戰機起落架鍛件之鍛造製程研究開發

作者：

楊俊彬、李乘清、林明煌、洪銘澤、李俊霖、陳涵鏞、劉志雄、楊政諱、陳柏均、楊承儒

刊登日期：2023/11/30

摘要：外套筒與活塞為戰機起落架關鍵零件，材料分別為AL7050與300M，因具鍛造製程之難度與無大型鍛壓設備，國內尚未有實際鍛製成功之案例。本文依中科院設計之零件建立鍛造圖面，若傳統閉模鍛造，負荷最大為約25,000 ton。但國內最大鍛機只有12,000 ton，根本無法鍛造。且傳統鍛造在毛邊剪斷處有鍛流線外露現象，為疲勞破壞起源點，造成耐疲勞性不佳。因此為降低鍛造負荷，避免因毛邊的生成，擬設計多軸複動化閉塞鍛造模具，進行無毛邊鍛造成形。首先以DEFORM進行鍛造製程模擬，其成形負荷，活塞鍛造為2100 ton，外套筒鍛造為4500 ton左右，鍛件沒有缺陷。經實際開模鍛造，成形負荷分別為2500 ton與4000 ton左右，與模擬結果接近。鍛件經過量測與機械性質測試，均符合產品設計要求。顯示多軸複動化閉塞鍛造模具可降低鍛造負荷，克服國內鍛機能力不足之問題點，鍛造出起落架鍛件，也是國內首次自主開發成功之案例。

Abstract：The outer housing and piston are the key components of the landing gear in the fighter. The materials are special, which are AL7050 and 300M. There is no case on forging these parts successfully in domestic due to the difficulties in the forging process and lack of large forging equipments. In this article, the drawings of the forgings are established according to the designs of the landing gear parts by NCSIST.The load needs around 25,000 ton, higher than the biggest forging press of 12,000 ton in domestic. So, it is impossible to forge theses part in domestic. Besides, the exposure of the end of flow line after trimming will results into the poor fatigue property due this being the starting points for the cracks. So, the multi-ram and multi-action enclosed dies are designed, instead of the flash forging die, to prevent the above problems and to decrease the load.First, the DEFORM software is used to simulate the forging process and show no forging defects occurred and the flow line is reasonable. The maximum forging loads of the piston and outer housing are 2100 ton and 4500 ton respectively. Then, the actual forging is proceeded. The forging loads of the piston and outer housing are 2500 ton and 4000 ton respectively, which are closed those in the simulation. After the measurements, the dimensions and the mechanical properties of the forgings conform to the requirements of the specifications. It shows that the multi-ram and multi-action enclosed dies can lower the forging load to overcome the problem of the lack of the capabilities of the press in domestic. Then the forgings of the piston and the outer housing are developed. This is the first time to develop these parts successfully in domestic.

