现代民用飞机金属机翼壁板关键制造技术分析 - 文章

现代民用飞机金属机翼壁板关键制造技术分析

作者：杨永红乔明杰

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摘要：本文以 ARJ21 飞机机翼壁板工程实际和有关试验为基础，结合金属机翼壁板制造流程对涉及的关键技术进行了分析，重点对喷丸成形所涉及的工艺设计、工装设计和外型检测等方面进行系统阐述，对未来发展提出了一些建议，希冀能为大飞机类似壁板研制起到一定作用。
关键词：机翼壁板；民用飞机；成形制造

机翼是飞机机体结构制造的核心，机翼壁板是构成飞机气动外形的重要构件，现代民机机翼制造技术已经成为衡量一个国家航空制造技术水平的重要标志之一。随着对民机舒适性、经济性要求的不断提高，从上世纪六十年代起民用飞机机翼外型已经从传统直纹面发展到了复杂双曲率超临界翼型，包括波音、空客等大型飞机制造厂家在内的许多国家长期以来一直致力于现代民用飞机机翼壁板制造技术的研究。

1．金属机翼壁板制造流程分析

飞机金属机翼壁板的制造流程可分为板坯制备、喷丸成形和自动铆接等工艺环节，见图 1，即先由厚金属板铣削出平面板坯，然后采用喷丸方法成形出所需机翼外形，最后进行长桁铆接装配。

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图1 机翼壁板制造流程

机翼壁板展开后的板坯模型和 3D 设计数模分别是壁板在喷丸成形中的最初板料状态和最终成形状态，数控加工就是按照壁板展开数模进行的。壁板板坯模型是后续加工的前提，只有获得准确的板坯模型才有可能加工出合格的壁板，对壁板制造周期及成形质量具有重要影响。在金属机翼壁板制造中难度最大的是喷丸成形，但其同时又受壁板数控加工变形的影响，喷丸成形是现代飞机机翼壁板成形的首选方法，但由于成形机理复杂以及成形过程中影响因素多，国内喷丸成形在相当一段时期内主要依靠大量试验和操作经验，耗时耗资，目前，随着 ARJ21 飞机的研制成功，西飞公司已经成为世界上第三家掌握大型机翼壁板数控喷丸成形的厂家。

2、大型壁板数控加工变形控制

现代民用飞机机翼壁板一般为薄板形结构件，从翼根到翼尖为由厚变薄的斜削式变厚度结构，壁板外表面展开后为平面，局部带有装配需要的搭接下陷；壁板内表面展开后多为斜削变厚度，有装配长桁的凸台结构，弦向截面呈不规则的阶梯式厚度，腹板多凹台缺口和内形窗口等复杂结构，两侧轮廓上有装配交错的搭接缺口。由此易造成数控加工质量不稳定、数控加工效率较低等问题，目前普遍采取以下四种变形控制方法：

1）按不同加工阶段调整余量分配，使各工序的变形有利于下工序的装夹和加工成形，预防零件的变形；
2）采用加工应力分割槽；
3）采用对称加工控制变形；
4）选择和保持刀具锋利切削，最大限度减少加工中衍生在工件表面的切削应力，控制零件的变形。

同时为了提高壁板的数控加工效率，最好选用大直径镶齿刀具，内外表面和腹板下陷一次性集中加工，以简化工序流程；同时也使用高转速，提高切削线速。

3、喷丸成形技术

与常见的机械冲压、拉伸、弯曲成形相比，喷丸成形是采用高速弹丸撞击金属表面，在表层材料下形成残余挤压应力，导致金属发生相应变形，成形效果是大量金属弹丸在一定区域内离散分布撞击形成的残余应力场的综合作用，是一种“积分”式的、由微观到宏观的作用效应。喷丸成形的特殊性也正是导致其理论技术难点的所在,需要通过大量试验才能确定喷丸成形工艺参数，因此喷丸成形工艺设计是大型壁板喷丸成形的关键，喷丸成形工艺设计的关键就是在对壁板的不同区域采用什么参数和方式进行喷丸，参见图 2，尤其在喷丸设备采大量采用数控系统以后，完全可以实现对不同区域采用不同喷丸工艺参数，整个过程可分为基础工艺参数试验和喷丸成形工艺设计与参数优选两个阶段。

