飛機鈑金制造技術是航空制造工程的重要組成部分，是使飛機能同時獲得高結(jié)構(gòu)效率和優(yōu)良性能的基礎制造技術之一，也是飛機制造工程的支柱工藝之一。飛機鈑金制造技術水平是一個國家飛機制造技術水平和能力的主要標志。鈑金零件構(gòu)成飛機機體的框架和氣動外形，零件尺寸不一、形狀復雜、選材各異、品種繁多，有嚴格的重量控制和一定的使用壽命要求。航空制造業(yè)對成形后零件的機械性能有確定的指標要求，與其他行業(yè)的鈑金零件相比技術要求高，制造難度大。航空鈑金零件的制造除采用通用的方法外，還有本行業(yè)獨特的工藝技術，隨之產(chǎn)生了相應的鈑金專用制造裝備。本文給出了蒙皮拉形、柔性多點切邊、鏡像銑削型材拉彎、橡皮成形、噴丸成形、蠕變時效成形、充液成形、熱沖壓成形、超塑成形/ 擴散連接等航空鈑金專用制造技術與裝備的國外最新進展。
各種鈑金制造技術與裝備
1 拉伸成形技術與裝備
拉形工藝主要用于成形飛機外表雙曲蒙皮零件。拉形工藝主要分為兩種：包覆拉形和拉包成形。前者主要用于成形簡單曲率蒙皮零件，具體工藝過程如下：將毛料包覆在模具上，然后進行補拉。后者主要用于成形型材和復雜形狀蒙皮。這種情況下，毛料首先預拉，然后恒力包覆，等零件完全包覆模具后，施加補拉。國外數(shù)控蒙皮拉形機基本可以分為4 類：橫拉機、縱拉機、縱橫合一綜合拉形機以及轉(zhuǎn)臂式拉形機。典型的如法國ACB 公司生產(chǎn)的FET 型橫拉機，其最大成形力可達到2500t，它有4 個獨立水平油缸和4 個獨立垂直油缸，控制一對夾鉗進行板材拉伸。法國ACB 公司FEL 縱拉機的最大成形力達到2×1000t，其夾鉗包括多個夾鉗塊，每個夾鉗塊可以相對轉(zhuǎn)動，以使夾鉗順應零件端面外形，設備如圖1 所示。美國Cyril-Bath 公司VTL型縱橫合一綜合拉形機除既可進行橫向拉伸成形，又可進行縱向拉伸成形外，還可以通過更換夾鉗實現(xiàn)型材的拉彎成形。L&F公司生產(chǎn)的轉(zhuǎn)臂式拉形機如圖2 所示。
美國的MIT、DARPA、NorthropGrumman Corp 和Cyril Bath Corp 從1999 年開始合作開展的柔性模具多點蒙皮拉形技術項目，研制出一套臺面尺寸為121cm×182cm 的工程化應用的柔性模具系統(tǒng)，從2002 年開始該套系統(tǒng)即開始在美國某空軍修理廠進行工程驗證，2004 年8 月結(jié)束。所開發(fā)的全套技術包括柔性模具本體、模具曲面自動生成和優(yōu)化系統(tǒng)、數(shù)字控制系統(tǒng)、成形過程數(shù)值模擬和優(yōu)化系統(tǒng)以及非接觸光學外形檢測系統(tǒng)等。目前，波音公司已正式購買了兩套該柔性模具系統(tǒng)，見圖3。
2 柔性多點夾持切邊技術與裝備
吸盤式柔性夾持切邊技術是采用離散的帶真空吸盤的立柱陣列擬合零件的三維外形，即以點代面，精確牢固地夾持零件、立體定位，與龍門式五坐標數(shù)控蒙皮銑切設備配套使用，實現(xiàn)蒙皮外形邊緣的立體精確切邊、化銑刻線等。與傳統(tǒng)的工藝方法相比，優(yōu)點如下：可數(shù)字控制并定位模塊化的真空吸盤立柱，生成與零件曲面完全符合并均勻分布的吸附點陣；零件外形發(fā)生變化，工裝外形和布局可自動調(diào)整；實現(xiàn)數(shù)字化精確切邊，保證零件互換、避免裝配中二次修邊。西班牙MTorres 等公司開發(fā)了這樣的設備，圖4 為柔性夾持精確切邊。
3 鏡像銑削技術與裝備
