張 煒，史靠軍，章珈彬，徐 剛，楊 輝

（1.航空工業(yè)西安飛機工業(yè)（集團）有限責任公司，西安 710089；2.南京航空航天大學，南京 210016）

整體機翼壁板作為現(xiàn)代飛機重要的承載件之一，其高度集成化、一體化的尺寸結(jié)構(gòu)在提高飛機氣動性能方面具有明顯優(yōu)勢，但也給其制造、加工技術帶來了新的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的閘壓、滾彎及拉形已經(jīng)無法滿足其性能需求。噴丸成形作為目前大型鋁合金整體機翼壁板成形首選的加工方法，由于其柔性加工性能突出，結(jié)合現(xiàn)代先進數(shù)字化技術和設計工藝，可以實現(xiàn)較大范圍曲率的成形，同時受噴樣件表面產(chǎn)生的塑性應變層可以大幅提高疲勞抗力，抑制裂紋源的產(chǎn)生和擴展，因此奠定了其在飛機大型部件制造領域的重要地位。

由于噴丸成形工藝固有的特性，整體機翼壁板在經(jīng)噴丸成形及強化后，其展向、弦向方向均會產(chǎn)生一定大小的延展，特別是噴丸工藝參數(shù)影響因素較多，受加工環(huán)境溫度影響較大，后期校形更是增加了這種成形質(zhì)量的不穩(wěn)定性，如長度為10m 量級的壁板展向所產(chǎn)生的延展量可達十幾毫米，嚴重影響了壁板零件的裝配精度和交付周期。隨著ARJ21、AG600、C919 等大飛機研制的相繼成功，壁板長度不斷增加，雙曲率及超臨界復雜特征的不斷涌現(xiàn)，延展問題變得更為突出。

關于延展變形的控制，國內(nèi)航空類制造企業(yè)嘗試通過板坯展開和機加工去除等方式進行補償修正，而延展預測主要以工程經(jīng)驗為主，可控性、準確性較差，無法反饋到壁板板坯展開建模，形成可靠的迭代回路，糾正變形誤差，且延展變形還會影響壁板成形曲率，需要反復矯形[1]，無法滿足大批量生產(chǎn)的交付要求。因此，亟待針對整體機翼壁板加工過程中延展變形量的精確計算與板坯補償修正等技術難題展開專項討論和研究，促進大型飛機翼精益制造和新機研制的進程。

噴丸延展機理分析

1 噴丸延展理論模型

飛機壁板在噴丸加工前，通常需要進行立式裝夾，截取壁板縱截面進行分析，如圖1所示，當樣件表面經(jīng)噴丸擊打后，會形成厚度為Δt的塑性應變層，導致壁板表層材料受壓，底層彈性材料處于張力狀態(tài)，且應力層深度一般大于hp，誘導應力σind隨厚度增加先增大后減小，呈近似余弦函數(shù)曲線分布；當去除夾具后，由于σind處于不平衡狀態(tài)，通過上凸曲率變形重新達到平衡，此時板料內(nèi)部應力趨于平衡，即殘余應力σres。

根據(jù)Homer的研究，建立了關于噴丸成形的分步解析方程，將平衡狀態(tài)下最終殘余應力場σres分成3個部分[2]：

式中，σaxial為去掉夾具以后發(fā)生拉伸延展的軸向應力；σbend是關于彎曲變形的彎曲應力；σaxial、σbend分別沿厚度方向進行積分，即為產(chǎn)生延展和上凸變形的軸向力F和彎矩M。

