先进成形技术与装备

研究生课程（论文类）试卷2 010 /2 011 学年第1 学期课程名称：机械工程发展现状课程代码：论文题目：先进成形技术与装备学生姓名：专业﹑学号：学院：先进成形技术与装备一、前言制造业是国民经济的物质基础和产业主体，是经济高速增长的发动机和国家安全的重要保障，也是科学技术的基本载体，而装备制造业则是制造业的基础产业，作为装备制造业发展的核心技术，成形加工技术对我国国民经济的发展和国防力量的增强有重要作用。

例如，全世界钢材的75%要进行塑性加工，65%的钢材要用焊接得以成形。

我国更是世界铸造、塑性成形、焊接的第一大国。

以铸造为例，我国铸件产量从2000 年起已连续8 年位居世界第一，2007 年我国铸件的年产量已超过2800万吨。

先进成形技术代表成形技术的发展方向，一直得到国家的高度关注。

先进成形技术是不断地吸收机械、电子、信息、材料以及现代管理技术等方面的成果，并将其综合应用于成形加工产品设计、制造、检测、管理、销售、使用、服务的全过程，实现优质、高效、低耗、清洁、灵活生产，取得很好经济效果的成形技术的总称。

先进成形技术在发展的过程中不断吸收高新技术的优秀成果并且相互渗透、融合和衍生。

同时，先进成形技术的发展促进了相关装备制造能力的提高。

二、信息技术加速与先进成形融合为满足用户对产品大容量、高参数、自动化等的要求，应用先进成形生产的产品必须融入信息技术，使产品和装备数字化和智能化。

而分布式网络技术、多媒体技术、多网融合、供应链管理、协同商务、网络化服务、数据挖掘、商务智能、高可靠与高可信等信息通信技术对先进成形业的巨大支撑作用将受到更多重视和深入应用。

信息技术在冶金工业的应用方向瞄准全工序无人化，装备制造业的信息化趋势主要体现在数据共享和人机智能交互。

而在先进成形技术方面，国外几乎所有的大型生产企业都致力于推动先进成形生产的智能化进程。

丰田汽车公司Honsha 工厂热锻车间的转向节锻造生产线的主机为一台35 MN热模锻压力机，线上采用了多台机器人，可分别完成锻件的自动下料、余热淬火、搬运、码垛等动作。

另外，该生产线还实现了对锻件、模具温度在较大区域内的实时检测，获得的表面温度场以彩色图像的形式直观地展现在显示屏上，从而可将锻后淬火温度控制在较小的波动范围以内，有效保障了锻件的组织和内在质量。

当前，先进成形产业信息资源的有效共享并未形成，信息孤岛问题严重，网络协同和集成技术是实现信息资源深层次共享的关键，因此协同商务、网络化制造、企业级的信息集成是先进成形产业深层信息化的大趋势。

三、数字技术已经贯穿于成形始终为了提高成形制造的质量，特别是在大型零件制造中，减少试验工作量以实现一次制造成功，计算机模拟仿真技术获得了飞速发展。

根据美国科学研究院工程技术委员会的测算，模拟仿真可提高产品质量5～15 倍，增加材料出品率25%，降低工程技术成本13%～30%，降低人工成本5%～20%，提高投入设备利用率30%～60%，缩短产品设计和试制周期30%～60%等。

