大型航空模鍛件的生產(chǎn)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

李蓬川

(二重集團(tuán)公司萬航模鍛廠，四川618013)

飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)中的主要承力構(gòu)件多是由模鍛件制成，例如：飛機(jī)機(jī)體的承力框、主梁、起落架，發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪盤、渦輪軸、葉片等。這些航空模鍛件是飛機(jī)及其發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)的“脊梁”，其所選用的結(jié)構(gòu)型式、材料的性能與質(zhì)量、制造成本在很大程度上直接決定了飛機(jī)使用的可靠性、耐久性、飛行壽命與成本。

在航空工業(yè)的發(fā)展中，“減輕飛行器的結(jié)構(gòu)重量，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的可靠性、耐久性，縮短裝備的制造周期和降低制造成本”一直是飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造的重要理念，使得新一代航空模鍛件向著“大型化、整體化、精密化”的趨勢(shì)發(fā)展。

1 大型模鍛件在飛機(jī)制造業(yè)中的重要地位

航空模鍛件的材料包括：鋁合金、鈦合金、高溫合金、超高強(qiáng)度鋼、不銹鋼等。其制成的零件重量約占飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)重量的20%～35%，占發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)重量的30%～45%，是飛機(jī)及其發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵零部件。其結(jié)構(gòu)型式、材料性能與質(zhì)量、制造成本是決定飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的性能、可靠性、壽命和經(jīng)濟(jì)性的重要因素之一。

據(jù)相關(guān)資料報(bào)道：飛機(jī)機(jī)體減重5 kg，用于發(fā)動(dòng)機(jī)重量和燃油儲(chǔ)備量的減少，可使飛機(jī)起飛重量減輕50 kg，相當(dāng)于節(jié)約5 kg黃金的價(jià)值。

結(jié)構(gòu)整體化是飛機(jī)及其發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和制造技術(shù)中最引人注目的國內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì)之一。最大限度減少零件的數(shù)量是飛機(jī)及其發(fā)動(dòng)機(jī)滿足更高安全可靠性、更輕結(jié)構(gòu)重量、更長使用壽命、更低成本、更短制造周期等要求的重要技術(shù)途徑之一。而結(jié)構(gòu)整體化設(shè)計(jì)必然導(dǎo)致模鍛件向大型化發(fā)展。

以下是大型模鍛件整體化后使飛機(jī)減重、降低制造成本的實(shí)例。

在F-102殲擊機(jī)上，采用長度達(dá)3.2 m的7075鋁合金整體大梁精密模鍛件取代了原設(shè)計(jì)的272種零件和3 200個(gè)鉚釘，使飛機(jī)減重(45.5～54.5)kg，節(jié)約機(jī)械加工工時(shí)50%。

安-22運(yùn)輸機(jī)機(jī)身采用了20個(gè)B95合金大型隔框整體模鍛件，共減少了800個(gè)零件，減輕飛機(jī)機(jī)體重量1 000 kg，減少機(jī)械加工工時(shí)15%～20%。

實(shí)踐證明，航空模鍛件的整體化明顯具有以下優(yōu)勢(shì)：

(1)提高了構(gòu)件的整體剛性；

(2)減少了裝配誤差，節(jié)約了機(jī)加工臺(tái)時(shí)；

(3)減輕了飛機(jī)的結(jié)構(gòu)重量；

(4)降低材料消耗，節(jié)約成本。

在航空工業(yè)迅速發(fā)展的形式下，航空模鍛件整體化、大型化、精密化、低成本化的趨勢(shì)日漸明顯。大型整體模鍛件在航空鍛件中所占比例及單件重量尺寸將會(huì)越來越大。對(duì)于有長壽命(60 000～90 000飛行小時(shí))、高可靠性要求的大型客機(jī)，以及要滿足6 000飛行小時(shí)壽命要求的新一代戰(zhàn)斗機(jī)，將更多的采用整體模鍛工藝，實(shí)現(xiàn)承力框、梁、起落架及發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤零部件結(jié)構(gòu)的整體化。

