大型航空簿壁零件精確綠色制造技術(shù)研究*

向兵飛，徐 明，熊 勇，廖 翔，祝小軍

（江西洪都航空工業(yè)股份有限公司，南昌 330024）

大型航空簿壁零件精確綠色制造技術(shù)研究*

向兵飛，徐 明，熊 勇，廖 翔，祝小軍

（江西洪都航空工業(yè)股份有限公司，南昌 330024）

大型復(fù)雜飛機(jī)外形簿壁壁板的傳統(tǒng)工藝方法無法滿足精確、高效制造和綠色制造的需求，針對(duì)工藝協(xié)調(diào)復(fù)雜、工藝流程冗長和加工范圍受限等問題，對(duì)簿壁壁板零件的精確、綠色制造技術(shù)進(jìn)行研究，結(jié)合有限元變形模擬分析，設(shè)計(jì)了集銑面、銑下陷、切通窗、切邊和鉆孔于一體的加工工藝，實(shí)現(xiàn)了壁板的高效化和集成化加工，促進(jìn)了加工效率和加工質(zhì)量的提升，并避免了傳統(tǒng)加工的化學(xué)污染。通過對(duì)比分析精確綠色制造技術(shù)與傳統(tǒng)加工工藝，確定了精確綠色制造技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，該技術(shù)的成功應(yīng)用提升了我國航空制造的整體實(shí)力。

飛機(jī)壁板零件；加工工藝；精確制造；變形控制

0 引言

在飛機(jī)大型結(jié)構(gòu)件中，蒙皮零件是構(gòu)成飛機(jī)外形結(jié)構(gòu)的重要受力構(gòu)件，屬于大型復(fù)雜壁板類零件［1］。機(jī)尾翼蒙皮形狀一般為直母線單曲度，機(jī)身蒙皮形狀有單曲度和雙曲度，機(jī)身頭部、尾部以及整流罩的蒙皮形狀更復(fù)雜。此類壁板零件尺寸大，形狀復(fù)雜，且厚度薄，剛性差。包含面、下陷、通窗、孔等結(jié)構(gòu)特征。根據(jù)受力情況，需要進(jìn)行局部壁厚銑薄加工，形成變截面不等厚結(jié)構(gòu)［2］，見圖1。

圖1 復(fù)雜薄壁壁板結(jié)構(gòu)示意圖

飛機(jī)外形大型復(fù)雜壁板零件是飛機(jī)外表零件，外形精度要求高［3］。因此壁厚減薄、通窗加工和切邊加工精度較高。由于零件屬于超大型薄壁件，因此壁厚減薄加工區(qū)域厚度公差控制難度大，孔位的位置精度難以保證［4］。單曲薄壁壁板一般采用滾彎成形的方法，將初始平板毛料成形到滿足目標(biāo)零件曲率半徑的圓柱形壁板零件［5］；雙曲薄壁壁板一般采用拉型模拉彎成形的方法，將初始平板毛料拉型到滿足目標(biāo)零件曲率半徑的雙曲度薄壁壁板零件［6］。零件在銑削過程中受成形后的內(nèi)部殘余應(yīng)力的影響，易發(fā)生變形，從而影響零件的加工精度以及后續(xù)的裝配質(zhì)量［7］。

本文對(duì)飛機(jī)外形大型復(fù)雜薄壁壁板零件傳統(tǒng)加工工藝進(jìn)行分析，論述了傳統(tǒng)加工工藝的不足。對(duì)大型復(fù)雜壁板類零件的精確制造和綠色制造技術(shù)進(jìn)行了研究，解決飛機(jī)大型空間壁板類零件的集成化加工技術(shù)難題，并模擬和分析加工變形，形成新型制造工藝。

