大型模锻件与航空工业.docx

(a)隔框模锻件 (b)后机身发动机舱隔框闭式模锻件 图1 (a)隔框模锻件 (b)后机身发动机舱隔框闭式模锻件 图1 450MN模锻液压机模锻的F-22战斗机机身隔框Ti-6Al-4V模锻件 大型模锻件与航空工业 ■ 文/李凤梅 王乐安 中国航空工业集团公司北京航空材料研究院 航空工业牵引大型模锻件发展， 大型模锻件又推动航空工业发展，二者 在互相促进和互相制约中同步发展。 20世纪 50年代，我国航空工业刚 刚起步，航空工厂最大的模锻锤为 5t， 那时，由于 5t锤以上（即 10t模锻锤和 100MN压力机及以上）锻造设备锻造 的模锻件需要向专业化工厂或国外订 购，十分珍贵，故称为大型模锻件。半 个多世纪过去了，我国已跃居世界第 二经济体，成为制造业大国，并正在向 航空工业强国迈进，国防和民用工业 都普遍拥有用 10t模锻锤和 100MN压 力机生产模锻件的能力，这类模锻件 已成为常规锻件。 目前，欧洲采用300M～750MN模锻 液压机生产的军用和民用飞机的大型模 锻件投影面积在 1.6 ～3.5m2范围内，图 1所示为美国用 450MN模锻液压机生产 的世界上最大的钛合金模锻件，图1(a)隔 框模锻件的投影面积为 5.53m2、质量为 2770kg，图1(b)后机身发动机舱隔框闭式 模锻件的投影面积为 5.16m2，二者都已 成功地用于F22战斗机。 但是，大型模锻件至今无严格定 义。本文将最大锻造载荷为 300MN 及以上的压力 机、最大锻造载荷为 100MN及以上的等温锻造液压机和 最大打击能量为 1000kJ及以上对击 锤所生产的模锻件定义为大型模锻 件，或者说将投影面积为 1m2及其以 上的模锻件称为大型模锻件。 先进战斗机、远程轰炸机和运输机 以及大型宽体客机的发展，对优质大型 模锻件的需求已愈来愈大、愈多，而且 更加迫切。本文针对飞机对轻量化（减 重）、可靠性、节约资源和降低成本等方 面的需求，对我国发展大型模锻件的必 要性、可行性和措施做一简要论述。 新材料产业 NO.8 2011 43 图2 F-102歼击机7075铝合金整体翼梁精锻件图3 波音747起落架梁Ti-6Al-4V钛合金模锻件INSIGHT一、减重和可靠性是航空工业的永恒主题1.减重的作用有资料报道 ：①飞机机体减 图2 F-102歼击机7075铝合金整体翼梁精锻件 图3 波音747起落架梁Ti-6Al-4V钛合金模锻件 INSIGHT 一、减重和可靠性是航空工业 的永恒主题 1.减重的作用 有资料报道 ：①飞机机体减重 5kg，可使飞机起飞质量减轻 50kg， 按照起飞质量计算的飞行成本大大 降低，在其寿命期内能够节约相当于 5kg黄金的价值，军机则可多带武器 或扩大作战半径 ；②远程导弹减轻 1kg，则可增加射程 100km。 由上述数字可见减重在飞行器中 的重要作用。因此，设计师在设计飞机 和发动机零件时都以克为单位减轻其 质量。随着人们对生活品质提高的要 求，汽车、高速列车和舰船等交通运输 设备的减重和可靠性也已经提上议事 日程。 2.减重的技术途径及其分析 减轻飞行器的结构质 量，可以 采取先进的设计技术(如损伤容限设 计)，并选用优质、比刚度和比强度大 的材料 ；当设计方案与材料确定之 后，减重的效果在很大程度上则取决 于制造技术。采用高性能大型整体构 件可以减轻飞行器的结构质量、提高 可靠性和性能、增加刚度、降低成本， 同时增加设计的灵活性。对于飞行器 的重要承力构件，采用大型整体构件 已成为新一代飞行器的发展趋势，自 然就成为设计师追求的目标。 要获得大型整体构件，可采用焊 接结构件、大型精密铸件、大型整体模 锻件以及铝合金大型构件的厚板数控 加工等。至于选择哪一种工艺方法，则 要从可靠性、减重效果、可维修性和成 本等诸多方面综合衡量。 (1)焊接结构件 鉴于焊接接头性能一般只有母 体金属强度的 85%，这不可避免地要 增加 15%的构件质量，因此就失去了 减重的初衷。另外，焊接结构还存在焊 透率、焊接接头组织和性能的稳定性、 可靠性、焊接变形、焊接与热处理工艺 的匹配技术以及生产率和成品率等问 题。按照目前的产品设计水平和焊接 接头的可靠性水平，焊接结构主要用 于制造各种非承力件或次承力件。 (2)大型精密铸件 对于高性能、高可靠性大型整体 构件来说，大型精铸件需要解决铸件 的疏松、组织和性能的稳定性及可靠 性等技术问题。目前，大型精铸件还不 具备高性能、高可靠性大型整体构件 对减重的要求。 (3)大型构件的厚板数控加工 受板坯厚度、构件可靠性（金属流 线被切断）、生产效益和材料利用率的 限制，厚板数控加工仅用于制造大型 铝合金构件，且主要用于次承力构件。 (4)大型整体模锻件减重实例 图