涂衛(wèi)軍 ，鄔亨貴，羅 兵 ，朱照陽 ，謝子文

（1．空裝駐南昌地區(qū)軍事代表室，江西南昌，330024；2．航空工業(yè)洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

飛行器中常存在變截面艙體，一般采用管材或鑄造毛坯進(jìn)行機(jī)械加工制造。由于艙體為變截面，采用管材制造要求管材壁厚較厚，機(jī)加對材料浪費(fèi)較大，材料利用率低。若采用鑄造毛坯制造，需對鑄造模具和工藝參數(shù)進(jìn)行多次調(diào)試修改，周期長，且毛坯中可能出現(xiàn)氣孔、夾雜等缺陷，影響材料性能。旋壓技術(shù)是局部連續(xù)塑性成形工藝，屬于回轉(zhuǎn)成形范疇，適宜大徑厚比軸對稱回轉(zhuǎn)體的塑性成形。采用該工藝得到的薄壁筒形件具有成形精度高、表面光潔度好、材料利用率高等優(yōu)點(diǎn)[1]。因此，該成形工藝被廣泛應(yīng)用于航空、航天和汽車等領(lǐng)域回轉(zhuǎn)體零件的生產(chǎn)制造[2-3]。旋壓工藝更適用于飛行器變截面艙體的制造，它可以提高材料利用率和結(jié)構(gòu)品質(zhì)、縮短制造周期、降低制造成本。

1 旋壓工藝

旋壓成形技術(shù)是將金屬平板毛坯或預(yù)制毛坯卡緊在旋壓機(jī)的芯模上，由主軸帶動(dòng)芯模和坯料旋轉(zhuǎn)，利用旋輪對坯料施加壓力，產(chǎn)生連續(xù)、逐點(diǎn)的塑性變形，從而獲得各種母線形狀的空心旋轉(zhuǎn)體零件的塑性加工方法，簡稱旋壓，如圖1所示。旋壓加工根據(jù)坯料厚度變化情況可分為普通旋壓和強(qiáng)力旋壓。

圖1旋壓加工過程示意圖

1.1 普通旋壓

普通旋壓是指旋壓過程中板厚度基本保持不變，坯料外徑有明顯的變化，是加工薄壁空心回轉(zhuǎn)體零件的無屑加工過程，主要有拉深旋壓、縮口旋壓和擴(kuò)口旋壓等[4]。拉深旋壓是最常用、最具代表性的成形技術(shù)，是以徑向拉深為主體而使毛坯直徑減小的成形工藝。

1.2 強(qiáng)力旋壓

強(qiáng)力旋壓又稱變薄旋壓，是在普旋技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，指成型過程中主要是壁厚減薄而直徑尺寸基本不變，屬于體積成型范疇[5]。根據(jù)旋壓件的類型和金屬變形機(jī)理的差異，可分為剪切旋壓和擠出旋壓兩種。

2 在飛行器變截面艙體上的應(yīng)用

2.1 艙體結(jié)構(gòu)

飛行器典型艙體結(jié)構(gòu)形式如圖2所示，為變截面艙段。艙體材料為2024鋁合金。經(jīng)旋壓、機(jī)械加工后的艙體成品的外形尺寸和形位公差應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求，且艙體本體材料需滿足屈服強(qiáng)度≥245MPa、強(qiáng)度極限≥350MPa的要求。

圖2典型艙體結(jié)構(gòu)

2.2 旋壓模具設(shè)計(jì)

旋壓工件的尺寸精度主要受兩方面因素的影響：

1）旋壓的尺寸精度；

2）旋壓成形后溫度變化造成的變形。旋壓的尺寸精度，主要受旋壓模具的跳動(dòng)、旋壓模具加熱膨脹、工件脫模后冷卻收縮等方面的影響。為滿足工件的尺寸精度需減小旋壓模具的跳動(dòng)，因此模具加工時(shí)需控制其雙邊跳動(dòng)不大于0.05mm。旋壓溫度為350℃，旋壓過程中旋壓模具和坯料受熱發(fā)生變形。旋壓模具鋼的熱膨脹系數(shù)為11.0×10-6℃-1，旋壓模具加熱后，其直徑將明顯增大。2024鋁合金的熱膨脹系數(shù)為 23.8×10-6℃-1，旋壓成形后，工件的溫度下降，其直徑將顯著減小。

經(jīng)有限元分析，模具加熱后徑向?qū)⑴蛎?.331mm，鋁合金工件成形后，徑向冷卻到常溫，將收縮0.681mm，如圖3所示。結(jié)合艙體毛坯件需預(yù)留0.8mm的機(jī)械加工余量，最終確定模具的尺寸為φ171.9mm。設(shè)計(jì)完成后的艙體旋壓模具如圖4所示。

圖3有限元分析結(jié)果

圖4艙體旋壓模具

2.3 工藝流程

艙體制造工藝流程如圖5所示。旋壓之前，先對軋制板材進(jìn)行退火處理，退火制度為360℃×3.0h。旋壓加工僅需8分鐘。旋壓后對艙體毛坯進(jìn)行1小時(shí)的固溶處理，固溶處理制度如圖6所示。初加工完成后對半成品進(jìn)行4小時(shí)的時(shí)效處理，時(shí)效處理制度如圖7所示。經(jīng)精加工、檢驗(yàn)合格后得到艙體成品，如圖8所示。

圖5艙體制造工藝流程

圖6固溶處理制度

圖7時(shí)效處理制度

3 性能分析

3.1 力學(xué)性能

在艙體上取樣進(jìn)行力學(xué)性能測試，其拉伸性能試驗(yàn)曲線如圖9所示。試樣屈服應(yīng)力大于320MPa、強(qiáng)度極限大于430MPa，力學(xué)性能與工程手冊管材基本一致，并且優(yōu)于鑄造材料力學(xué)性能，符合強(qiáng)度性能要求。

3.2 無損檢測

對多組艙體進(jìn)行X射線檢查，檢查結(jié)果如圖10所示。各艙體內(nèi)部無疏松、孔洞、雜質(zhì)等缺陷。旋壓工藝制造的飛行器變截面艙體成品率高、缺陷少、結(jié)構(gòu)品質(zhì)高。

圖8艙體成品

圖9 艙體隨爐件試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖10 X射線檢查結(jié)果

4 結(jié)論

工藝流程中加入退火、固溶、時(shí)效、外形熱補(bǔ)償?shù)忍幚矸椒?，最終得到的艙體成品外形尺寸和形位公差滿足設(shè)計(jì)要求，艙體本體材料力學(xué)性能滿足要求且內(nèi)部無疏松、孔洞、雜質(zhì)等缺陷。因此，旋壓工藝特別適用于飛行器變截面艙體的生產(chǎn)制造。