大型飞机起落架制造技术

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1、新 视 点 NEW VIEWPOINT 68航空制造技术2008 年第21 期 大型飞机起落架制造技术 飞机起落架作为飞机重要安全功能部件， 是用于飞 机起飞、 着陆、 地面滑行和停放的重要支持系统， 是飞机 的主要承力构件。它吸收和耗散飞机在着陆及滑行过程 中与地面形成的冲击能量， 保证飞机在地面运动过程中 的使用安全。起落架的技术水平和可靠度对于飞机整体 性能和使用安全具有重要影响。 中航飞机起落架有限责任公司 李 铭 飞机起落架作为飞机重要安全 功能部件， 是用于飞机起飞、 着陆、 地 面滑行和停放的重要支持系统， 是飞 机的主要承力构件。它吸收和耗散 飞机在着陆及滑行过程中与地面形 成

2、的冲击能量， 保证飞机在地面运动 过程中的使用安全。起落架的技术 水平和可靠度对于飞机整体性能和 使用安全具有重要影响。 起落架结构及工艺特点 为提高大型运输类飞机的道面 漂浮性， 其起落架结构多选用多轮多 支柱式结构布局。如伊尔 -76 飞机 起飞重量为190t， 其起落架系统为油 气缓冲式前三点布局， 包括一个前起 落架支柱和四个主起落架支柱。其 中主起落架高约 3100mm， 为支柱式 单腔缓冲器结构， 每个支柱有 4 个制 动机轮并列排列， 起落架收起时机轮 连同缓冲器旋转 90 , 以使整组机 轮收到圆形机身内。前起落架高约 2300mm， 为半摇臂式双腔缓冲器结 构， 有 4 个并

3、列的辅助制动机轮， 当 起落架向前收起时机轮能轻微制动。 起飞重量达 350t 的波音 747 飞 机起落架包括一个双轮支柱式前起 落架和 4 个四轮小车式主起落架， 其 中主起落架分别由 2 个机翼主起落 架和 4 个机身主起落架组成。前、 主 起落架高度均超过 2m。 在结构和材料选择方面， 大型飞 机起落架主要结构件选材有钛合金 及超高强度钢锻件， 材料一般选真空 冶炼工艺。超高强度钢材料有 4340 钢、 300M 钢 及 30CrMnSiNi2A 等， 钛 合 金 选 材 有 Ti6Al6V2Sn、 BT22 等。300M 钢作为一种成熟的超高强 度钢材料， 在现代飞机起落架上获得

4、了广泛应用， 国际、 国内的各种军用、 民用飞机都有选用。另外， 钛合金具 有比强度高、 耐蚀性好的显著特征， 在起落架上也有越来越多的应用。 对伊尔 -76 飞机起落架来说， 其钛 合金用量较大， 并且在大型主承力结 构件上都有使用。如前、 主起横梁即 为钛合金大型构件， 其中主起横梁尺 寸更达 1600900380mm， 主起外 筒结构尺寸也达2701600mm。 总体说来， 大型运输类飞机起落 架具有以下工艺特点： （1） 结构布局复杂， 零件尺寸超 大。 飞机起飞重量增大、 机体尺寸加 大必然导致起落架结构尺寸相应加 大。如伊尔 -76 起落架主要结构件 尺寸普遍比中型运输飞机起落架零

5、 李 铭 研究院级高级工程师。1992 年毕 业于西北工业大学， 从事飞机起落架制 造工程及技术管理工作。曾获部级成 果三等奖。 Manufacturing Technology for Large Aircraft Undercarriage NEW VIEWPOINT 新 视 点 2008 年第21 期航空制造技术69 件大 2 3 倍。这类结构件在制造 时需采用大型起落架专用机加设备， 对于热处理、 焊接、 表面处理等特种 工艺也需大型设备来保障。 （2）起落架长寿命要求促使新 材料、 新工艺广泛应用。 起落架结构与机体同寿是现代 大型军民用机的普遍要求， 其寿命一 般要求达到 3 万

6、6 万起落。因此， 国外民机起落架选材主要应用 300M 钢、 4340 钢、 高强钛合金及铝合金等 高性能材料， 在工艺技术方面广泛采 用先进的表面强化、 表面防护等新工 艺技术。如波音 757 型飞机起落架 上就应用高速火焰喷涂钨钴合金， 空 客 A320/A340 起 落 架 轮 轴 （300M 钢）的非配合表面采用了金属陶瓷 防腐涂层等高性能防腐技术。 (3) 钛合金、 超高强度钢等先进 材料加工难度大。 现代飞机起落架主要结构件材 料选择以超高强度钢、 钛合金为主。 这类材料对加工工艺均有严格要求， 以避免制造过程中引起零件表面烧 伤、 污染和氢脆、 镉脆等问题， 并提高 构件表面完

