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      行業知識

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      先進航空板材成形技術應用現狀與發展趨勢

      2019-04-10

        板材充液成形技能在航空、航天、轎車、兵器等工業中占有非常重要的位置。以飛機制作為例,據統計,板材零件數量占整架飛機零件總數量的50%,其數量在戰斗機中超越1萬件,轟炸機中超越4萬件,大型運輸機和干線客機中達6萬件之多,加工工時占全機的20%??梢姷?,板材零件制作對飛機制作質量、周期和本錢有著非常重要的影響。

        當時,航空板材成形技能在深度和廣度上都取得了先進的進展,其特征是與高新技能結合,在辦法和體系上開端發作很大變化。計算機技能、信息技能、現代測控技能與板材成形范疇的彼此浸透與穿插交融,推進了精細板材成形技能的展開。一起,新結構和新材料的不斷涌現,也為板材成形技能提出了新的應戰。

        超塑成形/分散銜接技能

        超塑成形/分散銜接(SPF/DB)技能是使用某些材料在某一特定溫度區間內,一起具備超塑性和分散銜接性的特色,在一次熱循環中完結超塑成形和分散銜接,然后制作出帶有空心夾層全體結構的一種成形辦法。因為選用超塑成形及超塑成形/分散銜接制作的全體結構具有成形性好、規劃自由度大、成形準確、無剩余應力、零件數量少等長處,在減輕飛行器結構分量、下降出產本錢等方面顯示出極大的優越性,被譽為現代航空航天工業出產的開創性技能,廣泛使用于航空航天飛行器的壁板、艙門、口蓋、葉片、舵和翼等重要結構件。

        現在,SPF/DB技能在飛機上的使用,已從制作小尺度構件展開到了大型全體構件。例如,美國F-22飛機的后機身有8塊高強鈦合金SPF/DB隔熱板,尺度為915mm×635mm×1~4mm。B-2飛機上的鈦合金SPF/DB零件尺度為1200mm×3600mm,厚度為6.3mm?;糜?000的SPF/DB前緣縫翼與傳統結構比較,零件數量削減67%,縮短出產周期50%,減重10%。北京航空制作工程研討所選用多達5件SPF/DB構件,經過與激光焊接技能的組合,制作出很大尺度達1650mm×760mm的兩層空心全體壁板構件,并取得了很好的減重作用。

        在發動機范疇,英國羅-羅公司初次將該項技能用于研發鈦合金寬弦空心電扇葉片(如圖1),每個葉片完結減重35%~40%,適當于原葉片的1/3,每臺發動機裝26片葉片可減重90.7kg,一起還提高了發動機功率,削減了燃油的消耗和渦輪盤裝配工作量,下降了噪聲,成為該公司在發動機研發范疇技能搶先的標志。別的,選用超塑成形/熱等靜壓等工藝制作的SiC纖維增強鈦基復合材料全體葉環將在推重比12~15一級發動機中得到使用,不僅能夠獲得15%~78%的減重作用,并且能夠顯著提高使用溫度和執役性能,將對未來航空發動機的規劃和制作帶來革命性變革,圖2中a、b、c分別為MTU、斯奈克瑪和羅-羅公司研發的SiC/Ti復合材料全體葉環實驗件。

        在導彈范疇,跟著新式導彈高速、大過載飛行的需求,迫使導彈舵、翼和艙段必須向高強度、高剛度和輕量化方向展開,選用SPF/DB技能制作導彈舵和翼等構件將是必定展開趨勢。圖3為俄羅斯選用SPF/DB技能制作的新式導彈舵、翼和艙段樣件。近幾年來,北京航空制作工程研討所將CAD/CAE和SPF/DB技能有機結合起來,打破了空心-實體稠濁結構一體化制備等關鍵技能,極大地促進了SPF/DB技能的使用,其間很大的結構尺度達2500mm×500mm×65mm,在剛度、強度滿意規劃要求的情況下,完結減重50%。

