1、徐徐 岩岩 南京航空航天大学南京航空航天大学航空宇航制造工程系航空宇航制造工程系飞行器制造技术基础飞行器制造技术基础本章内容本章内容3.1 概述3.2 飞机整体结构主要工艺特点3.3 整体壁板的制造3.4 框、肋、梁类整体零件的制造3.5 大型骨架类零件的制造3.6 挤压型材和桁条零件的机械加工3.7 数控加工技术3.1 概述概述飞机整体结构件是构成飞机机体骨架和气动外形的重要组飞机整体结构件是构成飞机机体骨架和气动外形的重要组成部分，它们品种繁多、形状复杂、材料各异。为了减轻成部分，它们品种繁多、形状复杂、材料各异。为了减轻重量，进行等强度设计，往往在结构件上形成各种复杂型重量，进行等强度设
2、计，往往在结构件上形成各种复杂型腔。与一般机械零件相比，加工难度大，制造水平要求高。腔。与一般机械零件相比，加工难度大，制造水平要求高。例如壁板、梁、框、座舱盖骨架等结构件由构成飞机气动例如壁板、梁、框、座舱盖骨架等结构件由构成飞机气动外形的流线型曲面、各种异形切面、结合槽口、交点孔组外形的流线型曲面、各种异形切面、结合槽口、交点孔组合成复杂的实体。合成复杂的实体。结构件加工不但形位精度要求高，而且有严格的重量控制结构件加工不但形位精度要求高，而且有严格的重量控制和使用寿命要求。由于现代飞机性能的不断提高，整体结和使用寿命要求。由于现代飞机性能的不断提高，整体结构件成为广泛采用的主要承力构件。
3、构件成为广泛采用的主要承力构件。3.1 概述概述过去飞机机体主要部分都由钣金零件装配而成，而后来随过去飞机机体主要部分都由钣金零件装配而成，而后来随着飞机性能的不断提高，整体结构（着飞机性能的不断提高，整体结构（integral structure）日益增多。由于整体框、梁、肋的出现及整体壁板结构的日益增多。由于整体框、梁、肋的出现及整体壁板结构的广泛应用，机械加工零件的类型和品种日益增加，在某些广泛应用，机械加工零件的类型和品种日益增加，在某些类型飞机的生产中，机械加工零件所占劳动量比重已超过类型飞机的生产中，机械加工零件所占劳动量比重已超过钣金成形零件，而且飞机工厂设备和厂房布局也由此相应
4、钣金成形零件，而且飞机工厂设备和厂房布局也由此相应有所改变。例如协和号超音速客机的整体结构件占机身重有所改变。例如协和号超音速客机的整体结构件占机身重量的量的65%整体结构件主要有：整体结构件主要有：n蒙皮件蒙皮件+骨架件骨架件=整体壁板整体壁板n骨架件骨架件+骨架件骨架件=整体梁、框、肋等整体梁、框、肋等3.1 概述概述 飞机制造业之所以为什么大量采用整体结构件，主要是由飞机制造业之所以为什么大量采用整体结构件，主要是由于整体结构件与旧式铆接结构相比有如下优点：于整体结构件与旧式铆接结构相比有如下优点：（1）气动性能方面：外形准确，对称性好；）气动性能方面：外形准确，对称性好；（2）强度方面
5、：刚性好，比强度高，可减轻重量（约）强度方面：刚性好，比强度高，可减轻重量（约15%20%），气密性好；），气密性好；（3）工艺和经济效益方面：大大减少零件和连接件数量，）工艺和经济效益方面：大大减少零件和连接件数量，装配后变形小，可使部件成本降低装配后变形小，可使部件成本降低50%左右。左右。3.1 概述概述飞机整体结构件的主要类型有：飞机整体结构件的主要类型有：（1）整体壁板）整体壁板（2）整体梁类零件。）整体梁类零件。（3）整体框、肋类零件）整体框、肋类零件（4）整体骨架类、接头类零件）整体骨架类、接头类零件（5）挤压型材和变截面桁条类零件）挤压型材和变截面桁条类零件 格鲁门格鲁门公司的
6、公司的F14战斗机采用战斗机采用的整体壁板的整体壁板是用钛合金是用钛合金制造的，它制造的，它的蒙皮壁板的蒙皮壁板与变后掠用与变后掠用的转轴接耳的转轴接耳构成一体构成一体。轰六整体壁板在飞机上的位置轰六整体壁板在飞机上的位置 ARJ21飞机机翼下中壁板零件。壁板由飞机机翼下中壁板零件。壁板由21个口框个口框、口框加强区、肋加强、口框加强区、肋加强区、长桁加强区、双向削斜变厚度蒙皮等构成，各加强区形成纵横交错的区、长桁加强区、双向削斜变厚度蒙皮等构成，各加强区形成纵横交错的 网状结构，加强区厚度和口框面积占整个壁板面积的网状结构，加强区厚度和口框面积占整个壁板面积的46，壁板最厚处达，壁板最厚处达
