2023年, 第30卷, 第6期　
刊出日期：2023-06-28

  

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  客座主编寄语——《特种能场辅助成形专辑》

  黄庆学

  塑性工程学报. 2023, 30(6): 1-1.

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特种能场辅助成形
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  大规格气阀坯电镦成形质量控制研究综述

  权国政, 雷盛, 蒋立鹤

  塑性工程学报. 2023, 30(6): 2-9. https://doi.org/10.3969/j.issn.1007-2012.2023.06.001

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  制坯作为气阀成形的关键工序，其成形质量决定着气阀的服役性能和寿命。通过分析热挤压和电镦等成形工艺的优缺点可知，电镦相较于其他成形工艺更适用于大规格气阀坯成形。而随着气阀坯规格的增大，电镦件成形质量也愈加难以控制。针对表面波浪等形状缺陷和晶粒粗大等微观缺陷对其进行成因分析，从成形形状、晶粒控制和形状-晶粒协同控制3个方面综述了大规格气阀坯电镦成形质量的控制方法，并进一步阐述了电镦工艺智能优化方法，为大规格气阀坯电镦成形的实际生产提供参考。
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  电磁成形中材料本构模型研究进展

  严思梁, 胡磊, 张晓丽, 孟淼, 薛克敏

  塑性工程学报. 2023, 30(6): 10-21. https://doi.org/10.3969/j.issn.1007-2012.2023.06.002

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  电磁成形过程中金属板料经历宽应变率范围内的复杂载流高速变形，其宏微观行为与常规准静态成形过程存在显著差异，因此传统本构理论不能被完全应用于这一过程的精确预测。为此，首先总结了电磁成形中材料宏观力学行为及微观组织演变机理的特点，论述了本构建模的必要性、可行性及建模关键点。接着综述了适用于电磁成形过程的高速本构模型与载流变形本构模型的建模思想、应用效果及其先进性与局限性。最后，展望了宽应变率、宽温度范围适用的耦合电致塑性效应的机理型本构建模所面临的挑战。
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  电磁微成形技术研究进展

  朱成席, 徐杰, 于海平, 单德彬, 郭斌

  塑性工程学报. 2023, 30(6): 22-36. https://doi.org/10.3969/j.issn.1007-2012.2023.06.003

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  随着塑性微成形特征尺寸进一步缩小，材料种类不断扩大，单纯依靠模具施加载荷的方法已经越来越难以制备出满足尺寸精度和使用性能要求的微型三维构件，亟需探索新的塑性微成形新原理、新方法和新工艺。电磁微成形技术是一种利用载流导体在磁场中受到洛伦兹力而变形的高应变速率成形方法，能够有效克服微成形过程中成形性能下降、尺寸精度难以保障等问题，具有拓展塑性微成形应用领域的巨大潜力。首先从电磁成形技术的原理与特点出发，介绍了电磁成形过程中高应变速率效应对材料性能的特殊作用，然后综合分析了微成形过程中尺度效应对材料力学行为和成形性能的影响规律及相关机制，详细评述了电磁微成形技术在金属超薄板冲压以及金属表面微纳结构压印中的优势与不足，最后总结并提出了电磁微成形技术在理论和工艺方面所面临的机遇与挑战。
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  异种金属板材磁脉冲连接技术研究进展

  姜爔, 于海平

  塑性工程学报. 2023, 30(6): 37-57. https://doi.org/10.3969/j.issn.1007-2012.2023.06.004

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  面向现代工业发展，磁脉冲连接技术作为对环境友好的室温异种材料连接技术，能满足轻量化及复合性能的需求，具有极大的发展潜力和应用前景。磁脉冲连接技术自开始发展至今，主要应用在管-管及管-棒的连接。对板材磁脉冲技术原理、适用范围、工艺参数的制定、板材在连接过程中的变形行为、连接接头的宏观和微观形貌、接头性能的评价及板材磁脉冲设备和工作线圈进行了总结和分析。在此基础之上，提出了当前板材磁脉冲连接技术需要解决的问题，并对未来板材磁脉冲技术的发展进行了展望。
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  电流辅助成形技术研究进展及展望

