新產品設計與工藝技術及材料的創新
2008-11-06 閱讀次數: 次

  

 

  

兵器工業新技術推廣研究所

  

呂德龍高級工程師

  

 

  “科學的本質就是創新。創新是一個民族的靈魂,是一個國家興旺發達的不竭動力。整個人類歷史,就是一個不斷創新、不斷進步的過程?!貝蔥履芰Φ那咳?,直接決定著社會財富的積累和現實生產力的發展水平。

  在科學技術迅猛發展的今天、國際化的市場競爭愈趨激烈的現代,產品創新是一切企業活動的核心和出發點,是企業賴以生存和發展的基礎。 今天的產品創新所面臨的問題更加復雜化、系統化,設計是不能靠設計師的靈感閃現一蹴而就,這樣是很難客觀地把握解決設計問題的實質。因此,設計師要掌握科學的認識一切人為事物的方法,使設計過程能夠科學地、有序地解決產品創新問題。本書選題源與此,全書共分六章,介紹了設計思維、設計方法、產品創新設計和產品設計實踐案例等。在編寫過程中力爭圖文的豐富組合,使過程性、資料性與可讀性相結合。

  設計前沿的新材料,如讓全球最大客機降低油耗的復合材料 Glare在英文中是“亮而平滑”的意思,在行業用語中指由薄鋁片和環氧玻璃纖維結合在一起碾壓得到的金屬纖維制品。這種高科技材料是由荷蘭代夫特科技大學開發的,并且已經應用于空中客車A380的表面材料。合理設計使用Glare層板可使結構減重30%。因此,A380客機大量應用Glare層板,可以降低油耗和排放。

  美國、加拿大奧林匹克滑雪選手的緊身盔甲某些美國和加拿大的滑雪選手在冬季奧林匹克競賽中有個秘密武器:柔韌有彈性的“緊身盔甲”,它是依選手身體外形直接制作模型,堅固且耐沖擊。組成這種智慧衣料物質稱為:比防彈衣還強悍的材料。

  快速成形技術(簡稱RP)是由CAD模型直接驅動的快速制造任意復雜形狀三維物理實體的技術總稱,其基本過程是:首先設計出所需零件的計算機三維模型(數字模型、CAD模型),然后根據工藝要求,按照一定的規律將該模型離散為一系列有序的單元,通常在Z向將其按一定厚度進行離散(習慣稱為分層),把原來的三維CAD模型變成一系列的層片;再根據每個層片的輪廓信息,輸入加工參數,自動生成數控代碼;最后由成形系統成形一系列層片并自動將它們聯接起來,得到一個三維物理實體。

  快速成型技術的特點:

  與傳統材料加工技術相比,快速成型具有鮮明的特點:

  1.數字化制造。

  2.高度柔性和適應性??梢災圃烊我飧叢有巫吹牧慵?。

  3.直接CAD模型驅動。如同使用打印機一樣方便快捷。

  4.快速。從CAD設計到原型(或零件)加工完畢,只需幾十分鐘至幾十小時。

  5.材料類型豐富多樣,包括樹脂、紙、工程蠟、工程塑料(ABS等)、陶瓷粉、金屬粉、砂等,可以在航空,機械,家電,建筑,醫療等各個領域應用。

  主要工藝:

  RP技術結合了眾多當代高新技術:計算機輔助設計、數控技術、激光技術、材料技術等,并將隨著技術的更新而不斷發展。自1986年出現至今,短短十幾年,世界上已有大約二十多種不同的成形方法和工藝,而且新方法和工藝不斷地出現。目前已出現的RP技術的主要工藝有:

  1. SL工藝 :光固化/立體光刻 。

  2. FDM工藝:熔融沉積成形 。

  3. SLS工藝:選擇性激光燒結 。

  4. LOM工藝:分層實體制造 。

  5. 3DP工藝:三維印刷 。

  6. PCM工藝:無木模鑄造 。

  多點無模成型工藝的加工技術

  在施工過程中,技術人員還成功地實現了一系列的技術突破?!澳癯病毖∮昧?.2米×1.2米的高壓管,要把它擰成麻花,平滑地過渡過來,形成“鳥巢”的造型。為此,鋼材加工廠家研發出多點無模成型工藝的加工技術,把50毫米厚的鋼板壓制成型,然后再把它焊接,形成這種“鳥巢”使用的彎扭形鋼管,這在國內外來說都是首次使用。

  其他如低溫焊接技術、矩形鋼管永久模板混凝土斜扭柱施工技術的應用等,也都為“鳥巢”的完美成型提供了完整的技術支持。

  無模多點成形就是將多點成形技術和計算機技術結合為一體的先進制造技術。該技術利用一系列規則排列的、高度可調的基本體,通過對各基本體運動的實時控制,自由地構造出成形面,實現板材的三維曲面成形。它是對三維曲面扳類件傳統生產方式的重大創新。

  二、技術特點

  · 實現無模成形:取代傳統的整體模具,節省模具設計、制造、調試和保存所需人力、物力和財力,顯著地縮短產品生產周期,降低生產成本,提高產品的競爭力。與模具成形法相比,不但節省巨額加工、制造模具的費用,而且節省大量的修模與調模時間:與手工成形方法相比,成形的產品精度高、質量好,并且顯著提高生產效率。

  ·優化變形路徑:通過基本體調整,實時控制變形曲面,隨意改變板材的變形路徑和受力狀態,提高材料成形極限,實現難加工材料的塑性變形,擴大加工范圍。

  ·實現無回彈成形:可采用反復成形新技術,消除材料內部的殘余應力,并實現少無回彈成形/保證工件的成形精度。

  ·小設備成形大型件:采用分段成形新技術,連續逐次成形超過設備工作臺尺寸數倍的大型工件。

  ·   易于實現自動化:曲面造型、工藝計算。壓力機控制、工件測試等整個過程全部采用計算機技術,實現cad/cam/cat一體化生產,工作效率高,勞動強度小,極大地改善勞動者作業環境。

  三、技術發展概況

  多點成形的研究起源于日本。 70年代日本造船協會西岡等人試制了多點壓力機,進行船體外板自動成形的研究,但因關鍵技術未能解決好,多點壓機的制造費用太高,未能實用化。日本三菱重工業株式會社的熊本等人也研制了三列多點成形設備。由于其整體設計不周,該壓機只適用于變形量很小的船體外板的彎曲加工。另外,東京大學的野本及東京工業大學的井關等人也進行了多點壓機及成形實驗方面的研究工作,但未取得重大進展。宮80年代以來,美國麻省理工學院d。e。hardt的研究室對多點模具成形進行了十多年的研究。最近麻省理工學院與美國航空航天技術研究部門合作,投入1400多萬美元的巨額經費開發出多點張力拉伸成形機。

  吉林工業大學教授李明哲博士在日本日立公司從事博士后研究期間系統地研究了多點成形基本理論,深入地分析了成形機理與成形特點,并主持開發出多點成形實用機該系統是世界上第一臺達到實用化程度的無模多點板材成形壓力機,己成功地用于三維曲面工件(如扭曲面、球面、馬鞍面等)的實際生產中,工作效率較傳統的線狀加熱法提高了數十倍,而且制品精度也得到很大的提高。

  李明哲教授回國后,在吉林工業大學組建了無模成形技術開發中心,繼續對多點成形技術進行深入系統地研究,逐步形成了板材多點成形理論?!案彌行拇友跤朧導視τ昧礁齜矯娼⒘稅宀畝嗟慍尚渦呂礪塾胄路椒?,開發出多點成形實用化技術,并研制出集cad/cam/cat于一體的無模多點成形樣機。

     四、技術基礎與水平

  由吉林工業大學承擔的國家重點科技攻關項目“大型板材三維曲面的自動無模成形設備”已經通過驗收鑒定,驗收鑒定專家組對該項成果的總的評價是“多點成形技術是傳統的板類件三維曲面成形生產方式的重大刨新,具有良好的市場前景。該項目在多點成形設備、多點成形理論與實用技術的研究成果已達到了國際領先水平,已具備工業應用條件?!?/B>

  (一)在多點成形設備方面:

  吉林工業大學開發的集cad/cae/cam/cat于一體、具有自主知識產權的板材無模多點成形設備總體構成如圖:所示。計算機軟件系統主要進行曲面幾何造型、工藝計算、成形過程有限元模擬等。自動控制系統用于調整基本體群形狀,控制液壓加載系統成形出所需形狀的工件;三維曲面測量檢測成形后的工件形狀,并將測量結果反饋到計算機軟件系統進行修正,實現閉環控制。

  該設備與國外同類研究相比,具有如下特點:

  一體化的cad/cae/cam/cat軟件系統:該軟件是目前國際上多點成形計算機軟件中規模最大、功能最多、考慮因素最全的系統,實現了多點成形過程的一體化處理。其cad子系統根據零件的幾何形狀、材質、板厚等原始資料,采用nurbs方法進行曲面造型,進行工藝設計與計算;cae子系統基于彈塑性大變形有限元程序,可以預測成形缺陷,計算回彈,確定關鍵的工藝參數,cam子系統調節多點成形主機的上下基本體群,構造柔性成形面,并控制主機進行板材成形。

