筋板类构件成形技术研究进展

叶景申，张宝红，于建民，祁 威

（1.中北大学 材料科学与工程学院，山西 太原030051；2.山西省集成精密成形工程技术研究中心，山西 太原030051）

近年来，随着科技进步和制造技术的发展，航空、航天和武器装备等高精尖领域为实现减重需要，大量零部件被设计成薄腹高筋结构。图1 为典型筋板件结构单元，这些筋板类构件结构复杂，筋的高宽比差异较大，最大可以达到1∶20。薄腹板截面的类型主要有L、H、Z、U 等形状，根据使用情况不同，其厚度也有一定差异，最薄仅有2mm～3mm[1-2]。这类构件经过合理设计，优势非常明显，不仅重量轻，占用空间面积小，而且能够承受比较大的载荷，可以起到支撑、防护作用。研究表明，汽车车重每减少100kg，百公里油耗可减少0.6～0.7L。航空航天和运载武器系统中，飞行器每减重1kg，所需燃料减少几十千克甚至数百千克，可以显著提高发射距离和速度，节约发射成本[3]。因此，开展对筋板类构件成形技术的研究，具有重要的理论与实际意义。

图1 典型筋板件结构单元

1 筋板类构件的应用

构件的轻量化可以显著提高飞行器的整体性能，因此整体复杂结构广泛应用于航空航天及武器装备等领域，如飞机的中央翼和外翼整体壁板、进气道壁板、运载火箭的燃料箱整体壁板及航天飞机的整体壁板等[4-6]。这些整体壁板可有效提高产品性能，减重10%～30%，缩短装配周期80%～90%。美国军方推动的整体机身研究计划IAS，以B747 机身为研究对象，分析了机身加入整体带筋壁板之后的结构，结果表明，零件数量只剩7 个，减少了94.6%；成本也只有原来的1/4，但寿命和强度却得到了大幅度提升[7]。图2 为A380 机身框架和舱门，采用空心结构、腹板加筋结构或框架结构等替代实心结构，能够显著降低构件的重量。美国、俄罗斯等国已研制成功了大尺寸的起落架锻件和整体隔框锻件，随着我国大飞机项目的启动，对于大型筋板件的需求将会大大增加。

图2 A380 机身框架和舱门

导弹和雷达卫星等武器装备中也有大量筋板类构件[8]，许多筒形件、锥形件内部往往都有不同尺寸、形状的纵向筋和横向筋存在，以满足性能、强度、功用等诸多方面的需要，如某系列导弹的各段舱体内均匀布有许多纵筋，某导弹锥形壳体内带有环筋。这类构件由于其薄腹高筋的复杂结构，给其加工带来许多困难。

2 筋板类构件的加工现状

现阶段，越来越多的薄腹高筋类构件出现在各个领域，由于不同构件的使用范围有差异，其加工方法也有所不同。

2.1 精密铸造技术

精密铸造生产的产品精密、复杂、接近于零件最后形状，可不加工或经少量加工即可投入使用。因此，对于那些使用性能要求不高的大型薄腹高筋类构件，通常使用精密铸造的方法进行加工，与普通铸件相比，强度能提高到450MPa，延伸率δ≥10%，良品率可以达到98%。

现阶段，以美国和日本为代表的先进国家在制造精密铸件的技术上有了重大突破，最大的钛合金构件直径已经超过2m，最薄的腹板仅0.15mm，铝合金精密铸件的水平更高，材料利用率和成品率都达到了80%以上[9]。

精密铸造技术在我国起步时间比较晚，当前和西方国家相比还有一定差距，生产的铸造产品晶粒尺寸较大，组织不够致密，产品力学性能较差，不管是成品率，还是成本都无法和美国、日本等国家相比。当前研究钛及钛合金精密铸造技术的有北京航空材料研究院、洛阳船舶材料研究院、沈阳铸造研究所、中科院沈阳金属研究所、哈尔滨工业大学等单位。北京航空材料研究院曾成功浇铸出复杂的框形结构，尺寸为630mm×300mm×130mm，最小壁厚仅为2.5mn，如图3 所示[10]。

图3 框形结构钛合金铸件

2.2 机械加工

通常情况下，大型薄腹高筋类构件在使用过程中对性能的要求比较高，加工过程一般分两步进行。首先采用锻造或者轧制预制毛坯； 然后使用数控机床对各个高筋进行精细化加工。采用该方法制造出来的构件强度往往达不到要求，主要是因为加强筋部分的金属流线在切割过程中被破坏。另外，该加工方法的材料利用率低、加工成本高、环境污染严重[11]。经过数控铣削后的大型框、梁类构件，会发生变形现象，在校正过程中会出现残余应力，从而使构件的可靠性和使用寿命大幅减小。