2 延展變形影響因素分析

從前文分析可知，由于軸向拉應力的存在，延展誤差是不可避免的，受多種因素的影響。

2.1 機加工影響分析

在噴丸成形前，為了使壁板滿足一定初始尺寸要求，毛坯板料需進行軋制、預拉伸、機加等多道工序加工。Gariépy 等[3]指出，經(jīng)不同熱處理和軋制加工的材料其厚度方向初始應力存在明顯，且一定厚度的拉應力對于噴丸壁板延展影響較大；對于鋁合金樣件，預拉伸量提高到85%時，對消除毛坯的淬火殘余應力具有明顯效果，而噴丸前一道工序產(chǎn)生的殘余應力如果無法進行有效控制，可能會作為影響噴丸成形的初始應力不斷積累，作為除噴丸工藝以外的內(nèi)部因素影響加工精度[4]；為獲得整體壁板口框、薄壁、接頭、減輕孔等特征結(jié)構(gòu)，還需進行機加工，其中切削力、摩擦力和切削熱是影響回彈和擠壓變形的重要因素，據(jù)文獻[5]記載，鋁合金零件機加工后殘余應力層深度在400～500μm，由于壁板整體剛度降低，切削后殘余應力、熱應力會使得板料產(chǎn)生翹曲、延展變形。因此，在傳統(tǒng)切削研究的基礎上開展殘余應力的測量與模擬研究，建立以試驗為基礎的等效模擬技術，預測不同切削工藝對噴丸加工前初始應力場的影響規(guī)律，對于噴丸延展影響因素分析及預測具有重要意義。

2.2 噴丸工藝參數(shù)影響分析

延展量是氣壓值、彈丸質(zhì)流量、預應力載荷、彈丸尺寸、樣件進給速度等多個噴丸工藝參數(shù)綜合作用的結(jié)果，由于工藝誤差存在一定大小的非線性，導致彈丸擊打樣件表面后，產(chǎn)生的彈坑及殘余壓應力并非完全均勻一致[6]，彈丸與彈丸間相互作用均會影響局部成形效果，隨著該累計效應疊加，加工范圍擴大，延展量值存在較大波動性。有研究表明，噴丸強度主要和沖擊速度以及彈丸大小有關，沖擊動能越大，延展變形越明顯[1]。但目前噴丸參數(shù)設計方面的研究仍然主要集中在噴丸參數(shù)所對應的變形作用本身這一較為單一的目標上，且成形曲率和延展量兩者關系相互耦合，存在密切聯(lián)系，延展變形還可以一定程度上矯正球面變形，增大成形曲率范圍。

成形方法的不同也會造成延展量存在完全不同的變化趨勢，自Kopp 首次提出雙面噴丸成形的概念以來，如圖2所示，發(fā)現(xiàn)上下表面不同的噴丸強度會造成等效塑性應變值產(chǎn)生明顯差異，當下表面延展量大于上表面時，板料會出現(xiàn)下凹的曲率外形[7]。

2.3 加工環(huán)境影響分析

考慮到壁板展向方向尺寸較大，彈性模量受溫度變化影響較大，以2024–T351 鋁合金為例，對于15m長的整體壁板板坯，環(huán)境溫度升高10℃時，板坯延展量可達3.48mm。噴丸雖然屬于冷加工工藝，據(jù)文獻[8]記載，噴丸加工過程中，溫度并非完全不變，實際加工過程中，金屬樣件表面溫升可達5℃，無論是噴丸加工前還是噴丸加工后，其加工周期內(nèi)季節(jié)或溫差的變化引起的延展量也是著重需要考慮的因素。

圖1 噴丸過程中不同應力分布對成形的影響Fig.1 Effect of different stress distribution on shot peening forming process

圖2 雙面噴丸延展變形Fig.2 Elongation of double-sided shot peening

綜上所述，延展量無論是和初始應力、噴丸工藝參數(shù)還是壁板變形本身都有著密切聯(lián)系，噴丸延展機理的研究將會是預測延展變形和控制其發(fā)展的一項重要研究內(nèi)容。如何更好實現(xiàn)噴丸成形延展預測對于整體機翼壁板板坯補償修正及精確成形有著重要意義，目前關于噴丸延展預測研究主要以單因素研究為主，如噴丸成形工藝參數(shù)設計、板坯設計等，需要對各個因素進行綜合分析，采用系統(tǒng)化研究方法將噴丸加工前各道次工序的影響和加工環(huán)境、噴丸工藝參數(shù)等內(nèi)容進行相互關聯(lián)，并結(jié)合誤差控制方法最大程度上提高整體機翼壁板成形精度和效率。

整體機翼壁板延展預測方法

1 解析計算

基于前文可知，展向延展采用力學指標表達為長度方向應變大小，假設沿翼展方向的應變?yōu)棣う?，塑性變形層深度為h，塑形變形層面積為Aε，單位截面的殘余應力層面積為As，壁板截面之間的單位長度L，則延展量Δε可以表示成：ΣLAεσs/AsE，其中σs代表誘導應力值大小，E為彈性模量[9]。

