个喷丸路径上临近区域厚度分布以及曲率分布实施平均处理，近似作为一个等强度区，现阶段还缺少一个相对成熟的方式；第二，因为单元试验件和壁板边界条件存在一定差异，使得实验数据无法直接转移，应当借助一些试验经验做出进一步设定，还需要借助局部典型件以及整体模拟件来实施实验与优化。

以国产ARJ21飞机上后壁板结构特征作为依据，对上面两个问题的具体处理方法和原则展开分析，这也是现阶段大型机翼壁板喷丸成形工作所面临的最大的难题，也是难度最大的一个环节，因难以直接依照实验数据对其中某个喷丸段的喷丸参数进行计算，即使未来对数字化工艺设计和模拟系统进行了进一步完善，但也只能构建相对简单的数学模型，对壁板成形初始参数进行自动设计，并借助实验对数据库和初始输入进行优化，如此才能做到对复杂外形机翼壁板数控喷丸成形的稳定性与高效性。

三、气动条带式喷丸成形基础试验

受到喷丸机床结构的不同、喷嘴的不同以及弹丸的不同，也会导致喷丸成形效果有所不同。所以需要对喷丸即实施成形基础实验，以更好把握喷丸条带的有效宽度，了解基础试验件成形规律，为壁板喷丸成形工艺提供参数支持。

1.喷丸条带有效宽度

在运用条带喷丸时，工艺参数会直接影响到条带的有效参数。在运用单个喷嘴实施条带喷丸成形时，喷嘴的直径、喷丸距离、弹丸流量、喷射角度、喷丸气压以及弹丸规格等等都会对喷丸条带有效宽度带来影响。

为进一步把握喷嘴的直径、喷丸距离、弹丸流量、喷射角度等因素对条带喷丸有效宽度所带来的影响，还需要进行组合实验。在实验中会使用到规范化正交表来实施实验方案规划，特征就是各个因素的水平出现次数一致，且任意两个因素水平的不同搭配所出现的次数也是一致的，可以借助小频率实验来找出不同因素对结果的影响程度，帮助人们掌握不同因素下的最优组合。

在试验中所采用的喷丸强度来对有效宽度进行评价，具体操作方法就是依照某一饱和曲线上100%覆盖率的喷丸参数喷丸一组紧密排布的Almen试片，并对Almen试片的喷丸强度实施测量，将测量的公差控制在0.038mm以内，而0.038mm以内的Almen试片所构成的区域则可以划分为等强度区，该区域内所有的试片间距和宽度都可以看作为喷丸条带有效宽度。通过这种方式来确定的喷丸条带有效宽度可以为后续确定大型壁板喷丸路径间距提供更多便利。不仅如此，通过对多个喷嘴依照相邻中心距和测量有效宽度相等的方式来排布，可以进一步扩大喷丸的有效宽度，以彰显机床多喷嘴的功能，进一步提升条带喷丸成形效率。在弹丸ASH460,0.30MPa的喷射气压，弹丸流量为12kg/min的条件下，不同喷丸距离下条带的有效宽度，如表1所示：

表1 不同喷丸距离下条带的有效宽度

实验中，借助标准的Almen试片来构建饱和曲线，对喷丸强度与机床各工艺参数之间所存在的关系进行确定，运用等强度方法来进一步判断喷丸条带的有效宽度，最终得出影响条带宽度的主要因素。结合表1的试验数据可以分析得出，喷丸距离对条带有效宽度所带来的影响最为显著，而弹丸规格、喷射气压以及弹丸流量对其的影响则非常小。

2.基础件试验

开展基础件试验主要就是构建喷丸强度和特定材料基础件的厚度以及成形曲率之间的关系，为大型壁板喷丸成形工艺参数确定提供有效的数据支持。

通常情况下，机翼壁板厚度在2mm至17mm之间，壁板内表面则会具备加强结构，在成形工艺参数设计中，如果对外形曲率以及厚度进行全面分析，就会导致喷丸成形工艺设计复杂化。在此次研究中，壁板重点关注曲率半径，将厚度作为次要关注内容，并将其分为多个区域，其中同一个区域内的喷丸强度一致。

依照国产ARJ21飞机的外翼上下翼面壁板选材和厚度的分布情况，条带喷丸成形基础实验板件材料共选用了两种规格，分别为2324-T39以及7055-T7751，在厚度规格选择上，分别选择了2mm、4mm、6mm、8mm、10mm和12mm这几种规格，依照双曲率壁板喷丸成形的要求，开展了单面弯曲喷丸试验和双面延伸喷丸试验，做好试验件编号工作和试验数据采集工作。在此次试验中，主要采取反复迭代法，具体步骤如下：

（1）在完成编号工作后，使用游标卡尺来对各个试验件的厚度进行测量，测量结果需精确到0.02mm；（2）在规格为300mm×200mm的等厚试板上，将宽度中线和长度四等分线划出；（3）依照喷丸强度所对应的喷丸工艺参数以及机床速度，沿着划出的宽度中心线运用单个喷嘴实施条带喷丸；（4）用弧高仪测量试件长度三等分线以及两端共4个位置的挠度；（5）测量完毕后，在试板上沿着长度方向分别划出两个宽度边沿距离为50mm的两条相平行的弦，并以此作为下两条带喷丸的路径；（6）依照这两条线作为条带中心线，运用单个喷嘴依照上述操作再次进行两次条带喷丸，在完成第一次喷丸操作后，借助弧高仪对试件长度三等分线以及两端共4个位置测量试板上的两个喷丸条带有效宽度范围内的弧高值进行测量，在完成第二次喷丸后，再次在同样位置上测量三个喷丸条带有效宽度范围内的弧高值。

图5单面喷丸成形示意图

图6双面喷丸成形示意图

结语

喷丸成形是技术含量高且成形难度大的一种技术，但其在应用方面所具备较大的加工优势，使得该技术在很长一段时间都作为飞机机翼壁板成形的核心技术，有着很高的研究价值。气动条带式喷丸成形技术在解决大型复杂机翼壁板喷丸成形中发挥着重要作用，不仅可以解决成形难题，还可以为初始工艺设计带来便利，并且对于一些问题的优化调整也非常有优势，可以有效缩减试验次数、成本和周期。现阶段，我国在气动条带式喷丸成形技术方面还没有形成一套完善且有较强实用性的标准，且还有很多新型喷丸技术还在试验研究阶段，相信随着该技术的进一步成熟和完善，其应用范围一定会越来越广，并更好推动我国航空制造领域的发展。

参考文献：

[1]江剑成,胡永祥.喷丸成形工艺规划方法[J].民用飞机设计与研究,2022(01):111-117.

[2]鲜鹏,李军.喷丸技术的发展与研究[J].金属世界,2020(01):32-36.

[3]刘朝训. 带孔壁板数控超声波喷丸成形技术研究[D].南京航空航天大学,2015.

[4]张格.喷丸成形技术助力机翼制造[J].大飞机,2014(05):99.

[5]张炜,曹亮,高国强,张万瑜,王永军,孙宝龙.国内外航空喷丸技术与装备发展[J].航空制造技术,2013(17):32-35.