航空鋁合金常規(guī)成形方法包含鑄造，鍛造，焊接，擠壓，軋制等方法。然而，隨著航空鋁合金應(yīng)用范圍的不斷擴大，航空結(jié)構(gòu)件日漸復(fù)雜，各種特種成形方法不斷出現(xiàn)。以下是航空鋁合金特種成形方法的各種方法。

 

爆炸成形

 

炸藥可以釋放巨大的能量，雖然大多數(shù)炸藥的爆炸都帶有毀滅性，但如果合理的利用炸藥的能量就可以制造我們需要的產(chǎn)品零件。

 

常用爆炸成形法方法是模具和工件都浸沒在水中，金屬板材由一環(huán)形夾固定在模具內(nèi)，將模具形腔內(nèi)的空氣抽去使其成為真空狀態(tài)，炸藥放置在工件和形腔之間。同時炸藥與工件保持一定的距離，炸藥放置在深水里面，爆炸時產(chǎn)生的沖擊波通過水傳到工件，并使工件在模具形腔內(nèi)成形，這種高能率成形方法還能用于厚度比較大的板材。

 

如北美航空公司用爆炸加工法生產(chǎn)了“土星”宇宙火箭助推器用的直徑10m(33ft)的2014鋁合金球形封頭瓜瓣零件，航空通用動力公司也用此法生產(chǎn)了厚度為3.175mm(0.125in)直徑1371mm(54in)的AMS6434高強度鋼封頭。中國研制了最大厚度40～50mm、直徑3m的大形封頭。

 

金屬爆炸加工引人注目之處在于：能源不受限制，設(shè)備投資少，應(yīng)用非常廣泛。

 

譬如，可以把炸藥做成各種形狀，以適應(yīng)待成形零件輪廓所需要的爆炸壓力分布?？梢苑奖愕馗淖冋ㄋ幍姆胖梦恢没蜻x用不同品種的炸藥將壓強從幾千兆帕降低到一般壓力加工的數(shù)值。如果要求增大能量，只須增加炸藥量即可。爆炸成形示意圖如下所示：

爆炸成形周期長，適合尺寸較大且不盡相同的小批量零部件的生產(chǎn)。爆炸成形的模具可以選用便宜或易成形材料，但也可以制成可長久使用的模具，模具材料包括：鋁、木材、混泥土、塑料鐵和鋼。如果用彈性模量低的材料（如塑料）制作的模具，在成形過程中將大大降低金屬板的回彈量，從而保證成形工件更高的精度。

 

炸藥的用量取決于系統(tǒng)類型和成形部件所需的壓力大小，爆炸時所產(chǎn)生的沖擊波向各方向傳播，而大部分沖擊波的能量沒有被工件吸收。

 

另外有一種罐裝彈藥或桶裝彈藥的密閉系統(tǒng)，這種系統(tǒng)通常用于制造比噴射系統(tǒng)更小的零件，所有的能量都作用在模腔的內(nèi)壁上，罐裝彈藥所釋放的能量迫使金屬板材按照模腔內(nèi)壁形狀成形。

 

使用爆炸成形時，安全很重要，特別是在密閉系統(tǒng)中，所以模具失效是一個需高度關(guān)注的問題。

電液成形

 

電液成形也稱放電成形，是航空鋁合金鈑金成形中一種比較獨特的高能成形工藝，該成形過程的能量由細金屬線的燃燒來提供，該成形工藝適用于相對較小的成形零件。

 

制造過程中用環(huán)形夾將金屬板材毛坯固定在模具頂部，將板材下部的模腔抽成真空狀態(tài)，金屬絲熔化后，存儲在電容內(nèi)的電能就通過電極和導(dǎo)線放電，通過水產(chǎn)生的沖擊波將工件壓至模腔內(nèi)成形。

 

電液成形產(chǎn)生的沖擊波能量相對較小，產(chǎn)生的沖擊力也較小，所以適合用于薄板的成形，每放電一次，連接兩電極的電線就需更換一次，這種成形方法的生產(chǎn)效率都比較低。

電磁成形

 

電磁成形是通過磁力激增來成形板材，是一種常用的高能成形工藝，電磁成形也被稱作磁脈沖成形。

 

其成形原理是：將通電線圈放置在靠近板材的地方，連接兩電極的通電線圈中電流發(fā)生驟變，于是在線圈周圍就會產(chǎn)生磁場，當(dāng)導(dǎo)體處于變化的磁場中時，該導(dǎo)體內(nèi)部將會產(chǎn)生電流。

 

由于導(dǎo)電工件與通電線圈距離很近，而通電線圈所產(chǎn)生的磁場發(fā)生變化，于是工件內(nèi)部就產(chǎn)生了渦電流，工件內(nèi)部的渦電流又產(chǎn)生與線圈磁場相排斥的磁場（可參考楞次定律），該排斥力作用在工件上并使其成形。

 

通電線圈可以根據(jù)所期望的效果放置在工件內(nèi)表面，也可放置在工件上表面。許多電磁成形用來擴大管道管徑或擴大管道某個部位的管徑，該成形方法一般用于成形較薄的鈑金零件，如航空結(jié)構(gòu)中常用的管形件。