1 飛機(jī)外形薄壁壁板傳統(tǒng)加工工藝分析

長期以來，飛機(jī)外形大型復(fù)雜壁板零件的加工工藝流程復(fù)雜，無法在一次裝夾狀態(tài)下完成集銑面、銑下陷、切通窗、切邊及鉆孔工藝于一體的加工。一般采用的化銑加工存在化學(xué)污染、耗能較高、消耗鋁材無法回收等固有弊端，且需要配合真空吸附蒙皮龍門銑系統(tǒng)解決蒙皮切邊和鉆孔工藝，需要復(fù)雜的裝夾切換和加工工藝的變換來完成零件的加工；而單獨(dú)采用數(shù)銑的加工工藝需要訂制昂貴的專用輔助工裝，且無法一次完成加工。復(fù)雜的工藝流程造成零件加工周期過長，制約了飛機(jī)總體研制進(jìn)度。

1.1 飛機(jī)外形薄壁壁板化銑工藝分析

飛機(jī)外形壁板的加工一般采用化銑工藝，為了完成復(fù)雜結(jié)構(gòu)的加工以及滿足高精度的裝配協(xié)調(diào)要求，需要與數(shù)銑結(jié)合完成加工。涉及表面除油等清潔處理、涂止銑橡膠層、橡膠層激光刻線和去除、化銑、手工或機(jī)械切邊和鉆孔等一些列工藝，其工藝協(xié)調(diào)性一直困擾著航空制造企業(yè)。化銑解決復(fù)雜通窗和下陷等的加工問題，真空吸附蒙皮龍門銑系統(tǒng)解決蒙皮切邊和鉆孔工藝。圖2為傳統(tǒng)化銑與數(shù)銑結(jié)合的加工工藝流程。

圖2 化銑與數(shù)銑相結(jié)合的工藝流程

化銑工藝及面臨的問題分析［8］：

（1）化銑的保護(hù)膜刻線工藝繁雜：采用手工刻線工藝，需要設(shè)計(jì)制造立體化銑樣板，按化銑樣板在保護(hù)膜上刻線?；姌影逶O(shè)計(jì)制造流程長，精度底，且刻線誤差較大，效率底。而采用五坐標(biāo)激光切割機(jī)配柔性夾具能有效解決刻線工藝，實(shí)現(xiàn)零件的精確切邊、開缺口和制孔加工。但高昂的設(shè)備價(jià)格制約著刻線工藝的推廣。

（2）不符合節(jié)能環(huán)保的需求：零件的局部減薄工藝通常采用化銑工藝，能較好的解決復(fù)雜下陷、窗口等的加工問題，但其廢棄的化銑液會(huì)污染環(huán)境，不符合綠色制造的要求。且化銑工藝耗能較高、消耗鋁材無法回收，造成資源浪費(fèi)。

（3）工藝協(xié)調(diào)關(guān)系復(fù)雜：化銑工藝加工薄壁壁板零件最難解決的問題是各個(gè)工藝階段的協(xié)調(diào)關(guān)系。如蒙皮的外形輪廓切邊和鉆孔加工與化銑區(qū)的協(xié)調(diào)，化銑樣板、柔性工裝、鉆模樣板等的定位基準(zhǔn)之間的協(xié)調(diào)，影響到成形壁板的加工精度。

（4）定位準(zhǔn)確難度大：化銑完成之后的壁板零件需要采用五坐標(biāo)高速銑配柔性夾具系統(tǒng)完成切邊和鉆孔加工。由于成形壁板固有的回彈特性，在切邊和鉆孔加工時(shí)很難確定精確的加工基準(zhǔn)，易造成加工誤差。

1.2 飛機(jī)外形薄壁壁板數(shù)銑加工工藝分析

大型飛機(jī)外形壁板的傳統(tǒng)工藝除了化銑之外，也存在采用數(shù)銑和噴丸成形結(jié)合工藝、成形壁板采用型面工裝真空吸附裝夾工藝、成形壁板強(qiáng)行壓平數(shù)銑工藝，具體工藝流程及面臨的問題分析如下：

