塑性成形领域科学技术发展研究报告

1、塑性成形领域科学技术塑性成形领域科学技术发展研究报告发展研究报告 机械工程学科发展报告（成形制造)专题报告之一主要材料提供人主要材料提供人: 任广升 谢谈 杨合 苑世剑 刘建生 李明哲 曾攀 金泉林锻压学会秘书长张倩生协助组稿锻压学会秘书长张倩生协助组稿任广升编写任广升编写主 要 内 容一、引言一、引言 （ 一）塑性成形一般概念一）塑性成形一般概念 （二）塑性成形分类（二）塑性成形分类 二、本学科近年来最新研究进展二、本学科近年来最新研究进展 （一）大型锻件成形最新研究进展（一）大型锻件成形最新研究进展 （二）回转塑性成形研究进展（二）回转塑性成形研究进展 （三）板材与管材成形研究进展（三）板

2、材与管材成形研究进展 （四）航天航空大型复杂构件局部加载近净成形技术研究新进展（四）航天航空大型复杂构件局部加载近净成形技术研究新进展 （五）精密塑性成形研究与进展（五）精密塑性成形研究与进展 三、本学科国内外研究进展比较三、本学科国内外研究进展比较 （一）引言（一）引言 （二）国内外研究进展比较（二）国内外研究进展比较 （三）差距（三）差距 四、本学科发展趋势与展望四、本学科发展趋势与展望 （一）大型锻造发展趋势与展望（一）大型锻造发展趋势与展望 （二）板材成形发展趋势与展望（二）板材成形发展趋势与展望 （三）局部加载成形发展趋势与展望（三）局部加载成形发展趋势与展望 （四）加快塑性成形模拟

3、大型商品化软件开发（四）加快塑性成形模拟大型商品化软件开发 一、引 言（一）塑性成形一般概念 塑性成形是机械工程学科制造学科领域的一个分支。塑性成形是利用材料的塑性，一般通过模具施加作用力，使材料产生塑性变形，成形出所要求的具有一定尺寸与形状的零件毛坯或零件的成形制造方法。由于塑性成形不但能够制造出各种不同尺寸不同形状的工件，而且通过塑性变形使材料组织改善性能提高，即具有“成形与改性”的双重作用，因而成为一种重要零件毛坯或零件的成形制造方法。 塑性成形制造有别于生产材料的塑性加工。前者用于生产零件毛坯或零件，后者用于生产原材料，如板材、管材、各种横截面的棒材与型材等，按行业划分，前者属于机械制

4、造行业，后者属于冶金行业。塑 性 成 形 分 类学科上一般分类方法学科上一般分类方法： 1、按成形原材料的不同分为板材成形与体积成形两大类。 2、按成形温度不同分为冷塑性成形、温塑性成形、热塑性成形三大类。 对于板料成形，大多数是在室温下实施的，冷冲压是主要成形方式。对于体积成形，在高于再结晶温度条件下成形占主要地位，热锻造成形是主要成形方式。 塑性成形的任务塑性成形的任务: 提供品质优良功能符合要求的零件毛坯或零件提供品质优良功能符合要求的零件毛坯或零件新的发展趋势 冷温成形发展步伐加快冷温成形发展步伐加快： 近年来节能减排要求日益迫切，成形精度越来越高，冷成形与温成形的发展步伐正在加快，特

5、别是在体积成形上，冷温成形的比重都在增加，如可成形精密小型零件的冷挤压，冷摆动辗压，冷辗环等冷体积成形方法，都得到了快速发展。 板材热成形方法加快发展板材热成形方法加快发展： 学科发展与技术进步正在改变塑性成形制造中冷温热三种成形方法的比例，这种发展趋势还会进行下去。在以冷成形为主的板料成形中，也发展了热成形工艺，如难成形板材的热冲压，为高强度钢板与轻合金板材的应用提供了新的成形手段。塑性成形学科的发展推动了塑性成形技术的进步 塑性成形学科以研究塑性变形机理与材料塑性流动规律为中心内容。塑性成形技术则是利用控制材料塑性流动制造零件或零件毛坯的技术，通过成形设备、工装模具、冷却润滑、自动化、检测

6、探伤等组成完整的系统，实施成形零件毛坯与零件的生产。显然，两者的关系密不可分。为追求产品的经济化与高品质化，新的带有明显特性的成形方法不断产生，要求塑性成形学科不断提供新的变形条件下材料的流动规律，为新的成形方法的发展提供理论支撑。这种相互推动的发展局面下，我国塑性成形制造学科与塑性成形技术得到了同步发展。二、本学科近年来最新研究进展（一）大型锻件成形最新研究进展（二）回转塑性成形研究进展（三）板材与管材成形研究进展（四）航天航空大型复杂构件局部加载近净成形技术研究新进展（五）精密塑性成形研究与进展（一）大型锻件成形最新研究进展1、大型锻压设备陆续投产、大型锻压设备陆续投产 大型锻造装备能力和

7、水平快速提高，一重150MN、二重160MN和上重165MN液压机、中信重机185MN液压机已相继投产，我国自由锻液压机的等级和数量，已进入世界前列。 包头二机厂360 MN钢管垂直挤压机，陕西红原锻造厂400 MN模锻液压机已投产，公称压力800MN世界最大模锻液压机正在第二重机厂制造，不久即可投入运行。2、大锻件成形技术的最新研究进展、大锻件成形技术的最新研究进展1）600吨级特大型钢锭的制造技术 中国一重、二重先后开展了600吨级钢锭冶炼工艺、锭型设计与优化，多炉钢水合浇的钢液成分、温度、浇注速度控制，特大型钢锭凝固模拟及偏析控制，耐火材料试验及优化试验，夹杂物及杂质元素控制等多项工艺研

8、究，基本掌握了600吨级特大型钢锭的制造技术。2 大锻件成形技术大锻件成形技术 1）封头类锻件成形技术 针对核电RPV整体顶盖和SG水室封头等形状复杂的封头类锻件，研究了旋转锻造成形工艺和整体拉伸工艺，其中前者适于封头径向尺寸超大且压机开档不足的情况。对于旋转锻造工艺，预成形毛坯形状尺寸、旋转锻造模具、变形量大小是其主要工艺因素；而整体拉伸工艺则板坯形状、凸凹模结构、凸凹模间隙为主要影响参数。采用数值模拟和试验模拟方法，对工艺方案进行评价，并在此基础上优化主要工艺参数，实现封头锻件形状尺寸的有效控制。此外，对于水室封头的接管嘴，则采用局部翻孔技术成形。 560吨特大型钢锭（中国二重）图2 AP

