大飛機(jī)鋁鋰合金等直段研制關(guān)鍵技術(shù)*

中航工業(yè)江西洪都航空工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 宋利康 廖建華 鄭堂介 張建東

南昌航空大學(xué)航空制造工程學(xué)院 朱永國

鋁鋰合金是一種新型材料，通過加入2%～3%的鋰，其密度減少8%，剛性增加15%，是一種強(qiáng)度高、彈性模量大的超輕型鋁合金材料。第三代鋁鋰合金與其他鋁合金相比較，最大的特點(diǎn)是重量輕，可減輕結(jié)構(gòu)重量的10%，而彈性模量卻提高了10%。其比強(qiáng)度和比剛度高、低溫性能好，還具有良好的耐腐蝕性能和非常好的超塑性，同時還兼具低疲勞裂紋擴(kuò)展速率、較好的高溫及低溫性能等特點(diǎn)，是最新型的航空鋁合金材料，美國、加拿大等地區(qū)的材料制造商正在研制這種新型鋁合金[1-4]。我國研制的某大型客機(jī)前機(jī)身等直段主要采用第三代鋁鋰合金材料，當(dāng)前亟待對第三代鋁鋰合金零件制造技術(shù)、先進(jìn)裝配技術(shù)等重大技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)，形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的大型客機(jī)機(jī)身集成制造技術(shù)體系，滿足我國大型客機(jī)的制造要求[5]。為此，結(jié)合等直段研制開展鋁鋰合金先進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計、分析方法及其驗證技術(shù)研究，通過鋁鋰合金機(jī)身段典型鋁鋰合金結(jié)構(gòu)件關(guān)鍵制造環(huán)節(jié)的工藝研究，突破鋁鋰合金機(jī)身典型結(jié)構(gòu)件的高效、高品質(zhì)制造技術(shù)，并驗證先進(jìn)裝配工藝及機(jī)身部段件對接工藝方案，可為某大型客機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)大量采用鋁鋰合金奠定基礎(chǔ)。

前機(jī)身等直段研制關(guān)鍵技術(shù)

由于第三代鋁鋰合金添加了鋰元素，使材料較為活潑，易腐蝕形成麻點(diǎn)。第三代鋁鋰合金的成形工藝技術(shù)、機(jī)械加工技術(shù)，特別是薄板數(shù)控加工技術(shù)的研究在國際上尚處于探索階段。某大型客機(jī)等直段研制應(yīng)解決的關(guān)鍵技術(shù)包括：第三代鋁鋰合金蒙皮滾彎成形、鋁鋰合金蒙皮數(shù)控加工技術(shù)、公差仿真應(yīng)用技術(shù)和三維數(shù)字化工藝設(shè)計與仿真技術(shù)。

（1） 第三代鋁鋰合金蒙皮滾彎成形。滾彎成形具有成形零件表面質(zhì)量高、節(jié)約模具、工藝參數(shù)容易控制等優(yōu)點(diǎn)，是單曲度蒙皮制造的主要工藝方法。第三代鋁鋰合金材料具有強(qiáng)度高、彈性模量高、成形困難等特征，因此，掌握鋁鋰合金滾彎技術(shù)，實(shí)現(xiàn)壁板蒙皮彎曲精確制造是大飛機(jī)等直段研制首要攻克的關(guān)鍵技術(shù)。

（2） 大型鋁鋰合金蒙皮數(shù)控加工技術(shù)。傳統(tǒng)的蒙皮下陷加工通常采用化銑工藝，但化銑工藝有著諸多的缺點(diǎn)：相對尺寸和厚度控制不易精確、表面質(zhì)量較差、零件疲勞壽命合格但差異較大、加工周期較長且不環(huán)保。采用數(shù)控加工工藝則可以解決這些問題。由于蒙皮材料具有相應(yīng)的厚度偏差，彎曲成形后校平也存在一定的曲度變形。因此，在保證數(shù)控銑切中蒙皮裝夾合理的前提下，盡可能縮小公差，是蒙皮數(shù)控加工需解決的技術(shù)難點(diǎn)之一。此外，機(jī)身蒙皮厚度為1.6～2.4mm，要在蒙皮彈性變形階段加工出蒙皮厚度20%～25%的下陷，是蒙皮數(shù)控加工需解決的另一技術(shù)難點(diǎn)。

