航空鋁合金及其材料加工分析

王素華 易義鳳 曹婷婷

【摘 要】隨著現(xiàn)代社會的高速發(fā)展，飛機(jī)成為人類生活中重要的交通工具。飛機(jī)零件的裝配是飛機(jī)制造過程中重要的組成部分，飛機(jī)制造的質(zhì)量很大程度上取決于各個細(xì)微零件的裝配情況。因此為滿足飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)高質(zhì)量，使用長壽命的要求，實現(xiàn)高質(zhì)量、長壽命、低成本、高效率的裝配連接很有必要。本文對于航空鋁合材料加工工藝的進(jìn)行分析和研究，對提高航空鋁合金設(shè)備的制造質(zhì)量具有非常重要的意義。

【關(guān)鍵詞】航空鋁合金；材料加工

鋁合金的耐蝕性好、密度較小、有較好的成形性、而且其資源豐富、數(shù)據(jù)充分、成本不高，性能也在逐年不斷地提高，因此現(xiàn)代民用大型飛機(jī)中鋁合金是不可缺少的主要材料之一。航空整體結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工變形的問題涉及到了材料成型加工、力學(xué)、機(jī)械制造以及切削加工等多個學(xué)科領(lǐng)域。對飛機(jī)零件進(jìn)行薄壁化設(shè)計可以有效地控制飛機(jī)的重量，結(jié)構(gòu)的整體化可以大大的影響生產(chǎn)效率和制造的成本，還可以減少零件的數(shù)量以及連接裝配的工作量。因此在航空材料加工中，不斷地創(chuàng)新和優(yōu)化其加工工藝，進(jìn)一步控制大型整體結(jié)構(gòu)件加工過程中的變形。

一、航空用系列鋁合金的性能和應(yīng)用情況

飛機(jī)需要有高的運輸效率和良好的飛行性能，因而需要結(jié)構(gòu)材料具有高強(qiáng)、高韌、抗疲勞、耐腐蝕和高可焊等性能。而目前飛機(jī)中常用的是2024鋁合金。

2024鋁合金塑形高，具有斷裂韌性和抗疲勞擴(kuò)展性，耐熱性等特點。2024鋁合金厚板主要用在機(jī)身、機(jī)翼、抗剪肋板和腹板以及對強(qiáng)度要求較高的其他結(jié)構(gòu)件上。2124合金具有較高的韌性，抗疲勞性能和抗應(yīng)力腐蝕等優(yōu)良性能。因此常用在波音，空客等民用大飛機(jī)上。2224合金是在2024鋁合金的基礎(chǔ)上進(jìn)一步高純化得到的。其主要用于生產(chǎn)T3511狀態(tài)擠壓件，該擠壓件已經(jīng)用于制造Boeing757和767等大飛機(jī)的結(jié)構(gòu)件。2219合金具有良好的焊接性，耐熱性，韌性等性能，在飛機(jī)油箱制造過程中得到使用。2324-t39鋁材經(jīng)過一系列處理后，屈服強(qiáng)度大幅度提高，接近22%，即將在波音系列飛機(jī)上廣泛使用。

二、目前對航空鋁合金加工技術(shù)的需求

鋁合金整體構(gòu)件都具有其壁薄、體積大、剛度差和易變性的特點，這就導(dǎo)致了其在加工時加工周期長、切削加工余量大和加工精度難控制的缺點。而目前大型商用客機(jī)由于性能要求的提高，對于飛機(jī)的整體腹板、整體梁和長緣條等部分的制造加工要求也越來越高。這就要求擁有更細(xì)致和更可靠的控制鋁合金加工變形技術(shù)。

1.航空鋁合金的加工要求

航空鋁合金較之其他金屬，具備很好的可切削性。但是航空鋁合金在加工過程中的要求卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于汽車等其他制造業(yè)。這些要求主要反映在航空制造加工業(yè)對質(zhì)量加工效率、零件精度和航空構(gòu)件加工的形位誤差控制上。這些都導(dǎo)致了高效的銑削加工一直備受關(guān)注。

2.大型航空鋁合金整體結(jié)構(gòu)的缺陷

利用大型航空鋁合金制造的航空整體結(jié)構(gòu)一般包括客機(jī)的整體框、整體壁板、梁緣條和整體肋等。這些構(gòu)件在制造加工中往往會出現(xiàn)剛性差的特性，加上切削振動、切削力和切削熱的作用則會容易導(dǎo)致零件變形。這樣一來，整體結(jié)構(gòu)的加工精度和加工表面的質(zhì)量均會降低。

3.高速切削技術(shù)

