塑性成形新技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

1、塑性成形新技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)班級(jí)：機(jī)制121學(xué)號(hào)：201120337姓名：周禎201120335張濤201120339朱越一、歷史沿革從人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展和歷史進(jìn)程的宏觀來(lái)看，材料是人類(lèi)賴(lài)以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是社會(huì)現(xiàn)代化的物質(zhì)基礎(chǔ)和先導(dǎo)。而材料和材料技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，首先應(yīng)歸功于金屬材料制備和成型加工技術(shù)的發(fā)展。人類(lèi)從漫長(zhǎng)的石器時(shí)代進(jìn)化到青銅時(shí)代（有學(xué)者稱(chēng)之為“第一次材料技術(shù)革命”），首先得益于銅的熔煉以及鑄造技術(shù)進(jìn)步和發(fā)展，而由銅器時(shí)代進(jìn)入到鐵器時(shí)代，得益于鐵的規(guī)模冶煉技術(shù)、鍛造技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展（所謂“第二次材料技術(shù)革命”）。直到16世紀(jì)中葉，冶金（金屬材料的制備與成型加工）才由“技藝”逐漸發(fā)

2、展成為“冶金學(xué)”，人類(lèi)開(kāi)始注重從“科學(xué)”的角度來(lái)研究金屬材料的組成、制備與加工工藝、性能之間的關(guān)系，迎來(lái)了所謂的“第三次材料技術(shù)革命”一一人類(lèi)從較為單一的青銅、鑄鐵時(shí)代進(jìn)入到合金化時(shí)代，催生了人類(lèi)歷史的第一次工業(yè)革命，推動(dòng)了近代工業(yè)的快速發(fā)展。進(jìn)入20世紀(jì)以后，材料合成技術(shù)、符合技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，推動(dòng)了現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，而電子信息、航天航空等尖端技術(shù)的發(fā)展，反過(guò)來(lái)對(duì)高性能先進(jìn)材料的研究開(kāi)發(fā)提出了更高的要求，起到了強(qiáng)大的促進(jìn)作用，促成了一系列新材料和新材料技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展。一般而言，材料需要經(jīng)歷制備、成型加工、零件或結(jié)構(gòu)的后處理等工序才能進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用，因此，材料制備與成型加工技術(shù)，與材料的成分

3、和結(jié)構(gòu)、材料的性質(zhì)一起，構(gòu)成了決定材料使用性能的最基本的三大要素。先進(jìn)工業(yè)國(guó)家對(duì)材料制備與成型加工技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)十分重視。美國(guó)制定了“為了工業(yè)材料發(fā)展計(jì)劃”，其核心是開(kāi)放先進(jìn)的制備與成型加工技術(shù)，提高材料性能，降低生產(chǎn)成本，滿(mǎn)足未來(lái)工業(yè)發(fā)展對(duì)材料的需求。德國(guó)開(kāi)展的“21世紀(jì)新材料研究計(jì)劃”將材料制備與成型加工技術(shù)列為六個(gè)重點(diǎn)內(nèi)容之一。在歐盟的“第六框架”計(jì)劃中，先進(jìn)制備技術(shù)時(shí)新材料領(lǐng)域的研究重點(diǎn)之一。日本在20世紀(jì)90年代后期，先后實(shí)施了“超級(jí)金屬”、“超鋼鐵”計(jì)劃，重點(diǎn)是發(fā)展先進(jìn)的制備加工技術(shù)，精確控制組織，大幅度提高材料的性能，達(dá)到減少材料用量、節(jié)省資源和能源的目的。新材料的研究、開(kāi)發(fā)與應(yīng)

