先進(jìn)成形技術(shù)與裝備

1、上盛理工人號(hào)研究生課程（論文類）試卷2 010/2 011 學(xué)年第1學(xué)期課程名稱： 機(jī)械工程發(fā)展現(xiàn)狀課程代碼：論文題目：先進(jìn)成形技術(shù)與裝備學(xué)生姓名：專業(yè)、學(xué)號(hào)：學(xué)院：先進(jìn)成形技術(shù)與裝備一、前言制造業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的物質(zhì)基礎(chǔ)和產(chǎn)業(yè)主體，是經(jīng)濟(jì)高速增長(zhǎng)的發(fā)動(dòng)機(jī)和國(guó)家 安全的重要保障，也是科學(xué)技術(shù)的基本載體，而裝備制造業(yè)則是制造業(yè)的基礎(chǔ)產(chǎn) 業(yè)，作為裝備制造業(yè)發(fā)展的核心技術(shù)，成形加工技術(shù)對(duì)我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和國(guó) 防力量的增強(qiáng)有重要作用。例如，全世界鋼材的75%要進(jìn)行塑性加工，65%的鋼材 要用焊接得以成形。我國(guó)更是世界鑄造、塑性成形、焊接的第一大國(guó)。以鑄造為 例，我國(guó)鑄件產(chǎn)量從2000年起已連續(xù)8年位居世

2、界第一，2007年我國(guó)鑄件的年 產(chǎn)量已超過2800萬(wàn)噸。先進(jìn)成形技術(shù)代表成形技術(shù)的發(fā)展方向，一直得到國(guó)家的 高度關(guān)注。先進(jìn)成形技術(shù)是不斷地吸收機(jī)械、電子、信息、材料以及現(xiàn)代管理技術(shù)等方 面的成果，并將其綜合應(yīng)用于成形加工產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、檢測(cè)、管理、銷售、使 用、服務(wù)的全過程，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、清潔、靈活生產(chǎn)，取得很好經(jīng)濟(jì)效 果的成形技術(shù)的總稱。先進(jìn)成形技術(shù)在發(fā)展的過程中不斷吸收高新技術(shù)的優(yōu)秀成 果并且相互滲透、融合和衍生。同時(shí)，先進(jìn)成形技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了相關(guān)裝備制造 能力的提高。二、信息技術(shù)加速與先進(jìn)成形融合為滿足用戶對(duì)產(chǎn)品大容量、高參數(shù)、自動(dòng)化等的要求，應(yīng)用先進(jìn)成形生產(chǎn)的 產(chǎn)品必須融入信息

3、技術(shù)，使產(chǎn)品和裝備數(shù)字化和智能化。而分布式網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多 媒體技術(shù)、多網(wǎng)融合、供應(yīng)鏈管理、協(xié)同商務(wù)、網(wǎng)絡(luò)化服務(wù)、數(shù)據(jù)挖掘、商務(wù)智 能、高可靠與高可信等信息通信技術(shù)對(duì)先進(jìn)成形業(yè)的巨大支撐作用將受到更多重 視和深入應(yīng)用。信息技術(shù)在冶金工業(yè)的應(yīng)用方向瞄準(zhǔn)全工序無(wú)人化，裝備制造業(yè)的信息化趨 勢(shì)主要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)共享和人機(jī)智能交互。而在先進(jìn)成形技術(shù)方面，國(guó)外幾乎所有 的大型生產(chǎn)企業(yè)都致力于推動(dòng)先進(jìn)成形生產(chǎn)的智能化進(jìn)程。豐田汽車公司Honsha 工廠熱鍛車間的轉(zhuǎn)向節(jié)鍛造生產(chǎn)線的主機(jī)為一臺(tái)35 MN熱模鍛壓力機(jī)，線上采用 了多臺(tái)機(jī)器人，可分別完成鍛件的自動(dòng)下料、余熱淬火、搬運(yùn)、碼垛等動(dòng)作。另 外，該生產(chǎn)線還實(shí)現(xiàn)了

