飞机大型蒙皮制造技术现状分析

２００８年６Ｂ　沈阳航空工业学院学报　第２５卷第３期　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｓｈｅｎｙａｎｇ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｊｕｎ．２００８　Ｖｏ１．２５　Ｎｏ．３　

文章编号：１００７—１３８５（２００８）０３—０００１—０５　

飞机大型蒙皮制造技术现状分析　

韩志仁祁桂根张凌云　

（沈阳航空工业学院宇航学院，辽宁沈阳１１０１３６）　

摘要：大型蒙皮是大型飞机的外表主要大型薄壁零件，飞机大型蒙皮制造是大型飞机制造的关　

键技术之一。重点介绍了喷丸成形和蠕变时效成形两种大型蒙皮制造技术的特点、国内外发展　

现状以及其中的关键技术。为了提高我国大型蒙皮技术制造水平，必须加大设备和关键技术方　

面的投入，同时也要对激光钣金技术予以必要的关注。　

关键词：飞机；大型蒙皮；制造技术；喷丸成形；蠕变时效成形；激光成形　

中图分类号：Ｖ２６２　文献标识码：Ａ　

过去，我国主要进行封闭式的军用飞机研制　

和生产，难以与国际上大型的飞机制造公司进行　

先进制造技术的交流。虽然近几年我国飞机制造　

公司为波音和空客等公司进行飞机零部件的转包　

生产，零星地看到和学到了一些先进的制造技术，　

但是缺乏对先进制造技术的系统化研究。另外，　

国外对中国在高新技术领域和尖端设备上采取限　

制政策，我国对国外先进制造技术的发展和应用　

情况缺乏足够的了解，仅满足于能把飞机制造出　

来。因此，制造技术已成为我国大飞机制造过程　

中的薄弱环节，而大型蒙皮类零件的成形技术就　

是其中的一个环节。　

大型蒙皮在强度、波纹度等方面均优于小蒙皮　

的拼接结构。在大型飞机设计中普遍采用大型蒙　

皮，大型蒙皮具有尺寸大、曲率小、长宽比大的特　

点。例如空客Ａ３８０翼面蒙皮长３３米、宽２．５米，　

厚３毫米～２８毫米。由于大型蒙皮的成形受设备　

尺寸的限制，滚弯、闸压、拉形等成形方法已经不能　

满足要求，空客、波音等大飞机制造公司主要采用　

喷丸成形和蠕变时效成形方法。下面主要就这两　

种方法的现状、特点、关键技术等进行介绍。　

１　喷丸成形　

喷丸成形由美国Ｉ￣ｃｋｈｅｅｄ航空公司的工程　

师Ｊｉｍ　Ｂｏｅｒｇｅｒ在２Ｏ世纪４Ｏ年代首先提出　。　

收稿日期：２００８一Ｏｌ一２３　作者简介：韩志仁（１９６４一），男，河北唐山人，教授，博士，主要研　

究方向：飞机数字化制造，塑性成形及有限元理论。Ｅ—ｍａｉｌ：ｈａｎ－　

Ｉ￣ｎ８８８＠１６３．ｃｏｍ。　已成功应用于军用飞机及Ａ３１０一Ａ３４０、７０７—　

７７７、ＭＤ１１、ＭＤ８０、ＭＤ９Ｏ、ＭＤ９５、ＤＣ１０、ＡＴＲ７２、　

Ｄｏ１２２８、Ｄｏ１３２８等民用飞机的整体壁板零件制造　

中。随着技术的发展，又出现了预应力喷丸成形　

技术、数字化喷丸成形技术、双面喷丸成形技术、　

激光喷丸成形技术、超声喷丸成形技术、高压水喷　

丸成形技术等。喷丸成形技术是飞机大型蒙皮成　

形的关键技术之一。　

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。　

喷丸成形经过了６Ｏ多年的发展，取得了很多　

成绩。但由于工艺参数确定困难，成形能力有限，　

而受到限制。对大型蒙皮喷丸成形的应用主要存　

在两个方面的困难，一是设备问题，二是工艺问　

题。为了适应大型蒙皮成形的需要，国外积极开　

发大型喷丸设备。例如ＫＳＡ和ｂａｉｋｅｒ为空客　

Ａ３１８和Ａ３８０联合研制的喷丸设备　Ｊ，采用六轴　

数控系统，六个轴的定位精度为０．１ｍｍ，使用的　

