飛機鈑金件塑性成形及數(shù)控切割工藝分析

黃 奔，湯研彥

由于現(xiàn)代飛機工業(yè)及其數(shù)控加工技術(shù)的迅速發(fā)展，新型飛機中大部分使用了整體結(jié)構(gòu)件。但由于結(jié)構(gòu)件具有加工難度大，對加工精度要求較高的特性，因此數(shù)控加工技術(shù)成為了飛機結(jié)構(gòu)件加工的必用技術(shù)手段。飛機結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工的產(chǎn)品質(zhì)量與效果差的問題也越來越凸顯。在飛機結(jié)構(gòu)件的數(shù)字控制加工過程中，對典型工藝條件與切削參數(shù)的合理選擇，對于提高數(shù)控加工產(chǎn)品質(zhì)量、改善工藝效果有著非常關(guān)鍵的意義。

1 飛機結(jié)構(gòu)件及材料特點

1.1 飛機結(jié)構(gòu)件

飛機整體結(jié)構(gòu)件，是指構(gòu)成飛機機身骨骼和氣動外型的主要構(gòu)件，它品種繁多、造型復(fù)雜、材質(zhì)不同。整體構(gòu)造件尺寸大、壁薄、容易變型。同普通機械零件比較，有機械加工困難大、加工周期較長、對生產(chǎn)水平需要較高和工藝技術(shù)困難大等優(yōu)點。如護墻板、橫梁、框、閘、連接、座艙蓋骨架和蜂窩構(gòu)件等構(gòu)造件。當中，框架、橫梁、肋、護墻板和連接，是不同機種中最典型的飛機構(gòu)造件。

1.2 材料特點

飛機結(jié)構(gòu)件材質(zhì)的主要特性，可總結(jié)為輕、高強度和高可靠性。在飛機結(jié)構(gòu)件材料的加工特性中，下列幾方面特性直接影響到了飛機結(jié)構(gòu)件的加工數(shù)控工藝。種類、品種和規(guī)格多。新世紀的飛機基于安全性與多用途的考量，所采用的新材料也更加多元化。高的比強度（aE/p）和高的比剛度（E/p）是飛機結(jié)構(gòu)件材料的主要特征，通過降低結(jié)構(gòu)件質(zhì)量能夠提高飛機器的整體承載力，從而增強機動性，增加航程。為此，高強度鋁合金、鈦合金和高級復(fù)合物在飛機制造業(yè)上獲得了普遍的使用。高熱合金是飛機結(jié)構(gòu)件材質(zhì)的主要成分，特別是針對發(fā)電機材質(zhì)，由于發(fā)動機推重比（或功重比）的增加，對金屬材料的耐溫需求也愈來愈高。生產(chǎn)成本高昂，售價昂貴。飛機結(jié)構(gòu)件材料比普通建筑材料昂貴許多，一旦加工失敗，會帶來巨大的損失。

2 精密鈑金成形技術(shù)

2.1 超塑成形技術(shù)

精密鈑金機械加工與成型工藝的產(chǎn)品設(shè)計包括了相當多各種因素，如模型（稱號：工業(yè)生產(chǎn)之母）的規(guī)格、毛坯輪廓形狀、板料厚薄、壓邊加工能力、拉制筋抗力、摩擦、潤滑等。由于鈑金的使用日益普遍，因此鈑金件的產(chǎn)品設(shè)計也成了產(chǎn)品流程中非常關(guān)鍵的一環(huán)，因此機械工程師們需要熟練掌握鈑金件的設(shè)計技能，并要求產(chǎn)品設(shè)計的鈑金既符合產(chǎn)品設(shè)計的用途和外形等特點，又能使沖壓產(chǎn)品模型的制作簡便、成本低。蘇州機箱的加工鈑金機箱加工物料將會被送入數(shù)控沖床/ 切斷機，完成沖孔/ 切斷工藝。折彎工藝，重點考察的是刀具選用、折彎順序、折彎補償、折彎干涉等。并按照鈑金機箱機柜的生產(chǎn)情況，完成了焊縫、拋光、噴涂、組裝、打包等加工工藝。毛坯形態(tài)的判斷也是鈑金成型工藝設(shè)計中的一項關(guān)鍵（Emerson）。一旦毛坯材料造型科學(xué)合理，變形沿毛坯材料質(zhì)量分配不均衡的現(xiàn)狀就可以獲得明顯改善，成形極限也能大大提高，并能減小高度，從而極大減小了截棱余度，極大節(jié)省了物料（Material），而且能最大限度減小乃至能免去后期的修邊工藝，大大降低了成本；同時，科學(xué)合理的毛坯材料造型能改變成型流程中物料（Material）的應(yīng)力分配，最大限度減小瑕疵的形成，進一步提高產(chǎn)品（Product）的品質(zhì)。

