近日，一則有關我國成功研發(fā)出一種鈑金沖擊液壓成形技術，并有望推動和提升我國航空航天鈑金制造業(yè)發(fā)展水平的新聞，被央視新聞頻道、科技部、科技日報、中國科學報、人民網(wǎng)、科學網(wǎng)、中國新聞網(wǎng)、中華網(wǎng)、光明網(wǎng)、中新網(wǎng)、搜狐視頻網(wǎng)等眾多知名科技及新聞媒體爭相報道。
新聞中重點介紹的沖擊液壓成形技術，正是由中國科學院金屬研究所張士宏研究員及其所帶領的科研團隊經(jīng)過多年潛心研究所取得的豐碩成果。而后，河南興迪鍛壓設備制造有限公司與金屬研究所獨家合作，成功開發(fā)出了基于這個全新原理，可用于生產(chǎn)的沖擊液壓成形設備，并全程配合開展了針對航空航天典型復雜薄壁零件的工藝模具開發(fā)以及驗證實驗，取得了十分優(yōu)異的效果。
下面首先了解下中央電視臺的相關新聞視頻以及主要新聞報道中的文字節(jié)選。后文還將介紹沖擊液壓成形技術設備的創(chuàng)新設計和最新研究動態(tài)。
附:央視朝聞天下新聞視頻《我國研發(fā)新型沖擊液壓成形技術》▼
航空航天裝備中，鈑金類零件占總零部件數(shù)量、制造工作量占全機工作量均在20%以上。針對目前航空領域對鈑金零件的輕量化及整體化發(fā)展的迫切需求，具有凸臺、加強筋和小圓角等小特征結構的鋁、鎂、鈦輕質合金復雜異型薄壁鈑金零件的制造已成為推動大型飛機水平提升亟待解決的重要問題。航空用高強鋁、鎂、鈦等輕質合金塑性差，成形過程中容易起皺和開裂。我國一直沿襲前蘇聯(lián)的落錘成形技術，落錘成形需通過模具壓制與人工結合，通過錘擊、墊橡膠等方式進行多道次壓制和人工輔助加工成形，以消除起皺并通過人工手動工序控制材料流動以防止破裂發(fā)生，要求操作者具有豐富的加工經(jīng)驗和技術技巧。落錘成形由于是剛性模成形，成形零件會有劃痕等缺陷，成品率不高，零件精度及一致性差，材料利用率低，模具壽命較低，勞動條件和安全性差。
針對上述復雜航空鈑金零件制造過程中的問題及我國大飛機行業(yè)的發(fā)展需求，中科院金屬研究所技術團隊博士生馬彥、徐勇副研究員及張士宏研究員等人與沈飛、成飛和河南興迪鍛壓設備制造公司合作，通過將充液拉深成形技術與高速沖擊成形技術相結合，提出了一種新型沖擊液壓成形技術。
研究團隊完成了從理論分析、設備研制到工藝驗證的全鏈條研究。通過霍普金森拉桿實驗研究發(fā)現(xiàn)，5A06鋁合金單向拉伸試件在高應變率條件下（2.7×103s-1）的延伸率相比于準靜態(tài)條件增加了40%。課題組自行設計了一臺板材沖擊液壓成形極限試驗裝置，發(fā)現(xiàn)典型高強鋁合金板件的沖擊液壓成形極限相比于準靜態(tài)液壓成形極限得到了大幅提高。通過自行設計的沖擊液壓成形物理模擬實驗裝置，對沖擊液壓成形的沖擊傳載特性及設備關鍵工藝參數(shù)進行了理論和實驗研究。研究發(fā)現(xiàn)，該工藝同樣適用于鋁合金、鋁鋰合金、鎂合金、鈦合金等難變形輕質合金。
高能率沖擊液壓成形技術成功實現(xiàn)了航空復雜薄壁口框零件的成形。該技術制造的口框零件具有更均勻的壁厚減薄率，更好的小圓角填充能力，并且能夠有效的抑制回彈。與現(xiàn)有落錘生產(chǎn)技術相比，該技術可將傳統(tǒng)鋁合金板材成形過程中8道次以上的人工輔助制造改變?yōu)?道次的自動化生產(chǎn)過程，無需中間工藝熱處理，生產(chǎn)效率提高了400%，成功實現(xiàn)了航空復雜薄壁口框零件成形。
圖1
典型高強鋁合金的力學性能對比
（a）霍普金森拉桿實驗裝置
（b）高應變速率應力應變曲線
（c）高應變速率拉伸和準靜態(tài)拉伸延伸率對比
圖2
（a）高應變率板成形極限測試原理及實驗裝置
（b）典型高強鋁合金高沖擊液壓成形極限曲線
和準靜態(tài)液壓成形極限曲線
利用所研發(fā)的新型沖擊液壓成形技術成功實現(xiàn)了航空鋁合金復雜薄壁口框零件的成形。該技術制造的零件產(chǎn)品具有更均勻的壁厚減薄率，更好的小圓角填充能力，并且能夠有效地抑制回彈。與現(xiàn)有落錘生產(chǎn)技術相比，該技術可將傳統(tǒng)鋁合金板材成形過程中8道次以上的人工輔助制造改變?yōu)?道次的自動化生產(chǎn)過程，無需中間工藝熱處理，生產(chǎn)效率提高了400%。此外，該技術也可用于需要同等成形能量的管材成形、汽車板件成形、板材與管材的沖孔等工序。
圖3
?典型高強鋁合金復雜薄壁口框零件
?（a） 落壓成形?
