特种冲压成形技术在航空发动机中的应用探讨.doc

特种冲压成形技术在航空发动机中的应用探讨2012年09月19日 09:15来源：中国航空报推荐朋友打印本稿字号大中小发动机的高性能对加工技术提出了高要求。钣金冲压件以其独特的优点在航空发动机中占有非常重要的地位,应用范围十分广泛。从发动机最前端的整流罩到最末端的尾喷口，随处都有冲压件，据统计，冲压件数量能占到30%以上。新型航空发动机钣金冲压件呈现出以下趋势：形状更复杂；尺寸和形位精度要求更高；材料更薄；新材料使用多；要求表面完整性好、抗疲劳性能好。这些都对板材冲压成形技术提出新的挑战。随着数字化技术、信息技术、自动化技术、测控技术等的发展，在新材料、新结构、高技术含量的钣金冲压件研发需求拉动下，冲压成形技术在深度和广度上都取得了前所未有的发展。特别是特种冲压成形技术取得更大的进步，一些特种成形技术在航空发动机上的应用也取得较大发展。特种冲压成形技术特种冲压成形技术是相对于传统冲压成形技术而言的非传统冲压成形技术的统称，是金属板材冲压件非常重要的制造技术。特种冲压成形技术除了具有一般冲压成形技术共有的优点外（生产率高；加工的零件壁薄、形状复杂，可以得到强度大刚性高而重量轻的零件；加工出来的零件质量稳定、一致性好、互换性好；材料利用率高；操作简单、易于掌握等），还具有各自的特点和优势。特种成形技术发展、应用，提高了钣金零件的成形能力和成形质量。航空发动机上的钣金冲压件形状异常复杂，尺寸大小悬殊，材料各异，产量不同，品种繁多。而且航空发动机上的零件与其他行业的钣金零件相比技术要求更高，加工难度大。不仅要求零件的形状及尺寸满足设计技术要求，航空业极高的可靠性还要求零件具备可靠的使用寿命，因而对其成形后的零件性能也有相当严格的要求。一些特种成形技术在航空发动机制造领域有了一定的应用，而有的特种成形技术则由于技术本身的特点不太适用于航空发动机钣金冲压件或尚未开展相应的应用研究，目前还未在航空发动机上应用。差温拉深成形技术差温拉深成形技术就是在拉深过程中使毛坯的变形区和传力区处于不同的温度，提高传力区材料的变形抗力，同时减小变形区的变形抗力，使强区更强、弱区更弱，从而更加有利于提高零件拉深成形的极限变形程度的一种成形技术。温差拉深成形可以分为局部加热和局部冷却拉深两种方法。温差拉深成形较一般拉深成形能够降低极限拉深系数0.30.35左右，即用一道工序可以代替普通拉深方法的23道工序，特别适合于深盒形或筒形零件的拉深成形。由于加热温度受模具耐热能力的限制，所以，目前温差拉深主要用于铝、镁、钛等轻合金零件的冲压成形，对钢板则应用不多。温差拉深成形技术还未在航空发动机制造领域应用。径向压力拉深成形技术径向压力拉深成形是在拉深凸模对毛坯作用的同时，高压液体在毛坯变形区的四周施加径向压力，使变形区的应力状态发生变化，并使径向拉应力的数值减小，使毛坯变形区产生变形所需的径向拉应力下降，减轻了毛坯传力区的负担，同时溢流的液体在零件与毛坯间形成良好的润滑，从而提高材料的极限变形程度。由于所用模具和设备复杂，该成形技术应用受到限制，目前也未应用在航空发动机制造领域。高速成形技术普通冲压成形工艺中，毛坯产生塑性变形所需要的能量是通过冲压设备得到的。高速成形技术则利用爆炸、水电、电磁等产生的能量，在短时间内转化为周围介质（空气或水）中的高压冲击波，并以脉冲波的形式作用于毛坯，使它产生塑性变形，从而成形出零件。高速成形分为爆炸成形、水电成形和电磁成形等三种方法。高速成形也属于半模成形范畴，因此其所用模具结构也相对简单，所加工零件尺寸不受设备限制，适于小批量或单件研制。该技术受安全、精度等影响，还未在航空发动机制造领域应用。