大型航空薄壁零件精确绿色制造技术研究
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第3 期 2015 年 3 月
组合机床与自动化加工技术 Modular Machine Tool ＆ Automatic Manufacturing Technique
文章编号： 1001 － 2265（ 2015） 03 － 0134 － 04
DOI： 10． 13462 / j． cnki． mmtamt． 2015． 03． 036
本文对飞机外形大型复杂薄壁壁板零件传统加工 工艺进行分析，论述了传统加工工艺的不足。对大型 复杂壁板类零件的精确制造和绿色制造技术进行了研 究，解决飞机大型空间壁板类零件的集成化加工技术 难题，并模拟和分析加工变形，形成新型制造工艺。
1 飞机外形薄壁壁板传统加工工艺分析
长期以来，飞机外形大型复杂壁板零件的加工工 艺流程复杂，无法在一次装夹状态下完成集铣面、铣下 陷、切通窗、切边及钻孔工艺于一体的加工。一般采用 的化铣加工存在化学污染、耗能较高、消耗铝材无法回 收等固有弊端，且需要配合真空吸附蒙皮龙门铣系统 解决蒙皮切边和钻孔工艺，需要复杂的装夹切换和加 工工艺的变换来完成零件的加工； 而单独采用数铣的 加工工艺需要订制昂贵的专用辅助工装，且无法一次 完成加工。复杂的工艺流程造成零件加工周期过长， 制约了飞机总体研制进度。 1． 1 飞机外形薄壁壁板化铣工艺分析
mail） x8375987@ 126． com。
2015 年 3 月
向兵飞，等： 大型航空薄壁零件精确绿色制造技术研究
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形的方法，将初始平板毛料拉型到满足目标零件曲率 半径的双曲度薄壁壁板零件［6］。零件在铣削过程中受 成形后的内部残余应力的影响，易发生变形，从而影响 零件的加工精度以及后续的装配质量［7］。
（ 2） 成形壁板采用型面工装真空吸附装夹工艺： 成形壁板采用型面工装真空吸附定位装夹，然后采用 大型龙门铣床完成壁板的壁厚铣薄加工。此种工艺存 在主要问题有： 每项壁板零件需要订制专用型面真空 吸附工装，设计制造周期厂，价格昂贵，不适合飞机外 形壁板小批量多品种的生产需求； 精确切边需要钳工 去除工艺余量，且不能进行钻孔加工和通窗加工，推广 应用受到限制。
图 3 精确绿色制造加工原理
飞机外形壁板精确绿色制造工艺流程如图 4 所 示 。 ［11-12］
图 4 精确绿色制造工艺流程
大型飞机外形壁板的加工工艺流程设计为一次装 夹状态下，在一台设备上完成壁板壁厚减薄、切边、切
通窗、钻孔加工，等效于化铣与切边、钻孔和开通窗相 结合的制造工艺，是数铣替代化铣的最新制造技术，满 足精确制造和绿色制造的要求。
（ 3） 成形壁板强行压平数铣工艺： 成形壁板采用 真空吸附工装强行将其吸附成平板，然后采用数铣加 工。此种工艺除了存在上述两种工艺的弊端外，存在 自身固有弊端： 真空吸附力不足以将较厚壁板吸附成 平板形状； 吸附薄壁壁板时，由于强行压平，材料外型 面、中型面和内型面受力不同，松开吸附工装之后，易 产生回弹，造成较大的加工误差。
飞机外形大型复杂壁板零件是飞机外表零件，外 形精度要求高［3］。因此壁厚减薄、通窗加工和切边加 工精度较高。由于零件属于超大型薄壁件，因此壁厚 减薄加工区域厚度公差控制难度大，孔位的位置精度 难以保证［4］。单曲薄壁壁板一般采用滚弯成形的方法，
图 1 复杂薄壁壁板结构示意图
将初始平板毛料成形到满足目标零件曲率半径的圆柱 形壁板零件［5］； 双曲薄壁壁板一般采用拉型模拉弯成
究，结合有限元变形模拟分析，设计了集铣面、铣下陷、切通窗、切边和钻孔于一体的加工工艺，实现
了壁板的高效化和集成化加工，促进了加工效率和加工质量的提升，并避免了传统加工的化学污染。
通过对比分析精确绿色制造技术与传统加工工艺，确定了精确绿色制造技术的优势，该技术的成功
应用提升了我国航空制造的整体实力。
关键词： 飞机壁板零件； 加工工艺； 精确制造； 变形控制
中图分类号： TH162； TG506
文献标识码： A
