[轉(zhuǎn)載]精密鈑金成形技術(shù)在航空制造領(lǐng)域的應(yīng)用分析 [復(fù)制鏈接]

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介紹了鈑金成形技術(shù)的發(fā)展和精密鈑金成形技術(shù)的應(yīng)用，并對精密銀金成形技術(shù)過程中的關(guān)健技術(shù)和發(fā)展方向進(jìn)行了分析。

1 引言

    在航空工業(yè)中，鈑金零件是組成現(xiàn)代飛機(jī)機(jī)體的主要部分，約占飛機(jī)零件總數(shù)量的70%，制造工作量約占整架飛機(jī)勞動量的15%，并有品種多數(shù)量少，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、外廓尺寸大、剛性小等特點(diǎn)，直接影響飛機(jī)整機(jī)質(zhì)量和生產(chǎn)周期。

    鈑金件分為直線型彎曲件和復(fù)雜型面零件。對于直線型彎曲件目前采用多處理機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的壓彎機(jī)已占主流，可自動而連續(xù)地對后擋架和滑塊位置進(jìn)行測量，與給定值進(jìn)行比較以便校正，并可利用數(shù)控系統(tǒng)預(yù)選油缸油壓，可調(diào)節(jié)后擋架的運(yùn)動速度且可自動編程。對于復(fù)雜型面零件的成形較為復(fù)雜，其成形設(shè)備有蒙皮拉形機(jī)、型材拉彎機(jī)和噴丸成形機(jī)。蒙皮拉形機(jī)的固有難題是確定適量的預(yù)拉力，其值應(yīng)在材料屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度之間，否則會過早地出現(xiàn)金屬疲勞。

    精密鈑金成形技術(shù)常用的方法有橡皮囊液壓成形、數(shù)控蒙拉、型拉、滾彎成形技術(shù)、超塑成形/擴(kuò)散連接技術(shù)及沖擊成形技術(shù)。這些技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)制造中并成為鈑金成形的傳統(tǒng)成形方法。其中超塑成形技術(shù)的應(yīng)用是鈑金成形的一個飛躍，其應(yīng)用機(jī)種有F-15B,EAP,EFA,ATF,F-SEIF,B-1B及狂風(fēng)戰(zhàn)斗機(jī)等，其應(yīng)用的材料也從欽合金發(fā)展到鋁鏗合金和鋁合金。70年代起，英國Alcan，美國Acoa和法國的Penchiney等公司以及前蘇聯(lián)投人大量人力和物力研制并開發(fā)鋁鏗合金成形技術(shù)。在國外，鋁銼合金構(gòu)件從80年代中、后期開始小批量在飛機(jī)上試用，應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大，應(yīng)用機(jī)型有F-15B, EAP,EFA,F-22,F-SE/F,B-1B等等，應(yīng)用的部位有機(jī)身框架、襟翼翼肋、電子設(shè)備蓋板、飛機(jī)前艙、垂直安定面、整流罩、發(fā)動機(jī)通道門、飛機(jī)檢修艙門及一些壁板件，獲得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

2精密鈑金成形技術(shù)

    精密鈑金成形技術(shù)是將金屬板料、型材、管材等半成品，利用材料的可塑性，在不產(chǎn)生切削的情況下制成各種薄壁零件的加工技術(shù)。成形工藝是與成形時所用機(jī)床設(shè)備和工藝裝備(模具等)密切相關(guān)的。該技術(shù)的開發(fā)不僅提高鈑金工藝技術(shù)水平，而且提高鈑金零件成形質(zhì)量和提高鈑金機(jī)械化自動化水平，減少手工勞動量。其研究范圍包括:飛機(jī)鈑金成形變形量自動控制技術(shù)研究;超塑成形/擴(kuò)散連接結(jié)構(gòu)工藝和檢測方法研究;機(jī)翼整體壁板噴丸強(qiáng)化技術(shù)研究;鈑金柔性制造系統(tǒng)的研究等。鈑金零件加工的特點(diǎn)主要是飛機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和生產(chǎn)方式?jīng)Q定的。鈑金零件構(gòu)成飛機(jī)機(jī)體的框架和氣動外形，零件尺寸大小不一，形狀復(fù)雜，選材各異，產(chǎn)量不等，品種繁多。大型飛機(jī)約3}5萬項(xiàng)鈑金零件，而其中的個別項(xiàng)目只有一兩件。另外，零件有較復(fù)雜的外形，嚴(yán)格的重量控制和一定的使用壽命要求，并且對成形后零件材料的機(jī)械性能有確定的指標(biāo)，與其它行業(yè)的鈑金零件相比技術(shù)要求高，加工難度大。其加工方法除采用傳統(tǒng)方法外，還有本行業(yè)獨(dú)特的工藝技術(shù)。就技術(shù)水平而言，從手工操作、半機(jī)械化直到柔性制造系統(tǒng)，加工難度差異很大。

