新产品设计与工艺技术及材料的创新
2008-11-06 阅读次数:

  

 

  

兵器工业新技术推广研究所

  

吕德龙高级工程师

  

 

  “科学的本质就是创新。创新是一个民族的灵魂,是一个国家兴旺发达的不竭动力。整个人类历史,就是一个不断创新、不断进步的过程。”创新能力的强弱,直接决定着社会财富的积累和现实生产力的发展水平。

  在科学技术迅猛发展的今天、国际化的市场竞争愈趋激烈的现代,产品创新是一切企业活动的核心和出发点,是企业赖以生存和发展的基础。 今天的产品创新所面临的问题更加复杂化、系统化,设计是不能靠设计师的灵感闪现一蹴而就,这样是很难客观地把握解决设计问题的实质。因此,设计师要掌握科学的认识一切人为事物的方法,使设计过程能够科学地、有序地解决产品创新问题。本书选题源与此,全书共分六章,介绍了设计思维、设计方法、产品创新设计和产品设计实践案例等。在编写过程中力争图文的丰富组合,使过程性、资料性与可读性相结合。

  设计前沿的新材料,如让全球最大客机降低油耗的复合材料 Glare在英文中是“亮而平滑”的意思,在行业用语中指由薄铝片和环氧玻璃纤维结合在一起碾压得到的金属纤维制品。这种高科技材料是由荷兰代夫特科技大学开发的,并且已经应用于空中客车A380的表面材料。合理设计使用Glare层板可使结构减重30%。因此,A380客机大量应用Glare层板,可以降低油耗和排放。

  美国、加拿大奥林匹克滑雪选手的紧身盔甲某些美国和加拿大的滑雪选手在冬季奥林匹克竞赛中有个秘密武器:柔韧有弹性的“紧身盔甲”,它是依选手身体外形直接制作模型,坚固且耐冲击。组成这种智慧衣料物质称为:比防弹衣还强悍的材料。

  快速成形技术(简称RP)是由CAD模型直接驱动的快速制造任意复杂形状三维物理实体的技术总称,其基本过程是:首先设计出所需零件的计算机三维模型(数字模型、CAD模型),然后根据工艺要求,按照一定的规律将该模型离散为一系列有序的单元,通常在Z向将其按一定厚度进行离散(习惯称为分层),把原来的三维CAD模型变成一系列的层片;再根据每个层片的轮廓信息,输入加工参数,自动生成数控代码;最后由成形系统成形一系列层片并自动将它们联接起来,得到一个三维物理实体。

  快速成型技术的特点:

  与传统材料加工技术相比,快速成型具有鲜明的特点:

  1.数字化制造。

  2.高度柔性和适应性。可以制造任意复杂形状的零件。

  3.直接CAD模型驱动。如同使用打印机一样方便快捷。

  4.快速。从CAD设计到原型(或零件)加工完毕,只需几十分钟至几十小时。

  5.材料类型丰富多样,包括树脂、纸、工程蜡、工程塑料(ABS等)、陶瓷粉、金属粉、砂等,可以在航空,机械,家电,建筑,医疗等各个领域应用。

  主要工艺:

  RP技术结合了众多当代高新技术:计算机辅助设计、数控技术、激光技术、材料技术等,并将随着技术的更新而不断发展。自1986年出现至今,短短十几年,世界上已有大约二十多种不同的成形方法和工艺,而且新方法和工艺不断地出现。目前已出现的RP技术的主要工艺有:

  1. SL工艺 :光固化/立体光刻 。

  2. FDM工艺:熔融沉积成形 。

  3. SLS工艺:选择性激光烧结 。

  4. LOM工艺:分层实体制造 。

  5. 3DP工艺:三维印刷 。

  6. PCM工艺:无木模铸造 。

  多点无模成型工艺的加工技术

  在施工过程中,技术人员还成功地实现了一系列的技术突破。“鸟巢”选用了1.2米×1.2米的高压管,要把它拧成麻花,平滑地过渡过来,形成“鸟巢”的造型。为此,钢材加工厂家研发出多点无模成型工艺的加工技术,把50毫米厚的钢板压制成型,然后再把它焊接,形成这种“鸟巢”使用的弯扭形钢管,这在国内外来说都是首次使用。

  其他如低温焊接技术、矩形钢管永久模板混凝土斜扭柱施工技术的应用等,也都为“鸟巢”的完美成型提供了完整的技术支持。

  无模多点成形就是将多点成形技术和计算机技术结合为一体的先进制造技术。该技术利用一系列规则排列的、高度可调的基本体,通过对各基本体运动的实时控制,自由地构造出成形面,实现板材的三维曲面成形。它是对三维曲面扳类件传统生产方式的重大创新。

  二、技术特点

  · 实现无模成形:取代传统的整体模具,节省模具设计、制造、调试和保存所需人力、物力和财力,显着地缩短产品生产周期,降低生产成本,提高产品的竞争力。与模具成形法相比,不但节省巨额加工、制造模具的费用,而且节省大量的修模与调模时间:与手工成形方法相比,成形的产品精度高、质量好,并且显着提高生产效率。

  ·优化变形路径:通过基本体调整,实时控制变形曲面,随意改变板材的变形路径和受力状态,提高材料成形极限,实现难加工材料的塑性变形,扩大加工范围。

  ·实现无回弹成形:可采用反复成形新技术,消除材料内部的残余应力,并实现少无回弹成形/保证工件的成形精度。

  ·小设备成形大型件:采用分段成形新技术,连续逐次成形超过设备工作台尺寸数倍的大型工件。

  ·   易于实现自动化:曲面造型、工艺计算。压力机控制、工件测试等整个过程全部采用计算机技术,实现cad/cam/cat一体化生产,工作效率高,劳动强度小,极大地改善劳动者作业环境。

  三、技术发展概况

  多点成形的研究起源于日本。 70年代日本造船协会西冈等人试制了多点压力机,进行船体外板自动成形的研究,但因关键技术未能解决好,多点压机的制造费用太高,未能实用化。日本三菱重工业株式会社的熊本等人也研制了三列多点成形设备。由于其整体设计不周,该压机只适用于变形量很小的船体外板的弯曲加工。另外,东京大学的野本及东京工业大学的井关等人也进行了多点压机及成形实验方面的研究工作,但未取得重大进展。宫80年代以来,美国麻省理工学院d。e。hardt的研究室对多点模具成形进行了十多年的研究。最近麻省理工学院与美国航空航天技术研究部门合作,投入1400多万美元的巨额经费开发出多点张力拉伸成形机。

  吉林工业大学教授李明哲博士在日本日立公司从事博士后研究期间系统地研究了多点成形基本理论,深入地分析了成形机理与成形特点,并主持开发出多点成形实用机该系统是世界上第一台达到实用化程度的无模多点板材成形压力机,己成功地用于三维曲面工件(如扭曲面、球面、马鞍面等)的实际生产中,工作效率较传统的线状加热法提高了数十倍,而且制品精度也得到很大的提高。

  李明哲教授回国后,在吉林工业大学组建了无模成形技术开发中心,继续对多点成形技术进行深入系统地研究,逐步形成了板材多点成形理论。“该中心从学术与实际应用两个方面建立了板材多点成形新理论与新方法,开发出多点成形实用化技术,并研制出集cad/cam/cat于一体的无模多点成形样机。

     四、技术基础与水平

  由吉林工业大学承担的国家重点科技攻关项目“大型板材三维曲面的自动无模成形设备”已经通过验收鉴定,验收鉴定专家组对该项成果的总的评价是“多点成形技术是传统的板类件三维曲面成形生产方式的重大刨新,具有良好的市场前景。该项目在多点成形设备、多点成形理论与实用技术的研究成果已达到了国际领先水平,已具备工业应用条件。”

  (一)在多点成形设备方面:

  吉林工业大学开发的集cad/cae/cam/cat于一体、具有自主知识产权的板材无模多点成形设备总体构成如图:所示。计算机软件系统主要进行曲面几何造型、工艺计算、成形过程有限元模拟等。自动控制系统用于调整基本体群形状,控制液压加载系统成形出所需形状的工件;三维曲面测量检测成形后的工件形状,并将测量结果反馈到计算机软件系统进行修正,实现闭环控制。

  该设备与国外同类研究相比,具有如下特点:

  一体化的cad/cae/cam/cat软件系统:该软件是目前国际上多点成形计算机软件中规模最大、功能最多、考虑因素最全的系统,实现了多点成形过程的一体化处理。其cad子系统根据零件的几何形状、材质、板厚等原始资料,采用nurbs方法进行曲面造型,进行工艺设计与计算;cae子系统基于弹塑性大变形有限元程序,可以预测成形缺陷,计算回弹,确定关键的工艺参数,cam子系统调节多点成形主机的上下基本体群,构造柔性成形面,并控制主机进行板材成形。