Ｒesearch on Precision and Greenhouse Manufacturing Technology for Large Aircraft Panels XIANG Bing-fei，XU Ming，XIONG Yong，LIAO Xiang，ZHU Xiao-jun （ Hong Du Aviation Industry Group，Nanchang 330024，China）
采用五轴卧式数控铣床、背部顶撑系统和高柔性 化的夹具系统集成和协同工作，完成飞机外形薄壁壁 板的精确切边、精确开窗口、精确制孔和厚度的精确加 工。三轴柔性夹具系统装夹和固紧壁板，数控铣床的 主轴头铣削壁板工件，5 自由度的顶撑头随切削铣头 同步运动实现薄壁壁板工件的随动顶撑加工，保证加 工刚性［9］。内置于顶撑装置内部的超声波厚度在线控 制系统实时检测加工厚度并进行厚度补偿，闭环控制 铣削厚度，实现壁板厚度减薄精确加工。背部顶撑装 置与壁板加工面的铣削装置形成镜像加工［10］，其加工 原理如图 3 所示。
2 飞机外形薄壁壁板精确绿色制造技术
针对飞机外形薄壁壁板加工中普遍采用的化铣工 艺，由于存在化学污染、耗能较高、消耗铝材无法回收 等固有弊端，航空工业一直在寻求可替代化铣的绿色、 精确的制造技术。针对需要多次装夹、涉及大量工艺 流程，且工艺协调性不足的加工工艺，航空工艺一直在
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组合机床与自动化加工技术
Abstract： In order to address the issue that large complex aircraft panels machining can't meet the demand for precision efficient machining and greenhouse machining，and the problem induced the complex process engineering and limited process scope，the precision machining and greenhouse machining technology integrated w ith edge trimming，port opening，perforation and skin thickness precision machining is researched combined w ith the analysis of deformation，and then the efficient and integrated machining is achieved，the machining efficiency and quality is advanced，the chemical empoison is avoided． The research results show that the advanced application of the precision and greenhouse manufacturing technology drives development of the aeronautical manufacturing technology compared the traditional skin machining system w ith it． Key words： aircraft panels； process engineering； precision machining； deformation control
图 2 化铣与数铣相结合的工艺流程
化铣工艺及面临的问题分析［8］： （ 1） 化铣的保护膜刻线工艺繁杂： 采用手工刻线 工艺，需要设计制造立体化铣样板，按化铣样板在保护 膜上刻线。化铣样板设计制造流程长，精度底，且刻线 误差较大，效率底。而采用五坐标激光切割机配柔性 夹具能有效解决刻线工艺，实现零件的精确切边、开缺 口和制孔加工。但高昂的设备价格制约着刻线工艺的 推广。
Hale Waihona Puke Baidu
No． 3 Mar． 2015