    2.1超塑成形技術(shù)(SPF)

    按照實(shí)現(xiàn)超塑性的條件(組織、溫度、應(yīng)力狀態(tài)等)分類，主要有3類超塑性:細(xì)晶超塑性、相變超塑性和其它超塑性。而實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的是細(xì)晶超塑性，獲取這種超塑性除了要求材料具有等軸細(xì)晶組織和優(yōu)異的熱穩(wěn)定性以外，還須滿足兩個條件:變形溫度T＞Tm(Tm為材料熔點(diǎn)溫度，以絕對溫度表示);應(yīng)變速率低(10-0} 10-'s協(xié)。SPF技術(shù)有3種基本成形方法，即陰模成形、區(qū)域成形和陽模成形，其中應(yīng)用最普遍的是陰模和區(qū)域成形。陽模成形需要專用設(shè)備，其生產(chǎn)的零件壁厚比較均勻。陽模成形方法實(shí)際仁是將超塑性氣壓成形的方法與拉伸成形的工藝結(jié)合起來，得到的深腔板成形件腔底與腔壁的壁厚差很小，對氣瓶類零件的成形加工具有獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢。

    2.2超塑成形/擴(kuò)散連接組合工藝

    擴(kuò)散連接的標(biāo)準(zhǔn)定義為:被連接的表面在不足以引起塑性變形的壓力和低于被連接工件熔點(diǎn)的溫度條件下，使接觸面在形成或不形成液相狀態(tài)下產(chǎn)生固態(tài)擴(kuò)散而達(dá)到連接的方法。隨著SPF/ DB組合工藝應(yīng)用的發(fā)展，擴(kuò)散連接涵義又?jǐn)U展為大變形/有限擴(kuò)散的連接方法。用于SPF/ DB組合工藝的擴(kuò)散連接方法主要有3種:小變形固態(tài)擴(kuò)散連接、過渡液相擴(kuò)散連接和大變形/有限擴(kuò)散連接。在擴(kuò)散連接過程中應(yīng)采用惰性保護(hù)氣體或真空，以防止氧化層的形成和生長。

    對于欽合金而言，SPF和DB技術(shù)條件和工藝參數(shù)具有兼容性，因此有可能在構(gòu)件研制中把兩種工藝組合在一個溫度循環(huán)中，同時實(shí)現(xiàn)成形和連接。欽合金SPF/DB構(gòu)件主要有3種形式。在采用SPF/DB組合工藝進(jìn)行多層結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)中，可以先DB后SPF(DB/SPF)，也可以先SPF后DB(SPF/DB)o DB/SPF工藝過程中.構(gòu)件的芯板結(jié)構(gòu)由板面的止焊劑圖案而定，構(gòu)件生產(chǎn)可在一次加熱循環(huán)中完成，也可分為兩道工序。一道工序的特點(diǎn)是零件在生產(chǎn)過程中無需開模;兩道工序則有以下優(yōu)點(diǎn):DB可用氣壓或機(jī)械壓力，也可選用其它連接技術(shù);SPF前可對DB質(zhì)量進(jìn)行檢測;DB和SPF的溫度可各自優(yōu)化，氣壓更易控制;可同時連接幾個部件，提高加工經(jīng)濟(jì)性。

    而在SPF/ DB工藝過程中，首先根據(jù)構(gòu)件加強(qiáng)要求形式涂止焊劑或焊接，然后外層板和芯板沿周邊DB并氣壓成形，最后在超塑溫度和壓力條件下，完成芯板之間以及芯板和外層板之間的DB。該工藝的主要問題是輔助DB比主要DB困難，DB只能靠氣壓提供壓力，另外，氨氣中的雜質(zhì)和經(jīng)過SPF后脫落的止焊劑容易導(dǎo)致DB連接質(zhì)量下降。

    2.3激光沖擊

    激光沖擊是一種將激光束以脈沖形式?jīng)_擊金屬表面形成一種平面波，穿過工件并同時使材料產(chǎn)生塑性變形的技術(shù)，其塑性變形深度以及形成的壓應(yīng)力深度明顯比其他大多數(shù)表面處理的大，從而大幅度改進(jìn)了疲勞性能、斷裂韌性以及應(yīng)力腐蝕抗力。激光沖擊大約是在1965年在Batell實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的，當(dāng)時由于缺少可靠的、高脈沖頻率、高平均功率的激光器而未能工程化。直到1997年才在通用電氣公司(GE)首次獲得商業(yè)應(yīng)用，用來減輕軍用發(fā)動機(jī)風(fēng)扇葉片前緣的外物損傷。最近兩年，生產(chǎn)用激光沖擊能力顯著提高。在這方面，MIC(金屬改進(jìn)公司)與L1NL(勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室)有獨(dú)特的貢獻(xiàn)。MIC公司使激光沖擊技術(shù)得以工程化，LINL公司則提供可靠的脈沖激光源，脈沖重復(fù)頻率比以前提高了10倍，從而縮短了處理時間，提高了生產(chǎn)率，并降低了成本。 MIC公司和LINL公司資助一項(xiàng)合作研究與開發(fā)計劃，其重點(diǎn)是沖擊的應(yīng)用。MIC公司激光沖擊分部新近又安裝了2臺LINL公司的商用激光系統(tǒng)，用于處理渦輪發(fā)動機(jī)零件。現(xiàn)代激光沖擊系統(tǒng)L1N L-MIC的沖擊系統(tǒng)采用的新型的玻璃、閃光燈泵浦激光器。