鈑金機械加工的成形技術(shù)，是對金屬薄板、薄壁型材和薄壁管材等的各種金屬毛料施加外力，使其產(chǎn)生塑性變化或剪切應(yīng)力，以便形成具有預(yù)期外形和機械性能的零件工藝方式。鈑金機械加工零件的重要優(yōu)勢是尺度大、強度小、外形復(fù)雜化。生產(chǎn)的優(yōu)點是種類多、批量小、成形技術(shù)多樣化。鈑金生產(chǎn)零件可以分成以下三種。

（1）有氣動力形狀的主要零部件：主要是飛機機身、翼、尾瓣和進氣道的蒙皮，導(dǎo)彈彈體、舵面的蒙皮，以及運載火箭發(fā)動機內(nèi)部的燃油室和噴管等。

（2）結(jié)構(gòu)骨架零件：分為縱面、橫面和斜向構(gòu)造，如橫梁、桁條、隔框、翼肋等。

（3）內(nèi)裝零部件：包含燃油、控制、通訊等控制系統(tǒng)，和日常生活服務(wù)設(shè)施中的所有鈑金機械加工件，如油缸、各類管道、支撐、座椅等。

對鈑金件加工技術(shù)的基本要求是：帶有氣動力形狀的金屬零部件必須具有精確、平滑、流線的曲面造型；金屬骨架零部件必須能以最少的自重，保有最大的結(jié)構(gòu)效能；各種鈑金加工零部件必須在規(guī)定的使用和儲存期限內(nèi)，具備符合規(guī)定的機械強度、剛性以及抗疲勞性能、抗腐蝕能力和耐熱性等物理化學(xué)特性。鈑金加工零部件材料不僅造型復(fù)雜，而且還必須采用各種比強度高的和耐熱、抗腐蝕材料。在各種材質(zhì)中，使用最高的是硬鋁、超硬鋁合金和防銹鋁合金材料。錳- 鈷- 鈦等不銹鋼材料也在火箭發(fā)動機中使用得很多。由于鋁鎂合金材料不僅比強度高，而且耐熱、抗腐蝕的特性較好，因此在鈑金加工零部件材料中所占的比重也在日益提高，目前主要用來生產(chǎn)蒙皮、隔框和氣瓶等零部件。

2.2 超塑成形/ 擴散連接組合工藝

超塑成形（SPF）/ 擴展連結(jié)（DB）工藝技術(shù)，是集超塑成形與擴展連結(jié)二個工藝技術(shù)于一身的綜合工藝技術(shù)，要求物料必須具備相同的成型溫度與連結(jié)溫度，在一次升溫流程中進行超塑成形（SPF）和擴散連接（DB）的兩個工藝步驟。超塑性成形/ 熱擴散接頭結(jié)構(gòu)型式多種多樣，但習(xí)慣上按毛坯板料的層數(shù)來劃分。既有簡單的超塑成型（SPF）加強構(gòu)件，也有超塑成形（SPF）/ 擴展連接（DB）的雙樓板、三樓板、四樓板結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)也可應(yīng)用在飛機器上的某些大型或復(fù)雜鈦結(jié)構(gòu)件，比如翼鋒面、縫翼、各類承力護墻板、導(dǎo)彈彈翼等結(jié)構(gòu)，覆蓋面較廣。它對改善飛機性能、降低結(jié)構(gòu)件質(zhì)量、減少成本等均具備了傳統(tǒng)機械生產(chǎn)工藝中無可比擬的優(yōu)勢。

