摘要：进入21世纪以来，航空航天事业成为世界各国研究重点。为了满足先进航空发动机高推动比等性能需要，钣金结构件正在代替传统的铸件、锻件等零部件，在航空发动机中所占比重越来越大。航空发动机因其特殊的高温工作环境，其钣金结构件通常使用服役性能好而成形性能差的板材，对其成形工艺带来严重困难，已成为我国航空发动机钣金件制造的技术瓶颈，因此进一步加强对其的研究非常有必要。基于此本文分析了典型航空发动机钣金零件成形工艺。
关键词：航空发动机；钣金零件；成形工艺
1、研究意义
随着社会的不断发展，航空航天事业越来越受到重视，航空发动机是众多高新技术的集中领域，因此其成为了航天发展非常关键的部分。就目前的情况来看，其主要分为活塞式、燃气涡轮式和冲压喷气式三种类型。作为动力机构是整个飞机或火箭的核心部分，对国家的经济、科技实力起到决定性作用。因此高性能的航空发动机对一个国家航空航天事业的重要性不言而喻。
由于飞机、航空发动机、导弹等零件的结构承载与功能特点，造成薄壁钣金类零件在航空航天领域中应用也越来越广泛。据统计，塑性加工的零件占一架飞机整体零件总重的 40%，其数量在战斗机中超过 1 万件，在大型运输机中甚至有 6 万件之多。一般情况下，在满足零件功能与形状的前提下越多使用钣金件可以大幅度减轻飞机、航空发动机等重量且钣金件成本低，能大规模生产且效率高，经济效益非常可观。
航空发动机因其需要在高温下长时间工作，对其零部件的材料综合性能提出了很高的要求。目前，航空发动中应用广泛的为镍基高温合金、钛合金与铝合金材料，需根据其结构件使用条件及要求来选择合适的材料。其中镍基高温合金以其高的强度、良好的抗氧化性与热稳定性成为航空发动机中应用最多的材料，主要用以制作航空发动机的燃烧室、涡轮盘、导向器与涡轮叶片等部件；此外钛合金、耐高温铝合金由于其密度小综合性能好应用也较多。其中钛合金因常温下成形性能很差，其零件的加工成本非常高。但部分变形类镍基高温合金及铝合金都具有良好的冷成形性能，这使得镍基高温合金及铝合金板材常温冲压成形技术成为其工程应用中的重要研究方向。在对金属板材成形性能没有充分研究的前提下，现如今多数航空企业对发动机薄壁类零件制造是根据自身经验来制定生产工艺的，一直以来对工艺的革新较少，造成生产合格率偏低、成本高。影响板材冲压成形性能最主要的因素即为材料自身的成形性能，因此在对板料自身成形性能及其基本参数不了解的前提下去制定其加工工艺，不仅不能充分发挥其最大成形性能且影响成形后零件质量。另外，自 1960 年，美国 R.W.Clough 教授及我国的冯康教授分别独立地提出了“有限单元”这一词后，且计算机数据处理能力的不断提高促进了有限元的广泛应用，使其成为了现在企业在日趋激烈的市场竞争中取胜的重要手段。从板料成形的角度出发，有限元即为金属板材塑性成形过程模拟仿真分析。板材成形性参数对模拟结果的准确性至关重要，大多数有限元软件材料库对于一些稀有金属没有相关性能参数。因此对该类板材成形性能的研究对其数值模拟，从而能够确保其应用。
2、钣金件研究现状
目前，对于航空发动机薄壁钣金件的研究主要有两方面：薄壁件所用板料成形性能方面主要为高温合金板材的研究；零件成形工艺方面。
哈尔滨工业大学刘迪等人研究了法向压力对高温合金薄壁板材变形行为的影响，在基于法向压力能提高板材成形性能的基础上，通过覆板来施加法向压力利用有限元技术以0.3mm厚GH4169变形高温合金板材为研究对象，对有其胀形过程进行分析对比。得出法向压力对板材成形过程中应变分布影响较大。
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GH4169板材因其常温成形性能差，哈尔滨工业大学张宝为等人研究了GH4169板材热成形精度及微观组织的演变。通过高温单向拉伸试验对其流变应力研究得到了其流变应力方程、并对不同温度及变形量下微观组织进行了分析。最后通过有限元模拟了试件成形过程，确定了GH4169板材热成形工艺参数并进行了工艺试验。
北京航空航天大学的朱宇，万敏等人研究了高温合金复杂薄壁件多道次充液拉深技术。基于有限元模拟和工艺验证，探究了预成形高度与液体压力对航空发动机隔热罩成形质量的影响，分析了成形过程中起皱破裂等缺陷，进行了工艺参数的优化。
沈阳黎明航空发动机集团有限公司的杨踊，孙淑铎等人对航空发动机复杂型面罩子钣充液成形技术进行了研究，该零件所用板料为0.5mm厚的1Cr18Ni9Ti，由于形状复杂成形困难，成形过程极易出现破裂。在利用计算机仿真技术得到了合适的充液压力并进行了工艺验证，最终得到了合格零件。
3、钣金件成形方法
因航空发动机结构复杂，零件种类繁多，减轻其自身重量从节约成本的角度来说意义非凡。钣金件由于其重量轻，强度高其结构件在航空发动机上占有相当比重，且在结构上表现出越来越复杂，质量与精度要求也越来越高。航空发动机因其高温特殊的工作环境，对其零件所用材料要求很高以保证长时间工作的可靠性。目前高温合金是航空发动机及燃气轮机等主流材料，具有强度高、热稳定性好、但加工硬化显著、冷成形困难等特点。且由于航空发动机结构需要，其薄壁钣金件的复杂程度越来越高。传统的成形方法已不能满足其需要。因此，在原有成形方法的基础上，已发展至多样化。
针对常温塑性差的钛合金、高温合金、铝合金采用高温或温热来实现成形，在高温下金属塑性增加，所需成形力小，且零件成形过程中很大程度上的消除了残余应力，提高了零件高温下的疲劳性能及抗脆断能力。但热成形中相应的对模具材料要求也很高，这在很大程度上提高了企业生产成本。此外，在热成形中零件表面氧化较严重，摩擦等因素难以控制，通过有限元法分析其成形过程时，热力耦合效应处理难度大。
通过传统冲压成形方法需多道次拉深，甚至10次以上的拉深次数，增加了工序的复杂性，且零件在每道次中存在缺陷的概率也大大增加。因此，通常采用充液成形来加工此类零件。充液成形属于软介质成形，利用液体作为传力介质来代替刚性模具，使板料在变形过程中始终保持与凸模（或凹模）紧密贴合。在这种贴合的状态下板料变薄均匀从而提高了其成形性能。
除上述常用成形方法外，还有爆炸成形以及电水成形等特殊成形方法。其中，爆炸成形是利用炸药瞬间爆炸产生的化学能推动介质将能量传递到板料表面使其向模腔中流动，爆炸成形造成很高的矫形压力，具有零件的回弹很小等优点；电水成形是利用强大的冲击电流在介质（一般情况用水作为介质）中引起冲击波使板料成形与爆炸成形类似，区别在于提供能量的方式不同。
总之，通过工艺过程的数值模拟分析与零件的试制并检测零件主要质量指标，实际验证了工艺的可行性，为零件实际生产提供了保障，进一步加强研究非常有必要。
参考文献：
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论文作者:王子威
论文发表刊物:《基层建设》2018年第5期
论文发表时间:2018/5/21
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