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2008-08-19 12:47 |
精密鈑金成形技術在航空制造領域的應用分析
介紹了鈑金成形技術的發(fā)展和精密鈑金成形技術的應用，并對精密銀金成形技術過程中的關健技術和發(fā)展方向進行了分析。 Dw j!B;AZ_
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1 引言 Yev ] Lp
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在航空工業(yè)中，鈑金零件是組成現(xiàn)代飛機機體的主要部分，約占飛機零件總數(shù)量的70%，制造工作量約占整架飛機勞動量的15%，并有品種多數(shù)量少，結(jié)構(gòu)復雜、外廓尺寸大、剛性小等特點，直接影響飛機整機質(zhì)量和生產(chǎn)周期。 %\6|fKB4 <
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鈑金件分為直線型彎曲件和復雜型面零件。對于直線型彎曲件目前采用多處理機數(shù)控系統(tǒng)的壓彎機已占主流，可自動而連續(xù)地對后擋架和滑塊位置進行測量，與給定值進行比較以便校正，并可利用數(shù)控系統(tǒng)預選油缸油壓，可調(diào)節(jié)后擋架的運動速度且可自動編程。對于復雜型面零件的成形較為復雜，其成形設備有蒙皮拉形機、型材拉彎機和噴丸成形機。蒙皮拉形機的固有難題是確定適量的預拉力，其值應在材料屈服強度和極限強度之間，否則會過早地出現(xiàn)金屬疲勞。 [ %cW ?@
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精密鈑金成形技術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、超塑成形/擴散連接技術及沖擊成形技術。這些技術已被廣泛應用于飛機制造中并成為鈑金成形的傳統(tǒng)成形方法。其中超塑成形技術的應用是鈑金成形的一個飛躍，其應用機種有F-15B,EAP,EFA,ATF,F-SEIF,B-1B及狂風戰(zhàn)斗機等，其應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。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上試用，應用范圍逐漸擴大，應用機型有F-15B, EAP,EFA,F-22,F-SE/F,B-1B等等，應用的部位有機身框架、襟翼翼肋、電子設備蓋板、飛機前艙、垂直安定面、整流罩、發(fā)動機通道門、飛機檢修艙門及一些壁板件，獲得了顯著的經(jīng)濟效益。 Pv17wU B
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2精密鈑金成形技術 b^~ keQ
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精密鈑金成形技術是將金屬板料、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。成形工藝是與成形時所用機床設備和工藝裝備(模具等)密切相關的。該技術的開發(fā)不僅提高鈑金工藝技術水平，而且提高鈑金零件成形質(zhì)量和提高鈑金機械化自動化水平，減少手工勞動量。其研究范圍包括:飛機鈑金成形變形量自動控制技術研究;超塑成形/擴散連接結(jié)構(gòu)工藝和檢測方法研究;機翼整體壁板噴丸強化技術研究;鈑金柔性制造系統(tǒng)的研究等。鈑金零件加工的特點主要是飛機的結(jié)構(gòu)特點和生產(chǎn)方式?jīng)Q定的。鈑金零件構(gòu)成飛機機體的框架和氣動外形，零件尺寸大小不一，形狀復雜，選材各異，產(chǎn)量不等，品種繁多。大型飛機約3}5萬項鈑金零件，而其中的個別項目只有一兩件。另外，零件有較復雜的外形，嚴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械性能有確定的指標，與其它行業(yè)的鈑金零件相比技術要求高，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)獨特的工藝技術。就技術水平而言，從手工操作、半機械化直到柔性制造系統(tǒng)，加工難度差異很大。 !g
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2.1超塑成形技術(SPF) umaF}}-Q{
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按照實現(xiàn)超塑性的條件(組織、溫度、應力狀態(tài)等)分類，主要有3類超塑性:細晶超塑性、相變超塑性和其它超塑性。而實際生產(chǎn)中應用最廣泛的是細晶超塑性，獲取這種超塑性除了要求材料具有等軸細晶組織和優(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為材料熔點溫度，以絕對溫度表示);應變速率低(10-0} 10-'s協(xié)。SPF技術有3種基本成形方法，即陰模成形、區(qū)域成形和陽模成形，其中應用最普遍的是陰模和區(qū)域成形。陽模成形需要專用設備，其生產(chǎn)的零件壁厚比較均勻。陽模成形方法實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特的技術優(yōu)勢。 |] 1-ck!
