雷煜東, 詹梅, 樊曉光, 張媛琦, 牛浩通, 白丹妮, 高鵬飛, 鄭澤邦

(西北工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院, 陜西 西安 710072)

重型運載火箭、戰(zhàn)略導(dǎo)彈和空間飛行器等空天和武器裝備作為國家國際競爭的戰(zhàn)略制高點，是國家科技水平和軍事實力的重要標(biāo)志。這些高端裝備的快速發(fā)展，要求大運力、遠射程、低能耗、長壽命，這就要求其關(guān)鍵構(gòu)件高性能、高可靠和輕質(zhì)化。因此，采用輕質(zhì)高強材料和大型、薄壁、整體化的復(fù)雜結(jié)構(gòu)成為必然的選擇。為了滿足上述需求，在保持原有結(jié)構(gòu)強度的前提下，構(gòu)件一般設(shè)計為薄壁高筋，帶筋薄壁構(gòu)件就是其中一類重要和典型的代表。

近年來，帶筋薄壁構(gòu)件的成形制造工藝受到了較多關(guān)注，不少研究人員開展了坯料設(shè)計、模具和工藝參數(shù)優(yōu)化等加載條件研究，發(fā)展出了多種不同的成形制造工藝，實現(xiàn)了典型帶筋薄壁構(gòu)件的成形。鑒于上述分析，本文分析了帶筋薄壁構(gòu)件成形制造技術(shù)的發(fā)展與國內(nèi)外研究進展。首先針對帶筋薄壁構(gòu)件的發(fā)展與分類進行了綜述與對比；然后分別討論了不同類型帶筋構(gòu)件的成形制造工藝，從成形原理、加工技術(shù)和模具工裝等方面綜述了目前帶筋薄壁構(gòu)件各個成形制造技術(shù)的研究現(xiàn)狀，并對其加載方式、技術(shù)特色與應(yīng)用情況等進行了總結(jié)；最后探討了帶筋薄壁構(gòu)件成形制造技術(shù)的發(fā)展趨勢與所面臨的挑戰(zhàn)。

1 帶筋薄壁構(gòu)件發(fā)展與分類

針對航天航空等高端裝備領(lǐng)域關(guān)鍵構(gòu)件高性能、高可靠、輕質(zhì)化的需要，大量的零件結(jié)構(gòu)被設(shè)計成薄腹高筋結(jié)構(gòu)，如機身、機翼蒙皮/壁板、火箭/導(dǎo)彈貯箱及艙段、空間飛行器和空間站密封艙等。從結(jié)構(gòu)設(shè)計角度而言，傳統(tǒng)的蒙皮構(gòu)件逐漸被整體帶筋壁板替代、分塊壁板機加+滾壓拼焊結(jié)構(gòu)向一體化結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變、單級加強筋改進為整體多級加強筋是目前帶筋薄壁構(gòu)件的發(fā)展趨勢。另外，隨著上述領(lǐng)域關(guān)鍵構(gòu)件力學(xué)性能要求的不斷提升，構(gòu)件形狀趨于復(fù)雜化，如通過設(shè)計加強筋的布局與尺寸(截面形狀)提高結(jié)構(gòu)性能。

根據(jù)以上描述，將帶筋薄壁構(gòu)件從整體結(jié)構(gòu)、截面形狀和筋條布局進行分類，如圖1所示。按照構(gòu)件整體結(jié)構(gòu)分為壁板類構(gòu)件與筒/環(huán)類構(gòu)件；按照截面形狀分為I型筋、T型筋和Γ型筋構(gòu)件等；按照筋條布局分為單向筋(橫/環(huán)筋或者縱筋)和網(wǎng)狀交叉筋等，通常筋部的高寬比差異較大，最大可達到10∶1，而厚度上也存在一定的差異，最薄處僅有2～3 mm。

圖1 帶筋薄壁構(gòu)件分類

這種帶筋結(jié)構(gòu)經(jīng)過合理設(shè)計，不僅整體質(zhì)量輕，占用空間面積小，而且能夠承受較大的載荷，可以有效起到支撐、防護以及聯(lián)結(jié)作用。因此，在航空航天領(lǐng)域，如運載火箭的燃料箱整體壁板、飛機的整體壁板以及飛機中央翼和外翼整體壁板等[1]，其高筋+薄腹板的結(jié)構(gòu)結(jié)合能夠有效地實現(xiàn)可靠性和輕質(zhì)化。這些整體壁板不僅避免金屬流線中斷，減小應(yīng)力集中，還能夠減輕起飛質(zhì)量，縮短裝配周期?？湛虯380機身框架和艙門采用了空心結(jié)構(gòu)和腹板加筋結(jié)構(gòu)等替代實心結(jié)構(gòu)，顯著降低了其質(zhì)量。美國軍方推動的整體機身研究計劃(integral airframe structures,IAS)以波音747機身為研究對象。分析表明，機身采用整體帶筋壁板后，零件數(shù)量由原來的129個減少到7個，減少了94.6%；不僅有效節(jié)約了成本(只有原來的1/4)，而且壽命和強度得到大幅度提升(裂紋擴展壽命提高3倍，殘余強度提高3%)[2]。而我國在探月、登月計劃及大飛機項目的推動下，對大型壁板件的需求將會大大增加，研究也會更加深入。

對于筒/環(huán)類構(gòu)件，在空天、武器裝備領(lǐng)域也有大量帶筋結(jié)構(gòu)件的存在，如圖2所示。該類筒形件、環(huán)形殼體內(nèi)部往往分布有不同尺寸及形狀的縱向筋或環(huán)向筋，以滿足性能、強度、功能等諸多方面的需要，如某系列導(dǎo)彈的各段艙體內(nèi)均勻布有許多縱筋，某導(dǎo)彈錐形殼體內(nèi)帶有環(huán)筋以及某火箭箭體外殼表面帶有縱橫相交的網(wǎng)格筋。