4、對(duì)鍛件、模具溫度在較大區(qū)域內(nèi)的實(shí)時(shí)檢測(cè)，獲得的表面 溫度場(chǎng)以彩色圖像的形式直觀地展現(xiàn)在顯示屏上，從而可將鍛后淬火溫度控制在 較小的波動(dòng)范圍以內(nèi)，有效保障了鍛件的組織和內(nèi)在質(zhì)量。當(dāng)前，先進(jìn)成形產(chǎn)業(yè)信息資源的有效共享并未形成，信息孤島問題嚴(yán)重，網(wǎng) 絡(luò)協(xié)同和集成技術(shù)是實(shí)現(xiàn)信息資源深層次共享的關(guān)鍵，因此協(xié)同商務(wù)、網(wǎng)絡(luò)化制 造、企業(yè)級(jí)的信息集成是先進(jìn)成形產(chǎn)業(yè)深層信息化的大趨勢(shì)。三、數(shù)字技術(shù)已經(jīng)貫穿于成形始終為了提高成形制造的質(zhì)量，特別是在大型零件制造中，減少試驗(yàn)工作量以實(shí) 現(xiàn)一次制造成功，計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)獲得了飛速發(fā)展。根據(jù)美國(guó)科學(xué)研究院工 程技術(shù)委員會(huì)的測(cè)算，模擬仿真可提高產(chǎn)品質(zhì)量515倍，增加材料

5、出品率25%， 降低工程技術(shù)成本13%30%，降低人工成本5%20%，提高投入設(shè)備利用率30% 60%，縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)和試制周期30%60%等。波音公司采用的現(xiàn)代產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng) 將新產(chǎn)品研制周期從8年縮短到5年，工程返工量減少了50%。日本豐田汽車公 司在研制2002年嘉美新車型時(shí)縮短了研發(fā)周期10個(gè)月，減少了試驗(yàn)樣車數(shù)量 65%。美國(guó)底特律柴油機(jī)公司研發(fā)1臺(tái)V6型柴油機(jī)的研發(fā)周期只用了7.5個(gè)月。 美國(guó)汽車工業(yè)希望汽車的研發(fā)周期縮短為1525個(gè)月，而20世紀(jì)90年代汽車的 研發(fā)周期為5年；虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)則是一種集成多種模擬仿真的技術(shù)。德國(guó)弗勞恩 霍夫應(yīng)用研究促進(jìn)協(xié)會(huì)形成了核心技術(shù)并在虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域有

6、嶄新的工藝應(yīng)用(圖 1),而作為一種用于不同工業(yè)中的關(guān)鍵專利技術(shù)，虛擬現(xiàn)實(shí)已廣為人知。1991年 德國(guó)弗勞恩霍夫應(yīng)用研究促進(jìn)協(xié)會(huì)也成為歐洲第一個(gè)從事虛擬領(lǐng)域的研發(fā)組織 之一。目前，國(guó)外已經(jīng)擁有成熟的虛擬現(xiàn)實(shí)軟件系統(tǒng)、沉浸投影技術(shù)、三維交互 技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)應(yīng)用軟件，同時(shí)有位置跟蹤器等硬件配套設(shè)施。圖1轎車生產(chǎn)線虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景為了加快產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造，發(fā)展了板材數(shù)字化成形技術(shù)與快速成形/制造技 術(shù)。板材數(shù)字化成形技術(shù)包括多點(diǎn)成形及漸進(jìn)成形，通過離散數(shù)字化模具代替整 體模具或?qū)⑷S形狀分解成一系列二維層進(jìn)行數(shù)字化成形。早在1999年美國(guó)麻 省理工學(xué)院與航空部門合作投資1 400多萬(wàn)美元開發(fā)了飛機(jī)蒙

7、皮的數(shù)字化成形 裝置。我國(guó)在多點(diǎn)數(shù)字化成形技術(shù)研究與裝備開發(fā)方面已經(jīng)走在世界前列，目前 已在多個(gè)領(lǐng)域推廣應(yīng)用。多點(diǎn)成形技術(shù)在倍受關(guān)注的2008年北京奧運(yùn)會(huì)主會(huì)場(chǎng) 國(guó)家體育場(chǎng)(“鳥巢”)工程中的應(yīng)用是建筑領(lǐng)域中一個(gè)較典型的應(yīng)用實(shí)例。 數(shù)控漸進(jìn)成形工藝是一種通過數(shù)字控制設(shè)備，采用預(yù)先編制好的控制程序逐點(diǎn)成 形板料零件的柔性加工工藝，適合于航天、汽車工業(yè)等的小批量、多品種、形狀 復(fù)雜的板料零件加工，有著十分誘人的發(fā)展前景?？焖俪尚?Rapid prototyping, RP)技術(shù)一直保持著快速發(fā)展的勢(shì)頭，并逐 漸成為現(xiàn)代制造技術(shù)的主要發(fā)展方向之一。經(jīng)過20多年的發(fā)展，RP已突破了設(shè) 計(jì)評(píng)價(jià)功能的范疇