  徐勋虎, 康庆鑫, 刘永康, 王春旭, 王国峰

  塑性工程学报. 2023, 30(6): 58-66. https://doi.org/10.3969/j.issn.1007-2012.2023.06.005

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  超塑成形/扩散连接(SPF/DB)工艺是指在一个热循环内材料同时完成成形和扩散连接的加工过程。随着航空航天领域对轻质高强难变形金属材料需求增加，迫切需要探索这类材料的成形新方法。电流辅助成形能够降低材料流动应力，提高其成形精度，与SPF/DB工艺相结合能够高效制备复杂结构件，这对高强难变形金属材料成形具有重要意义。介绍了电致塑性原理，梳理了电流辅助成形、扩散连接和SPF/DB的特点与优势，阐述了目前电流辅助成形工艺面临的挑战与展望。
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  超声振动辅助塑性成形声致效应理论及应用研究进展

  徐斯诺, 冯英豪, 王春晖, 钱凌云, 孙朝阳, 冯少川

  塑性工程学报. 2023, 30(6): 67-87. https://doi.org/10.3969/j.issn.1007-2012.2023.06.006

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  相比于传统的金属塑性成形方法，基于Blaha效应的超声振动辅助技术可有效降低成形载荷，提高材料成形性能及表面质量，经过半个多世纪的发展已成为一种前景广阔的先进金属塑性成形方法，尤其为难变形合金的高性能塑性加工提供了可行的方法。介绍了包括声致软化效应与声致残余硬化效应的超声振动辅助声致效应机理研究进展，呈现了基于声致效应机理的本构模型建立及数值模拟研究成果，综述了包括超声振动辅助拉拔、冲裁、挤压及切削等工艺方法的应用现状，阐述了目前超声振动辅助成形机理分析与应用研究存在的主要不足，探讨和展望了相关问题的研究重点与发展趋势。
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  电流辅助成形中位错演化行为研究进展

  肖志涛, 皇涛, 邢兵辉, 陈拂晓, 宋克兴, 郭俊卿, 张彦敏

  塑性工程学报. 2023, 30(6): 88-101. https://doi.org/10.3969/j.issn.1007-2012.2023.06.007

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  电流辅助成形技术融合了电能、热能和变形能，耦合了多物理场作用。在电热力耦合作用下产生的焦耳热效应和非热效应对材料力学性能和微观组织产生多重影响。相较于传统成形工艺，其在提高材料成形潜力和提升构件成形质量等方面具有优势。从实验研究、理论模型解析以及有限元分析等方面综述了电辅助成形过程中电流对位错演变的作用规律，讨论分析了基于位错密度的电辅助理论解析模型研究进展，对电流辅助成形过程中位错演变研究现状进行了梳理，为进一步研究电辅助塑性成形提供一定的参考。
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  脉冲电流作用下GH4738合金不均匀变形组织的均匀化机理与规律

  李宏伟, 向治宇, 张昕, 刘雪艳, 高佳, 邵光大

  塑性工程学报. 2023, 30(6): 102-110. https://doi.org/10.3969/j.issn.1007-2012.2023.06.008

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  针对经历不均匀变形的高温合金构件会产生不均匀的组织分布，影响其整体力学性能，且通过热处理难以消除的问题，采用脉冲电流处理，利用其局部焦耳热效应，促进微观组织的均匀化。为了解脉冲电流作用下高温合金微观组织均匀化的机理，采用模拟和试验相结合的方法，研究了脉冲电流的热效应与非热效应对高温合金不均匀变形微观组织均匀化过程的影响，获得了电流密度、通电时间对再结晶体积分数、平均晶粒尺寸及微观组织不均匀度的影响规律。结果表明，脉冲电流处理后，观察到大变形区组织发生“回复-再结晶-晶粒长大”演化，而小变形区仅发生轻微晶粒粗化，在适当的脉冲电流加载下获得了大、小变形区晶粒尺寸及形貌一致的均匀组织。
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  脉冲电流作用下金属材料的相变行为

  彭林法, 黄纪绘, 徐竹田, 刘建胜

  塑性工程学报. 2023, 30(6): 111-124. https://doi.org/10.3969/j.issn.1007-2012.2023.06.009