弹丸直径４毫米。设备长１３．５米、宽４．５米、高６　

米，喷丸成形蒙皮最大尺寸长宽为１１米×３．１米　

（见图１）。我国在喷丸设备的研发方面投人很　

少，设备的规格和综合性能与国外先进的设备相　

差较大。我国航空企业从法国、美国引进一些数　

控喷丸设备，在战斗机蒙皮成形中发挥了很大作　维普资讯 http://www.cqvip.com ２　沈阳航空工业学院学报　第２５卷　

用。但对于大型民用飞机的大型蒙皮成形现有的　

设备不能满足要求，还需要大尺寸、高性能的数控　

喷丸设备。　

喷丸成形虽然得到了很好的应用，但很大程　

度上依赖技术人员的经验和工艺试验确定工艺参　

数。将现有的经验应用于大型蒙皮成形会少走很　

多弯路，同时也可能遇到很多新的问题，加强对大　

型蒙皮喷丸成形工艺研究非常必要。　

大型蒙皮喷丸成形技术发展的特点：　

（１）喷丸技术数字化。在国外飞机的数字化　

设计和数字化制造已经得到了很好的应用，特别　

是在美国的洛克西德公司的一些机型的研制生产　

中已经完全采用的了数字化设计和数字化制造技　

术。国内航空企业也在推广数字化设计和数字化　

制造技术。在数字化制造中喷丸技术的数字化主　

要体现在工艺参数数字化和喷丸过程数字化控制　

两个方面。工艺参数数字化基于工艺数据库、数　

字化测量技术、虚拟可视化技术和ＣＡＥ技术，建　

立一套喷丸工艺参数快速确定系统，不仅可以预　

测和控制成形参数，而且可预测和控制喷丸强化　

与抛光工序对蒙皮的影响。喷丸过程数字化控制　

体现在设备上，国外数控喷丸设备有ｌ０轴、９轴、　

６轴、５轴等多种数控系统＿６　；　

（２）自动化程度高　］。自动化喷丸成形技　

术的优点非常明显，用户不需进行任何的编程和　

测试，操作者只需按动开始按钮，设备将自动完成　

零件程序预先设定好的其他工作。自动化喷丸成形　

技术使产品质量稳定，减小了人为因素的影响；　

（３）设备大型化。为了满足大型蒙皮的喷丸　

成形需求，开发大型精密喷丸设备非常必要；　

（４）成形精密化。通过提高喷丸设备的自动　

化程度和工艺参数的精确预测，提高喷丸成形件　

的精度，不需要后续的校形。　

２蠕变时效成形　

由于时效成形设备的发展及相关工艺的研　

究，时效成形已经应用于飞机机翼蒙皮的制造。　

２０世纪８０年代Ｂｌ—Ｂ远程轰炸机长ｌ５．２米、宽　

０．９—２．７米、厚２．５—６．５毫米的机翼蒙皮使用　

了蠕变时效成形技术　Ｊ。９０年代初，时效工艺开　

始应用于Ｇｕｌｆｓｔｒｅａｍ、Ａｉｒｂｕｓ　Ａ３３０／Ａ３４０的上翼面　

制造中。最近Ａｉｒｂｕｓ公司又将蠕变时效成形工　

艺应用于Ａｉｒｂｕｓ　Ａ３８０长３３米、宽２．５米、厚３．０　

—２８毫米突变的铝合金机翼蒙皮制造　Ｊ。欧盟　图１　ＫＳＡ和ｂａｉｋｅｒ联合研制的喷丸机　

在“ＦＰ５”计划（ｔｈｅ　Ｆｉｆｔｈ　Ｆｒａｍｅｗｏｒｋ　Ｐｒｏｇｒａｍｍｅ）中　

专门设立了“时效成形”的跨国联合研究项目　Ｊ，　

该计划始于２００２年５月，拟开发可时效成形铝合　

金并进行应用研究，相应的计划如图２所示。波　

音和空客等大型飞机制造商不仅在大型蒙皮成形　

设备上具有优势，而且蠕变时效工艺方面已经成　

功地应用于大型蒙皮的成形。在国内由于主要生　

产战斗机，没有成形大型蒙皮的经验。特别是蠕　

变时效工艺的研究在国内刚刚起步，缺少蠕变时　

效的设备，目前只能利用现有的辅材加工的热压　

罐，设备最大ｌ０米左右长。蠕变时效成形已经开　

始受到重视。　

美国　

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图２欧盟时效成形研究计划　