9、1000 RPV整体顶盖（一重） 图3 CPR1000 SG水室封头（二重）2）复杂筒形件仿形锻造技术）复杂筒形件仿形锻造技术 核电RPV一体化接管段为一端带内、外法兰的直筒形件，核电SG锥形筒体为两端带过度直段的锥形筒段，二者均为核电最为复杂的筒形锻件。其锻造分为仿型、半仿型和履盖三种方式，由于仿形锻造具有锻件纤维流线连续、变形均匀、均质性好、使用寿命长、机床加工量少、材料利用率高等优点（ 因此仿形锻造是锻造行业的高端技术，也是大型复杂锻件制造技术的发展趋势）。采用数值模拟和试验模拟技术，开发了RPV接管段和SG锥形筒体的仿形锻造技术，并优化其工装模具及锻件形状尺寸控制。图4 CPR1000

10、 RPV接管段（一重） 图5 AP1000 SG锥形筒体（一重）3）核电）核电SG管板（饼类件）锻造技术管板（饼类件）锻造技术图5 CPR1000管板（二重） 图6 AP1000管板（二重） 根据1000MW核电管板用纯净钢锻件性能和组织的要求，采用特殊的镦粗工艺解决了钢锭心部冶金缺陷压实、镦压过程应力（拉应力）和应变（均匀性）的控制及防止层状撕裂缺陷、厚饼件中心非金属夹杂等缺陷的堆积与控制等难点问题，保证管板锻件组织和性能。4）特大型轴类件锻造技术）特大型轴类件锻造技术 汽轮机低压整体转子、发电机转子等特大型锻件，所用钢锭达到近600吨级，其截面尺寸达到Dmax4000mm。钢锭心部压实和锻

11、件避免粗晶或混晶是锻造技术关键。初步解决了超大截面钢锭心部冶金缺陷（如疏松、缩孔等）压实及铸态粗大晶粒打碎及均匀化（避免混晶）等成形工艺难点。 图7 1000MW核电发电机半速转子（二重）5）主管道锻造技术）主管道锻造技术 核电主管道锻件材料为316LN超低碳奥氏体不锈钢，该钢种热锻工艺性极差，并且无固态相变，其内部晶粒只有靠热锻工艺保证。a) b) AP1000主管道a) 二重、b)鞍钢重机3 大锻件数值模拟技术大锻件数值模拟技术1）大型钢锭锻造时氧化皮对钢锭表面散热的影响）大型钢锭锻造时氧化皮对钢锭表面散热的影响 长时间的高温加热使大型钢锭表面存在一层厚厚的氧化皮，在锻造过程中钢锭变形会使

12、氧化皮脱落并不停产生新的氧化皮。氧化皮对钢锭有保温作用，它减弱了钢锭表面的散热能力。为了获得真实钢锭温度场变化，数值模拟中输入的钢锭的热物理参数需要考虑氧化皮的影响。空冷降温曲线的计算结果与试验结果对比（2）JTS工艺模拟工艺模拟 1）JTS压实工艺使用带钳口的方坯料，上面是小平砧，下面是大平台，具体操作为坯料出炉后进行表面冷却（空冷或水冷），冷却到一定时间进行压实操作，打完一趟翻转90或180继续锻打。所以JTS的主要工艺参数包括：冷却方式与时间；上小砧的几何尺寸与摆放位置，压下量。各几何尺寸的示意图 JTS工艺压实评价指标（空洞闭合率、空洞闭合不均匀性和约束变量总载荷P）是4个工艺参数Tc

13、old, a, b, w的函数：123(,)(,)(,)coldcoldcoldfTa b wfTa b wpfTa b w， 通过对500多吨钢锭的JTS单砧压下工艺模拟，可以给出这三个函数的曲线形式。模拟结果说明，大多数情况下，压下量越大，压实效果越好，载荷越大；但是空冷时间、上砧尺寸与压实效果没有如此单调的对应。（3）大型锻件晶粒尺寸演化模拟）大型锻件晶粒尺寸演化模拟 a 宏微观耦合的热塑性本构关系及晶粒度演化方程宏微观耦合的热塑性本构关系及晶粒度演化方程 典型的是金泉林基于不可逆热力学建立的动态再结晶本构关系。这个本构关系中包括了再结晶体积分数X、再结经晶粒度D2、未再结晶晶粒度D1、

14、最大晶粒度差Dc、平均晶粒度D等多个微观组织演化方程。 晶粒静态长大的规律已有大量试验结果和公认的经验公式。动态晶粒长的规律已经引起注意。例如很多材料出现多峰型应力应变曲线时将会有动态晶粒长大发生，这是的稳态晶粒尺寸是大于初始晶粒尺寸的，观察证明，随应变增加，晶粒逐渐趋于稳态晶粒尺寸。对比相同温度下的静态晶粒长大和在某一应速率下的动态晶粒长大，发现动态的稳态晶粒尺寸小于静态的稳态晶粒尺寸。这说明变形抑制了晶粒长大。另外一类的动态晶粒长大是超塑变形条件下的应变促进晶粒长大。钛合金、铝合金细晶超塑性都存在这种现象。 b 材料本构参数识别材料本构参数识别 前用于热锻的材料参数识别软件已经完成，并成功

15、用于结构钢、铝合金、钛合金、镁合金等材料。这个专业程序使用了局部优化和遗传算法相结合的全局算法，其简略框图如图所示。 FEM微观组织模拟算法-多层迭代 热锻中晶粒度演化与各种热力学变量的关系是非线性的复杂关系，它们需要非线性迭代求解。以普通刚塑性有限元软件，宏观变形与温度需要两层迭代，加上微观组织模拟以后，由于它们之间的耦合作用则需要三层迭代。这其中的原因在于温度、速度、晶粒度是三个彼此独立的变量，需要单独求解，三层迭代是为了保证它们之间的相互耦合。如果将原有限元程序的变分原理的速度变量扩展到速度和晶粒度变量，则可以减少一层迭代。但是这个工作无人进行。 4 大锻件技术在产业发展中的重大应用、重