圖2 帶內(nèi)筋筒/環(huán)形構(gòu)件

帶筋薄壁構(gòu)件種類多，而按照整體結(jié)構(gòu)劃分的筋板類構(gòu)件與筋筒/環(huán)類構(gòu)件，不但應(yīng)用范圍較廣，并且根據(jù)其使用性能要求的不同又會導(dǎo)致成形工藝有所不同。因此，下面將分別介紹這兩大類構(gòu)件成形制造工藝的發(fā)展。

2 筋板類構(gòu)件成形制造工藝發(fā)展

筋板類構(gòu)件是飛機、火箭等高端裝備上大量應(yīng)用的結(jié)構(gòu)件，但薄壁高筋結(jié)構(gòu)給其制造帶來很大的困難。在20世紀(jì)初，機械加工在各類產(chǎn)品加工中占有重要地位，厚板機械加工是筋板類結(jié)構(gòu)件的傳統(tǒng)成形方法。同時，對于使用性能要求低的薄壁帶筋構(gòu)件，美國、俄羅斯等國家采用精密鑄造的方法進行加工。

之后，隨著整體加載近凈塑性成形技術(shù)的快速發(fā)展，研究人員采用擠壓成形帶筋構(gòu)件，并且在20世紀(jì)中葉，已出現(xiàn)通過等溫鍛造實現(xiàn)其成形的報道。整體加載近凈塑性成形技術(shù)主要解決中小型復(fù)雜構(gòu)件的成形問題，而對于高強度材料，當(dāng)構(gòu)件尺寸較大，一般設(shè)備的載荷難以滿足成形要求；而這類構(gòu)件往往具有薄壁高筋和復(fù)雜形狀復(fù)合的難成形特征，使其成形制造面臨極大困難，且成本較高。

為此，人們發(fā)展出局部加載近凈塑性成形技術(shù)。20世紀(jì)60年代，前蘇聯(lián)學(xué)者Скородюмов率先提出分級鍛造的概念以解決水壓機能力不足問題[3]；與此同時，美國的Abramowitz和Sokey兩位學(xué)者以筋板類構(gòu)件為研究對象，采用物理模擬試驗的方法對局部加載技術(shù)進行了探索性研究，證明了該技術(shù)的可行性和發(fā)展?jié)摿4]。從20世紀(jì)80年代開始，德國亞琛技術(shù)大學(xué)的Kopp等[5-6]對筋板類構(gòu)件局部加載成形技術(shù)做了一系列研究，提出了采用小壓頭對工件不同部位施加變形，通過累積變形實現(xiàn)工件成形的方法。目前，局部加載成形主要有等溫局部加載、軋制、擺輾等先進技術(shù)。

隨著筋板構(gòu)件成形制造技術(shù)的不斷發(fā)展，構(gòu)件的總體性能慢慢提高，成形載荷也逐漸下降。針對該類構(gòu)件的成形制造技術(shù)，分為傳統(tǒng)制造技術(shù)、整體加載近凈塑性成形技術(shù)和局部加載近凈塑性成形技術(shù)，如圖3所示。下面將針對這三大類成形技術(shù)進行綜述。

圖3 筋板類構(gòu)件成形制造技術(shù)發(fā)展歷程

2.1 傳統(tǒng)制造技術(shù)

2.1.1 基于塑性成形制坯的機械加工制造

對于性能要求較高的大型帶筋薄壁構(gòu)件，國內(nèi)外多數(shù)采用鍛造或軋制預(yù)制簡單形狀的板坯，再通過數(shù)控加工等減材方法逐個加工出高筋結(jié)構(gòu)[7]?；谒苄猿尚沃婆鞯臋C械加工方法的材料利用率低、加工周期長、成本高，而且由于機加導(dǎo)致高筋結(jié)構(gòu)位置的金屬流線被切割，造成構(gòu)件的強度降低。目前，關(guān)于機械加工成形構(gòu)件，更多集中于機加的工藝條件優(yōu)化[8-9]和殘余應(yīng)力分析[10]等方面。

2.1.2 精密鑄造成型

目前，國外技術(shù)先進國家批量生產(chǎn)的鈦合金精密鑄件直徑已達1 300 mm、腹板壁厚1～2 mm，鋁合金精密鑄件的水平更高，構(gòu)件的成品率達80%以上。而我國精密鑄造技術(shù)與國外相比存在一定差距，大型薄壁帶筋鑄件的內(nèi)部缺陷較多，加工成本較高且成品率較低。北京航空材料研究院[11]曾成功澆鑄出630 mm×300 mm×130 mm的框形構(gòu)件，最小壁厚僅為2.5 mm。

由于鑄件缺少塑性變形強化，構(gòu)件內(nèi)部晶粒組織粗大且不夠致密，造成產(chǎn)品性能差以及廢品率高，不能滿足產(chǎn)品的性能要求。因此，對結(jié)構(gòu)件使用性能有較高要求的的筋板類構(gòu)件，更多需要通過整體或者局部加載近凈塑性成形技術(shù)來實現(xiàn)。

2.2 整體加載近凈塑性成形技術(shù)

目前，整體加載近凈塑性成形主要有擠壓成形、閉式模鍛、等溫鍛造、沖鍛混合成形等技術(shù)，這些技術(shù)均有利于高強材料筋板類構(gòu)件制造的應(yīng)用。其中，擠壓成形和等溫鍛造應(yīng)用最廣泛，因此本節(jié)主要針對這兩種工藝在筋板類構(gòu)件成形制造中的應(yīng)用與發(fā)展進行概述。

2.2.1 擠壓成形

擠壓成形是利用壓力機的往復(fù)運動，迫使金屬材料在凹模型腔產(chǎn)生塑性流動，進而獲得所需幾何型面尺寸與性能的零件。金屬在三向壓應(yīng)力狀態(tài)下塑性提升，允許材料發(fā)生較大變形，可以實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的制造。因此，按照金屬流動方向，適合于筋板構(gòu)件制造的有反擠壓、復(fù)合擠壓、徑向擠壓，如圖4所示。

圖4 擠壓成形示意圖[12]

