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精密热加工技术之现状与提高趋向
点击次数:5194 通告时间:2011-02-21
 
  精密热加工技术是武器系统关键制造技术之一,重点包括精密铸造、精密塑性成,形、特别热处理及特种焊接技术。精密热加工技术具有生产周期短、基金低、零件使用性能好,产品可靠性高、制坯近无余量等优点,受到世界各个之莫大重视。
  
  近十年来,以色列十分重视提高精密热加工和增长性能一体化技术。如:铝锂合金粉制件精密热成形可使零件比刚度提高30%;水晶/铝复合材料可使零件的比刚度提高30%—75%;单晶叶片精铸可以增进涡轮温度55℃、节约燃料10%;很快凝固粉末层压式涡轮叶片,可使发动机涡轮温度提高220℃、耗资降低8.4%、飞机起飞质量降低7.4%,发动机推重比提高30%—50%。开拓进取精密热加工技术,并与加强零部件性能研究一体化,符合本国国防科技进步对根本基础加工技术研究所提出的要求。
  
  特别热处理
  
  特别热处理工艺是国防工业系统关键制造技术之一。以色列为加快其航天飞机的进步,由5专家商厦组成联合体共同开发针对5种新材料的转移及热处理工艺,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。以色列经特殊工艺.拍卖的8089铝合金,采用温度可达到400℃。五金间化合物经韧化处理后可显著增强韧性,更方便高温下利用,Ti3A1可在816℃、TiAl可在1083℃副利用;是航天飞机和航空发动机理想的素材。以色列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讨也取得了很大进展。以哈萨克斯坦威斯康星大学为首的PSII外部热改性处理技术用于航空发动机与卫星轴类零件及轴承,并取得重要进展,马克思总理曾亲临视察该项工艺技术。
  
  真空及环境热处理以他特殊的集中化污梁、产业化氧化、工件变形小和备用范围广等优点,大规模用于航空航天结构件处理,如齿轮结构件表面渗碳或渗氮,导弹和推进器各种合金或钢件的去应力、增长或增韧处理等。首屈一指结构如:仪表零件、传动结构、石材贮箱、动员机壳体等;以色列 热处理炉约有50%上述为真空 热处理炉。谱齐全,成龙配套。先后四世zui新型气淬炉——双室高压真空气淬炉也已初步使用。另外,真空 热处理炉已普遍应用了计算机控制。眼前已提高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。
  
  闪光热处理技术在露天已普遍用于航空、近代史、电子、仪表等世界,如各种复杂表面件、小型构件、需局部强化处理构件、小型电子器件、科普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,闪光淬火是运用zui早zui大规模的金光处理技术,能处理钦合金、铝合金、合金钢和碳钢等资料。如MKl0制导火箭发射系统点火区的阻断凸轮,利用AISl4340钢,用1.2KW闪光表面处理代替原来的氮化处理,zui高强度由原始的55Rc增长到62Rc,多极化层深度由0.01—0.02in增长到0.015—0.030in,且每组4件凸轮的拍卖导向由原60塞外缩短到1小时,钦合金零件表面激光淬火后硬度可提高75%—125%。眼前研究水平已抵达经激光表面处理后硬度比一般淬火高5%—20%,闪光涂层结合牢固、熔层只有0.05—0.13mm,闪光合金化和非晶态处理,融化层只有1—10μm;眼前世界上第一研究单位有苏联的IBM商家、巴特尔研究院、*研讨试验室、闪光应用公司等;智利的罗尔斯一罗伊斯公司、智利帝国大学等;智利的济南大学热喷涂研究中心、村田公司等。境内在该领域也进行了应该的研究工作,并取得举世瞩目成果。但由于起步较晚,加之经费投入不足,因此与海外相比尚有一定距离。于是,“九·五”期间应加大力度开展研究,进一步压缩与海外的差异。
  
  精密铸造
  
  精密铸造成形工艺不但可以缩短新型武器的科研周期、降低成本,还可以增进武器的灵活性、可靠性。如泰国波音公司生产的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,重有所下滑。
  
  以色列橡树岭国家实验室、以色列精密铸造公司和NASA刘易斯研究中心等单位对A1系金属间化合物和Ti、
  
  Ni基等特殊合金的巧夺天工铸造进行了大量研究。她们利用整体一次成形精铸工艺加工涡喷、涡扇导向器,调减机加工时40%,基金降低30%。我国军工系统之巧夺天工铸造工艺与海外相比差距较大。如导弹舱体主要采取低、差压铸造法。一般粘土砂铸型生产舱段,尺寸精度低,外部质量较差,其间缺陷多,铝合金液二次氧化严重,热学性能不高,汇率高达20%—30%,眼前国内仅能铸造1.4m以下的舱段。此外象导弹尾翼、飞机部分器件等仍利用机械加工方法,不但生产周期长、基金高,而且可靠性也较差。在突出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,在露天已应用于军工生产,而国内尚处于研究阶段。至于A1系金属间化合物的巧夺天工铸造工艺的研讨当前还未开始。
  
