大型航空簿壁零件精确绿色制造技术研究*

向兵飞，徐 明，熊 勇，廖 翔，祝小军

（江西洪都航空工业股份有限公司，南昌 330024）

大型航空簿壁零件精确绿色制造技术研究*

向兵飞，徐 明，熊 勇，廖 翔，祝小军

（江西洪都航空工业股份有限公司，南昌 330024）

大型复杂飞机外形簿壁壁板的传统工艺方法无法满足精确、高效制造和绿色制造的需求，针对工艺协调复杂、工艺流程冗长和加工范围受限等问题，对簿壁壁板零件的精确、绿色制造技术进行研究，结合有限元变形模拟分析，设计了集铣面、铣下陷、切通窗、切边和钻孔于一体的加工工艺，实现了壁板的高效化和集成化加工，促进了加工效率和加工质量的提升，并避免了传统加工的化学污染。通过对比分析精确绿色制造技术与传统加工工艺，确定了精确绿色制造技术的优势，该技术的成功应用提升了我国航空制造的整体实力。

飞机壁板零件；加工工艺；精确制造；变形控制

0 引言

在飞机大型结构件中，蒙皮零件是构成飞机外形结构的重要受力构件，属于大型复杂壁板类零件［1］。机尾翼蒙皮形状一般为直母线单曲度，机身蒙皮形状有单曲度和双曲度，机身头部、尾部以及整流罩的蒙皮形状更复杂。此类壁板零件尺寸大，形状复杂，且厚度薄，刚性差。包含面、下陷、通窗、孔等结构特征。根据受力情况，需要进行局部壁厚铣薄加工，形成变截面不等厚结构［2］，见图1。

图1 复杂薄壁壁板结构示意图

飞机外形大型复杂壁板零件是飞机外表零件，外形精度要求高［3］。因此壁厚减薄、通窗加工和切边加工精度较高。由于零件属于超大型薄壁件，因此壁厚减薄加工区域厚度公差控制难度大，孔位的位置精度难以保证［4］。单曲薄壁壁板一般采用滚弯成形的方法，将初始平板毛料成形到满足目标零件曲率半径的圆柱形壁板零件［5］；双曲薄壁壁板一般采用拉型模拉弯成形的方法，将初始平板毛料拉型到满足目标零件曲率半径的双曲度薄壁壁板零件［6］。零件在铣削过程中受成形后的内部残余应力的影响，易发生变形，从而影响零件的加工精度以及后续的装配质量［7］。

本文对飞机外形大型复杂薄壁壁板零件传统加工工艺进行分析，论述了传统加工工艺的不足。对大型复杂壁板类零件的精确制造和绿色制造技术进行了研究，解决飞机大型空间壁板类零件的集成化加工技术难题，并模拟和分析加工变形，形成新型制造工艺。

1 飞机外形薄壁壁板传统加工工艺分析

长期以来，飞机外形大型复杂壁板零件的加工工艺流程复杂，无法在一次装夹状态下完成集铣面、铣下陷、切通窗、切边及钻孔工艺于一体的加工。一般采用的化铣加工存在化学污染、耗能较高、消耗铝材无法回收等固有弊端，且需要配合真空吸附蒙皮龙门铣系统解决蒙皮切边和钻孔工艺，需要复杂的装夹切换和加工工艺的变换来完成零件的加工；而单独采用数铣的加工工艺需要订制昂贵的专用辅助工装，且无法一次完成加工。复杂的工艺流程造成零件加工周期过长，制约了飞机总体研制进度。

1.1 飞机外形薄壁壁板化铣工艺分析

飞机外形壁板的加工一般采用化铣工艺，为了完成复杂结构的加工以及满足高精度的装配协调要求，需要与数铣结合完成加工。涉及表面除油等清洁处理、涂止铣橡胶层、橡胶层激光刻线和去除、化铣、手工或机械切边和钻孔等一些列工艺，其工艺协调性一直困扰着航空制造企业。化铣解决复杂通窗和下陷等的加工问题，真空吸附蒙皮龙门铣系统解决蒙皮切边和钻孔工艺。图2为传统化铣与数铣结合的加工工艺流程。

