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

朱丽，张晓巍，王珏，王月林

沈阳飞机工业（集团）有限公司,辽宁省沈阳市，110850

摘要：随着我国航天科技的飞速发展，我国航天工业对金属板材的需求越来越高，迫切需要开展新型金属板材冲压工艺的研究。文章对钣金成型工艺进行了简要的概括，对先进钣金成型技术及应用进行了分析，希望以此为实现先进钣金成型技术在航空制造领域中的科学应用给予便利条件。

关键词：钣金成形技术；航空制造领域；超塑成形技术

引言：钣金成形工艺是我国航空航天和武器装备等生产中的核心技术，是推动我国国防装备升级和提高其综合综合实力的核心技术。板材冲压加工是航天工业中的一项关键技术，随着航天工业的发展，其对板材的性能、强度和重量都有了较高的要求。

1.钣金成形工艺概述

在航空制造中，板金零件是一种非常关键的零件，在飞机机身组成中占有大约70%比例，在飞机整体制作的劳动量中，零件的制作大约占15%，并且还具有零件种类多、刚性小及结构复杂等特性，这些特性会对飞机的生产周期和飞机整体质量造成直接的影响。钣金件的种类主要有两种，一种是直线型弯曲件，另一种是复杂廓形的零件。在制造的时候，一般都会使用多处理机CNC的压弯机，这样就可以不停地、自动地对滑块位置、后挡架等位置进行测量，并与所给的位置进行比较，可以方便地进行自动修正。

采用CNC控制，可以预先选择液压缸的压力，并可以调整后挡车的转速，从而达到程序的自动化。对于具有复杂轮廓的构件，其成型过程也比较复杂，因此，以蒙皮拉形器和喷射抛射器为主。蒙皮拉形机的操作要点，就是要保证适当的张力，张力必须控制在材料的极限强度和屈服强度之间，否则就会提前出现金属的疲劳。在这当中，喷丸成型技术就是利用高速弹丸对金属钢板的表面进行冲击，使金属钢板的表面和下层的金属在高速弹丸的冲击下发生塑性变形，对其进行拉伸，推动钢板进行弯曲成型，从而形成所需要的轮廓的一种成型方式。

2.先进钣金成形技术分析及应用

2.1超塑成形技术/扩散连接技术

基于超塑性成形所需的应力状态、温度状态和微观结构等因素，可将超塑性成形划分为三大类：相变型、细晶型和其他型式。在这些工艺中，细晶超塑成型是目前最常用的成型方法之一。要实现细晶化超塑，除了需要具有优良的热稳定性和等轴细晶结构之外，还需要在一定程度上满足两个条件：一是Tm＜T，Tm为材料的熔点，且可以用绝对温度来表达；二是应变率须很小。其中，阳模成型、区域成型和阴模成型是SPF成型工艺的主要成型方式，其中区域成型和阴模成型是比较常见的成型方式。而要达到正模成型，就需要特殊的装置，使成型的制品具有壁厚均一等特性[1]。

事实上，采用的是将拉伸成形和超塑性气压成形两种工艺进行组合的方法，得到的是一种深腔板成形件，其腔底部与腔顶部之间的壁厚差比较小，在气瓶类零件的成型加工中具有一定的技术优势。从理论上讲，扩散连接技术是指在不能形成塑性形变的高压环境下，或者在其环境温度比被连接工件的熔点温度更低的情况下，能够在不发生液相或形成液相的情况下，促进被连接金属表面发生固体扩散，从而达到连接的目的。超塑成形技术/扩散连接技术的组合工艺的扩散方法，可以被划分为两种类型：一种是过渡液相扩散连接及一种是小变形的固体扩散连接。在进行扩散连接的时候，要特别留意选择一种惰性的保护气体或者是一种真空环境，以防止部件被氧化[2]。

2.2激光冲击技术

激光冲击指的是利用脉冲形式的激光束，对金属表面进行冲击，从而形成一种平面波，在穿透工件的过程中，还会导致材料塑性变形的一种技术。所以，这种技术所产生的压应力深度、塑性变形深度都比较高，这就导致所制得零件的应力腐蚀抗力、断裂韧性、疲劳性能都有显著改善。这种激光脉冲技术是二十世纪中期由巴特尔公司开发出来的，但由于缺乏大功率、高频率、高稳定性的激光器，一直没有被应用到实际生产中。

