鍛造技術在航天運載器中的應用及展望

倪江濤 張文學

鍛造技術在航天運載器中的應用及展望

倪江濤 張文學

（首都航天機械有限公司，北京 100076）

介紹了鍛造技術在航天運載器中的應用現(xiàn)狀，分析了目前存在的問題。結(jié)合型號結(jié)構(gòu)設計的新發(fā)展新需求，系統(tǒng)闡述了鍛造技術精密化、一體化及數(shù)字化的發(fā)展趨勢，提出發(fā)展精密鍛造技術解決構(gòu)件生產(chǎn)周期長、成本高等問題；開發(fā)構(gòu)件的形-性協(xié)同多工藝復合成形技術解決大型復雜產(chǎn)品輕質(zhì)化、一體化制造難題；通過深度應用建模仿真和數(shù)字化制造技術，實現(xiàn)產(chǎn)品工藝設計數(shù)字化及制造過程智能化控制，顯著提升產(chǎn)品制造效率及工藝可靠性。

鍛造技術；航天運載器；精密鍛造；環(huán)件軋制

1 引言

鍛件制造是航天裝備制造業(yè)的基礎，隨著我國航天工業(yè)的高速發(fā)展，對高品質(zhì)鍛件的需求越來越迫切。鍛造加工的工藝靈活，可緊密圍繞產(chǎn)品的使用性能及設計指標進行工藝設計。在滿足零件形狀的同時，一方面可以通過變形的均勻性控制，改善材料的各向異性，使鍛件三個方向性能趨于一致；另一方面也可以通過模具約束和變形控制，使鍛件形成一定的金屬流線，顯著提高某一方向的機械性能。鍛造制品顯微組織細小、機械性能良好、質(zhì)量檢測可靠，一直以來鍛造都是追求結(jié)構(gòu)可靠、服役條件惡劣的重要及關鍵結(jié)構(gòu)件的首選成形工藝[1～3]。介紹了鍛造技術在航天運載器型號中的應用現(xiàn)狀，結(jié)合目前存在的問題及型號結(jié)構(gòu)設計的新發(fā)展新需求，分析了鍛造技術的發(fā)展趨勢，并展望了該技術未來的研究方向。

2 鍛造技術在航天運載器中的應用

航天運載器常用鍛造工藝及其鍛件產(chǎn)品見表1。主要的鍛造成形工藝：自由鍛、模鍛、等溫鍛及環(huán)軋。其中自由鍛產(chǎn)品占各型號鍛件總數(shù)的80%以上，規(guī)格品種多，單類數(shù)量少，主要為合金鋼和鋁合金構(gòu)件，以中小型鍛件為主；模鍛件一般適用于對非機加工表面質(zhì)量要求不高的產(chǎn)品，如吊環(huán)、接頭等鋁或鋼鍛件，由于切削加工的數(shù)控化程度越來越高，該工藝的應用受到很大限制；等溫鍛造是在模鍛的基礎上發(fā)展起來的一種接近成形工藝，其制品的尺寸精度可達±0.2mm、表面粗糙度可達a3.2mm以下，非機加工表面可達90%以上，在航空工業(yè)上有著廣泛應用，但在航天工業(yè)中起步較晚，目前僅在部分運載火箭及武器型號上有所應用，具有很大的發(fā)展空間；環(huán)軋工藝主要用來制備運載火箭及武器型號用端框、過渡環(huán)類產(chǎn)品，在我國新一代運載火箭中應用廣泛，實現(xiàn)了5m級及以下環(huán)件的整體制造，9.5m級2219鋁合金環(huán)件正在研制中，已經(jīng)突破了成形的關鍵技術[4]。