7、整性， 保证起落架使用安 全及寿命。 （4）主承力构件采用焊接结构 或整体结构。 俄罗斯在飞机起落 架结构件的制造方面广 泛采用焊接结构， 从伊 尔 -76 飞机起落架零 件来看， 前、 主起横梁、 支柱外筒、 活塞杆等主 要承力构件均采用焊接 结构。由此带来的优点 是零件工艺性较好、 制 造成本相对较低； 不利 的方面是起落架寿命相 对较短， 很难与飞机同 寿。与之相反， 美欧生 产的飞机起落架结构件 均采用整体锻件加工成 形， 虽然在制造工艺性 及成本等方面不佳， 但 产品寿命却较长， 能够 实现与飞机同寿。根据 当前发展趋势来看， 起 落架零件焊接结构的应 用仅仅是选择之一， 整 体结构

8、件才是发展的主 要方向。 起落架主要制造技术综述 1 起落架超高强度钢零件制造 300M 钢 是 一 种 成 熟 的 航 空 结构钢材料， 现代飞机起落架的 主要承力构件起落架外筒、 活塞 杆、 轮 轴 等 大 都 是 选 用 300M 钢。 300M 钢热处理强化后， 抗拉强度达 1960 2100MPa（HRC52 56） ， 比 30CrMnSiNi2A 的抗拉强度高出 22.4%， 但 300M 钢对应力集中和应 力腐蚀比较敏感， 因此对制造工艺有 较高要求。 300M 钢起落架零件加工技术 虽然已较为成熟， 但针对大型飞机起 落架零件规格超大的实际情况， 还涉 及一些关键技术的应用，

9、 包括： （1） 外筒、 活塞杆等大规格锻件 锻造技术。 主要需优化 300M 钢大型锻件 锻造过程中的制坯、 锻造工艺， 锻件 理化性能检测、 锻件超声波探伤等技 术， 满足大型飞机长寿命、 高可靠性 能的锻件要求。 （2）超大型起落架零件高效数 控加工技术。 一方面， 300M 钢锻件毛坯所有 表面均要进行大余量数控 “扒皮” 加 工， 内孔型腔材料去除量巨大； 另一 方面， 作为 300M 钢构件都是起落架 上的重要受力构件， 零件外形结构相 当复杂， 材料去除率高。因此， 对于 大飞机起落架超大型零件的切削加 工， 其工作量就尤显突出， 提高数控 加工效率十分必要。 （3）大型零件真空

10、热处理及变 形控制技术。 热处理是起落架零件加工过程 必不可少的强化手段。对起落架大 型主承力构件热处理强化效果、 增脱 碳控制、 变形控制等方面尤需关注。 （4）低氢脆电镀及新型高性能 表面防护工艺等。 目前， 300M 钢等超高强度钢起 落架零件对于非配合表面广泛采用 的表面处理方式为镀镉或镀镉钛； 对有相对运动的配合表面一般采用 电镀硬铬层进行防护。这些电镀工 艺过程控制非常重要， 尤其是氢脆性 控制。 2 钛合金零件的制造 伊尔 -76 飞机起落架大量采用 钛合金零件， 钛合金使用量约占全机 机加零件重量的 7.6%。考虑到钛合 金所具有高比强度、 低应力敏感和耐 腐蚀等特性， 作为飞

11、机起落架结构选 材的应用趋势， 钛合金的使用量将会 更加广泛。因此， 钛合金零件制造技 术是大型飞机起落架研制生产的重 正在总装的主起落架支柱 新 视 点 NEW VIEWPOINT 70航空制造技术2008 年第21 期 点技术之一。 钛合金加工的主要问题是加工 所用刀具的耐用度低， 这是由钛合金 特有的性质所决定的。钛合金材料 具有化学活性大、 热敏感性强、 弹性 模量小等特点， 在机械加工领域一直 属于难加工材料之一。具体表现在： 钛合金的导热性非常差， 切削 时被切屑带走和工件扩散传导的热 量小， 切削区温度高， 致使被加工零 件易变形。 钛合金塑性小， 因而显著地影 响其切削时的变形

