近日，一則有關(guān)我國成功研發(fā)出一種鈑金沖擊液壓成形技術(shù)，并有望推動(dòng)和提升我國航空航天鈑金制造業(yè)發(fā)展水平的新聞，被央視新聞?lì)l道、科技部、科技日?qǐng)?bào)、中國科學(xué)報(bào)、人民網(wǎng)、科學(xué)網(wǎng)、中國新聞網(wǎng)、中華網(wǎng)、光明網(wǎng)、中新網(wǎng)、搜狐視頻網(wǎng)等眾多知名科技及新聞媒體爭(zhēng)相報(bào)道。

新聞中重點(diǎn)介紹的沖擊液壓成形技術(shù)，正是由中國科學(xué)院金屬研究所張士宏研究員及其所帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)經(jīng)過多年潛心研究所取得的豐碩成果。而后，河南興迪鍛壓設(shè)備制造有限公司與金屬研究所獨(dú)家合作，成功開發(fā)出了基于這個(gè)全新原理，可用于生產(chǎn)的沖擊液壓成形設(shè)備，并全程配合開展了針對(duì)航空航天典型復(fù)雜薄壁零件的工藝模具開發(fā)以及驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，取得了十分優(yōu)異的效果。

下面首先了解下中央電視臺(tái)的相關(guān)新聞視頻以及主要新聞報(bào)道中的文字節(jié)選。后文還將介紹沖擊液壓成形技術(shù)設(shè)備的創(chuàng)新設(shè)計(jì)和最新研究動(dòng)態(tài)。

附:央視朝聞天下新聞視頻《我國研發(fā)新型沖擊液壓成形技術(shù)》▼

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題。航空用高強(qiáng)鋁、鎂、鈦等輕質(zhì)合金塑性差，成形過程中容易起皺和開裂。我國一直沿襲前蘇聯(lián)的落錘成形技術(shù)，落錘成形需通過模具壓制與人工結(jié)合，通過錘擊、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程中的問題及我國大飛機(jī)行業(yè)的發(fā)展需求，中科院金屬研究所技術(shù)團(tuán)隊(duì)博士生馬彥、徐勇副研究員及張士宏研究員等人與沈飛、成飛和河南興迪鍛壓設(shè)備制造公司合作，通過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)。

研究團(tuán)隊(duì)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)典型高強(qiáng)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、鈦合金等難變形輕質(zhì)合金。

高能率沖擊液壓成形技術(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，并且能夠有效的抑制回彈。與現(xiàn)有落錘生產(chǎn)技術(shù)相比，該技術(shù)可將傳統(tǒng)鋁合金板材成形過程中8道次以上的人工輔助制造改變?yōu)?道次的自動(dòng)化生產(chǎn)過程，無需中間工藝熱處理，生產(chǎn)效率提高了400%，成功實(shí)現(xiàn)了航空復(fù)雜薄壁口框零件成形。

圖1

典型高強(qiáng)鋁合金的力學(xué)性能對(duì)比

（a）霍普金森拉桿實(shí)驗(yàn)裝置

（b）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）高應(yīng)變率板成形極限測(cè)試原理及實(shí)驗(yàn)裝置

（b）典型高強(qiáng)鋁合金高沖擊液壓成形極限曲線

和準(zhǔn)靜態(tài)液壓成形極限曲線

利用所研發(fā)的新型沖擊液壓成形技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)了航空鋁合金復(fù)雜薄壁口框零件的成形。該技術(shù)制造的零件產(chǎn)品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)可將傳統(tǒng)鋁合金板材成形過程中8道次以上的人工輔助制造改變?yōu)?道次的自動(dòng)化生產(chǎn)過程，無需中間工藝熱處理，生產(chǎn)效率提高了400%。此外，該技術(shù)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

?典型高強(qiáng)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4?

典型高強(qiáng)鋁合金復(fù)雜薄壁口框零件

在沖擊液壓成形不同道次下的典型樣件

高能率沖擊液壓成形技術(shù)是將液壓成形中的柔性特性與沖擊成形中的高速特性二者有機(jī)結(jié)合，其工藝原理是將高速?zèng)_擊波施加在液體介質(zhì)上，從而產(chǎn)生高能率液壓作用替代傳統(tǒng)液壓成形中的靜高壓作用，最終使工件發(fā)生塑性變形，變形速率可達(dá)103到10?s^-1，通過一次或多次，使工件最終成形。該方式可顯著提高零部件成形能力和變形均勻性，進(jìn)而減少加工工序、縮短流程，大幅度提高生產(chǎn)效率、還可以降低設(shè)備噸位及對(duì)高壓密封方面的要求，能夠?qū)×易冃螀^(qū)域提供變形能量，進(jìn)而改善工件整體的應(yīng)變分布。工件在沖擊作用下所受到的特殊應(yīng)力狀態(tài)對(duì)成形零件的貼模性和定形性也有相應(yīng)的改善。尤其對(duì)于鋁合金、鋁鋰合金、鎂合金、鈦合金等難變形輕質(zhì)合金而言，能夠顯著提高其復(fù)雜形狀薄壁構(gòu)件的成形能力和成形質(zhì)量，大幅度減少加工道次和提高效率。

圖5?

高能率沖擊液壓成形設(shè)備原理圖

此次由河南興迪鍛壓設(shè)備制造有限公司協(xié)助中科院金屬研究所研制開發(fā)的新型高能率沖擊液壓成形設(shè)備的主要技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)在于：

（1）基于固-液-力多場(chǎng)耦合模型計(jì)算的設(shè)備關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)方法：

由于沖擊液壓成形過程涉及沖擊體、液室、零件三者之間的動(dòng)態(tài)載荷傳遞和交互作用，因此需要建立固-液-力多場(chǎng)的耦合模型，從而實(shí)現(xiàn)針對(duì)關(guān)鍵工藝參數(shù)如速度和能量的精確預(yù)測(cè)；

（2）采用高壓蓄能組合裝置和新型驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高速高能量沖擊源的輸出及精確控制：

零件能否發(fā)生塑性變形并最終貼模，關(guān)鍵取決于沖擊體的最大瞬時(shí)速度和能量，通過設(shè)備的全新設(shè)計(jì)可保證最大輸出速度不低于50m/s，能量大于90kJ；并且設(shè)備采用精密檢測(cè)和控制元件，從而實(shí)現(xiàn)在高速動(dòng)態(tài)過程中對(duì)于速度、能量、壓力的實(shí)時(shí)采集和精確調(diào)控。

圖6?

（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

（3）沖擊體加速過程的動(dòng)態(tài)減阻技術(shù)：

通過沖擊行程下腔無油壓的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)液壓減阻；通過高速油缸無密封圈的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)摩擦減阻：通過驅(qū)動(dòng)桿下方油腔設(shè)置排氣孔和大直徑充液閥實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)氣流減阻。上述三種新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)保證沖擊體加速過程所受阻力最小，從而實(shí)現(xiàn)沖擊體最大的速度輸出。

附：高能率沖擊液壓成形工藝過程的演示視頻▼

部分文段及圖片

引用自中科學(xué)院金屬研究所

-專用材料與器件研究部

由興迪源機(jī)械編寫

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