钣金成形技术在航空航天中的应用

钣金成形技术在航空航天中的应用

王春雪

航空工业哈尔滨飞机工业集团有限责任公司 黑龙江省哈尔滨市              160060

摘要：板料成形技术是国防关键技术，是航空、航天、武器装备等制造领域的基础，是推动国防产品升级和提高产品性能的重要支撑。板材成形技术已广泛应用于航空航天领域的产品结构制造。近年来，随着各国对航空航天领域的投入，航空航天领域发展迅速，所需零部件趋于高强度、轻量化和集成化，这对金属材料的塑性成形技术提出了更高的要求。传统成形技术不能完全满足成形需求。一些先进的板料成形方法，如超塑成形/扩散连接成形、旋压成形和蠕变时效成形等，已逐渐成为航空航天领域的关键技术之一。

关键词：钣金成形；超塑成形/扩散连接；旋压成形；喷丸技术；

通过对超塑成形/扩散连接成形、旋压成形、喷丸成形和拉伸成形等典型先进板料成形技术的总结，介绍了其基本原理、技术特点及其在国内外航空航天制造中的应用，并在此基础上简要提出了板料成形技术的发展趋势。

一、超塑成形/扩散连接

超塑成形/扩散连接（SPE/DB）组合工艺技术是一种利用拥有特定微观结构的金属材料在特定温度区域和一定的应变速度的情况下，使金属材料同时拥有超塑性和扩展连接性的特性，在一次加热、加压成型过程中金属零件同时完成超塑成形和扩散连接2道工序，制造出传统成形方式难以制备的复杂形状并且局部加强或者整体加强的大型整体结构件的精确成形方式。扩散连接是一种精密的固态连接技术，将多个经过处理后的金属光洁表面在真空或者保护气氛中压紧在一起并加热至接近母材熔点温度范围，对金属材料施加一定压力使其局部区域发生缓慢的塑性变形，经过长时间的原子间相互扩散形成连接。扩散连接能够有效解决传统焊接等方法带来的部分缺陷问题。超塑成形/扩散连接组合工艺技术由于其成本低、高效益、近无余量的优点，在现代航空航天领域得到了广泛的应用，如航空航天飞行器镍合金、高温合金、铝合金、钛合金等材料的翼面、壁板、发动机叶片等结构的制造美国伊利诺斯研究所通过超塑成形/扩散连接组合工艺技术为军用飞机F-15制造隔框钛合金锻件，最终成品零件重量仅为10kg，而通过采用传统的成形方式制成锻件的重量达到了154kg，如采用超塑成形/扩散连接组合工艺技术制成的锻件重量仅为16.3kg，只有传统制造方式制成锻件的十分之一，材料利用率从6.5%升到61%，生产制造成本降低15%。国内某型号的发动机维修口盖成功采用钛合金SPF/DB件代替铝合金铆接件的方法，其零件重量减轻20.5%，生产制造成本降低50%。中国航空工业625研究所通过采用多件超塑成形/扩散连接组合工艺技术与激光焊接技术相组合方式，成功制造出两层空心整体壁板构件，最大尺寸可达1.65m×0.76m，其零件重量和生产成本降低效果良好。近几年来，中国航空工业625研究所通过将计算机辅助技术和超塑成形/扩散连接组合工艺技术结合，实现了形状复杂零件整体结构一体化制备等关键技术，极大地促进了超塑成形/扩散连接组合工艺技术的进步，制造出来的结构件最大尺寸可达到2.5m×0.5m×0.065m，在塑性、强度等性能满足设计要求的情况下，成功实现了减轻50%质量的效果。