目前，超塑成型工藝技術(shù)最普遍的運用方式是與擴散接合工藝技術(shù)組合而成的超塑成型/ 擴散連接復(fù)合工藝技術(shù)，使用金屬板材在同一個高溫區(qū)域內(nèi)具有超高塑性和擴散連接性的優(yōu)點，一次成型出具有空間夾層構(gòu)造的整體結(jié)構(gòu)。根據(jù)成形結(jié)構(gòu)的初始毛坯總量有所不同，可分成單層、兩層、三層和四層等結(jié)構(gòu)形態(tài)（如圖）。通過超塑性成型/ 熱擴散連接工藝加工成型的空心夾層結(jié)構(gòu)零部件，具備熱成型性好、產(chǎn)品設(shè)計自由大、加工成型精確度高、沒有回彈、無殘余應(yīng)力、構(gòu)件剛度大、生產(chǎn)周期短、大大減少了零部件量等優(yōu)勢。因為使用該構(gòu)件大大減少了零部件和連接件的數(shù)量，減少了大量的聯(lián)接縫，也減少了接縫和焊接過程中可能產(chǎn)生的裂縫，大大增加了構(gòu)件的耐久性和破損容限。此外，該構(gòu)件還能夠達到良好的剛度重量比。用超塑成型/擴散連接結(jié)構(gòu)材料作為最常見的金屬結(jié)構(gòu)件，一般可減輕結(jié)構(gòu)重10% ～ 50%，材料成本也可減少25% ～ 40%，其所產(chǎn)生的效益也相當可觀，主要應(yīng)用于宇航等應(yīng)用領(lǐng)域。而鋁鎂合金材料在相同的高溫窗口內(nèi)，具有優(yōu)異的超高塑性及低擴散連接性，是目前使用較為普遍的超塑成型/ 擴散連接工藝材料，目前軍民兩用飛機機身的整體框架、大梁、護墻板、開口蓋、艙門、前側(cè)翼、后機身隔熱板等部分，均采取了超塑成型/ 低擴散的連續(xù)多級空心結(jié)合形式，減重效果明顯。除此以外，還在大涵道比的渦扇發(fā)動機中采用了超塑成形/ 擴展鏈接技術(shù)發(fā)展成型的寬弦空心扇葉，代表著當時超塑成形/ 擴展鏈接工藝技術(shù)進一步發(fā)展使用的最大技術(shù)水平。

2.3 液壓成形

向裝在容框中的橡皮胎內(nèi)充高壓液，使其迅速膨脹，以便推動毛料并根據(jù)模胎的外形而產(chǎn)生零件。如此產(chǎn)生的零部件精度高，且表面無壓痕。橡皮胎是一個通用的柔性凹型，所以在工作臺上能安裝多種不同形式的模胎。而液壓沖床在一個循環(huán)中就可以壓出多種零件，所以加工效率高，成本低。而這個方式主要用來加工成形的翼肋、隔框等淺彎邊零部件，主要使用設(shè)備就是橡皮囊液壓沖床。

