飞机钣金件塑性成形及数控切割工艺分析

2022-11-21汤研彦

中国金属通报 2022年3期

黄奔，汤研彦

由于现代飞机工业及其数控加工技术的迅速发展，新型飞机中大部分使用了整体结构件。但由于结构件具有加工难度大，对加工精度要求较高的特性，因此数控加工技术成为了飞机结构件加工的必用技术手段。飞机结构件数控加工的产品质量与效果差的问题也越来越凸显。在飞机结构件的数字控制加工过程中，对典型工艺条件与切削参数的合理选择，对于提高数控加工产品质量、改善工艺效果有着非常关键的意义。

1 飞机结构件及材料特点

1.1 飞机结构件

飞机整体结构件，是指构成飞机机身骨骼和气动外型的主要构件，它品种繁多、造型复杂、材质不同。整体构造件尺寸大、壁薄、容易变型。同普通机械零件比较，有机械加工困难大、加工周期较长、对生产水平需要较高和工艺技术困难大等优点。如护墙板、横梁、框、闸、连接、座舱盖骨架和蜂窝构件等构造件。当中，框架、横梁、肋、护墙板和连接，是不同机种中最典型的飞机构造件。

1.2 材料特点

飞机结构件材质的主要特性，可总结为轻、高强度和高可靠性。在飞机结构件材料的加工特性中，下列几方面特性直接影响到了飞机结构件的加工数控工艺。种类、品种和规格多。新世纪的飞机基于安全性与多用途的考量，所采用的新材料也更加多元化。高的比强度（aE/p）和高的比刚度（E/p）是飞机结构件材料的主要特征，通过降低结构件质量能够提高飞机器的整体承载力，从而增强机动性，增加航程。为此，高强度铝合金、钛合金和高级复合物在飞机制造业上获得了普遍的使用。高热合金是飞机结构件材质的主要成分，特别是针对发电机材质，由于发动机推重比（或功重比）的增加，对金属材料的耐温需求也愈来愈高。生产成本高昂，售价昂贵。飞机结构件材料比普通建筑材料昂贵许多，一旦加工失败，会带来巨大的损失。

2 精密钣金成形技术

2.1 超塑成形技术

精密钣金机械加工与成型工艺的产品设计包括了相当多各种因素，如模型（称号：工业生产之母）的规格、毛坯轮廓形状、板料厚薄、压边加工能力、拉制筋抗力、摩擦、润滑等。由于钣金的使用日益普遍，因此钣金件的产品设计也成了产品流程中非常关键的一环，因此机械工程师们需要熟练掌握钣金件的设计技能，并要求产品设计的钣金既符合产品设计的用途和外形等特点，又能使冲压产品模型的制作简便、成本低。苏州机箱的加工钣金机箱加工物料将会被送入数控冲床/ 切断机，完成冲孔/ 切断工艺。折弯工艺，重点考察的是刀具选用、折弯顺序、折弯补偿、折弯干涉等。并按照钣金机箱机柜的生产情况，完成了焊缝、抛光、喷涂、组装、打包等加工工艺。毛坯形态的判断也是钣金成型工艺设计中的一项关键（Emerson）。一旦毛坯材料造型科学合理，变形沿毛坯材料质量分配不均衡的现状就可以获得明显改善，成形极限也能大大提高，并能减小高度，从而极大减小了截棱余度，极大节省了物料（Material），而且能最大限度减小乃至能免去后期的修边工艺，大大降低了成本；同时，科学合理的毛坯材料造型能改变成型流程中物料（Material）的应力分配，最大限度减小瑕疵的形成，进一步提高产品（Product）的品质。

钣金机械加工的成形技术，是对金属薄板、薄壁型材和薄壁管材等的各种金属毛料施加外力，使其产生塑性变化或剪切应力，以便形成具有预期外形和机械性能的零件工艺方式。钣金机械加工零件的重要优势是尺度大、强度小、外形复杂化。生产的优点是种类多、批量小、成形技术多样化。钣金生产零件可以分成以下三种。

