機身蒙皮設計與鏡像銑加工方法

馬文博　余　康　羅　泰

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機身蒙皮設計與鏡像銑加工方法

馬文博余康羅泰

上海飛機設計研究院結(jié)構(gòu)設計研究部

馬文博（1983-）男，碩士研究生，遼寧鞍山，工程師，現(xiàn)任職于中國商飛上海飛機設計研究院，結(jié)構(gòu)設計與研究部；研究方向：飛機機身結(jié)構(gòu)設計。

行業(yè)曲線

本文針對金屬機身變厚度蒙皮的一種先進制造技術—蒙皮鏡像銑，提出鏡像銑加工對蒙皮設計的影響和限制要求及蒙皮設計方法的觀點。在民用飛機結(jié)構(gòu)設計和制造行業(yè)起到借鑒參考和指導作用。

為滿足重量目標，民機金屬機身蒙皮一般設計為變厚度，通常采用化銑加工。鏡像銑則是一種先進的精確加工新工藝，與傳統(tǒng)的化銑加工相比精度高且無環(huán)境污染。以采用鏡像銑的某型號飛機為例，研究金屬機身蒙皮的設計方法及鏡像銑加工對蒙皮設計的限制要求等，為后續(xù)的相關研究和設計提供了一定參考依據(jù)。

機身蒙皮是飛機的外形零件，既有單曲也有雙曲，尺寸較大且形狀復雜。蒙皮也是機身重要承力結(jié)構(gòu)件，對飛機結(jié)構(gòu)重量的影響極大。因受力情況不同，一塊蒙皮上不同部位應力不同，所以機身蒙皮一般設計為變厚度，在應力小的區(qū)域減薄，能大大減少飛機重量。飛機變厚度蒙皮的加工，傳統(tǒng)的方法是采用化銑加工。

近年來，國際上一些飛機制造公司于設備制造廠商合作，探討以數(shù)控加工代替化銑的新工藝，研制了一種新型多功能蒙皮精確銑—鏡像銑，能精確完成蒙皮的邊緣切割、銑口和制孔，能加工生產(chǎn)變厚度金屬蒙皮，以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的化學銑切加工方法，且鏡像銑加工無環(huán)境污染問題，符合綠色加工工藝要求。

在設計金屬機身蒙皮時，除了要考慮從設計角度的輸入條件外，對加工制造能力應有充分的了解。本文介紹了先進精確制造方法—鏡像銑，以及鏡像銑在民用飛機的應用。以某型號飛機為例，研究金屬機身蒙皮的設計方法及鏡像銑加工對蒙皮設計的限制要求等，探討鏡像銑加工蒙皮的特點。

鏡像銑

鏡像銑介紹

飛機蒙皮鏡像銑削原理：銑削刀具的位置和姿態(tài)與背部協(xié)同頂撐裝置的位置和姿態(tài)時刻成鏡像關系，同步協(xié)同運動，完成機身蒙皮加工，見圖1。

圖1　鏡像銑原理

圖2　鏡像銑設備概貌

鏡像銑設備主要由銑頭、頂撐裝置、柔性夾具等組成。柔性夾具中包含排架、吸盤等在銑削加工過程中，銑頭與柔性夾具進行數(shù)次組合，每次組合都能為蒙皮加工背面的頂撐裝置留有一個開放的、能夠接近的、沒有支撐桿的各個加工窗口。為了使頂撐裝置從一個加工窗口移動到下一個窗口，設計了位置全回退功能，使其能夠橫穿柔性夾具的排架，能完成較大蒙皮零件的加工。

頂撐裝置集成了蒙皮厚度直接測量裝置，該裝置不但可以檢測加工完成后的工件厚度，還可以在整個加工過程中，對工件的厚度進行實時在線監(jiān)測，對保持蒙皮零件的厚度公差起到關鍵作用。

鏡像銑是一種蒙皮精確制造設備，具備機身蒙皮銑薄、切邊和鉆孔等加工能力。通常操作一臺鏡像銑設備，一般需要至少1個專業(yè)工藝人員，2個操作工人。

鏡像銑特點

鏡像銑主要加工對象是尺寸較大的，精度要求高，加工周期要求短的金屬蒙皮類零件，尤其是對雙曲的多臺階變厚度蒙皮類零件，具有非常好的加工效果。

與普通數(shù)控加工對比

對于較薄的（一般厚度不大于3mm）、滾彎成型成型的單曲蒙皮零件，可采用傳統(tǒng)的數(shù)控加工方法。主要通過將滾彎成型后的蒙皮鋪平展開，在平面工作平臺上進行吸附的方式進行銑切。

但對于雙曲類蒙皮零件，拉伸成型后零件已經(jīng)產(chǎn)生塑性變形，無法再重新展開到工作平臺上進行銑切，必須根據(jù)蒙皮外形設計相應模具。然而，每塊不同外形蒙皮零件都需要增加相應帶吸附裝置的模具，模具的設計難度大，費用很高。

