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      由3D打印引發的鍛造產業在航空制造領域發展方向的思考

      發布時間: 2018-12-04 | 瀏覽數: 767
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      鍛造技術在航空制造領域已應用多年,主要用于制造飛機、發動機承受交變載荷和集中載荷的關鍵和重要零件。飛機上鍛件制成的零件重量約占飛機機體結構重量的20%~35%和發動機結構重量的30%~45%,是決定飛機和發動機的性能、可靠性、壽命和經濟性的重要因素之一,可見鍛造技術的發展對航空制造業有著舉足輕重的作用。

      隨著航空產業不斷的發展,對航空裝備極端輕質化與可靠化的追求越來越急迫,鍛造技術的瓶頸已逐漸顯現,尤其在大型復雜整體結構件和精密復雜構件的制造方面。同時,被稱為“第三次工業革命”、“野蠻神器”的新型技術——3D打印技術又給鍛造技術帶來了沖擊,其制造理念的顛覆、加工周期的大幅縮短、材料利用率的大幅提高、低碳環保的制造方式等都直接威脅鍛造產業的發展,甚至有人認為3D打印技術可以替代鍛造技術用于航空制造領域。面對這些問題,鍛造產業在航空制造領域將如何發展是目前急需研究的課題。

      本文從3D打印技術的背景及應用現狀出發,分析比較該技術與鍛造技術在航空制造領域的優缺點,并根據作者多年在鍛造企業的管理經驗,探討了鍛造產業在航空制造領域發展的方向,為鍛造產業的發展提供新的思路。

      金屬3D打印的發展歷程

      1 3D打印技術“熱”的背景

      3D打印技術屬于一種非傳統加工工藝,也稱為增材制造,是全球先進制造領域興起的一項集光、機、電、計算機、數控及新材料于一體的先進制造技術,該技術的核心制造思想最早起源于美國,至今已有120多年。由于2012年3月9日美國總統奧巴馬宣布的美國“制造創新國家網絡”計劃中,將“增材制造”作為第一個中心的研究方向,從而引起了3D打印技術風靡全球,經濟學人將其稱為“第三次工業革命”,《南方周末》將其敘述為“野蠻神奇”要革制造業的命。

      2 3D打印技術在金屬零件制造領域應用現狀

      從20世紀90年代中期開始,利用“3D打印”技術思想進行金屬零件的直接生產成為該技術領域內發展最為迅速的方向,短短幾年間誕生了多種技術方法,如美國Sandia國家實驗室的Laser Engineered Net Shaping、瑞士洛桑理工學院的Laser Metal Forming、美國Los-Alamos國家實驗室的Directed Light Fabrication、美國密西根大學和英國利物浦大學的Direct Metal Deposition、加拿大國家研究委員會集成制造技術Laser Consolidation、美國賓州大學的Laser Free-Form Fabrication、美國Aeromet的Laser Forming以及英國伯明翰大學的Direct Laser Fabrication等[2-10]。這些方法雖然名稱不同,但在原理上都是基于3D打印技術的增材制造理念。

      值得注意的是,美國軍方對這項技術的發展給予了相當的關注和支持,在其直接支持下,美國率先將這一先進技術實用化,其中成立于1997年的AeroMet公司生產的3個Ti-6Al-4V激光快速成形零件獲準在實際飛機上使用,這3個零件分別是F-22上的一個接頭件、F/Al8-E/F的機翼翼根吊環以及F/A-l8E/F上的一個用于降落的連接桿。近期,美國空軍和洛克希德·馬丁公司已經宣布與Sciaky公司成為合作伙伴,并且計劃使用該公司生產的3D打印機制作飛機部件裝備正在生產的F-35戰斗機[11]。GE公司收購了Morris技術公司以及3D打印服務快速質量制造公司,計劃利用3D打印技術生產發動機噴嘴[12]。

      目前,國內在金屬3D打印技術領域已處于國際先進水平。北京航空航天大學王華明團隊為國產C919、J15、J20、J31提供航空結構件,并于2012年憑借“大型復雜整體鈦合金結構件激光成型制造技術及裝備”獲得國家技術發明獎一等獎。 西北工業大學黃衛東團隊試制成功C919大飛機翼肋TC4上、下緣條構件,該類零件尺寸達450mm×350mm×3000mm。華中科技大學史玉升團隊運用該技術生產六缸發動機缸蓋,7天內整體成形四氣門六缸發動機缸蓋砂芯。

      金屬3D打印與鍛造技術在航空制造領域應用的對比分析

      航空工業是國防實力的重要體現,其制造技術發展的程度已經成為衡量一個國家綜合經濟實力與科技發展水平的重要標志。而新型制造技術的應用和傳統制造技術的變革是航空制造技術發展的重要推動力。金屬3D打印作為新興制造技術在航空制造領域能否廣泛應用,傳統鍛造技術能否滿足新一代航空裝備制造的需求,作者從以下2個方面進行對比分析。