（3） 公差仿真應(yīng)用技術(shù)。公差仿真是數(shù)字化協(xié)調(diào)技術(shù)的基礎(chǔ)，是構(gòu)建數(shù)字化協(xié)調(diào)技術(shù)體系的基石。大型客機(jī)制造裝配質(zhì)量要求更高、協(xié)調(diào)更嚴(yán)格，急需攻克面向飛機(jī)大部件的公差仿真技術(shù)，為解決數(shù)字化協(xié)調(diào)提供技術(shù)基礎(chǔ)。利用公差仿真技術(shù)定量計算裝配件在某一個工位安裝后，由于零件公差而產(chǎn)生的誤差，對公差分配不合理部位提前預(yù)警，有利于更好地優(yōu)化各部件的容差分配，優(yōu)化整個部件的制造工藝。

（4） 三維數(shù)字化工藝設(shè)計與仿真技術(shù)。MBD技術(shù)是現(xiàn)代飛機(jī)設(shè)計的新技術(shù)之一，它將用于表達(dá)幾何信息和非幾何信息的數(shù)據(jù)按照一定的規(guī)則在同一個數(shù)模文件中表達(dá)[6-7]。設(shè)計部門向制造單位提交的結(jié)果是涵蓋豐富信息的三維數(shù)模，而不再發(fā)放曬藍(lán)圖紙。因此，利用MBD三維數(shù)模中的相關(guān)信息，開展工藝設(shè)計特別是裝配工藝設(shè)計是飛機(jī)部件，也是鋁鋰合金等直段研制，必須解決關(guān)鍵技術(shù)之一。

關(guān)鍵技術(shù)解決方案

1 第三代鋁鋰合金蒙皮滾彎成形

由于第三代鋁鋰合金材料是在研新材料，需要對其進(jìn)行過滾彎工藝試驗，摸索材料成形性能，確定成形參數(shù)。蒙皮滾彎成形后會存在回彈，而蒙皮展平并真空吸附后外形又會發(fā)生變化。為了使蒙皮零件外形符合要求，在制造零件前進(jìn)行大量蒙皮滾彎工藝試驗，采用過滾彎工藝方法，即將零件滾彎成形彎曲半徑小于零件理論外形彎曲半徑，使零件回彈后其外形回復(fù)到理論外形，摸索出滾彎回彈工藝參數(shù)，為后續(xù)蒙皮零件制造提供了技術(shù)參數(shù)。

采用AL-Li-S-4（鎂鋁）和2198-T8（加鋁）兩種第三代鋁鋰合金材料，研究其蒙皮滾彎工藝技術(shù)參數(shù)，首先通過試片級樣件來摸索并獲得其工藝參數(shù)后，再進(jìn)行零件級的工藝參數(shù)驗證。

2 大型薄蒙皮數(shù)控加工代替化銑

通過鋁鋰合金大型蒙皮數(shù)控加工代替化銑工藝研究，可以保證切削過程中的產(chǎn)品質(zhì)量，同時優(yōu)化控制結(jié)構(gòu)件各部位的應(yīng)力狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)大型結(jié)構(gòu)件型面精確控制，降低制造成本，滿足大型飛機(jī)延長壽命的要求。在環(huán)保節(jié)能方面，數(shù)控加工工藝比化銑工藝更優(yōu)越。

2.1 試片級鋁鋰合金數(shù)控加工試驗

在進(jìn)行鋁鋰合金金屬銑切性能研究中，從試片級開始，針對AL-Li-S-4（鎂鋁）和2198-T8（加鋁）兩種第三代鋁鋰合金材料，研究其機(jī)械加工性能，驗證刀具、加工參數(shù)以及切削液對鋁鋰合金表面質(zhì)量的影響。主要試驗內(nèi)容包括：鋁鋰合金材料數(shù)控加工的轉(zhuǎn)速、切屑量、進(jìn)給量等切屑參數(shù)的選擇；刀具材料、刀具結(jié)構(gòu)、刀具夾持方式的選擇；切削液以及冷卻液的選擇。

