CN114888724B - 一种基于平面度控制的铝合金“c”型梁喷丸加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于平面度控制的铝合金“C”型梁喷丸加工方法。采用反向预喷丸校形与保形喷丸强化相结合的方法，利用大弹丸预喷丸校形使零件形成与翘曲方向相反的反向变形，消除机械加工的零件翘曲，同时为后续喷丸强化加工可能引起的翘曲变形预留变形空间，在喷丸强化中根据零件变形趋势，在零件的不同表面采取不同的喷丸强度，从而抑制零件喷丸强化带来的变形，确保喷丸加工后零件平面度合格。

Description

一种基于平面度控制的铝合金“C”型梁喷丸加工方法

技术领域

本发明涉及喷丸加工领域，是一种消除铝合金“C”型梁在机械加工和喷丸强化中因零件翘曲造成的平面度变形的喷丸加工方法。

背景技术

现代飞机的机翼翼梁一般采用铝合金材料，以包含上下缘条、腹板和加强筋，以“C”型或“H”型截面结构为主，翼盒装配时对翼梁腹板的平面度要求较高。

梁是飞机机翼的重要受力构件，飞行中需承受机翼的弯矩和剪力，对疲劳性能要求较高，所以在机械加工后，还需进行喷丸强化加工以提高其抗疲劳性能。

“C”型梁在机械加工过程中，零件材料的去除95％发生在槽腔面，两侧余量去除不均衡，单侧加工量过大，材料的单面去除后材料内部应力二次分配，应力截面变化剧烈，往往会产生沿长度方向的朝向槽腔开口的零件变形，造成平面度超差。喷丸强化加工中，因为引入了新的残余应力，该变形可能进一步增大。传统的钣金等冷工艺校形有造成零件表面的微裂纹、压痕等缺陷的潜在风险，影响产品表面质量和疲劳寿命。若在喷丸强化前进行冷校形，还会造成喷丸强化过程中发生回弹变形。因此，喷丸加工环节不仅需要对机械加工后的平面度超差进行校正，还需要控制喷丸强化过程的零件变形。

现有技术中，专利号CN106541333B的“一种“H”型悬臂结构喷丸后变形的校形方法”仅针对零件在喷丸强化后的变形进行喷丸校形，并没有对喷丸强化过程本身的变形进行控制，且喷丸强化后零件表面已均布硬化层，再次进行喷丸校形的效果有限，无法达到合格的平面度。专利号CN110102603A的“铝合金纵梁零件变形的冷校形方法”采用了预应力喷丸校形，需要制造专用的预应力夹具，增加成本，且只针对机加后零件外形发生的扭曲变形，无法解决喷丸强化带来的变形问题。专利号CN110293151B的“一种钛合金滑轨类零件槽口变形的校形方法”采用了旋片喷丸校形的方法，该方法是一种手动校形方法，适用于尺寸规格较小或变形区域较小的零件，对于机翼“C”型梁这种整体变形的大型结构件的校形效率极低，并不适用。

发明内容

本发明旨在解决背景技术中提到的“C”型梁机械和喷丸加工中的翘曲变形问题，提出了一种基于平面度控制的铝合金“C”型梁喷丸加工方法。

本发明的技术方案如下：

步骤1使用卡板式平面度检验工装进行平面度测量。

喷丸校形前，使用卡板式平面度检验工装进行平面度测量为将零件放置于卡板式平面度检验工装上，使用塞尺或其它量具测量零件与检验工装卡板的间隙。

步骤2反向预喷丸校形。

喷丸校形的弹丸选择：弹丸的名义直径不小于0.5mm，且不小于喷丸强化使用的弹丸名义直径的2倍；

喷丸校形的空气压力选择：测试所选择的弹丸在不同空气压力下撞击在与零件相同材料的试板上的凹坑直径，其可接受的最大凹坑直径不超过弹丸名义直径的0.4倍，以此确定喷丸校形的最大空气压力；

