最近，中國科學院金屬研究所塑性加工先進技術課題組在鋁合金板材高應變率衝擊液壓成形技術與裝備 方面取得系列進展，有望推動和提升我國航空鈑金製造業發展水平。
航空航天裝備中，鈑金類零件佔總零部件數量、製造工作量佔全機工作量均在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展的迫切需求，具有凸臺、加強筋和小圓角等小特徵結構的鋁、鎂、鈦輕質合金複雜異型薄壁鈑金零件的製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，以消除起皺並通過人工手動工序控制材料流動以防止破裂發生，要求操作者具有豐富的加工經驗和技術技巧。落錘成形由於是剛性模成形，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。
針對上述複雜航空鈑金零件製造過程中的問題及我國大飛機行業的發展需求，金屬所塑性加工先進技術團隊博士生馬彥、副研究員徐勇及研究員張士宏等人與沈飛、成飛和河南興迪公司合作，通過將充液拉深成形技術與高速衝擊成形技術相結合，提出了一種新型衝擊液壓成形技術。
課題組完成了從理論分析、設備研製到工藝驗證的全鏈條研究。通過霍普金森拉桿實驗研究發現，5A06鋁合金單向拉伸試件在高應變速率條件下（2.7×103s-1）的延伸率相比於準靜態條件增加了40%。課題組自行設計了一臺板材衝擊液壓成形極限試驗裝置，發現5A06鋁合金板件的衝擊液壓成形極限相比於準靜態液壓成形極限得到了大幅提高。通過自行設計的衝擊液壓成形物理模擬實驗裝置，對沖擊液壓成形的衝擊傳載特性及設備關鍵工藝參數進行了理論和實驗研究。研究發現，該工藝同樣適用於鋁合金、鋁鋰合金、鎂合金、鈦合金等。
圖1（a）霍普金森拉桿實驗裝置；（b）5A06高應變速率應力應變曲線；（c）高應變速率拉伸和準靜態拉伸延伸率對比
圖2 （a）5A06高應變速率板成形極限測試原理及實驗裝置；（b）衝擊液壓成形極限曲線和準靜態液壓成形極限曲線
基於以上研究，課題組自主研發了新型衝擊液壓成形專用設備。該設備採用液壓蓄能器組合結構實現了大質量衝擊體的高能高速驅動及控制，是該設備的核心專利技術。由於採用了液體這一柔性成形介質，成形零件具有良好的表面質量。
通過室溫高應變率成形，無需熱處理即可提高材料在室溫條件下的塑性。設備的最大沖擊能量200kJ，最高衝擊速度80m/s，具有適合於工業化應用的自動操作模式。該設備最大可用於500mm×500mm×3mm的鋁、鎂、鈦等低塑性合金的板材成形，也可用於需要同等成形能量的管材成形、汽車板件成形、板材與管材的衝孔等工序。
圖3 （a）衝擊液壓成形物理模擬實驗裝置；（b）衝擊液壓成形設備原理圖
課題組已經通過沖擊液壓成形技術成功實現了航空複雜薄壁口框零件的成形。該技術製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，並且能夠有效地抑制回彈。與現有落錘生產技術相比，該技術將傳統8道次以上的人工輔助製造過程改變為2道次的自動化生產過程，無需中間工藝熱處理，提高了400%的生產效率。
圖4 5A06鋁合金複雜薄壁口框零件（a）落壓成形；（b）衝擊液壓成形
圖5 衝擊液壓成形的2B06飛機板件，2道次，無中間熱處理，無人工，衝孔成形同模具一次完成
課題組還與白俄羅斯科學院和羅馬尼亞克盧日-納波利技術大學進行合作，研製成功一臺全新原理的、世界上第一臺可以用於生產的衝擊液壓成形設備。
相關研究成果於5月2日在線發表在國際機械工程組織（The International Academy for Production Engineering，簡稱CIRP)的會刊CIRP Annals—Manufacturing Technology（DOI：[email protected]）上，並應邀在8月份東京舉辦的國際CIRP學術年會上作報告。CIRP是國際機械工程製造領域的核心權威專家組織，CIRP Annals是機械製造領域最權威的期刊（I F因子4.2以上）。該研究得到了中科院國際合作局、瀋陽市科技局等重點研發項目的支持。
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