  多功能的自動無模多點成形機:既能實現多點模具成形,又能模擬多點壓機成形;而且既能進行整體成形,又能進行分段成形。

     在此設備上己成形出大量的形狀復雜、變形量大、表面質量好、尺寸比設備工作臺面積大數倍的三維曲面成形件。而且,在實際工件的模擬實驗中,對高速列車車頭覆蓋件流線型部分的不對稱件也成功地進行了多點成形,取得了在國際同類成形設備中最好的效果。

  (二)在多點成形理論方面:

  在多點成形理論研究方面取得了一系列新進展,主要創新點有:

  1.多點成形基本理論,提出了四種成形原理不同的、具有代表性的多點成形基本方式,即多點模具成形、多點壓機成形、半多點模具成形及半多點壓機成形。

  2.缺陷產生機理:研究了多點成形中典型不良現象(壓痕、皺紋、回彈、直邊效應)的產生機理,并研制出這些缺陷的抑制方法。

  3.工藝設計理論:提出了抑制壓痕的工藝方法、消除直邊效應的分段成形工藝方法、改變變形路徑的工藝方法和無回彈的反復成形工藝方法。

  4.設備設計理論:提出了基本體與基本體群設計方法。多點成形設備關鍵結構的設計方法和優化設計方法。

  (三)在實用技術開發方面:

  在大量實驗的基礎上,解決了一系列實用化關鍵技術,主要有:

  1、無缺陷彈性墊技術:可以有效地抑制壓痕,起皺等成形缺陷,使成形件的表面質量大大提高;

  2、無回彈反復成形技術:即利用多點成形柔性化的特點,采用反復成形工藝方法,減小工件的回彈及材料內部的殘余應力,實現板材小回彈或無回彈成形。

  3.分段成形技術:即優化過渡區成形模型,進行大變形量、大尺寸零件的成形,實現小設備成形大工件,并使無模成形設備小型化。應用該技術已成形出超過設備工作臺面積七倍的樣件,扭曲面總扭曲角超過40g。

  4.多道成形技術:對于變形量很大的制品,選取最佳路徑多道成形,使成形過程中板材各部分變形盡量均勻,以消除起皺等成形缺陷,提高板材的成形能力。

  5.閉環成形技術:即將自動控制技術與cat、cad結合起來,對成形后的工件進行三維測量,將測量的數據反饋到cad系統,經過控制算法運算后,計算出基本體群形狀的修正量,傳遞給控制系統再次成形,這樣反復幾次,可以達到精確的目標形狀。

  五、應用前景

  不同形狀、不同尺寸的大型三維曲面板制品在輪船、艦艇、飛機、航天器、陸地車輛、大型容器以及不銹鋼雕塑等軍工和民品上比比皆是。近年來,隨著航空、航天、海運、高速鐵路、化工以及城市建筑等行業的發展,對其需求也在不斷地增加,但落后的扳金彎形方法己不能適應這種發展要求,三維曲面板制品生產迫切地需要先進的制造技術。無模多點成形技術已經成熟,可以直接用于實際生產。它特別適合于曲面板制品的多品種小批量生產及新產品的試制,所加工的零件尺寸越大、其優越性越突出。無模多點成形技術將在輪船和艦艇的外扳、飛機和航天器的蒙皮、車輛、大型容器和城市雕塑的覆蓋件等三維曲面板制品加工中有著廣闊應用前景,并將產生巨大的經濟效益和社會效益。

  曲面成型生產方式的創新——板類無模多點成型系統

  由長春瑞光科技股份有限公司、吉林大學無模成型技術開發中心研制的“板類無模多點成型系統”榮獲國家重點科技攻關成果獎,被譽為曲面成型生產方式的重大創新。

    該技術是利用高度可調的基本體,形成多點工具曲面進行板材三維曲面成型的先進制造技術,該機的特點是:

    免去傳統模具設計,提高板材成型極限,擴大加工范圍,使復雜的設計一步壓制成型。長春瑞光科技有限公司是一家專門從事板材多點成形壓力機研發與生產的單位。目前已開發出與多點成形集成系統配套的CAD/CAE/CAM專用軟件,并制定了產品的企業標準,在多點成形設備、專用軟件、基礎理論以及成形工藝等方面取得了具有自主知識產權的成果,已獲得發明專利兩項,實用新型專利三項。該技術是“八五”與“十五”國家重點科技攻關計劃、國家863高技術計劃的研究成果。公司獲得了國家科技型中小企業技術創新基金的支持,并承擔了國家科技成果重點推廣計劃、國家重點新產品計劃等項目。有關多點成形的研究成果獲得2005年中國機械工業科技進步一等獎、2003年吉林省科技進步一等獎及上海國際工業博覽會創新獎。公司已獲得“高新技術企業認定證書”,有三個型號的多點成形壓力機通過新產品鑒定,是具有良好發展前景的中小型高新技術企業。

      長春瑞光科技有限公司以吉林大學無模成形技術開發中心為技術依托單位,中心主要從事有關板材多點成形技術的基礎理論研究、設備設計與開發、軟件開發及成形工藝研究等工作。該中心現有一批年青有為的高層次人才,其中教授五人、副教授三人,具有博士學位的研究人員七人,專業面覆蓋機械、材料加工、流體傳動、力學、自動控制、計算機等多種學科,并有三十余名博士、碩士研究生,具有很強的人才優勢。該中心已經形成了多點成形設備設計與開發、控制系統研制、CAD/CAM軟件開發、有限元數值模擬等幾個主要的研究方向,在每個研究方向上均具有很強的科研實力。

      公司主要產品板材無模多點成形壓力機是板類件三維曲面成形的先進設備,可應用于飛機蒙皮、船體外板、車輛覆蓋件成形,還可用于壓力容器、建筑裝飾、城市雕塑以及醫學工程中各種金屬曲面的制造。該設備已銷售至長春軌道客車股份有限公司、中船重工七二五所、唐山機車車輛廠等廠家,成功應用于高速列車流線型車頭覆蓋件生產、醫學工程(鈦板塑形)中以及船體外板、建筑裝飾件等三維曲面件成形中,取得了顯著的經濟效益和社會效益。2005年,該設備已成功應用于2008年北京奧運會國家體育館(鳥巢工程)的彎扭板件生產中。

       還有旋壓技術,真空釬焊技術,電子束焊接技術,表面精整強化技術等的應用,可為新產品設計提供新的思路及結構。

  金屬旋壓成形技術,是板坯與芯模共同旋轉由輥輪進給并施加壓力使板坯緊貼芯模逐點局部變形的壓成形工藝。旋壓原理旋壓可造各種軸對稱旋轉體零件如揚聲器彈體高壓容器封頭銅鑼也可用於氣瓶收口筒坯成形等。旋壓的特點是用很小的變形力可成形很大的工件使用設備比較簡單中小尺寸的薄板件可用普通車床旋壓模具簡單只需要一塊芯模材質要求低。旋壓適用於小批生產﹐因其只能加工旋轉體零件局限性較大率低。旋壓可用專門機械﹐採用仿形旋壓和數字控制旋壓。在旋壓成形的同時使板厚減薄的工藝稱為變薄旋壓又稱強力旋壓多用於加工錐形件薄壁的管形件等也可用以旋壓大直徑的深筒再剖開后成平板。

  金屬旋壓成形技術,通過旋轉使之受力點由點到線由線到面,同時在某個方向給予一定的壓力使金屬材料沿著這一方向變形和流動而成型某一形狀的技術。這里,金屬材料必須具有塑性變形或流動性能,旋壓成形不等同塑性變形,它是集塑性變形和流動變形的復雜過程,特別需要指出的是,我們所說的旋壓成形技術不是單一的強力旋壓和普通旋壓,它是兩者的結合;強力旋壓用于各種筒、錐體異形體的旋壓成型殼體的加工技術,是一種比較老的成熟的方法和工藝,也叫滾壓法。

  

  在機械產品中如何節約原材料卻能提高產品質量,減輕產品的重量卻能延長使用壽命,降低產品的制造成本及能源消耗卻能減少加工工時一直是人們關注的。例如"V"型皮帶輪(通稱"V"型帶輪)是用途十分廣泛的機械傳動零件之一,如果能由鋼板成型具有重要意義。鈑制皮帶輪同傳統的鑄鐵皮帶輪相比,可節約原材料70%以上。由金屬鈑材經拉伸--旋壓成形的鈑制旋壓皮帶輪是最新最佳的帶輪結構形式。這種帶輪不僅具備上敘優點,而且無環境無污染,尤其在汽車、拖拉機、收割機、空壓機等多種機械產品中應用廣泛。采用鋼鈑毛坯在專用的皮帶輪旋壓機床上使毛坯產生由點到線、由線到面的塑性變形而制成。旋壓帶輪一般有三種基本形式:折疊式帶輪、劈開式帶輪和滾壓式多V型帶輪(也稱多楔帶輪)。

  旋壓帶輪與鑄鐵皮帶輪相比的優點是采用旋壓工藝制成的(無屑加工),結構輕、省材料,因而轉動慣量小,是一種節料、節能的新產品。生產效率高(每分鐘加工2~4件),平衡性能好,一般無需平衡處理。由于材料流線不被切斷,表面生產冷作硬化,組織密度提高,使輪槽表面的強度和硬度提高,并且尺寸精度高,三角帶與輪槽的滑差小,皮帶壽命長。

