[发明专利]一种机翼整体壁板局部铣削失稳的激光喷丸整形方法

说明书

技术领域

本发明涉及航空制造领域，特指机翼整体壁板零件局部铣削失稳的激光喷丸整形方法。

发明背景

机翼整体壁板是现代民用航空器广泛采用的新型整体构件，具有较好的刚度、强度、疲劳性能和气动性能，极大地减少零件数量和降低装配周期，其数控加工成形技术是当今世界航空制造业中的核心内容之一。机翼整体壁板结构集聚了变厚度板、长桁、减轻孔、横向加强肋等特征，通常选用铝合金预拉伸板铣削加工而成，材料去除率高达92％，在残余应力、铣削载荷等因素的影响下，尺寸超差是弱刚性铝合金壁板时常遇到的加工难点。

铣削加工是伴随高温、高压、高应变率的塑性大变形过程，在铣削载荷、热应力和相变等因素的综合作用下会在已加工表面产生加工残余应力，同时材料的去除导致毛坯残余应力的释放和重新分布，这些因素作用下薄板结构的变形不可避免，尤其是机翼整体壁板的翼梢、减轻孔处的平均壁厚介于3～5mm之间，在广义载荷影响下，结构内部应力远小于材料屈服极限应力时，突然产生垂直于载荷方向的位移而丧失承载能力，在微小的载荷扰动下结构位移呈现波动，这种现象称为失稳。失稳与结构刚度密切相关，机翼整体壁板的局部铣削失稳主要原因就是局部区域刚度弱，广义载荷扰动产生失稳。

当前针对机翼整体壁板的局部失稳整形，常用的方法有锤击冷作法、机械喷丸法和超声波喷丸法。锤击冷作法是钳工采用尖锤敲击失稳区域的凸侧表面，由新的塑性变形修复失稳状态，该方法整形效率低、质量一致性难以保证，依赖工人操作经验，而且锤击时易产生表层微观损伤和应力集中。机械喷丸法是利用预设的喷丸密度模型撞击工件表面，以塑性变形和残余压应力修复失稳，但是机械喷丸是利用实体弹丸进行喷射撞击工件表面，以大量弹丸喷射存在喷丸区域难以精确控制、表面粗糙度差的缺点。超声波喷丸法是利用超声波机械作用产生的强烈高频冲击波通过介质作用于材料表面，达到强化表面和改善应力分布的目的，常用介质为撞针和弹丸，本质上是实体撞击产生局部塑性变形，通过累积塑性变形实现整体整形目的，由于实体撞针/弹丸的高频随机运动，该方法进行失稳整形处理时存在载荷难以精确控制的缺点。综上所述，机翼整体壁板局部铣削失稳的整形需要一种作用区域和载荷特性精确可控、具备柔性的新方法。

发明内容

本发明的目的在于克服上述背景技术论述中当前整形技术的不足，提供一种作用区域和载荷特性精确可控、具备柔性的新方法，即激光喷丸整形技术。该技术利用激光优异的可控性和稳定的可重复性，对失稳区域施加精确计算的设计载荷，在修复失稳形态的同时提升区域的疲劳寿命，实现高性能整形。

本发明通过下述技术方案予以实现：

一种机翼整体壁板局部铣削失稳的激光喷丸整形方法，包含以下步骤：

1)对机翼整体壁板局部弱刚性区域，即厚度介于3～5mm范围的翼梢、减轻孔等部位的铣削失稳进行结构特性分析：首先确定失稳形貌，采用光学原位测量系统进行失稳形貌测量，获得等曲率包络线的空间分布；其次计算结构刚度，以等曲率包络线分布为基础计算失稳区域大变形状态下的刚度；最后分析临界载荷，采用数值仿真软件进行结构屈曲分析和板壳稳定性计算，确定结构失稳的临界应力。

2)采用数值优化算法设计激光喷丸加载路径，优化算法以最小变形量为目标函数，以失稳临界应力为约束条件，采用最小变形功理论进行激光喷丸整形的非线性路径优化。

3)按照优化路径对失稳区域进行激光喷丸整形处理，通过控制激光喷丸的载荷幅值、作用区域和光斑大小及其形貌，对不同区域等曲率变形实现精确处理，实现等效高精度“锤击冷作整形”，消除机翼整体壁板局部铣削失稳。

本发明机翼整体壁板局部铣削失稳的激光喷丸整形方法，处理的机翼整体壁板材料为铝合金7055-T7751，激光喷丸角度变化范围70°～110°。

本发明提出的激光喷丸整形方法所采用的激光脉冲宽度1～10ns可调，脉冲能量1～10J可调，光斑直径1～5mm可调，光斑形状为圆形和方形光斑可调。在纳秒短脉冲强激光的作用下，工件表层涂敷的烧蚀材料吸收激光能量在约束层内产生等离子云，在10-100ns内快速膨胀，产生1-10GPa量级的冲击波，当峰值压力超过铝合金动态屈服极限强度时，材料表层产生应变硬化，残留1-2mm深度的残余压应力，使得工件表层产生塑性变形。本发明通过调整激光脉冲宽度和脉冲能量控制诱导冲击波幅值，即精确控制载荷大小；通过调整激光光斑大小和光斑形状精确控制作用区域；通过精确控制载荷和作用区域，实现等效锤击冷作整形，同时产生1-2mm深度的残余压应力，可以提升结构服役期内疲劳寿命3～5倍。

附图说明