試驗結(jié)果表明，數(shù)控加工能夠滿足蒙皮零件表面質(zhì)量設(shè)計要求（即表面粗糙度值Ra≦3.2mm），刀具可選擇整體硬質(zhì)合金 2齒，使用熱漲刀柄HSK63裝夾，且經(jīng)熒光滲透檢查發(fā)現(xiàn)無隱性裂紋。

2.2 數(shù)控機(jī)加工藝與化銑工藝對比

（1） 鋁鋰合金大型蒙皮數(shù)控代替化銑技術(shù)。在利用試片級鋁鋰合金數(shù)控加工試驗獲得鋁鋰合金基本加工參數(shù)的基礎(chǔ)上，選取等直段部件后段左側(cè)下壁板以及后段左側(cè)上壁板蒙皮零件進(jìn)行工藝試驗，研究鋁鋰合金大型蒙皮數(shù)控代替化銑技術(shù)。左側(cè)下壁板蒙皮零件展開尺寸1020 mm×2650mm，零件下料尺寸1100 mm×2800mm，零件數(shù)控加工方法為：下料，對板料1200mm×3000mm按下料尺寸1100mm×2800mm下料，余料1200mm×200mm用于制造檢驗樣板；蒙皮滾彎成形，將蒙皮按理論弧度滾彎成形（R=2000mm），滾彎成形時應(yīng)注意保護(hù)蒙皮表面，滾彎成形后按樣板檢驗，記錄成形后零件弧度的檢驗數(shù)據(jù)； 真空吸附后進(jìn)行數(shù)控加工，真空吸附時應(yīng)注意保護(hù)蒙皮表面，數(shù)控加工完后，檢驗記錄蒙皮銑切處的厚度值以及各銑切處的相對位置；再次按理論弧度滾彎校形（R=2000mm），按數(shù)控樣板檢；記錄弧面弧度值，待將數(shù)控加工完的零件進(jìn)行滾彎校形，校形完成后，按數(shù)控樣板檢驗記錄弧面弧度值，并同時檢驗記錄銑切處的相對位置以及檢查銑切跟部是否出現(xiàn)壓痕、裂紋。

經(jīng)檢驗，試驗件加工精度能夠滿足大飛機(jī)設(shè)計蒙皮下陷偏差為±0.1mm的精度要求。

3 基于三維模型的裝配工藝設(shè)計與仿真應(yīng)用

3.1 裝配工藝仿真基本流程

等直段裝配仍以手工裝配方式為主，需要大量的專用工裝，在工藝設(shè)計中需考慮裝配的協(xié)調(diào)性、空間開敞性和工具可達(dá)性等。如圖1所示，結(jié)合DELMIA 的DPE、DPM 模塊應(yīng)用方法，裝配工藝設(shè)計基本工作流程按如下6個步驟進(jìn)行。（1）產(chǎn)品分析：可視三維模型分析、調(diào)入EBOM、構(gòu)建PBOM、工藝分工；（2）工藝定義：工藝方案確定、工藝參數(shù)選取、工藝模型建立；（3）工序流程：工藝順序確定、裝配約束選取、工藝裝備選??；（4）AO 策劃：AO 內(nèi)容設(shè)計、組件數(shù)模關(guān)聯(lián)、工裝設(shè)計；（5）裝配仿真：工裝數(shù)模關(guān)聯(lián)、裝配流程及干涉仿真優(yōu)化、工藝布局設(shè)計；（6）結(jié)果輸出：仿真結(jié)果輸出、AO 輸出。

圖1 裝配工藝設(shè)計及仿真工作基本流程

3.2 等直段裝配工藝設(shè)計仿真技術(shù)實(shí)施

（1）裝配工藝分離面劃分。產(chǎn)品數(shù)據(jù)導(dǎo)入DELMIA中后，在三維環(huán)境下構(gòu)建產(chǎn)品結(jié)構(gòu)層次，實(shí)現(xiàn)工藝分離面劃分，將結(jié)果保存在DPE服務(wù)器中，在DPE中Product節(jié)點(diǎn)下建立IMBOM節(jié)點(diǎn)，層級與EBOM并列，再將工藝分離面劃分結(jié)果與之關(guān)聯(lián)。