  

  CDC-S60立式數控旋壓機床

  帶輪旋壓成形式工藝與設備是一項先進的技術,帶輪旋壓工藝上取得了折疊式帶輪、劈開式帶輪、滾壓式多V型帶輪和組合式帶輪一系列科研成果,在理論與實踐兩個方面解決了旋壓成形中的各種技術難題,并成功地用于生產。但與德國的旋壓技術相比,我國還需要努力追敢,因為,我國許多產品還需要進口,尤其是汽車中的某些零部件。

  旋壓產品簡介

  CDC-S系列數控旋壓機是生產旋壓皮帶輪的專用設備。旋壓皮帶輪做為一種新工藝產品,已經廣泛用于汽車發動機中,如電機輪、水泵輪、空調輪和風扇輪等。按照皮帶輪的槽型和加工工藝可分成三大類:劈開輪、折疊輪和多楔輪。示意圖如下:

  

  由于此三大類旋壓皮帶輪的結構特點不同,其加工工藝也不相同。

   多楔輪所選用的材料厚度為2~6mm,一般均為3mm。采用拉深和沖壓方法制坯,在旋壓機上加工成形。由于齒形是在材料壁厚上用擠壓方式使之產生金屬流動和塑性變形而形成的,所以影響產品最終質量的因素就很多,包括上下模、旋輪、工藝參數、材料材質等。在以后的工藝分析和模具設計中會詳細介紹。

   折疊輪所選用的材料厚度為1.5~2.5mm,也是采用拉深和沖壓方法制坯,并在旋壓機上加工成形。由于折疊輪在成形過程中沒有發生金屬流動,所以工藝上就比較簡單,影響質量的因素不多。

   劈開輪的材料厚度為2~4mm,一般采用一次沖裁制坯,在旋壓機上用旋輪從材料厚度的二分之一處劈開后整形而成形。由于其加工工藝也比較簡單,影響質量的因素也不多,最主要的是受毛坯本身的平面度影響。因此對沖裁的沖壓模具要求較高。

  

  真空釬焊技術從四十年代開始至今,已成為一種極有發展前途的焊接技術。真空釬焊是將被焊零件組裝成整體放入真空容器中加熱釬焊。作為一種先進的焊接技術,其優點非常突出,焊接變形小,焊縫質量高,一致性好,并且是一種無釬劑焊接技術,避免了釬劑對零件的腐蝕,焊后無需清洗,綜合生產成本較低,已成為解決鋁合金焊接這一共性“瓶頸”工藝技術的根本途徑。

  

   最早出現在電子工業上釬焊銅和不銹鋼的零件,后來又應用到航空工業、原子能工業,在1959年開始應用到制造不銹鋼的板翅式換熱器上。現在,被廣泛應用于空氣分離設備、石油化工設備、工程機械、車、船和家電等工業部門的板翅式換熱器和冷卻器中。

  

  由于真空釬焊技術具有無可比擬的優點,所以在世界工業發達國家得到迅速的發展和廣泛的應用。

  

  二、真空釬焊的優點

  

  1.真空釬焊,因不用釬劑,顯著提高了產品的抗腐蝕性,免除了各種污染,無公害的處理設備費,有好的安全生產條件;

  

  2.真空釬焊不僅節省大量價格昂貴的金屬釬劑,而且又不需要復雜的焊劑清洗工序,降低了生產成本;

  

  3.真空釬焊釬料的濕潤性和流動性良好,可以焊更復雜和狹小通道的器件,真空釬焊提高了產品的成品率,獲得堅固的清潔的工作面;

  

  4.與其它方法相比,爐子的內部結構及夾具等壽命長,可降低爐子的維修費用;

  

  5.適于真空釬焊的材料很多,如:鋁、鋁合金、銅、銅合金,不銹鋼、合金鋼、低碳鋼、鈦、鎳、因康鎳(Inconei)等都可以在真空電爐中釬焊,設計者根據釬焊器件的用途確定所需的材料,其中鋁和鋁合金應用得最廣泛。

  

  三、真空釬焊的應用

  

  1. 真空釬焊在航空發動機上的應用

  

  國外,美國普·惠公司的JT9D發動機蜂窩封嚴環,由環件和蜂窩夾芯用真空釬焊制成;該發動機燃油總管由主管和多個支管、噴咀用真空釬焊組成;此機發動機不銹鋼熱交換器由300多根不銹鋼管、隔板、殼體用真空釬焊組成;JT8D發動機12、13級壓氣機靜子環由內外環和幾十個葉片用真空釬焊制成。美國GE的發動機機匣由240多個0.25~0.7mm厚的因康鎳合金零件分三次階梯真空釬焊而成。國內,沈陽黎明發動機公司、成都發動機公司分別真空釬焊靜子環,用于海軍飛機上;成都發動機公司真空釬焊燃油總管,并通過發動機試車。

  

  真空釬焊電爐是航空發動機制造中的主要釬焊設備,美國已有200多臺真空釬焊爐。國內,黎明發動機制造公司、成都發動機公司、北京航空工藝研究所在70年代分別研制出中型單室的真空釬焊電爐。北京航空工藝研究所在1964年與天津電爐廠合作研制出半連續式真空釬焊爐,西安航發動機公司引進伊普森公司臥式真空電爐(爐膛尺寸910×610×610mm),北京民航Ameco公司引進伊普森公司鐘罩式真空釬焊電爐(爐膛尺寸髟2300×1300mm),進口的爐子皆為微機控溫、程序自動控制。現在,沈陽真空技術研究所、北京航空工藝研究所、沈陽市真空應用研究所等單位都研制了能夠微機控溫、按程序自動控制的大型高溫真空釬焊電爐。

  

  2. 真空釬焊在工程機械上的應用

  

  真空釬焊中小釬頭就是一個實例,中小釬頭廣泛地應用于冶金、地質、煤碳、水利、鐵路、軍工等建設事業上。據統計1978年,全國消耗中小釬頭約1萬只,而現在的用量就更大,在國民經濟建設中發揮了重要作用。

  

  西北礦冶研究所1978年開始研制真空釬焊中小釬頭,1980年通過冶金部作的技術鑒定,80年代已具有年產十萬只中小釬頭的生產線,產品供應全國上百家礦山使用。該所生產的釬頭還先后在大廟鐵礦、湘東鎢礦、南京梅山鐵礦、紅透山銅礦、華銅銅礦等地進行了數十次試驗。鉆鑿了不同類型的礦巖,經受了堅硬的花崗巖、難鉆鑿的角巖以及堅硬磨蝕性強的塊狀磁鐵礦夾矽卡巖等考驗。φ42mm的十字形釬頭與瑞典同類型釬頭在現場進行鉆鑿花崗巖的對比試驗,平均使用壽命超過100m,達到了瑞典釬頭的水平,據調查,使用壽命提高了1至1.5倍,給用戶帶來了顯著的經濟效益。

  由于鋁合金密度小、耐腐蝕、導熱和導電性好,且具有一定的比強度,鋁合金材料應用范圍不斷擴大,電子設備中散熱器、冷板和平板縫隙天線(典型結構如圖1所示)基本上采用鋁合金釬焊結構。

      散熱器、冷板體積大,對釬縫成形和變形有一定要求,液冷系統中的冷板要求能承受0.4MPa的工作水壓,根據不同要求可選用爐焊、真空釬焊工藝,其中真空釬焊適合質量要求高的零件。

      平板縫隙天線由1mm厚的輻射板、隔板、底板組成的共壁波導陣和饋電波導焊接成形,該天線結構復雜,目前國內外對此零件通常以數控加工成形,裝配后采用鹽浴焊、真空釬焊等幾種焊接方式整體焊接,在制造工藝上存在一系列問題,尤其是天線的組合釬焊,波導作為微波傳輸通道,它要求有嚴格的截面尺寸、形位公差要求,釬焊后不僅要有合適的內腔圓角,同時不能在內腔形成金屬堆積、熔蝕等缺陷,更不能有未焊上的釬縫和截面的翹曲變形,任何加工不合適都會影響天線的相位和駐波,所以這些結構特點給平板縫隙天線加工帶來了很大的難度。

   2 鋁釬焊原理

   2.1空氣爐中釬焊

      空氣爐中釬焊是最簡單的爐中釬焊方法。釬焊時把裝配好并加上釬料及釬劑的工件放入電爐中,工件被加熱到釬焊溫度后,依靠釬劑去除母材表面的氧化膜,使釬料流入接頭間隙。取出冷卻后便形成釬焊接頭。

