大型航空簿壁零件精確綠色制造技術研究*

向兵飛，徐 明，熊 勇，廖 翔，祝小軍

（江西洪都航空工業股份有限公司，南昌 330024）

大型航空簿壁零件精確綠色制造技術研究*

向兵飛，徐 明，熊 勇，廖 翔，祝小軍

（江西洪都航空工業股份有限公司，南昌 330024）

大型復雜飛機外形簿壁壁板的傳統工藝方法無法滿足精確、高效制造和綠色制造的需求，針對工藝協調復雜、工藝流程冗長和加工范圍受限等問題，對簿壁壁板零件的精確、綠色制造技術進行研究，結合有限元變形模擬分析，設計了集銑面、銑下陷、切通窗、切邊和鉆孔于一體的加工工藝，實現了壁板的高效化和集成化加工，促進了加工效率和加工質量的提升，并避免了傳統加工的化學污染。通過對比分析精確綠色制造技術與傳統加工工藝，確定了精確綠色制造技術的優勢，該技術的成功應用提升了我國航空制造的整體實力。

飛機壁板零件；加工工藝；精確制造；變形控制

0 引言

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

圖1 復雜薄壁壁板結構示意圖

飛機外形大型復雜壁板零件是飛機外表零件，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部殘余應力的影響，易發生變形，從而影響零件的加工精度以及后續的裝配質量［7］。

本文對飛機外形大型復雜薄壁壁板零件傳統加工工藝進行分析，論述了傳統加工工藝的不足。對大型復雜壁板類零件的精確制造和綠色制造技術進行了研究，解決飛機大型空間壁板類零件的集成化加工技術難題，并模擬和分析加工變形，形成新型制造工藝。

1 飛機外形薄壁壁板傳統加工工藝分析

長期以來，飛機外形大型復雜壁板零件的加工工藝流程復雜，無法在一次裝夾狀態下完成集銑面、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解決蒙皮切邊和鉆孔工藝，需要復雜的裝夾切換和加工工藝的變換來完成零件的加工；而單獨采用數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。復雜的工藝流程造成零件加工周期過長，制約了飛機總體研制進度。

1.1 飛機外形薄壁壁板化銑工藝分析

飛機外形壁板的加工一般采用化銑工藝，為了完成復雜結構的加工以及滿足高精度的裝配協調要求，需要與數銑結合完成加工。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、手工或機械切邊和鉆孔等一些列工藝，其工藝協調性一直困擾著航空制造企業。化銑解決復雜通窗和下陷等的加工問題，真空吸附蒙皮龍門銑系統解決蒙皮切邊和鉆孔工藝。圖2為傳統化銑與數銑結合的加工工藝流程。

圖2 化銑與數銑相結合的工藝流程

化銑工藝及面臨的問題分析［8］：

（1）化銑的保護膜刻線工藝繁雜：采用手工刻線工藝，需要設計制造立體化銑樣板，按化銑樣板在保護膜上刻線。化銑樣板設計制造流程長，精度底，且刻線誤差較大，效率底。而采用五坐標激光切割機配柔性夾具能有效解決刻線工藝，實現零件的精確切邊、開缺口和制孔加工。但高昂的設備價格制約著刻線工藝的推廣。

（2）不符合節能環保的需求：零件的局部減薄工藝通常采用化銑工藝，能較好的解決復雜下陷、窗口等的加工問題，但其廢棄的化銑液會污染環境，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。

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

（4）定位準確難度大：化銑完成之后的壁板零件需要采用五坐標高速銑配柔性夾具系統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很難確定精確的加工基準，易造成加工誤差。

1.2 飛機外形薄壁壁板數銑加工工藝分析

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

（1）數銑與噴丸成形工藝：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。然后采用噴丸設備將半成品工件成形到滿足目標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量。而噴丸屬于特殊工藝，需要購買昂貴的噴丸設備。昂貴的噴丸設備和數銑加工的局限性限制了此工藝技術的推廣應用。

（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：每項壁板零件需要訂制專用型面真空吸附工裝，設計制造周期廠，價格昂貴，不適合飛機外形壁板小批量多品種的生產需求；精確切邊需要鉗工去除工藝余量，且不能進行鉆孔加工和通窗加工，推廣應用受到限制。

（3）成形壁板強行壓平數銑工藝：成形壁板采用真空吸附工裝強行將其吸附成平板，然后采用數銑加工。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，由于強行壓平，材料外型面、中型面和內型面受力不同，松開吸附工裝之后，易產生回彈，造成較大的加工誤差。

2 飛機外形薄壁壁板精確綠色制造技術

針對飛機外形薄壁壁板加工中普遍采用的化銑工藝，由于存在化學污染、耗能較高、消耗鋁材無法回收等固有弊端，航空工業一直在尋求可替代化銑的綠色、精確的制造技術。針對需要多次裝夾、涉及大量工藝流程，且工藝協調性不足的加工工藝，航空工藝一直在尋求一次裝夾狀態下完成薄壁壁板的精確加工最新技術。

