本文探討研究了航空復(fù)雜構(gòu)件的精確成形技術(shù)相關(guān)內(nèi)容。

　　精確成形技術(shù)是航空制造基礎(chǔ)技術(shù)之一，針對航空復(fù)雜構(gòu)件的研制生產(chǎn)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，開展航空精確成形技術(shù)基礎(chǔ)研究，認(rèn)清成形機理，掌握成形規(guī)律，提出成形過程設(shè)計和控制方法，對提高航空復(fù)雜構(gòu)件研制生產(chǎn)水平，實現(xiàn)航空關(guān)鍵構(gòu)件精確控形和精確控性，提高航空發(fā)動機和飛機性能、可靠性和壽命、降低制造成本等具有十分重要的意義。

　　航空復(fù)雜構(gòu)件是指飛機和航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)中形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜和(或)組織結(jié)構(gòu)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件。精確成形則是采用各種成形方法獲得成形完整、尺寸精確、組織結(jié)構(gòu)精確控制以及性能優(yōu)越、可靠性高零件的工藝方法。凝固成形和塑性成形技術(shù)是兩種主要的、傳統(tǒng)的成形技術(shù)，各種大型、薄壁、整體、復(fù)雜、精密、優(yōu)質(zhì)的鑄鍛件是飛機和航空發(fā)動機的主要承力構(gòu)件和關(guān)鍵構(gòu)件，在航空制造業(yè)中具有十分的重要地位。

　　美國在21世紀(jì)國防科技戰(zhàn)略規(guī)劃體系中，將材料與制造技術(shù)定為優(yōu)先發(fā)展的領(lǐng)域之一，而精密成形技術(shù)則是軍用飛機制造技的術(shù)重要組成部分。隨著航空裝備的發(fā)展，整體、精密、優(yōu)質(zhì)的復(fù)雜構(gòu)件應(yīng)用愈來愈廣泛，已成為新一代航空裝備的核心，決定了飛機和發(fā)動機的性能、可靠性、壽命及經(jīng)濟(jì)性。以美國為代表的西方發(fā)達(dá)國家在先進(jìn)航空武器裝備中廣泛應(yīng)用精確成形的復(fù)雜整體構(gòu)件，以提高武器裝備的作戰(zhàn)性能、整體結(jié)構(gòu)性能和可靠性，減輕結(jié)構(gòu)重量，縮短研制周期，降低制造成本。例如，美國F-35戰(zhàn)斗機要求減少機械加工量90%以上，成本降低66%，實現(xiàn)這一目標(biāo)勢必廣泛采用精確成形的復(fù)雜整體構(gòu)件。

　　航空復(fù)雜構(gòu)件精確成形技術(shù)發(fā)展總趨勢是成形構(gòu)件的復(fù)雜整體化、構(gòu)件成形精確化、成形成性一體化和工藝設(shè)計與控制的全程化。也就是說，航空復(fù)雜構(gòu)件精確成形，不僅要控制構(gòu)件的成形和保證形狀尺寸，而且要精確控制構(gòu)件內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)，即“精確控形”和“精確控性”。航空復(fù)雜構(gòu)件精確成形已不同于傳統(tǒng)意義上的鑄和鍛，而是多學(xué)科交叉和各種先進(jìn)技術(shù)的綜合應(yīng)用。實現(xiàn)航空復(fù)雜構(gòu)件精確成形，必需掌握其成形機理、成型規(guī)律以及設(shè)計和控制方法。

　　長期以來，由于我國在成形技術(shù)基礎(chǔ)研究方面的重視程度不夠，基礎(chǔ)研究不夠深入，缺乏系統(tǒng)性和集成性，構(gòu)件成形缺乏系統(tǒng)的理論指導(dǎo)，依然以經(jīng)驗和反復(fù)試制為主要模式進(jìn)行研制和生產(chǎn)，構(gòu)件的尺寸精度、性能和可靠性低，成本高，周期長，質(zhì)量不穩(wěn)定。例如，傳統(tǒng)鑄件由于性能和可靠性不夠高，一般只能應(yīng)用于飛機機體的非重要部位，設(shè)計安全系數(shù)一般都在2左右;機體大型整體鍛件規(guī)格小(大型鈦合金鍛件投影面積不足2m2)，材料利用率低(僅為10%～20%左右)。在航空發(fā)動機核心部件中，定向空心高溫合金葉片合格率也僅為20%～30%左右，單晶空心高溫合金葉片合格率則更低。因此，提高航空復(fù)雜構(gòu)件研制生產(chǎn)水平，需針對航空復(fù)雜構(gòu)件精確成形領(lǐng)域共性、關(guān)鍵的技術(shù)基礎(chǔ)問題展開研究，為先進(jìn)飛機和發(fā)動機研制生產(chǎn)及未來發(fā)展奠定基礎(chǔ)，起到技術(shù)支撐和指導(dǎo)作用。

