推動金屬塑性加工先進(jìn)技術(shù)再向前

縱觀歷史，以材料劃分時(shí)代是一大特色，如石器、青銅器、鐵器時(shí)代等，這足以說明人類文明與材料的關(guān)系。長久以來，先進(jìn)材料的研發(fā)和制造成為我國制造業(yè)及諸多高技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的軟肋，加大對新材料、新工藝的工程化應(yīng)用研究力度，趕超世界先進(jìn)材料水平，建立具有中國特色的材料技術(shù)體系需要我們長期努力。

作為材料科學(xué)與工程領(lǐng)域國內(nèi)一流并具有重要國際影響力的研究機(jī)構(gòu)和我國高性能材料研究與發(fā)展的重要基地，中國科學(xué)院金屬研究所(以下簡稱“金屬研究所”)攻關(guān)科學(xué)技術(shù)，為國家若干重大工程提供關(guān)鍵零部件。成立以來，金屬研究所累計(jì)取得科技成果獎(jiǎng)400 余項(xiàng)，其中不乏國內(nèi)最高科技獎(jiǎng)項(xiàng)。

中國鍛壓協(xié)會歷來與金屬研究所保持著良好的溝通和合作關(guān)系，2021 年雙方合作舉辦了管板材成形會議，今年由雙方牽頭發(fā)起的“管板材成形專業(yè)委員會”也進(jìn)入了籌備階段。近日，本刊記者采訪了金屬研究所徐勇研究員，并就個(gè)人學(xué)術(shù)生涯、課題組科研成果、人才培養(yǎng)、前沿技術(shù)等進(jìn)行了深入交流。

苦心不負(fù)，終成中流砥柱

2009 年，徐勇進(jìn)入金屬研究所塑性加工先進(jìn)技術(shù)課題組攻讀博士學(xué)位，師從我國塑性加工界知名專家/學(xué)者——張士宏研究員。博士階段的課業(yè)量和研究工作量是本碩期間的數(shù)倍，壓力也是成倍增加。憑借堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和超越常人的刻苦努力，2013年，徐勇榮獲師昌緒一等獎(jiǎng)學(xué)金，同年，順利獲得材料加工工程專業(yè)博士學(xué)位。

滬大劇社的男女合演西劇《值得登廣告》曾經(jīng)公演過兩次。都很受人歡迎，得著社長陳春波君力量不少。現(xiàn)在他們又選定三月二日假座愛普盧影戲院作第三次的公演。據(jù)說，這部戲劇情很是曲折，言辭也很滑稽，加這幾位戲里的名角，都是幾個(gè)美于色長于辭的社員所任，一經(jīng)粉墨登場，莫不有聲有色。今該社已將座券開始發(fā)售。上海交際花如唐瑛，閨秀如夏璐敏、陳皓明等均已預(yù)定座位。預(yù)料那天愛普盧中又有一個(gè)無形的時(shí)裝展覽會了。[11]2

采訪中，徐勇向我們介紹了當(dāng)前液壓成形技術(shù)國內(nèi)外的研發(fā)和應(yīng)用情況：

博士畢業(yè)后，徐勇留組繼續(xù)從事科研工作，于2016 年、2020 年先后受聘金屬研究所副研究員、研究員。

目前,對于旅游公路的理論研究,主要從概念界定[5-6]、屬性特征[7]、類型劃分[8-9]和建設(shè)效應(yīng)[10]等維度開展。針對鄉(xiāng)村旅游公路的選線適宜性的研究涉略較少。本文在明確鄉(xiāng)村旅游公路概念的基礎(chǔ)上,以鄉(xiāng)村旅游發(fā)展較快的溧陽南山片區(qū)的鄉(xiāng)村旅游公路為研究對象,通過充分的現(xiàn)場調(diào)查,對現(xiàn)狀進(jìn)行梳理和分析,構(gòu)建縣域鄉(xiāng)村旅游公路選線適宜性評價(jià)模型,以使用者視角對鄉(xiāng)村旅游公路進(jìn)行評價(jià),以期為此類公路的選線、改建提供依據(jù)。