通過采用新一代綠色制造技術、高柔性化的夾具系統，實現集銑面、銑下陷、切通窗、切邊及鉆孔工藝于一體的飛機外形薄壁壁板精確綠色制造，滿足裝配要求。攻克飛機外形單曲和雙曲薄壁壁板的數銑替代化銑先進制造工藝，對促進我國航空工業的發展，具有重要實際意義。

2.1 加工原理及加工工藝設計

采用五軸臥式數控銑床、背部頂撐系統和高柔性化的夾具系統集成和協同工作，完成飛機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。三軸柔性夾具系統裝夾和固緊壁板，數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動實現薄壁壁板工件的隨動頂撐加工，保證加工剛性［9］。內置于頂撐裝置內部的超聲波厚度在線控制系統實時檢測加工厚度并進行厚度補償，閉環控制銑削厚度，實現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

大型飛機外形壁板的加工工藝流程設計為一次裝夾狀態下，在一臺設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、鉆孔和開通窗相結合的制造工藝，是數銑替代化銑的最新制造技術，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域，加工完背部頂撐裝置不受限制的區域后，移動柔性夾具并固緊壁板，然后銑削新的加工區域。在加工區域內按照銑面→銑下陷→切通窗→鉆孔→切邊分步進行。本方案不存在加工基準的轉換，有效減少了基準誤差的積累。同時，利于實現加工過程中材料去除的均勻化，成形殘余應力釋放均勻，外加背部隨動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，縮短了加工工藝流程，減少了大量裝夾切換次數，但是，薄壁壁板成形的殘余應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系，采用有限元法分析壁板材料切除時零件的殘余應力分布規律和零件變形情況［13］。

成形后的壁板加工過程中均勻去除材料，大曲率的結構形式增加了內應力的釋放程度。由于滾彎成形后壁板的殘余應力沿厚度方向分布，銑削過程中，零件的變形易導致零件曲率半徑與成形后的曲率半徑發生變化。借助有限元仿真計算壁板殘余應力分布，為薄壁壁板的實際生產提供指導。

成形后的薄壁壁板曲率變化與銑削厚度相關，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系，為銑削厚度工藝方案的制定提供技術支撐。

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

薄壁壁板滾彎成形過程中的殘余應力不可消除，加工過程中不可避免的產生加工變形，通過切削試驗模擬，獲得變形趨勢，然后對滾彎成形曲率半徑進行補償，使得加工的壁板能夠滿足裝配質量和尺寸精度。

3 精確綠色制造技術優勢

大型飛機外形薄壁壁板的精確綠色制造技術通過一次裝夾就完成化銑和數銑兩道工藝，替代化銑和數銑所有加工步驟和所需設備，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。與常用的化銑與數銑相結合的工藝對比，其技術優勢體現為：

（1）從工藝流程進行分析：精確綠色制造技術集成化程度高，工藝流程簡化。該技術采用數銑替代化銑，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，避免了復雜的工藝協調和定位基準變換。

（2）從加工精度進行分析：化銑至少需要兩次裝夾，重復裝夾影響加工精度，化銑采用相對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，薄壁壁板僅需一次裝夾，采用絕對尺寸和超聲波厚度在線控制系統，保證了加工精度。

（3）從環境保護進行分析：化銑的化銑液會污染環境，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。而飛機外形薄壁壁板精確綠色制造技術完全替代化銑工藝，是高速加工技術與微量潤滑技術（MQL）的集成，避免了環境污染問題，屬于新一代綠色制造技術［14］。

與傳統的數銑加工工藝進行對比：傳統的數銑加工很難解決較厚壁板和超規格壁板的加工，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適合單曲和雙曲的較厚薄壁板和超規格壁板的銑面、銑下陷、切邊、切通窗和鉆孔加工。

4 結束語

綠色制造是綜合考慮環境影響和資源效率的先進制造技術，已逐步成為制造業發展的風向標。集高速加工技術與微量潤滑技術（MQL）的大型復雜飛機外形薄壁壁板的精確綠色制造技術是航空制造能力的重要體現。以數銑替代化銑的精確綠色制造工藝，是飛機外形薄壁壁板厚度精確加工的最新技術。該技術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，實現了高效化、集成化加工，促進了加工效率和加工質量的提升，并避免了傳統加工的化學污染。該技術在我國航空制造企業首次應用，取得了良好的社會和經濟效益，提升了我國航空制造的整體實力。

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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

“高檔數控機床與基礎制造裝備”國家科技重大專項“國產高檔數控機床與數控系統在飛機筋肋梁等加工單元中的應用”（2013ZX04001-021）

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