飞机结构件制造工艺技术

飞机结构件制造工艺技术3．1概述过去飞机机体主要部分都由钣金零件装配而成，而后来随着飞机性能的不断提高，整体结构日益增多。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有所改变。国外采用整体金属结构件有代表性的例子如：法国达索飞机公司的幻影P1机身框(见图3-1)，整体框是由尺寸为1.8×2m，厚80mm的轧制板坯整体切削加工出来的，框与加强条构成—个整体，加工后的成品重量只有毛板坯重量的10％。这种大型整体框若采用旧式钣金结构，则所用零件约为1000件(包括连接件)，所需铆接工时为100~150h。美国麦克唐纳·道格拉斯飞机公司的DC-10运输机采用的框一梁组合部件系，降垂尾大梁与中央发动机隔板框组成一体。图3-2所示为该结构件在机械加工前的锻造毛坯，重2300kg。格鲁门公司的F-14战斗机采用的整体壁板是用钛合金制造的，它的蒙皮壁板与变后掠用的转轴接耳构成一体(见图3-3)。图3-1幻影F1机身框图3-2DC-10框-梁组合部件图3-3F-14整体壁板国内采用整体结构件的例子如图3-4～3-7所示。图3-4数控加工典型整体壁板图3-5歼击机座舱整体骨架体图3-6数控加工机翼各梁类零件图3-7数控加工典型整体框3．2飞机整体结构主要工艺特点(1)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。在采用薄蒙皮和铆接骨架的分散式结构的情况下，与飞机承力结构架(骨架)贴合的是刚性很差的薄蒙皮，骨架和蒙皮的配合允许有较大容差，如歼击机为±0．25mm，在装配应力不是很大的情况下，可以装配出合格的产品。但是，相对于骨架和蒙皮均为大厚度的整体结构来讲，若产生如图3-8所示的装配间隙，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降低。基于这种原因，在组装时必须加相应尺寸的调整垫片作为补偿，但这样—来，势必使装配工时增多，周期延长。同时加垫过多也会影响结构强度和飞机寿命。图3-8整体结构的组装因此，在整体结构中与其它构件有配合关系的部位，其加工公差应在±O.13mm以下。无配合要求的内部结构的筋条厚度公差一般为±0.25mm。因此，对整体结构件的加工精度有成倍地提高。(2)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。多数整体结构件外廓尺寸大，毛坯和零件成品重量重。如大型的整体壁板有的长达30m左右，毛坯重3～4t，大型机身整体框约6×3m，毛坯重约2t，小型机身框约2～2m，毛坯重1t，因此，必须配置大型机加机床和相应的装卸、搬运等工艺设备。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形角度变化较大，具有空间立体形状的骨架零件(见图3-5)的外形—般为复杂立体曲面。上述两类零件的内部结构多数是纵横交错的筋条，构成内部的各种框和槽，切削加工的开敞性差，工作量大。粱、框、肋零件的腹板、筋和外形缘条最小厚度仅有1～2mm，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，若加工的工步和切削参数选用不当，板面的翘曲可达几十毫米，须要精心地工艺设计。综上所述，整体结构件加工的工艺技术难度大，工序多，工作量大，周期长。如按常规工艺，—个中等复杂的整体结构件的加工工序约需100道以上，按40架份—批的小批量生产，每批的制造工时达10万h左右(若采用数控加工，工时约需2万h左右)，每批零件的制造周期约需10～12个月。(3)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。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预拉伸的厚板材，在板材厚度允许的情况F，尽量不采用模锻毛坯。其主要原因是：①模锻毛坯需要较高的模具费用，模锻件毛坯价格约为预拉伸板坯的10倍。