制造当今飞机机翼的工艺

在当今高产的航空航天工业中制造飞机机翼需要什么？作为我们关于航空航天和国防制造系列的第 2 部分，模具制造商解释了他们如何帮助该行业找到越来越多的时间来节省加工时间。

机翼不一定被认为是飞机中最难制造的部分——但它们很大，需要大的、敞开的水平加工和几天的时间来制造。与所有航空航天和国防制造一样，业务挑战是在保持最高生产质量的同时找到效率。

需求旺盛，生意兴隆。据我们采访的模具制造商称，主要飞机制造商每月生产 40 到 60 架商用飞机，具体取决于型号。

多年来，机翼本身的制造并没有发生巨大变化，这与发动机部件不同，后者有很多变化。在某些情况下，工程师一直在修改机翼的一些材料——有时使用更奇特的钛。

总体而言，机翼的材料留在钛阵营，例如 Ti-6AL-4V，或者在铝阵营，其中 6061 占主导地位 - 7075 少一些。一些机翼也由碳纤维增强聚合物（CFRP）制成) 和铝锂——在火箭和航天器中发现。

Better MRO 与来自肯纳金属、山特维克可乐满和山高刀具的三大工具制造商的工程师就机翼和机翼连接部件（包括挂架）的最佳实践进行了交谈。

飞机机翼设计：机翼肋、翼梁、纵梁

飞机机翼结构由骨架和外壳组成。机翼的骨架由三个主要部分组成：翼梁、肋骨和纵梁。翼梁沿着机翼的翼展延伸，有助于控制弯曲量，而翼肋形成机翼的空气动力学形状并从前缘延伸到后缘。

纵梁横跨在肋之间，平行于翼梁，用于加强机翼。总之，这个骨架不仅要支撑飞行载荷，还要支撑发动机，容纳许多内部组件并容纳大量燃料。

“一些较硬的铝合金，例如 7075，需要非常坚韧的硬质合金来切削和维持可接受的刀具寿命，”肯纳金属解决方案工程团队的航空航天和国防高级工程师 Mark Francis 说。

“对于机翼蒙皮，它是一种面铣式工具。根据机翼的大小，您需要一个非常大直径的工具，以便您可以在更短的时间内覆盖更多的表面。机翼内部还有许多功能可以切割，以便连接东西，”弗朗西斯解释道。

这里的目标是能够用最少的工具切割所有安装特征，以限制更换工具的时间。从皮肤上去除材料时，一切都是为了使用大型龙门式机器获得极其光滑的表面。这与使用手动工具无关。它意味着尽可能自动化和严格。

“切削刀具几何形状的细节会对金属去除率 (MRR) 产生影响，”山高刀具北美应用专家 Eric Gardner 说。 “通过正确的可调几何形状，制造商可以看到 MRR 提高 30% 以上，这通常可以转化为零件制造生产率提高 15% 到 20%。”

“这些翼梁和安装特征区域的表面必须非常非常光滑，”弗朗西斯说。 “我们通常在这里使用开槽式刀具或精加工刀具......不可能有“搭接线”，这是一条沿着切削表面长度延伸的线，可能是由一对夫妇的不匹配造成的沿着切口的宽度插入。”

圈线是压力提升器——机翼内部有很多压力，所以如果存在压力提升器或圈线，情况就会很糟糕。机翼将被拒绝，必须重新加工或报废。对于如此重要​​且庞大的部分，报废一个是一个可怕且昂贵的选择。

了解有关翼板的更多信息：观看此翼结构。来源：空客A380

弗朗西斯说，为了帮助消除搭接线，航空航天制造商通常使用直径为 10 到 12 英寸的可调节轮式刀具，以及专为航空级铝合金设计的硬质合金刀片，刀体具有多种配置。

“并且硬质合金刀片必须与下一个刀片完全一致，因此跳动必须为零。我们真正实现这一目标的唯一方法是使工具可调节，”弗朗西斯说。 “客户将这些刀片中的每一个调整到特定的直径，这样当工具沿着翼梁向下运行时，就会消除搭接线。这是绝对必须的……我们不能有任何不一致的地方。”

