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飛機(jī)鈑金制造技術(shù)是航空制造工程的重要組成部分，是使飛機(jī)能同時(shí)獲得高結(jié)構(gòu)效率和優(yōu)良性能的基礎(chǔ)制造技術(shù)之一，也是飛機(jī)制造工程的支柱工藝之一。飛機(jī)鈑金制造技術(shù)水平是一個(gè)國(guó)家飛機(jī)制造技術(shù)水平和能力的主要標(biāo)志。鈑金零件構(gòu)成飛機(jī)機(jī)體的框架和氣動(dòng)外形，零件尺寸不一、形狀復(fù)雜、選材各異、品種繁多，有嚴(yán)格的重量控制和一定的使用壽命要求。
航空制造業(yè)對(duì)成形后零件的機(jī)械性能有確定的指標(biāo)要求，與其他行業(yè)的鈑金零件相比技術(shù)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(dú)特的工藝技術(shù)，隨之產(chǎn)生了相應(yīng)的鈑金專(zhuān)用制造裝備。
本文給出了蒙皮拉形、柔性多點(diǎn)切邊、鏡像銑削型材拉彎、橡皮成形、噴丸成形、蠕變時(shí)效成形、充液成形、熱沖壓成形、超塑成形/ 擴(kuò)散連接等航空鈑金專(zhuān)用制造技術(shù)與裝備的國(guó)外最新進(jìn)展。
各種鈑金制造技術(shù)與裝備
1 拉伸成形技術(shù)與裝備
拉形工藝主要用于成形飛機(jī)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(jiǎn)單曲率蒙皮零件，具體工藝過(guò)程如下：將毛料包覆在模具上，然后進(jìn)行補(bǔ)拉。后者主要用于成形型材和復(fù)雜形狀蒙皮。這種情況下，毛料首先預(yù)拉，然后恒力包覆，等零件完全包覆模具后，施加補(bǔ)拉。
國(guó)外數(shù)控蒙皮拉形機(jī)基本可以分為4 類(lèi)：橫拉機(jī)、縱拉機(jī)、縱橫合一綜合拉形機(jī)以及轉(zhuǎn)臂式拉形機(jī)。
典型的如法國(guó)ACB 公司生產(chǎn)的FET 型橫拉機(jī)，其最大成形力可達(dá)到2500t，它有4 個(gè)獨(dú)立水平油缸和4 個(gè)獨(dú)立垂直油缸，控制一對(duì)夾鉗進(jìn)行板材拉伸。法國(guó)ACB 公司FEL 縱拉機(jī)的最大成形力達(dá)到2×1000t，其夾鉗包括多個(gè)夾鉗塊，每個(gè)夾鉗塊可以相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，以使夾鉗順應(yīng)零件端面外形。
美國(guó)Cyril-Bath公司VTL型縱橫合一綜合拉形機(jī)除既可進(jìn)行橫向拉伸成形，又可進(jìn)行縱向拉伸成形外，還可以通過(guò)更換夾鉗實(shí)現(xiàn)型材的拉彎成形。L&F公司生產(chǎn)的轉(zhuǎn)臂式拉形機(jī)。
美國(guó)的MIT、DARPA、NorthropGrumman Corp 和Cyril Bath Corp 從1999 年開(kāi)始合作開(kāi)展的柔性模具多點(diǎn)蒙皮拉形技術(shù)項(xiàng)目，研制出一套臺(tái)面尺寸為121cm×182cm 的工程化應(yīng)用的柔性模具系統(tǒng)，從2002 年開(kāi)始該套系統(tǒng)即開(kāi)始在美國(guó)某空軍修理廠進(jìn)行工程驗(yàn)證，2004 年8 月結(jié)束。所開(kāi)發(fā)的全套技術(shù)包括柔性模具本體、模具曲面自動(dòng)生成和優(yōu)化系統(tǒng)、數(shù)字控制系統(tǒng)、成形過(guò)程數(shù)值模擬和優(yōu)化系統(tǒng)以及非接觸光學(xué)外形檢測(cè)系統(tǒng)等。
2 柔性多點(diǎn)夾持切邊技術(shù)與裝備
吸盤(pán)式柔性?shī)A持切邊技術(shù)是采用離散的帶真空吸盤(pán)的立柱陣列擬合零件的三維外形，即以點(diǎn)代面，精確牢固地夾持零件、立體定位，與龍門(mén)式五坐標(biāo)數(shù)控蒙皮銑切設(shè)備配套使用，實(shí)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(diǎn)如下：可數(shù)字控制并定位模塊化的真空吸盤(pán)立柱，生成與零件曲面完全符合并均勻分布的吸附點(diǎn)陣；零件外形發(fā)生變化，工裝外形和布局可自動(dòng)調(diào)整；實(shí)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(kāi)發(fā)了這樣的設(shè)備。
3 鏡像銑削技術(shù)與裝備
