西北工業(yè)大學(xué)陜西省數(shù)字化制造工程技術(shù)研究中心 涂集林 王永軍 魏生民

鈑金成形在航空航天等領(lǐng)域有著不可替代的作用，隨著這些領(lǐng)域的發(fā)展和產(chǎn)品需求的不斷變化，新一代鈑金零件需要輕質(zhì)、高強(qiáng)度、高性能以及低成本的制造技術(shù)，這就需要不斷探索新材料、新工藝和新裝備，縮短產(chǎn)品制造周期，實(shí)現(xiàn)高效、快速、柔性和精確成形。

因此，先進(jìn)鈑金成形技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，如：液壓成形、溫?zé)岢尚?、超塑成形、噴丸成形和漸進(jìn)成形等，這些技術(shù)都極大降低了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期和制造成本。

液壓成形

液壓成形按照成形對(duì)象不同，分為殼液壓成形、管材液壓成形和板材液壓成形，而板材液壓成形又可分為橡皮囊液壓成形和液壓拉深成形。板材液壓成形是采用液體作為傳力介質(zhì)，代替剛性凸模或者凹模，使金屬板材在壓力作用下貼模，成為所需形狀曲面零件的成形工藝。由于液體的運(yùn)用，使得成形壓力均勻，零件回彈小，表面質(zhì)量和尺寸精度高，模具成本低。

1 管材液壓成形技術(shù)

管材液壓成形技術(shù)也被稱為內(nèi)高壓成形技術(shù)，它是將管材置于模具中，借助管材內(nèi)部充入的混合液體產(chǎn)生壓力，使材料膨脹流入模具內(nèi)。德國(guó)的Schuler公司、Fischer集團(tuán)公司和瑞典的AP & T公司等開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的專用管材液壓成形裝備。

2 橡皮囊液壓成形

橡皮囊液壓成形原理是橡皮隔膜將高壓液體和板料分隔開(kāi)，省略了另外一個(gè)半模，充入的高壓液體將橡皮隔膜脹形，其脹形壓力使板坯貼模成形。瑞典Avure公司根據(jù)此技術(shù)研制了Quintus橡皮囊液壓機(jī)，它采用鋼帶纏繞增強(qiáng)技術(shù)，減輕了成形機(jī)框架的重量，增強(qiáng)了液室的強(qiáng)度，其工作臺(tái)面最大達(dá)到1.8m×3.6m，成形壓力為80～140MPa。

3 液壓拉深成形

液壓拉深成形是采用高壓液體介質(zhì)代替剛性模具，使板材在液體介質(zhì)壓力作用下貼模成形為所需零件，與橡皮囊液壓成形相比，省掉了橡皮隔膜，改為增加了壓邊圈，有些增加了密封裝置防止液體泄露。

歐美、日本等國(guó)家開(kāi)展此技術(shù)較早，并應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)、運(yùn)載火箭整流罩等復(fù)雜零件成形中。如日本的AMINO公司采用此技術(shù)生產(chǎn)了飛機(jī)唇口和鋁合金車身零件，并且各國(guó)根據(jù)此技術(shù)競(jìng)相推出了各種液壓拉深裝備，如意大利MURARO公司和瑞典AP & T公司。

溫?zé)岢尚?/h2>

5000和6000系列的鋁合金從20℃升到320℃，其材料伸長(zhǎng)率從20%增加到80%[1]。溫?zé)岢尚问抢貌牧霞訜岷笏苄院脱由炻侍岣?，屈服?qiáng)度下降的特性進(jìn)行板材成形的技術(shù)，并且成形溫度低于材料的再結(jié)晶溫度，減少了能源消耗。

Interlaken技術(shù)公司利用溫?zé)岢尚魏凸懿囊簤撼尚渭夹g(shù)，通過(guò)預(yù)加熱模具，然后在管坯中充入氮?dú)獾姆椒▉?lái)生產(chǎn)鋁合金管材零件。

溫?zé)岢尚渭夹g(shù)可以提高板材的成形性，并得到均勻厚度的零件，然而其加熱過(guò)程中模具溫度很難達(dá)到均勻，并且比冷成形生產(chǎn)周期長(zhǎng)，因此只適合小批量零件的生產(chǎn)。溫?zé)岢尚斡幸韵?種工藝：

（1）等溫溫?zé)岢尚?，需要預(yù)先加熱模具和板材，使其達(dá)到板材成形所需溫度，然后進(jìn)入壓力機(jī)中進(jìn)行成形。美國(guó)汽車研究理事會(huì)將傳統(tǒng)沖壓模具改造后用于溫?zé)岢尚?，此工藝方法中模具和板料溫度控制困難，并且模具尺寸不穩(wěn)定，成形周期較長(zhǎng)。

（2）預(yù)成形-熱處理-精加工成形。板材在室溫下預(yù)成形，然后將預(yù)成形零件采用感應(yīng)線圈局部加熱進(jìn)行退火處理以去除應(yīng)力，最終室溫成形。