在这样的开发环境中，可以大大提高脉冲的重现率，大大减少加工时间，提高加工效率，降低制造费用。例如，LINL-MIC撞击系统就是一种现代的激光撞击系统，这个系统使用了一种新的闪光灯泵浦的激光器和一种新的玻璃等设备。具体的研究内容包括：一是采用正方形激光器，其输出的平均功率为125W，脉宽为10ns-100ns，脉冲能量20J，合适的重频为5Hz。二是在激光脉冲的帮助下，可以激发激光脉冲来撞击工件的表面。当激光通过打桩层时，会被打桩层所吸收，从而形成膨胀的电浆云。在被压实后，压实后的等离子体云会快速扩张，使压实后的受力从10ns-100ns上升到1GPa-10GPa。三是由于塑性形变所引起的平面冲击波通过被测件，在被测件的表面上发生塑性形变。与其它工艺相比，激光作用下成形的塑性区具有明显的优越性，但成形过程中工件的淬硬度低于1%[3]。

2.3液压成形技术

所谓液压成形技术就是用液压囊充当一种弹性冲头或弹性凹头，以油为传压媒介，推动金属板材在一种弹性冲头或弹性凹头上成型的方法，还可以被称为液压成型，或者是橡胶液压成型。早在上世纪五十年代，航天工业就已经开始使用了液压成型的方法，不过受限于装备的限制，液压成型的压力只有80kg-N/cm

2-150kg-N/cm2，属于一种低压橡胶成型的方法。

所以，在产品成型之后，仍然需要手动进行修正。近年来，随着液压成型技术的快速发展，一些国家的航空公司引进了瑞典ABB公司的7.7t液压成型设备，该设备具有较大的工作台面积和较高的压力，且在成型后还具有人工校正的优点，为提高成型的品质奠定了坚实的基础。液压拉伸成型是用一种高气压的液态媒质代替硬模，迫使片材在液态媒质的压力下进行薄膜成型，从而得到所需要的部件。与橡胶气囊液压成型相比，液压拉伸成型采用了添加压边圈的方法来代替橡胶膜片，并且在某些液压拉伸成型过程中加入了密封设备，避免了流体泄漏的发生。

2.4激光技术

激光技术是一种新兴的金属板材制造技术，在这种技术的基础上产生了激光成形、激光切割等技术。如果把激光切削技术和CAD/CAM技术有机地融合在一起，就可以完成许多复杂的零件的自动制造，从而满足了当今多品种、小批的制造要求。在材料的处理上，除了可以完全满足零件的尺寸和材料的厚度的需要之外，还可以解决因需要更换模具和重新制造的问题。激光成型技术是一种先进的钣金成型工艺，该技术主要是利用激光束对工件局部部位进行加热，然后用水或气体迫使工件可在短时间内快速冷却，从而完成零件制造。因为这一技术不需要任何外力，也不需要任何工具和工具，所以可以极大地减少制造费用，并大大地减少制造过程中的备件时间。在对激光束的加热和冷却进行了严格的控制，从而可以对材料的变形进行有效的控制。

结论:

钣金成形工艺是一种被普遍采用的工艺方法，是提升航空航天产品品质、减少开发费用、减少开发周期的重要手段，是国家在航空、国防等领域的核心技术。在现代信息技术不断进步的今天，数字技术必然会与板料成型工艺紧密地联系在一起，互相渗透，互相促进，从而使板料成型工艺得到长足的发展。

参考文献：

[1]贾赟，杨登红，陈霖周廷等.基于SPOC的飞机钣金成形技术课程教学模式研究与实践[J].高教学刊，2023，9(14):125-128+133.

[2]同博，陈波，李荣.数字化技术在航空钣金成形模具制造中的运用研究[J].中国金属通报，2020(05):47-48.

[3]李中权，肖旅，李宝辉等.航天先进轻合金材料及成形技术研究综述[J].上海航天，2019，36(02):9-21.