精密成形技術(shù)發(fā)展前沿

1、精密成形技術(shù)發(fā)展前沿李敏賢閔乃燕安桂華陳世興1 精密成形技術(shù)的內(nèi)涵及作用 1.1內(nèi)涵 精密成形技術(shù)是指零件成形后，僅需少量加工或不再加工（近凈成形技術(shù)，near net shape technique；或凈成形技術(shù)，net shape technique），就可用作機(jī)械構(gòu)件的成形技術(shù)。它 是建立在新材料、新能源、信息技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)等多學(xué)科高新技術(shù)成果的基礎(chǔ)上，改造了 傳統(tǒng)的毛坯成形技術(shù)，使之由粗糙成形變?yōu)閮?yōu)質(zhì)、高效、高精度、輕量化、低成本、無公害 的成形。它使得成形的機(jī)械構(gòu)件具有精確的外形、高的尺寸精度和形位精度、好的表面粗糙 度。該項(xiàng)技術(shù)包括近凈形鑄造成形、精確塑性成形、精確連接、精密熱處

2、理、表面改性等專 業(yè)領(lǐng)域，是新工藝、新材料、新裝備以及各項(xiàng)新技術(shù)成果的綜合集成技術(shù)。 精密成形技術(shù)具有以下特點(diǎn)：近凈成形體尺寸及形位精度高，為后續(xù)采用高效、高精加工 提供了理想的毛坯；高效、低消耗、低成本，為縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、降低產(chǎn)品成本提供了 有利條件；可方便、快捷地做出過去很難做出的結(jié)構(gòu)件，為新產(chǎn)品開發(fā)提供有力技術(shù)支撐 ；較傳統(tǒng)成形產(chǎn)品改善生產(chǎn)條件、減少對(duì)環(huán)境污染，成為一種清潔生產(chǎn)技術(shù)，為可持續(xù)發(fā) 展創(chuàng)造有利條件。 1.2作用 精密成形技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)的一個(gè)重要內(nèi)容，幾乎所有的機(jī)械零部件都要通過成形與改性 才能具有所需的形狀及實(shí)用功能。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界約有75%的鋼材要經(jīng)過塑性加工，有45

3、%以 上的鋼材采用焊接技術(shù)得以成形。以汽車為例，據(jù)德國(guó)預(yù)測(cè)，到2000年，汽車總重量的65% 仍將由鋼材（約45%）、鋁合金（約13%）及鑄鐵（約7%）通過鍛壓、焊接或鑄造成形，并通 過熱處理及表面改性獲得最終所需的實(shí)用性能1。在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家精密成形鑄件 已占鑄件總產(chǎn)量的25%30%，而其產(chǎn)值達(dá)到鑄件總產(chǎn)值的50%左右。 精密成形技術(shù)的發(fā)展對(duì)提高一個(gè)國(guó)家的工業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力有重大影響。美國(guó)競(jìng)爭(zhēng)委員會(huì)在1991年向 美國(guó)總統(tǒng)提交的美國(guó)未來技術(shù)優(yōu)先權(quán)的研究報(bào)告中，把精密成形與加工技術(shù)列為美國(guó)處于柔 弱地位的技術(shù)，建議政府予以重視與支持。 我國(guó)制造業(yè)在一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期將獲得快速發(fā)展，據(jù)預(yù)測(cè)一直到2020年制

4、造業(yè)占我國(guó)GDP的 比重將保持在35%左右的較高值，2020年后雖然制造業(yè)的比重呈下降趨勢(shì)，但其絕對(duì)值仍然 不斷增加；預(yù)計(jì)2000年國(guó)內(nèi)機(jī)械產(chǎn)品需求2萬億元，2005年達(dá)3萬億元；到2005年汽車總需求 量為290萬輛330萬輛，其中轎車130萬輛140萬輛。制造業(yè)特別是機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展，要求 生產(chǎn)過程節(jié)約能源、節(jié)約材料、提高資源利用效率，這已成為能否以低成本、高質(zhì)量、高效 率參與國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的十分重要的問題。發(fā)展、應(yīng)用精密成形技術(shù)就是一個(gè)有效途徑。 2現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 2.1現(xiàn)狀 近30年來，精密成形技術(shù)在國(guó)外以很快的速度發(fā)展。大量?jī)?yōu)質(zhì)、高效、少無切削的新型成形 與改性技術(shù)得到發(fā)展，并在工業(yè)中