7、11.8mm，而最薄处仅，而最薄处仅2mm。ARJ21飞机机翼下中壁板零件飞机机翼下中壁板零件幻影F1机身框幻影幻影F1机身框，整体框是由尺寸为机身框，整体框是由尺寸为1.82m，厚，厚80mm的的轧制板坯整体切削加工出来的，框与加强条构成一个整体，轧制板坯整体切削加工出来的，框与加强条构成一个整体，加工后的成品重量只有毛板坯重量的加工后的成品重量只有毛板坯重量的10%。这种大型整体。这种大型整体框若框若采用旧式钣金结构，则所用零件约为采用旧式钣金结构，则所用零件约为1000件件（包括连（包括连接件），所需铆接工时为接件），所需铆接工时为100150h飞机上典型整体框JSF整体框JSF整体框的
8、位置天窗、座舱骨架天窗、座舱骨架双曲线外形，骨架结构大部分为变截面、变角度的扭曲框架和接头双曲线外形，骨架结构大部分为变截面、变角度的扭曲框架和接头3.2 飞机整体结构件主要工艺特点飞机整体结构件主要工艺特点飞机整体结构件的外形多数与飞机外形有关，有复杂的飞机整体结构件的外形多数与飞机外形有关，有复杂的装配协调关系，精度要求较高。装配协调关系，精度要求较高。对薄蒙皮和铆接骨架的分散式结构：对薄蒙皮和铆接骨架的分散式结构：薄蒙皮刚性很差，蒙皮和贴合的骨架的配合允许有较大容差，薄蒙皮刚性很差，蒙皮和贴合的骨架的配合允许有较大容差，如歼击机为如歼击机为0.25mm，在装配应力不是很大的情况下，可，在
9、装配应力不是很大的情况下，可以装配出合格的产品以装配出合格的产品对骨架和蒙皮均为大厚度的整体结构：对骨架和蒙皮均为大厚度的整体结构：若蒙皮和贴合的骨架有较大的装配间隙，就会发生很大的装若蒙皮和贴合的骨架有较大的装配间隙，就会发生很大的装配应力，从而产生应力腐蚀，甚至会导致飞机强度和寿命的配应力，从而产生应力腐蚀，甚至会导致飞机强度和寿命的降低。如在组装时加相应尺寸的调整垫片作为补偿，装配工降低。如在组装时加相应尺寸的调整垫片作为补偿，装配工时增多，周期延长，加垫过多也会影响结构强度和飞机寿命。时增多，周期延长，加垫过多也会影响结构强度和飞机寿命。因此，因此，整体结构件精度要求较高整体结构件精度
10、要求较高3.2 飞机整体结构件主要工艺特点飞机整体结构件主要工艺特点多数整体结构件尺寸大，形状复杂，加工技术难度大。多数整体结构件尺寸大，形状复杂，加工技术难度大。其中梁类整体件还有纵向刚性较差的特点。其中梁类整体件还有纵向刚性较差的特点。n尺寸大：大型的整体壁板有的长达尺寸大：大型的整体壁板有的长达30m左右左右，毛坯重，毛坯重34 t，大型机身整体框约大型机身整体框约63m，毛坯重约，毛坯重约2t，小型机身框约，小型机身框约22m，毛坯重毛坯重1t，必须配置大型机加机床和相应的装卸、搬运等设备。，必须配置大型机加机床和相应的装卸、搬运等设备。n形状复杂：整体结构件多数为板块状，其轮廓外形部
11、位一般均形状复杂：整体结构件多数为板块状，其轮廓外形部位一般均与飞机机体复杂的外形有关，如梁、框、肋等平面零件周边外与飞机机体复杂的外形有关，如梁、框、肋等平面零件周边外形角度变化较大，具有空间立体形状的骨架零件的外形一般为形角度变化较大，具有空间立体形状的骨架零件的外形一般为复杂立体曲面。内部结构多为纵横交错的筋条。因此，加工的复杂立体曲面。内部结构多为纵横交错的筋条。因此，加工的开敞性差，工作量大，加工技术难度大开敞性差，工作量大，加工技术难度大 一个中等复杂的整体结构件的加工工序约需要一个中等复杂的整体结构件的加工工序约需要100道以上，按道以上，按40架一批，每批的制造工时达架一批，每
12、批的制造工时达10万小时，制造周期需万小时，制造周期需1012个月。个月。整体壁板整体壁板 壁板的外形尺寸大，壁板变厚度、非壁板的外形尺寸大，壁板变厚度、非等截面，成型后底面壁薄、筋条高、结构等截面，成型后底面壁薄、筋条高、结构网络化，加工完成后材料去除率大，易发网络化，加工完成后材料去除率大，易发生变形。生变形。天窗、座舱骨架天窗、座舱骨架 天窗、座舱骨架为全数控加工的双曲天窗、座舱骨架为全数控加工的双曲线外形，骨架结构大部分为变截面、变角线外形，骨架结构大部分为变截面、变角度的扭曲框架和接头。从零件结构上分析，度的扭曲框架和接头。从零件结构上分析，属于多曲面、变斜面、薄壁类零件，加工属于多
13、曲面、变斜面、薄壁类零件，加工后极易发生变形。用传统加工手段根本无后极易发生变形。用传统加工手段根本无法加工成型，只有采用五坐标高速数控加法加工成型，只有采用五坐标高速数控加工技术才能完成。工技术才能完成。梁、框、肋零件的腹板、筋和外形缘条最小厚度仅有梁、框、肋零件的腹板、筋和外形缘条最小厚度仅有1 12mm2mm，不易装夹，铣，不易装夹，铣切加工时，零件易振动，如是锻件毛坯，加工后变形量大，若加工的工步和切加工时，零件易振动，如是锻件毛坯，加工后变形量大，若加工的工步和切削参数选用不当，板面的翘曲可达几十切削参数选用不当，板面的翘曲可达几十mmmm。3.2 飞机整体结构件主要工艺特点飞机整体
