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ALLiS4,2198-T8第三代鋁鋰合金在大飛機上的應(yīng)用
發(fā)布人：上海艾荔艾金屬材料有限公司www.jshcn.cn
更新時間：2015-03-24
采用AL-Li-S-4（鎂鋁）和2198-T8（加鋁）兩種第三代鋁鋰合金材料，研究其蒙皮滾彎工藝技術(shù)參數(shù)，首先通過試片級樣件來摸索并獲得其工藝參數(shù)后，再進行零件級的工藝參數(shù)驗證。
鋁鋰合金是一種新型材料，通過加入2%~3%的鋰，其密度減少8%，剛性增加15%，是一種強度高、彈性模量大的超輕型鋁合金材料。第三代鋁鋰合金與其他鋁合金相比較，最大的特點是重量輕，可減輕結(jié)構(gòu)重量的10%，而彈性模量卻提高了10％。其比強度和比剛度高、低溫性能好，還具有良好的耐腐蝕性能和非常好的超塑性，同時還兼具低疲勞裂紋擴展速率、較好的高溫及低溫性能等特點，是最新型的航空鋁合金材料，美國、加拿大等地區(qū)的材料制造商正在研制這種新型鋁合金。我國研制的某大型客機前機身等直段主要采用第三代鋁鋰合金材料，當(dāng)前亟待對第三代鋁鋰合金零件制造技術(shù)、先進裝配技術(shù)等重大技術(shù)進行攻關(guān)，形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的大型客機機身集成制造技術(shù)體系，滿足我國大型客機的制造要求。為此，結(jié)合等直段研制開展鋁鋰合金先進結(jié)構(gòu)設(shè)計、分析方法及其驗證技術(shù)研究，通過鋁鋰合金機身段典型鋁鋰合金結(jié)構(gòu)件關(guān)鍵制造環(huán)節(jié)的工藝研究，突破鋁鋰合金機身典型結(jié)構(gòu)件的高效、高品質(zhì)制造技術(shù)，并驗證先進裝配工藝及機身部段件對接工藝方案，可為某大型客機機身結(jié)構(gòu)大量采用鋁鋰合金奠定基礎(chǔ)。
前機身等直段研制關(guān)鍵技術(shù)
由于第三代鋁鋰合金添加了鋰元素，使材料較為活潑，易腐蝕形成麻點。第三代鋁鋰合金的成形工藝技術(shù)、機械加工技術(shù)，特別是薄板數(shù)控加工技術(shù)的研究在國際上尚處于探索階段。某大型客機等直段研制應(yīng)解決的關(guān)鍵技術(shù)包括：第三代鋁鋰合金蒙皮滾彎成形、鋁鋰合金蒙皮數(shù)控加工技術(shù)、公差仿真應(yīng)用技術(shù)和三維數(shù)字化工藝設(shè)計與仿真技術(shù)。
（1） 第三代鋁鋰合金蒙皮滾彎成形。滾彎成形具有成形零件表面質(zhì)量高、節(jié)約模具、工藝參數(shù)容易控制等優(yōu)點，是單曲度蒙皮制造的主要工藝方法。第三代鋁鋰合金材料具有強度高、彈性模量高、成形困難等特征，因此，掌握鋁鋰合金滾彎技術(shù)，實現(xiàn)壁板蒙皮彎曲精確制造是大飛機等直段研制首要攻克的關(guān)鍵技術(shù)。
（2） 大型鋁鋰合金蒙皮數(shù)控加工技術(shù)。傳統(tǒng)的蒙皮下陷加工通常采用化銑工藝，但化銑工藝有著諸多的缺點：相對尺寸和厚度控制不易精確、表面質(zhì)量較差、零件疲勞壽命合格但差異較大、加工周期較長且不環(huán)保。采用數(shù)控加工工藝則可以解決這些問題。由于蒙皮材料具有相應(yīng)的厚度偏差，彎曲成形后校平也存在一定的曲度變形。因此，在保證數(shù)控銑切中蒙皮裝夾合理的前提下，盡可能縮小公差，是蒙皮數(shù)控加工需解決的技術(shù)難點之一。此外，機身蒙皮厚度為1.6~2.4mm，要在蒙皮彈性變形階段加工出蒙皮厚度20%~25%的下陷，是蒙皮數(shù)控加工需解決的另一技術(shù)難點。
