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狀，分析了目前存在的問題。結合型號結構設計的新發展新需求，系統闡述了鍛造技術精密化、一體化及數字化的發展趨勢，提出發展精密鍛造技術解決構件生產周期長、成本高等問題；開發構件的形-性協同多工藝復合成形技術解決大型復雜產品輕質化、一體化制造難題；通過深度應用建模仿真和數字化制造技術，實現產品工藝設計數字化及制造過程智能化控制，顯著提升產品制造效率及工藝可靠性。

鍛造技術；航天運載器；精密鍛造；環件軋制

1 引言

鍛件制造是航天裝備制造業的基礎，隨著我國航天工業的高速發展，對高品質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、質量檢測可靠，一直以來鍛造都是追求結構可靠、服役條件惡劣的重要及關鍵結構件的首選成形工藝[1～3]。介紹了鍛造技術在航天運載器型號中的應用現狀，結合目前存在的問題及型號結構設計的新發展新需求，分析了鍛造技術的發展趨勢，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品見表1。主要的鍛造成形工藝：自由鍛、模鍛、等溫鍛及環軋。其中自由鍛產品占各型號鍛件總數的80%以上，規格品種多，單類數量少，主要為合金鋼和鋁合金構件，以中小型鍛件為主；模鍛件一般適用于對非機加工表面質量要求不高的產品，如吊環、接頭等鋁或鋼鍛件，由于切削加工的數控化程度越來越高，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，在航空工業上有著廣泛應用，但在航天工業中起步較晚，目前僅在部分運載火箭及武器型號上有所應用，具有很大的發展空間；環軋工藝主要用來制備運載火箭及武器型號用端框、過渡環類產品，在我國新一代運載火箭中應用廣泛，實現了5m級及以下環件的整體制造，9.5m級2219鋁合金環件正在研制中，已經突破了成形的關鍵技術[4]。

表1 航天型號常用鍛件產品及其鍛造工藝

3 存在問題

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

a. 鍛件生產周期長、制造成本高。目前，除極少數精密鍛件以外，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%，生產周期長、制造成本高，已經成為制約型號批產與研制進度的短板。

b. 鍛造裝備與工藝設計能力落后，快速反應能力差。航天企業現有的鍛造裝備自動化、數控化程度較低，與國內鍛造裝備的發展水平相差甚大，大型、復雜形狀鍛件生產能力欠缺。此外，由于行業技術封閉，前期與其它行業聯系溝通較少，在鍛造工藝設計、模擬仿真、模具結構設計等方面的技術水平較為落后，不利于新材料、新結構鍛件產品的工藝研發及快速制造。

c. 大型復雜鍛件形性協同一體化制造技術落后。我國航天運載器結構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，致使行業對鍛件內部組織結構管控不嚴，對鍛造的變形機理與規律缺乏深入研究。隨著新型號的發展，提高結構效率，輕質化、一體化、大型化、高可靠構件需求迫切，導致產品復雜大型化帶來的鍛造過程優化設計及穩定控制極其困難。

4 先進鍛造技術發展趨勢

航天運載器作為開發利用太空資源的重大戰略裝備，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換代提出了迫切需求。箭/彈體結構的大型化、輕質化、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控制造技術是提高產品幾何精度、提升結構效率、實現輕質化、提高可靠性的必要途徑。同時，我國航天產品系統復雜程度越來越高，新一代航天運載器的研制及批產對產品的高效制造提出了更高的要求。鍛件產品是運載器結構的重要組成部分，且通常為重要承力結構件。因此實現其高效、精確、整體化、高品質制造是新一代航天運載器發展對其提出的重要需求，也是其成形制造面臨的主要挑戰。

近年來，國內鍛造裝備的機械化、數控化、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和民營企業。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，國內的中航工業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，國內的大型壓力機制造水平基本與發達國家持平，但先進的鍛造裝備在航天企業中應用極少，特別是在輕合金鍛造方面，國內的研究相對較少。

結合我國航天企業裝備現狀和航天產品結構特點，從縮短鍛件研制及生產周期、降低生產成本、提高批產質量穩定性和實現數字化制造的角度出發，提出航天鍛造技術要向精密化、一體化、柔性化及數字化方向發展，匹配航天制造技術發展需求。

4.1 精密鍛造技術

精密鍛造工藝的主要目的是實現鍛件由“肥頭大耳”向“近無余量”轉變，依靠模具來保證零件結構的成形，大大減少切削加工量，提高材料利用率，降低生產成本，提高生產效率。通過固化工藝流程及成形工藝參數，可以有效保障產品批產的質量一致性和穩定性。從航天型號產品結構來看，適宜于發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，提高產品成形的尺寸精度。對于采用常規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、哈爾濱工業大學、西北工業大學、航空148廠等單位[2，6～10]對該工藝的研究較為深入，實現了多種材料的等溫精密鍛造成形，在航空工業應用較為廣泛。圖1所示為不同材料典型結構的等溫精密鍛造產品。目前航天工業僅實現部分鋁合金材料構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

