兩種民用飛機金屬蒙皮加工工藝對比

徐志才 郝新超

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兩種民用飛機金屬蒙皮加工工藝對比

徐志才 郝新超

本文針對民用飛機薄蒙皮制造過程中用到的化銑和鏡像銑兩種加工方法進行了總結(jié)對比，從技術(shù)成熟度、加工流程、加工精度以及經(jīng)濟角度全面對比了兩種工藝的優(yōu)劣，最后總結(jié)出廣泛應(yīng)用鏡像銑進行薄蒙皮加工會大大加快蒙皮制造的效率，同時也會加快我國蒙皮一體化制造技術(shù)的發(fā)展。

民用飛機蒙皮是飛機的外表零件，尺寸一般較大，受載嚴重且對外形精度要求極高。飛機蒙皮為薄板零件，一般厚度為2～4mm，在局部區(qū)域如應(yīng)急門開口區(qū)域可達5～6mm。民用飛機設(shè)計的最重要任務(wù)之一是重量控制，即在保證飛機安全性的情況下，通過可靠地設(shè)計降低飛機重量，為了減重，蒙皮被設(shè)計成不等厚度的，有的區(qū)域甚至是連續(xù)變截面的，圖 1所示為一種典型的變厚度蒙皮。民用飛機金屬蒙皮通常采用的材料為鋁合金或者鋁鋰合金。蒙皮通過拉伸成形或滾彎成形后，需進行變厚度加工，通常使用的加工方法有化學(xué)銑切和鏡像銑切。

民用飛機蒙皮加工工藝簡介

1）化學(xué)銑切

化學(xué)銑切簡稱化銑，是一種利用酸、堿、鹽等化學(xué)溶液與金屬產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，使金屬腐蝕溶解，改變零件形狀、尺寸的的加工方法，化銑工藝經(jīng)過長期的的試驗研究和經(jīng)驗積累，已經(jīng)是一種成熟的加工工藝，目前廣泛應(yīng)用于航空領(lǐng)域。圖 2所示為典型的化銑加工過程。

2）鏡像銑切

蒙皮鏡像銑切是一種先進的加工方式，其加工方法可概括為：鏡像銑切有兩個同步運動的主軸頭，一個主軸頭為切削頭，另一個主軸頭為支撐頭，2個主軸頭能夠保證鏡像隨動，對蒙皮進行法向支撐和法向銑削，采用的是蒙皮厚度直接控制法，如同兩只手對在一起進行加工，如圖3所示。

兩種加工工藝的對比

1）技術(shù)成熟度對比

化銑工藝經(jīng)過長年的技術(shù)積累和發(fā)展，以無刀具損耗以及無切削應(yīng)力為特點，已成為航空領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的一種特種加工工藝。

蒙皮鏡像銑切是一種先進的蒙皮加工方法，目前國內(nèi)應(yīng)用并不廣泛，只有少數(shù)廠商正在使用鏡像銑切系統(tǒng)進行蒙皮加工。鏡像銑技術(shù)面臨的主要技術(shù)難點有以下幾點。

（1）定位裝夾。在進行蒙皮裝夾設(shè)計時，希望能將不同型號、不同形狀的蒙皮進行裝卡，以保持其理想形狀。目前常用的定位裝夾為三坐標柔性定位真空吸盤，柔性定位真空吸盤方案通過三維空間坐標對零件定位裝夾，如圖4所示。兩個主軸頭的運動根據(jù)蒙皮數(shù)模編程，實現(xiàn)對蒙皮厚度方向的加工。

圖1　典型變厚度蒙皮（單位mm）

圖2　化銑加工過程

圖3　手指及其鏡像

（2）周邊夾持系統(tǒng)。蒙皮厚度較薄，剛度較差，僅通過柔性工裝的裝夾無法保證蒙皮加工的厚度公差，因此需要一套合理的周邊夾持系統(tǒng)，提高蒙皮在柔性工裝下的加工剛度。常用方法是在蒙皮零件和柔性夾具之間增加一塊可抽真空柔性墊，這樣可提高蒙皮加工剛度，確保蒙皮加工精度。

圖4　柔性工裝示意圖

圖5　蒙皮化銑和鏡像銑加工過程

圖6　化銑底角示意圖

蒙皮鏡像銑在技術(shù)上優(yōu)于化銑，但由于定位裝夾系統(tǒng)和周邊夾持系統(tǒng)的復(fù)雜性，國內(nèi)應(yīng)用還需要進一步開發(fā)和改進，因此國內(nèi)航空領(lǐng)域還是廣泛應(yīng)用化銑工藝進行薄蒙皮加工。

