先進航空板材成形技術應用現狀與發展趨勢

板材成形技術在航空、航天、汽車、兵器等工業中佔有非常重要的地位。以飛機製造為例,據統計，板材零件數量佔整架飛機零件總數量的50%，其數量在戰鬥機中超過1萬件，轟炸機中超過4萬件，大型運輸機和幹線客機中達6萬件之多，加工工時佔全機的20%。可見得，板材零件製造對飛機製造質量、周期和成本有著非常重要的影響。

當前，航空板材成形技術在深度和廣度上都取得了前所未有的進展，其特徵是與高新技術結合，在方法和體系上開始發生很大變化。計算機技術、信息技術、現代測控技術與板材成形領域的相互滲透與交叉融合，推動了精密板材成形技術的發展。同時,新結構和新材料的不斷湧現，也為板材成形技術提出了新的挑戰。

超塑成形/擴散連接技術

超塑成形/擴散連接(SPF/DB)技術是利用某些材料在某一特定溫度區間內,同時具備超塑性和擴散連接性的特點,在一次熱循環中完成超塑成形和擴散連接,從而製造出帶有空心夾層整體結構的一種成形方法。由於採用超塑成形及超塑成形/擴散連接製造的整體結構具有成形性好、設計自由度大、成形精確、無殘餘應力、零件數量少等優點,在減輕飛行器結構重量、降低生產成本等方面顯示出極大的優越性，被譽為現代航空航天工業生產的開創性技術，廣泛應用於航空航天飛行器的壁板、艙門、口蓋、葉片、舵和翼等重要結構件。

目前，SPF/DB技術在飛機上的應用，已從製造小尺寸構件發展到了大型整體構件。例如，美國F-22飛機的後機身有8塊高強鈦合金SPF/DB隔熱板，尺寸為915mm×635mm×1～4mm。B-2飛機上的鈦合金SPF/DB零件尺寸為1200mm×3600mm，厚度為6.3mm。幻影2000的SPF/DB前緣縫翼與傳統結構相比，零件數量減少67%，縮短生產周期50%，減重10%。北京航空製造工程研究所採用多達5件SPF/DB構件，通過與雷射焊接技術的組合，製造出最大尺寸達1650mm×760mm的兩層空心整體壁板構件，並取得了很好的減重效果。

在發動機領域，英國羅-羅公司首次將該項技術用於研製鈦合金寬弦空心風扇葉片(如圖1)，每個葉片實現減重35%～40%，相當於原葉片的1/3，每臺發動機裝26片葉片可減重90.7kg，同時還提高了發動機效率，減少了燃油的消耗和渦輪盤裝配工作量,降低了噪聲，成為該公司在發動機研製領域技術領先的標誌。另外，採用超塑成形/熱等靜壓等工藝製造的SiC纖維增強鈦基複合材料整體葉環將在推重比12～15一級發動機中得到應用，不僅可以獲得15%～78%的減重效果，而且可以顯著提高使用溫度和服役性能，將對未來航空發動機的設計和製造帶來革命性變革，圖2中a、b、c分別為MTU、斯奈克瑪和羅-羅公司研製的SiC/Ti複合材料整體葉環試驗件。

在飛彈領域,隨著新型飛彈高速、大過載飛行的需求，迫使飛彈舵、翼和艙段必須向高強度、高剛度和輕量化方向發展，採用SPF/DB技術製造飛彈舵和翼等構件將是必然發展趨勢。圖3為俄羅斯採用SPF/DB技術製造的新型飛彈舵、翼和艙段樣件。近幾年來，北京航空製造工程研究所將CAD/CAE和SPF/DB技術有機結合起來，突破了空心-實體混雜結構一體化製備等關鍵技術，極大地促進了SPF/DB技術的應用，其中最大的結構尺寸達2500mm×500mm×65mm，在剛度、強度滿足設計要求的情況下，實現減重50%。

