航天领域的“吹糖人”艺术——三院239厂超塑成形技术应用纪实
发布时间：2015-01-09
信息来源: 三院
对于军工企业而言，科技创新已经不再是一句口号，它已经成为企业生存发展的源动力。“科技创新解决的不是吃什么饭的问题，而是有没有米的问题。”BOB在线下载(中国)有限公司三院239厂总经理助理、技术创新中心主任姚为说道，军品生产已经引入了市场竞争，科技创新能力必然成为竞争的核心内容，如何打好航天旗，如何走好科技路，这是需要大家一起思考的重要课题。
航天新产品越来越强调性能、成本与效率的匹配，早在几年前，239厂便认识到超塑成形技术在产品研制生产中所带来的一系列优势：生产成本大幅降低，生产效率显著提高，产品质量更加稳定。基于这一判断，早在十年前就果断引进超塑成形设备，自主进行了设备能力的改造提升、自主进行了模具设计制造、积极探索了各类新材料超塑成形性能，逐步掌握了超塑成形关键技术。
也正是这样，239厂成为最早开展铝合金、高温钛合金等新材料超塑成形工艺研究并应用于航天实际产品的单位。
用“吹糖人”艺术使产品成功“瘦身”
由于超塑成形可实现复杂型面构件一次整体近净成形,结构承载效率明显提高， 机体重量大幅减轻， 因此是当今航空航天工业中最吸引人的加工新技术之一。用“吹糖人”来形容它一点不为过，使柔软的糖稀在气体的作用下，以几百甚至上千倍的延伸率成形出各种想要的形状。而超塑成形技术与其不同的是金属材料没有糖稀这么好的延展性，金属材料只有在特定的条件下才能表现出不同程度的 “超塑性”，就是在拉应力作用下能伸长几倍甚至几十倍，不会出现缩颈，也不会断裂。
在航天型号产品远程化、高速化日益迫切的要求下，“减重”被作为新一代飞行器改良重点，同时对轻量化整体结构制造技术提出新的挑战。239厂在前期技术积淀的基础上，工艺人员在当前型号工作之余，努力探索可应用于未来型号产品的轻质材料与结构，并开展样件制备工作，积累新材料、新结构的热加工能力，重点开展超塑成形技术的研究。
“一个简单的超塑成形工序就能生产出结构复杂、近无加工余量的工件，使用这种工艺‘迈’过了铸造、热处理和大面积无损检测等环节，在减少工序的同时，也大大降低了加工费用，且绿色无污染，最重要的是减重效果好。” 239厂超塑成形团队带头人李保永介绍说，利用超塑成形技术进行生产加工的几乎都是新产品，在这个过程中可供借鉴的经验不多，每一次的活儿都不一样，每一次都有新的问题，不同的型号产品需要解决的难点也都不一样。
2011年，在某预研型号轻量化进气道研制工作中，239厂首次成功采用超塑成形工艺整体制造出了两件铝合金复杂形状进气道，相比玻璃钢材质实现减重40%以上，并使其合格率从最初约30%提高到90%以上，填补航天空白，获得航天科工集团工艺创新项目一等奖。该型进气道是诸多型号中形状最复杂的，由多个异型曲面过渡形成，并带有不等截面圆角的翻边，型面尺寸和厚度要求严格。
“一模多件”使效率翻番 过程控制是关键
某型号生产过程中，为了降低钛合金超塑成形成本，239厂对超塑成形工艺进行了优化，由一模一件改进为一模两件，成本降低30%以上，效率更是翻番。
在承接某单位合作项目时，239厂更是利用超塑成形技术优势，大幅提高了研制效率。原来采用传统加工方法需要3个工作日才能做出来一件产品，加之所采用的加工工艺加热时间较长，“不仅效率不高，质量也没有保证，后在239厂采用新的超塑成形工艺，3天至少可完成6件的生产，提高了至少5倍的效率。”李保永说道，多数情况下采用超塑成形工艺可以在很短时间内使产品成形，因受热时间短，组织基本不会出现粗化，并且可有效控制回弹变形等问题，轮廓尺寸1.5m左右的大型薄壁构件尺寸精度可控制在±0.3mm以内。
实际上，超塑成形技术重点在于前期统筹安排与精心的准备工作，而且准备周期要远远大于后期的试验时间，可以说前期工作是整个研制能否成功的关键所在，尤其是制模阶段，“光是模具的设计方案可能就需要进行多次修改，才能达到最好的效果。”工艺员秦中环介绍说。
为了确保产品质量的同时做到效率提升，采用超塑成形工艺过程中，还需要注意很多方面。据了解，超塑成形设备对操作要求很高，只要升上温，就需通宵达旦有人维护。研制过程中，由于超塑成形工艺条件特定要求，放置零件和取出零件过程均要在几百度甚至上千度的高温下进行，且为了防止模具及设备大幅降温或温升不均而导致的产品变形，两个过程更是需要操作人员争分夺秒，为了万无一失，在生产过程中，经常是工艺人员与操作人员干活在一起、休息在一起、吃住在一起、加班在一起。
继续优化 加快市场开拓步伐
在航天型号产品远程化、高速化日益迫切的要求下，近年来，为加强制造成本控制，提升工艺价值创造能力，超塑成形技术已经成为239厂重点发展的核心技术能力之一，目前，已经在多个型号研制、批产中成功应用。其中，“大尺寸多层中空结构壁板超塑成形/扩散连接工艺研究”项目在2013年航天科工集团工艺创新项目评选中获得一等奖，并实现了大尺寸三层中空结构壁板类轻量化构件在超声速飞行器上的首次应用尝试。2013年至2014年，239厂又在新型高温钛合金的超塑成形及超塑成形/扩散连接技术上取得突破，成功实现某颌下进气式复杂气动构件的研制，并成功应用于自由射流试验和静热联合试验……
此外，借助超塑成形技术优势，239厂在市场开拓方面也取得了新成效，成功研制“嫦娥3号”“嫦娥5号”返回舱球段蒙皮超塑成形件，并在大尺寸产品超塑成形技术上实现了一次又一次飞跃。
2014年7月，为航天科技五院制备的“实践10号”钛合金蒙皮超塑成形件顺利通过验收并交付。11月，“实践10号”第二批钛合金超塑成形蒙皮顺利提前交付，这是继“嫦娥3号”“嫦娥5号”任务后239厂与五院横向项目的进一步合作成果，标志着239厂钛合金超塑成形技术具备了批生产能力。
面对一次次的成功和奖励，239厂工艺员们并没有止步于此，而是边攻关边优化，开展各种试验和课题研究。在变形镁合金热成形/超塑成形样件的制备工作中，陆续开展了桁条样件的热成形试验、舵面样件的超塑成形试验、筋板样件的超塑成形试验，逐步摸索出一定的表面防护和表面清理的经验，积累了变形镁合金的热成形和超塑成形工艺。于此同时，2013年，239厂成功申报了“高档数控机床与基础制造装备”国家科技重大专项（简称04专项）课题——“高马赫数飞行器复杂构件超高温成形装备及关键技术”，并于2014年正式获得工业和信息化部批复实施，项目总经费9200万元，其中中央财政经费3086万元，标志着专业技术领域拓展进入了新的阶段。
后续，239厂将继续打造“差异化、核心化、优势化、高端化”的技术能力，以先进的核心技术带动低成本制造，推进工艺工作服务于“两个工程”，助力一流总装厂建设。（文/李春燕）