14、结构件主要工艺特点整体结构件的材料大部分采用航空用的铝合金，高强度整体结构件的材料大部分采用航空用的铝合金，高强度合金钢、钛合金和复合材料合金钢、钛合金和复合材料。铝合金整体结构件的毛坯有模锻和预拉伸厚板材两种。铝合金整体结构件的毛坯有模锻和预拉伸厚板材两种。平面类整体壁板、框、肋、梁的铝合金零件大部分采用平面类整体壁板、框、肋、梁的铝合金零件大部分采用预拉伸的厚板材，在板材厚度允许的情况下，尽量不采预拉伸的厚板材，在板材厚度允许的情况下，尽量不采用模锻毛坯。其主要原因是：用模锻毛坯。其主要原因是：模锻毛坯需要较高的模具费用模锻毛坯需要较高的模具费用模锻毛坯成形过程中残留的内应力大，工序和工时
15、都模锻毛坯成形过程中残留的内应力大，工序和工时都增多，周期也延长增多，周期也延长模锻毛坯，经切削加工后与预拉伸板材切削加工后的模锻毛坯，经切削加工后与预拉伸板材切削加工后的强度性能相比提高并不显著强度性能相比提高并不显著3.2 飞机整体结构件主要工艺特点飞机整体结构件主要工艺特点目前，整体结构件发展中存在一些问题：目前，整体结构件发展中存在一些问题：为了切除大量金属，必须配备价格昂贵的大型设备以及为了切除大量金属，必须配备价格昂贵的大型设备以及大型加工专用机床；大型加工专用机床；除采用热辗平板做毛坯的方案以外，其他型式的毛坯一除采用热辗平板做毛坯的方案以外，其他型式的毛坯一般供应较困难，加工毛
16、坯用的工艺设备制造周期长，费般供应较困难，加工毛坯用的工艺设备制造周期长，费用贵；用贵；从从“破损安全破损安全”观点看，产生裂纹后扩展较快，不如铆观点看，产生裂纹后扩展较快，不如铆接结构，更不如胶接结构。接结构，更不如胶接结构。3.3 整体壁板的制造整体壁板的制造3.3 整体壁板的制造整体壁板的制造平行筋条类放射筋条类网格筋条类平行放射筋条类点辐射筋条类（1）按筋条在腹板上的分布特点分类）按筋条在腹板上的分布特点分类（2）按横向剖面形状分类）按横向剖面形状分类方案一：毛坯生产（制坯）方案一：毛坯生产（制坯）后先进行切削加工，经过矫后先进行切削加工，经过矫正，然后成形加工，最后光正，然后成形加工
17、，最后光整加工和表面处理。整加工和表面处理。方案二：毛坯生产方案二：毛坯生产（制坯）（制坯）后先成形加工，然后化学铣后先成形加工，然后化学铣切，然后矫正，最后光整加切，然后矫正，最后光整加工和表面处理。（也可以先工和表面处理。（也可以先化铣后成形加工）。化铣后成形加工）。模锻模锻自由锻自由锻挤压挤压铸造铸造热轧热轧 整体壁板的毛坯可用热轧、挤压、模锻、压铸整体壁板的毛坯可用热轧、挤压、模锻、压铸等不同方法制造。等不同方法制造。1.毛坯供应毛坯供应自由锻自由锻壁板毛坯壁板毛坯机械加工量机械加工量材料利用率材料利用率热轧热轧预拉伸板：热轧平板须经过预预拉伸板：热轧平板须经过预拉伸处理，拉伸处理，可
18、消除残余应力可消除残余应力挤压成型机挤压成型机壁板毛坯壁板毛坯机械加工量机械加工量生产率生产率挤压壁板挤压壁板 锻模锻模大吨位液压机大吨位液压机壁板毛坯壁板毛坯机械加工量机械加工量设备、模具、成本设备、模具、成本需要需要铸造铸造壁板毛坯壁板毛坯机械加工量机械加工量成本成本材料利用率材料利用率整体壁板的毛坯类型及特点3.3.3整体壁板的切削加工整体壁板的切削加工1、方法、方法：以铣削为主：以铣削为主2、设备、设备：通用铣床：通用铣床=仿形铣床仿形铣床=数控铣床数控铣床n采用采用通用铣床通用铣床靠人工手动操纵，按划线加工，使用转盘式、倾斜式夹具及专用刀具，加工的范围广，通用性较大。但加工曲面部分十
19、分困难，精度不高，加工工时很长。n采用采用仿形铣床仿形铣床利用靠模头跟踪靠模板的外形，即可加工形状复杂的工件。靠模头可分机械式、电气式及液压式。首先必须制造靠模，难以满足高精度整体结构件的要求。3.3.3整体壁板的切削加工整体壁板的切削加工而对于形状和结构复杂的整体结构件来说，数控加工比重而对于形状和结构复杂的整体结构件来说，数控加工比重逐步增大，当前国内主机厂几乎不再购买传统通用机床。逐步增大，当前国内主机厂几乎不再购买传统通用机床。3.3.3整体壁板的切削加工整体壁板的切削加工数控加工过程：数控加工过程：六坐标卧式数控铣镗床六坐标卧式数控铣镗床五坐标数控龙门铣五坐标数控龙门铣五坐标数控高速
