筋板類構(gòu)件成形技術(shù)研究進(jìn)展

葉景申，張寶紅，于建民，祁 威

（1.中北大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原030051；2.山西省集成精密成形工程技術(shù)研究中心，山西 太原030051）

近年來，隨著科技進(jìn)步和制造技術(shù)的發(fā)展，航空、航天和武器裝備等高精尖領(lǐng)域?yàn)閷?shí)現(xiàn)減重需要，大量零部件被設(shè)計(jì)成薄腹高筋結(jié)構(gòu)。圖1 為典型筋板件結(jié)構(gòu)單元，這些筋板類構(gòu)件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，筋的高寬比差異較大，最大可以達(dá)到1∶20。薄腹板截面的類型主要有L、H、Z、U 等形狀，根據(jù)使用情況不同，其厚度也有一定差異，最薄僅有2mm～3mm[1-2]。這類構(gòu)件經(jīng)過合理設(shè)計(jì)，優(yōu)勢非常明顯，不僅重量輕，占用空間面積小，而且能夠承受比較大的載荷，可以起到支撐、防護(hù)作用。研究表明，汽車車重每減少100kg，百公里油耗可減少0.6～0.7L。航空航天和運(yùn)載武器系統(tǒng)中，飛行器每減重1kg，所需燃料減少幾十千克甚至數(shù)百千克，可以顯著提高發(fā)射距離和速度，節(jié)約發(fā)射成本[3]。因此，開展對筋板類構(gòu)件成形技術(shù)的研究，具有重要的理論與實(shí)際意義。

圖1 典型筋板件結(jié)構(gòu)單元

1 筋板類構(gòu)件的應(yīng)用

構(gòu)件的輕量化可以顯著提高飛行器的整體性能，因此整體復(fù)雜結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于航空航天及武器裝備等領(lǐng)域，如飛機(jī)的中央翼和外翼整體壁板、進(jìn)氣道壁板、運(yùn)載火箭的燃料箱整體壁板及航天飛機(jī)的整體壁板等[4-6]。這些整體壁板可有效提高產(chǎn)品性能，減重10%～30%，縮短裝配周期80%～90%。美國軍方推動(dòng)的整體機(jī)身研究計(jì)劃IAS，以B747 機(jī)身為研究對象，分析了機(jī)身加入整體帶筋壁板之后的結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明，零件數(shù)量只剩7 個(gè)，減少了94.6%；成本也只有原來的1/4，但壽命和強(qiáng)度卻得到了大幅度提升[7]。圖2 為A380 機(jī)身框架和艙門，采用空心結(jié)構(gòu)、腹板加筋結(jié)構(gòu)或框架結(jié)構(gòu)等替代實(shí)心結(jié)構(gòu)，能夠顯著降低構(gòu)件的重量。美國、俄羅斯等國已研制成功了大尺寸的起落架鍛件和整體隔框鍛件，隨著我國大飛機(jī)項(xiàng)目的啟動(dòng)，對于大型筋板件的需求將會大大增加。

圖2 A380 機(jī)身框架和艙門

導(dǎo)彈和雷達(dá)衛(wèi)星等武器裝備中也有大量筋板類構(gòu)件[8]，許多筒形件、錐形件內(nèi)部往往都有不同尺寸、形狀的縱向筋和橫向筋存在，以滿足性能、強(qiáng)度、功用等諸多方面的需要，如某系列導(dǎo)彈的各段艙體內(nèi)均勻布有許多縱筋，某導(dǎo)彈錐形殼體內(nèi)帶有環(huán)筋。這類構(gòu)件由于其薄腹高筋的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，給其加工帶來許多困難。

2 筋板類構(gòu)件的加工現(xiàn)狀

現(xiàn)階段，越來越多的薄腹高筋類構(gòu)件出現(xiàn)在各個(gè)領(lǐng)域，由于不同構(gòu)件的使用范圍有差異，其加工方法也有所不同。

2.1 精密鑄造技術(shù)

精密鑄造生產(chǎn)的產(chǎn)品精密、復(fù)雜、接近于零件最后形狀，可不加工或經(jīng)少量加工即可投入使用。因此，對于那些使用性能要求不高的大型薄腹高筋類構(gòu)件，通常使用精密鑄造的方法進(jìn)行加工，與普通鑄件相比，強(qiáng)度能提高到450MPa，延伸率δ≥10%，良品率可以達(dá)到98%。

現(xiàn)階段，以美國和日本為代表的先進(jìn)國家在制造精密鑄件的技術(shù)上有了重大突破，最大的鈦合金構(gòu)件直徑已經(jīng)超過2m，最薄的腹板僅0.15mm，鋁合金精密鑄件的水平更高，材料利用率和成品率都達(dá)到了80%以上[9]。