前沿技術(shù)，助力大國重器

新一代航空航天飛行器、新能源汽車和軌道交通等領(lǐng)域向大型化、輕量化、高性能化、長壽命和高可靠性方向發(fā)展，對高性能復(fù)雜整體薄壁構(gòu)件的需求更為迫切。但同時(shí)，這類輕質(zhì)高強(qiáng)構(gòu)件往往又因?yàn)椴牧纤苄缘?、結(jié)構(gòu)特征復(fù)雜以及性能要求高等，整體成形難度極大。

著名數(shù)學(xué)家波利亞指出，一個(gè)完整的解題步驟包括：弄清問題、擬訂解題計(jì)劃、實(shí)現(xiàn)解題計(jì)劃和解題回顧四個(gè)環(huán)節(jié).在解題回顧環(huán)節(jié)中，學(xué)生們可以對解題過程進(jìn)行總結(jié)和反思，回顧每一個(gè)步驟的合理性和必要性，對比聯(lián)想相關(guān)的解題思想，長期堅(jiān)持下去，就有可能升華為解題策略([12])．對于懶于做題后回顧的同學(xué)，我們強(qiáng)制要求他們寫“數(shù)學(xué)作文”，將自己的解題探究過程中遇到的挫折和后來的聽課體會如實(shí)記敘下來.

追憶求學(xué)時(shí)光，徐勇無不透露著對恩師的感激：“我非常慶幸自己能在張士宏老師的課題組，對我來說張老師既是恩師也是摯友。我仍然清楚地記著，讀博時(shí)我的課題研究沒有進(jìn)展，是張老師的鼓勵(lì)與幫助讓我堅(jiān)持了下來。”

采訪中我們了解到，上述系列技術(shù)已應(yīng)用到航空航天、汽車、核電等領(lǐng)域管板零部件的精確制造中，先后開發(fā)出小彎曲半徑超薄壁整體彎管、重卡中冷器、Ω 形空心件、排氣歧管、整體橋殼、空心凸輪軸、高強(qiáng)度輪輞和雙層帶間隙異形排氣管等零部件。此外，實(shí)現(xiàn)了航空鋁合金復(fù)雜框體零件、盤形零件等成形沖孔一體化制造，摒棄了中間熱處理，實(shí)現(xiàn)了從8 道次到2 道次的工藝轉(zhuǎn)變，生產(chǎn)效率提高4 倍以上，同時(shí)具有良好的除皺和定型效果。

“目前，歐美日韓的主要汽車廠商均已投入設(shè)備進(jìn)行管板材先進(jìn)柔性成形技術(shù)和零部件的開發(fā)，從凸輪軸、散熱器支架、副車架、排氣歧管、前擺臂、后橋殼、懸架到A/B 柱、門檻梁、座椅骨架及儀表板支架等，悉數(shù)有應(yīng)用案例。此外，在飛機(jī)、機(jī)載設(shè)備和武器裝備制造中也有廣泛應(yīng)用，如美國ACM 巡航導(dǎo)彈、F-117 隱形飛機(jī)、F-16 和F-18 采用埋入式S 形彎曲進(jìn)氣道方案。成形裝備方面，國際上能夠提供柔性成形成套技術(shù)與設(shè)備的制造商多數(shù)集中在歐洲和北美，其中，以德國SPS 公司、舒勒公司，瑞典AP&T 公司，美國ITC 公司、HDT 公司為主要代表。

“深入一線，學(xué)以致用。我們課題組的科研方向側(cè)重實(shí)際應(yīng)用，學(xué)以致用尤為重要。張士宏老師常常鼓勵(lì)年輕人應(yīng)該更多地深入一線，了解企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)過程，這樣才能真正發(fā)現(xiàn)和解決問題，讓他們在工程實(shí)踐中取得技術(shù)創(chuàng)新，并最終實(shí)現(xiàn)技術(shù)成果的轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化，真正做到‘用得上，說得清，有影響’，將科研成果遍布祖國大地?！?/p>