4、用，綜合反應(yīng)了一個(gè)國(guó)家的科學(xué)技術(shù)與工業(yè)化水平，而先進(jìn)制備與成型加工技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于新材料的研制、應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化具有決定性的作用。先進(jìn)制備與成型加工技術(shù)的出現(xiàn)與應(yīng)用，加上了新材料的研究開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用進(jìn)程，促成了諸如微電子和生物醫(yī)用材料等新興產(chǎn)業(yè)的形成，促進(jìn)了現(xiàn)代航天航空，交通運(yùn)輸，能源環(huán)保等高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料向高性能“，復(fù)合化，結(jié)構(gòu)功能一體化發(fā)展，尤其需要先進(jìn)制備與成型加工技術(shù)及裝備，可使材料的生產(chǎn)過(guò)程更加高效，節(jié)能和潔凈，從而提高傳統(tǒng)材料產(chǎn)業(yè)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。另一方面，開(kāi)展本科學(xué)領(lǐng)域色前沿和基礎(chǔ)研究，并綜合利用相關(guān)學(xué)科基礎(chǔ)理論和科技發(fā)展成果，提供預(yù)備新材料的新原理新方法，也是材料科學(xué)與

5、工程學(xué)科自身發(fā)展的需求。因此，材料先進(jìn)制備與成型加工技術(shù)發(fā)展，對(duì)提高國(guó)家綜合實(shí)力，突破先進(jìn)工業(yè)國(guó)家的技術(shù)壁壘與封鎖，保障國(guó)家安全，改善人民生活質(zhì)量，以及促進(jìn)材料科學(xué)與技術(shù)自身的進(jìn)步與發(fā)展，具有十分重要的作用，也是國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重大需求。二、發(fā)展前景1 精密化目前，精密和超精密制造技術(shù)已經(jīng)跨越了微米級(jí)技術(shù)，進(jìn)入了亞微米和納米技術(shù)領(lǐng)域。精密化已成為材料成形加工技術(shù)發(fā)展的重要特征，其表現(xiàn)為零件成形的尺寸精度正在從近凈成形(NearNetshapeForming)向凈成形(NetshapeForming)，即近無(wú)余量成形方向發(fā)展。“毛坯”與“零件”的接近程度越來(lái)越大。當(dāng)前精密成形技術(shù)已在較

6、大程度上實(shí)現(xiàn)了近凈成形。發(fā)展趨勢(shì)是實(shí)現(xiàn)凈成形加工，其工藝要求材料成形向更輕、更薄、更強(qiáng)、更韌及成本低、周期短、質(zhì)量高的方向發(fā)展。精密材料成形技術(shù)有多種形式的精鑄、精鍛、精沖、冷溫?cái)D壓、精密焊接與切割等。2 優(yōu)質(zhì)化凈成形技術(shù)主要反映了成形加工保證尺寸及形狀的精密程度，而反映成形加工優(yōu)質(zhì)程度的則是近無(wú)缺陷、零缺陷成形加工技術(shù)。成早期失效的臨界缺陷的概念主要方法有：為了獲得健全的鑄件、鍛件奠定基礎(chǔ)，可以采用先進(jìn)工藝、凈化熔融的金屬、增大合金組織的致密度等。采用模擬技術(shù)、優(yōu)化工藝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)一次成形及試模成功，保證工件質(zhì)量。加強(qiáng)工藝過(guò)程監(jiān)控及無(wú)損檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)超標(biāo)零件。通過(guò)零件安全可靠性能研究及評(píng)估，確

7、定臨界缺陷量值等。3 快速化隨著全球化市場(chǎng)的激烈競(jìng)爭(zhēng)，加快產(chǎn)品開(kāi)發(fā)速度已成為競(jìng)爭(zhēng)的重要手段之一。制造業(yè)要滿(mǎn)足日益變化的用戶(hù)需求必須有較強(qiáng)的靈活性，以最快的速度提供高質(zhì)量產(chǎn)品，亦即客戶(hù)化小批量快速交貨的要求不斷增加，為此需要材料成形加工技術(shù)的快速化。成形加工技術(shù)的快速化表現(xiàn)在各種新型高效成形的工藝不斷涌現(xiàn)，新型鑄造鍛。壓焊接方法都從不同角度提高生產(chǎn)效率?？焖僭椭圃旒夹g(shù)，以離散堆積原理為基礎(chǔ)和特征，源零件的電子模型。模型按一定的方式離散成為可加工的離散面、離散線(xiàn)和離散點(diǎn)，而后采用多種手段將這些離散的面、線(xiàn)段和點(diǎn)堆積成零件的整體形狀。由于工藝過(guò)程簡(jiǎn)單，故制造速度比傳統(tǒng)方法快得多。到2000年，全世

