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國防用大型復(fù)雜零部件整體鑄造成型技術(shù)進展

作者：李德成 李玉勝 馮志軍 李巨文 0 前言 出于自身安全利益的需要國家或民族之間投入龐大經(jīng)費所開展的軍備研發(fā)競賽過去是在可預(yù) 見的將來也將是人類社會進步的主要動力之一 在許多大型裝備上要用到大型復(fù)雜的零部件軍方總是傾向于選用最經(jīng)濟快捷可靠的成型技 術(shù)為了制造這些另部件機械加工組合焊接精密模鍛粉末冶金鑄造等各種成型技術(shù)之間開展 了激烈的競爭今天可以十分肯定的說在這場競爭中鑄造成型技術(shù)取得了勝利計算機極大的推 動了鑄造成型技術(shù)的進步實現(xiàn)了許多大型復(fù)雜另部件的優(yōu)質(zhì)快速經(jīng)濟特別是整體鑄造成型過去 的二十幾年間整體鑄造成型技術(shù)在軍事工業(yè)領(lǐng)域取得了令人匪夷所思的成就 本文介紹了美國整體鑄造技術(shù)產(chǎn)品在武器裝備上的應(yīng)用作為對比也回顧了我國整體鑄造技術(shù)的 進展 1 美國的整體鑄造技術(shù)產(chǎn)品 在20 世紀80 年代整體鑄造技術(shù)產(chǎn)品在美國國防領(lǐng)域就已得到較為普遍的應(yīng)用 1.1 艦載武器 圖1 中巨大的U 型部件為美國海軍的火炮發(fā)射塔原設(shè)計為許多零部件的組合結(jié)構(gòu)后通過計 算機優(yōu)化設(shè)計成為一個整體鑄件輪廊尺寸6 6 6ft 壁厚僅為1/4in 的(約6mm) 鑄件重量1200 鎊109 個芯子組合成型材質(zhì)為高強鑄造鋁合金A356 嚴格的檢驗表明整體鑄件完全滿足設(shè)計要求 已生產(chǎn)數(shù)百套產(chǎn)品裝備海軍 1.2 航空器 圖2 為美國軍用大型寬體運輸機的壓氣機匣原為27000 個機加零件組合焊接而成改為整體鑄造 后通過熔模精密鑄造成型僅用兩個部件組合焊接 圖 1 美國海軍火炮發(fā)射塔 圖 2 大型寬體軍用運輸機壓氣機匣 美國空發(fā)射巡航導(dǎo)彈的油箱圖3 經(jīng)過八年的攻關(guān)努力取消了由28 個機加件制造的油箱而 改為用四個高強鑄造鋁合金件制造導(dǎo)彈油箱僅此一項即節(jié)省費用30% 1.3 車載武器系統(tǒng) 美國車載武器155MM 榴彈炮武器系統(tǒng)有一個罩形制動器為關(guān)鍵零部件重量要求嚴格檢驗規(guī) 范苛刻樣件為鍛件組合件改為整體鑄造后產(chǎn)品質(zhì)量全部滿足或高于規(guī)范要求不僅如此每件可 節(jié)約成本1500美元業(yè)已批量供應(yīng)10000 套節(jié)約了15,000,000 美元在羅蘭防空導(dǎo)彈系統(tǒng)上圖4 一個防護罩鑄件保護電子系統(tǒng)的搜尋和導(dǎo)航使羅蘭防空導(dǎo)彈系統(tǒng)具有全天候低空防御能力原設(shè)計為 復(fù)雜的組合件結(jié)構(gòu)為了實施多重焊接需要極其復(fù)雜的焊接夾具改為整體鑄造后零部件數(shù)量由38 個減為6 個減少了30 道獨立的焊接工序 圖 3 美國空發(fā)射導(dǎo)彈及其油箱鑄件 圖4 車載武器 由此可見 在美國武器裝備的研制方面為了提高武器裝備的可靠性降低成本縮短周期只要 有可能就力爭采用零部件的整體鑄造成型 2 我國整體鑄造技術(shù)的進展 20 世紀80 年代中期我國開始研究大型復(fù)雜鑄件的整體鑄造成型技術(shù)最先起步的是我國的航空 工業(yè)以研究高性能航空發(fā)動機為契機開始了發(fā)動機關(guān)鍵復(fù)雜零部件的整體鑄造成型技術(shù)研究發(fā)動 機上所用材質(zhì)以高溫合金和鑄鋼較多所以采用的工藝路線以熔模精密鑄造為主 隨后不久 