表1 航天型號常用鍛件產(chǎn)品及其鍛造工藝

3 存在問題

當前我國航天工業(yè)鍛造裝備與技術的發(fā)展和航天制造整體技術的進步不相匹配，與高效率、低成本、高可靠的航天構(gòu)件制造目標差距較大，制約航天型號新結(jié)構(gòu)設計的發(fā)展節(jié)奏，存在的問題主要有以下幾點：

a. 鍛件生產(chǎn)周期長、制造成本高。目前，除極少數(shù)精密鍛件以外，航天型號大部分鍛件完全依靠切削加工成形，材料利用率僅為5%～20%，生產(chǎn)周期長、制造成本高，已經(jīng)成為制約型號批產(chǎn)與研制進度的短板。

b. 鍛造裝備與工藝設計能力落后，快速反應能力差。航天企業(yè)現(xiàn)有的鍛造裝備自動化、數(shù)控化程度較低，與國內(nèi)鍛造裝備的發(fā)展水平相差甚大，大型、復雜形狀鍛件生產(chǎn)能力欠缺。此外，由于行業(yè)技術封閉，前期與其它行業(yè)聯(lián)系溝通較少，在鍛造工藝設計、模擬仿真、模具結(jié)構(gòu)設計等方面的技術水平較為落后，不利于新材料、新結(jié)構(gòu)鍛件產(chǎn)品的工藝研發(fā)及快速制造。

c. 大型復雜鍛件形性協(xié)同一體化制造技術落后。我國航天運載器結(jié)構(gòu)件基本上一次性使用，長期以來對材料的疲勞及斷裂韌性等性能要求不高，致使行業(yè)對鍛件內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)管控不嚴，對鍛造的變形機理與規(guī)律缺乏深入研究。隨著新型號的發(fā)展，提高結(jié)構(gòu)效率，輕質(zhì)化、一體化、大型化、高可靠構(gòu)件需求迫切，導致產(chǎn)品復雜大型化帶來的鍛造過程優(yōu)化設計及穩(wěn)定控制極其困難。

4 先進鍛造技術發(fā)展趨勢

航天運載器作為開發(fā)利用太空資源的重大戰(zhàn)略裝備，其整體制造水平代表了一個國家進入太空的能力。伴隨我國空間站、載人航天、探月、北斗導航等航天重大工程的快速推進，對航天運載器制造技術的更新?lián)Q代提出了迫切需求。箭/彈體結(jié)構(gòu)的大型化、輕質(zhì)化、一體化、可靠化對材料性能和制造技術提出了更高要求，而整體精確成形和組織性能精準調(diào)控制造技術是提高產(chǎn)品幾何精度、提升結(jié)構(gòu)效率、實現(xiàn)輕質(zhì)化、提高可靠性的必要途徑。同時，我國航天產(chǎn)品系統(tǒng)復雜程度越來越高，新一代航天運載器的研制及批產(chǎn)對產(chǎn)品的高效制造提出了更高的要求。鍛件產(chǎn)品是運載器結(jié)構(gòu)的重要組成部分，且通常為重要承力結(jié)構(gòu)件。因此實現(xiàn)其高效、精確、整體化、高品質(zhì)制造是新一代航天運載器發(fā)展對其提出的重要需求，也是其成形制造面臨的主要挑戰(zhàn)。

近年來，國內(nèi)鍛造裝備的機械化、數(shù)控化、大型化及精密化水平不斷提高，萬噸以上自由鍛液壓機10臺左右，分布在一重、二重、上重、中信重工及航空企業(yè)和民營企業(yè)。2010年以前，擁有4萬噸以上模鍛液壓機的國家僅有美國、俄羅斯和法國；近幾年，國內(nèi)的中航工業(yè)及二重集團相繼建設了4萬噸、8萬噸模鍛液壓機[5]?？梢哉f，國內(nèi)的大型壓力機制造水平基本與發(fā)達國家持平，但先進的鍛造裝備在航天企業(yè)中應用極少，特別是在輕合金鍛造方面，國內(nèi)的研究相對較少。

結(jié)合我國航天企業(yè)裝備現(xiàn)狀和航天產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點，從縮短鍛件研制及生產(chǎn)周期、降低生產(chǎn)成本、提高批產(chǎn)質(zhì)量穩(wěn)定性和實現(xiàn)數(shù)字化制造的角度出發(fā)，提出航天鍛造技術要向精密化、一體化、柔性化及數(shù)字化方向發(fā)展，匹配航天制造技術發(fā)展需求。