對于薄壁構(gòu)件，主要采用反擠壓與復(fù)合擠壓成形工藝。佘斌[13]開展了冷復(fù)合擠壓成形薄壁方錐形構(gòu)件的工藝試驗和數(shù)值模擬研究，分析了變形過程與材料流動規(guī)律，提出了設(shè)置減流槽和限流棱來限制金屬流動，進而抑制開裂的方法。許蘭貴[14]建立了變壁厚大錐度薄壁鋁罐反擠壓有限元模型，分析了反擠過程中的金屬流動規(guī)律，發(fā)現(xiàn)采用橢圓型過渡型面凹模對成形載荷和材料流動最優(yōu)。

當(dāng)成形具有帶筋構(gòu)件時，材料變形抗力增大、塑性降低，造成加載載荷過大，模具壽命低。研究人員采用熱擠壓解決這一問題。任杰[15]采用熱擠壓成形5A06鋁合金底座，通過優(yōu)化預(yù)成形坯料形狀，改善了坯料變形的均勻性，進而降低了成形載荷。同樣，賀晨晨等[16]開展了預(yù)成形+熱擠壓成形2A12鋁合金帶筋梯形件研究(見圖5)，通過有限元模擬分析了預(yù)壓下量、凸模型腔最低高度和凸模圓角半徑對筋部成形的影響規(guī)律。文獻[17]對5A06鋁合金帶筋盒體件熱擠壓工藝進行了優(yōu)化研究，采用預(yù)成形制坯使材料變形過程流動均勻，在終成形階段增大凸模筋部圓角半徑，防止產(chǎn)生折疊缺陷。秦高科[18]針對2A12鋁合金異形殼體溫擠壓成形工藝，分析了凸、凹模圓角和斜度等模具結(jié)構(gòu)參數(shù)以及成形溫度、設(shè)備速度、摩擦因數(shù)等工藝參數(shù)對預(yù)成形和終成形過程中的金屬流動影響規(guī)律，得到了優(yōu)化的模具結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)，并通過試驗獲得了成形質(zhì)量良好的擠壓件。

圖5 帶筋薄壁梯形件[16]

對于航空航天等領(lǐng)域截面復(fù)雜且較長縱筋的薄壁構(gòu)件，人們也采用型材擠壓制造。其成形原理與上述常規(guī)擠壓成形大體一致，通過擠壓力對擠壓筒內(nèi)的坯料進行擠壓，使其從特定尺寸的擠壓?？字袛D出，進而獲得型材構(gòu)件，如圖6所示。李大永等[19]采用數(shù)值模擬的手段，研究了鋁合金帶筋薄壁構(gòu)件(見圖7)的擠壓成形過程，通過細(xì)化網(wǎng)格獲得理想的模擬結(jié)果。在型材擠壓中，模具結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)與構(gòu)件成形質(zhì)量密切相關(guān)，F(xiàn)ang等[20]研究了復(fù)雜截面7075鋁合金型材擠壓過程，結(jié)合有限元模擬與試驗，分析了定徑區(qū)長度和擠壓速度對擠出溫度的影響規(guī)律。發(fā)現(xiàn)擠壓速度決定了型材的表面質(zhì)量，并且定徑區(qū)越長可以更好地散發(fā)擠出型材的熱量，進而提高型材尺寸精度。文獻[21]以帶筋壁板為研究對象，采用響應(yīng)面設(shè)計方法，建立了壁板擠壓中成形參數(shù)與評價指標(biāo)的響應(yīng)面模型，優(yōu)化成形參數(shù)，有效地降低擠壓能耗和提高構(gòu)件質(zhì)量。

圖6 型材擠壓示意圖

圖7 鋁合金型材產(chǎn)品與截面尺寸圖[19]

2.2.2 等溫鍛造成形

等溫鍛造成形作為一種近凈成形技術(shù)，將模具和坯料加熱至材料變形所需的最佳溫度，并以較低的應(yīng)變速率進行變形，保證了變形過程中坯料的溫度基本不變。該技術(shù)一般用于鎂合金、鈦合金等鍛造溫度范圍較窄的金屬。這類金屬對變形溫度較敏感，尤其成形薄壁帶筋、框架類構(gòu)件時，溫度急劇下降，變形抗力增大，塑性降低，因此采用常規(guī)鍛造工藝難以成形。等溫鍛造技術(shù)可以顯著改善這類合金的塑性和流動性，因而廣泛應(yīng)用于航空、航天領(lǐng)域難變形合金零件的制造。

在國外等溫鍛造領(lǐng)域，美國與俄羅斯處于領(lǐng)先地位，前者成功制造了Ti-6Al-6V-2Sn鈦合金飛機起落架前輪、Ti-6Al-4V鈦合金框架加強板、TAZ-8A高溫合金渦輪葉片、艙隔與軸承支座等[22]。俄羅斯利用等溫鍛造技術(shù)制造了伊爾76大型運輸飛機內(nèi)200多種型號的鈦合金構(gòu)件。對于高溫合金方面，俄羅斯研制出工作溫度達到1 150℃的特種高溫合金模具材料，并在此基礎(chǔ)上成形出大型高溫合金壓氣機盤、渦輪盤等溫鍛件[23]。印度國防冶金研究實驗室在20世紀(jì)90年代末，利用超塑性等溫鍛造技術(shù)生產(chǎn)了如圖8所示的LT26A鈦合金航空壓氣機葉輪[24]。

圖8 LT26A鈦合金葉輪超塑性等溫鍛件[24] 圖9 5A06鋁合金導(dǎo)彈連接框等溫鍛件[26]

