马西娅·多马克和约翰·瓦格纳是美国宇航局兰利研究中心高级材料和加工分部的工程师,他们与波士顿的金属制造商Spincraft合作,专注于一种称为自旋成形的整体制造工艺。该团队使用自旋成形技术创建了猎户座式乘员舱的前向压力容器舱壁(FPVBH)模型。

NASA技金宝搏官网术简报:什么是自旋形成?

Marcia Domack:自旋成形是一种金属制造方法,使我们能够形成一个整体的运载火箭部件。这个过程是这样的我们从一块平板开始,把它放到一个机器上,就像一个很大的车床,一个金属车削设备。平板在飞机上旋转,类似于唱片在转盘上旋转,我们用火把把材料加热到较高的温度。用一个辊子在盘子的外表面,我们把它推到一个工具上,这个工具是我们想做的组件的形状,基本上使材料覆盖在工具上,形成它的形状。

约翰·瓦格纳:我们靶向的一些组件是大,10至12英尺直径的部件,其通过延长或加工厚板而制成,这是具有非常高的材料废料速率的过程。然后,这些部件焊接或铆接在一起。因此,旋转形成是更环保的制造过程。你没有很多加工芯片或浪费的材料,它更接近最终形状。它消除了大多数焊缝,这是一件好事,因为焊接很多次数都是你有很多问题或材料缺陷的地方。如果你可以摆脱铆钉,你的部队也在下降。这一切都在省钱时。

NTB:这些益处如何与传统制造方法堆叠?

瓦格纳:例如,如果我们只是采取“近净形”的形成,这是我们追求的更广泛的技术领域,旋转成型只是这些领域之一。还有其他人,如流动成型和滚动锻造,但是外部坦克在梭上,例如,重量约为60,000磅。但是,他们已经开始用600,000磅的材料开始,并且机器距离90%的材料,而且你留下了一个加强筋的薄壳。So we’re trying to get away from that high scrap rate of 90 percent into something more like spin forming, where maybe the scrap rate might be 10, 20, or 30 percent, depending on how close to near-net-shape you can get it.

Domack:从材料性能的角度来看,我们对其他近净形状制造工艺所做的工作,使我们的机械性能非常接近于用于多片组装类板的其他传统原材料。从材料性能的角度来看,这些工艺具有相当的性能,因此也具有相当的性能,但我们可以通过省去大量的步骤,如重型加工和多件焊接检查,从而大大降低成本。我们可以降低成本,同时提高组件的性能和减轻它们的重量。

瓦格纳:并使宇航员更安全。

NTB:怎么样?

瓦格纳:焊接区域是您可能会获得结构缺陷的典型区域,因此如果您可以消除您可能具有缺陷倾向的地方,则为宇航员也会更安全。

Domack:我们最终通过一种具有更高可靠性的结构,通过摆脱那些可能的缺陷易发的网站,这是一种较高的可靠性。

NTB:我们在哪里看到目前在行动中旋转成型?

Domack:这个过程被世界各地的商业公司用来制造用于现有运载火箭和火箭组件的低温储罐的圆顶。

瓦格纳:例如,低温推进剂罐由桶形部分构成,镜子部分通常是圆柱形部分。然后他们有油轮圆顶的末端,他们在国内和国际上使用这种旋转成型技术,使这些技术造成这些技术。我们想要做的事情有点不同。orion配置或模块不只是一个圆顶。这是一个前散装头,加上一个桶形部分。它具有更多的轮廓和更多的曲率半径。这比说圆顶几何形状更复杂。这对制造商来说是一个挑战。

Domack:这是一个成熟的商业能力来制造一个圆顶结构,如果你看它的横截面,是一个很大的弧形组件。我们正试图将这项技术扩展到下一个发展阶段,以及下一个复杂阶段。如果我们能成功地展示出我们能做出这么复杂的东西,从商业的角度来看,我们已经在做一个简单的几何图形并推进这个技术领域,我们可以做出我们需要的任何形状的组件。

瓦格纳:通常,在我们所做的工作中,我们看看这两个创新制造,如旋转成型技术,但我们也试图融入轻质,先进的材料。两全其美的最佳是能够做到这一创新技术,如这种旋转的猎户座模块,并用较轻的重量材料进行。我们用于演示文章的目前的材料是一种铝,其具有2219铝合金的指定,这是自20世纪50年代以来一直存在的合金。There’s a more recent type of aluminum lithium alloy, alloy 2195, that’s about ten percent lighter, and ten percent or more stronger than some of the regular aluminum, like 2219. We don’t have as much experience with that material, so the next step we envision is to do this innovative forming with a lighter-weight aluminum lithium alloy.

Domack:从长远来看,一个组件的目标像猎户船员舱将大大降低车辆的重量,提高性能,并通过使用这种单件、旋压成形技术来去除焊缝和关节,和制造的铝锂合金。任何一种都可以减轻汽车的重量,但当你把自旋成型技术和铝锂结合起来时,我们觉得减轻重量的效果是显著的。降低乘员舱的重量可以让我们在里面添加一些东西,无论是额外的人员,比如另一名宇航员,额外的支持系统,还是额外的有效载荷。

NTB:你能给我们介绍一下旋转形成单件船员舱的过程吗?

瓦格纳:最初,我们已经套装了众多近净形态的技术,并且在开始,大多数是漂亮的标准:圆柱体,以及用于附着圆顶的环,说圆柱形部分。我们认为下一步是:我们可以做一些靠近净的东西,使用任何成形技术或旋转成型或流动形成,但在锥形或锥形部分中进行吗?最初,我们试图从像推进剂箱的桶形部分那样从直圆柱部分的过渡,以及像你在火箭上的两个阶段之间的过渡区域中可能看到的锥形部分,在那里它有一个大的直径或小直径。我们对几家公司采取了这个想法,我们通过旋转成型来努力做到这一点。在与Spincraft技术同事的讨论中,我们几乎以开玩笑的方式提到,“最终,能够通过旋转形成这项技术来制作整个猎户座船员模块。”And after we examined that further, we determined that it wouldn’t be that big of push, technology-wise, to do either a conical section, or just go for broke or try to do the whole crew module that we were successful in doing?