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  针对α+β钛合金和奥氏体不锈钢两种重要金属材料，开展了电、热处理及相变定量统计实验，定量分析了电流对其相变的作用规律，探讨了电流的微观作用机理。结果表明，电流对钛合金α→β相变起降低相变温度和加速相变过程的促进作用，对不锈钢马氏体相变起抑制作用。通过相变定量统计，探明了电流参数对相变的影响规律：钛合金α→β相变温度随电流密度增大而显著降低，但几乎不受电流占空比影响，相变速度随电流密度增大而提高；不锈钢马氏体相变随电流密度增大而显著减少。基于电流对空位、位错等缺陷的“电子风”和焦耳热效应，揭示了电流对钛合金扩散型α→β相变和不锈钢应变诱导马氏体相变形核及长大阶段的作用机理。
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  30CrMnSiA合金结构钢电流辅助单向压缩流变行为

  夏琴香, 范旭东, 周昊阳, 肖刚锋

  塑性工程学报. 2023, 30(6): 125-132. https://doi.org/10.3969/j.issn.1007-2012.2023.06.010

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  以30CrMnSiA合金结构钢为研究对象，对其在脉冲电流作用下的单向压缩流变行为进行了研究，设计了“导电块-上下压块-导电块”的电流施加方案，提出采用压缩空气进行冷却的方法消除焦耳热的影响，分析了脉冲电流参数(脉冲电流密度、脉冲占空比和脉冲频率)对30CrMnSiA合金结构钢流变行为的影响规律。基于Voce加工硬化模型，构建了脉冲电流辅助下30CrMnSiA合金结构钢的电致塑性本构模型，并进行了试验验证。结果表明，30CrMnSiA合金结构钢的流变应力随着脉冲电流密度、脉冲占空比以及脉冲频率的升高而降低，脉冲电流密度的变化对材料流变应力的影响最为显著；通电条件下材料的加工硬化指数n高于不通电时，且随电流密度与占空比的升高而升高，随脉冲频率变化不明显；利用构建的本构模型计算的流变应力值与试验数据的误差在6%以内，说明该模型能较好地预测30CrMnSiA合金结构钢电流辅助压缩类成形时的流变行为。
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  超声振动辅助微挤压成形界面摩擦特性研究

  韩光超, 吕佩, 万炜强, 柏伟, 徐林红, 刘富初

  塑性工程学报. 2023, 30(6): 133-141. https://doi.org/10.3969/j.issn.1007-2012.2023.06.011

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  基于超声振动辅助微挤压成形过程摩擦特性表征需求，将超声振动辅助双杯挤压实验拆分为超声振动辅助正杯挤压和反杯挤压两个部分。通过超声振动辅助T2紫铜正杯挤压和反杯挤压的对比成形实验研究了不同超声振动模式辅助微挤压成形过程中试样-模具型腔间的界面摩擦特性，并提出一种量化评价新方法来评估超声振动辅助微挤压成形试样-模具型腔间摩擦应力及摩擦因数的变化规律。结果表明，微挤压成形应力降低值和试样-模具型腔间的摩擦应力降低值都随着超声振幅的增大而增大，且随着工具超声振动、工具-工件复合超声振动和工件超声振动的不同超声振动模式顺序依次增大。
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  电场辅助镁锂合金超塑变形行为及其在微型热管成形中的应用

  孟宝, 潘丰, 万敏

  塑性工程学报. 2023, 30(6): 142-150. https://doi.org/10.3969/j.issn.1007-2012.2023.06.012

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  通过等通道转角挤压工艺制备了不同晶粒尺寸的LZ91镁锂合金，当挤压道次超过8道次后，晶粒尺寸基本不再细化。为了探究电场作用下LZ91镁锂合金的超塑变形行为，设计并制造了电场辅助超塑单向拉伸实验平台，提出了一种“递减式”恒压通电方案，开展了不同电压、初始应变速率和晶粒尺寸下的电场辅助单向拉伸实验。实验结果表明，随着电压的增大，电流的焦耳热效应增大，LZ91镁锂合金的真应力-真应变曲线逐渐呈现出稳态流变特征。所有电压下原始镁锂合金的伸长率差异不明显，最大差异仅为16%。相比于低电压时，在高电压下初始应变速率对LZ91镁锂合金超塑变形行为的影响更加显著。电场对细晶LZ91镁锂合金超塑变形行为影响较大，主要体现在降低超塑变形温度和提高伸长率。在获得电场作用下LZ91镁锂合金超塑性能的基础上，通过DEFORM-3D仿真软件对LZ91镁锂合金微型热管挤压成形工艺进行了设计与仿真，长度为5 mm的坯料仿真得到的微型热管长度为40 mm，微沟槽深度为0.25 mm，等效应变分布均匀，为微型热管电场辅助成形工艺提供了有益探索。
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  电冲击处理对316不锈钢构筑成形的影响

