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前言

薄壁曲面構件是運載火箭、飛機、船舶等高端運載裝備中成形制造難度極大的關(guān)鍵結構件之一， 其制造技術(shù)水平代表了國家制造業(yè)的核心競爭力。隨著(zhù)這些高端運載裝備的快速發(fā)展，對大運力、低能耗、長(cháng)航時(shí)、長(cháng)壽命等需求的不斷攀升， 具有高性能、輕量化和高功效的大型或超大型整體 薄壁曲面構件被廣泛采用。該類(lèi)構件一方面是材料輕量化，即采用輕質(zhì)高強的先進(jìn)結構材料，如高強鋁(鋰)合金、鎂合金、鈦合金等；另一方面是結構輕量化，即采用高效輕質(zhì)的結構型式，其結構朝著(zhù) 大型化、整體化、薄壁化的幾何和承載優(yōu)化構型方向發(fā)展。材料的難變形、結構的難成形以及二者的 耦合作用大大增加了該類(lèi)構件成形制造的難度。因此，發(fā)展先進(jìn)的大型薄壁回轉曲面構件成形制造技術(shù)已經(jīng)成為目前的研究熱點(diǎn)。

本文針對航天領(lǐng)域大型薄壁回轉曲面構件及其成形制造技術(shù)的發(fā)展歷程和分類(lèi)、各類(lèi)制造技術(shù)的應用與研究現狀等方面分析討論大型薄壁回轉 曲面構件成形制造技術(shù)的研究動(dòng)態(tài)；隨后對比分析各制造工藝的技術(shù)特色、構件性能與發(fā)展潛力；最后探討大型薄壁回轉曲面構件制造技術(shù)未來(lái)的發(fā)展趨勢與面臨的挑戰。

及其制造技術(shù)發(fā)展概述

一、國際發(fā)展歷程

l 20世紀50-60年代的制造工藝

由于成形設備制造能力有限，主要采用分瓣塑性成形+拼焊。

1967年美國土星5號Ⅰ級S-IC推進(jìn)器的直徑10m的貯箱箱底件使用8塊2219鋁合金瓜瓣拼焊而成，采用液壓脹形方法成形，再進(jìn)行焊接組合。這種方法工序多、制造精度差、可靠性低。

l 20世紀80年代的技術(shù)發(fā)展

l 21世紀初的技術(shù)突破

l 2009年的新進(jìn)展

l 2017年的最新進(jìn)展

二、國內發(fā)展歷程

l 國內航天工業(yè)的起步與發(fā)展：

l 長(cháng)征系列運載火箭的發(fā)展歷程：

l 燃料貯箱箱底的制造工藝：

l 當前制造能力與技術(shù)差距

-整體塑性成形

利用整體板坯制造出整體結構的大型薄壁曲面構件，包括旋壓成形、流體壓力成形、電磁漸進(jìn)成形、超塑成形等技術(shù)。

l 旋壓成形

旋壓成形是一種通過(guò)旋轉的模具和輪子，對金屬板材施加局部壓力使其變形的成形技術(shù)，具有高精度、高效率的優(yōu)點(diǎn)，適用于制造大型薄壁回轉構件。

工藝特點(diǎn)：

• 通過(guò)旋輪的進(jìn)給運動(dòng)實(shí)現局部塑性變形。
• 能夠實(shí)現高精度的尺寸控制和良好的表面質(zhì)量。

• 材料利用率高，節省材料成本。

應用案例：

• 主要用于制造直徑較大的火箭燃料箱底。
  
  

l 流體壓力成形

流體壓力成形是利用高壓液體介質(zhì)對金屬板材施加均勻壓力，使其在模具內成形的一種技術(shù)，適用于復雜形狀的薄壁曲面構件。

工藝特點(diǎn)：

• 通過(guò)液體壓力實(shí)現均勻成形。
• 適用于制造復雜形狀的薄壁件。
• 能夠大幅減少拼焊工序，提高構件的一體化程度。
  
  

應用案例：

• 適用于制造復雜曲面和內腔結構的航天構件。

  
  

圖：薄壁曲面構件流體壓力成形過(guò)程

l 電磁漸進(jìn)成形

電磁漸進(jìn)成形是利用電磁力對金屬板材進(jìn)行漸進(jìn)成形的技術(shù)，主要用于難變形材料的成形。

工藝特點(diǎn)：

• 無(wú)接觸成形，減少了模具的磨損。
• 可實(shí)現對高強度材料的高效成形。
• 工藝過(guò)程中無(wú)熱效應，適合熱敏材料。
  
  

應用案例:

• 用于制造高強度和高硬度的航天器結構件。

圖：雙線(xiàn)圈電磁漸進(jìn)成形

l 超塑成形

超塑成形是利用材料在特定溫度和應變速率條件下表現出的超塑性進(jìn)行成形的技術(shù)，適用于高溫下金屬材料的成形。

工藝特點(diǎn)：

• 需要在特定的高溫和低應變速率條件下進(jìn)行。
• 可實(shí)現極復雜的形狀成形。
• 材料變形均勻，成形精度高。
  
  

