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1、2 0 0 1 年 6 月 航 天 工 艺 第 3 期3 6铝基复合材料在惯性平台结构件中的应用北京兴华机械厂 周 琪 单联洁文摘 采用铝合金材料加工惯性平台结构件存在着尺寸稳定性差精度不易保证可靠性差等难以克服的缺点新型材料铝基复合材料的出现为满足平台系统质量轻高性能高可靠性的要求创造了基础条件文中介绍了铝基复合材料的优良特性及国内外使用状况并针对当前国内的生产水平探讨了加工铝基复合材料平台结构件的可行性必要性等问题主题词 惯性平台 铝基复合材料 结构件 精密加工1 引言惯性平台结构件多为形状复杂精度高 可靠性高稳定性好的精密零件如平台框架 类零件内环外环台体基座等要求材料经毛坯成型和机械加
2、工后在高低温变化 振动冲击等工作环境下具有抵抗永久变形和 长时间地保持精度稳定的能力这就对结构材料提出了严格要求如高的比强度好的比刚 度良好的力学性能稳定的物理化学性能 低的膨胀系数较高的微屈服抗力以及优良的切削加工性能等等因而平台结构件材料必 须是具有优良特性的材料随着惯性技术的发 展对惯性器件的精度提出了更高的要求而材料的优异直接影响零件的质量和整个产品 的性能传统材料正受到新型材料强有力的挑战新型材料铝基复合材料的出现充分满足了平台系统质量轻高性能高可靠性的要求2 惯性平台结构件材料使用现状目前平台结构件主要采用铝合金材料铝合金 1 是常用的重要结构件材料它的密度小具有不锈钢的比强度和优
3、良的力学性能工艺性能优异如变形铝合金L Y 1 2 容易进 行切削加工或压力加工铸造铝合金Z L 2 0 1具有优良的铸造性能可进行压力砂型金 属型铸造等但铝合金弹性模量小在切削加 工时表现出刚性差结构受力变形较大尺寸稳定性较差等缺陷以平台薄壁零件内环为 例内环结构见图 1 零件两对相对孔 A与 D B 与 C分别是轴承安装孔孔间的相对位置精度要求高以确保框架系统的精确位置和满足 对支承轴所产生的干扰力矩最小的要求内环 毛坯为锻件加工量大在精加工过程中零件的尺寸和形位精度很不稳定尤其是放置一 段时间后孔的位置精度变化很多如 L Y 1 2 在现行的稳定处理条件下长度的变化只能控制在1 0 2
4、0 m / 年 而形位精度的变化还要高1 2个数量级, 装配仪表逐次漂移逐日漂移现象严重有时不得不进行返修造成平台零件的合格率较低甚至整个平台精度的失效影响了惯性平台的生产周期和使用精度另外对铝合金材料的热处理工艺研究有待深入准确测试应力释放情况难度较大因此紧跟现代材料科学的发展有针对性的研究适用于精密惯性结构件的新型材料稳定精度提高仪表可靠性促进惯性技术的发展已成为当务之急收稿日期2 0 0 1 - 0 3 - 1 92 0 0 1 年 6 月 航 天 工 艺 第 3 期3 73 复合材料在国内外应用情况及在惯性结构件 中的应用前景3 . 1 复合材料应用情况 惯性仪表发展依赖于新材料及其工
5、艺技术 的支持材料的性能对仪表的精度起着十分重 要的作用目前国内外对复合材料的研究发 展迅速可充分利用和发挥复合材料的优势 研制出卓越性能的惯性平台满足惯性器件的 高性能高可靠性的要求 根据所用基体材料的不同复合材料可分 为金属基非金属基两种在此着重讨论金属 基复合材料金属基复合材料可分为连续长 纤维增强金属基复合材料和非连续颗粒 晶须和短纤维增强金属基复合材料两种其 中以铝为基体的非连续增强金属基复合材料具 有的高比刚度和比强度良好的导热性热膨 胀系数小而且可调整高的微屈服抗力和组 织稳定性而且与铍合金相比加工性能好成本低热膨胀系数与之相近是高精度仪表的 理想选材之一铍合金的使用曾使平台精度