5、獲得廣泛應(yīng)用，如氣化模鑄造、樹脂自硬砂組芯造型等近 凈形鑄造技術(shù)；超塑成形、精密熱鍛、精密冷溫成形等精密塑性成形技術(shù)；氣體保護(hù)焊、激 光焊、真空電子束焊等精密連接技術(shù)。為了加快產(chǎn)品設(shè)計(jì)，近10年來發(fā)展了快速原型/零件 制造技術(shù)，它打破了材料“去除”的成形原理，采用“累積”成形。目前已開始用于不同領(lǐng) 域，并獲得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。 為了提高制造成形的質(zhì)量，特別是在大型零件制造中，減少實(shí)驗(yàn)工作量以實(shí)現(xiàn)一次制造成功 ，工藝模擬技術(shù)獲得了飛速發(fā)展，首先在鑄造領(lǐng)域進(jìn)入了商品化階段，在焊接、鍛壓、熱處 理方面也取得了很大成績(jī)。 為了改善人類生存環(huán)境，綠色制造成形也在不斷發(fā)展，人們力求在制造成形過程中，最大限

6、 度地減少對(duì)環(huán)境的污染。為了日益擴(kuò)大人類活動(dòng)范圍，各種水下切割與連接，以及表面改性 技術(shù)獲得發(fā)展與應(yīng)用，已可在水下200 m深處進(jìn)行操作。隨著航空、航天事業(yè)的發(fā)展，在空 間進(jìn)行連接與改性已有必要，這方面也取得突破性進(jìn)展。 近年來，精密成形技術(shù)在我國(guó)得到迅速發(fā)展2。在近凈形鑄造技術(shù)方面，近幾年 重點(diǎn)發(fā)展了熔模精密鑄造、陶瓷型精密鑄造、消失模鑄造等新技術(shù)。采用消失模鑄造生產(chǎn)的 鑄件質(zhì)量好，鑄件壁厚公差達(dá)到了0.15 mm，表面粗糙度Ra25 m。電渣熔鑄工藝已 用于大型水輪機(jī)的導(dǎo)葉生產(chǎn)。1997年研究成功的電渣鑄接新工藝，鑄接了一塊300 mm190 mm700 mm的試驗(yàn)件。高強(qiáng)度、形態(tài)復(fù)雜、薄

7、壁、凈重2.7 t的鋁合金鑄件也獲成功；在精 密塑性成形技術(shù)方面，重點(diǎn)發(fā)展了熱鍛技術(shù)、冷精壓技術(shù)、成形軋制技術(shù)、精沖技術(shù)和超塑 成形技術(shù)。依靠我國(guó)力量建設(shè)的汽車前梁、羊角和轎車連桿生產(chǎn)線已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。 汽車前軸精密輥鍛和模鍛復(fù)合工藝，其生產(chǎn)線投資僅為以萬噸熱模鍛壓力機(jī)為主方案的1/5 1/8；精密連接與切割技術(shù)方面，重點(diǎn)發(fā)展了電子束焊接、水下焊接和切割技術(shù)、逆變焊接 電源及藥芯焊絲制造技術(shù)。已研究開發(fā)成5 kW CO2焊接與切割工藝及設(shè)備。 一批先進(jìn)的新型、高效、優(yōu)質(zhì)、高精度成形技術(shù)在機(jī)械工業(yè)生產(chǎn)中被大量采用，如鑄造方面 ，采用了感應(yīng)電爐雙聯(lián)熔煉技術(shù)，爐前微機(jī)自動(dòng)檢測(cè)控制技術(shù)，通過采用新

8、技術(shù)，鐵水溫度 由13501450提高到1500左右；樹脂砂鑄造從無到有，鑄件質(zhì)量達(dá)到當(dāng)代工業(yè)先進(jìn)國(guó) 家同類企業(yè)的先進(jìn)水平，大型鑄鋼件已達(dá)330 t以上；鍛造方面，已基本掌握了精鍛、精沖 、冷擠等少無切削鍛壓工藝，基本掌握了熱鍛生產(chǎn)線成套技術(shù)，鍛造用最大鋼錠達(dá)400 t， 已成功地鍛造了300 MW、600 MW大型火電機(jī)組成套鍛件和核電壓力殼鍛件；焊接方面，基本 掌握了精密切割、氣體保護(hù)焊及埋弧自動(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)已經(jīng)使用；熱處理及表面改性方面，已基本掌握或推廣應(yīng)用了可控氣 氛熱處理、真空熱處理、低溫化學(xué)熱處理、激光表面合金化，PVD、CVD

