模锻促航空工业发展范文

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本文作者：李凤梅王乐安单位：中国航空工业集团公司北京航空材料研究院

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2所示为315MN模锻液压机为F-102歼击机模锻的7075铝合金整体翼梁精锻件，该模锻件长3.6m、最大宽度457mm、厚度4.7mm，取代原设计的272个零件和3200个铆钉，使飞机减重45.5～54.5kg，节约机械加工工时50%，提高了该构件刚度，并大大降低了成本。图3所示为采用450MN模锻液压机为波音-747客机主起落架模锻的Ti-6Al-4V钛合金整体梁模锻件。可以看出，该模锻件长度为245英寸（约6.2m）、宽约0.95m（图中未示出）、投影面积为6300平方英寸(约4.06m2)，模锻件质量1545kg，比原设计减轻质量113.5kg。苏联安-22运输机机身采用750MN模锻液压机模锻的20个大型隔框模锻件，共减少了800个零件，减轻飞机机体质量1000kg，减少机械加工工时15%～20%。图4所示为其中最大的B95（近似于7A04或LC4）铝合金隔框模锻件，投影面积达到3.5m2。图5为750MN多向模锻液压机为A380客机模锻的Ti10-2-3钛合金模锻件。

综合上述，从减重和可靠性出发，采用大型模锻件制造大型主承力件更加现实和合理。

二、航空工业与大型模锻件同步发展

1.航空工业“牵引”大型模锻件发展

20世纪40-70年代二次世界大战和冷战期间航空工业的大发展“牵引”模锻液压机和大型模锻件快速发展。纳粹德国为掌控制空权，于1938-1944年建造了2台150MN和1台300MN模锻液压机，用于生产投影面积在0.5m2以上的大型航空铝合金模锻件，这些设备为侵略战争争夺空中优势起到了相当大的作用。二战后，冷战需要大力发展航空工业，美国和前苏联认识到大型模锻液压机在航空工业中的重要作用，分别从德国拆走3台万吨级模锻液压机，又分别建造了多台315M～750MN模锻液压机。上述大型模锻液压机为第3代战斗机、大型运输机及客机生产的大型模锻件，见图1-5。

2.大型模锻件“推动”航空工业发展

根据图1-5所示典型大型模锻件的特点，可以看出大型模锻件对推动航空工业发展的作用：①大型模锻件减小了飞机机体质量，并提高了机体刚性；②大型模锻件的使用，消除了昂贵的多件组合件的电子束焊接工序以及大量紧固件及其积累误差引起的间隙和装配问题，减少了机械加工的工时，降低了成本，还大大减轻了飞机质量并提高了其可靠性，同时也为设计师提供了设计的灵活性；③整体件比多件组合件减少了模具数量，降低了模具费用。

三、我国发展大型模锻件的必要性、可行性和措施

1.必要性

30余年的改革开放，国家富了，而要保持改革开放成果并发扬光大，就需要强国。航空工业是强国的保证和重要支柱，而发展大型模锻件可推动航空工业的发展，这就是发展大型模锻件的必要性。

2.可行性

目前，我国已拥有最大打击力为355MN（可使用成形能量达到7560～10000kJ）的离合器式高能螺旋压力机（全世界最大，仅2台）、300MN模锻液压机以及1000kJ对击锤和100MN等温锻造液压机（也是世界上少有的重型锻压设备），并即将建成世界最大的模锻液压机。拥有了这些硬件，就具备了开发大型模锻件的可行性。

3.措施

重型锻压设备硬件需要有相应的软件和配套技术相配合，才可能生产出符合先进飞机要求的优质大型模锻件。鉴于我国拥有重型锻压设备的时间较短，这些软件和配套技术还需要逐步建立和完善，建议目前应加强如下项目的开发研究：①大型构件模锻和制坯工艺研究，如数值模拟和物理模拟的研究；②高温合金（含粉末合金）盘件等温锻造工艺、模具材料和润滑工艺研究；③模锻液压机、螺旋压力机、对击锤和等温锻造液压机等大型锻压设备使用特性研究，确定各自的合理使用范围，以便充分发挥其作用。