最近，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所塑性加工先進(jìn)技術(shù)課題組在鋁合金板材高應(yīng)變率沖擊液壓成形技術(shù)與裝備方面取得系列進(jìn)展，有望推動(dòng)和提升我國(guó)航空鈑金制造業(yè)發(fā)展水平。

    航空航天裝備中，鈑金類零件占總零部件數(shù)量、制造工作量占全機(jī)工作量均在20%以上。針對(duì)目前航空領(lǐng)域?qū)︹k金零件的輕量化及整體化發(fā)展的迫切需求，具有凸臺(tái)、加強(qiáng)筋和小圓角等小特征結(jié)構(gòu)的鋁、鎂、鈦輕質(zhì)合金復(fù)雜異型薄壁鈑金零件的制造已成為推動(dòng)大型飛機(jī)水平提升亟待解決的重要問(wèn)題。

    航空用高強(qiáng)鋁、鎂、鈦等輕質(zhì)合金塑性差，成形過(guò)程中容易起皺和開(kāi)裂。我國(guó)一直沿襲前蘇聯(lián)的落錘成形技術(shù)，落錘成形需通過(guò)模具壓制與人工結(jié)合，通過(guò)錘擊、墊橡膠等方式進(jìn)行多道次壓制和人工輔助加工成形，以消除起皺并通過(guò)人工手動(dòng)工序控制材料流動(dòng)以防止破裂發(fā)生，要求操作者具有豐富的加工經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)技巧。落錘成形由于是剛性模成形，成形零件會(huì)有劃痕等缺陷，成品率不高，零件精度及一致性差，材料利用率低，模具壽命較低，勞動(dòng)條件和安全性差。

    針對(duì)上述復(fù)雜航空鈑金零件制造過(guò)程中的問(wèn)題及我國(guó)大飛機(jī)行業(yè)的發(fā)展需求，金屬所塑性加工先進(jìn)技術(shù)團(tuán)隊(duì)博士生馬彥、副研究員徐勇及研究員張士宏等人與沈飛、成飛和河南興迪公司合作，通過(guò)將充液拉深成形技術(shù)與高速?zèng)_擊成形技術(shù)相結(jié)合，提出了一種新型沖擊液壓成形技術(shù)。

    課題組完成了從理論分析、設(shè)備研制到工藝驗(yàn)證的全鏈條研究。通過(guò)霍普金森拉桿實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，5A06鋁合金單向拉伸試件在高應(yīng)變速率條件下（2.7×103s-1）的延伸率相比于準(zhǔn)靜態(tài)條件增加了40%。課題組自行設(shè)計(jì)了一臺(tái)板材沖擊液壓成形極限試驗(yàn)裝置，發(fā)現(xiàn)5A06鋁合金板件的沖擊液壓成形極限相比于準(zhǔn)靜態(tài)液壓成形極限得到了大幅提高。通過(guò)自行設(shè)計(jì)的沖擊液壓成形物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)沖擊液壓成形的沖擊傳載特性及設(shè)備關(guān)鍵工藝參數(shù)進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究。研究發(fā)現(xiàn)，該工藝同樣適用于鋁合金、鋁鋰合金、鎂合金、鈦合金等。

 圖1（a）霍普金森拉桿實(shí)驗(yàn)裝置；（b）5A06高應(yīng)變速率應(yīng)力應(yīng)變曲線；（c）高應(yīng)變速率拉伸和準(zhǔn)靜態(tài)拉伸延伸率對(duì)比

圖2 （a）5A06高應(yīng)變速率板成形極限測(cè)試原理及實(shí)驗(yàn)裝置；（b）沖擊液壓成形極限曲線和準(zhǔn)靜態(tài)液壓成形極限曲線

   基于以上研究，課題組自主研發(fā)了新型沖擊液壓成形專用設(shè)備。該設(shè)備采用液壓蓄能器組合結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了大質(zhì)量沖擊體的高能高速驅(qū)動(dòng)及控制，是該設(shè)備的核心專利技術(shù)。由于采用了液體這一柔性成形介質(zhì)，成形零件具有良好的表面質(zhì)量。通過(guò)室溫高應(yīng)變率成形，無(wú)需熱處理即可提高材料在室溫條件下的塑性。設(shè)備的最大沖擊能量200kJ，最高沖擊速度80m/s，具有適合于工業(yè)化應(yīng)用的自動(dòng)操作模式。該設(shè)備最大可用于500mm×500mm×3mm的鋁、鎂、鈦等低塑性合金的板材成形，也可用于需要同等成形能量的管材成形、汽車板件成形、板材與管材的沖孔等工序。

圖3 （a）沖擊液壓成形物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置；（b）沖擊液壓成形設(shè)備原理

    圖課題組已經(jīng)通過(guò)沖擊液壓成形技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)了航空復(fù)雜薄壁口框零件的成形。該技術(shù)制造的口框零件具有更均勻的壁厚減薄率，更好的小圓角填充能力，并且能夠有效地抑制回彈。與現(xiàn)有落錘生產(chǎn)技術(shù)相比，該技術(shù)將傳統(tǒng)8道次以上的人工輔助制造過(guò)程改變?yōu)?道次的自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程，無(wú)需中間工藝熱處理，提高了400%的生產(chǎn)效率。

    圖4 5A06鋁合金復(fù)雜薄壁口框零件（a）落壓成形；（b）沖擊液壓成形

    圖5 沖擊液壓成形的2B06飛機(jī)板件，2道次，無(wú)中間熱處理，無(wú)人工，沖孔成形同模具一次完成

    課題組還與白俄羅斯科學(xué)院和羅馬尼亞克盧日-納波利技術(shù)大學(xué)進(jìn)行合作，研制成功一臺(tái)全新原理的、世界上第一臺(tái)可以用于生產(chǎn)的沖擊液壓成形設(shè)備。

    相關(guān)研究成果于5月2日在線發(fā)表在國(guó)際機(jī)械工程組織（The International Academy for Production Engineering，簡(jiǎn)稱CIRP）的會(huì)刊CIRP Annals—Manufacturing Technology（DOI：10.1016@j.cirp.2018.04.024）上，并應(yīng)邀在8月份東京舉辦的國(guó)際CIRP學(xué)術(shù)年會(huì)上作報(bào)告。CIRP是國(guó)際機(jī)械工程制造領(lǐng)域的核心權(quán)威專家組織，CIRP Annals是機(jī)械制造領(lǐng)域最權(quán)威的期刊（I F因子2.8以上）。該研究得到了中科院國(guó)際合作局、沈陽(yáng)市科技局等重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目的支持。

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