6、提 高了一个数量级但铍合金由于存在脆毒 贵的严重缺陷限制了它的应用在国外 铝基复合材料的基础研究日臻完善材料制备 技术和加工技术基本成熟并形成了批量生产 的能力在交通体育能源化工纺织等 工业部门已开始应用但由于制备工艺较复杂 成本偏高而未能广泛应用在军事应用方面却 十分活跃在高尺寸稳定性和高刚度的精密零 件如卫星框架支架镜筒调节机翼惯性 平台对热膨胀系数有较高要求的零件要求 强度高的结构件如各种军用发射镜红外遥感 器件等航天航空兵器仪器仪表方面已 有成熟的应用实例 在国内对铝基复合材料的研究日趋深入 材料制备和加工技术正在突破但尚未形成批 量生产能力在军用方面取得了较大突破如 哈工大研制成功某
7、型号全金属基巡航导弹惯性 平台大幅度提高了巡航导弹惯性制导的可靠 性和精度 3 . 2 复合材料在惯性结构件中的应用前景复合材料是近年来发展起来的一种新型材 料由于铝基复合材料具有高的比刚度比强 度 2 约为相应铝合金材料的 1 . 4 2倍而密 度接近振动阻尼为相应铝合金材料的 1 . 2 3 倍热膨胀系数可在1 0 81 0- 6/ 范围内 调整变化机械性能介于铝合金和铍合金之间 因而很适合于航空航天部分结构件的应用 以 S i c w / L D 2 A l n p / L D 2 铝基复合材料为例 铝基部分机械性能及成本价格比较如表 1 表 2 所示 2 由表可以看出铝基复合材料与铝合
8、 金铍材相比不论在机械性能还是价格成本 方面都具有很大的优势表 1 机械性能对比表材料牌号材料状态颗粒尺寸( m )体积分数( % )弹性模量E ( G P a )强度极限b L Y 1 2锻 T 6/7 25 0 0铍 R J - 5 0热等静压9 93 0 05 6 0Z L 2 0 1铸 T 5/3 3 0S i c w / L D 2铸 T 61 3 02 01 1 05 6 0A l n p / L D 2铸 T 60 . 8 44 01 1 45 6 0图 1 内环结构示意图2 0 0 1 年 6 月 航 天 工 艺 第 3 期3 8材料牌号材料状态屈服极限( M P a )延伸率
9、( % )断裂韧性( M P a m- 1 / 2 )线膨胀系数( 1 1 0- 6/ )密度( g / c m3)L Y 1 2锻 T 63 8 0/2 2 . 72 . 7铍 R J - 5 0热等静压4 3 05/1 1 . 31 . 8 5Z L 2 0 1铸 T 5/2 22 . 8S i c w / L D 2铸 T 64 1 56 . 1约 2 2 2 51 4 . 82 . 8A l n p / L D 2铸 T 64 1 56 . 11 3 1 51 0 . 1 92 . 8表中 p表示颗粒增强 w表示晶须增强表 2 价格对比表材料牌号铍 R J - 5 0晶须增强S i c
10、 w / L D 2颗粒增强A l n p / L D 2L D 2L Y 1 2价格元/ k g2 7 0 0 0 3 0 0 0 03 0 0 01 0 0 03 03 0加工费元/ h2 0 05 04 02 02 0由于铝基复合材料优良的特性对惯性仪 表和平台结构件具有很大吸引力已有成功的范例表明铝基复合材料在航空航天领域具有广 阔 的 应 用 前 景以 哈 工 大 铝 基 复 合 材 料 S i c w / A l 在巡航导弹惯导平台上的应用研究为例平台的主要零件包括加工精度要求高的 台体内环外环基座等它们要求材料质 量轻尺寸稳定刚度和强度高加工性能好由于铝合金存在难以克服的刚度强度