      由于爐中釬焊的加熱周期較長,為了減少工件氧化,防止釬劑蒸發和喪失活性,應盡量縮短工件在高溫下停留時間,釬焊工件的加熱時間根據工件和夾具的大小而不同,一般通過試驗確定??掌星ズ干璞訃虻?,成本較低,加熱均勻,變形小。但最大的缺點是釬焊過程中母材暴露在空氣中,釬劑會發生嚴重的氧化,如果采用氮氣?;ばЧ岣?。另外由于氯化物釬劑釬渣的強烈吸潮性,釬焊接頭易發生腐蝕,所以鋁釬焊使用的釬劑最好是無腐蝕釬劑,其中QF型[1,2]釬劑是氟化物釬劑,它由KF及ALF3組成,當KF為45.8%、ALF3為54.2%時,釬劑中將不存在KF及ALF3,而全部形成 K3AlF6-KAlF4,由相圖可知其共晶溫度為562℃。該種釬劑不吸潮,在室溫下不與水和鋁發生反應,僅在釬焊溫度附近有活性,焊后殘渣不會引起腐蝕,在釬焊過程中去膜能力強,釬焊后接頭耐蝕性好,釬縫致密性好,能用于鋁合金空氣爐中釬焊,但如果在潮濕的空氣中加熱這種釬劑時,釬劑成分要發生變化而影響去膜能力。另外,各個廠家生產的釬劑質量相差較大,在加熱時間較長時尤其明顯,有的釬劑根本不能完成釬焊,文獻[3]指出,在加熱溫度、焊前清洗等正常情況下,釬劑質量波動是造成釬焊質量大幅度波動的主要原因。

   2.2真空釬焊

      真空釬焊是為適應宇宙航空、海洋開發、原子能、電子工業及化學工業的需要而發展起來的一種較新的釬焊方法。真空焊接過程不需要釬劑即能連接鋁鈦等高活性金屬,同時能保證獲得精密光亮的接頭,此接頭具備優良的機械性能和抗腐蝕性能。真空釬焊是在真空爐中進行,隨著真空爐性能價格比的不斷提高,鋁真空釬焊爐已在民品、軍品工業中得到大量應用,鋁真空釬焊相比鹽浴釬焊和釬劑釬焊具有明顯的優點:1)無毒和無污染;2)不使用釬劑,不存在焊渣,無需焊后清洗,節約人力物力;3)在真空中加熱,沒有氧化問題,可以加工很大的工件;4)加熱均勻,變形量小,可以做到焊后不修整,這對于焊后難于清洗和修整的高精度鋁波導是非常必要的,同時對于風冷散熱器、水冷冷板的釬焊也比較適合。真空爐由真空室、加熱器、控制系統和配套的真空系統組成。現在主流的鋁真空釬焊為冷壁爐,采用水冷爐壁,生產條件好,釬焊的工件質量高,適用于小批量、多品種零件的加工。

   3 工藝過程

   3.1基體材料、釬料及使用

      表1是幾種常用釬焊基體材料、釬料的物理和機械性能。由于LF21、LD31鋁合金材料的固相線溫度比其他鋁合金高,比較適合鋁合金高溫釬焊,LF21鋁合金適用于各種結構件,而LD31鋁合金可熱處理強化,其加工性能、抗腐蝕性能、力學性能良好,適用于真空釬焊后需熱處理強化的結構件,如平板縫隙天線等。在散熱器、冷板加工過程中發現10mm左右的鋁合金原材料有一定的變形,會影響裝配過程和釬焊質量,也增大后續銑加工量,冷校平很難解決這一問題,通過試驗采用熱校平工藝很好地解決了此問題。

  

      釬料是釬焊工藝中的關鍵連接材料,Al-Si、Al-Si-Sr-La共晶釬料適合于空氣爐、氣體?;ぢ星ゼ燎ズ?,目前使用的為Φ1.5mm的盤狀釬料,為了使釬料貼近釬縫形成滿意的焊縫,要求釬料必須直,在校直過程中我們采用退火工藝后拉直,現在釬料可以做的很直,有利于釬焊質量的提高。Al-Si-Mg釬料及復合釬料板適用于真空釬焊,在釬料中加入一定量的Mg,可以提高局部去膜效果。

   3.2釬劑和活化劑

      鋁合金表面氧化膜致密穩定、熔點高,在普通釬焊溫度下不易分解,在空氣爐、氣體?;ぢズ副匭朧褂們ゼ?,QF型氟化物釬劑有較強的去氧化膜能力,但其機理目前尚不清楚,有人認為主要是氟鋁酸鉀能溶解氧化鋁膜,且常溫下不與水反應,我們用的就是帶水的漿狀釬劑。鋁的真空釬焊由于鋁的氧化膜在真空中也很難分解,所以在很長的一段時間內沒有取得進展,直到提出采用所謂金屬活化劑后,鋁的真空釬焊才被實現。試驗表明,Mg是鋁真空釬焊最好的活化劑,通過加入鎂可以獲得良好的釬焊性能和優良的釬焊接頭。

   3.3工件結構特點的分析和加工過程

   3.3.1工件結構特點的分析

      由于各工件技術要求不同,加工工藝也不一樣,合理的釬焊接頭設計十分必要,通過對散熱器、冷板和平板縫隙天線各自特點的分析,提出如圖2的結構形式。[FL)]

  

      空氣、氮氣爐釬焊散熱器采用銑定位槽結構,該結構定位可靠,釬劑和釬料添加位置合理,大面為整體材料,變形易控制,已在生產中大量采用。

      真空釬焊散熱器、冷板采用復合釬料板夾在基材中的夾層結構,該結構由于利用了復合釬料板良好的釬焊性能,只要控制好工藝,釬焊質量易保證,但對上面結構的散熱器要兼顧釬料流淌和強度,溫度過高,釬料流淌嚴重,溫度過低,強度不易?;?。真空釬焊平板縫隙天線采用扭式榫頭,中間夾釬料箔的結構,該接頭相比目前常用的脹鉚榫頭結構,減少鉚接應力,加工也比較方便。

   3.3.2典型工件的加工過程

      空氣(氮氣)爐釬焊散熱器、冷板的工序為:1)熱校平;2)焊前清洗、零件銑成形;3)裝配、加釬劑釬料(不需要烘干);4)釬焊;5)清洗;6)機加工成形。

      真空釬焊散熱器、冷板的工序:1)零件成形; 2)焊前清洗、釬焊; 3)機加工成形。平板縫隙天線的工序為:1)數沖陣面板成形、波導等零件銑或線切割成形;2)焊前工件、釬料表面處理,尤其線切割面的處理;3)裝配釬焊成形,包括夾具設計;4)校形;5)電性能測試。

   3.4夾具設計

      鋁合金釬焊一般要加熱到600℃左右,在這個過程中,工件易變形,尺寸精度不易保證,同時為了保證釬焊間隙通常要采用夾具,鋁合金釬焊夾具材料一般采用不銹鋼,有特殊要求時也可以選用其他材料作為夾具材料。采用不銹鋼夾具材料時,由于不銹鋼和鋁合金的熱膨脹系數不同,LF21的熱膨脹系數為25×10-6/℃,1Cr18Ni9Ti的熱膨脹系數為18×10-6/℃,工件從25℃加熱到600℃時,當所限制尺寸為100mm(散熱器)時,鋁合金與不銹鋼的膨脹量差為0.4mm,當所限制尺寸為600mm(如平板縫隙天線)時,膨脹量差為2.4mm,在釬焊溫度時由于不銹鋼的剛性遠大于鋁合金,所以鋁合金會產生變形。另外,工件在加熱和冷卻過程中由于速度不均勻也會產生變形。夾具設計時根據工件不同要求,在考慮定位需要的同時還必須考慮以上因素。

      散熱器、冷板釬焊主要對加工大面的平面度、側板與底板垂直度、焊縫間隙有要求,其他要求不十分嚴格,采用強制變形夾具可以滿足使用要求,圖3為強制變形夾具的使用狀態,待焊件依配合尺寸而緊固于夾具體內,在釬焊過程中,被焊件的變形行為始終受夾具的限制,即隨夾具的變形而變形,這樣在焊后其配合尺寸即為夾具尺寸。由于夾具的剛性遠大于鋁合金,因而配合尺寸基本可以保證。另外為了降低工件的冷卻速度,設計一個冷卻罩,在工件出爐后立即罩上,使工件與冷空氣熱交換減少,達到使工件均勻冷卻,減少變形的目的。

  

      對于平板縫隙天線這類工件,不僅有配合尺寸要求而且對外形尺寸精度要求高的零件,采用強制變形夾具就不能滿足要求,當所限制長度方向尺寸為600mm(天線)時,膨脹量差為2.4mm,可能引起的變形量就達2.4mm,而厚度方向尺寸為10mm時,可能的變形量為0.04mm,這對于壁厚為1mm,尺寸公差為0.05mm的波導來說,這種變形是不允許的,必須考慮別的結構形式的夾具,如文獻[4]提出的柔性夾具。

   3.5釬焊設備

      (1)KBC-L型鋁釬焊空氣爐的主要結構組成,該爐由控制系統、可動爐體和推車三部分組成,如圖4所示。釬焊爐工作方式為:爐體預熱→爐罩上升→推車移出→工件放置→推車復位→爐罩下降→釬焊出爐。

  