（3） 公差仿真應(yīng)用技術(shù)。公差仿真是數(shù)字化協(xié)調(diào)技術(shù)的基礎(chǔ)，是構(gòu)建數(shù)字化協(xié)調(diào)技術(shù)體系的基石。大型客機制造裝配質(zhì)量要求更高、協(xié)調(diào)更嚴(yán)格，急需攻克面向飛機大部件的公差仿真技術(shù)，為解決數(shù)字化協(xié)調(diào)提供技術(shù)基礎(chǔ)。利用公差仿真技術(shù)定量計算裝配件在某一個工位安裝后，由于零件公差而產(chǎn)生的誤差，對公差分配不合理部位提前預(yù)警，有利于更好地優(yōu)化各部件的容差分配，優(yōu)化整個部件的制造工藝。
（4） 三維數(shù)字化工藝設(shè)計與仿真技術(shù)。MBD技術(shù)是現(xiàn)代飛機設(shè)計的新技術(shù)之一，它將用于表達(dá)幾何信息和非幾何信息的數(shù)據(jù)按照一定的規(guī)則在同一個數(shù)模文件中表達(dá)。設(shè)計部門向制造單位提交的結(jié)果是涵蓋豐富信息的三維數(shù)模，而不再發(fā)放曬藍(lán)圖紙。因此，利用MBD三維數(shù)模中的相關(guān)信息，開展工藝設(shè)計特別是裝配工藝設(shè)計是飛機部件，也是鋁鋰合金等直段研制，必須解決關(guān)鍵技術(shù)之一。
關(guān)鍵技術(shù)解決方案
1 第三代鋁鋰合金蒙皮滾彎成形
由于第三代鋁鋰合金材料是在研新材料，需要對其進行過滾彎工藝試驗，摸索材料成形性能，確定成形參數(shù)。蒙皮滾彎成形后會存在回彈，而蒙皮展平并真空吸附后外形又會發(fā)生變化。為了使蒙皮零件外形符合要求，在制造零件前進行大量蒙皮滾彎工藝試驗，采用過滾彎工藝方法，即將零件滾彎成形彎曲半徑小于零件理論外形彎曲半徑，使零件回彈后其外形回復(fù)到理論外形，摸索出滾彎回彈工藝參數(shù)，為后續(xù)蒙皮零件制造提供了技術(shù)參數(shù)。
采用AL-Li-S-4（鎂鋁）和2198-T8（加鋁）兩種第三代鋁鋰合金材料，研究其蒙皮滾彎工藝技術(shù)參數(shù)，首先通過試片級樣件來摸索并獲得其工藝參數(shù)后，再進行零件級的工藝參數(shù)驗證。
2 大型薄蒙皮數(shù)控加工代替化銑
通過鋁鋰合金大型蒙皮數(shù)控加工代替化銑工藝研究，可以保證切削過程中的產(chǎn)品質(zhì)量，同時優(yōu)化控制結(jié)構(gòu)件各部位的應(yīng)力狀態(tài)，實現(xiàn)大型結(jié)構(gòu)件型面精確控制，降低制造成本，滿足大型飛機延長壽命的要求。在環(huán)保節(jié)能方面，數(shù)控加工工藝比化銑工藝更優(yōu)越。
2.1 試片級鋁鋰合金數(shù)控加工試驗
在進行鋁鋰合金金屬銑切性能研究中，從試片級開始，針對AL-Li-S-4（鎂鋁）和2198-T8（加鋁）兩種第三代鋁鋰合金材料，研究其機械加工性能，驗證刀具、加工參數(shù)以及切削液對鋁鋰合金表面質(zhì)量的影響。主要試驗內(nèi)容包括：鋁鋰合金材料數(shù)控加工的轉(zhuǎn)速、切屑量、進給量等切屑參數(shù)的選擇；刀具材料、刀具結(jié)構(gòu)、刀具夾持方式的選擇；切削液以及冷卻液的選擇。
試驗結(jié)果表明，數(shù)控加工能夠滿足蒙皮零件表面質(zhì)量設(shè)計要求（即表面粗糙度值Ra≦3.2mm），刀具可選擇整體硬質(zhì)合金 2齒，使用熱漲刀柄HSK63裝夾，且經(jīng)熒光滲透檢查發(fā)現(xiàn)無隱性裂紋。
2.2 數(shù)控機加工藝與化銑工藝對比
