帶筋薄壁構件成形制造技術的發展與展望

雷煜東, 詹梅, 樊曉光, 張媛琦, 牛浩通, 白丹妮, 高鵬飛, 鄭澤邦

(西北工業大學 材料學院, 陜西 西安 710072)

重型運載火箭、戰略導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略制高點，是國家科技水平和軍事實力的重要標志。這些高端裝備的快速發展，要求大運力、遠射程、低能耗、長壽命，這就要求其關鍵構件高性能、高可靠和輕質化。因此，采用輕質高強材料和大型、薄壁、整體化的復雜結構成為必然的選擇。為了滿足上述需求，在保持原有結構強度的前提下，構件一般設計為薄壁高筋，帶筋薄壁構件就是其中一類重要和典型的代表。

近年來，帶筋薄壁構件的成形制造工藝受到了較多關注，不少研究人員開展了坯料設計、模具和工藝參數優化等加載條件研究，發展出了多種不同的成形制造工藝，實現了典型帶筋薄壁構件的成形。鑒于上述分析，本文分析了帶筋薄壁構件成形制造技術的發展與國內外研究進展。首先針對帶筋薄壁構件的發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件的成形制造工藝，從成形原理、加工技術和模具工裝等方面綜述了目前帶筋薄壁構件各個成形制造技術的研究現狀，并對其加載方式、技術特色與應用情況等進行了總結；最后探討了帶筋薄壁構件成形制造技術的發展趨勢與所面臨的挑戰。

1 帶筋薄壁構件發展與分類

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

根據以上描述，將帶筋薄壁構件從整體結構、截面形狀和筋條布局進行分類，如圖1所示。按照構件整體結構分為壁板類構件與筒/環類構件；按照截面形狀分為I型筋、T型筋和Γ型筋構件等；按照筋條布局分為單向筋(橫/環筋或者縱筋)和網狀交叉筋等，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 帶筋薄壁構件分類

這種帶筋結構經過合理設計，不僅整體質量輕，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、防護以及聯結作用。因此，在航空航天領域，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+薄腹板的結構結合能夠有效地實現可靠性和輕質化。這些整體壁板不僅避免金屬流線中斷，減小應力集中，還能夠減輕起飛質量，縮短裝配周期。空客A380機身框架和艙門采用了空心結構和腹板加筋結構等替代實心結構，顯著降低了其質量。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，零件數量由原來的129個減少到7個，減少了94.6%；不僅有效節約了成本(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/環類構件，在空天、武器裝備領域也有大量帶筋結構件的存在，如圖2所示。該類筒形件、環形殼體內部往往分布有不同尺寸及形狀的縱向筋或環向筋，以滿足性能、強度、功能等諸多方面的需要，如某系列導彈的各段艙體內均勻布有許多縱筋，某導彈錐形殼體內帶有環筋以及某火箭箭體外殼表面帶有縱橫相交的網格筋。

圖2 帶內筋筒/環形構件

帶筋薄壁構件種類多，而按照整體結構劃分的筋板類構件與筋筒/環類構件，不但應用范圍較廣，并且根據其使用性能要求的不同又會導致成形工藝有所不同。因此，下面將分別介紹這兩大類構件成形制造工藝的發展。

2 筋板類構件成形制造工藝發展

筋板類構件是飛機、火箭等高端裝備上大量應用的結構件，但薄壁高筋結構給其制造帶來很大的困難。在20世紀初，機械加工在各類產品加工中占有重要地位，厚板機械加工是筋板類結構件的傳統成形方法。同時，對于使用性能要求低的薄壁帶筋構件，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的快速發展，研究人員采用擠壓成形帶筋構件，并且在20世紀中葉，已出現通過等溫鍛造實現其成形的報道。整體加載近凈塑性成形技術主要解決中小型復雜構件的成形問題，而對于高強度材料，當構件尺寸較大，一般設備的載荷難以滿足成形要求；而這類構件往往具有薄壁高筋和復雜形狀復合的難成形特征，使其成形制造面臨極大困難，且成本較高。

為此，人們發展出局部加載近凈塑性成形技術。20世紀60年代，前蘇聯學者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兩位學者以筋板類構件為研究對象，采用物理模擬試驗的方法對局部加載技術進行了探索性研究，證明了該技術的可行性和發展潛力[4]。從20世紀80年代開始，德國亞琛技術大學的Kopp等[5-6]對筋板類構件局部加載成形技術做了一系列研究，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。