  該爐溫測控系統主要由Al人工智能工業調節器、小型圓圖溫度記錄儀、可控硅???、各功能按鈕及儀表等組成。將設定值輸入Al人工智能工業調節器(溫度和時間),由調節器控制可控硅???,通過調整一個固定的時間內可控硅通斷比例來實現輸出功率大小變化,從而達到連續調節加熱爐功率的目的。小型圓圖溫度記錄儀通過熱電偶的轉換,可分別記錄爐膛溫度和釬焊工件溫度(模擬)與時間的曲線,有利于釬焊工藝的分析和參數的調整。該控制系統具有測溫精度高,控溫性能好,操作方便等優點。現在采用三溫區控溫的氮氣爐性能更好,釬焊的散熱器質量更高。

      (2)鋁真空釬焊爐,這類釬焊爐采用多溫區控溫,爐溫均勻性為±5℃,工作真空度≤1.3×10-3Pa,最適用于復合板(帶釬料)結構工件的釬焊。在民品、軍品生產中得到廣泛應用,如空分設備中的換熱器、汽車和電子設備的散熱器等,但對于特殊結構工件(如平板縫隙天線)的釬焊需要采用特殊工藝。

   3.6釬焊規范

   3.6.1空氣爐加熱規范和清洗工藝的確定

      由于該工件厚度較厚、體積較大,采用硬加熱規范,把爐膛溫度預置到650℃,然后把安置好釬料和釬劑的工件放入爐膛進行加熱,待工件溫度上升到600℃即可出爐冷卻。釬焊后的工件在20%左右的硝酸溶液清洗,可以得到滿意的清洗效果。

   3.6.2真空釬焊規范

      為保證工件釬焊質量,要嚴格控制工件、釬料焊前表面處理(包括必要的機械清理),縮短焊前裝配時間,在真空釬焊過程中,真空度控制在1.3×10-3Pa左右,釬焊溫度為600℃,加適量鎂,釬焊時釬料的潤濕和接頭形成是一快速過程,約需要1秒鐘,因此保溫時間主要由整個零件加熱到釬焊溫度所需的時間及氧化膜層消散所需時間決定,如果保溫時間過長,工件易形成熔蝕。

   4試驗結果及討論

   4.1外觀檢驗

      在空氣爐中釬焊散熱器的過程中也發現部分工件有少量熔蝕、釬縫成形欠好和變形等缺陷,經試驗分析認為產生熔蝕的主要原因為加熱時間過長,釬縫成形欠好的原因是釬劑質量不穩定,產生變形原因為夾具設計不完善,針對產生問題的原因采取相應措施后釬焊的散熱器、冷板,釬縫經目測檢驗,圓角形成良好,釬料熔化完全,無熔蝕現象,釬焊后工件大面的平面度≤1mm。平板縫隙天線20根波導陣中的波導內圓角≤0.5mm,波導內表面光滑,釬縫成形較好,輻射面平面度≤0.2mm,基本達到設計要求,其中饋電部分有所欠缺,主要問題是部分尺寸有偏差和部分釬縫結合不好,大小H-T組成的功分網絡釬焊質量有待提高。

   4.2釬焊接頭機械性能和金相組織

      釬焊接頭按國標GB2651-89、GB2653-89進行拉伸和彎曲試驗,釬焊接頭的抗拉強度為100MPa,冷彎角為145°,拉伸試樣斷裂部位都在母材,表明釬縫的強度比母材高,彎曲試驗表明釬焊接頭塑性較好。分析釬縫的金相組織,該組織為典型的α~Al+Si共晶組織。

   4.3交變濕熱試驗

      結合整機要求,將空氣爐中釬焊的散熱器清洗后按GJB367.2-87進行交變濕熱試驗,周期為48小時,釬縫表面保持金屬光澤,無腐蝕現象發生。

   4.4冷板致密性檢查

   4.4.1水壓試驗

      將水通過手動試壓泵徐徐加壓充入冷板內(試驗壓力為0.8MPa),未見泄露。水壓試驗結果表明,采用上述工藝制造的冷板能滿足0.4MPa壓力的冷卻液在使用過程中不漏水的要求。

   4.4.2斷面檢查

      為檢查釬縫內部的致密性,將冷板試樣用銑加工的方法從中間剖開,腐蝕后觀測釬縫,空氣爐釬焊冷板上可以看到有不致密缺陷存在,但由于這些缺陷是相對孤立的,只要不形成從內到外灌通的通道,就是安全的,這一點也可以從水壓試驗冷板不漏水中得到證實。而真空釬焊冷板內部十分致密,無任何缺陷存在,這是因為真空釬焊不需要釬劑,釬焊過程中又采用復合板,不會有釬劑殘渣留在釬焊面上。

   4.5天線電性能測試

      真空釬焊的平板縫隙天線,1/16子陣天線經測試近、遠場方向圖良好和駐波比小于1.5。全陣天線駐波比小于1.9,增益為30dB,方向圖良好,達到了設計要求。

  5結束語

      空氣爐中釬焊散熱器和冷板,工件釬焊質量良好,工藝過程穩定,設備投資少,綜合成本小,采用該工藝已生產散熱器、冷板等工件300多套,氮氣?;ぢズ鋼柿扛?。采用合理的真空釬焊工藝可以加工出滿足設計要求的平板縫隙天線,而真空釬焊的冷板的質量相比于空氣爐釬焊有明顯提高,對于尺寸大、質量要求高的工件采用真空釬焊工藝是合適的。

  電子束焊接工藝代替氬弧焊

  真空電子束焊能量集中、質量高、人為因素影響小,能夠提高焊接質量和尺寸精度,減小零件變形。渦輪后機匣屬于大型薄壁件,由鑄件、鍛件、板材和鈑金件組成,焊縫軌跡復雜,裝配質量難以保證真空電子束焊接的要求,而且在國內沒有采用真空電子束焊工藝的先例,沒有相關技術資料可以參考,因此從工藝路線確立、材料焊接性試驗、焊接參數優化、編制程序以及工裝研制和裝配,都需要一步一步地摸索,一項一項地攻克。 

        采用電子束焊接工藝,首先需要突破的是“黑線”問題?!昂諳摺筆荊H4169和K4169類高溫合金材料在電子束焊接過程中產生的晶界析出物,是影響焊縫質量的一大隱患;特別是在高溫環境下,嚴重影響零件使用性能。為科學判定“黑線”產生的原因,以便采取有效措施,攻關組組長劉成來帶領團隊成員從調整焊接參數入手,進行了大量有針對性地試驗。遇到問題,他們一起商量,查找資料,反復論證。在設計部門,人們時?;崢吹剿竅ば奶教?、相互切磋的身影;在生產現場,映入人們眼簾的是他們向工人師傅請教,研究零件加工方法的場景。功夫不負有心人,經歷一年努力,他們終于摸索出了最佳焊接工藝參數,消除了“黑線”現象,成功地邁出了關鍵的第一步。 

        了確保研制節點,一航黎明決定加快試驗步伐,要求用兩個月時間完成首臺機匣焊接任務。工藝路線選擇成為一大關鍵,因為一個試驗件就超過20萬元,如果工藝線路不佳,不但影響攻關進程,而且還會增加很大的成本。經過縝密分析與論證,最后攻關組決定先進行環形部分拼焊,再整體與安裝邊焊接,以此保證零件的輪廓精度和尺寸精度。 

  1、薄板的焊接 

  板厚在0.03~2.5mm的零件多用于儀表、壓力或真空密封接頭、膜盒、封接結構、電接點等結構中。薄板導熱性差,電子束焊接時局部加熱強烈。為防止過熱,應采用夾具。夾具材料為純銅。對極薄工件可考慮使用脈沖電子束流。電子束功率密度高,易于實現厚度相差很大的接頭的焊接。焊接時薄板應與厚板緊貼,適當調節電子束焦點位置,使接頭兩側均勻熔化。

      2、厚板的焊接 

      目前電子束可以一次焊透300mm的銅板。焊道的深寬比可以高達50:l。當被焊鋼板厚度在60mm以上時,應將電子槍水平放置進行橫焊,以利焊縫成形。電子束焦點位置對熔深影響很大,在給定的電子束功率下,將電子束焦點調節在工件表面以下。熔深的0.5~0.75處電子束的穿透能力最好。根據實踐經驗,焊前將電子束焦點調節在板材表面以下,板厚的三分之一處,可以發揮電子束的熔透效力并使焊縫成形良好。

      3、添加填充金屬

      只有在對接頭有特殊要求或者因接頭準備和焊接條件的限制不能得到足夠的熔化金屬時,才添加填充金屬。

      添加填充金屬的方法是在接頭處放置填充金屬,箔狀填充金屬可夾在接縫的間隙處,絲狀填充金屬可用送絲機構送人或用定位焊固定。

      送絲機構應保證焊絲準確地送入電子束的作用范圍內。送絲嘴應盡可能靠近熔池,其表面應有涂層以防金屬飛濺物的沾污。應選用耐熱鋼來制造送絲嘴。應能方便地對送絲機構進行調節。以改變送絲嘴到熔池的距離、送絲方向以及與工件的夾角等。焊絲應從熔池前方送入。焊接時采用電子束掃描有助于焊絲的熔化和改善焊縫成形。

