多轴联动数控喷丸成型技术在航空精密零件制造中的应用

航空工业作为高端制造业的核心领域，对精密零件的成型精度、表面质量及疲劳性能提出了极高要求。传统成型技术在加工复杂曲面、薄壁结构等航空零件时，常面临精度不足、效率低下、难以满足材料性能要求等问题。多轴联动数控喷丸成型技术融合数控加工与喷丸成型工艺优势，通过高速弹丸流冲击实现金属板材的塑性变形，能够精准控制零件形状与表面性能。随着航空制造向轻量化、复杂化方向发展，该技术凭借高精度、高柔性及强化材料性能的特点，逐渐成为航空精密零件制造的关键技术之一。

1 多轴联动数控喷丸成型技术概述

多轴联动数控喷丸成型技术是一种先进的金属板材成型技术，其利用高速弹丸流撞击金属板材表面，使板材表面产生塑性变形，通过控制弹丸的喷射角度、速度、流量以及板材的运动轨迹等参数，实现对板材变形的精确控制，从而将板材加工成所需的形状。

2 多轴联动数控喷丸成型技术在航空精密零件制造中的应用措施

2.1 定制化工艺方案设计

针对航空常用的钛合金、铝合金、复合材料等，深入研究其弹性模量、屈服强度、疲劳极限等力学参数。例如，钛合金材料强度高、塑性低，需采用低速、小直径弹丸减少表面损伤；而铝合金塑性较好，可适当提高弹丸速度以提升成型效率[1]。通过材料特性分析，为弹丸参数与喷射工艺选择提供依据。部分航空材料对喷丸过程中的温度、应力变化较为敏感，如高温合金在喷丸后易产生残余应力集中。工艺设计时需结合材料热膨胀系数与应力释放规律，优化喷丸顺序与间隔时间，避免材料因过度变形或应力累积导致性能下降。

2.2 多轴联动数控设备适配

首先，根据航空零件复杂曲面与结构需求，选用五轴或更高轴数的数控喷丸设备。例如，针对具有双曲率的机翼蒙皮、复杂空间曲面的航空发动机叶片，五轴联动（X、Y、Z 直线轴 +A 、B 旋转轴）设备可实现喷嘴与零件表面的法向喷射，确保弹丸流垂直作用于加工面，提高成型精度与均匀性。并采用高精度伺服电机与光栅尺、编码器等反馈元件，实时监测各轴运动位置与速度；通过闭环控制系统，将定位精度误差控制在微米级，减少因设备运动偏差导致的零件变形超差问题，满足航空制造的严苛精度要求[2]。其次，借助计算机辅助制造（CAM）软件，将航空零件的三维 CAD模型转化为数控设备可识别的加工路径。通过算法自动规划无碰撞、高效率的喷丸轨迹，确保喷嘴在复杂曲面表面保持恒定的喷射距离与角度，避免因路径不合理导致的成型缺陷。

2.3 质量控制与过程监测

在航空零件关键部位（如应力集中区域、薄壁结构处）密集布置应变片、光纤布拉格光栅传感器，实时采集零件表面应力、应变数据。通过无线传输模块将数据同步至数控系统，形成“监测-分析-反馈”闭环；基于监测数据，数控系统自动分析零件变形趋势，当应力或应变超出预设阈值时，立即调整喷丸参数（如降低弹丸速度、减少喷射时间），避免因局部应力过大导致零件变形超差或结构损伤[3]。并且，还需在喷丸区域安装高速摄像机，实时记录弹丸流的喷射形态、覆盖范围及与零件表面的作用过程。通过图像识别算法分析弹丸分布均匀性，若发现喷射角度偏移或覆盖率不足，系统自动修正喷嘴位置与参数。此外，在喷丸过程中，通过声发射监测技术捕捉零件表面微小裂纹产生的应力波信号，提前预警潜在缺陷风险；一旦检测到异常信号，立即停止加工并分析原因，避免缺陷扩大。

2.4 数字化管理与工艺集成

首先，建立统一的数据采集标准，收集航空零件喷丸成型过程中的材料属性、弹丸参数、设备运行数据、加工结果等信息。例如，针对不同型号的铝合金机翼蒙皮，记录其最优喷丸速度、覆盖率、弹丸直径等参数，形成标准化工艺数据模板。其次，利用机器学习算法对历史工艺数据进行深度挖掘，分析不同参数组合与成型效果的关联关系，提炼出工艺优化规则和经验知识[4]。通过构建工艺知识库，为新零件的工艺设计提供快速参考和智能推荐。并借助计算机辅助工程（CAE）软件，对航空零件的喷丸成型过程进行三维建模与数值仿真；通过模拟弹丸冲击下的应力应变分布、变形趋势，提前预判潜在的成型缺陷（如回弹、裂纹），优化工艺参数和加工路径，减少物理试错成本[5]。最后，打通计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、企业资源计划（ERP）、制造执行系统（MES）等系统的数据接口，实现设计图纸、工艺指令、生产计划、设备状态等信息的实时共享与交互；CAD 设计模型可直接导入 CAM 系统生成喷丸路径，MES 系统同步获取加工进度并反馈至 ERP 系统调整生产计划。

3 结论

多轴联动数控喷丸成型技术凭借独特的加工原理与技术优势，在航空精密零件制造中展现出巨大的应用潜力。通过定制化工艺设计、高精度设备适配、全流程质量控制及数字化集成管理等多维度应用措施，该技术有效解决了航空零件复杂成型与性能优化难题，显著提升了制造效率与产品质量。在航空工业对零件性能要求日益严苛的背景下，多轴联动数控喷丸成型技术将持续发挥核心作用。

参考文献

[1]李春和.先进钣金成型技术在航空制造领域的应用[J]内燃机与配件,2019,(20):250-251.

[2]张双.先进钣金成型技术在航空制造领域的应用[J].内燃机与配件,2019,(12):116-117.D

[3]李东辉.矩形盒零件高压水射流极限相对胀形高度研究[D].沈阳航空航天大学,2014.

[4]袁新浩,张明星,葛建彪.大飞机设计制造部分关键技术概述[J].航空制造技术,2012,(17):54-56.

[5]丁兆群,路来骁,陈庆强,等.激光喷丸对 7050-T7451 铝合金薄壁件表面完整性和宏观变形行为的影响[J/OL].中国表面工程,1-11[2025-06-05].