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材料成型一體化技術應用現狀
发布时间:2016-12-10 14:40 | 浏览次数:


     作为现代科学和工业技术发展的基础,材料成型从20世纪80年代便被看作是推动经济进入21世纪的三大工业支柱之一。材料成型及控制工程作为其中的一项重要专业技术,在近年来有着突飞猛进的发展,从而有效地推动了材料成型的学科发展。

    所谓材料成型,显而易见成型工艺便是此项科学技术的精髓。工业产品的好与坏不仅仅需要考虑材料自身是否具备优良的力学性能,更重要的是能否充分利用材料的特点采取最适合的加工成型方法。因此,工艺的发展从根本上决定了材料成型的质量。材料成型及控制工程通过分析材料的宏观形状、微观结构及力学性能等研究热加工过程中相关生产工艺,从而进行成型工艺主要分为铸造、焊接和锻压三个方向。

一、鑄造工藝

     铸造通俗地说是液态金属凝固的过程,这是一种使用范围极其广的成型工艺,不受铸件尺寸、形状及合金材料的限制。其技术关键就在于凝固组织的形成于控制、铸造缺陷的防止与控制及铸件尺寸精度与表面粗糙度的控制。
現階段,隨著鑄造工藝在凝固理論、凝固技術及低壓鑄造、陶瓷鑄造、連續鑄造等技術已日漸成熟。

     随着人们对铸造质量、铸造精度、铸造成本和铸造自动化等要求的提高,精密铸造技术、连续铸造技术、特种铸造技术、铸造自动化和铸造成型模拟技术等得到了迅速发展,铸造技术正朝着精密化、大型化、高质量、自动化和清洁化的方向发展,必将对传统工业的技术进步有着极大的推动作用,同时也为高新技术产业的发展奠定了基础。如图1-1为某小型涡喷发动机静子叶片,采用精密铸造。

二、焊接工藝

     焊接作为现代工程技术的重要组成部分,是材料成型中必不可少的工艺手段,主要可分为熔焊、固相焊和钎焊。焊接工艺可谓是真正意义上的在生产实践中为满足工业需求而不断完善和发展起来的。
     比如,汽车工业推动了电阻焊和二氧化碳气体保护焊的工艺发展,船舶制造业推动了埋弧焊的发展等。
隨著焊接工藝的日益進步,它已不再是單一的金屬材料連接技術,而延伸向陶瓷材料、生物組織、高分子材料等多個領域。
爲適應高質、高效的生産趨勢,近年來焊接機械化、自動化、智能化正以驚人的速度迅猛崛起,成爲今後焊接工藝的重點發展趨勢。

一体化成型

三、鍛壓工藝

     锻压实质是材料的塑性成型过程,这与材料自身的塑性变形能力与外部应力等有着密切联系。它可以应用于大批量的生产,显然其发展趋势着重于高速自动化生产,以达到高效规模化生产。在信息化高速发展的现今,计算机辅助系统逐步彰显出其重要作用。利用计算机辅助设计与制造模具及实现生产的模拟化,极大地缩短了工业产品的设计、生产周期,从而减少了大量的人工投入,提高了产品的生产效率和质量。

四、材料成型加工技術的作用及地位

     以铸造、锻造、焊接等工艺为代表的材料成形加工技术是制造业中的主要加工方法,材料成型加工技术与科学则是材料科学与工程的重要内容,它对国民经济的发展及国防力量的增强均有十分重要的作用。据统计,全世界75%的钢材经塑性加工成型,45%的金属结构用焊接成型。2001年,我国铸件产量已达1200万吨,位居世界第二。
     材料成型加工技术是汽车、机械、能源、石化、造船等支柱产业及国防工业的关键基础加工技术。例如,长江三峡水轮机的叶轮高5.5米、直径10.6米、重520吨,只有采用铸、焊复合技术才能制造,目前尚依赖进口。例如,无论军用或民用飞机中的燃气轮机叶片国外都已采有新一代高温合金单晶体熔模铸造技术。又例如,目前汽车重量的65%以上仍由钢铁材料、铝合金及镁合金等通过铸造、锻压、焊接等加工方法而成型。我国在这些前沿核心或关键技术方面还有较大的差距。因此,面对市场经济及参与全球竞争,在振兴制造业的同时,必须加强材料成型加工技术与科学的基础理论和工程应用研究。