精密鑄造技術(shù)在我國起步時(shí)間比較晚，當(dāng)前和西方國家相比還有一定差距，生產(chǎn)的鑄造產(chǎn)品晶粒尺寸較大，組織不夠致密，產(chǎn)品力學(xué)性能較差，不管是成品率，還是成本都無法和美國、日本等國家相比。當(dāng)前研究鈦及鈦合金精密鑄造技術(shù)的有北京航空材料研究院、洛陽船舶材料研究院、沈陽鑄造研究所、中科院沈陽金屬研究所、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等單位。北京航空材料研究院曾成功澆鑄出復(fù)雜的框形結(jié)構(gòu)，尺寸為630mm×300mm×130mm，最小壁厚僅為2.5mn，如圖3 所示[10]。

圖3 框形結(jié)構(gòu)鈦合金鑄件

2.2 機(jī)械加工

通常情況下，大型薄腹高筋類構(gòu)件在使用過程中對性能的要求比較高，加工過程一般分兩步進(jìn)行。首先采用鍛造或者軋制預(yù)制毛坯； 然后使用數(shù)控機(jī)床對各個(gè)高筋進(jìn)行精細(xì)化加工。采用該方法制造出來的構(gòu)件強(qiáng)度往往達(dá)不到要求，主要是因?yàn)榧訌?qiáng)筋部分的金屬流線在切割過程中被破壞。另外，該加工方法的材料利用率低、加工成本高、環(huán)境污染嚴(yán)重[11]。經(jīng)過數(shù)控銑削后的大型框、梁類構(gòu)件，會發(fā)生變形現(xiàn)象，在校正過程中會出現(xiàn)殘余應(yīng)力，從而使構(gòu)件的可靠性和使用壽命大幅減小。

2.3 焊接成形技術(shù)

近年來，隨著激光焊、攪拌摩擦焊的發(fā)展，出現(xiàn)了焊接整體壁板結(jié)構(gòu)，第一架采用攪拌摩擦焊技術(shù)生產(chǎn)的商用噴氣客機(jī)由美國Eclipse 公司制造，并成功進(jìn)行了首飛測試[12]。這種焊接整體壁板與厚板機(jī)加整體壁板相比，零件制造成本大幅降低，材料利用率大大提高； 并且可以根據(jù)需要選擇合適的材料來制作桁條和蒙皮，從而提高零件的結(jié)構(gòu)效率。例如在設(shè)計(jì)A380 機(jī)身下壁板的過程中使用到了鋁合金6013 和6015 兩種材料，不僅降低了零件的成本，還使得整體結(jié)構(gòu)效率大幅提升[13]。但目前采用焊接方法加工大型筋板類構(gòu)件的工藝尚不成熟，對復(fù)雜結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性較差，且焊接結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力大，疲勞強(qiáng)度低，整體耐壓一致性差，從而降低了結(jié)構(gòu)的可靠性。

2.4 等溫模鍛技術(shù)

等溫模鍛技術(shù)就是把模具和坯料一起加熱到材料變形所需的最佳溫度，同時(shí)保證在變形過程中坯料的溫度保持基本不變。該技術(shù)可以顯著改善難變形合金的塑性，因而廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域難變形合金零件的制造。這類合金鍛造溫度范圍較窄，尤其在鍛造薄腹高筋類構(gòu)件時(shí)，溫度下降較快，采用常規(guī)鍛造方法難以成形。

以美國和俄羅斯為代表的發(fā)達(dá)國家在該領(lǐng)域取得成就非常明顯，如美國普拉特·惠特公司采用該技術(shù)制造出了重量只有22.7kg 的Ti-Al-4V 鈦合金飛機(jī)隔框，節(jié)約材料85.6%，該技術(shù)的使用大幅度降低了隔框的重量。俄羅斯在制造BT22 和BT31 鈦合金葉片的過程中也使用了等溫模鍛技術(shù)，該技術(shù)使材料利用率由原來的32%～40%提高到83%～90%。從上世紀(jì)70年代起，我國一些科研機(jī)構(gòu)和大型企業(yè)就開始從事等溫模鍛技術(shù)的研究。目前該技術(shù)主要應(yīng)用于船舶、武器裝備等領(lǐng)域。北京機(jī)電研究所在制造TC11 壓氣機(jī)盤及中船重工第十二研究所在制造LC9 鋁合金增壓器葉輪的過程中都使用到了該技術(shù)[14]。