激光热应力成形技术激光热应力成形是日本人在1985年提出的一种新的板材成形技术，通过激光束对零件进行局部加热，而后用水或气体急剧冷却，利用应力变化、控制，实现零件的成形。采用激光热应力成形技术可以弯曲板材，成形锥体和球体形状的零件。德国Trumpf公司于1997年发明了激光弯曲成形多用机床。该技术也未应用于航空发动机制造领域。单/多点成形技术单点渐进成形技术是基于快速原型制造技术中“分层制造”思想而开发的一种新型成形技术。该技术将复杂的三维实体模型沿高度方向离散成等间距的断层面，生产一系列加工轨迹环，成形工具头在数控系统的控制下，沿生成的加工轨迹逐层进行塑性加工，通过多层的累积变形得到最终的零件形状。该技术具有高度柔性，适合新品研制或小批量生产。多点成形技术起源于20世纪60年代的日本，通过对传统成形模具进行离散化处理，以高度可以调节控制的阵列顶端构成的空间包络曲线代替传统的模具实体表面。该技术具有无模、快速、低成本等突出优点。零件可以冷成形，也可以对金属压头加热实现热成形的效果。单/多成形技术都还未应用于航空发动机制造领域。温热成形技术温热成形技术是利用材料在加热后塑性和延伸率显著提高，屈服强度迅速下降、破裂倾向减小的特性进行板材成形的技术。温热成形不但能够实现冷塑性差的材料的成形，同时在高温下能够消除零件变形的残余应力，减小回量，提高零件成形精度。温热成形可以分为耦合温热成形和热介质成形。耦合温热成形技术已广泛应用于航空发动机领域，已成功制造出钛合金复杂罩子、调节片、密封片，室温低塑性材料的各种拉深成形板材零件。热介质成形技术采用某种高温传力介质，如高温橡胶等黏性介质、液态等离子水和高温高压油、固态特种粉末等作为软凸模或凹模而进行的一种热成形技术。该技术具有温热成形和充液成形双重优点，能够实现更加复杂零件的成形。热介质成形还未应用于航空发动机制造领域，但其必将成为航空发动机制造复杂低塑性板材零件的关键技术之一。超塑成形技术材料超塑性是指特定条件下材料出现异常高的延伸率的特性，一般认为延伸率超过100%即定义为具有超塑性。超塑成形（SPF）是利用一些材料在特定条件下具有超塑性的特性，进行零件成形的技术。分为板材超塑成形和锻压超塑成形，这里介绍的均为板材超塑成形。该技术的应用，在某种程度上被视为航空航天技术水平发展的象征，对航空航天技术的发展具有非常重大的意义。板材超塑成形技术已广泛应用于航空发动机制造领域，利用该技术成功制造出航空发动机钛合金整流罩等零件。超塑成形/扩散连接技术已制造出多层叶片、调节片、壁板等零件。超塑成形/扩散连接技术在航空发动机领域具有非常广阔的发展应用空间。充液成形技术充液成形是利用液体压力使工件成形的一种塑性加工工艺。按使用坯料形式的不同，可以分为三种类型：板材充液成形、壳体充液成形和管材充液成形。板材和壳体充液成形使用的成形压力一般较低，而管坯充液成形使用的压力较高，故也称内高压成形。充液成形技术具有以下突出优点：大大提高成形极限，减少拉深次数；抑制内皱产生；提高零件的形状和尺寸精度；零件表面精度高；厚度分布均匀；简化模具结构、降低模具成本、缩短模具制造周期；成形零件可以很复杂。该技术非常适应航空发动机零件超复杂、高精度、高性能等要求，因此在航空发动机制造领域具有非常广阔的发展前景。目前应用该技术已成功制造出航空发动机用薄壁微截面精密钣金件等。橡皮成形技术橡皮成形技术属于金属板材塑性成形范畴，是指用橡皮垫或液压橡皮囊作为通用凸模或凹模，将金属板材按照刚性凸模或凹模加工成形的方法。橡皮囊成形以其高度的柔性及高精度，已经广泛应用在飞机制造领域。橡皮复合成形采用聚氨酯橡胶制造凸模或凹模，还可以通过灵活增加或撤销橡皮垫能够实现零件的成形。该技术在航空发动机制造领域应用较广，主要应用于薄壁回转体零件的精密校形。航空发动机制造对冲压技术应用需求为了满足