20、壁板铣五坐标数控高速壁板铣数控激光样板切割机数控激光样板切割机数控加工设备的控制方式数控加工设备的控制方式伺服系统的驱动方式伺服系统的驱动方式 开环控制方式开环控制方式 闭环控制方式闭环控制方式 数控加工设备的控制方式数控加工设备的控制方式机械系统的控制方式机械系统的控制方式 点位控制点位控制 轮廓控制轮廓控制 同时控制同时控制X X、Y Y两个坐标的轮廓控制两个坐标的轮廓控制 同时控制同时控制Y Y、Z Z两个坐标的轮廓控制两个坐标的轮廓控制 两两轴轴联联动动三轴联动三轴联动 四轴联动四轴联动五轴联动五轴联动3.3.3整体壁板的切削加工整体壁板的切削加工3、工装选择 最适合装夹整体壁板的夹具
21、是真空平台或真空夹具。通用性好，适用于底部为平面的平板格子型零件；装夹后零件受力均匀；装卸方便，可缩短辅助生产时间；零件加工区无障碍物，适宜多结构集中安排的数控加工；真空平台/夹具固定安装工艺孔系，便于协调零件和机床坐标系关系。3.3.3整体壁板的切削加工整体壁板的切削加工 为了更合理地采用数控加工，在选择数控方法来加工零件为了更合理地采用数控加工，在选择数控方法来加工零件时应考虑以下的一些因素：时应考虑以下的一些因素：n零件几何形状的复杂程度如何？是否便于用数学方法零件几何形状的复杂程度如何？是否便于用数学方法定义其表面？定义其表面？n零件几何的形状要求刀具做几坐标联动？零件几何的形状要求刀
22、具做几坐标联动？n采用数控能节省多少夹具、靠模、模具等工艺设备？采用数控能节省多少夹具、靠模、模具等工艺设备？n要求缩短的加工周期和提高的加工质量。要求缩短的加工周期和提高的加工质量。n管理人员和设备条件如何？管理人员和设备条件如何？3.3.3整体壁板的切削加工整体壁板的切削加工3.3.3整体壁板的切削加工整体壁板的切削加工毛坯毛坯=减少残余应力减少残余应力=预拉伸板。预拉伸板。选用经预拉伸选用经预拉伸（预压缩、以及锤打处理）的铝合金厚板作壁板的材料。（预压缩、以及锤打处理）的铝合金厚板作壁板的材料。在固溶热处理以后进行拉伸（约在固溶热处理以后进行拉伸（约2%4%）。）。工艺方法上：采用正反面
23、多次反复加工的工艺方法进行壁工艺方法上：采用正反面多次反复加工的工艺方法进行壁板大平面的加工；先进行粗加工并留出较小余量（然后可板大平面的加工；先进行粗加工并留出较小余量（然后可以进行热处理并矫正变形），再进行精加工，这时由于切以进行热处理并矫正变形），再进行精加工，这时由于切削余量已经很小即可以达到减少变形的目的；铣切筋条时，削余量已经很小即可以达到减少变形的目的；铣切筋条时，采用自外向内对称加工的方法，可减少加工变形。采用自外向内对称加工的方法，可减少加工变形。工艺参数上，选取合理的进给速度和切削深度。工艺参数上，选取合理的进给速度和切削深度。矫形：压力机、喷丸、滚弯等对变形反方向加力矫正
24、矫形：压力机、喷丸、滚弯等对变形反方向加力矫正数控加工数控加工残余应力释放残余应力释放变形变形毛坯毛坯残余应力残余应力成型成型热处理热处理预拉伸板预拉伸板粗加工粗加工 热处理热处理 精加工精加工矫形（压力机、高温蠕变）矫形（压力机、高温蠕变）3.3.3整体壁板的切削加工整体壁板的切削加工3.3.4 整体壁板的化学铣切整体壁板的化学铣切化学铣切俗称化学腐蚀加工，即将金属坯料浸没在化学腐化学铣切俗称化学腐蚀加工，即将金属坯料浸没在化学腐蚀溶液中，利用溶液的腐蚀作用去除表面金属的工艺方法，蚀溶液中，利用溶液的腐蚀作用去除表面金属的工艺方法，化学铣切没有刀痕，也没有切屑，已经成为现代航空航天化学铣切没
25、有刀痕，也没有切屑，已经成为现代航空航天工业中广泛应用的一种特种加工工艺。工业中广泛应用的一种特种加工工艺。化学铣切的机理是晶界和化学铣切的机理是晶界和晶粒的溶解晶粒的溶解化学切削。化学切削。它的加工质量取决于前道它的加工质量取决于前道机械加工的表面质量和形机械加工的表面质量和形状。状。化学铣过程中，溶液蚀除金属是沿各方向均匀进行的。对化学铣过程中，溶液蚀除金属是沿各方向均匀进行的。对非加工表面的保护涂层要求耐腐蚀、易剥除，无毒性和不非加工表面的保护涂层要求耐腐蚀、易剥除，无毒性和不腐蚀被保护金属。腐蚀被保护金属。对于铝合金多采用以氢氧化钠为主要组分的碱性腐蚀溶液，对于铝合金多采用以氢氧化钠为