        近年來,為了進一步下降零件制作本錢和提高出產功率,以及滿意大型全體構件的制作需求,超塑性成形與其他銜接工藝的組合技能正日益受到重視和展開,如超塑成形/激光焊接組合工藝、超塑成形/拌和摩擦焊接組合工藝和超塑成形/熱等靜壓組合工藝等。圖4為波音公司選用拌和摩擦焊/超塑成形組合工藝(FSW/SPF)研發了直徑達4m的大型發動機唇口。

        噴丸成形和蠕變時效成形技能

        噴丸成形和蠕變時效成形技能是飛機機翼和機身壁板類構件的特殊成形辦法。噴丸成形技能是使用高速彈丸流碰擊金屬板材的外表,使受碰擊的外表及其基層金屬材料產生塑性變形而延伸,逐漸使板材發作向受噴面凸起的彎曲變形而到達所需外形的一種成形辦法。因為噴丸成形技能具有不需要成形模具,且成形后的零件外表均構成剩余壓應力層,可有用改善零件的抗疲憊性能等長處,使它成為現代先進飛機金屬機翼全體壁板的成形辦法,現已被廣泛使用于軍民用飛機和運載火箭的全體壁板零件制作中。圖5為選用預應力噴丸成形的A380機翼下壁板。

        為了削減乃至消除噴丸成形后的人工部分校形,德國的KSA公司開發了主動噴丸成形技能,將數字化技能使用于噴丸成形過程中,取得了巨大的成功。圖6為選用主動化噴丸成形技能研發的阿麗亞娜火箭壁板,壁板噴丸外形精度到達0.3~0.5mm,一次合格率為百分百,噴丸加工一件零件很快僅需要2小時,徹底消除了人工校形,極大提高了零件制作質量和功率。KSA公司還將該項技能成功使用于A380的激光焊接機身全體壁板的噴丸校形過程中。

        自2003年以來,北京航空制作工程研討所體系展開了超臨界機翼組合式全體壁板的預應力噴丸成形技能研討,打破了包含馬鞍形和改變外形預應力噴丸成形技能、超臨界機翼全體壁板噴丸途徑規劃辦法和柔性預應力夾具等一系列關鍵技能,于2006年成功研宣布了ARJ21飛機大型超臨界機翼全體壁板。自2008年以來,完結了帶筋全體壁板預應力噴丸成形的一系列關鍵技能的打破,研宣布了具有高筋雜亂雙曲率外形的全體壁板構件,與組合式壁板比較,完結了結構減重9%(圖7)。

        蠕變時效成形技能是使用金屬的蠕變特性,將成形與時效強化同步進行的一種成形辦法。與噴丸成形技能比較,蠕變時效成形技能具有剩余應力小、外表質量高和工藝重復性好等長處,尤其是將成形和材料時效強化一起完結,能夠有用下降零件制作周期和本錢。因此,蠕變時效成形技能用于機翼上壁板和焊接全體壁板時,具有顯著的技能優勢。例如,A380的機翼上壁板選用該項技能,成形后零件外形貼合度不大于1mm,每24小時可完結一件零件的成形。別的,將蠕變時效成形技能用于焊接全體壁板的成形,在成形零件外形的一起,還可到達消除焊縫剩余應力,提高疲憊壽命的作用。圖8為選用時效成形的焊接機身全體壁板模仿件,該模仿件的蒙皮與筋條之間選用激光雙光束焊接,蒙皮和蒙皮之間選用拌和摩擦焊。

        柔性多點模具蒙皮拉形技能

        柔性多點模具是由一系列高度可調、規則排列的小沖頭構成,可構成離散曲面的模具。其基本思想是選用離散的點來擬合模具的三維型面。相對于傳統固定模具,選用柔性多點模具的成形辦法具有如下優勢:一套模具能夠成形多個零件,削減固定模具的使用量,然后下降產品研發本錢、減小模具庫存;模具型面快速構成,縮短零件研發周期,易完結新產品快速研發。