鏡像銑加工可以解決該問題，鏡像銑設備上有獨特的定位裝置和柔性夾具，可通過按蒙皮零件外形實調(diào)整夾持和吸盤，實現(xiàn)對零件的定位裝夾和吸附，然后再進行加工。

此外，對于單曲滾彎成型，但厚度較厚的蒙皮零件（厚度不小于6mm），采用傳統(tǒng)數(shù)控加工的吸附平臺，一般無法提供足夠的吸力使蒙皮展平，無法進行加工。鏡像銑加工無需展平蒙皮，可對成型后的蒙皮進行的定位裝夾和吸附再進行加工。

與化銑加工對比

1.首件定制檢驗和刻線樣板—2.表面清潔—3.涂橡膠—4.橡膠激光—5.去橡膠—6.化銑—7.多級化銑，返回2重新開始—8.開孔

與化銑切相比，鏡像銑有以下優(yōu)點：a）單個零件工藝流程簡單?；瘜W銑切單個零件的工藝流程復雜，生產(chǎn)周期長。鏡像銑一次加工可以解決化銑的多個工藝流程，特別是對于多級化銑，效率更高；b）鏡像銑綠色環(huán)保?；娙菀桩a(chǎn)生污水排放，影響周邊的環(huán)境，同時加工掉的材料無法回收，不符合目前綠色加工的趨勢；c）鏡像銑加工的變厚度臺階處，輪廓度比化學銑切要精確很多。采用化銑方法的零件由于侵蝕比的原因，會導致化銑臺階的輪廓度無法得到很好的保證；d）化銑底角為自然形成，過渡半徑較大，鏡像銑底角為數(shù)控加工精度較高，故實際產(chǎn)品重量，鏡像銑蒙皮應該比化銑蒙皮重量小。

但化銑零件可以多個同時進行，多道工藝之間，形成流水線，建造化銑池的成本也較低。而采用鏡像銑時，僅需一道工序即可完成加工，單個零件加工速度快，但一臺機床只能加工一個零件。然而每架飛機有幾十塊蒙皮，特別是飛機批產(chǎn)時蒙皮加工需求量大，須購買更多的鏡像銑加工設備形成流水線生產(chǎn)，價格昂貴成本較高。

鏡像銑在一定程度上可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的化銑加工工藝，對加工多級臺階的變厚度蒙皮來說是一個精度高、效率高，而且非常綠色環(huán)保的工藝。但對于產(chǎn)品大量批產(chǎn)來說，與化銑加工工藝相比生產(chǎn)速率略低，成本較高。

機身蒙皮設計與鏡像銑

以某型號飛機中后機身蒙皮為例，介紹金屬機身蒙皮設計及鏡像銑加工的應用。

蒙皮選材

重量對于飛機來說是一個非常重要的參數(shù)，蒙皮重量在機身中所占比例很大。如某型號飛機中后機身蒙皮占整個中后機身結(jié)構(gòu)重量的30%左右。

新型鋁鋰合金不僅具有低密度、高彈性模量、高比強度和高比模量的優(yōu)點，同時還兼具低疲勞裂紋擴展速率、較好的高溫及低溫性能等特點。與常規(guī)航空鋁合金（2000、7000系列）相比，平均密度低約3%，但彈性模量卻高5%～8%。使用鋁鋰合金材料將顯著提升機體的結(jié)構(gòu)效率，減輕結(jié)構(gòu)重量。

針對農(nóng)村初中古詩詞教育輕視誦讀教學、照搬參考書、忽視激發(fā)學生興趣、教學手段單一等問題，依據(jù)“教師為主導、學生為主體”的理念，通過課內(nèi)進行情境教學改革，課外進行初中語文古詩詞讀書分享學習模式探索以及“網(wǎng)絡多媒體+古詩詞”的學習方式研究，形成“課內(nèi)+課外+網(wǎng)絡多媒體”三位一體相結(jié)合的教學模式。提高了學生對詩人情感的理解能力，培養(yǎng)了學生的古詩詞鑒賞能力，提高了學生的人文素養(yǎng)和審美情趣，引導學生認識中華文化的豐厚博大，吸收民族文化智慧，激發(fā)學生的想象力和創(chuàng)作潛能，促進個性發(fā)展，豐富精神世界。

某型號飛機中后機身蒙皮使用了鋁鋰合金材料，但由于材料制造工藝限制，中后機身蒙皮采用鋁鋰合金材料與常規(guī)航空鋁合金材料相結(jié)合的方案：單曲蒙皮采用鋁鋰合金，雙曲蒙皮采用常規(guī)航空鋁合金。

