现代材料成形加工的技术与科学

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第1章 绪 论

制造业是提高国家工业生产率、经济增长、国家安全及生活质量的基础，是国家综合实力的重要标志。现如今我国制造业面临巨大挑战，因而加强材料成形加工技术与科学基础研究，大力采用先进制造技术，对国民经济的发展具有重要意义。

材料成形加工技术与科学既是制造业的重要组成部分，又是材料科学与工程的四要素之一，对国民经济的发展及国防力量的增强均有重要作用。“新一代材料精确成形加工技术”与“多学科多尺度模拟仿真”是现代两个重要学科研究前沿领域。高新技术材料的出现，将加速发展以“精确成形”及“短流程”为代表的材料加工工艺，包括：全新的成形加工方法与工艺，及传统成形加工方法的改进与工序综合。“模拟仿真”是产品计算机集成制造、敏捷制造的主要内容，是实现制造业信息化的先进方法。并行工程已成为产品及相关制造过程集成设计的系统方法，以计算机模拟仿真与虚拟现实技术为手段的虚拟制造设计将是先进制造技术的重要支撑环境。网络化、智能化是现代产品与工艺过程设计的趋势，绿色制造是现代材料加工技术的进一步发展方向。

面对市场经济、参与全球竞争，必须加强材料成形加工科学与技术的基础和应用研究。只有使用先进的材料加工技术，才能获得高质量产品的结构和性能，这些高性能的先进材料包括传统材料和新材料。发展材料成形加工技术对我国制造业以高新技术生产高附加值的优质零部件有积极作用，可扩大材料及制造范围、提高生产率、降低产品成本、增强企业国际竞争能力。

制造业在过去的几年中发生了巨大变化，而现代高科技及新材料的出现将导致材料成形加工技术的进一步发展与变革，出现全新的成形加工方法与工艺，传统加工方法不断改进并走向工艺综合，材料成形加工技术则逐渐综合化、多样化、柔性化、多科学化。

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第2章 现代材料成形加工技术

2.1 现代材料成形加工技术的作用与地位

我国已是制造大国，仅次于美、日、德，位居世界第四位。材料成形加工行业则是制造业的重要组成部分，材料成形加工技术也是先进制造技术的重要内容。铸造、锻造及焊接等材料加工技术是国民经济可持续发展的主体技术。目前，在汽车行业中汽车重量的65%以上仍由钢铁、铝及镁合金等材料通过铸造、锻压、焊接等加工方法而成形。材料成形加工技术与科学又是材料科学与工程的四要素之一，它不仅赋予零部件以形状，而且给予零部件以最终性能及使用特性。

我国虽是制造大国，但与工业发达国家相比仍有很大差距。表现在：生产率低；技术含量低；重要产品基本上没有自主产品创新开发能力。材料成形加工技术也不例外，重大工程的关键铸锻件，航空工业发动机及其他重要的动力机械的前沿核心成形制造技术尚有待突破。因此，在振兴我国制造业的同时要大大加强和重视材料成形加工技术与科学的发展。

制造业在过去的几年中发生了巨大的变化，这种变化还会延续。高速发展的工业技术要求材料加工产品精密化、轻量化、集成化；国际竞争更加激烈的市场要求产品性能高、成本低、周期短；日益恶化的环境要求材料加工原料与能源消耗低、污染少；另外材料成形本身制造好、成品率高。为了生产高精度、高质量的产品，材料正由单一的传统型向复合型、多功能型发展；材料加工技术逐渐综合化、多样化、柔性化、多科学化。

面对市场经济、参与全球竞争，必须加强材料成形加工科学与技术的基础和应用研究。只有使用新近的材料加工技术才能获得高质量产品的结构和性能，这些高性能的先进材料包括传统材料和新材料。发展材料成形加工技术对我国制造业已高新技术生产高附加值的优质零部件有积极作用。

2.2 材料成形加工技术的发展趋势

美国在“新一代制造计划”中指出，未来的制造模式将是批量小、质量高、成本低、交货期短、生产柔性、环境友好；未来的制造企业要掌握十大关键技术，其中包括快速产品与工艺开发系统、新一代制造工艺及装备及模拟与仿真三项关键技术。其中新一代工艺包括精确成形加工制造或称净终成形加工工艺。净终成形加工工艺要求材料成形加工制造向更轻、更薄、更强、更韧及成本低、周期短、质量高的方向发展。

轻量化、精确化、高效化将是未来材料成形加工技术的重要发展方向。 近年来，随着汽车工业的迅速发展，对通过降低产品的自重以降低能源消耗

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和减少污染（包括汽车尾气和废旧塑料）提出了更迫切的要求，轻质、高质量的绿色环保材料将成为人们的首选。镁合金就是被世界各国材料界看好的最具有开发和应用发展前途的金属材料。

