阅读说明：本技术 一种机翼缘条结构的激光喷丸控形方法 (Laser shot blasting shape control method for flange strip structure ) 是由 张峥 吴瑞煜 张永康 于 2019-10-18 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种机翼缘条结构的激光喷丸控形方法,主要包括已完成铣削加工但尺寸超差的缘条和定位夹具,其中缘条是具有翼缘和腹板结构的大曲率长梁类零件,定位夹具包括旋转支撑台架和棘轮机构。该方法原理是利用高能脉冲激光(激光喷丸/激光冲击强化)在零件表面引入1-2mm深的高幅值残余压应力,由于应力平衡导致处理区域产生宏观变形,通过合理分配处理区域刚度与输入能量的定量对应关系,进行特定顺序和方向的凸起变形用于抵消腹板和翼缘的铣削变形,从而达到尺寸公差要求。本发明提出的方法属于表面改性技术,是冷加工工艺,不会影响零件后续工序和服役性能。(The invention discloses a laser shot blasting shape control method of a flange strip structure of a machine, which mainly comprises a flange strip which is milled and has an out-of-tolerance size and a positioning fixture, wherein the flange strip is a long beam part with large curvature and a web structure, and the positioning fixture comprises a rotary support rack and a ratchet mechanism. The method is characterized in that high-energy pulse laser (laser shot blasting/laser shock peening) is utilized to introduce 1-2mm deep high-amplitude residual compressive stress on the surface of a part, macroscopic deformation is generated in a processing area due to stress balance, and through reasonably distributing the quantitative corresponding relation between the rigidity of the processing area and input energy, the protruding deformation in a specific sequence and direction is carried out to offset the milling deformation of a web plate and a flange, so that the requirement of dimensional tolerance is met. The method provided by the invention belongs to a surface modification technology, is a cold machining process, and cannot influence the subsequent process and service performance of parts.)

一种机翼缘条结构的激光喷丸控形方法

技术领域

本发明涉及航空制造技术领域，尤其涉及一种用于机翼缘条结构的铣削变形的激光喷丸控形方法。

背景技术

现代飞行器由于高效低耗的设计要求，机翼大多采用整体结构设计，缘条作为机翼翼梁的主要承力结构件，主要起到保持结构刚性和外形的作用。从结构来分，缘条截面可分为T型、十型或双十型，其长度方向具有大曲率扰度，长宽比在10倍左右。由于机翼采用整体结构设计，缘条通常由型材直接数控铣削而成，材料去除率高，加工工时长，还普遍存在装夹难度大，加工易变形的技术难点。为了解决上述技术问题，目前通常采用改良的工艺来优化和控制铣削变形，但受型材残余应力幅值、铣削工艺编制、加工路径等多因素影响，其效果还不显著。

因此，现有技术需要进一步改进和完善。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于机翼缘条结构的激光喷丸控形方法。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种机翼缘条结构的激光喷丸控形方法，该空性方法主要包括如下具体步骤：

步骤S1：确定腹板和翼缘的铣削变形模式并确定主次包络线，其中的铣削变形是加工后已存在的、超出尺寸公差的不利变形，是本发明要消除的对象。

作为本发明的优选方案，所述步骤S1确定铣削变形模式中，变形的主要包络线和次要包络线为选取曲面几何中心轴线上的两个垂直的轴向路径，其中，变形大的为主包络线，变形小的为次包络线。

优选的，所述步骤S1中变形测量可以采用相对激光位移传感器在加工中心进行原位测量。

步骤S2：通过工艺参数实验确定激光喷丸的变形模式，并获得参数-变形数据表/矩阵。其中，激光喷丸的变形模式是本发明需要人为引入的变形量，通过变形量的正负抵消实现变形控制的目的。其中，正变形是铣削变形，如步骤S1所述是待处理对象，需要消除；而反变形是激光喷丸变形，则是人为引入的变形量，需要和已存在的正变形进行等量抵消。建立参数-变形数据表(矩阵)的意义在于，针对不同厚度的多种铣削变形，可以通过查表获得合适的参数进行等量反变形抵消，节约工艺试错和调试的时间。

