简述电加工技术在大飞机制造中的应用

作者：西安航空发动机集团 何英    来源：航空制造技术

欢迎访问e展厅 展厅 7 电火花EDM/线切割展厅 慢走丝线切割, 中走丝线切割, 线切割机床, 电火花成型机, 电解机床, ... 大飞机一般是指起飞总重超过100t的运输类飞机，包括军用大型运输机和民用大型运输机，也包括一次航程达到3000km的军用或乘座达到100座以上的民用客机[1]。从地域上讲，我国把150座以上的客机称为大客机，而国际航运体系习惯上把300座以上的客机称作“大型客机”，这主要是由各国的航空工业技术水平决定的。 以我国目前自行设计的C919型大飞机机体为例，其复合材料用量占15%，铝锂合金占15.5%，其余为高强钢和钛合金等材料。因此在大飞机机体制造过程中，以切削、成型、连接、装配等技术为主[2]，而作为航空发动机（包括大飞机用大涵道比涡扇发动机）制造技术中重要组成部分的特种加工技术所占比例较小。但是不能据此得出大飞机机体制造过程中特种加工不重要的结论。相反，特种加工技术也是大飞机机体制造技术中的一个不可缺少的组成部分，大飞机机体制造中需要特种加工技术的必要性表现在以下几个方面。 （1）大飞机机体结构中仍包括相当数量的复合材料、钛合金等不易进行机械切削加工的材料，通过特种加工技术，更易于实现这些材料的成型。 （2）大飞机机体结构中也具有相当数量的干涉性、大去除量、高深径比、薄壁等类型的特征结构，采用特种加工技术或与其他加工技术相结合的特种加工技术，对实现此类特征结构的加工有着突出的作用； （3）大飞机机体的制造技术不仅包括飞机结构件的制造，还包括了飞机结构件制造所需要的模具和工装的制造，在这些方面，特种加工技术具有广泛的应用空间。 （4）在大飞机机体的制造中，需要综合考虑安全、寿命、环保和成本等方面的因素，在制造过程中合理地结合特种加工技术，有利于提高加工效率和精度，以及降低加工成本，并满足大飞机的一些特殊功能件的需求。 在特种加工技术领域中，电加工技术属于在大飞机机体制造中应用较少的类别。下文即以电加工技术为例，阐述了目前大飞机机体研制和生产中电加工技术的主要应用对象和范围，介绍了电加工技术在实施过程中的重要性和特点，并对以电加工技术为例的特种加工技术在大飞机机体研制和生产中的进一步推广和发展提出了相应的建议。 电加工技术在大飞机研制和生产中的应用 电加工技术是特种加工技术中的一大类别，是借助于电能和电化学能等能量或者它们的组合来实现材料切除或增加的加工方法，由于这些工艺方法赖以切除或增加材料的能量形式不同，一般情况下分为电火花加工技术和电化学加工技术两大类[3]。 在目前大飞机机体的制造中，电火花加工技术和电化学加工技术均有一定程度的应用，现将这两类电加工技术的原理和优缺点、应用对象、适用范围等主要内容分别阐述如下。 1电火花加工成型技术 电火花成型加工是在工件与工具之间存在一定绝缘介质的条件下，利用两极之间产生的脉冲性火花放电的电腐蚀现象，使导电材料（工件）被去除而达到加工目的的工艺方法。电火花成型加工也属于热熔加工，会在加工表面生成一定厚度的再铸层，再铸层的厚度与电流、波形等工艺参数有关。电火花加工也是非接触加工，加工过程无加工应力，可以在薄壁件等易变形零件的特征结构加工中采用，但电火花加工的电极会产生损耗，多次使用后会影响加工质量。在电火花加工成型技术方面，主要包括电火花成型技术和线切割成型技术两个类型，以及可视为表面改性或增量成型的电火花表面合金化技术。 （1）电火花成型技术 电火花成型技术主要用于大飞机机体中具有合适尺寸的由难切削材料制成的特殊结构的制造。