虽然厚板坯的材料利用率较低，但加工变形量小，由于数控加工切削效率大大提高，大余量的切削加工成本降低，因此从经济角度看宜多采用厚板毛坯较为有利。②模锻毛坯成形过程中残留的内应力大，余量切削后的零件变形也大，为减少零件变形需反复多次切削加工、校正，工序和工时都增多，周期也延长。③采用模锻毛坯，经切削加工后的薄壁类飞机结构成品，往往使锻造金属纤维流线遭到破坏(见图3-9)，结构强度性能会降低。与预拉仲板材切削加工后的强度性能相比提高并不显著。3．3整体壁板的制造目前，在飞机制造中日益广泛地采用了整体壁板和变厚度蒙皮，这是由于现代高速飞机要求薄翼型，而又要求它具有足够的刚度、强度和疲劳性能的缘故。传统的薄蒙皮桁条式铆接结构显然已不能能完全满足现代飞图3-9锻造毛坯的纤维流线及机气动力和结构设计方面的要求。采用整体壁板除了能其在机加后纤维流线被切断情况能大量减少零件数量、简化连接型式以外，在结构设计方面带来的好处有：由于剖面可以按等强度设计成较理想的承力形式，因而使得壁板的强度重量比高，总体和局部刚度好。①疲劳寿命长，如现代某民航机要求其结构设计寿命达40000小时(或32000次飞行)，则其必不可少的条件之一就是采用整体结构。②外形准确、表面光滑。③可简化整体油箱的密封，而且可以腾出最大的有效空间。从工艺方面来看整体结构带来的好处有：①简化了互换性问题，减轻装配劳动量，简化飞机制造过程。②可减少工夹模具与型架数量，缩短生产准备周期。在广泛采用数控技术以后，效果更为显著。③在大批量生产时可采用高效率的锻、挤、轧、铸等加工方法制造，可以更进一步提高劳动生产率。但整体壁板发展中目前也存在着—些问题，如：①为了切除大量金属，须配备价格昂贵的大型设备以及大型加工专用机床等。②除采用热辗平板做毛坯的方案以外，其它型式的毛坯…般供应较困难，加工毛坯用的工艺设备制造周期长、费用贵。③从“破损安全”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。尽管整体壁板制造日前还存在着不少问题，但由于它本身突出的优点，以及整体壁板加工、成形以及毛坯供应方面的不断改善，整体壁板的采用还是愈来愈多。正是因为整体壁板制造的花费大，所以在设计壁板时必须根据实际情况慎重选择加工方案。3．3．1毛坯供应整体壁板零件常用模锻、自由锻、压挤、铸造等方法制造毛坯，或由热轧厚钣材直接加工。(1)应用大吨位液压机和锻模生产壁板毛坯是一个很吸引人的方案。它的优点是生产串高，锻件有连续的纤维组织，晶粒致密，强度高，它可以制造复杂形状筋肋，还可以同时制造出对接接头，对铝合金板坯当形状简单时最小壁厚可达4毫米。—般用热模压方法制造的壁板其需加工表面不超过30％，其余表面不加工，而且外形也可在模子内精压出来不再进行加工，但模锻缺点是需要大吨位液压机，如对于铝合金壁板每平方米投影面积约需3万吨压力，精密锻时需要5～6万吨。又锻模制造也困难，劳动量大，周期长。这些困难都限制了热模锻法制造整体壁板毛坯的应用。整体壁板毛坯还可用异形轧制方法，其毛坯质量与热模锻相近，由于其每次变形面积小，机床吨位可大大降低。图3-10所示是用型辊分两步辗压成的壁板毛坯剖面形状。(2)用挤压方法制造整体壁板毛坯(图-11)，优点是可以获得大长度的壁板，如某公司在12500吨挤压机上加工出长达33．5m的壁板，与模锻相比这种方法所需要设备功率较小、模具制造费低、生产率高、材料利用率可达7％以上。挤压件尺寸精度和光洁度较好，除了形状复杂处有时需要加工或整修外，大部分不需进—步加工。用挤压方法制造整体毛坏也有两种方式：—种是直接挤出平板图3-10用异形孔扎制的整体壁板毛坯状貌皮，另—种方式是先挤出带筋圆筒(或u形、V形)再展平。挤压毛坯的缺点是日前只能得到等削面和仅有纵向平行加强筋的整体壁板。毛坯供应仍受挤压设备吨位及较平设备的限制，模具寿命短。当设计这种壁板时，最好是沿整个长度的剖面相同，如有必要使壁板蒙皮加工成楔状变厚度时，建议在成形前从外表面来铣切，而不要采用加工挤压壁板内表面的型式。