鏡像銑削工藝采用2 個同步運動的6 軸頭保證鏡像隨動法向支承和法向銑削。該工藝可以精準控制不同厚度蒙皮壁板的加工深度；采用專用MAP 軟件將激光掃描實際形面與零件CATIA 數(shù)模比對，生成刀具和支承頭空間曲面運動路徑－零件加工程序，對蒙皮拉形公差進行必要補償；實現(xiàn)蒙皮輪廓、孔、槽、開窗和凹穴等精準定位加工；隨動支承頭由程序和壓力傳感器控制，無運動滑傷；一套柔性定位工裝和可翻傾柔性周邊夾持系統(tǒng)，可適應各種規(guī)格蒙皮壁板，保證工件空間定位和夾持剛性，保形準確；蒙皮兩側(cè)均可加工（轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)180°自動換面，無需重新裝夾蒙皮）；立式裝夾和臥銑有利排屑和散熱，防止蒙皮熱變形；上下料便捷不需停機。鏡像銑削系統(tǒng)專門設計用于加工機頭機身蒙皮/ 壁板：弧高可達1200mm ；小曲率加工( 角度達100°) ；周邊輪廓夾持和曲面雙側(cè)剛性定位確保加工時無變形。目前該系統(tǒng)已經(jīng)開始在空客公司應用。圖5 為采用鏡像銑削加工的A320 機身下部中央蒙皮，圖6 為典型的鏡像銑削機床。
4 拉彎技術與裝備
拉彎主要用于成形飛機上帶曲率板彎或擠壓型材零件。拉彎的基本原理是在毛料彎曲的同時施加切向拉力以克服內(nèi)側(cè)的起皺及改善截面內(nèi)的應力分布以減少回彈，提高外形精度。型材拉彎機可以分為轉(zhuǎn)臂式、轉(zhuǎn)臺式、臺動式3 種，目前在航空工業(yè)轉(zhuǎn)臂式拉彎機應用最廣泛。法國ACB、美國Cyril Bath 生產(chǎn)的轉(zhuǎn)臂式拉彎機如圖7 所示，其最大拉伸力可以達到200t。
美國CYRILBATH 公司與鈦合金制造商RTI 國際金屬公司合作開發(fā)了熱拉彎成形機床，用于鈦合金擠壓和板彎型材的成形。熱成形后的零件再通過機械加工得到最后形狀。這種工藝方法減少了鈦合金的用量，而且得到的零件殘余應力小，精確度高。圖8 所示為成形的零件。
5 橡皮成形技術與裝備
橡皮成形技術包括橡皮墊成形技術和橡皮囊成形技術兩種。橡皮墊成形過程中，半模（凸?；虬寄＃┡c毛料放置于工作臺上，工作臺進入液壓機。橡皮墊（多層橡皮）及其容框固定于液壓機上端，工作臺對橡皮墊施加壓力。在高壓下的橡皮墊表現(xiàn)出流體特性，對零件全表面施加均勻的壓力。
法國ACB公司、美國Cyril Bath公司生產(chǎn)的橡皮墊成形機床如圖9 所示，最大噸位達到12500t，最大成形壓力達到100MPa。
橡皮囊成形液壓機的容框和工作臺組成一密封的空間。成形模、毛料、和作通用半模的橡皮都放在此空間中。裝在容框內(nèi)的作通用半模用的橡皮已不是一迭實心橡皮，而是由一塊厚橡皮（外胎）和一個裝滿油的橡皮囊（也常稱內(nèi)胎）兩部分組成。向囊內(nèi)通入高壓油，高壓油將使橡皮囊膨脹，從而迫使橡皮外胎充滿工作臺內(nèi)的所有空間，把毛料包貼在成形模上。卸壓后，需把工作臺拉出機床框架，才能更換毛料和模具。
橡皮囊成形又可分為凸模成形、凹模成形和切邊等工藝。凸模和凹模成形就是讓橡皮囊相當于凹?；蛲鼓＃尮ぷ髋_上的模具充當凸?；虬寄?。切邊工藝是讓模具的邊角更尖銳，同時拉伸的深度要足夠，這樣就可以進行切邊工藝。瑞典AVURE 公司生產(chǎn)的橡皮囊液壓機床如圖10 所示，其工作臺面最大達到1.8m×4m，成形壓力最大達到140MPa。
6 噴丸成形技術與裝備
噴丸成形技術是利用高速彈丸流撞擊金屬板材的表面，使受撞擊的表面及其下層金屬材料產(chǎn)生塑性變形而延伸，從而逐步使板材發(fā)生向受噴面凸起或凹下的彎曲變形而達到所需外形的一種成形方法。如果零件曲率過大，自由噴丸無法成形其外形，就需要預應力噴丸。噴丸成形過程如圖11 所示。
德國KSA公司與瑞士BaikerAG 合作為Airbus 提供了世界上最大的噴丸成形機床，見圖12。其噴丸室尺寸為13.5m×4.5m×6m，可成形11m×3.1m×1.5m 尺寸的零件。搭載噴丸頭的機器人在6 個自由度上的定位精度是0.1mm。
