第1章 绪 论
1.1 引 言
随着经济全球化的不断发展，资源、能源和环境已经成为制约各国经济社会可持续发展的重大问题。如何实现节能、降耗、减排、低碳和环保的绿色制造十分紧迫，轻量化为实现这一目标指明了方向。轻量化结构件不仅能赋予零部件复杂的形状和尺寸，而且能够提高零部件的性能。轻量化结构件在以减重、高性能为目标的航空航天、汽车制造、交通运输等领域应用十分广泛[1-2]。据统计，汽车质量每减少10%，燃油消耗量可降低6%～8%，相应的排放量下降5%～6%；航空航天工业对减重的要求更是以克为单位。轻量化结构件成形制造的能力、水平和技术经济指标，已经成为衡量一个国家制造技术、工业发展水平及重大关键技术装备自主创新能力的主要标志之一[1]。实现轻量化的技术途径包括：采用高性能轻质材料，目前主要是铝、镁、钛、复合材料等；采用轻量化的结构形式，如复杂形状、薄壁、空心变截面、整体和带筋结构，图1.1展示的是汽车框架式结构。考虑空气动力学和结构力学，车身框架所用型材一般都需要弯曲成一定的曲率外形，以减小空气阻力，提高运载速度。但是，由于这些轻量化结构件的形状复杂，采用传统的弯曲工艺无法确保成形件的精度。国外的轻量化结构件弯曲成形技术，尤其是应用于国防和武器方面的先进弯曲技术无法获知，因此，开展先进的轻量化结构件弯曲成形技术研究非常必要且紧迫。
图1.1 汽车框架式结构
近年来，计算机技术得到了快速发展并渗透到各个领域，为人类进行科学研究提供了强有力的支持。随着有限元理论的日益完善，数值模拟方法在金属塑性加工领域得到了广泛的应用。如今，数值模拟与优化已经成为一种先进的设计技术和手段。它不但可以分析材料的变形和流动规律、应力和应变分布规律，而且还能预测材料工艺缺陷的形成位置、形成条件和缺陷种类，并能进行工艺优化和模具设计[3]。它克服了传统试错法的盲目性，节省了大量的人力、物力和时间。欧美等工业发达国家均把成形制造数值模拟与优化作为优先资助和发展的领域，并已将其大量应用于飞机、导弹、汽车等产品的成形制造过程。
1.2 结构件轻量化的实现方法
目前，实现结构件轻量化主要有两种方法：一种是改进结构设计，它是充分利用材料的性能，在保证结构件的安全性和强度特性的前提下，通过改变结构件的结构特征及构件的截面设计来减轻重量；另一种是采用轻质材料，它是在材料选择上遵循等强度的原则，通过选用比强度高的材料达到减轻结构件重量的目的。
1.2.1 轻量化结构件的结构设计
结构设计是进行产品研发必不可少的一个环节，新的结构优化设计方法是融合材料学、结构力学、计算力学、数学、有限元法、优化理论及其他工程科学于一体的设计方法，它给设计人员提供一种开发、运算和设计的工具。新的结构优化设计方法基于多学科理论，利用计算机虚拟出结构件的结构，它的优点是周期短、成本低、效率高、准确性高，设计出的结构件具有较高的安全性能，且结构件的重量轻[4-6]。如广泛应用于汽车领域的整体车身结构和车架。这些整体式结构件具有减重效果显著、缩减装配工序的周期和工作量、较高的比强度和比刚度、较高的抗疲劳性能等优点。
1.2.2 轻量化结构件的材料选择
目前，用于轻量化结构件的材料包括两大类：一类是轻质材料，包括密度相对比较低的金属材料和非金属材料，如铝合金、镁合金、钛合金、高分子材料及复合材料等；另一类是高强度材料，如高强钢[7]。
（1）铝合金
纯铝的密度是钢铁的1/3，具有良好的机械性能、耐蚀性、导热性。铝合金还具有高强度、易回收、吸能性好等特点。因此，铝合金被广泛应用于运载火箭的燃料储箱，飞机的机翼，汽车的发动机缸体、缸盖、离合器壳、保险杠、车轮、发动机托架等。铝合金的应用越来越广泛，预计将会成为仅次于钢的第二大汽车材料。
（2）镁合金
纯镁的密度只有1.74g/cm3，镁合金具有比强度和比刚度高、机械加工方便、易于回收利用等特点，是目前*理想、重量*轻的金属结构材料。我国的镁资源十分丰富，储量居世界第一，因此应用前景非常广阔[8]。目前，镁合金的应用主要以铸造产品为主，变形镁合金的应用非常有限，主要原因是镁为密排六方晶体结构，滑移系比较少，室温下塑性变形能力差，限制了镁合金的加工制造[9]。随着各国科研工作者对镁合金成形性能的研究，变形镁合金产品的应用将会越来越广泛。比如，轻量化的镁合金型材，它可以应用于飞机框肋缘条、机身前后段和发动机短舱的长桁，高速列车、地铁列车、载重列车和汽车用的大型宽幅薄壁复杂型材，车身结构和保险杠的中空型材，等等。
（3）钛合金
钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属，它具有密度小、耐蚀性好、耐热性强、刚度和强度高、焊接性和铸造性好、无冷淬性、蠕变抗力高、稳定性好等优点，是航空航天、石油化工、生物医学等领域的理想材料；同时，钛的无磁性、钛铌合金的超导性、钛铁合金的储氢能力等特性，使得钛合金在尖端科学和高新技术方面发挥着重要作用。
（4）高分子材料及复合材料