对翼梁上下缘板中性层以上的两侧区域同时喷丸，通过上下缘板延展使翼梁形成与强化后变形相反方向的预弯曲，即翼梁整体呈现朝向腹板上表面的弯曲。此步骤的零件覆盖率小于50％；

喷丸校形后，将零件放置于卡板式平面度检验工装上，使用塞尺或其它量具测量零件与检验工装卡板的间隙，如果平面度不满足工程图纸要求或未呈现与强化后变形方向相反的预弯曲，重复步骤2，直至平面度满足工程图纸要求且呈现与强化后变形方向相反的预弯曲。

步骤3保形喷丸强化；

喷丸强度确定：在工程图纸规定的喷丸强度范围内，建立代表零件上下缘板两侧面、加强筋两侧面、腹板上下表面位置的试片的饱和曲线。代表上下缘板两侧面、加强筋两侧面、腹板上表面的试片建立大强度饱和曲线，其饱和曲线强度值等于或近似喷丸强度范围的上限值减去强度验证公差的绝对值；代表腹板下表面的试片建立小强度饱和曲线，其饱和曲线强度值等于或近似喷丸强度范围的下限值加上强度验证公差的绝对值；

使用大强度饱和曲线对应的工艺参数对上下缘板两侧面、加强筋两侧面、腹板上表面进行喷丸强化，此步骤的零件覆盖率为100％；

使用小强度饱和曲线对应的工艺参数对腹板下表面进行喷丸强化，此步骤的零件覆盖率为100％；

喷丸强化后，将零件放置于卡板式平面度检验工装上，使用塞尺或其它量具测量零件与检验工装卡板的间隙，记录平面度。

若平面度不合格，标记平面度超差区域，并继续执行步骤4和步骤5。

步骤4局部喷丸校形。

采用步骤2确定的校形弹丸和空气压力对步骤3保形喷丸强化后的平面度超差区域进行局部喷丸校形；

局部喷丸校形后，将零件放置于卡板式平面度检验工装上，使用塞尺或其它量具测量零件与检验工装卡板的间隙，对平面度超差区域，重复步骤4，直至平面度满足工程图纸要求。

步骤5补喷丸强化。

对步骤4局部喷丸校形区域以外的零件表面进行遮蔽保护。

按照步骤3对步骤4的局部喷丸校形区域进行补喷丸强化。

本发明的有益效果有：

1不需要使用额外的模具和预应力工装。

2不会影响喷丸强化后的零件表面质量。

3不会影响零件疲劳性能。

4校形能量大，可用于刚性较大的零件的校形。

5校形效率高，特别适合稳定加工的批产零件。

以下结合附图及实施例对本申请作进一步的详细描述。

附图说明

图1是飞机铝合金“C”型梁示例

图2是“C”型梁截面结构示例

图3是“C”型梁变形示例

图4是“C”型梁平面度测量示例

图中编号说明：1腹板、2上缘板、3下缘板、4加强筋、5基准面、6初始外形、7喷丸校形后外形、8喷丸强化后外形、9平面度检验工装、10卡板

具体实施方式

以图1所示的飞机铝合金“C”型梁为例，进一步说明本发明的具体实施方式。

图1所示的飞机“C”型截面结构的梁，采用7050－T7651铝合金，包含腹板1、上缘板2、下缘板3和加强筋4结构，其中，腹板1下表面为翼梁的基准面5。

工程图纸要求：喷丸强化弹丸规格ASH230，喷丸强度0.15～0.25mmA，强度验证公差±0.025mmA，覆盖率不小于100％；自由状态基准面5平面度不超过0.25mm。

如图1－4所示，具体实施步骤为：

1)反向预喷丸校形前，将零件放置在平面度检验工装9上，测量自由状态下零件初始外形6的平面度。即用塞尺测量零件基准面5与工装卡板10的间隙，实测值见表1。最大间隙0.40mm，位于零件端头，超出平面度0.25mm的要求。

