航天大型薄壁回转曲面构件成形制造技术的发展与挑战

薄壁曲面构件是广泛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。

增材制造-3D打印技术在薄壁曲面结构件的制造中展现出显著的应用价值。例如带来更大的设计自由度、提高材料利用率、缩短研发周期等等，还有助于实现结构件的轻量化，提高性能，并通过精确控制制造过程来优化零件的微观结构和力学性能。

本期谷.专栏将对西北工业大学詹梅教授团队发表于《机械工程学报》的《航天大型薄壁回转曲面构件成形制造技术的发展与挑战》一文进行简要分享。为从事航天等高端装备制造领域增材制造研究的谷友提供参考。

©3D科学谷白皮书

▲论文链接：

http://www.cjmenet.com.cn/CN/10.3901/JME.2022.2‍0.166

前言

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快速发展，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。该类构件一方面是材料轻量化，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 耦合作用大大增加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经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程和分类、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、构件性能与发展潜力；最后探讨大型薄壁回转曲面构件制造技术未来的发展趋势与面临的挑战。

航天大型薄壁回转曲面构件

及其制造技术发展概述

一、国际发展历程

l20世纪50-60年代的制造工艺

由于成形设备制造能力有限，主要采用分瓣塑性成形+拼焊。

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，采用液压胀形方法成形，再进行焊接组合。这种方法工序多、制造精度差、可靠性低。

l20世纪80年代的技术发展

随着工艺技术的迅速发展，整体成形技术得到了广泛应用。

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。

l21世纪初的技术突破

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。

l2009年的新进展

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。

l2017年的最新进展

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。

二、国内发展历程

l国内航天工业的起步与发展：

20世纪60年代：航天工业建设起步。

70年代初：实现了运载火箭由“无”到“有”的突破。

l长征系列运载火箭的发展历程：

1970年：研制的长征一号芯级直径为2.25 m。

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。

l燃料贮箱箱底的制造工艺：

2017年以前：主要采用瓜瓣冲压/拉形+拼焊工艺。

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厂分别采用旋压工艺，成功研制出直径3.35 m的整体结构贮箱箱底。

龙头企业重点布局移动服务机器人，利用前沿技术提升性能。

l当前制造能力与技术差距

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

现阶段限制：我国尚不具备研制直径超过5 m的贮箱箱底的能力。

技术差距：尽管取得了迅猛发展，与国外的研制能力相比，仍存在明显差距。

基于塑性成形的制造技术

-整体塑性成形

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。

l旋压成形

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。

工艺特点：

• 通过旋轮的进给运动实现局部塑性变形。

• 能够实现高精度的尺寸控制和良好的表面质量。

• 材料利用率高，节省材料成本。

应用案例：

• 主要用于制造直径较大的火箭燃料箱底。

图：大型薄壁曲面旋压构件

图：无芯模热旋

l流体压力成形

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。

工艺特点：

• 通过液体压力实现均匀成形。

• 适用于制造复杂形状的薄壁件。

• 能够大幅减少拼焊工序，提高构件的一体化程度。

应用案例：

• 适用于制造复杂曲面和内腔结构的航天构件。

图：薄壁曲面构件流体压力成形过程

l电磁渐进成形

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，主要用于难变形材料的成形。

工艺特点：

• 无接触成形，减少了模具的磨损。

• 可实现对高强度材料的高效成形。

• 工艺过程中无热效应，适合热敏材料。

应用案例:

• 用于制造高强度和高硬度的航天器结构件。

图：双线圈电磁渐进成形

l超塑成形

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。

工艺特点：

• 需要在特定的高温和低应变速率条件下进行。

• 可实现极复杂的形状成形。

• 材料变形均匀，成形精度高。

应用案例:

• 适用于高温合金和钛合金的复杂形状构件。

图：超塑气胀成形模具和构件

其他制造技术

一、增材制造技术

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。

工艺特点：

• 能够制造出复杂的几何形状，不受传统制造工艺的限制。

• 提高材料利用率，减少浪费。

• 可实现快速成型，缩短制造周期。

应用案例：

• 航天领域中，用于制造复杂的结构件和零部件，如发动机燃烧室、卫星支架等。

图：增材制造-3D打印的大型薄壁曲面构件

二、复合材料编织制造

复合材料编织制造是一种利用纤维材料进行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。

工艺特点：

• 材料的力学性能优越，具有高强度和高模量。

• 制造过程中能够实现大尺寸构件的一体化成形，减少连接件的使用。

• 具有优异的耐腐蚀性能和疲劳性能。

应用案例：

• 用于制造航天器的外壳、蒙皮等高性能部件。

图：复合材料成形构件

发展趋势与挑战

一、未来发展趋势

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，主要包括以下几个方面：

l智能制造：

• 引入人工智能和机器学习技术，优化成形过程的参数设置和质量控制。

• 开发智能化制造系统，实现自动化和无人化生产，提高生产效率和产品一致性。

l高效制造：

• 提高材料利用率，减少废料和加工余量，降低制造成本。

• 开发高效成形工艺，如快速旋压、快速超塑成形等，缩短制造周期。

l绿色制造：

• 采用环保材料和工艺，减少生产过程中对环境的影响。

• 开发低能耗成形技术，降低能源消耗，推动可持续发展。

二、主要挑战

尽管未来发展前景广阔，但大型薄壁回转曲面构件的制造仍面临诸多挑战，主要包括以下几点：

l材料的难变形性

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。

l复杂结构的成形难度

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。

l制造过程的优化与控制

成形制造过程涉及多道工序和复杂的工艺参数，需要通过先进的监测和控制技术实现过程的优化，提高产品质量和一致性。

l技术与成本的平衡

先进制造技术的研发和应用需要大量的资金投入，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加高效、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。

结论

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程和分类进行了综述；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潜力等，探讨了大型薄壁回 转曲面构件制造技术在未来的发展趋势与面临的挑战。

l 来源：

论文应用信息：

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.

ZHANG Hongrui, ZHAN Mei, ZHENG Zebang, LI Rui. Development and Challenge of Forming Manufacturing Technologies for Aerospace Large-Scale Thin-Wall Axisymmetric Curved-Surface Component[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2022, 58(20): 166-185.

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