      1金屬3D打印技術在航空制造領域應用的優缺點

      金屬3D打印技術特點突出,即無需模具的自由近凈成形,且全數字化、高柔性,打印的零件材質全致密、沒有宏觀偏析和縮松,具有較高的性能等。根據相關報道[13],利用LSF(激光立體成形技術,屬于金屬3D打印技術的一種)制造航空用盤型零件材料利用率高達2/3,遠遠高于鍛造和鑄造,而設計修改時間、加工循環周期、返修率、費用均較低。采用LSF技術制造的Ti6Al4V、316L不銹鋼、Inconel625合金拉伸性能均優于鍛件。

      高的材料利用率、較短的制造周期且能兼顧復雜的結構和很高的力學性能,又可實現多種材料任意復合滿足對構件各部位性能要求顯著不同的場合,對急需解決的研制任務又能快速響應,由此可見金屬3D打印技術在航空制造領域的優點非常明顯。

      而隨著航空工業的不斷發展,追求高推比飛機的同時,更加注重飛機整體質量的穩定性。故在航空制造中,追求質量的穩定尤為重要。由于金屬3D打印技術發展時間較短,產業鏈及商業化應用體系不健全,未形成適用于航空制造的質量控制規范,如金屬3D打印的工藝規范、驗收標準、檢測標準等,無法確保質量的一致性及穩定性。聯系金屬3D打印技術特點,又有以下不足:

      目前,3D打印技術不具備規模經濟優勢;沒有形成適合金屬3D打印的材料粉末體系;對晶粒的大小、形貌、取向難以控制;沒有極限測試平臺判斷在使用環境下金屬3D打印的零件性能是否優異;沒有形成較為有效的控制內應力及零件變形開裂預防的辦法。

      綜上所述,金屬3D打印技術在航空制造領域廣泛應用還有很長的路要走,但對小批量、形狀復雜、材料昂貴、常規方法無法加工的零件可以應用該技術進行制造。

      2鍛造技術在航空制造領域的應用現狀

      至今,我國航空鍛造技術的發展已經能夠滿足第三代軍用飛機及其發動機的批量生產的需要,質量比較穩定,鍛件組織致密、可控,性能優異,并通過工藝的調整可以使鍛件不同部位具有不同的組織性能,已經滿足各部位性能要求顯著不同的場合,如TC11鈦合金雙性能壓氣機盤的制造[14]。隨著新一代戰機對航空裝備極端輕質化與可靠性的不斷追求,飛機和發動機正朝著高性能、高減重、長壽命、高可靠、低成本的方向不斷發展,即要求飛機和發動機結構進一步整體化、零件大型化,這就對航空鍛造技術及鍛造設備有了更高的要求。

      目前,在航空制造領域應用的鍛造技術仍然是以普通鍛造技術為主,而精密鍛造技術僅在發動機葉片類鍛件中應用。據統計[1],我國航空鍛件的材料利用率約為15%~25%,其中大型鍛件的材料利用率為10%~15%,環形鍛件的材料利用率僅3%~10%,鍛件“肥頭大耳”,造成零件加工時大量的昂貴金屬材料變為廢削,鍛件近表面的致密層不復存在,纖維組織被分割,影響和降低零件的力學性能和表面完整性;且模具成本高、加工周期長,受鍛造設備噸位的限制,鍛件的尺寸受到制約??梢哉f,在大型復雜整體結構件和精密復雜構件的制造方面,傳統鍛造技術的瓶頸已逐漸顯現。

      鍛造產業在航空制造領域的發展方向

      隨著先進鍛造技術對優質、精密、高效、環保、低成本目標的不斷追求,鍛造產業在航空制造領域的發展應從5個方面進行考慮。第一,應滿足新一代航空裝備制造大型化、整體化的需求;第二,應發展低成本、高可靠鍛造技術;第三,應考慮低碳、環保的制造方式;第四,應針對新型制造技術的特點,結合鍛造技術,發展高效率的復合制造技術;第五,應在鍛造產業中發展循環經濟制造。

      1發展低成本、高可靠的鍛造技術

      在航空制造領域鍛造技術主要用于飛機及發動機零件的制造,根據其結構特點,主要有自由鍛技術、模鍛技術和環軋技術,而自由鍛技術除在新型號飛機試制部分零件選用之外,很少直接應用于零件的制造,往往是作為給模鍛制坯的工序。因此,發展先進的模鍛技術和環軋技術是鍛造技術在航空制造領域發展的方向。

      1.1發展等溫精密鍛造技術

      等溫精密鍛造技術是模鍛技術的一種,該技術要求自始至終模具與工件保持相同的溫度,以低應變速率進行變形的一種鍛造方法。為防止鍛件和模具的氧化,常在真空或惰性氣體保護的條件下進行,能夠生產出鍛后不需機加工的凈型鍛件或是僅需要少量加工的鍛件,材料利用率高,鍛件組織性能比普通鍛件優異。