（1）數(shù)銑與噴丸成形工藝：采用平板毛料，由于毛料壁薄、尺寸大，需采用真空吸附定位、裝夾工件，采用大型龍門銑床完成壁板的壁厚銑薄加工。然后采用噴丸設(shè)備將半成品工件成形到滿足目標(biāo)零件曲率半徑的圓柱形壁板零件。此種工藝不能完成切通窗、切邊和鉆孔加工，需要鉗工修邊之后才能滿足裝配質(zhì)量。而噴丸屬于特殊工藝，需要購買昂貴的噴丸設(shè)備。昂貴的噴丸設(shè)備和數(shù)銑加工的局限性限制了此工藝技術(shù)的推廣應(yīng)用。

（2）成形壁板采用型面工裝真空吸附裝夾工藝：成形壁板采用型面工裝真空吸附定位裝夾，然后采用大型龍門銑床完成壁板的壁厚銑薄加工。此種工藝存在主要問題有：每項(xiàng)壁板零件需要訂制專用型面真空吸附工裝，設(shè)計(jì)制造周期廠，價(jià)格昂貴，不適合飛機(jī)外形壁板小批量多品種的生產(chǎn)需求；精確切邊需要鉗工去除工藝余量，且不能進(jìn)行鉆孔加工和通窗加工，推廣應(yīng)用受到限制。

（3）成形壁板強(qiáng)行壓平數(shù)銑工藝：成形壁板采用真空吸附工裝強(qiáng)行將其吸附成平板，然后采用數(shù)銑加工。此種工藝除了存在上述兩種工藝的弊端外，存在自身固有弊端：真空吸附力不足以將較厚壁板吸附成平板形狀；吸附薄壁壁板時(shí)，由于強(qiáng)行壓平，材料外型面、中型面和內(nèi)型面受力不同，松開吸附工裝之后，易產(chǎn)生回彈，造成較大的加工誤差。

2 飛機(jī)外形薄壁壁板精確綠色制造技術(shù)

針對(duì)飛機(jī)外形薄壁壁板加工中普遍采用的化銑工藝，由于存在化學(xué)污染、耗能較高、消耗鋁材無法回收等固有弊端，航空工業(yè)一直在尋求可替代化銑的綠色、精確的制造技術(shù)。針對(duì)需要多次裝夾、涉及大量工藝流程，且工藝協(xié)調(diào)性不足的加工工藝，航空工藝一直在尋求一次裝夾狀態(tài)下完成薄壁壁板的精確加工最新技術(shù)。

通過采用新一代綠色制造技術(shù)、高柔性化的夾具系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)集銑面、銑下陷、切通窗、切邊及鉆孔工藝于一體的飛機(jī)外形薄壁壁板精確綠色制造，滿足裝配要求。攻克飛機(jī)外形單曲和雙曲薄壁壁板的數(shù)銑替代化銑先進(jìn)制造工藝，對(duì)促進(jìn)我國航空工業(yè)的發(fā)展，具有重要實(shí)際意義。

2.1 加工原理及加工工藝設(shè)計(jì)

采用五軸臥式數(shù)控銑床、背部頂撐系統(tǒng)和高柔性化的夾具系統(tǒng)集成和協(xié)同工作，完成飛機(jī)外形薄壁壁板的精確切邊、精確開窗口、精確制孔和厚度的精確加工。三軸柔性夾具系統(tǒng)裝夾和固緊壁板，數(shù)控銑床的主軸頭銑削壁板工件，5自由度的頂撐頭隨切削銑頭同步運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)薄壁壁板工件的隨動(dòng)頂撐加工，保證加工剛性［9］。內(nèi)置于頂撐裝置內(nèi)部的超聲波厚度在線控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)加工厚度并進(jìn)行厚度補(bǔ)償，閉環(huán)控制銑削厚度，實(shí)現(xiàn)壁板厚度減薄精確加工。背部頂撐裝置與壁板加工面的銑削裝置形成鏡像加工［10］，其加工原理如圖3所示。

圖3 精確綠色制造加工原理

圖4 精確綠色制造工藝流程

大型飛機(jī)外形壁板的加工工藝流程設(shè)計(jì)為一次裝夾狀態(tài)下，在一臺(tái)設(shè)備上完成壁板壁厚減薄、切邊、切通窗、鉆孔加工，等效于化銑與切邊、鉆孔和開通窗相結(jié)合的制造工藝，是數(shù)銑替代化銑的最新制造技術(shù)，滿足精確制造和綠色制造的要求。

壁板銑削過程中，背部頂撐裝置受柔性夾具的限制，無法一次完成薄壁壁板的精確加工。解決的策略是壁板劃分加工區(qū)域，加工完背部頂撐裝置不受限制的區(qū)域后，移動(dòng)柔性夾具并固緊壁板，然后銑削新的加工區(qū)域。在加工區(qū)域內(nèi)按照銑面→銑下陷→切通窗→鉆孔→切邊分步進(jìn)行。本方案不存在加工基準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換，有效減少了基準(zhǔn)誤差的積累。同時(shí)，利于實(shí)現(xiàn)加工過程中材料去除的均勻化，成形殘余應(yīng)力釋放均勻，外加背部隨動(dòng)頂撐和柔性夾具支撐，有效減少加工變形。

2.2 大型薄壁壁板銑削變形分析

采用精確綠色制造技術(shù)，縮短了加工工藝流程，減少了大量裝夾切換次數(shù)，但是，薄壁壁板成形的殘余應(yīng)力及加工變形造成尺寸精度誤差決定加工的成敗。為了獲得銑削厚度與零件變形量的關(guān)系，采用有限元法分析壁板材料切除時(shí)零件的殘余應(yīng)力分布規(guī)律和零件變形情況［13］。

成形后的壁板加工過程中均勻去除材料，大曲率的結(jié)構(gòu)形式增加了內(nèi)應(yīng)力的釋放程度。由于滾彎成形后壁板的殘余應(yīng)力沿厚度方向分布，銑削過程中，零件的變形易導(dǎo)致零件曲率半徑與成形后的曲率半徑發(fā)生變化。借助有限元仿真計(jì)算壁板殘余應(yīng)力分布，為薄壁壁板的實(shí)際生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

成形后的薄壁壁板曲率變化與銑削厚度相關(guān)，采用有限元方法模擬分層銑削的方式去除材料厚度，并卸載回彈，獲得銑削厚度與壁板曲率的關(guān)系，為銑削厚度工藝方案的制定提供技術(shù)支撐。

采用有限元方法對(duì)薄壁壁板銑削過程進(jìn)行加工模擬，隨著壁厚減薄加工，壁板上下兩端產(chǎn)生微變形。切邊過程中受切邊力的作用，壁板切邊加工區(qū)域產(chǎn)生較大變形，局部產(chǎn)生翹曲。

薄壁壁板滾彎成形過程中的殘余應(yīng)力不可消除，加工過程中不可避免的產(chǎn)生加工變形，通過切削試驗(yàn)?zāi)M，獲得變形趨勢(shì)，然后對(duì)滾彎成形曲率半徑進(jìn)行補(bǔ)償，使得加工的壁板能夠滿足裝配質(zhì)量和尺寸精度。

3 精確綠色制造技術(shù)優(yōu)勢(shì)

大型飛機(jī)外形薄壁壁板的精確綠色制造技術(shù)通過一次裝夾就完成化銑和數(shù)銑兩道工藝，替代化銑和數(shù)銑所有加工步驟和所需設(shè)備，形成成形后蒙皮的銑面、銑下陷、切通窗、切邊和鉆孔的一體化加工。與常用的化銑與數(shù)銑相結(jié)合的工藝對(duì)比，其技術(shù)優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)為：

（1）從工藝流程進(jìn)行分析：精確綠色制造技術(shù)集成化程度高，工藝流程簡化。該技術(shù)采用數(shù)銑替代化銑，是集薄壁壁板精確銑切邊緣、精確開窗口、精確制孔和厚度的精確加工于一體的精確一體化制造工藝。一次裝夾完成薄壁壁板的精確加工，工藝流程簡化，避免了復(fù)雜的工藝協(xié)調(diào)和定位基準(zhǔn)變換。