（3）非等溫溫?zé)岢尚?。只需要溫?zé)岬陌宀模?00～300℃鋁合金）在常溫模具下即可成形全尺寸零件，不需要預(yù)加熱模具。國(guó)外對(duì)熱成形工藝技術(shù)研究較早，歐洲已有設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)提供沖壓生產(chǎn)線，如德國(guó)Schuler公司和瑞典AP & T能夠提供全套熱沖壓設(shè)備，如圖1所示。

鈦合金溫?zé)岢尚渭夹g(shù)中成形溫度介于室溫和再結(jié)晶溫度之間，Ti-6Al-4V鈦合金如果在再結(jié)晶溫度以上成形，會(huì)導(dǎo)致材料性能和表面質(zhì)量變化，例如相變和表面氧化，無(wú)法滿足半成品板材的沖壓要求[2]。美國(guó)M-DOT公司采用鈦合金溫?zé)岢尚渭夹g(shù)[3]，將Ti-6Al-4V板加熱至426℃至紅熱后，移到壓彎?rùn)C(jī)上使其彎曲90°，最后組裝成發(fā)動(dòng)機(jī)輔助動(dòng)力裝置的托架。

圖1 AP & T公司熱沖壓生產(chǎn)線

超塑成形技術(shù)

某些材料在特定溫度、一定應(yīng)變速率以及一定組織條件下會(huì)發(fā)生超塑性現(xiàn)象，即其延伸率超過(guò)100%。超塑成形是利用這種材料超塑性特性進(jìn)行零件成形的技術(shù)，板料的成形方法為超塑氣壓成形，即模具內(nèi)通入壓縮氣體或抽出空氣形成負(fù)壓，使板料貼緊模具成形。它主要應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，如采用鈦合金超塑成形飛機(jī)引擎的入口環(huán)、艙門、排氣噴嘴部位的排氣錐，翼片等[4]，鋁合金如5083只能用于小型發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣環(huán)，或者采用5083-SP部分超塑成形后焊接成形成整體[5]，鎳基合金如Inconel 718正研究用于發(fā)動(dòng)機(jī)較熱部分。

超塑成形/擴(kuò)散連接技術(shù)是利用材料在某一溫度區(qū)間內(nèi)同時(shí)具備超塑性和擴(kuò)散連接性的特點(diǎn)，在一次循環(huán)中完成超塑性成形和擴(kuò)散連接，從而成形出復(fù)雜零件，增加了零件強(qiáng)度，減少了重量。Eurofighter的EJ200發(fā)動(dòng)機(jī)的噴管后側(cè)的翼片是由三塊Ti6Al4V通過(guò)超塑成形/擴(kuò)散連接成形的，為了提高效率每次同時(shí)成形5個(gè)零件[4]。另外Rolls-Royce 公司的第三代中空結(jié)構(gòu)葉片也采用此技術(shù)成形[6]。

如果擴(kuò)散連接層數(shù)增加至3層或者4層進(jìn)行成形，可以得到更高的強(qiáng)度和剛度，Eurofighter的鴨翼蒙皮下結(jié)構(gòu)和F35的排氣艙門均采用了這種多層擴(kuò)散連接技術(shù)。法國(guó)ACB公司和英國(guó)的Group Rhodes公司制造這種專用超塑/擴(kuò)散連接成形設(shè)備，如圖2所示。

噴丸成形

噴丸成形技術(shù)是利用高速?gòu)椡枳矒艚饘侔宀谋砻?，受撞擊表面及其下層金屬發(fā)生塑性變形而延伸，使板材彎曲變形從而達(dá)到所需外形的一種成形方法，是飛機(jī)壁板類零件的主要成形方法之一。

圖2 Group Rhodes公司超塑/擴(kuò)散連接設(shè)備

目前，噴丸成形技術(shù)在波音公司和空客公司已經(jīng)發(fā)展成為一種相當(dāng)成熟的壁板成形手段，德國(guó)KSA公司采用噴丸成形技術(shù)成形Ariane 5動(dòng)力模塊框架的錐形板[7]，為空客A380提供了機(jī)身整體壁板制造的數(shù)控噴丸強(qiáng)化和噴丸成形設(shè)備[8]，美國(guó)M IC公司（Metal Improvement Company）采用預(yù)應(yīng)力噴丸成形A380超臨界機(jī)翼下壁板，其他噴丸設(shè)備廠商還有美國(guó)的Wheelabrator公司和比利時(shí)SONACA公司等。我國(guó)于2006年成功實(shí)現(xiàn)了ARJ21超臨界機(jī)翼整體壁板噴丸成形[9]。

隨著噴丸技術(shù)的發(fā)展，涌現(xiàn)了一些新的噴丸技術(shù)：激光噴丸、超聲噴丸和高壓水噴丸技術(shù)。激光噴丸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的金屬、陶瓷或者玻璃噴丸，其激光能量脈沖直接作用于零件特定部位，產(chǎn)生的沖擊波能夠壓縮金屬表面，提高其表面裂紋和腐蝕的抵抗性能，增加材料疲勞強(qiáng)度。激光噴丸還可以用于成形較大的復(fù)雜輪廓部件的成形，美國(guó)的M IC公司采用此成形技術(shù)成形波音747-8飛機(jī)機(jī)翼蒙皮面板，并于2011年交付使用[10]。

