圖 8 采用超聲噴丸技術(shù)對焊接機(jī)身整體壁板進(jìn)行噴丸校形 Fig1 8 Re2shaping welded integral skin panels by ultrasonic shot peening
到零件上的部分彈性變形將轉(zhuǎn)變?yōu)橛谰盟苄宰冃尾⒈３窒聛?,從而使零件在完成時效強(qiáng)化的同時獲得所需外形 [2 ,11]。
圖 9 時效成形原理 Fig19 Principle of creep age forming process
與噴丸成形技術(shù)相比 ,時效成形技術(shù)具有如下優(yōu)點 :①時效成形零件的內(nèi)部殘余應(yīng)力幾乎被完全釋放 ,成形后零件的尺寸穩(wěn)定性好 ,抗應(yīng)力腐蝕能力高 ;此外 ,對于焊接整體壁板 ,還可有效降低焊接殘余應(yīng)力。 ②所成形零件表面質(zhì)量高。外形光順 ,各零件之間外形一致性好 ,可有效提高裝配質(zhì)量。 ③成形效率高、工藝重復(fù)性好。采用模具來保證外形精度 ,避免了以經(jīng)驗為主的人工校形所帶來的外形差異。 ④成形和材料時效強(qiáng)化同時完成 ,可以有效降低零件制造周期和成本。
歐美等先進(jìn)國家很早就開展了對時效成形技術(shù)的相關(guān)研究 ,并已用于飛機(jī)整體壁板的成形 ,如 B21B上下蒙皮壁板、彎流 IV和彎流 V的復(fù)合曲面上翼面蒙皮和大力神 IV火箭正交格柵結(jié)構(gòu)的成形中。其中所成形的 B21B的機(jī)翼整體壁板 ,當(dāng)時被認(rèn)為是飛機(jī)工業(yè)史上所成形的最大最復(fù)雜的機(jī)翼壁板。該零件材料為鋁合金 2124和 2419 ,長度為 151 24 m,根部寬 21 74 m,外端 01 9 m,厚度有突變 ,從 21 54 mm變到 631 50 mm,且展向有整體加強(qiáng)桁條。采用熱壓罐時效成形后的壁板表面光滑 ,形狀準(zhǔn)確度高 ,裝配貼合度可控制
在 01 25 mm以下[12 ]。
在民用飛機(jī)的應(yīng)用方面 ,空客、波音和麥道的部分早期機(jī)型已經(jīng)采用該項技術(shù) ,如 MD82 , A330/ 340和 A380等大型民用飛機(jī)的整體壁板制造中 ,其中采用時效成形技術(shù)制造的 A380飛機(jī)機(jī)翼上壁板材料為鋁合金 7055 ,零件長 33 m,寬 21 8 m,變厚度 3～28 mm,成形后外形貼合度不大于1 mm,如圖 10所示。
圖 10 時效成形的 A380機(jī)翼右上壁板 Fig110 Creep age formed upper skin of right wing of A380
歐盟于 2002年 2月專門啟動了時效強(qiáng)化型合金及時效成形工藝技術(shù)研究項目 ——
A GE2 FORM ,總經(jīng)費達(dá) 500萬歐元 ,通過開發(fā)新時效成形損傷容限合金以及具有改進(jìn)的時效成形性合金板材 ,將時效成形工藝引進(jìn)到結(jié)構(gòu)部件的制造中 ,特別是下機(jī)翼蒙皮、機(jī)身壁板以及復(fù)雜形狀零件 (尤其是整體加筋板)和攪拌摩擦焊連接的更大型、更復(fù)雜的整體次裝配件上[ 13 ]。圖 11所示為采用時效成形的焊接機(jī)身整體壁板模擬件 ,該模擬件的蒙皮與筋條之間采用激光雙光束焊接 ,蒙皮和蒙皮之間采用攪拌摩擦焊。
圖 11 蠕變時效成形的激光焊接/攪拌摩擦焊機(jī)身整體壁板 Fig111 Creep age formed laser beam welded/friction stir welded fuselage panel
綜上所述 ,國外整體壁板成形技術(shù)總的發(fā)展趨勢為 :
(1)
噴丸成形技術(shù)仍然是現(xiàn)代大型軍用和民用飛機(jī)機(jī)翼壁板特別是下壁板的首選成形方法 ,并已經(jīng)應(yīng)用于機(jī)身焊接整體壁板的成形。
(2)
時效成形技術(shù)在成形機(jī)翼上壁板時具有獨特的優(yōu)勢 ,并已經(jīng)在 A380等大型飛機(jī)機(jī)翼上壁板上得到應(yīng)用。
(3)針對焊接整體壁板的時效成形技術(shù)也已經(jīng)接近工程應(yīng)用水平。 3 國內(nèi)研究基礎(chǔ)和在差距