大型航空薄壁零件精确绿色制造技术研究*
向兵飞，徐 明，熊 勇，廖 翔，祝小军
（ 江西洪都航空工业股份有限公司，南昌 330024）
摘要： 大型复杂飞机外形薄壁壁板的传统工艺方法无法满足精确、高效制造和绿色制造的需求，针对
工艺协调复杂、工艺流程冗长和加工范围受限等问题，对薄壁壁板零件的精确、绿色制造技术进行研
（ 2） 不符合节能环保的需求： 零件的局部减薄工 艺通常采用化铣工艺，能较好的解决复杂下陷、窗口等 的加工问题，但其废弃的化铣液会污染环境，不符合绿 色制造的要求。且化铣工艺耗能较高、消耗铝材无法 回收，造成资源浪费。
（ 3） 工艺协调关系复杂： 化铣工艺加工薄壁壁板 零件最难解决的问题是各个工艺阶段的协调关系。如 蒙皮的外形轮廓切边和钻孔加工与化铣区的协调，化 铣样板、柔 性 工 装、钻 模 样 板 等 的 定 位 基 准 之 间 的 协 调，影响到成形壁板的加工精度。
第3 期
寻求一次装夹状态下完成薄壁壁板的精确加工最新技 术。
通过采用新一代绿色制造技术、高柔性化的夹具 系统，实现集铣面、铣下陷、切通窗、切边及钻孔工艺于 一体的飞机外形薄壁壁板精确绿色制造，满足装配要 求。攻克飞机外形单曲和双曲薄壁壁板的数铣替代化 铣先进制造工艺，对促进我国航空工业的发展，具有重 要实际意义。 2． 1 加工原理及加工工艺设计
收稿日期： 2014 － 07 － 19； 修回日期： 2014 － 09 － 03 * 基金项目：“高 档 数 控 机 床 与 基 础 制 造 装 备”国 家 科 技 重 大 专 项“国 产 高 档 数 控 机 床 与 数 控 系 统 在 飞 机 筋 肋 梁 等 加 工 单 元 中 的 应 用”
（ 2013ZX04001 － 021） 作者简介： 向兵飞（ 1986—） ，男，土家族，湖北宜昌人，江西洪都航空工业股份有限公司工程师，硕士，从事航空制造数控加工工艺技术研究，（ E －
飞机外形壁板的加工一般采用化铣工艺，为了完 成复杂结构的加工以及满足高精度的装配协调要求， 需要与数铣结合完成加工。涉及表面除油等清洁处 理、涂止铣橡胶层、橡胶层激光刻线和去除、化铣、手工 或机械切边和钻孔等一些列工艺，其工艺协调性一直 困扰着航空制造企业。化铣解决复杂通窗和下陷等的 加工问题，真空吸附蒙皮龙门铣系统解决蒙皮切边和 钻孔工艺。图 2 为传统化铣与数铣结合的加工工艺流 程。
0 引言
在飞机大型结构件中，蒙皮零件是构成飞机外形 结构的重 要 受 力 构 件，属 于 大 型 复 杂 壁 板 类 零 件［1］。 机尾翼蒙皮形状一般为直母线单曲度，机身蒙皮形状 有单曲度和双曲度，机身头部、尾部以及整流罩的蒙皮 形状更复杂。此类壁板零件尺寸大，形状复杂，且厚度 薄，刚性差。包含面、下陷、通窗、孔等结构特征。根据 受力情况，需要进行局部壁厚铣薄加工，形成变截面不 等厚结构［2］，见图 1。
（ 4） 定位准确难度大： 化铣完成之后的壁板零件 需要采用五坐标高速铣配柔性夹具系统完成切边和钻 孔加工。由于成形壁板固有的回弹特性，在切边和钻 孔加工时很难确定精确的加工基准，易造成加工误差。
1． 2 飞机外形薄壁壁板数铣加工工艺分析
大型飞机外形壁板的传统工艺除了化铣之外，也 存在采用数铣和喷丸成形结合工艺、成形壁板采用型 面工装真空吸附装夹工艺、成形壁板强行压平数铣工 艺，具体工艺流程及面临的问题分析如下：
（ 1） 数铣与喷丸成形工艺： 采用平板毛料，由于毛 料壁薄、尺寸大，需采用真空吸附定位、装夹工件，采用 大型龙门铣床完成壁板的壁厚铣薄加工。然后采用喷 丸设备将半成品工件成形到满足目标零件曲率半径的 圆柱形壁板零件。此种工艺不能完成切通窗、切边和 钻孔加工，需要钳工修边之后才能满足装配质量。而 喷丸属于特殊工艺，需要购买昂贵的喷丸设备。昂贵 的喷丸设备和数铣加工的局限性限制了此工艺技术的 推广应用。
壁板铣削过程中，背部顶撑装置受柔性夹具的限 制，无法一次完成薄壁壁板的精确加工。解决的策略 是壁板划分加工区域，加工完背部顶撑装置不受限制 的区域后，移动柔性夹具并固紧壁板，然后铣削新的加 工区域。在加工区域内按照铣面→铣下陷→切通窗→ 钻孔→切边分步进行。本方案不存在加工基准的转 换，有效减少了基准误差的积累。同时，利于实现加工 过程中材料去除的均匀化，成形残余应力释放均匀，外 加背部随动顶撑和柔性夹具支撑，有效减少加工变形。