近年來，為了進一步降低零件製造成本和提高生產效率，以及滿足大型整體構件的製造需求，超塑性成形與其他連接工藝的組合技術正日益受到重視和發展，如超塑成形/雷射焊接組合工藝、超塑成形/攪拌摩擦焊接組合工藝和超塑成形/熱等靜壓組合工藝等。圖4為波音公司採用攪拌摩擦焊/超塑成形組合工藝(FSW/SPF)研製了直徑達4m的大型發動機唇口。

噴丸成形和蠕變時效成形技術

噴丸成形和蠕變時效成形技術是飛機機翼和機身壁板類構件的特殊成形方法。噴丸成形技術是利用高速彈丸流撞擊金屬板材的表面，使受撞擊的表面及其下層金屬材料產生塑性變形而延伸，逐步使板材發生向受噴面凸起的彎曲變形而達到所需外形的一種成形方法。由於噴丸成形技術具有不需要成形模具，且成形後的零件表面均形成殘餘壓應力層，可有效改善零件的抗疲勞性能等優點，使它成為現代先進飛機金屬機翼整體壁板的首選成形方法，已經被廣泛應用於軍民用飛機和運載火箭的整體壁板零件製造中。圖5為採用預應力噴丸成形的A380機翼下壁板。

為了減少甚至消除噴丸成形後的人工局部校形，德國的KSA公司開發了自動噴丸成形技術，將數位化技術應用於噴丸成形過程中，取得了巨大的成功。圖6為採用自動化噴丸成形技術研製的阿麗亞娜火箭壁板，壁板噴丸外形精度達到0.3～0.5mm，一次合格率為100%，噴丸加工一件零件最快僅需要2小時,完全消除了人工校形,極大提高了零件製造質量和效率。KSA公司還將該項技術成功應用於A380的雷射焊接機身整體壁板的噴丸校形過程中。

自2003年以來，北京航空製造工程研究所系統開展了超臨界機翼組合式整體壁板的預應力噴丸成形技術研究，突破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一系列關鍵技術，於2006年成功研製出了ARJ21飛機大型超臨界機翼整體壁板。自2008年以來,實現了帶筋整體壁板預應力噴丸成形的一系列關鍵技術的突破，研製出了具有高筋複雜雙曲率外形的整體壁板構件，與組合式壁板相比，實現了結構減重9%(圖7)。

蠕變時效成形技術是利用金屬的蠕變特性，將成形與時效強化同步進行的一種成形方法。與噴丸成形技術相比，蠕變時效成形技術具有殘餘應力小、表面質量高和工藝重複性好等優點，尤其是將成形和材料時效強化同時完成，可以有效降低零件製造周期和成本。因此，蠕變時效成形技術用於機翼上壁板和焊接整體壁板時，具有明顯的技術優勢。例如，A380的機翼上壁板採用該項技術，成形後零件外形貼合度不大於1mm，每24小時可完成一件零件的成形。另外，將蠕變時效成形技術用於焊接整體壁板的成形，在成形零件外形的同時，還可達到消除焊縫殘餘應力，提高疲勞壽命的效果。圖8為採用時效成形的焊接機身整體壁板模擬件，該模擬件的蒙皮與筋條之間採用雷射雙光束焊接，蒙皮和蒙皮之間採用攪拌摩擦焊。

柔性多點模具蒙皮拉形技術

柔性多點模具是由一系列高度可調、規則排列的小衝頭構成，可形成離散曲面的模具。其基本思想是採用離散的點來擬合模具的三維型面。相對於傳統固定模具，採用柔性多點模具的成形方法具有如下優勢：一套模具可以成形多個零件，減少固定模具的使用量，從而降低產品研製成本、減小模具庫存;模具型面快速形成，縮短零件研製周期，易實現新產品快速研製。

