“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项课题“轻量化壁板激光诱导柔性热成形技术与装备”（编号：2014ZX04001-151），自2014年1月开始实施，至2016年12月结束，历时3年。课题针对航天器密封舱整体壁板结构的柔性成形，研制了激光诱导柔性热成形与检测成套装备，实现了3000W 半导体激光加工机光源、半导体激光线性散射光斑与激光诱导柔性热成形的合理匹配，掌握了热态板材型面的在线检测关键技术，并在航天器制造企业进行了应用。

激光诱导柔性热成形技术，是目前国际上先进的新型无模具板材成形技术，将其应用于轻量化壁板的成形，本身就是全新的技术应用和技术创新。而集板材的成形、加工和检测等功能于一体的成套装备，在国际上尚属首创。课题以制造装备向集成化、高效化、自动化和精密化的方向发展为基础，根据板材激光诱导热成形的技术特点，构建了配有大功率半导体激光器、光路系统、数字摄像在线检测系统、多轴联动机床系统、随动工装夹具系统、轨迹规划系统和冷却系统的集仿真-成形-检测于一体的激光诱导柔性热成形成套装备。该成套装备的研制成功，填补了我国激光无模成形装备的技术空白，为激光无模成形技术的推广应用奠定了基础。

关键技术突破

依托“轻量化壁板激光诱导柔性热成形技术与装备”课题的实施，突破了高可靠性半导体激光芯片封装、高光束质量半导体激光合束以及千瓦级激光器高效散热等关键技术，研制出光纤柔性输出大功率半导体激光器(如图1所示)，实现了高功率半导体激光的矩形光斑输出，光斑均匀性＞90%，达到国内领先水平，推动了半导体激光在重大专项中的应用。

图1 大功率半导体激光器

依托“轻量化壁板激光诱导柔性热成形技术与装备”课题的实施，突破了激光诱导柔性热成形装备的主机轻量化、高刚度机械结构设计、主机随动夹具及冷却系统、A/C摆角头、电气控制系统和装配集成等多项关键技术，研制出国内首台套激光诱导柔性成形装备 (如图2所示)。

图2 激光诱导柔性成形装备

依托“轻量化壁板激光诱导柔性热成形技术与装备”课题的实施，突破了激光诱导柔性热成形工艺及在线测量等关键技术，实现了加工、检测和校正的一体化成形 (如图3所示)。

图3 加工、检测和校正的一体化成形工艺

依托“轻量化壁板激光诱导柔性热成形技术与装备”课题的实施，突破了轻量化壁板激光诱导柔性热成形质量控制及评价等关键技术，实现了轻量化壁板的精确成形(如图4所示)。

图4 轻量化壁板的精度控制

课题成果

目前，国、内外尚没有研发出集成扫描路径规划、成形过程仿真和在线测量等功能的一体化激光诱导成形专用机床，而本课题开发的国内首台集五轴数控机床、激光系统、自动检测系统和自动规划工艺系统于一体的高端装备，首次实现了交叉网格壁板结构的激光诱导柔性无模成形；所形成的航天器产品成形工艺，在航天器梦天气闸舱和新飞船产品的制造中得到应用，累计完成了对10余种铝合金零件的激光诱导柔性热成形，成形精度和成形质量满足了设计要求。

本课题开发的激光器，采用mini-Bar合束技术，提高了激光输出的光束质量和光纤耦合效率，激光器电光效率达52%，处于国际先进水平。

依托课题的实施，现已制造出一台套“轻量化壁板激光诱导柔性热成形技术与装备”主机，实现了对大型航空复杂零件柱状壁板的成形加工，并在北京卫星制造厂有限公司建成了示范基地。近一年来，多家航空航天制造企业到北京卫星制造厂有限公司参观考察，取得了良好的示范效应。

借助于本课题突破的关键技术，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所研制出光纤耦合500W、1000W和2000W的高功率半导体激光器，主要用于激光切割、激光焊接和激光熔覆等加工领域，目前产品均处于定型阶段。

总之，本课题的研究成果，解决了航空航天装备制造企业面临的加工强度高、切削振动大、加工表面质量差以及由特征多变而引起的加工精度低等关键共性技术问题，显著提高了轻量化壁板等关键零部件的高效切削水平，满足了航空航天产品研制和升级换代的需求，有力地推动了航空航天装备制造领域及相关行业的技术进步。

该柔性技术尤其适合多品种、小批量的航天器产品的研制，也适合高效高质地完成航天产品的快速研制，对提高航天焊接产品的质量和生产效率发挥了积极作用。随着航天器轻量化壁板结构的日益复杂，需要对该技术作更深入的研究，为其在多型号上的推广应用打下坚实的基础。

值得一提的是，该研究成果不仅可广泛应用于机床、航空航天装备等具有技术工艺代表性的行业，还可覆盖汽车制造等领域，因此市场空间巨大，应用前景广阔。

本课题形成了一系列具有自主知识产权的技术成果，包括申请专利13项，其中发明专利3项，发表论文20篇，撰写技术标准6项。

典型应用

课题开发的具有自主知识产权的轻量化壁板激光诱导柔性热成形装备，目前已成功应用于某型号大型铝合金密封舱体的柱形(如图5所示)、锥形(如图6所示)和U形(如图7所示)轻量化壁板结构的成形，成形的舱体结构均通过了密封试验和力学试验考核，各项指标满足了设计要求。

图5 柱形壁板应用

图6 锥形壁板应用

图7 U形壁板应用

针对该高端成形自动化成套设备，还开发了数字化仿真技术、在线检测技术以及三维激光跟踪、成形参数监测等共性技术，形成了自动化设备的外部通信接口技术规范及标准。因此，该轻量化壁板激光诱导柔性热成形技术与装备，直接满足了铝合金壁板结构的成形要求，在国内处于技术领先地位。