（1） 鋁鋰合金大型蒙皮數(shù)控代替化銑技術(shù)。在利用試片級鋁鋰合金數(shù)控加工試驗獲得鋁鋰合金基本加工參數(shù)的基礎(chǔ)上，選取等直段部件后段左側(cè)下壁板以及后段左側(cè)上壁板蒙皮零件進行工藝試驗，研究鋁鋰合金大型蒙皮數(shù)控代替化銑技術(shù)。左側(cè)下壁板蒙皮零件展開尺寸1020 mm×2650mm，零件下料尺寸1100 mm×2800mm，零件數(shù)控加工方法為：下料，對板料1200mm×3000mm按下料尺寸1100mm×2800mm下料，余料1200mm×200mm用于制造檢驗樣板；蒙皮滾彎成形，將蒙皮按理論弧度滾彎成形（=2000mm），滾彎成形時應(yīng)注意保護蒙皮表面，滾彎成形后按樣板檢驗，記錄成形后零件弧度的檢驗數(shù)據(jù)； 真空吸附后進行數(shù)控加工，真空吸附時應(yīng)注意保護蒙皮表面，數(shù)控加工完后，檢驗記錄蒙皮銑切處的厚度值以及各銑切處的相對位置；再次按理論弧度滾彎校形（R=2000mm），按數(shù)控樣板檢；記錄弧面弧度值，待將數(shù)控加工完的零件進行滾彎校形，校形完成后，按數(shù)控樣板檢驗記錄弧面弧度值，并同時檢驗記錄銑切處的相對位置以及檢查銑切跟部是否出現(xiàn)壓痕、裂紋。
經(jīng)檢驗，試驗件加工精度能夠滿足大飛機設(shè)計蒙皮下陷偏差為±0.1mm的精度要求。
3 基于三維模型的裝配工藝設(shè)計與仿真應(yīng)用
3.1 裝配工藝仿真基本流程
等直段裝配仍以手工裝配方式為主，需要大量的專用工裝，在工藝設(shè)計中需考慮裝配的協(xié)調(diào)性、空間開敞性和工具可達(dá)性等。如圖1所示，結(jié)合DELMIA 的DPE、DPM 模塊應(yīng)用方法，裝配工藝設(shè)計基本工作流程按如下6個步驟進行。（1）產(chǎn)品分析：可視三維模型分析、調(diào)入EBOM、構(gòu)建PBOM、工藝分工；（2）工藝定義：工藝方案確定、工藝參數(shù)選取、工藝模型建立；（3）工序流程：工藝順序確定、裝配約束選取、工藝裝備選取；（4）AO 策劃：AO 內(nèi)容設(shè)計、組件數(shù)模關(guān)聯(lián)、工裝設(shè)計；（5）裝配仿真：工裝數(shù)模關(guān)聯(lián)、裝配流程及干涉仿真優(yōu)化、工藝布局設(shè)計；（6）結(jié)果輸出：仿真結(jié)果輸出、AO 輸出。
（1）裝配工藝分離面劃分。產(chǎn)品數(shù)據(jù)導(dǎo)入DELMIA中后，在三維環(huán)境下構(gòu)建產(chǎn)品結(jié)構(gòu)層次，實現(xiàn)工藝分離面劃分，將結(jié)果保存在DPE服務(wù)器中，在DPE中Product節(jié)點下建立IMBOM節(jié)點，層級與EBOM并列，再將工藝分離面劃分結(jié)果與之關(guān)聯(lián)。
（2）裝配工藝設(shè)計信息添加。二維工藝設(shè)計信息在DPE、DPM模塊均可添加，主要內(nèi)容包括結(jié)構(gòu)介紹、工藝分析、零組件定位方法、交付要求、協(xié)調(diào)方法等信息；三維工藝設(shè)計信息僅能在DPM中添加，主要包括定位方法、交付要求等信息。
（3）AO項目設(shè)計及參裝零件指派。按工藝分離面區(qū)分，在各工位的工藝過程中建立AO項目，給定AO編號及名稱，然后在可視環(huán)境下將部件/段件/組合件中的零件分配到AO中。
（4）連接件建模及指派。按工藝分離面創(chuàng)建工藝連接件模型ERM，將設(shè)計的連接件信息通過關(guān)聯(lián)粘貼添加到ERM中，創(chuàng)建旗注說明相應(yīng)緊固件的連接對象，最后在DELMIA-DPM中將連接件指派到各自的AO中。
（5）裝配仿真驗證及優(yōu)化。按《飛機數(shù)字化預(yù)裝配通用要求》進行裝配順序仿真和評價，驗證方案設(shè)計的合理性、可行性，產(chǎn)品裝配順序仿真通過零、組件指派和裝配順序設(shè)定來實現(xiàn)。具體的實施步驟如下：產(chǎn)品指派，裝配順序設(shè)定，裝配順序查看及分析，裝配路徑仿真，人機工程仿真，干涉仿真，裝配工藝優(yōu)化等。
4 數(shù)字化公差仿真
