王衛(wèi)紅 張 鵬 袁武華 景綠路

為提高飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度、減輕產(chǎn)品重量、縮短裝配時(shí)間、提高生產(chǎn)效率、降低制造成本，從第三代飛機(jī)開始大量采用整體框、梁等整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。大型模鍛件成形精度較高、金屬流線隨形、綜合性能優(yōu)良、機(jī)加工余量相對(duì)較小，一直廣泛用于飛機(jī)起落架、加強(qiáng)框、大梁等主承力結(jié)構(gòu)零件。近幾年，伴隨著大型模鍛裝備的投入使用及相關(guān)技術(shù)條件的完善，飛機(jī)結(jié)構(gòu)用大型復(fù)雜模鍛件已經(jīng)從早期基于手工控制的普通模鍛件，發(fā)展到基于程控壓機(jī)鍛造的高品質(zhì)模鍛件，模鍛件的形狀尺寸、綜合性能、質(zhì)量穩(wěn)定性和可靠性等均有了巨大提升。

基于手工控制的普通模鍛件逐漸被淘汰

在8萬噸等大型模鍛壓力機(jī)投入使用之前，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的飛機(jī)結(jié)構(gòu)用模鍛件最大投影面積不到0.7平方米，壓機(jī)能力及模鍛件尺寸是飛機(jī)主承力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的一個(gè)重要限制因素。在20世紀(jì)90年代之前，受模鍛能力的限制，在殲－8等飛機(jī)的起落架外筒、機(jī)身加強(qiáng)框、翼梁等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件上不得不大量采用焊接或機(jī)械連接，制約了飛機(jī)壽命的提升。模鍛件所用低合金超高強(qiáng)鋼及2A70和7A04等鋁合金，對(duì)鍛造工藝窗口的控制要求不高，性能要求主要是抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度等靜強(qiáng)度指標(biāo)，以及斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率等塑性指標(biāo)，對(duì)組織性能的均勻性和一致性沒有明確要求。

20世紀(jì)90年代，利用100噸米對(duì)擊錘等模鍛設(shè)備，成功研制了300M鋼飛機(jī)起落架外筒整體模鍛件，為實(shí)現(xiàn)起落架與飛機(jī)機(jī)體同壽命的目標(biāo)奠定了基礎(chǔ)。本世紀(jì)，又成功研制了TA15、TC4、TC21等鈦合金框梁，以及A100高合金超高強(qiáng)度鋼起落架外筒等難變形材料大型復(fù)雜整體模鍛件。

以100噸米對(duì)擊錘鍛為代表的普通模鍛件雖然滿足了飛機(jī)設(shè)計(jì)和制造的基本要求，但是，受設(shè)備能力限制，鍛件成形不得不采用多火次、小變形、形狀漸變式的自由鍛制坯和模鍛工藝，形狀復(fù)雜的大型模鍛件鍛造火次多達(dá)20次以上、生產(chǎn)周期長(zhǎng)達(dá)40天以上。由于制坯和模鍛過程依靠手工控制和操作，工藝參數(shù)可控性差，不同批次或同一批次不同鍛件的鍛造火次、變形量、尺寸、組織和性能等均存在較大差異，鍛件欠壓量變化高達(dá)10～20毫米，抗拉強(qiáng)度等力學(xué)性能波動(dòng)一般在5%～10%，難以滿足飛機(jī)結(jié)構(gòu)件性能穩(wěn)定性和一致性控制要求。并且，由于控制精度不高，模鍛件設(shè)計(jì)余量較大，大型復(fù)雜形狀模鍛件的材料綜合利用率一般小于5%，加之制造周期長(zhǎng)，零件的制造成本居高不下。

同時(shí)，由于工藝過程中各影響因素難以實(shí)現(xiàn)有效控制，基于數(shù)值模擬的工藝設(shè)計(jì)和優(yōu)化應(yīng)用十分有限，工藝設(shè)計(jì)高度依賴基于經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)訣竅，新鍛件研制不得不通過多輪次試模和工藝試驗(yàn)來確定模具和工藝方案。對(duì)于鈦合金、高合金超高強(qiáng)度鋼等材料價(jià)格較高的大型模鍛件，多輪次試制導(dǎo)致的高試制成本限制了模鍛件的大范圍應(yīng)用。

基于程控壓力機(jī)的高品質(zhì)模鍛件迅速得到應(yīng)用

20世紀(jì)80年代，國(guó)外先機(jī)戰(zhàn)斗機(jī)和大型民用客機(jī)結(jié)構(gòu)件已經(jīng)普遍采用基于計(jì)算機(jī)程序控制的專用大型壓力機(jī)生產(chǎn)的整體模鍛件，如美國(guó)F-18E/F和F-22戰(zhàn)斗機(jī)主承力鈦合金框全部采用整體模鍛件。生產(chǎn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)用大型模鍛件的專用液壓機(jī)已經(jīng)成為航空制造技術(shù)綜合實(shí)力的標(biāo)志之一，美國(guó)、法國(guó)、俄羅斯等航空制造強(qiáng)國(guó)早已擁有4萬噸以上專用模鍛壓機(jī)。

