锻造技术在航天运载器中的应用及展望

倪江涛 张文学

锻造技术在航天运载器中的应用及展望

倪江涛 张文学

（首都航天机械有限公司，北京 100076）

介绍了锻造技术在航天运载器中的应用现状，分析了目前存在的问题。结合型号结构设计的新发展新需求，系统阐述了锻造技术精密化、一体化及数字化的发展趋势，提出发展精密锻造技术解决构件生产周期长、成本高等问题；开发构件的形-性协同多工艺复合成形技术解决大型复杂产品轻质化、一体化制造难题；通过深度应用建模仿真和数字化制造技术，实现产品工艺设计数字化及制造过程智能化控制，显著提升产品制造效率及工艺可靠性。

锻造技术；航天运载器；精密锻造；环件轧制

1 引言

锻件制造是航天装备制造业的基础，随着我国航天工业的高速发展，对高品质锻件的需求越来越迫切。锻造加工的工艺灵活，可紧密围绕产品的使用性能及设计指标进行工艺设计。在满足零件形状的同时，一方面可以通过变形的均匀性控制，改善材料的各向异性，使锻件三个方向性能趋于一致；另一方面也可以通过模具约束和变形控制，使锻件形成一定的金属流线，显著提高某一方向的机械性能。锻造制品显微组织细小、机械性能良好、质量检测可靠，一直以来锻造都是追求结构可靠、服役条件恶劣的重要及关键结构件的首选成形工艺[1～3]。介绍了锻造技术在航天运载器型号中的应用现状，结合目前存在的问题及型号结构设计的新发展新需求，分析了锻造技术的发展趋势，并展望了该技术未来的研究方向。

2 锻造技术在航天运载器中的应用

航天运载器常用锻造工艺及其锻件产品见表1。主要的锻造成形工艺：自由锻、模锻、等温锻及环轧。其中自由锻产品占各型号锻件总数的80%以上，规格品种多，单类数量少，主要为合金钢和铝合金构件，以中小型锻件为主；模锻件一般适用于对非机加工表面质量要求不高的产品，如吊环、接头等铝或钢锻件，由于切削加工的数控化程度越来越高，该工艺的应用受到很大限制；等温锻造是在模锻的基础上发展起来的一种接近成形工艺，其制品的尺寸精度可达±0.2mm、表面粗糙度可达a3.2mm以下，非机加工表面可达90%以上，在航空工业上有着广泛应用，但在航天工业中起步较晚，目前仅在部分运载火箭及武器型号上有所应用，具有很大的发展空间；环轧工艺主要用来制备运载火箭及武器型号用端框、过渡环类产品，在我国新一代运载火箭中应用广泛，实现了5m级及以下环件的整体制造，9.5m级2219铝合金环件正在研制中，已经突破了成形的关键技术[4]。

表1 航天型号常用锻件产品及其锻造工艺

3 存在问题

当前我国航天工业锻造装备与技术的发展和航天制造整体技术的进步不相匹配，与高效率、低成本、高可靠的航天构件制造目标差距较大，制约航天型号新结构设计的发展节奏，存在的问题主要有以下几点：

a. 锻件生产周期长、制造成本高。目前，除极少数精密锻件以外，航天型号大部分锻件完全依靠切削加工成形，材料利用率仅为5%～20%，生产周期长、制造成本高，已经成为制约型号批产与研制进度的短板。

b. 锻造装备与工艺设计能力落后，快速反应能力差。航天企业现有的锻造装备自动化、数控化程度较低，与国内锻造装备的发展水平相差甚大，大型、复杂形状锻件生产能力欠缺。此外，由于行业技术封闭，前期与其它行业联系沟通较少，在锻造工艺设计、模拟仿真、模具结构设计等方面的技术水平较为落后，不利于新材料、新结构锻件产品的工艺研发及快速制造。

c. 大型复杂锻件形性协同一体化制造技术落后。我国航天运载器结构件基本上一次性使用，长期以来对材料的疲劳及断裂韧性等性能要求不高，致使行业对锻件内部组织结构管控不严，对锻造的变形机理与规律缺乏深入研究。随着新型号的发展，提高结构效率，轻质化、一体化、大型化、高可靠构件需求迫切，导致产品复杂大型化带来的锻造过程优化设计及稳定控制极其困难。

4 先进锻造技术发展趋势

航天运载器作为开发利用太空资源的重大战略装备，其整体制造水平代表了一个国家进入太空的能力。伴随我国空间站、载人航天、探月、北斗导航等航天重大工程的快速推进，对航天运载器制造技术的更新换代提出了迫切需求。箭/弹体结构的大型化、轻质化、一体化、可靠化对材料性能和制造技术提出了更高要求，而整体精确成形和组织性能精准调控制造技术是提高产品几何精度、提升结构效率、实现轻质化、提高可靠性的必要途径。同时，我国航天产品系统复杂程度越来越高，新一代航天运载器的研制及批产对产品的高效制造提出了更高的要求。锻件产品是运载器结构的重要组成部分，且通常为重要承力结构件。因此实现其高效、精确、整体化、高品质制造是新一代航天运载器发展对其提出的重要需求，也是其成形制造面临的主要挑战。