  邓加东, 韩天, 杨桢宇, 钱东升

  塑性工程学报. 2023, 30(6): 151-156. https://doi.org/10.3969/j.issn.1007-2012.2023.06.013

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  在高温变形调控界面愈合的基础上引入电冲击处理来促进构筑界面愈合，通过对316不锈钢构筑坯料热变形前和热变形间隙分别进行电冲击处理实验，揭示了电冲击处理对316不锈钢材料构筑界面几何形貌和微观组织的影响规律。结果表明，相比于未使用电冲击处理的试样，经过电冲击处理后试样的构筑界面愈合效果有一定程度的提升。在热变形前进行电冲击处理能够使界面产生预连接，促进构筑界面的热变形愈合。在热变形间隙进行电冲击处理同样能促进构筑界面愈合，但其促进界面愈合效果弱于热变形前进行电冲击处理。
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  22MnB5高强钢超声振动辅助冲裁模具设计及实验研究

  邓腾树, 占火林, 刘红生

  塑性工程学报. 2023, 30(6): 157-165. https://doi.org/10.3969/j.issn.1007-2012.2023.06.014

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  为研究超声振动对22MnB5高强钢冲裁件断面质量的影响，采用模块设计法和有限元目标驱动优化设计相结合的方法，设计了超声振动辅助冲裁模具，采用该模具研究了超声振幅和板材厚度对22MnB5高强钢冲裁件断面质量的影响。结果表明，采用所设计的冲裁模-变幅杆一体式结构可获得稳定的超声振动波形，振幅与超声波发生器功率接近线性关系；超声振动可有效提高冲裁件断面质量，随超声振幅增加，冲裁件断面质量显著上升，当振幅超过某一定值后，冲裁件断面质量下降；同时，板厚对最优振幅有较大影响：板厚越小，最优振幅越小。根据材料在超声振动下呈现的“体积效应”和“表面效应”揭示了超声振幅和板厚对高强钢冲裁件断面质量的影响机理。
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  基于物理信息数据驱动方法的TC4合金增材制造温度场预测

  刘鹏伟, 廖福渝, 赵英杰, 赵紫松, 宋立军, 刘鑫刚

  塑性工程学报. 2023, 30(6): 166-175. https://doi.org/10.3969/j.issn.1007-2012.2023.06.015

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  通过整合有限元热传导模型和长短时记忆网络，提出了一种基于物理信息的数据驱动方法，并应用于TC4合金直接能量沉积过程的温度场预测研究。该方法以有限元计算的TC4合金直接能量沉积过程中前n个时刻的2D/3D温度场图像和部分实验数据为训练集，预测第n+1时刻的温度场，从而实现直接能量沉积过程的温度场演化模拟。为了保证预测结果的可靠性，采用验证集方法对数据驱动计算模型进行测试，适当的实验数据对模型进行校正。结果表明，提出的数据驱动计算模型能够准确地预测熔池中心的平均温度和打印件的实时温度分布，此外与传统物理模型相比，其计算效率得到极大提升。
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  低频振动辅助固溶态7075铝合金摩擦行为和拉深成形性能

  张稳, 李琦, 许亚坤, 庄新村, 赵震

  塑性工程学报. 2023, 30(6): 176-186. https://doi.org/10.3969/j.issn.1007-2012.2023.06.016