(3)自由锻毛坯或热轧平板做毛坯，这种方法的优点是整体壁板毛坯来源容易，允许设计者较自由地布置筋条和凸台，生产准备周期短，能适应机种迅速改变，制造精度和光洁度高。但缺点也是明显的，即加工量大，材料利用率低(约10％)，需配备大型高效率加工机床。此外，因厚度毛坯辗压时变形程度小和切削加工中材料纤维被切断，因而材料机械性能不如前二种方法。图3-11挤压壁板当设计用板坯或板料制造整体壁板时，必需考虑到以下的要求：1)可能得到的最大板坯尺寸。2)加强筋应设计成棱形，不可以呈T形或其它任何比较复杂的形状。3)应考虑机械加工的不便，例如加强肋最好设计为等距平行排列。对于纵槽最好有—个端头可以允许刀具的自由进入。以及凹槽、圆角等处均要考虑到标准铣刀的形状与尺寸等。(4)特种方法铸造的毛坯，多用于导弹或靶机等飞行器上。铸造能适应复杂形状，成本低，机械加工量小。铸造的壁板—般其内、外表面都铸成最后尺寸，机械加工只限于接头部分和对外形修光。铸造壁板的生产率高，不需要成型工序，在特定情况下有其突出的优点。3.3.2整体壁板切削加工(1)通用铣床和仿形铣床采用通用铣床加工整体构件，依靠人工手动操纵按划线加工，可以使用转盘式、倾斜式夹具及专用刀具，可能加工的范围很广，通用性较大。但加工曲面部分十分困难，精度不高，加工工时很长。为了弥补通用铣床的不足而采用仿形铣床，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。但是采用仿形加工，首先必须制造足够准确的靠模，而且由于仿形靠模自身的误差以及靠模头，要使工件误差不超过±0.2mm是有困难的。所以现在仿形铣床在加工精度上不能满足高精度整体结构件的要求。(2)数控铣床的组成数控铣床一般由输入装置、信息处理、伺服系统和设备本体等四部分组成，如图3-12所示。输入装置的作用是将数控程序信息通过传递介质送入专用的读数装置(光电输入机、磁带机、磁盘驱动器以及各种接口等)。信息处理部分是数控铣床的控制装置。它的作用是将输入装置送来的数据和指令信息加以变换.运算和控制，然后输出控制机床运动的信息送给伺服驱动装置，以控制数控铣床的动作(例如各坐标的运动位置及运动速度、主轴的启停及变速、冷却液通断、刀具更换、工件夹紧、排屑等)。数控装置的构成如图3-13所示。伺服驱动系统的作用是根据输出控制器分配的脉冲或模拟信息，通过专用的马达(电气的或液压)及减速齿轮、滚珠丝杠等传动机构去拖动机床运动，运动的距离和速度分别正比于输出控制器发出的脉冲信息的数量和频率。这样，机床运动的距离和速度完全取决于控制信息给定的数字信息。图3-12数控铣床的组成图3-13数控装置的构成铣床驱动常采用步进马达、小惯性直流电机和伺服马达等。传动方式常采用高精度滚珠丝杠，传动部分必须消除间隙，丝杠和轴的刚度要足够大，以防止弹性变形。滑板与导轨之间的摩擦要小，以防低速运动时的“爬行”现象。(3)数控加工设备的控制方式1)伺服系统的驱动方式可分为开环和闭环两种。图3-14开环控制方式图3-15闭环控制方式①开环方式开环控制方式(见图3-14)一般采用功率步进电机作驱动元件，其转角和转速分别由输入的脉冲数日和脉冲频率决定。通过减速齿轮和滚珠丝杠驱动数控设备运行，它没有位置检测反馈元件；线路简单，调整方便，其精度取决于步进电机和设备本体的精度。适用于一般要求的中小型切削机床和位置精度要求不高的设备。②闭环方式闭环控制方式(见图3-15)一般采用直流伺服和交流伺服电机作为驱动元件，并带有光栅、感应同步器、旋转变压器、编码器和磁尺等位置检测反馈元件。根据数控设备各机械坐标运动的实际位置反馈信息和程序中规定的位置信息相比较，以其差值来控制伺服电机驱动数控设备。如果反馈信息不是直接取自工作台溜板，而是取自丝杠的转角，就称为半闭环伺服系统。这种系统的数控设备的控制精度高，但系统复杂，调挺困难。2)机械系统的控制方式按设备机械系统的控制方式可分为点位控制和轮廓控制两种。①点位控制在点位控制的数控设备上，对各坐标轴的机械运动的轨迹没有要求，只保证由这—点移动到另一点最终位置的定位准确，如数控钻床、镗床、冲床、钻铆机、运输小车和拉伸机等。