近年来，国内锻造装备的机械化、数控化、大型化及精密化水平不断提高，万吨以上自由锻液压机10台左右，分布在一重、二重、上重、中信重工及航空企业和民营企业。2010年以前，拥有4万吨以上模锻液压机的国家仅有美国、俄罗斯和法国；近几年，国内的中航工业及二重集团相继建设了4万吨、8万吨模锻液压机[5]。可以说，国内的大型压力机制造水平基本与发达国家持平，但先进的锻造装备在航天企业中应用极少，特别是在轻合金锻造方面，国内的研究相对较少。

结合我国航天企业装备现状和航天产品结构特点，从缩短锻件研制及生产周期、降低生产成本、提高批产质量稳定性和实现数字化制造的角度出发，提出航天锻造技术要向精密化、一体化、柔性化及数字化方向发展，匹配航天制造技术发展需求。

4.1 精密锻造技术

精密锻造工艺的主要目的是实现锻件由“肥头大耳”向“近无余量”转变，依靠模具来保证零件结构的成形，大大减少切削加工量，提高材料利用率，降低生产成本，提高生产效率。通过固化工艺流程及成形工艺参数，可以有效保障产品批产的质量一致性和稳定性。从航天型号产品结构来看，适宜于发展等温精密锻造技术及精密轧制成形技术。

4.1.1 等温精密锻造成形工艺

低残余应力成形、微观组织及力学性能均匀是等温精密成形锻件的显著特点，通过控制变形温度和变形速率，可以降低金属的变形抗力，提高产品成形的尺寸精度。对于采用常规锻造工艺很难成形的金属材料，如钛合金、镁合金、高温合金、铝合金等材料，特别适合于采用等温精密锻造工艺成形。

我国等温精密锻造技术的研究起步于20世纪60年代，北京航空材料研究院、哈尔滨工业大学、西北工业大学、航空148厂等单位[2，6～10]对该工艺的研究较为深入，实现了多种材料的等温精密锻造成形，在航空工业应用较为广泛。图1所示为不同材料典型结构的等温精密锻造产品。目前航天工业仅实现部分铝合金材料构件的等温精密锻造成形，并在型号上成功应用，但对于镁合金、钛合金、高温合金等材料的等温精密锻造成形工艺研究甚少。

a 铝合金接头 b 镁合金机匣 c 钛合金叶栅环

4.1.2 异形截面环件成形工艺

航天型号箭体结构中回转体产品较多，材料以铝合金为主，高温合金和钛合金环形产品在发动机中有少量应用。随着新一代运载火箭对环件的需求量越来越大，航天企业在铝合金环件轧制领域取得了显著效果，逐步突破了环坯设计、轧制成形及组织性能控制等关键技术，形成了多种材料、多种规格铝合金环件的批产能力[4，11，12]。但目前的研究仅限于矩形截面环件轧制成形，在异形截面环件精密轧制成形工艺方面的研究刚刚起步[13]。

图2 异形截面

图3 典型异形截面轧制环件

异形截面环件轧制成形是根据产品的轮廓设计出相应的轧制孔型，使轧制产品尽量接近零件的轮廓外形，从而实现产品的近无余量成形，如图2所示。国内西北工业大学、武汉理工大学等单位[14～18]在高温合金、钛合金等材料上已经实现了环件的精密轧制成形，在航空工业中取得了显著应用效果。典型环件异形轧制的截面示意图如图3所示，通过合理的轧制孔型设计，可以实现多种形状异形环的整体轧制成形，大幅提高材料利用率、降低生产成本，缩短生产周期，提高产品质量，应用前景广阔。

4.1.3 精密挤压成形工艺

挤压成形是精密锻造工艺的一种，通过设计合理的模具，利用材料的高温塑性，在大压力下使金属沿模具型腔流动从而实现构件的成形，特别适用于难变形金属的薄壁复杂构件。挤压成形中材料变形剧烈，金属容易发生充分的动态再结晶，晶粒尺寸细小，纤维方向沿金属流动方向分布，因此挤压制品的机械性能及整体结构的可靠性要比其它成形工艺高出很多。导弹弹头为典型的回转体构件，国内中北大学等研究机构[19，20]突破了高强耐热镁合金弹头用壳体的整体挤压成形技术，进一步降低了弹头重量。

4.2 一体化锻造技术

为了提高结构可靠性、降低重量，航天型号结构件朝着一体化、轻量化方向发展，对部分产品的成形工艺提出了新的要求。由于国内锻造装备的大型化、数控化已经发展到较高水平，以前不敢想或者很难实现的工艺可以开展相关工艺研究。但构件的大型化、轻质化对整体精确成形和组织性能精准调控带来巨大挑战，制造难点主要集中在精准调控合金的内部微观组织、全面提升宏观力学性能及精确控制尺寸精度方面。