（1）有气动力形状的主要零部件：主要是飞机机身、翼、尾瓣和进气道的蒙皮，导弹弹体、舵面的蒙皮，以及运载火箭发动机内部的燃油室和喷管等。

（2）结构骨架零件：分为纵面、横面和斜向构造，如横梁、桁条、隔框、翼肋等。

（3）内装零部件：包含燃油、控制、通讯等控制系统，和日常生活服务设施中的所有钣金机械加工件，如油缸、各类管道、支撑、座椅等。

对钣金件加工技术的基本要求是：带有气动力形状的金属零部件必须具有精确、平滑、流线的曲面造型；金属骨架零部件必须能以最少的自重，保有最大的结构效能；各种钣金加工零部件必须在规定的使用和储存期限内，具备符合规定的机械强度、刚性以及抗疲劳性能、抗腐蚀能力和耐热性等物理化学特性。钣金加工零部件材料不仅造型复杂，而且还必须采用各种比强度高的和耐热、抗腐蚀材料。在各种材质中，使用最高的是硬铝、超硬铝合金和防锈铝合金材料。锰- 钴- 钛等不锈钢材料也在火箭发动机中使用得很多。由于铝镁合金材料不仅比强度高，而且耐热、抗腐蚀的特性较好，因此在钣金加工零部件材料中所占的比重也在日益提高，目前主要用来生产蒙皮、隔框和气瓶等零部件。

2.2 超塑成形/ 扩散连接组合工艺

超塑成形（SPF）/ 扩展连结（DB）工艺技术，是集超塑成形与扩展连结二个工艺技术于一身的综合工艺技术，要求物料必须具备相同的成型温度与连结温度，在一次升温流程中进行超塑成形（SPF）和扩散连接（DB）的两个工艺步骤。超塑性成形/ 热扩散接头结构型式多种多样，但习惯上按毛坯板料的层数来划分。既有简单的超塑成型（SPF）加强构件，也有超塑成形（SPF）/ 扩展连接（DB）的双楼板、三楼板、四楼板结构。这种结构也可应用在飞机器上的某些大型或复杂钛结构件，比如翼锋面、缝翼、各类承力护墙板、导弹弹翼等结构，覆盖面较广。它对改善飞机性能、降低结构件质量、减少成本等均具备了传统机械生产工艺中无可比拟的优势。

目前，超塑成型工艺技术最普遍的运用方式是与扩散接合工艺技术组合而成的超塑成型/ 扩散连接复合工艺技术，使用金属板材在同一个高温区域内具有超高塑性和扩散连接性的优点，一次成型出具有空间夹层构造的整体结构。根据成形结构的初始毛坯总量有所不同，可分成单层、两层、三层和四层等结构形态（如图）。通过超塑性成型/ 热扩散连接工艺加工成型的空心夹层结构零部件，具备热成型性好、产品设计自由大、加工成型精确度高、没有回弹、无残余应力、构件刚度大、生产周期短、大大减少了零部件量等优势。因为使用该构件大大减少了零部件和连接件的数量，减少了大量的联接缝，也减少了接缝和焊接过程中可能产生的裂缝，大大增加了构件的耐久性和破损容限。此外，该构件还能够达到良好的刚度重量比。用超塑成型/扩散连接结构材料作为最常见的金属结构件，一般可减轻结构重10% ～ 50%，材料成本也可减少25% ～ 40%，其所产生的效益也相当可观，主要应用于宇航等应用领域。而铝镁合金材料在相同的高温窗口内，具有优异的超高塑性及低扩散连接性，是目前使用较为普遍的超塑成型/ 扩散连接工艺材料，目前军民两用飞机机身的整体框架、大梁、护墙板、开口盖、舱门、前侧翼、后机身隔热板等部分，均采取了超塑成型/ 低扩散的连续多级空心结合形式，减重效果明显。除此以外，还在大涵道比的涡扇发动机中采用了超塑成形/ 扩展链接技术发展成型的宽弦空心扇叶，代表着当时超塑成形/ 扩展链接工艺技术进一步发展使用的最大技术水平。

2.3 液压成形

向装在容框中的橡皮胎内充高压液，使其迅速膨胀，以便推动毛料并根据模胎的外形而产生零件。如此产生的零部件精度高，且表面无压痕。橡皮胎是一个通用的柔性凹型，所以在工作台上能安装多种不同形式的模胎。而液压冲床在一个循环中就可以压出多种零件，所以加工效率高，成本低。而这个方式主要用来加工成形的翼肋、隔框等浅弯边零部件，主要使用设备就是橡皮囊液压冲床。