如中央操纵机构和舵面之间机械联系的传动装置中的摇臂和传动拉杆中的型腔，飞机燃油系统和滑油系统中的喷嘴和导管连接头，飞机环控系统中液压传动系统组件等。 电火花成型技术用于这些构件进行加工时，主要表现出以下特点： a. 电火花成型技术的加工精度高，最高可达±0.01mm，加工表面质量好，一般精加工时均在Ra0.8~1.6μm 的范围内[4]； b. 电火花成型技术主要用于具有复杂结构的零部件的特征成型，所针对的材料主要为高强钢和钛合金等材料，这些特征结构通常具有一定的干涉性，且精度要求较高； c. 电火花成型加工过程中，需要根据所加工零件的材料，对电极材料进行选择，如加工钛合金时，优先选用石墨为电极材料，避免加工过程中电极材料对零件产生污染； d. 电火花成型技术经常与其他加工工艺相结合[5]，在一些特征结构的加工中，常用电火花成型技术进行最后的精加工，并达到清棱、清角等效果； e. 电火花成型技术在大飞机结构件制备所需的模具、夹具等附属装置的加工中，应用极为广泛，是型腔、型面和配合部分的主要加工工艺方法之一[6]。 （2）线切割成型技术 线切割成型技术主要用于大飞机合适尺寸的无干涉构件的成型切割和相关构件模具与工装的切割。线切割成型技术的本质为线电极的电火花放电加工，其加工特点与电火花成型技术相类似，在加工可达性方面稍差，在进行开敞性内封闭结构的切割时，需要预先加工的穿丝位置，但其加工效率明显优于同等功率的电火花成型机床，最大切割效率可达700mm2/min，并且最佳表面粗糙度可达Ra0.02μm，加工精度可达±0.002mm，同时准备时间短，使用成本也较低，因此多用于中间和最终加工工序。 （3）电火花表面合金化技术 此外，可视为电火花加工技术反向延伸技术的电火花表面合金化技术也是大飞机结构功能件表面改性中应用较多的一种工艺，其本质是将一种作为电极的导电材料在另外一种作为基体的导电材料的表面进行合金化冶金反应，形成一种新的合金层[7]。从而改变或提高作为基体的导电材料的表面质量、表面硬度及其他特性的工艺方法。通过此技术，能够有效地提高零件的表面性能，如耐磨性、防腐蚀性、增强表面硬度等性能，从而达到使零件减重、延寿和增进使用性能的目的。 电火花表面合金化技术主要用于起落架收放作动筒、襟翼作动筒、环控系统摇臂等具有耐磨需求的功能件的表面改性。 电火花表面合金化技术应用于这些功能件表面改性时，主要表现出以下特点： a. 表面合金层的厚度相对很小，通常情况下在0.15mm以内，对基体内部的影响相当微弱，只能改变基体材料的表面性能； b. 采用硬质合金材料进行表面合金化时，表面硬度可达HRC70以上，耐磨性相对于基体材料有显著的提高； c. 表面合金层在使用中有所损耗时，可以通过再次合金化进行补加工[8]，补加工后表面合金层的性能相对初次加工的变化不大； d. 仅需通过改变电极的材料，可以根据功能件对表面要求的不同，进行不同功能合金层的制备，分别达到耐磨、耐蚀、作为中间层等功能； e. 通过改变合金化振动器与电极的形式和结构的改变，能够实现多种复杂特征，如内腔、干涉性表面等结构的表面合金化，并由于电火花表面合金化设备的外形较小，能够实现外场维修。 2电化学成型技术 电化学成型加工是利用金属在电解液中产生阳极溶解的电化学反应原理而对金属材料进行成型加工的一种工艺方法，也就是通过电能与化学能的综合作用而产生反电镀的过程，其加工范围广，能在大部分导电材料上进行成型加工，生产率高，能够达到较好的表面粗糙度，加工中不存在切削力，加工表面无显著缺陷层，工具阴极在加工中不损耗，可以长期使用，但电极设计较为复杂，电解液对机床、夹具和零件会产生一定的腐蚀，且准备工艺复杂，实施成本高[9]，通常称之为电解成型技术。 