坎合技术与航空模锻液压机

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1、坎合技术与航空模锻液压机CanJointTechnologyandAeroDieForgingHydraulicPress清华大学机械工程学院颜永年刘长勇张磊曾攀林峰张人佶卢青萍颜永年清华大学机械工程学院博士生导师。从事材料成形工艺与设备研究工作，主要为重型金属成形装备(如用于航空和国防工业的板料成形．挤压和体积模锻)和快速成形设备的研发。获国家科技进步二等奖2项，三等奖1项．发表论文290余篇(scI检索29篇)。编著图书9册。航空T业的进步与重型模锻液压机的发展密不可分。二战期间，德国在重型模锻液压机技术上的进步为德国的飞机提供了大型的整体

2、模锻件，大大提高了其战机性能。受此启示，此后美国、俄罗斯和法国相继发展了重型航空用模锻液压机。迄今为止，全球已建成投产的300MN以上的重型模锻液压机共18台。其中美国7台，最大吨位为450MN：俄26航空制造技术·2010年第8期通过预应力钢丝缠绕技术，以坎合连接的方式将其组合为一个整体，从而替代整体铸锻结构。这种技术思路的产生，充分体现了“以小搏大"的特点，是具有创新性的重型液压机设计方法。罗斯6台，最大吨位为750MN；法国2台，最大吨位为650MN，还有于2006年投产的一台400MN液压机；此外，英国、澳大利亚和中国各1台，吨位均在3

3、00MN左右。航空工业的发展离不开重型模锻液压机是不争的事实，我国仅有的一台300MN铝合金模锻液压机早已不能满足现代航空工业的发展需求。早在2002年，中国工程院成立了以两院院士师吕绪先生为组长的咨询研究组，对我国建造8万t模锻液压机进行调研。研究认为我国现阶段启动建设8万t模锻液压机大型装备项目，对航空、舰船、航天、兵器、核工业等行业十分必要且完全可行。在我国要发展自主的航空T业，独立研制并制造大飞机的大背景下，中国二重和西安阎良航空产业基地分别立项了8万t和4万t航空模锻液压机项目，为我国飞机制造业提供优质的大型整体航空模锻件。预紧螺栓子

4、件l键块子件2预紧螺栓图1剖分一键合结构●，●●●●t，，▲t．．．●●●●●●●●，，，▲T●●●I图2剖分一坎合结构图3多峰坎合嵌入式结构照片然而重刑模锻液压机的设计与制造面临着巨大的困难和风险，其加工、制造和运输的难度都处于极限状态，且投资巨大，周期长。为解决上述问题，对重型液压机结构设计的研究与改进从来没有停止过。最早的重型模锻液压机普遍采用传统的“三梁四柱”结构，且机架为非预应力框架，这种结构的典璎代表是俄罗斯的750MN模锻液压机，由于其承载结构缺乏预应力保护，材料许用力仅为40。60MPa，从而导致结构的尺寸和重量极为庞大，总重达

5、到了26000t，且大量采用重型铸件和锻件，加工制造难度大，疲劳性能不高。20世纪70年代，出现了粗螺栓预紧结构，这种结构采用少量的粗螺栓对承载机架施加预紧力，材料的许用应力得以提高至100—150MPa，疲劳性能也有所提高。由于大型预应力粗螺栓制造的难度大，且许用应力不宜太高，此后又出现了细螺栓预紧结构，用多根细螺栓替代少量的粗螺栓施加预紧力，从而使许用应力提高至150—200MPa。即便如此，重璎液压机的设计仍然面临巨大的困难和风险。预应力钢丝缠绕技术和剖分一坎合技术的发展极大地解决了这个问题，其基本思路为将萤型承载结构——尺寸和重量庞大，

6、传统手段难以加1=的重型零件，剖分为多个子件，从而降低制造难度和风险，方便运输；然后通过预应力钢丝缠绕技术，以坎合连接的方式将其组合为一个整体，从而替代整体铸锻结构。这种技术思路的产生，充分体现了“以小搏大”的特点，是具有创新性的重型液压机设计方法。2006年以来，清华大学在重型液压机的设计上突破传统思维，采用预应力钢丝缠绕技术和坎合技术先后设计了多台300MN以上的重型液压机，其中包括已经投产的世界上最大的360MN／150MN钢管垂直挤压机组，在建的400MN航空精密模锻液压机和昆山30()MN核电锻件液压机。本文以航空．丁业为背景，介绍了

7、坎合技术在航空模锻液压机上的应用。剖分一键合与剖分一坎合1剖分一键合结构在坎合技术出现以前，子件组合均采用键与键孑L配合的方式来防止子件之间的错移以及承受剪应力，子件通过螺栓组合为一个整体。这种结构最为严重的问题为键孔的应力集中，在承受剪应力时，由于键孔变形而使键孔周嗣出现剪应力集中，使得裂纹易于萌生和扩展，高度键合的结构在实践中证明是不可靠的。上海20世纪60年代120MN自由锻液压机的下横梁自重5dOt，曾设计为剖分一键合结构，但最终这种方法改为电渣焊结构。图1是剖分一键合结构示意图。2剖分一坎合结构所谓剖分一坎合结构(见图2)，是将子件剖

8、分面上进行坎合化处理，加工成多峰结构，并在子件之间加较软的巾问垫板(坎合板)，通过强大的预应力场，使剖分面上的多峰结构与坎合板之间形成不可逆的多峰嵌入