第4章-飞机钣金零件制造

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（sheetmetalforming）：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3～5万项钣金零件。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3～5万项钣金零件，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74.1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84.1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104.2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。114.2.1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2～20mm，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：１）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。２）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。３）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1％～5％。18——剪切时作用在板料上的力19——剪切力计算2000.651.3PFtgF—板料和剪刃接触时的受剪面积τ0—材料的抗剪应力，对于大多数材料τ0＝（0.6~0.75)δbδ—板料厚度Φ—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LtP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。tgthPn5.0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形式适用范围平口剪各类直线零件直圆盘剪条料或圆形料斜滚剪各种曲线形毛料多盘剪同时剪切几种条料；修正条料宽度244.2.2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．252627组合样板284.2.2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。29304.2.3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324.3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33344.3.1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。35１）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。36V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（t≥10mm）的弯曲极限可能出现细颈。150/minAtRA－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0.4～2.5MN，工件长度3～5m。为了压弯成形整体壁板零件，国外还装备了压力达18～20MN、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。414.3.2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。424.3.2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484.3.3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。494.3.3型材零件的滚弯成形型材滚弯机卧式的立式的六轮滚弯机四轮滚弯机滚弯等曲率型材滚弯机滚弯变曲率型材滚弯机滚弯机床50在型材滚弯中常用四轴滚。而板料滚弯常用对称三轴滚。5152自动型材滚弯机床53型材滚弯机床542、滚弯成形的极限(/,/)fRHtH1(/,/)crfRHtH出现颈缩的延伸率R-零件的弯曲半径H、t-型材弯曲平面内缘条的宽度和厚度起皱的临界应力553、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，此外，型材两端的直线段还需用其它补充方法进行弯曲。１）扭翘扭翘是滚轮作用力未能通过形心引起的。56573、滚弯型材零件的质量2）夹角改变与边面不平也是滚轮作用力未能通过形心引起的。583、滚弯型材零件的质量3）塌角滚弯曲率半径较小的挤压型材时，型材的底边受有较大的摩擦力，阻止