美國自1999年起開展柔性多點模具蒙皮拉形技術項目，並於2002年研製出了一套臺面尺寸為4ft×6ft的工程化應用柔性模具系統(圖9)，2004年在美國空軍的某修理廠完成了工程驗證，取代了該廠49%的固定模具，76%的蒙皮零件採用該套模具進行生產。

吉林工業大學從1990年開始開展柔性多點模具基本理論與成形設備的研究,提出了多道次多點成形、分段多點成形理論，目前研製出的多點成形機已成功應用於高速列車流線型車頭、鳥巢中的彎扭鋼結構件等三維曲面零件成形。自2004年開始，北京航空製造工程研究所在國內首次開展了柔性多點模具蒙皮拉形工藝方法的研究，目前已經突破了低成本輕量化模具本體設計製造、型面優化和控制以及拉形工藝和質量控制等方面的關鍵技術，研製出了臺面尺寸為1824mm×1216mm的柔性多點模具，並成功試製出了飛機蒙皮零件，進入工程應用階段。

作為一種新興的柔性加工技術，柔性多點模具的應用可以解決多年來困擾製造業的模具數量龐大、模具設計製造周期長、模具型面修正耗時長、費用高等系列問題。將工藝數位化與柔性多點模具工裝數位化緊密結合，可大力推進板料成形領域的數位化水平，為實現零件的數位化精確成形提供了技術支持和保障。

旋壓成形技術

旋壓成形技術作為一種連續局部逐點變形的塑性加工工藝，具有無屑加工、柔性好、成本低廉等優點，適合加工多種金屬材料，可以快速成形薄壁迴轉體零件。美國「戰斧」式巡航飛彈艙段、發射裝置及發動機殼體、「民兵」洲際飛彈發動機殼體喉型火箭內襯、「大力神Ⅲ」的助推器發動機殼體、「毒刺」飛彈發動機殼體等都採用旋壓技術加工。將旋壓技術用於航空發動機機匣和罩體的製造，可以在確保零件材料性能與鍛件相當的情況下，大大提高材料利用率，降低零件製造成本。圖10為北京航空製造工程研究所採用旋壓技術研製的發動機高溫合金機匣構件。

近年來，將旋壓技術與先進焊接技術結合用於製造大型整體零件成為一種趨勢。圖11為美國航空航天局(NASA)與洛克希德·馬丁公司合作,利用攪拌摩擦焊和旋壓成形組合技術研製出了直徑達5.5m，深度達1.6m的2195鋁鋰合金火箭液體燃料罐圓頂。這項新技術使用了比普通鋁合金質量更輕，強度更高的鋁鋰合金，不僅能夠提高零件強度而且能夠有效降低未來火箭液體燃料罐的重量，具有很高的技術與經濟效益。

先進板材充液成形技術

板材充液成形作為一種新的成形工藝方法，較之傳統工藝有諸多優點，它既節約了能源，降低了成本，又適應了當今產品的小批量、多品種的柔性發展方向。特別是20世紀90年代以來，隨著相關技術的突破，充液成形的一些新技術不斷湧現，使其在汽車、航空航天等製造領域的應用不斷擴展。目前包括豐田奧迪在內的眾多著名汽車製造商已將此技術應用在汽車覆蓋件的生產上。在國內北航、哈工大等研究單位，以及河南孟電集團興迪鍛壓設備製造有限公司等企業也開展了對該工藝的研究，並已在航空、宇航製造領域得到應用。

與傳統板材成形工藝不同的是，板材充液成形是採用液體作為傳力介質傳遞載荷，使板材在傳力介質的壓力作用下貼靠凸模以實現金屬零件的成形。其成形工藝過程可分為四階段(如圖12所示)：首先開動液壓泵將液體介質充滿充液室至凹模表面，在凹模表面上放好坯料(如圖12 a)，施加壓邊力(如圖12 b);然後凸模開始壓入凹模，自然增壓或者通過液壓系統使充液室的液體介質建立起壓力，將板材緊緊壓貼在凸模上(如圖12 c)，同時流體沿法蘭下表面向外流出，形成流體潤滑，直至成形結束(如圖12 d)。