4.1.2 異形截面環件成形工藝

航天型號箭體結構中回轉體產品較多，材料以鋁合金為主，高溫合金和鈦合金環形產品在發動機中有少量應用。隨著新一代運載火箭對環件的需求量越來越大，航天企業在鋁合金環件軋制領域取得了顯著效果，逐步突破了環坯設計、軋制成形及組織性能控制等關鍵技術，形成了多種材料、多種規格鋁合金環件的批產能力[4，11，12]。但目前的研究僅限于矩形截面環件軋制成形，在異形截面環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件

異形截面環件軋制成形是根據產品的輪廓設計出相應的軋制孔型，使軋制產品盡量接近零件的輪廓外形，從而實現產品的近無余量成形，如圖2所示。國內西北工業大學、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實現了環件的精密軋制成形，在航空工業中取得了顯著應用效果。典型環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，可以實現多種形狀異形環的整體軋制成形，大幅提高材料利用率、降低生產成本，縮短生產周期，提高產品質量，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構件的成形，特別適用于難變形金屬的薄壁復雜構件。擠壓成形中材料變形劇烈，金屬容易發生充分的動態再結晶，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構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體構件，國內中北大學等研究機構[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

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

4.2.1 整體環軋成形工藝

徑-軸向數控環軋成形工藝是通過材料的局部連續塑性變形來實現環件的成形，可以在較低噸位的軋機上實現超大規格構件的整體成形[21～24]。戰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。通過整體環軋成形工藝，結合合理的坯料變形設計，可以實現薄壁高筒鋁合金殼段的“形-性”協同控制[12]。

貯箱用過渡環起到連接箱底與筒段的關鍵作用，相比型材拼焊結構，整體軋制成形環件微觀組織、力學性能及應力狀態均勻，有利于提高貯箱整體可靠性。國內現階段已經實現直徑5m級鋁合金環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、西南鋁業集團有限公司共同開展了9.5m級2219鋁合金超大型環件預先研究，推動了國內大型鋁合金構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量。美國通過旋壓及圓筒滾壓復合成形工藝已經制成運載火箭用直徑4.2m的大型無縫圓筒，有效降低了生產成本，縮短了生產周期，并取得了專利。國內的核電、船舶等行業已經制備出10m、高度4m以上的無縫鋼質筒形構件，但在鋁合金材料上鮮有研究。

圖4 運載火箭貯箱筒段

隨著環軋及旋壓技術的進步，可以先通過環軋成形出筒段的直徑，然后通過旋壓減薄壁厚、延長高度，再結合圓筒滾壓等工藝實現加強筋的成形，最終實現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，提高產品可靠性。

4.3 數字化鍛造技術

數字化制造是先進制造技術的核心，發展先進的鍛造技術，實現精密化、一體化、柔性化發展，必須以數字化制造為基礎。數字化制造將推動制造技術由經驗制造向科學制造和可預測制造轉變[26～28]，通過產品、工藝過程和生產資源的建模仿真及集成優化，可實現產品與工藝設計結合的早期驗證，不但可以虛擬構現產品的成形過程，還可以實現產品的微觀組織及力學性能定制，因此可以提前發現問題并修正，避免返工和工期的延誤。

數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，航天企業在模擬仿真技術方面有了一定發展，在等溫精密鍛造方向有了一定應用。鋁合金盒形件數字化制造流程如圖5所示，很好地指導了模具結構設計與工藝參數設計，產品研制效率及質量一致性大幅提高。

圖5 鋁合金盒形件數字化制造流程

圖6 鋁合金環件的數字化制造

在鋁合金環件軋制方面，首都航天機械公司在環件數字化制造方面做了初步研究，如圖6所示。根據型號需求，在充分考慮工藝特性及成形質量要求等因素基礎上，通過合理的工藝設計、仿真分析，優化的加工工藝參數及成形過程精確控制，最終生產出合格的環件產品。在整個流程過程通過不斷調入和存檔，使每一件環件產品的數據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件數字化制造數據庫。這對于環件批量小、規格多的大型鋁合金環件生產是非常有意義的，不但實現了新型環件研制的快速響應，而且保證了環件產品質量一致性和可靠性。

5 未來方向

為滿足航天型號新結構設計的發展需求，縮短鍛件產品的生產周期，降低生產成本，提高產品質量，實現鍛造技術在航天工業中的快速發展，未來研究方向主要有以下幾點：

a. 發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，實現鍛件產品的近無余量成形，縮短鍛件產品生產周期，降低生產成本；

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

c．開發、應用鍛造工藝的建模仿真和數字化制造技術，實現產品工藝設計數字化、制造系統網絡化、過程控制智能化，顯著提升產品制造的工藝可靠性和過程穩定性；

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

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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；研究方向：航天結構件制造工藝。

2018-12-07