大型整体壁板成形技术

２．１喷丸成形技术
喷丸成形技术是利用高速弹丸流撞击金属板 材的表面，使受撞击的表面及其下层金属材料产 生塑性变形而延伸（如图５所示），从而逐步使板 材发生向受喷面凸起的弯曲变形而达到所需外形 的一种成形方法Ｈ｛］。
图５喷丸成形原理图
Ｆｉｇ．５
万方数据
Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｓｈｏｔ ｐｅｅｎ ｆｏｒｍｉｎｇ
对于机翼整体带筋壁板，由于筋条也参与变 形，变形抗力大，因此需要采用预应力喷丸成形技 术以提高喷丸变形能力。图６所示为加拿大 ＮＭＦ公司采用预应力喷丸技术为以色列Ｇａｌａｘｙ 飞机制造的机翼整体带筋壁板［８］。预应力喷丸成
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第２９卷
翌苎杰竺璧要苎苎二要！銎篓要耋竺空法成形该
类零件所带来的对疲劳寿命的不利影响。
作为飞机上最重要的一类零件——整体壁 板，它既是构成飞机气动外形的重要组成部分，同 时也是机翼、机身等的主要承力构件ｎ］。因此， 先进飞机的整体壁板不仅具有复杂双曲率外 形，同时还具有复杂的内部结构，如整体加强凸 台、口框、肋及筋条等，以达到既满足外形要求， 同时又减少零件数量、减轻重量和提高使用寿 命的目的。因此，以大型整体壁板结构为代表 的大型整体结构件对民用飞机的结构效率、成 本和周期具有非常重要的影响。大型整体结构
收稿日期：２００７—０８—２７；修订Ｉ／ｔ期：２００７—１１－１２ 通讯作者：曾元松Ｅ—ｍａｉｌ：ｙｓｚｅｎｇｎａｎｔｅｓ＠ｙａｈｏｏ．ｃｏｒｎ
万方数据
件已经成为现代先进民用飞机设计制造领域的 一个重要标志，针对这种具有复杂外形和结构 的整体壁板零件的成形技术就成为现代先进飞 机的关键制造技术之一。
面与外形的装配质量。 （５）提高燃油舱段——油箱的密封可靠性，
增加载油量。
（ｂ）Ｂ７４７锣Ｐ接机身擘板结构
图２整体带筋壁板和铆接壁板的对比
Ｆｉｇ．２ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｉｎｔｅｇｒａｌ ｐａｎｅｌ ａｎｄ ｒｉｖｅｔｅｄ ｂｕｉｌｔ—ｕｐ ｏｎｅ
（ｂ）整体带筋壁板结构
Ｆｉｇ．１
图１壁板结构形式
喷丸成形技术的优点主要有：①工艺装备简 单，不需要成形模具，因此零件制造成本低，对零 件尺寸大小的适应性强；②由于喷丸成形后，沿零 件厚度方向在上、下两个表面均形成残余压应力， 因此在零件成形的同时，还可以改善零件的抗疲 劳性能；③既可以成形单曲率零件也可以成形复 杂双曲率零件。
自２０世纪４０年代初期，美国Ｌｏｃｋｈｅｅｄ航空 公司的工程师Ｊｉｍ Ｂｏｅｒｇｅｒ，从喷丸强化Ａｌｍｅｎ 试片产生变形这一特点受到启发，从而开创了这 一对现代飞机制造产生重大影响的先进成形技 术［６］。在成功应用于Ｃｏｎｓｔｅｌｌａｔｉｏｎ（星座号）飞机 壁板零件的生产之中以后，喷丸成形技术已经被 广泛应用于ＥＭｌ２０，Ａ１０，Ａ６，ＥＡ６，Ｓ３Ａ，Ｐ３， Ｃ５，Ｃ１３０，Ｃ１４１，Ｆ１５，Ｆ５Ｅ，Ｂ１等军用飞机及 Ａ３１０－Ａ３４０，７０７—７７７，ＲＥＧＩＯＮＡＬ ＪＥＴ，ＤＡＳＨ ７，ＤＡＳＨ ８。Ｌ１０１１，ＭＤｌｌ，ＭＤ８０，ＭＤ９０，ＭＤ９５， ＤＣｌ０，ＡＴＲ７２，Ｄｏ．２２８，Ｄｏ．３２８等民用飞机以及 运载火箭ＡＲＩＡＮＥ一４，５和ＡＴＬＡＳ ＩＩ上的整体 壁板零件制造中口］。
ｌａｒｇｅ ａｉｒｃｒａｆｔ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｉｎｔｅｇｒａｌ ｐａｎｅｌ；ｓｈｏｔ ｐｅｅｎ ｆｏｒｍｉｎｇ；ｃｒｅｅｐ ａｇｅ ｆｏｒｍｉｎｇ；ｌａｒｇｅ ａｉｒｃｒａｆｔ；ａｌｕｍｉｎｕｍ
随着飞机性能的不断提高，对飞机结构的气 动性和整体性的要求也越来越高，而且随着市 场多元化的发展，进一步降低制造成本，使产品 更加有竞争力，是许多飞机制造商面ｌ临的主要 问题。
（１）由于减少所含零件及螺栓、铆钉等紧固 件的数量，从而降低机体部件的重量，具有明显的
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减重效果，可以减重１０％～３０％。 （２）可以大大减少装配劳动量，将装配工序
