CN100431793C - 一种大型复杂双曲率机翼壁板弦向喷丸成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及制造技术领域，特别是为解决大型复杂外形机翼壁板弦向喷丸成形提供一种新的技术方法。主要是通过对壁板几何形状的分析和等强度区域的划分，规划喷丸路径并确定喷丸参数。可有效的解决大型复杂机翼壁板如何确定喷丸参数的问题。

Description

一种大型复杂双曲率机翼壁板弦向喷丸成形方法

技术领域：

本发明涉及制造技术领域，特别是一种大型飞机复杂外型机翼壁板的成形方法。

背景技术：

为了提高现代新型飞机的气动性能和巡航速度，降低油耗，在机翼设计上均选用超临界双曲率翼型，其机翼壁板大多采用无长桁厚蒙皮结构，壁板外形曲率和厚度呈双向变化，目前此种壁板成形的首选方法是喷丸成形，成形的对象是壁板设计3D数模的展开毛坯。此种大型机翼壁板的厚度和曲率分布比基本工艺参数试验件的试验设计要复杂的多，在较大区域内严格按照机翼壁板的厚度和曲率半径精确改变喷丸参数进行喷丸成形不但需要惊人的时间而且是不可行的，因此喷丸成形初始工艺方法和工艺参数的选择一直是解决此类现代大型壁板成形的关键技术。从数学角度分析，双曲率壁板外形面上每个点的曲率一般是由方向相互垂直或成一定角度的极大和极小两个主曲率构成，并且极大曲率的方向往往近似与壁板弦向一致，称为弦向曲率；极小曲率的方向往往近似与壁板展向一致，称为展向曲率，从理论上讲只要成形出壁板外形面上每个点的弦向和展向两个主曲率，即可成形出所要求的曲面形状，因此，根据成形的目的可将壁板成形分为弦向成形和展向成形，分别用于成形弦向曲率和展向曲率。但大型机翼壁板通常具有较大的展弦比，而且壁板弦向曲率要大于展向曲率，在实际中弦向曲率形成后，展向曲率的形成一般要靠对壁板局部进行对喷延展放料形成，且延展的区域与量值较小，因此弦向曲率成形是大型双曲率壁板喷丸成形的核心。本发明就是对解决大型复杂外形机翼壁板弦向喷丸成形提供一种新的技术方法。

发明内容：

与传统全面宽幅喷丸成形方法不同，本发明在成形弦向曲率时是采用极窄的条带喷丸方式按一定喷丸路径和喷丸工艺参数成形出主要的弦向外形，提出的大型机翼壁板弦向喷丸成形技术问题的处理分为以下4个主要步骤：

1)通过几何分析得到壁板外形各主要结构点上的曲率和厚度分布；

2)喷丸路径规划：喷丸路径曲线沿曲面等百分线的方向，喷丸路径通过壁板曲面上极小曲率半径较小的部位和壁板较厚部位，形成带状喷丸路径；

3)等强度区域的划分和确定：以壁板厚度变化作为主要因素，划分近似厚度区，在近似厚度区内以曲率半径为主要因素划分出等曲率区，近似厚度区内的等曲率区即为等强度区；

4)确定喷丸参数：将壁板上的等强度区与喷丸路径规划拟合，分别设定各等强度区的喷丸参数，将沿喷丸路径上的各等强度区的喷丸参数串接构成整体壁板的喷丸参数。

■外形曲率和厚度分析

机翼壁板的3D设计数模由结构信息和外形曲面两部分构成，其中结构信息是以壁板投影图上的若干条曲线段来表示，由不同曲线段构成若干区域，每个区域具有相同的厚度变化规律，外形曲面是以离散的按一定规则排列的一系列点表示。曲率描述了曲面在某点处的局部几何性质，是曲面的重要微分几何特性，主曲率是该点局部形状的体现，Gauss曲率可以确定曲面上点的性质。在规划壁板喷丸路径和设计初步喷丸工艺参数前必须对壁板外形曲面进行几何分析，以获取壁板特征点上厚度与曲率两个关键数据。

