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基于增材工藝的航天關(guān)鍵零部件整體輕量化設(shè)計(jì)

魔猴君  行業(yè)資訊   664天前

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20228月,工業(yè)和信息化部發(fā)布了《首批增材制造典型應(yīng)用場景名單》,經(jīng)過地方推薦、專家評審、社會公示等程序,形成了首批增材制造典型應(yīng)用場景,共有工業(yè)、醫(yī)療、建筑、文化等領(lǐng)域的36個優(yōu)質(zhì)應(yīng)用場景入選。

為加快增材制造先進(jìn)技術(shù)與裝備應(yīng)用推廣,中國增材制造產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟設(shè)立“增材制造典型應(yīng)用場景案例專欄”,從需求痛點(diǎn)、案例介紹、技術(shù)先進(jìn)性、應(yīng)用成效、下一步計(jì)劃等角度立體展示優(yōu)秀成果案例。

現(xiàn)將第一期“基于增材工藝的航天關(guān)鍵零部件整體輕量化設(shè)計(jì)”發(fā)布如下。

場景類型:復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品輕量化設(shè)計(jì)

場景項(xiàng)目名稱基于增材工藝的航天關(guān)鍵零部件整體輕量化設(shè)計(jì) 

          裝備制造商:上海探真激光技術(shù)有限公司

                 西安鉑力特增材技術(shù)股份有限公司

場景項(xiàng)目單位服務(wù)提供商:上海航天精密機(jī)械研究所

         應(yīng)用單位:中國航天科技集團(tuán)有限公司

一、背景概述

(一)需求痛點(diǎn)

面對新的國際形勢和軍事戰(zhàn)略環(huán)境,航天武器性能要求越來越高,裝備的輕量化、整體化、集成化需求更為緊急與迫切。當(dāng)前,由于受限傳統(tǒng)制造方法工藝可達(dá)性的約束,航天飛行器關(guān)鍵零部件產(chǎn)品結(jié)構(gòu)減重越來越難,為了追求更輕的減重目標(biāo),其結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜,傳統(tǒng)制造成本極高,甚至無法制造,已嚴(yán)重制約了高性能新型航天飛行器研制。

(二)解決方案

激光選區(qū)熔化增材制造技術(shù)作為最具前景的增材制造技術(shù)之一,直接從數(shù)字化模型制造零部件,理論上可實(shí)現(xiàn)任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造,如傳統(tǒng)制造工藝難以制造的點(diǎn)陣、蜂窩和隨形流道等復(fù)雜的創(chuàng)新結(jié)構(gòu),如圖1所示,為航天飛行器結(jié)構(gòu)輕量化、熱防控等功能需求提供了切實(shí)可行的技術(shù)途徑。

a)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)(b)蜂窩結(jié)構(gòu)(c)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1 增材制造創(chuàng)新型結(jié)構(gòu)

二、案例介紹——點(diǎn)陣+蒙皮整體輕量化舵面

(一)案例描述

舵翼類產(chǎn)品是航天飛行器穩(wěn)定控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)飛行器穩(wěn)定飛行及機(jī)動的重要部件。其結(jié)構(gòu)輕量化程度不僅影響飛行器機(jī)動性和響應(yīng)速率,還對舵機(jī)系統(tǒng)輸出功率有重要影響。舵翼類產(chǎn)品隨著制造工藝技術(shù)的不斷進(jìn)步,從最初的實(shí)心板式舵翼到目前主流的骨架蒙皮式翼舵,如圖2所示,其輕量化水平逐漸提高。

a)整體夾芯式舵翼(b)加強(qiáng)翼肋夾層結(jié)構(gòu)舵翼(c)骨架蒙皮結(jié)構(gòu)舵翼

2 舵翼產(chǎn)品形式

針對舵翼類產(chǎn)品輕量化迫切需求,采用了點(diǎn)陣+蒙皮整體輕量化結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)舵翼產(chǎn)品的創(chuàng)新型設(shè)計(jì)與制造,舵翼產(chǎn)品內(nèi)部采用點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)填充,外面為氣動外形薄壁蒙皮結(jié)構(gòu),點(diǎn)陣和蒙皮為整體結(jié)構(gòu),直接整體增材制造成形。

3 鋁合金點(diǎn)陣+蒙皮整體輕量化折疊空氣舵實(shí)物

點(diǎn)陣+蒙皮整體輕量化舵面采用激光選區(qū)熔化成形技術(shù),產(chǎn)品制造裝備為西安鉑力特公司的BLT-S300型激光選區(qū)熔化成形裝備,最大可成形尺寸為250×250×400mm3,如圖 4a)所示;以及上海探真公司的TS320型激光選區(qū)熔化成形裝備,最大可成形尺寸為320×320×420 mm3,如圖 4b)所示。

aBLT-S300 型  (bTS320

4 激光選區(qū)熔化成形設(shè)備 

(二)技術(shù)水平及先進(jìn)性

一是鋁合金點(diǎn)陣+蒙皮整體輕量化折舵面較實(shí)心舵面減重65.5%,舵翼結(jié)構(gòu)減重明顯。

二是在給定面載荷下最大等效應(yīng)力小于屈服應(yīng)力,且優(yōu)化后其繞轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量減小65.4%,效果明顯。

三是通過內(nèi)部點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),如晶胞結(jié)構(gòu)、布局優(yōu)化等可實(shí)現(xiàn)舵翼質(zhì)心的自由調(diào)節(jié),減少配重使用,甚至可以完全替代傳統(tǒng)配重塊調(diào)節(jié)。

四是工藝簡單,制造周期縮短,成本降低。點(diǎn)陣+蒙皮整體輕量化舵翼結(jié)構(gòu)可直接激光選區(qū)熔化整體成形,無需蒙皮焊接和焊縫檢測等工序。

三、應(yīng)用推廣成效

該類點(diǎn)陣+蒙皮整體輕量化舵翼產(chǎn)品已通過了靜力、展開和掛機(jī)飛行展開試驗(yàn)考核。目前,已穩(wěn)定為某幾個飛行器型號每年配套100余件,有力支撐了型號的研制。

四、下一步提升及推廣

目前,基于增材制造技術(shù),通過點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造已實(shí)現(xiàn)了舵翼類產(chǎn)品的輕量化。后續(xù)將進(jìn)一步通過新材料和創(chuàng)新微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在舵翼類產(chǎn)品阻尼性能的防顫振,以及通過微流道結(jié)構(gòu)在舵翼類產(chǎn)品防隔熱等功能性提升方面開展工作,進(jìn)一步提升舵翼類產(chǎn)品功能性指標(biāo)。該類產(chǎn)品具有很好的推廣應(yīng)用前景,尤其是未來武器裝備隱身和大機(jī)動要求,型號小型化、輕量化需求更加迫切,其推廣價值更大。

 

來源:上海航天精密機(jī)械研究所

   
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