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为飞机“量体裁衣”——蒙皮拉伸机
2025-12-30 09:52:08

2025年10月30日,我国首台1230吨蒙皮拉伸机通过验收。它由中国重型机械研究院牵头,联合吉林大学、燕山大学、西安交通大学等院校研制,在广东迈诺工业技术有限公司实现应用验证。

中央电视台《新闻直播间》短短1分钟的报道,远不足以深度展现其加工原理和重大意义,网络上涌现出的大量自媒体文章又实在是鱼龙混杂。

今天,就请允许我从更加硬核的视角,介绍这种曾经“冷门”却突然走上热搜的大国重器。

蒙皮拉伸机的加工对象是飞机蒙皮所用的铝合金薄板。在现代飞机上,蒙皮不仅包围出机身和机翼的气动外形,还与骨架共同构成承力结构。蒙皮材质一般为铝合金、钛合金、复合材料等,其中铝合金的应用最为广泛,而在高性能军用飞机和新一代宽体大客机上,复合材料占据越来越重要的角色。

法国航空航天博物馆里一架“拆空”内饰的波音747


飞机蒙皮往往具有曲面外形,需要采用钣金手段把铝板塑形,涉及到多种专用钣金设备。除了本号之前介绍过的橡皮囊液压成形、充液成形、喷丸成形等手段,蒙皮拉伸成形(拉形)是大尺寸特殊曲面蒙皮批量制造所采用的最重要的方法之一。

对于只在一个方向上有曲率的单曲度蒙皮零件(比如上图的机翼前缘蒙皮),或在短边(横向)方向上曲率较大、长边(纵向)上曲率较小的双曲度零件,一般采用横向拉伸成形工艺,由平直的液压钳口夹住铝板的长边,利用模具向上的顶升力(钳口不产生主动拉伸力,工作台带动模具主动上升,顶起铝板)或钳口向两边的拉伸力(模具不动,钳口拉着铝板向下弯曲贴合模具),使铝板稍稍拉长(拉长量一般在2%~4%)并贴合到模具上。

在这个过程中,钳口的上下高度和左右位置要随着铝板的变形而摆动,使拉力方向始终与模具表面相切。之所以要对铝板做一定程度的拉伸,是为了让弯曲过程中积累的弹性应变能在塑性变形中释放掉,避免铝板在卸力后回弹。

对于长度较长且两个方向都有较大曲率的双曲度蒙皮零件(如马鞍形零件),一般采用纵向拉伸成形工艺,钳口夹持住铝板的短边,在纵向(长边)方向上主动施加拉力,有些设备还会配合模具向上的顶升力,使铝板贴合模具。

纵向拉伸机的钳口可以变形,以适应蒙皮在短边方向上的较大曲率,实现铝板对模具的均匀包覆成形。 

为了灵活加工形状复杂的蒙皮零件,还有兼具横向和纵向拉伸功能的纵横向综合蒙皮拉伸机。


一些蒙皮拉伸机则带有上压装置,在龙门架上设置向下加压的压头,塑造蒙皮的局部凹凸造型。

 

本次报道的1230吨蒙皮拉伸机属于纵向蒙皮拉伸机,钳口可向两端施加1230吨拉力,模具工作台可施加800吨的顶升力且可倾斜15°,能够加工左右不对称的曲面蒙皮,成形精度0.1毫米。

机器每侧都有两根巨大的水平液压油缸,提供水平方向的拉力。另有油缸调整钳口的高度和摆动的角度。

它的钳口由9对分立的夹钳构成,可随模具的形状弯曲。 

龙门架可在导轨上前后移动,安装模具从上方施加压力,可加工出局部下凹的形状。


对于我国的航空工业,大吨位蒙皮拉伸机的意义重大。上世纪五六十年代我国自苏联引进了一些蒙皮拉伸机,如PO-250型纵向蒙皮拉伸机(最大拉力270吨,加工板材尺寸为8000mm×2200mm×6mm),技术已经落后,且经多年使用后老旧不堪。

北京航空制造工程研究所在六七十年代先后研制了ML-1、ML-2系列的蒙皮拉伸机。

上世纪80年代以来,我国从法国ACB、美国Cyril Bath 公司陆续引进了FET1200(1200吨横向蒙皮拉伸机)、FEL2×600(1200吨纵向蒙皮拉伸机)、VTL1000 (1000吨纵横向蒙皮拉伸机)等大吨位蒙皮拉伸机。

