第3章 飞机结构件制造工艺

飞行器制造技术基础 第3章

飞行器制造技术基础

第3章 飞机结构件制造工艺徐 岩

南京航空航天大学 航空宇航制造工程系

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飞行器制造技术基础 第3章

本章内容3.1 概述 3.2 飞机整体结构主要工艺特点 3.3 整体壁板的制造 3.4 框、肋、梁类整体零件的制造 3.5 大型骨架类零件的制造 3.6 挤压型材和桁条零件的机械加工 3.7 数控加工技术

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3.1 概述飞机整体结构件是构成飞机机体骨架和气动外形的重要组 成部分，它们品种繁多、形状复杂、材料各异。为了减轻 重量，进行等强度设计，往往在结构件上形成各种复杂型 腔。与一般机械零件相比，加工难度大，制造水平要求高。 例如壁板、梁、框、座舱盖骨架等结构件由构成飞机气动 外形的流线型曲面、各种异形切面、结合槽口、交点孔组 合成复杂的实体。 结构件加工不但形位精度要求高，而且有严格的重量控制 和使用寿命要求。由于现代飞机性能的不断提高，整体结 构件成为广泛采用的主要承力构件。

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3.1 概述过去飞机机体主要部分都由钣金零件装配而成，而后来随 着飞机性能的不断提高，整体结构(integral structure) 日益增多。由于整体框、梁、肋的出现及整体壁板结构的 广泛应用，机械加工零件的类型和品种日益增加，在某些 类型飞机的生产中，机械加工零件所占劳动量比重已超过 钣金成形零件，而且飞机工厂设备和厂房布局也由此相应 有所改变。例如协和号超音速客机的整体结构件占机身重 量的65% 整体结构件主要有： 蒙皮件 + 骨架件 ==〉整体壁板 骨架件 + 骨架件 ==〉整体梁、框、肋等

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3.1 概述飞机制造业之所以为什么大量采用整体结构件，主要是由 于整体结构件与旧式铆接结构相比有如下优点： (1)气动性能方面：外形准确，对称性好； (2)强度方面：刚性好，比强度高，可减轻重量(约

15%~20%),气密性好；(3)工艺和经济效益方面：大大减少零件和连接件数量， 装配后变形小，可使部件成本降低50%左右。

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3.1 概述飞机整体结构件的主要类型有： (1)整体壁板 (2)整体梁类零件。 (3)整体框、肋类零件

(4)整体骨架类、接头类零件(5)挤压型材和变截面桁条类零件

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格鲁门公司的F—14 战斗机采用

的整体壁板是用钛合金 制造的，它 的蒙皮壁板 与变后掠用 的转轴接耳 构成一体 。

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轰六整体壁板在飞机上的位置

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ARJ21飞机机翼下中壁板零件ARJ21飞机机翼下中壁板零件。壁板由21个口框 、口框加强区、肋加强 区、长桁加强区、双向削斜变厚度蒙皮等构成，各加强区形成纵横交错的 网状结构，加强区厚度和口框面积占整个壁板面积的46%,壁板最厚处达 11.8mm,而最薄处仅2mm。

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整体梁

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整

体框

飞机上典型整体框

幻影F1机身框

幻影F1机身框，整体框是由尺寸为1.8×2m,厚80mm的 轧制板坯整体切削加工出来的，框与加强条构成一个整体， 加工后的成品重量只有毛板坯重量的10%。这种大型整体 框若采用旧式钣金结构，则所用零件约为1000件(包括连 接件),所需铆接工时为100~150h

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JSF整体框的位置

JSF整体框

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其它整体骨架件

天窗、座舱骨架 双曲线外形，骨架结构大部分为变截面、变角度的扭曲框架和接头

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3.2 飞机整体结构件主要工艺特点① 飞机整体结构件的外形多数与飞机外形有关，有复杂的 装配协调关系，精度要求较高。 对薄蒙皮和铆接骨架的分散式结构：薄蒙皮刚性很差，蒙皮和贴合的骨架的配合允许有较大容差， 如歼击机为±0.25mm,在装配应力不是很大的情况下，可 以装配出合格的产品

对骨架和蒙皮均为大厚度的整体结构：若蒙皮和贴合的骨架有较大的装配间隙，就会发生很大的装 配应力，从而产生应力腐蚀，甚至会导致飞机强度和寿命的 降低。如在组装时加相应尺寸的调整垫片作为补偿，装配工 时增多，周期延长，加垫过多也会影响结构强度和飞机寿命。

因此，整体结构件精度要求较高

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3.2 飞机整体结构件主要工艺特点② 多数整体结构件尺寸大，形状复杂，加工技术难度大。 其中梁类整体件还有纵向刚性较差的特点。尺寸大：大型的整体壁板有的长达30m左右 ，毛坯重3~4 t, 大型机身整体框约6×3m,毛坯重约2t,小型机身框约2×2m, 毛坯重1t,必须配置大型机加机床和相应的装卸、搬运等设备。 形状复杂：整体结构件多数为板块状，其轮廓外形部位一般均 与飞机机体复杂的外形有关，如梁、框、肋等平面零件周边外 形角度变化较大，具有空间立体形状的骨架零件的外形一般为 复杂立体曲面。内部结构多为纵横交错的筋条。因此，加工的 开敞性差，工作量大，加工技术难度大 一个中等复杂的整体结构件的加工工序约需要100道以上，按40 架一批，每批的制造工时达10万小时，制造周期需10~12个月。

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整体壁板 壁板的外形尺寸大，壁板变厚度、非 等截面，成型后底面壁薄、筋条高、结构 网络化，加工完成后材料去除率大，易发 生变形。

梁、框、肋零件的腹板、筋和外形缘条最小厚度仅有1~2mm,不易装夹，铣 切加工时，零件易振动，如是锻件毛坯，加工后变形量大，若加工的工步和 切削参数选用不当，板面的翘曲可达几十mm。 天窗、座舱骨架 天窗、座舱骨架为全数控加工的双曲线 外形，骨架结构大部分为变截面、变角度 的扭曲框架和接头。从零件结构上分析， 属于多曲面、变斜

面、薄壁类零件，加工 后极易发生变形。用传统加工手段根本无 法加工成型，只有采用五坐标高速数控加 工技术才能完成。

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3.2 飞机整体结构件主要工艺特点③ 整体结构件的材料大部分采用航空用的铝合金，高强度 合金钢、钛合金和复合材料 。 铝合金整体结构件的毛坯有模锻和预拉伸厚板材两种。 平面类整体壁板、框、肋、梁的铝合金零件大部分采用 预拉伸的厚板材，在板材厚度允许的情况下，尽量不采 用模锻毛坯。其主要原因是：模锻毛坯需要较高的模具费用 模锻毛坯成形过程中残留的内应力大，工序和工时都 增多，周期也延长 模锻毛坯，经切削加工后与预拉伸板材切削加工后的 强度性能相比提高并不显著

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