國內(nèi)等溫鍛造技術(shù)也在航空航天應(yīng)用上取得了眾多突破。中國航天科工三院239廠[25]研究了坯料形狀對5A06鋁合金矩形截面筋板類導(dǎo)彈基座等溫成形的影響，設(shè)計了4個邊角處帶凸臺的矩形截面坯料，消除了成形過程中由于坯料邊角翹起而引發(fā)的折疊缺陷，并降低了成形載荷，鍛件成形良好。上述研究人員通過優(yōu)化坯料形狀尺寸，來合理分配鍛件不同位置的金屬流動量，進而獲得材料充填良好且無缺陷的鍛件。而合理工藝參數(shù)的選取和模具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，也會直接影響構(gòu)件的成形過程和成形質(zhì)量。王琪偉[26]研究了圖9所示的具有薄腹板大肋間距特征的5A06鋁合金導(dǎo)彈連接框兩步等溫鍛造工藝，分析了坯料形狀尺寸和預(yù)成形壓下量對鍛件充填質(zhì)量和肋部折疊的影響，確定了最利于充填的局部不隨形坯料形狀，并發(fā)現(xiàn)適當(dāng)增大預(yù)成形變形量，有利于消除終成形肋部內(nèi)側(cè)壁的折疊缺陷，也有利于難充填部位的成形。

Zhao等[27]研究了鍛造速度對7系鋁合金飛機支撐架等溫鍛造的影響，分別設(shè)計了均勻的鍛造速度(0.1 mm/s和0.01 mm/s)和1～0.01 mm/s的變速度方案。研究發(fā)現(xiàn)，采用變速度方案導(dǎo)致鍛件內(nèi)部會產(chǎn)生更多細(xì)小的亞晶粒，從而獲得更優(yōu)的力學(xué)性能。潘躍進等[28]采用等溫鍛造成形2024鋁合金高筋薄壁件，通過優(yōu)化模具圓角半徑和增加下壓道次，有效改善筋部的材料流動，滿足成形需求。李旭斌[29]研究了7A04鋁合金復(fù)雜筋板構(gòu)件等溫鍛造工藝，采用軸向分流成形方法，通過優(yōu)化預(yù)成形毛坯形狀尺寸，控制了材料的軸向分流，如圖10所示，分流面內(nèi)側(cè)材料沿軸向流動充填凸模型腔，外側(cè)材料沿凸模反向流動，進而提高了材料徑向流動性，降低了材料充填模具型腔的阻力。

圖10 軸向成形過程材料流動模型[27]

2.3 局部加載近凈塑性成形技術(shù)

局部加載是指在成形過程中僅向工件某個局部施加載荷，通過變換加載位置來完成整個工件成形的方法。由于模具和工件局部接觸，是一個逐步成形的過程，因而局部加載成形具有省力節(jié)能、設(shè)備噸位要求低、柔性好、材料利用率高等一系列技術(shù)優(yōu)勢，更重要的是局部加載技術(shù)還可有效拓展成形尺寸范圍。

2.3.1 等溫局部加載

等溫局部加載是將等溫成形和局部加載結(jié)合起來的成形制造技術(shù)。等溫成形通過減少模具激冷和局部過熱，使得成形過程中構(gòu)件變形均勻且成形載荷降低，同時對工藝參數(shù)(溫度、變形速率等)的優(yōu)化，可以獲得目標(biāo)組織的成形構(gòu)件。

在國外，美國懷曼·戈登公司一直在鈦合金大型鍛件成形制造領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，為了拓展現(xiàn)有設(shè)備成形鍛件的尺寸，提高大型航空鍛件的制造能力，對于非對稱零件開發(fā)了將整體下模分成多個模塊實現(xiàn)局部加載的工藝方案[30-31]。成形時其中一個模塊向上提升使其高于其他模塊，在該模塊下放置墊塊，整體上模壓下，如圖11所示，交替反復(fù)直至整體零件成形。同時，該公司研究人員還對墊塊厚度、模具運動控制等方面進行了細(xì)致的研究。

圖11 下模分區(qū)局部加載成形原理[30]

近年來我國的很多科研院所和企業(yè)也相繼開展了筋板件局部加載成形技術(shù)研究。哈爾濱工業(yè)大學(xué)呂炎等建立了局部加載成形初步的工藝?yán)碚?，并采用施加中間模板和墊板的局部加載方式開展了口蓋等筋板件的實際應(yīng)用研究[32-33]。郝南海等[34]利用等溫局部加載技術(shù)成形直升機鎂合金上機匣，該構(gòu)件存在高而窄的筋條，結(jié)合局部加載成功地解決了6條高筋和4個凸耳充填難及產(chǎn)生折疊缺陷的問題。

西北工業(yè)大學(xué)楊合基于控制不均勻變形以實現(xiàn)精確成形的理論，對鈦合金大型筋板類構(gòu)件等溫局部加載成形工藝進行了一系列基礎(chǔ)性研究工作。為便于等溫模鍛壓力機上的工藝實現(xiàn)，采用將整體上模分成多個模塊實現(xiàn)局部加載的工藝，如圖12所示[35]。在此基礎(chǔ)上，采用理論分析、試驗研究和有限元模擬相結(jié)合的方法，研究了T型筋板件等溫局部加載成形條件下的變形特征，揭示了局部加載條件下的材料流動特征、應(yīng)力場及應(yīng)變場分布、變形模式等[36]。此外，采用有限元數(shù)值模擬研究了帶縱橫筋的H型鈦合金構(gòu)件等厚坯料局部加載成形過渡區(qū)的變形行為[37-39]；并基于T型、H型特征結(jié)構(gòu)的有限元模型，建立了單面帶筋的大型構(gòu)件局部加載有限元模型[40]，發(fā)展了考慮雙面都帶有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的有限元模型[41]。還研究了加載方式、加載道次、模具分區(qū)對成形過程和成形質(zhì)量的影響，發(fā)現(xiàn)了局部加載易導(dǎo)致筋錯移和鼓包等缺陷，通過坯料設(shè)計和模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化減少或避免了這些缺陷[42-44]。同時開展了制坯工藝研究，采用局部加載和軟包套胎模鍛相結(jié)合的方法實現(xiàn)從鈦合金棒材到大型非對稱坯料的制造[45]，并通過對制坯工藝參數(shù)的優(yōu)化控制，獲得了尺寸滿足要求的內(nèi)部組織均勻的坯料[46]。除了上述宏觀方面研究，還系統(tǒng)地研究了局部加載條件下的鈦合金組織演變機制和規(guī)律[47-50]。