橡皮囊液壓成型技術(shù)屬于金屬板材塑性成型的一部分，是指使用金屬材料橡皮囊制作成彈性強度凹型（或凸模），用液體壓力油當作傳壓介質(zhì)，使各種金屬板材隨剛性凸模（或凹模）而成型的一類軟模成型方式。其中使板料沿著模具成型的部分就是橡皮囊，另外約束板料成型的部分則是剛性零點五模。在成型過程中，橡皮頭既成為了傳壓介質(zhì)，又具備零點五模的功能。橡皮效應(yīng)于模上的負載有多向性，這使得剛性零點五模保持著立體的受力狀態(tài)，因此模型在工作臺上并不需客戶定位，而板料的所受壓強也在變化過程中，隨著液壓強度的增大而提高。一般常規(guī)的落壓成型是靠沖壓工藝設(shè)備和沖模機構(gòu)的簡單回轉(zhuǎn)運動或直接往復(fù)運動實現(xiàn)零部件的生產(chǎn)，而橡皮囊液壓成型則是利用橡皮零點五模向剛性零點五模的流動充填或逐步包覆實現(xiàn)零部件的生產(chǎn)。所以，使用橡皮囊液壓成型方式能夠成形出造型比較復(fù)雜的零部件，也可以降低成型工藝次數(shù)，從而降低并簡化了模型，減少制造準備的時間，從而大大提高了零部件材料表面品質(zhì)，從而更好地解決了零部件剛性、強度、尺寸與精度之間的沖突，同時，它又是一個低噪聲、低能耗和低環(huán)境污染的工藝方式。使用橡皮囊或液壓工藝加工成型的零部件，可以不經(jīng)過修理或少許修改就能夠直接進行組裝，因此特別適合于中、小批量和試生產(chǎn)。自20 世紀30 年代開始，橡皮囊液壓成型工藝就成為了飛機工業(yè)中的一項十分關(guān)鍵的工藝方法，在外國的現(xiàn)代化飛機制造商，橡皮囊液壓成型零部件數(shù)量已占飛機鈑金零部件總量的50% 以上，在國內(nèi)市場也達到了35% ～ 40%。

2.4 激光技術(shù)

當輸出功率能量密度大約為105W/cm2～ 106W/cm2的激光照射到金屬材料表層時，部分激光被反映，另部分的光能則被金屬材料吸收轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃坎⒃诤讣韺尤诨饘俨牧媳砻鎸拥臒嵋詿醾鲗?dǎo)的方式不斷地向金屬材料內(nèi)部傳導(dǎo)，產(chǎn)生熱熔池，從而使二焊器件表層熔融在一起。這些焊接模式的熔深淺，深寬都特別小。

當輸出功率能量密度很大（約為106W/cm2～ 107W/cm2）的激光束直接照射在金屬材料表層時，金屬材料吸入光能并轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃浚ぜ谖爰す饽芰亢蠛芸烊廴谀酥翚饣?，而熔融的金屬材料則在蒸氣壓影響下成為小孔激光束可直接照小孔底，使小孔繼續(xù)擴展，直到小孔內(nèi)的蒸汽壓強和液態(tài)金屬材料的表層張力與重力保持平衡結(jié)束。當小孔伴隨激光束沿焊接方位移動位置時，在小孔前方熔融的金屬材料圍繞著小孔流入下方，在凝結(jié)后成為焊縫。這種焊模式的熔深度很大，深寬比也大。在飛機生產(chǎn)領(lǐng)域中，除微薄零部件或特殊要求以外，通常都采用全深熔焊。

隨著激光焊接技術(shù)在制造業(yè)中的成熟運用，激光焊接技術(shù)的缺點將逐步暴露：對設(shè)備投入大、使用成本高，能源使用率較低；對工件材料的焊縫加工精確度需要較高；由于超高反射率金屬材料極難以實現(xiàn)激光焊接，且易對激光材料設(shè)備產(chǎn)生損傷；而超高焊條速度造成的焊條迅速固化，焊接接頭中易形成氣孔、咬邊等問題，焊縫組織脆性，乃至焊條斷裂。

為了避免單激光技術(shù)焊存在的技術(shù)問題，學(xué)者們提出了將激光技術(shù)和焊縫電極結(jié)合的新焊接方式，其工作出發(fā)點是用電極焊縫的價格低、范圍廣等優(yōu)點，輔助激光技術(shù)來完成焊縫。激光技術(shù)- 焊縫的電極結(jié)合，一般是指激光技術(shù)與PAW、TIG 或MIG/MAG 之間的結(jié)合。目前，已經(jīng)重點研發(fā)了LASER-PAW 和LASER-MIG 兩個綜合焊接方式。

LASER-PAW 復(fù)合焊接技術(shù)。

等離子弧的導(dǎo)弧性和?；⌒远几哂赥IG 焊縫，而且陰極熱無法損失，因此利用等離子弧和激光結(jié)合熱源實現(xiàn)焊縫是一個流程非常平穩(wěn)的焊縫工藝技術(shù)，也可以提高焊縫品質(zhì)。由于不需要真空系統(tǒng)，因此能夠在良好大氣環(huán)境下完成較大或中厚零件的焊縫；較快的焊縫速率，減少了零部件的焊接變形；由于焊縫工藝裕度大，對焊前零部件的組裝間隙和焊縫的對中條件都能夠大大降低，具備了較高的實用價值。

