带孔板超声波喷丸成形研究

成秋云　张弥涛　吴德轶　李　明

(①中国电子科技集团第四十八研究所，湖南 长沙 410111；②湖南红太阳光电科技有限公司，湖南 长沙 410205)



带孔板超声波喷丸成形研究

成秋云①②张弥涛②吴德轶①②李明②

(①中国电子科技集团第四十八研究所，湖南 长沙 410111；②湖南红太阳光电科技有限公司，湖南 长沙 410205)

为探索超声波喷丸成形技术对带孔板铝合金的单曲率喷丸成形效果，通过对喷丸成形后带孔板的成形曲率半径和成形缺陷进行研究，分析了带孔板的喷丸成形特点；构建了带孔板喷丸成形质量评估体系；探讨了喷丸工艺参数对带孔板喷丸成形质量的影响。结果表明：孔的存在使带孔板孔周围残余压应力得到一定程度的释放，导致孔区域曲率半径变大；采用(5%～10%)D的喷丸孔边距可以有效避免孔边缘轮廓的变形,大于1.5 A的电流强度可以显著的提高喷丸成形能力，3 mm撞针喷丸轨迹间距为1.5～2.4 mm时带孔板的喷丸成形效果最佳。

喷丸参数；残余应力；曲率半径；孔边距；喷丸区域宽度；电流强度

复杂航空结构壁板通常带有减轻孔，装配孔，工艺孔等结构，在喷丸成形过程中，经常发生孔区变形、开裂、应力集中等问题，主要原因是由于喷丸引入的残余应力场分布导致的，而喷丸后靶材的残余应力场分布与喷丸工艺规范又有直接关系[1-2]。本文从喷丸成形工艺的角度探讨适合带孔板喷丸成形的相关工艺参数水平，为带孔板的超声波喷丸成形提供工艺参考。

国内外学者对超声波喷丸成形技术展开了一定程度的研究，主要集中在超声波喷丸后靶材的残余应力场和成形曲率的研究[3-5]。高琳[6]对板料的超声波喷丸成形进行了探索研究，讨论分析喷丸强度、喷丸时间和撞针直径等超声波喷丸参数对板料弯曲变形的影响。胡凯征等人[7]应用等效静态载荷温度场模拟了壁板的喷丸成形整体效果。T. Hong，J.Y. Ooi[8]利用有限元模拟分析了喷丸参数和喷丸后残余应力场的定量关系。H.Y. Miao[9]采用Anasys的隐式分析法计算了喷丸后壁板展向和弦向的弧高值和曲率半径。但是关于带孔板的超声波喷丸成形研究很少，有待进一步的研究。

1　试验条件

1.1试件尺寸

超声波喷丸试件几何参数如图1，喷丸试验件尺寸160 mm×100 mm×2 mm，圆孔直径D为60 mm，S为喷丸区域宽度，L为喷丸区域至孔轮廓的径向距离(孔边距)，S、L分别取孔直径D的百分比数值；喷丸轨迹采用Z形喷丸轨迹。

1.2试验方案

试验方案安排如表1。

2　带孔板喷丸成形特点

2.1曲率变化与残余应力场分布

在对带孔板进行喷丸工艺研究前，先对带孔板喷丸成形特点进行分析，比较带孔板与不带孔板在相同喷丸条件下的成形特点。图2为纵向上各点的横向曲率和沿板厚深度方向残余应力分布图。

从图2中可以看出：(1)带孔板与不带孔板在经过超声波喷丸成形后，纵向上各点的横向曲率半径并不相等，带孔板纵向上各点的横向曲率半径最大差值为122 mm，不带孔板纵向上各点的横向曲率半径最大差值为146 mm，这说明带孔板的单曲率成形效果比不带孔板要好。(2)带孔板与不带孔板在喷丸区域的中间部位(带孔板在纵向坐-60 mm，60 mm处；不带孔板在纵向坐标为0 mm处)达到曲率半径最小值，而在喷丸区域两端(带孔板纵坐标-80 mm，-30 mm，30 mm，80 mm处；不带孔板在纵坐标-80 mm，80 mm处)曲率半径相对较大，主要原因是由于喷丸后残余应力在喷丸区域中间部位集聚，而在喷丸区域边缘部位得到释放，如图2b所示。(3)孔的存在使带孔板在孔周围(纵坐标-50～50 mm处)的横向曲率半径大于不带孔板相应部位横向曲率半径，并且孔边缘轮廓会产生一定程度的变形。