4.1 精密鍛造技術

精密鍛造工藝的主要目的是實現(xiàn)鍛件由“肥頭大耳”向“近無余量”轉(zhuǎn)變，依靠模具來保證零件結(jié)構(gòu)的成形，大大減少切削加工量，提高材料利用率，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。通過固化工藝流程及成形工藝參數(shù)，可以有效保障產(chǎn)品批產(chǎn)的質(zhì)量一致性和穩(wěn)定性。從航天型號產(chǎn)品結(jié)構(gòu)來看，適宜于發(fā)展等溫精密鍛造技術及精密軋制成形技術。

4.1.1 等溫精密鍛造成形工藝

低殘余應力成形、微觀組織及力學性能均勻是等溫精密成形鍛件的顯著特點，通過控制變形溫度和變形速率，可以降低金屬的變形抗力，提高產(chǎn)品成形的尺寸精度。對于采用常規(guī)鍛造工藝很難成形的金屬材料，如鈦合金、鎂合金、高溫合金、鋁合金等材料，特別適合于采用等溫精密鍛造工藝成形。

我國等溫精密鍛造技術的研究起步于20世紀60年代，北京航空材料研究院、哈爾濱工業(yè)大學、西北工業(yè)大學、航空148廠等單位[2，6～10]對該工藝的研究較為深入，實現(xiàn)了多種材料的等溫精密鍛造成形，在航空工業(yè)應用較為廣泛。圖1所示為不同材料典型結(jié)構(gòu)的等溫精密鍛造產(chǎn)品。目前航天工業(yè)僅實現(xiàn)部分鋁合金材料構(gòu)件的等溫精密鍛造成形，并在型號上成功應用，但對于鎂合金、鈦合金、高溫合金等材料的等溫精密鍛造成形工藝研究甚少。

a 鋁合金接頭 b 鎂合金機匣 c 鈦合金葉柵環(huán)

4.1.2 異形截面環(huán)件成形工藝

航天型號箭體結(jié)構(gòu)中回轉(zhuǎn)體產(chǎn)品較多，材料以鋁合金為主，高溫合金和鈦合金環(huán)形產(chǎn)品在發(fā)動機中有少量應用。隨著新一代運載火箭對環(huán)件的需求量越來越大，航天企業(yè)在鋁合金環(huán)件軋制領域取得了顯著效果，逐步突破了環(huán)坯設計、軋制成形及組織性能控制等關鍵技術，形成了多種材料、多種規(guī)格鋁合金環(huán)件的批產(chǎn)能力[4，11，12]。但目前的研究僅限于矩形截面環(huán)件軋制成形，在異形截面環(huán)件精密軋制成形工藝方面的研究剛剛起步[13]。

圖2 異形截面

圖3 典型異形截面軋制環(huán)件

異形截面環(huán)件軋制成形是根據(jù)產(chǎn)品的輪廓設計出相應的軋制孔型，使軋制產(chǎn)品盡量接近零件的輪廓外形，從而實現(xiàn)產(chǎn)品的近無余量成形，如圖2所示。國內(nèi)西北工業(yè)大學、武漢理工大學等單位[14～18]在高溫合金、鈦合金等材料上已經(jīng)實現(xiàn)了環(huán)件的精密軋制成形，在航空工業(yè)中取得了顯著應用效果。典型環(huán)件異形軋制的截面示意圖如圖3所示，通過合理的軋制孔型設計，可以實現(xiàn)多種形狀異形環(huán)的整體軋制成形，大幅提高材料利用率、降低生產(chǎn)成本，縮短生產(chǎn)周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量，應用前景廣闊。

4.1.3 精密擠壓成形工藝

擠壓成形是精密鍛造工藝的一種，通過設計合理的模具，利用材料的高溫塑性，在大壓力下使金屬沿模具型腔流動從而實現(xiàn)構(gòu)件的成形，特別適用于難變形金屬的薄壁復雜構(gòu)件。擠壓成形中材料變形劇烈，金屬容易發(fā)生充分的動態(tài)再結(jié)晶，晶粒尺寸細小，纖維方向沿金屬流動方向分布，因此擠壓制品的機械性能及整體結(jié)構(gòu)的可靠性要比其它成形工藝高出很多。導彈彈頭為典型的回轉(zhuǎn)體構(gòu)件，國內(nèi)中北大學等研究機構(gòu)[19，20]突破了高強耐熱鎂合金彈頭用殼體的整體擠壓成形技術，進一步降低了彈頭重量。