2010年以后，我國(guó)相繼建成了4萬噸、8萬噸等多臺(tái)大型模鍛壓力機(jī)，促進(jìn)了新一代模鍛技術(shù)和高品質(zhì)模鍛件的快速發(fā)展。以世界上壓力最大的8萬噸模鍛專用壓力機(jī)為代表的大型壓機(jī)具備了鍛壓過程計(jì)算機(jī)程序控制能力，保證了模鍛過程的一致性，徹底解決了普通錘鍛欠壓量變化造成的模鍛件尺寸和重量波動(dòng)問題。利用簡(jiǎn)單形狀棒坯或板坯等預(yù)鍛成突變式復(fù)雜形狀預(yù)制坯的短流程技術(shù)，替代自由鍛模式下的形狀漸變式制坯方式，不僅大幅度減少了鍛造火次，將鍛件生產(chǎn)周期縮短到30天以內(nèi)，而且有效避免了坯料的無變形空燒，為獲得組織均勻的模鍛件、實(shí)現(xiàn)對(duì)纖維組織的級(jí)差控制奠定了基礎(chǔ)；利用設(shè)備的超強(qiáng)鍛壓能力，采用亞高溫模鍛技術(shù)，大幅改善了難變形合金模鍛件的綜合性能；利用有限元分析，采用DEFORM、FORGE等軟件仿真計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鍛件溫度場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)的預(yù)測(cè)，增加了對(duì)模鍛件組織和性能的控制能力，提高了鍛件組織和性能均勻性，有效減少了模鍛件試制工作量，鍛件試制周期可以減少三分之一以上。

目前，在8萬噸等大型模鍛壓力機(jī)上，已經(jīng)成功研制了投影面積達(dá)到5平方米的鈦合金整體框模鍛件，鈦合金、高合金超高強(qiáng)度鋼、超高強(qiáng)度鋁合金等飛機(jī)結(jié)構(gòu)用高品質(zhì)大型復(fù)雜模鍛件研制達(dá)到了世界領(lǐng)先水平。高品質(zhì)大型模鍛件形狀尺寸精確，欠壓量波動(dòng)小于1mm；組織性能均勻一致，同一模鍛件不同部位的抗拉強(qiáng)度波動(dòng)范圍控制在3%以下，不同批次間抗拉強(qiáng)度波動(dòng)小于5%；材料綜合利用率提高一倍以上，有效減少了后續(xù)機(jī)加工量，零件的綜合成本顯著降低。

未來一段時(shí)間，高品質(zhì)模鍛件的裝備升級(jí)和技術(shù)提升方向主要包括：模鍛全流程可視化和智能化，模鍛件組織性能、殘余應(yīng)力的仿真預(yù)測(cè)與控制，長(zhǎng)壽命模具開發(fā)與應(yīng)用，具有可設(shè)計(jì)性、可靠性高、施工簡(jiǎn)便、易于清理的環(huán)保型多功能新型復(fù)合潤(rùn)滑膜材料的研制和應(yīng)用等。

基于多成形技術(shù)融合的性能可設(shè)計(jì)模鍛件研究開始起步

增材制造、智能制造等新技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)傳統(tǒng)的模鍛件制造工藝形成了巨大挑戰(zhàn)，同時(shí)也為模鍛技術(shù)的發(fā)展帶來了新的機(jī)遇。充分發(fā)揮模鍛既有優(yōu)勢(shì)，與新技術(shù)融合，實(shí)現(xiàn)工藝創(chuàng)新，是模鍛技術(shù)發(fā)展的主要方向。對(duì)于飛機(jī)結(jié)構(gòu)用大型復(fù)雜模鍛件，發(fā)展性能可設(shè)計(jì)的多性能模鍛件，可以拓展結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)空間，更好地滿足飛機(jī)設(shè)計(jì)對(duì)零件性能的要求。結(jié)合現(xiàn)有新技術(shù)、新工藝，通過多種技術(shù)融合獲得性能可設(shè)計(jì)的多性能模鍛件主要有兩條技術(shù)路線：

（1）熔合鍛造技術(shù)。將模鍛技術(shù)與增材制造技術(shù)相結(jié)合，通過增材制造輔助局部制坯加整體模鍛，或模鍛件局部增材等工藝途徑，實(shí)現(xiàn)對(duì)模鍛件局部區(qū)域成分—組織—性能的設(shè)計(jì)和調(diào)控，也可以用于減少局部成形難度或坯料尺寸，提高模鍛件經(jīng)濟(jì)性。

（2）應(yīng)變場(chǎng)—溫度場(chǎng)差異化調(diào)控技術(shù)。通過智能化改造，使得模鍛設(shè)備可以按非線性規(guī)律控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)模鍛件局部變形場(chǎng)—溫度場(chǎng)差異化調(diào)控，以獲得需要的組織類型和性能，在多火次甚至一火次模鍛中得到雙性能或梯度性能。

利用這些技術(shù)，可以將模鍛件試制周期縮短到普通模鍛件的三分之一以內(nèi)、材料綜合利用率進(jìn)一步提高到15%～20%、不同鍛件同一部位的關(guān)鍵性能波動(dòng)≤3%，實(shí)現(xiàn)首件最優(yōu)、鍛造全流程零缺陷的目標(biāo)。

近三十年，飛機(jī)結(jié)構(gòu)用大型復(fù)雜模鍛件的開發(fā)和應(yīng)用為保障我國(guó)各型軍民用飛機(jī)的自主研制和生產(chǎn)做出了巨大貢獻(xiàn)，模鍛件生產(chǎn)裝備和技術(shù)水平的提升，使得飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)和制造水平與國(guó)外差距快速縮小，已從望其項(xiàng)背、望洋興嘆，逐步實(shí)現(xiàn)了同一標(biāo)準(zhǔn)、同臺(tái)競(jìng)技。智能制造等新技術(shù)的融合，將為飛機(jī)結(jié)構(gòu)用大型復(fù)雜模鍛件發(fā)展注入新的活力，滿足我國(guó)新一代軍民用飛機(jī)研制和生產(chǎn)需要。