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钣金成形技术是利用金属板材、型材和管材在一定载荷条件下具有的塑性变形特点来实现零件形状和组织性能改变的一种加工技术。钣金成形技术在航空、航天、汽车、兵器等工业中占有非常重要的地位。以飞机制造为例,钣金零件数量占整架飞机零件总数量的50%,加工工时占全机的20%,其数量在战斗机中超过1万件,轰炸机中4万件以上,大型运输机和干线客机中达6万件之多。可见,钣金零件制造对飞机制造质量、周期和成本有着重要影响。按照成形的坯料形式,航空钣金成形技术可分为:板材成形技术、型材成形技术和管材成形技术。
国外航空钣金成形技术的水平与发展趋势
当前,航空钣金成形技术在深度和广度上都取得了前所未有的进展,其特征是与高新技术结合,在方法和体系上开始发生很大变化。新结构和新材料的不断涌现,也为航空钣金成形技术提出了新的挑战,主要表现在:
薄壁轻量化整体构件成形技术在武器装备制造中的地位和作用越来越突出。由于整体结构在减重、减少零件数量和装配工作量、提高构件整体性能方面具有明显的优势,已经成为先进飞机和发动机的主要结构形式。针对这些整体构件的成形方法和技术,如钛合金薄壁空心构件的SPF/DB技术、大型带筋整体壁板的喷丸成形和蠕变时效成形技术将越来越得到重视和发展。以超塑成形/扩散连接技术为例,美国F-22飞机的后机身有8块高强钛合金SPF/DB隔热板,尺寸为915′635′1~4mm。B-2飞机上的钛合金SPF/DB零件尺寸为1200′3600mm,厚度为6.3mm。采用超塑成形/扩散连接技术研制的B737-NG的反推力热防护壳体与原来的铆接结构相比,零件数量从32个减少到3个,减重27.3磅,成本降低68%。
英国罗罗公司采用超塑成形技术研制出钛合金三层结构宽弦空心风扇叶片,叶片减重35%~40%,相当于原叶片的1/3,每台发动机装26片叶片可减重90.7千克,提高了发动机效率4%,减少了燃油的消耗量,减低了噪音,成为该公司在发动机研制领域技术领先的标志,举世瞩目。
轻质、高强、耐高温新材料制备及构件制造一体化技术将作为提高新一代武器装备性能的重要手段。随着空天飞机等高超声速飞行器和新一代航空发动机研制的需求,轻质、高强、耐高温材料及构件制造技术将成为研究的热点和趋势。SiC连续纤维增强钛基复合材料是通过在钛合金基体中加入高性能SiC纤维,充分发挥基体材料与纤维的协同作用,集SiC长纤维的高强度、高刚性和高抗蠕变性能与钛合金的轻质高比强、高比刚度的特性于一体,获得单一材料无法比拟的优异性能,成为一种倍受关注的先进复合材料。SiC连续纤维增强钛基复合材料在现代航空航天飞行器和高推重比发动机中上的应用,不仅可以获得15%~78%减重效果,而且可以显著提高使用温度和服役性能,将对未来的航空航天飞行器和先进发动机的设计和制造带来革命性变革。
此外,Ti-Al系金属间化合物在发动机高温部件方面具有很强的优势。
高比强泡沫铝和泡沫钛夹芯结构以及空间非连续点阵结构将有望在新一代飞行器蒙皮和壁板结构中得到应用,以进一步实现减重和提高性能的目的。
与先进焊接技术的结合,使钣金成形零件突破了板材尺寸和设备台面尺寸的限制,使大型构件的制造成为可能。波音公司采用搅拌摩擦焊/超塑成形工艺研制了直径达4米的大型发动机唇口。美国国家航空航天局(NASA)与洛克希德·马丁公司合作利用搅拌摩擦焊工艺和旋压成形技术研制了直径达5.5米,深度达1.6米的2195铝锂合金火箭液体燃料箱封头,并使用了比普通铝合金质量更轻,强度更高的2195铝锂合金,不仅能够提高零件强度而且能够有效降低火箭液体燃料箱的重量,具有很高的技术与经济效益。