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國內航空鈑金裝備技術現狀與發展

作者:admin 發布日期:2018/12/28 關注次數: 二維碼分享

航空鈑金裝備技術是一項重要的國防關鍵技術,是航空制造技術升級的重要基礎,對于促進航空產品的升級換代,提高產品性能,縮短研制周期具有重要支撐作用。國內航空鈑金裝備技術經過幾十年的發展,其設計與制造水平有了長足的進步,形成了一套完整的體系,為航空工業關鍵零部件的生產提供了重要支撐,但我國航空鈑金裝備在設計與制造方面仍與國外有較大差距,還不能完全滿足航空工業發展的需求。
航空鈑金零件的顯著特點是大型化、集成化和輕量化,主要包括板類零件和回轉類零件,板類零件主要是蒙皮、壁板以及一些多層結構,用來達到保證飛機的氣動性能和降低重量的目的;回轉類零件主要是發動機機匣、導管等。航空鈑金結構零件對于提高飛機和發動機性能發揮了重要的作用,其制造技術強烈依賴于航空鈑金裝備的研發水平,航空鈑金裝備為鈑金成形技術的實現提供了平臺,同時,航空鈑金新工藝、新技術也促進了裝備的發展。
航空鈑金裝備服務于鈑金成形技術的要求,航空鈑金零件的特點也決定了其裝備具有大型化和專用化特點,航空鈑金裝備主要有蒙皮拉形設備、噴丸成形設備、超塑成形設備、熱蠕變成形設備、旋壓成形設備以及管件成形與連接設備等。隨著航空技術的發展,現代飛機對可靠性、效費比、服役性能等提出了更高的要求。一方面,鈑金結構件的整體化和復雜化趨勢越來越明顯,新結構不斷涌現;另一方面,新材料的應用也呈增加的趨勢,這不僅給鈑金成形技術本身提出了新課題,而且也為航空鈑金裝備的發展提供了源動力。航空鈑金成形裝備在新材料與新工藝研究、新結構與新機研制過程中發揮著越來越重要的作用。

航空鈑金裝備技術的發展

1 蒙皮拉形設備
蒙皮拉形設備是飛機蒙皮成形的關鍵設備,按其作用原理可分為臺動式拉形機和臺鉗雙動式拉形機兩類。臺動式拉形機用于橫向拉形,臺鉗雙動式拉形機則主要用于縱向拉形。蒙皮加工的成形力主要由拉形機鉗口的運動產生,同時還涉及模具的垂直運動,相對于其他沖壓工藝來講,拉形參數及運動方式更為復雜。我國航空工業傳統的蒙皮拉形機多是20世紀五六十年代從原蘇聯引進或自行設計制造的。前蘇聯的PO-250型蒙皮縱拉成形機可以成形單、雙和變曲度蒙皮件,較大拉力2700kN,加工板材尺寸為8000mm×2200mm×6mm。這些設備控制方式一般為手動,存在著自動化程度低、控制精度差、生產效率低以及操作人員工作強度大等問題,蒙皮零件的成形質量不僅受各種工藝條件因素的影響,與操作人員的技術水平和熟練程度關系也很大,因而零件的一致性、重復性差,質量難于保證。
20世紀80年代中后期以來,我國陸續從法國阿爾斯通-ACB、美國RYRIL-BATH公司引進了一些蒙皮拉形機,如FET600T、FET1200T、FEL2×350T、VTL1000等。從法國引進的FET-1200蒙皮拉形機的較大拉力為12000kN,采用計算機數控技術和電液伺服技術實現自動控制。國外的拉形機性能穩定可靠,操作方便,液壓系統穩定,故障少,且專業化程度高,呈系列化,并具有良好的人機界面,可以對臺面和夾鉗的運動進行連續控制,可以成形復雜蒙皮零件,為提高蒙皮制造水平和改善蒙皮質量創造了良好的硬件環境。
北京航空制造工程研究所在六七十年代先后研制了ML-1、ML-2系列的蒙皮拉形機,裝備于一些航空主機廠并應用于飛機蒙皮的研制與生產。隨著國內設計、制造和控制水平的提高,一些研究院所和高校一方面自行設計制造蒙皮拉形機,以滿足實際生產的需要;另一方面,針對傳統蒙皮拉形機進行了數控改造,以期在生產中發揮更大的作用。北京航空航天大學在拉形機的結構設計、運動仿真和系統控制方面開展了大量的研發工作,研制了國內首臺數控蒙皮拉形試驗機,較大拉形力為1000kN,拉形零件毛坯較大尺寸1600mm×800mm,蒙皮拉形過程中實現了拉伸油缸和上頂油缸的位移和速度精確控制,系統采用電液伺服閥控制,并且通過光柵返回油缸的運動位移,通過拉線式編碼器測量夾鉗的擺動和俯仰角度,應用力傳感器測量拉伸力和上頂力的大小,系統通過對電液伺服閥、電氣系統和液壓系統的控制驅動試驗機各油缸運動,同時將采集到的位移和力的數據傳送給上位機,構成一個閉環控制系統,實現對數控蒙皮拉形試驗機的位移控制和力控制。針對國產的ML-2蒙皮拉形機,華中科技大學采用可編程序控制器和示教/再現技術對傳統蒙皮拉形機實現了數字化控制。

