航空鋁合金及其材料加工分析

王素華 易義鳳 曹婷婷

【摘 要】隨著現代社會的高速發展，飛機成為人類生活中重要的交通工具。飛機零件的裝配是飛機制造過程中重要的組成部分，飛機制造的質量很大程度上取決于各個細微零件的裝配情況。因此為滿足飛機機體結構高質量，使用長壽命的要求，實現高質量、長壽命、低成本、高效率的裝配連接很有必要。本文對于航空鋁合材料加工工藝的進行分析和研究，對提高航空鋁合金設備的制造質量具有非常重要的意義。

【關鍵詞】航空鋁合金；材料加工

鋁合金的耐蝕性好、密度較小、有較好的成形性、而且其資源豐富、數據充分、成本不高，性能也在逐年不斷地提高，因此現代民用大型飛機中鋁合金是不可缺少的主要材料之一。航空整體結構件數控加工變形的問題涉及到了材料成型加工、力學、機械制造以及切削加工等多個學科領域。對飛機零件進行薄壁化設計可以有效地控制飛機的重量，結構的整體化可以大大的影響生產效率和制造的成本，還可以減少零件的數量以及連接裝配的工作量。因此在航空材料加工中，不斷地創新和優化其加工工藝，進一步控制大型整體結構件加工過程中的變形。

一、航空用系列鋁合金的性能和應用情況

飛機需要有高的運輸效率和良好的飛行性能，因而需要結構材料具有高強、高韌、抗疲勞、耐腐蝕和高可焊等性能。而目前飛機中常用的是2024鋁合金。

2024鋁合金塑形高，具有斷裂韌性和抗疲勞擴展性，耐熱性等特點。2024鋁合金厚板主要用在機身、機翼、抗剪肋板和腹板以及對強度要求較高的其他結構件上。2124合金具有較高的韌性，抗疲勞性能和抗應力腐蝕等優良性能。因此常用在波音，空客等民用大飛機上。2224合金是在2024鋁合金的基礎上進一步高純化得到的。其主要用于生產T3511狀態擠壓件，該擠壓件已經用于制造Boeing757和767等大飛機的結構件。2219合金具有良好的焊接性，耐熱性，韌性等性能，在飛機油箱制造過程中得到使用。2324-t39鋁材經過一系列處理后，屈服強度大幅度提高，接近22%，即將在波音系列飛機上廣泛使用。

二、目前對航空鋁合金加工技術的需求

鋁合金整體構件都具有其壁薄、體積大、剛度差和易變性的特點，這就導致了其在加工時加工周期長、切削加工余量大和加工精度難控制的缺點。而目前大型商用客機由于性能要求的提高，對于飛機的整體腹板、整體梁和長緣條等部分的制造加工要求也越來越高。這就要求擁有更細致和更可靠的控制鋁合金加工變形技術。

1.航空鋁合金的加工要求

航空鋁合金較之其他金屬，具備很好的可切削性。但是航空鋁合金在加工過程中的要求卻遠遠高于汽車等其他制造業。這些要求主要反映在航空制造加工業對質量加工效率、零件精度和航空構件加工的形位誤差控制上。這些都導致了高效的銑削加工一直備受關注。

2.大型航空鋁合金整體結構的缺陷

利用大型航空鋁合金制造的航空整體結構一般包括客機的整體框、整體壁板、梁緣條和整體肋等。這些構件在制造加工中往往會出現剛性差的特性，加上切削振動、切削力和切削熱的作用則會容易導致零件變形。這樣一來，整體結構的加工精度和加工表面的質量均會降低。

3.高速切削技術

高速切削技術是一種金屬加工領域的新工藝，它將切削工藝和高速加工技術進行了良好的結合，在目前航空整體結構件的加工上得到了廣泛的應用。目前國外的高速切削技術已經得到了國防部、政府和有關企業的支持。波音公司在加工目前最大的航空整體構件之一的C-17鋁合金機翼框架時候就使用了高速切割技術，僅僅耗時100h，4噸重的毛培切削完成。我國在前幾年還以傳統的制造業為主，航空制造加工工業的技術水平相對較低，加工時使用的仍是產同的鋁合金切削工藝。這種切削工藝導致了我國航空制造加工業的落后。尤其是對于一些大尺寸零件和薄壁、型面復雜、復雜結構的難加工零件，如果采用這種加工方式，工藝路線復雜和加工周期長，周期要求難以得到滿足。在這種情況下，只有通過高效高速的切削，才能夠有效地提高加工效率。

三、航空鋁合金及其材料的加工調控

航空鋁合金及其材料的加工中，針對材料的成分、組織提出調控的要求，確保鋁合金及其材料加工，符合航空飛機制造的規范標準。

1.成分調控

航空鋁合金的成分調控，需根據航空制造的要求，增加鋁合金中的主元素含量，改變鋁合金的性能，便于提高合金強度。鋁合金成分調控中的主元素，含量比重不能影響鋁合金的集體成分。根據金屬材料的動力學、熱力學，把控好鋁合金的強度、韌性等成分應用，適當地增加鋁合金內的成分，有利于提升鋁合金的性能，調控鋁合金材料的成分，改變鋁合金的性能，優化鋁合金在航空制造中的運用，使鋁合金材料表面、中心位置，性能上不能出現較大的差距，保證鋁合金材料的整體性能。

2.組織調控

組織調控是航空鋁合金及其材料加工中不可缺少的部分，負責鋁合金材料的制備。航空鋁合金及其材料，經過組織調控后，生產出高質量、無裂紋的鑄造，專門用于制造大規模的零部件，解決鋁合金材料的分配處理問題。鋁合金材料組織調控過程中，禁止發生熔體偏析的問題，便于結晶出較寬的高強鋁合金材料，減輕鋁合金材料鑄造的難度，優化鋁合金組織調控的環境。

3.變形調控

優化加工工藝和改進裝夾系統，是控制大型整體結構件加工過程中變形的最有效的策略。優化的控制策略一般可以分為兩大類，第一種是以側壁加工為主要特征的加工，其控制策略分為三方面：一是為了使零件局部保持高剛度，采用分層環切的刀具路徑。二是為了避免由于讓刀而造成的加工誤差，可以根據具體不同的加工情況選擇逆銑方式，而采用順銑方式可以避免產生過切的現象。三是在選擇刀具的時候要合理的選擇道具的參數，也就是要選擇帶有一定圓角的刀具來進行側壁的加工工藝。第二種是以底面加工為主要特征的加工，其控制策略分為三個方面：一是為了在加工過程中使零件局部保持剛度，可以采用中心環切的刀具路徑。二是在選擇刀具的時候，為了使加工過程中的軸向力較小，盡量不選用那些帶有圓角的刀具。三是為了減小加工過程中的底面變形，要選擇真空夾具裝夾。

四、結語

航空鋁合金及其材料的加工，按照性能設計、應用以及調控的方法，提高航空鋁合金的基礎性能，避免影響鋁合金及其材料在航空運行中的實際運用，完善航空鋁合金的加工環境，最主要的是利用調控的方法，緩解航空制造中的材料壓力，表明鋁合金及其材料加工的重要性，嚴格按照航空制造的規范，把控鋁合金及其材料的加工過程。

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