9、及其復(fù)合技術(shù)也成功 地應(yīng)用于工模具，無污染自泳涂裝技術(shù)廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械，在節(jié)能節(jié)材方面取得明顯效果 。 “九五”期間，國(guó)家將“精密成形與加工研究開發(fā)和應(yīng)用示范”列為重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目 3。通過該項(xiàng)目的實(shí)施，圍繞汽車等重大產(chǎn)品以及跟蹤國(guó)際精密成形技術(shù)的前沿，在 汽車薄壁球鐵件金屬型鑄造、鋁合金金屬型精密成形、精密熱鍛件、冷精鍛和閉塞鍛造、復(fù) 雜形狀接插件、大型覆蓋件沖壓成形、大功率固體激光加工、離子束表面復(fù)合改性、金屬表 面合金化復(fù)合強(qiáng)化、快速原型制造及應(yīng)用等方面，取得一批具有國(guó)際先進(jìn)水平的科技成果， 并且預(yù)計(jì)可研究開發(fā)成新產(chǎn)品20種、工業(yè)應(yīng)用示范生產(chǎn)線14條、中試生產(chǎn)點(diǎn)12個(gè)、綜合應(yīng)用 示范廠

10、1個(gè)。 2.2發(fā)展趨勢(shì) 2.2.1成形精度向凈成形的方向發(fā)展 當(dāng)前精密成形技術(shù)已在較大程度上實(shí)現(xiàn)了近凈成形，即制造接近零件形狀的工件毛坯，較傳 統(tǒng)成形技術(shù)減少了后工序的切削量，減少了材料、能源的消耗。發(fā)展趨勢(shì)是實(shí)現(xiàn)凈成形，即 直接制成符合形狀要求的工件。據(jù)國(guó)際機(jī)械加工技術(shù)協(xié)會(huì)預(yù)測(cè)，21世紀(jì)初，塑性成形與磨 削相結(jié)合，將取代大部分中小零件的切削加工。 2.2.2成形工藝向新型加工方法以及復(fù)合工藝方向發(fā)展 激光、電子束、離子束、等離子體等多種新能源及能源載體的引入，形成多種新型成形與改 性技術(shù)，一些特殊材料(如超硬材料、復(fù)合材料、陶瓷等)的應(yīng)用造就了一批新型復(fù)合工藝的 誕生，如超塑成形/擴(kuò)散連接技

11、術(shù)。 2.2.3成形裝備沿著“單機(jī)自動(dòng)化-流水線自動(dòng)化-柔性、集成系統(tǒng)”方向 發(fā)展 由于激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，生產(chǎn)方式將由大批量單品種轉(zhuǎn)向多品種變批量，為快速響應(yīng)市場(chǎng)又要 求成形的高速度，各類傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息和控制技術(shù)的發(fā)展支撐著精密成形裝 備從單機(jī)到系統(tǒng)的自動(dòng)化、柔性化、集成化。 2.2.4成形質(zhì)量控制朝過程智能化方向發(fā)展 質(zhì)量控制是為了保證優(yōu)化的工藝，提高產(chǎn)品質(zhì)量，保證穩(wěn)定不變的工藝條件得到分散度極小 的均一的產(chǎn)品質(zhì)量。為此，在生產(chǎn)過程自動(dòng)化、工藝參數(shù)在線控制、生產(chǎn)工藝因素對(duì)工藝效 果影響的模擬基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)控制過程智能化，并實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，是當(dāng)前的主要方向。 2.2.5工藝模擬及優(yōu)化技

12、術(shù)獲得飛速發(fā)展，工藝由“技藝”向“工程科學(xué)”方向 發(fā)展 精密成形技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)是工藝設(shè)計(jì)由經(jīng)驗(yàn)判斷走向定量分析，應(yīng)用數(shù)值模擬于鑄 造、鍛壓、焊接、熱處理等工藝設(shè)計(jì)中，并與物理模擬和專家系統(tǒng)結(jié)合，來確定工藝參數(shù)、 優(yōu)化工藝方案、預(yù)測(cè)加工過程中可能產(chǎn)生的缺陷及采取有效防止措施、控制和保證加工工件 的質(zhì)量。 代表性的技術(shù)有虛擬鑄造技術(shù)，虛擬鍛壓技術(shù)，焊接、熱處理工藝過程模擬及質(zhì)量預(yù)測(cè)、組 織性能預(yù)測(cè)，成形工藝-模具-產(chǎn)品CAD/CAM一體化技術(shù)。 2.2.6精密成形制造向虛擬制造和網(wǎng)絡(luò)制造方向發(fā)展 與制造技術(shù)向虛擬制造和網(wǎng)絡(luò)制造方向發(fā)展，并最終實(shí)現(xiàn)全球化生產(chǎn)的方向一樣，精密成形 制造也向虛擬