公差仿真技術(shù)研究是對典型飛機結(jié)構(gòu)關(guān)鍵協(xié)調(diào)部位的協(xié)調(diào)要求進行數(shù)字化工藝容差分配和分析。通過建立飛機零件關(guān)鍵協(xié)調(diào)部位公差特征、基于三維數(shù)字模型的公差模型和數(shù)字化技術(shù)的裝配協(xié)調(diào)基準(zhǔn)的制定方法，然后根據(jù)裝配方案對設(shè)計圖樣提出的公差及工藝過程容差分配進行仿真優(yōu)化、分析研究，驗證其制造安裝的有效性和可靠性，并根據(jù)仿真分析驗證結(jié)果，調(diào)整、優(yōu)化設(shè)計公差與工藝容差分配。優(yōu)化裝配順序或裝配基準(zhǔn)，從而優(yōu)化整個裝配協(xié)調(diào)工藝，甚至可以減少或摒棄標(biāo)準(zhǔn)工裝（量規(guī)、樣件等），并為建立起高效可靠的數(shù)字化裝配協(xié)調(diào)體系，以及數(shù)字化裝配打下堅實的基礎(chǔ)。通過在設(shè)計階段對飛機制造過程各環(huán)節(jié)進行工藝容差的合理分配與仿真優(yōu)化，分析對敏感區(qū)域的變形貢獻者和幾何影響因素。
關(guān)鍵技術(shù)研究成果應(yīng)用
1 第三代鋁鋰合金零件制造技術(shù)
通過各項工藝試驗得出的鋁鋰合金成形參數(shù)與典型鋁合金如2024、7075等材料的成形參數(shù)進行對比，獲得鋁鋰合金材料加工的基礎(chǔ)工藝數(shù)據(jù)、零件制造性能和裝配性能。某大型客機鋁鋰合金等直段部段蒙皮全部為單曲度蒙皮，蒙皮全部采用過滾彎成形方式，通過蒙皮過滾彎成形工藝試驗，分析滾彎成形彎曲半徑，實現(xiàn)了大型蒙皮的成形，蒙皮零件裝配時與裝配卡板間隙在0.8mm以內(nèi)，如圖 2所示。
對等直段裝配工藝設(shè)計進行仿真案例研究，在等直段試驗件初級工藝設(shè)計階段，開展工藝分析、工藝方案制定、工裝方案制定，工藝設(shè)計過程中及時與設(shè)計協(xié)調(diào)，針對產(chǎn)品設(shè)計不合理及產(chǎn)品干涉問題及時提出更改建議，設(shè)計部門根據(jù)反饋發(fā)出零、組件更改664項；同時結(jié)合部件裝配協(xié)調(diào)方案的主供商評審意見，調(diào)整了14個浮框工藝分離方法及前、后段的上、下共4個半壁裝配流程。
在等直段試驗件的詳細(xì)工藝設(shè)計階段，結(jié)合指令的完善及歸零工作，進行其余各組件的裝配仿真工作。此外，基于三維模型的等直段裝配工藝設(shè)計與仿真還達(dá)到了如下效果。
（1）改變裝配工藝設(shè)計工作模式。
利用裝配仿真軟件對飛機部件數(shù)模進行預(yù)裝配，對工藝流程可行性、裝配資源有效性、裝配可達(dá)性等進行仿真和驗證，以擺脫對物理樣機及所涉及工藝裝備的依賴，實現(xiàn)裝配工藝設(shè)計的可視化和裝配資源的顯性配置，如圖4所示。
裝配仿真最終形成的裝配順序可錄制成動畫視頻，提供給現(xiàn)場作業(yè)人員作為操作指導(dǎo)。操作者不但能較容易掌握裝配產(chǎn)品的裝配工藝，而且在裝配現(xiàn)場，能針對復(fù)雜裝配工藝反復(fù)觀摩裝配仿真動畫，實時糾正裝配動作，使裝配過程符合規(guī)范。
3 容差分配與仿真
基于VSA進行公差仿真，優(yōu)化后機身各自裝配工位上的裝配工藝模型；以產(chǎn)品質(zhì)量技術(shù)要求和機身對接技術(shù)要求，調(diào)整優(yōu)化大飛機前機身等直段、后機身段在各個工位上，裝配過程中定位基準(zhǔn)、裝配順序、各制造環(huán)節(jié)公差大小等影響要素，確保了最終產(chǎn)品對接成功。
在以上關(guān)鍵技術(shù)研究和逐步應(yīng)用的基礎(chǔ)上，成功研制了前機身等直段樣件。經(jīng)檢驗，該等直段的技術(shù)參數(shù)完全滿足設(shè)計要求，等直段樣件的成功研制為我國大型飛機的研制打下了良好的基礎(chǔ)。