十年磨劍，攻關(guān)液壓成形

徐勇所在的塑性加工先進(jìn)技術(shù)課題組研究方向即是針對航空航天、核電以及汽車等國家重大科技工程中迫切需求的具有大膨脹率和大截面變化比等復(fù)雜結(jié)構(gòu)特征的高性能金屬管板類零部件，開展新型柔性成形基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)的研究并實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用。數(shù)十年的鉆研創(chuàng)新，課題組成績斐然，一些技術(shù)甚至是國際首創(chuàng)。

⑴脈動液壓成形技術(shù)。脈動加載是在傳統(tǒng)線性單調(diào)加載的基礎(chǔ)上通過先進(jìn)電氣和液壓控制技術(shù)使管內(nèi)成形壓力隨著時(shí)間成周期性加卸載的波動變化。脈動液壓成形能夠有效提高進(jìn)給補(bǔ)料量，從而抑制或消除成形過程中管材的破裂和起皺，可以顯著提高管材在成形過程中的貼模率，使成形零件壁厚分布更加均勻，從而提高材料的成形性能和成形形狀精度。此外，脈動成形針對不銹鋼的成形能力有額外的提高作用，通過特殊的脈動加載方式能夠使奧氏體不銹鋼在形變卸載過程中馬氏體相變行為得到激發(fā)，導(dǎo)致相變增塑效益增強(qiáng)，從而使成形能力得到進(jìn)一步的提升。

面對紛繁復(fù)雜的外界影響，如何保持潛心鉆研的初心，這一點(diǎn)是成為優(yōu)秀科研人必須具備的品質(zhì)。為此，徐勇對年輕人做了如下寄語和希冀：

⑶液壓柔性鍛造技術(shù)。在管內(nèi)充入液體介質(zhì)作為支撐內(nèi)壓，左右沖頭將管材兩端密封，通過注入柔性液體調(diào)節(jié)內(nèi)部壓力，并配合剛性機(jī)構(gòu)對工件局部實(shí)施加載，從而迫使管材發(fā)生屈服變形并貼合模具。與傳統(tǒng)工藝相比，液壓柔性鍛造工藝優(yōu)勢在于改變了管材僅受液壓時(shí)單一的應(yīng)力狀態(tài)，模具或剛性機(jī)構(gòu)運(yùn)動產(chǎn)生的機(jī)械力作用配合液壓加載路徑，可實(shí)現(xiàn)管材局部材料應(yīng)力狀態(tài)的控制。在這種液力加載的條件下，材料的成形極限得到提升，避免了零件成形因?yàn)闇p薄量過大而破裂，實(shí)現(xiàn)零件的局部大變形量成形。根據(jù)零件幾何結(jié)構(gòu)特征和施加載荷的方向不同，可以進(jìn)一步將該技術(shù)分為軸向加載液壓鍛造成形、徑向加載液壓鍛造成形以及多向復(fù)合加載液壓鍛造成形。

⑷內(nèi)外壓復(fù)合成形技術(shù)。通過在管材的內(nèi)外表面分別施加高壓液體，從而實(shí)現(xiàn)單層管材或多層管材的同步或非同步變形，具體是將管坯放入模具后，以一定的合模力保持目標(biāo)成形的型腔，管坯內(nèi)部充滿液體，再通過合理控制內(nèi)壓與軸向補(bǔ)料量，使管坯貼上外模，最終得到所需復(fù)雜形狀的零件。管材內(nèi)外高壓復(fù)合成形技術(shù)是常規(guī)內(nèi)高壓技術(shù)的補(bǔ)充，突破了原有內(nèi)高壓成形技術(shù)的局限性，通過內(nèi)外高壓的同步或非同步加載，以及對內(nèi)外壓差的變化調(diào)控，可以有效降低成形難度，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜多截面形狀零件的短流程、高效生產(chǎn)，可廣泛應(yīng)用于復(fù)雜形狀零件的加工制造，如大尺寸多截面零件以及雙層變截面空心構(gòu)件等。