16、大成果大锻件技术在产业发展中的重大应用、重大成果 到目前为止，二代加核岛主设备全部锻件实现批量生产，全面掌握了大型核电锻件制造技术。 三代核电AP1000核岛锻件全部研制成功，用当今世界最大600吨钢锭生产的三代核电常规岛低压半速转子已经攻克冶炼、铸锭和锻造技术难关。 反应堆压力容器、稳压器已进入批量生产，蒸发器、堆内构件、主管道正在研制中。 2010年1月，中国一重承制了中国首台国产化AP1000反应堆压力容器。与此同时，中国二重已经交付和正在生产涵盖CPR1000核电设备所有锻件，其中核电蒸发器、管板锻件实现了批量制造，二代加核电管板产品的合格率稳定在80%以上，在行业中处于领先地位。 三

17、代核电关键锻件研制正在进行之中，2009年5月用600吨级钢锭成功锻造出我国第一支EPR1000的百万千瓦级核电半速转子，2009年底在国内率先成功完成了AP1000主管道热段带管嘴一体式试制件的制造，并于2010年1月拿到我国首个AP1000机组主管道的订单。 上海重型机器厂有限公司在核电RPV、SG大锻件制造也有明显进展，自行设计制造的世界上第一台450吨电渣炉于2010年3月成功冶炼出直径达36000mm、高4000mm 的320吨电渣锭，用于锻造核电RPV筒体大锻件。鞍钢重机公司也于近期试制成功了AP1000主管道。 近几年我国核电等高端大锻件技术研发和制造取得重大突破，承担了国内在建

18、的红沿河、福清、石岛湾、昌江、红河、海阳、三门、桃花江和咸宁等国家核电重点项目材料和产品的制造任务。(二) 回转塑性成形研究进展回转塑性成形研究进展1、发展回转塑性成形工艺的意义发展回转塑性成形工艺的意义：1）有利于改变工件大-变形力大-设备大-难制造-投资大-成本高的不良循环。2）丰富材料二次加工可供选择的成形方式：回转塑性成形成为塑性成形制造领域中发展较快的一个分支。2、载重汽车轻量化钢制车轮辗载重汽车轻量化钢制车轮辗-旋联合精密成形旋联合精密成形载重汽车变截面无内胎钢制车轮是一种符合低碳经济的轻量化汽车车轮产品。国外成熟的技术是采用滚-旋工艺制造这种车轮，其方法是采用板料卷圆，经直流焊接

19、成筒形，再用滚型机滚成预制坯，经强力旋压成不等厚截面的轮辋，最后与轮辐焊接成轮毂。其轮辋的主要生产设备是直流焊机、滚形机和强力旋压机。用这种方法制造的车轮造价昂贵并且存在焊缝。针对这种代表载重汽车车轮先进技术的变截面无内胎钢制车轮产品，在国家“十一五”科技支撑计划项目的支持下，研究开发了载重汽车钢制车轮的辗-旋联合精密成形新技术（图2）。 铸 造 钢 坯 加 热 辗 扩 旋 压 载重汽车变截面无内胎钢制车轮的辗-旋联合精密成形工艺 无内胎钢制车轮轮辋辗扩预成形环件实物（无缝）1）辗）辗-旋联合精密成形新工艺旋联合精密成形新工艺采用热辗扩工艺将厚壁铸造钢筒辗环预成形得到无缝异型薄壁环坯，再采用强

20、力旋压工艺对其进行多道次变薄旋压，得到载重汽车高强度、变截面、无内胎、轻量化钢车轮，为汽车车轮行业提供一种全新的车轮制造工艺辗-旋联合精密成形新工艺，同时可以推广应用到其它行业领域。载重汽车无内胎钢车轮的辗-旋联合精密成形新工艺属于原始创新，已经获得国家发明专利授权。a）轮辋 （b）截面 强力旋压成形的变截面无内胎钢制车轮轮辋 2）辗）辗-旋成形新装备旋成形新装备研制了异型截面薄壁辗环机和轮辋旋压成形专用的数控三旋轮强力旋压机：异型截面薄壁辗环机具有液压伺服驱动、自动定心、芯轴同步、自动上下料的特点；轮辋旋压成形专用数控三旋轮强力旋压机具有立式结构、伺服驱动、独立旋轮机构、CNC控制错距旋压的

21、特点。异型截面薄壁辗环机是用于钢车轮轮辋辗扩预成形的专用装备，是辗环机用于车轮行业的集成创新；立式数控三旋轮强力旋压机是轮辋变薄成形专用装备，填补了国内该类装备的空白。通过钢制车轮辗-旋联合精密成形新技术的研发，形成了我国自主创新的核心技术，可以促进载重汽车车轮制造技术的进步，满足载重车轮无内胎化的市场需求。试制的异型薄壁辗环机样机 立式数控三旋轮车轮强力旋压机 3、楔横轧成形研究进展、楔横轧成形研究进展 在楔横轧成形的基础理论与工程应用研究上，我国已取得了较多成果。我国已成为楔横轧技术应用大国。据统计，全国已有近300台楔横轧机在工作，成为汽车零部件的重要成形手段。我国的楔横轧成套技术已出口

22、到美国等工业先进国家。下面三项研究工作就是近几年取得的进展。1）楔横轧成形轧件中心材料损伤研究）楔横轧成形轧件中心材料损伤研究（1）研究背景：）研究背景： 目前，关于横轧类工艺中心材料的疏松和开裂问题，已成为制约该工艺推广应用的一个核心问题。结合楔横轧轧件中心受力状态特点，通过分析轧件中心材料损伤发生发展的机理，确立了符合轧件宏观损伤特点的损伤动态演化方程，采用有限元数值模拟方法分析计算损伤演化规律，深入认识了楔横轧过程中心材料损伤机制；得到了成形产品内部损伤与轧制工艺参数间的关系，提出了避免宏观裂纹产生的最佳工艺参数范围和工艺设计原则，从而为工艺和模具设计提供理论指导。推动楔横轧工艺在生产中

