国内航空钣金装备技术现状与发展

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1、国内航空钣金装备技术现状与发展国内航空钣金装备技术现状与发展 航空钣金装备技术是一项重要的国防关 键技术，是航空制造技术升级的重要基础，对 于促进航空产品的升级换代，提高产品性能，缩短研制周期具有重要支撑作用。国内航空钣 金装备技术经过几十年的发 展，其设计与制造水平有了长足的进步，形成了一套完整的体 系， 为航空工业关键零部件的生产提供了重要支撑， 但我国航空钣金装备在设计与制造方面 仍与国外有 较大差距，还不能完全满足航空工业发展的需求。 航空钣金零件的显著特点是大型化、 集成化和轻量化， 主要包括板类零件和回转类零件， 板类零件主 要是蒙皮、壁板以及一些多层结构，用来达到保证飞机的气动性

2、能和降低重量 的目的；回转类零件主要是发动机机匣、导管等。航空钣金结构零件对于提高飞机和发 动 机性能发挥了重要的作用， 其制造技术强烈依赖于航空钣金装备的研发水平， 航空钣金装备 为钣金成形技术的实现提供了平台，同时，航空钣金新工艺、新技术也 促进了装备的发展。 航空钣金装备服务于钣金成形技术的要求， 航空钣金零件的特点也决定了其装备具有大型化 和专用化特点，航空钣金装备主要有蒙皮拉 形设备、喷丸成形设备、超塑成形设备、热蠕 变成形设备、旋压成形设备以及管件成形与连接设备等。随着航空技术的发展，现代飞机对 可靠性、效费比、服役性能 等提出了更高的要求。一方面，钣金结构件的整体化和复杂化 趋势

3、越来越明显，新结构不断涌现；另一方面，新材料的应用也呈增加的趋势，这不仅给钣 金成形技术 本身提出了新课题，而且也为航空钣金装备的发展提供了源动力。航空钣金成 形装备在新材料与新工艺研究、新结构与新机研制过程中发挥着越来越重要的作用。 航空钣金装备技术的发展航空钣金装备技术的发展 1 蒙皮拉形设备 蒙皮拉形设备是飞机蒙皮成形的关键设备，按其作用原理可分为台动式拉形机和台钳 双动式拉形机两类。 台动式拉形机用于横向拉形， 台钳双动式拉形机则主要用 于纵向拉形。 蒙皮加工的成形力主要由拉形机钳口的运动产生， 同时还涉及模具的垂直运动， 相对于其他 冲压工艺来讲，拉形参数及运动方式更为复杂。我国航空

4、工 业传统的蒙皮拉形机多是 20 世纪五六十年代从原苏联引进或自行设计制造的。前苏联的 PO-250 型蒙皮纵拉成形机可以 成形单、双和变曲度蒙皮件，最大拉力 2700kN，加工板材尺寸为 8000mm2200mm6mm。 这些设备控制方式一般为手动，存在着自动化程度低、控制精度差、生产效率低以及操作人 员工作强度大等问题， 蒙皮零件的成形质量不仅受各种工艺条件因素的影响， 与操作人员的 技术水平和熟练程度关系也很大，因而零件的一致性、重复性差，质量难 于保证。 20 世纪 80 年代中后期以来，我国陆续从法国阿尔斯通ACB、美国 RYRIL-BATH 公司 引进了一些蒙皮拉形机，如 FET6

5、00T、 FET1200T、FEL2350T、VTL1000 等。从法国引进的 FET-1200 蒙皮拉形机的最大拉力为 12000kN，采用计算机数控技术和电 液伺服技术实现自 动控制。国外的拉形机性能稳定可靠，操作方便，液压系统稳定，故障少， 且专业化程度高， 呈系列化，并具有良好的人机界面，可以对台面和夹 钳的运动进行连续控制，可以成形复 杂蒙皮零件，为提高蒙皮制造水平和改善蒙皮质量创造了良好的硬件环境。 北京航空制造 工程研究所在六七十年代先后研制了 ML-1、 ML-2 系列的蒙皮拉形机， 装 备于一些航空主机厂并应用于飞机蒙皮的研制与生产。随着国内设计、制造和控制水 平的 提高，一