液壓成形

 

液壓成形也被稱為“內(nèi)高壓成形”，它的基本原理是以管材作為坯料，在管材內(nèi)部施加超高壓液體同時，對管坯的兩端施加軸向推力，進行補料。在兩種外力的共同作用下，管坯材料發(fā)生塑性變形，并最終與模具型腔內(nèi)壁貼合，得到形狀與精度均符合技術(shù)要求的中空零件。

 

板材液壓成形是采用液體作為傳力介質(zhì)，代替剛性凸?；蛘甙寄?，使金屬板材在壓力作用下貼模，加工所需形狀曲面零件的成形工藝。由于液體的運用，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。因此，液壓成形得到廣泛的適用。

 

1、管材液壓成形技術(shù)

 

管材液壓成形技術(shù)，也叫內(nèi)高壓成形技術(shù)，它是將管材置于模具中，利用管材內(nèi)部充入的混合液體產(chǎn)生的壓力，使材料膨脹最后流入模具內(nèi)。

 

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，省略了另外一個半模，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，它采用鋼帶纏繞增強技術(shù)，減輕了成形機框架的重量，增強了液室的強度，其成形壓力為 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。歐美、日本等國家開展此技術(shù)較早，并應(yīng)用于航空發(fā)動機、運載火箭整流罩等復(fù)雜零件成形中。如日本的AMINO 公司采用此技術(shù)生產(chǎn)了飛機唇口和鋁合金車身零件。

 

與傳統(tǒng)的沖壓工藝相比，液壓成型工藝在減輕重量、減少零件數(shù)量和模具數(shù)量、提高剛度與強度、降低生產(chǎn)成本等方面具有明顯的技術(shù)和經(jīng)濟優(yōu)勢，在航空、航天等領(lǐng)域，減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量以節(jié)約能量是人們長期追求的目標(biāo)。液壓成形是實現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化的一種先進制造技術(shù)。

 

對于空心變截面結(jié)構(gòu)件，傳統(tǒng)的制造工藝是先沖壓成形兩個半片，然后再焊接成整體，而液壓成形則可以一次整體成形沿構(gòu)件截面有變化的空心結(jié)構(gòu)件。

 

與沖壓焊接工藝相比，液壓成形技術(shù)和工藝有以下主要優(yōu)點：

 

減輕質(zhì)量，節(jié)約材料。對于汽車發(fā)動機托架、散熱器支架等典型零件，液壓成形件比沖壓件減輕20%～40%；對于空心階梯軸類零件，可以減輕40%～50%的重量。

 

減少零件和模具數(shù)量，降低模具費用。液壓成形件通常只需要1套模具，而沖壓件大多需要多套模具。液壓成形的發(fā)動機托架零件由6個減少到1個，散熱器支架零件由17個減少到10個。

 

可減少后續(xù)機械加工和組裝的焊接量。以散熱器支架為例，散熱面積增加43%，焊點由174個減少到20個，工序由13道減少到6道，生產(chǎn)率提高66%。

 

提高強度與剛度，尤其是疲勞強度，如液壓成形的散熱器支架，其剛度在垂直方向可提高39%，水平方向可提高50%。

 

降低生產(chǎn)成本。根據(jù)對已應(yīng)用液壓成形零件的統(tǒng)計分析，液壓成形件的生產(chǎn)成本比沖壓件平均降低15%～20%，模具費用降低20%～30%。

 

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溫?zé)岢尚问抢貌牧霞訜岷笏苄院脱由炻侍岣撸姸认陆档奶匦赃M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。例如，5000 和 6000 系列的鋁合金從20℃升到 320℃，其材料伸長率從20% 增加到 80%。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，適合小批量零件的生產(chǎn)。

 

溫?zé)岢尚斡幸韵氯N成形工藝：

 

（1）等溫溫?zé)岢尚危枰A(yù)先加熱模具和板材，使其達到板材成形所需溫度，然后進入壓力機中進行成形。

 

（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?。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。國外對熱成形工藝技術(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Schuler公司和瑞典AP&T能夠提供全套熱沖壓設(shè)備，如下圖所示。

 

噴丸成形

 

噴丸成形技術(shù)是利用高速彈丸撞擊金屬板材表面，使受撞擊表面及其下層金屬發(fā)生塑性變形而延伸，促使板材彎曲變形從而達到所需外形的一種成形方法，是飛機壁板類零件的主要成形方法之一。

 

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 KSA公司采用噴丸成形技術(shù)成形Ariane5動力模塊框架的錐形板，為空客 A380 提供了機身整體壁板制造的數(shù)控噴丸強化和噴丸成形設(shè)備，美國 MIC 公司（Metal ImprovementCompany）采用預(yù)應(yīng)力噴丸成 A380 超臨界機翼下壁板。我國于2006年成功實現(xiàn)了ARJ21超臨界機翼整體壁板噴丸成形。

 

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，如美國的MIC公司采用此成形技術(shù)成形波音747-8飛機機翼蒙皮面板。