Zhang 等[10]認為，延展量及成形曲率的獲得主要是與彈坑直徑和位置分布有關，而彈坑的形成主要和彈丸流量、氣壓值、樣件進給速度等噴丸工藝參數(shù)有關，通過建立凹坑產(chǎn)生的應力和力矩平衡公式，即可計算不同噴丸工藝參數(shù)組合下延展量大小，還可以通過半解析–半試驗的方法，基于Avrami 覆蓋率計算模型，以覆蓋率為中間變量，建立延展量和工藝參數(shù)的關系，其中覆蓋率C可以表示為[11]：

式中，d代表彈坑直徑，N代表單位靶材面積內(nèi)彈坑個數(shù)，通過試驗測得延展量數(shù)據(jù)，即可建立對應噴丸工藝參數(shù)的關系。

類似的，也可以利用誘導應力為中間變量，建立延展量預測的計算公式[12]，壁板截面尺寸如圖3所示，其中Δt代表塑性應變層厚度，t為壁板厚度。延展量與切削應力（初始應力）σc、彈性模量E和壁板各個截面間距A，存在以下關系：

2 數(shù)值模擬方法

2.1 應力場加載數(shù)值模型

應力場法噴丸成形數(shù)值模擬是將通過數(shù)值模擬獲得的噴丸誘導應力以初始應力的形式引入代表工件的有限元殼單元中，利用隱式求解獲得最終變形形狀。而誘導應力的獲取一般以多彈丸撞擊模擬結(jié)果所得，通常需要對靶材約束及網(wǎng)格進行處理，如設置對稱約束，邊界無限網(wǎng)格進行簡化處理和減小應力反射。對于彈丸的設置從一開始陣列式彈丸逐步發(fā)展為隨機彈丸進行動力學建模，具體模擬流程如圖4所示。應力場模型的添加，可以很大程度上縮小延展量數(shù)值仿真預測結(jié)果和試驗測量結(jié)果的差異[13–14]。

2.2 等效熱載荷法

如果大量的彈丸不斷高速地沖擊靶材表面，由沖擊形成的塑性區(qū)域面積累積到一定大小時，靶材表面便會漸漸生成一個塑性應變層。一般認為，每個塑性變形區(qū)之間的重疊并不多，并將各個離散撞擊的效果認為是疊加的、互相獨立作用。這個時候，一定數(shù)量的離散沖擊可以被看作是同時作用于靶材，而且沖擊作用疊加效應的宏觀效果可以被一個等效的塑性變形層反映出來。從單彈丸撞擊模擬的經(jīng)驗可以得出，范圍性的多彈丸沖擊和單個沖擊所產(chǎn)生的塑性層的深度差距很小，所以等效塑性層的深度主要由單個彈丸的打擊效果決定。

圖3 噴丸加工壁板截面Fig.3 Panel section of shot peening

圖4 應力場等效模擬流程Fig.4 Flow chart of equivalent stress simulation

由于噴丸成形產(chǎn)生的劇烈塑性層具有一定厚度，在截面方向可以將板料近似處理成兩種材料的組合體，等效熱載荷法的主要原理是通過對噴丸塑性應變層預先設定厚度、熱膨脹系數(shù)，在一定溫度條件下，塑性應變層產(chǎn)生熱應變，導致整體板料發(fā)生變形，而該變形過程和噴丸成形量相對應[15–16]，如圖5所示。等效熱載荷模擬噴丸成形可以按兩種方式進行，第1種是將兩種材料分別設置不同的熱膨脹系數(shù)，沿厚度方向施加相同溫度載荷；第2種是設置相同的熱膨脹系數(shù)，加載不同的溫度載荷。

2.3 等效面內(nèi)擠壓法

面內(nèi)擠壓法也是將板料分為上下兩層，在被噴層厚方向的上下表面分別加載擠壓力，使該層產(chǎn)生周向延展變形，帶動彈性層發(fā)生變形，從而實現(xiàn)與噴丸成形相同效果[17]，該方法和等效熱載荷方法類似，均為間接模擬方法，其優(yōu)點是對于均勻噴丸可以減小計算量，但是其載荷大小應和沿厚度方向分布的應力場需進行同步規(guī)劃，才能達到相同的目標成形尺寸。

圖5 噴丸變形和板料受熱變形示意圖Fig.5 Schematic diagram of shot peening deformation and sheet metal thermal deformation