航空工业江西洪都航空工业集团从法国ACB公司引进的FEL2×600纵向蒙皮拉伸机,每侧最大拉伸力600吨,总拉力1200吨,可加工12米长、2.5米宽的蒙皮,用于C919中后机身大型双曲度蒙皮零件制造

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引进一台千吨级蒙皮拉伸机,价格在1500万美元以上,供货周期长,难以满足国内快速增长的航空制造需求;设备维护和技术支持受制于国外,大修一次就要花费2400万人民币。

而且法国ACB公司(Ateliers Chantiers de Bretagne,创立于1909年)和美国Cyril Bath 公司(创立于1915年)于2000年共同组建了Aries集团(1986年两者均被法国阿尔斯通ALSTOM公司收购,2000年独立出来),在蒙皮拉伸机市场上形成一家独大的绝对垄断地位。

另外,这家企业也是橡皮囊液压成形和钛合金超塑成形设备等航空制造装备的重要供应商。


2015年,天津市天锻压力机有限公司(前身为1956年建立的天津市锻压机床总厂,现属于中国通用技术集团)研制出首款国产600吨蒙皮拉伸机。2019年,1500吨蒙皮拉伸机被列入国家工信部《首台(套)重大技术装备推广应用指导目录》。

2020年,天锻向航空工业集团沈阳飞机工业有限公司销售首台国产1200吨蒙皮拉伸机。国产设备的突破使外商销往我国的设备价格下降了4000多万元。

 

今年,中国重型机械设计研究院(前身为创建于1956年的第一机械工业部重型机械研究所,现隶属于中国机械工业集团有限公司)把国产蒙皮拉伸机的吨位纪录刷新到1230吨。

央视的报道使用了“国内首台”的严谨描述,但热传的“世界最大”恐怕并不准确(原始出处是广东地方媒体对吉林大学教授的采访,教授语境中的“世界最大”应当是有一些定语的),ACB和Cyril Bath公司的横向蒙皮拉伸机吨位可达1500吨(公司官网产品名录有最大2500吨的,但暂未搜索到应用记录)、纵向和纵横向蒙皮拉伸机可以达到1600吨。


承接1230吨蒙皮拉伸机落地应用的广东迈诺工业技术有限公司是一家成立于2001年的年轻民企,但它已是国家高新技术企业、国家专精特新小巨人企业,主要从事建筑用高强度钢索、建筑幕墙、海底光缆、飞机蒙皮部件的研发与生产。

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最后,再探讨一个问题:在复合材料应用越来越多的时代,花大力气研发铝合金蒙皮拉伸机有多大的意义?

诚然,波音787、空客A350、中国商飞C929等新一代宽体大客机的复合材料占比超过了50%,但复合材料也不是万能的。相比于铝合金,复合材料的抗冲击能力较差(复合材料受冲击易发生分层而失效;金属受冲击时通过变形吸收能量,且变形后仍能在一定程度上维持结构),对于易受鸟类撞击的机翼前缘,目前仍主要采用铝合金(波音787的主翼前缘是碳纤维复合材料,A350的垂直尾翼前缘是比碳纤维的韧性更好的玻璃纤维复合材料);另外,机翼前缘要布置加热除冰装置(传统上是从发动机引来热气流),及时消除机翼上的结冰以保证飞行安全,而金属材料有更好的耐热性(复合材料中最常用的环氧树脂的耐热温度只有100多度,耐热200度以上的聚双马来酰亚胺等树脂材料非常昂贵),且金属的高热导率有助于实现均匀加热(波音787的复合材料机翼前缘贴附了精确控温的加热垫)。


况且,复合材料的成本高昂、检修维护复杂。对于波音737、空客A320、中国商飞C919等构成民机市场主体的窄体客机(前两款飞机的累计交付量都已超过1万架,C919的累计订单量也已超过1000架),高性价比、皮实耐用的铝合金仍然构成机体结的主体,市场空间非常广阔。

德国德意志博物馆展出的波音707(左后)、空客A320(右前)机头。波音737的机头设计来自707,姑且把这个布展当作两款经典窄体机的同台亮相吧。


在军用飞机上,除了追求极致性能的战斗机和轰炸机,教练机和运输机同样有性价比和耐用性的考量,因而大量使用铝合金材料。

教练-9“山鹰”高级教练机的铝合金机身


总而言之,国产大吨位蒙皮拉伸机的突破,将推动复杂形状铝合金蒙皮的自主可控大批量生产,助力我国航空工业迈入“自由王国”。


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