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  采用电液式激振设备在固溶态7075铝板(7075-WT)摩擦实验和拉深成形过程中施加低频振动场，探究低频振动对7075-WT拉深成形中摩擦行为及拉深性能的影响。结果表明，低频振动场下减小振幅和增大振频均有助于改善犁沟效应，降低坯料和模具之间的摩擦力。低频振动辅助拉深成形中，振动场对材料的软化效应和减摩效应显著影响杯型件的厚度分布及拉深极限。其中，当振频为30 Hz时，与0.243 mm振幅相比，0.078 mm的小振幅使7075-WT杯型件厚度分布更加均匀，极限拉深深度提升153.46%。在0.125 mm振幅、20～30 Hz振频条件下，厚度均匀性和极限拉深深度随振频的提高而降低。
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  超声振动辅助微压印成形及其作用机制

  翟继强, 管延锦, 陈凤娇, 林军, 初宏强

  塑性工程学报. 2023, 30(6): 187-193. https://doi.org/10.3969/j.issn.1007-2012.2023.06.017

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  进行了不同条件下的超声振动辅助微压印实验，并利用有限元方法分析了实验结果。结果表明，坯料高度较小时，超声振动能够显著提高微圆柱压印高度，最大增幅为350%。微圆柱压印高度随着超声作用时间的增加而增加，但当超声作用时间超过10 s后，材料达到超声振动条件下的成形极限，继续延长超声作用时间不再有明显的作用。超声表面效应使摩擦因数降低了76.4%，对微圆柱压印高度的增长起到主要作用，贡献率为94.8%，超声体积效应使材料流动应力下降了16.8 MPa，对微圆柱压印高度增长的贡献率仅为5.2%。
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  脉冲电流对T2纯铜/304不锈钢复合薄带变形性能与组织的影响

  张浩然, 丁青山, 刘晓, 任忠凯, 王涛

  塑性工程学报. 2023, 30(6): 194-206. https://doi.org/10.3969/j.issn.1007-2012.2023.06.018

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  为了研究脉冲电流大小和频率与T2纯铜/304不锈钢复合薄带的强度和延展性等力学性能之间的关系，通过冷轧结合450和970 ℃两种温度的退火工艺制备了软硬两种状态的复合薄带，并分别对其进行了脉冲电流辅助单向拉伸试验。通过微观组织与断口形貌观察分析了复合薄带变形机制与脉冲电流的作用机理。结果表明，脉冲电流会引起复合薄带的软化，同时导致伸长率降低。当频率不变时，随着电流的增大，纯铜/不锈钢复合薄带的软化与伸长率降低的现象愈加显著；但电流一定时，改变频率对软化效果影响并不明显。脉冲电流对复合薄带性能的影响源于其对钢侧变形协调机制的调控，通过抑制奥氏体的孪生与相变过程降低了复合薄带整体变形抗力。拥有奥氏体再结晶组织的软态复合薄带表现出的软化现象比拥有轧制变形组织的硬态复合薄带更加显著。
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  Ti-55高温钛合金纯电塑性效应试验研究

  王亚, 杨文兵, 杨豆豆, 刘太盈, 王斌, 叶福田, 李细锋

  塑性工程学报. 2023, 30(6): 207-213. https://doi.org/10.3969/j.issn.1007-2012.2023.06.019

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  通过电辅助等温拉伸与常规等温拉伸试验研究了脉冲电流对Ti-55高温钛合金拉伸变形行为的影响，并采用扫描电镜观察了Ti-55高温钛合金在不同条件下的微观组织与断口形貌变化。结果表明，Ti-55高温钛合金存在较为明显的纯电塑性效应，电辅助拉伸相较于常规等温拉伸在降低高温钛合金变形抗力与屈强比方面有着更显著的作用；电辅助变形试样的平均晶粒面积及小角度晶界所占比例在600 ℃时都大于常规热变形，700 ℃数据结果反转，说明电辅助作用下Ti-55高温钛合金发生动态再结晶所需的温度低于常规热变形；纯电塑性效应的存在增加了Ti-55高温钛合金微孔聚集性断裂的倾向。
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  大口径5A06铝合金带焊缝波纹管电磁成形工艺机理

  时恬, 黄亮, 张会萍, 谢冰鑫, 徐佳辉, 李建军, 王煜, 扆利辉

  塑性工程学报. 2023, 30(6): 214-221. https://doi.org/10.3969/j.issn.1007-2012.2023.06.020