26、主要组分的碱性腐蚀溶液，对于钢、钛合金等多采用含有硫酸、硝酸、盐酸、氢氟酸、对于钢、钛合金等多采用含有硫酸、硝酸、盐酸、氢氟酸、磷酸等多种混合酸组成的酸性腐蚀溶液。可剥性保护涂料磷酸等多种混合酸组成的酸性腐蚀溶液。可剥性保护涂料多用氯丁橡胶、丁基橡胶、丁苯橡胶、聚丙烯腈、聚氯乙多用氯丁橡胶、丁基橡胶、丁苯橡胶、聚丙烯腈、聚氯乙烯等材料配制。烯等材料配制。实践证明，采用实践证明，采用10%15%浓度的碱溶液和在浓度的碱溶液和在8010温温度范围内进行铝合金化铣最适宜。对于铝合金常采用氯丁度范围内进行铝合金化铣最适宜。对于铝合金常采用氯丁橡胶做保护层。橡胶做保护层。3.3.4 整体壁板的化学铣切整
27、体壁板的化学铣切3.3.4 整体壁板的化学铣切整体壁板的化学铣切蚀前处理蚀前处理局部保护局部保护化学腐蚀化学腐蚀蚀后处理蚀后处理化铣的工艺过程化铣的工艺过程3.3.4 整体壁板的化学铣切整体壁板的化学铣切优点优点设备和工装简单并且价廉，对工人技术水平要求不高。化铣加工所需的时间决定于腐蚀深度和腐蚀速度，而与腐蚀面积大小无关。因此化铣加工能在大面积上高效去除材料。加工曲面和加工平面一样方便，所以化铣壁板可以先成形而后铣切，并且能加工形状复杂的零件（如双曲度薄壁零件）。可铣切斜面或变厚度工件。对于变厚度蒙皮可以采用控制浸入速度的方法来制造。浸蚀作用不仅限于深度方面，而且扩大到保护膜下面，所以在腐蚀
28、界限处自然呈现圆角。不需夹紧毛料，无刀痕，无切削力，因而适于加工刚度较小的薄壁零件。可以从铝材的一个表面或从两个表面上同时铣去金属。用化学铣切工艺可以加工铝、镁、钛、镍、铜、钢铁等多种金属和合金，对难切削加工材料也能保持高效加工。对于不同的金属需要使用不同的腐蚀溶液和保护涂料。对于变厚度蒙皮可以采用控制浸入速度的方法来制造。对于变厚度蒙皮可以采用控制浸入速度的方法来制造。3.3.4 整体壁板的化学铣切整体壁板的化学铣切缺点化学铣切出来的筋条根部总有一个半径与腐蚀加工深度大体相当的圆角，增加了零件的废重。腐蚀溶液在向深度腐蚀的同时还要向侧面腐蚀，因此只能加工宽度大于两倍深度的沟槽。目前化铣深度一
29、般不超过十多毫米。化铣后零件的平面度受毛坯状态的影响很大，表面粗糙度则不仅受毛坯状态的影响，还受材料组织结构和热处理状态的影响。化铣加工的精度受原材料状态的限制，不易加工精度要求过高的零件。化学铣切往往会在腐蚀加工面上再现或扩大坯料表面原有的划痕、凹坑等缺陷。当腐蚀加工深度到达铸件或焊缝的内部缺陷时，也会把这些缺陷保留在加工表面。对环境、设备和人员有危害。许多飞机不仅在蒙皮、吊挂等部位使用化铣零许多飞机不仅在蒙皮、吊挂等部位使用化铣零件，而且在航空发动机上也大量采用化铣加工的件，而且在航空发动机上也大量采用化铣加工的零件。如：零件。如：n协和飞机的进气口侧壁是用协和飞机的进气口侧壁是用6mm厚
30、的铝合金以厚的铝合金以14次次台阶化铣制成的整体结构；台阶化铣制成的整体结构；n洛克希德洛克希德C-5A运输机上的安全塔接板，用运输机上的安全塔接板，用10.4mm的的钛合金板材热成形后化铣加工出个台阶和种不同钛合金板材热成形后化铣加工出个台阶和种不同的锥形；的锥形；n苏苏-27飞机采用化铣技术加工钛合金中央翼下壁板；飞机采用化铣技术加工钛合金中央翼下壁板；n波音客机的一些蒙皮零件采用了多台阶化铣加工；波音客机的一些蒙皮零件采用了多台阶化铣加工；nF119发动机上的钛合金宽弦叶片在超塑扩散连接之前发动机上的钛合金宽弦叶片在超塑扩散连接之前采用化铣加工钛合金板材。采用化铣加工钛合金板材。化学铣切
31、的飞机零件化学铣切的飞机零件化学铣切的飞机零件化学铣切的飞机零件化学铣切设备化学铣切设备-蚀刻机蚀刻机 整体壁板一般均为与飞机外形有关的零件，外形准确度要整体壁板一般均为与飞机外形有关的零件，外形准确度要求高。但由于它尺寸大，材料厚而且在不同方向上带有各求高。但由于它尺寸大，材料厚而且在不同方向上带有各种加强筋条和凸台，所以在成形工作中存在很多困难。其种加强筋条和凸台，所以在成形工作中存在很多困难。其成形方法主要两类：成形方法主要两类：n传统钣金成形方法：滚弯、压弯（闸压）和拉形；传统钣金成形方法：滚弯、压弯（闸压）和拉形；n新技术：喷丸成形、时效成形（热应力松弛）、增量新技术：喷丸成形、时效