8、界已有6700多臺(tái)不同類(lèi)型的RP*裝置在運(yùn)行?？焖僭秃涂焖倌＞呦嘟Y(jié)合。又提供了一條從模型直接制造模具的新方法。RP正在向著各種制造工藝集成，形成快速制造系統(tǒng)的方向發(fā)展。計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)是信息技術(shù)綜合應(yīng)用發(fā)展的結(jié)果，應(yīng)用數(shù)值模擬于鑄造、鍛壓、焊接等工藝設(shè)計(jì)中，并與物理模擬和專(zhuān)家系統(tǒng)相結(jié)合，來(lái)確定工藝參數(shù)優(yōu)化工藝方案預(yù)測(cè)加工過(guò)程中可以產(chǎn)生的缺陷及防止措施控制和保證加工工件的質(zhì)量。模擬仿真技術(shù)，它可以理論和實(shí)驗(yàn)做得更深刻、更全面、更細(xì)致可以進(jìn)行一些理論和實(shí)驗(yàn)暫時(shí)還做不到的研究，大大縮短了制造周期，加快了制造進(jìn)程。如鑄造凝固過(guò)程的三維數(shù)值模擬鑄壓過(guò)程微觀組織的演化及本構(gòu)關(guān)系模擬，焊接凝固裂紋的模擬

9、仿真開(kāi)裂機(jī)制的研究以及焊接氫致裂紋的模擬金屬材料熱處理加熱冷卻過(guò)程的模擬仿真及組織變形性能預(yù)測(cè)等。根據(jù)美國(guó)科學(xué)研究院測(cè)算，模擬仿真可提高產(chǎn)品質(zhì)量5至15倍，降低人工成提高投入設(shè)備的利用率30%至50%,縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)和試制周期增加分析問(wèn)題廣度和深度的能力3至3.5倍等。*RP系統(tǒng)的發(fā)展情況1998年，由美國(guó)3D系統(tǒng)公司推出專(zhuān)為機(jī)械零件設(shè)計(jì)而制作的RP技術(shù)SEStereolithography(sl)技術(shù)。該處理工世是通過(guò)激光將液態(tài)UV感光聚脂凝固一片片薄層，全球第一個(gè)商業(yè)化的RP系統(tǒng)歪LA僦是如今相當(dāng)普遍的SLA?50機(jī)型的先驅(qū)。接下來(lái)是1991年，美國(guó)Helisys公司的LOMM支術(shù)，美國(guó)St

10、ratasys公司的FDM技術(shù)，美國(guó)Cubital公司的SGCa術(shù)。LOM術(shù)通過(guò)計(jì)算機(jī)導(dǎo)向的激光燒結(jié)并剪切薄片材料，F(xiàn)DM技術(shù)將熱熔塑料材料拉成絲狀，并用它來(lái)一層一層產(chǎn)生模型，SCGK術(shù)也使用UV感光聚脂，通過(guò)玻璃盤(pán)上的靜電濾色片作蔽光片，產(chǎn)生紫外光流，可以立即凝固所有的薄層。1992年DT陀司的SLS技術(shù)推出。隨后，1993年Soligen公司推出DSPC術(shù)。SLS技術(shù)通過(guò)激光產(chǎn)生的熱量熔化粉末材料。DSP限術(shù)通過(guò)機(jī)械噴射裝置在粉末上沉積液體粘結(jié)劑，麻省理工學(xué)院發(fā)明該技術(shù)并注冊(cè)專(zhuān)利，然后授權(quán)給Soligen公司。1994年Sanders公司推出MMK術(shù)。1995年，BM限術(shù)公司推出BPM術(shù)，

