精密钣金成形技术

 发布日期：2021-6-28

　　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。

　　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- 4 ～10- 1 s- 1 )。 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。阳模成形方法实际上是将超塑性气压成 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. 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。 对于钛合金而言, 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。 钛合金 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)。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 *气压提供压力,另外,氩气中的杂质和经过 SPF 后 脱落的止焊剂容易导致 DB 连接质量下降。

　　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*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 LINL( 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*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。