2)确定喷丸校形弹丸为ASH460。工程图纸要求喷丸强化弹丸ASH230，名义直径为0.58mm。ASH460弹丸名义直径为1.16mm，是ASH230弹丸的2倍。

3)使用ASH460弹丸，弹丸流量5kg/min，在0.25～0.5MPa的不同空气压力下喷丸7050－T7651铝合金试板，每种空气压力下在试板表面随机选择10个弹丸凹坑，用显微镜或放大镜测量其直径，ASH460弹丸凹坑直径实测值见表2。0.3MPa空气压力下的最大凹坑直径0.45mm，不大于ASH460弹丸直径的0.4倍，即4.64mm。确定喷丸校形的最大压力为0.3MPa。

4)使用ASH460弹丸，弹丸流量8kg/min，上缘板2的喷丸压力0.3MPa，下缘板3的喷丸压力0.28MPa，对上下缘板两侧中性层以上区域进行对喷，喷丸速度2.4m/min，覆盖率30％。

5)反向预喷丸校形后，将零件放置在平面度检验工装9上，测量自由状态下零件喷丸校形后外形7平面度，即用塞尺测量零件基准面5与卡板10的间隙，实测值见表1。最大间隙0.12mm，位于零件中部，且满足平面度0.25mm的要求。

6)对上下缘板两侧、加强筋两侧和腹板上表面这五处典型区域设置强度验证试片1～5，使用ASH230弹丸建立强度接近0.225mmA(喷丸强度范围的上限值0.25mmA－强度验证公差的绝对值0.025mmA)的大强度饱和曲线。经试验，空气压力0.19MPa、弹丸流量10kg/min时，试片1～5的饱和曲线强度值分别为0.215mmA、0.212mmA、0.213mmA、0.216mmA和0.232mmA。

7)对腹板下表面这一处典型区域设置强度验证试片6，使用ASH230弹丸建立强度接近0.175mmA(喷丸强度范围的下限值0.15mmA+强度验证公差的绝对值0.025mmA)的小强度饱和曲线。经试验，空气压力0.16MPa、弹丸流量10kg/min时，试片6的饱和曲线强度值为0.178mmA。

8)使用步骤6)确定的大强度的喷丸参数，即空气压力0.19MPa、弹丸流量10kg/min，喷丸上缘板2两侧面、下缘板3两侧面、加强筋4两侧面和腹板1上表面，保证100％覆盖率。

9)使用步骤7)确定的小强度的喷丸参数，即空气压力0.16MPa、弹丸流量10kg/min，喷丸腹板1下表面，保证100％覆盖率。

10)保形喷丸强化后，将零件放置在平面度检验工装9上，测量自由状态下零件喷丸强化后外形8平面度，即用塞尺测量零件基准面5与工装卡板10的间隙，实测值见表1。下缘板9号卡板处间隙0.26mm，超出平面度0.25mm的要求，使用记号笔对该处超差区域进行标记。

11)使用ASH460弹丸，弹丸流量8kg/min，喷丸压力0.3MPa，对超差区域的下缘板3两侧中性层以上区域进行对喷，喷丸速度2.4m/min，覆盖率30％。

12)局部喷丸校形后，将零件放置在平面度检验工装9上，测量自由状态下零件平面度，即用塞尺测量零件基准面5与卡板10的间隙，实测值见表1。下缘板9号卡板处间隙0.23mm，满足平面度0.25mm的要求。

13)使用保护胶带和橡胶皮对步骤11)局部喷丸校形区域以外的零件表面进行遮蔽保护。按照步骤8)，对局部喷丸校形区域进行补喷丸强化。

该实施例为首次加工产品，步骤2)和步骤3)确定的喷丸校形参数、以及步骤6)和步骤7)确定的喷丸强化参数，均可应用于同产品的后续加工，批产过程中不需要重复进行以上步骤。