的周期和工作量缩减了８０％～９０％。 （３）大大减少所用材料——板材、型材的种
类以及型材成形的工作量。 （４）既提高部件强度和刚度，也提高气动表
图６ Ｇａｌａｘｙ飞机机翼下壁板马鞍形折弯区
Ｆｉｇ·６ Ｄｉｈｅｄｒａｌ ｂｒｅａｋ ａｒｅａ ｏｆ Ｇａｌａｘｙ ａｉｒｃｒａｆｔ ｌｏｗｅｒ ｗｌｎｇ ｓｋｉｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ
在焊接整体壁板的成形技术方面，德国的 ＫＳＡ公司开发了自动喷丸成形技术，将数字化技 术应用于喷丸成形过程中，取得了巨大的成功。目 前，ＫＳＡ公司采用自动化喷丸成形技术实现了对 Ａ３８０激光焊接机身整体壁板的喷丸成形和校形， 如图７所示。整个过程完全自动化完成，不需任何 人工校形就可使壁板的外形精度满足设计要求［９］。
Ｚｅｎｇ Ｙｕａｎｓｏｎｇ，Ｈ ｕａｎｇ Ｘｉａ （Ｂｅｉｊｉｎｇ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００２４，Ｃｈｉｎａ）
摘 要：大型整体壁板是现代先进民用飞机的重要结构件，大型整体壁板成形技术是整机研制过程中所必须
（ｂ）焊接植体带筋壁板板坯
Ｆｉｇ．３
图３整体带筋壁板板坯制备方法 Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ｏｆ ｓｔｏｃｋ ｐｌａｔｅ ｏｆ ｉｎｔｅ—
ｇｒａｌ ｐａｎｅｌ ｗｉｔｈ ｓｔｒｉｎｇｅｒｓ
万方数据
（ａＪ经体带筋机身壁扳结构
正是由于大型焊接整体壁板具有上述优点， 因此，在现代先进民用飞机上获得了广泛的应用。 图４所示为Ａ３８０机身下壁板全部采用了６０１３ 和６０５６铝合金的焊接整体壁板，极大地降低了零 件制造成本，并提高了整体结构效率。
ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｆｏｒｍｓ ａｎｄ ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｔｅｇｒａｌ ｐａｎｅｌｓ ａｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｏｖｅｒｓｅａ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｔｅｎｄｅｎｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｈｏｔ ｐｅｅｎ ｆｏｒｍｉｎｇ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｒｅｅｐ ａｇｅ ｆｏｒｍｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｐａｎｅｌ ｗｉｔｈ ｉｎ— ｔｅｇｒａｌ ｓｔｒｉｎｇｅｒｓ ａｒｅ ｅｍｐｈａｔｉｃａｌｌｙ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｂａｓｉｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｏｆ ｆｏｒｍｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏ— ｇｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｔｅｇｒａｌ ｐａｎｅｌｓ ｉｎ Ｃｈｉｎａ ａｒｅ ａｌｓｏ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ，ｔｈｅ ｎｅｗｅｓｔ ａｃｈｉｅｖｅｍｅｎｔｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ＡＲＪ２１ ｒｅｇｉｏｎａｌ ｊｅｔ ｐｌａｎｅ ａｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｓｏｍｅ ｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｅｍｐｈａ— ｓｅｓ ａｒｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｆｏｒ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ａｓ ｑｕｉｃｋｌｙ ａＳ ｐｏｓｓｉｂｌｅ ｔｈｅ ｆｏｒｍｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｏｆ ｆｕｓｅｌａｇｅ ａｎｄ ｗｉｎｇ ｐａｎｅｌｓ ｏｆ
ｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｔｈｅ ｌａｒｇｅ ｉｎｔｅｇｒａｌ ｐａｎｅｌｓ ｉｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｗｈｉｃｈ ｍｕｓｔ ｂｅ ｓｏｌｖｅｄ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｄｅ—
ｖｅｌｏｐｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ａｎ ａｉｒｐｌａｎｅ．Ｓｔａｒｔｉｎｇ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｌａｒｇｅ ｉｎｔｅｇｒａｌ ｐａｎｅｌｓ，ｔｈｅ
关键词：整体壁板；喷丸成形；蠕变时效成形；大飞机；铝合金
中图分类号：ＴＧ３０６
文献标识码：Ａ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｌａｒｇｅ ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱｎｔｅｇｒａｌ ｐａｎｅｌｓ ａｒｅ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｐａｒｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｄｅｒｎ ａｄｖａｎｃｅｄ ｃｉｖｉｌ ａｉｒｐｌａｎｅｓ．Ｔｈｅ ｆｏｒｍ—
１ 大型整体壁板结构的发展及特点
飞机的壁板通常是用蒙皮和纵向、横向加强 零件靠铆接、胶接或点焊装配而成，如图１（ａ）所 示。这种装配式壁板的刚度、强度、密封性都较 差，后来逐渐改用整体壁板代替装配壁板，如图 １（ｂ）所示，即壁板的蒙皮、加强凸台、下陷、筋条 等结构要素之间没有任何机械连接。大型整体 带筋壁板主要用于飞机机翼和机身，以及地板 和油箱等重要部位，与传统的铆接组合式壁板 结构相比，大型整体带筋壁板结构件具有如下 优点‘１‘引：
２．２ 时 …效…成…形～技一术
时效成形技术或蠕变时效成形技术是在２０ 世纪５０年代初期为成形整体壁板零件而发展起 来的一项技术，即利用金属的蠕变特性，将成形与 时效同步进行的一种成形方法［１］。图９所示为时 效成形工艺示意图。其基本的成形过程是将机械 加工淬火后的金属零件坯料通过一定的加载方式 固定在具有一定外形型面的工装上使之产生一定 的弹性变形，然后将零件和工装一起放入加热炉 内，在零件材料的人工时效温度内保温一段时间， 材料在此过程中受到蠕变、应力松弛和时效机制 的作用，在保温结束并去掉工装的夹持后，所施加 到零件上的部分弹性变形将转变为永久塑性变形 并保持下来，从而使零件在完成时效强化的同时 获得所需外形［２’１１１。
３蝌３｜。
对于民用飞机来说，为了提高市场竞争力，在 满足零件性能符合设计要求的前提下，低成本是 另一个要追求的重要目标。常规的整体带筋壁板 板坯制造方法是采用厚板机加整体筋条壁板板 坯，如图３（ａ）所示。这种方法最大的缺点就在于 材料利用率低，零件制造成本高。
近年来，随着焊接技术（如激光焊接、搅拌摩 擦焊）的发展，出现了筋条与蒙皮焊接而成的整体 壁板结构，如图３（ｂ），这种焊接整体壁板与厚板 机加整体壁板相比还具有如下特殊的优点：①材 料利用率大大提高，零件制造成本大幅降低；② 桁条与蒙皮可以采用不同的合金材料，为整体壁 板结构设计优化提供了更大的空间，从而进一步 提高零件结构效率。