鏡像銑加工限制條件

鏡像銑的加工能力和限制條件：

a）最大蒙皮尺寸范圍：最大12000mm（長）×2500mm（寬）×750mm（弧高）；最小2000mm（長）×800（寬）mm；若蒙皮超出最大弧高，則需要通過對蒙皮零件實施多次裝夾進行加工。

b）蒙皮毛坯厚度：1.6mm-10mm。

c）加工精度：最小厚度1.2mm，厚度公差-0.1+0.2mm或±0.15mm，輪廓度±0.1mm

d）蒙皮曲率半徑≥800mm。

e）毛料余量：在銑頭上安裝了一個“推頭”裝置，由6個滾珠組成，為了保證在銑削過程中對蒙皮的適當支撐，毛料尺寸需要比零件的尺寸至少大80mm以上。

f）蒙皮下陷深度：由于推頭裝置的原因，蒙皮下陷深度≤4mm。

g）蒙皮邊緣：設計數(shù)模中蒙皮邊緣面與蒙皮表面應保持法向。

h）波紋度：原材料在鏡像銑頭范圍內(nèi)（直徑80-100mm）的波紋度，不能大于0.2mm。

i）蒙皮最大彎曲角度：由于排架支撐桿吸盤轉(zhuǎn)動角度的限制，蒙皮的最大彎曲角度最好不超過90°；如彎曲角度超出90°則需要對蒙皮進行二次定位才能實現(xiàn)對超出角度部分的銑切，而二次定位會增加制造難度，影響零件加工精度。

圖3　側(cè)、下部蒙皮及厚度分布

圖4　蒙皮彎曲角度

蒙皮厚度設計

蒙皮是機身主承力結(jié)構(gòu)，其厚度對結(jié)構(gòu)重量的影響極大，蒙皮厚度設計要根據(jù)強度、剛度和壽命的要求綜合考慮確定。蒙皮厚度太厚，安全性增高，但對重量不利；厚度太薄導致裕度不足，會發(fā)生疲勞、屈曲和失穩(wěn)破壞。

設計機身蒙皮厚度時，根據(jù)有限元計算得到的蒙皮各部位的裕度分析判斷，裕度大的部位減小厚度，裕度不足的部位增加厚度，進行多輪迭代后使裕度相近，既滿足強度要求，又能減輕蒙皮的重量，得到最優(yōu)的厚度。按等應力設計原則，最終得到的蒙皮厚度分布應與有限元計算的應力云圖的相似。

如某型號中后機身蒙皮，見圖3，在貨艙門開口區(qū)域的蒙皮，因機身不連續(xù)造成應力集中現(xiàn)象，設計時在開口周邊蒙皮加厚，按遠離開口區(qū)域厚度逐級遞減。下部蒙皮，是全機受壓最嚴重的區(qū)域，設計時加厚蒙皮保證足夠的強度，防止受壓失穩(wěn)破壞，隨著遠離載荷較大區(qū)域，蒙皮厚度逐漸減小。

中后機身的變厚度蒙皮，均采用鏡像銑加工方法來實現(xiàn)。a）毛料厚度小于3mm的蒙皮，加工質(zhì)量較好，對波紋度的要求也不高；b）對于大于3mm的蒙皮，波紋度對于零件的加工精度影響較大，在實際在加工過程中需要重新對蒙皮曲面進行掃描擬合，然后再進行加工。c）對于6mm蒙皮，除了波紋度、零件自重的影響外，加工后殘余應力釋放導致的變形對零件也有較大的影響，加工后需要通過校形來達到符合設計外形的要求。

蒙皮鏡像銑加工周期

根據(jù)型號實際工程經(jīng)驗，目前鏡像銑加工一塊變厚度蒙皮的所需時間和過程如下：

a）實際加工一塊毛料厚度3mm以下蒙皮，大概需要2天時間。生產(chǎn)過程：蒙皮成形—定位—編程—加工；

b）實際加工一塊毛料厚度3-6mm蒙皮，大概需要4天時間。生產(chǎn)過程：蒙皮成形—定位—編程—實際外形數(shù)據(jù)采集和計算—調(diào)整編程—加工；

c）實際加工一塊毛料厚度3-6mm，但蒙皮最大角度超出限制條件，需二次定位的蒙皮，一般需要7天左右。生產(chǎn)過程：蒙皮成形—定位—編程—實際外形數(shù)據(jù)采集和計算—調(diào)整編程—加工—二次定位—實際外形數(shù)據(jù)采集和計算—調(diào)整編程—加工。

結(jié)語

本文首先介紹了加工金屬機身變厚度蒙皮的一種先進制造技術——蒙皮鏡像銑，闡述了鏡像銑的工作原理、特點，并與傳統(tǒng)數(shù)控加工、化銑加工方法的對比，說明了鏡像銑在加工變厚度金屬機身蒙皮的優(yōu)勢。

以某型號飛機為例，研究了金屬機身蒙皮設計的方法，得到鏡像銑加工對蒙皮設計的影響和限制要求等。飛機蒙皮鏡像銑加工的在國內(nèi)應用經(jīng)驗較少，通過型號實際工作總結(jié)得到蒙皮設計和鏡像銑加工的經(jīng)驗，為后續(xù)的相關研究和設計提供一定基礎。

DOI：10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.13.033