【文章內(nèi)容簡介】 大國變成制造業(yè)強國，關(guān)鍵是要大力發(fā)展推廣先進(jìn)制造技術(shù)。而作為先進(jìn)制造技術(shù)的核心環(huán)節(jié)———現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)更要快速超前發(fā)展。為此，深入研究現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)，大力發(fā)展現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)，是制造業(yè)在市場中立于不敗之地的關(guān)鍵所在，也是科技工作者當(dāng)前最主要的工作。第二章先進(jìn)制造工藝的技術(shù)發(fā)展趨勢，優(yōu)化工藝設(shè)計 成形、改性與加工是機械制造工藝的主要工序，是將原材料（主要是金屬材料）制造加工成毛坯或零部件的過程。這些工藝過程特別是熱加工過程是極其復(fù)雜的高溫、動態(tài)、瞬時過程，其間發(fā)生一系列復(fù)雜的物理、化學(xué)、冶金變化，這些變化不僅不能直接觀察，間接測試也十分困難，因而多年來，熱加工工藝設(shè)計只能憑“經(jīng)驗”。近年來，應(yīng)用計算機技術(shù)及現(xiàn)代測試技術(shù)形成的熱加工工藝模擬及優(yōu)化設(shè)計技術(shù)風(fēng)靡全球，成為熱加工各個學(xué)科最為熱門的研究熱點和跨世紀(jì)的技術(shù)前沿。 應(yīng)用模擬技術(shù)，可以虛擬顯示材料熱加工（鑄造、鍛壓、焊接、熱處理、注塑等）的工藝過程，預(yù)測工藝結(jié)果（組織性能質(zhì)量），并通過不同參數(shù)比較以優(yōu)化工藝設(shè)計，確保大件一次制造成功；確保成批件一次試模成功。 模擬技術(shù)同樣已開始應(yīng)用于機械加工、特種加工及裝配過程，并已向擬實制造成形的方向發(fā)展，成為分散網(wǎng)絡(luò)化制造、數(shù)字化制造及制造全球化的技術(shù)基礎(chǔ)。 毛坯和零件的成形是機械制造的第一道工序。金屬毛坯和零件的成形一般有鑄造、鍛造、沖壓、焊接和軋材下料五類方法。隨著毛坯精密成形工藝的發(fā)展，零件成形的型成形的形狀尺寸精度正從近凈成形（Near Net Shape Forming）向凈成形（Net ShapeForming）即近無余量成形方向發(fā)展。“毛坯”與“零件”的界限越來越小。有的毛坯成形后，已接近或達(dá)到零件的最終形狀和尺寸，磨削后即可裝配。主要方法有多種形式的精鑄、精鍛、精沖、冷溫擠壓、精密焊接及切割。如在汽車生產(chǎn)中，“接近零余量的敏捷及精密沖壓系統(tǒng)”及“智能電阻焊系統(tǒng)”正在研究開發(fā)中。 3. 成形質(zhì)量向近無“缺陷”方向發(fā)展 毛坯和零件成形質(zhì)量高低的一另一指標(biāo)是缺陷的多少、大小和危害程度。由于熱加工過程十分復(fù)雜，因素多變，所以很難避免缺陷的產(chǎn)生。近年來熱加工界提出了“向近無“缺陷”方向發(fā)展”的目標(biāo)，這個“缺陷”是指不致引起早期失效的臨界缺陷概念。采取的主要措施有：采用先進(jìn)工藝，凈化熔融金屬薄板，增大合金組織的致密度，為得到健全的鑄件、鍛件奠定基礎(chǔ)；采用模擬技術(shù)，優(yōu)化工藝設(shè)計，實現(xiàn)一次成形及試模成功；加強工藝過程監(jiān)控及無損檢測，及時發(fā)現(xiàn)超標(biāo)零件；通過零件安全可靠性能研究及評估，確定臨界缺陷量值等。 、超高速方向發(fā)展 超精密加工技術(shù)目前已進(jìn)入納米加工時代。精切削加工技術(shù)由目前的紅處波段向加工可見光波段或不可見紫外線和X射線波段趨近；超精加工機床向多功能模塊化方向發(fā)展；超精加工材料由金屬擴大到非金屬。 目前起高速切削鋁合金的切削已超過1600m/min；鑄鐵為1500m/min；超高速切削已成為解決一些難加工材料加工問題的一條途徑。 解決新型材料的加工和表面改性難題 激光、電子束、離子束、分子束、等離子體、微波、超聲波、電液、電磁、高壓水射流等新型能源或能源載體的引入，形成了多咱嶄新的特種加工及高密度能切割、焊接、熔煉、鍛壓、熱處理、表面保護(hù)等加工工藝或復(fù)合工藝。其中以多種形式的激光加工發(fā)展最為迅速。這些新工藝不僅提高了加工效率和質(zhì)量，同時還解決了超硬材料、高分子材料、復(fù)合材料、工程陶瓷等新型材料的加工難題。 ，實現(xiàn)工藝過程的優(yōu)化控制 微電子、計算機、自動化技術(shù)與工藝設(shè)備相結(jié)合，形成了從單機到系統(tǒng)，從剛性到柔性，從簡單到復(fù)雜等不同檔次的多種自動化成形加工技術(shù)，使工藝過程控制方式發(fā)生質(zhì)的變化，其發(fā)展歷程及趨勢為： 1）應(yīng)用集成電路、可編程序控制器、微機等新型控制元件、裝置實現(xiàn)工藝設(shè)備的單機、生產(chǎn)線或系統(tǒng)的自動化控制。 