②轮廓控制轮廓控制(又称连续轮廓控制)的数控设备如数控车床铣床、磨床、加工中心等，用于加工直线和曲线表面。在这些机床上，刀具相对工件的运动轨迹必须符合工件表面的要求，数控系统应保证各坐标轴方向的运动距离和运动速度保持规定的比例关系。根据使用时所控制的坐标轴数量还可分为以下四种。●同时控制两个坐标的轮廓控制，又称两坐标联动。X、Y、Z三个坐标中同时控制X、Y两个坐标时，可以进行图3-16所示的曲线形状的加工。同时控制X、Z坐标又同时控制Y、Z坐标时，可以加工图3-17所示形状的零件。●同时控制三个坐标的轮廓控制，又称三坐标联动。同时控制X、Y、Z三个坐标时，可以加工图3-18所示的形状。在X、Y、Z三个坐标方向可以同时移动，即刀具在空间内的任意方向都可移动时，能够进行三维的立体型面加工。●同时控制四个坐标的轮廓控制，又称四坐标联动。所谓四个坐标，即在X、Y、Z直线坐标之外再加—个旋转坐标，如图3-19所示。●同时控制五个坐标的轮廓控制，又称五坐标联动。在直线坐标X、Y、Z以外，加上围绕这些直线坐标轴旋转的坐标A、B、C中的两个坐标，形成了同时控制五个坐标的数控机床，如图3-20所示。图3-6同时控制X、Y两个坐标的轮廓控制图3-17同时控制Y、Z两个坐标的乾廓控制图3-8同时控制三个坐标图3-19同时控制四个坐标图3-20五座标数控铣床图3-21同时控制五个坐标的例子采用五坐标数控铣时，铣刀可以给定在空间内的任何方向运动。因而，可以进行图3-21所示零件的切削。对于如图3-22所示的曲面零件，若采用五坐标联动加工来代替三坐标联动加工，可以提高质量和效率。3)数控系统的插补方式所谓“插补”，就是从当前位置将刀具移动到下个位图3-22同时控制五个坐标和置的动作。根据动作的不同，可以分为直线、圆弧、同时控制三个坐标的比较螺旋线、抛物线和样条等插补方式。目前，在连续轮廓控制系统中，本身都带有插补运算装置。在连续轮廓控制系统的机床上要求刀具切削加工出符合给定直线和曲线形状的工件表面时，数控程编必须根据控制系统的插补方式计算出逼近工件形状的每个程序段的数据。此数据经译码后送入插补运算装置按每个程序段进行刀具轨迹的插补运算，边运算边将运算结果向各坐标轴分配进给脉冲来控制机床运动。(4)飞机整体壁板切削加工由于飞机零件的结构必须适应外形要求和受力情况，因此其几何形状复杂，加工它们所用的刀具必须进行空间曲线运动，所以飞机制造工业需要多坐标连续轨迹运动的数控机床。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—些因素：●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?●零件几何的形状要求刀具做几坐标联动?●采用数控能节省多少夹具、靠模、模具等工艺设备?●要求缩短的加工周期和提高的加工质量。●`管理人员和设备条件如何?为了有效地使用数控，要考虑加工时间与占用机床时间的比例件时，如加工钛合金整体结构时，加工时间所占比例大，因此最好采用3～6个刀轴同时加工，加工铝合金时，最好用2～4个刀轴。加工飞机整体壁板时大多采用三坐标联动数控铣床，这种铣床的特点是台面大，多头化，如大型壁板铣床均具有多个移动式龙门架，如美国Cincinnati巨型数控蒙皮铣床，台面尺寸为3.6m～11.2m，6个龙门架，每台24个主轴头：加工钢件用主轴头，主轴转速约1000转／分，切削铝合金时，主轴头转速为3000转／分～10000转／分，功率达100马力。加工整体壁板时，为了装卡牢靠，消除振动，保证加工精度，防上中心部位鼓起，一般均采用真空吸附夹具，或在机床台面上设置真空装卡装置。由于切屑产生量很大，机床—般均配有自动排屑装置。—般地说，机床精度并不—定能保证加工工件的精度要求，还必须合理地制订工艺路线，严格操作程序。例如，当切削加工结束后，从夹具上卸下的工件往往会产生很大的翘曲变形，这种切削变形是毛坯在加工及热处理时所产生的内应力引起的。这种情况对铝合金尤为明显。