详细了解测试机翼所需的质量工作。观看“波音如何测试 777X 的翼梁”来源：波音

潜在问题区域：机翼外壳上的切屑疏散

当去除机翼蒙皮上的金属时，超大型飞机的机翼本身可能有几百英尺长。它不是完全平坦的，但有很多金属可以在巨大的平板上切割 - 并使其变得光滑。

“在许多情况下，有一个真空系统用于将碎片从机翼皮肤上拉下来，”弗朗西斯说。 “当刀片再次返回时，这些切屑可能会卡住，并重新切割并涂抹在材料中。这是绝对不行的。我们不希望这样。”

为了帮助避免这种情况，工具制造商调整几何形状，以使切屑能够快速抽空并用真空吸起，而不会被带回切割中。通常在这些平板上，制造商使用轻雾来帮助排屑或干切削 - 因为对于这些大型机翼蒙皮来说，这是一个如此大且开放的区域。

关于制造飞机有很多要了解的。更深入。阅读“为速度而生：按时制造优质飞机发动机。”

国防部门推动了飞机机翼设计的一些重大变化

“例如，在军事领域，我们已经看到飞机降落在航空母舰上的机翼发生了变化，”山特维克可乐满专注于航空航天的全球工程经理 Bill Durow 说。 “当它们着陆时，对机翼的需求更大。所以他们一直在改变和玩弄材料以获得更坚固的材料。”

根据 Durow 的说法，这种更坚固的材料包括 Ti-5553 和 Ti-1033 等钛合金，它们更难加工。这些材料可能会导致刀具寿命问题，并且必须以较低的速度加工，因此生产力可能会受到影响。

“根据一般经验法则，钛 5553 材料是一种 β 钛，与典型的 α-β 钛（如 6AL-4V）相比，刀具寿命将缩短约 50%，”Durow 说。

用于这些应用的大多数刀具包括圆形刀具、整体硬质合金立铣刀、长刃刀具和许多方肩型刀具。

“就您正在加工的几何形状而言，刀具会经常出现缺口磨损，因此您可以采用不同的技术来尝试缓解这种情况，”Durow 说。

较新的铝复合材料获得成功：铝锂

据山高刀具的 Gardner 称，与 7000 系列铝相比，铝锂将使刀具寿命缩短 50% 到 70%。

“它比其他铝材更坚固，重量更轻，使其成为航空航天和国防以及火箭和航天器的理想选择，”加德纳说。

随着主轴技术的不断发展，产量不断增加，一些系统能够在 120 千瓦的高加速度下通过正确的工具获得高达 30,000 rpm 的转速。

Gardner 说：“它的磨蚀性相对较高，因此需要锋利的正向工具才能用耐磨涂层（例如 DLC 或‘类金刚石涂层’）对其进行切割。

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减少多台机器上的设置如何节省时间、提高准确性

工具制造商试图帮助航空航天和国防制造商提高效率的一个领域是减少将零件移动到不同机器的设置和转换。山特维克可乐满有一个很好的例子，一个连接在机翼上的挂架，它被移动到三台不同的机器上，并有四种设置。

挑战？说服客户使用一台 5 轴机器并停止所有设置。当在一台机器上进行优化时，可以更严格地控​​制精度，同时在吞吐量方面获得大量时间。

“因此，在这种情况下，最大的挑战是说服该客户，将其留在一台机器上，”Durow 说。 “让我们尽可能多地推出。您不会失去准确性，因为它已锁定到位，并且一切都与您开始的位置相关。然后翻转它，完成底部，你就完成了。”

最后，他们只需将部件保留在一个系统上，就能够帮助将这个塔架部件从 22 小时减少到 6 小时，并且最终使用更少的工具。这次没有考虑零件从一台机器移动到另一台机器 - 只是加工方面。

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