|
21世紀(jì)的材料成形加工技術(shù)
（作者未知） 2009/10/6
（接上頁）形、固態(tài)塑性成形及連接成形等為代表）技術(shù)，其中成形制造不僅賦予零件以形狀，而且決定了零件的組織結(jié)構(gòu)與性能。
3.1 精確成形加工技術(shù)
近年來出現(xiàn)了很多新的精確成形加工制造技術(shù)。在汽車工業(yè)中Cosworth鑄造（采用鋯砂砂芯組合并用電磁泵控制澆鑄）、消失模鑄造及壓力鑄造已成為新一代汽車薄壁、高質(zhì)量鋁合金缸體鑄件的3種主要精確鑄造成形方法。許多國家預(yù)測消失模鑄造將成為“明天的鑄造新技術(shù)”。另外，用定向凝固熔模鑄造生產(chǎn)的高溫合金單晶體燃汽輪機葉片也是精確成形鑄造技術(shù)在航空航天工業(yè)中應(yīng)用的杰出體現(xiàn)。
在轎車工業(yè)中還有很多材料精確成形新工藝，如用精確鍛造成形技術(shù)生產(chǎn)凸輪軸等零件、液壓脹形技術(shù)、半固態(tài)成形及三維擠壓法等。摩擦壓力焊新技術(shù)近來也備受人們關(guān)注。
以擠壓鑄造（Squeeze Casting）及半固態(tài)鑄造（Semi-solid Casting）為代表的精確成形技術(shù)由于熔體在壓力下充型、凝固，從而使零件具有好的表面及內(nèi)部質(zhì)量。半固態(tài)鑄造是一種生產(chǎn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、近凈成形、高品質(zhì)鑄件的材料半固態(tài)加工技術(shù)。圖5為半固態(tài)鑄造鋁合金零件在汽車上的應(yīng)用。其區(qū)別于壓力鑄造和鍛壓的主要特征是：材料處于半固態(tài)時在較高壓力（約200MPa）下充型和凝固。材料在壓力作用下凝固可形成細(xì)小的球狀晶粒組織。半固態(tài)鑄造技術(shù)最早在20世紀(jì)70年代由美國麻省理工學(xué)院凝固實驗室研究開發(fā)，并在20世紀(jì)90年代中期因汽車的輕量化得到了快速發(fā)展。
3.2 快速及自由成形加工技術(shù)
隨著全球化及市場的激烈競爭,加快產(chǎn)品開發(fā)速度已成為競爭的重要手段之一。制造業(yè)要滿足日益變化的用戶需求,制造技術(shù)必須具有較強的靈活性,能夠以小批量甚至單件生產(chǎn)迎合市場�？焖僭椭圃旒夹g(shù)(Rapid Prototyping)就是在這樣的社會背景下產(chǎn)生的�？焖僭椭圃旒夹g(shù)以離散/堆積原理為基礎(chǔ)和特征，將零件的電子模型(CAD模型)按一定方式離散成為可加工離散面、離散線和離散點,爾后采用多種手段將這些離散的面、線和點堆積形成零件的整體形狀。有人因該技術(shù)高度的柔性而稱之為“自由成形制造（Free Forming）”。近年來快速原型制造已發(fā)展為快速模具制造(Rapid Tooling)及快速制造(Rapid Manufacturing)，這些技術(shù)能大大縮短產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)周期，解決單件或小批零件的制造問題。
激光加工技術(shù)有多種多樣，包括電子元件的精密微焊接、汽車和船舶制造中的焊接、坯料制造中的切割、雕刻與成形等，其中激光加工自由成形制造技術(shù)也是重要的發(fā)展動向。
4 材料加工制造過程的模擬和仿真
隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，計算材料科學(xué)已成為一門新興的交*學(xué)科，是除實驗和理論外解決材料科學(xué)中實際問題的第3個重要研究方法。它可以比理論和實驗做得更深刻、更全面、更細(xì)致，可以進行一些理論和實驗暫時還做不到的研究。因此，基于知識的材料成形工藝模擬仿真是材料科學(xué)與制造科學(xué)的前沿領(lǐng)域和研究熱點。根據(jù)美國科學(xué)研究院工程技術(shù)委員會的測算, 模擬仿真可提高產(chǎn)品質(zhì)量5～15倍，增加材料出品率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)計和試制周期30%～60%等。
經(jīng)過30多年的不斷發(fā)展，鑄造及鍛造宏觀模擬在工程應(yīng)用中已是一項十分成熟的技術(shù)，已有很多商品化軟件(如PROCAST等)，并在生產(chǎn)中取得顯著的經(jīng)濟及社會效益。例如，長江三峽水輪機的第1個葉輪是從加拿大進口的，價值為960萬美元，而在我國重型制造企業(yè)的共同努力下，長江三峽水輪機葉輪的重62t的不銹鋼葉片，已由德陽中國二重集團鑄造廠于2001年首次試制成功，其鑄造工藝方案采用了先進的計算機模擬仿真技術(shù)，經(jīng)反復(fù)模擬得到了最優(yōu)化的鑄造工藝方案。由國務(wù)院三峽辦、中國機械工業(yè)聯(lián)合會共同主持召開的鑒定委員會專家組認(rèn)為：“該葉片技術(shù)資料齊全，采用了計算機優(yōu)化等先進技術(shù)，符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，達到國際同行業(yè)先進水平�！�
目前，模擬仿真技術(shù)已能用在壓力鑄造、熔模鑄造等精確成形加工工藝中，而焊接過程的模擬仿真研究也取得了可喜的進展。
高性能、高保真、高效率、多學(xué)科及多尺度是模擬仿真技術(shù)的努力目標(biāo)，而微觀組織模擬（從mm、μm到nm尺度）則是近年來研究的新熱點課題。通過計算機模擬，可深入研究材料的結(jié)構(gòu)、組成及其各物理化學(xué)過程中宏觀、微觀變化機制，并由材料成分、結(jié)構(gòu)及制備參數(shù)的最佳組合進行材料設(shè)計。計算材料科學(xué)的研究范圍包括從埃量級的量子力學(xué)計算到連續(xù)介質(zhì)層次的有限元或有限差分模型分析，此范圍可分為4個層次：納米級、微觀、介觀及宏觀層次。在國外，多尺度模擬已在汽車及航天工業(yè)中得到應(yīng)用。 <（未完，下一頁）
|