我國就開始了軍用大型復(fù)雜優(yōu)質(zhì)鋁合金零部件的整體鑄造成型技術(shù)研究經(jīng)過我國鑄造 工作者10 幾年的艱苦努力取得巨大成就為國防武器裝備提供了大量的優(yōu)質(zhì)鑄件 2.1 艦載武器系統(tǒng) 圖5 所示鑄件為艦載武器系統(tǒng)部件之一輪廓尺寸3800mm 2285mm 2620mm 凈重2.7t 內(nèi) 部結(jié)構(gòu)復(fù)雜采用砂型工藝由131 塊芯子組合成型材質(zhì)為A357 圖 6 所示部件為艦載武器系統(tǒng)部件之二輪廓尺寸2430mm 2039mm 1420mm 筋條厚10mm 凈重750kg 采用砂型工藝由172 塊芯子組合成型材質(zhì)為A357 圖5 艦載武器發(fā)射系統(tǒng)部件之一 圖6 艦載武器系統(tǒng)部件之二 2.2 地面武器系統(tǒng) 圖7 為地面武器系統(tǒng)的鋁合金部件前蘇聯(lián)為變形鋁合金焊接結(jié)構(gòu)我國材料科學(xué)和鑄造工作者共 同努力用自主研發(fā)的高強鑄造鋁合金ZL107B 或ZL107A 采用砂型工藝鑄造成型該鑄件輪廊尺寸 3900mm 250mm 150mm 為超細長結(jié)構(gòu)材料力學(xué)性能b 350Mpa 5 2% HBS 100 圖7 地面武器系統(tǒng)鋁合金部件 2.3 航空器 圖8 所示產(chǎn)品為導(dǎo)彈油箱鑄件輪廓尺寸400mm 1000mm 內(nèi)部隔板厚3 0.5mm 凈重40kg 采用砂型工藝鑄造成型材質(zhì)為A357 鑄件本體性能達到b 320Mpa 5 5% 航空煤油打壓1Mpa 不滲漏 圖 8 導(dǎo)彈油箱A357 鋁合金鑄件 圖9 所示產(chǎn)品為導(dǎo)彈伺服艙鑄件輪廓尺寸1000mm 1000mm 最薄壁厚2.5mm 凈重100kg 采用砂型工藝鑄造成型材質(zhì)為A357 鑄件本體性能達到b 320Mpa 5 5% 圖10 所示產(chǎn)品為 尾罩鑄件輪廓尺寸2000mm 1000mm 最薄壁厚6mm 凈重150kg 國外同類產(chǎn)品采用鍛造和機 械加工制造我國采用高強度鑄造鋁合金ZL205A 用砂型工藝鑄造成型鑄件本體性能達到b 450Mpa 0.2 340Mpa 5 5% 上述大型復(fù)雜零部件整體鑄造成型的成功實現(xiàn)為國防武器裝備的研制極大的縮短了研發(fā)周期 節(jié)約了經(jīng)費開支提供了性能優(yōu)良的產(chǎn)品在制造技術(shù)方面也為高性能武器裝備的設(shè)計提供了可靠的 技術(shù)保障同時上述產(chǎn)品的制造成功標明我國在整體鑄造技術(shù)方面達到國際先進水平 圖9 導(dǎo)彈伺服艙A357 鋁合金鑄件 圖10 尾罩ZL205A 鋁合金鑄件 3 結(jié)論 整體鑄造成型技術(shù)的產(chǎn)品由于具有其他成型工藝無法比擬的價格周期和質(zhì)量優(yōu)勢在美國的武器 裝備上早已得到廣泛的應(yīng)用在大型復(fù)雜零部件的制造方面只要可能就力爭采用整體鑄造成型我 國20 世紀80 年代中期在研制航空渦輪發(fā)動機時比較明確提出了整體鑄造技術(shù)的概念并開展了研發(fā)工 作到今天為止已成功實現(xiàn)許多大型復(fù)雜關(guān)鍵零部件的整體鑄造成型取得了巨大成就為國防建設(shè) 做出了貢獻盡管要使我國的整體鑄造成型技術(shù)在軍事工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用達到美國的普及程度尚須很 多工作包括設(shè)計人員和軍方的認識及鑄造技術(shù)本身水平的提升但是可以肯定的說在整體鑄造成 型技術(shù)的不少方面我們已經(jīng)達到國際先進水平

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