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前言

薄壁曲面構(gòu)件是運(yùn)載火箭、飛機(jī)、船舶等高端運(yùn)載裝備中成形制造難度極大的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件之一， 其制造技術(shù)水平代表了國(guó)家制造業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。隨著這些高端運(yùn)載裝備的快速發(fā)展，對(duì)大運(yùn)力、低能耗、長(zhǎng)航時(shí)、長(zhǎng)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(gòu)件被廣泛采用。該類構(gòu)件一方面是材料輕量化，即采用輕質(zhì)高強(qiáng)的先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料，如高強(qiáng)鋁(鋰)合金、鎂合金、鈦合金等；另一方面是結(jié)構(gòu)輕量化，即采用高效輕質(zhì)的結(jié)構(gòu)型式，其結(jié)構(gòu)朝著 大型化、整體化、薄壁化的幾何和承載優(yōu)化構(gòu)型方向發(fā)展。材料的難變形、結(jié)構(gòu)的難成形以及二者的 耦合作用大大增加了該類構(gòu)件成形制造的難度。因此，發(fā)展先進(jìn)的大型薄壁回轉(zhuǎn)曲面構(gòu)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(duì)航天領(lǐng)域大型薄壁回轉(zhuǎn)曲面構(gòu)件及其成形制造技術(shù)的發(fā)展歷程和分類、各類制造技術(shù)的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀等方面分析討論大型薄壁回轉(zhuǎn) 曲面構(gòu)件成形制造技術(shù)的研究動(dòng)態(tài)；隨后對(duì)比分析各制造工藝的技術(shù)特色、構(gòu)件性能與發(fā)展?jié)摿?；最后探討大型薄壁回轉(zhuǎn)曲面構(gòu)件制造技術(shù)未來的發(fā)展趨勢(shì)與面臨的挑戰(zhàn)。

及其制造技術(shù)發(fā)展概述

一、國(guó)際發(fā)展歷程

l 20世紀(jì)50-60年代的制造工藝

由于成形設(shè)備制造能力有限，主要采用分瓣塑性成形+拼焊。

1967年美國(guó)土星5號(hào)Ⅰ級(jí)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(jì)80年代的技術(shù)發(fā)展

l 21世紀(jì)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(guó)內(nèi)發(fā)展歷程

l 國(guó)內(nèi)航天工業(yè)的起步與發(fā)展：

l 長(zhǎng)征系列運(yùn)載火箭的發(fā)展歷程：

l 燃料貯箱箱底的制造工藝：

l 當(dāng)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(jié)構(gòu)的大型薄壁曲面構(gòu)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旋轉(zhuǎn)的模具和輪子，對(duì)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(zhuǎn)構(gòu)件。

工藝特點(diǎn)：

• 通過旋輪的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)局部塑性變形。
• 能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的尺寸控制和良好的表面質(zhì)量。

• 材料利用率高，節(jié)省材料成本。

應(yīng)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(duì)金屬板材施加均勻壓力，使其在模具內(nèi)成形的一種技術(shù)，適用于復(fù)雜形狀的薄壁曲面構(gòu)件。

工藝特點(diǎn)：

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

應(yīng)用案例：

• 適用于制造復(fù)雜曲面和內(nèi)腔結(jié)構(gòu)的航天構(gòu)件。

  
  

圖：薄壁曲面構(gòu)件流體壓力成形過程

l 電磁漸進(jìn)成形

電磁漸進(jìn)成形是利用電磁力對(duì)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)：

• 無接觸成形，減少了模具的磨損。
• 可實(shí)現(xiàn)對(duì)高強(qiáng)度材料的高效成形。
• 工藝過程中無熱效應(yīng)，適合熱敏材料。
  
  

應(yīng)用案例:

• 用于制造高強(qiáng)度和高硬度的航天器結(jié)構(gòu)件。

圖：雙線圈電磁漸進(jìn)成形

l 超塑成形

超塑成形是利用材料在特定溫度和應(yīng)變速率條件下表現(xiàn)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(yīng)變速率條件下進(jìn)行。
• 可實(shí)現(xiàn)極復(fù)雜的形狀成形。
• 材料變形均勻，成形精度高。
  
  

應(yīng)用案例:

• 適用于高溫合金和鈦合金的復(fù)雜形狀構(gòu)件。
  
  

圖：超塑氣脹成形模具和構(gòu)件

其他制造技術(shù)

一、增材制造技術(shù)

增材制造（Additive Manufacturing，AM）是一種通過逐層堆積材料來制造構(gòu)件的技術(shù)，適用于制造復(fù)雜形狀和結(jié)構(gòu)的構(gòu)件。

工藝特點(diǎn)：

• 能夠制造出復(fù)雜的幾何形狀，不受傳統(tǒng)制造工藝的限制。

• 提高材料利用率，減少浪費(fèi)。

• 可實(shí)現(xiàn)快速成型，縮短制造周期。

  
  

應(yīng)用案例：

• 航天領(lǐng)域中，用于制造復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件和零部件，如發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室、衛(wèi)星支架等。
  
  

圖：增材制造-3D打印的大型薄壁曲面構(gòu)件

二、復(fù)合材料編織制造

復(fù)合材料編織制造是一種利用纖維材料進(jìn)行編織并通過樹脂浸漬固化成形的技術(shù)，具有重量輕、強(qiáng)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(qiáng)度和高模量。
• 制造過程中能夠?qū)崿F(xiàn)大尺寸構(gòu)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(yīng)用案例：

• 用于制造航天器的外殼、蒙皮等高性能部件。

圖：復(fù)合材料成形構(gòu)件

發(fā)展趨勢(shì)與挑戰(zhàn)

一、未來發(fā)展趨勢(shì)

未來大型薄壁回轉(zhuǎn)曲面構(gòu)件成形制造技術(shù)的發(fā)展將朝著智能化、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(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，優(yōu)化成形過程的參數(shù)設(shè)置和質(zhì)量控制。
• 開發(fā)智能化制造系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和無人化生產(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?gòu)U料和加工余量，降低制造成本。
• 開發(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)過程中對(duì)環(huán)境的影響。
• 開發(fā)低能耗成形技術(shù)，降低能源消耗，推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展。
  
  

二、主要挑戰(zhàn)

盡管未來發(fā)展前景廣闊，但大型薄壁回轉(zhuǎn)曲面構(gòu)件的制造仍面臨諸多挑戰(zhàn)，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(qiáng)度、高硬度和高耐熱性，這些特性使得其變形難度大，對(duì)成形工藝和設(shè)備的要求更高。

l 復(fù)雜結(jié)構(gòu)的成形難度

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

l 制造過程的優(yōu)化與控制

成形制造過程涉及多道工序和復(fù)雜的工藝參數(shù)，需要通過先進(jìn)的監(jiān)測(cè)和控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)過程的優(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(yīng)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)，是未來發(fā)展的關(guān)鍵。

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

結(jié)論

針對(duì)航天領(lǐng)域等高端裝備對(duì)高性能輕量化大型薄壁回轉(zhuǎn)曲面構(gòu)件制造技術(shù)的迫切需求，本文首先對(duì)大型薄壁回轉(zhuǎn)曲面構(gòu)件及其制造技術(shù)的發(fā)展歷程和分類進(jìn)行了綜述；然后從各類制造技術(shù)的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀等方面分析和討論了大型薄壁回轉(zhuǎn) 曲面構(gòu)件成形制造技術(shù)的研究動(dòng)態(tài)；最后通過對(duì)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(gòu)件的發(fā)展?jié)摿Φ?，探討了大型薄壁?轉(zhuǎn)曲面構(gòu)件制造技術(shù)在未來的發(fā)展趨勢(shì)與面臨的挑戰(zhàn)。

l 來源：機(jī)械工程學(xué)報(bào)