23、发挥更大作用，同时也为其他体积成形工艺中损伤的研究提供参考和借鉴。（2）楔横轧成形轧件中心材料损伤准则的确定）楔横轧成形轧件中心材料损伤准则的确定应用S.I.Oh改进后的Cockcroft and Latham 破坏准则，对楔横轧变形过程中的韧性损伤进行有限元模拟。得到轧件内部损伤变量的分布和变化情况如图所示。 从图中可见，损伤量随变形进行逐渐增加，在横截面上，心部的损伤量大于边部，表明了缺陷首先产生于工件的内部，这不仅同已有的理论分析相一致，也和实际生产中工件产生内部空心的现象相吻合，因此可以用给出的韧性断裂准则研究楔横轧内部损伤的演化以及缺陷产生的规律等问题。轧件横截面上损伤量的分布和变化

24、曲线（3）各工艺参数对楔横轧内部损伤的影响）各工艺参数对楔横轧内部损伤的影响 变形量是影响工件内部损伤量的主要因素，且影响的作用显著；成形角和展宽角对其也有一定的影响，其中成形角对轧件心部损伤的影响比展宽角大。（4）楔横轧成形过程中轧件内部损伤的预防）楔横轧成形过程中轧件内部损伤的预防研究结果为预防楔横轧件内部损伤提供了依据。概括为：选择合适的工艺参数。大变形时合理分配二次变形量，即使第一次变形量大于二次变形量。根据这一原则，通过优化方案，解决了如下图所示锻件的内部缺陷问题。a 汽车变速箱一轴 b 汽车变速箱二轴 楔横轧轧件图2）大断面收缩率楔横轧件精确成形技术）大断面收缩率楔横轧件精确成形技

25、术 本项目完成了265种工况楔横轧单次及二次楔成形实轧试验，得到了920余个有效试件，首次获得了楔横轧单次楔一次成形断面收缩率达97.75%的轧件。基本弄清了楔横轧轧制大断面收缩率轴类件的成形规律、缺陷产生条件、加工界限及各工艺参数的影响规律；分析了大断面收缩率轴类零件楔横轧精确成形过程中应力应变场及位移场的分布和变化规律，揭示了大断面收缩率轧制时内部缺陷产生机理及预防措施；确立了大断面收缩率稳定轧制条件，阐明了两次楔成形轧制时各阶段断面收缩率的最佳分配比例；分析了大断面收缩率轧制条件下工艺参数与力能参数之间的理论关系；进一步完善了楔横轧内台阶精确成形轧齐曲线。完成上述基础研究，为开发大断面收

26、缩率轴类零件楔横轧成形技术奠定了理论基础。二次楔成形轧制部分试件单次楔成形轧制试件3）非回转体轴类零件楔横轧精确成形）非回转体轴类零件楔横轧精确成形建立了非回转体零件楔横轧轧辊曲线的数学模型，推导出轧制非回转体零件楔横轧轧辊的辊型曲线普遍方程，得到了偏心轴、凸轮轴、四方轴、六方轴等典型非回转体轴类零件的楔横轧辊型曲线方程；利用体积平衡原理和楔横轧台阶轧制成形理论，建立了凸轮轴的台阶轧制成形数学模型，推导了凸轮轴台阶成形的曲线方程；分析了凸轮轴、偏心轴成形过程中应力应变场及坯料金属的轴向，径向和周向流动规律，揭示了楔横轧轧制凸轮轴等非回转体轴类零件精确成形机理。 凸轮轴轧制成形原理图 凸轮轴轧制

27、成形数值模拟 凸轮轴轧制实验结果4）在产业发展中的重大应用）在产业发展中的重大应用 楔横轧成形研究进展推动了产业升级与生产能力的提高。 北京科技大学与北京机电研究所联合承担国家科技支撑项目，应用最新研究成果，开展大型轴类件楔横轧近净成形工艺与装备研究，开发研制大型轴类件的精密楔横轧成套技术与装备，实现大型楔横轧件的大批量生产，完成了D46165X1200、D46-125X1100、H1400、BZ1000四个规格大型楔横轧轧机的研制。 轧制工件的范围分别达到最大直径为165mm或最大长度为1300mm，总体达到国际先进水平。 完成了五个直径大于130mm或长度大于1100mm的大型楔横轧模具设

28、计与加工工作，成功轧制出四个大型楔横轧轴类件，轧件精度到达了国家标准中钢质模锻件精密级。 在一汽巴勒特（长春）锻造有限公司、河南南召兴隆汽车配件有限公司、山东莱芜汇锋汽车轴齿有限公司建成三条示范生产线。 生产规模达到年产80万件，年生产能力达到18000吨。这样，我国就成为具有世界最大楔横轧机与最大楔横轧件的国家，处于世界领先地位。D46-165X1200楔横轧机及直径165毫米的轧件4、非轴对称零件旋压成形、非轴对称零件旋压成形一种全新的旋压成形方法，将毛坯旋转改为旋轮旋转，将旋轮进给改为毛坯进给，即随机床主轴沿同一轴线作旋转运动的旋轮，通过其径向进给运动，加压于分别或同时沿机床纵、横两个轴

29、线方向作直线进给运动、同时在水平面内进行偏转运动的金属毛坯，使其产生连续的局部塑性变形，从而成形出非轴对称零件，突破了传统旋压技术的范畴。在这种成形方法思想的指导下，提出了一种行星旋压成形及楔形旋压成形装置，该装置既能围绕毛坯公转、又能驱动安装在其上的旋轮作径向进给运动，这是实现上述旋压成形方法的必备装置。为了实现这一装置的机构运动，又提出了一种精密回转油缸，使得活塞杆在围绕主轴进行旋转运动的同时实现精确的轴向位置控制，这是实现上述旋压成形装置中旋轮径向位置控制的重要部件。a）排气歧管样件 （b）偏心类样件 （c）倾斜类样件非轴对称零件的旋压成形（三）板材管材成形研究进展（三）板材管材成形研究