應用案例:

• 適用于高溫合金和鈦合金的復雜形狀構件。
  
  

圖：超塑氣脹成形模具和構件

其他制造技術(shù)

一、增材制造技術(shù)

增材制造（Additive Manufacturing，AM）是一種通過(guò)逐層堆積材料來(lái)制造構件的技術(shù)，適用于制造復雜形狀和結構的構件。

工藝特點(diǎn)：

• 能夠制造出復雜的幾何形狀，不受傳統制造工藝的限制。

• 提高材料利用率，減少浪費。

• 可實(shí)現快速成型，縮短制造周期。

  
  

應用案例：

• 航天領(lǐng)域中，用于制造復雜的結構件和零部件，如發(fā)動(dòng)機燃燒室、衛星支架等。
  
  

圖：增材制造-3D打印的大型薄壁曲面構件

二、復合材料編織制造

復合材料編織制造是一種利用纖維材料進(jìn)行編織并通過(guò)樹(shù)脂浸漬固化成形的技術(shù)，具有重量輕、強度高的特點(diǎn)。

工藝特點(diǎn)：

• 材料的力學(xué)性能優(yōu)越，具有高強度和高模量。
• 制造過(guò)程中能夠實(shí)現大尺寸構件的一體化成形，減少連接件的使用。
• 具有優(yōu)異的耐腐蝕性能和疲勞性能。
  
  

應用案例：

• 用于制造航天器的外殼、蒙皮等高性能部件。

圖：復合材料成形構件

發(fā)展趨勢與挑戰

一、未來(lái)發(fā)展趨勢

未來(lái)大型薄壁回轉曲面構件成形制造技術(shù)的發(fā)展將朝著(zhù)智能化、高效化和綠色化的方向邁進(jìn)，主要包括以下幾個(gè)方面：

l 智能制造：

• 引入人工智能和機器學(xué)習技術(shù)，優(yōu)化成形過(guò)程的參數設置和質(zhì)量控制。
• 開(kāi)發(fā)智能化制造系統，實(shí)現自動(dòng)化和無(wú)人化生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品一致性。
  
  

l 高效制造：

• 提高材料利用率，減少廢料和加工余量，降低制造成本。
• 開(kāi)發(fā)高效成形工藝，如快速旋壓、快速超塑成形等，縮短制造周期。
  
  

l 綠色制造：

• 采用環(huán)保材料和工藝，減少生產(chǎn)過(guò)程中對環(huán)境的影響。
• 開(kāi)發(fā)低能耗成形技術(shù)，降低能源消耗，推動(dòng)可持續發(fā)展。
  
  

二、主要挑戰

盡管未來(lái)發(fā)展前景廣闊，但大型薄壁回轉曲面構件的制造仍面臨諸多挑戰，主要包括以下幾點(diǎn)：

l 材料的難變形性

航天材料通常具有高強度、高硬度和高耐熱性，這些特性使得其變形難度大，對成形工藝和設備的要求更高。

l 復雜結構的成形難度

大型薄壁回轉曲面構件通常具有復雜的幾何形狀和多樣的功能需求，成形過(guò)程中的尺寸精度和形狀控制難度較大。

l 制造過(guò)程的優(yōu)化與控制

成形制造過(guò)程涉及多道工序和復雜的工藝參數，需要通過(guò)先進(jìn)的監測和控制技術(shù)實(shí)現過(guò)程的優(yōu)化，提高產(chǎn)品質(zhì)量和一致性。

l 技術(shù)與成本的平衡

先進(jìn)制造技術(shù)的研發(fā)和應用需要大量的資金投入，如何在技術(shù)創(chuàng )新和成本控制之間找到平衡點(diǎn)，是未來(lái)發(fā)展的關(guān)鍵。

通過(guò)不斷的技術(shù)創(chuàng )新和工藝優(yōu)化，航天大型薄壁回轉曲面構件的制造將迎來(lái)更加高效、智能和綠色的發(fā)展階段，同時(shí)也需要應對材料、工藝和成本等多方面的挑戰。

結論

針對航天領(lǐng)域等高端裝備對高性能輕量化大型薄壁回轉曲面構件制造技術(shù)的迫切需求，本文首先對大型薄壁回轉曲面構件及其制造技術(shù)的發(fā)展歷程和分類(lèi)進(jìn)行了綜述；然后從各類(lèi)制造技術(shù)的應用與研究現狀等方面分析和討論了大型薄壁回轉 曲面構件成形制造技術(shù)的研究動(dòng)態(tài)；最后通過(guò)對比分析各制造工藝的技術(shù)特點(diǎn)、精度和可靠性及面向大型構件的發(fā)展潛力等，探討了大型薄壁回 轉曲面構件制造技術(shù)在未來(lái)的發(fā)展趨勢與面臨的挑戰。

l 來(lái)源：機械工程學(xué)報