图2 化铣与数铣相结合的工艺流程

化铣工艺及面临的问题分析［8］：

（1）化铣的保护膜刻线工艺繁杂：采用手工刻线工艺，需要设计制造立体化铣样板，按化铣样板在保护膜上刻线。化铣样板设计制造流程长，精度底，且刻线误差较大，效率底。而采用五坐标激光切割机配柔性夹具能有效解决刻线工艺，实现零件的精确切边、开缺口和制孔加工。但高昂的设备价格制约着刻线工艺的推广。

（2）不符合节能环保的需求：零件的局部减薄工艺通常采用化铣工艺，能较好的解决复杂下陷、窗口等的加工问题，但其废弃的化铣液会污染环境，不符合绿色制造的要求。且化铣工艺耗能较高、消耗铝材无法回收，造成资源浪费。

（3）工艺协调关系复杂：化铣工艺加工薄壁壁板零件最难解决的问题是各个工艺阶段的协调关系。如蒙皮的外形轮廓切边和钻孔加工与化铣区的协调，化铣样板、柔性工装、钻模样板等的定位基准之间的协调，影响到成形壁板的加工精度。

（4）定位准确难度大：化铣完成之后的壁板零件需要采用五坐标高速铣配柔性夹具系统完成切边和钻孔加工。由于成形壁板固有的回弹特性，在切边和钻孔加工时很难确定精确的加工基准，易造成加工误差。

1.2 飞机外形薄壁壁板数铣加工工艺分析

大型飞机外形壁板的传统工艺除了化铣之外，也存在采用数铣和喷丸成形结合工艺、成形壁板采用型面工装真空吸附装夹工艺、成形壁板强行压平数铣工艺，具体工艺流程及面临的问题分析如下：

（1）数铣与喷丸成形工艺：采用平板毛料，由于毛料壁薄、尺寸大，需采用真空吸附定位、装夹工件，采用大型龙门铣床完成壁板的壁厚铣薄加工。然后采用喷丸设备将半成品工件成形到满足目标零件曲率半径的圆柱形壁板零件。此种工艺不能完成切通窗、切边和钻孔加工，需要钳工修边之后才能满足装配质量。而喷丸属于特殊工艺，需要购买昂贵的喷丸设备。昂贵的喷丸设备和数铣加工的局限性限制了此工艺技术的推广应用。

（2）成形壁板采用型面工装真空吸附装夹工艺：成形壁板采用型面工装真空吸附定位装夹，然后采用大型龙门铣床完成壁板的壁厚铣薄加工。此种工艺存在主要问题有：每项壁板零件需要订制专用型面真空吸附工装，设计制造周期厂，价格昂贵，不适合飞机外形壁板小批量多品种的生产需求；精确切边需要钳工去除工艺余量，且不能进行钻孔加工和通窗加工，推广应用受到限制。

（3）成形壁板强行压平数铣工艺：成形壁板采用真空吸附工装强行将其吸附成平板，然后采用数铣加工。此种工艺除了存在上述两种工艺的弊端外，存在自身固有弊端：真空吸附力不足以将较厚壁板吸附成平板形状；吸附薄壁壁板时，由于强行压平，材料外型面、中型面和内型面受力不同，松开吸附工装之后，易产生回弹，造成较大的加工误差。

2 飞机外形薄壁壁板精确绿色制造技术

针对飞机外形薄壁壁板加工中普遍采用的化铣工艺，由于存在化学污染、耗能较高、消耗铝材无法回收等固有弊端，航空工业一直在寻求可替代化铣的绿色、精确的制造技术。针对需要多次装夹、涉及大量工艺流程，且工艺协调性不足的加工工艺，航空工艺一直在寻求一次装夹状态下完成薄壁壁板的精确加工最新技术。