6、些研究院所和高校一方面自行设计制造蒙皮拉形机，以满足实际生产的需要；另一 方面，针对传统蒙皮拉形机进行了数控改造，以期在生产中发挥更大 的作用。北京航空航 天大学在拉形机的结构设计、 运动仿真和系统控制方面开展了大量的研发工作， 研制了国内 首台数控蒙皮拉形试验机，最大拉形力为 1000kN，拉形零件毛坯最大尺寸 1600mm800mm， 蒙皮拉形过程中实现了拉伸油缸和上顶油缸的位移和速度精确控制， 系统采用电液伺服阀控 制， 并且通过光栅返回油缸的运动位移，通过拉线式编码器测量夹钳的摆动和俯仰角度， 应用力传感器测量拉伸力和上顶力的大小，系统通过对电液伺服阀、电气系统和 液压系统 的控制驱动

7、试验机各油缸运动， 同时将采集到的位移和力的数据传送给上位机， 构成一个闭 环控制系统， 实现对数控蒙皮拉形试验机的位移控制和力控制。 针对国产的 ML-2 蒙皮拉形 机，华中科技大学采用可编程序控制器和示教/再现技术对传统蒙皮拉形机实现了数字化控 制。 2 喷丸成形设备 喷丸成形设备是成形飞机大型整体壁板的专用装备， 按照弹丸的加速方式可分为喷丸和 抛丸两种，前者利用压缩空气加速弹丸，后者则利用电、气、液等驱动的叶轮系统离心力加 速弹丸。喷丸设备和抛丸设备的特点见表 1。 由于抛丸技术在加工飞机整体壁板时的有效性，在某些场合甚至是唯一有效的方法， 欧美等国先后研制了专用的抛丸成形设备，用于壁

8、板的成形加工。第一批抛丸 成形设备是 在喷丸强化设备基础上稍加改造而成的， 随着各国研究人员对喷丸成形技术的认识， 为了挖 掘其工艺和设备潜力，对喷丸设备的弹丸加速系统、弹丸循环 系统、喷头或工件位移机械 化和喷嘴结构等方面进行了大量改进，并实现了 NC 或 CNC 控制。国内只有北京航空制造工 程研究所自行研制 SPW-1、JKQ- 001、SPW-2、SPW3 等型号的喷丸设备，见表 2。目前国 内应用的喷丸成形设备仍以国外引进为主。 3 超塑成形设备 超塑成形（SPF）及超塑成形/扩散连接（SPF/DB）是一种低成本、高效益、近无余量 的成形与连接技术，可以加工其他方法无法加工的多层空心

9、结构。 该技术已成为一种推动 现代航空航天结构设计概念发展和突破传统钣金成形方法的先进制造技术， 展示出巨大的技 术经济效益。超塑成形设备是实现 SPF 及 SPF/DB 技术的专用装备，可以通过改造通用压力 机的方法来制作，也可以制造专用的 SPF 设备。美、法、英都有专业的 SPF 设备制造公司， 法国的 ACB 是一家较大的钣金设备制造公司，为多家航空企业研制了多台专业 SPF 设备， 曾于 1994 年研制了一台 28000kN 的 SPF 设备，台面尺寸 2290mm5350mm。英国 CHESTER 公司生产的部分 SPF 设备见表 3，美国的 MURDOCK、WHITE 等公司也

10、生产了多台 SPF 设备。 国内主要通过改造通用压机用于SPF和SPF/DB的试验研究， 即在通用液压机的基础上， 自行设计制造加热系统、气源系统和控制系统。北京航空制造工程 研究所先后对 1000kN、 3000kN 和 5000kN 通用液压机进行了改造，并利用这些设备开展了大量的试验研究和生产。 本世纪初，随着国内设计和研究 人员对钛合金 SPF 和 SPF/DB 结构的深入认识，SPF/DB 结 构在航空领域的应用数量和水平不断提高， 现有的设备远远不能满足科研生产的需要， 各主 机 厂所先后从欧美等国引进了多台SPF专用设备。 SPF/DB专用设备在功能上可以实现气压、 背压管理和成

11、形控制的计算机管理，通过仪表显示和监控整个成形 过程，并采用电阻加热 平台。 国内航空钣金装备技术现状与发展(3) 2010-1-29 15:18:00 来源：航空制造网 阅读： 408 次 我要收藏 【字体：大 中 小】 4 热成形压机 热成形压机主要用于难变形板料的冲压拉伸成形。某些材料的室温塑性低，成形性能 差，难以在室温下成形，须加热到一定的温度以提高其塑性，获得较高的变形 能力，钛合 金、 高温合金等材料的成形就有这种要求。 具备这种能力的设备在原理上与室温冲压拉伸设 备有相似之处，但需要增加加热系统，其热成形机是双动液压 机和电炉的有机结合体。 热成形压机主要结构形式有蚌壳式（翻转