LASER-MIG 復(fù)合焊工藝，是激光焊接電弧波形復(fù)合焊發(fā)明至今，研究最多、最為常用的一項綜合焊接技術(shù)。MIG 焊縫很易于選用焊絲充填焊縫，可以通過激光- 焊接電弧雙波形復(fù)合焊縫的方式，進而增加了拼縫間隙裕度、降低溫度并去除焊縫后接口部位的空洞，從而提高了焊接形貌；另外，通過選用不同的焊絲，還可以調(diào)節(jié)焊接的物理化學(xué)組成，從而提高了動力學(xué)特點。

3 鈑金激光數(shù)控切割成形技術(shù)

3.1 鈑金激光數(shù)控切割成形技術(shù)原理

鈑金激光數(shù)字控制切割成形是近年蓬勃發(fā)展出來的一門無模具制造材料成形工藝技術(shù)，如激光材料沖壓成形、激光材料曲面成形、激光打標機等，可以來生產(chǎn)彎曲實木板、成形半球體、球形、S 形等異型形狀尺寸零部件，并在管子的某些地方做凸緣、壓縮、脹形，如飛機器上的連接角片、隔墻板、型料、支架、蒙皮，以及車輛上的燈傘等。

高壓氣體在穿透層的影響下，生成了沖擊壓應(yīng)力波，從而直接作用于工件材料上，使工件材料生成了變化。同樣，來自于高壓氣體中的部分應(yīng)力波透過工件材料表層，使相應(yīng)深入的材料表面形成殘余壓應(yīng)力，可以加強工件表面，并增加疲勞壽命。此外，尚有部分的殘留應(yīng)力波可穿越透明材料表面，稱之為應(yīng)力波損失。

鈑金板在經(jīng)過激光沖壓成型之前，先在零部件表層上進行涂層工序—“表面黑化處理”，接著在髹漆層上再涂抹第一層透明度材質(zhì)，所謂透明度層，即流動的水。激光輻照時，通過穿透層，光能被不透光的髹漆層材質(zhì)初步吸收后，蒸發(fā)一薄層髹漆層材質(zhì)。而蒸發(fā)了的髹漆層材質(zhì)繼續(xù)吸收光柱的殘余熱能，并迅速形成高壓氣體。

今后激光材料加工技術(shù)的發(fā)展仍將受到激光加工設(shè)備、工藝技術(shù)理論及工業(yè)應(yīng)用方面的制約。如果激光工藝技術(shù)裝置的質(zhì)量穩(wěn)定、安全可靠、設(shè)備配套水平和智能化程度更高等，則工藝過程科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)理論研究成果的統(tǒng)計可比性更大，研究工作面進行更加廣泛，工業(yè)的應(yīng)用范疇也將隨之拓寬。尤其在我國等發(fā)展中國家，由于激光材料加工技術(shù)目前還主要處在基礎(chǔ)研發(fā)工作，還沒有完全步入規(guī)模化產(chǎn)業(yè)應(yīng)用階段，因此需要受到更充分的關(guān)注，以便逐步促使激光材料加工技術(shù)向著優(yōu)質(zhì)、高可靠性、智能性、多用途、大功率和柔性的自動化走向蓬勃發(fā)展。

3.2 模具數(shù)字化設(shè)計制造系統(tǒng)