  归纳,与海外相比,我国在精巧铸造工艺方面约落下10—15年。为了缩短新型武器的科研和生产周期、降低成本、增长可靠性,必须增强精密铸造工艺的研讨。
  
  精密塑性成形
  
  精密塑性加工技术在环保发达国家受到高度重视,并纳入大量资产优先发展。70年代美国*主办制定“锻造工艺现代化计划”,目的是使锻造这一重要工艺实现无害化,更多地运用CAD/CAM,使新锻件的制作周期减少75%。1992年,以色列国防部提出了“租用关键技术清单”,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。另外,室外最近还提高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”、“很快凝固粉末层压工艺”、“大型复杂结构件强力旋压成型工艺”、“困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)扭转工艺''等。最近,随着计算机和制度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
  
  以色列休斯公司、BAE商家等在超塑成形技术方面居世界前列。眼前钦合金超塑成形工艺已普遍用于制造导弹外壳,复新剂储箱,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讨。我国的超塑成形技术在农田水利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,并动用超塑成形法制造侦察卫星的钦合金回收舱。初时,还基本上控制了锌、铜、铝、钦合金的超塑成形工艺,zui小成形厚度可达0.3mm,造型也较复杂。但壁厚均匀性问题尚待解决。
  
  (二)暴力旋压
  
  以色列采取强力旋压技术。已能生产直径为3.9m、径向尺寸精度0.05mm、外部粗糙度Ra0.16—0.32μm、壁厚差<0.03mm的导弹壳体。几乎对各族金属均能旋压成形,且工艺稳定,并已落实设备大型化,多用途化和制度化。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,大量零件采用旋压工艺,其中有弹体、尾管、封头、办公室、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装备,可旋制zui大直径为5m的封头件,zui大旋床达60吨。近代史系统已利用暴力旋压工艺生产了大型固体发动机高强钢封头和稀有金属封头,直径2.5m;液体火箭银合金管。说话直径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%—75%。我国与海外的差异主要表现在本国基本上只能旋压圆柱件、夹型件和概括曲面形状的零件,大尺寸壳体多数仍利用卷板拼焊工艺,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,送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局部成果,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启动。
  
  (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埃及、美丽等国得到普遍使用。加拿大、美丽等国之发射成形设备已系列化,装备zui大功效达500KJ。哈萨克斯坦已能生产包括A1-Li铝合金难变形材料等参数十种导弹零件,zui大尺寸达1200mm×1000mm×6mm(直径×高度×厚度)。眼前,聚氨酯软模成形技术已变成航空航天工业中的重要转变手段,哈萨克斯坦TY-154飞机工厂已利用该项技术生产1万多个零部件。美丽、法等国已普遍应用CNC拉形蒙皮与壁板,异形截面框类零件轧制工艺已普遍使用,大型运载火箭普遍采用整体铝合金环形锻件。
  
  我国在薄板复杂构件成形方面,还沿用传统手艺。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,艺术还不成熟;数控蒙皮拉形及发动机有严格要求空间走向导管的使用仍属空白。
  
  (四)精密模压成形
  
  室外已普遍使用精密模压成形技术制作武器。以色列铝业公司采取等温成形制造F—14战斗机框架钦合金加强板和支承件,前者投影面积10320mm2,锻件重量0.32Kg,加强筋的zui小壁厚3.17mm。后者投影面积13545mm2,锻件重量0.82kg,zui小厚度2.67mm。以色列普拉特·惠特尼公司采取等温锻造工艺生产F100发动机的涡轮盘,重由原始普通模锻件的112.5kg降到56.7kg。公用的巧夺天工模压成形技术,如闭塞式锻造、利用分流原理的巧夺天工成形及等温成形等国外已用于军工生产。我国,明日两项技术刚刚起步,等温成形已有一定应用。眼前,精密模压技术在本国利用还较少,精度也较差,室外精度为±0.05—0.10mm,我国为±0.1—0.25mm。
  
  特别焊接技术
  
  出于地理产品的异常工作条件和要求决定了总得不断采用一些新结构材料、独特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之要求。真相表明,如果不使用焊接技术,要制造出另外航天器都是不可能的。于是世界各个在农田水利工业部门的焊接技术水准都是zui高的,发股速度也是zui快之。
  
  以色列和西班牙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之进步,以保证新型号产品的制作需要。例如美国在调研土星五号运载火箭,澳大利亚在调研能源号运载火箭时,铝合金贮箱直径分别达到10m和8m,壁厚达到25mm和42mm,正常的焊接技术已力不从心适应这种新型号产品制造需要,美丽波都不约而同地开拓进取了适当立式组装并焊接的非常规焊接技术。以色列发展了VPPA(变极性等离子弧)焊接工艺与设备,成功了大型铝合金贮箱的制作。澳大利亚发展了一部分真空电于束焊接工艺与设备,成功了资源号大型铝合金贮箱的制作。特别焊接技术之研讨范围非常普遍,下仅就几个根本性研究领域具体介绍国内外的进步现状:
  