32、成形（热应力松弛）、增量压弯压弯n其他技术：爆炸成形等其他技术：爆炸成形等机机翼翼气气动动外外形形机机翼翼壁壁板板设设计计机机翼翼壁壁板板数数模模成形工艺性评成形工艺性评估和设计优化估和设计优化喷喷丸丸成成形形几几何何信信息息分分析析壁板展开及板坯建模壁板展开及板坯建模壁板板坯数控加工壁板板坯数控加工外形检验工装设计制造外形检验工装设计制造典型外形喷丸典型外形喷丸成形数值模拟成形数值模拟壁板材料喷丸壁板材料喷丸基础工艺试验基础工艺试验预应力夹具设预应力夹具设计制造计制造局局部部结结构构件件喷喷丸丸成成形形试试验验1:11:1模模拟拟件件喷喷丸丸成成形形与与强强化化试试验验壁壁板板装装机机件件喷
33、喷丸丸成成形形与与强强化化外外形形和和表表面面质质量量检检查查表表面面处处理理和和喷喷漆漆零零件件交交付付喷丸工艺数据库开发喷丸工艺数据库开发设计及工艺性评估阶段设计及工艺性评估阶段基础研究和分析阶段基础研究和分析阶段局部件阶段局部件阶段1:1模拟件及装机件阶段1:1模拟件及装机件阶段ARJ21机翼整机翼整体壁板体壁板研制过程的流程图研制过程的流程图(a)JSF 整体框(b)F/A-22 整体框3.4整体框、肋、梁类零件的制造整体框、肋、梁类零件的制造3.4.1整体框类零件的特点整体框类零件的结构特点（1）飞机的主要受力构件，要求足够高的强度和刚度。（2）无论组合框还是整体框，其整个外形曲面均
34、是机身理论外形曲面的等距过渡面。（3）零件外形复杂。该类零件外形通常涉及机身外形、风道外形以及翼身溶合区外形等多处理论外形。（4）零件尺寸通常较大（尤其与壁板类零件比往往厚度尺寸较大）。（5）加工要求高。零件结构上的各尺寸精度等级、位置偏差、形状公差、表面粗糙度、热表面处理、特种检查、零件外形制造依据、结合平面制造和检验协调依据、结合槽口制造和检验协调依据等技术要求均在设计图纸上有明确规定，均有较高的要求。（6）协调性要求高。主要加工表面除平面、型面以外，大多数零件均带有交点孔，因此，在加工中除保证零件外形符合设计要求以外，重要的是要保证外形与交点间的相对形位准确。整体框类零件的加工特点（1）
35、切削加工以铣削为主，其铣削加工量占全部加工量的70%左右。（2）加工精度高。制造精度、协调精度具有较高要求，因此要求足够高的加工精度（3）工序多，且加工工艺复杂。零件往往有大量槽口、凸台、交点孔，侧面有内外形精度要求，往往需要双面加工，因此工序多，工艺复杂。（4）毛坯材料切除率高，数控加工工作量很大。零件尺寸通常较大，尤其是其厚度尺寸，于是毛坯大多选用予拉伸板材或经过挤压的锻件，毛坯重量一般较大，余料切除率超过了94%。（5）容易发生加工变形。框肋类零件一般属于薄壁件，由于横截面厚度较大，切削量大，切削时在残余应力、切削力、装夹力、搬运力等作用下，很容易发生加工变形。毛坯供应毛坯供应框肋零件大
36、多数选用铝合金（常用牌号有LC4、2024、LD5），少数选用合金结构钢（常用牌号有30CrMnSiNi2A），部分主承力整体框选用钛合金。总的来说，由于框肋类零件的特点，其理想材料希望有高强度、良好的韧性、良好的切削性能、甚至便宜的价格。然而现实中很难找到完美的材料，因此要根据实际工况和需求，在强度、韧性、切削性和价格方面作权衡。毛坯供应毛坯供应毛坯供应过去多为模锻件，目前有较多采用铝合金热轧厚板的趋势，在国外预拉伸厚铝板应用较多。铝合金材料的毛坯之所以采用预拉伸板较多时由于：预拉伸板制坯较容易，成本较低且通用性较高，特别对于进口材料采用预拉伸板比较方便；铝合金切削性好，目前发展的高速切削可
37、以满足数控加工大工作量问题。合金钢和钛合金材料的毛坯更多采用模锻件，很大程度上是由于这些材料属于难加工材料，模锻件的切削量比预拉伸板小很多。铝合金预拉伸板，往往先将预拉伸板毛坯粗铣成外形轮廓，铝合金预拉伸板，往往先将预拉伸板毛坯粗铣成外形轮廓，然后铣正反面内形和腹板，最后翻面铣完内形和腹板面。然后铣正反面内形和腹板，最后翻面铣完内形和腹板面。铝合金模锻件，往往先铣定位基准面，一次定位铣完外形、铝合金模锻件，往往先铣定位基准面，一次定位铣完外形、内形和腹板面，翻面铣完内形和腹板面。内形和腹板面，翻面铣完内形和腹板面。合金钢模锻件，往往先对外形、内形、腹板进行粗、精加合金钢模锻件，往往先对外形、内
38、形、腹板进行粗、精加工后，再进行热处理，最后对框缘结合槽口、梁结合槽口工后，再进行热处理，最后对框缘结合槽口、梁结合槽口和结合孔进行细加工。和结合孔进行细加工。框类零件以铣削为主，一般分为粗加工、精加工、细加工和钳工光整加工四个阶段，对于组合框还有组合加工阶段。（1）粗加工。加工内容有：定位基准面、外形、内形、腹板面及去除缘条上的大余量。（2）精加工。加工内容有：外形、内形、腹板面、缘条上的余量及非结合面处的最后加工。（3）细加工。加工内容有：结合平面、结合槽口及结合孔等结合部位。（4）钳工光整加工。加工内容有：钳工打磨外形、内形、转角、结合部位。（5）组合加工。加工内容有：将零件粗装，组合后