即当板坯的一面表层被切削掉时，其残留内应力平衡状态被破坏，从而产生变形。为解决切削变形问题，国外发展了一种消除内应力的方法，即在固溶热处理以后进行拉伸，厚板经过拉伸处理以后(约2％)，作为整体结构毛坯使用，效果较好。有时还采用厚板两面轮翻加工的方法，减少加工后的残余变形。解决切削变形的另—种方法，是先进行粗加工，留出较小余量，然后进行热处理并矫正变形，最后再进行精加工，这时由于切削余量已经很小即可以达到减少变形的目的。虽然采取了种种措施来防止切削后的变形，但事实上切削后有许多工件往往还会产生轻微变形。假如对这种变形不能很好地加以矫正，无论切削精度有多高也是没有意义的。排除切削变形的方法，一般均用压力机在与变形相反的方向上施加外力予以矫正。整体结构件产生变形的部分系经过切削加工的部分，所以厚度小，但矫正时常常又必须要施加很大的力，因此矫正工作必须慎重，要防止产生裂纹或过大的残余应力。当对工件进行矫正时，为防上再度产生残余应力，可将工件加热后进行矫正，也可以利用高温蠕变原理来矫正，即专门设计矫正模胎，使之具有与工件相同的形状，或使其形状具有少许过弯量，将工件固定在模胎上，并送入加温炉内，在一定温度下使工件产生蠕变，以达到矫正变形的日的。3．3．3整体壁板的化学铣切化学铣切：如TY-144飞机上有1500个铝合金零件采用此法加工，其最大铝合金整体壁板尺寸为8.5×2m。化学铣可以从铝材的一个表面或从两个表面上同日时铣去金属，目前化铣深度—般不超过十多毫米，深度尺寸可达0.127mm左右。化铣原理是利用金属能在某些酸或碱溶液中溶解的特性“铣切”(蚀除)金属，蚀除过程前对于不需要加工的表面则涂以保护层加以保护。利用酸或碱蚀除金属的原理，不仅可以加工铝合金而且能加工某些合金钢或钛合金。铝合金化学铣采用苛性钠溶液，形成可溶的铝酸钠并放出氢气和大量的热，其反应式是：2Al+2Na0H+2H0→2NaAlO+3H↑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；无毒性和不腐蚀被保护金属。对于铝合金常采用氯丁橡胶做保护层。实践证明，采用10％～15％浓度的碱溶液和在80土10℃温度范围内进行铝合金化铣最适宜。对于变厚度蒙皮可以采用控制浸入速度的方法来制造。图3-23化铣过程及闭合腔中的氢气化学铣切的工艺过程可以分为四个基本组成部分：蚀前处理，局部保护，化学腐蚀和蚀后处理。1）蚀前处理包括清洁金属表面的工序，目的是去除毛料表面污垢。—般采用脱脂液，80℃热碱液清洗，冷水冲洗，铬酸中浸洗及冷、热水多次冲洗，洗净后烘干，图3-23中的1区及2区。2）局部保护目的是将零件表面不需腐蚀的部分切实保护起来。最常用的方法是涂敷保护剂。保护剂干燥后在毛料的表面上形成保护膜，图3-23中的3、4、5区。3）化学腐蚀目的是蚀除金属。对于铝合金壁板，新配置的NaOH溶液腐蚀速度虽高，但蚀后金属表面质量不高，并且腐蚀速度不够稳定，一般需要经过陈化处理，以使腐蚀速度稳定，并使零件表面质量及材料疲劳强度较好。在腐蚀过程中除要保持腐蚀液温度、浓度的稳定外，有时还要不断搅拌溶液，使产生的氢气泡容易逸出，如图3-23所示的7区。4）蚀后处理从腐蚀槽取出零件后，先放入冷水槽中冲洗液中冲洗，然后再放入20％稀硝酸溶反复清洗后再用有机溶剂去除金属表面上的保护膜，然后再清洗、检验。见图3-23所示的1l及12区。化学铣切的工艺特点是：1)因为浸蚀作用不仅限于深度方面，而且扩大到保护膜下面，所以在腐蚀界限处自然呈现圆角，如图3-24右图所示。2为保护膜，3为工件。2)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。3)与机械加工不同，在化学铣切时，不需夹紧毛料，因而适于加工刚度较小的零件。4)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。也可铣切斜面或变厚度工件，如图3-24左图所示。5)设备简单，对工人技术水平要求不高。图3-24化铣零件及斜面铣切情况3．3．