      近年來等溫精密鍛造技術在國內航空制造領域發展較快,但還遠遠未達到大量推廣應用的工業化技術水平,這主要是因為模具由特殊材料制造,費用比普通模具高得多;且需要溫度均勻可控的模具加熱系統;潤滑劑要求高,能在高溫下充分使用;為防止工件和模具氧化,需要額外的真空或惰性氣體保護裝置。針對這些問題,后續應開發低成本高溫合金模具材料;進行高溫模具保護涂層和模具修復技術研究;進行真空或保護氣氛下的等溫鍛造技術研究;進行高溫合金模具結構設計、模具精密鑄造等研究。

      1.2發展精密環軋技術

      目前,我國在研和批產的各種型號航空發動機和其他軍工項目中,高溫合金、鈦合金等難變形材料環件的應用非常廣泛。但國內現生產的航空航天難變形材料環件多為矩形或簡單異形截面,材料利用率低,約5%~10%,且尺寸精度差、組織不均勻、加工變形嚴重等問題較突出。

      針對上述問題,如何在提高材料利用率、環件尺寸精度的同時,滿足新型發動機對環件組織性能、組織均勻性及批次穩定性等要求,并降低生產成本、縮短研制周期、節約貴重材料和戰略資源是發展環軋技術的方向。

      根據中航重機股份有限公司(以下簡稱“中航重機”)的子公司貴州安大航空鍛造有限責任公司前期研究成果,可以從環件脹形工藝研究、異形環坯料設計與制備工藝研究、輾軋/脹形校正/熱處理工藝研究、環件生產批次穩定性研究4方面推動精密環軋技術的發展,重點突破環件輾軋與脹形匹配性技術、異形坯料設計優化技術、環件殘余應力測試與控制技術等關鍵技術,最終滿足先進航空發動機和其他武器裝備對環形零件的高性能、低成本、精確化、輕量化、長壽命和短周期制造的需要,使我國軍用精密環件的生產技術達到國際先進水平。

      2發展循環經濟制造

      我國經過多年的技術工藝創新和升級,以及國際先進生產設備的引進和改造,具備了生產飛機發動機所需特殊鋼材等高端產品的能力。且我國人力資源豐富,用工成本較低,與歐美國家相比,在價格應更有競爭優勢。但是國內特鋼產品報價卻比國外同類產品高出近1倍,這對航空鍛造產業來說成本巨大。

      為何會形成如此高的材料成本,究其原因是未進行廢舊金屬的再利用,如國外在生產過程中,廢舊金屬的再利用率已達70%,而國內特鋼生產企業對廢舊金屬的應用為零。根據多年的生產經驗,在生產過程中廢舊金屬再利用達不到60%,產品的價格就不可能降下來。由此可見,發展循環經濟制造是航空鍛造產業降低制造低成本的有效途徑之一。

      在航空企業,像高溫合金、鈦合金等戰略性金屬,從材料到最終產品有效利用率僅為10%~15%,對加工過程中的料削及料頭,由于缺乏專業回收網絡和專業技術、相應管理水平,大部分返回料被降級使用,大量戰略性金屬被浪費,并造成污染。如果能對高溫合金等廢舊貴金屬進行再回收、凈化處理,使這些材料重新進入原材料的供應體系,便能有效地提升高端材料的利用率,降低鍛造企業的材料成本,從而有利于提升鍛鑄產業在航空制造領域的整體競爭能力。

      3引進新型制造技術——金屬3D打印技術

      在航空制造領域,雖然當前金屬3D打印技術不能廣泛應用于高端裝備的制造,但在小范圍內可有所作為:如飛機結構件一體化制造(翼身一體)、重大裝備大型鍛件制造(核電鍛件)、難加工材料及零件的成形、高端零部件的修復(葉片、機匣的修復)等傳統鍛造技術無法做到的領域。

      由此可見,對航空鍛造產業,可適當引進金屬3D打印技術,通過互補協同式發展,解決軍工多品種、少批量產品鍛造成本過高問題,并快速響應解決型號研制的急迫技術難題、解決客戶個性設計的需求等。中航重機已與北京航空航天大學合作,成立了中航天地激光科技有限公司,引入金屬3D打印技術,在航空領域已有多項金屬3D打印產品應用于新型號,節約成本的同時,提高了鍛造產業核心競爭力。

      結束語

      新型制造技術——金屬3D打印在航空制造領域的快速發展,是對航空鍛造產業的挑戰,同時也是機遇。鍛造產業在航空制造領域的發展離不開先進的鍛造技術,所以發展低成本高可靠的先進鍛造技術是根本,如等溫鍛造技術、先進精密環軋技術等,都是航空鍛造技術發展的方向。而利用高溫合金、鈦合金等廢舊貴金屬料削發展循環經濟制造是鍛造產業降低成本的有效途徑之一。引入金屬3D打印技術,與鍛造技術互補協同式發展是鍛造產業在航空制造領域發展的新思路??梢哉f,隨著我國航空制造業的快速發展,引進多種新型制造技術協同式發展是鍛造產業在航空制造領域發展的必由之路。

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