鏡像銑削工藝采用2 個(gè)同步運(yùn)動(dòng)的6 軸頭保證鏡像隨動(dòng)法向支承和法向銑削。該工藝可以精準(zhǔn)控制不同厚度蒙皮壁板的加工深度；采用專(zhuān)用MAP 軟件將激光掃描實(shí)際形面與零件CATIA 數(shù)模比對(duì)，生成刀具和支承頭空間曲面運(yùn)動(dòng)路徑－零件加工程序，對(duì)蒙皮拉形公差進(jìn)行必要補(bǔ)償；實(shí)現(xiàn)蒙皮輪廓、孔、槽、開(kāi)窗和凹穴等精準(zhǔn)定位加工；隨動(dòng)支承頭由程序和壓力傳感器控制，無(wú)運(yùn)動(dòng)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(yīng)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(zhǔn)確；蒙皮兩側(cè)均可加工（轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)180°自動(dòng)換面，無(wú)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(jī)。鏡像銑削系統(tǒng)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)用于加工機(jī)頭機(jī)身蒙皮/ 壁板：弧高可達(dá)1200mm ；小曲率加工( 角度達(dá)100°) ；周邊輪廓夾持和曲面雙側(cè)剛性定位確保加工時(shí)無(wú)變形。目前該系統(tǒng)已經(jīng)開(kāi)始在空客公司應(yīng)用。
4 拉彎技術(shù)與裝備
拉彎主要用于成形飛機(jī)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(shí)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(yīng)力分布以減少回彈，提高外形精度。型材拉彎?rùn)C(jī)可以分為轉(zhuǎn)臂式、轉(zhuǎn)臺(tái)式、臺(tái)動(dòng)式3 種，目前在航空工業(yè)轉(zhuǎn)臂式拉彎?rùn)C(jī)應(yīng)用最廣泛。法國(guó)ACB、美國(guó)Cyril Bath 生產(chǎn)的轉(zhuǎn)臂式拉彎?rùn)C(jī)如圖7 所示，其最大拉伸力可以達(dá)到200t。
美國(guó)CYRILBATH 公司與鈦合金制造商RTI 國(guó)際金屬公司合作開(kāi)發(fā)了熱拉彎成形機(jī)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(guò)機(jī)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(yīng)力小，精確度高。圖8 所示為成形的零件。
5 橡皮成形技術(shù)與裝備
橡皮成形技術(shù)包括橡皮墊成形技術(shù)和橡皮囊成形技術(shù)兩種。橡皮墊成形過(guò)程中，半模（凸?；虬寄＃┡c毛料放置于工作臺(tái)上，工作臺(tái)進(jìn)入液壓機(jī)。橡皮墊（多層橡皮）及其容框固定于液壓機(jī)上端，工作臺(tái)對(duì)橡皮墊施加壓力。在高壓下的橡皮墊表現(xiàn)出流體特性，對(duì)零件全表面施加均勻的壓力。
法國(guó)ACB公司、美國(guó)Cyril Bath公司生產(chǎn)的橡皮墊成形機(jī)床如圖9 所示，最大噸位達(dá)到12500t，最大成形壓力達(dá)到100MPa。
橡皮囊成形液壓機(jī)的容框和工作臺(tái)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(shí)心橡皮，而是由一塊厚橡皮（外胎）和一個(gè)裝滿(mǎn)油的橡皮囊（也常稱(chēng)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(mǎn)工作臺(tái)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(tái)拉出機(jī)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(dāng)于凹?；蛲鼓?，讓工作臺(tái)上的模具充當(dāng)凸?；虬寄！Ｇ羞吂に囀亲屇＞叩倪吔歉怃J，同時(shí)拉伸的深度要足夠，這樣就可以進(jìn)行切邊工藝。瑞典AVURE 公司生產(chǎn)的橡皮囊液壓機(jī)床，其工作臺(tái)面最大達(dá)到1.8m×4m，成形壓力最大達(dá)到140MPa。
6 噴丸成形技術(shù)與裝備
噴丸成形技術(shù)是利用高速?gòu)椡枇髯矒艚饘侔宀牡谋砻?，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?chē)娒嫱蛊鸹虬枷碌膹澢冃味_(dá)到所需外形的一種成形方法。如果零件曲率過(guò)大，自由噴丸無(wú)法成形其外形，就需要預(yù)應(yīng)力噴丸。噴丸成形過(guò)程。
德國(guó)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(jī)床，見(jiàn)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(jī)器人在6 個(gè)自由度上的定位精度是0.1mm。
7 蠕變時(shí)效成形技術(shù)與裝備
20 世紀(jì)80 年代中期，由洛克威爾公司和美國(guó)空軍聯(lián)合開(kāi)發(fā)了蠕變時(shí)效成形技術(shù)（亦稱(chēng)時(shí)效應(yīng)力松弛成形技術(shù)），并應(yīng)用于飛機(jī)機(jī)翼上、下壁板的制造中。
