目前,航空钣金特种成形技术诞生了多个种类,如热成形技术、超塑成形扩散技术、旋压成形技术以及喷丸成形等,这些技术均具有一定的应用优势。同时成形设备与工艺技术相辅相成,互为促进,航空钣金特种成形技术的开发可体现出国家航空制造工程水平,目前世界各国均投入大量资金与资源致力于此类成形设备的研发。
1.航空钣金特种成形工艺分析
1.1加热成形工艺
这是一种利用热能而进行各类钣金飞机零件产品加工的方法,主要应用于钛及钛合金材料成形方面,其优势在于可降低材料皱折现象,且产品外表面不易产生裂纹,不易出现破裂情况,具备较强的抗变形能力,并且可使材料塑性得到大幅提升,变形量较高,可生产出外形相对复杂的零件,且在成形过程中可将残余应力完全消除,也可减少变形回弹现象的出现,有利于产品成形质量的提升。
1.2超塑成形/扩散连接成形工艺
这也是一种可针对钛及钛合金材料进行加工的成形工艺,可用于结构及形状较为复杂的钣金零件加工当中,也可用于整体性构件的加工,其应用优势在于模具量可大幅减少,零件加工成形工序可得到简化,且可增大材料的变形量,可加工出形状更为复杂的零件。同时,还可与扩散连接工艺联合应用,从而可加工出结构轻便但却异常复杂的整体结构件。
1.3旋压成形工艺
这是一种既可于室温下也可于加热情况下使用的成形工艺,加热温度为150-1100℃之间,此成形工艺除了可用于钛合金的加工外,还可用于铝合金、钛合金以及钽合金的加工,可用于各种回转体钣金零件的制造,此工艺应用时,所需模具数量也较少,并且可极大的节约加工时间,并且可使加工材料大幅变形,从而可使之得到更高效的利用。此种加工方法的成本相对节约,所需设备质量相对轻便,可对材料的不足之处进行优化,使之性能得到显著提升,在回转型零件加工方面经济性能良好。
1.4喷丸成形工艺
该成形工艺是一种可于室温下使用的加工方法,主要应用于铝合金加工方面,应用时不需制作成形模具,不会占用较大的加工场地,并且加工速度快,可在不受设备限制情况下加工出各种长度的零件。同时,加工费用较低也是此技术的一大优点,同时该成形工艺的抗疲劳性与抗腐蚀性较强,通常在大中型金属机翼及机身整体壁板加工中较为常用。
2.航空钣金特种成形设备
航空钣金特种成形设备主要有四种,分别应用于上述四种加工成形工艺当中。
2.1热压机
热压机是由液压机与加热冷却系统两个结构构成的,是利用热压成形技术加工钛合金钣金零件需用到的设备。此设备有两种工作模式,一为开式,二为闭式,还可根据运行模式而将之分成单动或双动两种模式。相较于普通液压机而言,其特征与之有一定的共性。通常热压机上安装有带顶料系统,零件拿取及材料装卸较为方便,可在测压系统辅助下加工出外形相对复杂的结构件。热压机工作中最为关键的技术指标有三个,一是温度、二是工作区范围、三是设备吨位。目前我国产的热压机与国外技术指标较为接近,然而由于需求等因素的不同,热压机还具备一定的升级空间。
2.2超塑机床
这是一种与热压机较为相似的加工成形设备,是在加工钛合金零件时应用的主要设备。较之热压机,超塑机床应用时工作温度更高,通常介于700至1000℃之间,同时对加热冷却系统也具有十分严格的应用要求,并且机床制造过程难度较高,需要在气压控制系统辅助下使用,并需应用与之相匹配的气体气源或管路。加工钛合金钣金零件时,还需额外配备四周加热系统,以保持超塑成形/扩散连接模具温度沿高度均匀分布。
2.3旋压机
旋压机类似车床,主要由床体、滚轮机构、液压进给系统及操作系统等构成,用于各类金属回转体钣金零件的成形。旋压机可分为卧式和立式,也可分为单轮、双动及三轮。多轮旋压机适用于变形抗力更大零件的旋压成形,可以旋压成形更高质量与精度的零件。目前,在机床吨位、旋压件直径及高度(或长度)等重要技术指标方面,国产与国外旋压机仍存在一定差距。与传统带芯模旋压工艺相比,无芯模旋压技术具有显而易见的优越性,近年来,国外一种新式旋压机--无芯模旋压机开始进入人们的视野。
2.4喷丸机
喷丸机与龙门铣床近似,由喷丸室、壁板送进机构、弹丸喷射回收筛分循环系统、压缩空气风选除尘系统及操作控制监控系统构成,主要用于大中型飞机金属机翼和机身整体壁板的喷丸成形。喷丸机可分为气动式和离心式。气动式便于控制,适用于复杂外型结构整体壁板的成形。离心式弹丸流量大、工作效率高,适合于结构较简单的整体壁板成形。目前,在机床控制系统、打击力及可喷丸成形壁板长度等主要技术指标方面,国产与国外的喷丸机仍存在不小的差距。此外,类似喷丸成形工作原理与效果的超声和激光两种冲击成形手段,已经在国外呈现出大型数控设备化的势头。
3.航空钣金特种成形设备发展趋势分析
3.1专业化
这意味着高品质、高质量、高效率及低成本,要求设计、制造、控制、装配、调试、售后服务专业化,设计制造模块化,唯有专业化国内航空钣金特种成形设备开发才会有希望。
3.2国产化
力求国内自主开发航空钣金特种成形设备,但是并不意味着保护落后和禁止进口,相反应允许合理进口并保护公平竞争。
3.3专用化
指航空钣金特种成形设备用途更趋单一,甚至仅针对某种特定零部件,可产生高效率;融合工艺与工装,为特定零件成形提供工艺及设备整体解决方案。
3.4大型化
大型化是航空钣金特种成形设备的发展方向,应当提早预测、规划及实施,以应对当设备规格大到一定程度时,关键零部件因尺寸大在市场上难以获得,以免陷入国内企业不具备制造能力,国外个别企业虽具备生产能力但其产品对中国禁运的可能困局。
3.5信息化
信息化已经成为一种不可抗拒的巨大潮流,国内航空钣金特种成形设备必须自觉适应信息化潮流,与数字、智能及无纸制造接轨。
结语:航空钣金特种成形技术的应用,可为飞机制造领域提供结构更为复杂、外形多种多样、质量更为优异、由多种不同材料制作而成的钣金件,可为飞机制造领域的发展起到一定的推动作用。鉴于当前阶段与这些特种成形工艺相配套的特种加工设备存在进口量大、性能不高、理念更新不及时及模式不够新颖等问题,未来需要通过加大核心技术研发能力,引入模块化设计制造技术,提升技术指标等多项举措进行技术升级与设备优化,从而为航空钣金特种成形需求的满足提供支持。
参考文献:
[1李春和.先进钣金成型技术在航空制造领域的应用[J].内燃机与配件,2019(20):250-251.
[2]朱永胜,刘洋.先进钣金成形技术在航空制造领域应用分析[J].科技创新与应用,2019,No.290(34):116-117.