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

圖3 筋板類構件成形制造技術發展歷程

2.1 傳統制造技術

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件，國內外多數采用鍛造或軋制預制簡單形狀的板坯，再通過數控加工等減材方法逐個加工出高筋結構[7]。基于塑性成形制坯的機械加工方法的材料利用率低、加工周期長、成本高，而且由于機加導致高筋結構位置的金屬流線被切割，造成構件的強度降低。目前，關于機械加工成形構件，更多集中于機加的工藝條件優化[8-9]和殘余應力分析[10]等方面。

2.1.2 精密鑄造成型

目前，國外技術先進國家批量生產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，構件的成品率達80%以上。而我國精密鑄造技術與國外相比存在一定差距，大型薄壁帶筋鑄件的內部缺陷較多，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的框形構件，最小壁厚僅為2.5 mm。

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

2.2 整體加載近凈塑性成形技術

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，這些技術均有利于高強材料筋板類構件制造的應用。其中，擠壓成形和等溫鍛造應用最廣泛，因此本節主要針對這兩種工藝在筋板類構件成形制造中的應用與發展進行概述。

2.2.1 擠壓成形

擠壓成形是利用壓力機的往復運動，迫使金屬材料在凹模型腔產生塑性流動，進而獲得所需幾何型面尺寸與性能的零件。金屬在三向壓應力狀態下塑性提升，允許材料發生較大變形，可以實現復雜結構零件的制造。因此，按照金屬流動方向，適合于筋板構件制造的有反擠壓、復合擠壓、徑向擠壓，如圖4所示。

圖4 擠壓成形示意圖[12]

對于薄壁構件，主要采用反擠壓與復合擠壓成形工藝。佘斌[13]開展了冷復合擠壓成形薄壁方錐形構件的工藝試驗和數值模擬研究，分析了變形過程與材料流動規律，提出了設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律，發現采用橢圓型過渡型面凹模對成形載荷和材料流動最優。

當成形具有帶筋構件時，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，通過優化預成形坯料形狀，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律。文獻[17]對5A06鋁合金帶筋盒體件熱擠壓工藝進行了優化研究，采用預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構參數以及成形溫度、設備速度、摩擦因數等工藝參數對預成形和終成形過程中的金屬流動影響規律，得到了優化的模具結構和工藝參數，并通過試驗獲得了成形質量良好的擠壓件。

圖5 帶筋薄壁梯形件[16]

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

圖6 型材擠壓示意圖

圖7 鋁合金型材產品與截面尺寸圖[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，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、框架類構件時，溫度急劇下降，變形抗力增大，塑性降低，因此采用常規鍛造工藝難以成形。等溫鍛造技術可以顯著改善這類合金的塑性和流動性，因而廣泛應用于航空、航天領域難變形合金零件的制造。

在國外等溫鍛造領域，美國與俄羅斯處于領先地位，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制造了伊爾76大型運輸飛機內200多種型號的鈦合金構件。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90年代末，利用超塑性等溫鍛造技術生產了如圖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鋁合金導彈連接框等溫鍛件[26]

國內等溫鍛造技術也在航空航天應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彈基座等溫成形的影響，設計了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。而合理工藝參數的選取和模具結構的優化，也會直接影響構件的成形過程和成形質量。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鋁合金導彈連接框兩步等溫鍛造工藝，分析了坯料形狀尺寸和預成形壓下量對鍛件充填質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，并發現適當增大預成形變形量，有利于消除終成形肋部內側壁的折疊缺陷，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。研究發現，采用變速度方案導致鍛件內部會產生更多細小的亞晶粒，從而獲得更優的力學性能。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鋁合金復雜筋板構件等溫鍛造工藝，采用軸向分流成形方法，通過優化預成形毛坯形狀尺寸，控制了材料的軸向分流，如圖10所示，分流面內側材料沿軸向流動充填凸模型腔，外側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

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能、設備噸位要求低、柔性好、材料利用率高等一系列技術優勢，更重要的是局部加載技術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合起來的成形制造技術。等溫成形通過減少模具激冷和局部過熱，使得成形過程中構件變形均勻且成形載荷降低，同時對工藝參數(溫度、變形速率等)的優化，可以獲得目標組織的成形構件。

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域處于領先地位，為了拓展現有設備成形鍛件的尺寸，提高大型航空鍛件的制造能力，對于非對稱零件開發了將整體下模分成多個模塊實現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致的研究。