蠕變時(shí)效成形過(guò)程同時(shí)包含了應(yīng)力松弛和人工時(shí)效過(guò)程。應(yīng)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(shí)效過(guò)程能夠提高金屬材料的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和硬度，增加材料的疲勞壽命。由于時(shí)效成形過(guò)程中變形應(yīng)力水平低，設(shè)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(lèi)大型復(fù)雜鈑金零件精密成形有效的工藝方法。
空客公司采用蠕變時(shí)效成形技術(shù)，成形世界上最大商用客機(jī)A380的機(jī)翼壁板，壁板長(zhǎng)33m、寬2.8mm、厚度從3mm 至28mm，雙曲氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)，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(jī)翼壁板。其采用的熱壓罐有300t 重，直徑6m，長(zhǎng)度42m，長(zhǎng)度方向包括9 個(gè)獨(dú)立控制的加熱單元，以保證在整個(gè)熱壓罐內(nèi)溫度控制誤差在3℃以?xún)?nèi)。
8 充液成形技術(shù)與裝備
根據(jù)成形對(duì)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(guò)三通管成形過(guò)程說(shuō)明了管材充液成形工藝，其實(shí)質(zhì)過(guò)程就是管材在軸向進(jìn)給和液壓脹形的協(xié)調(diào)作用下成形出所需零件。
德國(guó)SCHULER 等公司等開(kāi)發(fā)了專(zhuān)用的管材液壓脹形裝備。板材充液成形又可分為主動(dòng)充液成形和被動(dòng)充液成形。
意大利MURARO 等公司開(kāi)發(fā)了專(zhuān)用的主動(dòng)充液成形機(jī)床如圖15 所示。被動(dòng)充液成形過(guò)程。
瑞典APT 等公司開(kāi)發(fā)了專(zhuān)用的被動(dòng)充液成形機(jī)床。
9 熱沖壓成形技術(shù)與裝備
熱沖壓成形工藝分為非等溫?zé)釠_壓工藝和等溫?zé)釠_壓工藝。非等溫?zé)釠_壓工藝指只加熱模具或只加熱板料的成形工藝。而等溫?zé)釠_壓指模具和板料都加熱到同一溫度，然后進(jìn)行成形的工藝。后者在航空領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛。
法國(guó)ACB、美國(guó)CYRILBATH、ACCUDYNE等公司都制造這種專(zhuān)用熱成形裝備。
10 超塑成形/擴(kuò)散連接技術(shù)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(huì)發(fā)生超塑性現(xiàn)象，即其延伸率可達(dá)到百分之幾百到幾千。航空領(lǐng)域應(yīng)用的超塑成形一般指超塑氣脹成形，即通過(guò)精確控制氬氣進(jìn)給量，在高溫下使金屬薄板發(fā)生超塑性變形。
法國(guó)ACB、美國(guó)CYRILBATH、ACCUDYNE等公司都制造這種專(zhuān)用超塑成形裝備。
超塑成形/擴(kuò)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(lái)的一種組合工藝技術(shù)，它能在零件超塑成形的同時(shí)完成零件某些部位的擴(kuò)散連接，從而成形出形狀十分復(fù)雜的高性能整體構(gòu)件。該技術(shù)的實(shí)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(fù)雜薄壁零件整體化，縮短了制造周期，提高了零件整體性能。
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結(jié)束語(yǔ)
隨著國(guó)內(nèi)新一代戰(zhàn)機(jī)、大型客機(jī)、大型軍用運(yùn)輸機(jī)的研制，對(duì)先進(jìn)鈑金制造技術(shù)與裝備的需求增多。而上述鈑金制造裝備基本由歐美等國(guó)幾家公司壟斷，國(guó)內(nèi)缺乏相應(yīng)的設(shè)計(jì)制造能力。這種情況導(dǎo)致國(guó)外裝備售價(jià)高昂，國(guó)內(nèi)大型航空制造企業(yè)只能購(gòu)買(mǎi)1~2 臺(tái)，根本無(wú)法滿(mǎn)足工廠實(shí)際生產(chǎn)需求；而小型航空制造企業(yè)更是無(wú)力購(gòu)買(mǎi)。由于缺乏先進(jìn)裝備，先進(jìn)的工藝技術(shù)無(wú)法實(shí)施，國(guó)內(nèi)航空制造水平無(wú)法進(jìn)一步提升。因此實(shí)現(xiàn)上述先進(jìn)鈑金制造技術(shù)與裝備的自主研發(fā)已經(jīng)迫在眉睫。
來(lái)源：《航空制造技術(shù)》