2 噴丸成形設備
噴丸成形設備是成形飛機大型整體壁板的專用裝備,按照彈丸的加速方式可分為噴丸和拋丸兩種,前者利用壓縮空氣加速彈丸,后者則利用電、氣、液等驅動的葉輪系統離心力加速彈丸。
由于拋丸技術在加工飛機整體壁板時的有效性,在某些場合甚至是唯一有效的方法,歐美等國先后研制了專用的拋丸成形設備,用于壁板的成形加工。第一批拋丸成形設備是在噴丸強化設備基礎上稍加改造而成的,隨著各國研究人員對噴丸成形技術的認識,為了挖掘其工藝和設備潛力,對噴丸設備的彈丸加速系統、彈丸循環系統、噴頭或工件位移機械化和噴嘴結構等方面進行了大量改進,并實現了NC或CNC控制。國內只有北京航空制造工程研究所自行研制SPW-1、JKQ-001、SPW-2、SPW-3等型號的噴丸設備,見表2。目前國內應用的噴丸成形設備仍以國外引進為主。

3 超塑成形設備

超塑成形(SPF)及超塑成形/擴散連接(SPF/DB)是一種低成本、高效益、近無余量的成形與連接技術,可以加工其他方法無法加工的多層空心結構。該技術已成為一種推動現代航空航天結構設計概念發展和突破傳統鈑金成形方法的先進制造技術,展示出巨大的技術經濟效益。超塑成形設備是實現SPF及SPF/DB技術的專用裝備,可以通過改造通用壓力機的方法來制作,也可以制造專用的SPF設備。美、法、英都有專業的SPF設備制造公司,法國的ACB是一家較大的鈑金設備制造公司,為多家航空企業研制了多臺專業SPF設備,曾于1994年研制了一臺28000kN的SPF設備,臺面尺寸2290mm×5350mm。英國CHESTER公司生產的部分SPF設備見表3,美國的MURDOCK、WHITE等公司也生產了多臺SPF設備。
國內主要通過改造通用壓機用于SPF和SPF/DB的試驗研究,即在通用液壓機的基礎上,自行設計制造加熱系統、氣源系統和控制系統。北京航空制造工程研究所先后對1000kN、3000kN和5000kN通用液壓機進行了改造,并利用這些設備開展了大量的試驗研究和生產。本世紀初,隨著國內設計和研究人員對鈦合金SPF和SPF/DB結構的深入認識,SPF/DB結構在航空領域的應用數量和水平不斷提高,現有的設備遠遠不能滿足科研生產的需要,各主機廠所先后從歐美等國引進了多臺SPF專用設備。SPF/DB專用設備在功能上可以實現氣壓、背壓管理和成形控制的計算機管理,通過儀表顯示和監控整個成形過程,并采用電阻加熱平臺。

4 熱成形壓機

熱成形壓機主要用于難變形板料的沖壓拉伸成形。某些材料的室溫塑性低,成形性能差,難以在室溫下成形,須加熱到一定的溫度以提高其塑性,獲得較高的變形能力,鈦合金、高溫合金等材料的成形就有這種要求。具備這種能力的設備在原理上與室溫沖壓拉伸設備有相似之處,但需要增加加熱系統,其熱成形機是雙動液壓機和電爐的有機結合體。
熱成形壓機主要結構形式有蚌殼式(翻轉式)、C型、框架式和四柱式幾種,其中蚌殼式結構現已很少采用,主要原因是由于其溫度損失大,難于保溫。美國的SHERIDAN-GRAY公司分別于1958年和1965年研制了首臺專用蚌殼式和C型熱成形壓機,隨后又生產了數臺蚌殼式和C型結構壓機分別安裝于DOUGLAS、NORTHROP和BOEING公司。此外,美國的MURDOCK、瑞典的ASEA和法國ACB等公司先后研制了C型和框架式熱成形壓機。我國熱成形壓機的研制始于70年代初期,1970年由北京航空制造工程研究所研制成功首臺C型結構RX-1專用熱成形壓機,隨后國內其他單位也根據生產需要研制了一批熱成形壓機,見表4。80~90年代期間,熱成形壓機的研制基本處于停滯狀態。本世紀初,隨著鈦合金鈑金結構應用數量和水平的提高,國內先后從美國MURDOCK公司和法國的ACB公司引進多臺熱成形壓機,為提升國內鈦合金鈑金結構的制造水平發揮了積極作用。