（2）裝配工藝設(shè)計信息添加。二維工藝設(shè)計信息在DPE、DPM模塊均可添加，主要內(nèi)容包括結(jié)構(gòu)介紹、工藝分析、零組件定位方法、交付要求、協(xié)調(diào)方法等信息；三維工藝設(shè)計信息僅能在DPM中添加，主要包括定位方法、交付要求等信息。

（3）AO項目設(shè)計及參裝零件指派。按工藝分離面區(qū)分，在各工位的工藝過程中建立AO項目，給定AO編號及名稱，然后在可視環(huán)境下將部件/段件/組合件中的零件分配到AO中。

（4）連接件建模及指派。按工藝分離面創(chuàng)建工藝連接件模型ERM，將設(shè)計的連接件信息通過關(guān)聯(lián)粘貼添加到ERM中，創(chuàng)建旗注說明相應(yīng)緊固件的連接對象，最后在DELMIA-DPM中將連接件指派到各自的AO中。

（5）裝配仿真驗證及優(yōu)化。按《飛機(jī)數(shù)字化預(yù)裝配通用要求》進(jìn)行裝配順序仿真和評價，驗證方案設(shè)計的合理性、可行性，產(chǎn)品裝配順序仿真通過零、組件指派和裝配順序設(shè)定來實(shí)現(xiàn)。具體的實(shí)施步驟如下：產(chǎn)品指派，裝配順序設(shè)定，裝配順序查看及分析，裝配路徑仿真，人機(jī)工程仿真，干涉仿真，裝配工藝優(yōu)化等。

4 數(shù)字化公差仿真

公差仿真技術(shù)研究是對典型飛機(jī)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵協(xié)調(diào)部位的協(xié)調(diào)要求進(jìn)行數(shù)字化工藝容差分配和分析。通過建立飛機(jī)零件關(guān)鍵協(xié)調(diào)部位公差特征、基于三維數(shù)字模型的公差模型和數(shù)字化技術(shù)的裝配協(xié)調(diào)基準(zhǔn)的制定方法，然后根據(jù)裝配方案對設(shè)計圖樣提出的公差及工藝過程容差分配進(jìn)行仿真優(yōu)化、分析研究，驗證其制造安裝的有效性和可靠性，并根據(jù)仿真分析驗證結(jié)果，調(diào)整、優(yōu)化設(shè)計公差與工藝容差分配。優(yōu)化裝配順序或裝配基準(zhǔn)，從而優(yōu)化整個裝配協(xié)調(diào)工藝，甚至可以減少或摒棄標(biāo)準(zhǔn)工裝（量規(guī)、樣件等），并為建立起高效可靠的數(shù)字化裝配協(xié)調(diào)體系，以及數(shù)字化裝配打下堅實(shí)的基礎(chǔ)。通過在設(shè)計階段對飛機(jī)制造過程各環(huán)節(jié)進(jìn)行工藝容差的合理分配與仿真優(yōu)化，分析對敏感區(qū)域的變形貢獻(xiàn)者和幾何影響因素。

關(guān)鍵技術(shù)研究成果應(yīng)用

1 第三代鋁鋰合金零件制造技術(shù)

通過各項工藝試驗得出的鋁鋰合金成形參數(shù)與典型鋁合金如2024、7075等材料的成形參數(shù)進(jìn)行對比，獲得鋁鋰合金材料加工的基礎(chǔ)工藝數(shù)據(jù)、零件制造性能和裝配性能。某大型客機(jī)鋁鋰合金等直段部段蒙皮全部為單曲度蒙皮，蒙皮全部采用過滾彎成形方式，通過蒙皮過滾彎成形工藝試驗，分析滾彎成形彎曲半徑，實(shí)現(xiàn)了大型蒙皮的成形，蒙皮零件裝配時與裝配卡板間隙在0.8mm以內(nèi)，如圖 2所示。

