兴迪源机械助力我国航空航天钣金制造业发展——新型高能率冲击液压成形技术装备横空出世!

2018-07-02 Author:兴迪源机械 分类:内高压成形

 

近日,一则有关我国成功研发出一种钣金冲击液压成形技术,并有望推动和提升我国航空航天钣金制造业发展水平的新闻,被央视新闻频道、科技部、科技日报、中国科学报、人民网、科学网、中国新闻网、中华网、光明网、中新网、搜狐视频网等众多知名科技及新闻媒体争相报道。

 

新闻中重点介绍的冲击液压成形技术,正是由中国科学院金属研究所张士宏研究员及其所带领的科研团队经过多年潜心研究所取得的丰硕成果。而后,河南兴迪锻压设备制造有限公司与金属研究所独家合作,成功开发出了基于这个全新原理,可用于生产的冲击液压成形设备,并全程配合开展了针对航空航天典型复杂薄壁零件的工艺模具开发以及验证实验,取得了十分优异的效果。

 

下面首先了解下中央电视台的相关新闻视频以及主要新闻报道中的文字节选。后文还将介绍冲击液压成形技术设备的创新设计和最新研究动态。

 

 

附:央视朝闻天下新闻视频《我国研发新型冲击液压成形技术》▼

 

 

航空航天装备中,钣金类零件占总零部件数量、制造工作量占全机工作量均在20%以上。针对目前航空领域对钣金零件的轻量化及整体化发展的迫切需求,具有凸台、加强筋和小圆角等小特征结构的铝、镁、钛轻质合金复杂异型薄壁钣金零件的制造已成为推动大型飞机水平提升亟待解决的重要问题。航空用高强铝、镁、钛等轻质合金塑性差,成形过程中容易起皱和开裂。我国一直沿袭前苏联的落锤成形技术,落锤成形需通过模具压制与人工结合,通过锤击、垫橡胶等方式进行多道次压制和人工辅助加工成形,以消除起皱并通过人工手动工序控制材料流动以防止破裂发生,要求操作者具有丰富的加工经验和技术技巧。落锤成形由于是刚性模成形,成形零件会有划痕等缺陷,成品率不高,零件精度及一致性差,材料利用率低,模具寿命较低,劳动条件和安全性差。

 

针对上述复杂航空钣金零件制造过程中的问题及我国大飞机行业的发展需求,中科院金属研究所技术团队博士生马彦、徐勇副研究员及张士宏研究员等人与沈飞、成飞和河南兴迪锻压设备制造公司合作,通过将充液拉深成形技术与高速冲击成形技术相结合,提出了一种新型冲击液压成形技术。

 

研究团队完成了从理论分析、设备研制到工艺验证的全链条研究。通过霍普金森拉杆实验研究发现,5A06铝合金单向拉伸试件在高应变率条件下(2.7×103s-1)的延伸率相比于准静态条件增加了40%。课题组自行设计了一台板材冲击液压成形极限试验装置,发现典型高强铝合金板件的冲击液压成形极限相比于准静态液压成形极限得到了大幅提高。通过自行设计的冲击液压成形物理模拟实验装置,对冲击液压成形的冲击传载特性及设备关键工艺参数进行了理论和实验研究。研究发现,该工艺同样适用于铝合金、铝锂合金、镁合金、钛合金等难变形轻质合金。

 

高能率冲击液压成形技术成功实现了航空复杂薄壁口框零件的成形。该技术制造的口框零件具有更均匀的壁厚减薄率,更好的小圆角填充能力,并且能够有效的抑制回弹。与现有落锤生产技术相比,该技术可将传统铝合金板材成形过程中8道次以上的人工辅助制造改变为2道次的自动化生产过程,无需中间工艺热处理,生产效率提高了400%,成功实现了航空复杂薄壁口框零件成形。

图1
典型高强铝合金的力学性能对比
(a)霍普金森拉杆实验装置
(b)高应变速率应力应变曲线
(c)高应变速率拉伸和准静态拉伸延伸率对比

 

图2
(a)高应变率板成形极限测试原理及实验装置
(b)典型高强铝合金高冲击液压成形极限曲线
和准静态液压成形极限曲线

 

利用所研发的新型冲击液压成形技术成功实现了航空铝合金复杂薄壁口框零件的成形。该技术制造的零件产品具有更均匀的壁厚减薄率,更好的小圆角填充能力,并且能够有效地抑制回弹。与现有落锤生产技术相比,该技术可将传统铝合金板材成形过程中8道次以上的人工辅助制造改变为2道次的自动化生产过程,无需中间工艺热处理,生产效率提高了400%。此外,该技术也可用于需要同等成形能量的管材成形、汽车板件成形、板材与管材的冲孔等工序。

