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第4章 飞机钣金零件制造工艺,徐 岩 南京航空航天大学 航空宇航制造工程系,飞行器制造技术基础,2,本章内容,4.1 飞机钣金工艺概述 4.2 平板零件和毛料制造方法 4.3 飞机型材零件的制造方法 4.4 飞机回转体零件制造方法 4.5 框肋类零件的制造方法 4.6 飞机蒙皮零件的成形方法 4.7 飞机复杂壳形零件的成形方法 4.8 飞机钣金零件制造的新工艺新方法 4.9 钣金成形的计算机模拟,3,钣金成形(sheet metal forming):钣金零件成形是对薄板、薄壁型材和薄壁管材等金属毛料施以外力,使毛料在设备和模具作用下产生变形内力,此变形内力达到一定数值后,毛料就产生相应的塑性变形,从而获得一定形状、尺寸和性能的零件的加工方法。,4.1 飞机钣金工艺概述,4,蒙皮,隔框,壁板,翼肋,导管,飞机钣金零件,占飞机零部件的50以上,大型飞机约35万项钣金零件。 飞机钣金工艺是航空制造工程的重要组成部分。,5,飞机钣金零件,挤压型材零件,板材零件,管材零件,压下陷型材,压弯型材,滚绕弯型材,拉弯型材,复杂形型材,平板零件,板弯型材零件,拉深零件,蒙皮成形零件,整体壁板,落压零件,旋压零件,热成形零件,橡皮成形零件,爆炸成形零件,SPF和SPF/DB成形零件,局部成形零件,无扩口弯曲导管,扩口弯曲导管,滚波卷边弯曲导管,异形弯曲导管,焊接管,6,飞机钣金工艺有别于一般机械制造的钣金工艺,这是由飞机的结构特点和生产方式所决定: 钣金零件构成飞机机体的框架和气动外形,零件尺寸大小不一,形状复杂,选材各异,产量不等,品种繁多。大型飞机约35万项钣金零件,而其中的个别项目只有一两件。 零件有较复杂的外形,严格的重量控制和一定的使用寿命要求。对成形后零件材料的机械性能有确定的指标,与其他行业的钣金零件相比技术要求高,加工难度大。,4.1 飞机钣金工艺概述,7,4.1 飞机钣金工艺概述,下料,成形,手工下料,模具下料,机械下料,数控下料,基本工艺,飞机钣金工艺,飞机钣金工艺,8,4.1 飞机钣金工艺概述,飞机钣金零件分类及其制造方法: 平板类零件 剪裁、铣切、冲裁 蒙皮类零件 闸压、滚弯、拉形、落压; 框肋类零件 橡皮成形、闸压、滚弯、拉弯、绕弯、落压; 管子类零件 弯管、扩口、缩口; 整体壁板零件 化学铣切、数控铣切、喷丸成形; 其他成形方法 旋压、爆炸成形(校形)、胀形、钛板热成形;,9,本章内容,4.1 飞机钣金工艺概述 4.2 平板零件和毛料制造方法 4.3 飞机型材零件的制造方法 4.4 飞机回转体零件制造方法 4.5 框肋类零件的制造方法 4.6 飞机蒙皮零件的成形方法 4.7 飞机复杂壳形零件的成形方法 4.8 飞机钣金零件制造的新工艺新方法 4.9 钣金成形的计算机模拟,10,4.2 平板零件和毛料的制造方法,剪裁、铣切及冲裁 平板零件在飞机结构中所占比重并不大,但考虑到由金属板料制成的零件,有80%以上皆需先经过裁成毛料工序,所以改进裁料工作,提高材料利用率对于飞机制造具有重大意义。 飞机结构中平板零件、零件展开料或毛料按其外形轮廓可分为三类:直线轮廓件、曲线或线性组合件与小冲压件。不同类型平板零件可采用不同的设备和工艺方法成形。,11,4.2.1 剪裁,剪裁是下料方法中最经济的一种方法。因此,钣金件应尽可能设计成能用剪切下料法来制造。用于制造平板零件及毛料的剪裁设备有: 龙门剪床(包括平口剪床和斜口剪床) 闸刀剪床 圆盘剪床 振动剪床,12,龙门剪是利用上下刀片作为刃具,将板料裁成条料或直线外形组成的简单零件和毛料。,13,飞机制造厂常用龙门剪的最大宽度可达7m,剪裁板料厚度由220mm,按照板料厚度及宽度选用不同型号的剪床龙门剪床下料时,其经验准确度一般0.5mm 左右。