精密热加工技术的现状与发展趋势

作者：哈尔滨工业大学 赵连城 李春峰

欢迎访问e展厅 展厅 12 其它金属加工设备展厅 喷丸强化设备, 缩管机, 铆接机, 倒角机, 拉丝机, ... 摘要：精密热加工技术是武器系统关键制造技术之一，主要包括精密铸造、精密塑性成形、特种热处理及特种焊接技术。精密热加工技术具有生产周期短、成本低、零件使用性能好，产品可靠性高、制坯近无余量等优点，受到世界各国的高度重视。 关键词：精密热加工，技术，现状，发展趋势 近十年来，美国十分注重发展精密热加工和提高性能一体化技术。如：铝锂合金粉制件精密热成形可使零件比刚度提高30％；碳化硅／铝复合材料可使零件的比刚度提高30%一75%；单晶叶片精铸可以提高涡轮温度55℃、节省燃料10%；快速凝固粉末层压式涡轮叶片，可使发动机涡轮温度提高220℃、油耗降低8．4%、飞机起飞质量降低7．4%，发动机推重比提高30%一50%。发展精密热加工技术，并与提高零部件性能研究一体化，符合我国国防科技发展对关键基础加工技术研究所提出的要求。 一、精密铸造 精密铸造成形工艺不但可以缩短新型武器的研制周期、降低成本，还可以提高武器的灵活性、可靠性。如美国波音公司生产的巡航导弹的舱体采用铝合金精密铸造工艺后，弹体成本降低30%，每枚导弹所需工时从8000小时减少到5500小时，且可靠性提高，重量有所降低。 美国橡树岭国家实验室、美国精密铸造公司和NASA刘易斯研究中心等单位对A1系金属间化合物和Ti、Ni基等特种合金的精密铸造进行了大量研究。他们采用整体一次成形精铸工艺加工涡喷、涡扇导向器，减少机加工时40％，成本降低30%。我国军工系统的精密铸造工艺与国外相比差距较大。如导弹舱体主要采用低、差压铸造法。普通粘土砂铸型生产舱段，尺寸精度低，表面质量较差，内部缺陷多，合金液二次氧化严重，力学性能不高，废品率高达20%一30%，目前国内仅能铸造1．4m以下的舱段。另外象导弹尾翼、飞机部分器件等仍采用机械加工方法，不但生产周期长、成本高，而且可靠性也较差。在特种合金精密铸造工艺方面，同样存在很大差距，象单品空心无余量叶片精铸工艺，在国外已应用于军工生产，而国内尚处于研究阶段。至于A1系金属间化合物的精密铸造工艺的研究目前还未开始。 综上所述，与国外相比，我国在精密铸造工艺方面约落后10一15年。为了缩短新型武器的研制和生产周期、降低成本、提高可靠性，必须加强精密铸造工艺的研究。 二、精密塑性成形 精密塑性加工技术在工业发达国家受到高度重视，并投入大量资金优先发展。70年代美国空军主持制订“锻造工艺现代化计划”，目的是使锻造这一重要工艺实现现代化，更多地使用CAD／CAM，使新锻件的制造周期减少75%。1992年，美国国防部提出了“军用关键技术清单”，其中包含了等压成型工艺、数控计算机控制旋压、塑变和剪切成形机械、超塑成型／扩散连接工艺、液压延伸成型工艺等精密塑性成型工艺。此外，国外近年来还发展了以航空航天产品为应用对象的“大型模锻件的锻造及叶片精锻工艺”、“快速凝固粉末层压工艺”、“大型复杂结构件强力旋压成型工艺”、“难变形材料超塑成形工艺”、“先进材料(如金属基复合材料、陶瓷基复合材料等)成形工艺”等。近来，随着计算机和自动化技术对热加工成形工艺的渗透，板材成形柔性制造系统也开始崭露头角。 (一)超塑成形 美国休斯公司、 BAE公司等在超塑成形技术方面居世界前列。目前钦合金超塑成形工艺已广泛用于制造导弹外壳，推进剂储箱，整流罩、球形气瓶、波纹板及发动机部件等。铝合金、镁合金、镍基高温合金、金属基复合材料等的超塑成形工艺也在研究。我国的超塑成形技术在航天航空及机械行业已有应用，如航天工业中的卫星部件、导弹和火箭气瓶等，并采用超塑成形法制造侦察卫星的钦合金回收舱。