筋板類構件成形技術研究進展

葉景申，張寶紅，于建民，祁 威

（1.中北大學 材料科學與工程學院，山西 太原030051；2.山西省集成精密成形工程技術研究中心，山西 太原030051）

近年來，隨著科技進步和制造技術的發展，航空、航天和武器裝備等高精尖領域為實現減重需要，大量零部件被設計成薄腹高筋結構。圖1 為典型筋板件結構單元，這些筋板類構件結構復雜，筋的高寬比差異較大，最大可以達到1∶20。薄腹板截面的類型主要有L、H、Z、U 等形狀，根據使用情況不同，其厚度也有一定差異，最薄僅有2mm～3mm[1-2]。這類構件經過合理設計，優勢非常明顯，不僅重量輕，占用空間面積小，而且能夠承受比較大的載荷，可以起到支撐、防護作用。研究表明，汽車車重每減少100kg，百公里油耗可減少0.6～0.7L。航空航天和運載武器系統中，飛行器每減重1kg，所需燃料減少幾十千克甚至數百千克，可以顯著提高發射距離和速度，節約發射成本[3]。因此，開展對筋板類構件成形技術的研究，具有重要的理論與實際意義。

圖1 典型筋板件結構單元

1 筋板類構件的應用

構件的輕量化可以顯著提高飛行器的整體性能，因此整體復雜結構廣泛應用于航空航天及武器裝備等領域，如飛機的中央翼和外翼整體壁板、進氣道壁板、運載火箭的燃料箱整體壁板及航天飛機的整體壁板等[4-6]。這些整體壁板可有效提高產品性能，減重10%～30%，縮短裝配周期80%～90%。美國軍方推動的整體機身研究計劃IAS，以B747 機身為研究對象，分析了機身加入整體帶筋壁板之后的結構，結果表明，零件數量只剩7 個，減少了94.6%；成本也只有原來的1/4，但壽命和強度卻得到了大幅度提升[7]。圖2 為A380 機身框架和艙門，采用空心結構、腹板加筋結構或框架結構等替代實心結構，能夠顯著降低構件的重量。美國、俄羅斯等國已研制成功了大尺寸的起落架鍛件和整體隔框鍛件，隨著我國大飛機項目的啟動，對于大型筋板件的需求將會大大增加。

圖2 A380 機身框架和艙門

導彈和雷達衛星等武器裝備中也有大量筋板類構件[8]，許多筒形件、錐形件內部往往都有不同尺寸、形狀的縱向筋和橫向筋存在，以滿足性能、強度、功用等諸多方面的需要，如某系列導彈的各段艙體內均勻布有許多縱筋，某導彈錐形殼體內帶有環筋。這類構件由于其薄腹高筋的復雜結構，給其加工帶來許多困難。

2 筋板類構件的加工現狀

現階段，越來越多的薄腹高筋類構件出現在各個領域，由于不同構件的使用范圍有差異，其加工方法也有所不同。

2.1 精密鑄造技術

精密鑄造生產的產品精密、復雜、接近于零件最后形狀，可不加工或經少量加工即可投入使用。因此，對于那些使用性能要求不高的大型薄腹高筋類構件，通常使用精密鑄造的方法進行加工，與普通鑄件相比，強度能提高到450MPa，延伸率δ≥10%，良品率可以達到98%。

現階段，以美國和日本為代表的先進國家在制造精密鑄件的技術上有了重大突破，最大的鈦合金構件直徑已經超過2m，最薄的腹板僅0.15mm，鋁合金精密鑄件的水平更高，材料利用率和成品率都達到了80%以上[9]。

精密鑄造技術在我國起步時間比較晚，當前和西方國家相比還有一定差距，生產的鑄造產品晶粒尺寸較大，組織不夠致密，產品力學性能較差，不管是成品率，還是成本都無法和美國、日本等國家相比。當前研究鈦及鈦合金精密鑄造技術的有北京航空材料研究院、洛陽船舶材料研究院、沈陽鑄造研究所、中科院沈陽金屬研究所、哈爾濱工業大學等單位。北京航空材料研究院曾成功澆鑄出復雜的框形結構，尺寸為630mm×300mm×130mm，最小壁厚僅為2.5mn，如圖3 所示[10]。

圖3 框形結構鈦合金鑄件

2.2 機械加工

通常情況下，大型薄腹高筋類構件在使用過程中對性能的要求比較高，加工過程一般分兩步進行。首先采用鍛造或者軋制預制毛坯； 然后使用數控機床對各個高筋進行精細化加工。采用該方法制造出來的構件強度往往達不到要求，主要是因為加強筋部分的金屬流線在切割過程中被破壞。另外，該加工方法的材料利用率低、加工成本高、環境污染嚴重[11]。經過數控銑削后的大型框、梁類構件，會發生變形現象，在校正過程中會出現殘余應力，從而使構件的可靠性和使用壽命大幅減小。

