第1章 绪 论
1.1 塑性成形的含义及发展
金属塑性成形技术是人类历史上*为久远的制造技术之一，直至信息时代，它仍是制造金属零件的基本方式之一[1~5]。塑性成形技术主要是通过施加力场，或同时辅以温度场、磁力场等能量场使材料发生塑性变形实现体积转移，在合适的成形方式和成形条件下，可以实现少无切削甚至近净、精确成形，并且能够使材料的组织和性能得到改善和提高，从而获得形状、尺寸和性能都满足要求的高性能零件，是支撑国民经济发展与国防建设的主要技术之一。塑性成形过程中对金属材料施加力场和做功，金属材料承受很大压力，做功功率很大，因此也称为压力加工。
弹性、塑性、黏性是材料的三种基本理想性质。塑性是指材料在外力作用下发生永久不能恢复的变形而不破坏其完整性的能力。塑性变形的前提条件是材料的塑性，而材料的塑性由内部条件和外部条件共同决定。内部条件主要是金属材料自身的化学成分、组织状态、晶体结构等，外部条件主要是成形温度、变形速率、应力状态等。即使为脆性材料的大理石，在适当的三向压应力状态下也会发生塑性变形。
与金属3D打印增材成形、切削加工的减材成形不同，塑性成形理论上为等材成形，相对于切削加工，塑性成形高效节材，某些零件可节材75%以上。塑性成形过程不存在连续冶金过程，也没有金属纤维被切断的现象，塑性成形零件具有完整的金属流线，并沿零件外形分布，零件的力学性能可得到有效提升。75%以上的金属材料，特别是90%以上的铸钢，要经过塑性变形成为零件或下一工序的坯料[4，6，7]。航空航天飞行器中的关键承力部件都需要经过一定的塑性变形。
从材料工艺形态学视角出发，凝固成形、塑性成形、焊接成形、切削加工等机械制造过程包含材料、能量和信息三个基本流程[8]。零件信息一般包括形状信息和性能信息两个方面，材料加工过程就是借助能量流程把信息流程施加于材料流程的过程。例如，塑性成形中形状的变化就是借助一定的运动(模具和工件之间的相对运动)将模具所包含的形状信息施加于加工材料。模具所包含的零件形状信息量越少，相对运动对零件形状变化所起的作用越大，如单点渐进成形，工具头所包含的形状信息量很少，模具和工件之间的相对运动十分复杂。如图1.1所示，非对称截锥零件的单点渐进成形过程工具头运动轨迹异常复杂[9]。反之，模具所包含的零件形状信息量越多，相对运动对零件形状变化所起的作用越小，如闭式模锻，模具几乎包含了所有形状信息，因此相对运动就很简单。这一过程中运动与能量的施加是通过成形设备实现的，不同类型的设备，施加能量与运动的介质和方式也是不同的。金属塑性成形设备施加能量或力的介质主要有机械、液体、气体等；金属焊接设备产生热量的方式主要有电路短路热量、焦耳热、摩擦热等；金属铸造成形设备产生质量力的方式主要有重力、离心力、流体压力等。
图1.1 单点渐进成形工具轨迹及成形零件[9]
*终零件信息(形状信息和性能信息)等于工件/坯料的初始信息与成形过程所施加的信息变化之和。可将成形过程的概念外延，向后可包括机加工、热处理工艺，向前可包括制坯工艺，乃至追溯至冶金过程，从而可涵盖全制造过程。零件的形状信息由模具形状及模具和工件间相对运动决定，然而性能变化更加复杂。组织性能变化不仅与材料自身属性密切相关，也和塑性成形条件密切相关，并且组织形态的变化将影响材料流变行为，进而也会影响塑性变形特征。
塑性成形技术不断追求成形成性一体化调控，然而*终零件信息是复杂塑性变形、非线性变化的几何形状、组织形态演变及外部施加的力场、温度场、磁力场等能量场相互耦合作用下的综合结果。虽然基于数字图像相关(digital image correlation， DIC)技术的动态变形测量分析系统及集成材料拉伸试验和显微成像仪器的原位测试系统在小规格试样的变形及组织演化研究中有所应用，但是*终零件信息(特别是性能信息及成形过程的性能演变)对成形过程中工艺参数、几何参数、材料参数以及多参数之间的相互耦合作用十分敏感。绝大多数用于塑性成形的材料内部无法直接观测，并且由于模具及施加力场、温度场、磁力场等能量场装备的遮挡，以及这些能量场(如高温)对成像技术的影响，对塑性成形过程形状、性能(组织形态)的直接观察极难实现，尚难以建立有效的直接观察方法用以深入研究。基于解析法(理论分析)、数值法(计算机仿真)、反复试验的研究方法对高度非线性、多场多参数影响的复杂塑性成形工艺研发极具挑战性。