与此同时，还基本上掌握了锌、铜、铝、钦合金的超塑成形工艺，最小成形厚度可达0．3mm，形状也较复杂。但壁厚均匀性问题尚待解决。 (二)强力旋压 美国利用强力旋压技术。已能生产直径为3．9m、径向尺寸精度0．05mm、表面粗糙度RaO．16—0．32μm、壁厚差＜0．03mm的导弹壳体。几乎对各种金属均能旋压成形，且工艺稳定，并已实现设备大型化，多用途化和自动化。错距旋压、CNC等先进旋压工艺及设备也已普及使用。 我国现已有数百种，数以百万计零件采用旋压工艺，其中有弹体、尾管、封头、燃烧室、壳体、喷管等等。且已开发出各种外旋压工艺，包括低温和高温旋压技术和设备，可旋制最大直径为5m的封头件，最大旋床达60吨。航天系统已采用强力旋压工艺生产了大型固体发动机高强钢封头和铝合金封头，直径2．5m；液体火箭银合金管。出口直径0.28m；战术导弹铝合金壳体，直径0.46m；发动机球形容器的钦合金半球体，直径0．53m，减薄率50%一75%。我国与国外的差距主要表现在我国基本上只能旋压圆柱件、锥型件和简单曲面形状的零件，大尺寸壳体多数仍采用卷板拼焊工艺，构件内常存在残余应力，在焊缝热影响区也易产生延迟裂纹；大型旋压件尺寸精度较差，给后续装配焊接造成很大困难；带浅筋和筒形件内旋工艺虽已取得一些成果，但可旋筒体直径小，筋很浅；旋压设备大都比较陈旧，错距旋压、数控旋压和录返旋压等均刚起步。 (三)薄板精密成形 薄板类复杂构件精密成形的新工艺新技术已在俄、美等国得到广泛应用。俄、美等国的放电成形设备已系列化，设备最大能量达500KJ。俄国已能生产包括A1-Li合金难变形材料等数十种导弹零件，最大尺寸达1200mm×1000mm×6mm(直径×高度×厚度)。目前，聚氨酯软模成形技术已成为航空航天工业中的重要成形手段，俄国TY-154飞机工厂已采用该项技术生产1万多个零件。美、法等国已普遍采用CNC拉形蒙皮与壁板，异形截面框类零件轧制工艺已广泛应用，大型运载火箭普遍使用整体铝合金环形锻件。 我国在薄板复杂构件成形方面，还沿用传统工艺。电磁成形刚用于生产，且设备能量低，线圈技术还未过关；电水成形尚属空白，聚氨酯软模成形技术仅有少量简单应用，技术还不成熟；数控蒙皮拉形及发动机有严格要求空间走向导管的应用仍属空白。 (四)精密模压成形 国外已广泛应用精密模压成形技术制造武器。美国铝业公司采用等温成形制造F—14战斗机框架钦合金加强板和支承座机件，前者投影面积10320mm2，锻件重量0．32Kg，加强筋的最小壁厚3．17mm。后者投影面积13545mm2，锻件重量O.82kg，最小厚度2．67mm。美国普拉特·惠特尼公司采用等温锻造工艺生产F100发动机的涡轮盘，重量由原来普通模锻件的112．5kg降到56．7kg。常用的精密模压成形技术，如闭塞式锻造、采用分流原理的精密成形及等温成形等国外已用于军工生产。我国，前两项技术刚刚起步，等温成形已有一定应用。目前，精密模压技术在我国应用还较少，精度也较差，国外精度为±0.05—0.10mm，我国为±0.1—0.25mm。 三、特种热处理 特种热处理工艺是国防工业系统关键制造技术之一。美国为加速其航天飞机的发展，由5家公司组成联合体共同开发针对5种新材料的成形及热处理工艺，即高温Ti-Al化合物， C／C及陶瓷基复合材料，高蠕变强度材料及高导热材料。美国经特殊工艺．处理的8089合金，使用温度可达到400℃。金属间化合物经韧化处理后可显著提高韧性，更适于高温下使用， Ti3A1可在816℃、 TiAl可在1083℃下使用；是航天飞机和航空发动机理想的材料。美国已将形状记忆合金用于卫星自展天线和管接头，用于导弹自展尾翼的研究也取得了很大进展。以美国威斯康星大学为首的PSII表面热改性处理技术用于航空发动机与卫星轴类零件及轴承，并取得重大进展，克林顿总统曾亲临视察该项工艺技术。 