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航空铝合金特种成形方法(超全,必收藏)

2017-11-16 09:41:29
作者:本网整理
来源:材料十

航空铝合金常规成形方法包含铸造,锻造,焊接,挤压,轧制等方法。然而,随着航空铝合金应用范围的不断扩大,航空结构件日渐复杂,各种特种成形方法不断出现。今天,材料+小编带你来盘点航空铝合金特种成形方法的各种方法。

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    航空铝合金常规成形方法包含铸造,锻造,焊接,挤压,轧制等方法。然而,随着航空铝合金应用范围的不断扩大,航空结构件日渐复杂,各种特种成形方法不断出现。今天,材料+小编带你来盘点航空铝合金特种成形方法的各种方法。


    爆炸成形


    炸药可以释放巨大的能量,虽然大多数炸药的爆炸都带有毁灭性,但如果合理的利用炸药的能量就可以制造我们需要的产品零件。


    常用爆炸成形法方法是模具和工件都浸没在水中,金属板材由一环形夹固定在模具内,将模具形腔内的空气抽去使其成为真空状态,炸药放置在工件和形腔之间。同时炸药与工件保持一定的距离,炸药放置在深水里面,爆炸时产生的冲击波通过水传到工件,并使工件在模具形腔内成形,这种高能率成形方法还能用于厚度比较大的板材。


    如北美航空公司用爆炸加工法生产了“土星”宇宙火箭助推器用的直径10m(33ft)的2014铝合金球形封头瓜瓣零件,航空通用动力公司也用此法生产了厚度为3.175mm(0.125in)直径1371mm(54in)的AMS6434高强度钢封头。中国研制了最大厚度40~50mm、直径3m的大形封头。


    金属爆炸加工引人注目之处在于:能源不受限制,设备投资少,应用非常广泛。


    譬如,可以把炸药做成各种形状,以适应待成形零件轮廓所需要的爆炸压力分布。可以方便地改变炸药的放置位置或选用不同品种的炸药将压强从几千兆帕降低到一般压力加工的数值。如果要求增大能量,只须增加炸药量即可。爆炸成形示意图如下所示:


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    爆炸成形周期长,适合尺寸较大且不尽相同的小批量零部件的生产。爆炸成形的模具可以选用便宜或易成形材料,但也可以制成可长久使用的模具,模具材料包括:铝、木材、混泥土、塑料铁和钢。如果用弹性模量低的材料(如塑料)制作的模具,在成形过程中将大大降低金属板的回弹量,从而保证成形工件更高的精度。


    炸药的用量取决于系统类型和成形部件所需的压力大小,爆炸时所产生的冲击波向各方向传播,而大部分冲击波的能量没有被工件吸收。


    另外有一种罐装弹药或桶装弹药的密闭系统,这种系统通常用于制造比喷射系统更小的零件,所有的能量都作用在模腔的内壁上,罐装弹药所释放的能量迫使金属板材按照模腔内壁形状成形。


    使用爆炸成形时,安全很重要,特别是在密闭系统中,所以模具失效是一个需高度关注的问题。


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    电液成形


    电液成形也称放电成形,是航空铝合金钣金成形中一种比较独特的高能成形工艺,该成形过程的能量由细金属线的燃烧来提供,该成形工艺适用于相对较小的成形零件。


    制造过程中用环形夹将金属板材毛坯固定在模具顶部,将板材下部的模腔抽成真空状态,金属丝熔化后,存储在电容内的电能就通过电极和导线放电,通过水产生的冲击波将工件压至模腔内成形。


    电液成形产生的冲击波能量相对较小,产生的冲击力也较小,所以适合用于薄板的成形,每放电一次,连接两电极的电线就需更换一次,这种成形方法的生产效率都比较低。


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    电磁成形


    电磁成形是通过磁力激增来成形板材,是一种常用的高能成形工艺,电磁成形也被称作磁脉冲成形。


    其成形原理是:将通电线圈放置在靠近板材的地方,连接两电极的通电线圈中电流发生骤变,于是在线圈周围就会产生磁场,当导体处于变化的磁场中时,该导体内部将会产生电流。


    由于导电工件与通电线圈距离很近,而通电线圈所产生的磁场发生变化,于是工件内部就产生了涡电流,工件内部的涡电流又产生与线圈磁场相排斥的磁场(可参考楞次定律),该排斥力作用在工件上并使其成形。


    通电线圈可以根据所期望的效果放置在工件内表面,也可放置在工件上表面。许多电磁成形用来扩大管道管径或扩大管道某个部位的管径,该成形方法一般用于成形较薄的钣金零件,如航空结构中常用的管形件。


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    液压成形


    液压成形也被称为“内高压成形”,它的基本原理是以管材作为坯料,在管材内部施加超高压液体同时,对管坯的两端施加轴向推力,进行补料。在两种外力的共同作用下,管坯材料发生塑性变形,并最终与模具型腔内壁贴合,得到形状与精度均符合技术要求的中空零件。