13、制造和網(wǎng)絡(luò)制造方向發(fā)展，如精密模具制造目前已在國(guó)內(nèi)開展分散網(wǎng)絡(luò)制造的 研究及應(yīng)用示范。 2.2.7精密成形生產(chǎn)向清潔生產(chǎn)方向發(fā)展 清潔生產(chǎn)技術(shù)是協(xié)調(diào)工業(yè)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)矛盾的一種新的生產(chǎn)方式，是21世紀(jì)制造業(yè)發(fā)展的 重要特征。 精密成形清潔生產(chǎn)技術(shù)有如下主要意義： 高效利用原材料，對(duì)環(huán)境清潔； 以最小的 環(huán)境代價(jià)和最小的能源消耗，獲取最大的經(jīng)濟(jì)效益； 符合持續(xù)發(fā)展與生態(tài)平衡。 3我國(guó)應(yīng)重點(diǎn)發(fā)展的精密成形技術(shù)前沿 (1)優(yōu)質(zhì)、高效成形與改性技術(shù)它涵蓋了現(xiàn)代機(jī)械制造技術(shù)中毛坯與模型制造的主要技術(shù)內(nèi)容。其特點(diǎn)是，該項(xiàng)技術(shù)是由多 項(xiàng)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)與傳統(tǒng)成形技術(shù)結(jié)合并改善，使制件的形狀精度和尺寸精度得到很大

14、提高， 從而實(shí)現(xiàn)了接近或完全達(dá)到成品最終形狀，工件的微觀組織和性能可以進(jìn)行預(yù)測(cè)和控制，以 及優(yōu)質(zhì)高效、低成本。 主要指如下技術(shù)：精密毛坯制造技術(shù)。它是提供高效、精密、高質(zhì)量毛坯的制造技術(shù)。由 于當(dāng)今技術(shù)的發(fā)展，毛坯制造業(yè)已實(shí)現(xiàn)了輕量化、高精度、高質(zhì)量，這里包含了近凈形、無 缺陷鑄造技術(shù)、精確塑性成形技術(shù)、優(yōu)質(zhì)高效連接技術(shù)，以及新型復(fù)合成形技術(shù)等。毛坯 和零件的改性和涂層技術(shù)。這是進(jìn)一步改善毛坯和制件內(nèi)部組織性能，以及提供一個(gè)能適應(yīng) 各種不同工況條件的優(yōu)質(zhì)表面的制造技術(shù)?，F(xiàn)代機(jī)械性能參數(shù)提高，工況復(fù)雜，要適應(yīng)多種 不同工況和環(huán)境，不但要有更高的內(nèi)部組織性能要求，還要求表面耐磨、耐蝕、耐輻射、耐

15、高溫，要求處理后做到不變形或少變形，這方面包含了兩個(gè)內(nèi)容，即精確熱處理技術(shù)、優(yōu)質(zhì) 高效表面改性及涂層技術(shù)。大型工件和關(guān)鍵件成形與改性技術(shù)。由于其零件尺寸大，制造 方法和性能要求有別于一般中小件，因此需要單獨(dú)進(jìn)行研究開發(fā)。模型和模具制造。為加 速產(chǎn)品開發(fā)，縮短開發(fā)和生產(chǎn)周期，需要解決的配套技術(shù)有快速成形制造技術(shù)和精密模具技 術(shù)。再制造技術(shù)。將在使用中因磨損、腐蝕、疲勞等原因造成局部失效，但未造成不可恢 復(fù)損傷的重要零部件，采用先進(jìn)的表面工程、修復(fù)熱處理等技術(shù)，優(yōu)質(zhì)、高效、低成本、少 無污染地恢復(fù)并改善其性能的系統(tǒng)技術(shù)。 （2）精密成形設(shè)備及生產(chǎn)自動(dòng)化技術(shù)各種精密成形工藝必須依靠先進(jìn)的裝備予以實(shí)現(xiàn)