結(jié)束語
通過對大型客機前機身等直段研制關(guān)鍵技術(shù)的研究，為某大型客機等直段鋁鋰合金零件制造技術(shù)和飛機數(shù)字化裝配技術(shù)應(yīng)用提供了可靠的依據(jù)。
通過等直段的試制，驗證了大型飛機機身鋁鋰合金典型鈑金件制造工藝方法和機身典型結(jié)構(gòu)裝配工藝方案，為探索大型客機的研制流程積累了經(jīng)驗，也為大飛機的批量生產(chǎn)任務(wù)的完成奠定了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。
前機身等直段研制關(guān)鍵技術(shù)
由于第三代鋁鋰合金添加了鋰元素，使材料較為活潑，易腐蝕形成麻點。第三代鋁鋰合金的成形工藝技術(shù)、機械加工技術(shù)，特別是薄板數(shù)控加工技術(shù)的研究在國際上尚處于探索階段。某大型客機等直段研制應(yīng)解決的關(guān)鍵技術(shù)包括：第三代鋁鋰合金蒙皮滾彎成形、鋁鋰合金蒙皮數(shù)控加工技術(shù)、公差仿真應(yīng)用技術(shù)和三維數(shù)字化工藝設(shè)計與仿真技術(shù)。
（1） 第三代鋁鋰合金蒙皮滾彎成形。滾彎成形具有成形零件表面質(zhì)量高、節(jié)約模具、工藝參數(shù)容易控制等優(yōu)點，是單曲度蒙皮制造的主要工藝方法。第三代鋁鋰合金材料具有強度高、彈性模量高、成形困難等特征，因此，掌握鋁鋰合金滾彎技術(shù)，實現(xiàn)壁板蒙皮彎曲精確制造是大飛機等直段研制首要攻克的關(guān)鍵技術(shù)。
（2） 大型鋁鋰合金蒙皮數(shù)控加工技術(shù)。傳統(tǒng)的蒙皮下陷加工通常采用化銑工藝，但化銑工藝有著諸多的缺點：相對尺寸和厚度控制不易精確、表面質(zhì)量較差、零件疲勞壽命合格但差異較大、加工周期較長且不環(huán)保。采用數(shù)控加工工藝則可以解決這些問題。由于蒙皮材料具有相應(yīng)的厚度偏差，彎曲成形后校平也存在一定的曲度變形。因此，在保證數(shù)控銑切中蒙皮裝夾合理的前提下，盡可能縮小公差，是蒙皮數(shù)控加工需解決的技術(shù)難點之一。此外，機身蒙皮厚度為1.6~2.4mm，要在蒙皮彈性變形階段加工出蒙皮厚度20%~25%的下陷，是蒙皮數(shù)控加工需解決的另一技術(shù)難點。
（3） 公差仿真應(yīng)用技術(shù)。公差仿真是數(shù)字化協(xié)調(diào)技術(shù)的基礎(chǔ)，是構(gòu)建數(shù)字化協(xié)調(diào)技術(shù)體系的基石。大型客機制造裝配質(zhì)量要求更高、協(xié)調(diào)更嚴(yán)格，急需攻克面向飛機大部件的公差仿真技術(shù)，為解決數(shù)字化協(xié)調(diào)提供技術(shù)基礎(chǔ)。利用公差仿真技術(shù)定量計算裝配件在某一個工位安裝后，由于零件公差而產(chǎn)生的誤差，對公差分配不合理部位提前預(yù)警，有利于更好地優(yōu)化各部件的容差分配，優(yōu)化整個部件的制造工藝。
（4） 三維數(shù)字化工藝設(shè)計與仿真技術(shù)。MBD技術(shù)是現(xiàn)代飛機設(shè)計的新技術(shù)之一，它將用于表達(dá)幾何信息和非幾何信息的數(shù)據(jù)按照一定的規(guī)則在同一個數(shù)模文件中表達(dá)。設(shè)計部門向制造單位提交的結(jié)果是涵蓋豐富信息的三維數(shù)模，而不再發(fā)放曬藍(lán)圖紙。因此，利用MBD三維數(shù)模中的相關(guān)信息，開展工藝設(shè)計特別是裝配工藝設(shè)計是飛機部件，也是鋁鋰合金等直段研制，必須解決關(guān)鍵技術(shù)之一。
關(guān)鍵技術(shù)解決方案
1 第三代鋁鋰合金蒙皮滾彎成形