7 蠕變時效成形技術與裝備
20 世紀80 年代中期，由洛克威爾公司和美國空軍聯(lián)合開發(fā)了蠕變時效成形技術（亦稱時效應力松弛成形技術），并應用于飛機機翼上、下壁板的制造中。
蠕變時效成形過程同時包含了應力松弛和人工時效過程。應力松弛用于產(chǎn)生永久變形，減少成形后的回彈量，提高貼模度；人工時效過程能夠提高金屬材料的抗拉強度、屈服強度和硬度，增加材料的疲勞壽命。由于時效成形過程中變形應力水平低，設備工裝具有柔性和通用性，且成本低，成為解決厚蒙皮或壁板類大型復雜鈑金零件精密成形有效的工藝方法?？湛凸静捎萌渥儠r效成形技術，成形世界上最大商用客機A380的機翼壁板，壁板長33m、寬2.8mm、厚度從3mm 至28mm，雙曲氣動外形設計，裝配容差要求控制在0~1mm之間，壓力0.85MPa，溫度150℃，24h生產(chǎn)一件外形合格的機翼壁板。其采用的熱壓罐（圖13）有300t 重，直徑6m，長度42m，長度方向包括9 個獨立控制的加熱單元，以保證在整個熱壓罐內(nèi)溫度控制誤差在3℃以內(nèi)。
8 充液成形技術與裝備
根據(jù)成形對象不同，充液成形可分為管材充液成形與板材充液成形兩種工藝。圖14 通過三通管成形過程說明了管材充液成形工藝，其實質(zhì)過程就是管材在軸向進給和液壓脹形的協(xié)調(diào)作用下成形出所需零件。德國SCHULER 等公司等開發(fā)了專用的管材液壓脹形裝備。板材充液成形又可分為主動充液成形和被動充液成形。意大利MURARO 等公司開發(fā)了專用的主動充液成形機床如圖15 所示。被動充液成形過程如圖16 所示。瑞典APT 等公司開發(fā)了專用的被動充液成形機床，見圖17。
9 熱沖壓成形技術與裝備
熱沖壓成形工藝分為非等溫熱沖壓工藝和等溫熱沖壓工藝。非等溫熱沖壓工藝指只加熱模具或只加熱板料的成形工藝。而等溫熱沖壓指模具和板料都加熱到同一溫度，然后進行成形的工藝。后者在航空領域應用非常廣泛。法國ACB、美國CYRILBATH、ACCUDYNE等公司都制造這種專用熱成形裝備，見圖18。
10 超塑成形/擴散連接技術與裝備
某些材料在一定的溫度、一定的變形速率以及一定的組織條件下會發(fā)生超塑性現(xiàn)象，即其延伸率可達到百分之幾百到幾千。航空領域應用的超塑成形一般指超塑氣脹成形，即通過精確控制氬氣進給量，在高溫下使金屬薄板發(fā)生超塑性變形。法國ACB、美國CYRILBATH、ACCUDYNE等公司都制造這種專用超塑成形裝備。
超塑成形/擴散連接（SPF/DB）組合工藝則是利用材料在超塑性狀態(tài)下良好的固態(tài)粘合性能而發(fā)展起來的一種組合工藝技術，它能在零件超塑成形的同時完成零件某些部位的擴散連接，從而成形出形狀十分復雜的高性能整體構(gòu)件。該技術的實現(xiàn)改變了傳統(tǒng)飛行器結(jié)構(gòu)件所使用的鉚接、螺接、膠接等形式，降低了零件整體重量，使復雜薄壁零件整體化，縮短了制造周期，提高了零件整體性能。
結(jié)束語
隨著國內(nèi)新一代戰(zhàn)機、大型客機、大型軍用運輸機的研制，對先進鈑金制造技術與裝備的需求增多。而上述鈑金制造裝備基本由歐美等國幾家公司壟斷，國內(nèi)缺乏相應的設計制造能力。這種情況導致國外裝備售價高昂，國內(nèi)大型航空制造企業(yè)只能購買1~2 臺，根本無法滿足工廠實際生產(chǎn)需求；而小型航空制造企業(yè)更是無力購買。由于缺乏先進裝備，先進的工藝技術無法實施，國內(nèi)航空制造水平無法進一步提升。因此實現(xiàn)上述先進鈑金制造技術與裝備的自主研發(fā)已經(jīng)迫在眉睫。
來源：《航空制造技術》
作者：李小強 李東升 杜寶瑞
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