先進鈑金成形技術(shù)在航空制造領(lǐng)域應用分析

朱永勝　劉洋

摘? 要：伴隨航空技術(shù)的高速發(fā)展，航空制造領(lǐng)域?qū)︹k金零件也提出更高要求，因此探索先進鈑金成形技術(shù)在航空制造領(lǐng)域應用具有重要意義。文章首先針對鈑金成形工藝予以概述，其次針對先進鈑金成形技術(shù)及應用展開分析，望借此為實現(xiàn)先進鈑金成形技術(shù)在航空制造領(lǐng)域中的科學應用提供相應參考。

關(guān)鍵詞：鈑金成形技術(shù);航空制造領(lǐng)域;超塑成形技術(shù)

中圖分類號：V261 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）34-0110-02

Abstract： With the rapid development of aviation technology， there is a higher demand for sheet metal parts in the field of aviation manufacturing， so it is of great significance to explore the application of advanced sheet metal forming technology in the field of aviation manufacturing. Firstly， this paper summarizes the sheet metal forming process， and then analyzes the advanced sheet metal forming technology and its application， so as to provide the corresponding reference for realizing the scientific application of advanced sheet metal forming technology in the field of aeronautical manufacturing.

Keywords： sheet metal forming technology; aeronautical manufacturing field; superplastic forming technology

鈑金成形工藝在航空制造領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，伴隨航空制造行業(yè)不斷發(fā)展，產(chǎn)品需求也隨之不斷產(chǎn)生變化，對新一代鈑金零件也提出更高要求如性能高、強度高及質(zhì)量輕等。因此，要求相關(guān)人員須不斷探索、研發(fā)新裝備、新工藝、新材料，并將產(chǎn)品生產(chǎn)周期縮至較短，以此實現(xiàn)鈑金零件的柔性、快速、精確、高效成形。

1 鈑金成形工藝概述

鈑金零件在航空制造領(lǐng)域為一項重要零件，在飛機機體構(gòu)成中占據(jù)重要比重，約為70%，飛機整體制作勞動量中零件制作約占15%，且具備零件種類多、剛性小及結(jié)構(gòu)復雜等特點，對飛機生產(chǎn)周期、飛機整體質(zhì)量可產(chǎn)生直接影響。鈑金零件主要分為直線型彎曲件及復雜型面零件兩種類型，其中直線型彎曲件在制作過程中多借助多處理機數(shù)控系統(tǒng)壓彎機，可不間斷且自動的對滑塊位置、后擋架等位置予以測量，并同所給出予以比對，便于自動校正。預選油缸油壓時可利用數(shù)控系統(tǒng)進行預選，同時也可實現(xiàn)對后擋架運行速度的調(diào)節(jié)，完成自動編程工作。此外，復雜型面零件的成形工藝復雜性較高，蒙皮拉形機及噴丸成形機等為主要設(shè)備。蒙皮拉形機使用關(guān)鍵點在于，需保障預拉力適中，預拉力值須處于材料極限強度、屈服強度間，反之，將會過早產(chǎn)生金屬疲勞現(xiàn)象。其中噴丸成形技術(shù)即指借助高速彈丸向金屬板材表面撞擊，使金屬板材表面及下層金屬在高速彈丸撞擊下產(chǎn)生塑性變形，進而延伸，促使板材彎曲成形制作所需外形的一類成形方式，此成形方式多應用至飛機壁板類零件成形中。噴丸成形技術(shù)目前已在空客公司、波音公司發(fā)展為一類較為成熟的飛機壁板成形手段。德國KSA公司便利用噴丸成形技術(shù)所制造的Ariane 5動力模塊框架的錐形板為空客A380型飛機提供機身壁板。

2 先進鈑金成形技術(shù)分析及應用

2.1 超塑成形技術(shù)/擴散連接技術(shù)

根據(jù)實現(xiàn)超塑性成形條件如應力狀態(tài)、溫度狀態(tài)、組織狀態(tài)等差異，超塑性成形主要可分為相變超塑性成形、細晶超塑性成形、其它超塑性成形三種類型。其中細晶超塑性成形在實際生產(chǎn)過程中應用最為廣泛。為實現(xiàn)細晶超塑性成形不僅要求材料須具備良好熱穩(wěn)定性能、等軸細晶組織外，也應同時滿足以下兩項條件：一為變形溫度Tm

2.2 激光沖擊技術(shù)

激光沖擊即指借助脈沖形式的激光束向金屬表面沖擊，產(chǎn)生一種平面波，在穿過工件同時促使材料塑性變形的一種技術(shù)，因此技術(shù)所產(chǎn)生的壓應力深度、塑性變形深度較高，使得所制得零件的應力腐蝕抗力、斷裂韌性、疲勞性能得以明顯改進。激光沖擊為20世紀中葉在Batell實驗室研發(fā)所得，但因當時欠缺高功率、高脈沖頻率及可靠的激光裝置，使得激光沖擊并未實現(xiàn)工程化。近幾年激光沖擊生產(chǎn)能力顯著提升，并由激光沖擊技術(shù)經(jīng)MIC公司研制后實現(xiàn)工程化，可靠、穩(wěn)定的脈沖激光源由LINL公司提供，此發(fā)展背景下，脈沖重復頻率得以大幅提升，處理時間顯著縮短且提升生產(chǎn)效率，節(jié)約生產(chǎn)成本。如LINL- MIC沖擊系統(tǒng)即為一種現(xiàn)代激光沖擊系統(tǒng)，此系統(tǒng)采用新型閃光燈泵浦激光器及新型玻璃等裝置。系統(tǒng)參數(shù)詳細分析如下：（1）系統(tǒng)參數(shù)平均功率以125W為宜，脈沖寬度以10ns-100ns為宜，脈沖能量為20J，5Hz為適宜脈沖重復頻率，為矩形激光器光點。（2）借助激光脈沖可促使激光器脈沖對工件表面造成沖擊。脈沖光子穿過夯實層后將被燒熔層吸收，并生成擴大的等離子云。當?shù)入x子云被水層夯實于工件表面時，經(jīng)夯實的等離子云將迅速膨脹，工件表面內(nèi)壓力將由10ns-100ns壓力上漲至1GPa-10GPa范圍內(nèi)。（3）由塑性變形表現(xiàn)所生成的平面激波透過工件，此時材料表面將會產(chǎn)生塑性變形。而在激光沖擊下條件下所產(chǎn)生的塑性變形區(qū)同在其他技術(shù)條件下產(chǎn)生的塑性變形區(qū)相較而言，優(yōu)勢顯著，但工件冷作硬化程度卻不足1%。