2.3 焊接成形技術

近年來，隨著激光焊、攪拌摩擦焊的發展，出現了焊接整體壁板結構，第一架采用攪拌摩擦焊技術生產的商用噴氣客機由美國Eclipse 公司制造，并成功進行了首飛測試[12]。這種焊接整體壁板與厚板機加整體壁板相比，零件制造成本大幅降低，材料利用率大大提高； 并且可以根據需要選擇合適的材料來制作桁條和蒙皮，從而提高零件的結構效率。例如在設計A380 機身下壁板的過程中使用到了鋁合金6013 和6015 兩種材料，不僅降低了零件的成本，還使得整體結構效率大幅提升[13]。但目前采用焊接方法加工大型筋板類構件的工藝尚不成熟，對復雜結構的適應性較差，且焊接結構的殘余應力大，疲勞強度低，整體耐壓一致性差，從而降低了結構的可靠性。

2.4 等溫模鍛技術

等溫模鍛技術就是把模具和坯料一起加熱到材料變形所需的最佳溫度，同時保證在變形過程中坯料的溫度保持基本不變。該技術可以顯著改善難變形合金的塑性，因而廣泛應用于航空航天領域難變形合金零件的制造。這類合金鍛造溫度范圍較窄，尤其在鍛造薄腹高筋類構件時，溫度下降較快，采用常規鍛造方法難以成形。

以美國和俄羅斯為代表的發達國家在該領域取得成就非常明顯，如美國普拉特·惠特公司采用該技術制造出了重量只有22.7kg 的Ti-Al-4V 鈦合金飛機隔框，節約材料85.6%，該技術的使用大幅度降低了隔框的重量。俄羅斯在制造BT22 和BT31 鈦合金葉片的過程中也使用了等溫模鍛技術，該技術使材料利用率由原來的32%～40%提高到83%～90%。從上世紀70年代起，我國一些科研機構和大型企業就開始從事等溫模鍛技術的研究。目前該技術主要應用于船舶、武器裝備等領域。北京機電研究所在制造TC11 壓氣機盤及中船重工第十二研究所在制造LC9 鋁合金增壓器葉輪的過程中都使用到了該技術[14]。

2.5 局部加載成形技術

局部加載是指在等溫條件下僅向工件某個局部施加變形力，通過變換加載位置來實現大型復雜整體構件成形。該技術可以控制金屬的變形流動方向，有效改變材料應力狀態，迫使金屬充填筋部，從而可以避免金屬在筋的根部產生折疊或切斷[15]。局部加載與整體加載相比，可更有效地控制材料流動，顯著降低材料的變形抗力，從而降低成形所需的力，該技術為航天復雜筋板類大型整體構件提供了一種新的成形途徑。

Kopp[16]通過對筋板類構件局部加載成形技術的研究，成功制造出7075 鋁合金飛機隔框。西北工業大學吳躍江等[17]研究了局部加載條件對T 形構件成形過程中材料流動規律的影響，韓冠軍[18]研究了TA15大型筋板件等溫局部加載晶粒尺寸演化規律，結果表明，采用該技術可獲得更細小均勻的組織。孫志超[15]通過對H 形構件局部加載成形技術的研究，揭示了加載模式、加載次序、加載參數、分模面位置對筋的填充和晶粒尺寸的影響規律。

2.6 旋壓成形技術

旋壓是一種綜合了鍛造、擠壓、彎曲、拉伸、橫軋、環軋等工藝特點的先進近凈成形加工工藝。帶筋管殼構件由于有不同尺寸和形狀的筋存在，傳統的塑性加工技術已經不能展現其優勢，旋壓工藝的迅速發展為加工該類零件提供了一種新思路和嘗試[19]。由于金屬在旋壓時流動不均勻，因此帶筋管殼構件在工裝結構、旋壓方式、工藝參數選擇上與一般筒形件旋壓有著很大差異。