        美國自1999年起展開柔性多點模具蒙皮拉形技能項目,并于2002年研宣布了一套臺面尺度為4ft×6ft的工程化使用柔性模具體系(圖9),2004年在美國空軍的某修理廠完結了工程驗證,取代了該廠49%的固定模具,76%的蒙皮零件選用該套模具進行出產。

        吉林工業大學從1990年開端展開柔性多點模具基本理論與成形設備的研討,提出了多道次多點成形、分段多點成形理論,現在研宣布的多點成形機已成功使用于高速列車流線型車頭、鳥巢中的彎扭鋼結構件等三維曲面零件成形。自2004年開端,北京航空制作工程研討所在國內初次展開了柔性多點模具蒙皮拉形工藝辦法的研討,現在現已打破了低本錢輕量化模具本體規劃制作、型面優化和控制以及拉形工藝和質量控制等方面的關鍵技能,研宣布了臺面尺度為1824mm×1216mm的柔性多點模具,并成功試制出了飛機蒙皮零件,進入工程使用階段。

        作為一種新興的柔性加工技能,柔性多點模具的使用能夠處理多年來困擾制作業的模具數量巨大、模具規劃制作周期長、模具型面批改耗時長、費用系列問題。將工藝數字化與柔性多點模具工裝數字化嚴密結合,可大力推進板料成形范疇的數字化水平,為完結零件的數字化準確成形供給了技能支持和保證。

        旋壓成形技能

        旋壓成形技能作為一種連續部分逐點變形的塑性加工工藝,具有無屑加工、柔性好、本錢低廉等長處,適合加工多種金屬材料,能夠快速成形薄壁回轉體零件。美國“戰斧”式巡航導彈艙段、發射設備及發動機殼體、“民兵”洲際導彈發動機殼體喉型火箭內襯、“大力神Ⅲ”的助推器發動機殼體、“毒刺”導彈發動機殼體等都選用旋壓技能加工。將旋壓技能用于航空發動機機匣和罩體的制作,能夠在確保零件材料性能與鍛件適當的情況下,大大提高材料使用率,下降零件制作本錢。圖10為北京航空制作工程研討所選用旋壓技能研發的發動機高溫合金機匣構件。

        近年來,將旋壓技能與先進焊接技能結合用于制作大型全體零件成為一種趨勢。圖11為美國航空航天局(NASA)與洛克希德·馬丁公司協作,使用拌和摩擦焊和旋壓成形組合技能研宣布了直徑達5.5m,深度達1.6m的2195鋁鋰合金火箭液體燃料罐圓頂。這項新技能使用了比一般鋁合金質量更輕,強度更高的鋁鋰合金,不僅能夠提高零件強度并且能夠有用下降未來火箭液體燃料罐的分量,具有很高的技能與經濟效益。

        先進板材充液成形技能

        板材充液成形作為一種新的成形工藝辦法,較之傳統工藝有諸多長處,它既節省了動力,下降了本錢,又適應了當今產品的小批量、多種類的柔性展開方向。特別是20世紀90年代以來,跟著相關技能的打破,充液成形的一些新技能不斷涌現,使其在轎車、航空航天等制作范疇的使用不斷擴展?,F在包含豐田奧迪在內的眾多聞名轎車制作商已將此技能使用在轎車掩蓋件的出產上。在國內北航、哈工大等研討單位,以及河南孟電集團興迪鍛壓設備制作有限公司等企業也展開了對該工藝的研討,并已在航空、宇航制作范疇得到使用。

        與傳統板材成形工藝不同的是,板材充液成形是選用液體作為傳力介質傳遞載荷,使板材在傳力介質的壓力作用下貼靠凸模以完結金屬零件的成形。其成形工藝過程可分為四階段(如圖12所示):首先開動液壓泵將液體介質充滿充液室至凹模外表,在凹模外表上放好坯料(如圖12 a),施加壓邊力(如圖12 b);然后凸模開端壓入凹模,天然增壓或許經過液壓體系使充液室的液體介質建立起壓力,將板材緊緊壓貼在凸模上(如圖12 c),一起流體沿法蘭下外表向外流出,構成流體光滑,直至成形完畢(如圖12 d)。