8、，而進(jìn)入了快速制造(Rapid manufacturing, RM)領(lǐng)域。美國(guó)、 歐洲、日本都站在21世紀(jì)世界制造業(yè)全球競(jìng)爭(zhēng)的戰(zhàn)略高度來(lái)對(duì)待RP/RM技術(shù)。 以金屬件直接快速制造為例，美國(guó)采用激光近凈成形工藝通過激光束的掃描金屬 粉末材料，使其逐層堆積，已制造出鋁合金、鈦合金、鎢合金等半精化的毛坯， 其精度超過傳統(tǒng)閉式模鍛的水平，而質(zhì)量也達(dá)到甚至超過整體鍛壓所達(dá)到的金屬 內(nèi)部質(zhì)量，在航天、航空、國(guó)防等領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用前景。目前，陜西、湖北、深圳、天津、寧波建立的五個(gè)RP技術(shù)服務(wù)中心已為數(shù)百家企業(yè)提供RP制件。四、綠色成形技術(shù)將越來(lái)越受到重視為了改善人類生存環(huán)境，綠色成形技術(shù)以及再制造技術(shù)也在

9、不斷發(fā)展。綠色 成形與改性技術(shù)是采用無(wú)毒、無(wú)害的原材料和輔助材料，清潔的能源以及高效、 節(jié)能、降耗的先進(jìn)工藝與設(shè)備，使得材料成形與改性過程資源消耗極小，環(huán)境負(fù) 面影響極小，職業(yè)健康危害最小。如：納米技術(shù)的逐步成熟推動(dòng)了一些綠色成形 技術(shù)的應(yīng)用。運(yùn)用納米技術(shù)開發(fā)的潤(rùn)滑劑，既能在物體表面形成半永久性的固態(tài) 膜，產(chǎn)生極好的潤(rùn)滑作用，得以大大降低機(jī)器設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)噪聲，又能延長(zhǎng)它的使 用壽命。納米材料涂層能大大提高遮擋電磁波和紫外線的性能。砂型數(shù)控切削技術(shù)是建立在數(shù)控技術(shù)、鑄造技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等多學(xué)科技術(shù) 成果基礎(chǔ)之上的一種無(wú)模鑄型加工技術(shù)。它采用數(shù)控切削方法，利用三維造型軟 件設(shè)計(jì)CAD模型，通過接口軟

10、件轉(zhuǎn)化為可以直接驅(qū)動(dòng)數(shù)控切削成形機(jī)的數(shù)控指 令，成形機(jī)根據(jù)數(shù)控指令直接加工復(fù)雜大型的砂鑄型。該技術(shù)省去了模具制造環(huán) 節(jié)，提高了鑄型的加工精度，同時(shí)使鑄件厚度降低、剛性提高、重量減輕，非常 適合于單件小批量鑄件的無(wú)模快速制造，尤其是大型復(fù)雜鑄件的制造。整個(gè)加工 過程是在封閉的環(huán)境中進(jìn)行的，無(wú)廢氣或粉塵污染，解決了傳統(tǒng)鑄型加工車間廢 氣、粉塵污染嚴(yán)重的問題，而且使用該方法切削產(chǎn)生的廢料還可以二次利用，作 為下批鑄型的制造原料，節(jié)約了原材料。五、精密成形逐漸成為成形技術(shù)重點(diǎn)近凈成形和近無(wú)缺陷成形是精密成形與綠色成形技術(shù)的綜合，應(yīng)用先進(jìn)近凈 成形技術(shù)生產(chǎn)的零件具有精密化、輕量化、高質(zhì)量和高精度、形狀復(fù)

11、雜、生產(chǎn)效 率高的特點(diǎn)。國(guó)外鋁、鎂、鈦合金及高溫合金等輕合金和難變形合金的精密成形在近幾年 得到較快發(fā)展。美國(guó)普拉特一惠特尼公司采用等溫模鍛Ti-6Al-4V鈦合金葉片， 由于模鍛精度較高，連榫槽也能鍛出，基本上不需要機(jī)械加工。美國(guó)PCC公司制 造了直徑達(dá)2 m的GE90發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇輪轂，是目前世界上最大的鈦合金精鑄件之 一，其鑄造尺寸公差可達(dá)0.13mm，最小壁厚達(dá)1.02.0山山。目前，美國(guó)鋁業(yè) 公司、英國(guó)考斯沃斯公司、德國(guó)KMAB公司、意大利PROCECME公司采用真空增壓 技術(shù)，生產(chǎn)戰(zhàn)車輪轂、火炮搖架及托架、巡航導(dǎo)彈艙體、戰(zhàn)機(jī)空心葉片等復(fù)雜鑄 件，真空度、疏松度穩(wěn)定地達(dá)到1級(jí)。在汽車工業(yè)