關鍵詞：外套筒、活塞、多軸複動化、閉塞鍛造

Keywords：Outer housing, Piston, Multi-ram and multi-action, Enclosed die

前言

起落架是戰機之重要組件，外套筒與活塞為其關鍵之零件。目前在國內製造方式均以塊料直接加工或由國外進口鍛胚進行加工。由於零件機械性能要求高，工件外形複雜，必須以鍛造製程為製造方式，如圖1所示，其材料較為特殊，分別為高強度AL7050與300M，較難成形。因具有製程上之難度與欠缺大型鍛壓設備，在國內尚未有實際鍛製成功之案例。由於起落架組件屬於飛機的安全部品，承擔飛機下降著陸時之衝擊力，負載相當大，必須具有高的強度與耐疲勞性質。一般以塊料做機械加工，會將材料內部之流線切斷，使表面產生微小之缺陷，成為早期疲勞破壞之起源點，使用上有風險。若以鍛造製程製作，則材料內部之鍛流線會隨外形做分佈，則可確保使用壽命。如圖2為機加工件與鍛造件之流線比較[1]。然而就鍛造製程而言，又可分為有毛邊之閉模鍛造與無毛邊之多軸複動化閉塞式鍛造。前者上下模具為一體型模，鍛造時材料充填模穴，多餘材料溢出模穴形成毛邊，再將毛邊剪切。此一方式模具設計簡易，但因投影面積大，所須負荷較大。後者之模具為上下模先行合模，再由X，Y，Z方向的衝頭將材料擠壓，充填模穴，鍛件沒有毛邊。此一方式模具設計複雜，但所須負荷較小[2] [5] [6]，如圖3所示。前者在毛邊切除後，在切除部有流線外露之現象，假如此一鍛件最終須有中孔且在使用中要承受內壓，則易於由毛邊處產生早期疲勞破壞。然而，後者就沒有毛邊，中空孔由衝頭擠壓成形，流線沒有外露，是沿鍛件外形分佈，則可確保其壽命，如圖4所示[1]。由於起落架為我國發展下一世代戰機之重要組件，須要建立自主開發與生產能力，並須確保零件之品質，鍛造製程技術之開發至為重要。

圖1 飛機起落架示意圖。有外套筒與活塞等零件 圖2 機加工件(左)與鍛件(右)流線比較[1]

(a) (b) (c)

圖3 傳統有毛邊之鍛造模具與無毛邊之閉塞式複動化模具之比較(a)傳統鍛造法(b)(c)無毛邊鍛造法[2] [5] [6]

圖4 傳統有毛邊之鍛件與無毛邊鍛件之流線比較

研究目的

由於目前國內尚無法鍛製飛機用起落架，究其主因為鍛機能力不足，模具設計不成熟，鍛造製程參數有待建立與原材料尚待開發。因此，本研究之目的為針對中科院所設計之第二代戰機起落架中關鍵之外套筒與活塞零件，在國內現有的資源下，針對上述之問題點進行研究，找尋解決方案，期建立起飛機起落架鍛件自主製造技術。

研究方法

本研究根據中科院航空所設計完成之起落架零件，分別建立活塞與外套筒鍛件圖面，如圖5所示，其中外套筒鍛件其外形複雜，以傳統有毛邊之閉模鍛造，須經過好幾個道次，不易成形。依照投影面積計算，外套筒最大須要約25,000 ton之鍛造負荷，活塞則須要15,000 ton。但國內現行之最大鍛機只有12,000 ton，根本無法於國內進行鍛造。且就傳統鍛造製程而言，在毛邊剪斷處有鍛流線外露現象，為疲勞破壞之起源點，造成耐疲勞性不佳之問題點。為降低鍛造負荷，避免因毛邊的生成產生之問題點，本研究擬設計多軸複動化閉塞鍛造模具，將材料置入密閉模穴中擠壓進行無毛邊之鍛造成形。模具的設計上，模仁為錐度且分割式，以T型槽做為開模之機構，閉模時採用剪力柱插入方式，做機械式合模。閉模後之鍛造方式，活塞鍛造使用浮動模座進行上下雙向成形，外套筒鍛造則採用單向成形。活塞之鍛造製程，如圖6所示，為使用300M材料，下料尺寸為∮128 mm x L1255 mm，原料以石墨被覆，單邊加熱至970℃±20℃，接著進行預成形，以雙向成形方式將側軸擠出，鍛件取出後，再重新單邊加熱至970℃±20℃，進行完成鍛，將中孔鍛出。外套筒之鍛造製程，如圖7所示，為使用AL7050材料，下料尺寸為∮209 mm x L1260 mm，加熱至460℃±10℃，接著進行預成形U型部鍛出，鍛件取出後，再重新加熱至460℃±10℃，進行完成鍛，隨即置換衝頭，將中孔鍛出。以上製程規劃先以DEFORM軟體進行CAE成形分析，確認可行後再進行模具開發與試鍛。