2）應(yīng)用新型傳感、無損檢測、理化檢驗及計算機、微電子技術(shù)，實時測量并監(jiān)控工藝過程的溫度、壓力、形狀、尺寸、位移、應(yīng)力、應(yīng)變、振動、聲、像、電、磁及合金與氣體的成分、組織結(jié)構(gòu)等參數(shù)，實現(xiàn)在線測量、測試技術(shù)的電子化、數(shù)字化、計算機及工藝參數(shù)的閉環(huán)控制，進(jìn)而實現(xiàn)自適應(yīng)控制。 3）將計算機輔助工藝編程（CAPP）、數(shù)控、CAD/CAM、機器人、自動化搬運倉儲、管理信息系統(tǒng)（MIS）等自動化單元技術(shù)綜合用于工藝設(shè)計、加工及物流過程，形成不同檔次的柔性自動化系統(tǒng)；數(shù)控加工、加工中心（MC）、柔性制造單元（FMC）、柔性制造島（FMI）、柔性制造系統(tǒng)（FMS）和柔性生產(chǎn)線（FTL），及至形成計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）和智能制造系統(tǒng)（IMS）。 、實現(xiàn)清潔生產(chǎn) 機械加工過程產(chǎn)生大量廢水、廢渣、廢氣、噪聲、振動、熱輻射等，勞動條件繁重危險，已不適應(yīng)當(dāng)代清潔生產(chǎn)的要求。近年來清潔生產(chǎn)成為加工過程的一個新的目標(biāo)，除搞好三廢治理外，重在從源頭抓起，杜絕污染的產(chǎn)生。其途徑之一為：一是采用清潔能源，如用電加熱代替燃煤加熱鍛坯，用電熔化代替焦炭沖天爐熔化鐵液；二是采用清潔的工藝材料開發(fā)新的工藝方法，如在鍛造生產(chǎn)中采用非石墨型潤滑材料，在砂型鑄造中采用非煤粉型砂；三是采用新結(jié)構(gòu)，減少設(shè)備的噪聲和振動。如在鑄造生產(chǎn)中，噪聲極大的震擊式造型機已被射壓、靜壓造型機所取代。在模鍛生產(chǎn)中，噪聲大且耗能多的模鍛錘，已逐漸被電液傳動的曲柄熱模鍛壓力機、高能螺旋壓力機所取代。在清潔生產(chǎn)基礎(chǔ)上，滿足產(chǎn)品從設(shè)計、生產(chǎn)到使用乃至回收和廢棄處理的整個周期都符合特定的環(huán)境要求的“綠色制造”將成為21世紀(jì)制造業(yè)的重要特征。 ，并趨向集成及一體化。CAD/CAM、FMS、CIMS、并行工程、快速原型等先進(jìn)制造技術(shù)及哲理的出現(xiàn)，使加工與設(shè)計之間的界限逐漸淡化，并走向一體化。同時冷熱加工之間，加工過程、檢測過程、物流過程、裝配過程之間的界限亦趨向談化，、消失，而集成于統(tǒng)一的制造系統(tǒng)之中。 、管理技術(shù)緊密結(jié)合，先進(jìn)制造生產(chǎn)模式獲得不斷發(fā)展 先進(jìn)制造技術(shù)系統(tǒng)是一個由技術(shù)、人和組織構(gòu)成的集成體系，三者有效集成才能取得滿意的效果。因而先進(jìn)制造工藝只有通過和信息、管理技術(shù)緊密結(jié)合，不斷探索適應(yīng)需求的新型生產(chǎn)模式，才能提高先進(jìn)制造工藝的使用效果。先進(jìn)制造生產(chǎn)模式主要有：柔性生產(chǎn)、準(zhǔn)時生產(chǎn)、精益生產(chǎn)、敏捷制造、并行工程、分散網(wǎng)絡(luò)化制造等。這些先進(jìn)制造模式是制造工藝與信息、管理技術(shù)緊密結(jié)合的結(jié)果，反過來它也影響并促進(jìn)制造工藝的不斷革新與發(fā)展。精密成形技術(shù)發(fā)展前沿1 　精密成形技術(shù)的內(nèi)涵及作用 　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：①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；②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；③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 ；④較傳統(tǒng)成形產(chǎn)品改善生產(chǎn)條件、減少對環(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。 　作用 　　精密成形技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)的一個重要內(nèi)容，幾乎所有的機械零部件都要通過成形與改性 才能具有所需的形狀及實用功能。據(jù)統(tǒng)計，全世界約有75%的鋼材要經(jīng)過塑性加工，有45%以 上的鋼材采用焊接技術(shù)得以成形。