通过采用新一代绿色制造技术、高柔性化的夹具系统，实现集铣面、铣下陷、切通窗、切边及钻孔工艺于一体的飞机外形薄壁壁板精确绿色制造，满足装配要求。攻克飞机外形单曲和双曲薄壁壁板的数铣替代化铣先进制造工艺，对促进我国航空工业的发展，具有重要实际意义。

2.1 加工原理及加工工艺设计

采用五轴卧式数控铣床、背部顶撑系统和高柔性化的夹具系统集成和协同工作，完成飞机外形薄壁壁板的精确切边、精确开窗口、精确制孔和厚度的精确加工。三轴柔性夹具系统装夹和固紧壁板，数控铣床的主轴头铣削壁板工件，5自由度的顶撑头随切削铣头同步运动实现薄壁壁板工件的随动顶撑加工，保证加工刚性［9］。内置于顶撑装置内部的超声波厚度在线控制系统实时检测加工厚度并进行厚度补偿，闭环控制铣削厚度，实现壁板厚度减薄精确加工。背部顶撑装置与壁板加工面的铣削装置形成镜像加工［10］，其加工原理如图3所示。

图3 精确绿色制造加工原理

图4 精确绿色制造工艺流程

大型飞机外形壁板的加工工艺流程设计为一次装夹状态下，在一台设备上完成壁板壁厚减薄、切边、切通窗、钻孔加工，等效于化铣与切边、钻孔和开通窗相结合的制造工艺，是数铣替代化铣的最新制造技术，满足精确制造和绿色制造的要求。

壁板铣削过程中，背部顶撑装置受柔性夹具的限制，无法一次完成薄壁壁板的精确加工。解决的策略是壁板划分加工区域，加工完背部顶撑装置不受限制的区域后，移动柔性夹具并固紧壁板，然后铣削新的加工区域。在加工区域内按照铣面→铣下陷→切通窗→钻孔→切边分步进行。本方案不存在加工基准的转换，有效减少了基准误差的积累。同时，利于实现加工过程中材料去除的均匀化，成形残余应力释放均匀，外加背部随动顶撑和柔性夹具支撑，有效减少加工变形。

2.2 大型薄壁壁板铣削变形分析

采用精确绿色制造技术，缩短了加工工艺流程，减少了大量装夹切换次数，但是，薄壁壁板成形的残余应力及加工变形造成尺寸精度误差决定加工的成败。为了获得铣削厚度与零件变形量的关系，采用有限元法分析壁板材料切除时零件的残余应力分布规律和零件变形情况［13］。

成形后的壁板加工过程中均匀去除材料，大曲率的结构形式增加了内应力的释放程度。由于滚弯成形后壁板的残余应力沿厚度方向分布，铣削过程中，零件的变形易导致零件曲率半径与成形后的曲率半径发生变化。借助有限元仿真计算壁板残余应力分布，为薄壁壁板的实际生产提供指导。

成形后的薄壁壁板曲率变化与铣削厚度相关，采用有限元方法模拟分层铣削的方式去除材料厚度，并卸载回弹，获得铣削厚度与壁板曲率的关系，为铣削厚度工艺方案的制定提供技术支撑。

采用有限元方法对薄壁壁板铣削过程进行加工模拟，随着壁厚减薄加工，壁板上下两端产生微变形。切边过程中受切边力的作用，壁板切边加工区域产生较大变形，局部产生翘曲。

薄壁壁板滚弯成形过程中的残余应力不可消除，加工过程中不可避免的产生加工变形，通过切削试验模拟，获得变形趋势，然后对滚弯成形曲率半径进行补偿，使得加工的壁板能够满足装配质量和尺寸精度。