波音公司采用的现代产品开发系统将新产品研制周期从8 年缩短到5 年，工程返工量减少了50%。

日本丰田汽车公司在研制2002 年嘉美新车型时缩短了研发周期10 个月，减少了试验样车数量65%。

美国底特律柴油机公司研发1 台V6 型柴油机的研发周期只用了7.5 个月。

美国汽车工业希望汽车的研发周期缩短为15～25个月，而20 世纪90 年代汽车的研发周期为5 年；虚拟现实技术则是一种集成多种模拟仿真的技术。

德国弗劳恩霍夫应用研究促进协会形成了核心技术并在虚拟现实领域有崭新的工艺应用(图1)，而作为一种用于不同工业中的关键专利技术，虚拟现实已广为人知。

1991 年德国弗劳恩霍夫应用研究促进协会也成为欧洲第一个从事虚拟领域的研发组织之一。

目前，国外已经拥有成熟的虚拟现实软件系统、沉浸投影技术、三维交互技术和虚拟现实的基础应用软件，同时有位置跟踪器等硬件配套设施。

图1 轿车生产线虚拟现实场景为了加快产品设计与制造，发展了板材数字化成形技术与快速成形/制造技术。

板材数字化成形技术包括多点成形及渐进成形，通过离散数字化模具代替整体模具或将三维形状分解成一系列二维层进行数字化成形。

早在1999 年美国麻省理工学院与航空部门合作投资1 400 多万美元开发了飞机蒙皮的数字化成形装置。

我国在多点数字化成形技术研究与装备开发方面已经走在世界前列，目前已在多个领域推广应用。

多点成形技术在倍受关注的2008 年北京奥运会主会场——国家体育场( “鸟巢”)工程中的应用是建筑领域中一个较典型的应用实例。

数控渐进成形工艺是一种通过数字控制设备，采用预先编制好的控制程序逐点成形板料零件的柔性加工工艺，适合于航天、汽车工业等的小批量、多品种、形状复杂的板料零件加工，有着十分诱人的发展前景。

快速成形(Rapid prototyping, RP) 技术一直保持着快速发展的势头，并逐渐成为现代制造技术的主要发展方向之一。

经过20 多年的发展，RP 已突破了设计评价功能的范畴，而进入了快速制造(Rapid manufacturing, RM)领域。

美国、欧洲、日本都站在21 世纪世界制造业全球竞争的战略高度来对待RP/RM 技术。

以金属件直接快速制造为例，美国采用激光近净成形工艺通过激光束的扫描金属粉末材料，使其逐层堆积，已制造出铝合金、钛合金、钨合金等半精化的毛坯，其精度超过传统闭式模锻的水平，而质量也达到甚至超过整体锻压所达到的金属内部质量，在航天、航空、国防等领域具有极大的应用前景。

目前，陕西、湖北、深圳、天津、宁波建立的五个RP 技术服务中心已为数百家企业提供RP 制件。

四、绿色成形技术将越来越受到重视为了改善人类生存环境，绿色成形技术以及再制造技术也在不断发展。

绿色成形与改性技术是采用无毒、无害的原材料和辅助材料，清洁的能源以及高效、节能、降耗的先进工艺与设备，使得材料成形与改性过程资源消耗极小，环境负面影响极小，职业健康危害最小。

如：纳米技术的逐步成熟推动了一些绿色成形技术的应用。

运用纳米技术开发的润滑剂，既能在物体表面形成半永久性的固态膜，产生极好的润滑作用，得以大大降低机器设备运转时噪声，又能延长它的使用寿命。

纳米材料涂层能大大提高遮挡电磁波和紫外线的性能。

砂型数控切削技术是建立在数控技术、铸造技术、计算机技术等多学科技术成果基础之上的一种无模铸型加工技术。

它采用数控切削方法，利用三维造型软件设计CAD 模型，通过接口软件转化为可以直接驱动数控切削成形机的数控指令，成形机根据数控指令直接加工复杂大型的砂铸型。

该技术省去了模具制造环节，提高了铸型的加工精度，同时使铸件厚度降低、刚性提高、重量减轻，非常适合于单件小批量铸件的无模快速制造，尤其是大型复杂铸件的制造。

整个加工过程是在封闭的环境中进行的，无废气或粉尘污染，解决了传统铸型加工车间废气、粉尘污染严重的问题，而且使用该方法切削产生的废料还可以二次利用，作为下批铸型的制造原料，节约了原材料。

五、精密成形逐渐成为成形技术重点近净成形和近无缺陷成形是精密成形与绿色成形技术的综合，应用先进近净成形技术生产的零件具有精密化、轻量化、高质量和高精度、形状复杂、生产效率高的特点。