30、进展1 引言引言 板材与管材成形技术是指在模具或柔性传力介质的作用下把板材、管板材与管材成形技术是指在模具或柔性传力介质的作用下把板材、管材或型材成形为所需形状和尺寸的零件，其本质特征包括二个方面：一是材或型材成形为所需形状和尺寸的零件，其本质特征包括二个方面：一是坯料厚度方向尺寸远小于其他二个方向的尺寸；二是材料在二维应力场中坯料厚度方向尺寸远小于其他二个方向的尺寸；二是材料在二维应力场中发生塑性变形。发生塑性变形。 先进的板材与管材成形技术包括：高强钢热冲压成形技术、激光拼焊先进的板材与管材成形技术包括：高强钢热冲压成形技术、激光拼焊板成形、多点模具数控成形、蠕变时效成形、数控喷丸成形、滚

31、压成形、板成形、多点模具数控成形、蠕变时效成形、数控喷丸成形、滚压成形、充液拉深、热介质成形、内高压成形、高压汽胀成形和数控弯曲成形等。充液拉深、热介质成形、内高压成形、高压汽胀成形和数控弯曲成形等。2.近年的最新研究进展近年的最新研究进展1）内高压成形）内高压成形(Hydroforming) 内高压成形是以管材作坯料，通过管材内部施加高压液体和轴向补料内高压成形是以管材作坯料，通过管材内部施加高压液体和轴向补料把管材压入到模具型腔使其成形为所需工件。由于使用乳化液（在水中添把管材压入到模具型腔使其成形为所需工件。由于使用乳化液（在水中添加少量的防腐剂等组成）作为水传力介质，又称为管材液压成形

32、（加少量的防腐剂等组成）作为水传力介质，又称为管材液压成形（Tube Hydroforming）或水压成形。内高压成形是适应结构轻量化发展起来的）或水压成形。内高压成形是适应结构轻量化发展起来的先进制造技术。内高压成形件是能同时实现空心结构代替实心结构结构、先进制造技术。内高压成形件是能同时实现空心结构代替实心结构结构、变截面结构代替等截面结构、整体结构代替分块结构的先进结构形式。变截面结构代替等截面结构、整体结构代替分块结构的先进结构形式。 典型零件有副车架、仪表盘支架、轿车底盘、不锈钢接头、排气管件、铝合金异型管和薄壁三通管等。用于汽车、火箭、“神七”舱外服和飞机，应用的零件数量超过50万

33、件。最大管径达到161mm，最大壁厚4mm，零件最大长度3000mm, 非对称变径管膨胀率达到110、铝合金膨胀率达到50。a) 一汽自主品牌轿车“奔腾”副车架(b) 运载火箭动力系统三通管500MN内高压成形机掌握了内高压成形机核心技术超高压增压器和闭环控制系统及软件，最高压力达到400MPa，研制了多台200MN以上用于汽车零件实际生产的内高压成形机，其中最大吨位为500MN。目前，在国家NC重大专项的支持下正在为一汽轿车研制国内最大的6000吨内高压成形机。2）高强钢热冲压与淬火复合成形技术高强钢热冲压与淬火复合成形技术 高强钢热冲压与淬火复合成形技术是把钢加热到奥氏体转变温度以上进行冲

34、压，成形后不出模具通过模具冷却水道直接淬火。这种工艺适合于制造抗拉强度超过1200MP汽车零件，如A柱内加强、B柱内加强、地板中梁和防撞杆等。 高强钢板材热成形可分为直接热成形和间接热成形二种工艺 ；直接热成形工艺流程：落料加热冲压成形和淬火去氧化皮激光切边、割孔。 间接热成形工艺流程：落料冷压预成形加热冲压成形和淬火去氧化皮激光切边、割孔。间接法是在室温下成形出零件的大体形状，可以节省高温下保压时间，减少能耗。 热成形工艺的核心技术是在保压定型过程中，零件在模具内淬火，这样既可以获得很高的强度，又避免了冷成形的回弹。冲压成形和淬火冲压成形和淬火(a) 直接法(b) 间接法 高强钢板材的热成形

35、 高强度钢热成形轿车地板3）多点模具成形技术 多点模具成形技术是将整体的模具离散为多个单点模具，然后各单点进行排列成一个新的整体模具。用于飞机大型蒙皮拉伸成形的的可重构模具蒙皮拉形机其成形面积为60英寸42英寸，包括1120个基本体（4028排列），从一种形状变换成另外一种不同形状的时间约需15分钟。该装置可以替代75%的现有模具，蒙皮制造周期缩短到原来的1/8，同时还显著减少模具存贮成本。 已建立了系统的板料多点成形理论，开发出分段成形、多道成形、反复成形以及闭环成形等多种实用的多点成形新工艺，开发出具有自主知识产权的多规格的多点成形装备。如采用多点成形技术解决了北京奥运会鸟巢建筑中大型钢板

36、弯扭结构件成形的难题。飞机蒙皮拉形机 鸟巢建筑中大型钢板弯扭结构件4）蠕变时效成形技术 蠕变时效成形技术是将成形与时效处理同步进行的一种成形方法。其基本的成形过程是将机加淬火后的铝合金板材坯料通过一定的加载方式使之产生弹性变形并固定在具有一定外形型面的工装上，然后将零件和工装一起放入加热炉（或热压罐）内，在零件材料的人工时效温度内保温一段时间，材料在此过程中受到蠕变（应力松弛）和时效机制的作用，在保温结束并去掉工装的夹持后，所施加到零件上的部分弹性变形将转变为永久塑性变形并保持下来，从而使零件在完成时效强化的同时获得所需外形。主要适用于制造带筋的大型飞机壁整体壁板，图是用蠕变时效成形技术制造的

37、空客A380机翼整体板，材料为铝合金7055，零件长33m，宽2.8m，变厚度3-28mm，成形精度（贴膜率）小于1mm。蠕变时效成形技术制造的空客A380机翼整体板(四）四） 航空航天大型复杂构件局部加载近净成形技术研究新进展航空航天大型复杂构件局部加载近净成形技术研究新进展 航天、航空和武器装备及产业既是国际竞争的制高点，又是国家安全与国民经济重要组成部分和可持续发展的有力保证。国家16项重大专项中涉及大飞机、探月、载人飞船的项目和涉及到“制天权”的一系列重大工程，正在构建我国新时期的战略竞争力。 1. 钛合金大型复杂整体构件局部加载等温近净成形 钛合金大型整体构件（如隔框）由于可有效的减