      送絲速度和焊絲直徑的選擇原則是使填充金屬量為接頭凹陷體積的1.25倍。

      4、定位焊 

      用電子束進行定位焊是裝夾工件的有效措施,其優點是節約裝夾時間和經費。

      可以采用焊接束流或弱束流進行定位焊,對于搭接接頭可用熔透法定位,有時先用弱束流定位,再用焊接束流完成焊接。

      5、焊接可達性差的接頭

      電子束很細、工作距離長、易于控制,所以電子束可以焊接狹窄間隙的底部接頭。這不僅可以用于生產過程,而且在修復報廢零件時也非常有效。復雜形狀的昂貴鑄鐵件常用電子束來修復。

      對可達性差的接頭只有滿足以下條件才能進行電子束焊接:

      (1)焊縫必須在電子槍允許的工作距離上;

      (2)必須有足夠寬的間隙允許電子束通過,以免焊接時誤傷工件;

      (3)在電子束的路徑上應無干擾磁場。

      6、電子束掃描和偏轉 

      在焊接過程中采用電子束掃描可以加寬焊縫降低熔池冷卻速度,消除熔透不均等缺陷,降低對接頭準備的要求。

      電子束掃描是通過改變偏轉線圈的激磁電流,從而使橫向磁場變化來實現的。常用的電子束掃描圖形有正弦形、圓形、矩形、鋸齒形等。通常電子束掃描頻率為100~1000Hz。電子束偏轉角度為2°~5°。

  電子束掃描還可用來檢測接縫的位置和實現焊縫跟蹤,此時電子束的掃描速度可以高達50~100m/s,掃描頻率可達20kHz。

  在焊接大厚度工件時為了防止焊接所產生的大量金屬蒸氣和離子直接侵入電子槍可設置電子束偏轉裝置。使電子槍軸線與工件表面的垂直方向成5°~90°夾角,這對于大量生產中保證電子槍工作穩定是十分有利的。

      7、焊接缺陷及其防治

      和其它熔化焊一樣,電子束焊接接頭也會出現未熔合、咬邊、焊縫下陷、氣孔、裂紋等缺陷。此外電子束焊縫特有的缺陷有熔深不均、長空洞、中部裂紋和由于剩磁或干擾磁場造成的焊道偏離接縫等。

      熔深不均出現在不穿透焊縫中,這種缺陷是高能束流焊接所特有的。它與電子束焊接時熔池的形成和金屬的流動有密切關系。加大小孔直徑可以消除這種缺陷。

      長空洞及焊縫中部裂紋都是電子束深熔透焊接時所特有的缺陷。降低焊接速度,改進材質有利于消除此類缺陷。

  電子束焊接技術在航天領域中應用

  

宇航技術中所用的各類火箭、衛星、飛船、星球車、空間站以及太陽能電站等,它們的結構件、發動機,以及所用的各種儀器等都有一些共同特點,不僅要求零部件質量極為可靠,能經受各種惡劣環境,如強力振動,因日照變化引起的高低溫度交替沖擊,失重,宇宙線幅射,超高真空環境中運作;而且要求零件尺寸小,重量輕,氣密性好。因此,對宇航零部件的結構設計、材料選擇及加工工藝都提出了極為苛刻的要求,實踐證明為了滿足上述特點,電子束焊接技術是必不可少的強有力的工具之一。這是因為電子束焊接技術有以下一些特點:

  (1)電子束焊接能量密度很高(106W/cm2),對于任何材料,包括高熔點鎢、鉬等材料,其焊縫都能快速熔化。一般不用焊條,靠零件自身材料熔接而成。

  (2)電子束焊接在真空中進行,可防止材料氧化及其它有害氣體侵入。利用熔池與真空氣氛的壓差,有利于焊縫熔化金屬中所含氣體排出,減少焊縫氣孔,增加氣密性,提高焊縫強度都有好處。

  (3)電子束焊接不僅能量密度高,而且因其特殊焊接機理可以獲得很大的焊縫深寬比,焊縫又深又窄,因而焊接零件變形小。對于較厚零件,采用100kW電子束焊機一次可焊透鋼200mm,采用普通焊接方法就需多次填充,會造成零件較大變形。

  (4)焊接兩種物理性質差異大(如熱傳導或熱容量)的材料所構成的零件時,兩種材料可同時瞬間熔化再快速凝固,如銅與鋼,極薄的零件與厚零件的焊接都可實現。

  (5)電子束可以聚得很細,偏轉方便,所以可焊很精細零件??珊改巖源锏降暮附擁?,因此對特殊結構,和特別精細的零件用電子束焊接是非常適宜的。

  (6)能量密度高,焊接速度快,熱影響區范圍很小,不會對臨近半導體器件或其它熱敏器件產生不良影響。

  以下我們略舉幾種電子束焊接在宇宙航行中應用事例。

  即將建設的空間站以及正在規劃的太陽能電站,這些都需要用航天飛機,或運載火箭分成小塊運送到空間,再裝配而成,采用鉚接和螺栓聯接會大大增加結構重量,使用電子束焊接是最理想的,無需焊條,不會額外增加結構重量。在宇宙空間采用電子束焊另一優點是無需真空系統,大大簡化了焊接設備。

   美國六十年代研制成的宇宙空間用電子束焊機,為阿波羅登月艙維修用,這是因登月艙在著落月球表面時,萬一不慎沖擊力過大而將腿折斷,無法起飛返回地球,經詳細分析,論證并經科學實驗確認電子束焊接是最理想的并付之實現。未來的空間站及太陽能電站長年累月地在空間飛行,面積又大,難免受到隕石沖擊而損壞,同樣需要用電子束焊機來修補?! ?

  

  宇宙航行用各類器具其零部件焊接除一小部分需在宇宙空間完成焊接作業外(如上述),大多數零部件可在地面完成。由于電子束焊接杰出的焊接性能,以及宇宙器具的特殊要求,故采用電子束焊接的零部件的品種、數量繁多,以下僅選取一些典型焊接例子。

  現代化飛航和星際站要為人類提供居住的氣氛,飛船和星際站內部充以成分與壓力相當于地球大氣的氣體,由于不可避免存在著泄漏,就需從地球補送氣體。很明顯飛行器漏氣量越大,其補充量越大,給宇船帶來很大負擔。宇宙空間是超高真空,對飛行器的氣密性要求更高。如已使用過的雙子星座(飛船內乘二人來往于地球與月球間),其氣氛維持不到二周,如果乘員增加,或航程變長,尤其是在遠離地球,空氣無法得到補充的情況下,就會帶來嚴重問題。因此對宇宙飛行器的氣密性提出了非常嚴格的要求,形成氣體泄漏有幾種因素,但飛行器焊接質量是因素之一,經試驗證實電子束焊接可獲得最小泄漏量。

  美國阿波羅的載人登月艙,其采用的是可調節液體火箭發動機,該發動機的質量關系到宇航員生命安全,要求焊接絕不能有缺陷,電子束焊接能滿足其要求,該發動機共有64種零件采用電子束焊,其中流量控制由閥及其岐管組成,90%用電子束焊。其材料為321~347不銹鋼、6061鋁合金、17~4、17~7、PH不銹鋼和6A1~4V鈦,還有一些執行元件,測試基準和指令控制盒等,因電子束焊可輸入很小能量、變形很小又不會損壞焊接件中封存的電子元件和傳感器件。宇航用短時小型推力器如圖2所示:在外殼中封存炸藥、其噴口是用0.05mm304不銹鋼薄膜封住,當炸藥引燃后,高壓氣體沖破該膜而產生推力。要求①③④零件一次焊牢,由于結構需要,焊縫離炸藥僅1mm,在焊接封裝時炸藥表面溫度不能超過150℃,否則會引燃炸藥,只有用電子束焊接并嚴格控制其參數才能達到其要求。

  

  空間飛行器的推進器中有不少零部件因其結構與材料很特殊,采用電子束焊成功地解決了其疑難問題。如有的星際飛行器,其推進器用的是電火箭,其發射體使水銀或銫汽化并游離,其離子在加速極電勢作用下,從其表面拉出并加速到一定速度,形成所需推力,發射體的表面積越大,其游離量越大,效率越高,多孔鎢是最佳選擇。多孔鎢還需與支撐件鎢塊用電子束焊牢成一體,而該鎢支撐件又必須與鉭盒焊牢,但鉭與鎢直接熔焊,其合金變脆,而以鈦為中間介質用電子束釬焊,而獲得無裂紋焊接。

  鈦合金有高的強質比,是宇航用重要結構材料。用氬弧焊,延性差,很脆,而用電子束焊,共焊接質量好得多,如焊過5A1,2.5Sn;4A1,3Mo,1V;6A1,4V;13.5V,11Cr,3A1等,用電子束焊這些鈦合金焊縫強度能達到基材的等強度,其沖擊強度甚至比基材還高。鈹合金具有更高的強質比,阿波羅飛船門的框架構件就用鈹合金,采用電子束焊接而成。圖3所示導彈殼體采用非真空電子束焊示意圖:   工具鋼、熱加工模具鋼(5%Cr,0.4%C)適合于某些導彈和空間飛行器骨架用材,因價格較鈦合金低得多而具有競爭力,其極限強度為300,000psi,用局部電子束熱處理可以改善其特性。耐熔金屬如鎢、鉬、鉭、鈮等在宇航中應用面比較廣,但有強烈吸氣性和脆性傾向,采用常規電弧焊質量難以保證,而電子束焊接在真空中進行,可以避免其吸氣,減少脆性,增加它們的它們的延性和耐沖擊強度。焊鉭與鉬材料,其焊縫強度可與基材相當。