真空及气氛热处理以其特有的无污梁、无氧化、工件变形小和适用范围广等优点，广泛用于航空航天结构件处理，如齿轮结构件表面渗碳或渗氮，导弹和航天器各种合金或钢件的去应力、增强或增韧处理等。典型结构如：仪表零件、传动结构、燃料贮箱、发动机壳体等；美国热处理炉约有50%以上为真空热处理炉。规格齐全，成龙配套。第四代最新式气淬炉——双室高压真空气淬炉也已开始应用。此外，真空热处理炉已广泛采用了计算机控制。目前已发展到真空化学热处理和真空气淬热处理，包括高压真空气淬、高流率真空气淬和高压高流率真空气淬技术等。 激光热处理技术在国外已广泛用于航空、航天、电子、仪表等领域，如各种复杂表面件、微型构件、需局部强化处理构件、微型电子器件、大规模集成电路的生产和修补、精密光学元件、精密测量元件等。其中，激光淬火是应用最早最广泛的激光处理技术，能处理钦合金、铝合金、合金钢和碳钢等材料。如MKlO制导火箭发射系统点火区的阻断凸轮，采用AISl4340钢，用1.2KW激光表面处理代替原来的氮化处理，最高硬度由原来的55Rc提高到62Rc，硬化层深度由0.01—0.02in提高到0.015—0.030in，且每组4件凸轮的处理导向由原60天缩短到1小时，钦合金零件表面激光淬火后硬度可提高75％一125％。目前研究水平已达到经激光表面处理后硬度比普通淬火高5%一20%，激光涂层结合牢固、熔层只有0.05—0.13mm，激光合金化和非晶态处理，融化层只有1—10μm；目前世界上主要研究单位有美国的IBM公司、巴特尔研究院、海军研究试验室、激光应用公司等；英国的罗尔斯一罗伊斯公司、英国帝国大学等；日本的大阪大学热喷涂研究中心、村田公司等。国内在该领域也开展了相应的研究工作，并取得显著成果。但由于起步较晚，加之经费投入不足，因此与国外相比尚有一定差距。因此，“九·五”期间应加大力度开展研究，进一步缩小与国外的差距。 四、特种焊接技术 由于航天产品的特殊工作环境和要求决定了必须不断采用一些新结构材料、特殊结构形式和连接技术，这就要求有新的焊接工艺与设备以适应武器系统的要求。事实说明，如果不采用焊接技术，要制造出任何航天器都是不可能的。因此世界各国在航天工业部门的焊接技术水平都是最高的，发股速度也是最快的。 美国和俄罗斯两个航天工业发达国家每发展一种新型号航天产品总是伴随一系列特种焊接技术的发展，以保证新型号产品的制造需要。例如美国在研制土星五号运载火箭，俄罗斯在研制能源号运载火箭时，铝合金贮箱直径分别达到10m和8m，壁厚达到25mm和42mm，常规的焊接技术已无法适应这种新型号产品制造需要，美俄都不约而同地发展了适合立式组装并焊接的特种焊接技术。美国发展了VPPA(变极性等离子弧)焊接工艺与设备，完成了大型铝合金贮箱的制造。俄罗斯发展了局部真空电于束焊接工艺与设备，完成了能源号大型铝合金贮箱的制造。特种焊接技术的研究范围非常宽广，下面仅就几个方向性研究领域具体介绍国内外的发展现状： (一)自动化智能化焊接技术 现代航天产品在制造精度，质量保证(质量稳定性与可靠性)方面都有极高的要求，迫切需要采用能完全替代人工操作的自动化智能化焊接技术。例如美国马舍尔空间飞行中心正在组织NASA的一些高等院校及工业部门开发能满足制造大型铝合金贮箱需要的自动化智能化焊接系统，1993年底，该系统已接近完成。据称，它是由各种质量传感器、焊接过程数学模型和计算机控制的焊接装置组成的，估计已投入运行。我国在中型铝合金贮箱焊接自动化方面虽取得了一些成果并已用于生产，但在智能化方面还有很大差距。希望在“九五”期间能采用部分硬件从国外引进，一些关键技术和软件由自己研究开发的方针，攻克这项“自动化智能化焊接技术”，满足我国新型号航天产品制造技术的需要，在“九五”期间接近或赶上先进国家的水平。 (二)新材料与异种材料焊接技术 航天产品的许多部件几乎无例外地都要求质量尽可能轻、性能尽可能好，因此要采用许多新结构材料(陶瓷、复合材料、金属间化合物、非晶态材料、定向结晶材料、难熔金属材料、功能材料等)，这就给新材料或异种材料的连接带来难题。航天工业发达国家针对这些新材料异种材料连接的要求进行了大量研究工作，根据不同的材料组合，通过固态连接或熔化连接的方法得到所需的连接接头，满足构件的工作要求。例如俄罗斯已成功制造了由铜一不锈钢一钦不同金属材料组合焊接的高压补燃式夹层结构液体发动机推力室。工艺新颖、先进、合理、满足了结构设计的要求。美、俄航天部门采用特殊前处理，而后进行钎焊或扩散焊，成功焊接了B／A1复合材料管与铝合金管或钛合金管，成功地制造了空间飞行器内的承力衍架。而且还成功解决了金属与陶瓷的焊接技术。焊接的方法有多种，但较为理想的方法是以Ag-Cu-Ti合金为活性钎料，辅加应变缓解过渡材料进行钎焊。 我国的703所，哈工大，621所等单位都对新材料和异种材料的焊接技术开展了研究，也取得了一些成果，但与先进国家比仍有很大差距。主要原因是我们在这方面进行的基础性研究和应用基础性研究太弱，手段太落后，投入的人力、物力太少。 (三)微连接技术 航天器的控制电路及有效载荷的高可靠性、高密度化和微小型化是航天工业长期努力的目标。解决好这些问题不但可以大幅度减少航天器发射费用，而且可极大地提高控制系统的可靠性和工作频率，对延长卫星的寿命有重要影响。美、俄等先进国家已在航天器的控制系统中大量采用表面组装技术、微组装技术和多芯片组装等先进电子器件组装技术，使控制系统和卫星达到了小型化和轻量化的目的。我国由于微连接技术还较落后，航天器的控制系统仍主要采用插孔组装，难以达到充分的小型化和轻量化。哈工大的焊接国家重点实验室拥有国内最早建立的微连接研究室，已在表面组装的微连接技术方面开展了多年的研究工作，现在与电于工业部有关单位，航天部504所及上海航天局合作，结合航天器的需要开展微连接技术的研究。 (四)先进的熔化焊接工艺 大推力运载火箭和航天器的铝合金大型燃料贮箱或航天飞机、飞船的铝合金压力壳的制造主要采用熔化焊接技术。针对不同结构和尺寸的大型燃料贮箱或压力壳的制造需要。国外已发展了不同的熔焊工艺与设备，成功地完成了航天产品的制造任务。 美、俄开发的先进熔化焊接工艺技术主要有：窄间隙氦气保护熔化极焊接工艺，可进行多层焊接，可焊厚度不限，俄国已成功焊接了厚度40mm和80mm的铝合金贮箱；直流正接氦气保护钨极氩弧焊，俄国成功地用单道焊接工艺完成了3—8mm厚的工件生产任务；局部真空电子束焊接技术，俄国已成功用于厚度为42mm的铝合金贮箱的焊接；闪光对焊技术。俄国已成功用来生产大截面(50—80×103mm2)铝合金环形框或纵向接缝的焊接；变极性等离子弧穿孔焊接。美国已成功开发并用于焊接厚度为16mm的大型铝合金容器，是一种无内部缺陷的最理想的铝合金焊接工艺。国内在上述焊接新工艺研究方面几乎都处于空白或刚起步阶段，需要尽快开展研究工作。 此外，对于航天器中各种不锈钢、钛合金、铝合金导管的焊接美、俄都已开发了先进的自动焊接工艺，同时也相应开发了防泄漏的接头检验方法保证了导管系统的安全运行。我国在导管焊接方面仍处于手工焊为主的局面。焊后的质量检测手段也较落后。 急需开展研究工作，改变这种严重落后的局面。美、俄均已成功地应用C02激光焊接技术于导弹空气舵中钦合金蒙皮与铸造骨架的焊接，焊缝质量和减小变形方面都获得了理想的结果。我国在这方面基本处于空白或刚起步阶段。哈工大焊接国家重点实验室已引进了功率为2KW的CO2激光加工系统，正在开展结合航天工业需要的研究工作。(end)

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