  多功能的自动无模多点成形机:既能实现多点模具成形,又能模拟多点压机成形;而且既能进行整体成形,又能进行分段成形。

     在此设备上己成形出大量的形状复杂、变形量大、表面质量好、尺寸比设备工作台面积大数倍的三维曲面成形件。而且,在实际工件的模拟实验中,对高速列车车头覆盖件流线型部分的不对称件也成功地进行了多点成形,取得了在国际同类成形设备中最好的效果。

  (二)在多点成形理论方面:

  在多点成形理论研究方面取得了一系列新进展,主要创新点有:

  1.多点成形基本理论,提出了四种成形原理不同的、具有代表性的多点成形基本方式,即多点模具成形、多点压机成形、半多点模具成形及半多点压机成形。

  2.缺陷产生机理:研究了多点成形中典型不良现象(压痕、皱纹、回弹、直边效应)的产生机理,并研制出这些缺陷的抑制方法。

  3.工艺设计理论:提出了抑制压痕的工艺方法、消除直边效应的分段成形工艺方法、改变变形路径的工艺方法和无回弹的反复成形工艺方法。

  4.设备设计理论:提出了基本体与基本体群设计方法。多点成形设备关键结构的设计方法和优化设计方法。

  (三)在实用技术开发方面:

  在大量实验的基础上,解决了一系列实用化关键技术,主要有:

  1、无缺陷弹性垫技术:可以有效地抑制压痕,起皱等成形缺陷,使成形件的表面质量大大提高;

  2、无回弹反复成形技术:即利用多点成形柔性化的特点,采用反复成形工艺方法,减小工件的回弹及材料内部的残余应力,实现板材小回弹或无回弹成形。

  3.分段成形技术:即优化过渡区成形模型,进行大变形量、大尺寸零件的成形,实现小设备成形大工件,并使无模成形设备小型化。应用该技术已成形出超过设备工作台面积七倍的样件,扭曲面总扭曲角超过40g。

  4.多道成形技术:对于变形量很大的制品,选取最佳路径多道成形,使成形过程中板材各部分变形尽量均匀,以消除起皱等成形缺陷,提高板材的成形能力。

  5.闭环成形技术:即将自动控制技术与cat、cad结合起来,对成形后的工件进行三维测量,将测量的数据反馈到cad系统,经过控制算法运算后,计算出基本体群形状的修正量,传递给控制系统再次成形,这样反复几次,可以达到精确的目标形状。

  五、应用前景

  不同形状、不同尺寸的大型三维曲面板制品在轮船、舰艇、飞机、航天器、陆地车辆、大型容器以及不锈钢雕塑等军工和民品上比比皆是。近年来,随着航空、航天、海运、高速铁路、化工以及城市建筑等行业的发展,对其需求也在不断地增加,但落后的扳金弯形方法己不能适应这种发展要求,三维曲面板制品生产迫切地需要先进的制造技术。无模多点成形技术已经成熟,可以直接用于实际生产。它特别适合于曲面板制品的多品种小批量生产及新产品的试制,所加工的零件尺寸越大、其优越性越突出。无模多点成形技术将在轮船和舰艇的外扳、飞机和航天器的蒙皮、车辆、大型容器和城市雕塑的覆盖件等三维曲面板制品加工中有着广阔应用前景,并将产生巨大的经济效益和社会效益。

  曲面成型生产方式的创新——板类无模多点成型系统

  由长春瑞光科技股份有限公司、吉林大学无模成型技术开发中心研制的“板类无模多点成型系统”荣获国家重点科技攻关成果奖,被誉为曲面成型生产方式的重大创新。

    该技术是利用高度可调的基本体,形成多点工具曲面进行板材三维曲面成型的先进制造技术,该机的特点是:

    免去传统模具设计,提高板材成型极限,扩大加工范围,使复杂的设计一步压制成型。长春瑞光科技有限公司是一家专门从事板材多点成形压力机研发与生产的单位。目前已开发出与多点成形集成系统配套的CAD/CAE/CAM专用软件,并制定了产品的企业标准,在多点成形设备、专用软件、基础理论以及成形工艺等方面取得了具有自主知识产权的成果,已获得发明专利两项,实用新型专利三项。该技术是“八五”与“十五”国家重点科技攻关计划、国家863高技术计划的研究成果。公司获得了国家科技型中小企业技术创新基金的支持,并承担了国家科技成果重点推广计划、国家重点新产品计划等项目。有关多点成形的研究成果获得2005年中国机械工业科技进步一等奖、2003年吉林省科技进步一等奖及上海国际工业博览会创新奖。公司已获得“高新技术企业认定证书”,有三个型号的多点成形压力机通过新产品鉴定,是具有良好发展前景的中小型高新技术企业。

      长春瑞光科技有限公司以吉林大学无模成形技术开发中心为技术依托单位,中心主要从事有关板材多点成形技术的基础理论研究、设备设计与开发、软件开发及成形工艺研究等工作。该中心现有一批年青有为的高层次人才,其中教授五人、副教授三人,具有博士学位的研究人员七人,专业面覆盖机械、材料加工、流体传动、力学、自动控制、计算机等多种学科,并有三十余名博士、硕士研究生,具有很强的人才优势。该中心已经形成了多点成形设备设计与开发、控制系统研制、CAD/CAM软件开发、有限元数值模拟等几个主要的研究方向,在每个研究方向上均具有很强的科研实力。

      公司主要产品板材无模多点成形压力机是板类件三维曲面成形的先进设备,可应用于飞机蒙皮、船体外板、车辆覆盖件成形,还可用于压力容器、建筑装饰、城市雕塑以及医学工程中各种金属曲面的制造。该设备已销售至长春轨道客车股份有限公司、中船重工七二五所、唐山机车车辆厂等厂家,成功应用于高速列车流线型车头覆盖件生产、医学工程(钛板塑形)中以及船体外板、建筑装饰件等三维曲面件成形中,取得了显著的经济效益和社会效益。2005年,该设备已成功应用于2008年北京奥运会国家体育馆(鸟巢工程)的弯扭板件生产中。

       还有旋压技术,真空钎焊技术,电子束焊接技术,表面精整强化技术等的应用,可为新产品设计提供新的思路及结构。

  金属旋压成形技术,是板坯与芯模共同旋转由辊轮进给并施加压力使板坯紧贴芯模逐点局部变形的压成形工艺。旋压原理旋压可造各种轴对称旋转体零件如扬声器弹体高压容器封头铜锣也可用於气瓶收口筒坯成形等。旋压的特点是用很小的变形力可成形很大的工件使用设备比较简单中小尺寸的薄板件可用普通车床旋压模具简单只需要一块芯模材质要求低。旋压适用於小批生產﹐因其只能加工旋转体零件局限性较大率低。旋压可用专门机械﹐採用仿形旋压和数字控制旋压。在旋压成形的同时使板厚减薄的工艺称为变薄旋压又称强力旋压多用於加工锥形件薄壁的管形件等也可用以旋压大直径的深筒再剖开后成平板。

  金属旋压成形技术,通过旋转使之受力点由点到线由线到面,同时在某个方向给予一定的压力使金属材料沿着这一方向变形和流动而成型某一形状的技术。这里,金属材料必须具有塑性变形或流动性能,旋压成形不等同塑性变形,它是集塑性变形和流动变形的复杂过程,特别需要指出的是,我们所说的旋压成形技术不是单一的强力旋压和普通旋压,它是两者的结合;强力旋压用于各种筒、锥体异形体的旋压成型壳体的加工技术,是一种比较老的成熟的方法和工艺,也叫滚压法。

  

  在机械产品中如何节约原材料却能提高产品质量,减轻产品的重量却能延长使用寿命,降低产品的制造成本及能源消耗却能减少加工工时一直是人们关注的。例如"V"型皮带轮(通称"V"型带轮)是用途十分广泛的机械传动零件之一,如果能由钢板成型具有重要意义。钣制皮带轮同传统的铸铁皮带轮相比,可节约原材料70%以上。由金属钣材经拉伸--旋压成形的钣制旋压皮带轮是最新最佳的带轮结构形式。这种带轮不仅具备上叙优点,而且无环境无污染,尤其在汽车、拖拉机、收割机、空压机等多种机械产品中应用广泛。采用钢钣毛坯在专用的皮带轮旋压机床上使毛坯产生由点到线、由线到面的塑性变形而制成。旋压带轮一般有三种基本形式:折叠式带轮、劈开式带轮和滚压式多V型带轮(也称多楔带轮)。

  旋压带轮与铸铁皮带轮相比的优点是采用旋压工艺制成的(无屑加工),结构轻、省材料,因而转动惯量小,是一种节料、节能的新产品。生产效率高(每分钟加工2~4件),平衡性能好,一般无需平衡处理。由于材料流线不被切断,表面生产冷作硬化,组织密度提高,使轮槽表面的强度和硬度提高,并且尺寸精度高,三角带与轮槽的滑差小,皮带寿命长。