圖11 下模分區局部加載成形原理[30]

近年來我國的很多科研院所和企業也相繼開展了筋板件局部加載成形技術研究。哈爾濱工業大學呂炎等建立了局部加載成形初步的工藝理論，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用研究[32-33]。郝南海等[34]利用等溫局部加載技術成形直升機鎂合金上機匣，該構件存在高而窄的筋條，結合局部加載成功地解決了6條高筋和4個凸耳充填難及產生折疊缺陷的問題。

西北工業大學楊合基于控制不均勻變形以實現精確成形的理論，對鈦合金大型筋板類構件等溫局部加載成形工藝進行了一系列基礎性研究工作。為便于等溫模鍛壓力機上的工藝實現，采用將整體上模分成多個模塊實現局部加載的工藝，如圖12所示[35]。在此基礎上，采用理論分析、試驗研究和有限元模擬相結合的方法，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、應力場及應變場分布、變形模式等[36]。此外，采用有限元數值模擬研究了帶縱橫筋的H型鈦合金構件等厚坯料局部加載成形過渡區的變形行為[37-39]；并基于T型、H型特征結構的有限元模型，建立了單面帶筋的大型構件局部加載有限元模型[40]，發展了考慮雙面都帶有復雜結構的有限元模型[41]。還研究了加載方式、加載道次、模具分區對成形過程和成形質量的影響，發現了局部加載易導致筋錯移和鼓包等缺陷，通過坯料設計和模具結構優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合的方法實現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的優化控制，獲得了尺寸滿足要求的內部組織均勻的坯料[46]。除了上述宏觀方面研究，還系統地研究了局部加載條件下的鈦合金組織演變機制和規律[47-50]。

圖12 局部加載過程示意圖[35]

2.3.2 軋制成形

傳統的軋制工藝已經不能滿足筋板類構件的成形需求，因此，研究人員開發新的軋制工藝技術以生產各種筋板類構件。在國外，Kopp等[51]開發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合的3D軋制方法。在國內，針對筋板類構件的軋制工藝，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。而針對該類構件縱筋成形形狀和尺寸精度不高的問題，武漢理工大學毛華杰等[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流動，進而提高凸筋高度。

圖13 不同道次的輥型結構和成形板材示意圖[54]

對于帶網格筋結構的整體筋板構件，重慶大學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，即基于旋轉模具“局部加載、連續成形”的原理，將平板坯料通過一對旋轉軋輥的間隙，利用輥模型槽的碾壓，使其發生塑性變形，進而獲得局部凸起和凹陷結構的筋板類構件。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；相比不連續局部加載，能夠明顯提高生產效率。

圖14 帶網格筋構件輥軋成形

2.3.3 擺輾成形

擺輾作為一種局部塑性成形技術，它通過錐形擺頭搖擺運動將傳統鍛造中的整體變形分解為連續的小變形，使構件產生連續局部塑性變形，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點，而且其成形載荷低、變形均勻，特別適合于成形復雜薄壁類構件。

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，發現2種方法均可細化晶粒，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，武漢理工大學韓星會等[58]研究了非回轉零件冷擺輾的工藝設計和控制方法，提出了利用模具運動方程精確建立非回轉體擺頭的設計方法；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；優化了工藝參數，實現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原理相結合，提出了空間包絡成形新原理，實現帶網格筋壁板的連續局部加載成形(見圖17)，證明了擺輾工藝成形薄壁復雜零件的巨大潛力。

圖16 成形示意圖[57]

圖17 擺輾成形模具及薄壁網格筋構件[59]

2.4 工藝對比分析

總結傳統制造技術、整體加載近凈塑性成形技術和局部加載近凈塑性成形技術3類筋板類構件制造技術如表1所示。

表1 筋板類構件成形制造工藝

從表中可以看出，大部分技術主要應用于航空航天和武器裝備領域，而軋制成形多應用于汽車、船舶、鐵路等領域。即使有些成形技術可應用于同一領域，但是其技術特色與構件性能也表現出不同。其中，傳統制造技術均可以制造異型截面筋結構，但機械加工導致筋部位置的金屬流線被切割，精密鑄造構件缺少塑性變形強化，易造成內部晶粒組織粗大，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件。在整體加載近凈塑性成形技術中，擠壓成形和等溫鍛造僅能成形規則形狀的截面筋結構，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，但對設備總體載荷仍然要求較高。局部加載近凈塑性成形技術可以有效地解決高強度材料筋板類構件的成形問題。等溫局部加載中的變形溫度及變形速度等工藝參數可控性強，如果控制得當，有利于調控構件的不均勻變形，提升其組織性能和成形質量；擺輾成形特別適合高徑比大的構件；而軋制工藝還可成形橫向變截面厚度板材。在構件性能方面，局部加載近凈塑性成形技術可以使構件變形更加均勻，成形后的微觀組織和機械性能也可能更為理想。