　　航空復(fù)雜構(gòu)件精確成形領(lǐng)域技術(shù)基礎(chǔ)問題

　　先進(jìn)飛機和發(fā)動機中成形構(gòu)件的主要特點如下。

　　(1)形狀結(jié)構(gòu)和組織結(jié)構(gòu)復(fù)雜。為提高航空裝備性能、可靠性和壽命，減輕結(jié)構(gòu)重量，降低制造成本，縮短制造周期，往往將原來的幾個部件組合于一體成形，使其形狀結(jié)構(gòu)整體化、薄壁化、復(fù)雜化;此外，為實現(xiàn)某些功能，往往將結(jié)構(gòu)與功能一體化，這也使得其形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜;另外，為滿足構(gòu)件在裝備中的使用特點和需要，有的大型整體結(jié)構(gòu)件的組織結(jié)構(gòu)要求均勻，有的不同部位的組織結(jié)構(gòu)要求不一樣(如航空發(fā)動機雙性能整體葉盤等)，有的則對組織結(jié)構(gòu)控制有特殊要求(如定向或單晶葉片)，所以組織結(jié)構(gòu)復(fù)雜化也是先進(jìn)裝備構(gòu)件發(fā)展趨勢之一。

　　(2)尺寸精確。為降低制造成本和縮短制造周期，結(jié)構(gòu)件形狀尺寸要求精確，即無或少加工余量。

　　(3)高性能、高可靠性。為滿足航空裝備高性能、高可靠性的需求，必須提高成形構(gòu)件自身的性能和可靠性，所以必須要求無(少)缺陷、并根據(jù)構(gòu)件的使用特點和要求精確設(shè)計并控制各部位的組織結(jié)構(gòu)。

　　研制復(fù)雜構(gòu)件，首先必須正確認(rèn)識多場耦合作用下構(gòu)件成形過程的形狀尺寸變化和組織結(jié)構(gòu)演變的熱力學(xué)和動力學(xué)機理，掌握其變化規(guī)律;在此基礎(chǔ)上，建立精確的物理數(shù)學(xué)模型，對其成形過程進(jìn)行數(shù)值模擬，使其過程“可視”，預(yù)知其結(jié)果;在上述基礎(chǔ)上，研究和應(yīng)用科學(xué)的過程設(shè)計與控制方法，使復(fù)雜構(gòu)件的成形在精確設(shè)計和精確控制的條件下成形，從而達(dá)到復(fù)雜構(gòu)件“精確控形”和“精確控性”的目的。

　　復(fù)雜構(gòu)件精確成形領(lǐng)域共同存在的重大科學(xué)基礎(chǔ)問題主要包括以下幾個方面。

　　(1)復(fù)雜構(gòu)件精確成形過程的形狀尺寸變化和組織結(jié)構(gòu)演變的熱力學(xué)和動力學(xué)機理。

　　復(fù)雜構(gòu)件成形過程是一個在多場耦合作用下，材料充填與成形、組織(含缺陷)形成與演變、應(yīng)力形成與變化的過程。傳統(tǒng)的成形基礎(chǔ)理論一般是基于溫度場、重力場或外力場等單獨或簡單復(fù)合作用、理想狀態(tài)下的熱力學(xué)和動力學(xué)機理。而復(fù)雜構(gòu)件精確成形往往是在特種工藝條件下實現(xiàn)的，其成形過程受多場控制、受多種因素共同影響。但這些因素如何耦合作用、它們是如何影響構(gòu)件形狀尺寸變化和組織結(jié)構(gòu)演變的，目前尚不十分清楚。因此弄清多場耦合作用下界面、組織、應(yīng)力和缺陷形成與變化等復(fù)雜構(gòu)件精確成形過程的熱力學(xué)和動力學(xué)機理十分關(guān)鍵，它是指導(dǎo)復(fù)雜構(gòu)件精確成形的理論基礎(chǔ)。