38、轻装备的重量、提高结构性能而在航空航天领域有着越来越广泛的应用。然而这类构件投影面积大，形状复杂，薄壁高筋，材料难变形，并且对其尺寸精度和组织性能要求高，从而使得其成形制造非常困难。 局部加载可减少工件与模具的接触面积和所受约束，有效降低成形载荷，通过多道次不断变换加载位置，对坯料不同局部区域施加载荷，再通过不断协调和累积局部变形，并控制不均匀变形与组织性能，最终实现整个构件的整体成形（图1）。局部加载成形还可有效拓宽成形尺寸的范围；等温成形能够降低材料的变形抗力、提高材料的塑性流动能力、成形件尺寸精度与组织性能均匀性。通过局部加载与等温成形的结合，融合了等温成形和局部加载成形两方面技术的优势

39、，并与优化设计预成形坯料及控制成形温度相结合，可进一步降低模具的接触面积和所受约束、降低钛合金的变形抗力、调整应力状态使材料更容易进入塑性变形，并更有效降低流动应力、充分发挥材料成形潜力、控制材料的流动、实现成形与组织性能控制。具备了省力、柔性、控形和控性三方面的优势。第一加载道次第二加载道次局部加载过程示意图(2个道次，3个加载步)建立了可靠实用的多场耦合下钛合金大型复杂构件局部加载等温成形过程宏微观变形有限元模拟仿真模型和局部加载成形过程中分流层、成形筋高的主应力法预测模型（图2）；建立了TA15钛合金微观组织内变量法预测模型，实现了钛合金大型复杂整体构件制坯与局部加载等温成形过程组织演变

40、预测（图3）；基于仿真优化，获得了多场耦合局部加载条件下不同变形区及过渡区的典型不均匀变形行为，实现了局部加载方式、加载条件和变形区的确定（图4）；揭示了过渡区的宏微观变形特征及参数影响规律，实现了等温局部加载不同区宏微观变形控制；探明了大型复杂整体构件局部加载等温成形过程可能发生的典型成形缺陷，提出了有效的解决方法。提出了并实现了大型非对称复杂坯料的局部加载省力成形方法和优化技术（图5），提出了大型组合模具优化设计方法，实现了大型组合模具优化设计；成功研制了飞机某钛合金隔框锻件（外形轮廓尺寸1.55m1.36m，投影面积2.1m2），锻件尺寸精度、组织和力学性能均满足航空锻件要求（图6-7）

41、。 (a) 模拟结果 (b) 实验结果钛合金大型复杂构件局部加载等温成形模拟和实验结果 2. 大型复杂环件辗轧近净成形环件辗轧成形过程伴随着坯料壁厚减薄、高度减小、直径长大和截面轮廓成形，具有节能、节材、优质、高效、低噪，使连续局部塑性成形前沿领域的重要发展方向。该过程优化设计与精确控制面临如何解决非对称、非稳态、三维连续时变下多参数耦合宏微观变形控制等挑战。建立了大型复杂环件径轴向热力耦合辗轧全过程及其控制的多尺度3D-FEM模型与仿真方法（图8），为通过成形技术与装备及研究方法的系统化与集成创新实现精确成形技术发展提供了基石和途径；实现了过程稳定性研究和控制，建立了确定临界摩擦系数的解析-

42、数值方法，揭示了摩擦对环件辗轧成形过程的作用机制，探明了导向辊对成形过程稳定性和环件质量的影响机制；建立了适用于大型、复杂截面和高精度环的辗轧成形过程建模仿真导向辊液压调整机构控制的模型和，确定了环件径轴向轧制稳定成形条件；先加载区 后加载区 过渡区ABCABCTA15钛合金大型复杂构件及不同变形区组织照片方法 发现了冷辗扩过程三种塑性变形行为，揭示了异型环件冷辗轧金属填充规律、钛合金等环件热辗扩过程的宏观变形和微观组织演变规律 开发了混合硬化弹塑性材料模型及晶体塑性本构子程序，实现了宏观变形各向异性的位错滑移细观响应描述，提出了率相关晶体塑性模型在有限元中实现的稳健算法，解决了大增量步、大变

43、形、大变形率下，率相关晶体塑性模型应用于显式有限元计算的稳定性问题。 揭示了摩擦、材料参数及其与工艺参数耦合对环件辗轧不均匀变形、宽展、鱼尾缺陷、填充性及力能参数等影响规律（图12），实现了坯料与工艺设计，开发了基于径轴向变形量合理分配，确定矩形截面环件径轴向轧制毛坯尺寸方法，开发了环件径轴向轧制工艺设计与管理系统。环件辗扩过程和控制的三维有限元仿真模型钛合金大型环件辗轧微观组织演变特征 （五）精密塑性成形研究与进展精密塑性成形研究与进展1、应用基础技术方面、应用基础技术方面 成形制造过程的数字化模拟仿真向工艺、材料、使用一体化方向发展。在常规的塑性加工模拟成形制造过程的数字化模拟仿真向工艺、

44、材料、使用一体化方向发展。在常规的塑性加工模拟技术方面，国内已经基本掌握了宏观工艺模拟技术，应用工艺数值模拟、来确定工艺参数、优化工技术方面，国内已经基本掌握了宏观工艺模拟技术，应用工艺数值模拟、来确定工艺参数、优化工艺方案，预测成形过程中可能产生的缺陷及采取有效防止措施，控制和保证加工工件的质量。目前艺方案，预测成形过程中可能产生的缺陷及采取有效防止措施，控制和保证加工工件的质量。目前研究重心由成形过程模拟、工艺缺陷的预报向宏观变形与微观变形和组织预测相结合研究重心由成形过程模拟、工艺缺陷的预报向宏观变形与微观变形和组织预测相结合, 国内已经开国内已经开始用数值方法研究预测热成形加工过程中晶

45、粒尺寸演变问题始用数值方法研究预测热成形加工过程中晶粒尺寸演变问题,研究了微观结构变化过程的本构关系研究了微观结构变化过程的本构关系,确定材料的本构参数。确定材料的本构参数。2、关键工艺技术方面、关键工艺技术方面 在关键工艺技术方面，围绕冷在关键工艺技术方面，围绕冷/温闭塞锻造成形、中空分流冷锻成形、温冷复合成形和流动控温闭塞锻造成形、中空分流冷锻成形、温冷复合成形和流动控制成形等新工艺技术，解决了轴向分流和径向分流相结合的多向分流冷锻成形工艺，获得黑色金属制成形等新工艺技术，解决了轴向分流和径向分流相结合的多向分流冷锻成形工艺，获得黑色金属在复杂封闭模具型腔中的流动成形规律，分流成形理论与方