無(wú)模成形技術(shù)

無(wú)模多點(diǎn)成形技術(shù)是把模具曲面離散成有限個(gè)高度分別可調(diào)的基本單元，用這些單元代替?zhèn)鹘y(tǒng)模具進(jìn)行三維曲面成形。1999年美國(guó)MIT、DARPA、NorthropGrumman 公司和Cyril Bath 公司共同研制了柔性多點(diǎn)模具，用于飛機(jī)蒙皮拉伸成形。我國(guó)吉林大學(xué)李明哲教授課題組設(shè)計(jì)制造了板材無(wú)模多點(diǎn)成形設(shè)備[11-13]。圖3（a）為中等尺寸的多點(diǎn)拉伸成形機(jī)[14]，零件曲面較小時(shí)只采用雙向拉伸（圖3（b）），形狀復(fù)雜的零件需要用上模再壓一次（圖3（c）），然后送入激光切割機(jī)中切割完成（圖3（d））。

圖3 中等尺寸的多點(diǎn)拉伸成型機(jī)

數(shù)字化漸進(jìn)成形，是一種無(wú)模單點(diǎn)的成形技術(shù)，它根據(jù)零件的外形，通過(guò)數(shù)字化程序控制成形工具按照一定軌跡逐步成形零件。英國(guó)劍橋大學(xué)、美國(guó)西北大學(xué)和坎布爾印度理工學(xué)院等均對(duì)漸進(jìn)成形進(jìn)行了研究。國(guó)內(nèi)的研究機(jī)構(gòu)，如西北工業(yè)大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)和南京航空航天大學(xué)等也均對(duì)此技術(shù)進(jìn)行了研究。

旋壓成形

金屬旋壓技術(shù)是指毛坯隨著芯模旋轉(zhuǎn)或者旋壓工具繞毛坯與芯模旋轉(zhuǎn)時(shí)，旋壓工具與芯模相對(duì)進(jìn)給使毛坯受壓并產(chǎn)生連續(xù)逐點(diǎn)變形的工藝，主要用于加工薄壁回轉(zhuǎn)體工件。旋壓按變形原理分為普通旋壓和強(qiáng)力旋壓，普通旋壓只是改變毛坯形狀，厚度改變較小，而強(qiáng)力旋壓不但改變毛坯形狀，而且顯著地改變毛坯壁厚，廣泛用于航空航天領(lǐng)域。如美國(guó)航空航天局與德國(guó)MT Aerospace合作，采用攪拌摩擦焊接技術(shù)將2塊高強(qiáng)度2195鋁鋰合金平板焊接成整體后，再經(jīng)過(guò)旋壓制成球形罐頂[15]，其直徑5.5m，深度1.6m，厚度3～5mm，采用一整塊金屬圓塊板旋壓成形結(jié)構(gòu)復(fù)雜的座艙前端壓力室如圖4所示，而此結(jié)構(gòu)一般都是由多片材料焊接而成。

德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)和Fraunhofer生產(chǎn)技術(shù)研究所合作，研究采用激光輔助加熱旋壓加工鈦和鎳合金零件的技術(shù)[16]，如圖5所示。

圖4 旋壓成形的NASA座艙前端壓力室艙壁

圖5 激光輔助加熱旋壓加工鈦和鎳合金

蠕變時(shí)效成形

蠕變時(shí)效成形技術(shù)（時(shí)效應(yīng)力松弛成形技術(shù)），是將人工時(shí)效和成形制造相結(jié)合，利用了鋁合金材料在彈性應(yīng)力作用下在一定溫度發(fā)生蠕變變形，從而得到一定形狀的結(jié)構(gòu)件。由于時(shí)效成形鋁合金結(jié)構(gòu)件殘余應(yīng)力水平低、回彈量小、產(chǎn)品精度高、適用大型蒙皮類鈑金成形的特點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用于航空領(lǐng)域，其成形采用真空負(fù)壓和正向加壓的方式加載，成形設(shè)備采用熱壓罐。如采用蠕變時(shí)效成形技術(shù)制造的空客A380機(jī)翼上壁板[17]，最終成形后貼合度小于1mm。美國(guó)ASC Process Systems為Vought Aircraft制造了世界上最大的熱壓罐[18]，其內(nèi)部工作空間長(zhǎng)23m直徑9.2m，如圖6所示。德國(guó)Prem ium AEROTEC和美國(guó)Autoclave公司等也制造這種專業(yè)熱壓罐。

圖6 熱壓罐成型

結(jié)束語(yǔ)

隨著計(jì)算機(jī)數(shù)字化控制技術(shù)的發(fā)展和新型材料的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，鈑金成形零件精度更高、質(zhì)量更輕、強(qiáng)度更高，形狀更復(fù)雜，成形效率更快，并且減少了原材料和能源的消耗，縮短了開(kāi)發(fā)周期、極大地減少了制造成本。鈑金成形設(shè)備朝著大型化、精密化、智能化、集成化、成套化和柔性化發(fā)展，同時(shí)考慮節(jié)約能源、環(huán)境保護(hù)等環(huán)節(jié)。

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