    板材液压成形是采用液体作为传力介质,代替刚性凸模或者凹模,使金属板材在压力作用下贴模,加工所需形状曲面零件的成形工艺。由于液体的运用,使得成形压力均匀,零件回弹小,表面质量和尺寸精度高,模具成本低。因此,液压成形得到广泛的适用。


    1、管材液压成形技术


    管材液压成形技术,也叫内高压成形技术,它是将管材置于模具中,利用管材内部充入的混合液体产生的压力,使材料膨胀最后流入模具内。


    2、橡皮囊液压成形


    橡皮囊液压成形原理是橡皮隔膜将高压液体和板料分隔开,省略了另外一个半模,充入的高压液体将橡皮隔膜胀形,其胀形压力使板坯贴模成形。瑞典 Avure 公司根据此技术研制了 Quintus 橡皮囊液压机,它采用钢带缠绕增强技术,减轻了成形机框架的重量,增强了液室的强度,其成形压力为 80~140MPa。


    3、液压拉深成形


    液压拉深成形是采用高压液体介质代替刚性模具,使板材在液体介质压力作用下贴模成形为所需零件。欧美、日本等国家开展此技术较早,并应用于航空发动机、运载火箭整流罩等复杂零件成形中。如日本的 AMINO 公司采用此技术生产了飞机唇口和铝合金车身零件。


    与传统的冲压工艺相比,液压成型工艺在减轻重量、减少零件数量和模具数量、提高刚度与强度、降低生产成本等方面具有明显的技术和经济优势,在航空、航天等领域,减轻结构质量以节约能量是人们长期追求的目标。液压成形是实现结构轻量化的一种先进制造技术。


    对于空心变截面结构件,传统的制造工艺是先冲压成形两个半片,然后再焊接成整体,而液压成形则可以一次整体成形沿构件截面有变化的空心结构件。


    与冲压焊接工艺相比,液压成形技术和工艺有以下主要优点:


    减轻质量,节约材料。对于汽车发动机托架、散热器支架等典型零件,液压成形件比冲压件减轻20%~40%;对于空心阶梯轴类零件,可以减轻40%~50%的重量。


    减少零件和模具数量,降低模具费用。液压成形件通常只需要1套模具,而冲压件大多需要多套模具。液压成形的发动机托架零件由6个减少到1个,散热器支架零件由17个减少到10个。


    可减少后续机械加工和组装的焊接量。以散热器支架为例,散热面积增加43%,焊点由174个减少到20个,工序由13道减少到6道,生产率提高66%。


    提高强度与刚度,尤其是疲劳强度,如液压成形的散热器支架,其刚度在垂直方向可提高39%,水平方向可提高50%。


    降低生产成本。根据对已应用液压成形零件的统计分析,液压成形件的生产成本比冲压件平均降低15%~20%,模具费用降低20%~30%。


    温热成形


    温热成形是利用材料加热后塑性和延伸率提高,屈服强度下降的特性进行板材成形的技术,并且成形温度低于材料的再结晶温度,减少了能源消耗。例如,5000 和 6000 系列的铝合金从20℃升到 320℃,其材料伸长率从20% 增加到 80%。温热成形技术可以提高板材的成形性,并得到均匀厚度的零件,适合小批量零件的生产。


    温热成形有以下三种成形工艺:


    (1)等温温热成形,需要预先加热模具和板材,使其达到板材成形所需温度,然后进入压力机中进行成形。


    (2)预成形-热处理-精加工成形。板材在室温下预成形,然后将预成形零件采用感应线圈局部加热进行退火处理以去除应力,最终室温成形。


    (3)非等温温热成形。温热的板材(200~300℃铝合金)在常温模具下即可成形全尺寸零件,不需要预加热模具。国外对热成形工艺技术研究较早,欧洲已有设备生产企业提供冲压生产线,如德国Schuler公司和瑞典AP&T能够提供全套热冲压设备,如下图所示。


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    喷丸成形


    喷丸成形技术是利用高速弹丸撞击金属板材表面,使受撞击表面及其下层金属发生塑性变形而延伸,促使板材弯曲变形从而达到所需外形的一种成形方法,是飞机壁板类零件的主要成形方法之一。


    目前,喷丸成形技术在波音公司和空客公司已经发展成为一种相当成熟的壁板成形手段,德国 KSA公司采用喷丸成形技术成形Ariane5动力模块框架的锥形板,为空客 A380 提供了机身整体壁板制造的数控喷丸强化和喷丸成形设备,美国 MIC 公司(Metal ImprovementCompany)采用预应力喷丸成 A380 超临界机翼下壁板。我国于2006年成功实现了ARJ21超临界机翼整体壁板喷丸成形。