塑料与橡胶等属于高分子材料，具有密度小、成形性好、耐蚀、防振、隔音隔热等性能，同时又具有金属钢板不具备的外观色泽和触感。目前，塑料大都使用在汽车和飞机的饰件上，如仪表板、车门内板、顶棚、副仪表板、杂物箱盖、座椅及各类护板、侧围内衬板、车门防撞条、扶手、车窗、散热器罩、座椅支架等。
复合材料包括树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料、碳-碳复合材料，具有密度小、比强度高、比刚度高、可设计性强、抗疲劳性能好、耐蚀、便于大面积成形等优点，已在许多的领域替代金属材料，应用越来越广泛，是*重要的轻量化结构材料之一。
（5）高强钢
高强钢具有弹性模量高、刚性好、耐冲击性好、抗疲劳性能好等优点，缺点是耐蚀性差。高强钢在对安全性能要求很高的汽车领域应用越来越多，如汽车车身、底盘、发动机托架、散热器支架、仪表板横梁、座椅骨架、保险杠、车轮、骨架、前门、后门、横梁等，预计高强钢在汽车用钢中所占的比例会达到60%。
1.3 轻量化结构件弯曲工艺及研究现状
弯曲是将工件弯制成一定形状和角度的成形方法。弯曲工艺主要分为两类：一类是依靠工模具的形状成形，如拉弯、绕弯、压弯等；另一类是运动成形，即靠工模具和工件之间的相对运动成形，如滚弯、柔性垫弯曲、自由弯曲、激光弯曲等。[10]
1.3.1 滚弯成形
滚弯成形是利用工作辊相对位置变化和旋转运动，使工件进行连续的局部塑性变形而获得预定形状的工艺。根据工作辊的数量滚弯主要分为两辊、三辊和四辊滚弯；根据工作辊的放置方式滚弯可以分为对称式和非对称式滚弯。滚弯成形工艺具有弯曲质量高、加工柔性大、成形力小、设备简单、工效高等优点，因此广泛应用于锅炉、造船、石油化工、水利工程、金属结构及其机械制造行业。
（1）两辊滚弯
两辊滚弯是用刚性辊将工件压入具有弹性介质包覆的刚性芯轴，依靠旋转辊和工件之间的摩擦力送给，并在弯曲力矩和压力的作用下使工件发生弯曲变形，其成形原理如图1.2所示。与常规滚弯成形不同的是，在刚性辊压下工件时，弹性介质产生的分布力使工件的受力状态更为合理，能够显著提高材料的弯曲成极限和弯曲件表面质量。它的主要优点是：避免了弯曲件的直边问题，成形精度高，结构简单，回弹量小[11]。
图1.2 两辊滚弯成形示意图
1943 年德国和苏联将聚氨酯橡胶应用到滚弯成形工艺中，并制造出了两辊滚弯圆管机床，生产薄壁钢、铜、铝等金属圆管[11]。英国Rolls-Royce公司在20世纪60年代采用该技术制造并强化了钛合金锥体、圆柱体等航空发动机零件[12]。20世纪80年代以来，俄罗斯喀山航空航天大学设计出多个系列的两辊滚弯机并成功滚弯出异形截面零件[11]。目前，美国、法国、俄罗斯、捷克与斯洛伐克等国家掌握着两辊滚弯工艺的核心技术，并能够供应两辊滚弯机，其中俄罗斯的两辊滚弯机性能*优，并装备在俄罗斯众多的航空工厂[13]。国内南京航空航天大学研究人员开发了两辊滚弯机床机械系统[14]和数控系统[15]，研究了工件直径和刚性轴直径及其轴间进给量之间的经验关系，给出了进给量的临界值[16]。闫静等[17-18]在理论方面给出了修正的回弹曲率公式，将塑性精确理论应用到两辊滚弯技术，得到了径向应力、轴向应力和弯矩的计算公式；并建立了两辊滚弯技术的分析模型[19]，成功模拟了工件滚弯成形和回弹的实际过程。王静等[20]采用有限元和神经网络技术建立两辊滚弯的工艺参数和滚弯零件直径之间的映射关系，用实验值检验模型的预测值，结果表明两者吻合良好。屈晓敏等[21-22]提出了两辊滚弯机的设计方法，并设计了实验设备进行相关实验，取得了良好效果。
（2）三辊滚弯
1948年瑞士生产商Chr. Haeusler AG制造了如图1.3所示的三辊对称式滚弯机，1951年设计了如图1.4所示的三辊非对称式滚弯机，可以对板材进行预弯以减小直边的长度[23]。罗斯托克造船工程局、罗斯托克大学造船系和Stralsund造船厂研制的多柱塞数控滚弯机样机[24]于1969年在波罗的海博览会上展出。日本黑田精工[24]在20世纪70年代研制的滚弯机在日立公司造船厂得到应用，能够显著减轻工人劳动强度并提高加工效率，但是该设备根据理论计算得到的成形件与理论值相差很大。苏联的莫施宁[25]和格罗莫娃[26]等对滚弯成形过程中的力学参数进行了分析和研究，但是研究结果与实际成形过程有很大差异。Bassett等[27]对滚弯工艺进行了理论分析和实验验证，获得了辊轮作用力、驱动扭矩和回弹的关系。Hansen等[28]研究了矩形截面钢梁的三辊对称式滚弯成形过程，分析了滚弯成形过程中各几何参数的变化，并建立了滚弯成形的数学模型。Gandhi等[29-30]研究了三辊对称式滚弯机成形筒形件和锥形件的工艺过程，建立了解析模型和经验模型，并修正了相关模型，结果表明修正的模型与实验值吻合良好。
图1.3 三辊对称式滚弯机
图1.4 三辊非对称式滚弯机
国内学者也对滚弯成形工艺进行了系统的研究，陈毓勋[31]建立了板材和型材滚弯成形回弹量的计算公式，并提出了控制回弹量的方法。胡卫龙[32]研究了
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