壁板结构上的特征点，将壁板设计肋位线和长桁轴线在壁板外表面投影的交点设为壁板结构上的特征点，对特征点的几何特征分析主要包括以下两个方面：

1、特征点上的外形曲面分析：用CATIA系统平台的分析analysis功能模块对3D理论数模的外形曲面进行几何分析，可以获得的曲面数据有截面曲率、主曲率、Gauss曲率等，其内部在计算时通常是由曲面参数按解析式得到的，精度比较高。几何曲率中的主曲率是壁板喷丸成形工艺设计中最主要的参数，主曲率一般分为C_max和C_min，其中C_max对应极大曲率，其曲率半径值R_min最小，称为弦向曲率；C_min对应极小曲率，其曲率半径值R_max最大，称为展向曲率。

2)特征点上的厚度分析：使用CATIA系统平台的测量Measure功能模块可以直接获得各处壁板的截面厚度。同时对壁板上的加强凸台、口框边缘和超薄下陷等特殊区域也应进行厚度分析。

对外形复杂区域的特征点的选择也可以扩展到在相邻肋位间加入的与肋线平行的若干条线与长桁轴线在壁板外表面投影的交点。总之，特征点选择的越多，越利于对壁板特征的描述，但过多的特征点又使分析变得过于复杂。

■喷丸路径规划

喷丸路径是指在壁板表面进行选择性喷丸成形时，喷嘴或叶轮运动的路线或弹丸形成的轨迹。喷丸路径实质上反映了壁板外形曲面的成形规律，对大型复杂双曲率壁板的外形成形具有决定性影响。传统直纹面单曲率外型壁板喷丸路径可按等百分线设定，而大型复杂双曲面外型机翼壁板，其外形构成是由多个控制面生成，没有确定的等百分线，因此如何规划喷丸路径是解决此类壁板喷丸成形的最大难题。

复杂机翼壁板喷丸路径的规划难度很大，要分别考虑壁板曲面曲率分布、参考等百分线方向、厚度分布以及喷丸路径间距等影响因素，路径规划的一般应遵照的原则为：

1)喷丸路径曲线的方向应尽量沿曲面等百分线的方向：由于复杂翼型曲面没有确定一致的等百分线，在规划喷丸路径时首先使用翼型设计采用的所有弦向控制曲线构造等百分线，作为该翼型曲面的参考等百分线；

2)受曲面外形影响，弦向喷丸路径应与曲面上特征点中极大曲率半径R_max的方向一致，并尽量通过极小曲率半径R_min中数值较小的点。

3)受壁板厚度影响，喷丸路径应尽量通过壁板较厚部位；

4)根据特定机床条带喷丸成形工艺特性，合理调整喷丸路径的宽度和分布间距，满足特定机床的喷嘴或叶轮有效喷丸面积的要求。

综合以上影响因素，喷丸路径的规划过程是首先对壁板外形曲面按肋位线、参考等百分线及必要辅助线进行网格离散化，对各特征点的极大曲率半径R_max的方向进行拟合；再根据喷丸路径规划的一般原则，首先在壁板弦向中心位置的参考等百分线附近获得一条由邻近特征点的极大曲率半径R_max方向拟合的曲线，并调整其大致通过壁板相对较厚的部位；然后根据特定机床条带喷丸基本特性对该拟合曲线的宽度进行交互式调整，获得首条喷丸路径，参见图1。在首条路径确定后，再根据其它参考等百分线依次计算出在该喷丸路径两侧的其它曲线，从而获得弦向曲率成形的喷丸路径。

■等强度区域的划分和确定

等强度区域划分是为了适应机翼壁板外形曲率和厚度的变化，将这种渐变的曲面，分成多个具有近似厚度范围和近似曲率范围的等强度区，再根据等强度区的平均厚度和平均曲率选择该强度区的理论喷丸参数。对大型超临界机翼壁板进行等强度区域的划分应遵循以下原则和步骤：