2.3 焊接成形技术

近年来，随着激光焊、搅拌摩擦焊的发展，出现了焊接整体壁板结构，第一架采用搅拌摩擦焊技术生产的商用喷气客机由美国Eclipse 公司制造，并成功进行了首飞测试[12]。这种焊接整体壁板与厚板机加整体壁板相比，零件制造成本大幅降低，材料利用率大大提高； 并且可以根据需要选择合适的材料来制作桁条和蒙皮，从而提高零件的结构效率。例如在设计A380 机身下壁板的过程中使用到了铝合金6013 和6015 两种材料，不仅降低了零件的成本，还使得整体结构效率大幅提升[13]。但目前采用焊接方法加工大型筋板类构件的工艺尚不成熟，对复杂结构的适应性较差，且焊接结构的残余应力大，疲劳强度低，整体耐压一致性差，从而降低了结构的可靠性。

2.4 等温模锻技术

等温模锻技术就是把模具和坯料一起加热到材料变形所需的最佳温度，同时保证在变形过程中坯料的温度保持基本不变。该技术可以显著改善难变形合金的塑性，因而广泛应用于航空航天领域难变形合金零件的制造。这类合金锻造温度范围较窄，尤其在锻造薄腹高筋类构件时，温度下降较快，采用常规锻造方法难以成形。

以美国和俄罗斯为代表的发达国家在该领域取得成就非常明显，如美国普拉特·惠特公司采用该技术制造出了重量只有22.7kg 的Ti-Al-4V 钛合金飞机隔框，节约材料85.6%，该技术的使用大幅度降低了隔框的重量。俄罗斯在制造BT22 和BT31 钛合金叶片的过程中也使用了等温模锻技术，该技术使材料利用率由原来的32%～40%提高到83%～90%。从上世纪70年代起，我国一些科研机构和大型企业就开始从事等温模锻技术的研究。目前该技术主要应用于船舶、武器装备等领域。北京机电研究所在制造TC11 压气机盘及中船重工第十二研究所在制造LC9 铝合金增压器叶轮的过程中都使用到了该技术[14]。

2.5 局部加载成形技术

局部加载是指在等温条件下仅向工件某个局部施加变形力，通过变换加载位置来实现大型复杂整体构件成形。该技术可以控制金属的变形流动方向，有效改变材料应力状态，迫使金属充填筋部，从而可以避免金属在筋的根部产生折叠或切断[15]。局部加载与整体加载相比，可更有效地控制材料流动，显著降低材料的变形抗力，从而降低成形所需的力，该技术为航天复杂筋板类大型整体构件提供了一种新的成形途径。

Kopp[16]通过对筋板类构件局部加载成形技术的研究，成功制造出7075 铝合金飞机隔框。西北工业大学吴跃江等[17]研究了局部加载条件对T 形构件成形过程中材料流动规律的影响，韩冠军[18]研究了TA15大型筋板件等温局部加载晶粒尺寸演化规律，结果表明，采用该技术可获得更细小均匀的组织。孙志超[15]通过对H 形构件局部加载成形技术的研究，揭示了加载模式、加载次序、加载参数、分模面位置对筋的填充和晶粒尺寸的影响规律。

2.6 旋压成形技术

旋压是一种综合了锻造、挤压、弯曲、拉伸、横轧、环轧等工艺特点的先进近净成形加工工艺。带筋管壳构件由于有不同尺寸和形状的筋存在，传统的塑性加工技术已经不能展现其优势，旋压工艺的迅速发展为加工该类零件提供了一种新思路和尝试[19]。由于金属在旋压时流动不均匀，因此带筋管壳构件在工装结构、旋压方式、工艺参数选择上与一般筒形件旋压有着很大差异。