2.2成形质量评估

试件经过喷丸后，由于孔的影响和残余应力场分布的不均匀，导致孔区域曲率与喷丸区域曲率不相等，而且在喷丸延展性的作用下，孔边缘轮廓会产生变形。为了评估带孔板喷丸成形质量，采用以下3种指标来衡量喷丸成形质量(如图3所示)：(1)用孔区域曲率半径(AB弧曲率半径)来衡量喷丸成形后带孔板的成形量。(2)用曲率半径差值(AB弧曲率半径与喷丸区域横向曲率半径的差值)来衡量喷丸成形后孔区域曲率的精度。(3)用圆孔异形度(喷丸成形后孔最大直径与最小直径的差值)来表征孔边缘轮廓的异形程度。

3　喷丸工艺研究

3.1孔边距L的影响

在喷丸延展性的作用下带孔板圆孔尺寸会发生变化，并且孔边缘材料受到挤压会向孔内移动，导致孔边缘轮廓变形，并产生应力集中，严重影响带孔板的装配精度和疲劳寿命。通过对不同孔边距L喷丸成形情况下的孔区域成形曲率半径、曲率半径差值、圆孔异形度的研究，找到适合带孔板喷丸成形的孔边距。

通过对图4结果分析可以得出：(1)当孔边距L小于5%D时，孔区域曲率半径和曲率半径差值都较小，带孔板的成形量大，成形精度高，但此时圆孔异形度却达到最大值1.8 mm，严重影响带孔板的装配精度。(2)当孔边距L为(5%～10%)D时，孔区域曲率半径和曲率半径差值都有所增加，但增加量较小，而且此时圆孔异形度明显减小，带孔板喷丸成形质量最理想。(3)孔边距L大于10%D时，孔区域曲率半径和曲率半径差值都明显增大，带孔板的成形能力与成形精度都受到很大影响。根据孔边距对带孔板成形质量的综合影响分析可得：过大和过小的孔边距都不利于带孔板的成形质量，选定孔边距L=(5%～10%)D为带孔板喷丸成形最佳范围。

表1试验方案

喷丸参数参数水平其他喷丸参数带孔板不带孔板S=30%D,L=0%D,喷丸电流I=1.5A,喷丸轨迹间距为1.5mm,撞针直径d=3mm。孔边距L(0～20%)DS=30%D,喷丸电流I=1.5A,喷丸轨迹间距为1.5mm,撞针直径d=3mm。喷丸区域宽度S(10%～80%)DL=5%D,喷丸电流I=1.5A,喷丸轨迹间距为1.5mm,撞针直径d=3mm。喷丸电流强度0.5～3AS=30%D,L=5%D,喷丸轨迹间距为1.5mm,撞针直径d=3mm。喷丸轨迹间距0.5～3mmS=30%D,L=5%D,喷丸电流I=1.5A,撞针直径d=3mm。

3.2喷丸区域宽度S的影响

在孔边距L为5%D的基础上，探讨喷丸区域宽度对带孔板喷丸成形质量的影响，为带孔板喷丸成形时选择合适的喷丸区域宽度提供参考。

从图5可以看出：(1)随着喷丸区域宽度的增大，孔区域曲率半径变小，在S=30%D时，孔区域曲率半径为648 mm，比S=10%D时曲率半径减小了39.3%，随着喷丸区域宽度的进一步增大，孔区域曲率半径缓慢变小并趋于饱和。(2)曲率半径差值随喷丸区域宽度S的增加而增大，S=80%D时比S=10%D时的曲率半径差值增大了6～8倍，当喷丸区域宽度S<50%时，曲率半径差值小于200 mm，孔区域成形精度较高。综合喷丸区域宽度S对带孔板成形质量的影响，选取喷丸区域宽度S=30%～50%D为带孔板喷丸成形最佳范围。

3.3电流强度的影响

探讨不同的喷丸电流强度作用下带孔板的喷丸成形质量，为带孔板喷丸成形选择合适的喷丸电流强度提供参考。

从图6分析可得：(1)电流强度对带孔板成形量影响作用较大，较小的电流强度对带孔板成形能力有限，电流强度为1.5 A时比电流强度0.5 A时孔区域曲率半径减小了69.8%，当电流强度进一步增大时，孔区域曲率半径减小程度变缓；(2)电流强度对曲率半径差值影响是很小的，电流为3 A时仅仅比电流为0.5 A时曲率半径差值增加了22 mm，原因是由于随着电流强度的增大，喷丸区域曲率半径和孔区域曲率半径都减小，而且减小幅度比较接近。综合电流强度对带孔板喷丸成形质量的影响可得：超声波喷丸成形时，为了获得较小的成形曲率半径，应尽量选取较大的电流强度。