46、法，实现了汽车直齿锥齿轮、结合齿轮在复杂封闭模具型腔中的流动成形规律，分流成形理论与方法，实现了汽车直齿锥齿轮、结合齿轮和倒档直齿圆柱齿轮的冷精锻成形，齿形可以达到刨齿加工精度直接使用；和倒档直齿圆柱齿轮的冷精锻成形，齿形可以达到刨齿加工精度直接使用；针对黑色金属多台阶、带花键和法兰的实心及空心复杂轴类零件，解决了多工位冷挤压成形工艺设针对黑色金属多台阶、带花键和法兰的实心及空心复杂轴类零件，解决了多工位冷挤压成形工艺设计方法，包括得到临界变形程度的数值、各冷挤压工步变形量、变形工步数和变形力的计算公式等，计方法，包括得到临界变形程度的数值、各冷挤压工步变形量、变形工步数和变形力的计算公式等，

47、实现了汽车变速箱复杂轴类件多工位冷挤压的生产；实现了汽车变速箱复杂轴类件多工位冷挤压的生产； 通过研究中碳结构钢和中合金结构钢多工位温锻冷精整工艺，掌握了温冷复合成形机理、最佳通过研究中碳结构钢和中合金结构钢多工位温锻冷精整工艺，掌握了温冷复合成形机理、最佳冷精整层厚度等关键技术参数，实现了轿车的最难成形零件等速万向节（球笼、三槽壳套）的冷精冷精整层厚度等关键技术参数，实现了轿车的最难成形零件等速万向节（球笼、三槽壳套）的冷精锻成形；锻成形；针对难变形铝合金材料特性和性能要求，开发减压式和阻尼式流动控制成形工艺，成功解决了难变针对难变形铝合金材料特性和性能要求，开发减压式和阻尼式流动控制成形工

48、艺，成功解决了难变形铝合金塑性差、流动阻力大、难于塑性成形的关键技术等。形铝合金塑性差、流动阻力大、难于塑性成形的关键技术等。 采用冷、温精密塑性成形工艺生产的汽车铝合金精密零件 采用冷、温精密塑性成形工艺生产的汽车钢质复杂零件 采用冷、温精密塑性成形工艺生产的汽车齿轮和异型复杂零件3、模具技术方面 模具寿命是影响冷、温锻技术应用的一个极为重要的因素。我国通过“科技支撑计划”、“高档数控机床与基础制造装备”（功能部件）的大力度支持，冷、温锻模具技术水平“十五”以来取得了长足的进步，代表发展方向的精密、复杂、高效和长寿命冷/温锻模具上了一个新台阶，缩小了与发达国家的差距。体现精密塑性成形技术的冷

49、温锻模具应用范围，已从制造汽车、摩托车、机床装备的较简单零件扩展到以汽车行星齿轮、等速万向节、离合器齿圈等复杂零件为代表的各类较复杂零件的冷温锻模具，并实现部分替代进口模具，达到了一定的水平。 冷锻模具生产中可达到的技术指标：齿轮模具型腔精度达到0.0050.01mm；冷锻齿轮零件达到7级传动精度，可替代齿形切削加工；表面粗糙度Rz 10m；齿形模总寿命5万件以上。汽车锥齿轮、直齿轮和螺旋齿轮的冷锻成形模具三、本学科国内外研究进展比较三、本学科国内外研究进展比较（一）引言 改革开放以来，我国塑性成形学科在经济发展的拉动下，在与其相关学科如材料学、固体力学、计算机科学、热力学等的相互借鉴与融和中

50、有了长足发展与明显进步，缩短了与发达国家之间的差距。有些部分实现了较大的突破，已处于国际领先地位。但在总体上来说，本学科仍处在追赶先进水平的进程中。（二）、处于国际先进行列的几项研究成果1 多点成形理论与应用 多点成形基于对模具离散化与数字化控制的新构思，形成可自由调整的多点式柔性模具，通过专用的软件控制多点模具，构造出不同形状的模具型面，用于三维曲面零件的快速加工。多点成形时加工板料不用传统的模具，但可达到或接近传统模具的成形效果。 我国近年来在多点成形基础理论、专用软件、实用工艺研究以及成形装备开发方面都取得了重要突破，通过多项发明与创新，使多点成形由实验室研究变成了工程实用技术，目前我国

51、在多点成形方面的研究与产业化工作已走在国际上同类工作的前列。多点成形技术为曲面零件，特别是大型曲面零件提供了先进、实用的加工方法。采用该技术不仅解决了鸟巢工程中大型钢板曲面构件加工的关键技术难题，而且还在高速列车流线型车头制造、飞机蒙皮件成形、医学工程中颅骨修复体成形以及多种军品制造等领域中实际应用，取得了突出的经济与社会效益。2 楔横轧成形理论与应用 楔横轧成形是我国在研究与应用上取得较多成果的塑性成形领域。在成形条件，精确成形理论，复杂零件成形方法，工件内部缺陷判定与预防等方面都有比较系统的研究成果。 这些学科上的进展，为工程应用打下了坚实的基础，极大的提高了工艺水平，使我国成为世界上楔横

52、轧技术应用最好的国家。 目前，我国拥有全世界最大规格的楔横轧机，D46-165X1200型楔横轧机，最大轧件直径165毫米，最长轧件1200毫米。（3）复合成形工艺的成形研究与应用 塑性成形快速发展的一个领域是复合成形。 复合成形是将不同的塑性成形方法有机的复合起来，或是将材料成形的其他方法如铸造、焊接 、热处理甚至切削加工与塑性成形复合起来， 发挥各复合組分的优点，形成优势迭加的精密快捷成形新工艺,实现节能、节材、降耗的目标。 汽车前轴精密辊锻模锻成形复合工艺，是我国载重汽车前轴生产的主导工艺。 目前在我国已建造了近三十条生产线，具备年生产载重汽车前轴200万件的生产能力。 这种独特的成形方

