航空铝合金及其材料加工分析

王素华 易义凤 曹婷婷

【摘 要】随着现代社会的高速发展，飞机成为人类生活中重要的交通工具。飞机零件的装配是飞机制造过程中重要的组成部分，飞机制造的质量很大程度上取决于各个细微零件的装配情况。因此为满足飞机机体结构高质量，使用长寿命的要求，实现高质量、长寿命、低成本、高效率的装配连接很有必要。本文对于航空铝合材料加工工艺的进行分析和研究，对提高航空铝合金设备的制造质量具有非常重要的意义。

【关键词】航空铝合金；材料加工

铝合金的耐蚀性好、密度较小、有较好的成形性、而且其资源丰富、数据充分、成本不高，性能也在逐年不断地提高，因此现代民用大型飞机中铝合金是不可缺少的主要材料之一。航空整体结构件数控加工变形的问题涉及到了材料成型加工、力学、机械制造以及切削加工等多个学科领域。对飞机零件进行薄壁化设计可以有效地控制飞机的重量，结构的整体化可以大大的影响生产效率和制造的成本，还可以减少零件的数量以及连接装配的工作量。因此在航空材料加工中，不断地创新和优化其加工工艺，进一步控制大型整体结构件加工过程中的变形。

一、航空用系列铝合金的性能和应用情况

飞机需要有高的运输效率和良好的飞行性能，因而需要结构材料具有高强、高韧、抗疲劳、耐腐蚀和高可焊等性能。而目前飞机中常用的是2024铝合金。

2024铝合金塑形高，具有断裂韧性和抗疲劳扩展性，耐热性等特点。2024铝合金厚板主要用在机身、机翼、抗剪肋板和腹板以及对强度要求较高的其他结构件上。2124合金具有较高的韧性，抗疲劳性能和抗应力腐蚀等优良性能。因此常用在波音，空客等民用大飞机上。2224合金是在2024铝合金的基础上进一步高纯化得到的。其主要用于生产T3511状态挤压件，该挤压件已经用于制造Boeing757和767等大飞机的结构件。2219合金具有良好的焊接性，耐热性，韧性等性能，在飞机油箱制造过程中得到使用。2324-t39铝材经过一系列处理后，屈服强度大幅度提高，接近22%，即将在波音系列飞机上广泛使用。

二、目前对航空铝合金加工技术的需求

铝合金整体构件都具有其壁薄、体积大、刚度差和易变性的特点，这就导致了其在加工时加工周期长、切削加工余量大和加工精度难控制的缺点。而目前大型商用客机由于性能要求的提高，对于飞机的整体腹板、整体梁和长缘条等部分的制造加工要求也越来越高。这就要求拥有更细致和更可靠的控制铝合金加工变形技术。

1.航空铝合金的加工要求

航空铝合金较之其他金属，具备很好的可切削性。但是航空铝合金在加工过程中的要求却远远高于汽车等其他制造业。这些要求主要反映在航空制造加工业对质量加工效率、零件精度和航空构件加工的形位误差控制上。这些都导致了高效的铣削加工一直备受关注。

2.大型航空铝合金整体结构的缺陷

利用大型航空铝合金制造的航空整体结构一般包括客机的整体框、整体壁板、梁缘条和整体肋等。这些构件在制造加工中往往会出现刚性差的特性，加上切削振动、切削力和切削热的作用则会容易导致零件变形。这样一来，整体结构的加工精度和加工表面的质量均会降低。

3.高速切削技术

高速切削技术是一种金属加工领域的新工艺，它将切削工艺和高速加工技术进行了良好的结合，在目前航空整体结构件的加工上得到了广泛的应用。目前国外的高速切削技术已经得到了国防部、政府和有关企业的支持。波音公司在加工目前最大的航空整体构件之一的C-17铝合金机翼框架时候就使用了高速切割技术，仅仅耗时100h，4吨重的毛培切削完成。我国在前几年还以传统的制造业为主，航空制造加工工业的技术水平相对较低，加工时使用的仍是产同的铝合金切削工艺。这种切削工艺导致了我国航空制造加工业的落后。尤其是对于一些大尺寸零件和薄壁、型面复杂、复杂结构的难加工零件，如果采用这种加工方式，工艺路线复杂和加工周期长，周期要求难以得到满足。在这种情况下，只有通过高效高速的切削，才能够有效地提高加工效率。

三、航空铝合金及其材料的加工调控

航空铝合金及其材料的加工中，针对材料的成分、组织提出调控的要求，确保铝合金及其材料加工，符合航空飞机制造的规范标准。

1.成分调控

航空铝合金的成分调控，需根据航空制造的要求，增加铝合金中的主元素含量，改变铝合金的性能，便于提高合金强度。铝合金成分调控中的主元素，含量比重不能影响铝合金的集体成分。根据金属材料的动力学、热力学，把控好铝合金的强度、韧性等成分应用，适当地增加铝合金内的成分，有利于提升铝合金的性能，调控铝合金材料的成分，改变铝合金的性能，优化铝合金在航空制造中的运用，使铝合金材料表面、中心位置，性能上不能出现较大的差距，保证铝合金材料的整体性能。

2.组织调控

组织调控是航空铝合金及其材料加工中不可缺少的部分，负责铝合金材料的制备。航空铝合金及其材料，经过组织调控后，生产出高质量、无裂纹的铸造，专门用于制造大规模的零部件，解决铝合金材料的分配处理问题。铝合金材料组织调控过程中，禁止发生熔体偏析的问题，便于结晶出较宽的高强铝合金材料，减轻铝合金材料铸造的难度，优化铝合金组织调控的环境。

3.变形调控

优化加工工艺和改进装夹系统，是控制大型整体结构件加工过程中变形的最有效的策略。优化的控制策略一般可以分为两大类，第一种是以侧壁加工为主要特征的加工，其控制策略分为三方面：一是为了使零件局部保持高刚度，采用分层环切的刀具路径。二是为了避免由于让刀而造成的加工误差，可以根据具体不同的加工情况选择逆铣方式，而采用顺铣方式可以避免产生过切的现象。三是在選择刀具的时候要合理的选择道具的参数，也就是要选择带有一定圆角的刀具来进行侧壁的加工工艺。第二种是以底面加工为主要特征的加工，其控制策略分为三个方面：一是为了在加工过程中使零件局部保持刚度，可以采用中心环切的刀具路径。二是在选择刀具的时候，为了使加工过程中的轴向力较小，尽量不选用那些带有圆角的刀具。三是为了减小加工过程中的底面变形，要选择真空夹具装夹。

四、结语

航空铝合金及其材料的加工，按照性能设计、应用以及调控的方法，提高航空铝合金的基础性能，避免影响铝合金及其材料在航空运行中的实际运用，完善航空铝合金的加工环境，最主要的是利用调控的方法，缓解航空制造中的材料压力，表明铝合金及其材料加工的重要性，严格按照航空制造的规范，把控铝合金及其材料的加工过程。

【参考文献】

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