鋁管旋壓成型（xíng）：商業航天燃料貯箱薄壁件0.1mm精度控製實（shí）踐

1. 引（yǐn）言

商（shāng）業航天火箭燃料貯箱需滿足可重複使用（≥50次循環）、高推重比（殼體質量占比<15%）與低溫相容性（-253℃液氫工況）的嚴苛要求。傳統（tǒng）鋁（lǚ）合金焊接拚裝（zhuāng）工藝存在焊縫弱區與（yǔ）尺寸離散問（wèn）題，而鋁管旋壓成型（xíng）通過整體塑性成形可實現壁厚均勻性（CV≤3%）與亞（yà）毫米級幾何精度，成為新（xīn）一代（dài）貯箱製造的優選（xuǎn）方（fāng）案。

2. 旋壓成型精（jīng）度控製關鍵（jiàn）技（jì）術

2.1 材料-工藝匹（pǐ）配設（shè）計

• 鋁合金選型：采用Al-2195-T8（屈服強度≥450 MPa，延伸率（lǜ）12%），平衡低溫韌性（KIC≥30 MPa·m^0.5）與旋壓成形性；

• 熱力耦（ǒu）合路徑（jìng）：設計“冷（lěng）旋預成（chéng）形（20℃）+中溫精旋（280℃）”兩階段工藝（圖1），抑製動態再結晶導致（zhì）的晶粒（lì）粗化（平均（jun1）晶粒尺寸≤15 μm）。

2.2 多參數協同優化

• 旋輪軌跡規劃：基於NURBS曲線插值算法生成非對稱旋輪路徑，補償材料（liào）回彈（補償量0.05-0.12 mm）；

• 進給比控製（zhì）：主軸（zhóu）轉速（sù）（150-300 rpm）與旋輪徑向進給速（sù）度（0.8-1.2 mm/s）動態匹配，避免局部減薄率超限（Δthickness<5%）；

• 溫度場調控：紅外加熱模塊分區控溫（軸向（xiàng）梯度±10℃/m），降（jiàng）低周向殘餘應力（<50 MPa）。

2.3 在線檢（jiǎn）測與補償

• 激光掃描係統：集成LVDT傳感器（精度±0.005 mm）實時監測壁厚與圓度，數據采樣率1 kHz；

• 自適應反饋：通過BP神經網絡預測回彈量，驅動伺服電機調整旋輪姿態角（調節範圍±0.5°），實現閉環精度控製（圖2）。

3. 工程驗證與性能分析

3.1 成（chéng）型質量評估

• 幾何精度：三坐標測量機（CMM）檢測顯示，旋壓（yā）殼體母線直線（xiàn）度誤差0.06 mm/m，橢圓度0.09 mm（目標值≤0.1 mm）；

• 力學性能：旋壓後材料軸（zhóu）向抗拉強度達510 MPa，較母（mǔ）材提升8%，周向強度各向異性比≤1.05。

3.2 焊接適配性測試

• 環焊匹配度（dù）：采用FSW（摩擦攪拌焊）對接旋壓殼體（tǐ），焊縫區錯邊量≤0.07 mm，滿足無（wú）填（tián）充焊接要求；

• 低溫疲勞壽命：液氮浸（jìn）泡（-196℃）後液壓循環測試（0-4 MPa），殼體（tǐ）經2000次循環無泄漏，遠超商用火箭50次複用標準。

4. 技術（shù）經濟性優勢

• 材料利用率：旋壓成材率≥85%，較傳統切削加工提升40%；

• 生產節拍（pāi）：單件旋壓周期縮短至45分鍾（原（yuán）工藝120分鍾），適合小批量快響應需求；

• 成本控製：綜合製造成本降低（dī）32%（能耗節約+廢料減少），支撐（chēng）商業航天低（dī）價競爭策略。

5. 挑戰與展望

當前技術瓶頸包括：① 超（chāo）大直徑（Φ5 m級）薄壁件旋壓的顫（chàn）振抑製；② 多次熱循環後材料性能退化預測。未來研究方向包括：

• 數字孿生集成：構建旋壓過程“物理-虛擬”雙胞胎係統，實現工（gōng）藝參數自優化；

• 超精加工（gōng）複合：開發旋壓-電解拋（pāo）光一體化裝備，表麵粗糙度Ra≤0.4 μm。