12、中Cosworth鑄造（采用鋯砂砂 芯組合并用電磁泵控制澆注）、消失模鑄造及壓力鑄造已成為新一代汽車薄壁、 高質(zhì)量輕合金缸體鑄件的三種主要精確鑄造成形方法。國(guó)外黑色金屬冷鍛精密塑 性成形技術(shù)一一中空徑向分流冷鍛技術(shù)、多工位溫一冷復(fù)合成形技術(shù)等，其鍛件 的徑向精度可達(dá)到0.02mm，形位公差小于0.04 mm，機(jī)加工余量?jī)H留0.15mm磨削 余量，省去了大量的車、銑等粗切削加工，真正實(shí)現(xiàn)了凈形成形。在激光一電弧 復(fù)合焊方面，國(guó)外圍繞著碳鋼、不銹鋼、鋁合金等金屬材料薄板和中等厚度板進(jìn) 行了相關(guān)的工藝研究和設(shè)備開發(fā)，研究成果已應(yīng)用到了汽車、造船等領(lǐng)域。我國(guó)在近凈成形技術(shù)領(lǐng)域起步較晚，近幾年重點(diǎn)發(fā)展了

13、熔模精密鑄造、陶瓷 型精密鑄造、熱鍛、冷精壓、成形軋制、精沖和超塑成形、電子束焊接、水下焊 接和切割、逆變焊接電源及藥芯焊絲制造等新技術(shù)。汽車前軸精密輥鍛和模鍛復(fù) 合工藝的采用使生產(chǎn)線投資僅為萬(wàn)噸熱模鍛壓力機(jī)為主方案的1/81/5。到目前 為止，我國(guó)已基本掌握了精密切割、氣體保護(hù)焊及埋弓瓜自動(dòng)焊等先進(jìn)技術(shù)。焊接 成套設(shè)備、焊接機(jī)器人，焊接生產(chǎn)線和柔性制造系統(tǒng)也得到實(shí)際應(yīng)用。六、輕金屬等新材料成形獲得較快發(fā)展近年來(lái)，北美、歐洲和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家相繼加大了對(duì)輕金屬等新材料開發(fā)與 應(yīng)用研究的投入。鋁、鎂、鈦等輕合金的成形在近幾年得到較快發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計(jì)資 料介紹，目前鋁合金鑄件在鑄件總量構(gòu)成比例中，美國(guó)為

14、 14%，日本為18%，德國(guó) 為13%，我國(guó)為5%。美國(guó)波音767飛機(jī)上的燃油增壓泵殼，其外型和結(jié)構(gòu)非常復(fù) 雜，采用A356鋁合金直接澆注成型。采用鎂合金飛行器結(jié)構(gòu)件來(lái)取代鋁合金， 能減重37%，大大改善飛行器的氣體動(dòng)力學(xué)性能，顯著增加飛行器的有效載荷。 俄羅斯、西方工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家用鎂合金制造飛行器的承力構(gòu)件，如航空發(fā)動(dòng)機(jī)和傳 動(dòng)系統(tǒng)、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈艙體、魚雷殼體和雷達(dá)衛(wèi)星上的主支撐構(gòu)架。對(duì)于鈦合金，登 月飛船機(jī)身、大型武器裝備的倉(cāng)體、進(jìn)氣道，化工、船舶的泵、閥，D-46012鼓 風(fēng)機(jī)葉輪等鈦合金鑄件最大尺寸均在1 000 mm以上，有的尺寸達(dá)1 5002 000 mm。我國(guó)的鈦合金精鑄技術(shù)近年雖取得

15、了長(zhǎng)足進(jìn)步，目前僅能夠生產(chǎn)940 mm以 下的鈦合金精鑄件。目前新材料、輕金屬材料應(yīng)用和研究重點(diǎn)開始從宇航和兵工等領(lǐng)域擴(kuò)展到民 用高附加值產(chǎn)業(yè)（如汽車、計(jì)算機(jī)、通信和家電等）。特別是由于節(jié)能和環(huán)境保護(hù) 的要求，汽車將成為應(yīng)用的重要領(lǐng)域。美BFreedom CAR及新一代汽車發(fā)展計(jì)劃 中關(guān)于汽車輕量化材料研究提出，到2010年，通過汽車車身及底盤零件的輕量 化降低零部件重量50%，達(dá)到汽車總重降低40%的研究目標(biāo)。目前，在歐洲每輛轎 車的輕合金平均用量已超過120 kg，占轎車自重的10%，其中鋁合金鍛件達(dá)到了 30 kg（其余是鋁合金鑄件），在某些結(jié)構(gòu)部位呈現(xiàn)出“以鋁代鋼”的趨勢(shì)。我國(guó) 目前每