作为本发明的优选方案，所述步骤S2中的参数-变形数据表/矩阵由两组参数实验扩展形成，第一组为变厚度-等能量实验，获得特定能量下厚度与变形的定量关系；第二组为变能量-等厚度实验，获得特定厚度下能量与变形的定量关系；最后通过两组实验数据的插值与扩展，形成用于确定反变形参数的参数-变形数据表/矩阵。

优选的，所述步骤S2中的参数-变形数据表/矩阵包含三个参数，分别为：行向量是m个输入参数激光能量，列向量是n个处理对象的厚度，表内任意单元的值为输出的变形量，表示在任意能量和厚度下激光喷丸所产生的变形量。

步骤S3：利用工装夹具将零件保持自然状态装夹，使用棘轮控制装夹角度将零件旋转直至弯曲变形的凹陷面/扭曲变形的凹陷中心线朝向激光入射方向。

步骤S4：按照参数-变形数据表中的数据进行反变形处理。

作为本发明的优选方案，所述步骤S4还包括：按照参数-变形数据表/矩阵中的数据进行反变形处理时，由步骤S1获得处理对象的变形模式、变形量和待处理对象的厚度，通过查阅参数-变形数据表/矩阵，即可获得控制变形所需要的激光能量。

步骤S5：变形控制的策略是：从凹陷面中心向两端对称进行；扭曲变形激光喷丸路径为：从凹陷面中心向两端中心对称方向进行。

本发明的工作过程和原理是：本发明利用高能脉冲激光(激光喷丸/激光冲击强化)在零件表面引入1-2mm深的高幅值残余压应力，由于应力平衡导致处理区域产生宏观变形，通过合理分配处理区域刚度与输入能量的定量对应关系，进行特定顺序和方向的凸起变形用于抵消腹板和翼缘的铣削变形，从而达到尺寸公差要求。

与现有技术相比，本发明还具有以下优点：

(1)本发明所提供的机翼缘条结构的激光喷丸控形方法属于表面改性技术，处理过程不涉及材料去除且无热效应，因而不会影响零件的后续工艺及服役性能。

(2)本发明所提供的机翼缘条结构的激光喷丸控形方法由参数实验确定的数据矩阵具有良好的准确性和可行性，保证了大型结构件变形控制的精度和效率。

附图说明

图1是本发明所提供的三种机翼缘条的截面示意图。

图2是本发明所提供的T型缘条经铣削加工后的扭曲变形示意图。

图3是本发明所提供的两种变形模式和主次包络线示意图。

图4是本发明所提供的第一组变厚度-等能量实验中试样在等能量5J下产生的激光喷丸变形示意图。

图5是本发明所提供的第二组等厚度-变能量实验中试样的激光喷丸变形示意图。

图6是本发明所提供的试样的激光喷丸变形模式图。

图7是本发明所提供的主包络线-变形示意图。

图8是本发明所提供的根据第一组和第二组实验数据所获得的变形-厚度-能量示意图。

图9是本发明所提供的两组实验数据插值和扩展获得的参数数据表。

图10是本发明所提供的缘条定位夹具的立体图和主视图。

图11是本发明所提供的弯曲变形激光喷丸路径示意图。

图12是本发明所提供的扭曲变形激光喷丸路径示意图。

图13是本发明所提供的机翼缘条结构的激光喷丸控形方法的流程图。

上述附图中的标号说明：

1-缘条长度方向的曲率，2-双十型缘条的腹板，3-双十型缘条的翼缘，4-T型缘条的腹板，5-T型缘条的翼缘，6-单十型缘条的腹板，7-单十型缘条的翼缘；8-弯曲变形，9-扭曲变形，10-主要包络线，11-次要包络线，12-变形中心；13-待加工缘条，14-旋转支撑台架，15-圆柱形辅助支撑，16-棘轮机构；17-实际外形，18-理论外形；19-弯曲变形激光喷丸路径的方向和顺序，20-变形后的外形，21-扭曲变形的凸面，22-扭变形区域的凹面，23-扭曲变形的激光喷丸路径和顺序。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