镁合金压铸件广泛应用于交通工业（汽车、摩托车及飞机零件等）、IT行业（手机、笔记本等）、小型家电行业（摄像机、照相机及其它电子产品外壳等）。汽车离合器和变速箱壳体采用镁合金压铸件比铝合金重量分别减轻2.6kg和2.5kg。同时，压铸镁铝合金产品在体育运动（自行车架与踏板、滑雪板等）、手工工具（链锯、岩钻等）、国防建设（轻型武器、步兵装备）等领域亦有十分广阔的应用前景。

2.3 材料成形加工过程的建模与仿真

随着计算机技术的发展，技术材料科学已成为一门新兴的交叉学科，成为材料研究的重要手段，是除实验和理论外解决材料科学中实际问题的第三个重要研究方法。它可以比理论和实验做得更深刻、更全面、更细致，可以进行一些理论和实验暂时还做不到的研究。因此，基于知识的材料成形工艺模拟仿真是材料科学与工程的前沿领域及研究热点，而高性能、高保真和高效率则是模拟仿真的努力目标。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%，增加投入设备的利用率30%～60%，缩短产品设计和试制周期30%～60%，增加分析问题广度和深度的能力3～3.5倍等。

目前，模拟仿真技术已能用于压力铸造、熔模铸造等特种精确成形工艺。很多研究人员开展了材料成形加工新工艺，如喷射成形的模拟研究等。

应该指出，多尺度模拟特别是微观组织模拟（从毫米、微米、到纳米尺度）是几年来研究的新热点课题。通过计算机模拟，可深入研究材料的结构、组成及其各物理化学过程中宏观、微观变化机制，并由材料成分、结构及制备参数的最佳组合进行材料设计。计算材料科学的研究范围包括从埃量级的量子力学计算到连续介质层次的有限元或有限差分模型分析，可分为四个层次：纳米级、微观、介观及宏观层次。多尺度模拟已经在汽车及航天工业中应用。

2.4 材料的快速成形与虚拟制造

我国制造业的主要问题之一是缺乏创新产品的开发能力，因而缺乏国际市场竞争能力。随着全球化市场的激烈竞争，加快产品开发速度已成为竞争的重要手段之一。制造业要满足日益变化的用户要求，必须有较强的灵活性，以最快的速度提供高质量产品。

应该指出，产品设计及制造开发系统是以设计与制造工程的建模与仿真为核

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心内容，模拟仿真或称计算机辅助工程分析已成为并行工程及产品虚拟开发的主要内容，如图2.1所示。“合理的产品与工艺设计”，即在设计阶段的同时进行成 形工艺与产品设计（CAD）、成形加工过程与性能分析及模具与产品的制造过程仿

概论设计 零件设计 原型 台架试验 动力优化 零件原型 汽车测试 部件发送 传统零件开发 虚拟原型 零件原型---试验---零件发送 汽车测试 概念设计---零件优化 零件CAE分析结构分析（强度、振动、 节约时间 寿命）成形与工艺分析（铸、焊、锻）

图2.1 产品虚拟开发与传统方法比较

真（CAM）。它不仅可以提供产品零部件的可制造性评估，而且可以提供产品零部件的性能预测。

虚拟制造是CAD、CAM和CAPP等软件的集成技术，其关键是建立制造过程的计算模型，虚拟仿真制造过程。虚拟制造以并行方式进行产品设计、加工和装配，对各单元采用分布管理，而且不受时间、空间限制。虚拟制造的基础是虚拟现实技术。所谓“虚拟现实”技术是利用计算机和外观设备，生成与真实环境一致的三维虚拟环境，使用户通过辅助设备从不同的“角度”和“视点”与环境中的“现实”交互。与智能制造、虚拟工厂、网络化制造集成，材料加工过程建模与仿真将成为制造业新产品过程设计的非常有效的工具。

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第3章 新一代材料成形加工

3.1 材料成形加工技术发展特征

材料成形加工技术在现代发展的过程中，形成“精密”、“优质”、“快速”、“复合”、“绿色”、“信息化”的特征。

1. 材料成形加工技术的“精密”特征：成形精度向净成形的方向发展 材料成形加工技术的重要特征是精密化，以制造技术而论，从尺度上看，精密制造技术已经跨越了微米级技术，进入了亚微米和纳米技术领域。材料成形加工技术也在朝着精密化的方向发展，表现为零件成形的尺寸精度正在从近净成形向净成形，即近无余量成形方向发展。“毛坯”与“零件”的界限越来越小。

当前精密成形技术已在较大程度上实现了近净成形，即制造接近零件形状的工件毛坯，较传统成形技术减少了后工序的切削量，减少了材料、能源的消耗。发展趋势是实现净成形，即直接制成复合形状要求的工件。