2.4 壓應力載荷等效加載

由于彈丸沖擊成形實際是材料受擠壓后多個彈丸積累的效應，而將彈丸沖擊等效成壓力載荷的形式進行加載，可以大幅減小計算量，這是由于一個沖擊過程計算步不但需要計算靶材的塑性變形、應力釋放，還需要模擬彈丸的回復運動，因此計算成本較高，如圖6所示，可以發(fā)現(xiàn)，單個彈坑沖擊后靶材深度方向殘余應力分布規(guī)律和等效壓力載荷產(chǎn)生的殘余應力分布規(guī)律類似。通過對一定數(shù)量彈丸沖擊過程產(chǎn)生的應力分布用等效壓力載荷進行加載，即可快速模型噴丸成形及延展。

3 試驗檢測

由于整體機翼壁板尺寸較大、彈性變化明顯，傳統(tǒng)的手動測量方法存在很大誤差，目前主要采用激光測量[18]、三坐標測量[19]、應變片測量等方法進行延展量測量。

激光測量首先需要確定標定點的坐標值，然后在無約束狀態(tài)下，對比板坯數(shù)模，得到數(shù)控加工延展變形量；三坐標測量法與激光測量方法類似，只是激光測量屬于非接觸式測量，而三坐標測量屬于接觸式測量；應變片測量需要充分考慮測試點的保護、測點分布等問題，這主要是為了控制誤差。

圖6 壓力載荷等效加載和彈丸沖擊動力學模擬結(jié)果比較Fig.6 Comparison of equivalent pressure load result and dynamic impact of shots result

整體機翼壁板延展變形控制技術

1 板坯模型展開

在噴丸加工前，需要對整體機翼壁板進行模型分析，提取其幾何結(jié)構(gòu)的特征信息，依據(jù)整體壁板外形曲面數(shù)據(jù)進行展開，得到整體壁板展開后的外形邊界和內(nèi)部基準軸線、基準孔等結(jié)構(gòu)幾何要素，進而進行板坯數(shù)控加工。

在噴丸加工后，板坯的展開精度對大型機翼整體壁板滿足裝配容差要求有重要影響，有關整體壁板板坯的展開方法主要有：假設厚度不變，最小曲面差量協(xié)調(diào)展開法[20]、曲面映射特征分解法、蒙皮曲面幾何模擬法[21]、映射重構(gòu)建模法等[22]。針對不同壁板產(chǎn)品數(shù)據(jù)，外形目標曲率，采用不同展開方法。

1.1 復雜雙曲率壁板快速展開

整體壁板的制造精度要求高，展向長度約20m的整體壁板，由于軋制、銑削等加工通常會造成2～3mm的制造誤差，無論采用何種曲面展開方法，都容易出現(xiàn)展開誤差過大的情況，導致最終建立的展開工藝模型超差。為有效控制外形曲面的展開精度，展開前后應進行展開誤差檢測和必要的曲面優(yōu)化處理。CATIA 軟件提供的多種曲面處理功能，包括多截面曲面、網(wǎng)格曲面以及通過點云構(gòu)造曲面等，都可以用于壁板外形曲面的優(yōu)化。

1.2 變厚度整體壁板的精確展開

構(gòu)造變厚度壁板蒙皮板坯的傳統(tǒng)方法是手工在內(nèi)型面上取大量點，逐個測量各點處壁板蒙皮的厚度值，然后基于這些厚度值在外形展開面上擬合內(nèi)型面，進而構(gòu)造出蒙皮板坯。上述過程操作繁瑣、工作強度大，且構(gòu)造的內(nèi)型面精度有限。采用編程手段，以指定的密度提取壁板蒙皮內(nèi)型面上的點位，形成內(nèi)型面點云；然后自動測量各點位處壁板蒙皮的厚度并映射到外形展開面上，可有效提高壁板蒙皮的展開效率和精度。編程過程中，可根據(jù)展開精度要求設定點位的提取密度。

1.3 壁板成形延展的補償

根據(jù)整體壁板噴丸加工過程中延展量值的大小，對壁板板坯展開工藝數(shù)模進行補償修正。結(jié)合試驗測量收集的延展變形數(shù)據(jù)和數(shù)值仿真結(jié)果，整體壁板的延展變形補償環(huán)節(jié)可分為延展變形數(shù)據(jù)的初步處理、實際補償量的數(shù)據(jù)擬合和整體壁板展開板坯補償修正建模等步驟。需要強調(diào)的是，補償壁板延展時應充分考慮裝配工藝過程，優(yōu)先保證壁板各基準線、面和口框、加強筋等關鍵特征結(jié)構(gòu)的精度。

