引用论文

张洪瑞,詹梅,郑泽邦,李锐.航天小型薄壁回转曲面预制构件成型制造技术的发展与挑战[J].机械工程学报,2022,58(20):166-185.

ZHANG,ZHANMei,ZHENG,LIRui.andofforLarge-ScaleThin-Wall-[J].of,2022,58(20):166-185.

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“高性能塑性成型制造特邀专栏”链接

16期：

20期：

薄壁曲面预制构件是广泛应用于民航航天等高档运载武器的关键预制构件。小型薄壁曲面预制构件成型制造技术是新一代民航航天飞行器、战略潜艇和船舶等尖端武器向小型化、轻量化、高性能、长寿命和高可靠性方向发展的急切须要。但是，这类预制构件的壁薄、直径等规格大、曲率变化、大小规格极端结合，且材料轻质高强、性能要求高等，使其制造难度大。

西南交大詹梅院士团队在《机械工程学报》2022年20期的“高性能塑性成型制造特邀专栏”发表了《航天小型薄壁回转曲面预制构件成型制造技术的发展与挑战》一文。詹梅院士团队首先概述了航天领域小型薄壁回转曲面预制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小型薄壁回转曲面预制构件制造技术综述了其应用与研究进展，之后对比剖析了各制造工艺的技术特色、构件性能与发展潜力，阐述了小型薄壁回转曲面预制构件制造技术的未来发展趋势与面临的挑战。

推论

1)在整体塑性成型方面，滚压成型和流体压力成型是小型薄壁回转曲面预制构件制造较有前景的主要发展方向。但是，一方面因为高档武器高性能、高可靠、轻量化和高功效需求的驱动，小型薄壁回转曲面预制构件的设计呈现出规格不断减小、大小规格极端结合、复杂型面、超薄壁厚等发展趋势，且预制构件采用轻质高强的先进难变型材料，致使小型薄壁回转曲面预制构件成型中极易出现失稳开裂、破裂、不贴模等缺陷，极大降低了成型难度；另一方面因为超宽整体坯料制备能力有限，阻碍了小型薄壁回转曲面预制构件的发展。为此，在未来举办超宽坯料的制备和借此为基础的小型或超小型薄壁回转曲面预制构件整体塑性成型制造理论与技术研究级为必要。

2)在分瓣塑性成型+拼焊的制造技术方面，目前该技术一直是小型薄壁回转曲面预制构件制造的有效制造途径之一，但采用该工艺制造的预制构件熔池数目多，加之分瓣装配、焊接过程中带来的装配偏差、热变型、残余挠度等诱因极大地增加了预制构件的服役性能和可靠性飞行器数字化制造技术，使小型薄壁回转曲面预制构件的高性能、高可靠和长寿命制造极为困难。因而，研究和发展预制构件在分瓣成型、装配、拼焊过程的质量综合调控技术是实现小型薄壁回转曲面预制构件材料-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)针对未来民航航天等高档武器小型薄壁回转曲面预制构件规格的不断下降，因为受制于坯料规格的限制，致使该类预制构件难以直接通过塑性成型获得。为了突破这一困局，借助钎焊制成的小型拼焊坯料或预制坯再通过塑性成型工艺实现小型预制构件的整体成型，即拼焊+塑性成型，早已成为小型薄壁回转曲面预制构件整体塑性成型新的发展趋势和可能的制造途径。但是，拼焊板的拼焊方式、焊缝性能、焊缝形状及分布等诱因对预制构件成型的影响尚不明晰，且大吨位成型设备稀缺。因此，拼焊的大规格坯料塑性成型工艺及武器亟需研究和发展，基于拼焊板的整体塑性成型必定成为小型薄壁回转曲面预制构件重要的发展方向。

4)在增材制造技术方面，针对小型薄壁回转曲面预制构件的增材制造国外鲜有报导，未来须要举办相应的增材制造工艺与武器研究；目前增材制造主要面临制造规格、制造精度、组织性能及效率无法兼具，制造过程在线监测与调控缺少，亟需强化预制构件增材制造材料、工艺、检测和性能的高精度协同控制研究；另外，面对预制构件结构复杂性和综合性能等的不断飙升，开发增材制造、等材制造和减材制造等的在线复合成型技术，强化不同制造技术之间的交互融合是未来满足预制构件复杂特点和提升预制构件综合性能的重要发展方向。

5)在复材编织制造技术方面，针对小型薄壁回转曲面预制构件在开发具有高的硬度、韧性、抗损伤容限和耐温性能复合材料基础上，重点发展该类预制构件的手动化、数字化、整体化和低成本制造的工艺及设备；同时，发展复合材料预制构件无损检查和全寿命结构健康检测技术，以及复合材料预制构件的高效循环再借助技术，进而实现复合材料小型薄壁回转曲面预制构件高性能、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，须要发展相应稳定运行的武器作为载体，同时兼具武器-工艺-产品材料结构与性能的互动性；随着预制构件规格超常规、控制精度越苛刻，武器-工艺-产品材料结构与性能之间的协调性越来越须要注重，也是未来实现小型薄壁回转曲面预制构件精确、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，促使成型制造过程与互联网、大数据、人工智能的深度融合是武器制造的研究热点。利用人工智能技术，研制工业机器人，提高面向生产的智能决策和工艺自适应能力，增加工人劳动硬度；借助互联网、大数据在制造过程中以实现节能减排、管理绩效等，是未来高端成型制造的必然发展趋势。