  

  CDC-S60立式数控旋压机床

  带轮旋压成形式工艺与设备是一项先进的技术,带轮旋压工艺上取得了折叠式带轮、劈开式带轮、滚压式多V型带轮和组合式带轮一系列科研成果,在理论与实践两个方面解决了旋压成形中的各种技术难题,并成功地用于生产。但与德国的旋压技术相比,我国还需要努力追敢,因为,我国许多产品还需要进口,尤其是汽车中的某些零部件。

  旋压产品简介

  CDC-S系列数控旋压机是生产旋压皮带轮的专用设备。旋压皮带轮做为一种新工艺产品,已经广泛用于汽车发动机中,如电机轮、水泵轮、空调轮和风扇轮等。按照皮带轮的槽型和加工工艺可分成三大类:劈开轮、折叠轮和多楔轮。示意图如下:

  

  由于此三大类旋压皮带轮的结构特点不同,其加工工艺也不相同。

   多楔轮所选用的材料厚度为2~6mm,一般均为3mm。采用拉深和冲压方法制坯,在旋压机上加工成形。由于齿形是在材料壁厚上用挤压方式使之产生金属流动和塑性变形而形成的,所以影响产品最终质量的因素就很多,包括上下模、旋轮、工艺参数、材料材质等。在以后的工艺分析和模具设计中会详细介绍。

   折叠轮所选用的材料厚度为1.5~2.5mm,也是采用拉深和冲压方法制坯,并在旋压机上加工成形。由于折叠轮在成形过程中没有发生金属流动,所以工艺上就比较简单,影响质量的因素不多。

   劈开轮的材料厚度为2~4mm,一般采用一次冲裁制坯,在旋压机上用旋轮从材料厚度的二分之一处劈开后整形而成形。由于其加工工艺也比较简单,影响质量的因素也不多,最主要的是受毛坯本身的平面度影响。因此对冲裁的冲压模具要求较高。

  

  真空钎焊技术从四十年代开始至今,已成为一种极有发展前途的焊接技术。真空钎焊是将被焊零件组装成整体放入真空容器中加热钎焊。作为一种先进的焊接技术,其优点非常突出,焊接变形小,焊缝质量高,一致性好,并且是一种无钎剂焊接技术,避免了钎剂对零件的腐蚀,焊后无需清洗,综合生产成本较低,已成为解决铝合金焊接这一共性“瓶颈”工艺技术的根本途径。

  

   最早出现在电子工业上钎焊铜和不锈钢的零件,后来又应用到航空工业、原子能工业,在1959年开始应用到制造不锈钢的板翅式换热器上。现在,被广泛应用于空气分离设备、石油化工设备、工程机械、车、船和家电等工业部门的板翅式换热器和冷却器中。

  

  由于真空钎焊技术具有无可比拟的优点,所以在世界工业发达国家得到迅速的发展和广泛的应用。

  

  二、真空钎焊的优点

  

  1.真空钎焊,因不用钎剂,显著提高了产品的抗腐蚀性,免除了各种污染,无公害的处理设备费,有好的安全生产条件;

  

  2.真空钎焊不仅节省大量价格昂贵的金属钎剂,而且又不需要复杂的焊剂清洗工序,降低了生产成本;

  

  3.真空钎焊钎料的湿润性和流动性良好,可以焊更复杂和狭小通道的器件,真空钎焊提高了产品的成品率,获得坚固的清洁的工作面;

  

  4.与其它方法相比,炉子的内部结构及夹具等寿命长,可降低炉子的维修费用;

  

  5.适于真空钎焊的材料很多,如:铝、铝合金、铜、铜合金,不锈钢、合金钢、低碳钢、钛、镍、因康镍(Inconei)等都可以在真空电炉中钎焊,设计者根据钎焊器件的用途确定所需的材料,其中铝和铝合金应用得最广泛。

  

  三、真空钎焊的应用

  

  1. 真空钎焊在航空发动机上的应用

  

  国外,美国普·惠公司的JT9D发动机蜂窝封严环,由环件和蜂窝夹芯用真空钎焊制成;该发动机燃油总管由主管和多个支管、喷咀用真空钎焊组成;此机发动机不锈钢热交换器由300多根不锈钢管、隔板、壳体用真空钎焊组成;JT8D发动机12、13级压气机静子环由内外环和几十个叶片用真空钎焊制成。美国GE的发动机机匣由240多个0.25~0.7mm厚的因康镍合金零件分三次阶梯真空钎焊而成。国内,沈阳黎明发动机公司、成都发动机公司分别真空钎焊静子环,用于海军飞机上;成都发动机公司真空钎焊燃油总管,并通过发动机试车。

  

  真空钎焊电炉是航空发动机制造中的主要钎焊设备,美国已有200多台真空钎焊炉。国内,黎明发动机制造公司、成都发动机公司、北京航空工艺研究所在70年代分别研制出中型单室的真空钎焊电炉。北京航空工艺研究所在1964年与天津电炉厂合作研制出半连续式真空钎焊炉,西安航发动机公司引进伊普森公司卧式真空电炉(炉膛尺寸910×610×610mm),北京民航Ameco公司引进伊普森公司钟罩式真空钎焊电炉(炉膛尺寸髟2300×1300mm),进口的炉子皆为微机控温、程序自动控制。现在,沈阳真空技术研究所、北京航空工艺研究所、沈阳市真空应用研究所等单位都研制了能够微机控温、按程序自动控制的大型高温真空钎焊电炉。

  

  2. 真空钎焊在工程机械上的应用

  

  真空钎焊中小钎头就是一个实例,中小钎头广泛地应用于冶金、地质、煤碳、水利、铁路、军工等建设事业上。据统计1978年,全国消耗中小钎头约1万只,而现在的用量就更大,在国民经济建设中发挥了重要作用。

  

  西北矿冶研究所1978年开始研制真空钎焊中小钎头,1980年通过冶金部作的技术鉴定,80年代已具有年产十万只中小钎头的生产线,产品供应全国上百家矿山使用。该所生产的钎头还先后在大庙铁矿、湘东钨矿、南京梅山铁矿、红透山铜矿、华铜铜矿等地进行了数十次试验。钻凿了不同类型的矿岩,经受了坚硬的花岗岩、难钻凿的角岩以及坚硬磨蚀性强的块状磁铁矿夹矽卡岩等考验。φ42mm的十字形钎头与瑞典同类型钎头在现场进行钻凿花岗岩的对比试验,平均使用寿命超过100m,达到了瑞典钎头的水平,据调查,使用寿命提高了1至1.5倍,给用户带来了显著的经济效益。

  由于铝合金密度小、耐腐蚀、导热和导电性好,且具有一定的比强度,铝合金材料应用范围不断扩大,电子设备中散热器、冷板和平板缝隙天线(典型结构如图1所示)基本上采用铝合金钎焊结构。

      散热器、冷板体积大,对钎缝成形和变形有一定要求,液冷系统中的冷板要求能承受0.4MPa的工作水压,根据不同要求可选用炉焊、真空钎焊工艺,其中真空钎焊适合质量要求高的零件。

      平板缝隙天线由1mm厚的辐射板、隔板、底板组成的共壁波导阵和馈电波导焊接成形,该天线结构复杂,目前国内外对此零件通常以数控加工成形,装配后采用盐浴焊、真空钎焊等几种焊接方式整体焊接,在制造工艺上存在一系列问题,尤其是天线的组合钎焊,波导作为微波传输通道,它要求有严格的截面尺寸、形位公差要求,钎焊后不仅要有合适的内腔圆角,同时不能在内腔形成金属堆积、熔蚀等缺陷,更不能有未焊上的钎缝和截面的翘曲变形,任何加工不合适都会影响天线的相位和驻波,所以这些结构特点给平板缝隙天线加工带来了很大的难度。

   2 铝钎焊原理

   2.1空气炉中钎焊

      空气炉中钎焊是最简单的炉中钎焊方法。钎焊时把装配好并加上钎料及钎剂的工件放入电炉中,工件被加热到钎焊温度后,依靠钎剂去除母材表面的氧化膜,使钎料流入接头间隙。取出冷却后便形成钎焊接头。