  有些零件的不同部位,將處在不同氣氛(如高或低溫,腐蝕與否;粉塵狀態等)和不同工作狀態(如負載大小與性質差別,熱傳導的不同,硬度與耐磨要求等)下運行,用一種材料要滿足不同部件的不同要求,有時得放棄合理結構如改變結構、增加零件尺寸、重量、加工工序。電子束的優越特性可很好地解決大多數異種金屬間的焊接難題,來滿足零件的理想結構。在宇航加工工藝中還會遇到一些非金屬材料如陶瓷、石墨、玻璃的焊接,或這些材料與高熔點金屬之間焊接難題,電子束焊接可順利解決。這些非金屬材料與非高熔點金屬之間熔焊技術尚未解決,但用電子束釬焊可解決這一難題,因高真空條件下用電子束蒸鍍鈦到零件表面,能起到潤濕作用,使釬焊料很易漫延而達到優質釬焊。電子束焊接能解決大多數異種材料焊接難題,這樣制造出來的零件其尺寸小,重量輕,性能好。

  

2 宇航用電子束焊機特殊要求

  宇航零部件所用電子束焊接設備,大致分為兩大類,一類是常規的電子束焊機。用來焊接可以在地面裝配的零部件,這一類機器與普通電子束焊機相同,不再另述。另一類是空間所用電子束焊機,美國與前蘇聯都已研制成功,因其必須運到空間去進行焊接操作,故須適應空間特殊環境。

  (1)重量輕、體積小。這是最關鍵指標之一。因為它靠火箭發射到空間,在空間宇航員還需背負整套設備進行焊接操作。盡管無需真空系統,但高壓整流電源及電子槍等仍不可缺少,還需要有電池,美國研制登月用的電子束焊機,在地球上整機重量為150公斤,在月球上僅為26公斤。

  (2)要對宇宙輻射線進行仔細防護。由于宇宙空間沒有大氣防護,宇宙線的輻射非常強烈,它會對一些器件,尤其是半導體器件及絕緣材料起破壞作用,使一些零部件失靈,必須采取?;ご朧?。

  (3)需考慮失重狀態對各種零部件功能影響。

  (4)宇宙空間是超高真空(<10-12Pa),其零部件必須適應該氣氛中工作。

  (5)設備所用材料與元件,要經得起空間溫度交變的影響(從-150到 250)。

  宇宙航行用電子束焊機,美國與前蘇聯都研制出類型相似的焊機。主機有新型空間用電池,為焊機提供能源,采用逆變器將電池供給的直流電轉變為高頻電,再經變壓器升壓與整流,轉變為20~30kV直流高壓供給電子槍。后者高壓檔次亦曾經過深入實驗研究,加速電壓高了(80kV)雖然其聚焦性能好,但設備體積大,份量重,機動性差,X射線防護復雜,不便宇宙空間使用;電壓在15kV以下就不必采用X射線防護,缺點是熔化深度與工作距離關系密切,電壓越低影響越明顯,在宇宙空間維修時主要靠手焊,將不可避免的會抖動,由此引起的工作距離變化將帶來熔深、熔寬的顯著變化,影響焊接質量,因此宇航用電子槍加速電壓不希望低于20kV。美國研制登月修補用電子束焊機電子槍其功率為1.5kW,高壓為20kV,槍的尺寸(不包括把手)長250mm,直徑75mm,帶把手重為4.35公斤(地面)。

  在宇宙空間進行焊接,因失重對焊縫成型機理是否會發生根本變化,能否順利進行焊接,美、蘇二國在早期(還沒有飛船時)曾利用飛機造成失重狀態進行工藝研究,每次試驗能維持25秒鐘,焊接結果其焊縫形狀和熔化量與通常有重力條件下是一樣,僅在焊一些個別材料如AMT6出現一些大的氣孔,這是由于在超高真空條件下更易將把熔化金屬區內氣體析出所致,像鋁合金AMT6易蒸發性材料較易引起氣孔。雖然在宇宙空間焊接并未遇到原估計那么多的困難,但對焊接操作、參數規范等還需進行嚴格控制。

  要想在宇航技術中充分發揮電子束焊接這一先進技術,一方面要研制適用于宇宙空間用的先進的電子束焊接裝置,另一方面要深入研究在宇航特殊氣氛中的焊接工藝。

  空間科學技術,包括載人飛船已列入我國科研規劃,宇航用電子束焊接技術是必不可少的,具有三十多年該方面科學技術積累的我國科技工作者,一定能配合好總體計劃,完成歷史賦于他們的使命。

  機械零件的精整與光飾

  機械零件投入機械加工的每張圖紙都有去毛刺的技術要求,一般車、銑、刨、磨、鏜可編制常規工藝,通過標準機床來完成。但只有去毛刺工序,工藝人員往往無法編制工藝文件,通常采用銼刀、布輪、砂布、砂帶等辦法來去除毛刺。這樣以來會帶來一些弊?。閡皇敲倘コ瘓?,二是容易形成二次毛刺,三是容易劃傷其它部位,四是生產率低,污染嚴重,五是影響整機質量和性能。隨著科學技術的進步和生產的發展,人工去毛刺已不能適應現代市場竟爭的產品質量和生產方式的要求,光整加工技術逐步取代了傳統的去毛刺工藝,而且越來越被人們所重視,目前有些企業機械零件的精整與光飾已被技術人員編入圖紙技術要求的內容,并形成了標準工序。

  各種機械加工,無論是切削加工,還是鑄造、鍛造、沖壓等加工,幾乎都不可避免在零件表面留下一定的缺陷,如表面不平、凸棱明顯、刀痕波紋、飛邊、毛刺、微觀裂紋等。例如,單進行一個面銑刀削工序時就會產生:在進刀面上形成進刀毛刺、進刀側面毛刺,在出刀面上形成出刀端毛刺、側面毛刺,在已加工表面上形成頂部毛刺等。這些缺陷直接影響到零件的外觀質量及使用性能,嚴重造成整機質量及性能指標下降,帶來的卻是產品市場滑坡。然而,只需增加一道光整加工工序就能解決這些問題。例如,一家生產煤氣表的廠長說,他家生產的煤氣表的每個零件都是合格的,但就是組裝后累計尺寸達不到要求交不了貨。這肯定是沖壓引起的顯微毛刺在作怪,待把所有的零件進行光整加工后全部都能交貨。經過幾年來的理論研究、實驗分析、生產驗證和大量的工藝試驗研究結果,凡應用機械零件的精整與光飾加工技術均可達到以下技術指標:

  1.可靠地去除零件的機械加工毛刺,倒圓銳邊與尖角;

  2.有效地清除鑄件、鍛件和熱處理件表面的殘渣、雜質及氧化皮;

  3.在原基礎上細化零件加工表面粗糙度1-2級;

  4.改善零件表面層應力狀態,形成抗疲勞破壞的均勻壓應力值;

  5.改善零件表面層金相組織狀態,提高表面顯微硬度,形成耐磨損、抗疲勞的致密金屬層;

  6.提高零件清潔度,完成傳動件的初期磨損,改善整機部分性能指標,縮短整機磨合期40%以上;

  7.降低工藝成本,減輕工人勞動強度,提高生產效率,無污染,便于機械化和自動化生產。

   

  

 

  

一.自由磨具表面光整加工技術

   

      近幾年機械零件的精整與光飾開發出來的旋流式、離心式、叉軸式、臥式四大系列,十多種機型及大量輔料經投放市場,進行了數百種機械零件的精整與光飾的工藝試驗研究,取得了較好效果。取得了較好的經濟效益和社會效益。

  1.自由磨具光整加工效果的實驗研究

  滾磨光整加工是將被加工零件置于盛有磨塊和磨劑等介質的滾筒中,在復雜的相對運動下,游離狀態的磨塊始終以一定的壓力對零件表面進行碰撞、滾壓及微量磨削,從而細化表面粗糙度,去除加工毛刺和表面微觀缺陷,改善表面物理機械性能,達到提高零件表面質量和改善使用性能的目的。當設備選定后,還必須確定合適的磨塊種類、裝入量、混合比、加工時間等參數才能獲得理想的光整加工效果。影響光整加工中工件的質量和效果與表3所列各因素有關。

  磨塊特性包括:磨塊的形狀、尺寸大小、表面粒度、材質配比、燒結硬度及含沙量等。光整加工時要根據被光整零件的材料及要求,認真選擇相對應的磨塊特性;混合比是指磨塊、磨劑、水和工件的混合比例。在使用離心機進行光整加工時,裝入量(指磨塊、磨劑、水和工件的總量)和工件比尤其重要。一般情況下,保證在光整加工過程中,磨塊始終包容著每個被光整加工的零件;磨劑是根據被光整加工零件的材料(鋼、銅、鋁、不銹鋼等)和要求來分種類。零件的材料不同所選的磨劑的種類也不相同。