表1平面度实测记录

表2 ASH460弹丸凹坑直径

以上对本发明的具体实施例进行了描述，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，并不影响本发明的实质内容。

Claims (4)

1.一种基于平面度控制的铝合金“C”型梁喷丸加工方法，其特征在于包括以下步骤：

1－1使用卡板式平面度检验工装进行平面度测量；

1－2反向预喷丸校形，具体过程为：

1－2－1喷丸校形的弹丸选择：弹丸的名义直径不小于0.5mm，且不小于喷丸强化使用的弹丸名义直径的2倍；

1－2－2喷丸校形的空气压力选择：测试所选择的弹丸在不同空气压力下撞击在与零件相同材料的试板上的凹坑直径，其可接受的最大凹坑直径不超过弹丸名义直径的0.4倍，以此确定喷丸校形的最大空气压力；

1－2－3对翼梁上下缘板中性层以上的两侧区域同时喷丸，通过上下缘板延展使翼梁形成与强化后变形方向相反的预弯曲，即翼梁整体呈现朝向腹板上表面的弯曲，空气压力不超过步骤3－2确定的最大喷丸压力，此步骤的零件覆盖率小于50％；

1－2－4将零件放置于卡板式平面度检验工装上，测量零件与检验工装卡板的间隙，如果平面度不满足工程图纸要求或未呈现与强化后变形方向相反的预弯曲，重复步骤3－3，直至平面度满足工程图纸要求且呈现与强化后变形方向相反的预弯曲；

1－3保形喷丸强化，具体过程为：

1－3－1喷丸强度确定：在工程图纸规定的喷丸强度范围内，建立代表零件上下缘板两侧面、加强筋两侧面、腹板上下表面位置的试片的饱和曲线，代表上下缘板两侧面、加强筋两侧面、腹板上表面的试片建立大强度饱和曲线，其饱和曲线强度值等于喷丸强度范围的上限值减去强度验证公差的绝对值；代表腹板下表面的试片建立小强度饱和曲线，其饱和曲线强度值等于喷丸强度范围的下限值加上强度验证公差的绝对值；

1－3－2使用大强度饱和曲线对应的工艺参数对上下缘板两侧面、加强筋两侧面、腹板上表面进行喷丸强化，此步骤的零件覆盖率为100％；

1－3－3使用小强度饱和曲线对应的工艺参数对腹板下表面进行喷丸强化，此步骤的零件覆盖率为100％；

1－3－4将零件放置于卡板式平面度检验工装上，使用塞尺或其它量具测量零件与检验工装卡板的间隙，记录平面度，如果存在超差区域，使用记号笔进行标记；

1－4局部喷丸校形；

1－5补喷丸强化。

2.根据权利要求1所述的一种基于平面度控制的铝合金“C”型梁喷丸加工方法，其特征在于所述的使用卡板式平面度检验工装进行平面度测量为将零件放置于卡板式平面度检验工装上并测量零件与检验工装卡板的间隙。

3.根据权利要求1所述的一种基于平面度控制的铝合金“C”型梁喷丸加工方法，其特征在于所述的步骤1－4局部喷丸校形_，具体过程为：

3－1采用步骤1－2－1和步骤1－2－2确定的校形弹丸和空气压力，对平面度超差区域进行局部喷丸校形；

3－2将零件放置于卡板式平面度检验工装上，测量零件与检验工装卡板的间隙，对平面度超差区域，重复步骤3－1，直至平面度满足工程图纸要求。

4.根据权利要求1所述的一种基于平面度控制的铝合金“C”型梁喷丸加工方法，其特征在于所述的步骤1－5补喷丸强化，具体过程为：

4－1对步骤3－1的局部喷丸校形区域以外的零件表面进行遮蔽保护；

4－2按照步骤1－3－2或1－3－3对局部喷丸校形区域进行补喷丸强化。