组合机床与自动化加工技术 Modular Machine Tool ＆ Automatic Manufacturing Technique
文章编号： 1001 － 2265（ 2015） 03 － 0134 － 04
DOI： 10． 13462 / j． cnki． mmtamt． 2015． 03． 036
本文对飞机外形大型复杂薄壁壁板零件传统加工 工艺进行分析，论述了传统加工工艺的不足。对大型 复杂壁板类零件的精确制造和绿色制造技术进行了研 究，解决飞机大型空间壁板类零件的集成化加工技术 难题，并模拟和分析加工变形，形成新型制造工艺。
1 飞机外形薄壁壁板传统加工工艺分析
长期以来，飞机外形大型复杂壁板零件的加工工 艺流程复杂，无法在一次装夹状态下完成集铣面、铣下 陷、切通窗、切边及钻孔工艺于一体的加工。一般采用 的化铣加工存在化学污染、耗能较高、消耗铝材无法回 收等固有弊端，且需要配合真空吸附蒙皮龙门铣系统 解决蒙皮切边和钻孔工艺，需要复杂的装夹切换和加 工工艺的变换来完成零件的加工； 而单独采用数铣的 加工工艺需要订制昂贵的专用辅助工装，且无法一次 完成加工。复杂的工艺流程造成零件加工周期过长， 制约了飞机总体研制进度。 1． 1 飞机外形薄壁壁板化铣工艺分析
mail） x8375987@ 126． com。
2015 年 3 月
向兵飞，等： 大型航空薄壁零件精确绿色制造技术研究
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形的方法，将初始平板毛料拉型到满足目标零件曲率 半径的双曲度薄壁壁板零件［6］。零件在铣削过程中受 成形后的内部残余应力的影响，易发生变形，从而影响 零件的加工精度以及后续的装配质量［7］。
（ 2） 成形壁板采用型面工装真空吸附装夹工艺： 成形壁板采用型面工装真空吸附定位装夹，然后采用 大型龙门铣床完成壁板的壁厚铣薄加工。此种工艺存 在主要问题有： 每项壁板零件需要订制专用型面真空 吸附工装，设计制造周期厂，价格昂贵，不适合飞机外 形壁板小批量多品种的生产需求； 精确切边需要钳工 去除工艺余量，且不能进行钻孔加工和通窗加工，推广 应用受到限制。
图 3 精确绿色制造加工原理
飞机外形壁板精确绿色制造工艺流程如图 4 所 示 。 ［11-12］
图 4 精确绿色制造工艺流程
大型飞机外形壁板的加工工艺流程设计为一次装 夹状态下，在一台设备上完成壁板壁厚减薄、切边、切
通窗、钻孔加工，等效于化铣与切边、钻孔和开通窗相 结合的制造工艺，是数铣替代化铣的最新制造技术，满 足精确制造和绿色制造的要求。
（ 3） 成形壁板强行压平数铣工艺： 成形壁板采用 真空吸附工装强行将其吸附成平板，然后采用数铣加 工。此种工艺除了存在上述两种工艺的弊端外，存在 自身固有弊端： 真空吸附力不足以将较厚壁板吸附成 平板形状； 吸附薄壁壁板时，由于强行压平，材料外型 面、中型面和内型面受力不同，松开吸附工装之后，易 产生回弹，造成较大的加工误差。
飞机外形大型复杂壁板零件是飞机外表零件，外 形精度要求高［3］。因此壁厚减薄、通窗加工和切边加 工精度较高。由于零件属于超大型薄壁件，因此壁厚 减薄加工区域厚度公差控制难度大，孔位的位置精度 难以保证［4］。单曲薄壁壁板一般采用滚弯成形的方法，
图 1 复杂薄壁壁板结构示意图
将初始平板毛料成形到满足目标零件曲率半径的圆柱 形壁板零件［5］； 双曲薄壁壁板一般采用拉型模拉弯成
究，结合有限元变形模拟分析，设计了集铣面、铣下陷、切通窗、切边和钻孔于一体的加工工艺，实现
了壁板的高效化和集成化加工，促进了加工效率和加工质量的提升，并避免了传统加工的化学污染。
通过对比分析精确绿色制造技术与传统加工工艺，确定了精确绿色制造技术的优势，该技术的成功
应用提升了我国航空制造的整体实力。
关键词： 飞机壁板零件； 加工工艺； 精确制造； 变形控制
中图分类号： TH162； TG506
文献标识码： A