16、輛汽車輕合金用量約為國(guó)外先進(jìn)水平的50%左右?，F(xiàn)階段，使用高強(qiáng)度鋼 板制造沖壓件是實(shí)現(xiàn)汽車輕量化并提高車輛碰撞被動(dòng)安全性的一種有效方法，這 一點(diǎn)已經(jīng)被廣大汽車制造商所認(rèn)同。溫?zé)岢尚渭夹g(shù)是目前國(guó)際上用于高強(qiáng)度汽車板沖壓成形的最新技術(shù)，工藝流 程圖如圖2所示。據(jù)2004年公布的由全球33個(gè)大鋼鐵公司支持的超輕鋼制車體 先進(jìn)概念車項(xiàng)目的研究結(jié)果表明，該項(xiàng)技術(shù)可以使車身減輕重量33%，成本 卻比鋁制車身減少30%，而且通過了美國(guó)的正面和側(cè)面碰撞安全性能測(cè)試，同時(shí) 通過了歐洲混合碰撞的評(píng)估，碰撞安全等級(jí)達(dá)到最高級(jí)。因而該技術(shù)備受汽車制 造商的青睞，迅速成為汽車制造業(yè)的熱門技術(shù)。（a）下料 （b）加熱（c

17、）成形和淬火1.自動(dòng)化傳送裝置2.板料加熱系統(tǒng)3.模具冷卻裝置4.冷卻管道5.成形模具圖2溫?zé)岢尚喂に嚵鞒唐摺⒔Y(jié)論近四十年來(lái)，伴隨著機(jī)電一體化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息和控制技術(shù)等的快 速發(fā)展，促進(jìn)了成形過程的自動(dòng)化、精密化、智能化和柔性化，大量?jī)?yōu)質(zhì)、高效、 少無(wú)切削的新型成形技術(shù)發(fā)展并在工業(yè)中獲得廣泛應(yīng)用，與此同時(shí)與成形技術(shù)相 匹配的加工設(shè)備也獲得了快速發(fā)展。先進(jìn)成形制造技術(shù)正向低能耗、低成本、高 效率、精密化、綠色化、無(wú)人化、柔性化、智能化的方向發(fā)展，未來(lái)的先進(jìn)成形 技術(shù)與裝備將遵循以下原則。管理信息化。信息化技術(shù)在制造全過程的作用越來(lái)越重要，隨著網(wǎng)絡(luò)協(xié) 同和集成技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，先進(jìn)成形產(chǎn)業(yè)

18、將實(shí)現(xiàn)管理的全程信息化，使信息資 源能夠有效共享。成形數(shù)字化。數(shù)字成形作為新的成形技術(shù)和成形模式，已成為推動(dòng)21世 紀(jì)制造業(yè)發(fā)展的強(qiáng)大動(dòng)力?？刂浦悄芑?。隨著人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，為滿足制造業(yè)生產(chǎn)柔性化、 制造自動(dòng)化發(fā)展需求，成形技術(shù)智能化程度不斷提高，實(shí)現(xiàn)控制過程智能化和提 高成形質(zhì)量是成形控制的發(fā)展趨勢(shì)。環(huán)境友好化。先進(jìn)成形技術(shù)將更加注意環(huán)境保護(hù)，提倡綠色節(jié)能成形加 工技術(shù)，各種節(jié)能節(jié)材及少、無(wú)污染成形與改性技術(shù)、循環(huán)再利用技術(shù)將獲得較 快發(fā)展。產(chǎn)品精密化。成形精度正從近凈成形向凈成形，即近無(wú)余量成形、直接 制成工件的方向發(fā)展，以減少資源的消耗。參考文獻(xiàn)柳百成.我國(guó)制造業(yè)科技發(fā)展戰(zhàn)略J.航空制造技術(shù)，2006(1)： 30-32.柳百成.建模與仿真在裝備制造中的作用與前景J.航空制造技術(shù)，2008(3)： 26-29.顏永年，張人佶，林峰，等.快速制造技術(shù)的發(fā)展道路與發(fā)展趨勢(shì)J.電加工與模具， 2007(2)： 25-29.DANIEL R. G