高被引综述推荐 航天大型薄壁回转曲面构件成形制造技术的发展与挑战

来源：爱游戏app官网    发布时间：2024-07-22 04:26:35

  张洪瑞, 詹梅, 郑泽邦, 李锐. 航天大型薄壁回转曲面构件成形制造技术的发展与挑战[J]. 机械工程学报, 2022, 58(20): 166-185.

  薄壁曲面构件是大范围的应用于航空航天等高端运载装备的关键构件。大型薄壁曲面构件成形制造技术是新一代航空航天飞行器、战略导弹和船舶等尖端装备向大型化、轻量化、高性能、长寿命和高可靠性方向发展的迫切需要。然而，这类构件的壁薄、直径等尺寸大、曲率变化、大小尺寸极端结合，且材料轻质高强、性能要求高等，使其制造难度大。

  薄壁曲面构件是运载火箭、飞机、船舶等高端运载装备中成形制造难度极大的关键结构件之一， 其制造技术水平代表了国家制造业的核心竞争力。随着这些高端运载装备的加快速度进行发展，对大运力、低能耗、长航时、长寿命等需求的不断攀升， 具有高性能、轻量化和高功效的大型或超大型整体 薄壁曲面构件被广泛采用。该类构件一种原因是材料轻量化，即采用轻质高强的先进结构材料，如高强铝(锂)合金、镁合金、钛合金等；另一方面是结构轻量化，即采用高效轻质的结构型式，其结构朝着 大型化、整体化、薄壁化的几何和承载优化构型方向发展。材料的难变形、结构的难成形以及二者的 耦合作用大幅度提升了该类构件成形制造的难度。因此，发展先进的大型薄壁回转曲面构件成形制造技术已成为目前的研究热点。

  本文针对航天领域大型薄壁回转曲面构件及其成形制造技术的发展历史和分类、各类制造技术的应用与研究现状等方面分析讨论大型薄壁回转 曲面构件成形制造技术的研究动态；随后对比分析各制造工艺的技术特色、构件性能与发展的潜在能力；最后探讨大型薄壁回转曲面构件制造技术未来的发展的新趋势与面临的挑战。

  1967年美国土星5号Ⅰ级S-IC推进器的直径10m的贮箱箱底件使用8块2219铝合金瓜瓣拼焊而成，采取了液压胀形方法成形，再进行焊接组合。这种方法工序多、制造精度差、可靠性低。

  美国航天飞机SWT贮箱箱底3.556m的2219铝合金椭球形顶盖采用旋压工艺进行整体成形。

  日本三菱重工采用多道次整体旋压成形技术，生产出了直径5.2m的H-2A和H-2B型运载火箭铝合金推进剂贮箱。

  美国NASA和洛克希德·马丁公司合作整体成形了直径为5.4m的阿里安5号火箭半球形箱底件，使用搅拌摩擦焊技术连接两块2195铝锂合金板件再整体旋压成形。

  美国NASA的Michoud装配厂在猎户座飞船载人任务中，因超宽板坯尺寸的限制，采用12块铝合金瓜瓣拼焊制造了直径为8.4m的新一代太空发射系统重型火箭的第一个液氢贮箱箱底。

  1975年至2020年：研制了长征二号、三号、四号、六号和七号运载火箭，芯级直径为3.35 m。

  2016年至2020年：研制的新一代长征五号运载火箭，芯级直径和助推器直径分别达到了5 m和3.35 m。

  2017年：中国航天科技集团第一研究院211厂采用旋压工艺，实现了2.25 m贮箱箱底的整体成形制造。

  随后：211厂和第七研究院7102厂分别采取了旋压工艺，成功研制出直径3.35 m的整体结构贮箱箱底。

  截至目前：国内已经实现最大直径5 m的贮箱箱造，制造工艺仍为分瓣塑性成形+拼焊。

  利用整体板坯制造出整体结构的大型薄壁曲面构件，包括旋压成形、流体压力成形、电磁渐进成形、超塑成形等技术。

  旋压成形是一种通过旋转的模具和轮子，对金属板材施加局部压力使其变形的成形技术，具有高精度、高效率的优点，适用于制造大型薄壁回转构件。

  流体压力成形是利用高压液体介质对金属板材施加均匀压力，使其在模具内成形的一种技术，适用于复杂形状的薄壁曲面构件。

  电磁渐进成形是利用电磁力对金属板材进行渐进成形的技术，大多数都用在难变形材料的成形。

  超塑成形是利用材料在特定温度和应变速率条件下表现出的超塑性进行成形的技术，适用于高温下金属材料的成形。

  增材制造（Additive Manufacturing，AM）是一种通过逐层堆积材料来制造构件的技术，适用于制造复杂形状和结构的构件。

  复合材料编织制造是一种利用纤维材料来编织并通过树脂浸渍固化成形的技术，具有重量轻、强度高的特点。

  未来大型薄壁回转曲面构件成形制造技术的发展将朝着智能化、高效化和绿色化的方向迈进，最重要的包含以下几个方面：

  尽管未来发展前途广阔，但大型薄壁回转曲面构件的制造仍面临诸多挑战，最重要的包含以下几点：

  航天材料通常具有高强度、高硬度和高耐热性，这些特性使得其变形难度大，对成形工艺和设备的要求更高。

  大型薄壁回转曲面构件通常具有复杂的几何形状和多样的功能需求，成形过程中的尺寸精度和形状控制难度较大。

  成形制作的完整过程涉及多道工序和复杂的工艺参数，一定要通过先进的监测和控制技术实现过程的优化，提升产品质量和一致性。

  先进制造技术的研发和应用需要大量的资产金额的投入，如何在技术创新和成本控制之间找到平衡点，是未来发展的关键。

  通过不断的技术创新和工艺优化，航天大型薄壁回转曲面构件的制造将迎来更高效、智能和绿色的发展阶段，同时也需要应对材料、工艺和成本等多方面的挑战。

  针对航天领域等高端装备对高性能轻量化大型 薄壁回转曲面构件制造技术的迫切需求，本文首先对大型薄壁回转曲面构件及其制造技术的发展历史和分类进行了综述；然后从各类制造技术的应用与研究现状等方面分析和讨论了大型薄壁回转 曲面构件成形制造技术的研究动态；最后通过对比分析各制造工艺的技术特点、精度和可靠性及面向大型构件的发展的潜在能力等，探讨了大型薄壁回 转曲面构件制造技术在未来的发展的新趋势与面临的挑战。