3 筋筒/環類構件制造技術

目前，對于工業用的帶筋薄壁筒/環類構件的成形，仍然常采用傳統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生復雜殘余應力，導致形狀畸變與微裂紋，進而影響構件服役性能。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力集中導致的服役隱患，且仍然存在工序多、流程長等問題。因此，下面不再對筋筒/環類構件的傳統制造技術進行論述。

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/環類構件作為主要受力構件，國內外學者對其成形新方法進行了相關研究。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/環類構件擠壓，研究人員主要基于2.2.1小節簡述的常規擠壓成形原理，通過設計不同模具的結構和型面尺寸，再配合壓力機載荷作用，使金屬材料在模具型腔產生流動，發展出了多種帶筋薄壁筒/環件擠壓成形工藝。武漢理工大學韓星會提出了單向或雙向軸向閉式擠壓整體加載網格筋環件成形工藝[60]，設計了分塊式圓弧型槽模具(見圖18)，通過有限元模擬優化了模具結構和工藝參數。該工藝主要是通過減小環件高度來實現筋部充填。

圖18 軸向閉式擠壓成形帶網格筋構件[60]

中北大學張治民課題組采用復合擠壓成形帶縱筋筒形件，并通過數值模擬分析了成形過程中材料流動規律和成形力的變化。他們還針對橫內筋結構的脫模問題，設計了基于組合式凸模結構(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件成形精度的影響規律，發現圓角半徑為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致模具壽命降低的主要因素。對于不同的內筋結構形式，需要設計不同型面尺寸的組合凸模，導致其制造成本和維修情況難以滿足生產需求。因此，該課題組基于環類構件的結構設計，提出一種旋轉擠壓成形工藝(見圖20)[62-63]。其原理為：通過芯模帶動坯料同時轉動，在施加軸向載荷下，漸開式組合凸模徑向擠壓成形內筋環件。

圖19 軸向加載徑向擠壓成形[61]

圖20 旋轉擠壓成形示意圖[63]

Wang等[64]結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對環坯壁厚上進行局部壓縮，獲得薄壁環形法蘭(法蘭凸起結構可以視為筋部)。結合有限元和成形試驗，研究了環坯凸起結構材料堆積的規律和變形機制，發現上下模同時擠壓材料，更有利于材料的徑向充填。

圖21 旋轉擠壓成形示意圖[64]

雖然上述幾種擠壓工藝均能夠實現筋筒/環類構件成形，但其難以成形異型筋構件。在2.2.1小節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鋁合金構件為研究對象(見圖22a))，結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律，發現材料流動不均勻是筋部位置(壁厚僅有5 mm，如圖22b)所示)產生成形缺陷的主要原因，通過增大分流孔面積和設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))，適合異型筋結構成形，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用。

圖22 帶I型縱筋薄壁構件擠壓成形[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，具有柔性高、成形載荷小和設備簡單等優勢，能更好地滿足高端裝備制造領域對成形構件尺寸、性能的嚴苛要求，在航空航天、武器裝備等精密制造中滿足帶筋構件的高性能制造需求[69-70]。根據美國宇航局報道，對于火箭外部燃料儲箱大小的帶筋構件，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件，以降低零件質量和加工成本，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上發展起來的一種加工方法，其主要特點是芯模上開設有與筒形件筋部形狀相匹配的筋槽，通過旋輪的連續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筋結構。依據筋部的結構特征，主要分為縱向筋、橫向筋、縱橫交叉筋以及螺旋交叉筋4種典型內筋結構。根據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筋。而滾珠旋壓是通過滾珠連續的多點局部加載成形(見圖23b))，其變形區域小，且滾珠承受的變形力小，因此變形區承受較高的三向壓應力狀態。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，國內外學者針對帶筋薄壁環/筒類構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合的方法，通過優化模具結構和工藝參數，實現該類構件的旋壓成形。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成形筋+滾珠旋壓的復合流動成形工藝，其中預成形為金屬在后續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齒圓柱齒輪，通過有限元模擬發現內齒型腔在三旋輪的軸向擠壓和環向軋制作用下，由金屬的軸向流動和切向流動共同填充；并且第一道次預制件錐形截面壁厚的增加導致第二道次內齒腔的填充，內齒從外表面到內表面、從齒根到齒頂都存在應變梯度。馬飛等[73-74]設計了一種分瓣芯模(見圖24)，通過旋壓成形橫向內筋錐形件，發現了不飽滿充填、飽滿充填和不穩定充填3種塑性變形行為，并指出其成因主要是工藝參數導致材料變形狀態的差異。