羅譯：Anyone who was born before me and learned the doctrine before me...[6]62

“機(jī)械工程測試技術(shù)”課程是機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化專業(yè)學(xué)生必修專業(yè)基礎(chǔ)課程之一。測試技術(shù)基本任務(wù)在于研究如何獲取、分析和處理工程應(yīng)用中的有用信息，學(xué)習(xí)本課程目的在于培養(yǎng)學(xué)生正確選取機(jī)械工程領(lǐng)域的測試方法、合理選擇測試儀器/裝置，初步掌握靜、動態(tài)測量和工程實(shí)驗(yàn)所需基本知識和技能，為進(jìn)一步學(xué)習(xí)、科學(xué)研究和處理機(jī)械工程技術(shù)問題奠定基礎(chǔ)。

千秋基業(yè)，當(dāng)以人才為本

創(chuàng)新是第一動力，人才是第一資源?？蒲泄ぷ髦?，人才是最寶貴的財(cái)富，也是最重要的一環(huán)。隨著更多的90 后甚至是00 后進(jìn)入塑性加工先進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域，為科研創(chuàng)新注入了新的力量，帶來了更開放的思維。但同時(shí)也帶來了新的問題——如何更好地培養(yǎng)這些年輕人，使其由學(xué)生轉(zhuǎn)變?yōu)閮?yōu)秀的科研人甚至成為國之棟梁。

從求學(xué)者到一位優(yōu)秀科研人，再到如今，成為研究生導(dǎo)師，開始帶教學(xué)生，一路走來，徐勇在人才培養(yǎng)和管理上總結(jié)了一些自己的心得體會：

“因材施教，給予空間。90 后、00 后已逐漸成為科研骨干，他們有活力，接受新鮮事物快，是推動科技進(jìn)步的新鮮血液。但是，年輕人往往個(gè)性鮮明，初入職場，想法也會比較多。當(dāng)然，這也不僅僅是90 后、00 后所特有的現(xiàn)象。我在讀博期間以及剛參加工作那幾年，也是棱角鮮明，做事經(jīng)常會考慮不周全、容易沖動。但我的導(dǎo)師張士宏老師每次都會耐心指導(dǎo)、諄諄教誨，用廣闊的心胸接受、包容我的不足，并從我的自身優(yōu)點(diǎn)出發(fā)，提供給我更大的施展空間，也因?yàn)檫@種潛移默化的培養(yǎng)，一步步引導(dǎo)我走上了真正的科研道路。近朱者赤，所以，在帶教人才方面，我一直在學(xué)習(xí)張老師，做到耐心、包容，因材施教。

“我國圍繞管板材先進(jìn)成形技術(shù)的研究比國外起步晚，裝備水平也相對落后，但國內(nèi)市場巨大、需求迫切，技術(shù)迭代和應(yīng)用的速度很快。以哈爾濱工業(yè)大學(xué)、上海交通大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、華中科技大學(xué)以及金屬研究所等為主從事相關(guān)研究的科研院所，相繼開發(fā)了諸多先進(jìn)的管板材成形技術(shù)，如高強(qiáng)鋼熱成形技術(shù)、超低溫成形技術(shù)、電磁成形技術(shù)、高溫氣脹成形技術(shù)、脈動/沖擊液壓成形技術(shù)、多向加載液力成形技術(shù)等。裝備制造領(lǐng)域也涌現(xiàn)了一批如天鍛、合鍛、興迪源機(jī)械等知名設(shè)備制造廠商?！?/p>

基于此，液壓成形及其衍生技術(shù)誕生，這是一種以輕量化和一體化為特征的輕體構(gòu)件先進(jìn)塑性加工技術(shù)，能夠整體成形形狀非常復(fù)雜的中空薄壁結(jié)構(gòu)件，實(shí)現(xiàn)工序、工裝種類和數(shù)量的壓縮整合以及制造成本的降低。與傳統(tǒng)機(jī)械加工、沖壓、焊接相比，相同強(qiáng)度要求下，液壓成形的復(fù)雜構(gòu)件重量只有同樣構(gòu)形拼焊件的50%～70%。

