图 8 采用超声喷丸技术对焊接机身整体壁板进行喷丸校形 Fig1 8 Re2shaping welded integral skin panels by ultrasonic shot peening
到零件上的部分弹性变形将转变为永久塑性变形并保持下来 ,从而使零件在完成时效强化的同时获得所需外形 [2 ,11]。
图 9 时效成形原理 Fig19 Principle of creep age forming process
与喷丸成形技术相比 ,时效成形技术具有如下优点 :①时效成形零件的内部残余应力几乎被完全释放 ,成形后零件的尺寸稳定性好 ,抗应力腐蚀能力高 ;此外 ,对于焊接整体壁板 ,还可有效降低焊接残余应力。 ②所成形零件表面质量高。外形光顺 ,各零件之间外形一致性好 ,可有效提高装配质量。 ③成形效率高、工艺重复性好。采用模具来保证外形精度 ,避免了以经验为主的人工校形所带来的外形差异。 ④成形和材料时效强化同时完成 ,可以有效降低零件制造周期和成本。
欧美等先进国家很早就开展了对时效成形技术的相关研究 ,并已用于飞机整体壁板的成形 ,如 B21B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神 IV火箭正交格栅结构的成形中。其中所成形的 B21B的机翼整体壁板 ,当时被认为是飞机工业史上所成形的最大最复杂的机翼壁板。该零件材料为铝合金 2124和 2419 ,长度为 151 24 m,根部宽 21 74 m,外端 01 9 m,厚度有突变 ,从 21 54 mm变到 631 50 mm,且展向有整体加强桁条。采用热压罐时效成形后的壁板表面光滑 ,形状准确度高 ,装配贴合度可控制
在 01 25 mm以下[12 ]。
在民用飞机的应用方面 ,空客、波音和麦道的部分早期机型已经采用该项技术 ,如 MD82 , A330/ 340和 A380等大型民用飞机的整体壁板制造中 ,其中采用时效成形技术制造的 A380飞机机翼上壁板材料为铝合金 7055 ,零件长 33 m,宽 21 8 m,变厚度 3～28 mm,成形后外形贴合度不大于1 mm,如图 10所示。
图 10 时效成形的 A380机翼右上壁板 Fig110 Creep age formed upper skin of right wing of A380
欧盟于 2002年 2月专门启动了时效强化型合金及时效成形工艺技术研究项目 ——
A GE2 FORM ,总经费达 500万欧元 ,通过开发新时效成形损伤容限合金以及具有改进的时效成形性合金板材 ,将时效成形工艺引进到结构部件的制造中 ,特别是下机翼蒙皮、机身壁板以及复杂形状零件 (尤其是整体加筋板)和搅拌摩擦焊连接的更大型、更复杂的整体次装配件上[ 13 ]。图 11所示为采用时效成形的焊接机身整体壁板模拟件 ,该模拟件的蒙皮与筋条之间采用激光双光束焊接 ,蒙皮和蒙皮之间采用搅拌摩擦焊。
图 11 蠕变时效成形的激光焊接/搅拌摩擦焊机身整体壁板 Fig111 Creep age formed laser beam welded/friction stir welded fuselage panel
综上所述 ,国外整体壁板成形技术总的发展趋势为 :
(1)
喷丸成形技术仍然是现代大型军用和民用飞机机翼壁板特别是下壁板的首选成形方法 ,并已经应用于机身焊接整体壁板的成形。
(2)
时效成形技术在成形机翼上壁板时具有独特的优势 ,并已经在 A380等大型飞机机翼上壁板上得到应用。
(3)针对焊接整体壁板的时效成形技术也已经接近工程应用水平。 3 国内研究基础和在差距
在工艺技术基础方面 ,北京航空制造工程研究所开展了机翼整体壁板数控喷丸成形技术基础研究 ,积累了大量的 L Y12 ,LC4 , 7075 , 2024 , 7055 ,2324等铝合金材料喷丸基础工艺数据 ,并突破了从机翼壁板数模到满足适航要求的壁板零件的各个环节的关键技术 ,如图 12所示。并于 2006年成功研制出了 ARJ 21飞机大型超临界机翼整体壁板装机件[14] ,如图 13所示。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技术的突破和创新 ,这些突破和创新为下一步大飞机机翼整体壁板采用喷丸成形技术奠定了重要的技术基础。
在设备条件方面 ,西安飞机工业 (集团)有限责任公司通过 ARJ 21研制已经具备成形和强化最大尺寸 20 m ×21 5m的设备力 ;北京航空制造工程研究所具备从法国引进的超声喷丸设备、喷丸成形和强化设备 ,并且具备试验和研制最大尺寸 15 m ×21 5m壁板模拟件的设备能力。
在喷丸成形工艺规范方面 ,国内已经编制了航标和新支线飞机喷丸成形工艺规范 ,正在编制民机喷丸成形工艺标准。
31 2 时效成形技术
在整体壁板的时效成形技术方面 ,国内起步较晚 ,但近几年开展这方面研究工作的单位逐渐增多。中南大学的郑子樵等开展了 Al2Cu ,Al2 Cu2Mg2Ag ,Al2Mg2Si ,Al2Ag等合金应力时效作用下的微观组织结构及相关机理研究[15] ;西北工业大学的甘忠等开展了 L Y12CZ铝合金板材时效成形的理论分析和试验研究 ;北京航空航天大学的周贤宾等开展了蒙皮和壁板的时效应力松弛校形试验研究[ 16 ]。
北京航空制造工程研究所针对铝合金 7075和 2324等材料开展时效成形基础工艺试验、数值模拟和模具型面优化等方面的研究 ,并正在进行焊接整体壁板的时效成形工艺基础研究 ,并已取得一些初步成果。但从总体上来说 ,有关时效成形变形机理及对材料组织和性能影响方面的研究尚处于起步阶段 ;特别是在结合时效成形材料的微观组织演变 ,并建立时效 2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 ;在基础工艺试验方面 ,缺少系统的研究。
4 针对中国大飞机整体壁板成形应采取的对策
对于当前大飞机的研制 ,应结合整体壁板的应用部位、材料、外形和结构特点 ,以国外先进整体壁板成形技术发展趋势作为参考 ,应尽快开展有针对性的研究和技术攻关工作 ,具体对策和建议如下 :
(1)机翼上壁板
以蠕变时效成形技术为研究重点 ,尽快开展如下研究工作 :①蠕变时效成形工艺基础试验 ; ②蠕变时效成形后材料性能分析评估 ;③材料微观组织变化规律研究 ;④典型壁板结构试验件演示验证 ;⑤损伤容限型壁板零件蠕变时效成形的工程应用。
(2)机翼下壁板
以 ARJ 21飞机机翼壁板喷丸成形技术为基础 ,尽快开展如下工作 :①大飞机整体壁板材料的喷丸成形工艺基础试验 ;②整体带筋壁板预应力喷丸技术基础研究 ;③大飞机整体壁板典型结构和外形工艺验证试验 ;④大飞机机翼下壁板喷丸成形工程化应用研究 ;⑤相关工艺规范和标准的完善和编制。
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