橡皮囊液压成型技术属于金属板材塑性成型的一部分，是指使用金属材料橡皮囊制作成弹性强度凹型（或凸模），用液体压力油当作传压介质，使各种金属板材随刚性凸模（或凹模）而成型的一类软模成型方式。其中使板料沿着模具成型的部分就是橡皮囊，另外约束板料成型的部分则是刚性零点五模。在成型过程中，橡皮头既成为了传压介质，又具备零点五模的功能。橡皮效应于模上的负载有多向性，这使得刚性零点五模保持着立体的受力状态，因此模型在工作台上并不需客户定位，而板料的所受压强也在变化过程中，随着液压强度的增大而提高。一般常规的落压成型是靠冲压工艺设备和冲模机构的简单回转运动或直接往复运动实现零部件的生产，而橡皮囊液压成型则是利用橡皮零点五模向刚性零点五模的流动充填或逐步包覆实现零部件的生产。所以，使用橡皮囊液压成型方式能够成形出造型比较复杂的零部件，也可以降低成型工艺次数，从而降低并简化了模型，减少制造准备的时间，从而大大提高了零部件材料表面品质，从而更好地解决了零部件刚性、强度、尺寸与精度之间的冲突，同时，它又是一个低噪声、低能耗和低环境污染的工艺方式。使用橡皮囊或液压工艺加工成型的零部件，可以不经过修理或少许修改就能够直接进行组装，因此特别适合于中、小批量和试生产。自20 世纪30 年代开始，橡皮囊液压成型工艺就成为了飞机工业中的一项十分关键的工艺方法，在外国的现代化飞机制造商，橡皮囊液压成型零部件数量已占飞机钣金零部件总量的50% 以上，在国内市场也达到了35% ～ 40%。

2.4 激光技术

当输出功率能量密度大约为105W/cm2～ 106W/cm2的激光照射到金属材料表层时，部分激光被反映，另部分的光能则被金属材料吸收转变为热量并在焊件表层融化，金属材料表面层的热以热传导的方式不断地向金属材料内部传导，产生热熔池，从而使二焊器件表层熔融在一起。这些焊接模式的熔深浅，深宽都特别小。

当输出功率能量密度很大（约为106W/cm2～ 107W/cm2）的激光束直接照射在金属材料表层时，金属材料吸入光能并转变为热量，工件在吸入激光能量后很快熔融乃至气化，而熔融的金属材料则在蒸气压影响下成为小孔激光束可直接照小孔底，使小孔继续扩展，直到小孔内的蒸汽压强和液态金属材料的表层张力与重力保持平衡结束。当小孔伴随激光束沿焊接方位移动位置时，在小孔前方熔融的金属材料围绕着小孔流入下方，在凝结后成为焊缝。这种焊模式的熔深度很大，深宽比也大。在飞机生产领域中，除微薄零部件或特殊要求以外，通常都采用全深熔焊。

随着激光焊接技术在制造业中的成熟运用，激光焊接技术的缺点将逐步暴露：对设备投入大、使用成本高，能源使用率较低；对工件材料的焊缝加工精确度需要较高；由于超高反射率金属材料极难以实现激光焊接，且易对激光材料设备产生损伤；而超高焊条速度造成的焊条迅速固化，焊接接头中易形成气孔、咬边等问题，焊缝组织脆性，乃至焊条断裂。

为了避免单激光技术焊存在的技术问题，学者们提出了将激光技术和焊缝电极结合的新焊接方式，其工作出发点是用电极焊缝的价格低、范围广等优点，辅助激光技术来完成焊缝。激光技术- 焊缝的电极结合，一般是指激光技术与PAW、TIG 或MIG/MAG 之间的结合。目前，已经重点研发了LASER-PAW 和LASER-MIG 两个综合焊接方式。

LASER-PAW 复合焊接技术。

等离子弧的导弧性和保弧性都高于TIG 焊缝，而且阴极热无法损失，因此利用等离子弧和激光结合热源实现焊缝是一个流程非常平稳的焊缝工艺技术，也可以提高焊缝品质。由于不需要真空系统，因此能够在良好大气环境下完成较大或中厚零件的焊缝；较快的焊缝速率，减少了零部件的焊接变形；由于焊缝工艺裕度大，对焊前零部件的组装间隙和焊缝的对中条件都能够大大降低，具备了较高的实用价值。

LASER-MIG 复合焊工艺，是激光焊接电弧波形复合焊发明至今，研究最多、最为常用的一项综合焊接技术。MIG 焊缝很易于选用焊丝充填焊缝，可以通过激光- 焊接电弧双波形复合焊缝的方式，进而增加了拼缝间隙裕度、降低温度并去除焊缝后接口部位的空洞，从而提高了焊接形貌；另外，通过选用不同的焊丝，还可以调节焊接的物理化学组成，从而提高了动力学特点。

