精密钣金成形技术在航空制造领域的应用分析

介绍了钣金成形技术的发展和精密钣金成形技术的应用，并对精密银金成形技术过程中的关健技术和发展方向进行了分析。

1 引言

    在航空工业中，钣金零件是组成现代飞机机体的主要部分，约占飞机零件总数量的70%，制造工作量约占整架飞机劳动量的15%，并有品种多数量少，结构复杂、外廓尺寸大、刚性小等特点，直接影响飞机整机质量和生产周期。

    钣金件分为直线型弯曲件和复杂型面零件。对于直线型弯曲件目前采用多处理机数控系统的压弯机已占主流，可自动而连续地对后挡架和滑块位置进行测量，与给定值进行比较以便校正，并可利用数控系统预选油缸油压，可调节后挡架的运动速度且可自动编程。对于复杂型面零件的成形较为复杂，其成形设备有蒙皮拉形机、型材拉弯机和喷丸成形机。蒙皮拉形机的固有难题是确定适量的预拉力，其值应在材料屈服强度和极限强度之间，否则会过早地出现金属疲劳。

    精密钣金成形技术常用的方法有橡皮囊液压成形、数控蒙拉、型拉、滚弯成形技术、超塑成形/扩散连接技术及冲击成形技术。这些技术已被广泛应用于飞机制造中并成为钣金成形的传统成形方法。其中超塑成形技术的应用是钣金成形的一个飞跃，其应用机种有F-15B,EAP,EFA,ATF,F-SEIF,B-1B及狂风战斗机等，其应用的材料也从钦合金发展到铝铿合金和铝合金。70年代起，英国Alcan，美国Acoa和法国的Penchiney等公司以及前苏联投人大量人力和物力研制并开发铝铿合金成形技术。在国外，铝锉合金构件从80年代中、后期开始小批量在飞机上试用，应用范围逐渐扩大，应用机型有F-15B, EAP,EFA,F-22,F-SE/F,B-1B等等，应用的部位有机身框架、襟翼翼肋、电子设备盖板、飞机前舱、垂直安定面、整流罩、发动机通道门、飞机检修舱门及一些壁板件，获得了显著的经济效益。

2精密钣金成形技术

    精密钣金成形技术是将金属板料、型材、管材等半成品，利用材料的可塑性，在不产生切削的情况下制成各种薄壁零件的加工技术。成形工艺是与成形时所用机床设备和工艺装备(模具等)密切相关的。该技术的开发不仅提高钣金工艺技术水平，而且提高钣金零件成形质量和提高钣金机械化自动化水平，减少手工劳动量。其研究范围包括:飞机钣金成形变形量自动控制技术研究;超塑成形/扩散连接结构工艺和检测方法研究;机翼整体壁板喷丸强化技术研究;钣金柔性制造系统的研究等。钣金零件加工的特点主要是飞机的结构特点和生产方式决定的。钣金零件构成飞机机体的框架和气动外形，零件尺寸大小不一，形状复杂，选材各异，产量不等，品种繁多。大型飞机约3}5万项钣金零件，而其中的个别项目只有一两件。另外，零件有较复杂的外形，严格的重量控制和一定的使用寿命要求，并且对成形后零件材料的机械性能有确定的指标，与其它行业的钣金零件相比技术要求高，加工难度大。其加工方法除采用传统方法外，还有本行业独特的工艺技术。就技术水平而言，从手工操作、半机械化直到柔性制造系统，加工难度差异很大。

    2.1超塑成形技术(SPF)

    按照实现超塑性的条件(组织、温度、应力状态等)分类，主要有3类超塑性:细晶超塑性、相变超塑性和其它超塑性。而实际生产中应用最广泛的是细晶超塑性，获取这种超塑性除了要求材料具有等轴细晶组织和优异的热稳定性以外，还须满足两个条件:变形温度T＞Tm(Tm为材料熔点温度，以绝对温度表示);应变速率低(10-0} 10-'s协。SPF技术有3种基本成形方法，即阴模成形、区域成形和阳模成形，其中应用最普遍的是阴模和区域成形。阳模成形需要专用设备，其生产的零件壁厚比较均匀。阳模成形方法实际仁是将超塑性气压成形的方法与拉伸成形的工艺结合起来，得到的深腔板成形件腔底与腔壁的壁厚差很小，对气瓶类零件的成形加工具有独特的技术优势。