    ①系統(tǒng)參數(shù)系統(tǒng)的平均功率為125 W，脈沖寬度10-100ns，脈沖能量20J，脈沖重復(fù)頻率SHz,矩形激光器光點(diǎn)。

    一般說，典型的激光沖擊參數(shù)為:脈沖寬度10-30ns，脈沖能量10~20J，脈沖重復(fù)頻率3Hz,激光點(diǎn)尺寸為3~5mm的矩形。

    ②表面準(zhǔn)備將激光源指向金屬工件仁經(jīng)準(zhǔn)備的表面。設(shè)定工件內(nèi)有一平面段處于沖擊位置。沖擊處理前在該表面施加一層不透明的"可燒熔的油或帶"，在燒熔層上還有一層透明的流動水的"夯實(shí)層"。

    ③激光脈沖將激光器脈沖向下件表面沖擊。脈沖的光子穿過透明的夯實(shí)層，被燒熔層吸收，并迅速出現(xiàn)擴(kuò)大的等離子云。等離子云被水層夯實(shí)在表面上。夯實(shí)的等離子云的膨脹，供工件表面在10~100ns內(nèi)壓力增到1~10GPa.

    ④塑性變形表面形成的平面激波然后穿過工件，從而形成塑性變形的材料表面。激光沖擊中的高塑性變形率產(chǎn)生的塑性變形區(qū)遠(yuǎn)比其他沖擊技術(shù)深得多。但冷作硬化程度小于1%。

    2.4液壓成形

    以液壓囊為彈性凹模(或凸模)，以油為傳壓介質(zhì)，使金屬板材在凹模(或凸模)上成形的方法稱為橡皮囊液壓成形，簡稱橡皮液壓成形或液壓成形。液壓成形工藝早在50年代就被航空工廠采用。但是由于設(shè)備條件的限制，壓力只有80~400k·N/cm2，屬于低壓橡皮成形，零件成形后需手工校形。成都飛機(jī)工業(yè)公司從瑞典ABB公司引進(jìn)了一臺7.7萬噸液壓機(jī)，具有壓力高、臺面大的特點(diǎn)，零件成形后手工校形量較小，為提高液壓零件的成形質(zhì)量提供了良好的條件。

    2.5激光技術(shù)

    近年來出現(xiàn)的激光技術(shù)可以說是給鈑金加工帶來了又一次革命，激光切割和激光成形應(yīng)運(yùn)而生。采用激光切割加工板料，"模具更換"等價于在NC(數(shù)控機(jī)床)系統(tǒng)中插人新的加工(切割或成形)程序，所以模具管理問題被NC程序的裝卸問題所代替。而且CAD/CAM技術(shù)和現(xiàn)代激光技術(shù)相結(jié)合為尖端生產(chǎn)技術(shù)(如FMS)提供了新的柔性生產(chǎn)工具。激光切割與CAD/CAM技術(shù)相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)加工各種復(fù)雜幾何形狀自動化過程，其中需要采用許多先進(jìn)技術(shù)，如產(chǎn)品設(shè)計與工藝設(shè)計的專家數(shù)據(jù)庫等。現(xiàn)代生產(chǎn)大都是多品種小批量生產(chǎn)，為提高生產(chǎn)率，鈑金沖裁應(yīng)采用成組套裁，即在一塊板料上同時加工出多種零件。產(chǎn)品的幾何形狀輸人計算機(jī)系統(tǒng)后，CAD/CAM系統(tǒng)對其進(jìn)行處理，自動計算圖形的周長和面積，并且自動地進(jìn)行組合排樣，然后由計算機(jī)專家數(shù)據(jù)庫產(chǎn)生出生產(chǎn)過程文件，最后進(jìn)行NC編程，將生產(chǎn)過程文件變成控制信息，如加工參數(shù)、切割路線等。激光切割可克服對于材料厚度和零件尺寸以及精度要求不同時需要重新制造和更換模具的缺點(diǎn)。現(xiàn)代鈑金加工多采用沖床與激光切割相結(jié)合的組合式加工中心。

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