　　精鑄渦輪葉片

　　(2)復(fù)雜構(gòu)件精確成形規(guī)律與理論模型。

　　復(fù)雜構(gòu)件最終形狀尺寸及組織結(jié)構(gòu)是由材料原始組織、成形方法及工藝過程決定的。搞清原始組織結(jié)構(gòu)對復(fù)雜構(gòu)件成形及最終性能的影響、多場耦合作用下構(gòu)件形狀尺寸和組織結(jié)構(gòu)如何變化，是實現(xiàn)復(fù)雜構(gòu)件精確成形的關(guān)鍵。需通過大量試驗研究，揭示多場耦合作用下復(fù)雜構(gòu)件形狀尺寸變化和組織結(jié)構(gòu)演變規(guī)律，建立起復(fù)雜構(gòu)件精確成形理論模型，為研究復(fù)雜構(gòu)件精確成形過程設(shè)計與控制方法提供理論基礎(chǔ)。

　　計算機模擬是研究復(fù)雜構(gòu)件精確成形過程、優(yōu)化成形工藝、驗證成形理論的重要手段。通過計算機模擬技術(shù)可使復(fù)雜構(gòu)件成形過程的形狀尺寸變化和組織結(jié)構(gòu)演變等變得“可視”，從而為實現(xiàn)構(gòu)件形狀尺寸和組織結(jié)構(gòu)的精確預(yù)測與控制，為提高復(fù)雜構(gòu)件成形精度、縮短研制周期、降低制造成本等奠定基礎(chǔ)。為實現(xiàn)復(fù)雜構(gòu)件精確成形過程精確模擬，需根據(jù)復(fù)雜構(gòu)件的成形機制與規(guī)律，確定模擬所需的真實邊界條件，提出準(zhǔn)確的物理數(shù)學(xué)模型。

　　(3)復(fù)雜構(gòu)件精確成形過程設(shè)計與控制的方法。

　　在解決上述兩個基礎(chǔ)問題的基礎(chǔ)上，需要研究復(fù)雜構(gòu)件精確成形過程設(shè)計和控制的科學(xué)方法。但是如何控制影響復(fù)雜構(gòu)件精確成形熱力學(xué)和動力學(xué)過程的諸多復(fù)雜因素，以及如何精確設(shè)計工藝過程使其按預(yù)定目標(biāo)實現(xiàn)形狀尺寸和組織結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，需要對精確成形工藝的全過程進(jìn)行優(yōu)化和重組，然后根據(jù)復(fù)雜構(gòu)件形狀尺寸變化和組織結(jié)構(gòu)演變的機理和規(guī)律，精確設(shè)計其成形過程的各種“場”，并實現(xiàn)復(fù)雜構(gòu)件形狀尺寸和組織結(jié)構(gòu)的間接或直接控制，進(jìn)而實現(xiàn)實時控制，從而以達(dá)到精確控制目的。

　　航空復(fù)雜構(gòu)件精確成形技術(shù)的發(fā)展水平取決于成形理論基礎(chǔ)研究的水平和深度

　　如前所述，復(fù)雜構(gòu)件形狀尺寸和組織結(jié)構(gòu)受控于其成形過程的熱力學(xué)和動力學(xué)變化。要提高構(gòu)件尺寸精度和性能、對構(gòu)件尺寸和性能進(jìn)行預(yù)測及控制，就必須正確認(rèn)識多場耦合作用下材料充填與變形、組織形成與改變的機制，它是復(fù)雜構(gòu)件精確成形的重要基礎(chǔ)。只有弄清成形過程中所發(fā)生眾多熱力學(xué)和動力學(xué)變化機制，掌握其變化規(guī)律，建立精確的物理數(shù)學(xué)模型，方能進(jìn)行精確的數(shù)值模擬;預(yù)知成形過程形狀尺寸和組織結(jié)構(gòu)的演變;才能實現(xiàn)復(fù)雜構(gòu)件成形過程精確設(shè)計以及復(fù)雜構(gòu)件形狀尺寸變化和組織性能的精確控制。因此精確成形技術(shù)的發(fā)展水平取決于成形理論和相關(guān)技術(shù)基礎(chǔ)研究的水平和深度。