圖12 局部加載過程示意圖[35]

2.3.2 軋制成形

傳統(tǒng)的軋制工藝已經(jīng)不能滿足筋板類構(gòu)件的成形需求，因此，研究人員開發(fā)新的軋制工藝技術(shù)以生產(chǎn)各種筋板類構(gòu)件。在國外，Kopp等[51]開發(fā)了一種新的軋制工藝，可成形橫向變厚度截面的冷軋帶鋼，截面厚度差可達到50%。Ryabkov等[52]提出柔性軋制與型輥軋制相結(jié)合的3D軋制方法。在國內(nèi)，針對筋板類構(gòu)件的軋制工藝，姜正義等[53]開展了帶縱筋板軋制過程的理論與三維有限元模擬研究。而針對該類構(gòu)件縱筋成形形狀和尺寸精度不高的問題，武漢理工大學(xué)毛華杰等[54]提出采用2道次軋制工藝成形帶縱筋壁板，并表明通過改變不同道次軋輥型面(見圖13)，能夠有效地促進金屬向型槽內(nèi)流動，進而提高凸筋高度。

圖13 不同道次的輥型結(jié)構(gòu)和成形板材示意圖[54]

對于帶網(wǎng)格筋結(jié)構(gòu)的整體筋板構(gòu)件，重慶大學(xué)溫彤提出了一種帶變厚度特征板殼件的輥軋成形方法[55]。其原理如圖14a)所示，即基于旋轉(zhuǎn)模具“局部加載、連續(xù)成形”的原理，將平板坯料通過一對旋轉(zhuǎn)軋輥的間隙，利用輥模型槽的碾壓，使其發(fā)生塑性變形，進而獲得局部凸起和凹陷結(jié)構(gòu)的筋板類構(gòu)件。胡金等[56]通過有限元模擬，研究了摩擦因子、型槽過渡圓角半徑和軋輥直徑對構(gòu)件輥軋成形筋高的影響顯著性，并通過輥軋成形試驗裝置(見圖14b))進行了物理試驗驗證。與整體成形技術(shù)相比，該工藝能夠大幅度降低成形載荷，并有利于成形件流線的良好分布；相比不連續(xù)局部加載，能夠明顯提高生產(chǎn)效率。

圖14 帶網(wǎng)格筋構(gòu)件輥軋成形

2.3.3 擺輾成形

擺輾作為一種局部塑性成形技術(shù)，它通過錐形擺頭搖擺運動將傳統(tǒng)鍛造中的整體變形分解為連續(xù)的小變形，使構(gòu)件產(chǎn)生連續(xù)局部塑性變形，其原理如圖15所示。擺輾成形不僅具有材料利用率高、鍛件尺寸一致性好的優(yōu)點，而且其成形載荷低、變形均勻，特別適合于成形復(fù)雜薄壁類構(gòu)件。

圖15 擺輾成形原理圖

王丹晨等[57]通過試驗研究了擺輾成形對車輪輪輻性能的影響(見圖16)，觀察了輪輻處微觀組織，并與閉式模鍛工藝進行了對比，發(fā)現(xiàn)2種方法均可細(xì)化晶粒，但是擺輾成形載荷僅有350 t，是閉式模鍛成形載荷的近1/20。近年來，武漢理工大學(xué)韓星會等[58]研究了非回轉(zhuǎn)零件冷擺輾的工藝設(shè)計和控制方法，提出了利用模具運動方程精確建立非回轉(zhuǎn)體擺頭的設(shè)計方法；開展上模任意點的運動軌跡計算、上模與零件上輪廓之間的干涉判斷研究；優(yōu)化了工藝參數(shù)，實現(xiàn)對金屬流動和零件精度的控制。同時，該校馮馳駟[59]將擺輾成形與齒輪包絡(luò)原理相結(jié)合，提出了空間包絡(luò)成形新原理，實現(xiàn)帶網(wǎng)格筋壁板的連續(xù)局部加載成形(見圖17)，證明了擺輾工藝成形薄壁復(fù)雜零件的巨大潛力。

圖16 成形示意圖[57]

圖17 擺輾成形模具及薄壁網(wǎng)格筋構(gòu)件[59]

2.4 工藝對比分析

總結(jié)傳統(tǒng)制造技術(shù)、整體加載近凈塑性成形技術(shù)和局部加載近凈塑性成形技術(shù)3類筋板類構(gòu)件制造技術(shù)如表1所示。

表1 筋板類構(gòu)件成形制造工藝

從表中可以看出，大部分技術(shù)主要應(yīng)用于航空航天和武器裝備領(lǐng)域，而軋制成形多應(yīng)用于汽車、船舶、鐵路等領(lǐng)域。即使有些成形技術(shù)可應(yīng)用于同一領(lǐng)域，但是其技術(shù)特色與構(gòu)件性能也表現(xiàn)出不同。其中，傳統(tǒng)制造技術(shù)均可以制造異型截面筋結(jié)構(gòu)，但機械加工導(dǎo)致筋部位置的金屬流線被切割，精密鑄造構(gòu)件缺少塑性變形強化，易造成內(nèi)部晶粒組織粗大，故上述加工方法主要適用于使用性能要求不高的筋板類構(gòu)件。在整體加載近凈塑性成形技術(shù)中，擠壓成形和等溫鍛造僅能成形規(guī)則形狀的截面筋結(jié)構(gòu)，雖然等溫鍛造能夠有效地降低材料的變形抗力，提高材料的塑性，但對設(shè)備總體載荷仍然要求較高。局部加載近凈塑性成形技術(shù)可以有效地解決高強度材料筋板類構(gòu)件的成形問題。等溫局部加載中的變形溫度及變形速度等工藝參數(shù)可控性強，如果控制得當(dāng)，有利于調(diào)控構(gòu)件的不均勻變形，提升其組織性能和成形質(zhì)量；擺輾成形特別適合高徑比大的構(gòu)件；而軋制工藝還可成形橫向變截面厚度板材。在構(gòu)件性能方面，局部加載近凈塑性成形技術(shù)可以使構(gòu)件變形更加均勻，成形后的微觀組織和機械性能也可能更為理想。