3.4喷丸轨迹间距的影响

对于数控超声波喷丸成形，喷丸轨迹间距影响了喷丸覆盖率，通过分析不同喷丸轨迹间距时带孔板的成形质量，为选择合适的喷丸轨迹间距提供参考。

由图7分析可得:(1)当轨迹间距小于1.5 mm时，孔区域曲率半径小于504 mm，喷丸成形能力较强，但此时曲率半径差值较大，达到了为245 mm，主要原因是由于喷丸轨迹间距过小时，喷丸区域中间部位残余压应力集聚过大，产生“凸峰”变形趋势，曲率半径差值增大。(2)当喷丸轨迹间距大于2.4 mm时，孔区域曲率半径增大较明显，可见较大的喷丸成形间距不利于喷丸成形能力的提高。综合喷丸轨迹间距对带孔板成形质量的影响，选取喷丸轨迹间距1.5～2.4 mm为带孔板喷丸成形最佳范围。

4　结语

(1)带孔板在超声波喷丸成形时孔周围残余压应力得到一定程度的释放，使得孔区域曲率半径变大，孔区域曲率半径与喷丸区域曲率半径最大差值变小。

(2)喷丸孔边距对孔边缘轮廓形状影响较大，采用(5%～10%)D的喷丸孔边距可以有效地避免孔边缘轮廓的变形；喷丸区域宽度为(30%～50)%D时带孔板有较好的喷丸成形质量。

(3)电流强度对喷丸成形曲率半径影响较大，对于2 mm厚铝合金板当电流强度大于1.5 A时可以显著地提高喷丸成形能力；直径为3 mm的撞针在喷丸轨迹间距为1.5～2.4 mm时带孔板的喷丸成形效果最佳；喷丸轨迹间距过小时，孔区域曲率半径不再进一步变小，而且曲率半径差值显著增大。

[1]Cadario A,B Alfredsson. Influence of residual stresses from shot peening on fretting fatigue crack growth [J]. Fatigue Fract Engng Mater Struct, 2000,30：947-963.

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[3]Gariépy A,Cyr J,Levers A.Potential applications of peen forming finite

element modelling[J].Advances in Engineering Software,2012(52):60-71.

[4]Cherif A, Pyoun Y,Scholtes B.Effects of ultrasonic nanocrystal surface modification(UNSM)on residual stress state and fatigue strength of AISI 304[J]，Journal of Materias Engineering and Performance,2010，2(19)：282-286.

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[9]Miao H Y，Larose S， Perron C，et al．Numerical simulation of the stress peen forming process and experimental validation[J]．Advances in Engineering Software，2011，42：963-975.

(编辑谭弘颖)

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Study on ultrasonic peen forming of perforated plate

CHENG Qiuyun①②,ZHANG Mitao②,WU Deyi①②,LI Ming②

(①Forty-eighth Research Institute,China Electronics Technology Group Corporation,Changsha 410111，CHN; ②Hunan Red Sun Photoelectricity Science and Technology Co.,Ltd.，Changsha 410205，CHN)

In order to explore the single curvature peen forming effect of ultrasonic peen forming technique for perforated plate aluminum alloy, the paper studied the forming curvature radius and forming defect of peen formed perforated plate, analyzed peen forming characteristics of perforated plate;built the peen forming quality assessment system of perforated plate;and discussed the influences of shot-peening process parameters on peen forming quality of perforated plate. The result showed that the existence of holes made the residual pressure stress around the perforated plate release to some extent, and resulted in curvature radius in hole area to enlarge; the adoption of shot-peened hole edge distance of( 5%～10%)d could efficiently avoid the deformation at edge contour of hole, the current strength over 1.5A could apparently improve the peen formability, and the best peen forming effect could be realized for perforated plate by using 3mm striking pin and when shot-peening track gap was 1.5～2.4mm.

peen parameter;residual stress;curvature radius;hole edge distance;shot-peening area width;current strength

TH142.2

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.06.025

2015-12-15)

160641