採用液體作為傳力介質代替剛性凸模或凹模傳遞載荷，使坯料在傳力介質作用下貼靠凸模或凹模以實現金屬板料零件的成形的XD-SHF系列板材充液成形設備，是河南孟電集團興迪鍛壓設備製造有限公司自主創新、研製開發的具有獨立知識保護產權的液態介質柔性成形設備，用於鈑金類零件的高精度成形。

板材充液成形設備

除了航空航天領域，板材充液成形設備還廣泛應用於石油、核電、汽車、大型柴油發動機等領域。可成形零部件有如飛機上口框零件的預製坯，臺階型非對稱油底殼拉深，盒形件的帶背壓拉深以及汽車減震器託盤等。

由於結構輕量化、產品精品化及節能環保的國際化趨勢，板材充液成形技術受到越來越多關注，除了航空航天領域把飛行器輕量化作為一個永恆的追求目標外，汽車領域，尤其在我國也開始將其作為一個重要的戰略目標進行考慮，隨著相關技術的突破和相應關鍵裝備研製的成功，圍繞著結構輕量化這一個主題開展的研究也逐漸地鋪開，為將來替代昂貴的進口產品，增加我國產品的國際競爭力，生產精品產品打下良好的基礎。

新型高能率衝擊液壓成形技術

在航空航天領域方面，鈑金類零件佔總零部件的數量、製造工作量佔全機工作量均在20%以上，針對目前航空領域對鈑金零件的輕量化及整體化發展的迫切需求，中科院金屬研究所技術團隊博士生馬彥、徐勇副研究員及張士宏研究員等人與沈飛、成飛和河南孟電集團興迪鍛壓設備製造有限公司合作，通過將充液拉深成形技術與高速衝擊成形技術相結合，提出了一種新型衝擊液壓成形技術。

新型高能率衝擊液壓成形設備

新型高能率衝擊液壓成形技術裝備，有望進一步推動我國航空航天的汽車製造業輕量化智能成形技術，特別是以低塑性材料和複雜結構管/板類零件成形為代表的液壓成形新技術和新工藝的發展，為高性能輕量化零部件提供國際領先的高效率、短流程、綠色智能製造的前瞻性技術支持。

我國的液壓成形技術和設備近年來得到了快速發展，而興迪源機械通過多年來潛心鑽研和技術儲備，如今已成功研製出一系列可工程化應用的具有自主智慧財產權的新型流體高壓成形智能裝備，如大噸位全伺服管材內高壓成形設備、板材雙向充液拉深成形設備、高溫氣脹成型設備、金屬波紋管液壓成形專用設備、快速水脹成形設備等，正在部分或全面取代昂貴的進口設備，深受來自國內外各行業用戶的好評。

總結

隨著先進航空飛行器對高強、輕質、長壽命和耐高溫等結構的需求越來越高，航空板材成形技術與結構設計、材料、分析測試以及其他製造技術的結合將越來越緊密，其未來發展趨勢和重點主要有：輕量化整體構件成形技術在航空裝備製造中的地位和作用越來越突出;輕質、高效、耐高溫新材料製備及構件成形一體化技術將作為提高新一代航空裝備性能的重要手段;與先進焊接技術的結合，突破了板材尺寸和設備臺面尺寸的限制，使大型構件的製造成為可能;與數位化技術的相互滲透與交叉融合，將極大推動航空板材成形技術的發展。

引自《先進航空板材成形技術應用現狀與發展趨勢》

作者：曾元松/北京航空製造工程研究所;

《先進板材充液成形技術》

作者：郎利輝，李濤/北京航空航天大學;

《現代液壓成形技術》

作者：苑世劍/哈爾濱工業大學