金属塑性成形技术是人类历史上*为久远的制造技术之一，人类使用金属塑性成形方法可追溯至6000年前[10]。人类首次接触的金属材料是材质较软的天然金属，如紫铜(红铜)，通过锤击天然金属获得相应金属制品。齐家文化从新石器时代晚期至青铜时代早期延续数百年，皇娘娘台遗址是齐家文化重要遗址之一。皇娘娘台遗址出土的铜刀(图1.2)、锥、鏧等纯铜制品具有明显的锤击痕迹[11]。而在新石器时代四坝文化的东灰山遗址竟发现青铜合金热锻成形制品[12]。
图1.2 皇娘娘台遗址出土的铜刀[11]
“工欲善其事，必先利其器”。从人力直接捶打(图1.3(a))逐渐发展为人力、畜力、水力通过一定的机械装置举起重锤锻打工件(图1.3(b))，锻压设备开始出现。随着蒸汽机商业化，第一次工业革命袭来，机械生产代替手工生产，经济社会从农业、手工业为基础转型到以工业及机械制造带动经济发展的模式，对更大锻件的需求也增加了。1842年，英国内史密斯(James Nasmyth)设计制造了第一台蒸汽锤，开始锻压设备动力源的革新历程(图1.3(c))。19世纪末出现了以电为动力的机械压力机(图1.3(d))和空气锤，工业2.0时代动力源以交流异步电机驱动为特征，进入电气一代。随着塑性成形工艺的不断发展革新，对锻压设备的速度、精度、可控性提出了更高要求，伺服电机成为锻压设备动力源，迈入数控一代。正在进行的新一代工业变革中，锻压设备向着柔性可控、全生命周期内机电软一体化发展，分散多动力、全电伺服等新技术构建高性能、智能化锻压设备为目前的发展趋势。图1.3(e)为西安交通大学研发的全电伺服分散动力对轮数控旋压设备，其柔性高、可控性强。该设备支持普旋和强旋，可通过控制各旋轮轴的运动，完成各种具有沟槽等复杂曲面的旋压加工。
图1.3 塑性成形工具/装备的发展
成形装备所提供的有效载荷、有效能量、有效功率必须满足成形工艺的要求，才能实现成形工艺规定获得预期的变形。随着大尺寸构件、高变形抗力材料不断应用，锻压设备吨位不增加。早在1795年英国布拉默(J. Joseph Bramah)就已经发明液压机(水压机)，但直到半个世纪后由于大锻件的需要，液压机才应用于锻造。1893年，首台126MN液压机(水压机)问世，标志着锻压设备迈入“万吨级”时代，在第二次世界大战中万吨级重型锻压装备得到迅猛发展，第二次世界大战结束后更是不断升级。苏联在20世纪50年代末60年代初先后建成2台7.5万t重型模锻液压机，锻压装备吨位达到顶峰，直到50余年后，我国8万t重型模锻液压机投入使用，再次推高了重型装备吨位。然而，在20世纪70年代中期以后，西方国家就几乎停止建造此等规模的重型模锻液压机，虽然进入21世纪后面对新的制造挑战，美国、法国等西方国家又开始建造重型模锻液压机，但吨位均在4万t左右。美国在4.5万t液压机上成形出投影面积5.16m2的F-22战斗机发动机舱用整体隔框锻件，而我国在8万t液压机上成形出类似构件的投影面积也仅稍大于5.16m2，设备使用潜力有待进一步挖掘。通过工艺优化控制与新工艺的创新发展的技术路线已成为实现难变形材料、大型复杂锻件精确塑性成形的途径。例如，通过全过程工艺路径优化与工艺装备智能化控制以及新型省力新工艺优化设计、新型装备原理及研制，以解决目前存在的工艺路径不佳、过程控制困难、装备使用不足、成本高、能耗大等问题，如图1.4所示。