2）工藝流程對比

蒙皮加工的完整化銑和鏡像銑流程如圖 5所示。

由流程圖可以看出，化銑加工流程相對鏡像銑較為復(fù)雜?；娂庸み^程涉及表面除油清潔處理、涂止銑橡膠層等一系列工作，其中化銑過程中的刻型工藝較為繁雜，首先需要設(shè)計制造立體的化銑樣板，按化銑樣板在保護膜上進行刻線，需化銑的部位要撕去保護膠膜。制造化銑樣板流程長、精度低，手工刻線存在誤差大、效率低的問題。蒙皮在化銑過程結(jié)束后還需進行切邊、鉆孔等工序，工藝流程較為復(fù)雜。

鏡像銑的工藝流程相對簡潔，蒙皮經(jīng)過成形后，經(jīng)過簡單的手工粗修整即可進入鏡像銑切系統(tǒng)進行加工，一套完整的鏡像銑切系統(tǒng)僅經(jīng)過一次裝夾就可實現(xiàn)蒙皮的法向加工。鏡像銑切系統(tǒng)集成了銑切蒙皮邊緣、精確開窗口以及制孔等功能，零件經(jīng)過鏡像銑切之后可直接進入噴漆狀態(tài)，鏡像銑切系統(tǒng)集成化程度高、工藝流程簡化。

3）加工精度對比

化銑和鏡像銑都能較好地滿足蒙皮減薄部位的厚度公差，并且零件表面的粗糙度一般都能達到結(jié)構(gòu)設(shè)計工程師的要求，從這個角度可以認為化銑和鏡像銑均能保證零件的加工精度。

化銑零件的質(zhì)量是由化銑溶液成分和工藝參數(shù)共同決定的，工藝參數(shù)包括化銑加工速度、化銑加工深度以及化銑加工溫度。在實際加工過程中，這幾個參數(shù)需要相互協(xié)調(diào)，使加工的零件質(zhì)量達到最優(yōu)。零件化銑后的化銑底角自然形成，其半徑與化銑深度相當，如圖 6所示，若蒙皮存在連續(xù)的厚度變化，還需設(shè)計合理的過渡區(qū)域。同時，在化銑溶液向厚度方向腐蝕時，也會向側(cè)面腐蝕。結(jié)構(gòu)設(shè)計工程師在設(shè)計化銑蒙皮時需要格外注意這一點，否則會引起后續(xù)裝配時框與蒙皮化銑臺階的干涉。

鏡像銑是兩個主軸頭同步運動，在支撐頭設(shè)置了超聲測厚裝置，可在蒙皮加工過程中進行實時厚度測量，保證蒙皮厚度方向的精度。連續(xù)厚度變化區(qū)域的過渡區(qū)域及底角半徑在鏡像銑切過程中可完全按照成熟的數(shù)模要求進行加工制造。鏡像銑能夠更好的保證零件加工精度，有利于后續(xù)的工藝協(xié)調(diào)及零件裝配。

4）經(jīng)濟角度

零件的生產(chǎn)離不開成本，兩種工藝的經(jīng)濟性相差很大。

化銑以化銑溶液為主，化銑溶液的主腐蝕劑為NaOH，化銑溶液需定期處理，會污染環(huán)境且耗能較高，化銑過程中消耗的鋁材無法回收再利用。鏡像銑是目前公認的一種新一代綠色制造技術(shù)，刀具的冷卻采用微量潤滑即可實現(xiàn)，不存在污染環(huán)境的問題。同時鏡像銑加工效率高，可顯著降低生產(chǎn)成本。因此鏡像銑在經(jīng)濟角度上明顯優(yōu)于化銑。

總結(jié)

化銑和鏡像銑是目前主流的加工薄蒙皮的加工方法，通過對比發(fā)現(xiàn)，鏡像銑的技術(shù)集成度高，但使用該技術(shù)的廠商較少。鏡像銑切系統(tǒng)在加工流程、加工精度和經(jīng)濟角度要明顯優(yōu)于化銑工藝，所以在民機金屬薄蒙皮的制造中，應(yīng)更多的應(yīng)用鏡像銑切系統(tǒng)，這會加快我國民機蒙皮一體化制造的進度。

徐志才 郝新超

上海飛機設(shè)計研究院

徐志才（1989-）男，漢，山東省臨沂市，上海飛機設(shè)計研究院，助理工程師，碩士。

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.11.013