电解成型技术多用于由不易腐蚀材料制成的需要进行大余量去除的大飞机结构件特征结构的加工，如起落架作动筒内的深长孔等特征结构。同时还可以通过轻微的局部电解成型加工，实现多种零件表面的电解蚀刻，是零件标记的主要工艺方法之一。 电解成型技术用于大飞机机体构件特征加工时，其主要特点表现为： a. 主要用于批量高强钢结构件的大余量去除，加工精度最高可达±0.08mm，表面粗糙度可达Ra0.8μm； b. 结构件上不需要进行电解加工的部位，必须具有涂层、涂胶、贴膜等保护，以避免电解液对这些非加工部位造成腐蚀； c. 电解成型加工多用于中间过程的大余量去除，需与后续的机械切削加工等工艺相结合，但在一些特殊内孔结构的加工中，可以通过电解成型加工单独完成； d. 电解加工时，需要根据所加工材料的不同，进行针对性的电解液的改变，减少电解液对所加工材料造成的不利影响； e. 采用电解蚀刻时，必须注意控制电解电流的大小和非蚀刻区域的防护，将蚀刻深度控制在0.05~0.10mm 以内； f. 电解成型加工属于非接触加工，加工过程中有利于材料内部应力的释放和残余应力的消除，对于零件变形的消除作用明显[10]。 总结与启示 综上所述，作为航空发动机制造技术重要组成部分的电加工技术在大飞机制造技术中也占有一席之地，并具有相应的发展改进空间。在大飞机制造这种系统性、综合性的制造技术中也属于不可忽视的一环。 根据对以电加工技术为例的特种加工技术在大飞机制造中的应用和发展的分析，对特种加工技术在大飞机制造中的应用可以得到下述启示。 （1）作为航空发动机制造技术中的重要组成部分，特种加工技术也可以广泛应用于大飞机制造技术中，对于提高加工效率和加工质量以及降低加工成本有着重要的意义； （2）由于大飞机的制造与航空发动机的制造存在着巨大的不同，因此在大飞机制造技术中使用特种加工技术时，尤其需要注意在加工的范围、效率、成本、精度等方面进行综合性考虑，使得特种加工技术能够在大飞机制造过程中适应这些方面的要求，并需要根据应用对象的特点和相关要求，进行针对性的改进，以适应不同结构或材料制造的需求； （3）大飞机的制造技术是多种工艺、检测技术的综合体，在研制和生产过程中，需要对包括特种加工技术在内的多种工艺技术进行全面地考虑研究，合理地确定各种工艺技术的实施阶段和所要达到的技术指标，从而达到最为优化的综合性制造技术实施途径，满足我国大飞机研制生产的需求。 参 考 文 献 [1]杨景佐. 飞机总体设计. 北京：航空工业出版社,1991. [2]Lombando D A 著. 小型飞机的结构和使用. 张鹏译. 北京：航空工业出版社,2006. [3]《航空制造工程手册》总编委会. 航空制造工程手册—特种加工分册. 北京：航空工业出版社,1996. [4]郭东明. 面向快速制造的特种加工技术. 北京：国防工业出版社,2009. [5]谢建新. 材料加工新技术与新工艺. 北京：冶金工业出版社,2004. [6]刘晋春. 特种加工. 北京：机械工业出版社,2000. [7] 姚福生. 先进制造技术. 北京：清华大学出版社,2003. [8]张建华. 精密与特种加工技术. 北京：机械工业出版社,2003. [9]王金凤. 机械制造工程概论. 北京：航空工业出版社,2005. [10]邢鸿雁. 机械制造难加工技术. 北京：机械工业出版社,2009. (end)

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