NTB:有什么问题吗?为什么有人会犹豫使用这种方法?

瓦格纳:我们在一些运载火箭和飞机行业中发现了一种心态,这是理所当然的,“如果它没坏,就不要改变它。”如果效果不错,为什么要引入新技术?这项新技术必须有一个真正的驱动程序才能在火箭或飞机上得到应用。

Domack:我们工作的下一步是量化这种单件式建筑的福利有多少可以过于Orion现在使用的东西,以及许多件,多件焊接结构。

NTB:旋转成型时是否有其他大型设计挑战?

Domack:不是说旋转成形,而是像这样的文章,有很多犹豫,一旦一个制造路径建立,插入新技术,特别是那些显著改变事情如何做的技术。对于单件结构,我们必须解决的一件事是如何向其添加其他系统。还有其他的东西必须连接到前方的压力容器舱壁。如果你看看猎户座乘员舱,或其他正在开发的乘员舱,有一个漂亮的,平滑的外模线是有一个角度的。很明显,这里面有很多系统。有降落伞系统。有各种各样的支持系统。在所有这些里面都有一个宇航员乘坐的压力容器。我们所做的就是这个基础结构。所以我们计划与所有这些系统的设计师一起进行一个即将到来的项目。 With multi-pieces: as they’re welding two pieces together, they can add in an extra flange. We’ll have to work with them to design how they would make those additions to our bulkhead.

NTB:你能否谈谈你一直通过这种旋转成型过程所形成的合作伙伴关系?

瓦格纳:我们最初与洛克希德Martin Michoud装配设施非常紧密合作,这在新奥尔良之外。NASA和洛克希德Martin Corporate有一个太空法案协议,允许交流这两家公司之间的信息和材料和想法。空间法在提供私营行业的同事方面的车辆方面非常有助于。此外,我们一直在与实际旋转成型的人合作,这是北贝里卡的Spincraft。特别是在NASA勘探技术开发计划下,Marcia Domack在一对多年前的圆顶项目上与他们一起工作。

NTB:沿着道路,你认为什么是旋转在航空航天行业的可能性?

瓦格纳:我认为我们试图做的一件事就是证明你可以使用它超过圆顶。There might’ve been some isolated examples of other components, but they have not been wide ranging, and I think what we wanted to do is demonstrate that you could do different configurations (like a barrel, a cone, and a dome) all in one piece. And I think that will get people thinking about using this technology, spin forming, for things other than just cryogenic tank domes.

NTB:你能给我们介绍一下典型的一天,以及你现在在做什么吗?

Domack:有关这个项目,一个典型的一天我和约翰现在非常动态的,因为这个项目我们前进的制造压力容器壁(FPVBH)已经被赋予了很多的关注,这是伟大的,还有一些财政支持行动起来的下一步工作。因此,在现在每天的工作基础上,我们正在为下一步的工作制定计划,包括材料评估和结构分析。我们正在与我们的合作伙伴讨论,以及我们在NASA Langley的同事,制定这些计划。我们有一些学生和我们一起工作他们帮助我们做零件的金相分析。

瓦格纳:马西娅和我都是工程师,都有材料和冶金工程背景。我们需要做的一件事就是看看这个过程是如何影响材料的,以确保性能仍然足够,确保构成材料,铝的颗粒结构是正确的,我们不会有任何意外。诸如此类的事情。我们需要了解细节。我们正在研究我们所写的文章的细节,我们正在为下一步做计划。我们正在做技术规划,以及如何过渡到这种更轻的新材料。我们花了很多时间与我们的团队,与洛克希德·马丁公司,与Spincraft公司沟通。因为这篇演示文章很成功,我们获得了更多的可见性,团队中有了更多感兴趣的人。

Domack:我们也与其他美国航空航天局中心的研究人员合作。我们现在进行的项目的一个重要部分是完全了解这项技术的益处是为了制造这些种类的结构。我们不仅仅是从材料的角度工作。我们确实有材料和处理来自其他中心的人员,以及其他中心的结构分析类型,与我们相互作用,频繁地与我们咨询。

瓦格纳:德克萨斯州休斯顿的阿拉巴马州和约翰逊空间航班中心的马歇尔空间飞行中心是团队的一个组成部分。我们过去与马歇尔太空飞行中心密切合作,所有这些创新材料形成了。它们在摩擦搅拌焊接方面有很多专业知识,一种新的焊接过程。他们是团队的一个非常非常重要和积极的部分。

NTB:你说什么是你最喜欢的工作部分?

瓦格纳:看到这篇文章被写出来,我非常兴奋。约翰和我已经从事近净形状制造技术15年多了。我们一直在寻找一些新的应用和我们可以创造的新东西。在这种特殊情况下,我们提出了一个想法,没有项目,没有资金的支持,所以我们把大量的时间和精力投入到产生兴趣:寻找资金对于每一个阶段,一次一个步骤,在大约三年了,我们终于在伪造这个船员模块是达到高潮。我们得到了来自技术社区的热烈欢迎,这是非常值得的。有机会让那些会使用这种技术的人投资,并真正帮助我们实现这一点,这是令人兴奋的。这是一个非常漂亮的硬件。

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本文首先出现在2012年8月期问题NASA技金宝搏官网术简介杂志。

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