由于第三代鋁鋰合金材料是在研新材料，需要對其進行過滾彎工藝試驗，摸索材料成形性能，確定成形參數(shù)。蒙皮滾彎成形后會存在回彈，而蒙皮展平并真空吸附后外形又會發(fā)生變化。為了使蒙皮零件外形符合要求，在制造零件前進行大量蒙皮滾彎工藝試驗，采用過滾彎工藝方法，即將零件滾彎成形彎曲半徑小于零件理論外形彎曲半徑，使零件回彈后其外形回復(fù)到理論外形，摸索出滾彎回彈工藝參數(shù)，為后續(xù)蒙皮零件制造提供了技術(shù)參數(shù)。
采用AL-Li-S-4（鎂鋁）和2198-T8（加鋁）兩種第三代鋁鋰合金材料，研究其蒙皮滾彎工藝技術(shù)參數(shù)，首先通過試片級樣件來摸索并獲得其工藝參數(shù)后，再進行零件級的工藝參數(shù)驗證。
2 大型薄蒙皮數(shù)控加工代替化銑
通過鋁鋰合金大型蒙皮數(shù)控加工代替化銑工藝研究，可以保證切削過程中的產(chǎn)品質(zhì)量，同時優(yōu)化控制結(jié)構(gòu)件各部位的應(yīng)力狀態(tài)，實現(xiàn)大型結(jié)構(gòu)件型面精確控制，降低制造成本，滿足大型飛機延長壽命的要求。在環(huán)保節(jié)能方面，數(shù)控加工工藝比化銑工藝更優(yōu)越。
2.1 試片級鋁鋰合金數(shù)控加工試驗
在進行鋁鋰合金金屬銑切性能研究中，從試片級開始，針對AL-Li-S-4（鎂鋁）和2198-T8（加鋁）兩種第三代鋁鋰合金材料，研究其機械加工性能，驗證刀具、加工參數(shù)以及切削液對鋁鋰合金表面質(zhì)量的影響。主要試驗內(nèi)容包括：鋁鋰合金材料數(shù)控加工的轉(zhuǎn)速、切屑量、進給量等切屑參數(shù)的選擇；刀具材料、刀具結(jié)構(gòu)、刀具夾持方式的選擇；切削液以及冷卻液的選擇。
試驗結(jié)果表明，數(shù)控加工能夠滿足蒙皮零件表面質(zhì)量設(shè)計要求（即表面粗糙度值Ra≦3.2mm），刀具可選擇整體硬質(zhì)合金 2齒，使用熱漲刀柄HSK63裝夾，且經(jīng)熒光滲透檢查發(fā)現(xiàn)無隱性裂紋。
2.2 數(shù)控機加工藝與化銑工藝對比
（1） 鋁鋰合金大型蒙皮數(shù)控代替化銑技術(shù)。在利用試片級鋁鋰合金數(shù)控加工試驗獲得鋁鋰合金基本加工參數(shù)的基礎(chǔ)上，選取等直段部件后段左側(cè)下壁板以及后段左側(cè)上壁板蒙皮零件進行工藝試驗，研究鋁鋰合金大型蒙皮數(shù)控代替化銑技術(shù)。左側(cè)下壁板蒙皮零件展開尺寸1020 mm×2650mm，零件下料尺寸1100 mm×2800mm，零件數(shù)控加工方法為：下料，對板料1200mm×3000mm按下料尺寸1100mm×2800mm下料，余料1200mm×200mm用于制造檢驗樣板；蒙皮滾彎成形，將蒙皮按理論弧度滾彎成形（=2000mm），滾彎成形時應(yīng)注意保護蒙皮表面，滾彎成形后按樣板檢驗，記錄成形后零件弧度的檢驗數(shù)據(jù)； 真空吸附后進行數(shù)控加工，真空吸附時應(yīng)注意保護蒙皮表面，數(shù)控加工完后，檢驗記錄蒙皮銑切處的厚度值以及各銑切處的相對位置；再次按理論弧度滾彎校形（R=2000mm），按數(shù)控樣板檢；記錄弧面弧度值，待將數(shù)控加工完的零件進行滾彎校形，校形完成后，按數(shù)控樣板檢驗記錄弧面弧度值，并同時檢驗記錄銑切處的相對位置以及檢查銑切跟部是否出現(xiàn)壓痕、裂紋。
經(jīng)檢驗，試驗件加工精度能夠滿足大飛機設(shè)計蒙皮下陷偏差為±0.1mm的精度要求。
3 基于三維模型的裝配工藝設(shè)計與仿真應(yīng)用
3.1 裝配工藝仿真基本流程