如图1至图13所示，本实施例公开了一种机翼缘条结构的激光喷丸控形方法，该空性方法主要包括如下具体步骤：

步骤S1：确定腹板和翼缘的铣削变形模式并确定主次包络线，其中的铣削变形是加工后已存在的、超出尺寸公差的不利变形，是本发明要消除的对象。

作为本发明的优选方案，所述步骤S1确定铣削变形模式中，变形的主要包络线和次要包络线为选取曲面几何中心轴线上的两个垂直的轴向路径，其中，变形大的为主包络线，变形小的为次包络线。

优选的，所述步骤S1中变形测量可以采用相对激光位移传感器在加工中心进行原位测量。

步骤S2：通过工艺参数实验确定激光喷丸的变形模式，并获得参数-变形数据表/矩阵。其中，激光喷丸的变形模式是本发明需要人为引入的变形量，通过变形量的正负抵消实现变形控制的目的。其中，正变形是铣削变形，如步骤S1所述是待处理对象，需要消除；而反变形是激光喷丸变形，则是人为引入的变形量，需要和已存在的正变形进行等量抵消。建立参数-变形数据表(矩阵)的意义在于，针对不同厚度的多种铣削变形，可以通过查表获得合适的参数进行等量反变形抵消，节约工艺试错和调试的时间。

作为本发明的优选方案，所述步骤S2中的参数-变形数据表/矩阵由两组参数实验扩展形成，第一组为变厚度-等能量实验，获得特定能量下厚度与变形的定量关系；第二组为变能量-等厚度实验，获得特定厚度下能量与变形的定量关系；最后通过两组实验数据的插值与扩展，形成用于确定反变形参数的参数-变形数据表/矩阵。

优选的，所述步骤S2中的参数-变形数据表/矩阵包含三个参数，分别为：行向量是m个输入参数激光能量，列向量是n个处理对象的厚度，表内任意单元的值为输出的变形量，表示在任意能量和厚度下激光喷丸所产生的变形量。

步骤S3：利用工装夹具将零件保持自然状态装夹，使用棘轮控制装夹角度将零件旋转直至弯曲变形的凹陷面/扭曲变形的凹陷中心线朝向激光入射方向。

步骤S4：按照参数-变形数据表中的数据进行反变形处理。

作为本发明的优选方案，所述步骤S4还包括：按照参数-变形数据表/矩阵中的数据进行反变形处理时，由步骤S1获得处理对象的变形模式、变形量和待处理对象的厚度，通过查阅参数-变形数据表/矩阵，即可获得控制变形所需要的激光能量。

步骤S5：变形控制的策略是：从凹陷面中心向两端对称进行；扭曲变形激光喷丸路径为：从凹陷面中心向两端中心对称方向进行。

本发明的工作过程和原理是：本发明利用高能脉冲激光(激光喷丸/激光冲击强化)在零件表面引入1-2mm深的高幅值残余压应力，由于应力平衡导致处理区域产生宏观变形，通过合理分配处理区域刚度与输入能量的定量对应关系，进行特定顺序和方向的凸起变形用于抵消腹板和翼缘的铣削变形，从而达到尺寸公差要求。

实施例2：

以下对部分附图做进一步详细说明：

图1是缘条结构示意图，其中1是缘条长度方向的曲率，2是双十型缘条的腹板，3是双十型缘条的翼缘，4是T型缘条的腹板，5是T型缘条的翼缘，6是单十型缘条的腹板，7是单十型缘条的翼缘。

图2是缘条结构的扭曲变形示意图，如图所示整个截面沿轴向产生了扭转变形。

图3是两种变形模式和主次包络线示意图，其中8是弯曲变形模式，9是扭曲变形模式，10是主要包络线，11是次要包络线，12是变形中心。

图4是步骤(2)中的第一组变厚度-等能量实验，图中所示的试样是等能量5J下产生的激光喷丸变形，厚度依次为9mm，8mm，7mm，6mm，5mm，4mm，3mm。这组实验可以获得能量-变形数据。