2.5 局部加載成形技術(shù)

局部加載是指在等溫條件下僅向工件某個(gè)局部施加變形力，通過變換加載位置來實(shí)現(xiàn)大型復(fù)雜整體構(gòu)件成形。該技術(shù)可以控制金屬的變形流動(dòng)方向，有效改變材料應(yīng)力狀態(tài)，迫使金屬充填筋部，從而可以避免金屬在筋的根部產(chǎn)生折疊或切斷[15]。局部加載與整體加載相比，可更有效地控制材料流動(dòng)，顯著降低材料的變形抗力，從而降低成形所需的力，該技術(shù)為航天復(fù)雜筋板類大型整體構(gòu)件提供了一種新的成形途徑。

Kopp[16]通過對筋板類構(gòu)件局部加載成形技術(shù)的研究，成功制造出7075 鋁合金飛機(jī)隔框。西北工業(yè)大學(xué)吳躍江等[17]研究了局部加載條件對T 形構(gòu)件成形過程中材料流動(dòng)規(guī)律的影響，韓冠軍[18]研究了TA15大型筋板件等溫局部加載晶粒尺寸演化規(guī)律，結(jié)果表明，采用該技術(shù)可獲得更細(xì)小均勻的組織。孫志超[15]通過對H 形構(gòu)件局部加載成形技術(shù)的研究，揭示了加載模式、加載次序、加載參數(shù)、分模面位置對筋的填充和晶粒尺寸的影響規(guī)律。

2.6 旋壓成形技術(shù)

旋壓是一種綜合了鍛造、擠壓、彎曲、拉伸、橫軋、環(huán)軋等工藝特點(diǎn)的先進(jìn)近凈成形加工工藝。帶筋管殼構(gòu)件由于有不同尺寸和形狀的筋存在，傳統(tǒng)的塑性加工技術(shù)已經(jīng)不能展現(xiàn)其優(yōu)勢，旋壓工藝的迅速發(fā)展為加工該類零件提供了一種新思路和嘗試[19]。由于金屬在旋壓時(shí)流動(dòng)不均勻，因此帶筋管殼構(gòu)件在工裝結(jié)構(gòu)、旋壓方式、工藝參數(shù)選擇上與一般筒形件旋壓有著很大差異。

根據(jù)強(qiáng)力旋壓原理及帶筋管殼構(gòu)件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，派生出內(nèi)旋壓和滾珠旋壓兩種新的旋壓方法。內(nèi)旋壓成形工藝可以成形帶內(nèi)環(huán)筋零件，這種成形方式目前研究還比較少，馬世成[20]研究了帶環(huán)向內(nèi)加強(qiáng)筋異形件的內(nèi)旋壓成形，因工件內(nèi)徑必須大于成形工裝的尺寸，使其零件加工范圍受到一定限制。滾珠旋壓是成形縱向內(nèi)筋異形管殼件的最佳選擇，但該技術(shù)研究目前基本處在實(shí)驗(yàn)階段，大部分只是從工藝方案和工藝方法上進(jìn)行了分析和研究，如機(jī)械電子工業(yè)部第十二研究所馬振平提出了對行波管異形管殼的旋壓成形，北京真空電子器件研究所馮慶祥提出了對帶縱向內(nèi)筋的薄壁長管的旋壓加工。雖然哈爾濱工業(yè)大學(xué)江樹勇研究了縱向內(nèi)筋薄壁筒反向滾珠旋壓成形機(jī)理，但由于旋壓工藝參數(shù)較多，實(shí)際生產(chǎn)中旋壓工藝的制定往往是依靠工藝人員通過一些簡單的經(jīng)驗(yàn)公式并結(jié)合個(gè)人的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)來確定，缺少準(zhǔn)確有力的理論指導(dǎo)。

2.7 噴丸成形技術(shù)

所謂噴丸成形技術(shù)，就是使用高速運(yùn)動(dòng)的彈丸對板材的表面進(jìn)行快速撞擊，并使其表面發(fā)生一定的形變，隨撞擊次數(shù)不斷增多，就會出現(xiàn)下圖所示的延伸區(qū)，具體原理如圖4 所示。

圖4 噴丸成形原理圖

上世紀(jì)40年代初，美國工程師Jim Boerger 首先采用了噴丸成形技術(shù)制造飛機(jī)壁板，并成功應(yīng)用于Constellation（星座號）飛機(jī)。目前，用該技術(shù)制造的整體壁板已經(jīng)廣泛應(yīng)用于EM120、A10、B1 等軍用飛機(jī)及A310～A340、707～777、MD80 等民用飛機(jī)以及運(yùn)載火箭ARIANE-4 和ATLASII 上[21]。

