大飛機機身能到多厚？

出品| 網易新聞學院

作者| 陳俊宇，清華大學機械工程系博士研究生

　　今年5月，國產大飛機C919成功首飛。中國大飛機從無到有，克服了不計其數的技術難題，其中之一，就是航空級鋁合金厚板（厚度大於6mm）的生產技術。

（一）鋁合金厚板生產技術曾長期被國外壟斷

　　在大飛機的製造中，鋁合金材料佔有相當大比重：法國空中客車公司的 A380飛機鋁合金材料佔到61%，美國波音767客機鋁合金材料約佔到81％，而中國國產大飛機 C919 機體鋁合金材料約佔總重量的 70%。

　　航空級鋁合金厚板材主要用於生產飛機的機身、機翼、尾翼和蒙皮等部件。這些部件通常採用高強度鋁合金厚板直接銑削加工而成，以達到降低製造成本、減輕機身質量和便於管理的目的。如果鋁板不夠厚，根本就沒法切削出來這些大個的零件。

　　C919需要的厚板最厚的達到200mm，同時還要滿足耐腐蝕、強度高、耐疲勞、尺寸穩定、容易進行機械加工（拋光、切削等等）等等性能要求，技術門檻極高，全世界能搞定的國家沒幾個，中國製造大飛機過程中，面臨著美國、德國等對鋁合金厚板生產技術的壟斷。

（二）鋁板太厚裡面別著勁兒，拉伸機生產能力制約厚板生產能力

　　鋁合金厚板從生產工藝上可以分為鑄錠熱軋厚板和鑄造厚板，其中鑄造厚板的厚度基本上可以不受限制（最大厚度達到1.2米），但熱軋厚板經過軋制過程後力學性能更優，因此航空產品一般都使用鑄錠熱軋厚板。不過，熱軋厚板的厚度不能超過250mm，否則會造成鑄造組織無法全部變成熱軋組織。

　　鑄錠熱軋厚板典型的生產工藝流程為：原料—鑄造—鑄錠銑面—熱軋—固溶處理—淬火—拉伸—鋸切。由於淬火時板材內外部溫度相差太大，所以當鋁厚板超過6mm後，會形成較大的淬火殘餘應力。

　　具體地，固溶時材料溫度很高，進入淬火環節時環境溫度驟降，表面先受冷收縮，內部來不及收縮時就會收到來自外殼的壓力，相應的外部也因為內部頂著而受到拉力，此時是「外拉內壓」的狀態；而隨著溫度進一步降低，內部降溫過程也隨之完成，但由於要填滿外殼早早變硬後留下的較大的空間，板材內部不得不被拉伸變大，而由於相互作用力，外部會同時受到來自內部使之收縮變小的力，最後就表現為「外壓內拉」的應力狀態。

　　（鋁厚板的熱軋過程）

　　厚板淬火殘餘應力對板材的性能有兩方面的影響：

　　在加工上，對有殘餘應力材料的一部分進行切削等機械加工時會打破最初的殘餘應力平衡，達到新的殘餘應力格局，去掉固定用的夾具後就會發生變形。例如對淬火厚板進行大平面的銑削加工時，由於殘餘應力為外壓內拉，外圈被壓著想要膨脹，內芯被拉著想要收縮，加工完的平面取下來就會成凹陷狀；在延展性低的超硬鋁中，若殘餘應力特別高，在鋸切加工時還可能產生斷裂。

　　（鋁合金板材拉伸前後應力分布圖 丁華鋒，2016）

　　在使用中，這種內部別著勁兒的情況對鋁合金的應力腐蝕開裂、疲勞特性以及斷裂韌度有明顯影響，拉伸應力有害，壓縮應力有利，但是一個零件如果不受外部施加的力，其內部只要有壓應力就會有相應的拉應力來平衡，一旦有拉應力就會容易壞，容易產生縫隙、發生斷裂。航空工業中一般要求鋁合金板材內的淬火殘餘應力不高於 30MPa。

　　為了降低鋁合金厚板內部的殘餘應力，鋁合金板材在淬火後，需要通過拉伸機施加1%~3%的拉伸變形。板材內部本身便受拉力，再加上外加的拉力很容易被拉伸到塑性變形區間，內部發生了永久的塑性變形；由於外部本身受壓力，外加拉力之後效果有一部分被抵消，其發生的永久塑性變形較小或只發生了可以恢復的彈性變形。在拉伸結束後，由於內部相對外部被拉大，原有的內拉外壓的應力就減小了。