    2.2超塑成形/扩散连接组合工艺

    扩散连接的标准定义为:被连接的表面在不足以引起塑性变形的压力和低于被连接工件熔点的温度条件下，使接触面在形成或不形成液相状态下产生固态扩散而达到连接的方法。随着SPF/ DB组合工艺应用的发展，扩散连接涵义又扩展为大变形/有限扩散的连接方法。用于SPF/ DB组合工艺的扩散连接方法主要有3种:小变形固态扩散连接、过渡液相扩散连接和大变形/有限扩散连接。在扩散连接过程中应采用惰性保护气体或真空，以防止氧化层的形成和生长。

    对于钦合金而言，SPF和DB技术条件和工艺参数具有兼容性，因此有可能在构件研制中把两种工艺组合在一个温度循环中，同时实现成形和连接。钦合金SPF/DB构件主要有3种形式。在采用SPF/DB组合工艺进行多层结构的生产中，可以先DB后SPF(DB/SPF)，也可以先SPF后DB(SPF/DB)o DB/SPF工艺过程中.构件的芯板结构由板面的止焊剂图案而定，构件生产可在一次加热循环中完成，也可分为两道工序。一道工序的特点是零件在生产过程中无需开模;两道工序则有以下优点:DB可用气压或机械压力，也可选用其它连接技术;SPF前可对DB质量进行检测;DB和SPF的温度可各自优化，气压更易控制;可同时连接几个部件，提高加工经济性。

    而在SPF/ DB工艺过程中，首先根据构件加强要求形式涂止焊剂或焊接，然后外层板和芯板沿周边DB并气压成形，最后在超塑温度和压力条件下，完成芯板之间以及芯板和外层板之间的DB。该工艺的主要问题是辅助DB比主要DB困难，DB只能靠气压提供压力，另外，氨气中的杂质和经过SPF后脱落的止焊剂容易导致DB连接质量下降。

    2.3激光冲击

    激光冲击是一种将激光束以脉冲形式冲击金属表面形成一种平面波，穿过工件并同时使材料产生塑性变形的技术，其塑性变形深度以及形成的压应力深度明显比其他大多数表面处理的大，从而大幅度改进了疲劳性能、断裂韧性以及应力腐蚀抗力。激光冲击大约是在1965年在Batell实验室开发的，当时由于缺少可靠的、高脉冲频率、高平均功率的激光器而未能工程化。直到1997年才在通用电气公司(GE)首次获得商业应用，用来减轻军用发动机风扇叶片前缘的外物损伤。最近两年，生产用激光冲击能力显著提高。在这方面，MIC(金属改进公司)与L1NL(劳伦斯利弗莫尔国家实验室)有独特的贡献。MIC公司使激光冲击技术得以工程化，LINL公司则提供可靠的脉冲激光源，脉冲重复频率比以前提高了10倍，从而缩短了处理时间，提高了生产率，并降低了成本。 MIC公司和LINL公司资助一项合作研究与开发计划，其重点是冲击的应用。MIC公司激光冲击分部新近又安装了2台LINL公司的商用激光系统，用于处理涡轮发动机零件。现代激光冲击系统L1N L-MIC的冲击系统采用的新型的玻璃、闪光灯泵浦激光器。

    ①系统参数系统的平均功率为125 W，脉冲宽度10-100ns，脉冲能量20J，脉冲重复频率SHz,矩形激光器光点。

    一般说，典型的激光冲击参数为:脉冲宽度10-30ns，脉冲能量10~20J，脉冲重复频率3Hz,激光点尺寸为3~5mm的矩形。

    ②表面准备将激光源指向金属工件仁经准备的表面。设定工件内有一平面段处于冲击位置。冲击处理前在该表面施加一层不透明的"可烧熔的油或带"，在烧熔层上还有一层透明的流动水的"夯实层"。

    ③激光脉冲将激光器脉冲向下件表面冲击。脉冲的光子穿过透明的夯实层，被烧熔层吸收，并迅速出现扩大的等离子云。等离子云被水层夯实在表面上。夯实的等离子云的膨胀，供工件表面在10~100ns内压力增到1~10GPa.