二、旋压成形

旋压成形技术是将平板或者空心坯料放在旋压机的模具上，通过旋转机床在特定的方向上对坯料施加一定的压力，使得受力点由点到线、由线到面，随着旋轮发生局部的塑性变形，随着变形的进行由局部的塑性变形发展到整体表面的一种技术。旋压成形凭着省料、省力、产品精度高、工艺柔性好、加工设备简单等优点逐渐成为精密塑性成形技术的重要发展方向。旋压成形技术适用于多种材料成形，被广泛地应用于航空航天领域，由于其成形特性主要用于完成圆筒、圆锥件、本球体、双曲线形、环形以及带筋的筒件和管件等的成形。航空航天等国防工业领域产品如飞机发动机机匣、飞机浆帽、头罩，鱼雷壳体，导弹筒体、裙部、头锥，运载火箭的贮箱箱底、发动机喷管等部位非常适合采用旋压技术成形，美国航空航天局与洛克希德马丁公司展开合作，采用旋压成形的方式成功制造了猎户座飞船乘员舱前压力舱舱壁样件、铝锂合金火箭液体燃料罐圆顶以及宇航飞船氧化剂箱等诸多航天装备用零部件，其最大可成形板材的直径可达5.5m、厚度可达0.12m。日本在制造H-2A液体运载火箭时使用了旋压成形的直径达到3.8m的整体箱底。国内四川航天长征装备制造有限公司成功突破超长薄壁筒形件整体旋压技术，通过多道整体旋压技术，成功成形4800mm长度的圆筒，并通过批产验证考核。首都航天机械有限公司周磊等人提出了“一道次剪旋+多道次普旋”的旋压工艺方案开展超大直径贮箱箱底的整体旋压成形试验，完成了Φ3350mm贮箱旋压试件，并成功机加工出正式产品，开创了国内3m级超大直径贮箱箱底整体旋压成形的成功先例。

三、喷丸技术

喷丸成形技术是通过发射装置发射大量高速弹丸反复冲击需要成形的金属零件毛坯，金属零件毛坯的表面受到冲击会发生塑性变形，同时会导致零件内部内应力的产生，从而达到零件的成形或提高金属零件性能的目的。随着技术发展，相对于以钢丸、玻璃珠为冲击材料的传统喷丸技术，出现利用激光、超声波、高压水等不同冲击原理的新型喷丸技术，成形和强化效果较传统方式有了很大提升。欧美发达国家的喷丸成形技术已取得较高的成形精度，在空中客车公司和波音公司的产品中，喷丸成形技术已成功地应用于金属机翼整体成型，目前最先进的技术是空中客车公司在制造A380飞机超临界外翼整体壁板时所应用的喷丸成形技术。

四、拉伸成形

拉伸成形设计是一种比较传统的蒙皮成形方式，在航空航天领域早已经广泛应用，发展得十分成熟。对于大型薄蒙皮来说，拉伸成形仍然是最为有效的成形措施。传统的蒙皮拉伸成形技术需要工人操作熟练度非常高，生产效率比较低，生产成本高，在生产过程中容易造成粗晶、破裂等多种缺陷，甚至导致零件报废，很难生产复杂形状的蒙皮，材料和人工的成本浪费非常大。近些年，随着国内外航空航天产品的研制和发展，对蒙皮拉伸成形的成形质量提出了更高的要求。法国的空客航空公司在传统蒙皮拉伸成形技术上开始发展三维数字化研发管理平台技术，通过采用MBD数字模型生产过程进行精确控制，优化过程控制与过程质量，使一次合格率达到了99.7%。美国波音公司在制造B737飞机过程中采用了计算机仿真优化与回弹补偿相结合的数字化工艺成形方案，大幅度降低了零件生产成本并且缩短了制造周期。国内在蒙皮拉伸成形的智能化、数字化发展尚处于初级阶段。中航工业哈尔滨飞机工业集团在制造飞机薄壁件的过程中，为满足设计需要对柔性工装进行研究，成功开发出针对飞机蒙皮和壁板切割加工的柔性工装系统，该柔性工装系统设备能够大量节约工装成本，保证产品切割质量，大幅度缩短生产周期，对于产品研制有着重要意义。

总之，随着计算机技术的发展，未来的钣金成形技术必将与数字化技术相结合，相互渗透相互交叉融合，将极大地推动钣金成形技术的发展。随着航空航天领域的发展，所需求的零件对于高强度、轻量化、整体化和复杂化的结构和性能的要求越来越高，通过与其他成形方式相结合，优化成形工艺，缩短研发周期。我国航空工业、航天工业制造的一个重要方向就是向着大型化、复杂化、结构功能一体化的重大工业装备设计和制造方向发展，钣金成形技术也将迎来更广阔的应用范围，同时也将迎来更大的挑战。

参考文献：

[1]王宏宇．铝合金大型复杂薄壁壳体旋压研究进展.2022.

[2]刘晓燕，钣金成形技术在航空航天中的应用探讨.2023.