圖24 新型芯模示意圖[73]

Zeng等[75]設計了流動旋壓成形帶縱橫交叉內筋筒形件的組合式分瓣芯模(見圖25)，并結合有限元模擬和工藝試驗，研究了工藝參數對筋高的影響規律，發現壁厚減薄率和旋輪進給比是2個最重要的工藝參數。針對帶螺旋交叉內筋筒形件流動旋壓成形，Lü等[76]研究發現，由于螺旋交叉內筋幾何結構特征存在不同的螺旋方向，導致型槽內材料充填出現不同的組合：在交叉內筋前后，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，導致筒形件的內筋高度沿軸向出現不同變化。朱寶行[77]通過流動旋壓成形帶網格內筋筒形件，發現旋壓成形時工件的內筋充填高度不足，因而提出在工件自由端增設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筋成形高度，發現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，提出了一種環形外筋筒形件剪切成形方法。采用環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形外筋，如圖27所示。

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

圖27 環形外筋筒形件剪切成形示意圖[78]

3.3 包絡成形

基于2.3.3小節擺輾成形的原理，韓星會結合齒輪包絡原理，提出了制備薄壁高筋筒形件的包絡輾壓成形方法[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，其外壁緊貼套筒，并且包絡輥緊貼坯料。約束輥帶動坯料繞自身軸線以轉速ω1轉動，包絡輥繞自身軸線以轉速ω2轉動，同時沿徑向以速度v進給輾壓坯料。在約束輥與包絡輥的共同作用下，包絡輥和坯料作包絡運動(類似一對齒輪嚙合和齒輪包絡)，坯料內壁產生局部塑性變形，直到內筋被包絡輥完全包絡成形。

圖28 帶網格內筋薄壁筒形件的徑向包絡成形原理圖[79]

針對這種成形新方法，彭露[80]不僅建立了幾何學、運動學和力學模型，設計了成形用模具；還對包絡成形過程中內筋的填充、應力應變的分布，金屬流動以及成形載荷的變化規律進行分析。該工藝為制造薄壁高筋筒形構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，后續仍需應用于鋁合金等高強材料。

3.4 工藝對比分析

從上述筋筒/環件塑性成形工藝的加載方式來看，基于擠壓原理發展的相關工藝都是整體加載，包絡和旋壓相關的都是局部加載。從技術來看各有特色，并已在不同帶筋構件成形中得到應用，如表2所示。其中擠壓相關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用于大直徑薄壁筒成形的能力，但是型材擠壓實現了縱向帶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、柔性高等優勢，適用于大直徑薄壁筒形件成形，但內筋結構均局限于矩形、梯形等較簡單的規則截面筋結構，還難以拓展應用于異型截面筋復雜結構的成形。因此，仍需發展適合大直徑薄壁異型筋筒成形的新工藝。

表2 筋筒/環件塑性成形工藝匯總

4 發展趨勢與挑戰

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

1) 針對構件極端尺寸(大型、薄壁)和局部極端復雜結構(異型截面筋)的跨尺度復合構件，需要發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) 對于單個成形技術存在尺寸、成本等問題，采用多工藝、多能場(力、熱、電、磁、聲等)復合的成形技術是突破難變形材料及結構成形極限，提升帶筋薄壁構件成形制造水平的重要發展方向。

3) 結合數字化智能化技術，將其應用到帶筋薄壁構件的成形制造過程，建立數字化模型、多尺度間數據傳遞以及多能場作用下的組織演化與結構變形的調控，從而實現帶筋薄壁構件精確、高效和高品質制造的數字化成形技術。

4) 成形制造過程中，通過物理信息系統的融合，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調控能力，從而保障成形過程產品質量和精度，也能實現能源與材料優化利用，解決行業節能降耗的迫切需求。

5 結 語

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