北京航空制造工程研究所研究了機(jī)翼整體壁板噴丸成形，在設(shè)計(jì)LY12、LC4、7075、2024、7055、2324這些材料噴丸成形過程中積累了大量工藝數(shù)據(jù)，取得了包括馬鞍形和扭轉(zhuǎn)外形預(yù)應(yīng)力噴丸成形技術(shù)、超臨界機(jī)翼整體壁板噴丸路徑設(shè)計(jì)方法和柔性預(yù)應(yīng)力夾具等的技術(shù)突破和創(chuàng)新，并在2006年成功研制出了大型超臨界機(jī)翼整體壁板裝機(jī)件[22]。胡凱征[23]通過對飛機(jī)整體壁板噴丸成形的模擬，優(yōu)化了噴丸成形工藝參數(shù)。2014年，西飛一舉攻克大型機(jī)翼帶筋壁板數(shù)控噴丸成形難題，使中國的大型機(jī)翼壁板數(shù)控噴丸成形技術(shù)躋身世界先進(jìn)行列。這些突破和創(chuàng)新為下一步大飛機(jī)機(jī)翼整體壁板、“ 蛟龍”600 機(jī)翼壁板采用噴丸成形技術(shù)奠定了重要的技術(shù)基礎(chǔ)。

2.8 時(shí)效成形技術(shù)

二十世紀(jì)五十年代初期為成形整體壁板零件，出現(xiàn)了時(shí)效成形技術(shù)，該技術(shù)利用金屬的蠕變特性，將成形與時(shí)效同步進(jìn)行[24]。具體成形過程如下：通過一定的加載方式使得加熱之后的金屬坯料固定在模具內(nèi)，并使坯料產(chǎn)生一定的變形，然后將模具和坯料一起加熱到該材料的時(shí)效溫度并保溫一段時(shí)間，這個(gè)過程中會發(fā)生坯料蠕變變形，保溫結(jié)束后，零件的形變將永久保存下來，這就使零件既可以達(dá)到時(shí)效的效果，又能夠滿足外形的需要。

以美國為代表的西方發(fā)達(dá)國家在該領(lǐng)域的研究取得了十分顯著的成就，該技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于飛機(jī)整體壁板的制造。例如比較著名的戰(zhàn)略轟炸機(jī)B-1B上下蒙皮壁板、彎流IV 和彎流V 的復(fù)合曲面上翼面蒙皮和大力IV 火箭正交格柵結(jié)構(gòu)的成形中都用到了該技術(shù)。其中B-1B 上下蒙皮壁板材料為鋁合金2124 和2419，長度為15.24m，根部寬2.74m，外端寬0.9m，厚度有突變，從2.54mm 變到63.5mm，且展向有整體加強(qiáng)桁條，該壁板當(dāng)時(shí)被認(rèn)為是飛機(jī)工業(yè)史上最大最復(fù)雜的機(jī)翼壁板。

我國對時(shí)效成形技術(shù)的研究開始時(shí)間較晚。不過，越來越多的科研院所投入到該領(lǐng)域的研究中來。西北工業(yè)大學(xué)甘忠教授在理論和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面研究了鋁合金2A12 板材的時(shí)效成形技術(shù)。北京航空航天大學(xué)周賢賓在蒙皮和壁板的時(shí)效應(yīng)力松弛校形方面取得了較多的成果[25]。北京航空制造工程研究所研究了包括鋁合金7075 和2324 在內(nèi)的很多合金材料的時(shí)效成形，記錄并修正了其成形過程的參數(shù)，為后面整體板的設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。但整體上，我國在該領(lǐng)域取得成果還比較少，對時(shí)效成形變形機(jī)理及其對材料組織和性能影響方面的研究剛剛起步，特別是在結(jié)合時(shí)效成形材料的微觀組織演變，并建立時(shí)效－蠕變材料本構(gòu)方程的基礎(chǔ)上，開展時(shí)效成形過程的數(shù)值模擬和回彈預(yù)測方面，國內(nèi)目前尚處于空白。

3 結(jié)語

先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)了構(gòu)件的輕量化、精密化研究，筋板類構(gòu)件因其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于航空、航天及兵器等領(lǐng)域。這種薄腹高筋的整體復(fù)雜結(jié)構(gòu)形式，給其加工帶來很大困難。不過隨著科技的發(fā)展，筋板類構(gòu)件的制造技術(shù)將不斷改善，該類構(gòu)件的應(yīng)用范圍將會不斷擴(kuò)大。

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