流体高压成型技术摘下火箭制造的“皇冠”

【文/ 科工力量专栏作者 高航】

2018年11月10日的《科技日报》报道了这样一条新闻：哈尔滨工业大学(以下简称“哈工大”)苑世剑教授团队提出的双向可控加压流体高压成形新技术攻克了火箭燃料贮箱箱底成形中起皱和开裂缺陷并存的国际性难题，突破国外技术封锁，在国际上首次直接成形出运载火箭直径3m级燃料贮箱薄壁整体箱底，成功摘下火箭上的“皇冠”。

超大型板材流体高压成形机及整体箱底（转载自微信公众号“工大海卓”）

流体高压成型技术，也称高压流体成型技术或内高压成型技术，其原理是将坯料（一般为管材或者板材）装夹在中空模具里，利用高压液体（水溶液或者油液）作为成型介质，对坯料施加超高压，同时在坯料的适当部位施加其他作用力，使得坯料产生塑性变形，并在多种外力作用下与模具紧密贴合，最终形成中空的整体结构零部件。流体高压成型的过程大致如下图所示。

相比于其他成型技术，流体高压成型技术具有突出优势。该技术能大幅提高材料利用率，显著降低成品零部件的重量，并提高成品零部件的质量，还能缩短生产周期。流体高压成型技术通常只需要一套模具，只用一道工序就可以从坯料制造出成品。

而制造中空零部件的常规工艺——薄板冲压/折弯+焊接则需要至少三道工序，因此需要开发或者购置多套工装和设备。

同样由于流体高压成型技术的工序基本上只有一道，工艺废料可因此大幅减少，节约了材料。

还是因为流体高压成型技术一次成型的特点，复杂形状中空零部件在制造过程中的积累误差得以大幅减小，从而使得成品零部件的精度得到了提高；而且流体高压成型技术属于冷加工工艺，通过坯料变形过程中的加工硬化可大大提高成品零部件的强度。此外，由于少了传统工艺的多道工序，生产工时也可得以明显压缩。

而流体高压成型技术的缺点则是成型介质的压力很高，因此需要很大吨位的合模压力机（一般大于10MN），并且相关设备的开发技术难度较大，在设备方面的投入较高，且成品零部件的形状厚度和强度等指标与加载路径密切相关，前期试制阶段需要投入的成本也较高。

从1999年开始，哈工大流体高压成型技术研究所就在苑世剑教授的带领下开始了针对流体高压成型基础理论、工艺、模具与核心设备的系统性研究工作，自主掌握了该领域的核心和关键技术，在不到20年的时间内先后研制出的系列化的流体高压成型设备，其中管材成型设备的成型力为3.15MN到10MN，工作台尺寸为2000mm×1200mm到3500mm×2000mm，最高充液压力均为25MPa，高压介质体积均为2L；而板材成型设备的成型力为13MN到50MN，工作台尺寸为2000mm×1800mm到3500mm×3000mm，最高充液压力均为100MPa，高压介质体积为100L到500L不等。

这些设备已经实现在汽车、轨道车辆、核电、船舶、航空航天和透平式动力机械等领域的大批量应用，适用材料则已经从传统的铝合金和不锈钢扩展到了钛合金和高温合金等，一大批采用流体高压成型技术制造的核心关键零部件也已经服务于我国多个领域的多个重点型号，有力的提升了我国的装备制造水平。

此次哈工大试制的火箭燃料贮箱箱底被称为火箭制造领域的“皇冠”，由于受力环境极其复杂，这个零部件的可靠性与整个火箭结构的可靠性都密切相关，是整个火箭的核心零部件之一。NASA和ESA在制造燃料贮箱整体箱底的时候都采用对厚板（50mm以上）先热旋压再数控铣的工艺路线，这一路线工艺复杂，成本高昂，制造周期长达半年左右，且数控铣工序会切掉约90%的材料，浪费十分严重。

而且更大的问题是，欧美的大型热旋压设备长期以来都对我国实行严格的禁运，因此我国现役火箭大都采用结构笨重、精度差、废品率高且可靠性低的分块成型焊接燃料贮箱箱底。

苑世剑教授的团队针对此种情况，提出了“双向可控加压流体成型”这一颠覆性创新的技术路线，用多路增压器并联控制的液压系统攻克了大体积液体介质的增压与坯料局部液压载荷和成型力的精准调控问题，成功的避免了深腔曲面零部件破裂和起皱的“老大难”问题，突破了传统流体高压成型技术的尺寸极限，在全球第一次实现了火箭燃料贮箱整体式薄壁箱底的流体高压成型，彻底打破了欧美在该领域的技术封锁和垄断，而且生产成本降低了一半，生产周期更是降低了三分之二。

而为此配套研制的超大尺寸板材流体高压成型设备则是当之无愧的世界第一，其成型力高达150MN，是此前全球最大该类设备的1.5倍；高压液体介质体积高达5000L，是后者的10倍之多。这标志着我国在流体高压成型技术领域无论是基础研究还是技术能力都已经达到了国际先进水平，在板材成型方面已经达到了国际领先水平。

实现流体高压成型技术的颠覆性创新，是我国在制造业基础技术和基础工艺方面自主创新的重大胜利，是我国在高端制造领域赶超世界先进水平进程的一个缩影。这些新成果也必将更多的推动我国航空航天、核电、船舶甚至透平式动力机械等高端装备制造领域的工艺进步，最终推动我国整个经济结构的转型升级和高质量发展，提升我国的综合实力，为全面实现社会主义现代化添砖加瓦，为广大人民群众的美好生活保驾护航。