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  针对大口径5A06铝合金带焊缝波纹管采用传统工艺成形困难的问题，开展了带焊缝波纹管电磁成形工艺机理的研究。基于有限元软件LS-DYNA R8建立了大口径5A06铝合金带焊缝波纹管电磁成形有限元模型。基于电磁成形过程中管件成形过程、所受电磁力分布和变形历史的分析揭示了带焊缝波纹管电磁成形工艺的成形机理。结果表明，在带焊缝波纹管电磁成形过程中，管件发生多次“碰撞—反弹”的周期性变化，焊缝处材料的变形略微早于母材；管件受到的电磁力沿厚度方向由内到外逐渐降低；碰撞效应引起管件的能量损耗与应力释放，管件反弹量随着碰撞后应力的重新分配逐渐减小，进而实现带焊缝波纹管的高精度成形。
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  基于响应曲面法的激光辅助机器人双点滚压成形回弹控制

  汪锦成, 刘亿, 闵峻英

  塑性工程学报. 2023, 30(6): 222-230. https://doi.org/10.3969/j.issn.1007-2012.2023.06.021

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  针对超高强钢难成形的问题，提出了激光辅助机器人双点滚压成形工艺。以弯曲为例，研究了激光功率密度对弯曲零件回弹的影响，并基于响应曲面法，以回弹角度为目标函数，成形载荷为约束条件优化了角度增量和工业机器人位移补偿参数。结果表明，超高强钢零件回弹角度随着激光功率密度的增大而减小，激光功率密度为125 W·mm^-2时零件回弹角度相较于常温成形减小了78.5%，但回弹减小趋势随着激光功率密度继续增大趋于平缓；将激光功率密度固定为125 W·mm^-2，进一步通过响应曲面法将成形过程载荷控制在600～900 N范围内，得到了优化的4道次角度增量和两滚轮位移补偿值，相较于优化前的4道次成形策略，弯曲零件的回弹角度从6.0°降低到接近于0°。响应曲面法可用于优化机器人双点滚压成形工艺参数，从而显著降低滚压成形零件的回弹并且提高成形效率。
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  基于感应加热的聚醚醚酮注射成型工艺研究

  杨靖辉, 颉俊, 郭政川, 郑建国, 赵朋

  塑性工程学报. 2023, 30(6): 231-238. https://doi.org/10.3969/j.issn.1007-2012.2023.06.022

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  为提高聚醚醚酮制品的成型质量和性能，创新性地将电磁感应加热方式引入聚醚醚酮注射成型工艺中。首先，建立了模具感应加热的仿真模型，仿真得到加热后的温度分布以及相关的加热参数。然后，开展了模具感应加热和油加热的对比实验研究，油加热存在较大的温度耗散，感应加热根据模具初始温度的不同，仅需15～65 s即可将模具温度加热至聚醚醚酮的加工窗口。最后，对比了两种加热方式下聚醚醚酮制品的表面质量和力学性能。结果表明，相比于油加热，感应加热使聚醚醚酮制品的表面粗糙度降低9.5%～27.3%，拉伸性能提升8%以上，弯曲性能提升23%以上。
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  脉冲电流辅助作用下纳米晶Ni箔低应变速率变形行为及成形工艺

  杜金洋, 李超, 陈子帅, 邹庆

  塑性工程学报. 2023, 30(6): 239-248. https://doi.org/10.3969/j.issn.1007-2012.2023.06.023

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  针对纳米晶金属箔材塑性成形性能低和成形困难的问题，以纳米晶Ni箔为研究对象，研究了脉冲电流辅助作用下其单向拉伸、低应变速率条件下的变形行为。采用SEM和TEM观察了拉伸试样的断口形貌及微观组织变化。结果表明，随着脉冲峰值电流密度的提高，纳米晶Ni箔的成形性能明显改善，在温度为350 ℃、应变速率为7×10^-4 s^-1，峰值电流密度为500 A·mm^-2时，添加了3%ZrO₂的Ni箔的伸长率达到12.3%。显微组织及织构分析表明，脉冲电流的施加改变了材料的断裂类型，并在一定程度上影响了晶粒内部及晶界处的位错运动，进一步增强了纳米晶粒以箔材厚度方向为轴的转动性，从而提升了材料的变形性能。此外，根据材料的变形特点，改进或提出了几种脉冲电流辅助纳米晶金属箔材成形方法。