等直段裝配仍以手工裝配方式為主，需要大量的專用工裝，在工藝設(shè)計中需考慮裝配的協(xié)調(diào)性、空間開敞性和工具可達(dá)性等。如圖1所示，結(jié)合DELMIA 的DPE、DPM 模塊應(yīng)用方法，裝配工藝設(shè)計基本工作流程按如下6個步驟進行。（1）產(chǎn)品分析：可視三維模型分析、調(diào)入EBOM、構(gòu)建PBOM、工藝分工；（2）工藝定義：工藝方案確定、工藝參數(shù)選取、工藝模型建立；（3）工序流程：工藝順序確定、裝配約束選取、工藝裝備選取；（4）AO 策劃：AO 內(nèi)容設(shè)計、組件數(shù)模關(guān)聯(lián)、工裝設(shè)計；（5）裝配仿真：工裝數(shù)模關(guān)聯(lián)、裝配流程及干涉仿真優(yōu)化、工藝布局設(shè)計；（6）結(jié)果輸出：仿真結(jié)果輸出、AO 輸出。
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圖1 裝配工藝設(shè)計及仿真工作基本流程
（1）裝配工藝分離面劃分。產(chǎn)品數(shù)據(jù)導(dǎo)入DELMIA中后，在三維環(huán)境下構(gòu)建產(chǎn)品結(jié)構(gòu)層次，實現(xiàn)工藝分離面劃分，將結(jié)果保存在DPE服務(wù)器中，在DPE中Product節(jié)點下建立IMBOM節(jié)點，層級與EBOM并列，再將工藝分離面劃分結(jié)果與之關(guān)聯(lián)。
（2）裝配工藝設(shè)計信息添加。二維工藝設(shè)計信息在DPE、DPM模塊均可添加，主要內(nèi)容包括結(jié)構(gòu)介紹、工藝分析、零組件定位方法、交付要求、協(xié)調(diào)方法等信息；三維工藝設(shè)計信息僅能在DPM中添加，主要包括定位方法、交付要求等信息。
（3）AO項目設(shè)計及參裝零件指派。按工藝分離面區(qū)分，在各工位的工藝過程中建立AO項目，給定AO編號及名稱，然后在可視環(huán)境下將部件/段件/組合件中的零件分配到AO中。
（4）連接件建模及指派。按工藝分離面創(chuàng)建工藝連接件模型ERM，將設(shè)計的連接件信息通過關(guān)聯(lián)粘貼添加到ERM中，創(chuàng)建旗注說明相應(yīng)緊固件的連接對象，最后在DELMIA-DPM中將連接件指派到各自的AO中。
（5）裝配仿真驗證及優(yōu)化。按《飛機數(shù)字化預(yù)裝配通用要求》進行裝配順序仿真和評價，驗證方案設(shè)計的合理性、可行性，產(chǎn)品裝配順序仿真通過零、組件指派和裝配順序設(shè)定來實現(xiàn)。具體的實施步驟如下：產(chǎn)品指派，裝配順序設(shè)定，裝配順序查看及分析，裝配路徑仿真，人機工程仿真，干涉仿真，裝配工藝優(yōu)化等。
4 數(shù)字化公差仿真
公差仿真技術(shù)研究是對典型飛機結(jié)構(gòu)關(guān)鍵協(xié)調(diào)部位的協(xié)調(diào)要求進行數(shù)字化工藝容差分配和分析。通過建立飛機零件關(guān)鍵協(xié)調(diào)部位公差特征、基于三維數(shù)字模型的公差模型和數(shù)字化技術(shù)的裝配協(xié)調(diào)基準(zhǔn)的制定方法，然后根據(jù)裝配方案對設(shè)計圖樣提出的公差及工藝過程容差分配進行仿真優(yōu)化、分析研究，驗證其制造安裝的有效性和可靠性，并根據(jù)仿真分析驗證結(jié)果，調(diào)整、優(yōu)化設(shè)計公差與工藝容差分配。優(yōu)化裝配順序或裝配基準(zhǔn)，從而優(yōu)化整個裝配協(xié)調(diào)工藝，甚至可以減少或摒棄標(biāo)準(zhǔn)工裝（量規(guī)、樣件等），并為建立起高效可靠的數(shù)字化裝配協(xié)調(diào)體系，以及數(shù)字化裝配打下堅實的基礎(chǔ)。通過在設(shè)計階段對飛機制造過程各環(huán)節(jié)進行工藝容差的合理分配與仿真優(yōu)化，分析對敏感區(qū)域的變形貢獻者和幾何影響因素。