2.3 液壓成形技術(shù)

液壓成形即指將液壓囊作為彈性凸?；驈椥园寄?，將油作為傳壓介質(zhì)，促使金屬板材在彈性凸?；驈椥园寄Ｉ铣尚蔚囊环N方式，也可稱作液壓成形，或橡皮液壓成形。上世紀50年代，航空工廠便已將液壓成形工藝應用至零件加工制造中，但因設(shè)備條件有限，壓力僅能達到80kg·N/cm2-150kg·N/cm2，為一類低壓橡皮成形技術(shù)。因此，零件成形后，仍需人工展開手工校形。伴隨近幾年液壓成形技術(shù)不斷發(fā)展，部分航空公司從瑞典ABB公司引入7.7萬噸液壓機，此裝置具備臺面大及壓力高等特點，零件成形后具備手工校形量小等優(yōu)勢，為提升液壓零件成形質(zhì)量打下良好基礎(chǔ)。液壓拉深成形即指以高壓液體介質(zhì)替代剛性模具，促使板材可在液體介質(zhì)壓力條件下貼膜成形，以此制得所需零件。液壓拉深成形同橡皮囊液壓成形相較而言，以增加壓邊圈方式替代橡皮隔膜，部分液壓拉深成形工藝中增加密封裝置，以免產(chǎn)生液體泄露現(xiàn)象。

2.4 激光技術(shù)

激光技術(shù)為鈑金加工領(lǐng)域中的一項新型技術(shù)，此技術(shù)背景下激光成形技術(shù)、激光切割技術(shù)應運而生。若將激光切割技術(shù)同CAD/CAM技術(shù)結(jié)合，則可實現(xiàn)多種復雜幾何形狀的自動化加工，可同現(xiàn)代多品種小批量的生產(chǎn)需求相適應。實際應用時，操作人員僅需向計算機系統(tǒng)中輸入產(chǎn)品幾何形狀，隨后CAD/CAM系統(tǒng)將自動展開處理程序，如可自動輸入幾何面積的周長及面積等信息，自動完成組合排列工作，將所產(chǎn)生數(shù)據(jù)上傳至專家數(shù)據(jù)庫，形成生產(chǎn)過程文件，并自行完成NC編程工序，促使生產(chǎn)過程文件逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榧庸?shù)、切割路線等控制信息。將激光切割技術(shù)應用至材料加工中，除可對所需零件尺寸、材料厚度等需求充分滿足外，還可彌補當精度要求不同時需更換模具、重新制造等缺陷。

激光成形技術(shù)為一項先進的鈑金成形工藝，此項技術(shù)主要為借助激光束加熱工件局部位置，此后以水或氣體促使工件可短時間內(nèi)迅速冷卻，由此實現(xiàn)零件制作。由于此項技術(shù)無需借助外力、模具及機具，因此，可實現(xiàn)生產(chǎn)成本的大幅降低，零件的生產(chǎn)準備周期顯著縮短。通過對激光束加熱及冷卻的嚴格管控，有效控制材料變形。如利用此項技術(shù)可使板材彎曲，也可制作球體形狀等。激光成形技術(shù)在傳統(tǒng)方法難以成形的脆性材料、硬質(zhì)材料的成形中具有一定應用優(yōu)勢。激光成形技術(shù)主要可分為以下兩環(huán)節(jié)，一為激光束根據(jù)材料表面移動;二為工件局部受熱位置的快速冷卻。材料經(jīng)以上兩環(huán)節(jié)處理后，材料將會產(chǎn)生立體、瞬時及局部的應力應變場，促使材料成形。零件形狀如零件變形程度、材料變形方式等均可以利用計算機程序加以控制。因材料局部溫度驟變?yōu)槎虝r間內(nèi)產(chǎn)生，因此不會對工件材料性能造成較大影響，不會降低材料強度。

3 結(jié)束語

目前，鈑金工藝技術(shù)已在航空制造領(lǐng)域中得以廣泛應用，并具備降低產(chǎn)品生產(chǎn)加工成本、縮短生產(chǎn)周期及提升產(chǎn)品可靠性等優(yōu)勢，此技術(shù)在航空制作領(lǐng)域已占據(jù)重要地位。鈑金加工工藝水平的提升將推動飛機性能的提升，同時飛機結(jié)構(gòu)的變化又可在一定程度上推動鈑金工藝的發(fā)展，二者協(xié)同發(fā)展、相輔相成。

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