张大伟等[13~16]开展大型复杂构件局部加载专用设备研发工作，提出一种能快速稳定实现局部加载的液压机液压系统及其伺服控制系统，实现加载区连续变换以及加载区主液压系统和未加载区液压系统功能变换，一火加热中快速实现多道次、多局部加载步成形，研制了10t级低功耗多道次局部加载液压机实验室样机，并具有完全自主知识产权。所研制的实验室试验样机实现多道次、每道次两局部加载步的省力成形，提供10t成形载荷与2t约束载荷，可以成形整体加载条件下所需成形载荷为20t的锻件，与同等成形能力整体加载传统液压系统相比，其液压系统所需功率减小了约60%。其用于现有大中型锻压装备(5000～20000t)技术改造升级，可极大拓展设备成形能力，盘活现有设备，与适当的工艺控制相配合可实现目标零件形性调控，并有效降低设备投资和使用成本，降低单产能耗。
图1.4 大型复杂锻件精确成形实施途径
零件结构设计的终点是塑性成形的起点，而成形设备是成形工艺的载体，借助成形设备将工艺和模具信息施加于材料以获得满足或接近设计要求的零件结构，如图1.5(a)所示。材料-工艺-设备一体化是锻压设备有别于其他机械设备的显著特点[17]。
图1.5 结构-材料-工艺(模具)-设备关联关系
Zhao[18]在2009年尝试探索结构设计与制造一体化，并应用于新型电梯轿顶轮设计与制造。林忠钦[19]在2019年第十六届全国塑性工程学术年会大会主旨报告中指出材料-结构一体化是材料多样化、结构整体化、性能高要求下满足和提高服役性能的重要途径，而设计与制造一体化是现实材料-结构一体化的重要手段。正在进行的新一代工业变革中“结构-材料-工艺(模具)-设备”制造流程的进一步融合是必然趋势，相互之间的关联关系更加密切，如图1.5(b)所示。高效智能结构-材料-工艺(模具)-设备一体化是减少设计性能和制造性能之间差异的重要途径，工艺智能化是设计制造全流程一体化进程中承前启后的必要桥梁，也是智能制造不可或缺的重要环节。
塑性变形技术涉及的核心问题和研究内容有：①塑性变形的物理本质和机理；②塑性变形过程金属的塑性行为、抗力行为和组织性能的变化规律；③弹性与塑性变形体内部的应力、应变分布和质点流动的规律；④塑性变形所需的变形力及变形功的正确计算；⑤工艺及模具设计；⑥塑性成形设备的正确选择。前4项内容是后2项的基础，后2项内容是前4项的约束条件，对其有密切影响。
解析法、试验法是研究和发展塑性成形技术的重要手段，如塑性变形的物理本质和机理研究离不开先进的试验方法和表征技术。然而，对于实际工程问题，解析法难以描述复杂的三维问题，而试验法也面临费用高、周期长、参数难测量等问题，难以进行系统性和深入性研究。而数值模拟技术可以准确描述材料性能和变形行为，以获得更精确的结果，还可以获取成形过程详细的场变量信息[20，21]。因此，解析模型多用于指导数值分析和试验，试验研究用于评估验证解析模型、数值仿真模型，以数值仿真方法为主探讨成形机理，进行工艺优化设计，三者相辅相成、不可或缺。
制造工艺建模仿真技术的发展促进了设计与制造一体化的进一步发展[19]，多场耦合全过程多尺度建模仿真、数字化、智能化是推进先进塑性成形理论与技术发展的主要研究方法[4]，塑性成形过程的建模仿真技术的集成化、智能化是实现工艺智能化的重要基础与途径。金属塑性成形过程的建模与仿真在智能制造进程和新一代工业变革中占有一席之地，是重要的关键环节。
1.2 塑性成形工艺分类
根据不同的分类方法，可将金属塑性成形工艺进行分类，但目前尚无统一的分类方法，特别是在塑性成形技术日新月异、新工艺层出不穷的情况下。根据成形温度，塑性成形可分为热成形、温成形、冷成形。按工业领域分，可分为机械制造工业领域的成形技术，如冲压；冶金工业领域的成形技术，如型材轧制。一般按照金属塑性成形的特点，可分为体积成形和板材成形两大类。每类又包括多种加工方法，形成各自的工艺领域。一
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