美國通過整體機(jī)身結(jié)構(gòu)計(jì)劃 ( Integral Air2 frame Structures , IAS) ,以一段 B747機(jī)身壁板為對象 ,對機(jī)身整體帶筋壁板和鉚接壁板進(jìn)行了對比 ,如圖 2所示。結(jié)果發(fā)現(xiàn)采用整體帶筋壁板后 ,零件數(shù)量從 129個(gè)減少到 7個(gè) ,成本降低 25 %,裂紋擴(kuò)展壽命提高 3倍 ,殘余強(qiáng)度提高 3 %[3]。
正是由于大型焊接整體壁板具有上述優(yōu)點(diǎn) ,因此 ,在現(xiàn)代先進(jìn)民用飛機(jī)上獲得了廣泛的應(yīng)用。圖 4所示為 A380機(jī)身下壁板全部采用了 6013和 6056鋁合金的焊接整體壁板 ,極大地降低了零件制造成本 ,并提高了整體結(jié)構(gòu)效率。 減重效果 ,可以減重 10 %～30 %。
(2)
可以大大減少裝配勞動(dòng)量 ,將裝配工序的周期和工作量縮減了 80 %～90 %。
(3)
大大減少所用材料 —
—板材、型材的種類以及型材成形的工作量。
(4)
既提高部件強(qiáng)度和剛度 ,也提高氣動(dòng)表面與外形的裝配質(zhì)量。
(5)提高燃油艙段
—
油箱的密封可靠性 ,增加載油量。
對于民用飛機(jī)來說 ,為了提高市場競爭力 ,在滿足零件性能符合設(shè)計(jì)要求的前提下 ,低成本是另一個(gè)要追求的重要目標(biāo)。常規(guī)的整體帶筋壁板板坯制造方法是采用厚板機(jī)加整體筋條壁板板坯 ,如圖 3 (a)所示。這種方法最大的缺點(diǎn)就在于材料利用率低 ,零件制造成本高。
近年來 ,隨著焊接技術(shù) (如激光焊接、攪拌摩擦焊)的發(fā)展 ,出現(xiàn)了筋條與蒙皮焊接而成的整體壁板結(jié)構(gòu) ,如圖 3(b) ,這種焊接整體壁板與厚板機(jī)加整體壁板相比還具有如下特殊的優(yōu)點(diǎn) :①材料利用率大大提高 ,零件制造成本大幅降低 ; ②桁條與蒙皮可以采用不同的合金材料 ,為整體壁板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了更大的空間 ,從而進(jìn)一步提高零件結(jié)構(gòu)效率。
圖 4 A380焊接機(jī)身整體壁板分布情況 Fig14 Applications of integral fuselage structures in A380
2 國外研究和應(yīng)用情況
雖然大型整體壁板具有上述很多優(yōu)點(diǎn) ,但是與鉚接壁板相比 ,由于筋條參與變形 ,其成形難度將成倍增加。目前 ,整體壁板的成形方法有噴丸成形、蠕變時(shí)效成形和壓彎成形 ,由于民用飛機(jī)對長壽命的需求 ,壓彎成形一般不作為主要的成形手段 ,僅用于局部加強(qiáng)區(qū)域的輔助成形 ,因此 ,噴丸成形技術(shù)和蠕變時(shí)效成形技術(shù)是當(dāng)前先進(jìn)民用飛機(jī)整體壁板的主要成形技術(shù)。
21 1 噴丸成形技術(shù)
噴丸成形技術(shù)是利用高速彈丸流撞擊金屬板材的表面 ,使受撞擊的表面及其下層金屬材料產(chǎn)生塑性變形而延伸 (如圖 5所示 ),從而逐步使板材發(fā)生向受噴面凸起的彎曲變形而達(dá)到所需外形的一種成形方法 [425]。
圖 5 噴丸成形原理圖 Fig1 5 Principle of shot peen forming
噴丸成形技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)主要有 :①工藝裝備簡單 ,不需要成形模具 ,因此零件制造成本低 ,對零件尺寸大小的適應(yīng)性強(qiáng) ;②由于噴丸成形后 ,沿零件厚度方向在上、下兩個(gè)表面均形成殘余壓應(yīng)力 ,因此在零件成形的同時(shí) ,還可以改善零件的抗疲勞性能 ;③既可以成形單曲率零件也可以成形復(fù)雜雙曲率零件。
自 20世紀(jì) 40年代初期 ,美國 Lockheed航空公司的工程師 Jim Boerger ,從噴丸強(qiáng)化 Almen試片產(chǎn)生變形這一特點(diǎn)受到啟發(fā) ,從而開創(chuàng)了這一對現(xiàn)代飛機(jī)制造產(chǎn)生重大影響的先進(jìn)成形技術(shù)[6]。在成功應(yīng)用于 Constellation (星座號(hào) )飛機(jī)壁板零件的生產(chǎn)之中以后 ,噴丸成形技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于 EM120, A10, A6, EA6, S3A, P3, C5, C130, C141, F15, F5E, B1等軍用飛機(jī)及 A3102A340 , 7072777 , REGIONAL J ET , DASH 7 ,DASH 8 ,L1011 ,MD11 ,MD80 ,MD90 ,MD95 , DC10 ,A TR72 ,Do1 228 ,Do1 328等民用飛機(jī)以及運(yùn)載火箭 ARIAN E24, 5和 ATLAS II上的整體壁板零件制造中 [7]。
對于機(jī)翼整體帶筋壁板 ,由于筋條也參與變形 ,變形抗力大 ,因此需要采用預(yù)應(yīng)力噴丸成形技術(shù)以提高噴丸變形能力。圖 6所示為加拿大 NMF公司采用預(yù)應(yīng)力噴丸技術(shù)為以色列 Galaxy飛機(jī)制造的機(jī)翼整體帶筋壁板 [8]。預(yù)應(yīng)力噴丸成 形技術(shù)的應(yīng)用避免了采用機(jī)械壓彎的方法成形該類零件所帶來的對疲勞壽命的不利影響。
前 , KSA公司采用自動(dòng)化噴丸成形技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對 A380激光焊接機(jī)身整體壁板的噴丸成形和校形 ,如圖 7所示 ,整個(gè)過程完全自動(dòng)化完成 ,不需任何人工校形就可使壁板的外形精度滿足設(shè)計(jì)要求 [9]。
圖 7 A380機(jī)身整體壁板的自動(dòng)噴丸成形 Fig17 Automated shot peening of fuselage panel of A380
另外 ,法國的 SONA TS公司開發(fā)了超聲噴丸技術(shù)和設(shè)備 ,與傳統(tǒng)噴丸技術(shù)相比 ,由于可以產(chǎn)生更大和更深的殘余壓應(yīng)力層 ,且操作方便 ,沒有污染 ,特別適合于對蒙皮較厚的焊接機(jī)身整體壁板的噴丸校形 ,如圖 8所示為空客公司采用超聲噴丸對焊接機(jī)身壁板進(jìn)行噴丸校形的情況 [ 10 ]。
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