5 旋壓成形設備

20世紀60年代初,為了解決某些產品的成形問題,部分軍工部門(主要是航空航天領域)開始應用旋壓技術加工諸如飛機副油箱、發動機燃燒室等產品,開始采用自制的非常簡單的旋壓設備加工成形制品。基于這種現狀,航空、航天、兵器和機械工業部門先后研制了多臺旋壓設備,在一定程度上解決了某些關鍵零件的加工問題。北京航空制造工程研究所是國內率先開展旋壓設備研制的單位,先后研制了PX系列普通旋壓機床和SY系列強力旋壓機床,共計30余臺。隨后,北京有色金屬研究總院、北京航空航天大學、西安重型機械研究所、青海重型機床廠、福建機械科學研究院、長春兵器五十五所、武漢重型機床廠等單位也有各自的旋壓設備問世,大多為簡單的機械或液壓仿形機床,結構形式多為臥式雙旋輪,較大噸位為600kN,可旋壓較大零件直徑2400mm。由于受到國內當時制造業整體水平和設計水平的限制,這些設備普遍存在一些問題,表現為:可靠性差,機床故障多;液壓元器件質量不穩定,跑冒滴漏現象嚴重;機床操作系統落后,致使旋壓工藝不連續,制品質量低;設計與工藝人員欠缺充分交流與溝通,有些機床功能不夠完善。
鑒于國內旋壓設備存在的問題,20世紀70年代末至今,各部門陸續引進幾十臺國外旋壓機床,大多由西班牙、德國、美國、俄羅斯、意大利等國家制造,機床的性能穩定可靠,操作方便,液壓系統穩定,故障少,且專業化程度高,呈系列化。同時,通過對引進機床的使用、消化與吸收,加之國內制造業水平和控制水平的提高,旋壓機的設計、制造以及性能水平均有了大幅度提升。近年來,北京航空制造工程研究所、長春設備工藝研究所和北京航空航天大學現代技術研究所等單位在總結過去研制經驗的基礎上,瞄準國際水平,運用先進的設計方法與理念,采用了SIMENS840D和BOSCH比例伺服閥控制系統、伺服油缸驅動、光柵位置反饋、滾動導軌導向和交流變頻調速等先進技術,推出新一代國產CNC強力旋壓機床,實現了國產旋壓機的升級換代,其較大設備噸位為600kN,整機性能達到了國際水平。

航空鈑金裝備技術的現狀

目前,國內航空鈑金裝備以引進設備為主、國內研制為輔。引進設備的性能穩定可靠,操作方便,故障少,且專業化程度高,呈系列化,基本可以滿足國內航空鈑金件的制造要求。同時,隨著國內設計方法和手段的進步以及整體制造水平和控制水平的提高,加之元器件采購的國際化及其系統開放性,并通過對引進機床的使用、消化與吸收,國內航空鈑金裝備的設計、制造以及性能水平均有了大幅度的提升,具備了各種航空鈑金裝備的研發能力和制造條件,具體體現在以下幾個方面:
(1)隨著對鈑金成形理論研究的深入以及有限元技術的發展,設計方法和手段的不斷完善,可以實現對主要承載部件的精確建模和有限元分析,使其結構布局以及結構的材料和應力分布更趨合理,提高了設備的可靠性。
(2)國內結構件(特別是大型結構件)的制造能力和加工精度顯著提高,設備的整機精度也顯著提高。以旋壓機為例,其橫向定位精度0.012~0.015mm,重復定位精度0.008~0.010mm,縱向定位精度0.012~0.020mm,重復定位精度0.006~0.012mm,主軸徑向跳動0.010~0.020mm,主軸端面跳動0.010~0.020mm。
(3)國內外控制系統較為成熟,主要有德國SIEMENS、法國NUM、日本FANUC以及國內的中國珠峰數控公司、北京航天數控系統公司、華中數控公司、沈陽高檔數控國家工程研究中心研制的控制系統,可根據設備精度、驅動電機功率和用戶要求進行選擇。同時,國外控制系統不僅針對用戶需求開發了專用模塊,而且具有良好的開放性,用戶可以根據自己的設計要求進行二次開發,完全可以滿足航空鈑金裝備的控制要求。如SIEMENS公司的840D系統內嵌了專用于電液伺服的驅動模塊,設有多項可調參數,如PID前饋控制、死區補償、摩擦力、非線性補償等,并可以通過友好的人機界面方便地進行修改與設置,與所選用的伺服閥和油缸相匹配,為系統的動/靜態特性的調試帶來了方便。
(4)航空鈑金裝備的驅動系統主要有液壓驅動、機械驅動和電機直接驅動幾種,這些驅動系統與其他裝備行業相一致,其設計理論與方法、制造技術較為成熟。特別是國內的液壓系統的“跑、冒、滴、漏”現象基本解決,液壓元器件質量大為提高,有些高品質元器件也可以通過國際化采購,伺服油缸的制造精度也大為提高,可以滿足航空鈑金設備的系統穩定性以及動/靜態特性要求。
(5)國內航空鈑金制造技術經過幾十年的研究與探索,工藝方法與理論不斷完善,特別是航空鈑金數字化制造也取得了初步成果,積累了豐富的工藝經驗與訣竅,為航空鈑金裝備的參數與結構優化、改造與改型奠定了堅實的基礎。