3 钣金激光数控切割成形技术

3.1 钣金激光数控切割成形技术原理

钣金激光数字控制切割成形是近年蓬勃发展出来的一门无模具制造材料成形工艺技术，如激光材料冲压成形、激光材料曲面成形、激光打标机等，可以来生产弯曲实木板、成形半球体、球形、S 形等异型形状尺寸零部件，并在管子的某些地方做凸缘、压缩、胀形，如飞机器上的连接角片、隔墙板、型料、支架、蒙皮，以及车辆上的灯伞等。

高压气体在穿透层的影响下，生成了冲击压应力波，从而直接作用于工件材料上，使工件材料生成了变化。同样，来自于高压气体中的部分应力波透过工件材料表层，使相应深入的材料表面形成残余压应力，可以加强工件表面，并增加疲劳寿命。此外，尚有部分的残留应力波可穿越透明材料表面，称之为应力波损失。

钣金板在经过激光冲压成型之前，先在零部件表层上进行涂层工序—“表面黑化处理”，接着在髹漆层上再涂抹第一层透明度材质，所谓透明度层，即流动的水。激光辐照时，通过穿透层，光能被不透光的髹漆层材质初步吸收后，蒸发一薄层髹漆层材质。而蒸发了的髹漆层材质继续吸收光柱的残余热能，并迅速形成高压气体。

今后激光材料加工技术的发展仍将受到激光加工设备、工艺技术理论及工业应用方面的制约。如果激光工艺技术装置的质量稳定、安全可靠、设备配套水平和智能化程度更高等，则工艺过程科学技术基础理论研究成果的统计可比性更大，研究工作面进行更加广泛，工业的应用范畴也将随之拓宽。尤其在我国等发展中国家，由于激光材料加工技术目前还主要处在基础研发工作，还没有完全步入规模化产业应用阶段，因此需要受到更充分的关注，以便逐步促使激光材料加工技术向着优质、高可靠性、智能性、多用途、大功率和柔性的自动化走向蓬勃发展。

3.2 模具数字化设计制造系统

飞机钣金模具设计生产行业发展的主要出路与方向，是进一步增强数字化能力。而数字化技术则是集管理、设计、分析、生产、检验，以及在模型建造整个生命周期内各个生产环节一体化高新技术的综合运用。在数字化信息管理方面，着重发展如PDM/ERP/MES 以及无纸化设计制作等数字化信息技术；在设计技术方面，着重发展如KBE/CAD/CAE/CAPP/ 数字资料网络一体化信息技术；在设计生产方面，着重发展可以一体NC程编和数控技术；在设计测试方面，着重发展在线测试和数字测量的协调技术。

钣金模具的数字化设计与制造体系结构如图一所显示，总体上包括以下六个主要组成部分，即基础环境、数据生产集中管理平台、设计制造数据管理接口、设计制造应用技术、工作模型、设计生产过程管理。

数据分析集成平台一般由设计生产数据系统（PDM）、生产资源计划（ERP）、生产运行系统（MES）和钣金模具设计与生产专业知识库等构成。PDM 系统一般实现了工程设计文件管理、工作过程管理、电子审批管理、工程设计变更管理、产品设计构形管理、工程信息交流和发布等信息管理功能；ERP 主要是涉及公司的设计生产各项资料，制造计划和过程；而MES 则重点是模具企业生产过程进行流程管理（当中包含制造计划、进度）以及对生产流程的动态管控。

在数字化产品设计中，建立信息库是十分关键的基础性工作，它是数字化产品设计制造过程的主要动脉，包含了设计数模、信息库、仿真分析参考信息库等，都是数字化和智能化产品设计所必需的基本内容。

数据接口系统主要处理模具装配生产中各异相系统之间的数据结构交换，以确保数字化设计与制造间数据的顺畅传输，使整个模具装配制造生命周期中的唯一数据源传递，以保证数据协调性和减少差错。

现代数字化测试装置包括触及式和非接触式。触及式检测设备基本上是由三、五坐标测量机直观地透过型面表层加以测试，也是目前应用得最为普遍的一类测试装置。触及法计量的测头要在材料上逐点测试，而且测试速率也比较慢，但通常用于对零部件的形位偏差测量，并且被测量成品的材料通常也不会太过软。但在非接触式检测手段中，采用三角形法的激光数字化扫描以及采用相位光栅投影技术的结构光法，被认为是目前最为成熟的三维形状检测手段。而三角法是基于光学三角测量原理，利用激光照明源与感光器件间的相对位移和夹角关系，来测算零件表面上点的相对位置数据，可包括点光源、线光源以及表面上照明光源测量方式。