根據強力旋壓原理及帶筋管殼構件的結構特點，派生出內旋壓和滾珠旋壓兩種新的旋壓方法。內旋壓成形工藝可以成形帶內環筋零件，這種成形方式目前研究還比較少，馬世成[20]研究了帶環向內加強筋異形件的內旋壓成形，因工件內徑必須大于成形工裝的尺寸，使其零件加工范圍受到一定限制。滾珠旋壓是成形縱向內筋異形管殼件的最佳選擇，但該技術研究目前基本處在實驗階段，大部分只是從工藝方案和工藝方法上進行了分析和研究，如機械電子工業部第十二研究所馬振平提出了對行波管異形管殼的旋壓成形，北京真空電子器件研究所馮慶祥提出了對帶縱向內筋的薄壁長管的旋壓加工。雖然哈爾濱工業大學江樹勇研究了縱向內筋薄壁筒反向滾珠旋壓成形機理，但由于旋壓工藝參數較多，實際生產中旋壓工藝的制定往往是依靠工藝人員通過一些簡單的經驗公式并結合個人的實際經驗來確定，缺少準確有力的理論指導。

2.7 噴丸成形技術

所謂噴丸成形技術，就是使用高速運動的彈丸對板材的表面進行快速撞擊，并使其表面發生一定的形變，隨撞擊次數不斷增多，就會出現下圖所示的延伸區，具體原理如圖4 所示。

圖4 噴丸成形原理圖

上世紀40年代初，美國工程師Jim Boerger 首先采用了噴丸成形技術制造飛機壁板，并成功應用于Constellation（星座號）飛機。目前，用該技術制造的整體壁板已經廣泛應用于EM120、A10、B1 等軍用飛機及A310～A340、707～777、MD80 等民用飛機以及運載火箭ARIANE-4 和ATLASII 上[21]。

北京航空制造工程研究所研究了機翼整體壁板噴丸成形，在設計LY12、LC4、7075、2024、7055、2324這些材料噴丸成形過程中積累了大量工藝數據，取得了包括馬鞍形和扭轉外形預應力噴丸成形技術、超臨界機翼整體壁板噴丸路徑設計方法和柔性預應力夾具等的技術突破和創新，并在2006年成功研制出了大型超臨界機翼整體壁板裝機件[22]。胡凱征[23]通過對飛機整體壁板噴丸成形的模擬，優化了噴丸成形工藝參數。2014年，西飛一舉攻克大型機翼帶筋壁板數控噴丸成形難題，使中國的大型機翼壁板數控噴丸成形技術躋身世界先進行列。這些突破和創新為下一步大飛機機翼整體壁板、“ 蛟龍”600 機翼壁板采用噴丸成形技術奠定了重要的技術基礎。

2.8 時效成形技術

二十世紀五十年代初期為成形整體壁板零件，出現了時效成形技術，該技術利用金屬的蠕變特性，將成形與時效同步進行[24]。具體成形過程如下：通過一定的加載方式使得加熱之后的金屬坯料固定在模具內，并使坯料產生一定的變形，然后將模具和坯料一起加熱到該材料的時效溫度并保溫一段時間，這個過程中會發生坯料蠕變變形，保溫結束后，零件的形變將永久保存下來，這就使零件既可以達到時效的效果，又能夠滿足外形的需要。

以美國為代表的西方發達國家在該領域的研究取得了十分顯著的成就，該技術已經應用于飛機整體壁板的制造。例如比較著名的戰略轟炸機B-1B上下蒙皮壁板、彎流IV 和彎流V 的復合曲面上翼面蒙皮和大力IV 火箭正交格柵結構的成形中都用到了該技術。其中B-1B 上下蒙皮壁板材料為鋁合金2124 和2419，長度為15.24m，根部寬2.74m，外端寬0.9m，厚度有突變，從2.54mm 變到63.5mm，且展向有整體加強桁條，該壁板當時被認為是飛機工業史上最大最復雜的機翼壁板。

我國對時效成形技術的研究開始時間較晚。不過，越來越多的科研院所投入到該領域的研究中來。西北工業大學甘忠教授在理論和實驗兩個方面研究了鋁合金2A12 板材的時效成形技術。北京航空航天大學周賢賓在蒙皮和壁板的時效應力松弛校形方面取得了較多的成果[25]。北京航空制造工程研究所研究了包括鋁合金7075 和2324 在內的很多合金材料的時效成形，記錄并修正了其成形過程的參數，為后面整體板的設計提供了理論基礎。但整體上，我國在該領域取得成果還比較少，對時效成形變形機理及其對材料組織和性能影響方面的研究剛剛起步，特別是在結合時效成形材料的微觀組織演變，并建立時效－蠕變材料本構方程的基礎上，開展時效成形過程的數值模擬和回彈預測方面，國內目前尚處于空白。

3 結語

先進制造技術的發展，促進了構件的輕量化、精密化研究，筋板類構件因其獨特的優點而廣泛應用于航空、航天及兵器等領域。這種薄腹高筋的整體復雜結構形式，給其加工帶來很大困難。不過隨著科技的發展，筋板類構件的制造技術將不斷改善，該類構件的應用范圍將會不斷擴大。

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