图5是步骤(2)中的第二组等厚度-变能量实验，图中所示的3mm和9mm等厚度试样分别在5J和7J能量下产生的激光喷丸变形。

图6是试样的激光喷丸变形模式图，经实验测量可知：激光喷丸导致的变形是凸型，包括主包络线和次包络线。

图8是步骤(2)中的第一组和第二组实验数据，通过数据插值和扩展可以获得完整的参数-变形数据表。由变形-厚度-能量图可以获得变形控制的三个关键数据之间的精确定量关系，即输入(能量)，对象(厚度)，输出(变形)。

图9是步骤(2)由两组实验数据插值和扩展获得的参数数据表，其中行向量表示输入参数：激光喷丸能量，列向量表示待处理对象参数-厚度，表中的元素表示对应厚度的试样在对应激光喷丸能量时产生的变形量。

图10是缘条定位夹具，包括尺寸超差的缘条13，旋转支撑台架14，预留的圆柱形辅助支撑15和用于控制角度的棘轮机构16。

图11是弯曲变形激光喷丸路径示意图，图中实线17为零件实际外形-铣削变形超差，虚线18为理论外形-合格外形，以符号“+”表示是弯曲变形区域的凸面，以符号“-”表示是弯曲变形区域的凹面，19是激光喷丸的方向和顺序，20表示经过激光喷丸施加的反变形，外形已恢复至理论外形，13是弯曲变形的凹面中心以及弯曲变形的激光喷丸路径(正视图)。

图12是扭曲变形激光喷丸路径示意图，21是扭曲变形的凸面，以符号“+”表示，22是扭变形区域的凹面，以符号“-”表示，10是扭曲变形主包络线，23是扭曲变形的激光喷丸路径，13是扭曲变形的中心以及扭曲变形的激光喷丸路径(正视图)。

本实施例公开了一种机翼缘条结构的激光喷丸控形方法，如图1所示的机翼缘条以截面外形为特征主要分为3大类，即双十型(包括双十型缘条的腹板2和双十型缘条的翼缘3)、T型(包括T型缘条的腹板4和T型缘条的翼缘5)和单十型(包括单十型缘条的腹板6和单十型缘条的翼缘7)三种，以T型缘条为例说明缘条的结构特点，两侧挑出部分称为翼缘，其中间部分称为腹板或梁肋。由于缘条主要由型材铣削加工而成，材料去除率高且不对称去除导致加工变形非常普遍，主要体现在缘条的长度方向扰度增加/减小，即缘条长度方向的曲率1半径的增大/减小，导致缘条不能贴合外形曲率达到装配要求，其次局部区域也会出现弯曲/扭曲变形，也会影响使用性能。

如图2所示的T型截面缘条在铣削加工之后，产生了明显的扭曲变形，即T型截面沿长轴产生了约45度的扭转变形。本发明目的在于控制(消除)缘条类零件的铣削变形，将零件的恢复至理论尺寸外形。

本发明所提供的激光喷丸控形方法的具体实施步骤如下：

(1)如图3所示，铣削变形的模式主要分为弯曲变形8和扭曲变形9两类，两类变形模式通过测量均可获得主要包络线10，次要包络线11和变形中心12。主要包络线10和次要包络线11一般选取曲面几何中心轴线上的两个垂直的轴向路径，其中变形大的为主要包络线10，变形小的为次要包络线11。

腹板4和翼缘5的铣削变形模式可先采用目视判断，然后采用相对激光位移传感器在加工中心进行原位测量。

铣削变形由变形中心12与理论值的偏移量计算得出，数据可由测量值与理论值对比获得，也可通过CAD数模与测量结果进行比对。

(2)针对铣削变形量和待处理区域的厚度，确定工艺参数的区间。如图2所示，待加工缘条13的变形量为2-35mm，结构厚度为3-9mm，由此确定工艺参数实验的区间。其中厚度范围已知，而激光喷丸的能量需要通过查阅资料，或者设置初始值尝试。