       機械零件的精整與光飾加工要求確定后,所選設備的類型對光整加工效果影響最大。一般情況下先進行大概選擇,然后再進行工藝試驗,以確定光整加工最佳工藝方案(磨塊、磨劑及光整加工時間等)。

   

  2.光整加工實例和檢測結果

      1)某發動機廠單缸曲軸,材料為球鐵,使用BJGX400型旋流式光整加工,一次6根,光整時間15分,經測試各軸頸處尺寸精度等級未變,而表面質量明顯提高,檢測結果如表1所示:

  1            曲軸表面質量檢測結果

  

 

  

參數工序

  

顯微硬度HV

  

粗糙度Ra(μm)

  

軸頸表面應力(Mpa

  

毛刺狀況

  

主軸頸

  

連桿軸頸

  

主軸頸

  

連桿軸頸

  

切向

  

軸向

  

毛刺銳邊

  

光整前

  

377

  

367

  

0.63

  

0.78

  

-149

  

-423

  

毛刺銳邊

  

光整后

  

449

  

449

  

0.35

  

0.53

  

-703

  

-655

  

無刺倒圓

  

   

   

  該零件經滾磨光整加工后,在裝配和使用中取得以下明顯的效果:

  1)由于表面細化了粗糙度,提高了顯微硬度,產生了壓應力,從而增強了疲勞強度,減少了零件使用中的斷裂率,提高了使用壽命。

  2)由于清除了零件的全部毛刺,并對非加工表面也進行了滾磨,從而便于裝配,提高了整機的清潔度。

  3)由于零件經滾磨加工,已完成了零件使用時的初期磨合,提高了整機的使用性能。

  4)零件加工后,在高倍放大鏡下觀察,可見軸頸表面有微小壓痕,此壓痕有利于存油,從而減少了起動時表面的磨損。

  5)應用滾磨工序取代了原有的油孔口拋光、軸頸圓弧處滾壓、軸頸拋光和去毛刺等四道工序,降低了加工成本,提高了加工效率。

       2)某動力機廠480凸輪軸加工情況同例1,表面質量檢測結果如表7所示。該零件去除所有毛刺,使用時減少了氣門頂桿與凸輪面的劃傷。表2為另一廠家所生產495凸輪軸光整前后殘余應力測試結果。

   

   

    2                凸輪表面質量檢測結果

  

參數工序

  

顯微硬度

  

HV

  

粗糙度

  

Ra(μm)

  

凸輪表面應力(Mpa)

  

毛刺狀況

  

切向

  

軸向

  

光整前

  

377

  

1.82

  

-173

  

-471

  

毛刺銳邊

  

光整后

  

417

  

0.962

  

-727

  

-877

  

銳邊到圓

  

   

   

  3      凸輪軸光整前后殘余應力測試結果

  

  

  

測試

  

部位

  

軸向應力MPa

  

切向應力MPa

  

光整前

  

光整后

  

光整前

  

光整后

  

   

  

I

  

尖部

  

-454

  

-899

  

-289

  

-611

  

側部

  

-365

  

-898

  

+51

  

-524

  

底部

  

-238

  

-775

  

-20

  

-714

  

 

  

II

  

尖部

  

-575

  

-715

  

-342

  

-673

  

側部

  

-660

  

-988

  

-226

  

-920

  

底部

  

-535

  

-988

  

-215

  

-920

  

     

     3)某廠齒輪泵的齒輪,材料40Cr,在BJGL80離心式滾磨機上加工20分鐘,加工后精度未變,表面質量測試結果如表4所示。該零件裝配后,噪聲降低2dB,減少了端面與泵體的劃傷,提高了齒輪泵的使用性能。

   

  4           齒輪表面質量檢測結果

  

 

  

參數工序

  

 

  

端面HV

  

Ra(μm)

  

 

  

應力MPa

  

 

  

  

齒面

  

端面

  

光整前

  

525

  

0.71

  

0.42

  

33.82

  

銳邊、毛刺

  

光整后

  

561

  

0.38

  

0.25

  

-589.4

  

倒圓角R0.10.2

  

   

      4)某廠彈簧零件滾磨后去除了毛刺,改善了零件的物理機械性能,從而提高了零件了使用壽命。該彈簧的使用壽命由原來的360000次,而在滾磨光整后提高到520000次?;褂行磯嘈⌒土慵珙咸鴆牧系撓讕么磐?,在離心滾磨機中加工時間僅用30分鐘,而在回轉式滾磨機中加工時間為10小時,效率提高20倍,加工效果明顯提高。

   

  3.自由磨具光整加工注意事項

      在推廣應用滾磨光整加工過程中,如果用戶對該技術缺乏全面性的了解,勢必導致光整效果較差,光整效率明顯下降,由此造成實用經濟性很差。下面把光整前、中、后的零件處理方法,提供給廣大用戶參考。滾磨光整加工技術的實用工藝過程是:

      除油處理→光整加工及去毛刺→分選→清洗→烘干→防銹處理

      1)除油處理:光整前的零件要進行徹底除油處理,常采用超聲波清洗方法效果最佳。如果工件上油污進入,磨塊切削力明顯減弱,磨劑作用會降低、光整效果、效率下降,光整后的零件表面不光亮。

  2)光整加工:光整加工主要是根據被光整零件件的結構形狀、尺寸大小及光整要求選擇或確定設備形式、設備規格、工藝用料、工藝參數等內容。一般情況下,這些內容可參照表5及工藝指導來進行,也可參考其它具體文獻的介紹。

      3)光整加工后處理包括三方面:磨塊與工件的分選、磨塊與工件的清洗及工件的脫水防銹。

      磨塊與工件的分選常用方法有:手工篩選、機械篩選、振動篩選、手工電磁分選和傳送帶式磁力分選,可根據實際情況選用。磨塊與工件的清洗采用超聲波清洗方法最佳,再用清請水沖洗干凈,要特別注意工件的脫水烘干和防銹處理。

  大量工藝試驗發現,工件經滾磨光整加工后表面光潔錚亮,其表層的活躍金屬分子赤裸暴露在空氣中很快氧化變黑,繼而生銹,原因清洗后留在零件表面上的水膜形成了電化學腐蝕所必須的一層電解質溶液。水的電離度雖小,但仍可電離成H+ 和[OH] -,這種電離過程隨溫度升高而加快。同時水中還溶解有CO2、SO2等,都極易與水結合。

      H2O→H+ + [OH]-

      CO2 + H2O→H2CO3→H+ + [HCO3]-

  鐵和鐵中的雜質浸泡在有H+、[OH]-和[HCO3]-等多種離子的溶液中一樣,形成了腐蝕電池,鐵是陽極、雜質是陰極。一般情況下,水膜里含有氧氣,陽極上的鐵被氧化成Fe2+離子,在陽極上獲得電子的是氧,然后與水結合成[OH]-離子。腐蝕反應為:

             2 Fe+ O2+2 H2O=2Fe(OH)2

  由此看來,光整前除油處理和光整后的脫水烘干、防銹處理是非常必要的,二者缺一不可,其方法也很多。脫水烘干通常采用工業型甩干機,防銹油用主要成份是羊毛脂,石油磺酸鋇,石油磺酸鈉及助劑。

   

  4.自由磨具光整加工技術應用前景

  機械零件的精整與光飾加工技術適用范圍非常之大,廣泛用于機床機械、印刷機械、紡織機械、醫療器械、汽車、摩托車、電子電器、五金工具、儀器儀表、鑄造、鍛造焊接、沖壓、壓鑄等各種不同材質的中小型異型零件的光整加工。但光整加工又不是萬能的,比如,由于刀具不鋒利和進刀量大造成的卷邊,不能用光整加工來解決上道工序遺留的類似問題??悸塹接沒Ф怨庹際醯娜鮮?、接收、承受能力有一個過程,目前生產的十多種機型,還滿足不了生產節拍的需要,并存在效率不高、自動化程度低、外型不美觀、結構欠精巧等各種各樣的問題。高校與研究所合作,相信在較短時間內,一定會研發生產出效率更高、質量更好、多工位控制、自動化程度高的新一代光整加工設備投入市場。不久的將來,光整機加工技術會普及到各行各業,產生巨大的經濟效益和社會效益。

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

  

兵器工業新技術推廣研究所

  

呂德龍高級工程師

  1. 目前擔任的職務:

       1) 新技術新工藝雜志編輯

         2)中國機械工程學會會員,

         3)中國發明協會會員,

         4)中國熱處理協會常務理事,

         5)北京機械工程學會材料分會秘書長,

         6)中國科學技術協會全國學生科技作品評委,

         7)榮格金屬加工業創新技術評委,

         8)全國技術創新委員會焊接成果評委。

         9)兵器工業技能創新大賽評委等。

   2. 教育背景:北京科技大學材料學院畢業。

  3. 從業經歷:畢業至今從事新技術推廣工作,

         近期熱衷于學生創新輔導等公益活動。

  4. 主持或參與的項目:

    每年主持幾次軍工企業新技術交流會,

    如:先進技術制造交流會及熱加工工藝技術論壇等。

  電話:13601359780     電子信箱:[email protected]

  通信:北京8917信箱   郵編:100089

  地址:北京海淀區車道溝10號

   

   

   

   




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