12、式）、C 型、框架式和四柱式几种，其中蚌壳 式结构现已很少采用，主要原因是由于 其温度损失大，难于保温。美国的 SHERIDAN-GRAY 公司分别于 1958 年和 1965 年研制了首台专用蚌壳式和 C 型热成形压机， 随后又生产了数台 蚌 壳式和 C 型结构压机分别安装于 DOUGLAS、NORTHROP 和 BOEING 公司。此外，美国的 MURDOCK、瑞典的 ASEA 和法国 ACB 等公司先后 研制了 C 型和框架式热成形压机。我国热成 形压机的研制始于 70 年代初期，1970 年由北京航空制造工程研究所研制成功首台 C 型结构 RX-1 专用热成形压 机， 随后国内其他单位

13、也根据生产需要研制了一批热成形压机， 见表 4。 8090 年代期间，热成形压机的研制基本处于停滞状态。本世纪初，随着钛合金钣金结 构 应用数量和水平的提高， 国内先后从美国 MURDOCK 公司和法国的 ACB 公司引进多台热成形压 机，为提升国内钛合金钣金结构的制造水平发挥了积极作用。 5 旋压成形设备 20 世纪 60 年代初，为了解决某些产品的成形问题，部分军工部门（主要是航空航天 领域）开始应用旋压技术加工诸如飞机副油箱、发动机燃烧室等产品，开始 采用自制的非 常简单的旋压设备加工成形制品。基于这种现状，航空、航天、兵器和机械工业部门先后研 制了多台旋压设备，在一定程度上解决了某些关

14、键零件的加 工问题。北京航空制造工程研 究所是国内率先开展旋压设备研制的单位， 先后研制了 PX 系列普通旋压机床和 SY 系列强力 旋压机床，共计 30 余台。随后，北京有 色金属研究总院、北京航空航天大学、西安重型机 械研究所、青海重型机床厂、福建机械科学研究院、长春兵器五十五所、武汉重型机床厂等 单位也有各自的旋压设 备问世，大多为简单的机械或液压仿形机床，结构形式多为卧式双 旋轮，最大吨位为 600kN，可旋压最大零件直径 2400mm。由于受到国内当时制造业整体 水 平和设计水平的限制，这些设备普遍存在一些问题，表现为：可靠性差，机床故障多；液压 元器件质量不稳定，跑冒滴漏现象严重；

15、机床操作系统落后，致使旋压 工艺不连续，制品 质量低；设计与工艺人员欠缺充分交流与沟通，有些机床功能不够完善。 鉴于国内旋压设备存在的问题，20 世纪 70 年代末至今， 各部门陆续引进几十台国外 旋压机床，大多由西班牙、德国、美国、俄罗斯、意大利等国家制造，机床的性能稳定可靠， 操作方便，液压系统稳定，故障少，且专业 化程度高，呈系列化。同时，通过对引进机床 的使用、消化与吸收，加之国内制造业水平和控制水平的提高，旋压机的设计、制造以及性 能水平均有了大幅度提升。 近年来，北京航空制造工程研究所、长春设备工艺研究所和北 京航空航天大学现代技术研究所等单位在总结过去研制经验的基础上， 瞄准国际

16、水平， 运用先进的设计 方法与理念， 采用了 SIMENS840D 和 BOSCH 比例伺服阀控制系统、 伺服油缸驱动、 光栅位置反馈、滚动导轨导向和交流变频调速等先进技术，推出新一 代国产 CNC 强力旋压 机床， 实现了国产旋压机的升级换代， 其最大设备吨位为 600kN， 整机性能达到了国际水平。 航空钣金装备技术的现状航空钣金装备技术的现状 目前，国内航空钣金装备以引进设备为主、国内研制为辅。引进设备的性能稳定可靠， 操作方便，故障少，且专业化程度高，呈系列化，基本可以满足国内航空钣 金件的制造要 求。同时，随着国内设计方法和手段的进步以及整体制造水平和控制水平的提高，加之元器 件采购的国际化及其系统开放性，并通过对引进机床的使 用、消化与吸收，国内航空钣金 装备的设计、 制造以及性能水平均有了大幅度的提升， 具备了各种航空钣金装备的研发能力 和制造条件，具体体现在以下几个方面： （1）随着对钣金成形理论研究的深入以及有限元技术的发展，设计方法和手段的不断 完善， 可以实现对主要承载部件的精确建模和有限元分析， 使其结构布局以及结构的材