      由于炉中钎焊的加热周期较长,为了减少工件氧化,防止钎剂蒸发和丧失活性,应尽量缩短工件在高温下停留时间,钎焊工件的加热时间根据工件和夹具的大小而不同,一般通过试验确定。空气炉中钎焊设备简单,成本较低,加热均匀,变形小。但最大的缺点是钎焊过程中母材暴露在空气中,钎剂会发生严重的氧化,如果采用氮气保护效果会更好。另外由于氯化物钎剂钎渣的强烈吸潮性,钎焊接头易发生腐蚀,所以铝钎焊使用的钎剂最好是无腐蚀钎剂,其中QF型[1,2]钎剂是氟化物钎剂,它由KF及ALF3组成,当KF为45.8%、ALF3为54.2%时,钎剂中将不存在KF及ALF3,而全部形成 K3AlF6-KAlF4,由相图可知其共晶温度为562℃。该种钎剂不吸潮,在室温下不与水和铝发生反应,仅在钎焊温度附近有活性,焊后残渣不会引起腐蚀,在钎焊过程中去膜能力强,钎焊后接头耐蚀性好,钎缝致密性好,能用于铝合金空气炉中钎焊,但如果在潮湿的空气中加热这种钎剂时,钎剂成分要发生变化而影响去膜能力。另外,各个厂家生产的钎剂质量相差较大,在加热时间较长时尤其明显,有的钎剂根本不能完成钎焊,文献[3]指出,在加热温度、焊前清洗等正常情况下,钎剂质量波动是造成钎焊质量大幅度波动的主要原因。

   2.2真空钎焊

      真空钎焊是为适应宇宙航空、海洋开发、原子能、电子工业及化学工业的需要而发展起来的一种较新的钎焊方法。真空焊接过程不需要钎剂即能连接铝钛等高活性金属,同时能保证获得精密光亮的接头,此接头具备优良的机械性能和抗腐蚀性能。真空钎焊是在真空炉中进行,随着真空炉性能价格比的不断提高,铝真空钎焊炉已在民品、军品工业中得到大量应用,铝真空钎焊相比盐浴钎焊和钎剂钎焊具有明显的优点:1)无毒和无污染;2)不使用钎剂,不存在焊渣,无需焊后清洗,节约人力物力;3)在真空中加热,没有氧化问题,可以加工很大的工件;4)加热均匀,变形量小,可以做到焊后不修整,这对于焊后难于清洗和修整的高精度铝波导是非常必要的,同时对于风冷散热器、水冷冷板的钎焊也比较适合。真空炉由真空室、加热器、控制系统和配套的真空系统组成。现在主流的铝真空钎焊为冷壁炉,采用水冷炉壁,生产条件好,钎焊的工件质量高,适用于小批量、多品种零件的加工。

   3 工艺过程

   3.1基体材料、钎料及使用

      表1是几种常用钎焊基体材料、钎料的物理和机械性能。由于LF21、LD31铝合金材料的固相线温度比其他铝合金高,比较适合铝合金高温钎焊,LF21铝合金适用于各种结构件,而LD31铝合金可热处理强化,其加工性能、抗腐蚀性能、力学性能良好,适用于真空钎焊后需热处理强化的结构件,如平板缝隙天线等。在散热器、冷板加工过程中发现10mm左右的铝合金原材料有一定的变形,会影响装配过程和钎焊质量,也增大后续铣加工量,冷校平很难解决这一问题,通过试验采用热校平工艺很好地解决了此问题。

  

      钎料是钎焊工艺中的关键连接材料,Al-Si、Al-Si-Sr-La共晶钎料适合于空气炉、气体保护炉有钎剂钎焊,目前使用的为Φ1.5mm的盘状钎料,为了使钎料贴近钎缝形成满意的焊缝,要求钎料必须直,在校直过程中我们采用退火工艺后拉直,现在钎料可以做的很直,有利于钎焊质量的提高。Al-Si-Mg钎料及复合钎料板适用于真空钎焊,在钎料中加入一定量的Mg,可以提高局部去膜效果。

   3.2钎剂和活化剂

      铝合金表面氧化膜致密稳定、熔点高,在普通钎焊温度下不易分解,在空气炉、气体保护炉钎焊必须使用钎剂,QF型氟化物钎剂有较强的去氧化膜能力,但其机理目前尚不清楚,有人认为主要是氟铝酸钾能溶解氧化铝膜,且常温下不与水反应,我们用的就是带水的浆状钎剂。铝的真空钎焊由于铝的氧化膜在真空中也很难分解,所以在很长的一段时间内没有取得进展,直到提出采用所谓金属活化剂后,铝的真空钎焊才被实现。试验表明,Mg是铝真空钎焊最好的活化剂,通过加入镁可以获得良好的钎焊性能和优良的钎焊接头。

   3.3工件结构特点的分析和加工过程

   3.3.1工件结构特点的分析

      由于各工件技术要求不同,加工工艺也不一样,合理的钎焊接头设计十分必要,通过对散热器、冷板和平板缝隙天线各自特点的分析,提出如图2的结构形式。[FL)]

  

      空气、氮气炉钎焊散热器采用铣定位槽结构,该结构定位可靠,钎剂和钎料添加位置合理,大面为整体材料,变形易控制,已在生产中大量采用。

      真空钎焊散热器、冷板采用复合钎料板夹在基材中的夹层结构,该结构由于利用了复合钎料板良好的钎焊性能,只要控制好工艺,钎焊质量易保证,但对上面结构的散热器要兼顾钎料流淌和强度,温度过高,钎料流淌严重,温度过低,强度不易保护。真空钎焊平板缝隙天线采用扭式榫头,中间夹钎料箔的结构,该接头相比目前常用的胀铆榫头结构,减少铆接应力,加工也比较方便。

   3.3.2典型工件的加工过程

      空气(氮气)炉钎焊散热器、冷板的工序为:1)热校平;2)焊前清洗、零件铣成形;3)装配、加钎剂钎料(不需要烘干);4)钎焊;5)清洗;6)机加工成形。

      真空钎焊散热器、冷板的工序:1)零件成形; 2)焊前清洗、钎焊; 3)机加工成形。平板缝隙天线的工序为:1)数冲阵面板成形、波导等零件铣或线切割成形;2)焊前工件、钎料表面处理,尤其线切割面的处理;3)装配钎焊成形,包括夹具设计;4)校形;5)电性能测试。

   3.4夹具设计

      铝合金钎焊一般要加热到600℃左右,在这个过程中,工件易变形,尺寸精度不易保证,同时为了保证钎焊间隙通常要采用夹具,铝合金钎焊夹具材料一般采用不锈钢,有特殊要求时也可以选用其他材料作为夹具材料。采用不锈钢夹具材料时,由于不锈钢和铝合金的热膨胀系数不同,LF21的热膨胀系数为25×10-6/℃,1Cr18Ni9Ti的热膨胀系数为18×10-6/℃,工件从25℃加热到600℃时,当所限制尺寸为100mm(散热器)时,铝合金与不锈钢的膨胀量差为0.4mm,当所限制尺寸为600mm(如平板缝隙天线)时,膨胀量差为2.4mm,在钎焊温度时由于不锈钢的刚性远大于铝合金,所以铝合金会产生变形。另外,工件在加热和冷却过程中由于速度不均匀也会产生变形。夹具设计时根据工件不同要求,在考虑定位需要的同时还必须考虑以上因素。

      散热器、冷板钎焊主要对加工大面的平面度、侧板与底板垂直度、焊缝间隙有要求,其他要求不十分严格,采用强制变形夹具可以满足使用要求,图3为强制变形夹具的使用状态,待焊件依配合尺寸而紧固于夹具体内,在钎焊过程中,被焊件的变形行为始终受夹具的限制,即随夹具的变形而变形,这样在焊后其配合尺寸即为夹具尺寸。由于夹具的刚性远大于铝合金,因而配合尺寸基本可以保证。另外为了降低工件的冷却速度,设计一个冷却罩,在工件出炉后立即罩上,使工件与冷空气热交换减少,达到使工件均匀冷却,减少变形的目的。

  

      对于平板缝隙天线这类工件,不仅有配合尺寸要求而且对外形尺寸精度要求高的零件,采用强制变形夹具就不能满足要求,当所限制长度方向尺寸为600mm(天线)时,膨胀量差为2.4mm,可能引起的变形量就达2.4mm,而厚度方向尺寸为10mm时,可能的变形量为0.04mm,这对于壁厚为1mm,尺寸公差为0.05mm的波导来说,这种变形是不允许的,必须考虑别的结构形式的夹具,如文献[4]提出的柔性夹具。

   3.5钎焊设备

      (1)KBC-L型铝钎焊空气炉的主要结构组成,该炉由控制系统、可动炉体和推车三部分组成,如图4所示。钎焊炉工作方式为:炉体预热→炉罩上升→推车移出→工件放置→推车复位→炉罩下降→钎焊出炉。

  