（2）從加工精度進(jìn)行分析：化銑至少需要兩次裝夾，重復(fù)裝夾影響加工精度，化銑采用相對(duì)尺寸和厚度控制方法，加工精度難控制。而精確綠色制造技術(shù)，薄壁壁板僅需一次裝夾，采用絕對(duì)尺寸和超聲波厚度在線控制系統(tǒng)，保證了加工精度。

（3）從環(huán)境保護(hù)進(jìn)行分析：化銑的化銑液會(huì)污染環(huán)境，耗能較高，且化銑液需要定期處理，消耗鋁材無法回收，不符合綠色制造需求。而飛機(jī)外形薄壁壁板精確綠色制造技術(shù)完全替代化銑工藝，是高速加工技術(shù)與微量潤滑技術(shù)（MQL）的集成，避免了環(huán)境污染問題，屬于新一代綠色制造技術(shù)［14］。

與傳統(tǒng)的數(shù)銑加工工藝進(jìn)行對(duì)比：傳統(tǒng)的數(shù)銑加工很難解決較厚壁板和超規(guī)格壁板的加工，無法完成切邊、銑通窗和鉆孔工藝。薄壁壁板精確綠色制造技術(shù)適合單曲和雙曲的較厚薄壁板和超規(guī)格壁板的銑面、銑下陷、切邊、切通窗和鉆孔加工。

4 結(jié)束語

綠色制造是綜合考慮環(huán)境影響和資源效率的先進(jìn)制造技術(shù)，已逐步成為制造業(yè)發(fā)展的風(fēng)向標(biāo)。集高速加工技術(shù)與微量潤滑技術(shù)（MQL）的大型復(fù)雜飛機(jī)外形薄壁壁板的精確綠色制造技術(shù)是航空制造能力的重要體現(xiàn)。以數(shù)銑替代化銑的精確綠色制造工藝，是飛機(jī)外形薄壁壁板厚度精確加工的最新技術(shù)。該技術(shù)集壁板精確銑切邊緣、精確開窗口、精確制孔和厚度的精確加工于一體，實(shí)現(xiàn)了高效化、集成化加工，促進(jìn)了加工效率和加工質(zhì)量的提升，并避免了傳統(tǒng)加工的化學(xué)污染。該技術(shù)在我國航空制造企業(yè)首次應(yīng)用，取得了良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益，提升了我國航空制造的整體實(shí)力。

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（編輯 李秀敏）（編輯 李秀敏）

Research on Precision and Greenhouse Manufacturing Technology for Large Aircraft Panels

XIANG Bing-fei，XU Ming，XIONG Yong，LIAO Xiang，ZHU Xiao-jun
（Hong Du Aviation Industry Group，Nanchang 330024，China）

In order to address the issue that large complex aircraft panels machining can＇t meet the demand for precision efficient machining and greenhouse machining，and the problem induced the complex process engineering and lim ited process scope，the precision machining and greenhouse machining technology integrated w ith edge trimming，port opening，perforation and skin thickness precision machining is researched combined with the analysis of deformation，and then the efficient and integrated machining is achieved，the machining efficiency and quality is advanced，the chemical empoison is avoided.The research results show that the advanced application of the precision and greenhouse manufacturing technology drives development of the aeronautical manufacturing technology compared the traditional skin machining system with it.

aircraft panels；process engineering；precision machining；deformation control

TH162；TG506

A

1001-2265（2015）03-0134-04 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.03.036

2014-07-19；

2014-09-03

“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”國家科技重大專項(xiàng)“國產(chǎn)高檔數(shù)控機(jī)床與數(shù)控系統(tǒng)在飛機(jī)筋肋梁等加工單元中的應(yīng)用”（2013ZX04001-021）

向兵飛（1986—），男，土家族，湖北宜昌人，江西洪都航空工業(yè)股份有限公司工程師，碩士，從事航空制造數(shù)控加工工藝技術(shù)研究，（E-mail）x8375987@126.com。