    随着喷丸技术的发展,涌现了一些新的喷丸技术:激光喷丸、超声喷丸和高压水喷丸技术。


    激光喷丸代替传统的金属、陶瓷或者玻璃喷丸,其激光能量脉冲直接作用于零件特定部位,产生的冲击波能够压缩金属表面,提高其表面裂纹和腐蚀的抵抗性能,增加材料疲劳强度。激光喷丸还可以用于成形较大的复杂轮廓部件的成形,如美国的MIC公司采用此成形技术成形波音747-8飞机机翼蒙皮面板。


    多点模具成形技术


    多点模具成形技术是把模具曲面离散成有限个高度可调的基本单元,用这些单元代替传统模具进行三维曲面成形,柔性多点模具,用于飞机蒙皮拉伸成形。它根据零件的外形,通过数字化程序控制成形工具按照一定轨迹逐步成形零件。


    英国剑桥大学、美国西北大学和坎布尔印度理工学院等均对渐进成形进行了研究。国内的研究机构,如西北工业大学、哈尔滨工业大学和南京航空航天大学等也均对此技术进行了研究。


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    蠕变时效成形


    “蠕变”一般是指材料在高温和低于材料宏观屈服应力条件下发生的缓慢塑性变形行为。蠕变时效成形技术(时效应力松弛成形技术),是将人工时效和成形制造相结合,利用了铝合金材料在弹性应力作用下在一定温度发生蠕变变形,从而得到一定形状的结构件。由于时效成形铝合金结构件残余应力水平低、回弹量小、产品精度高、适用大型蒙皮类钣金成形的特点,而被广泛应用于航空领域。


    一般来说,蠕变时效成形过程包括3个阶段:


    1) 加载。在室温下,对整体壁板施加载荷,使其发生合适的弹性变形,与此同时使壁板固定在具有设定目标型面的模具或工装上;


    2) 人工时效。将整体壁板和工装/模具一起放入热压罐,然后将温度升高至人工时效温度,并保温一定的时间。在保温的过程中,由于材料受到人工时效、蠕变和应力松弛的耦合作用,材料内部微观组织发生显著变化,部分弹性变形逐渐转化为了塑性变形。同时,在人工时效的过程中,材料完成了时效强化的过程,材料的性能得到改善;


    3) 卸载。在人工时效结束后,去掉预先的工装约束。由于加载过程中的弹性变形不可能全部转化为塑性变形,因此,材料将发生一定程度的回弹,从而得到预定形状的结构件。


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    与传统喷丸成形相比,蠕变时效成形工艺具有以下优点:


    1) 蠕变时效成形时,外加应力一般低于材料的屈服应力,蠕变时效成形过程减小了构件引发损伤甚至破裂的可能性。同时,可以显著地降低构件发生加工裂纹、空洞等宏微观损伤的概率;


    2) 利用材料的蠕变特性和时效强化,在成形的同时,完成了对构件材料的人工时效强化过程,材料的微观组织得到改善,力学性能得到提升;


    3) 蠕变时效成形的成形精度高,而且具有可重复性和成形效率高的特点。在成形具有复杂结构的构件时,仅需一次热循环就可以达到构件外形所需的精度,外形精度误差小于1mm;


    4) 蠕变时效过程中,构件内部残余应力基本上可完全被释放。因此,成形构件的尺寸相对稳定。此外,蠕变时效还可以有效地降低焊缝处残余应力,增强材料抗腐蚀的能力,延长构件的服役寿命。


    由于蠕变时效成形技术具有上述优点,美欧等西方发达国家很早就开始研究蠕变时效成形技术。


    其研究成果已被广泛应用于飞机整体壁板的制造中。例如,美国B-1B超音速战略轰炸机机翼的上下壁板、“弯流”Ⅴ 和“弯流”Ⅳ公务机的马鞍形上机翼蒙皮和“大力神”Ⅳ火箭整体结构壁板等。


    其中, B-1B机翼整体壁板曾被认为是飞机工业发展史上制造的结构最复杂、尺寸最大的机翼壁板。该壁板长度15.24m,外端宽0.9m,根部宽2.74m,厚度从2.54mm逐渐增加至63.5mm, 而且展向有整体加强桁条等复杂细微结构。采用蠕变时效成形制造的壁板表面光滑,形状精度较高,其装配贴合度可有效控制在0.25mm以内。


    在民用飞机方面的也得到了应用,麦道、空客和波音等早期机型已经部分应用了蠕变时效成形技术。例如:MD82、A380和A330/340等大型民机的整体壁板,已部分采用蠕变时效成形工艺。


    结束语


    随着先进制造技术的发展和新型材料的开发应用,航空铝合金零件精度更高、质量更轻、强度更高,形状更复杂,成形效率更快,并且减少了原材料和能源的消耗,缩短了开发周期、极大地减少了制造成本。航空铝合金成形设备朝着大型化、精密化、智能化、集成化、成套化和柔性化发展。

 

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责任编辑:王元


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