2. 材料成形加工技术的“优质”特征：成形质量向近无缺陷、“零”缺陷的方向发展

如果说净成形技术主要反映的是成形加工技术的尺寸与形状精密的特征，反映了成形加工保证尺寸及形状的精密程度，那么，反映成形加工优质特征的则是近无缺陷、“零”缺陷成形加工技术。这个“缺陷”是指不致引起早期失效的临界缺陷的概念。采取的主要措施有：采用先进工艺、净化熔融金属、增大合金组织的致密度，为得到健全的铸件、锻件奠定基础；采用模拟技术、优化工艺技术，实现一次成形及试模成功，保证质量；加强工艺过程监控及无损检测，及时发现超标零件；通过零件安全可靠性能研究及评估，确定临界缺陷量值等。

3. 材料成形加工技术的“快速”特征：成形过程向快速方向发展

为满足现代消费观念的变革以及市场的剧烈竞争化，“客户化、小批量、快速交货”的要求不断增加，需要材料成形加工技术的快速化。

成形加工技术的快速特征表现在各种新型高效成形工艺不断涌现，星星铸造、锻造、焊接方法都从不同角度提高生产效率。

工艺模拟技术是一项多种新技术特征是信息技术综合应用、发展的结果。应用数值模拟于铸造、锻造、焊接、热处理等工艺设计中，并与物理模拟和专家系统结合，来确定工艺参数、优化工艺方案，预测加工过程中可以产生的缺陷及防治措施，控制和保证加工工件的质量。采用这种科学的模拟技术和少量的实验验证，以代替过去一切都要通过大量重复实验的方法，不仅可以节约大量人力和物力，而且还可以通过数值模拟来解决一些目前尚无法在实验室进行直接研究的复杂问题，大大缩短了制造周期，加快了制造进程。如铸造凝固过程的三维数值模

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拟；锻压过程微观组织的演化和热塑性本构关系模拟；焊接凝固裂纹的模拟仿真、开裂机制的研究以及焊接氢致裂纹的模拟；金属材料处理加热冷却过程的模拟仿真及组织、变形、性能预测等。

4. 材料成形加工技术的“复合”特征：成形方法向形成各种新型加工方法以及各种方法的复合方向发展

激光、电子束、离子束、等离子体等多种新能源及能源载体的引入，形成多种新型与改性技术，其中以各种形式的激光加工技术发展最为迅速。一些特殊材料如超硬材料、复合材料、陶瓷等的应用造就了一批新型复合工艺的诞生。

此外复合的特征还表现在冷热加工之间、加工过程、检测过程、物流过程、装配过程之间的界限趋向淡化、消失，而复合、集成于统一的制造系统之中。

5. 材料成形加工技术的“绿色”特征：成形加工生产向清洁生产方向发展 清洁生产技术是协调工业发展与环境保护的矛盾、需求日益增加与有限资源的矛盾的一种新的生产方式，是现代制造业发展的重要特征。

精密成形清洁生产技术主要意义在于：高效利用原材料，对环境清洁；最小的环境代价和最小的能源消耗，获取最大的经济效益；复合持续发展与生态平衡。

在成形加工生产过程中的主要途径是：采用清洁能源，如用电加热代替燃煤加热锻坯，由电熔化代替焦炭冲天炉熔化；采用清洁的工艺材料、开发新的工艺方法；采用新结构，减少设备的噪声和振动。

6. 材料成形加工技术“信息化”的特征

信息化是现代社会发展的趋势，信息技术正在以人们想象不到的速度向前发展。信息技术也正在向材料成形加工技术注入和融合，促进着材料加工技术的不断发展。技术对材料加工技术发展的作用目前已占第一位。

工艺模拟及优化技术的发展依赖着信息技术的发展，这是一个最典型的例子。成形加工装备当前沿着“单机自动化——流水线自动化——柔性、集成系统”方向发展，其中大量应用了各种传感器、计算机、信息和控制技术；成形质量控制向控制过程智能化方向发展，为此需要大力发展生产过程自动化、工艺参数在线控制、生产工艺因素对工艺效果影响的模拟。这都使材料成形加工技术注入“信息化”的特征。

3.2 新一代材料成形加工技术

制造技术可分为加工制造和成形制造（以液态铸造成形、固态塑性成形及连接成形等为代表）技术，其中成形制造不仅赋予零件以形状，而且决定了零件的组成。

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3.2.1 精确成形加工技术

近年来出现了很多新的精确成形加工制造技术。例如：在精确铸造成形加工方面，汽车工业中Cosworth铸造（采用锆砂砂芯组合并用电磁泵控制浇铸）、消失模铸造及压力铸造已成为新一代汽车薄壁、高质量铝合金缸体铸件的三种主要精确铸造成形方法,各铸造具体工艺过程见图3.1，3.2，3.3。