39、加工框耳片上的螺栓结合孔(一般是扩孔)和打磨外形、内形面精装组合，扩、铰框耳片上螺栓结合孔。框肋类零件主要表面的加工 以某无人机上的一个整体框为例来讲解框类零件的数控以某无人机上的一个整体框为例来讲解框类零件的数控加工的工艺过程加工的工艺过程JSF整体框数控加工飞机外壳上一些大型的骨架零件，如坐标风挡盖等，它们飞机外壳上一些大型的骨架零件，如坐标风挡盖等，它们大多选用强度重量比较大的镁合金铸造毛坯。它们共同的大多选用强度重量比较大的镁合金铸造毛坯。它们共同的特点是：零件尺寸大、刚度低，外形复杂。由于它构成机特点是：零件尺寸大、刚度低，外形复杂。由于它构成机身外形的一部分，准确度要求较高，以及本
40、身往往没有理身外形的一部分，准确度要求较高，以及本身往往没有理想的定位基准，造成加工中的一些困难。想的定位基准，造成加工中的一些困难。这种类型的零件一般在专门设这种类型的零件一般在专门设计的车计的车铣靠模机床，五坐标仿铣靠模机床，五坐标仿形铣床，或多坐标数控铣床上进形铣床，或多坐标数控铣床上进行加工。行加工。整体骨架类零件一般采用比强度和比刚度都很高的铸镁合整体骨架类零件一般采用比强度和比刚度都很高的铸镁合金。国内常用的材料牌号为铸镁合金金。国内常用的材料牌号为铸镁合金ZM-5，经淬火后人，经淬火后人工时效处理。镁合金易于切削，其切削加工性能优于铝合工时效处理。镁合金易于切削，其切削加工性能优
41、于铝合金。但镁合金有以下特性给加工带来一定的困难：金。但镁合金有以下特性给加工带来一定的困难：（1）线膨胀系数大，要求刀具刃口锋利。如钻头、铰刀刃口）线膨胀系数大，要求刀具刃口锋利。如钻头、铰刀刃口变钝，加工后孔径缩小很明显。变钝，加工后孔径缩小很明显。（2）耐腐蚀性差，一般应干切削，生产过程中必须定期进行）耐腐蚀性差，一般应干切削，生产过程中必须定期进行氧化处理。在潮湿的环境下极易腐蚀，切削时不得使用水溶氧化处理。在潮湿的环境下极易腐蚀，切削时不得使用水溶性切削液，一般应干切削，攻丝时允许使用机油润滑。性切削液，一般应干切削，攻丝时允许使用机油润滑。（3）易燃烧，加工中应避免产生火花。切削加
42、工中应避免机）易燃烧，加工中应避免产生火花。切削加工中应避免机床、刀具和夹具相互碰撞产生火花而引起燃烧，一旦燃烧不床、刀具和夹具相互碰撞产生火花而引起燃烧，一旦燃烧不得使用水灭火，应使用砂箱或泡沫灭火器。得使用水灭火，应使用砂箱或泡沫灭火器。这类零件指一些这类零件指一些细长细长的的变截面变截面的挤压型材零件，的挤压型材零件，它们广泛用于高速和巨型飞机上。挤压型材机械它们广泛用于高速和巨型飞机上。挤压型材机械加工的劳动量约占机加总劳动量的加工的劳动量约占机加总劳动量的10%。这些零件按其特点可分为这些零件按其特点可分为桁条、梁缘与接头型材桁条、梁缘与接头型材等等这类零件的这类零件的特点特点是：细
43、长而刚度低，是：细长而刚度低，10m以上的以上的常用到。切面形状变化多，有等斜角或变斜角。常用到。切面形状变化多，有等斜角或变斜角。结构中还常采用一种单头或双头结构中还常采用一种单头或双头“带头带头”的型材，的型材，以减少接头零件。以减少接头零件。3.6.1概述概述 为适应这类为适应这类零件加工的特零件加工的特点，一般均采点，一般均采用专用机床及用专用机床及专用夹具。对专用夹具。对分离面型材要分离面型材要制订其协调路制订其协调路线。线。挤压型材毛坯的特点：挤压型材毛坯的特点：n挤压毛坯的长度往往很长挤压毛坯的长度往往很长n毛坯表面质量较好，生产率高，机械加工量小。毛坯表面质量较好，生产率高，机
44、械加工量小。等截面型材零件等截面型材零件阶梯状零件和锥形零件（以减少机加工作量）阶梯状零件和锥形零件（以减少机加工作量）n挤压模的设计与制造是一项复杂的工作挤压模的设计与制造是一项复杂的工作空心截面型材空心截面型材n空心截面型材的挤压也是一个复杂的技术问题空心截面型材的挤压也是一个复杂的技术问题挤压型材毛坯加工设备：挤压机挤压型材毛坯加工设备：挤压机n大型铝合金零件的挤压需要大功率的卧式挤压大型铝合金零件的挤压需要大功率的卧式挤压机，一般均在机，一般均在40005000吨以上吨以上。对于直升机桨叶大梁这一类空心截面型材对于直升机桨叶大梁这一类空心截面型材的挤压也是一个复杂的技术问题，当设计的挤