11、低尺 寸稳定性差等缺陷不能满足使用要求而大 量使用加工高铍合金平台是不可能的经过几年的努力哈工大研究人员已初步突破了预制 块制备精密成型挤压铸造复杂形状的精密铸锻件尺寸稳定化处理机械加工等技术难关制成了金属基复合材料惯性平台具有 高比刚度比强度以及优异的尺寸稳定性和低的热膨胀系数可大幅度提高巡航导弹的惯性制导的可靠性和精度为铝基复合材料在航空 航天领域的广泛应用奠定了坚实的技术基础4 工艺性能分析复合材料的优良性能对于惯性平台结构件而言无疑是一种较理想的加工材料从目前现有的工艺技术水平来看采用铝基复合材 料加工惯性平台结构件已具备可行性同时也 很有必要开展新型材料加工性能的研究以促进惯性技术的
12、发展争创企业工艺技术领先 提高企业的竞争力 4 . 1 加工机床现代机床技术的发展日趋成熟数控机床 在航天领域正发挥着不可替代的物质基础作 用数控加工对于提高产品精度保证尺寸稳定性提高工效具有无可比拟的优势采用 数控技术加工铝合金惯性平台结构件已相当成熟但是由于铝合金存在不可避免或难以克服的尺寸稳定性差等缺点一些关键件的精 度尤其是形位精度放置一段时间后变化很多影响平台的整体精度铝基复合材料的微屈服抗力微蠕变抗力明显高于基体铝合金 热膨胀系数明显低于基体铝合金具有优异的尺寸稳定性这对机械加工尤其是控制精密加工中的装夹变形很有利利用成熟的数控加 工技术包括程序的编制加工方式的选择2 0 0 1
13、年 6 月 航 天 工 艺 第 3 期3 9加工参数的确定工艺路线的编排等等有望加工出高精度的平台结构件4 . 2 加工刀具由 于 铝 基 复 合 材 料如 S i c w / L D 2A l N P / L D 2 高的比强度和比刚度颗粒硬度高及硬质点分布的特性加工铝基复合材料产生的摩擦热和带来的振动对刀具提出了更高的要求如何减少刀具的磨损改善切削条件是我 们应该加以研究的目前整体硬质合金铣刀 金刚石镗刀在铝基复合材料的加工中表现出较优异的性能国内已有研究单位开展了此项工 作新型材料刀具的不断涌现为我们选择适 宜的加工刀具打下了坚实的物质基础4 . 3 应力控制分析 影响零件尺寸稳定性的因
14、素主要有结构 应力组织应力加工应力等平台结构件由于结构上不对称壁薄厚不均匀不可避免存 在着一定的结构应力在结构不变的条件下 减少加工应力和改善组织应力显得更加突出铝基复合材料具有高的比强度和比刚度同样 的装夹方式下残余应力应比铝合金材料少 因而如何改善热处理工艺减少零件的组织应力提高尺寸稳定性已成为当务之急目 前铝合金的热处理规范不够完善有些热处 理工艺存在不合理之处对热处理机理的研究不够深入很有必要对铝基复合材料的热处理 规范做深入细致的试验研究机理分析等合 理的热处理工艺对提高零件尺寸稳定性具有重要的意义4 . 4 毛坯件制取形式 许多结构件为了获得较高的强度和刚度毛坯件采用锻件这对于形状
15、复杂的零件而言加工量大生产周期难以保证采用铝基复合 材料解决了预制件制备挤压铸造复杂零件成型等温模锻精密锻造等问题将原锻件改为铸件将大大减少加工量减少装夹次数及装夹变形提高零件加工精度降低成本缩短生产周期提高工效国内已有研究单位在这些方面取得了突破性进展基本解决了一些关键问题为铝基复合材料在惯性器件上的应用提供了广阔的应用前景4 . 5 质量检测平台结构件中主要的精度指标为同轴度垂直度位置度等即三度测量采用铝 基复合材料后原有的技术测量手段和测量方法如利用高精度的三坐标测量机进行在线 检测等仍可沿用并且有成熟的测试技术保 证测量的准确性和可靠性对于复合材料内部组织的致密性金相检查增强体分布均匀性 测定超声探伤等也有相应的测试设备加以保 证5 结束语综上所述铝基复合材料与铝合金相比具 有优良的机械性能与铍合金比较具有很高的 价格优势而且对人体的危害性小可在普通厂房条件下加工是目前结构件中介于铝合金 与铍合金之间最有希望的新型材料但是还有 必要进一步优化铝基复合材料的性能完善其制造技术突破精密成型复杂零件精密铸 锻预制件制备等关键技术为铝基复合材料 能真正使用到惯性平台结构件上打下一个坚实的基础具备了以上的技术条件如果建立了自己的非连续增强铝基复合