高速切削技術(shù)是一種金屬加工領(lǐng)域的新工藝，它將切削工藝和高速加工技術(shù)進(jìn)行了良好的結(jié)合，在目前航空整體結(jié)構(gòu)件的加工上得到了廣泛的應(yīng)用。目前國外的高速切削技術(shù)已經(jīng)得到了國防部、政府和有關(guān)企業(yè)的支持。波音公司在加工目前最大的航空整體構(gòu)件之一的C-17鋁合金機(jī)翼框架時候就使用了高速切割技術(shù)，僅僅耗時100h，4噸重的毛培切削完成。我國在前幾年還以傳統(tǒng)的制造業(yè)為主，航空制造加工工業(yè)的技術(shù)水平相對較低，加工時使用的仍是產(chǎn)同的鋁合金切削工藝。這種切削工藝導(dǎo)致了我國航空制造加工業(yè)的落后。尤其是對于一些大尺寸零件和薄壁、型面復(fù)雜、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的難加工零件，如果采用這種加工方式，工藝路線復(fù)雜和加工周期長，周期要求難以得到滿足。在這種情況下，只有通過高效高速的切削，才能夠有效地提高加工效率。

三、航空鋁合金及其材料的加工調(diào)控

航空鋁合金及其材料的加工中，針對材料的成分、組織提出調(diào)控的要求，確保鋁合金及其材料加工，符合航空飛機(jī)制造的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

1.成分調(diào)控

航空鋁合金的成分調(diào)控，需根據(jù)航空制造的要求，增加鋁合金中的主元素含量，改變鋁合金的性能，便于提高合金強(qiáng)度。鋁合金成分調(diào)控中的主元素，含量比重不能影響鋁合金的集體成分。根據(jù)金屬材料的動力學(xué)、熱力學(xué)，把控好鋁合金的強(qiáng)度、韌性等成分應(yīng)用，適當(dāng)?shù)卦黾愉X合金內(nèi)的成分，有利于提升鋁合金的性能，調(diào)控鋁合金材料的成分，改變鋁合金的性能，優(yōu)化鋁合金在航空制造中的運用，使鋁合金材料表面、中心位置，性能上不能出現(xiàn)較大的差距，保證鋁合金材料的整體性能。

2.組織調(diào)控

組織調(diào)控是航空鋁合金及其材料加工中不可缺少的部分，負(fù)責(zé)鋁合金材料的制備。航空鋁合金及其材料，經(jīng)過組織調(diào)控后，生產(chǎn)出高質(zhì)量、無裂紋的鑄造，專門用于制造大規(guī)模的零部件，解決鋁合金材料的分配處理問題。鋁合金材料組織調(diào)控過程中，禁止發(fā)生熔體偏析的問題，便于結(jié)晶出較寬的高強(qiáng)鋁合金材料，減輕鋁合金材料鑄造的難度，優(yōu)化鋁合金組織調(diào)控的環(huán)境。

3.變形調(diào)控

優(yōu)化加工工藝和改進(jìn)裝夾系統(tǒng)，是控制大型整體結(jié)構(gòu)件加工過程中變形的最有效的策略。優(yōu)化的控制策略一般可以分為兩大類，第一種是以側(cè)壁加工為主要特征的加工，其控制策略分為三方面：一是為了使零件局部保持高剛度，采用分層環(huán)切的刀具路徑。二是為了避免由于讓刀而造成的加工誤差，可以根據(jù)具體不同的加工情況選擇逆銑方式，而采用順銑方式可以避免產(chǎn)生過切的現(xiàn)象。三是在選擇刀具的時候要合理的選擇道具的參數(shù)，也就是要選擇帶有一定圓角的刀具來進(jìn)行側(cè)壁的加工工藝。第二種是以底面加工為主要特征的加工，其控制策略分為三個方面：一是為了在加工過程中使零件局部保持剛度，可以采用中心環(huán)切的刀具路徑。二是在選擇刀具的時候，為了使加工過程中的軸向力較小，盡量不選用那些帶有圓角的刀具。三是為了減小加工過程中的底面變形，要選擇真空夾具裝夾。

四、結(jié)語

航空鋁合金及其材料的加工，按照性能設(shè)計、應(yīng)用以及調(diào)控的方法，提高航空鋁合金的基礎(chǔ)性能，避免影響鋁合金及其材料在航空運行中的實際運用，完善航空鋁合金的加工環(huán)境，最主要的是利用調(diào)控的方法，緩解航空制造中的材料壓力，表明鋁合金及其材料加工的重要性，嚴(yán)格按照航空制造的規(guī)范，把控鋁合金及其材料的加工過程。

【參考文獻(xiàn)】

[1]張新明，劉勝膽.航空鋁合金及其材料加工[J].中國材料進(jìn)展，2013（1）：39-55.

[2]陳守偉.航空鋁合金加工時的變形控制[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2012（17）：90-92.

[3]張閣.航空整體結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工變形補(bǔ)償與軟件開發(fā)[D].山東大學(xué)，2014.