國內航空鈑金裝備技術的進步不僅強烈依賴于設計水平和制造水平的提高,而且與其專業化程度等諸多因素有關,與國外相比仍有不小的差距,其原因大致有:
(1)國外航空鈑金設備制造公司專業化程度高,有一支專業化的設計隊伍,形成了一整套的設計、制造與調試體系;國內沒有像通用壓力機那樣形成專業化的生產廠家,僅是個別研究院所針對航空鈑金的需求開展了一些研制工作,研究和單位人員分散,工藝適應性較差,產品集成化程度較低,不利于航空鈑金設備整體水平的提高。
(2)國內航空鈑金設備水平受到一些關鍵部件的制約,如超塑成形設備和熱成形設備的金屬平臺和陶瓷平臺、噴丸成形設備的彈丸流量控制器以及大型構件的加工等。

航空鈑金裝備技術展望

隨著航空工業的發展,鈑金零件的大型化和整體化趨勢愈來愈明顯,大型化也是航空鈑金裝備發展趨勢之一,而一些大型鈑金裝備也是歐美等國限制我國引進的機電產品,因此,大型航空鈑金裝備必須走自主開發之路。同時,國內航空鈑金裝備的研制與生產基本上根據用戶要求而定,各單位甚至同一單位研制的設備沒有形成系列,不同型號設備參數范圍或相互重疊過多,或差距過大,沒有形成合理的級差,不利于鈑金設備整體水平的提高。
針對航空工業發展過程出現的新技術、新工藝以及新材料與新結構,一方面,要不斷改進現有設備,以提高設備的加工能力,如通過在熱成形設備上增加側缸,可以實現一些空間鈑金構件的成形;另一方面,要充分利用新技術與新工藝來促進新裝備的研發,多點成形就是一個例證。
大型板類三維曲面的成形通常要采用模具成形或手工制造方式來實現,模具成形時,一個產品的生產往往需要數十套甚至數百套模具,模具的設計制造與調試等需要投入大量的費用,而且生產準備周期很長。尤其在小批量、多品種的大型板類件生產中,模具費用和生產周期的問題更為突出。有些小批量的大型板材制品不得不采用落后的手工成形方式。為了解決這個問題,提出了多點成形概念,其基本思想是將傳統的整體模具離散成一系列規則排列、高度可調的基本體(或稱沖頭),在整體模具成形中,板材由模具曲面來成形,而多點成形中則由基本體群沖頭的包絡面(或稱成形曲面)來完成,這是一種能夠迅速適應產品更新換代、自動化程度高、適應性廣的新成形技術。多點成形機正是為了適應多點成形技術而發展的先進制造設備,是以計算機輔助設計、輔助制造和輔助測試(CAD/CAM/CAT)技術為主要手段的高技術集成系統。

結束語

鈑金設備涉及蒙皮拉形設備、噴丸成形設備、超塑成形設備、熱成形設備、旋壓成形設備、壓彎成形設備以及管材成形與連接設備。國內航空鈑金裝備經過40多年的發展,設計水平和制造水平明顯提高,鈑金設備的品種逐漸趨于完備,特別是隨著國際化采購渠道的暢通,設計理念和方法的進步,國內個別的航空鈑金設備基本接近國際水平,且具有良好的性價比,具備了參與國際競爭的能力與水平。但從總體來看,國內航空鈑金設備的技術水平無疑仍存在明顯的差距,遠不能滿足航空工業發展的需要。因而,為加速航空鈑金裝備技術的進步,需要設計、制造、工藝等各方協調一致,統籌高校、研究院所和企業各方資源,制定行業規劃,建立專業的研發基地,這樣必定會有利于航空鈑金裝備整體水平的提升。


轉載自: 互聯網

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