蠕变时效成形是在一定温度和外力的作用下　

材料缓慢变形的过程，其中伴随着蠕变、应力松　

弛、时效的综合作用。蠕变时效成形包括快速加　

载、蠕变时效两个主要阶段。在快速加载阶段，成　

形件由室温开始快速升温到蠕变时效温度，同时　

伴随着载荷的施加，在此阶段中发生瞬间弹性变　

形和瞬间塑性变形。快速加载阶段后进入蠕变时　

效阶段，在此阶段中温度保持不变，工件与凹模帖　册工　曼摩　因特擎　荚醑大　ｌ蓦有　婀　比空豫　噱司　因　蛩　蒯‘《

　维普资讯 http://www.cqvip.com 第３期　韩志仁等：飞机大型蒙皮制造技术现状分析　

模前蠕变为主，工件与凹模帖模后，工件形状基本　

保持不变，主要产生应力松弛现象。材料内部的　

粘塑性应变分量随时间不断增长，使回弹应变分　

量随时间逐渐降低，从而导致变形恢复力（回弹　

应力）随时间逐渐降低，工件回弹减小。同时材　

料在整个过程中伴随着时效。图３为热压罐蠕变　

时效成形示意图。　

１．毛坯２．密封装置３．型面模具４．底座５．抽真空管道　图３热压罐蠕变时效成形示意图　

蠕变时效成形具有成形精度高、重复性好、工　

艺稳定、提高蒙皮的强度、能够生产双曲率复杂形　

状的厚蒙皮和整体壁板件等大型钣金件的优点。　

蠕变时效成形在一次成形中可以得到非常接近要　

求的形状。虽然蠕变时效成形设备和模具制造成　

本高，但对于特大型蒙皮的成形非常有效，是其他　

方法不可替代的。蠕变时效主要涉及两个方面的　

关键问题，一是需要大型的设备，空客公司自行研　

制的世界上最大的热压罐　（见图４），其中压力　

３００吨、罐长４２米、直径６米。二是需要成熟的　

工艺，蠕变时效成形中的关键技术包括载荷施加、　

模具型面确定、模具结构设计与制造、工艺参数的　

确定等。虽然蠕变时效成形具有回弹小的特点，　

但仍然需要根据产品三维形状和回弹量预测确定　

模具型面。考虑到气压加载和便于加工等问题，　

蠕变时效成形模具一般采用组合卡板式结构，具　

体结构如图５所示。　

蠕变时效成形技术发展的趋势：　

（１）数字化技术。模具型面的设计基于蒙皮　

数模并与ＣＡＥ技术相结合。模具制造中采用数　

控加工技术、数字测量技术、激光定位等先进的数　

字化技术；　

（２）自动化技术。特大型蒙皮的转运、定位　

等均采用成套自动化设备完成。加载和时效环境　

的控制自动实现；　

（３）蠕变时效成形的应用范围将被拓宽。蠕　

变时效成形工艺主要应用于飞机机翼的上翼面制　

造，材料为２０２４铝合金。而下翼面受拉伸载荷作　图４空客公司自行研制的热压罐　

图５蠕变时效成形模具典型结构　

用，对材料耐损伤要求高，商用飞机一般采用　

２０２４一Ｔ３５１铝合金，此材料不适合蠕变时效成　

形。需要发展新型可时效成形的耐损伤材料用于　

下翼面。发展更多的适合蠕变时效成形的材料，　

拓宽蠕变时效成形的应用范围。　

发达国家蠕变时效成形的基础理论研究和应　

用方面均得到较大发展＿１　”Ｊ，而我国在蠕变时效　

成形技术上基本处于空白，只有少数的蠕变时效　

微观组织结构和机理研究。没有针对航空的实际　

问题进行详细、系统的研究。应针对铝合金应用　

的部位和性能要求，需要对蠕变时效成形的机理、　

模具型面确定方法、真空包覆技术等关键问题进　

行实用化研究。并加强对适合蠕变时效成形的新　

型铝合金的研究。　

３激光钣金成形技术　

激光弯曲成形的基本原理是利用高能激光束　

扫描金属板料表面，激光束的辐照能量确保板料　

达到的最高温度低于材料的熔点，同时在板料内　

部产生非均匀的温度分布，由于激光辐照产生的　

温度梯度在板料内部形成了热应力，最终板料在　维普资讯 http://www.cqvip.com