4整体壁板的成形整体壁板—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种加强筋条和凸台，所以在成形工作中存在很多困难。整体壁板零件除采用化学铣方法时，可以先成形后加工筋条以外，—般均为先进行机械加工，再成形外形。整体壁板除采用常规方法成形，如闸压(见图3-25所示)，滚弯(见图3-26)，拉形等方法以外，有时还采用爆炸成形方法及喷丸成形方法制造整体壁板。图3-25整体壁板闸成形图3-26整体壁板的滚弯整体壁板的成形无论是采用逐点压弯、闸压和滚弯，均基于三支点弯曲原理的成形方法。逐点压弯主要用于成形形状复杂而变化平缓的零件，闸压与滚弯方法主要用于成形具有柱形或锥形表而、厚度在6～10mm以上和刚性很大的整体壁板零件。当整体壁板弯曲成形时，必须在壁板的凹槽中充填填料，使壁板截面具有常惯性矩。填料一般采用具有相应硬度和弹性模数的弹性物质，如某种专用树脂，如图3-26壁板上的填块。为获得零件的外形所需的压下量以弯曲次数完全凭经验逐次逼近。当采用上述三种方法成形不能达到所要求的零件外形时，还需要采用其它方法进行补充成形和局部修整。喷丸技术早期主要用于强化工件表面层，使表面层产生压缩应力，以提高抗疲劳强度以耐腐蚀能力。后来，随着整体壁板的应用，喷丸技术又成为成形整体蒙皮的工艺方法之—。所谓喷丸成形即借助喷丸设备对准工件预定部分喷射弹丸(图3-27)，打击工件表面层，使之产生塑性变形(伸展)，以达到整个板件成形的目的。喷射的弹丸有钢丸、铝丸、玻璃丸等多种，钢丸寿命长，损耗小，其直径尺寸范围如荚标SAE从0.076mm到3.35mm，根据需要选用。喷丸成形可以制造单曲度壁板，也可成形双曲度壁板。喷丸时由于小粒钢丸在高速下打击金属表面，于是在金属表层内产生压应力，而在表层以下则产生平衡的拉应力，如图3-28所示。图3-27叶轮式喷丸机在实用范围内，表面压应力层的深度约在0.11-叶轮；2-钢丸；3-壁板；4-托架；～0.7mm。最大压应力的值达到材料屈服应力的5-托架送进滚棒一半。图3-28喷丸后的应力分布与板料拱曲图3-29马鞍形壁板的喷丸成形过程表面压应力的存在，有利于提高零件的疲劳强度和抗应力腐蚀能力，因而可以显著延长零件的使用寿命。喷丸成形初期只用在纵向带加强筋的壁板，如单曲度机翼壁板。随着对喷丸技术的掌握，现在已经发展到成形各种复杂的双曲度零件，不但用于整体壁板，也用于大尺寸等厚度钣金件的成形和校形。但喷丸的变形效果有它自己的特殊规律。人们必须在实践中逐步掌握以熟练运用喷丸成形的变形规律。图3-29所示为喷制马鞍形壁板的过程。第—步先喷击外表面，形成早曲度(图a)，第二步在剖面中性层以下涂橡胶屏蔽层，单喷筋条上面部分，于是产生马鞍形。喷丸成形整体壁板零件，由于设备简单，成本低，成形零件的长度不受限制，例如现有飞机最大的壁板长度为32mm(波音747机翼壁板)，采用其它方法，没有相应的设备。喷丸具有—系列优点，但也不可滥用，尤其喷丸后的壁板必须慎重处理钻孔、切边等后续加工，喷丸前必须完成热处理工序，喷丸后不许用机械方法校正零件。喷丸后的零件如需要加温也必须加以限制。如铝合金不得超过95℃，钛合金不得超过200℃。近年来，也有采用更大直径钢球(6mm)落丸成形，它靠钢球自重冲击工件，冲击力大，能成形铝、镁合余双曲率大板件，不损伤工件表面。所用设备也更简单。3．4框类整体零件的制造3．4．1概述目前在飞机整体结构中，整体梁、框、肋已获得普遍的应用。这类零件的特点是：一般均为结构受力件，材料选用高强度合金钢或高强度铝合金，这类材料在加工中易变形，校正时容易产生裂纹。这类零件的外形复杂，尺寸大、工序多，加工中—般需要多坐标机床并采用强力切削。它的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，在加工中除保证图3-30整体梁、肋、框零件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。图3—30所示为这类整体零件的举例。