西北工科大学のZhan Mei教授チーム丨航空宇宙分野における大型薄肉回転曲面部品の成形製造技術の開発と課題

出典: Additive Manufacturing Master and Doctor Alliance

薄肉曲面部品は、航空宇宙などの高級輸送機器に広く使用されている重要な部品です。大型薄肉曲面部品の成形・製造技術は、新世代の航空宇宙機、戦略ミサイル、船舶などの最先端機器の大型化、軽量化、高性能化、長寿命化、高信頼性化に向けた開発に急務となっています。しかし、これらの部品は、壁が薄く、直径やその他の寸法が大きく、曲率が変化しており、大小の寸法が極端に組み合わされており、軽量で高強度の材料が使用され、性能要件が高いため、製造が困難です。

西北工科大学のZhan Mei教授らの研究チームは、「機械工学ジャーナル」2022年第20号の「高性能塑性成形・製造特集」に「航空宇宙分野における大型薄肉回転曲面部品の成形・製造技術の発展と課題」と題する論文を掲載した。詹梅教授らの研究チームは、まず航空宇宙分野における大型薄肉回転曲面部品の発展の歴史と種類、およびその製造技術について概説した。これに基づいて、さまざまなタイプの大型薄肉回転曲面部品の製造技術の応用と研究の進捗状況をレビューした。次に、各製造プロセスの技術的特徴、部品の性能、および発展の可能性を比較分析し、大型薄肉回転曲面部品の製造技術の今後の発展の傾向と課題について議論した。

本文と結論

1) 全体的な塑性成形の観点から見ると、スピニングと流体圧成形が主な開発方向であり、大型の薄肉回転曲面部品の製造に大きな見通しがあります。しかし、一方では、ハイエンド設備の高性能、高信頼性、軽量、高効率の需要に牽引され、大型薄肉回転曲面部品の設計は、大型化、大小の極端な組み合わせ、複雑な表面、極薄肉厚などの発展傾向を示しており、部品は軽量で高強度の高度な変形しにくい材料で作られているため、大型薄肉回転曲面部品は、成形中に不安定なしわ、割れ、金型への非付着などの欠陥が非常に発生しやすく、成形の難易度が大幅に高まっています。他方では、超幅広の一体型スラブの準備能力が限られているため、大型薄肉回転曲面部品の発展が制限されています。そのため、今後は超広幅スラブの製造とそれに基づく大型または超大型の薄肉回転曲面部品の一体塑性成形製造に関する理論的・技術的研究を行うことが極めて重要である。

2）花弁塑性成形＋溶接の製造技術に関して言えば、この技術は依然として大型薄肉回転曲面部品の有効な製造方法の一つである。しかし、このプロセスで製造された部品には多数の溶接部がある。また、花弁の組み立てと溶接プロセスによって生じる組み立て誤差、熱変形、残留応力などの要因により、部品の使用性能と信頼性が大幅に低下し、高性能、高信頼性、長寿命の大型薄肉回転曲面部品を製造することが極めて困難である。したがって、花弁成形、組み立て、溶接プロセス中の部品の総合的な品質管理技術の研究開発は、大型薄肉回転曲面部品の材料、構造、プロセス、サービス性能の統合設計と製造を実現するための開発方向であり、重要な課題です。

3) 航空宇宙などの将来のハイエンド機器向けの大型薄肉回転曲面部品のサイズが大きくなることを考慮すると、スラブサイズの制限により、このような部品を塑性成形で直接得ることはできません。このボトルネックを打破するために、大型溶接ブランクや溶接によるプレハブブランクを使用し、塑性加工技術、つまり溶接+塑性加工によって大型部品の全面塑性加工を実現することが、大型薄肉回転曲面部品の全面塑性加工の新たな発展傾向と可能な製造方法となっている。しかし、溶接形態、溶接性能、溶接形状、テーラー溶接板の分布などの要因が部品成形に与える影響は依然として不明であり、大トン数の成形設備は不足しています。そのため、大型テーラー溶接スラブの塑性加工技術と設備の研究開発が急務であり、テーラー溶接板をベースとした総合的な塑性加工は、大型薄肉回転曲面部品の重要な発展方向となることは間違いない。

4）積層造形技術の面では、中国では大型薄肉回転曲面部品の積層造形に関する報告が少なく、今後は積層造形プロセスと設備に関する相応の研究が必要である。現在、積層造形は主に製造規模、製造精度、組織パフォーマンスと効率のバランスをとることが難しく、製造プロセスのオンライン検出と制御が欠けている。積層造形の材料、プロセス、部品の検出と性能の高精度な協調制御に関する研究を強化することが急務である。また、部品の構造の複雑性と総合性能が継続的に向上する中、積層造形、等材料製造、減法製造などのオンライン複合成形技術の開発、および異なる製造技術間の相互作用と統合の強化は、部品の複雑な特性に対応し、部品の総合性能を向上させるための今後の重要な発展方向である。

△ 3Dプリントされた大型薄肉曲面部品
5) 複合織り製造技術では、大型薄肉回転曲面部品については、高強度、高靭性、高損傷耐性、高耐熱性を備えた複合材料の開発を基礎として、当該部品の自動化、デジタル化、統合化、低コスト化の製造プロセスと設備の開発に注力し、同時に、複合部品の非破壊検査と全寿命構造健全性モニタリング技術、複合部品の効率的なリサイクル技術を開発し、複合材料製の大型薄肉回転曲面部品の高性能、軽量、グリーン、超長寿命の開発目標を達成します。