4.2 一體化鍛造技術

為了提高結(jié)構(gòu)可靠性、降低重量，航天型號結(jié)構(gòu)件朝著一體化、輕量化方向發(fā)展，對部分產(chǎn)品的成形工藝提出了新的要求。由于國內(nèi)鍛造裝備的大型化、數(shù)控化已經(jīng)發(fā)展到較高水平，以前不敢想或者很難實現(xiàn)的工藝可以開展相關工藝研究。但構(gòu)件的大型化、輕質(zhì)化對整體精確成形和組織性能精準調(diào)控帶來巨大挑戰(zhàn)，制造難點主要集中在精準調(diào)控合金的內(nèi)部微觀組織、全面提升宏觀力學性能及精確控制尺寸精度方面。

4.2.1 整體環(huán)軋成形工藝

徑-軸向數(shù)控環(huán)軋成形工藝是通過材料的局部連續(xù)塑性變形來實現(xiàn)環(huán)件的成形，可以在較低噸位的軋機上實現(xiàn)超大規(guī)格構(gòu)件的整體成形[21～24]。戰(zhàn)略導彈艙段殼體作為外壓沖擊載荷和彎矩載荷主要受力部位，其力學性能及總體可靠性要求很高，對制造工藝提出更高要求。通過整體環(huán)軋成形工藝，結(jié)合合理的坯料變形設計，可以實現(xiàn)薄壁高筒鋁合金殼段的“形-性”協(xié)同控制[12]。

貯箱用過渡環(huán)起到連接箱底與筒段的關鍵作用，相比型材拼焊結(jié)構(gòu)，整體軋制成形環(huán)件微觀組織、力學性能及應力狀態(tài)均勻，有利于提高貯箱整體可靠性。國內(nèi)現(xiàn)階段已經(jīng)實現(xiàn)直徑5m級鋁合金環(huán)件的整體制造與應用。近年來，首都航天機械有限公司與中南大學、西南鋁業(yè)集團有限公司共同開展了9.5m級2219鋁合金超大型環(huán)件預先研究，推動了國內(nèi)大型鋁合金構(gòu)件制造技術水平的提升，為我國未來重型運載火箭超大直徑貯箱的研制奠定了基礎。

4.2.2 軋旋復合成形工藝

我國運載火箭貯箱用筒段均為板材滾彎后拼焊成形，如圖4所示，受板材規(guī)格限制，貯箱筒段的長度同樣受到限制，增加了大型貯箱焊縫數(shù)量。美國通過旋壓及圓筒滾壓復合成形工藝已經(jīng)制成運載火箭用直徑4.2m的大型無縫圓筒，有效降低了生產(chǎn)成本，縮短了生產(chǎn)周期，并取得了專利。國內(nèi)的核電、船舶等行業(yè)已經(jīng)制備出10m、高度4m以上的無縫鋼質(zhì)筒形構(gòu)件，但在鋁合金材料上鮮有研究。

圖4 運載火箭貯箱筒段

隨著環(huán)軋及旋壓技術的進步，可以先通過環(huán)軋成形出筒段的直徑，然后通過旋壓減薄壁厚、延長高度，再結(jié)合圓筒滾壓等工藝實現(xiàn)加強筋的成形，最終實現(xiàn)大型薄壁筒段的整體制造成形，從而降低對單一工藝的要求，大幅提高材料利用率，提高產(chǎn)品可靠性。

4.3 數(shù)字化鍛造技術

數(shù)字化制造是先進制造技術的核心，發(fā)展先進的鍛造技術，實現(xiàn)精密化、一體化、柔性化發(fā)展，必須以數(shù)字化制造為基礎。數(shù)字化制造將推動制造技術由經(jīng)驗制造向科學制造和可預測制造轉(zhuǎn)變[26～28]，通過產(chǎn)品、工藝過程和生產(chǎn)資源的建模仿真及集成優(yōu)化，可實現(xiàn)產(chǎn)品與工藝設計結(jié)合的早期驗證，不但可以虛擬構(gòu)現(xiàn)產(chǎn)品的成形過程，還可以實現(xiàn)產(chǎn)品的微觀組織及力學性能定制，因此可以提前發(fā)現(xiàn)問題并修正，避免返工和工期的延誤。

