圖 8 采用超聲噴丸技術對焊接機身整體壁板進行噴丸校形 Fig1 8 Re2shaping welded integral skin panels by ultrasonic shot peening
到零件上的部分彈性變形將轉變為永久塑性變形并保持下來 ,從而使零件在完成時效強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
與噴丸成形技術相比 ,時效成形技術具有如下優點 :①時效成形零件的內部殘余應力幾乎被完全釋放 ,成形后零件的尺寸穩定性好 ,抗應力腐蝕能力高 ;此外 ,對于焊接整體壁板 ,還可有效降低焊接殘余應力。 ②所成形零件表面質量高。外形光順 ,各零件之間外形一致性好 ,可有效提高裝配質量。 ③成形效率高、工藝重復性好。采用模具來保證外形精度 ,避免了以經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。
歐美等先進國家很早就開展了對時效成形技術的相關研究 ,并已用于飛機整體壁板的成形 ,如 B21B上下蒙皮壁板、彎流 IV和彎流 V的復合曲面上翼面蒙皮和大力神 IV火箭正交格柵結構的成形中。其中所成形的 B21B的機翼整體壁板 ,當時被認為是飛機工業史上所成形的最大最復雜的機翼壁板。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,且展向有整體加強桁條。采用熱壓罐時效成形后的壁板表面光滑 ,形狀準確度高 ,裝配貼合度可控制
在 01 25 mm以下[12 ]。
在民用飛機的應用方面 ,空客、波音和麥道的部分早期機型已經采用該項技術 ,如 MD82 , A330/ 340和 A380等大型民用飛機的整體壁板制造中 ,其中采用時效成形技術制造的 A380飛機機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化型合金及時效成形工藝技術研究項目 ——
A GE2 FORM ,總經費達 500萬歐元 ,通過開發新時效成形損傷容限合金以及具有改進的時效成形性合金板材 ,將時效成形工藝引進到結構部件的制造中 ,特別是下機翼蒙皮、機身壁板以及復雜形狀零件 (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總的發展趨勢為 :
(1)
噴丸成形技術仍然是現代大型軍用和民用飛機機翼壁板特別是下壁板的首選成形方法 ,并已經應用于機身焊接整體壁板的成形。
(2)
時效成形技術在成形機翼上壁板時具有獨特的優勢 ,并已經在 A380等大型飛機機翼上壁板上得到應用。
(3)針對焊接整體壁板的時效成形技術也已經接近工程應用水平。 3 國內研究基礎和在差距
在工藝技術基礎方面 ,北京航空制造工程研究所開展了機翼整體壁板數控噴丸成形技術基礎研究 ,積累了大量的 L Y12 ,LC4 , 7075 , 2024 , 7055 ,2324等鋁合金材料噴丸基礎工藝數據 ,并突破了從機翼壁板數模到滿足適航要求的壁板零件的各個環節的關鍵技術 ,如圖 12所示。并于 2006年成功研制出了 ARJ 21飛機大型超臨界機翼整體壁板裝機件[14] ,如圖 13所示。取得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技術的突破和創新 ,這些突破和創新為下一步大飛機機翼整體壁板采用噴丸成形技術奠定了重要的技術基礎。
在設備條件方面 ,西安飛機工業 (集團)有限責任公司通過 ARJ 21研制已經具備成形和強化最大尺寸 20 m ×21 5m的設備力 ;北京航空制造工程研究所具備從法國引進的超聲噴丸設備、噴丸成形和強化設備 ,并且具備試驗和研制最大尺寸 15 m ×21 5m壁板模擬件的設備能力。
在噴丸成形工藝規范方面 ,國內已經編制了航標和新支線飛機噴丸成形工藝規范 ,正在編制民機噴丸成形工藝標準。
31 2 時效成形技術
在整體壁板的時效成形技術方面 ,國內起步較晚 ,但近幾年開展這方面研究工作的單位逐漸增多。中南大學的鄭子樵等開展了 Al2Cu ,Al2 Cu2Mg2Ag ,Al2Mg2Si ,Al2Ag等合金應力時效作用下的微觀組織結構及相關機理研究[15] ;西北工業大學的甘忠等開展了 L Y12CZ鋁合金板材時效成形的理論分析和試驗研究 ;北京航空航天大學的周賢賓等開展了蒙皮和壁板的時效應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工藝試驗、數值模擬和模具型面優化等方面的研究 ,并正在進行焊接整體壁板的時效成形工藝基礎研究 ,并已取得一些初步成果。但從總體上來說 ,有關時效成形變形機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蠕變材料本構方程的基礎上 ,開展時效成形過程的數值模擬和回彈預測方面 ,國內目前尚處于空白 ;在基礎工藝試驗方面 ,缺少系統的研究。
4 針對中國大飛機整體壁板成形應采取的對策
對于當前大飛機的研制 ,應結合整體壁板的應用部位、材料、外形和結構特點 ,以國外先進整體壁板成形技術發展趨勢作為參考 ,應盡快開展有針對性的研究和技術攻關工作 ,具體對策和建議如下 :
(1)機翼上壁板
以蠕變時效成形技術為研究重點 ,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律研究 ;④典型壁板結構試驗件演示驗證 ;⑤損傷容限型壁板零件蠕變時效成形的工程應用。
(2)機翼下壁板
以 ARJ 21飛機機翼壁板噴丸成形技術為基礎 ,盡快開展如下工作 :①大飛機整體壁板材料的噴丸成形工藝基礎試驗 ;②整體帶筋壁板預應力噴丸技術基礎研究 ;③大飛機整體壁板典型結構和外形工藝驗證試驗 ;④大飛機機翼下壁板噴丸成形工程化應用研究 ;⑤相關工藝規范和標準的完善和編制。
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