国外铝、镁、钛合金及高温合金等轻合金和难变形合金的精密成形在近几年得到较快发展。

美国普拉特—惠特尼公司采用等温模锻Ti-6Al-4V 钛合金叶片，由于模锻精度较高，连榫槽也能锻出，基本上不需要机械加工。

美国PCC 公司制造了直径达2 m 的GE90 发动机风扇轮毂，是目前世界上最大的钛合金精铸件之一，其铸造尺寸公差可达±0.13mm，最小壁厚达1.0～2.0 mm。

目前，美国铝业公司、英国考斯沃斯公司、德国KMAB 公司、意大利PROCECME 公司采用真空增压技术，生产战车轮毂、火炮摇架及托架、巡航导弹舱体、战机空心叶片等复杂铸件，真空度、疏松度稳定地达到1 级。

在汽车工业中Cosworth 铸造(采用锆砂砂芯组合并用电磁泵控制浇注)、消失模铸造及压力铸造已成为新—代汽车薄壁、高质量轻合金缸体铸件的三种主要精确铸造成形方法。

国外黑色金属冷锻精密塑性成形技术——中空径向分流冷锻技术、多工位温—冷复合成形技术等，其锻件的径向精度可达到0.02mm，形位公差小于0.04 mm，机加工余量仅留0.15mm 磨削余量，省去了大量的车、铣等粗切削加工，真正实现了净形成形。

在激光－电弧复合焊方面，国外围绕着碳钢、不锈钢、铝合金等金属材料薄板和中等厚度板进行了相关的工艺研究和设备开发，研究成果已应用到了汽车、造船等领域。

我国在近净成形技术领域起步较晚，近几年重点发展了熔模精密铸造、陶瓷型精密铸造、热锻、冷精压、成形轧制、精冲和超塑成形、电子束焊接、水下焊接和切割、逆变焊接电源及药芯焊丝制造等新技术。

汽车前轴精密辊锻和模锻复合工艺的采用使生产线投资仅为万吨热模锻压力机为主方案的1/8～1/5。

到目前为止，我国已基本掌握了精密切割、气体保护焊及埋弧自动焊等先进技术。

焊接成套设备、焊接机器人，焊接生产线和柔性制造系统也得到实际应用。

六、轻金属等新材料成形获得较快发展近年来，北美、欧洲和日本等发达国家相继加大了对轻金属等新材料开发与应用研究的投入。

铝、镁、钛等轻合金的成形在近几年得到较快发展。

据统计资料介绍，目前铝合金铸件在铸件总量构成比例中，美国为14%，日本为18%，德国为13%，我国为5%。

美国波音767 飞机上的燃油增压泵壳，其外型和结构非常复杂，采用A356 铝合金直接浇注成型。

采用镁合金飞行器结构件来取代铝合金，能减重37%，大大改善飞行器的气体动力学性能，显著增加飞行器的有效载荷。

俄罗斯、西方工业发达国家用镁合金制造飞行器的承力构件，如航空发动机和传动系统、战术导弹舱体、鱼雷壳体和雷达卫星上的主支撑构架。

对于钛合金，登月飞船机身、大型武器装备的仓体、进气道，化工、船舶的泵、阀，D－46012 鼓风机叶轮等钛合金铸件最大尺寸均在1 000 mm 以上，有的尺寸达1 500～2 000 mm。

我国的钛合金精铸技术近年虽取得了长足进步，目前仅能够生产940 mm 以下的钛合金精铸件。

目前新材料、轻金属材料应用和研究重点开始从宇航和兵工等领域扩展到民用高附加值产业(如汽车、计算机、通信和家电等)。

特别是由于节能和环境保护的要求，汽车将成为应用的重要领域。

美国Freedom CAR 及新一代汽车发展计划中关于汽车轻量化材料研究提出，到2010 年，通过汽车车身及底盘零件的轻量化降低零部件重量50%，达到汽车总重降低40%的研究目标。

目前，在欧洲每辆轿车的轻合金平均用量已超过120 kg，占轿车自重的10%，其中铝合金锻件达到了30 kg(其余是铝合金铸件)，在某些结构部位呈现出“以铝代钢”的趋势。