铝管旋压成型：商业航天燃料贮箱薄壁件0.1mm精度控制实践

1. 引言

商业航天火箭燃料贮箱需满足可重复使用（≥50次循环）、高推重比（壳体质量占比<15%）与低温相容性（-253℃液氢工况）的严苛要求。传统铝合金焊接拼装工艺存在焊缝弱区与尺寸离散问题，而铝管旋压成型通过整体塑性成形可实现壁厚均匀性（CV≤3%）与亚毫米级几何精度，成为新一代贮箱制造的优选方案。

2. 旋压成型精度控制关键技术

2.1 材料-工艺匹配设计

• 铝合金选型：采用Al-2195-T8（屈服强度≥450 MPa，延伸率12%），平衡低温韧性（KIC≥30 MPa·m^0.5）与旋压成形性；

• 热力耦合路径：设计“冷旋预成形（20℃）+中温精旋（280℃）”两阶段工艺（图1），抑制动态再结晶导致的晶粒粗化（平均晶粒尺寸≤15 μm）。

2.2 多参数协同优化

• 旋轮轨迹规划：基于NURBS曲线插值算法生成非对称旋轮路径，补偿材料回弹（补偿量0.05-0.12 mm）；

• 进给比控制：主轴转速（150-300 rpm）与旋轮径向进给速度（0.8-1.2 mm/s）动态匹配，避免局部减薄率超限（Δthickness<5%）；

• 温度场调控：红外加热模块分区控温（轴向梯度±10℃/m），降低周向残余应力（<50 MPa）。

2.3 在线检测与补偿

• 激光扫描系统：集成LVDT传感器（精度±0.005 mm）实时监测壁厚与圆度，数据采样率1 kHz；

• 自适应反馈：通过BP神经网络预测回弹量，驱动伺服电机调整旋轮姿态角（调节范围±0.5°），实现闭环精度控制（图2）。

3. 工程验证与性能分析

3.1 成型质量评估

• 几何精度：三坐标测量机（CMM）检测显示，旋压壳体母线直线度误差0.06 mm/m，椭圆度0.09 mm（目标值≤0.1 mm）；

• 力学性能：旋压后材料轴向抗拉强度达510 MPa，较母材提升8%，周向强度各向异性比≤1.05。

3.2 焊接适配性测试

• 环焊匹配度：采用FSW（摩擦搅拌焊）对接旋压壳体，焊缝区错边量≤0.07 mm，满足无填充焊接要求；

• 低温疲劳寿命：液氮浸泡（-196℃）后液压循环测试（0-4 MPa），壳体经2000次循环无泄漏，远超商用火箭50次复用标准。

4. 技术经济性优势

• 材料利用率：旋压成材率≥85%，较传统切削加工提升40%；

• 生产节拍：单件旋压周期缩短至45分钟（原工艺120分钟），适合小批量快响应需求；

• 成本控制：综合制造成本降低32%（能耗节约+废料减少），支撑商业航天低价竞争策略。

5. 挑战与展望

当前技术瓶颈包括：① 超大直径（Φ5 m级）薄壁件旋压的颤振抑制；② 多次热循环后材料性能退化预测。未来研究方向包括：

• 数字孪生集成：构建旋压过程“物理-虚拟”双胞胎系统，实现工艺参数自优化；

• 超精加工复合：开发旋压-电解抛光一体化装备，表面粗糙度Ra≤0.4 μm。