  发展了适用于塑性成形微观组织演化、力学响应与损伤演化的位错动力学、元胞自动机、晶体塑性有限元及其耦合方法，并建立了相应的多尺度模型。相关研究成果获2020年陕西省自然科学一等奖（多能场塑性成形的多尺度变形机制与协同调控）。

  为解决航空航天关键构件的制造难题，课题组发展了系列点、线、面、体局部加载技术。近期关于旋压的研究成果揭示了不均匀变形对异型曲面旋压缺陷作用规律与操控方法、探明了铝合金大型薄壁异型曲面件淬火变形模式及分布规律、发展了旋压淬火全过程工艺及成形平台。在弯管方面发展了耐高压钛合金管路数控热弯精确成形及可靠性连接技术。相关研究成果获得了2012年国家自然科学二等奖（复杂构件不均匀变形机理与精确塑性成形规律）与2016年国家技术发明二等奖（高性能轻量化构件局部加载精确塑性成形一体化制造技术）。

  课题组为解决航发用高温合金封严环制造难题，研究了超声、脉冲电流等能场定向调控形性演变。揭示了电脉冲下高温合金多尺度现象、局部焦耳热效应机理与电子力效应及其方向依赖性机理，提出了结合电处理调控与电辅助滚压的新方法。

  课题组研究了难变形材料薄壁构件柔性加载成形工艺智能设计与装备，相关成果获2014年陕西省科学技术一等奖（高性能轻量化构件局部加载成形成性一体化制造技术）。

  西北工业大学精确塑性成形团队主要是做高性能轻量化构件精确塑性成形技术与装备研究。现有教师9人，其中教授8人、副教授1人。杰青、长江、万人计划领军人才、优青、青长、青拔等国家级人才7人次。主持国家重大专项、重点基金、973课题等50多项国家级重要课题。担任中国塑性工程学会理事长、副理事长单位，是国际塑性加工领域有重要影响的高水平研究团队。团队依托陕西省高性能精确成形技术与装备重点实验室建成四大试验平台（高性能板管类构件精确成形试验平台、精密锻造/轧制/挤压精确成形试验平台、成形精度/成形组织性能测试平台、数字化建模仿真与数据库平台），实验室占地3500平方米，共有总价3500万元以上的各类仪器设施110余台。团队的主要研究方向为：轻质高强板管件精确成形，高性能复杂承力构件精确体积成形，难变形材料复杂结构形性一体化调控，数字化、智能化制造与装备技术。

  詹梅，西北工业大学教授、博士生导师。教育部“长江学者”特聘教授、国家“万人计划”科学技术创新领军人才，国家杰出青年科学基金获得者。现任中国机械工程学会塑性工程分会副理事长、陕西省高性能精确成形技术与装备重点实验室主任、中国兵工学会精密成形工程专业委员会副主任委员；装备预研航天科技联合基金专家、国家自然科学基金会评专家、教育部重点实验室评估专家；制造领域国际期刊《Manufacturing Review》副主编，《航空学报》中英文版等期刊编委。致力于高性能轻量化复杂构件精确塑性成形理论、技术与装备研究，主持国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金重点项目、国家科技重大专项等项目30多项，发表论文150余篇，获授权国家发明专利20多项和软件著作权10多项，获国家自然科学和技术发明二等奖各1项，省部级一等奖3项。

  郑泽邦，哲学博士，教授，博士生导师。2012-2018年求学于英国帝国理工学院，师从Fionn Dunne院士，先后获得先进材料科学与工程专业理学硕士、哲学博士学位，2018年9月通过西北工业大学首批翱翔海外学者计划引进回国，入选人社部“香江学者”，现担任中国机械工程学会塑性工程分会塑性加工理论委员会委员、国际合作委员会秘书、陕西省机械工程学会塑性分会副秘书长兼常务理事，还担任Acta Mater, Int J Sol Struct, J Mater Res Technol等国际顶级期刊审稿人和《精密成形工程》通讯编委。主要是做先进制造技术与高性能构件疲劳失效机理等方面的研究。近年来主持国家自然科学基金重大研究计划培育项目、陕西省自然科学基金青年项目、深圳市自然科学基金面上项目等，研究成果在本领域顶级期刊Int J Plast、Acta Mater和J Mech Phys Solids等发表。

  张洪瑞，男，1990年出生，博士研究生。主要是做航空航天高性能轻量化薄壁复杂构件精确成形设计制造与工艺装备技术，飞行器数字化设计与制造技术，构件服役性能与可靠性等相关方面的研究。

  李锐，男，1989年出生，博士研究生。主要是做高性能轻量化复杂构件的精确塑性成形制造、结构设计和构件加工制造中的断裂失效和成形极限等相关方面的研究。

  JME学院是由《机械工程学报》编辑部2018年创建，以关注、陪伴青年学者成长为宗旨，努力探索学术传播服务新模式。首任院长是中国机械工程学会监事会监事长、《机械工程学报》中英文两刊主编宋天虎。

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