16、。自動(dòng)化的生產(chǎn)過程應(yīng)當(dāng)是系統(tǒng)本身具有決 策和適應(yīng)的能力，這往往需要裝備有能夠感知加工對(duì)象狀況和外部環(huán)境條件的傳感器，在 對(duì)各種信息的處理后自動(dòng)修正系統(tǒng)輸出，以抵抗干擾并消除誤差，同時(shí)采用各種先進(jìn)控制手 段，以達(dá)到預(yù)定的加工質(zhì)量并實(shí)現(xiàn)高效、低成本生產(chǎn)的目的。 主要包括新型成形與改性設(shè)備（單機(jī)與生產(chǎn)線）自動(dòng)化技術(shù)、成形與改性工藝過程智能控制 技術(shù)、成形與改性柔性生產(chǎn)線單元和系統(tǒng)技術(shù)、成形與改性過程集成制造系統(tǒng)等。 （3）精密成形質(zhì)量控制技術(shù)精密成形的質(zhì)量控制包括材料化學(xué)成分、冶金質(zhì)量、加工過程、制造工藝參數(shù)、工藝與輔助 材料、產(chǎn)品質(zhì)量性能的優(yōu)化控制，破壞性抽查，100%的無損探傷、無損檢驗(yàn)、分選等

17、一系列 過程的人工的或自動(dòng)的控制。它是一種既包括生產(chǎn)技術(shù)，又包括生產(chǎn)質(zhì)量管理的系統(tǒng)工程。 它可以把廢次品消除在生產(chǎn)過程之中，實(shí)現(xiàn)100%合格的全面質(zhì)量控制，而不是最后靠技術(shù)檢 驗(yàn)科檢出廢品。在生產(chǎn)過程中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制對(duì)節(jié)能、節(jié)材、降低制造成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量、 保證質(zhì)量的均一性、零件的互換性起著重要作用。它的方向是實(shí)現(xiàn)控制過程智能化。 主要包括質(zhì)量在線控制技術(shù)、無損檢測(cè)與評(píng)價(jià)技術(shù)、統(tǒng)計(jì)過程控制（SPC）技術(shù)、精密傳感 技術(shù)等。 （4）熱加工工藝模擬及優(yōu)化技術(shù)隨著試驗(yàn)技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，一門嶄新的交叉技術(shù)-材料熱加工工藝模擬及優(yōu)化設(shè) 計(jì)應(yīng)運(yùn)而生。它一出現(xiàn)立即吸引了大批研究工作者涉及這一領(lǐng)域，成為

18、材料熱加工各個(gè)學(xué)科 最為矚目的研究熱點(diǎn)及技術(shù)前沿。 有如下主要研究?jī)?nèi)容：金屬材料熱加工基礎(chǔ)理論及缺陷形成機(jī)理。這是建立過程模型及設(shè) 計(jì)物理模擬試驗(yàn)的理論基礎(chǔ)。金屬材料熱加工宏觀尺度模擬及優(yōu)化控制。模擬、預(yù)測(cè)并優(yōu) 化材料在加工成形中的形狀、位置、尺寸及孔洞、裂紋、皺紋等宏觀缺陷的加工結(jié)果。金 屬材料熱加工微觀尺度模擬及優(yōu)化控制。模擬、預(yù)測(cè)并優(yōu)化材料微觀組織結(jié)構(gòu)及偏析、混晶、氫致裂紋等微觀缺陷的演化。非牛頓流體注塑過程的動(dòng)態(tài)模擬和優(yōu)化控制。 金屬材料成形改性工藝性的物理模擬和精確評(píng)價(jià)技術(shù)。在并行環(huán)境下，工藝模擬與生產(chǎn)系 統(tǒng)的集成（包括數(shù)據(jù)庫(kù)、知識(shí)支持系統(tǒng)、專家系統(tǒng)）。 （5）清潔成形與改性技術(shù)清潔成形與改性技術(shù)是實(shí)現(xiàn)機(jī)械制造業(yè)自身清潔生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)和關(guān)鍵技術(shù)。清潔成形與改 性制造技術(shù)可在生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)采用無毒無害材料、清潔的能源，高效、節(jié)能、降耗、減污 的先進(jìn)制造工藝與裝備。對(duì)在少無污染成形及改性技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的情況下產(chǎn)生的“三廢” 進(jìn)行嚴(yán)格的處理-回收-利用，有效地保護(hù)生態(tài)環(huán)境。 主要包括節(jié)能節(jié)材及少無污染成形與改性技術(shù)、三廢治理及綜合利用技術(shù)、成形與改性設(shè) 備的改造及延壽技術(shù)等。 （6）新型材料（工件）及特殊條件下的成形與改性技術(shù)新型材料（工件）的成形技術(shù)是解決新型材料（高強(qiáng)鋁合金、鋁鋰合金、鈦合金、金