某大型客機(jī)鋁鋰合金等直段部段左S6 ～右S6長桁蒙皮采用數(shù)控加工代替化銑工藝，加工區(qū)域材料厚度公差在±0.1mm以下，表面粗糙度Ra=3.2mm，如圖 3所示。

2 基于三維模型的等直段裝配仿真

圖2 蒙皮滾彎零件

圖3 數(shù)控加工代替化銑工藝得到的蒙皮零件

對等直段裝配工藝設(shè)計進(jìn)行仿真案例研究，在等直段試驗件初級工藝設(shè)計階段，開展工藝分析、工藝方案制定、工裝方案制定，工藝設(shè)計過程中及時與設(shè)計協(xié)調(diào)，針對產(chǎn)品設(shè)計不合理及產(chǎn)品干涉問題及時提出更改建議，設(shè)計部門根據(jù)反饋發(fā)出零、組件更改664項；同時結(jié)合部件裝配協(xié)調(diào)方案的主供商評審意見，調(diào)整了14個浮框工藝分離方法及前、后段的上、下共4個半壁裝配流程。

在等直段試驗件的詳細(xì)工藝設(shè)計階段，結(jié)合指令的完善及歸零工作，進(jìn)行其余各組件的裝配仿真工作。此外，基于三維模型的等直段裝配工藝設(shè)計與仿真還達(dá)到了如下效果。

（1）改變裝配工藝設(shè)計工作模式。

利用裝配仿真軟件對飛機(jī)部件數(shù)模進(jìn)行預(yù)裝配，對工藝流程可行性、裝配資源有效性、裝配可達(dá)性等進(jìn)行仿真和驗證，以擺脫對物理樣機(jī)及所涉及工藝裝備的依賴，實(shí)現(xiàn)裝配工藝設(shè)計的可視化和裝配資源的顯性配置，如圖4所示。

（2）裝配工藝設(shè)計結(jié)果更直觀。

裝配仿真最終形成的裝配順序可錄制成動畫視頻，提供給現(xiàn)場作業(yè)人員作為操作指導(dǎo)。操作者不但能較容易掌握裝配產(chǎn)品的裝配工藝，而且在裝配現(xiàn)場，能針對復(fù)雜裝配工藝反復(fù)觀摩裝配仿真動畫，實(shí)時糾正裝配動作，使裝配過程符合規(guī)范。

圖4 等直段試驗件裝配仿真示意圖

3 容差分配與仿真

基于VSA進(jìn)行公差仿真，優(yōu)化后機(jī)身各自裝配工位上的裝配工藝模型；以產(chǎn)品質(zhì)量技術(shù)要求和機(jī)身對接技術(shù)要求，調(diào)整優(yōu)化大飛機(jī)前機(jī)身等直段、后機(jī)身段在各個工位上，裝配過程中定位基準(zhǔn)、裝配順序、各制造環(huán)節(jié)公差大小等影響要素，確保了最終產(chǎn)品對接成功。

在以上關(guān)鍵技術(shù)研究和逐步應(yīng)用的基礎(chǔ)上，成功研制了前機(jī)身等直段樣件。經(jīng)檢驗，該等直段的技術(shù)參數(shù)完全滿足設(shè)計要求，等直段樣件的成功研制為我國大型飛機(jī)的研制打下了良好的基礎(chǔ)。

結(jié)束語

通過對大型客機(jī)前機(jī)身等直段研制關(guān)鍵技術(shù)的研究，為某大型客機(jī)等直段鋁鋰合金零件制造技術(shù)和飛機(jī)數(shù)字化裝配技術(shù)應(yīng)用提供了可靠的依據(jù)。

通過等直段的試制，驗證了大型飛機(jī)機(jī)身鋁鋰合金典型鈑金件制造工藝方法和機(jī)身典型結(jié)構(gòu)裝配工藝方案，為探索大型客機(jī)的研制流程積累了經(jīng)驗，也為大飛機(jī)的批量生產(chǎn)任務(wù)的完成奠定了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。

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