  该炉温测控系统主要由Al人工智能工业调节器、小型圆图温度记录仪、可控硅模块、各功能按钮及仪表等组成。将设定值输入Al人工智能工业调节器(温度和时间),由调节器控制可控硅模块,通过调整一个固定的时间内可控硅通断比例来实现输出功率大小变化,从而达到连续调节加热炉功率的目的。小型圆图温度记录仪通过热电偶的转换,可分别记录炉膛温度和钎焊工件温度(模拟)与时间的曲线,有利于钎焊工艺的分析和参数的调整。该控制系统具有测温精度高,控温性能好,操作方便等优点。现在采用三温区控温的氮气炉性能更好,钎焊的散热器质量更高。

      (2)铝真空钎焊炉,这类钎焊炉采用多温区控温,炉温均匀性为±5℃,工作真空度≤1.3×10-3Pa,最适用于复合板(带钎料)结构工件的钎焊。在民品、军品生产中得到广泛应用,如空分设备中的换热器、汽车和电子设备的散热器等,但对于特殊结构工件(如平板缝隙天线)的钎焊需要采用特殊工艺。

   3.6钎焊规范

   3.6.1空气炉加热规范和清洗工艺的确定

      由于该工件厚度较厚、体积较大,采用硬加热规范,把炉膛温度预置到650℃,然后把安置好钎料和钎剂的工件放入炉膛进行加热,待工件温度上升到600℃即可出炉冷却。钎焊后的工件在20%左右的硝酸溶液清洗,可以得到满意的清洗效果。

   3.6.2真空钎焊规范

      为保证工件钎焊质量,要严格控制工件、钎料焊前表面处理(包括必要的机械清理),缩短焊前装配时间,在真空钎焊过程中,真空度控制在1.3×10-3Pa左右,钎焊温度为600℃,加适量镁,钎焊时钎料的润湿和接头形成是一快速过程,约需要1秒钟,因此保温时间主要由整个零件加热到钎焊温度所需的时间及氧化膜层消散所需时间决定,如果保温时间过长,工件易形成熔蚀。

   4试验结果及讨论

   4.1外观检验

      在空气炉中钎焊散热器的过程中也发现部分工件有少量熔蚀、钎缝成形欠好和变形等缺陷,经试验分析认为产生熔蚀的主要原因为加热时间过长,钎缝成形欠好的原因是钎剂质量不稳定,产生变形原因为夹具设计不完善,针对产生问题的原因采取相应措施后钎焊的散热器、冷板,钎缝经目测检验,圆角形成良好,钎料熔化完全,无熔蚀现象,钎焊后工件大面的平面度≤1mm。平板缝隙天线20根波导阵中的波导内圆角≤0.5mm,波导内表面光滑,钎缝成形较好,辐射面平面度≤0.2mm,基本达到设计要求,其中馈电部分有所欠缺,主要问题是部分尺寸有偏差和部分钎缝结合不好,大小H-T组成的功分网络钎焊质量有待提高。

   4.2钎焊接头机械性能和金相组织

      钎焊接头按国标GB2651-89、GB2653-89进行拉伸和弯曲试验,钎焊接头的抗拉强度为100MPa,冷弯角为145°,拉伸试样断裂部位都在母材,表明钎缝的强度比母材高,弯曲试验表明钎焊接头塑性较好。分析钎缝的金相组织,该组织为典型的α~Al+Si共晶组织。

   4.3交变湿热试验

      结合整机要求,将空气炉中钎焊的散热器清洗后按GJB367.2-87进行交变湿热试验,周期为48小时,钎缝表面保持金属光泽,无腐蚀现象发生。

   4.4冷板致密性检查

   4.4.1水压试验

      将水通过手动试压泵徐徐加压充入冷板内(试验压力为0.8MPa),未见泄露。水压试验结果表明,采用上述工艺制造的冷板能满足0.4MPa压力的冷却液在使用过程中不漏水的要求。

   4.4.2断面检查

      为检查钎缝内部的致密性,将冷板试样用铣加工的方法从中间剖开,腐蚀后观测钎缝,空气炉钎焊冷板上可以看到有不致密缺陷存在,但由于这些缺陷是相对孤立的,只要不形成从内到外灌通的通道,就是安全的,这一点也可以从水压试验冷板不漏水中得到证实。而真空钎焊冷板内部十分致密,无任何缺陷存在,这是因为真空钎焊不需要钎剂,钎焊过程中又采用复合板,不会有钎剂残渣留在钎焊面上。

   4.5天线电性能测试

      真空钎焊的平板缝隙天线,1/16子阵天线经测试近、远场方向图良好和驻波比小于1.5。全阵天线驻波比小于1.9,增益为30dB,方向图良好,达到了设计要求。

  5结束语

      空气炉中钎焊散热器和冷板,工件钎焊质量良好,工艺过程稳定,设备投资少,综合成本小,采用该工艺已生产散热器、冷板等工件300多套,氮气保护炉钎焊质量更好。采用合理的真空钎焊工艺可以加工出满足设计要求的平板缝隙天线,而真空钎焊的冷板的质量相比于空气炉钎焊有明显提高,对于尺寸大、质量要求高的工件采用真空钎焊工艺是合适的。

  电子束焊接工艺代替氩弧焊

  真空电子束焊能量集中、质量高、人为因素影响小,能够提高焊接质量和尺寸精度,减小零件变形。涡轮后机匣属于大型薄壁件,由铸件、锻件、板材和钣金件组成,焊缝轨迹复杂,装配质量难以保证真空电子束焊接的要求,而且在国内没有采用真空电子束焊工艺的先例,没有相关技术资料可以参考,因此从工艺路线确立、材料焊接性试验、焊接参数优化、编制程序以及工装研制和装配,都需要一步一步地摸索,一项一项地攻克。 

        采用电子束焊接工艺,首先需要突破的是“黑线”问题。“黑线”是GH4169和K4169类高温合金材料在电子束焊接过程中产生的晶界析出物,是影响焊缝质量的一大隐患;特别是在高温环境下,严重影响零件使用性能。为科学判定“黑线”产生的原因,以便采取有效措施,攻关组组长刘成来带领团队成员从调整焊接参数入手,进行了大量有针对性地试验。遇到问题,他们一起商量,查找资料,反复论证。在设计部门,人们时常会看到他们悉心探讨、相互切磋的身影;在生产现场,映入人们眼帘的是他们向工人师傅请教,研究零件加工方法的场景。功夫不负有心人,经历一年努力,他们终于摸索出了最佳焊接工艺参数,消除了“黑线”现象,成功地迈出了关键的第一步。 

        了确保研制节点,一航黎明决定加快试验步伐,要求用两个月时间完成首台机匣焊接任务。工艺路线选择成为一大关键,因为一个试验件就超过20万元,如果工艺线路不佳,不但影响攻关进程,而且还会增加很大的成本。经过缜密分析与论证,最后攻关组决定先进行环形部分拼焊,再整体与安装边焊接,以此保证零件的轮廓精度和尺寸精度。 

  1、薄板的焊接 

  板厚在0.03~2.5mm的零件多用于仪表、压力或真空密封接头、膜盒、封接结构、电接点等结构中。薄板导热性差,电子束焊接时局部加热强烈。为防止过热,应采用夹具。夹具材料为纯铜。对极薄工件可考虑使用脉冲电子束流。电子束功率密度高,易于实现厚度相差很大的接头的焊接。焊接时薄板应与厚板紧贴,适当调节电子束焦点位置,使接头两侧均匀熔化。

      2、厚板的焊接 

      目前电子束可以一次焊透300mm的铜板。焊道的深宽比可以高达50:l。当被焊钢板厚度在60mm以上时,应将电子枪水平放置进行横焊,以利焊缝成形。电子束焦点位置对熔深影响很大,在给定的电子束功率下,将电子束焦点调节在工件表面以下。熔深的0.5~0.75处电子束的穿透能力最好。根据实践经验,焊前将电子束焦点调节在板材表面以下,板厚的三分之一处,可以发挥电子束的熔透效力并使焊缝成形良好。

      3、添加填充金属

      只有在对接头有特殊要求或者因接头准备和焊接条件的限制不能得到足够的熔化金属时,才添加填充金属。

      添加填充金属的方法是在接头处放置填充金属,箔状填充金属可夹在接缝的间隙处,丝状填充金属可用送丝机构送人或用定位焊固定。

      送丝机构应保证焊丝准确地送入电子束的作用范围内。送丝嘴应尽可能靠近熔池,其表面应有涂层以防金属飞溅物的沾污。应选用耐热钢来制造送丝嘴。应能方便地对送丝机构进行调节。以改变送丝嘴到熔池的距离、送丝方向以及与工件的夹角等。焊丝应从熔池前方送入。焊接时采用电子束扫描有助于焊丝的熔化和改善焊缝成形。