五、材料成型加工技術發展趨勢

     制造业在过去的二十年中发生了巨大变化,这种变化还会延续。高速发展的工业技术要求材料成型加工技术的精确化、轻量化、集成化;激烈的国际竞争要求产品性能高、流程短、成本低;日益恶化的环境则要求材料成型加工消耗能源低、污染少。21世纪高新技术的出现将进一步导致材料成型加工技术与科学的进步与变革,包括:全新的成型加工方法与工艺及传统加工方法的升级与革新。
     近年来出现了很多新的精确铸造成型技术。例如,在汽车工业出现了可控压力铸造、消失模铸造及压力铸造等制造新一代汽车发动机薄壁铝合金缸体铸件的新方法。出现了液压塑性成型、精密锻造、搅拌磨擦焊、镁及铝合金半固态成型、钛合金成型加工等新技术。用定向凝固熔模铸造生产高温合金单晶体燃气轮机叶片则是精确铸造成型技术在航空工业中应用的杰出体现。随着金属基复合材料、金属间化合物材料及陶瓷材料等各种新材料的研究与开发,新的制备成型加工方法不断出现,而材料制备和成型加工一体化则是重要的发展趋势。例如,材料电磁成型加工、激光直接成型加工技术、金属基复合材料液态喷射成型技术等等。

六、材料成型加工過程模擬及仿真

     随着计算机技术的发展,计算材料科学已成为一门新兴的交叉学科,成为除实验和理论外解决材料科学中实际问题的重要研究方法,基于知识的材料成型加工过程模拟与仿真已成为材料科学的前沿研究领域。据报道,模拟仿真技术可提高产品质量5-15倍、增加材料出品率25%、降低成本10%-30%、缩短产品设计和试制周期30%-60%。经过几十年的不断发展,铸造及锻造宏观模拟技术已在工程中应用,并有很多商品化软件。当前,高性能、高保真和高效率是成型加工过程模拟与仿真的努力目标,而微观组织模拟(从毫米到微米尺度)则是新的研究热点。并行工程是以集成、并行的方式设计产品及其相关过程(包括加工制造过程),力求使产品开发人员在设计一开始就考虑到产品整个生命周期中从概念形成到产品报废处理所有因素(包括质量、成本、进度计划和用户要求)。在设计阶段同时进行工艺CAD、成型加工过程的计算机辅助工程分析(CAE)及模具与产品的制造过程仿真(CAM),以取得最优的效果。美国通用汽车公司采用并行工程及CAE技术,每年节省产品研究开发费用达数百万美元。

七、總結

     纵观材料成型工艺的技术与发展,工业产业的需求是推动其技术进步的重要动力,而激光技术、计算机技术、新材料技术及其它先进技术的发展赋予了材料成型技术具有广泛的应用前景:

     一是高效。随着信息技术、计算机网络和设备的升级换代,材料成型技术的自动化程度越来越高,材料成型技术高度速成化趋势越发明显,而这些技术的发展,无疑将为产品的高度速成带来新的可能。

     二是环保。随着环保意识的不断增强,人们在研制新型材料的动力和能力将变得越发强劲,新型环保材料将得到越来越广泛的应用,这将从根本上推生新的材料成型技术的诞生。

     三是节能。规模化生产无疑能将工件成本降低至新低,高度智能化带来产品的高节能性。随着智能理论的逐步完善,材料成型技术高度节能性趋势越发明显,而这一技术的发展,无疑将为产品的高节能性带来新的希望。

     综上所述,社会的可持续发展,必然离不开资源环境的可持续发展。就材料成型行业来说,我个人认为,未来的发展不仅仅要着重于生产的自动化、高效化和产品的高性能化,更应强调其生产过程中的能源消耗、污染排放和产品的使用安全性等问题。生产过程中的能源消耗、污染排放和产品的使用安全性等问题。承载力等完美结合,形成真正意义上的高效、环保、节能的新型生产工艺。
 

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