西工大詹梅教授团队丨航天大型薄壁回转曲面构件成形制造技术的发展与挑战
时间:2023-02-09 15:48 来源:增材制造硕博联盟 作者:admin 点击:次
| 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。 西北工业大学詹梅教授团队在《机械工程学报》2022年20期的“高性能塑性成形制造特邀专栏”发表了《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。詹梅教授团队首先概述了航天领域大型薄壁回转曲面构件及其制造技术的发展历程与类型，据此针对不同类型的大型薄壁回转曲面构件制造技术综述了其应用与研究进展，然后对比分析了各制造工艺的技术特色、构件性能与发展潜力，探讨了大型薄壁回转曲面构件制造技术的未来发展趋势与面临的挑战。 
论文正文与结论 
1) 在整体塑性成形方面，旋压成形和流体压力成形是大型薄壁回转曲面构件制造较有前景的主要发展方向。然而，一方面由于高端装备高性能、高可靠、轻量化和高功效需求的驱动，大型薄壁回转曲面构件的设计呈现出尺寸不断增大、大小尺寸极端结合、复杂型面、超薄壁厚等发展趋势，且构件采用轻质高强的先进难变形材料，使得大型薄壁回转曲面构件成形中极易出现失稳起皱、破裂、不贴模等缺陷，极大增加了成形难度；另一方面由于超宽整体板坯制备能力有限，制约了大型薄壁回转曲面构件的发展。因此，在未来开展超宽板坯的制备和以此为基础的大型或超大型薄壁回转曲面构件整体塑性成形制造理论与技术研究极为必要。 2) 在分瓣塑性成形+拼焊的制造技术方面，目前该技术仍然是大型薄壁回转曲面构件制造的有效制造途径之一，但采用该工艺制造的构件焊缝数量多，加之分瓣装配、焊接过程中带来的装配误差、热变形、残余应力等因素极大地降低了构件的服役性能和可靠性，使大型薄壁回转曲面构件的高性能、高可靠和长寿命制造极为困难。因此，研究和发展构件在分瓣成形、装配、拼焊过程的质量综合调控技术是实现大型薄壁回转曲面构件材料-结构-工艺-服役性能一体化设计制造的发展方向与面临的重要挑战。 3) 针对未来航空航天等高端装备大型薄壁回转曲面构件尺寸的不断增长，由于受制于板坯尺寸的限制，使得该类构件无法直接通过塑性成形获得。为了突破这一瓶颈，利用焊接制成的大型拼焊板坯或预制坯再通过塑性成形工艺实现大型构件的整体成形，即拼焊+塑性成形，已经成为大型薄壁回转曲面构件整体塑性成形新的发展趋势和可能的制造途径。然而，拼焊板的拼焊形式、焊缝性能、焊缝形状及分布等因素对构件成形的影响尚不明确，且大吨位成形设备稀缺。为此，拼焊的大尺寸板坯塑性成形工艺及装备亟待研究和发展，基于拼焊板的整体塑性成形必将成为大型薄壁回转曲面构件重要的发展方向。 4) 在增材制造技术方面，针对大型薄壁回转曲面构件的增材制造国内鲜有报道，未来需要开展相应的增材制造工艺与装备研究；目前增材制造主要面临制造尺寸、制造精度、组织性能及效率难以兼顾，制造过程在线检测与调控缺乏，亟待加强构件增材制造材料、工艺、检测和性能的高精度协同控制研究；另外，面对构件结构复杂性和综合性能等的不断攀升，开发增材制造、等材制造和减材制造等的在线复合成形技术，加强不同制造技术之间的交互融合是未来满足构件复杂特征和提高构件综合性能的重要发展方向。 
△3D打印的大型薄壁曲面构件
5) 在复材编织制造技术方面，针对大型薄壁回转曲面构件在开发具有高的强度、韧性、抗损伤容限和耐温性能复合材料基础上，重点发展该类构件的自动化、数字化、整体化和低成本制造的工艺及设备；同时，发展复合材料构件无损检测和全寿命结构健康监测技术，以及复合材料构件的高效循环再利用技术，从而实现复合材料大型薄壁回转曲面构件高性能、轻量化、绿色化、超长服役寿命发展目标。 6) 针对新的工艺技术和产品新结构与性能的要求，需要发展相应稳定运行的装备作为载体，同时兼顾装备-工艺-产品材料结构与性能的互动性；随着构件尺寸超常规、控制精度越严苛，装备-工艺-产品材料结构与性能之间的协调性越来越需要重视，也是未来实现大型薄壁回转曲面构件精确、高效和高品质数字化制造的重要发展趋势。 7) 在制造技术智能化方面，推动成形制造过程与互联网、大数据、人工智能的深度融合是装备制造的研究热点。利用人工智能技术，研发工业机器人，提升面向生产的智能决策和工艺自适应能力，降低工人劳动强度；利用互联网、大数据在制造过程中以实现节能降耗、管理绩效等，是未来高端成形制造的必然发展趋势。 论文原文链接: www.cjmenet.com.cn/CN/10.3901/JME.2022.20.166 论文引用： 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. 课题组研究成果 1. 精确塑性成形全过程的多尺度建模 
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）。 2. 局部加载主动控制不均匀变形与精确塑性成形 
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控制方法、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）。 3. 多能场辅助精确塑性成形 
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。 4. 智能化工艺与装备设计 
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）。 课题组特色 西北工业大学精确塑性成形团队主要从事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备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。 
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