      送丝速度和焊丝直径的选择原则是使填充金属量为接头凹陷体积的1.25倍。

      4、定位焊 

      用电子束进行定位焊是装夹工件的有效措施,其优点是节约装夹时间和经费。

      可以采用焊接束流或弱束流进行定位焊,对于搭接接头可用熔透法定位,有时先用弱束流定位,再用焊接束流完成焊接。

      5、焊接可达性差的接头

      电子束很细、工作距离长、易于控制,所以电子束可以焊接狭窄间隙的底部接头。这不仅可以用于生产过程,而且在修复报废零件时也非常有效。复杂形状的昂贵铸铁件常用电子束来修复。

      对可达性差的接头只有满足以下条件才能进行电子束焊接:

      (1)焊缝必须在电子枪允许的工作距离上;

      (2)必须有足够宽的间隙允许电子束通过,以免焊接时误伤工件;

      (3)在电子束的路径上应无干扰磁场。

      6、电子束扫描和偏转 

      在焊接过程中采用电子束扫描可以加宽焊缝降低熔池冷却速度,消除熔透不均等缺陷,降低对接头准备的要求。

      电子束扫描是通过改变偏转线圈的激磁电流,从而使横向磁场变化来实现的。常用的电子束扫描图形有正弦形、圆形、矩形、锯齿形等。通常电子束扫描频率为100~1000Hz。电子束偏转角度为2°~5°。

  电子束扫描还可用来检测接缝的位置和实现焊缝跟踪,此时电子束的扫描速度可以高达50~100m/s,扫描频率可达20kHz。

  在焊接大厚度工件时为了防止焊接所产生的大量金属蒸气和离子直接侵入电子枪可设置电子束偏转装置。使电子枪轴线与工件表面的垂直方向成5°~90°夹角,这对于大量生产中保证电子枪工作稳定是十分有利的。

      7、焊接缺陷及其防治

      和其它熔化焊一样,电子束焊接接头也会出现未熔合、咬边、焊缝下陷、气孔、裂纹等缺陷。此外电子束焊缝特有的缺陷有熔深不均、长空洞、中部裂纹和由于剩磁或干扰磁场造成的焊道偏离接缝等。

      熔深不均出现在不穿透焊缝中,这种缺陷是高能束流焊接所特有的。它与电子束焊接时熔池的形成和金属的流动有密切关系。加大小孔直径可以消除这种缺陷。

      长空洞及焊缝中部裂纹都是电子束深熔透焊接时所特有的缺陷。降低焊接速度,改进材质有利于消除此类缺陷。

  电子束焊接技术在航天领域中应用

  

宇航技术中所用的各类火箭、卫星、飞船、星球车、空间站以及太阳能电站等,它们的结构件、发动机,以及所用的各种仪器等都有一些共同特点,不仅要求零部件质量极为可靠,能经受各种恶劣环境,如强力振动,因日照变化引起的高低温度交替冲击,失重,宇宙线幅射,超高真空环境中运作;而且要求零件尺寸小,重量轻,气密性好。因此,对宇航零部件的结构设计、材料选择及加工工艺都提出了极为苛刻的要求,实践证明为了满足上述特点,电子束焊接技术是必不可少的强有力的工具之一。这是因为电子束焊接技术有以下一些特点:

  (1)电子束焊接能量密度很高(106W/cm2),对于任何材料,包括高熔点钨、钼等材料,其焊缝都能快速熔化。一般不用焊条,靠零件自身材料熔接而成。

  (2)电子束焊接在真空中进行,可防止材料氧化及其它有害气体侵入。利用熔池与真空气氛的压差,有利于焊缝熔化金属中所含气体排出,减少焊缝气孔,增加气密性,提高焊缝强度都有好处。

  (3)电子束焊接不仅能量密度高,而且因其特殊焊接机理可以获得很大的焊缝深宽比,焊缝又深又窄,因而焊接零件变形小。对于较厚零件,采用100kW电子束焊机一次可焊透钢200mm,采用普通焊接方法就需多次填充,会造成零件较大变形。

  (4)焊接两种物理性质差异大(如热传导或热容量)的材料所构成的零件时,两种材料可同时瞬间熔化再快速凝固,如铜与钢,极薄的零件与厚零件的焊接都可实现。

  (5)电子束可以聚得很细,偏转方便,所以可焊很精细零件。可焊难以达到的焊接点,因此对特殊结构,和特别精细的零件用电子束焊接是非常适宜的。

  (6)能量密度高,焊接速度快,热影响区范围很小,不会对临近半导体器件或其它热敏器件产生不良影响。

  以下我们略举几种电子束焊接在宇宙航行中应用事例。

  即将建设的空间站以及正在规划的太阳能电站,这些都需要用航天飞机,或运载火箭分成小块运送到空间,再装配而成,采用铆接和螺栓联接会大大增加结构重量,使用电子束焊接是最理想的,无需焊条,不会额外增加结构重量。在宇宙空间采用电子束焊另一优点是无需真空系统,大大简化了焊接设备。

   美国六十年代研制成的宇宙空间用电子束焊机,为阿波罗登月舱维修用,这是因登月舱在着落月球表面时,万一不慎冲击力过大而将腿折断,无法起飞返回地球,经详细分析,论证并经科学实验确认电子束焊接是最理想的并付之实现。未来的空间站及太阳能电站长年累月地在空间飞行,面积又大,难免受到陨石冲击而损坏,同样需要用电子束焊机来修补。  

  

  宇宙航行用各类器具其零部件焊接除一小部分需在宇宙空间完成焊接作业外(如上述),大多数零部件可在地面完成。由于电子束焊接杰出的焊接性能,以及宇宙器具的特殊要求,故采用电子束焊接的零部件的品种、数量繁多,以下仅选取一些典型焊接例子。

  现代化飞航和星际站要为人类提供居住的气氛,飞船和星际站内部充以成分与压力相当于地球大气的气体,由于不可避免存在着泄漏,就需从地球补送气体。很明显飞行器漏气量越大,其补充量越大,给宇船带来很大负担。宇宙空间是超高真空,对飞行器的气密性要求更高。如已使用过的双子星座(飞船内乘二人来往于地球与月球间),其气氛维持不到二周,如果乘员增加,或航程变长,尤其是在远离地球,空气无法得到补充的情况下,就会带来严重问题。因此对宇宙飞行器的气密性提出了非常严格的要求,形成气体泄漏有几种因素,但飞行器焊接质量是因素之一,经试验证实电子束焊接可获得最小泄漏量。

  美国阿波罗的载人登月舱,其采用的是可调节液体火箭发动机,该发动机的质量关系到宇航员生命安全,要求焊接绝不能有缺陷,电子束焊接能满足其要求,该发动机共有64种零件采用电子束焊,其中流量控制由阀及其岐管组成,90%用电子束焊。其材料为321~347不锈钢、6061铝合金、17~4、17~7、PH不锈钢和6A1~4V钛,还有一些执行元件,测试基准和指令控制盒等,因电子束焊可输入很小能量、变形很小又不会损坏焊接件中封存的电子元件和传感器件。宇航用短时小型推力器如图2所示:在外壳中封存炸药、其喷口是用0.05mm304不锈钢薄膜封住,当炸药引燃后,高压气体冲破该膜而产生推力。要求①③④零件一次焊牢,由于结构需要,焊缝离炸药仅1mm,在焊接封装时炸药表面温度不能超过150℃,否则会引燃炸药,只有用电子束焊接并严格控制其参数才能达到其要求。

  

  空间飞行器的推进器中有不少零部件因其结构与材料很特殊,采用电子束焊成功地解决了其疑难问题。如有的星际飞行器,其推进器用的是电火箭,其发射体使水银或铯汽化并游离,其离子在加速极电势作用下,从其表面拉出并加速到一定速度,形成所需推力,发射体的表面积越大,其游离量越大,效率越高,多孔钨是最佳选择。多孔钨还需与支撑件钨块用电子束焊牢成一体,而该钨支撑件又必须与钽盒焊牢,但钽与钨直接熔焊,其合金变脆,而以钛为中间介质用电子束钎焊,而获得无裂纹焊接。

  钛合金有高的强质比,是宇航用重要结构材料。用氩弧焊,延性差,很脆,而用电子束焊,共焊接质量好得多,如焊过5A1,2.5Sn;4A1,3Mo,1V;6A1,4V;13.5V,11Cr,3A1等,用电子束焊这些钛合金焊缝强度能达到基材的等强度,其冲击强度甚至比基材还高。铍合金具有更高的强质比,阿波罗飞船门的框架构件就用铍合金,采用电子束焊接而成。图3所示导弹壳体采用非真空电子束焊示意图:   工具钢、热加工模具钢(5%Cr,0.4%C)适合于某些导弹和空间飞行器骨架用材,因价格较钛合金低得多而具有竞争力,其极限强度为300,000psi,用局部电子束热处理可以改善其特性。耐熔金属如钨、钼、钽、铌等在宇航中应用面比较广,但有强烈吸气性和脆性倾向,采用常规电弧焊质量难以保证,而电子束焊接在真空中进行,可以避免其吸气,减少脆性,增加它们的它们的延性和耐冲击强度。焊钽与钼材料,其焊缝强度可与基材相当。

