原创 王斌 李细锋 中国机械工程学会 收录于话题 #科学问题 2个
编者按：2018年以来，中国科协组织全国学会等科技共同体，面向国内外科技共同体和广大科技工作者征集遴选最受关注的前沿科学问题和工程技术难题，在每年召开的中国科协年会上发布。四年来，经评选共发布了不同领域的130个问题难题。中国机械工程学会连续四年参与组织推荐，计有4个问题难题入选发布名单，本问题即为我会推荐入选的中国科协2020重大科学问题之一。我会塑性工程分会、北京星航机电装备有限公司的王斌总师和上海交通大学模具CAD国家工程研究中心李细锋教授为本问题的首推单位和推荐人。
标题解析
特种能场：特指电场、电磁场、超声场和激光等能量场。
特种能场辅助制造：用电、磁、声、光等特殊能量源，对零件变形成形过程进行有效调控，在宏观尺度下降低零件制造难度、提高成形精度、改善材料微观组织、优化构件力学性能、提高表面质量等。
工程背景
针对航空航天、交通运输等领域对轻量化和安全性的持续需求，更多的高强材料（超高强度钢、轻合金、复合材料和金属间化合物等）应用于复杂构件。随着材料强度的提高，制造难度显著提高，成形缺陷则更难控制。而通过系统深入的研究证明特种能场辅助成形技术在提高此类材料的成形效率和质量方面具有显著优势。特种能场在宏观尺度下对于降低复杂构件制造难度、提高成形精度、优化材料微观组织、提升构件综合力学性能、改善表面质量等方面都有显著的效果，而且特种能场辅助制造技术在提高生产效率和降低制造成本方面也显示出巨大的优势。
科学发现
现有的研究表明特种能场（包括电场、电磁场、超声场和激光等）在突破高强难变形材料制造瓶颈具有巨大潜力。在脉冲电流的作用下，材料通常会出现塑性提高、流动应力降低的现象，即电致塑性效应，其主要包括焦耳热、磁压缩、趋肤和纯电塑性，其中磁压缩和趋肤效应可忽略。电磁成形是通过高压电容器对线圈快速放电产生脉冲磁场，从而在金属材料上产生感应电流，并瞬间形成脉冲电磁力，使材料应变速率达到103s-1以上，极大地提高难变形轻合金材料的成形极限。超声振动辅助成形的特点主要表现为材料成形力下降、流动情况改变以及材料与工具接触条件改善所带来的表面质量提高等，通常从“体积效应”以及“表面效应”两方面来进行解释。激光热成形是一个异常复杂的瞬态热力耦合过程，随着光斑大小、激光扫描速度、材料的热物理性能、板材几何参数以及周围环境的差异所形成的温度场不同，材料最后的变形状态也不同，其成形机理主要包括温度梯度机理、屈曲机理和增厚机理。
工程应用
合理利用特种能场与材料相互作用的多种效应或机理，突破高强难成形材料的制造瓶颈，为我国航空航天、交通运输等重点领域的关键核心部件制造提供新工艺，将极大地促进新型高强难成形材料和先进制造技术的发展与应用。
应用之一：飞机大型蒙皮
在C919和C929国产大飞机的研制过程中，为了减重的需求，越来越多的采用铝锂合金和钛合金蒙皮，由于蒙皮尺寸大，可达数米，采用传统热成形工艺投资大、能耗高，不符合绿色制造发展的趋势，而冷成形此类构件所需设备吨位大，而且存在容易拉裂、表面容易出现橘皮、回弹量大等问题，无法达到设计要求。若采用脉冲电流辅助拉形和拉弯工艺，利用脉冲电流的电致塑性效应，能大幅降低材料的流变应力，显著提高铝锂合金和钛合金等难变形材料的成形性能，非常有希望突破现有的技术瓶颈，满足我国关键领域的核心部件制造需求。
应用之二：小电极的压印
双极板是燃料电池的核心部件之一，其精度要求非常高，在厚度仅为1mm左右的300mm×400mm标准极板上，分布着密密麻麻的流道，精度达到微米级。如果打个比方，足球场大概是100m×70m，每个草坪有上千万根草，高度误差应该控制在1mm以内。近年来，日本、欧洲企业研制出钛合金双极板，取代了传统的石墨双极板。如果中国企业无法制造这种部件，国内汽车企业就只能依赖进口。若采用脉冲电流辅助微压印工艺，利用脉冲电流的电致塑性效应，提高不锈钢薄板的成形性，可将压印深度增大约41%，并降低成形后的残余应力，大幅提高产品的成形精度。
科学问题
特种能场辅助制造技术已成为各国研究人员研究的热点方向，近几年发表的相关学术论文快速增长，不断向工业化应用积极推广。未来面临的关键难点与挑战主要包括两个方面：①特种能场作用效应或机理的量化与微观机理。目前，特种能场提高新型材料的塑性变形性能和优化微观组织，还是定性描述或者间接推导。特种能场对材料的作用一般包含多种效应或者机理，如何定量地描述特种能场的多种效应或者机理并解耦分析，如何判断哪个效应或者机理占主导地位，如何实时观察特种能场对材料微观组织的影响规律，目前能原位观察传统温度场对微观组织的作用过程，而现有的微观分析设备对特种能场微观作用机制的原位观察还未能企及，这些问题是揭示特种能场作用效应和机理的科学基础，也是合理应用特种能场辅助制造技术的科学基础。②特种能场作用下的力学模型。力学模型是塑性成形有限元模拟的理论基础，现有的力学模型主要针对常规的塑性成形过程或者考虑了传统温度场的影响。如何把特种能场作用效果和关键参数嵌入到现有的力学模型，正确描述特种能场作用下的材料变形与失效行为，是开展特种能场辅助制造过程有限元模拟的理论基础，也是合理优化工艺参数的关键。
本文由中国机械工程学会学术处于宏丽编辑，学术处将持续跟踪该问题的科研进展及工程应用成果，如有相关进展或成果推荐，欢迎联系我们（010-68799044, yuhl@cmes.org）。
原标题：《中国科协2020重大科学问题解读——特种能场辅助制造的科学原理是什么》