2 國內(nèi)外航空大型模鍛件的生產(chǎn)能力、產(chǎn)品水平介紹

航空大型整體模鍛件的生產(chǎn)能力和技術(shù)水平是彰顯國家綜合實(shí)力的重要標(biāo)志之一。減輕飛行器的結(jié)構(gòu)重量，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的可靠性、耐久性，縮短裝備的制造周期和降低制造成本，是飛行器設(shè)計(jì)時(shí)采用大型整體結(jié)構(gòu)件的主要原因。這種設(shè)計(jì)能否實(shí)現(xiàn)又取決于能否生產(chǎn)出大型整體模鍛件。航空大型模鍛件的生產(chǎn)，依托于大型的鍛壓設(shè)備和先進(jìn)的模鍛工藝，二者相輔相成。設(shè)備是基礎(chǔ)，工藝是保障手段。

2.1 國內(nèi)外大型模鍛壓機(jī)的分布及用途

大型模鍛液壓機(jī)是生產(chǎn)航空大型整體模鍛件，發(fā)展大型軍事裝備和大型民用飛機(jī)的基礎(chǔ)設(shè)備。在20世紀(jì)50年代后，各航空大國先后投建了一系列的大型模鍛壓機(jī)。美國、俄羅斯、法國等主要航空強(qiáng)國都采用(400～750)MN大型模鍛壓機(jī)進(jìn)行模鍛。

迄今為止，全世界擁有大型模鍛液壓機(jī)40多臺(tái)。美國蘇爾茨制鋼公司(Shultz)、法國奧布杜瓦公司(AD)、美國懷曼·戈登公司(Wyman-Gordon)、俄羅斯上薩爾達(dá)公司(VSMPO)、俄羅斯古比雪夫公司等是世界上擁有模鍛液壓機(jī)公稱壓力最大、品種數(shù)量最多的幾個(gè)企業(yè)。具體情況見表1。

表1 美國、俄羅斯、法國重型模鍛液壓機(jī)的情況Table 1 Heavy die forging press situations in America, Russia and France

目前，世界上100 MN級(jí)以上的模鍛壓機(jī)有40余臺(tái)，美、俄、法各有10余臺(tái)，約占總臺(tái)數(shù)和總噸位的70%左右。依靠這些大型模鍛液壓機(jī)生產(chǎn)的大型整體優(yōu)質(zhì)模鍛件，他們生產(chǎn)出了第四、第五代軍用戰(zhàn)機(jī)和波音B747、空客A380空中“巨無霸”，在航空航天產(chǎn)品方面居于世界前列。美國Wyman-Gordon公司、俄羅斯VSМРО公司、法國AD公司是世界上擁有模鍛液壓機(jī)公稱壓力最大，品種、數(shù)量最多的3個(gè)企業(yè)。這三個(gè)企業(yè)主要為航空系統(tǒng)服務(wù)，所擁有的設(shè)備特點(diǎn)是：大型化、系列化和專用化。

相比于國際上大型的航空模鍛件生產(chǎn)企業(yè)，國內(nèi)航空模鍛件的鍛造設(shè)備大多建設(shè)于20世紀(jì)60～70年代，設(shè)備技術(shù)落后，壓力等級(jí)不高，鍛造能力有限。在總體上，設(shè)備鍛壓等級(jí)也未形成系列化。國內(nèi)主要航空模鍛件生產(chǎn)企業(yè)的設(shè)備情況見表2。

表2 國內(nèi)主要的航空模鍛件生產(chǎn)企業(yè)的大型模鍛設(shè)備Table 2 Heavy die forging equipments in main domestic factories for aviation die forging

由表2可知，隨著以800 MN模鍛壓機(jī)為代表的新一批大型模鍛液壓機(jī)的建成，國內(nèi)的大型模鍛壓機(jī)鍛造設(shè)備的能力已經(jīng)達(dá)到與國際先進(jìn)企業(yè)相當(dāng)?shù)乃?。?是二重集團(tuán)公司與美國Wyman Gordon公司、俄羅斯VSМРО和法國AD公司擁有的鍛壓設(shè)備對(duì)比情況。

2.2 國內(nèi)外航空大型模鍛件的工藝水平和產(chǎn)品展示

在巴黎、倫敦等地舉辦的國際航空博覽會(huì)上，美、俄、法三國都展示了本國生產(chǎn)的大型整體航空模鍛件。而大型整體航空模鍛件的制造技術(shù)則被其視為關(guān)系國家安全的核心機(jī)密。