3 筋筒/環(huán)類構(gòu)件制造技術(shù)

目前，對于工業(yè)用的帶筋薄壁筒/環(huán)類構(gòu)件的成形，仍然常采用傳統(tǒng)機械銑等純機加或分塊成形蒙皮和桁條、隔框、型材等部塊再鉚接/焊接的組裝制造方法。其中，機械銑等純機加雖然通過減材實現(xiàn)整體成形，但其加工周期長、材料利用率低，并且會切斷金屬流線產(chǎn)生復(fù)雜殘余應(yīng)力，導(dǎo)致形狀畸變與微裂紋，進而影響構(gòu)件服役性能。而分塊成形+鉚/焊接的組裝制造方法非整體制造，還帶來鉚釘/焊縫的無效增重和局部應(yīng)力集中導(dǎo)致的服役隱患，且仍然存在工序多、流程長等問題。因此，下面不再對筋筒/環(huán)類構(gòu)件的傳統(tǒng)制造技術(shù)進行論述。

近年來，隨著飛行器、武器裝備等整體性能要求不斷提升，筋筒/環(huán)類構(gòu)件作為主要受力構(gòu)件，國內(nèi)外學(xué)者對其成形新方法進行了相關(guān)研究。從成形方法加載形式來看，主要分為整體加載和局部加載。整體加載工藝主要有擠壓成形，而局部加載工藝有旋壓成形、包絡(luò)成形等。下面將對這3種成形工藝進行綜述。

3.1 擠壓成形

對于筋筒/環(huán)類構(gòu)件擠壓，研究人員主要基于2.2.1小節(jié)簡述的常規(guī)擠壓成形原理，通過設(shè)計不同模具的結(jié)構(gòu)和型面尺寸，再配合壓力機載荷作用，使金屬材料在模具型腔產(chǎn)生流動，發(fā)展出了多種帶筋薄壁筒/環(huán)件擠壓成形工藝。武漢理工大學(xué)韓星會提出了單向或雙向軸向閉式擠壓整體加載網(wǎng)格筋環(huán)件成形工藝[60]，設(shè)計了分塊式圓弧型槽模具(見圖18)，通過有限元模擬優(yōu)化了模具結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)。該工藝主要是通過減小環(huán)件高度來實現(xiàn)筋部充填。

圖18 軸向閉式擠壓成形帶網(wǎng)格筋構(gòu)件[60]

中北大學(xué)張治民課題組采用復(fù)合擠壓成形帶縱筋筒形件，并通過數(shù)值模擬分析了成形過程中材料流動規(guī)律和成形力的變化。他們還針對橫內(nèi)筋結(jié)構(gòu)的脫模問題，設(shè)計了基于組合式凸模結(jié)構(gòu)(見圖19)的軸向加載徑向擠壓成形帶縱橫筋筒形件工藝，研究了擠壓速度、型槽圓角半徑和壁部斜度對模具壽命和構(gòu)件成形精度的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)圓角半徑為3 mm、壁部斜度為3°適于橫縱筋充填，而擠壓速度變化過大是導(dǎo)致模具壽命降低的主要因素。對于不同的內(nèi)筋結(jié)構(gòu)形式，需要設(shè)計不同型面尺寸的組合凸模，導(dǎo)致其制造成本和維修情況難以滿足生產(chǎn)需求。因此，該課題組基于環(huán)類構(gòu)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計，提出一種旋轉(zhuǎn)擠壓成形工藝(見圖20)[62-63]。其原理為：通過芯模帶動坯料同時轉(zhuǎn)動，在施加軸向載荷下，漸開式組合凸模徑向擠壓成形內(nèi)筋環(huán)件。

圖19 軸向加載徑向擠壓成形[61]

圖20 旋轉(zhuǎn)擠壓成形示意圖[63]

Wang等[64]結(jié)合材料剪切變形模式，提出了一種筒形件凸臺成形方法，如圖21所示，采用壓頭對筒坯外側(cè)邊緣進行擠壓，材料通過剪切變形沉積并最終擠壓成形凸臺。Alves等[65-66]也提出通過壓頭沿縱向?qū)Νh(huán)坯壁厚上進行局部壓縮，獲得薄壁環(huán)形法蘭(法蘭凸起結(jié)構(gòu)可以視為筋部)。結(jié)合有限元和成形試驗，研究了環(huán)坯凸起結(jié)構(gòu)材料堆積的規(guī)律和變形機制，發(fā)現(xiàn)上下模同時擠壓材料，更有利于材料的徑向充填。

圖21 旋轉(zhuǎn)擠壓成形示意圖[64]

雖然上述幾種擠壓工藝均能夠?qū)崿F(xiàn)筋筒/環(huán)類構(gòu)件成形，但其難以成形異型筋構(gòu)件。在2.2.1小節(jié)提到的型材擠壓可滿足異型筋筒形件成形需求。我國研究人員已通過型材擠壓整體成形高強鋁合金帶筋筒形件，其壁厚1.5 mm，筋高達到43 mm[67]。Qian等[68]以帶I型縱筋薄壁6061鋁合金構(gòu)件為研究對象(見圖22a))，結(jié)合有限元模擬與擠壓試驗，分析了擠壓成形過程材料流動規(guī)律，發(fā)現(xiàn)材料流動不均勻是筋部位置(壁厚僅有5 mm，如圖22b)所示)產(chǎn)生成形缺陷的主要原因，通過增大分流孔面積和設(shè)置阻流塊改善了金屬流動均勻性。該工藝通過分流焊合(見圖22c))，適合異型筋結(jié)構(gòu)成形，但其整體加載方式的大成形載荷限制了其在大直徑薄壁筒成形中的應(yīng)用。

圖22 帶I型縱筋薄壁構(gòu)件擠壓成形[65]