(1)以厚度变化作为主要因素，划分近似厚度区：

根据有关试验数据，当壁板厚度由4mm增加到8mm时，要成形出相同曲率半径，喷丸强度需要增加接近4倍，此区间近似厚度区的厚度差以1mm-2mm划分为宜；当厚度大于8mm时对近似厚度区的划分应依次减少厚度差间隔，同样对于小于4mm的区域也要单独划分，因为成形此厚度的铝合金板件需要的强度值较小，有时还需要遮蔽保护，此区域一般接近壁板翼稍部位。

(2)在近似厚度区内以曲率半径为主要因素划分等曲率区：

对各特征点所作的曲率分析数据是对壁板曲面进行分析的依据，在两个主曲率中以弦向曲率半径R_min的变化为主。大型机翼壁板的弦向曲率半径R_min介于2500mm～10000mm之间，并以介于5000mm～8000mm之间的弦向曲率半径居多，其中小于4000mm的曲率半径多集中在壁板翼稍位置，此区域壁板厚度较薄，易于成形，因此将壁板曲率半径可分为4000mm以下，5000mm～6000mm，6000mm～8000mm和8000mm以上4种等效曲率。

(3)区域划分完成后，要对沿喷丸路径上的每个区域按界定厚度和曲率半径给出等效板厚和等效曲率，对每一分区内与等效板厚和等效曲率值相差较大区域应单独予以分析，看是否应归入相邻区域或单独处理。

■弦向喷丸成形初始工艺参数确定

将大型壁板分成的每一个等效厚度和等效曲率区域，在进行喷丸成形时对同一区域可以按照相同的喷丸参数进行喷丸，因此这些区域可称为等强度区。因区域本身的排列并没有一定的规则，只有将此区域反映到喷丸路径上，才能够通过改变喷丸参数实现强度的变化，将喷丸路径与等强度区拟合后，形成一种沿喷丸路径的不同强度段，将各强度段的理论喷丸参数串接集成弦向喷丸成形初始工艺参数。

可以看出喷丸路径规划和壁板等强度区域划分并没有严格的先后次序，如果交互进行更有利于二者的优化设计。不同的等强度区域划分仍需要结合前期对壁板各特征点进行的外形曲率和厚度分析，但又要侧重对已规划好的喷丸路径中心线与各肋位线或必要辅助线在壁板外表面投影线的交点进行曲率和厚度分析。

各等强度区的理论喷丸参数是根据相同曲率半径和板材厚度进行的基础实验数据。对于在壁板上分析出的每一个等强度区域，首先需要确定的是此种等厚度和等曲率区域的理论喷丸参数。这种既考虑数学曲率构成，又考虑壁板厚度的作法实际上是将机翼壁板作为物理曲面处理。由于壁板工件的整体特性与基础实验时试验件的局部特性存在差异，如基础试验件边界条件与整体壁板差别较大，理论喷丸数据在进行壁板整体喷丸时需要调整，如何将基础试验参数移植到整体壁板成形中是一个关键问题。

在本发明中提出通过改变覆盖率来进行基础试验参数向整体壁板成形上移植，可以有效减少改变其它诸多喷丸工艺参数而加剧成形问题的复杂性，利于对大型壁板成形工艺进行设计和优化。

在各区域名义喷丸强度确定以后，唯一要确定的喷丸参数就是机床速度，由于喷丸成形大部分是在小于100％覆盖率下进行的，所以可通过改变机床速度来直接改变被喷板件表面的弹丸覆盖率，条带喷丸时机床速度按对应基础试验所用饱和曲线上20％-50％覆盖率来确定整体壁板喷丸成形初始参数较为科学。

以下结合实施例附图对该申请作进一步描述

具体实施方式：

ARJ21飞机外翼为超临界翼型，其上后壁板是ARJ21飞机外翼壁板中尺寸最大的1件，材料为7055T7751，外形尺寸为长12670mm×宽2130mm，截面最大厚度为δ11.6mm。上后壁板的产品设计数模是用CATIA系统平台由参数化设计技术所建立的壁板3D理论数模，对其典型部位1～10肋按此项发明的步骤形成的结果如下：