Ｒesearch on Precision and Greenhouse Manufacturing Technology for Large Aircraft Panels XIANG Bing-fei，XU Ming，XIONG Yong，LIAO Xiang，ZHU Xiao-jun （ Hong Du Aviation Industry Group，Nanchang 330024，China）
采用五轴卧式数控铣床、背部顶撑系统和高柔性 化的夹具系统集成和协同工作，完成飞机外形薄壁壁 板的精确切边、精确开窗口、精确制孔和厚度的精确加 工。三轴柔性夹具系统装夹和固紧壁板，数控铣床的 主轴头铣削壁板工件，5 自由度的顶撑头随切削铣头 同步运动实现薄壁壁板工件的随动顶撑加工，保证加 工刚性［9］。内置于顶撑装置内部的超声波厚度在线控 制系统实时检测加工厚度并进行厚度补偿，闭环控制 铣削厚度，实现壁板厚度减薄精确加工。背部顶撑装 置与壁板加工面的铣削装置形成镜像加工［10］，其加工 原理如图 3 所示。
2 飞机外形薄壁壁板精确绿色制造技术
针对飞机外形薄壁壁板加工中普遍采用的化铣工 艺，由于存在化学污染、耗能较高、消耗铝材无法回收 等固有弊端，航空工业一直在寻求可替代化铣的绿色、 精确的制造技术。针对需要多次装夹、涉及大量工艺 流程，且工艺协调性不足的加工工艺，航空工艺一直在
·136·
组合机床与自动化加工技术
Abstract： In order to address the issue that large complex aircraft panels machining can't meet the demand for precision efficient machining and greenhouse machining，and the problem induced the complex process engineering and limited process scope，the precision machining and greenhouse machining technology integrated w ith edge trimming，port opening，perforation and skin thickness precision machining is researched combined w ith the analysis of deformation，and then the efficient and integrated machining is achieved，the machining efficiency and quality is advanced，the chemical empoison is avoided． The research results show that the advanced application of the precision and greenhouse manufacturing technology drives development of the aeronautical manufacturing technology compared the traditional skin machining system w ith it． Key words： aircraft panels； process engineering； precision machining； deformation control
图 2 化铣与数铣相结合的工艺流程
化铣工艺及面临的问题分析［8］： （ 1） 化铣的保护膜刻线工艺繁杂： 采用手工刻线 工艺，需要设计制造立体化铣样板，按化铣样板在保护 膜上刻线。化铣样板设计制造流程长，精度底，且刻线 误差较大，效率底。而采用五坐标激光切割机配柔性 夹具能有效解决刻线工艺，实现零件的精确切边、开缺 口和制孔加工。但高昂的设备价格制约着刻线工艺的 推广。
Hale Waihona Puke Baidu
No． 3 Mar． 2015
大型航空薄壁零件精确绿色制造技术研究*
向兵飞，徐 明，熊 勇，廖 翔，祝小军
（ 江西洪都航空工业股份有限公司，南昌 330024）
