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　　隨著飛機性能的不斷提高 ,對飛機結構的氣動性和整體性的要求也越來越高 ,而且隨著市場多元化的發展 ,進一步降低制造成本 ,使產品更加有競爭力 ,是許多飛機制造商面臨的主要問題。
作為飛機上最重要的一類零件 —
—整體壁板 ,它既是構成飛機氣動外形的重要組成部分 ,同時也是機翼、機身等的主要承力構件[1]。因此 ,先進飛機的整體壁板不僅具有復雜雙曲率外形 ,同時還具有復雜的內部結構 ,如整體加強凸臺、口框、肋及筋條等 ,以達到既滿足外形要求 ,同時又減少零件數量、減輕重量和提高使用壽命的目的。因此 ,以大型整體壁板結構為代表的大型整體結構件對民用飛機的結構效率、成本和周期具有非常重要的影響。大型整體結構
收稿日期 :2007208227 ;修訂日期 :2007211212通訊作者 :曾元松 E2mail : yszengnantes @yahoo. com
件已經成為現代先進民用飛機設計制造領域的一個重要標志 ,針對這種具有復雜外形和結構的整體壁板零件的成形技術就成為現代先進飛機的關鍵制造技術之一。
1　大型整體壁板結構的發展及特點
飛機的壁板通常是用蒙皮和縱向、橫向加強零件靠鉚接、膠接或點焊裝配而成 ,如圖 1 (a)所示。這種裝配式壁板的剛度、強度、密封性都較差 ,后來逐漸改用整體壁板代替裝配壁板 ,如圖 1 (b)所示 ,即壁板的蒙皮、加強凸臺、下陷、筋條等結構要素之間沒有任何機械連接。大型整體帶筋壁板主要用于飛機機翼和機身 ,以及地板和油箱等重要部位 ,與傳統的鉚接組合式壁板結構相比 ,大型整體帶筋壁板結構件具有如下優點[122] :
(1)由于減少所含零件及螺栓、鉚釘等緊固件的數量 ,從而降低機體部件的重量 ,具有明顯的

 

美國通過整體機身結構計劃 ( Integral Air2 frame Structures , IAS) ,以一段 B747機身壁板為對象 ,對機身整體帶筋壁板和鉚接壁板進行了對比 ,如圖 2所示。結果發現采用整體帶筋壁板后 ,零件數量從 129個減少到 7個 ,成本降低 25 %,裂紋擴展壽命提高 3倍 ,殘余強度提高 3 %[3]。

 

正是由于大型焊接整體壁板具有上述優點 ,因此 ,在現代先進民用飛機上獲得了廣泛的應用。圖 4所示為 A380機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 ,并提高了整體結構效率。 減重效果 ,可以減重 10 %～30 %。
(2)
可以大大減少裝配勞動量 ,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)
既提高部件強度和剛度 ,也提高氣動表面與外形的裝配質量。

(5)提高燃油艙段
—
油箱的密封可靠性 ,增加載油量。

對于民用飛機來說 ,為了提高市場競爭力 ,在滿足零件性能符合設計要求的前提下 ,低成本是另一個要追求的重要目標。常規的整體帶筋壁板板坯制造方法是采用厚板機加整體筋條壁板板坯 ,如圖 3 (a)所示。這種方法最大的缺點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 (如激光焊接、攪拌摩擦焊)的發展 ,出現了筋條與蒙皮焊接而成的整體壁板結構 ,如圖 3(b) ,這種焊接整體壁板與厚板機加整體壁板相比還具有如下特殊的優點 :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 ,為整體壁板結構設計優化提供了更大的空間 ,從而進一步提高零件結構效率。

 

圖 4　A380焊接機身整體壁板分布情況 Fig14　Applications of integral fuselage structures in A380
2　國外研究和應用情況
雖然大型整體壁板具有上述很多優點 ,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、蠕變時效成形和壓彎成形 ,由于民用飛機對長壽命的需求 ,壓彎成形一般不作為主要的成形手段 ,僅用于局部加強區域的輔助成形 ,因此 ,噴丸成形技術和蠕變時效成形技術是當前先進民用飛機整體壁板的主要成形技術。
21 1　噴丸成形技術
噴丸成形技術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生塑性變形而延伸 (如圖 5所示 ),從而逐步使板材發生向受噴面凸起的彎曲變形而達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
　　噴丸成形技術的優點主要有 :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性強 ;②由于噴丸成形后 ,沿零件厚度方向在上、下兩個表面均形成殘余壓應力 ,因此在零件成形的同時 ,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雜雙曲率零件。
自 20世紀 40年代初期 ,美國 Lockheed航空公司的工程師 Jim Boerger ,從噴丸強化 Almen試片產生變形這一特點受到啟發 ,從而開創了這一對現代飛機制造產生重大影響的先進成形技術[6]。在成功應用于 Constellation (星座號 )飛機壁板零件的生產之中以后 ,噴丸成形技術已經被廣泛應用于 EM120, A10, A6, EA6, S3A, P3, C5, C130, C141, F15, F5E, B1等軍用飛機及 A3102A340 , 7072777 , REGIONAL J ET , DASH 7 ,DASH 8 ,L1011 ,MD11 ,MD80 ,MD90 ,MD95 , DC10 ,A TR72 ,Do1 228 ,Do1 328等民用飛機以及運載火箭 ARIAN E24, 5和 ATLAS II上的整體壁板零件制造中 [7]。
對于機翼整體帶筋壁板 ,由于筋條也參與變形 ,變形抗力大 ,因此需要采用預應力噴丸成形技術以提高噴丸變形能力。圖 6所示為加拿大 NMF公司采用預應力噴丸技術為以色列 Galaxy飛機制造的機翼整體帶筋壁板 [8]。預應力噴丸成 形技術的應用避免了采用機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公司采用自動化噴丸成形技術實現了對 A380激光焊接機身整體壁板的噴丸成形和校形 ,如圖 7所示 ,整個過程完全自動化完成 ,不需任何人工校形就可使壁板的外形精度滿足設計要求 [9]。

圖 7　A380機身整體壁板的自動噴丸成形 Fig17　Automated shot peening of fuselage panel of A380
另外 ,法國的 SONA TS公司開發了超聲噴丸技術和設備 ,與傳統噴丸技術相比 ,由于可以產生更大和更深的殘余壓應力層 ,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身壁板進行噴丸校形的情況 [ 10 ]。
　
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