以鈦合金為代表的航空模鍛件具有高強(qiáng)度、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，但變形抗力大、工藝復(fù)雜、制造成本高。大型鈦合金結(jié)構(gòu)模鍛件在現(xiàn)代航空工業(yè)上的擴(kuò)大應(yīng)用是一個(gè)重要的發(fā)展方向。先進(jìn)軍用飛機(jī)上已有40%左右的結(jié)構(gòu)重量為鈦合金構(gòu)件，先進(jìn)民航飛機(jī)上也有10%的結(jié)構(gòu)重量為鈦合金構(gòu)件，而航空發(fā)動(dòng)機(jī)上則有20%～30%的結(jié)構(gòu)重量為鈦合金構(gòu)件。鈦合金的應(yīng)用可以降低飛機(jī)的結(jié)構(gòu)重量系數(shù)，增加發(fā)動(dòng)機(jī)的推力重量比，明顯改進(jìn)飛行器的多種功能。

圖1～圖8展示了國外公司生產(chǎn)的幾種典型的航空鈦合金結(jié)構(gòu)模鍛件，它代表了當(dāng)今國外大型鈦合金鍛件在尺寸、重量、工藝和組織性能控制上的先進(jìn)水平。

圖1 F-22戰(zhàn)機(jī)機(jī)身Ti-6Al-4V隔框(美國，450MN水壓機(jī)模鍛)Figure 1 Ti-6A1-4V bulkhead in F-22 fighter plane body (America, 450 MN hydraulic press die forging)

圖2 B-747客機(jī)Ti-6Al-4V主起落架支撐梁Figure 2 Ti-6A1-4V main under carriage supporting beam of B-747 airplane

圖3 B-777客機(jī)Ti-10V-2Fe-3Al起落架梁Figure 3 Ti-10V-2Fe-3Al under carriage beam of B-777 airplane

圖4 A380飛機(jī) Ti-10V-2Fe-3Al起落架(俄羅斯，750 MN水壓機(jī)模鍛)Figure 4 Ti-10V-2Fe-3Al under carriage of A380 airplane (Russia,750 MN hydraulic press die forging)

圖5 A380飛機(jī) Ti-10V-2Fe-3Al起落架壁板(俄羅斯，750 MN水壓機(jī)模鍛)Figure 5 Ti-10V-2Fe-3Al under carriage wall panel of A380 airplane (Russia,750 MN hydraulic press die forging)

圖6 上薩爾達(dá)冶金生產(chǎn)聯(lián)合公司生產(chǎn)的鈦合金產(chǎn)品Figure 6 Titanium alloy products of VSMPO Company

圖7 F-22戰(zhàn)斗機(jī)Ti-6Al-4V鈦合金尾部發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)架Figure 7 Ti-6Al-4V titanium alloy tail motor frame of F-22 fighter plane

圖8 A-6E型攻擊機(jī)Ti-6Al-4V鈦合金后翼梁Figure 8 Ti-6Al-4V titanium alloy rear wing beam of A-6E attack plane

雖然航空大型鋁鍛件模鍛時(shí)所需的壓力較鈦合金和高溫合金低，但大型梁框等鋁鍛件一般尺寸和投影面積均較大，需要大噸位和大臺(tái)面的模鍛水壓機(jī)。圖9～圖12展示了國外公司生產(chǎn)的幾種典型的航空鋁合金結(jié)構(gòu)模鍛件圖片，它代表了當(dāng)今國外大型鋁合金鍛件的產(chǎn)品及工藝水平。

相比國外著名航空模鍛件生產(chǎn)企業(yè)，在大型模鍛件的生產(chǎn)能力方面，國內(nèi)的企業(yè)無論是在鍛件幾何尺寸、精度、重量、投影面積還是綜合性能等方面，同國外相比都有一定差距。隨著國內(nèi)以800 MN模鍛壓機(jī)為代表的新一批大型模鍛壓機(jī)的建成，與國外的技術(shù)水平差距將會(huì)逐漸縮小。

3 航空大型模鍛件的發(fā)展趨勢(shì)

航空工業(yè)屬于高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，是一個(gè)國家綜合實(shí)力的重要體現(xiàn)。航空工業(yè)的不斷發(fā)展帶動(dòng)了相關(guān)材料、工藝和結(jié)構(gòu)的發(fā)展。目前，軍用飛機(jī)正在由三代機(jī)向四代機(jī)發(fā)展。第四代戰(zhàn)機(jī)具有超音速巡航能力，能以1.5～1.6的馬赫數(shù)持續(xù)飛行，具有更好的隱身能力和更高的機(jī)動(dòng)性能。其零件數(shù)量減少4O%～60 % ，可靠性提高1倍，耐久性提高2倍。