这类零件的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。3.4.2外形加工隔框、翼肋这类零件基本是平面形的，但具有曲线外形和内形，以及大量的凸起和凹下部分，有时曲线外形带有斜角。这类零件过去往往需要在专用的靠模铣床上加工，这种类型铣床品种繁多。如果在大型龙门铣床上加工也要利用靠模夹具和靠模刀架(图3-31所示)，以保证外形准确。利用—个平面与两个工艺孔作为定位基准，是梁、框类零件最常用的图3-31靠模加工曲线外形示意图定位方法。加工顺序—般是先加工定位基准，然后按照稳定可靠的定位基准定位后，先加工外形，而后再加工内形。飞机整体框、梁、肋当采用多坐标仿形铣床按靠模板仿形加工时，虽然也需要专用工艺装备，但在产量较大的情况下有时还是合理的。而采用浮动靠模夹具，由于工夹具复杂，生产准备周期长，零件加工后有时尚需钳工修锉，—般情况下较少应用。图3-32为某型立式靠模铣床的简图，工作台1，靠模台2和滑动框架3构成机床主体。零件的毛坯4以表面5为基准装在工作台上，并用压板6压紧。机床滑动架上装有铣头8的刀架7。铣头主轴上装有铣刀9。铣头可在两个互相垂直的平面内倾斜±15和±45的角度。机床靠模胎上有两套液压靠模随动系统10及12，当触针11沿靠模10运动时，活动架也带动刀架7沿工作台面并按箭头A的方向运动，以加工零件的c型轮廓。当触针13沿靠模12运动时就操纵铣头在垂直平面内按箭头B方向运动，以加工零件的f型轮廓。靠模10和12按照具体的加工零件尺寸和形状制造。图3-32立式靠模铣加工整体框由于数控技术的发展，采用多座标数控铣床也可以加工这类零件。图3-33四坐标机床运动方案四坐标机床运动方案如图3-33所示。由于梁、肋零件一般曲率很小，分框的情况也相似，因此，对大多数框、肋零件采用四坐标数控铣床就可以满足要求。对于一些整体机身隔框，当切削这种零件周缘时，主轴头不仅要左右倾斜，而且必须前后倾斜，这样就需要采用五坐标数控铣床。五坐标数控铣床的运动方案如图3-20所示。采用四、五坐标数控铣床，加工能力很强，但机床价格也很高，软件方面投资也很多。所以也有一些工厂在加工飞机构件时基本不采用四坐标以上的数控铣床，或者以三坐标铣床为主，对螺旋面和斜面的铣切采取一些如图3-34所示的鼓形铣刀加工等工艺方法，以加工大部分分框肋零件。3-34鼓形铣刀加工用鼓形刀具与连续的增量切削方法，可在曲率较大的型面上加工变角度凸缘面，如机身框，而不必使用刀轴偏转角度的四或五坐标数控铣床。3．4．3交点孔的加工交点孔不仅本身要求较精确，而且相互位置准确度要求也很严格。为保证孔本身的精度其最后尺寸往往是在表面保护后装配时才加工达到的。传统方法交点孔的加工都是按钻模或专用镗孔夹具进行的。零件加工完毕后，零件的检验也是按检验夹具进行的。为了保证零件间的协调，尤其是交点与外形间的相互位置协调，这些夹具都是按照同一标准样件制造，而标准样件相互之间也必须是协调的。对于铝合金零件，在加工完成之后要进行硬度检查与荧光检查。为消除对疲劳强度的不利影响，零件加工以后有时尚需表面抛光或喷丸强化。3．5大型骨架零件的制造飞机外壳上—些大型的骨架零件，如坐舱风挡盖等，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—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。这种类型的零件一般在专门设计的车一铣靠模机床，五坐标仿形铣床，或多坐标数控铣床上进行加工。图3-35所示为加工这类工件用的靠模铣床的示意图。镁合金在加工时，当温度超过400℃以上时很容易引起燃烧，因此，切削用量不能过大，刀具要锐利，工厂中往往专门成立车间或另辟工段。镁合金抗腐蚀性差，所以一般不用冷却液，生产过程中必须定期进行氧化处理。为了防止加工过程中变形，要尽量减少切削力和夹紧力。这类零件由于工艺复杂，需要专门设备，所以在设计这这类零件时，要慎重考虑其工艺性。例如要掌握工厂现有专用机床的情况，对已生产的产品的继承性。对于非配合表面等应按图纸最后尺寸铸造，减少铸后加工。