根据强力旋压原理及带筋管壳构件的结构特点，派生出内旋压和滚珠旋压两种新的旋压方法。内旋压成形工艺可以成形带内环筋零件，这种成形方式目前研究还比较少，马世成[20]研究了带环向内加强筋异形件的内旋压成形，因工件内径必须大于成形工装的尺寸，使其零件加工范围受到一定限制。滚珠旋压是成形纵向内筋异形管壳件的最佳选择，但该技术研究目前基本处在实验阶段，大部分只是从工艺方案和工艺方法上进行了分析和研究，如机械电子工业部第十二研究所马振平提出了对行波管异形管壳的旋压成形，北京真空电子器件研究所冯庆祥提出了对带纵向内筋的薄壁长管的旋压加工。虽然哈尔滨工业大学江树勇研究了纵向内筋薄壁筒反向滚珠旋压成形机理，但由于旋压工艺参数较多，实际生产中旋压工艺的制定往往是依靠工艺人员通过一些简单的经验公式并结合个人的实际经验来确定，缺少准确有力的理论指导。

2.7 喷丸成形技术

所谓喷丸成形技术，就是使用高速运动的弹丸对板材的表面进行快速撞击，并使其表面发生一定的形变，随撞击次数不断增多，就会出现下图所示的延伸区，具体原理如图4 所示。

图4 喷丸成形原理图

上世纪40年代初，美国工程师Jim Boerger 首先采用了喷丸成形技术制造飞机壁板，并成功应用于Constellation（星座号）飞机。目前，用该技术制造的整体壁板已经广泛应用于EM120、A10、B1 等军用飞机及A310～A340、707～777、MD80 等民用飞机以及运载火箭ARIANE-4 和ATLASII 上[21]。

北京航空制造工程研究所研究了机翼整体壁板喷丸成形，在设计LY12、LC4、7075、2024、7055、2324这些材料喷丸成形过程中积累了大量工艺数据，取得了包括马鞍形和扭转外形预应力喷丸成形技术、超临界机翼整体壁板喷丸路径设计方法和柔性预应力夹具等的技术突破和创新，并在2006年成功研制出了大型超临界机翼整体壁板装机件[22]。胡凯征[23]通过对飞机整体壁板喷丸成形的模拟，优化了喷丸成形工艺参数。2014年，西飞一举攻克大型机翼带筋壁板数控喷丸成形难题，使中国的大型机翼壁板数控喷丸成形技术跻身世界先进行列。这些突破和创新为下一步大飞机机翼整体壁板、“ 蛟龙”600 机翼壁板采用喷丸成形技术奠定了重要的技术基础。

2.8 时效成形技术

二十世纪五十年代初期为成形整体壁板零件，出现了时效成形技术，该技术利用金属的蠕变特性，将成形与时效同步进行[24]。具体成形过程如下：通过一定的加载方式使得加热之后的金属坯料固定在模具内，并使坯料产生一定的变形，然后将模具和坯料一起加热到该材料的时效温度并保温一段时间，这个过程中会发生坯料蠕变变形，保温结束后，零件的形变将永久保存下来，这就使零件既可以达到时效的效果，又能够满足外形的需要。

以美国为代表的西方发达国家在该领域的研究取得了十分显著的成就，该技术已经应用于飞机整体壁板的制造。例如比较著名的战略轰炸机B-1B上下蒙皮壁板、弯流IV 和弯流V 的复合曲面上翼面蒙皮和大力IV 火箭正交格栅结构的成形中都用到了该技术。其中B-1B 上下蒙皮壁板材料为铝合金2124 和2419，长度为15.24m，根部宽2.74m，外端宽0.9m，厚度有突变，从2.54mm 变到63.5mm，且展向有整体加强桁条，该壁板当时被认为是飞机工业史上最大最复杂的机翼壁板。

我国对时效成形技术的研究开始时间较晚。不过，越来越多的科研院所投入到该领域的研究中来。西北工业大学甘忠教授在理论和实验两个方面研究了铝合金2A12 板材的时效成形技术。北京航空航天大学周贤宾在蒙皮和壁板的时效应力松弛校形方面取得了较多的成果[25]。北京航空制造工程研究所研究了包括铝合金7075 和2324 在内的很多合金材料的时效成形，记录并修正了其成形过程的参数，为后面整体板的设计提供了理论基础。但整体上，我国在该领域取得成果还比较少，对时效成形变形机理及其对材料组织和性能影响方面的研究刚刚起步，特别是在结合时效成形材料的微观组织演变，并建立时效－蠕变材料本构方程的基础上，开展时效成形过程的数值模拟和回弹预测方面，国内目前尚处于空白。

3 结语

先进制造技术的发展，促进了构件的轻量化、精密化研究，筋板类构件因其独特的优点而广泛应用于航空、航天及兵器等领域。这种薄腹高筋的整体复杂结构形式，给其加工带来很大困难。不过随着科技的发展，筋板类构件的制造技术将不断改善，该类构件的应用范围将会不断扩大。

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