6) 新しいプロセス技術と新しい製品の構造と性能の要求に応えるには、装置-プロセス-製品の材料構造と性能の相互作用を考慮しながら、キャリアとして対応する安定した装置を開発する必要があります。部品のサイズが非標準的になり、制御精度が厳しくなるにつれて、装置-プロセス-製品の材料構造と性能の調整はますます注意を払う必要があり、これは将来、大型の薄肉回転曲面部品の正確で効率的で高品質のデジタル製造を実現するための重要な開発動向でもあります。

7) インテリジェント製造技術の面では、インターネット、ビッグデータ、人工知能と成形製造プロセスの深い統合を促進することが、設備製造における研究のホットスポットです。人工知能技術を利用して産業用ロボットを開発し、生産重視のインテリジェント意思決定とプロセス適応性を向上させ、労働者の労働強度を軽減し、製造プロセスでインターネットとビッグデータを使用して省エネと消費削減、管理パフォーマンスなどを実現することは、将来のハイエンド成形製造の必然的な発展傾向です。
原論文リンク:

www.cjmenet.com.cn/CN/10.3901/JME.2022.20.166

論文引用:

Zhang Hongrui、Zhan Mei、Zheng Zebang、Li Rui。航空宇宙における大型薄肉回転面部品の成形・製造技術の開発と課題[J]。機械工学ジャーナル、2022年、58(20):166-185。

ZHANG Hongrui、ZHAN Mei、ZHENG Zebang、LI Rui。航空宇宙向け大型薄肉軸対称曲面部品の成形製造技術の開発と課題[J]。機械工学ジャーナル、2022、58(20):166-185。

研究チームの研究結果

1. 精密塑性成形の全工程のマルチスケールモデリング

私たちは、塑性成形の微細構造の発達、機械的応答、損傷の発達に適した転位動力学、セルオートマトン、結晶塑性有限要素法とそれらの結合法を開発し、対応するマルチスケールモデルを確立しました。当該研究成果は、2020年陝西省自然科学賞一等賞（マルチスケール変形メカニズムとマルチエネルギー場塑性成形の協調制御）を受賞した。

2. 局所荷重による不均一変形の積極的な制御と精密塑性成形

主要な航空宇宙部品の製造上の困難を解決するために、研究チームは一連の点、線、面、体積の局所荷重技術を開発しました。スピニングに関する最近の研究成果は、不均一な変形が特殊形状曲面のスピニング欠陥に与える影響と制御方法を明らかにし、アルミニウム合金の大型薄肉特殊形状曲面部品の焼入れ変形モードと分布法則を探求し、スピニング焼入れの全プロセス技術と成形プラットフォームを開発しました。パイプ曲げ加工においては、耐圧チタン合金パイプのCNC熱間曲げ精密成形と信頼性の高い接続技術を開発しました。関連研究成果は、2012年に国家自然科学賞二等賞（複雑な部品の不均一変形のメカニズムと精密塑性成形の法則）、2016年に国家科学技術発明賞二等賞（高性能軽量部品の局所荷重と精密塑性成形の統合製造技術）を受賞しました。

3. マルチエネルギー場を利用した精密塑性成形

研究チームは、航空エンジン用高温合金シーリングリングの製造問題を解決するために、超音波やパルス電流などのエネルギー場による形状進化の方向制御を研究しました。電気パルス下における高温合金のマルチスケール現象、局所的なジュール加熱効果と電子力効果のメカニズムおよびそれらの方向依存メカニズムを明らかにし、電気処理制御と電気アシスト圧延を組み合わせた新しい方法を提案した。

4. インテリジェントなプロセスと設備の設計

研究チームは、変形しにくい材料の薄肉部品のフレキシブル荷重成形プロセスのインテリジェント設計と設備を研究し、その成果は2014年陝西科学技術賞一等賞（高性能軽量部品の局所荷重成形統合製造技術）を受賞した。

研究グループの特徴

西北工科大学の精密塑性成形チームは、主に高性能軽量部品の精密塑性成形技術と設備の研究に従事しています。教員は教授8名、准教授1名の計9名です。国家レベルの人材には、傑出した青年人材、長江計画、千人計画のリーダー人材、優秀な青年人材、若いリーダー、若いエリートなど7名がいます。国家主要プロジェクト、重点基金、973件のプロジェクトを含む50件以上の重要な国家プロジェクトを統括してきました。中国塑性工学会の会長と副会長を務めており、国際的な塑性加工分野に大きな影響力を持つハイレベルの研究チームです。チームは陝西省高性能精密成形技術設備重点実験室の協力を得て、4つの主要試験プラットフォーム（高性能板・管部品精密成形試験プラットフォーム、精密鍛造・圧延・押し出し精密成形試験プラットフォーム、成形精度・成形構造性能試験プラットフォーム、デジタルモデリングシミュレーションおよびデータベースプラットフォーム）を構築した。実験室の敷地面積は3,500平方メートルで、計110台以上の計測機器と設備を備え、総価格は3,500万元を超える。チームの主な研究方向は、軽量で高強度のプレートおよびパイプ継手の精密成形、高性能の複雑な荷重支持部品の精密な体積成形、変形しにくい材料の複雑な構造特性の統合制御、デジタルおよびインテリジェントな製造および設備技術です。

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