1)表1显示对上后壁板6～10肋局部件喷丸路径与肋线交点上两个主曲率和对应厚度的分析情况，表中喷丸路径D22～D46和肋线6～10可参照图1。从表中可以看出，该壁板具有复杂双曲面外形。

(2)图1所示是上后壁板弦向曲率的喷丸路径，图中D22～D46是不同喷丸路径的编号，1～10表示壁板1至10肋位线。超临界翼型所具有的展向外形可以在弦向外形成形完后通过对壁板一定区域进行放料就可得到要求形状，这些区域的确定可以通过壁板弦向和展向变形量的计算和分析得到。

(3)图2所示的是经分区后上后壁板1肋～10肋等强度区的划分情况，共形成a、b、c、d、e、f、g、h、i、j、k、l、m、n、o、p、q、r共18个等强度区域。

(4)图3是上后壁板喷丸路径与强度分区的拟合。拟合后，每条喷丸路径由经过的等强度区分割为不同的等强度段，如喷丸路径D34被分为六个等强度区域段I、II、III、IV、V、VI，沿此路径喷丸工艺参数由各等强度区域段的参数串接集成，其中I段：气压0.26Mpa，速度7.1m/min；II段：气压0.24Mpa，速度6m/min；III段：气压0.25Mpa，速度6.5m/min；IV段：气压0.25Mpa，速度5m/min；V段：气压0.27Mpa，速度5m/min，VI段：气压0.35Mpa，速度7m/min。同此原理，各喷丸路径的喷丸参数均由各等强度段串接集成。实施中机床速度按对应基础试验所用饱和曲线上的30％覆盖率来确定整体壁板喷丸成形初始参数。

(5)图4是按此发明喷丸成形合格的上后壁板。

表1上后壁板6～10肋局部件典型结构点曲率和厚度分布表

说明：“弦向”、“展向”是指壁板外形曲面上的投影线在某交点处沿弦向、展向的弯曲半径，单位是mm。弦展向弯曲半径的正负值表明了投影线在该交点处的弯曲方向：弯向内形表面为正；反之，为负。

Claims (4)

1、一种采用条带喷丸方式对大型复杂双曲率壁板弦向喷丸成形方法，其特征包括：

1)通过几何分析得到壁板外形各主要特征点上的曲率和厚度分布；

2)喷丸路径规划：喷丸路径曲线的方向应尽量沿曲面等百分线的方向，并与曲面上特征点中极大曲率半径的方向一致，喷丸路径通过壁板曲面上极小曲率半径较小的部位和壁板较厚部位，形成带状喷丸路径。

3)等强度区域的划分和确定：以壁板厚度变化作为主要因素，划分近似厚度区，在近似厚度区内以曲率半径为主要因素划分出等强度区，区域划分完成后，要对沿喷丸路径上的每个区域按界定厚度和曲率半径给出等效板厚和等效曲率，对每一分区内与等效板厚和等效曲率值相差较大区域应单独予以分析，看是否应归入相邻区域或单独处理。

4)确定初始喷丸参数：将壁板上的等强度区与规划的喷丸路径拟合，分别设定各等强度区的喷丸参数，再将沿喷丸路径上的各等强度区的喷丸参数串接构成整体壁板的初始喷丸参数。

2、如权利要求1所述的壁板弦向喷丸成形技术，其特征在于所述的各等强度区喷丸参数的初选是以前期喷丸成形基础试验所用喷丸强度对应饱和曲线上20％～50％的覆盖率来确定壁板喷丸成形的参数。

3、如权利要求1所述的壁板弦向喷丸成形技术，其特征在于所述等强度区在壁板厚度为4mm到8mm区间内，等厚度划分间隔的厚度差为1mm-2mm，大于厚度8mm以上时，厚度划分间隔的厚度差要依次递减。

4、如权利要求1所述的壁板弦向喷丸成形技术，其特征在于所述等强度区域的划分和确定，将壁板曲率半径分为4000mm以下，5000mm～6000mm，6000mm～8000mm和8000mm以上4种等效曲率。

Images