斜角、圆角、过渡段尺寸要整齐划一。要考虑适当的基准面。例如图3-36所示风挡，以平面代替曲面，其加工过程大为简化。所以这些都是在不影响使用条件下，设计人员所必须综合考虑的。图3-35Kφ-5靠模铣床加工示意图3．6挤压型材和桁条零件的机械加T3．6．1概述这类零件指一些细长的变截面的挤压型材零件，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桁条、梁缘与接头型材等。这类零件的特点是：细长而刚度低，10m以上的常用到。切面形状变化多，有等斜角或变斜角。结构中还常采用—种单头或双头“带头”的型材，以减少接头零件。这类零件的毛坏制造及机械加工均有其共同特点。图3-36两种型式的风档常用典型零件如图3-37所示。为适应这类零件加工的特点，—般均采用专用机床及专用夹具。刘分离面型材要制订其协调路线。由于直升机主旋翼桨叶挤压大梁的制造特点与这类零件相近，在本节中，拟着重介绍旋翼大梁的加工。3．6．2毛坯供应大型铝合金零件的挤压需要大功率的卧式挤压机，—般均在4000～5000吨以上。挤压毛坯的长度可以很长、毛坯表面质量较好，生产率高，机械加工量小。目前除了挤压等截面型材零件外，亦可制造阶梯状零件和锥形零件，这就往往会大大地减少机械加工工作量。当图3-37型材零件图例然，这—类阶梯零件挤压模的设计与制造是—项复杂的工作。对于直升机桨叶大梁这—类空心截面型材的挤压也是—个复杂的技术问题，当设计这类零件时应予以注意。毛坯的材料要具有良好的可焊性，壁厚有—定限制，只能有纵向加强筋。目前用挤压法制造变截而、等强度的桨叶大梁毛坯尚有—定的困难，有待进一步研究，大梁根部也不能做出加强端头。空心大梁毛坯挤压的示意图如图3-38所示。毛坯材料按计算体积下料，然后加温至—定温度，放在卧式挤压机的容器中，材料在大吨位的图3-38桨叶空心大梁毛坯挤压示意图挤压机作用下分为上、下两部分挤出模具的模芯，再在模具的斜面作用下，焊合成—体。挤出的毛坯要支持在—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。—般采用正挤法挤压直升机空心大梁毛坯，正挤法即金属流动方向与挤压方向相同。正挤法的优点是毛坯质量较好，由于模具不动所以挤出的毛坯外形准确。但它也有—些缺点，如毛坯在热处理后表面有粗大的晶粒层，需要消耗较大的功率，以及挤压毛坯末端机械性能差。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15％～20％。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晶区，一般细晶粒试件比粗晶粒试件疲劳强度可提高25％～30％。此外设计毛坯剖面形状时，要考虑到挤压时的导向面、加工中的基准面等等(图3-39所示)。图3-39大粱以毛坯的剖面形状3．6．3挤压型材的外形加T及其所用机床(1)专用机床简介铣切挤压型材—般均采用专用机床，我国工厂使用的大型型材加工机床加工型材的示意图如图3-40所示。卧铣头常用来加工变截面和变斜角。立铣头用来加工缘板切口。铣刀运动都是由液压靠模控制的。直升桨叶大梁的外形加工所用机床亦可以选用同类机床，采用组合铣刀。国外也有采用组合机床铣削大长度大梁外形的。大型型材加工机床采取龙门架移动式，—般刀架上有两个卧铣头，可作垂直移动和转动，还有—个立铣头，可作横向移动。机床是用液压式自动靠模加工零件的，加工时可以只用一个刀头，也可用三个刀头同时加工零件。靠模板共三块，分为高度、角度与横向靠模。三块靠模板平行地安装在机床侧边。图3-40ⅡKφ中机床加工示意图(2)型材加工前的准备工作这里仍以直升机桨叶大梁为例，当合格的挤压毛坯运到加工工厂以后，对毛坯仍需要进行严格的加工前检查，包括材料机械性能及切片金相检查，这要在毛坯指定位置上切取试片，然后要进行内表面检验，还要采用专门的内孔检查设备，毛坯在检验前要进行清洗。最后进行超声检验，确定毛坯内有无裂纹或其它缺陷。挤压毛坯在投入加工前，要经过直度及扭曲