45、压也是一个复杂的技术问题，当设计这类零件时应予以注意。目前用挤压法制这类零件时应予以注意。目前用挤压法制造变截面、等强度的桨叶大梁毛坯尚有一造变截面、等强度的桨叶大梁毛坯尚有一定的困难，有待进一步研究。定的困难，有待进一步研究。正挤压正挤压正挤法即金属流动方向与挤压方向相同正挤法即金属流动方向与挤压方向相同空心大梁毛坯挤压的过程：空心大梁毛坯挤压的过程：n毛坯材料按计算体积下料，然后加温至一定温毛坯材料按计算体积下料，然后加温至一定温度，放在卧式挤压机的容器中，材料在大吨位度，放在卧式挤压机的容器中，材料在大吨位的挤压机作用下分为上、下两部分挤出模具的的挤压机作用下分为上、下两部分挤出模具的模
46、芯，再在模具的斜面作用下，焊合成一体。模芯，再在模具的斜面作用下，焊合成一体。挤出的毛坯要支持在一系列导向滚轮上，以防挤出的毛坯要支持在一系列导向滚轮上，以防止温度还很高的毛坯再产生过大的变形。止温度还很高的毛坯再产生过大的变形。一般采用正挤法挤压直升机空心大梁毛坯一般采用正挤法挤压直升机空心大梁毛坯正挤法的优点：正挤法的优点：n毛坯质量较好、外形准确（由于模具不动所以挤毛坯质量较好、外形准确（由于模具不动所以挤出的毛坯外形准确）出的毛坯外形准确）缺点：缺点：n需要消耗较大的功率需要消耗较大的功率n毛坯在热处理后表面有粗大的晶粒层毛坯在热处理后表面有粗大的晶粒层n挤压毛坯末端机械性能差挤压毛坯
47、末端机械性能差n采用大功率设备采用大功率设备n毛坯设计时，内外轮廓应留有机械加工毛坯设计时，内外轮廓应留有机械加工余量，通过机械加工切去内外表层的粗余量，通过机械加工切去内外表层的粗晶区，一般细晶粒试件比粗晶粒试件疲晶区，一般细晶粒试件比粗晶粒试件疲劳强度可提高劳强度可提高25%-30%25%-30%。n毛坯挤压后，应将毛坯两端头切掉，以毛坯挤压后，应将毛坯两端头切掉，以保证沿长度方向强度均匀。一般要去掉保证沿长度方向强度均匀。一般要去掉15%-20%15%-20%。四柱卧式挤压式液压机，适用于挤制铜及铜合金、管、棒、四柱卧式挤压式液压机，适用于挤制铜及铜合金、管、棒、排、线材等制品。排、线材
48、等制品。操作方式采用手动，在公称压力范围内用户可按生产工艺的操作方式采用手动，在公称压力范围内用户可按生产工艺的要求调节压力，具有结构紧凑合理，操作维护方便等优点。要求调节压力，具有结构紧凑合理，操作维护方便等优点。毛坯供应设备挤压式液压机 四柱卧式挤压式液压机，适用于挤制铜及铜合金、管、棒、四柱卧式挤压式液压机，适用于挤制铜及铜合金、管、棒、排、线材等制品。排、线材等制品。操作方式采用手动，在公称压力范围内用户可按生产工艺的操作方式采用手动，在公称压力范围内用户可按生产工艺的要求调节压力，具有结构紧凑合理，操作维护方便等优点。要求调节压力，具有结构紧凑合理，操作维护方便等优点。毛坯供应设备挤
49、压式液压机外形加工工作主要有：外形加工工作主要有：n加工前检查加工前检查（合格的挤压毛坯仍需要进行严格的合格的挤压毛坯仍需要进行严格的加工前检查加工前检查），），包括：包括：材料机械性能及切片金相检查材料机械性能及切片金相检查，这要在毛坯指定位置上，这要在毛坯指定位置上切取试片，切取试片，然后要进行然后要进行内表面检验内表面检验，还要采用专门的内孔检查设备，还要采用专门的内孔检查设备，毛坯在检验前要进行清洗。毛坯在检验前要进行清洗。最后进行最后进行超声检验超声检验，确定毛坯内有无裂纹或其它缺陷。，确定毛坯内有无裂纹或其它缺陷。投入加工前，要经过投入加工前，要经过直度及扭曲度检查直度及扭曲度检查
50、，超差时要进行，超差时要进行校正校正 。n空心型材内形加工前的准备工作空心型材内形加工前的准备工作：型材零件在内形加工前要进行型材零件在内形加工前要进行校直校直，一般要求大梁，一般要求大梁直度误差在整个长度上不超过直度误差在整个长度上不超过0.25mm0.25mm，校直是在液，校直是在液压机上三点矫正。加工前后都要清洗和检验。检验压机上三点矫正。加工前后都要清洗和检验。检验大梁经过热处理及校正工序后有无裂纹。大梁经过热处理及校正工序后有无裂纹。桨叶大梁加工前如欲桨叶大梁加工前如欲检查内腔尺寸检查内腔尺寸，一般采用组合，一般采用组合式气动量仪。式气动量仪。n空心型材内形加工空心型材内形加工：空心