新一代飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展同航空材料及鍛壓技術(shù)的不斷進(jìn)步是相輔相成的：一方面，飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)進(jìn)步，牽引并主導(dǎo)著包括航空材料、鍛壓等熱加工工藝技術(shù)的發(fā)展方向，滿足飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)日益嚴(yán)格的綜合性能和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，成為材料和鍛壓技術(shù)發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力；另一方面，航空材料、鍛壓技術(shù)本身的發(fā)展和不斷完善，又推動(dòng)并支撐著飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，使飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)更新?lián)Q代應(yīng)用新結(jié)構(gòu)、新技術(shù)、新材料、新功能成為可能。航空材料和鍛壓技術(shù)，正是在“產(chǎn)品型號(hào)需求牽引”和“制造技術(shù)發(fā)展推動(dòng)”二者相互激勵(lì)且相互作用下才成為先進(jìn)制造技術(shù)的。

圖9 Wyman-Gordon公司鍛造的B-777客機(jī)上的起落架支撐梁Figure 9 under carriage supporting beam of B-777 airplane forged by Wyman-Gordon Company

圖10 法國650 MN液壓機(jī)上壓制的鋁合金飛機(jī)框梁Figure 10 Aluminum alloy airplane frame forged by France 650MN hydraulic press

圖11 A380飛機(jī)整體翼梁模鍛件Figure 11 The entire wing beam die forging of A380 airplane

圖12 A380飛機(jī)上7085鋁合金整體模鍛件Figure 12 7085 aluminum alloy entire die forging of A380 airplane

因此，航空大型模鍛件的發(fā)展趨勢(shì)是：利用先進(jìn)的鍛壓設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)航空模鍛件生產(chǎn)全過程的精確控制，為飛機(jī)提供大型、精密、高壽命、高性能、低成本的鍛件，這也是發(fā)展先進(jìn)鍛壓技術(shù)追求的目標(biāo)。

3.1 航空模鍛件的大型化、整體化、精密化

為了追求飛機(jī)的先進(jìn)性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性，航空模鍛件產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)整體化是一種發(fā)展方向。而采用大型模鍛液壓機(jī)所壓制的高溫合金、鈦合金、超高強(qiáng)度鋼和先進(jìn)鋁合金大型整體模鍛件，無論在強(qiáng)度、韌性、疲勞和斷裂性能方面都是具有優(yōu)勢(shì)的，綜合的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果也是很好的。

正在運(yùn)行的波音B-777民航機(jī)起落架是整體模鍛件(重1 440 kg)，是用Ti-10V-2Fe-3Al鈦合金在450 MN水壓機(jī)上壓制的。而最近上天的空中客車A-380飛機(jī)的起落架也是整體模鍛件(重3 210 kg)，是用Ti-10V-2Fe-3Al鈦合金在750 MN水壓機(jī)上壓制的。以上實(shí)例說明了采用大型、整體模鍛件來實(shí)現(xiàn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)整體化所具有的優(yōu)勢(shì)。

在保證鍛件內(nèi)部組織與性能的前提下，力求鍛件的形狀接近零件，大力發(fā)展凈近成形工藝是先進(jìn)鍛壓技術(shù)的主攻方向之一。

航空鍛件一般都是采用模鍛件。我國航空鍛件目前仍然是以粗模鍛件和普通模鍛件占多數(shù)，精密鍛件僅在發(fā)動(dòng)機(jī)葉片類鍛件上應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，以整機(jī)鍛件重量和整機(jī)鍛件制成零件重量相比較，我國航空鍛件的材料利用率約為15%～25%，其中大型鍛件的材料利用率為10%～15%。零件加工時(shí)大量的昂貴金屬材料變?yōu)榍行迹懠砻娴闹旅軐硬粡?fù)存在，纖維組織被分割，影響和降低了零件的力學(xué)性能和表面完整性。因此，鍛件精密化不僅是經(jīng)濟(jì)問題，而且是確保鍛件組織性能所必須的。

3.2 航空模鍛件的高壽命、高性能

航空產(chǎn)品，質(zhì)量第一。新型的戰(zhàn)機(jī)設(shè)計(jì)壽命已達(dá)6 000飛行小時(shí)。對(duì)可靠性有更高要求的大型客機(jī)提出了60 000～90 000飛行小時(shí)的長壽命要求。因此，確保飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)模鍛件內(nèi)部質(zhì)量是首要任務(wù)。必須對(duì)鍛件生產(chǎn)全過程進(jìn)行系統(tǒng)的質(zhì)量控制。