（b）沖擊液壓成形
圖4?
典型高強鋁合金復雜薄壁口框零件
在沖擊液壓成形不同道次下的典型樣件
高能率沖擊液壓成形技術是將液壓成形中的柔性特性與沖擊成形中的高速特性二者有機結合，其工藝原理是將高速沖擊波施加在液體介質上，從而產(chǎn)生高能率液壓作用替代傳統(tǒng)液壓成形中的靜高壓作用，最終使工件發(fā)生塑性變形，變形速率可達103到10?s-1，通過一次或多次，使工件最終成形。該方式可顯著提高零部件成形能力和變形均勻性，進而減少加工工序、縮短流程，大幅度提高生產(chǎn)效率、還可以降低設備噸位及對高壓密封方面的要求，能夠對劇烈變形區(qū)域提供變形能量，進而改善工件整體的應變分布。工件在沖擊作用下所受到的特殊應力狀態(tài)對成形零件的貼模性和定形性也有相應的改善。尤其對于鋁合金、鋁鋰合金、鎂合金、鈦合金等難變形輕質合金而言，能夠顯著提高其復雜形狀薄壁構件的成形能力和成形質量，大幅度減少加工道次和提高效率。
圖5?
高能率沖擊液壓成形設備原理圖
此次由河南興迪鍛壓設備制造有限公司協(xié)助中科院金屬研究所研制開發(fā)的新型高能率沖擊液壓成形設備的主要技術創(chuàng)新點在于：
（1）基于固-液-力多場耦合模型計算的設備關鍵參數(shù)設計方法：
由于沖擊液壓成形過程涉及沖擊體、液室、零件三者之間的動態(tài)載荷傳遞和交互作用，因此需要建立固-液-力多場的耦合模型，從而實現(xiàn)針對關鍵工藝參數(shù)如速度和能量的精確預測；
（2）采用高壓蓄能組合裝置和新型驅動結構實現(xiàn)高速高能量沖擊源的輸出及精確控制：
零件能否發(fā)生塑性變形并最終貼模，關鍵取決于沖擊體的最大瞬時速度和能量，通過設備的全新設計可保證最大輸出速度不低于50m/s，能量大于90kJ；并且設備采用精密檢測和控制元件，從而實現(xiàn)在高速動態(tài)過程中對于速度、能量、壓力的實時采集和精確調控。
圖6?
（a）沖擊液壓成形物理模擬實驗裝置?
（b）沖擊液壓成形設備原理圖
（3）沖擊體加速過程的動態(tài)減阻技術：
通過沖擊行程下腔無油壓的設計實現(xiàn)液壓減阻；通過高速油缸無密封圈的設計實現(xiàn)摩擦減阻：通過驅動桿下方油腔設置排氣孔和大直徑充液閥實現(xiàn)實時氣流減阻。上述三種新型結構設計保證沖擊體加速過程所受阻力最小，從而實現(xiàn)沖擊體最大的速度輸出。
附：高能率沖擊液壓成形工藝過程的演示視頻▼
科技感與時尚感并存——
新型高能率沖擊液壓成形設備的“定妝照”，
以及中外研究團隊成員
結束語：
液壓成形技術作為制造復雜形狀薄壁板管部件的精密成形技術，是汽車、航空航天和軌道交通裝備制造工業(yè)中最節(jié)省材料的零件制造技術，在國民經(jīng)濟和國防科技工業(yè)中均占有極其重要的地位。但是，隨著裝備向輕量化、無余量化、高精度、整體化、高可靠性、長壽命和低成本的方向發(fā)展，具有薄壁、大尺寸、復雜曲面、深腔等更為復雜特征以及鈦合金、鋁合金、鎂合金等低塑性材料的異型薄壁零件的研制已成為亟待解決的技術問題。而新型高能率沖擊液壓成形技術的問世，有望推動和提升我國航空航天以及汽車制造業(yè)的發(fā)展水平，具有很好的應用前景。
我國的液壓成形技術和設備近年來得到了快速發(fā)展，而興迪源機械通過多年來的潛心鉆研和技術儲備，如今已成功研制出一系列可工程化應用的具有自主知識產(chǎn)權的新型流體高壓成形智能裝備，如大噸位全伺服管材內高壓成形設備、板材雙向充液拉深成形設備、高溫氣脹成形設備、金屬波紋管液壓成形專用設備、快速水脹成形設備等，正在部分或全面取代昂貴的進口設備，深受來自國內外各行業(yè)用戶的好評。
此次，興迪源機械攜手中國科學院金屬研究所成功研發(fā)出的新型高能率沖擊液壓成形技術裝備，有望進一步推動我國航空航天的汽車制造業(yè)輕量化智能成形技術，特別是以低塑性材料和復雜結構管/板類零件成形為代表的液壓成形新技術和新工藝的發(fā)展，為高性能輕量化零部件提供國際領先的高效率、短流程、綠色智能制造的前瞻性技術支持。
部分文段及圖片
引用自中科學院金屬研究所
-專用材料與器件研究部
由興迪源機械編寫
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