11、兩種技術(shù)都采用噴射頭來(lái)沉積石蠟材料。這些年，一些技術(shù)和公司出現(xiàn)后，又消失了。1990年Quadrax公司推出基于SL技術(shù)的Mark1000RP系統(tǒng)，1992年，3D系統(tǒng)公司通過(guò)專(zhuān)利戰(zhàn)合并了Quadrax公司的技術(shù)。杜邦公司開(kāi)發(fā)了基于SL技術(shù)的名叫SOMO的技術(shù)，并向TeijinSeiki公司發(fā)放了在亞洲獨(dú)家使用權(quán)用其技術(shù)的許可證，然后1995年杜邦公司又向Aaroflex公司發(fā)放了在北美和其它一些有選擇的國(guó)家獨(dú)家使用其技術(shù)的許可證。其它一些公司如LightSculping公司，SparxAB公司，Laser3D公司都開(kāi)發(fā)并介紹了各自的RP系統(tǒng)，但在RP行業(yè)中都有末產(chǎn)生任何商業(yè)方面的沖擊。日本的

12、Kira公司和新加坡Kinergy公司的PaperLamintian(切紙成形)系統(tǒng)和多達(dá)來(lái)自7家日本公司的基于SL技術(shù)的系統(tǒng)都進(jìn)入了市場(chǎng)，CME您司Denken公司和D楂EC公司的基于SL技術(shù)的RP系統(tǒng)代表著日本市場(chǎng)中RP設(shè)務(wù)的主流。德國(guó)的EOS公司和Fockele&schwarze公司也推出基于SL技術(shù)的系統(tǒng)。同時(shí)，EO鈴司也提供一種基于激光燒結(jié)技術(shù)的系統(tǒng)以便和DTM公司在歐洲I、日本競(jìng)爭(zhēng)，所有這些國(guó)外的機(jī)器均末在美國(guó)銷(xiāo)售。4 復(fù)合化激光、電子束、離子束、等離子體等多種新能源的列入，形成多種新型加工與改性技術(shù)。其中以各種形式的激光加工技術(shù)發(fā)展最為迅速。激光加工技術(shù)多種多樣包括電子元

13、件的精密微焊接、航天航空和汽車(chē)制造中的焊接、切割與成形等。有不同種類(lèi)的激光表面改性處理方法如熱處理、表面修整、表面熔覆及合金化等，使用的激光器主要為大功率二氧化碳激光器，YAG激光器。近年來(lái)激光加工自由成形技術(shù)成為重要的研究動(dòng)向。隨著金屬間化合物材料、金屬基復(fù)合材料多種新型功能材料超導(dǎo)材料等高新技術(shù)材料的應(yīng)用，傳統(tǒng)的加工方式或多或少地遇到了困難，與新的材料制備和合成技術(shù)相適應(yīng)，新的加工方法成為材料加工研發(fā)的一個(gè)重要領(lǐng)域，一批新型復(fù)合工藝應(yīng)運(yùn)而生。為超塑成形擴(kuò)散連接技術(shù)材料電磁加工等此外復(fù)合化還表現(xiàn)在冷熱加工之間加工過(guò)程、檢測(cè)過(guò)程、物流過(guò)程、裝配過(guò)程之間的界限趨向淡化、消失、而復(fù)合、集成于統(tǒng)一的

14、制造系統(tǒng)之中。5 綠色化“綠色化”是指成形加工生產(chǎn)向清潔生產(chǎn)、無(wú)廢棄物加工方向發(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)的矛盾、需求日益增加與有限資源的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。6 集成化生物科學(xué)、信息科學(xué)、納米科學(xué)、制造科學(xué)和管理科學(xué)是21世紀(jì)的5個(gè)主流科學(xué)，與其相關(guān)的五大技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)將改變世界，制造科學(xué)與其它科學(xué)交叉是其發(fā)展趨勢(shì)。RP與生物科學(xué)交叉的生物制造、與信息科學(xué)交叉的遠(yuǎn)程制造、與納米科學(xué)交叉的微機(jī)電系統(tǒng)等都為RP技術(shù)提供了發(fā)展空間。并行工程（CE）、虛擬技術(shù)（VT）、快速模具（RT）、反求工程（VR）、快速成型（RP）、網(wǎng)絡(luò)（Internet、Intranet