摘要： 大型复杂飞机外形薄壁壁板的传统工艺方法无法满足精确、高效制造和绿色制造的需求，针对
工艺协调复杂、工艺流程冗长和加工范围受限等问题，对薄壁壁板零件的精确、绿色制造技术进行研
（ 2） 不符合节能环保的需求： 零件的局部减薄工 艺通常采用化铣工艺，能较好的解决复杂下陷、窗口等 的加工问题，但其废弃的化铣液会污染环境，不符合绿 色制造的要求。且化铣工艺耗能较高、消耗铝材无法 回收，造成资源浪费。
（ 3） 工艺协调关系复杂： 化铣工艺加工薄壁壁板 零件最难解决的问题是各个工艺阶段的协调关系。如 蒙皮的外形轮廓切边和钻孔加工与化铣区的协调，化 铣样板、柔 性 工 装、钻 模 样 板 等 的 定 位 基 准 之 间 的 协 调，影响到成形壁板的加工精度。
第3 期
寻求一次装夹状态下完成薄壁壁板的精确加工最新技 术。
通过采用新一代绿色制造技术、高柔性化的夹具 系统，实现集铣面、铣下陷、切通窗、切边及钻孔工艺于 一体的飞机外形薄壁壁板精确绿色制造，满足装配要 求。攻克飞机外形单曲和双曲薄壁壁板的数铣替代化 铣先进制造工艺，对促进我国航空工业的发展，具有重 要实际意义。 2． 1 加工原理及加工工艺设计
收稿日期： 2014 － 07 － 19； 修回日期： 2014 － 09 － 03 * 基金项目：“高 档 数 控 机 床 与 基 础 制 造 装 备”国 家 科 技 重 大 专 项“国 产 高 档 数 控 机 床 与 数 控 系 统 在 飞 机 筋 肋 梁 等 加 工 单 元 中 的 应 用”
（ 2013ZX04001 － 021） 作者简介： 向兵飞（ 1986—） ，男，土家族，湖北宜昌人，江西洪都航空工业股份有限公司工程师，硕士，从事航空制造数控加工工艺技术研究，（ E －
飞机外形壁板的加工一般采用化铣工艺，为了完 成复杂结构的加工以及满足高精度的装配协调要求， 需要与数铣结合完成加工。涉及表面除油等清洁处 理、涂止铣橡胶层、橡胶层激光刻线和去除、化铣、手工 或机械切边和钻孔等一些列工艺，其工艺协调性一直 困扰着航空制造企业。化铣解决复杂通窗和下陷等的 加工问题，真空吸附蒙皮龙门铣系统解决蒙皮切边和 钻孔工艺。图 2 为传统化铣与数铣结合的加工工艺流 程。
0 引言
在飞机大型结构件中，蒙皮零件是构成飞机外形 结构的重 要 受 力 构 件，属 于 大 型 复 杂 壁 板 类 零 件［1］。 机尾翼蒙皮形状一般为直母线单曲度，机身蒙皮形状 有单曲度和双曲度，机身头部、尾部以及整流罩的蒙皮 形状更复杂。此类壁板零件尺寸大，形状复杂，且厚度 薄，刚性差。包含面、下陷、通窗、孔等结构特征。根据 受力情况，需要进行局部壁厚铣薄加工，形成变截面不 等厚结构［2］，见图 1。
（ 4） 定位准确难度大： 化铣完成之后的壁板零件 需要采用五坐标高速铣配柔性夹具系统完成切边和钻 孔加工。由于成形壁板固有的回弹特性，在切边和钻 孔加工时很难确定精确的加工基准，易造成加工误差。
1． 2 飞机外形薄壁壁板数铣加工工艺分析
大型飞机外形壁板的传统工艺除了化铣之外，也 存在采用数铣和喷丸成形结合工艺、成形壁板采用型 面工装真空吸附装夹工艺、成形壁板强行压平数铣工 艺，具体工艺流程及面临的问题分析如下：
（ 1） 数铣与喷丸成形工艺： 采用平板毛料，由于毛 料壁薄、尺寸大，需采用真空吸附定位、装夹工件，采用 大型龙门铣床完成壁板的壁厚铣薄加工。然后采用喷 丸设备将半成品工件成形到满足目标零件曲率半径的 圆柱形壁板零件。此种工艺不能完成切通窗、切边和 钻孔加工，需要钳工修边之后才能满足装配质量。而 喷丸属于特殊工艺，需要购买昂贵的喷丸设备。昂贵 的喷丸设备和数铣加工的局限性限制了此工艺技术的 推广应用。
壁板铣削过程中，背部顶撑装置受柔性夹具的限 制，无法一次完成薄壁壁板的精确加工。解决的策略 是壁板划分加工区域，加工完背部顶撑装置不受限制 的区域后，移动柔性夹具并固紧壁板，然后铣削新的加 工区域。在加工区域内按照铣面→铣下陷→切通窗→ 钻孔→切边分步进行。本方案不存在加工基准的转 换，有效减少了基准误差的积累。同时，利于实现加工 过程中材料去除的均匀化，成形残余应力释放均匀，外 加背部随动顶撑和柔性夹具支撑，有效减少加工变形。