  有些零件的不同部位,将处在不同气氛(如高或低温,腐蚀与否;粉尘状态等)和不同工作状态(如负载大小与性质差别,热传导的不同,硬度与耐磨要求等)下运行,用一种材料要满足不同部件的不同要求,有时得放弃合理结构如改变结构、增加零件尺寸、重量、加工工序。电子束的优越特性可很好地解决大多数异种金属间的焊接难题,来满足零件的理想结构。在宇航加工工艺中还会遇到一些非金属材料如陶瓷、石墨、玻璃的焊接,或这些材料与高熔点金属之间焊接难题,电子束焊接可顺利解决。这些非金属材料与非高熔点金属之间熔焊技术尚未解决,但用电子束钎焊可解决这一难题,因高真空条件下用电子束蒸镀钛到零件表面,能起到润湿作用,使钎焊料很易漫延而达到优质钎焊。电子束焊接能解决大多数异种材料焊接难题,这样制造出来的零件其尺寸小,重量轻,性能好。

  

2 宇航用电子束焊机特殊要求

  宇航零部件所用电子束焊接设备,大致分为两大类,一类是常规的电子束焊机。用来焊接可以在地面装配的零部件,这一类机器与普通电子束焊机相同,不再另述。另一类是空间所用电子束焊机,美国与前苏联都已研制成功,因其必须运到空间去进行焊接操作,故须适应空间特殊环境。

  (1)重量轻、体积小。这是最关键指标之一。因为它靠火箭发射到空间,在空间宇航员还需背负整套设备进行焊接操作。尽管无需真空系统,但高压整流电源及电子枪等仍不可缺少,还需要有电池,美国研制登月用的电子束焊机,在地球上整机重量为150公斤,在月球上仅为26公斤。

  (2)要对宇宙辐射线进行仔细防护。由于宇宙空间没有大气防护,宇宙线的辐射非常强烈,它会对一些器件,尤其是半导体器件及绝缘材料起破坏作用,使一些零部件失灵,必须采取保护措施。

  (3)需考虑失重状态对各种零部件功能影响。

  (4)宇宙空间是超高真空(<10-12Pa),其零部件必须适应该气氛中工作。

  (5)设备所用材料与元件,要经得起空间温度交变的影响(从-150到 250)。

  宇宙航行用电子束焊机,美国与前苏联都研制出类型相似的焊机。主机有新型空间用电池,为焊机提供能源,采用逆变器将电池供给的直流电转变为高频电,再经变压器升压与整流,转变为20~30kV直流高压供给电子枪。后者高压档次亦曾经过深入实验研究,加速电压高了(80kV)虽然其聚焦性能好,但设备体积大,份量重,机动性差,X射线防护复杂,不便宇宙空间使用;电压在15kV以下就不必采用X射线防护,缺点是熔化深度与工作距离关系密切,电压越低影响越明显,在宇宙空间维修时主要靠手焊,将不可避免的会抖动,由此引起的工作距离变化将带来熔深、熔宽的显著变化,影响焊接质量,因此宇航用电子枪加速电压不希望低于20kV。美国研制登月修补用电子束焊机电子枪其功率为1.5kW,高压为20kV,枪的尺寸(不包括把手)长250mm,直径75mm,带把手重为4.35公斤(地面)。

  在宇宙空间进行焊接,因失重对焊缝成型机理是否会发生根本变化,能否顺利进行焊接,美、苏二国在早期(还没有飞船时)曾利用飞机造成失重状态进行工艺研究,每次试验能维持25秒钟,焊接结果其焊缝形状和熔化量与通常有重力条件下是一样,仅在焊一些个别材料如AMT6出现一些大的气孔,这是由于在超高真空条件下更易将把熔化金属区内气体析出所致,像铝合金AMT6易蒸发性材料较易引起气孔。虽然在宇宙空间焊接并未遇到原估计那么多的困难,但对焊接操作、参数规范等还需进行严格控制。

  要想在宇航技术中充分发挥电子束焊接这一先进技术,一方面要研制适用于宇宙空间用的先进的电子束焊接装置,另一方面要深入研究在宇航特殊气氛中的焊接工艺。

  空间科学技术,包括载人飞船已列入我国科研规划,宇航用电子束焊接技术是必不可少的,具有三十多年该方面科学技术积累的我国科技工作者,一定能配合好总体计划,完成历史赋于他们的使命。

  机械零件的精整与光饰

  机械零件投入机械加工的每张图纸都有去毛刺的技术要求,一般车、铣、刨、磨、镗可编制常规工艺,通过标准机床来完成。但只有去毛刺工序,工艺人员往往无法编制工艺文件,通常采用锉刀、布轮、砂布、砂带等办法来去除毛刺。这样以来会带来一些弊病:一是毛刺去除不均匀,二是容易形成二次毛刺,三是容易划伤其它部位,四是生产率低,污染严重,五是影响整机质量和性能。随着科学技术的进步和生产的发展,人工去毛刺已不能适应现代市场竟争的产品质量和生产方式的要求,光整加工技术逐步取代了传统的去毛刺工艺,而且越来越被人们所重视,目前有些企业机械零件的精整与光饰已被技术人员编入图纸技术要求的内容,并形成了标准工序。

  各种机械加工,无论是切削加工,还是铸造、锻造、冲压等加工,几乎都不可避免在零件表面留下一定的缺陷,如表面不平、凸棱明显、刀痕波纹、飞边、毛刺、微观裂纹等。例如,单进行一个面铣刀削工序时就会产生:在进刀面上形成进刀毛刺、进刀侧面毛刺,在出刀面上形成出刀端毛刺、侧面毛刺,在已加工表面上形成顶部毛刺等。这些缺陷直接影响到零件的外观质量及使用性能,严重造成整机质量及性能指标下降,带来的却是产品市场滑坡。然而,只需增加一道光整加工工序就能解决这些问题。例如,一家生产煤气表的厂长说,他家生产的煤气表的每个零件都是合格的,但就是组装后累计尺寸达不到要求交不了货。这肯定是冲压引起的显微毛刺在作怪,待把所有的零件进行光整加工后全部都能交货。经过几年来的理论研究、实验分析、生产验证和大量的工艺试验研究结果,凡应用机械零件的精整与光饰加工技术均可达到以下技术指标:

  1.可靠地去除零件的机械加工毛刺,倒圆锐边与尖角;

  2.有效地清除铸件、锻件和热处理件表面的残渣、杂质及氧化皮;

  3.在原基础上细化零件加工表面粗糙度1-2级;

  4.改善零件表面层应力状态,形成抗疲劳破坏的均匀压应力值;

  5.改善零件表面层金相组织状态,提高表面显微硬度,形成耐磨损、抗疲劳的致密金属层;

  6.提高零件清洁度,完成传动件的初期磨损,改善整机部分性能指标,缩短整机磨合期40%以上;

  7.降低工艺成本,减轻工人劳动强度,提高生产效率,无污染,便于机械化和自动化生产。

   

  

 

  

一.自由磨具表面光整加工技术

   

      近几年机械零件的精整与光饰开发出来的旋流式、离心式、叉轴式、卧式四大系列,十多种机型及大量辅料经投放市场,进行了数百种机械零件的精整与光饰的工艺试验研究,取得了较好效果。取得了较好的经济效益和社会效益。

  1.自由磨具光整加工效果的实验研究

  滚磨光整加工是将被加工零件置于盛有磨块和磨剂等介质的滚筒中,在复杂的相对运动下,游离状态的磨块始终以一定的压力对零件表面进行碰撞、滚压及微量磨削,从而细化表面粗糙度,去除加工毛刺和表面微观缺陷,改善表面物理机械性能,达到提高零件表面质量和改善使用性能的目的。当设备选定后,还必须确定合适的磨块种类、装入量、混合比、加工时间等参数才能获得理想的光整加工效果。影响光整加工中工件的质量和效果与表3所列各因素有关。

  磨块特性包括:磨块的形状、尺寸大小、表面粒度、材质配比、烧结硬度及含沙量等。光整加工时要根据被光整零件的材料及要求,认真选择相对应的磨块特性;混合比是指磨块、磨剂、水和工件的混合比例。在使用离心机进行光整加工时,装入量(指磨块、磨剂、水和工件的总量)和工件比尤其重要。一般情况下,保证在光整加工过程中,磨块始终包容着每个被光整加工的零件;磨剂是根据被光整加工零件的材料(钢、铜、铝、不锈钢等)和要求来分种类。零件的材料不同所选的磨剂的种类也不相同。