3.2 旋壓成形

旋壓作為一種先進的點加載塑性成形技術(shù)，具有柔性高、成形載荷小和設(shè)備簡單等優(yōu)勢，能更好地滿足高端裝備制造領(lǐng)域?qū)Τ尚螛?gòu)件尺寸、性能的嚴(yán)苛要求，在航空航天、武器裝備等精密制造中滿足帶筋構(gòu)件的高性能制造需求[69-70]。根據(jù)美國宇航局報道，對于火箭外部燃料儲箱大小的帶筋構(gòu)件，采用旋壓成形可將材料切削量從90%減少到5%，每個零件節(jié)省約800萬美元。目前，帶筋薄壁筒形件的旋壓成形已受到各國的廣泛關(guān)注，歐洲宇航局與洛克希德馬丁等合作，通過流動旋壓成形出500 mm直徑的帶縱筋筒形件，并計劃通過該工藝來成形火箭用帶筋燃料儲箱和分級連接構(gòu)件，以降低零件質(zhì)量和加工成本，減少材料和能源消耗，提高加工效率。

帶筋薄壁筒形件旋壓工藝是在流動旋壓的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種加工方法，其主要特點是芯模上開設(shè)有與筒形件筋部形狀相匹配的筋槽，通過旋輪的連續(xù)局部加載作用使得坯料在筋槽處沿徑向充填形成凸起的內(nèi)筋結(jié)構(gòu)。依據(jù)筋部的結(jié)構(gòu)特征，主要分為縱向筋、橫向筋、縱橫交叉筋以及螺旋交叉筋4種典型內(nèi)筋結(jié)構(gòu)。根據(jù)帶筋筒形件旋壓成形特征，可將其分為流動旋壓、滾珠旋壓與錯距旋壓3種形式，如圖23所示。

圖23 帶筋筒形件的3種旋壓方法

流動旋壓成形如圖23a)所示，坯料隨芯模轉(zhuǎn)動，在旋輪點局部加載作用下，材料沿徑向流動充填至芯模型槽形成內(nèi)筋。而滾珠旋壓是通過滾珠連續(xù)的多點局部加載成形(見圖23b))，其變形區(qū)域小，且滾珠承受的變形力小，因此變形區(qū)承受較高的三向壓應(yīng)力狀態(tài)。錯距旋壓通常采用多旋輪加載形式，但旋輪的加載分配量在徑向和軸向方向均有一定的錯開量，如圖23c)所示。

目前，國內(nèi)外學(xué)者針對帶筋薄壁環(huán)/筒類構(gòu)件旋壓已做了大量的研究，主要采用工藝試驗與有限元軟件相結(jié)合的方法，通過優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)，實現(xiàn)該類構(gòu)件的旋壓成形。毛華杰等[71]提出了適合帶縱筋薄壁筒形件的滾珠局部擠壓預(yù)成形筋+滾珠旋壓的復(fù)合流動成形工藝，其中預(yù)成形為金屬在后續(xù)滾珠旋壓過程中的流動提供了有利條件，改善了筋條成形效果。Xu等[72]采用多道次錯距旋壓成形內(nèi)齒圓柱齒輪，通過有限元模擬發(fā)現(xiàn)內(nèi)齒型腔在三旋輪的軸向擠壓和環(huán)向軋制作用下，由金屬的軸向流動和切向流動共同填充；并且第一道次預(yù)制件錐形截面壁厚的增加導(dǎo)致第二道次內(nèi)齒腔的填充，內(nèi)齒從外表面到內(nèi)表面、從齒根到齒頂都存在應(yīng)變梯度。馬飛等[73-74]設(shè)計了一種分瓣芯模(見圖24)，通過旋壓成形橫向內(nèi)筋錐形件，發(fā)現(xiàn)了不飽滿充填、飽滿充填和不穩(wěn)定充填3種塑性變形行為，并指出其成因主要是工藝參數(shù)導(dǎo)致材料變形狀態(tài)的差異。

圖24 新型芯模示意圖[73]

Zeng等[75]設(shè)計了流動旋壓成形帶縱橫交叉內(nèi)筋筒形件的組合式分瓣芯模(見圖25)，并結(jié)合有限元模擬和工藝試驗，研究了工藝參數(shù)對筋高的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)壁厚減薄率和旋輪進給比是2個最重要的工藝參數(shù)。針對帶螺旋交叉內(nèi)筋筒形件流動旋壓成形，Lü等[76]研究發(fā)現(xiàn)，由于螺旋交叉內(nèi)筋幾何結(jié)構(gòu)特征存在不同的螺旋方向，導(dǎo)致型槽內(nèi)材料充填出現(xiàn)不同的組合：在交叉內(nèi)筋前后，同向筋充填模式為類型1-類型2-類型1；而反向筋充填模式為類型3-類型4-類型3(見圖26)。這種周期性的充填模式，導(dǎo)致筒形件的內(nèi)筋高度沿軸向出現(xiàn)不同變化。朱寶行[77]通過流動旋壓成形帶網(wǎng)格內(nèi)筋筒形件，發(fā)現(xiàn)旋壓成形時工件的內(nèi)筋充填高度不足，因而提出在工件自由端增設(shè)O形硅膠圈約束材料軸向流動的方案，并通過試驗和仿真研究定量對比了改進后的內(nèi)筋成形高度，發(fā)現(xiàn)硅膠圈能夠較大程度上增加材料在筋槽處的徑向充填，從而提高內(nèi)筋成形高度。樊曉光等[78]基于筒形件旋壓工藝，提出了一種環(huán)形外筋筒形件剪切成形方法。采用環(huán)向模具對筒坯徑向約束，通過剪切旋輪的剪切工作面與筒形件坯料之間呈裝配面方式接觸，將筒坯剪切旋壓直至形成環(huán)形外筋，如圖27所示。

圖25 帶縱橫內(nèi)筋筒形件流動旋壓[75] 圖26 4種典型筋部充填模式[76]

圖27 環(huán)形外筋筒形件剪切成形示意圖[78]