,14,剪裁过程,理想的剪裁过程是使材料由于纯剪切而断裂为二,但实际上,情况较复杂,可以将其分为三个阶段: )弹性变形阶段这时上剪刃下降,使板料发生压缩和弯曲,材料中应力尚未超过弹性极限。 )塑性变形阶段这时上剪刃进一步压入板料,材料的纤维发生强烈的弯曲和拉伸。在这阶段,刃口附近的应力逐渐达到材料的极限抗剪强度。 )剪离阶段这时上、下刃口附近材料出现微小裂纹,当裂纹迅速扩张,以至上下相交时,材料就断裂为二。,15,剪裁过程,16,圆角区,剪刃压迫板料,使之发生弯曲变形,剪断区,表面光亮,说明当上剪刃挤压板料时,曾迫使板料发生塑性变形,揉压区,下剪刃压迫板料产生的塑性变形,剪裂区,无光泽,属剪裂,17,剪裁质量指标,剪裁质量指标主要有三个: 截面光滑无毛刺 尺寸准确 外表平整 上下刃间隙对剪裁后毛料断面质量、尺寸精度和剪裁力都有影响,不同材料厚度选用不同的间隙,剪刃的间隙随厚度的增加而增加,通常选取15。,18, 剪切时作用在板料上的力,19, 剪切力计算,F板料和剪刃接触时的受剪面积 0材料的抗剪应力,对于大多数材料0(0.60.75)b 板料厚度 剪刃斜角 1.3修正系数,考虑剪刃间隙、钝化,及材料厚度和表面情况不一致等。,斜口剪,直口剪,L剪切长度,20,圆滚剪与斜滚剪,滚剪剪裁原理与龙门剪相似,但机床结构完全不同。根据滚刃位置不同,可分为圆滚剪和斜滚剪两种。 圆滚剪主要用于裁剪直条料(长度可不受限制)。条料滚剪宽度容差比龙门剪裁料时小,一般可保持在0.127mm 左右。 斜滚剪适用于剪裁曲线外形毛料。,hn-剪刃挤入料深,21,圆滚剪与斜滚剪,22,多盘剪,23,常用剪切形式及适用范围,24,4.2.2 铣,铣裁是用金属切削的方法来分离板料和制成平板零件或是毛料的。它适合于曲线轮廓的工件及批量不大的成组加工工件。铣裁用的工具是立铣刀。飞机工厂常用的钣金立铣有定轴式及动轴式两种,后来采用大型自动靠模铣床、数控钣金下料铣床,25,26,27,组合样板,28,4.2.2 铣,在飞机制造过程中,对于大、中型曲线外形或带有内凹形状的有色合金零件或毛料,当加工精度要求较高时,常用铣切加工,铣切加工成本通常高于冲裁,但产量小时情况却相反。 靠模铣、数控铣及数控激光切割机的采用,改善了劳动条件、提高工作效率。,29,30,4.2.3 冲裁,冲裁工艺在机器制造、仪表制造的各个领域均有广泛的应用,小至钟表的齿轮、指针,大到载重汽车的大梁,都是用冲裁下料或直接制造。 这部分参考冲压工艺学中相关内容。,31,本章内容,4.1 飞机钣金工艺概述 4.2 平板零件和毛料制造方法 4.3 飞机型材零件的制造方法 4.4 飞机回转体零件制造方法 4.5 框肋类零件的制造方法 4.6 飞机蒙皮零件的成形方法 4.7 飞机复杂壳形零件的成形方法 4.8 飞机钣金零件制造的新工艺新方法 4.9 钣金成形的计算机模拟,32,4.3 飞机型材零件的制造方法,型材零件按外形可划分为直线形、平面弯曲和空间弯曲三类。作为成形工作内容,除型材零件外形的成形之外,还有型材剖面形状和角度的改变,压制下陷和冲切缺口等等。 型材零件的毛坯型材,主要以两种方式获得:用板料弯制和挤压成形。它们的剖面沿长向均为等剖面,如需要变剖面和变厚度的型材,则需通过补充铣切获得。通常,板弯型材的制造和挤压型材的补充铣切,由飞机工厂进行,挤压型材则外购。 飞机型材零件的制造方法-压弯、滚弯、拉弯,33,34,4.3.1 板弯型材的压弯成形,制造板弯型材的常用方法为压弯成形和多对滚轮滚弯成形两种。前者使用压弯机(又称闸压床)或弯板机(又称折弯机),采用通用模具,能适应飞机生产中多品种和小批量的特点,应用广泛,但制件长度受机床限制;后者因送进条料或卷料的方式不同,又可分为从后面推送和从前面拖拉(常称抽滚成形)两种,由于需要专用工艺装备,飞机工厂较少采用,而广泛用于建筑和家具制造。,35,)弯曲 : 弯曲在弯曲模中进行。以弯曲角 和弯曲半径 r 表示弯曲变形量的大小。