53、法是将成形力小的辊锻的作用全部发挥出来，将前轴成形的大部分任务交由辊锻完成，而留给压力机的任务是成形锻件的很小一部分，从而实现了小压力机成形大锻件的任务。 前轴是载重汽车上的最大锻件，一般应在万吨级压力机上成形，而我国只需要2500t摩擦压力机就可成形。从而使生产线的投资减少到原工艺1/51/8，生产能力相近，成形精度相当，而生产成本下降2530，材料利用率提高1015汽车前轴精密辊锻模锻成形生产线3、差距 塑性成形学科与国外先进水平的较大差距，最明显表现是： （1）基础研究薄弱， (2）对新材料成形性能研究水平低，特别是对具有潜在应用前景的新材料的 塑性研究投入少，如复合材料，纳米材料，轻合

54、金材料，高强钢材料等。 （3)对新材料的成形工艺，很少有原始创新工艺，基本上处于追赶状态。 (4)能耗高，材料利用率低，成形精度低，自动化水平低，污染物排放高，劳动生产 （5）总体差距1520年 1）大型锻件成形 随着特大型自由锻造水/油压机的不断投产，中国已在大锻件的生产能力和产量方面达到了世界第一。但在大型电站锻件的技术水平方面与世界发达国家相比还有相当大的差距，日本JSW和法国Crusot在上世纪七、八十年代就已批量生产核电锻件，JSW于1986年就用600吨级钢锭制造整锻汽轮机低压转子，欧洲及日本早在十几年前就已批量生产超超临界高、中、低压转子。 总体上看，我国的核电等高端大锻件技术水

55、平与世界先进水平还存在明显差距。2）管材成形 总体上看，我国与德国、美国等先进国家差距还较大。在基础理论和关键技术方面差距在10年左右时间，在设备和工业生产方面的差距在20年左右的时间。（1）超高压成形。目前，工业生产中使用的增压器最高压力一般为400MPa。为了适应更复杂的结构形状和精度、更大壁厚和高强度材料（超高强钢、钛合金和高温合金等），需要更高的内压，将发展到600MPa，甚至1000MPa。超高压成形带来一系列的问题需要解决，如超高压管端移动密封、如何减少超高压下的摩擦、模具材料及超高压液体控制精度等。（2）热态内压成形。为了解决高性能铝合金、镁合金等轻合金材料室温塑性低、成形困难的

56、问题，采用加热加压介质成形异型截面零件是内高压成形发展的一个重要方向。目前，以耐热油做为介质的温度可以达到300，压力达到100MPa，完全能满足铝合金和镁合金管材成形的需要。热态内压成形的主要问题是成形时间长、效率低。（3）超高强度钢成形。随着汽车对结构轻量化需求的进一步提高，车体上使用的钢材强度越来越高，材料塑性降低，例如，钢材强度由250MPa提高到1000MPa塑性由45降低到12。材料塑性降低导致开裂倾向严重成形难度增大，需要对弯曲、预成形、内高压成形工艺、壁厚分布和润滑等进行深入研究。（4）拼焊管内高压成形等新工艺，将不同厚度或不同材料管材焊接成整体，然后再用内高压成形加工出结构件

57、，可以进一步减轻结构质量；采用二端直径不同的锥形管，制造特殊结构零件；双层管内高压成形制造轿车双层排气管件，提高轿车尾气三元催化和净化效果。3）塑性成形模拟与大型模拟软件开发 塑性成形是包含材料体积宏观转移与材料内部微观组织变化的非常复杂的过程。从连续介质力学观点分析，是一个高度的非线性过程，包括材料非线性即应力应变关系非线性，几何非线性即应变与位移非线性，边界非线性等。这就是说，塑性成形的解析是高度困难的，特别是复杂零件的成形问题是无法用传统的方法解决的。有限元的应用为解决这一问题提供了有效手段。有限元模拟在塑性成形过程中的应用是近十年塑性成形学科对塑性成形技术的最大贡献。而我国在这方面的发

58、展则比较缓慢。主要表现在以下两个方面：（1）塑性有限元基础理论与新算法：目前我国仍处在吸收与消化已有成果的阶段，涉及核心技术的研究成果稀少。如对于发展新的高性能单元和非线性方程求解算法来提高计算速度，摩擦接触机理与摩擦边界处理，网格重划分技术，撕裂、起皱、回弹等缺陷预测等关键问题的研究进展缓慢。由于这些问题的研究需要较多的知识积累与较大的人力投入，成果形成时间也较长，长期持续进行研究的团队较少。（2）大型商品化塑性成形有限元数值模拟软件：我国目前尚没有具有自主知识产权的这种软件，使用的是国外的成套模拟软件，如MARC,ANSYS,NASTRAN,LS_DYNA,ABAQUS,ADINA,DEF

59、ORM3D,FORGE,DYNAFORM,AUTOFORM,PAM-STAMP,OPTRIS,INDEED等。尽管国家在很多大项目研究上给予较多经费支持，但这方面的开发均未见可以商品化并得到用户认可的软件问世。由于没有国产软件竞争，国外软件独占市场，近年来价格成倍提升，加重了企业负担，降低了国内产品的竞争力。四、本学科发展趋势与展望四、本学科发展趋势与展望 一、大型锻造发展趋势及展望 国家中长期科技发展规划（2010-2020）中明确提出，攻克先进煤电、核电等重大装备制造核心技术，掌握一批事关国家竞争力的装备制造业核心技术，技术水平进入世界先进行列，重点研究开发重大装备所需的关键基础件和通用部

60、件的设计、制造和批量生产的关键技术，开发大型及特殊零部件成形及加工技术。 近年来随着我国节能减排形势的变化，核电发展处于继续加速的态势，2010年内国家即将出台新兴能源产业发展规划，到2020年我国核电发展目标或将调整为8600万千瓦，将是核电原计划4000万千瓦的两倍之多。因此，核电等高端大锻件还将面临前所未有的发展态势，也为本领域相关技术研究、自主创新提出更高要求二、板材成形发展趋势与展望二、板材成形发展趋势与展望（一）（一） 难变形材料板材热成形关键技术及组织性能演变规律难变形材料板材热成形关键技术及组织性能演变规律 针对钛合金、高温合金、高强度钢、镁合金等难变形材料复杂形状零件，研发热