3.3 包絡(luò)成形

基于2.3.3小節(jié)擺輾成形的原理，韓星會結(jié)合齒輪包絡(luò)原理，提出了制備薄壁高筋筒形件的包絡(luò)輾壓成形方法[79]，其成形原理示意圖如圖28所示。成形初期，將坯料放在約束輥內(nèi)，其外壁緊貼套筒，并且包絡(luò)輥緊貼坯料。約束輥帶動坯料繞自身軸線以轉(zhuǎn)速ω1轉(zhuǎn)動，包絡(luò)輥繞自身軸線以轉(zhuǎn)速ω2轉(zhuǎn)動，同時沿徑向以速度v進給輾壓坯料。在約束輥與包絡(luò)輥的共同作用下，包絡(luò)輥和坯料作包絡(luò)運動(類似一對齒輪嚙合和齒輪包絡(luò))，坯料內(nèi)壁產(chǎn)生局部塑性變形，直到內(nèi)筋被包絡(luò)輥完全包絡(luò)成形。

圖28 帶網(wǎng)格內(nèi)筋薄壁筒形件的徑向包絡(luò)成形原理圖[79]

針對這種成形新方法，彭露[80]不僅建立了幾何學(xué)、運動學(xué)和力學(xué)模型，設(shè)計了成形用模具；還對包絡(luò)成形過程中內(nèi)筋的填充、應(yīng)力應(yīng)變的分布，金屬流動以及成形載荷的變化規(guī)律進行分析。該工藝為制造薄壁高筋筒形構(gòu)件提出了新的解決方法，但上述試驗所用材料為塑性泥材料，后續(xù)仍需應(yīng)用于鋁合金等高強材料。

3.4 工藝對比分析

從上述筋筒/環(huán)件塑性成形工藝的加載方式來看，基于擠壓原理發(fā)展的相關(guān)工藝都是整體加載，包絡(luò)和旋壓相關(guān)的都是局部加載。從技術(shù)來看各有特色，并已在不同帶筋構(gòu)件成形中得到應(yīng)用，如表2所示。其中擠壓相關(guān)工藝主要用于成形厚壁筒形件，這是因為整體加載方式限制了其拓展應(yīng)用于大直徑薄壁筒成形的能力，但是型材擠壓實現(xiàn)了縱向帶I型異型截面筋的筒形件成形，因此其具有拓展應(yīng)用于異型筋筒成形的潛力。在局部加載方式中，流動旋壓與剪切成形因其載荷小、柔性高等優(yōu)勢，適用于大直徑薄壁筒形件成形，但內(nèi)筋結(jié)構(gòu)均局限于矩形、梯形等較簡單的規(guī)則截面筋結(jié)構(gòu)，還難以拓展應(yīng)用于異型截面筋復(fù)雜結(jié)構(gòu)的成形。因此，仍需發(fā)展適合大直徑薄壁異型筋筒成形的新工藝。

表2 筋筒/環(huán)件塑性成形工藝匯總

4 發(fā)展趨勢與挑戰(zhàn)

隨著航空航天等高端裝備的快速發(fā)展，關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件高性能、高可靠、輕量化和高功效的需求，促進了帶筋薄壁構(gòu)件成形制造技術(shù)的進步，并使其得到了廣泛應(yīng)用。由于帶筋薄壁構(gòu)件種類眾多，形狀、尺寸各異，以及采用輕質(zhì)高強材料和未來對該類構(gòu)件提出大型化和整體化的發(fā)展需求，使帶筋薄壁構(gòu)件成形制造技術(shù)仍然有很大的發(fā)展空間和挑戰(zhàn)。今后，帶筋薄壁構(gòu)件制造成形領(lǐng)域的發(fā)展與挑戰(zhàn)可能包含以下方面：

1) 針對構(gòu)件極端尺寸(大型、薄壁)和局部極端復(fù)雜結(jié)構(gòu)(異型截面筋)的跨尺度復(fù)合構(gòu)件，需要發(fā)展新的成形制造原理與方法，解決我國高端裝備研制的“卡脖子”問題。

2) 對于單個成形技術(shù)存在尺寸、成本等問題，采用多工藝、多能場(力、熱、電、磁、聲等)復(fù)合的成形技術(shù)是突破難變形材料及結(jié)構(gòu)成形極限，提升帶筋薄壁構(gòu)件成形制造水平的重要發(fā)展方向。

3) 結(jié)合數(shù)字化智能化技術(shù)，將其應(yīng)用到帶筋薄壁構(gòu)件的成形制造過程，建立數(shù)字化模型、多尺度間數(shù)據(jù)傳遞以及多能場作用下的組織演化與結(jié)構(gòu)變形的調(diào)控，從而實現(xiàn)帶筋薄壁構(gòu)件精確、高效和高品質(zhì)制造的數(shù)字化成形技術(shù)。

4) 成形制造過程中，通過物理信息系統(tǒng)的融合，使成形裝備具有面向工況的智能決策與加工過程的自適應(yīng)調(diào)控能力，從而保障成形過程產(chǎn)品質(zhì)量和精度，也能實現(xiàn)能源與材料優(yōu)化利用，解決行業(yè)節(jié)能降耗的迫切需求。

5 結(jié) 語

針對帶筋薄壁構(gòu)件類型分為筋板構(gòu)件和筋筒/環(huán)構(gòu)件，在此基礎(chǔ)上首先綜述了2類構(gòu)件各成形制造技術(shù)的研究進展。對于筋板構(gòu)件，主要分析和對比了傳統(tǒng)制造技術(shù)、整體加載近凈塑性成形技術(shù)和局部加載近凈塑性成形技術(shù)的成形特點和構(gòu)件性能；對于筋筒/環(huán)構(gòu)件，綜述了擠壓、旋壓和包絡(luò)的技術(shù)特色和應(yīng)用情況，進一步分析了其在大直徑薄壁異型筋筒成形上的拓展?jié)摿?。最后探討了帶筋薄壁?gòu)件成形技術(shù)在未來的發(fā)展趨勢與面臨的挑戰(zhàn)。