　　正由于發(fā)達(dá)國家在成形理論和相關(guān)技術(shù)基礎(chǔ)研究方面投入了大量人力、物力、財力，不斷取得高水平的基礎(chǔ)研究成果，并充分發(fā)揮其理論指導(dǎo)和基礎(chǔ)支持作用，才能不斷涌現(xiàn)高水平的精確成形技術(shù)。美國之所以在F-22戰(zhàn)斗機、V-22傾轉(zhuǎn)式旋翼機等先進(jìn)航空武器裝備上率先大量采用鋁合金、鈦合金復(fù)雜精鑄件，就是因為美國在多場耦合作用下液態(tài)充填規(guī)律、凝固成形過程(含熱處理過程)、組織(含缺陷)控制方法等方面取得了重大基礎(chǔ)研究成果，使Howmet等公司能穩(wěn)定地實現(xiàn)航空復(fù)雜構(gòu)件的精確成形，以高合格率、低成本、短周期獲得優(yōu)質(zhì)、高可靠性的鑄件。同樣，在美國F-22戰(zhàn)斗機后機身隔框大型復(fù)雜整體鈦合金鍛件(投影面積5.16m2)的研制過程中，若按一般塑性變形規(guī)律，需在10萬噸級以上的壓機上制造，但是美國只有4.5萬噸級的設(shè)備。也正是由于對鈦合金塑性變形機制的深入研究，掌握了其變形規(guī)律，采用全程工藝設(shè)計方法合理安排變形工藝，同時采用先進(jìn)的鈦合金β熱處理技術(shù)，精確控制組織結(jié)構(gòu)，才能研制出高性能大型整體復(fù)雜精密鍛件。

　　從總體上看，我國尚未形成完整的復(fù)雜構(gòu)件精確成形技術(shù)體系，航空復(fù)雜構(gòu)件的研制困難重重，所遇到的問題是缺乏系統(tǒng)的理論指導(dǎo)，僅依靠淺顯的理論+經(jīng)驗反復(fù)試制。這樣一方面研制成本增加，低水平重復(fù)，研制周期長;另一方面成形零件精度低、可靠性差，有時浪費大量人力、物力還研制不出合格零件。航空發(fā)動機葉片和盤件、飛機機體大型整體鑄鍛件等典型航空復(fù)雜構(gòu)件的制造已成為制約航空裝備研制生產(chǎn)的技術(shù)瓶頸。

　　航空裝備發(fā)展對復(fù)雜構(gòu)件精確成形技術(shù)基礎(chǔ)研究需求

　　未來航空武器裝備的發(fā)展對精確成形技術(shù)的需求將更為強烈。在推重比為12～15級的軍用航空發(fā)動機中，其渦輪前進(jìn)口溫度將高達(dá)2000K以上，發(fā)動機的結(jié)構(gòu)重量將減輕50%左右。因此，軍用航空發(fā)動機構(gòu)件將采用高結(jié)構(gòu)效率的整體化、輕量化、空心薄壁化和精確化的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，勢必對成形技術(shù)的要求也越來越高。另外，高超音速飛機、無人機等先進(jìn)飛機的發(fā)展，對納米晶金屬材料和復(fù)合材料等新型材料成形技術(shù)的需求也日益強烈。

　　由此，航空復(fù)雜構(gòu)件精確成形技術(shù)發(fā)展必須實現(xiàn)由經(jīng)驗向量化、數(shù)字化設(shè)計與控制的方向轉(zhuǎn)變。實現(xiàn)這一轉(zhuǎn)變，急需加強航空復(fù)雜構(gòu)件精確成形技術(shù)基礎(chǔ)研究。

　　結(jié)束語

　　造成我國成形技術(shù)落后的主要原因是長期以來在成形技術(shù)基礎(chǔ)研究方面不足，成形機理不明，規(guī)律不清，航空復(fù)雜構(gòu)件的研制和生產(chǎn)缺乏科學(xué)的工藝設(shè)計和精確控制的方法。只有不斷深化成形技術(shù)基礎(chǔ)研究，才能改變當(dāng)前以經(jīng)驗為主導(dǎo)的研制模式，才能實現(xiàn)航空復(fù)雜構(gòu)件的精確成形，為先進(jìn)飛機和航空發(fā)動機發(fā)展提供技術(shù)支撐。