首先要確保用于航空鍛件的原材料是優(yōu)質(zhì)的，這是生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)鍛件的基礎(chǔ)。在保證原材料質(zhì)量的前題下，發(fā)展與材料技術(shù)進(jìn)步相適應(yīng)的鍛壓新工藝、新技術(shù)、新設(shè)備，并對(duì)鍛件的生產(chǎn)工藝過程實(shí)施精準(zhǔn)的工藝質(zhì)量控制。工藝的不斷完善和設(shè)備的更新有力地推動(dòng)著航空鍛件生產(chǎn)的現(xiàn)代化。

3.3 航空模鍛件的低成本

為適應(yīng)航空產(chǎn)品批量少、更新?lián)Q代快以及對(duì)產(chǎn)品成本控制日趨嚴(yán)格等特點(diǎn)，航空模鍛件的低成本是提升鍛件竟?fàn)幜Φ谋赜芍?。尤其在民用航空模鍛件方面，鍛件的成本更加成為飛機(jī)制造商重點(diǎn)考慮的因素之一。

一些新型的工藝技術(shù)，例如快速原型制造技術(shù)RPM與設(shè)備(如激光熔化沉積成形Lasform，噴射成形Osprey等)、特種軋制技術(shù)與設(shè)備(楔橫軋、輥鍛等)、超塑成形/擴(kuò)散連接(SPF/DB)等生產(chǎn)的制件，其組織與性能已達(dá)到甚至優(yōu)于傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的鍛件的水平，且實(shí)現(xiàn)了高效、短流程和降低成本的效果，可替代傳統(tǒng)工藝使航空模鍛件向著低成本的方向發(fā)展。

3.4 航空模鍛件技術(shù)研究發(fā)展趨勢(shì)

大型、整體、精化、優(yōu)質(zhì)、低成本、長壽命的模鍛件產(chǎn)品理念促進(jìn)了航空工業(yè)的發(fā)展，也推進(jìn)了新材料、新工藝、新裝備的應(yīng)用。在航空工業(yè)飛速發(fā)展的21世紀(jì)，世界各國模鍛行業(yè)紛紛對(duì)大型模鍛技術(shù)裝備進(jìn)行技術(shù)改造或者投建新的大型模鍛壓機(jī)，以滿足大型化、專業(yè)化的要求。航空模鍛件技術(shù)的研發(fā)趨勢(shì)包括以下幾個(gè)方面：

(1)大型鍛壓設(shè)備程序化、控制化、機(jī)械化改造，以實(shí)現(xiàn)鍛造過程的精密化，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

(2)發(fā)展等溫模鍛、熱模鍛、粉末鍛造等先進(jìn)鍛造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)大型、整體、精密模鍛件的優(yōu)質(zhì)成型。

(3)推進(jìn)鍛件設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)、工藝制定過程的CAD、CAE、CAM應(yīng)用，利用數(shù)值模擬技術(shù)改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，達(dá)到鍛件精化。

(4)創(chuàng)新模具結(jié)構(gòu)、改進(jìn)模具材料及制造技術(shù)，大力發(fā)展模具的低成本技術(shù)。

(5)研究大型模鍛件的預(yù)制坯技術(shù)，去除影響鍛件模鍛成型質(zhì)量的缺陷，確保大型整體模鍛件的優(yōu)質(zhì)。

(6)研究模鍛保溫及潤滑技術(shù)，改善模鍛成型條件，降低鍛造難度。

4 結(jié)束語

大型整體模鍛件是實(shí)現(xiàn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)整體化，減輕結(jié)構(gòu)重量，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的可靠性、耐久性和縮短產(chǎn)品研制周期的重要條件。世界工業(yè)強(qiáng)國都十分重視航空大型模鍛件生產(chǎn)條件的建設(shè)，領(lǐng)先于我國30～ 50年建成了450 MN、650 MN、750 MN模鍛液壓機(jī)，生產(chǎn)了技術(shù)含量居世界領(lǐng)先地位的鋁合金、鈦合金、高溫合金和合金鋼優(yōu)質(zhì)大型模鍛件。我國隨著以800 MN模鍛液壓機(jī)為代表的先進(jìn)鍛壓設(shè)備的建成與投產(chǎn)，必將大大提升我國航空大型模鍛件的研發(fā)和生產(chǎn)能力，推動(dòng)我國航空鍛壓制造技術(shù)躋身于世界強(qiáng)者行列。