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图2 机翼壁板喷丸成形工艺设计

3.1 基础工艺参数设计与试验

由于在喷丸成形过程中，金属零件的弯曲、延伸变形量受弹丸直径、速度、覆盖率等多种工艺因素的影响，加之变形过程的非线性，金属变形量是各种喷丸成形工艺参数的非线性函数，因此工程中通常需要做大量基础工艺参数试验来确定合适的喷丸参数。试验表明：基础工艺参数试验应包括喷丸强度、弹流速度、弹丸规格、喷射角、弹流量、覆盖率、喷射距、喷丸条带间隔等项目。同时试验设计不但要重视工艺参数设计，而且对试验件几何尺寸应予以充分考虑，为获得更加接近实际使用的数据，试件规格设计是一项主要内容，应根据试验目的不同而设计不同规格的试验件。

3.2 工艺设计与参数优选方法

对于采用喷丸成形工艺的壁板，其成形质量主要是通过设计合理的工艺参数来保证，因此，要实现精密喷丸成形，必须准确地确定喷丸成形的各工艺参数，如弹丸型号、弹流速度，弹丸流量、喷射角及运动速度等。喷丸成形工艺参数设计不但要以基础工艺参数试验为依据，而且往往要包含对以往工艺数据及设计知识的继承和创新。因此建立基于喷丸成形工艺数据库的喷丸工艺设计系统是有效解决方法，可以使工艺人员通过计算机软件来制定喷丸所需的各种工艺数据。

研究开发喷丸成形工艺设计系统，即实现喷丸成形工艺设计的程序化是实现壁板成形工程化的一个重要指标与必要条件。目前喷丸成形中大量的工艺问题仍未实现程序化，如喷丸路径的分析与确定、等强度喷丸区的划分、喷丸参数的确定等关键工艺参数主要依靠试验法确定。将有关工艺参数的确定与计算程序化，是实现精确喷丸成形的关键问题之一。实现程序化喷丸成形工艺设计问题主要包括喷丸路径分析与确定、等强度喷丸区划分和喷丸参数确定等三个方面。

3.3 预应力夹具优化设计

现代民用飞机主要为超临界翼型，不仅结构复杂，而且为双曲率外形，成形难度极大，在自由状态下往往超过机床喷丸成形极限，必须在喷丸前对其施加预应力，在喷丸过程中对其进行夹持，预应力夹具是壁板喷丸成形的主要工艺装备之一，设计和制造难度很大。预应力夹具按功能可分为定位和施力两个模块，为提高夹具的使用性能，预应力夹具的设计目标就是要实现夹具组合化、标准化和系列化，满足大型飞机快速研制要求。

3.4 机翼壁板外型数字化检测

机翼外型直接影响着飞机气动性能和承载能力，传统上，机翼壁板理论外形采用构架样板模式进行检测和描述，即通过塞尺检测壁板与构架样板沿肋板位置处间隙大小，从而达到检测目的，此种检测方法的缺点有：

1）评定结果因人而异；
2）测量时间长且精度低；
3）手工操作的模板式测量难以与自动控制系统、质量管理系统进行信息交流。

同时样板测量实际上只是机翼外型控制曲面上若干个截面曲线的形状误差，但有限个截面曲线并不能完全表征整张曲面的形状误差，这种曲面样板的测量只是一种二维测量。随着现代飞机设计要求的不断提高，机翼壁板无论从外形还是结构上都日趋复杂，壁板制造难度将不断增大，传统模拟法检测模式难以适应现代复杂外形壁板的检测要求，必须研发机翼壁板外型数字化检测系统，而飞机机翼壁板外型检测是一个大型曲面测量问题，目前在国内本身就是个难点问题，因此我们要实现现代机翼壁板外型快速数字化测量难度更大。

4、结束语

大型机翼壁板制造是现代大型飞机机翼制造中的一项关键瓶颈问题，随着对飞机制造技术要求的不断提高，壁板制造流程中的关键技术也需要不断提升，以工艺设计技术为研究重点，建立以喷丸成形为代表的数字化工艺设计系统势在必行，实现机翼壁板工艺设计、成形加工等过程的数字化、智能化和快速反应，才能形成稳定的大型飞机机翼核心研究制造能力。

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (8/17/2012)


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