關(guān)鍵技術(shù)研究成果應(yīng)用
1 第三代鋁鋰合金零件制造技術(shù)
通過各項工藝試驗得出的鋁鋰合金成形參數(shù)與典型鋁合金如2024、7075等材料的成形參數(shù)進行對比，獲得鋁鋰合金材料加工的基礎(chǔ)工藝數(shù)據(jù)、零件制造性能和裝配性能。某大型客機鋁鋰合金等直段部段蒙皮全部為單曲度蒙皮，蒙皮全部采用過滾彎成形方式，通過蒙皮過滾彎成形工藝試驗，分析滾彎成形彎曲半徑，實現(xiàn)了大型蒙皮的成形，蒙皮零件裝配時與裝配卡板間隙在0.8mm以內(nèi)，如圖 2所示。
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圖2 蒙皮滾彎零件
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圖3 數(shù)控加工代替化銑工藝得到的蒙皮零件
對等直段裝配工藝設(shè)計進行仿真案例研究，在等直段試驗件初級工藝設(shè)計階段，開展工藝分析、工藝方案制定、工裝方案制定，工藝設(shè)計過程中及時與設(shè)計協(xié)調(diào)，針對產(chǎn)品設(shè)計不合理及產(chǎn)品干涉問題及時提出更改建議，設(shè)計部門根據(jù)反饋發(fā)出零、組件更改664項；同時結(jié)合部件裝配協(xié)調(diào)方案的主供商評審意見，調(diào)整了14個浮框工藝分離方法及前、后段的上、下共4個半壁裝配流程。
在等直段試驗件的詳細(xì)工藝設(shè)計階段，結(jié)合指令的完善及歸零工作，進行其余各組件的裝配仿真工作。此外，基于三維模型的等直段裝配工藝設(shè)計與仿真還達(dá)到了如下效果。
（1）改變裝配工藝設(shè)計工作模式。
利用裝配仿真軟件對飛機部件數(shù)模進行預(yù)裝配，對工藝流程可行性、裝配資源有效性、裝配可達(dá)性等進行仿真和驗證，以擺脫對物理樣機及所涉及工藝裝備的依賴，實現(xiàn)裝配工藝設(shè)計的可視化和裝配資源的顯性配置，如圖4所示。
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圖4 等直段試驗件裝配仿真示意圖
裝配仿真最終形成的裝配順序可錄制成動畫視頻，提供給現(xiàn)場作業(yè)人員作為操作指導(dǎo)。操作者不但能較容易掌握裝配產(chǎn)品的裝配工藝，而且在裝配現(xiàn)場，能針對復(fù)雜裝配工藝反復(fù)觀摩裝配仿真動畫，實時糾正裝配動作，使裝配過程符合規(guī)范。
3 容差分配與仿真
基于VSA進行公差仿真，優(yōu)化后機身各自裝配工位上的裝配工藝模型；以產(chǎn)品質(zhì)量技術(shù)要求和機身對接技術(shù)要求，調(diào)整優(yōu)化大飛機前機身等直段、后機身段在各個工位上，裝配過程中定位基準(zhǔn)、裝配順序、各制造環(huán)節(jié)公差大小等影響要素，確保了最終產(chǎn)品對接成功。
在以上關(guān)鍵技術(shù)研究和逐步應(yīng)用的基礎(chǔ)上，成功研制了前機身等直段樣件。經(jīng)檢驗，該等直段的技術(shù)參數(shù)完全滿足設(shè)計要求，等直段樣件的成功研制為我國大型飛機的研制打下了良好的基礎(chǔ)。
結(jié)束語
通過對大型客機前機身等直段研制關(guān)鍵技術(shù)的研究，為某大型客機等直段鋁鋰合金零件制造技術(shù)和飛機數(shù)字化裝配技術(shù)應(yīng)用提供了可靠的依據(jù)。
通過等直段的試制，驗證了大型飛機機身鋁鋰合金典型鈑金件制造工藝方法和機身典型結(jié)構(gòu)裝配工藝方案，為探索大型客機的研制流程積累了經(jīng)驗，也為大飛機的批量生產(chǎn)任務(wù)的完成奠定了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。