12、， 切屑与前刀面接 触长度短、 刀尖压力高， 刀具磨损严 重， 容易造成崩刃。 钛合金弹性模量小， 其锻造、 切 削加工时材料回弹大， 一方面影响材 料成型性能及多次成型后材料金相 组织， 另一方面也会影响加工时刀具 与已加工表面的磨损， 降低刀具耐用 度。 钛合金的化学活性高， 其机械 加工、 热表处理过程又是一个高温高 压的运动过程， 钛易与空气中的氢、 氧、 氮等发生化学反应， 使已加工表 面产生一些不利的物理、 化学变化， 加工过程需要采取一定的保护措施； 另一方面， 常温下钛合金材料在空气 中极易形成保护膜， 对其进行表面处 理时也较为困难。 钛合金的比强度较高， 特别是 热强性好，

13、 这一方面影响了锻造成 型性能， 同时加工过程切削力也会变 大， 造成刀具磨损加快。 总体来说， 钛合金的切削加工 性介于不锈钢和高温合金之间， 其 中 型钛合金的切削加工性最差， + 型的钛合金较好， 型最好。 因此， 在钛合金切削过程中提高刀具 材料的耐热性和抗粘结性能， 控制切 削温度， 加强系统刚性， 以提高刀具 耐用度是钛合金加工关键所在。 另外钛合金的磨削， 特别是针对 深长孔薄壁筒形件的磨削加工也是 钛合金加工的关键工艺。在磨削加 工过程中， 改善加工条件， 合理选择 砂轮， 优化余量分配， 控制工件变形， 减小残余应力， 避免表面烧伤是其加 工过程的关键点。 目前国内对钛合金构

14、件在起落 架上的应用尚处于初期阶段， 大面积 的应用实践积累还不多， 技术储备还 不够充分， 需关注一些关键工艺技 术， 包括： （1）大规格钛合金荒坯制备及 零件整体模锻工艺； （2） 热处理工艺； （3）切削加工表面烧伤检查及 控制技术； （4） 表面强化工艺等。 3 起落架零件深孔加工 深孔加工技术是起落架制造的 关键及难点所在。飞机起落架前、 主 起活塞杆、 外筒、 轮轴等零件均属细 长筒形件， 材料大多为超高强度钢和 钛合金， 均为难切削加工材料。切削 加工过程中刀具磨损相当严重， 尤其 是针对深长孔零件采用普通车削加 工方法加工时， 刀杆刚性不足和刀具 耐用度过低的固有缺陷很难满足

15、零 件加工要求， 尺寸精度、 表面粗糙度 （特别是过渡圆角和转接 R 处） 不易 得到保证。国际专业的起落架制造 厂在加工这类零件时， 除在结构设计 时尽量考虑工艺性外， 在工艺装备上 普遍采用起落架专用数控加工设备， 并配合结构先进、 刚性较好的深孔刀 300M钢结构件主要加工工艺流程 毛 坯超声波检查粗加工去应力回火 热处理无损检测表面打磨半精加工 精 加 工酸蚀检查无损检测表面强化 表面处理无损检测喷 漆 成 检油 封 组件装配及加工 A400M运输机的主起落架系统 NEW VIEWPOINT 新 视 点 2008 年第21 期航空制造技术71 杆来满足加工要求。 起落架制造关键技术及展

16、望 1 建立起落架专用工艺标准体系 由于起落架在保证飞机产品性 能和使用安全性方面担负着极重要 的角色， 其发展受到世界各国的重 视。美国联邦航空管理局 （FAA） 、 英国民用航空局 （CAA） 、 国际民航 组织 （ICAO）等组织都颁布和出版 了大量的起落架研制标准、 设计手册 和设计规范。此外世界各起落架专 业制造公司都有自己的专用设计手 册和制造规范。 国内在起落架制造标准方面， 不 同机型采标各不相同， 且通过适航认 可的很少。这反映出国内在专业制 造工艺标准体系上的缺陷和不完善， 因此尽快建立满足我国现代飞机起 落架技术要求的制造工艺标准体系 已迫在眉睫。 因此， 结合军民用起落架发展要 求， 围绕起落架工艺体系的建立和完 善， 开展有关机械加工、 无损检测及 热表处理等特种工艺技术的工艺研 究、 适航申请等工作， 逐步建立起完 整的起落架工艺标准体系， 将为大型 飞机高品质起落架研制生产提供有 力的技术支持。 2 实现关键加工技术新突破 (1) 起落架大型构件 （缓冲器外 筒和活塞杆） 深孔型腔加工技