飛機鈑金模具設(shè)計生產(chǎn)行業(yè)發(fā)展的主要出路與方向，是進一步增強數(shù)字化能力。而數(shù)字化技術(shù)則是集管理、設(shè)計、分析、生產(chǎn)、檢驗，以及在模型建造整個生命周期內(nèi)各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)一體化高新技術(shù)的綜合運用。在數(shù)字化信息管理方面，著重發(fā)展如PDM/ERP/MES 以及無紙化設(shè)計制作等數(shù)字化信息技術(shù)；在設(shè)計技術(shù)方面，著重發(fā)展如KBE/CAD/CAE/CAPP/ 數(shù)字資料網(wǎng)絡(luò)一體化信息技術(shù)；在設(shè)計生產(chǎn)方面，著重發(fā)展可以一體NC程編和數(shù)控技術(shù)；在設(shè)計測試方面，著重發(fā)展在線測試和數(shù)字測量的協(xié)調(diào)技術(shù)。

鈑金模具的數(shù)字化設(shè)計與制造體系結(jié)構(gòu)如圖一所顯示，總體上包括以下六個主要組成部分，即基礎(chǔ)環(huán)境、數(shù)據(jù)生產(chǎn)集中管理平臺、設(shè)計制造數(shù)據(jù)管理接口、設(shè)計制造應(yīng)用技術(shù)、工作模型、設(shè)計生產(chǎn)過程管理。

數(shù)據(jù)分析集成平臺一般由設(shè)計生產(chǎn)數(shù)據(jù)系統(tǒng)（PDM）、生產(chǎn)資源計劃（ERP）、生產(chǎn)運行系統(tǒng)（MES）和鈑金模具設(shè)計與生產(chǎn)專業(yè)知識庫等構(gòu)成。PDM 系統(tǒng)一般實現(xiàn)了工程設(shè)計文件管理、工作過程管理、電子審批管理、工程設(shè)計變更管理、產(chǎn)品設(shè)計構(gòu)形管理、工程信息交流和發(fā)布等信息管理功能；ERP 主要是涉及公司的設(shè)計生產(chǎn)各項資料，制造計劃和過程；而MES 則重點是模具企業(yè)生產(chǎn)過程進行流程管理（當中包含制造計劃、進度）以及對生產(chǎn)流程的動態(tài)管控。

在數(shù)字化產(chǎn)品設(shè)計中，建立信息庫是十分關(guān)鍵的基礎(chǔ)性工作，它是數(shù)字化產(chǎn)品設(shè)計制造過程的主要動脈，包含了設(shè)計數(shù)模、信息庫、仿真分析參考信息庫等，都是數(shù)字化和智能化產(chǎn)品設(shè)計所必需的基本內(nèi)容。

數(shù)據(jù)接口系統(tǒng)主要處理模具裝配生產(chǎn)中各異相系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)交換，以確保數(shù)字化設(shè)計與制造間數(shù)據(jù)的順暢傳輸，使整個模具裝配制造生命周期中的唯一數(shù)據(jù)源傳遞，以保證數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)性和減少差錯。

現(xiàn)代數(shù)字化測試裝置包括觸及式和非接觸式。觸及式檢測設(shè)備基本上是由三、五坐標測量機直觀地透過型面表層加以測試，也是目前應(yīng)用得最為普遍的一類測試裝置。觸及法計量的測頭要在材料上逐點測試，而且測試速率也比較慢，但通常用于對零部件的形位偏差測量，并且被測量成品的材料通常也不會太過軟。但在非接觸式檢測手段中，采用三角形法的激光數(shù)字化掃描以及采用相位光柵投影技術(shù)的結(jié)構(gòu)光法，被認為是目前最為成熟的三維形狀檢測手段。而三角法是基于光學(xué)三角測量原理，利用激光照明源與感光器件間的相對位移和夾角關(guān)系，來測算零件表面上點的相對位置數(shù)據(jù)，可包括點光源、線光源以及表面上照明光源測量方式。

4 結(jié)語

飛機鈑金模型的數(shù)字化設(shè)計生產(chǎn)技術(shù)是提升中國現(xiàn)代飛機生產(chǎn)技術(shù)的一個關(guān)鍵內(nèi)容。開發(fā)中國飛機的數(shù)字化制造技術(shù)，是中國飛機公司所需要完成的一個關(guān)鍵性工作。讓我們攜手共進，以迅速發(fā)展飛機數(shù)字化制造技術(shù)，為增強中國飛機制造商在全球飛機業(yè)中的競爭力而努力邁進。