       机械零件的精整与光饰加工要求确定后,所选设备的类型对光整加工效果影响最大。一般情况下先进行大概选择,然后再进行工艺试验,以确定光整加工最佳工艺方案(磨块、磨剂及光整加工时间等)。

   

  2.光整加工实例和检测结果

      1)某发动机厂单缸曲轴,材料为球铁,使用BJGX400型旋流式光整加工,一次6根,光整时间15分,经测试各轴颈处尺寸精度等级未变,而表面质量明显提高,检测结果如表1所示:

  1            曲轴表面质量检测结果

  

 

  

参数工序

  

显微硬度HV

  

粗糙度Ra(μm)

  

轴颈表面应力(Mpa

  

毛刺状况

  

主轴颈

  

连杆轴颈

  

主轴颈

  

连杆轴颈

  

切向

  

轴向

  

毛刺锐边

  

光整前

  

377

  

367

  

0.63

  

0.78

  

-149

  

-423

  

毛刺锐边

  

光整后

  

449

  

449

  

0.35

  

0.53

  

-703

  

-655

  

无刺倒圆

  

   

   

  该零件经滚磨光整加工后,在装配和使用中取得以下明显的效果:

  1)由于表面细化了粗糙度,提高了显微硬度,产生了压应力,从而增强了疲劳强度,减少了零件使用中的断裂率,提高了使用寿命。

  2)由于清除了零件的全部毛刺,并对非加工表面也进行了滚磨,从而便于装配,提高了整机的清洁度。

  3)由于零件经滚磨加工,已完成了零件使用时的初期磨合,提高了整机的使用性能。

  4)零件加工后,在高倍放大镜下观察,可见轴颈表面有微小压痕,此压痕有利于存油,从而减少了起动时表面的磨损。

  5)应用滚磨工序取代了原有的油孔口抛光、轴颈圆弧处滚压、轴颈抛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)某动力机厂480凸轮轴加工情况同例1,表面质量检测结果如表7所示。该零件去除所有毛刺,使用时减少了气门顶杆与凸轮面的划伤。表2为另一厂家所生产495凸轮轴光整前后残余应力测试结果。

   

   

    2                凸轮表面质量检测结果

  

参数工序

  

显微硬度

  

HV

  

粗糙度

  

Ra(μm)

  

凸轮表面应力(Mpa)

  

毛刺状况

  

切向

  

轴向

  

光整前

  

377

  

1.82

  

-173

  

-471

  

毛刺锐边

  

光整后

  

417

  

0.962

  

-727

  

-877

  

锐边到圆

  

   

   

  3      凸轮轴光整前后残余应力测试结果

  

  

  

测试

  

部位

  

轴向应力MPa

  

切向应力MPa

  

光整前

  

光整后

  

光整前

  

光整后

  

   

  

I

  

尖部

  

-454

  

-899

  

-289

  

-611

  

侧部

  

-365

  

-898

  

+51

  

-524

  

底部

  

-238

  

-775

  

-20

  

-714

  

 

  

II

  

尖部

  

-575

  

-715

  

-342

  

-673

  

侧部

  

-660

  

-988

  

-226

  

-920

  

底部

  

-535

  

-988

  

-215

  

-920

  

     

     3)某厂齿轮泵的齿轮,材料40Cr,在BJGL80离心式滚磨机上加工20分钟,加工后精度未变,表面质量测试结果如表4所示。该零件装配后,噪声降低2dB,减少了端面与泵体的划伤,提高了齿轮泵的使用性能。

   

  4           齿轮表面质量检测结果

  

 

  

参数工序

  

 

  

端面HV

  

Ra(μm)

  

 

  

应力MPa

  

 

  

  

齿面

  

端面

  

光整前

  

525

  

0.71

  

0.42

  

33.82

  

锐边、毛刺

  

光整后

  

561

  

0.38

  

0.25

  

-589.4

  

倒圆角R0.10.2

  

   

      4)某厂弹簧零件滚磨后去除了毛刺,改善了零件的物理机械性能,从而提高了零件了使用寿命。该弹簧的使用寿命由原来的360000次,而在滚磨光整后提高到520000次。还有许多小型零件如钕铁硼材料的永久磁瓦,在离心滚磨机中加工时间仅用30分钟,而在回转式滚磨机中加工时间为10小时,效率提高20倍,加工效果明显提高。

   

  3.自由磨具光整加工注意事项

      在推广应用滚磨光整加工过程中,如果用户对该技术缺乏全面性的了解,势必导致光整效果较差,光整效率明显下降,由此造成实用经济性很差。下面把光整前、中、后的零件处理方法,提供给广大用户参考。滚磨光整加工技术的实用工艺过程是:

      除油处理→光整加工及去毛刺→分选→清洗→烘干→防锈处理

      1)除油处理:光整前的零件要进行彻底除油处理,常采用超声波清洗方法效果最佳。如果工件上油污进入,磨块切削力明显减弱,磨剂作用会降低、光整效果、效率下降,光整后的零件表面不光亮。

  2)光整加工:光整加工主要是根据被光整零件件的结构形状、尺寸大小及光整要求选择或确定设备形式、设备规格、工艺用料、工艺参数等内容。一般情况下,这些内容可参照表5及工艺指导来进行,也可参考其它具体文献的介绍。

      3)光整加工后处理包括三方面:磨块与工件的分选、磨块与工件的清洗及工件的脱水防锈。

      磨块与工件的分选常用方法有:手工筛选、机械筛选、振动筛选、手工电磁分选和传送带式磁力分选,可根据实际情况选用。磨块与工件的清洗采用超声波清洗方法最佳,再用清请水冲洗干净,要特别注意工件的脱水烘干和防锈处理。

  大量工艺试验发现,工件经滚磨光整加工后表面光洁铮亮,其表层的活跃金属分子赤裸暴露在空气中很快氧化变黑,继而生锈,原因清洗后留在零件表面上的水膜形成了电化学腐蚀所必须的一层电解质溶液。水的电离度虽小,但仍可电离成H+ 和[OH] -,这种电离过程随温度升高而加快。同时水中还溶解有CO2、SO2等,都极易与水结合。

      H2O→H+ + [OH]-

      CO2 + H2O→H2CO3→H+ + [HCO3]-

  铁和铁中的杂质浸泡在有H+、[OH]-和[HCO3]-等多种离子的溶液中一样,形成了腐蚀电池,铁是阳极、杂质是阴极。一般情况下,水膜里含有氧气,阳极上的铁被氧化成Fe2+离子,在阳极上获得电子的是氧,然后与水结合成[OH]-离子。腐蚀反应为:

             2 Fe+ O2+2 H2O=2Fe(OH)2

  由此看来,光整前除油处理和光整后的脱水烘干、防锈处理是非常必要的,二者缺一不可,其方法也很多。脱水烘干通常采用工业型甩干机,防锈油用主要成份是羊毛脂,石油磺酸钡,石油磺酸钠及助剂。

   

  4.自由磨具光整加工技术应用前景

  机械零件的精整与光饰加工技术适用范围非常之大,广泛用于机床机械、印刷机械、纺织机械、医疗器械、汽车、摩托车、电子电器、五金工具、仪器仪表、铸造、锻造焊接、冲压、压铸等各种不同材质的中小型异型零件的光整加工。但光整加工又不是万能的,比如,由于刀具不锋利和进刀量大造成的卷边,不能用光整加工来解决上道工序遗留的类似问题。考虑到用户对光整技术的认识、接收、承受能力有一个过程,目前生产的十多种机型,还满足不了生产节拍的需要,并存在效率不高、自动化程度低、外型不美观、结构欠精巧等各种各样的问题。高校与研究所合作,相信在较短时间内,一定会研发生产出效率更高、质量更好、多工位控制、自动化程度高的新一代光整加工设备投入市场。不久的将来,光整机加工技术会普及到各行各业,产生巨大的经济效益和社会效益。

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

  

兵器工业新技术推广研究所

  

吕德龙高级工程师

  1. 目前担任的职务:

       1) 新技术新工艺杂志编辑

         2)中国机械工程学会会员,

         3)中国发明协会会员,

         4)中国热处理协会常务理事,

         5)北京机械工程学会材料分会秘书长,

         6)中国科学技术协会全国学生科技作品评委,

         7)荣格金属加工业创新技术评委,

         8)全国技术创新委员会焊接成果评委。

         9)兵器工业技能创新大赛评委等。

   2. 教育背景:北京科技大学材料学院毕业。

  3. 从业经历:毕业至今从事新技术推广工作,

         近期热衷于学生创新辅导等公益活动。

  4. 主持或参与的项目:

    每年主持几次军工企业新技术交流会,

    如:先进技术制造交流会及热加工工艺技术论坛等。

  电话:13601359780     电子信箱:LVDL50@163.com

  通信:北京8917信箱   邮编:100089

  地址:北京海淀区车道沟10号

   

   

   

   




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