在工藝技術(shù)基礎(chǔ)方面 ,北京航空制造工程研究所開展了機(jī)翼整體壁板數(shù)控噴丸成形技術(shù)基礎(chǔ)研究 ,積累了大量的 L Y12 ,LC4 , 7075 , 2024 , 7055 ,2324等鋁合金材料噴丸基礎(chǔ)工藝數(shù)據(jù) ,并突破了從機(jī)翼壁板數(shù)模到滿足適航要求的壁板零件的各個環(huán)節(jié)的關(guān)鍵技術(shù) ,如圖 12所示。并于 2006年成功研制出了 ARJ 21飛機(jī)大型超臨界機(jī)翼整體壁板裝機(jī)件[14] ,如圖 13所示。取得了包括馬鞍形和扭轉(zhuǎn)外形預(yù)應(yīng)力噴丸成形技術(shù)、超臨界機(jī)翼整體壁板噴丸路徑設(shè)計方法和柔性預(yù)應(yīng)力夾具等技術(shù)的突破和創(chuàng)新 ,這些突破和創(chuàng)新為下一步大飛機(jī)機(jī)翼整體壁板采用噴丸成形技術(shù)奠定了重要的技術(shù)基礎(chǔ)。
在設(shè)備條件方面 ,西安飛機(jī)工業(yè) (集團(tuán))有限責(zé)任公司通過 ARJ 21研制已經(jīng)具備成形和強(qiáng)化最大尺寸 20 m ×21 5m的設(shè)備力 ;北京航空制造工程研究所具備從法國引進(jìn)的超聲噴丸設(shè)備、噴丸成形和強(qiáng)化設(shè)備 ,并且具備試驗和研制最大尺寸 15 m ×21 5m壁板模擬件的設(shè)備能力。
在噴丸成形工藝規(guī)范方面 ,國內(nèi)已經(jīng)編制了航標(biāo)和新支線飛機(jī)噴丸成形工藝規(guī)范 ,正在編制民機(jī)噴丸成形工藝標(biāo)準(zhǔn)。
31 2 時效成形技術(shù)
在整體壁板的時效成形技術(shù)方面 ,國內(nèi)起步較晚 ,但近幾年開展這方面研究工作的單位逐漸增多。中南大學(xué)的鄭子樵等開展了 Al2Cu ,Al2 Cu2Mg2Ag ,Al2Mg2Si ,Al2Ag等合金應(yīng)力時效作用下的微觀組織結(jié)構(gòu)及相關(guān)機(jī)理研究[15] ;西北工業(yè)大學(xué)的甘忠等開展了 L Y12CZ鋁合金板材時效成形的理論分析和試驗研究 ;北京航空航天大學(xué)的周賢賓等開展了蒙皮和壁板的時效應(yīng)力松弛校形試驗研究[ 16 ]。
北京航空制造工程研究所針對鋁合金 7075和 2324等材料開展時效成形基礎(chǔ)工藝試驗、數(shù)值模擬和模具型面優(yōu)化等方面的研究 ,并正在進(jìn)行焊接整體壁板的時效成形工藝基礎(chǔ)研究 ,并已取得一些初步成果。但從總體上來說 ,有關(guān)時效成形變形機(jī)理及對材料組織和性能影響方面的研究尚處于起步階段 ;特別是在結(jié)合時效成形材料的微觀組織演變 ,并建立時效 2蠕變材料本構(gòu)方程的基礎(chǔ)上 ,開展時效成形過程的數(shù)值模擬和回彈預(yù)測方面 ,國內(nèi)目前尚處于空白 ;在基礎(chǔ)工藝試驗方面 ,缺少系統(tǒng)的研究。
4 針對中國大飛機(jī)整體壁板成形應(yīng)采取的對策
對于當(dāng)前大飛機(jī)的研制 ,應(yīng)結(jié)合整體壁板的應(yīng)用部位、材料、外形和結(jié)構(gòu)特點 ,以國外先進(jìn)整體壁板成形技術(shù)發(fā)展趨勢作為參考 ,應(yīng)盡快開展有針對性的研究和技術(shù)攻關(guān)工作 ,具體對策和建議如下 :
(1)機(jī)翼上壁板
以蠕變時效成形技術(shù)為研究重點 ,盡快開展如下研究工作 :①蠕變時效成形工藝基礎(chǔ)試驗 ; ②蠕變時效成形后材料性能分析評估 ;③材料微觀組織變化規(guī)律研究 ;④典型壁板結(jié)構(gòu)試驗件演示驗證 ;⑤損傷容限型壁板零件蠕變時效成形的工程應(yīng)用。
(2)機(jī)翼下壁板
以 ARJ 21飛機(jī)機(jī)翼壁板噴丸成形技術(shù)為基礎(chǔ) ,盡快開展如下工作 :①大飛機(jī)整體壁板材料的噴丸成形工藝基礎(chǔ)試驗 ;②整體帶筋壁板預(yù)應(yīng)力噴丸技術(shù)基礎(chǔ)研究 ;③大飛機(jī)整體壁板典型結(jié)構(gòu)和外形工藝驗證試驗 ;④大飛機(jī)機(jī)翼下壁板噴丸成形工程化應(yīng)用研究 ;⑤相關(guān)工藝規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的完善和編制。
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