 

多點模具成形技術(shù)

 

多點模具成形技術(shù)是把模具曲面離散成有限個高度可調(diào)的基本單元，用這些單元代替?zhèn)鹘y(tǒng)模具進行三維曲面成形，柔性多點模具，用于飛機蒙皮拉伸成形。它根據(jù)零件的外形，通過數(shù)字化程序控制成形工具按照一定軌跡逐步成形零件。

 

英國劍橋大學(xué)、美國西北大學(xué)和坎布爾印度理工學(xué)院等均對漸進成形進行了研究。國內(nèi)的研究機構(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)等也均對此技術(shù)進行了研究。

蠕變時效成形

 

“蠕變”一般是指材料在高溫和低于材料宏觀屈服應(yīng)力條件下發(fā)生的緩慢塑性變形行為。蠕變時效成形技術(shù)（時效應(yīng)力松弛成形技術(shù)），是將人工時效和成形制造相結(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，而被廣泛應(yīng)用于航空領(lǐng)域。

 

一般來說，蠕變時效成形過程包括3個階段：

 

1) 加載。在室溫下，對整體壁板施加載荷，使其發(fā)生合適的彈性變形，與此同時使壁板固定在具有設(shè)定目標(biāo)型面的模具或工裝上；

 

2) 人工時效。將整體壁板和工裝/模具一起放入熱壓罐，然后將溫度升高至人工時效溫度，并保溫一定的時間。在保溫的過程中，由于材料受到人工時效、蠕變和應(yīng)力松弛的耦合作用，材料內(nèi)部微觀組織發(fā)生顯著變化，部分彈性變形逐漸轉(zhuǎn)化為了塑性變形。同時，在人工時效的過程中，材料完成了時效強化的過程，材料的性能得到改善；

 

3) 卸載。在人工時效結(jié)束后，去掉預(yù)先的工裝約束。由于加載過程中的彈性變形不可能全部轉(zhuǎn)化為塑性變形，因此，材料將發(fā)生一定程度的回彈，從而得到預(yù)定形狀的結(jié)構(gòu)件。

與傳統(tǒng)噴丸成形相比，蠕變時效成形工藝具有以下優(yōu)點：

 

1) 蠕變時效成形時，外加應(yīng)力一般低于材料的屈服應(yīng)力，蠕變時效成形過程減小了構(gòu)件引發(fā)損傷甚至破裂的可能性。同時，可以顯著地降低構(gòu)件發(fā)生加工裂紋、空洞等宏微觀損傷的概率；

 

2) 利用材料的蠕變特性和時效強化，在成形的同時，完成了對構(gòu)件材料的人工時效強化過程，材料的微觀組織得到改善，力學(xué)性能得到提升；

 

3) 蠕變時效成形的成形精度高，而且具有可重復(fù)性和成形效率高的特點。在成形具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的構(gòu)件時，僅需一次熱循環(huán)就可以達到構(gòu)件外形所需的精度，外形精度誤差小于1mm；

 

4) 蠕變時效過程中，構(gòu)件內(nèi)部殘余應(yīng)力基本上可完全被釋放。因此，成形構(gòu)件的尺寸相對穩(wěn)定。此外，蠕變時效還可以有效地降低焊縫處殘余應(yīng)力，增強材料抗腐蝕的能力，延長構(gòu)件的服役壽命。

 

由于蠕變時效成形技術(shù)具有上述優(yōu)點，美歐等西方發(fā)達國家很早就開始研究蠕變時效成形技術(shù)。

 

其研究成果已被廣泛應(yīng)用于飛機整體壁板的制造中。例如，美國B-1B超音速戰(zhàn)略轟炸機機翼的上下壁板、“彎流”Ⅴ 和“彎流”Ⅳ公務(wù)機的馬鞍形上機翼蒙皮和“大力神”Ⅳ火箭整體結(jié)構(gòu)壁板等。

 

其中， B-1B機翼整體壁板曾被認為是飛機工業(yè)發(fā)展史上制造的結(jié)構(gòu)最復(fù)雜、尺寸最大的機翼壁板。該壁板長度15.24m，外端寬0.9m，根部寬2.74m，厚度從2.54mm逐漸增加至63.5mm, 而且展向有整體加強桁條等復(fù)雜細微結(jié)構(gòu)。采用蠕變時效成形制造的壁板表面光滑，形狀精度較高，其裝配貼合度可有效控制在0.25mm以內(nèi)。

 

在民用飛機方面的也得到了應(yīng)用，麥道、空客和波音等早期機型已經(jīng)部分應(yīng)用了蠕變時效成形技術(shù)。例如：MD82、A380和A330/340等大型民機的整體壁板，已部分采用蠕變時效成形工藝。

 

總結(jié)

 

隨著先進制造技術(shù)的發(fā)展和新型材料的開發(fā)應(yīng)用，航空鋁合金零件精度更高、質(zhì)量更輕、強度更高，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，縮短了開發(fā)周期、極大地減少了制造成本。航空鋁合金成形設(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。