        選用液體作為傳力介質代替剛性凸?;虬寄鬟f載荷,使坯料在傳力介質作用下貼靠凸?;虬寄R酝杲Y金屬板料零件的成形的XD-SHF系列板材充液成形設備,是河南孟電集團興迪鍛壓設備制作有限公司自主創新、研發開發的具有獨立知識保護產權的液態介質柔性成形設備,用于鈑金類零件的高精度成形。

        興迪公司自主研發制作的板材充液成形設備

        除了航空航天范疇,

        板材充液成形設備還廣泛使用于石油、核電、

        轎車、大型柴油發動機等范疇。

        可成形零部件有如飛機上口框零件的預制坯,

        臺階型非對稱油底殼拉深,

        盒形件的帶背壓拉深以及轎車減震器托盤等。

        因為結構輕量化、產品精品化及節能環保的世界化趨勢,板材充液成形技能受到越來越多重視,除了航空航天范疇把飛行器輕量化作為一個持久的尋求方針外,轎車范疇,尤其在我國也開端將其作為一個重要的戰略方針進行考慮,跟著相關技能的打破和相應關鍵配備研發的成功,圍繞著結構輕量化這一個主題展開的研討也逐漸地鋪開,為將來替代貴重的進口產品,增加我國產品的世界競爭力,出產精品產品打下杰出的根底。

        新式高能率沖擊液壓成形技能

        在航空航天范疇方面,鈑金類零件占總零部件的數量、制作工作量占全機工作量均在20%以上,針對現在航空范疇對鈑金零件的輕量化及全體化展開的迫切需求,中科院金屬研討所技能團隊博士生馬彥、徐勇副研討員及張士宏研討員等人與沈飛、成飛和河南孟電集團興迪鍛壓設備制作有限公司協作,經過將充液拉深成形技能與高速沖擊成形技能相結合,提出了一種新式沖擊液壓成形技能。

        我司與中科院協作研發制作的

        新式高能率沖擊液壓成形設備

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        興迪源機械攜手中國科學院金屬研討所成功研宣布的新式高能率沖擊液壓成形技能配備,有望進一步推進我國航空航天的轎車制作業輕量化智能成形技能,特別是以低塑性材料和雜亂結構管/板類零件成形為代表的液壓成形新技能和新工藝的展開,為高性能輕量化零部件供給世界搶先的高功率、短流程、綠色智能制作的前瞻性技能支持。

        我國的液壓成形技能和設備近年來得到了快速展開,而興迪源機械經過多年來悉心研究和技能儲備,現在已成功研宣布一系列可工程化使用的具有自主知識產權的新式流體高壓成形智能配備,如大噸位全伺服管材內高壓成形設備、板材雙向充液拉深成形設備、高溫氣脹成型設備、金屬波紋管液壓成形專用設備、快速水脹成形設備等,正在部分或全面取代貴重的進口設備,深受來自國內外各行業用戶的好評。

        新式高能率沖擊液壓成形設備

        及中外研討團隊成員

        總結

        跟著先進航空飛行器對高強、輕質、長壽命和耐高溫等結構的需求越來越高,航空板材成形技能與結構規劃、材料、剖析測驗以及其他制作技能的結合將越來越嚴密,其未來展開趨勢和要點主要有:輕量化全體構件成形技能在航空配備制作中的位置和作用越來越杰出;輕質、高效、耐高溫新材料制備及構件成形一體化技能將作為提高新一代航空配備性能的重要手段;與先進焊接技能的結合,打破了板材尺度和設備臺面尺度的限制,使大型構件的制作成為可能;與數字化技能的彼此浸透與穿插交融,將極大推進航空板材成形技能的展開。


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