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2.2超塑成形/擴散連接組合工藝 %PRG;kR
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擴散連接的標準定義為: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)擴散而達到連接的方法。隨著SPF/ DB組合工藝應用的發(fā)展，擴散連接涵義又擴展為大變形/有限擴散的連接方法。用于SPF/ DB組合工藝的擴散連接方法主要有3種:小變形固態(tài)擴散連接、過渡液相擴散連接和大變形/有限擴散連接。在擴散連接過程中應采用惰性保護氣體或真空，以防止氧化層的形成和生長。 E
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對于欽合金而言，SPF和DB技術條件和工藝參數(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:DB可用氣壓或機械壓力，也可選用其它連接技術;SPF前可對DB質(zhì)量進行檢測;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)濟性。 j]U sb_7
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而在SPF/ DB工藝過程中，首先根據(jù)構(gòu)件加強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致DB連接質(zhì)量下降。 N: ?UA
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2.3激光沖擊 ZJ}9g(X..g
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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，其塑性變形深度以及形成的壓應力深度明顯比其他大多數(shù)表面處理的大，從而大幅度改進了疲勞性能、斷裂韌性以及應力腐蝕抗力。激光沖擊大約是在1965年在Batell實驗室開發(fā)的，當時由于缺少可靠的、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)應用，用來減輕軍用發(fā)動機風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(金屬改進公司)與L1NL(勞倫斯利弗莫爾國家實驗室)有獨特的貢獻。MIC公司使激光沖擊技術得以工程化，LINL公司則提供可靠的脈沖激光源，脈沖重復頻率比以前提高了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公司資助一項合作研究與開發(fā)計劃，其重點是沖擊的應用。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)動機零件�，F(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。 M<s16
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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，脈沖重復頻率SHz,矩形激光器光點。 f4UnLig
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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，脈沖重復頻率3Hz,激光點尺寸為3~5mm的矩形。 I@Pp[AyG
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②表面準備將激光源指向金屬工件仁經(jīng)準備的表面。設定工件內(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"夯實層"。 sL" h
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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層，被燒熔層吸收，并迅速出現(xiàn)擴大的等離子云。等離子云被水層夯實在表面上。夯實的等離子云的膨脹，供工件表面在10~100ns內(nèi)壓力增到1~10GPa. O#LG$Y
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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)遠比其他沖擊技術深得多。但冷作硬化程度小于1%。 nGQc;p5;
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2.4液壓成形 5p So`)
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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。成都飛機工業(yè)公司從瑞典ABB公司引進了一臺7.7萬噸液壓機，具有壓力高、臺面大的特點，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。 vUm#^/#I
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2.5激光技術 P 4Vi~zMX
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近年來出現(xiàn)的激光技術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運而生。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技術和現(xiàn)代激光技術相結(jié)合為尖端生產(chǎn)技術(如FMS)提供了新的柔性生產(chǎn)工具。激光切割與CAD/CAM技術相結(jié)合，可實現(xiàn)加工各種復雜幾何形狀自動化過程，其中需要采用許多先進技術，如產(chǎn)品設計與工藝設計的專家數(shù)據(jù)庫等�，F(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系統(tǒng)后，CAD/CAM系統(tǒng)對其進行處理，自動計算圖形的周長和面積，并且自動地進行組合排樣，然后由計算機專家數(shù)據(jù)庫產(chǎn)生出生產(chǎn)過程文件，最后進行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�，F(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。 Tzr_K
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激光成形技術是一種新型鈑金成形工藝，是通過激光束對工件進行局部加熱，而后用水或氣體急劇冷卻，從而成形零件。激光成形技術不需要夾具、模具和外力，因而大大降低了成本，縮短了生產(chǎn)準備周期。通過對激光束加熱和冷卻的精密控制，可以有效地控制材料變形。采用激光成形技術，可以彎曲板材、成形錐體和球體形狀;并可以在管子的特定區(qū)域作凸緣、膨脹或收縮。激光成形技術尤其適合于傳統(tǒng)方法難以或不可能成形的硬質(zhì)材料和脆性材料成形。激光成形工藝由兩步組成:①激光束沿材料表面移動;②材料受熱區(qū)進行適合的快速冷卻。這兩步工序-加熱和冷卻產(chǎn)生局部、瞬時、立體的應力應變場，使材料發(fā)生變形。零件的形狀(材料的變形方式和變形程度)可通過計算機程序來控制。由于材料局部溫度的驟增是短時間的，所以工件的材料性能不受影響，材料強度通常不會降低，有時還能增大。 G"k.s RKu
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