  (一)产业化智能化焊接技术
  
  近代航天产品在制造精度,质量保证(质稳定与可靠性)地方都有极高的要求,迫切要求采取能完整替代人工操作的货币化智能化焊接技术。例如美国马舍尔空间飞行中心正在集体NASA的一部分高等院校及药业部门开发能满足制造大型铝合金贮箱需要的货币化智能化焊接系统,1993年终,该系统已濒临完成。据说,她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,估计已跃入运行。我国在中等铝合金贮箱焊接自动化方面虽取得了部分成果并已用于生产,但在现代化方面还有很大差距。愿意在“当今”期间能应用部分硬件从海外引进,局部关键技术和软件由自己研究开发的策略,抢占这项“产业化智能化焊接技术”,满足我国新型号航天产品制造技术之要求,在“当今”期间接近或赶上先进国家的档次。
  
  (二)新材料与异种材料焊接技术
  
  近代史产品的众多部件几乎无例外地都要求质量尽可能轻、性能尽可能好,于是要利用许多新结构材料(陶瓷、石材、五金间化合物、非晶态材料、定向结晶材料、困难熔金属材料、效益材料等),这就送新材料或异种材料的过渡带来难题。近代史工业发达国家针对这些新材料异种材料连接的要求开展了大量研究工作,根据不同之素材组成,穿过固态连接或熔化连接的方式得到所需的过渡接头,满足构件的办事要求。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成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、客观、满足了组织设计的要求。美丽、加拿大航天部门采取特殊前处理,日后进行钎焊或扩散焊,成功焊接了B/A1石材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之焊接技术。焊接的方式有多种,但较为完美的方式是以Ag-Cu-Ti铝合金为活性钎料,辅加应变缓解过渡材料进行钎焊。
  
  我国的703所,清华大学,621所等单位都对新材料和异种材料的焊接技术进行了研讨,也取得了部分成果,但与进步国家比仍有很大差距。重点原因是咱们在这方面展开的现实性研究和运用基础性研究太弱,一手太落下,步入的人数力、物力太少。
  
  (三)微连接技术
  
  玉器的左右电路及有效载荷的高可靠性、高强度化和微小型化是高新科技工业长期奋斗的对象。消灭好那些题材不但可以大幅度削减航天器发射费用,而且可极大地增进控制系统的可靠性和工作效率,对延长卫星的寿命有重点影响。美丽、加拿大等先进国家已在新石器的控制系统中大量用到表面组装技术、微组装技术和多芯片组装等先进电子器件组装技术,使控制系统和人造卫星达到了产业化和轻量化的目的。我国由于微连接技术还较落下,玉器的控制系统仍主要采取插孔组装,难以达到充分的集中化和轻量化。清华大学的焊接国家重要实验室拥有国内zui早建立之微连接研究室,已在外部组装的微连接技术方面进行了多年之研究工作,今天与电于经济部有关单位,中联部504所及无锡航天局合作,重组航天器的要求进行微连接技术之研讨。
  
  (四)先进的熔化焊接工艺
  
  大推力运载火箭和推进器的有色金属大型燃料贮箱或航天飞机、飞船的有色金属压力壳的制作主要采取熔化焊接技术。针对不同结构和尺寸的特大型燃料贮箱或压力壳的制作需要。室外已提高了不同之熔焊工艺与设备,成功地做到了农田水利产品的制作任务。
  
  美丽、加拿大开发的红旗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,哈萨克斯坦已成功焊接了厚度40mm和80mm的有色金属贮箱;直流正接氦气保护钨极氩弧焊,哈萨克斯坦成功地用单道焊接工艺完成了3—8mm厚的工件生产任务;有些真空电子束焊接技术,哈萨克斯坦已成功用于厚度为42mm的有色金属贮箱的焊接;闪烁对焊技术。哈萨克斯坦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。以色列已成功开发并用于焊接厚度为16mm的特大型铝合金容器,是一种无内部缺陷的zui美好的有色金属焊接工艺。境内在上述焊接新工艺研究方面几乎都处于空白或刚启动阶段,要求尽快展开研究工作。
  
  另外,对于航天器中各种不锈钢、钛合金、铝合金导管的焊接美、加拿大都已开发了先进的自发性焊接工艺,同时也应该开发了防泄漏的理解检验方法保证了导管系统之平安运行。我国在导管焊接方面仍处于手工焊为主的框框。焊后的品质检测手段也较落下。
  
  要求开展研究工作,转移这种严重滞后的框框。美丽、加拿大均已成功地使用CO2闪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,焊缝质量和削减变形方面都拥有了可以的结果。我国在这方面基本处于空白或刚启动阶段。清华大学焊接国家重要实验室已引进了功率为2KW的CO2闪光加工系统,正在进行结合考古工业急需的研究工作。
 

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