　　（張力拉伸機拉伸鋁厚板工作過程）

　　鋁合金板材越厚，其內部淬火殘餘應力幅值越大，進行拉伸工藝所需的拉伸力也越大，對厚度達到 200mm 的鋁合金厚板進行拉伸所需的拉伸力將達到 1萬噸，而此級別的大型張力拉伸機不僅技術指標高、價格昂貴而且屬敏感產品，投資巨大且難以引進。

　　大多數鋁合金厚板都要預拉伸，拉伸機生產能力決定了企業厚板的生產能力。2011年前，只有美國、德國、俄羅斯曾經製造過萬噸級的張力拉伸機。

　　（德國西馬克集團梅爾公司SMS Meer製造的張力拉伸機）

（三）國產1.2萬噸張力拉伸機誕生，鋁合金厚板生產不再受制於人

　　（國產1.2萬噸張力拉伸機）

　　2011年11月，中國自主研製的12000噸航空級鋁合金板材張力拉伸機在年產5萬噸鋁合金厚板生產線成功投產，可生產寬4m、長30m、厚250mm 的各種鋁合金厚板。

　　萬噸張力拉伸機機組總重約3900噸，高度近12米，由機械設備、液壓控制系統、電氣控制系統、檢測監控系統、潤滑與氣動系統等組成。其中機械設備又由活動機頭、固定機頭、機架梁本體總成、主拉伸缸裝置、輔助設備等組成，其噸位重、體積大、形狀複雜、製造困難，在技術上有以下特點。

1、斷帶防護：全浮動、均勻夾緊解決首要問題

　　鋁合金材料本身含有少量的夾雜物、孔洞和微裂紋等缺陷以及拉力不均勻等等原因，導致鋁合金板材在拉伸過程中不可避免地會發生拉斷，瞬時的巨大慣性衝擊力如果不能有效緩衝會對裝備產生嚴重的危害。

　　傳統的張力拉伸機在拉伸過程中固定機頭和活動機頭分別夾緊待拉伸材料的一側，固定機頭由插銷或者掛鉤通過橫樑與基礎聯接，另一端的活動機頭通過油缸或者其他動力裝置驅動，相對固定機頭實現位移來實現材料的拉伸。這種拉伸機的拉伸力最終作用到基礎上，當拉伸外載荷突然消失時，瞬間釋放的能量對設備產生的衝擊力也會對設備的基礎產生破壞，所以對設備的基礎要求很高。僅適合於小型拉伸機，對於拉伸力超大的拉伸機很不適用。

　　為了解決這些問題，萬噸拉伸機機頭上安裝有輔助承重和對中裝置，使板材準確夾持在機頭的中間位置，防止拉伸中發生偏移，保證拉伸板材質量。鉗口部分增加了緩衝過渡裝置，斷帶衝擊時能吸收能量，保護設備安全。拉伸機採用設備整體浮動方式，機頭通過底座安裝在導軌上，通過一個新增的複位裝置與基礎連接，起到緩衝作用。

　　（萬噸拉伸機機頭結構 蔡奎，2013）

　　新型的萬噸級拉伸機機頭的夾緊鉗口採用組合鉗口，安裝在機架上下橫樑的構成 V 形空間內，共分 26 組（上下各 13 組），每組鉗口寬度 310mm，總的鉗口寬度 4030mm，屬於複合斜面夾緊系統，採用大拉伸力主缸同步控制和鉗口複合斜面夾緊，使得夾頭鉗口斜塊有同步預夾緊功能，拉伸時寬度方向上各組鉗口夾持力應均勻，保證了板材的加工質量。

2、大負載：大型零件製造大力出奇蹟

　　拉伸機要承受大負載必須要用大零件，零件尺寸一大，製造的難度會爆炸。

　　在萬噸拉伸機的研發過程中先後攻克了特大型零件結構及尺寸要求一致性，特大型零件大尺寸深孔加工，超長活塞桿偏心深孔加工和對接，大尺寸重型油缸製造，超大尺寸柱塞的激光淬火和光整加工，大截面油缸高壓試驗方法和工裝設計等多項世界水平難題，真正做到了大力出奇蹟。

　　截止2015年底，全世界投產的厚板預拉伸機約有55台，其中中國21台，佔總數的38.2%， 到2016年，中國的航空級鋁合金厚板生產能力可超過每年60萬噸，約佔全球的一半。

結語

　　中國自主研製的1.2萬噸張力拉伸機投產後，已為國家航空航天事業提供了大量鋁合金厚板，成為中國「大飛機」項目、載人航天和探月工程、重點國防項目建設配套設備，極大的提高了中國鋁合金厚板的生產能力。但是另一方面，與美國、德國、法國等相比，中國厚板張力拉伸機創新及研發力量還滯後得多，通用機械厚板研發方面與日本及德國相比還有較大距離。

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編輯| 史文慧