4.2.1 整体环轧成形工艺

径-轴向数控环轧成形工艺是通过材料的局部连续塑性变形来实现环件的成形，可以在较低吨位的轧机上实现超大规格构件的整体成形[21～24]。战略导弹舱段壳体作为外压冲击载荷和弯矩载荷主要受力部位，其力学性能及总体可靠性要求很高，对制造工艺提出更高要求。通过整体环轧成形工艺，结合合理的坯料变形设计，可以实现薄壁高筒铝合金壳段的“形-性”协同控制[12]。

贮箱用过渡环起到连接箱底与筒段的关键作用，相比型材拼焊结构，整体轧制成形环件微观组织、力学性能及应力状态均匀，有利于提高贮箱整体可靠性。国内现阶段已经实现直径5m级铝合金环件的整体制造与应用。近年来，首都航天机械有限公司与中南大学、西南铝业集团有限公司共同开展了9.5m级2219铝合金超大型环件预先研究，推动了国内大型铝合金构件制造技术水平的提升，为我国未来重型运载火箭超大直径贮箱的研制奠定了基础。

4.2.2 轧旋复合成形工艺

我国运载火箭贮箱用筒段均为板材滚弯后拼焊成形，如图4所示，受板材规格限制，贮箱筒段的长度同样受到限制，增加了大型贮箱焊缝数量。美国通过旋压及圆筒滚压复合成形工艺已经制成运载火箭用直径4.2m的大型无缝圆筒，有效降低了生产成本，缩短了生产周期，并取得了专利。国内的核电、船舶等行业已经制备出10m、高度4m以上的无缝钢质筒形构件，但在铝合金材料上鲜有研究。

图4 运载火箭贮箱筒段

随着环轧及旋压技术的进步，可以先通过环轧成形出筒段的直径，然后通过旋压减薄壁厚、延长高度，再结合圆筒滚压等工艺实现加强筋的成形，最终实现大型薄壁筒段的整体制造成形，从而降低对单一工艺的要求，大幅提高材料利用率，提高产品可靠性。

4.3 数字化锻造技术

数字化制造是先进制造技术的核心，发展先进的锻造技术，实现精密化、一体化、柔性化发展，必须以数字化制造为基础。数字化制造将推动制造技术由经验制造向科学制造和可预测制造转变[26～28]，通过产品、工艺过程和生产资源的建模仿真及集成优化，可实现产品与工艺设计结合的早期验证，不但可以虚拟构现产品的成形过程，还可以实现产品的微观组织及力学性能定制，因此可以提前发现问题并修正，避免返工和工期的延误。

数字化制造的核心技术是建模和仿真。近年来通过与高校的合作，航天企业在模拟仿真技术方面有了一定发展，在等温精密锻造方向有了一定应用。铝合金盒形件数字化制造流程如图5所示，很好地指导了模具结构设计与工艺参数设计，产品研制效率及质量一致性大幅提高。

图5 铝合金盒形件数字化制造流程

图6 铝合金环件的数字化制造

在铝合金环件轧制方面，首都航天机械公司在环件数字化制造方面做了初步研究，如图6所示。根据型号需求，在充分考虑工艺特性及成形质量要求等因素基础上，通过合理的工艺设计、仿真分析，优化的加工工艺参数及成形过程精确控制，最终生产出合格的环件产品。在整个流程过程通过不断调入和存档，使每一件环件产品的数据和相关信息有效留存下来。通过不断积累，从而形成了丰富的环件数字化制造数据库。这对于环件批量小、规格多的大型铝合金环件生产是非常有意义的，不但实现了新型环件研制的快速响应，而且保证了环件产品质量一致性和可靠性。

5 未来方向

为满足航天型号新结构设计的发展需求，缩短锻件产品的生产周期，降低生产成本，提高产品质量，实现锻造技术在航天工业中的快速发展，未来研究方向主要有以下几点：

a. 发展精密锻造及精密轧制成形工艺，研究工装、模具的柔性设计技术，实现锻件产品的近无余量成形，缩短锻件产品生产周期，降低生产成本；

b．开展大型结构件的形性协同一体化锻造技术研究，探索整体挤压成形、环轧成形及轧旋复合成形等工艺在型号上的应用，提高结构可靠性，简化工艺流程；

c．开发、应用锻造工艺的建模仿真和数字化制造技术，实现产品工艺设计数字化、制造系统网络化、过程控制智能化，显著提升产品制造的工艺可靠性和过程稳定性；

d．集成、整合航天常用金属材料锻造成形工艺数据，加强基础工艺研究，建立产品锻造成形工艺数据库，完善锻件质量评价方法及验收标准体系，提高产品批产质量一致性，提升新材料、新工艺研发的快速反应能力。

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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

倪江涛（1981），高级工程师，机械制造专业；研究方向：航天结构件制造工艺。

2018-12-07