主创简介

张洪瑞，男，1990年出生，博士研究生。主要从事民航航天高性能轻量化薄壁复杂预制构件精确成型设计制造与工艺武器技术，飞行器数字化设计与制造技术飞行器数字化制造技术，预制构件服役性能与可靠性等相关方面的研究。

詹梅，东南工业学院院长、博士生导师。教育部“长江学者”特聘院士、国家“万人计划”科技创新领军人才，国家杰出青年科学基金获得者。历任中国机械工程学会塑性工程分会副理事长、陕西省高性能精确成型技术与武器重点实验室组长、中国兵工学会精密成型工程专业委员会副部长委员；武器核高基航天科技联合基金专家、国家自然科学基金会评专家、教育部重点实验室评估专家；制造领域国际刊物《》副主编，《航空学报》中英文版等刊物编委。旨在于高性能轻量化复杂预制构件精确塑性成型理论、技术与武器研究，主持国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金重点项目、国家科技重大专项等项目30多项，发表论文150余篇，获授权国家发明专利20多项和软件专著权10多项，获国家自然科学和技术发明二等奖各1项，省局级银奖3项。

郑泽邦，哲学博士，院长，博士生导师。2012-2018年求学于美国帝国理工大学，师从FionnDunne教授，先后获得先进材料科学与工程专业理学硕士、哲学博士学位，2018年9月通过东南工业学院首批飞翔海外学者计划引进归国，荣获人社部“香江学者”，现兼任中国机械工程学会塑性工程分会塑性加工理论委员会委员、国际合作委员会秘书、陕西省机械工程学会塑性分会副秘书长兼常务理事，还兼任ActaMater,IntJSol,JMaterRes等国际顶尖刊物审稿人和《精密成型工程》通讯编委。主要从事先进制造技术与高性能预制构件疲劳失效机理等方面的研究。近些年来主持国家自然科学基金重大研究计划培植项目、陕西省自然科学基金青年项目、深圳市自然科学基金面上项目等，研究成果在本领域顶尖刊物IntJPlast、ActaMater和JMechPhys等发表。

李锐，男，1989年出生，博士研究生。主要从事高性能轻量化复杂预制构件的精确塑性成型制造、结构设计和预制构件加工制造中的破裂失效和成型极限等相关方面的研究。

课题组在研项目和研究成果

精确塑性成型全过程的多尺度建模

发展了适用于塑性成型微观组织演变、力学响应与损伤演进的位错动力学、元胞自动机、晶体塑性有限元及其耦合方式，并完善了相应的多尺度模型。相关研究成果获2020年广东省自然科学银奖（多能场塑性成型的多尺度变型机制与协同调控）。

2.局部加载主动控制不均匀变型与精确塑性成型

为解决民航航天关键预制构件的制造困局，课题组发展了系列点、线、面、体局部加载技术。近日关于滚压的研究成果阐明了不均匀变型对异形曲面滚压缺陷作用规律与控制方式、探明了铝合金小型薄壁异形曲面件渗碳变型模式及分布规律、发展了滚压渗碳全过程工艺及成型平台。在弯头方面发展了耐高压钛合金管道数控热弯精确成型及可靠性联接技术。相关研究成果获得了2012年国家自然科学二等奖（复杂预制构件不均匀变型机理与精确塑性成型规律）与2016年国家技术发明二等奖（高性能轻量化预制构件局部加载精确塑性成型一体化制造技术）。

3.多能场辅助精确塑性成型

课题组为解决航发用低温合金封严环制造困局，研究了超声、脉冲电压等能场定向调控形性演化。阐明了电脉冲下低温合金多尺度现象、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旋压的新方式。

4.智能化工艺与武器设计

课题组研究了难变型材料薄壁预制构件柔性加载成型工艺智能设计与武器，相关成果获2014年广东省科学技术银奖（高性能轻量化预制构件局部加载成产生性一体化制造技术）。

课题组特色

东北工业学院精确塑性成型团队主要从事高性能轻量化预制构件精确塑性成型技术与武器研究。现有班主任9人，其中院士8人、副院长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。兼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。团队依托山东省高性能精确成型技术与武器重点实验室建成四大试验平台（高性能板管类预制构件精确成型试验平台、精密锻造/铣削/挤压精确成型试验平台、成形精度/成型组织性能测试平台、数字化建模仿真与数据库平台），实验室占地3500平方米，共有单价3500亿元以上的各种仪器设备110余台。团队的主要研究方向为：轻质高强板管材精确成型，高性能复杂承力预制构件精确容积成型，难变型材料复杂结构形性一体化调控，数字化、智能化制造与武器技术。

作者：张洪瑞