 

图3
 典型高强铝合金复杂薄壁口框零件
 (a) 落压成形 
(b)冲击液压成形

 

图4 
典型高强铝合金复杂薄壁口框零件
在冲击液压成形不同道次下的典型样件

 

高能率冲击液压成形技术是将液压成形中的柔性特性与冲击成形中的高速特性二者有机结合,其工艺原理是将高速冲击波施加在液体介质上,从而产生高能率液压作用替代传统液压成形中的静高压作用,最终使工件发生塑性变形,变形速率可达10³到10⁴s-1,通过一次或多次,使工件最终成形。该方式可显著提高零部件成形能力和变形均匀性,进而减少加工工序、缩短流程,大幅度提高生产效率、还可以降低设备吨位及对高压密封方面的要求,能够对剧烈变形区域提供变形能量,进而改善工件整体的应变分布。工件在冲击作用下所受到的特殊应力状态对成形零件的贴模性和定形性也有相应的改善。尤其对于铝合金、铝锂合金、镁合金、钛合金等难变形轻质合金而言,能够显著提高其复杂形状薄壁构件的成形能力和成形质量,大幅度减少加工道次和提高效率。

 

图5 
高能率冲击液压成形设备原理图

 

此次由河南兴迪锻压设备制造有限公司协助中科院金属研究所研制开发的新型高能率冲击液压成形设备的主要技术创新点在于:

 

(1)基于固-液-力多场耦合模型计算的设备关键参数设计方法:

由于冲击液压成形过程涉及冲击体、液室、零件三者之间的动态载荷传递和交互作用,因此需要建立固-液-力多场的耦合模型,从而实现针对关键工艺参数如速度和能量的精确预测;

 

(2)采用高压蓄能组合装置和新型驱动结构实现高速高能量冲击源的输出及精确控制:

零件能否发生塑性变形并最终贴模,关键取决于冲击体的最大瞬时速度和能量,通过设备的全新设计可保证最大输出速度不低于50m/s,能量大于90kJ;并且设备采用精密检测和控制元件,从而实现在高速动态过程中对于速度、能量、压力的实时采集和精确调控。

 

图6 
(a)冲击液压成形物理模拟实验装置 
(b)冲击液压成形设备原理图

 

(3)冲击体加速过程的动态减阻技术:

通过冲击行程下腔无油压的设计实现液压减阻;通过高速油缸无密封圈的设计实现摩擦减阻:通过驱动杆下方油腔设置排气孔和大直径充液阀实现实时气流减阻。上述三种新型结构设计保证冲击体加速过程所受阻力最小,从而实现冲击体最大的速度输出。

 

附:高能率冲击液压成形工艺过程的演示视频▼

 

 

科技感与时尚感并存——
新型高能率冲击液压成形设备的“定妆照”,
以及中外研究团队成员

 

结束语:

 

液压成形技术作为制造复杂形状薄壁板管部件的精密成形技术,是汽车、航空航天和轨道交通装备制造工业中最节省材料的零件制造技术,在国民经济和国防科技工业中均占有极其重要的地位。但是,随着装备向轻量化、无余量化、高精度、整体化、高可靠性、长寿命和低成本的方向发展,具有薄壁、大尺寸、复杂曲面、深腔等更为复杂特征以及钛合金、铝合金、镁合金等低塑性材料的异型薄壁零件的研制已成为亟待解决的技术问题。而新型高能率冲击液压成形技术的问世,有望推动和提升我国航空航天以及汽车制造业的发展水平,具有很好的应用前景。

 

我国的液压成形技术和设备近年来得到了快速发展,而兴迪源机械通过多年来的潜心钻研和技术储备,如今已成功研制出一系列可工程化应用的具有自主知识产权的新型流体高压成形智能装备,如大吨位全伺服管材内高压成形设备、板材双向充液拉深成形设备、高温气胀成形设备、金属波纹管液压成形专用设备、快速水胀成形设备等,正在部分或全面取代昂贵的进口设备,深受来自国内外各行业用户的好评。

 

此次,兴迪源机械携手中国科学院金属研究所成功研发出的新型高能率冲击液压成形技术装备,有望进一步推动我国航空航天的汽车制造业轻量化智能成形技术,特别是以低塑性材料和复杂结构管/板类零件成形为代表的液压成形新技术和新工艺的发展,为高性能轻量化零部件提供国际领先的高效率、短流程、绿色智能制造的前瞻性技术支持。

 

部分文段及图片
引用自中科学院金属研究所
-专用材料与器件研究部
由兴迪源机械编写
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