参数-变形数据表(矩阵)由两组参数实验扩展形成。

如图4所示，第一组为变厚度-等能量实验，获得5J能量下3mm-9mm厚度与变形的定量关系。

如图5所示，第二组为变能量-等厚度实验，分别获得3mm和9mm厚度下5J和7J能量与变形的定量关系。

如图6所示，通过两组实验数据获得了激光喷丸变形的模式，由图可知激光喷丸产生弯曲变形，具有主次包络线，可以通过调整结构刚度(厚度)和激光输入能量控制最终的变形量。

如图8所示，通过参数实验获得了输入能量-厚度-变形的精确定量关系。通过数据插值与扩展，形成参数-变形数据表(矩阵)用于反变形参数确定。

如图9所示，该参数变形表包含3个参数，分别为行向量是输入参数激光能量(m个参数)，列向量是处理对象的厚度(n个参数)，表内任意单元的值为输出的变形量，表示任意能量和厚度时，激光喷丸产生的变形量。

通过上述工艺参数实验确定了激光喷丸的变形模式，并获得参数-变形数据表(矩阵)。本实施例中正变形是铣削变形，如图2所示是待处理对象，需要消除；而反变形是激光喷丸变形，是人为引入的变形量，需要和已存在的正变形进行等量抵消。建立参数-变形数据表(矩阵)的意义在于，针对不同厚度的多种铣削变形，可以通过查表获得合适的参数进行等量反变形抵消，节约工艺试错和调试的时间。

(3)如图10所示，图中包括已尺寸超差的缘条零件13，旋转支撑台架14，辅助支撑15和棘轮机构16。

在进行处理前需要在待加工缘条13两端预留余量，加工出圆柱形辅助支撑15，辅助支撑15是用于装夹零件的额外部分，不影响零件的整体外形，处理结束后可去除。

辅助支撑15与旋转支撑台架14可进行装配，其中旋转支撑台架14采用两端轴向固定方式，配合棘轮机构16共同使用，可以实现缘条外形曲面的无干涉、全工位激光可达。

零件保持自然状态装夹，使用棘轮机构16将缘条旋转直至弯曲变形的凹陷面/扭曲变形的凹陷中心线朝向激光入射方向，由工艺参数实验结果可知，激光喷丸的表面会产生凸起变形(+)，相对于已凹陷面为反向变形，通过凹陷面(-)和凸起变形(+)的叠加，可以将已变形的整体/局部区域恢复至公差范围内。

(4)按照参数-变形数据表中的数据进行反变形处理，由步骤(1)获得处理对象的变形模式、变形量和待处理对象的厚度，查阅步骤(4)的参数-变形数据表，即可获得控制变形所需要的输入参数-激光能量。例如，已知缘条变形超差20mm，变形处厚度4mm，通过查询参数表可知，合适的激光输入能量应为6.5J。如果查询的参数未出现在表格中，可以进行数据插值或扩展。

(5)变形控制的策略如下：

弯曲变形控制如图11所示，图中实线为实际外形17，虚线为理论外形18，其中弯曲变形区域的凸面以符号“+”表示，弯曲变形区域的凹面以符号“-”表示，激光喷丸路径和顺序具体为：弯曲变形的变形中心12朝向激光入射方向，弯曲变形激光喷丸路径的方向和顺序19，即由凹陷面中心向两端对称喷丸，顺序为1至10，这样能保证施加的反变形与已存在的正变形同步抵消。

最终经过激光喷丸施加的反变形，变形后的外形20已恢复至理论外形18。

扭曲变形的控形如图12所示，扭曲变形的凸面21以符号“+”表示，扭变形区域的凹面22以符号“-”表示，扭曲变形的凹陷面与凸起面以主包络线10的中点呈中心对称分布。扭曲变形的激光喷丸路径和顺序23具体为：将扭曲变形中心12朝向激光入射方向，由中心向两端中心对称喷丸，喷丸路径的中心对称顺序为1至10，这样能保证施加的反变形与已存在的正变形同步抵消。

最终经过激光喷丸施加的反变形，外形已恢复至扭曲变形的理论外形。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。