以汽車為例，據(jù)德國預(yù)測，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用性能［1］。在工業(yè)發(fā)達(dá)國家精密成形鑄件 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)展對提高一個國家的工業(yè)競爭力有重大影響。美國競爭委員會在1991年向 美國總統(tǒng)提交的美國未來技術(shù)優(yōu)先權(quán)的研究報告中，把精密成形與加工技術(shù)列為美國處于柔 弱地位的技術(shù)，建議政府予以重視與支持。 　　 我國制造業(yè)在一個相當(dāng)長的時期將獲得快速發(fā)展，據(jù)預(yù)測一直到2020年制造業(yè)占我國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，但其絕對值仍然 不斷增加；預(yù)計2000年國內(nèi)機械產(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 率參與國際市場競爭的十分重要的問題。發(fā)展、應(yīng)用精密成形技術(shù)就是一個有效途徑。 2　現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 　現(xiàn)狀 　　近30年來，精密成形技術(shù)在國外以很快的速度發(fā)展。大量優(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，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，減少實驗工作量以實現(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。 　　 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 度地減少對環(huán)境的污染。為了日益擴大人類活動范圍，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)在我國得到迅速發(fā)展［2］。在近凈形鑄造技術(shù)方面，近幾年 重點發(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177。 mm，表面粗糙度Ra25 μm。電渣熔鑄工藝已 用于大型水輪機的導(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的試驗件。高強度、形態(tài)復(fù)雜、薄壁、 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為主方案的1/5～ 1/8；精密連接與切割技術(shù)方面，重點發(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)，爐前微機自動檢測控制技術(shù)，通過采用新技術(shù)，鐵水溫度 由1350℃～1450℃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 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)焊及埋弧自動焊等先進(jìn)技術(shù)，焊接成套設(shè)備、焊接機器人、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)用于工程機械，在節(jié)能節(jié)材方面取得明顯效果 。 　　 “九五”期間，國家將“精密成形與加工研究開發(fā)和應(yīng)用示范”列為重點科技攻關(guān)項目 ［3］。通過該項目的實施，圍繞汽車等重大產(chǎn)品以及跟蹤國際精密成形技術(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)合強化、快速原型制造及應(yīng)用等方面，取得一批具有國際先進(jìn)水平的科技成果， 并且預(yù)計可研究開發(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12個、綜合應(yīng)用 示范廠1個。 　發(fā)展趨勢 　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)展趨勢是實現(xiàn)凈成形，即 直接制成符合形狀要求的工件。據(jù)國際機械加工技術(shù)協(xié)會預(yù)測，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。 　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