數(shù)字化制造的核心技術是建模和仿真。近年來通過與高校的合作，航天企業(yè)在模擬仿真技術方面有了一定發(fā)展，在等溫精密鍛造方向有了一定應用。鋁合金盒形件數(shù)字化制造流程如圖5所示，很好地指導了模具結(jié)構(gòu)設計與工藝參數(shù)設計，產(chǎn)品研制效率及質(zhì)量一致性大幅提高。

圖5 鋁合金盒形件數(shù)字化制造流程

圖6 鋁合金環(huán)件的數(shù)字化制造

在鋁合金環(huán)件軋制方面，首都航天機械公司在環(huán)件數(shù)字化制造方面做了初步研究，如圖6所示。根據(jù)型號需求，在充分考慮工藝特性及成形質(zhì)量要求等因素基礎上，通過合理的工藝設計、仿真分析，優(yōu)化的加工工藝參數(shù)及成形過程精確控制，最終生產(chǎn)出合格的環(huán)件產(chǎn)品。在整個流程過程通過不斷調(diào)入和存檔，使每一件環(huán)件產(chǎn)品的數(shù)據(jù)和相關信息有效留存下來。通過不斷積累，從而形成了豐富的環(huán)件數(shù)字化制造數(shù)據(jù)庫。這對于環(huán)件批量小、規(guī)格多的大型鋁合金環(huán)件生產(chǎn)是非常有意義的，不但實現(xiàn)了新型環(huán)件研制的快速響應，而且保證了環(huán)件產(chǎn)品質(zhì)量一致性和可靠性。

5 未來方向

為滿足航天型號新結(jié)構(gòu)設計的發(fā)展需求，縮短鍛件產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量，實現(xiàn)鍛造技術在航天工業(yè)中的快速發(fā)展，未來研究方向主要有以下幾點：

a. 發(fā)展精密鍛造及精密軋制成形工藝，研究工裝、模具的柔性設計技術，實現(xiàn)鍛件產(chǎn)品的近無余量成形，縮短鍛件產(chǎn)品生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)成本；

b．開展大型結(jié)構(gòu)件的形性協(xié)同一體化鍛造技術研究，探索整體擠壓成形、環(huán)軋成形及軋旋復合成形等工藝在型號上的應用，提高結(jié)構(gòu)可靠性，簡化工藝流程；

c．開發(fā)、應用鍛造工藝的建模仿真和數(shù)字化制造技術，實現(xiàn)產(chǎn)品工藝設計數(shù)字化、制造系統(tǒng)網(wǎng)絡化、過程控制智能化，顯著提升產(chǎn)品制造的工藝可靠性和過程穩(wěn)定性；

d．集成、整合航天常用金屬材料鍛造成形工藝數(shù)據(jù)，加強基礎工藝研究，建立產(chǎn)品鍛造成形工藝數(shù)據(jù)庫，完善鍛件質(zhì)量評價方法及驗收標準體系，提高產(chǎn)品批產(chǎn)質(zhì)量一致性，提升新材料、新工藝研發(fā)的快速反應能力。

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Application and Development Prospects of Forging Technology in Aerospace Vehicle

Ni Jiangtao Zhang Wenxue

(Capital Aerospace Machinery Co., Ltd., Beijing 100076)

Forging technology and its application status in aerospace vehicle were introduced and the existing problems in the current research were analyzed. Development trends of precision, integrated, digital forging technology were systematically discussed based on the new development and requirement of structural design in aerospace. It is proposed to develop precision forging technology to solve the problems of long production cycle and high cost of components, to develop the shape-property coordination and multi-process composite forming technology of components to achieve lightweight and integrated large-scale products. The technology of simulation and digital manufacturing is applied to realize the digitalization of product process design and intelligent control of manufacturing process, which significantly improve product manufacturing efficiency and process reliability.

forging technology；aerospace vehicle；precision forging；ring rolling

倪江濤（1981），高級工程師，機械制造專業(yè)；研究方向：航天結(jié)構(gòu)件制造工藝。

2018-12-07