⑵沖擊液壓成形技術(shù)。將高速沖擊波施加在液體介質(zhì)上，從而替代傳統(tǒng)液壓成形中的靜高壓作用，通過一次或多次沖擊，使工件最終成形。通過將材料帶入與靜態(tài)載荷本質(zhì)不同的動態(tài)應(yīng)力－應(yīng)變響應(yīng)過程，將傳統(tǒng)落壓成形技術(shù)和現(xiàn)代液壓成形技術(shù)二者的優(yōu)勢相結(jié)合，能夠極大提高材料的成形極限、降低回彈量，高效解決鎂、鋁、鈦等難變形輕質(zhì)合金在加工過程中遇到的起皺、開裂等缺陷，而且該技術(shù)具有瞬時(shí)高能的特點(diǎn)，成形時(shí)間僅為300 ～600μs，能量利用率和生產(chǎn)效率極高，對于有整體大變形量或局部有凸筋等結(jié)構(gòu)特征的復(fù)雜異形薄壁零件能夠獲得優(yōu)異的成形效果。

1)對請求的分析較為復(fù)雜，本系統(tǒng)中使用的不僅是簡單的http操作，在查詢時(shí)使用的車站代碼也需要通過爬蟲獲取，獲取后才得到車站中文對應(yīng)名稱。

“不管哪個(gè)行業(yè)，最重要的是要對自己從事的工作產(chǎn)生興趣?？茖W(xué)研究是一個(gè)無比神圣的工作，應(yīng)該始終保持信仰，沉浸其中，樂在其中?？茖W(xué)研究需要堅(jiān)持不懈，‘寶劍鋒從磨礪出，梅花香自苦寒來’，要耐得住性子，戒驕戒躁，修煉內(nèi)功。一項(xiàng)科研成果的產(chǎn)生，往往會需要幾代人的不斷努力和積累，因此，要避免急功近利。蓄勢待發(fā)，全身心投入到科學(xué)研究中，終將有一日會取得成功。”

選擇遠(yuǎn)方，唯有風(fēng)雨兼程

科研是一條“不歸路”，因?yàn)榭茖W(xué)研究是沒有盡頭的，永遠(yuǎn)會有新的技術(shù)在等待發(fā)現(xiàn)、新的領(lǐng)域在等待探索。采訪中，徐勇也向我們憧憬了管板材成形技術(shù)及裝備未來的研究方向：

利用理想運(yùn)動學(xué)反解模型求得的各移動副運(yùn)動量L1=(li1,li2,li3)與設(shè)定目標(biāo)位姿進(jìn)行正解驗(yàn)證，經(jīng)過對比，運(yùn)動學(xué)正解所求位姿與目標(biāo)托架位姿吻合，從而證明了各主動移動副運(yùn)動量與目標(biāo)位姿匹配。正解驗(yàn)證完成后，即開始結(jié)構(gòu)誤差建模。前文提到的誤差模型對應(yīng)下文中的線性化誤差模型，由于微分算子線性化對誤差辨識結(jié)果的影響未知，分析非線性化模型的結(jié)構(gòu)誤差辨識精度，以作參考。

“多能場輔助成形技術(shù)。采用脈沖電場、強(qiáng)磁場、激光、超聲以及復(fù)合場等特種手段改變材料的本征特性，與現(xiàn)有管板材成形技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多特征、多性能耦合的復(fù)雜管板零件的精密、高效制造。如高速沖擊液壓成形、電磁/電液成形、超聲增材制造等。

“基于異質(zhì)異構(gòu)智能材料的成形技術(shù)。依托異質(zhì)異構(gòu)智能材料變形特性的可控性，結(jié)合復(fù)雜管板零件的結(jié)構(gòu)特征，采用成形力差異化調(diào)控的手段，精準(zhǔn)定位特征結(jié)構(gòu)位置，實(shí)現(xiàn)成形過程中坯料應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)和材料流動時(shí)序的精確調(diào)控，達(dá)到提高難變形材料成形性能的目的。如磁流變流/固介質(zhì)壓力成形、激光熱處理局部改性等。

“基于數(shù)字孿生的管板材智能制造。針對管板材零件的產(chǎn)品開發(fā)，集成多能場、多尺度、多維度、多參數(shù)的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品全生命周期的虛擬研發(fā)，實(shí)現(xiàn)智能生產(chǎn)線的虛擬構(gòu)建，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，實(shí)現(xiàn)智能制造?！?/p>