坯料外层为拉伸变形,内层为压缩变形,中部为中性层,应力、应变为零。,36,V形件弯曲变形过程。包括弹性弯曲,弹塑性弯曲、塑性弯曲和校正弯曲四个阶段。,弯曲变形过程,弯曲变形区,37,回弹是成形后弯曲角度和弯曲半径复原现象,它是由材料的内应力使变形分布不均匀而产生的。 (1)表示进行V形弯曲加工后的回弹。 (2)表示进行U形弯曲加工后,两侧的回弹。 (3)表示有大曲面的弯曲制品的回弹。 (4)表示虽然是U形弯曲,但中间部分没有侧壁,其回弹表现为侧壁不垂直。 (5)表示弯曲半径大,然而垂直壁小,回弹表现为不能弯曲到所需形状。,38,压弯极限,V形薄板压弯的成形极限是弯曲段外层开裂,工程上通常用最小相对弯曲半径Rmin/t作为指数;厚板(t10mm)的弯曲极限可能出现细颈。,A断面收缩率,两个因素 (1)弯曲角:变形分散效应随着角度的增加而减小。 (2)板宽:随着板宽增加,外纤维能承受的最大延伸率将减小。,39,弯曲裂纹多发生在弯曲半径和弯曲角度要求过于严格的情况下。弯曲宽度较小的产品,裂纹在宽度的两端;弯曲宽度较大时,裂纹沿着弯曲线,在弯曲宽度的中部附近发生。,40,压弯成形的设备,压弯机是一种通用的压弯设备,飞机工厂常用压弯机的压力为 0.42 .5MN ,工件长度 35m。为了压弯成形整体壁板零件,国外还装备了压力达1820MN 、工件长达 16m的大型压弯机。 压弯机在钣金设备中,是较早实现NC和NC控制的。为适应多品种零件的生产,它已发展为柔性制造单元,与龙门剪组合实现了柔性制造系统。,41,4.3.2 型材零件弯曲的特点,在飞机生产中,最常见的型材弯曲有内弯和外弯两种:内弯即弯曲时型材的底边在内,为压缩变形;外弯则底边在外,为拉伸变形。当然,还有其它型式的弯曲。,42,4.3.2 型材零件弯曲的特点,型材的剖面形状比较复杂,弯曲成形时往往伴随型材的翘曲、扭转和剖面的畸变,大大增加了弯曲成形的困难。如果弯曲成形时注意到这些特点,则可改善零件的成形质量。,43,(1)型材剖面上的合力作用点应通过型材剖面的形心(它是型材剖面内均布正应力的合力作用点)。否则,将产生一个额外弯矩,使弯曲零件产生纵向翘曲。因此,拉弯和拉校型材时,夹钳钳块的中心必须与型材的剖面形心重合。,44,(2)弯曲力的作用点应通过弯心(即型材剖面上剪应力的合力作用点),其方向也应与剖面内剪应力合力的方向相重合。否则,除弯曲外还产生扭转 ,并导致剖面畸变。具有两个对称轴线的剖面,弯心与形心相重合。因此,弯曲成形时常需将不对称剖面的两根型材组合为对称剖面进行弯曲 。,45,(3)弯曲作用面应与剖面惯性轴平面相重合。否则,弯曲中性层将不垂直于弯矩作用面,而偏向于最小惯性轴的一侧,致使弯曲的同时还产生扭转、挠曲和剖面畸变等。,46,限制型材畸变的方法,限制型材翘曲和畸变的最有效的工艺方法,是采用刚性垫块,尽量限制型材剖面的自由度,以及采用对称的型材剖面组合。垫块可以用铸锌、易熔合金、硬铝和塑料等材料制造然后用细钢丝绳或橡皮绳串联为柔性垫条。,47,弯曲型材零件的方法很多,有模压、滚弯、拉弯、绕弯和拉弯加侧压等方法,但最常用者为滚弯、拉弯和拉弯加侧压等三种方法。,滚弯,拉弯,拉弯加侧压,48,4.3.3 型材零件的滚弯成形,滚弯是历史悠久的弯曲工艺方法之一。最初用于制造各种圆筒和圆框等零件,以后进一步发展为制造变曲率的零件。就其变形方式来看,滚弯属于自由弯曲。在飞机制造中常用来制造机身、进气道隔框、加强缘条等骨架零件。,49,4.3.3 型材零件的滚弯成形,滚弯机床,50,在型材滚弯中常用四轴滚。而板料滚弯常 用对称三轴滚。,51,52,自动型材滚弯机床,53,型材滚弯机床,54,2、滚弯成形的极限,55,3、滚弯型材零件的质量,经滚弯成形的型材零件,质量问题较多,例如,回弹、扭翘、剖面畸变、边面不平和塌角等
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