3 精确绿色制造技术优势

大型飞机外形薄壁壁板的精确绿色制造技术通过一次装夹就完成化铣和数铣两道工艺，替代化铣和数铣所有加工步骤和所需设备，形成成形后蒙皮的铣面、铣下陷、切通窗、切边和钻孔的一体化加工。与常用的化铣与数铣相结合的工艺对比，其技术优势体现为：

（1）从工艺流程进行分析：精确绿色制造技术集成化程度高，工艺流程简化。该技术采用数铣替代化铣，是集薄壁壁板精确铣切边缘、精确开窗口、精确制孔和厚度的精确加工于一体的精确一体化制造工艺。一次装夹完成薄壁壁板的精确加工，工艺流程简化，避免了复杂的工艺协调和定位基准变换。

（2）从加工精度进行分析：化铣至少需要两次装夹，重复装夹影响加工精度，化铣采用相对尺寸和厚度控制方法，加工精度难控制。而精确绿色制造技术，薄壁壁板仅需一次装夹，采用绝对尺寸和超声波厚度在线控制系统，保证了加工精度。

（3）从环境保护进行分析：化铣的化铣液会污染环境，耗能较高，且化铣液需要定期处理，消耗铝材无法回收，不符合绿色制造需求。而飞机外形薄壁壁板精确绿色制造技术完全替代化铣工艺，是高速加工技术与微量润滑技术（MQL）的集成，避免了环境污染问题，属于新一代绿色制造技术［14］。

与传统的数铣加工工艺进行对比：传统的数铣加工很难解决较厚壁板和超规格壁板的加工，无法完成切边、铣通窗和钻孔工艺。薄壁壁板精确绿色制造技术适合单曲和双曲的较厚薄壁板和超规格壁板的铣面、铣下陷、切边、切通窗和钻孔加工。

4 结束语

绿色制造是综合考虑环境影响和资源效率的先进制造技术，已逐步成为制造业发展的风向标。集高速加工技术与微量润滑技术（MQL）的大型复杂飞机外形薄壁壁板的精确绿色制造技术是航空制造能力的重要体现。以数铣替代化铣的精确绿色制造工艺，是飞机外形薄壁壁板厚度精确加工的最新技术。该技术集壁板精确铣切边缘、精确开窗口、精确制孔和厚度的精确加工于一体，实现了高效化、集成化加工，促进了加工效率和加工质量的提升，并避免了传统加工的化学污染。该技术在我国航空制造企业首次应用，取得了良好的社会和经济效益，提升了我国航空制造的整体实力。

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（编辑 李秀敏）（编辑 李秀敏）

Research on Precision and Greenhouse Manufacturing Technology for Large Aircraft Panels

XIANG Bing-fei，XU Ming，XIONG Yong，LIAO Xiang，ZHU Xiao-jun
（Hong Du Aviation Industry Group，Nanchang 330024，China）

In order to address the issue that large complex aircraft panels machining can＇t meet the demand for precision efficient machining and greenhouse machining，and the problem induced the complex process engineering and lim ited process scope，the precision machining and greenhouse machining technology integrated w ith edge trimming，port opening，perforation and skin thickness precision machining is researched combined with the analysis of deformation，and then the efficient and integrated machining is achieved，the machining efficiency and quality is advanced，the chemical empoison is avoided.The research results show that the advanced application of the precision and greenhouse manufacturing technology drives development of the aeronautical manufacturing technology compared the traditional skin machining system with it.

aircraft panels；process engineering；precision machining；deformation control

TH162；TG506

A

1001-2265（2015）03-0134-04 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.03.036

2014-07-19；

2014-09-03

“高档数控机床与基础制造装备”国家科技重大专项“国产高档数控机床与数控系统在飞机筋肋梁等加工单元中的应用”（2013ZX04001-021）

向兵飞（1986—），男，土家族，湖北宜昌人，江西洪都航空工业股份有限公司工程师，硕士，从事航空制造数控加工工艺技术研究，（E-mail）x8375987@126.com。