图3.1 Cosworth铸造工艺的工艺过程

1-铝锭；2-造型制芯；3-热处理；4-清理；5-合模；6-浇注工位的铸型； 7-铸件；8-滚道；9-落砂；10-砂摩擦装置；11-电磁泵；12-熔化/保温炉；

13-旧砂再生。

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图3.2 消失模铸造工艺过程

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图3.3 压铸型总体结构示意图

1-铸件；2-导柱；3-冷却水管；4-定型；5-动型； 6-顶杆板；7-顶杆；8-型腔；9-排气槽；10-浇注系统。

在轿车工业中还有很多材料精确成形新工艺，如用精确锻造成形技术生产凸轮轴等零件，液压胀形技术，半固态成形及三维挤压发等。摩擦压力焊接技术近来也备受人们关注。

以挤压铸造及半固态铸造为代表的精确成形技术由于熔体在压力下充型、凝固，从而使零件具有好的表面及内部质量。半固态铸造是一种生产结构复杂、近净成形、高品质铸件的材料半固态加工技术。半固态铸造铝合金零件在汽车上的应用其区别于压力铸造和锻压的主要特征是：材料处于半固态时在较高压力（约200MPa）下充型和凝固。材料在压力作用下凝固可形成细小的球状晶粒组织。

3.2.2 快速原型制造技术

随着全球化及市场的激烈竞争，加快产品开发速度已成为竞争的重要手段之一。制造业要满足日益变化的用户需求，制造技术必须具有较强的灵活性，能够以小批量甚至单批量生产迎合市场。快速原型制造技术以离散和堆积原理为基础和特征，将零件的电子模型按一定方式离散成为可加工离散面、离散线和离散点，然后采用多种手段将这些离散的面、线和点堆积形成零件的整体形状。有人因该技术高度的柔性而称之为“自由成形制造”。近年来快速原型制造已发展为快速模具制造及快速制造，这些技术能大大缩短产品的设计开发周期，解决单件或小批

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零件的制造问题。

3.3 新一代产品制造设计的研究

未来智能制造公司需要一系列核心智能，以便在集成设计、制造和商业服务系统内进行智能商务运作。这一系列的智能核心即可预测性、可生产性和廉价性、污染防治、产品与工艺性能。

研究这些特点已使集成设计、制造和服务成为一个具有竞争力的系统学科。如果将这种集成工程系统理解成为一种科学，就可以将其归为已经成熟的分析方法，然后就可以确定基本参数及如何测量它们，从而可以预测其行为。如果能够测量，就可以控制；如果能够控制，工艺就可以被不断地改进。最重要的是，所有参与到产品设计与制造工艺中的人员都必须了解这门学科。对这个学科有了这样一个科学的理解，我们就可以分析行为变化的影响，并在产品生命周期中选择最优方案。

模拟与仿真必须有效的满足这些要求。通常的原则是满足给定条件的最优模型并不一定是精度最高的描述。在提出的问题、解决问题的时间及所需的解决方案的类型及精度之间有一个平衡，它决定了对于细节的要求。所谓“简化模型”，即将复杂的影响加入到简单的行为中，从而将组件或系统近似。这种模型对于多种规律作用的情况或者复杂系统尤其重要。关键是建模必须实现最终目标，并与客户预想的目标相一致，它们体现了所要求的方法和精度。

下面是在材料加工和新一代产品制造设计中将建模与仿真用作智能核心的基本要点：

1. 数字产品和工艺建模的可预测性

随着具有竞争力的缩减产品发展与实现周期的蓬勃发展，在产品与工艺合成中的所有决策需要精度的建模与仿真工艺，以使物理基础的或行为基础的设计属性生效。在动力学、热力学、理学、材料和行为系统中有效运用建模工具是未来数字制造的先决条件。这些模型和知识要在网络和协作环境下共享，最新的SGI（美国图形工作站生产厂商）工作站可以在数分钟至数小时内解决极为复杂的工程问题。制造商可以使用高度工程化的仿真模型来帮助供货商改变模型设计和运送近于零缺陷的铸件给消费者，这样会尽量减少返工和缺陷。

2. 材料的可生产性和廉价性

廉价的制造材料对制造业特别是航空业一直是一个挑战。随着对环境和性能的规范和限制越来越多，各公司正在寻找更好的超级合金高温材料和类似网状的工艺技术，以降低原材料和制造运作过程的成本。现在，研究机构中的多数研究工具和工艺模型对公司在制造过程中预测并验证材料属性是远远不够的。例如，

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