2 機加工變形控制

由于整體機翼壁板尺寸較大，結(jié)構(gòu)復雜且厚度不均勻，因此當材料去除量差異較大時，容易產(chǎn)生應力釋放不均勻等問題，特別是對于鋁合金平面板坯，容易發(fā)生翹曲，從而影響下一道噴丸工序。對于翹曲量不超過5mm的情況，可通過超聲波噴丸校形補償解決，但對于翹曲量超過5mm的變形，需要調(diào)整銑削加工方法，從源頭進行控制。

針對以上問題，采用等高線加工布局、應力槽釋放、對稱加工等方法可以有效減小機加工變形。所謂等高線加工布局即刀具路徑均在同一高度內(nèi)等余量進行切削，遇到實體或曲面時，下降一個高度進行切削；應力槽釋放是指在銑削后直角特征處開設一條細槽來減小應力集中，保證材料殘余應力分布的均勻性；而對稱加工是針對傳統(tǒng)順序加工方法而言的，通過加工順序?qū)ΨQ布局，使得機加工后應力均勻，有利于變形量的控制。

3 噴丸工藝參數(shù)優(yōu)化

噴丸成形精度主要是由噴丸工藝參數(shù)決定的，主要包括彈丸流量、噴丸氣壓、噴嘴直徑、樣件進給速度等，而通過噴丸氣壓值調(diào)整彈丸沖擊速度，可以最大程度影響噴丸強度，通過Almen 試片基礎試驗，可以直觀、精確地獲得成形量對各個噴丸工藝參數(shù)的響應值；此外，通過改變噴丸方式（單面噴丸、雙面噴丸、預應力噴丸）、噴丸路徑、覆蓋率，噴丸條帶寬度等，可以獲得復雜的成形曲率。通過結(jié)合優(yōu)化模型，設計最優(yōu)工藝參數(shù)組合及路徑規(guī)劃，對于成形精度的控制和成形效率的提高都是十分有必要的，比如多項式曲線擬合、灰度關聯(lián)、主成分分析、神經(jīng)網(wǎng)絡、遺傳算法等，并最終用于對噴丸參數(shù)或變形的預測。

雖然函數(shù)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡等技術一定程度上可以實現(xiàn)噴丸參數(shù)或變形量的預測，但由于數(shù)學函數(shù)一般僅能反映各個參數(shù)的響應靈敏度，不能揭示噴丸成形機理，而人工神經(jīng)網(wǎng)絡的優(yōu)化方法在隱式傳遞函數(shù)和權(quán)值賦予上具有優(yōu)勢，在輸入層和輸出層顯式層面或超出試驗數(shù)據(jù)范疇時并不準確，仍然需要依靠試驗數(shù)據(jù)進行擬合?；诖?，在進行噴丸工藝參數(shù)優(yōu)化之前，需進行噴丸成形的機理研究，獲得整體壁板在任意點曲率、厚度與噴丸變形相關的物理量，建立關于不同噴丸工藝參數(shù)組合優(yōu)化、成形尺寸相關聯(lián)的系統(tǒng)化理論模型和工具，根據(jù)噴丸變形量和基礎試驗中獲得的材料變形對噴丸參數(shù)的響應規(guī)律，利用噴丸參數(shù)設計工具最終完成噴丸參數(shù)的設計。

結(jié)論

目前，國內(nèi)南京航空航天大學、西北工業(yè)大學和航空工業(yè)西飛正在就壁板噴丸成形延展量的計算及補償技術開展相關研究工作，并首次采用應變片對C919 機翼壁板的延展量進行跟蹤測量，取得了一定進展。噴丸延展問題的探討和解決是未來整體機翼壁板制造關鍵，需要考慮材料本身物理屬性、加工環(huán)境、工藝參數(shù)等多個因素的影響，建立一套系統(tǒng)化、集成化的設計體系，對各道次工序工藝參數(shù)設計、數(shù)值模擬精度、板坯展開方法等多個方面展開進一步深入研究。