    ④塑性变形表面形成的平面激波然后穿过工件，从而形成塑性变形的材料表面。激光冲击中的高塑性变形率产生的塑性变形区远比其他冲击技术深得多。但冷作硬化程度小于1%。

    2.4液压成形

    以液压囊为弹性凹模(或凸模)，以油为传压介质，使金属板材在凹模(或凸模)上成形的方法称为橡皮囊液压成形，简称橡皮液压成形或液压成形。液压成形工艺早在50年代就被航空工厂采用。但是由于设备条件的限制，压力只有80~400k·N/cm2，属于低压橡皮成形，零件成形后需手工校形。成都飞机工业公司从瑞典ABB公司引进了一台7.7万吨液压机，具有压力高、台面大的特点，零件成形后手工校形量较小，为提高液压零件的成形质量提供了良好的条件。

    2.5激光技术

    近年来出现的激光技术可以说是给钣金加工带来了又一次革命，激光切割和激光成形应运而生。采用激光切割加工板料，"模具更换"等价于在NC(数控机床)系统中插人新的加工(切割或成形)程序，所以模具管理问题被NC程序的装卸问题所代替。而且CAD/CAM技术和现代激光技术相结合为尖端生产技术(如FMS)提供了新的柔性生产工具。激光切割与CAD/CAM技术相结合，可实现加工各种复杂几何形状自动化过程，其中需要采用许多先进技术，如产品设计与工艺设计的专家数据库等。现代生产大都是多品种小批量生产，为提高生产率，钣金冲裁应采用成组套裁，即在一块板料上同时加工出多种零件。产品的几何形状输人计算机系统后，CAD/CAM系统对其进行处理，自动计算图形的周长和面积，并且自动地进行组合排样，然后由计算机专家数据库产生出生产过程文件，最后进行NC编程，将生产过程文件变成控制信息，如加工参数、切割路线等。激光切割可克服对于材料厚度和零件尺寸以及精度要求不同时需要重新制造和更换模具的缺点。现代钣金加工多采用冲床与激光切割相结合的组合式加工中心。

    激光成形技术是一种新型钣金成形工艺，是通过激光束对工件进行局部加热，而后用水或气体急剧冷却，从而成形零件。激光成形技术不需要夹具、模具和外力，因而大大降低了成本，缩短了生产准备周期。通过对激光束加热和冷却的精密控制，可以有效地控制材料变形。采用激光成形技术，可以弯曲板材、成形锥体和球体形状;并可以在管子的特定区域作凸缘、膨胀或收缩。激光成形技术尤其适合于传统方法难以或不可能成形的硬质材料和脆性材料成形。激光成形工艺由两步组成:①激光束沿材料表面移动;②材料受热区进行适合的快速冷却。这两步工序-加热和冷却产生局部、瞬时、立体的应力应变场，使材料发生变形。零件的形状(材料的变形方式和变形程度)可通过计算机程序来控制。由于材料局部温度的骤增是短时间的，所以工件的材料性能不受影响，材料强度通常不会降低，有时还能增大。

3应用分析

    随着航空制造技术的进一步发展，精密钣金成形技术如超塑成形技术、激光冲击、扩散连接、橡皮囊液压成形和激光成形等精密钣金成形等在国外发展极为迅速，而我国与国际先进水平仍有不小差距。因此，我们应从整个航空工业全局的生存和发展出发，从技术经济综合效益考虑，不断提高钣金成形的工作效率，改善钣金成形的质量。

    ①精密钣金成形技术的应用节省了材料和工作量，从而大量地节省军备开支，使有效的资金发挥更大的作用;

    ②由于精密钣金件的强度和刚度及耐腐蚀性均有所提高，因此生产质量提高了，从而使武器作战性能提高;

    ③由于柔性制造系统的出现解决了小批量、多品种的钣金件生产，降低了生产成本，极大地提高了市场响应速度，新品研制、转产适应度，从而缩短研制和生产周期。

    4结束语

    钣金工艺技术广泛应用于航空制造中，其加工工艺水平的提高能极大改善飞机性能，而飞机结构的改变又不断促进钣金工艺向前发展，二者相辅相成。精密钣金技术作为飞机钣金零件加工的一种先进加工方法，其不断应用于航空制造领域必将大力推动航空制造技术的发展。

（作者：陈先有赵良堂白春华黄俊波来源：万方数据）

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