材料成型与加工核心技术Word格式文档下载.docx
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国际竞争更加激烈市场规定产品性能高、成本低、周期短;
日益恶化环境规定材料加工原料与能源消耗低、污染少;
此外材料成形自身制造好、成品率高。
为了生产高精度、高质量产品,材料正由单一老式型向复合型、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。
只有使用新近材料加工技术才干获得高质量产品构造和性能,这些高性能先进材料涉及老式材料和新材料。
发展材料成形加工技术对国内制造业已高新技术生产高附加值优质零部件有积极作用。
2.2材料成形加工技术发展趋势
美国在“新一代制造筹划”中指出,将来制造模式将是批量小、质量高、成本低、交货期短、生产柔性、环境和谐;
将来制造公司要掌握十大核心技术,其中涉及迅速产品与工艺开发系统、新一代制造工艺及装备及模仿与仿真三项核心技术。
其中新一代工艺涉及精准成形加工制造或称净终成形加工工艺。
净终成形加工工艺规定材料成形加工制造向更轻、更薄、更强、更韧及成本低、周期短、质量高方向发展。
轻量化、精准化、高效化将是将来材料成形加工技术重要发展方向。
近年来,随着汽车工业迅速发展,对通过减少产品自重以减少能源消耗
和减少污染(涉及汽车尾气和废旧塑料)提出了更迫切规定,轻质、高质量绿色环保材料将成为人们首选。
镁合金就是被世界各国材料界看好最具备开发和应用发展前程金属材料。
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、照相机及其他电子产品外壳等)。
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。
同步,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)等领域亦有十分辽阔应用前景。
2.3材料成形加工过程建模与仿真
随着计算机技术发展,技术材料科学已成为一门新兴交叉学科,成为材料研究重要手段,是除实验和理论外解决材料科学中实际问题第三个重要研究办法。
它可以比理论和实验做得更深刻、更全面、更细致,可以进行某些理论和实验暂时还做不到研究。
因而,基于知识材料成形工艺模仿仿真是材料科学与工程前沿领域及研究热点,而高性能、高保真和高效率则是模仿仿真努力目的。
依照美国科学研究院工程技术委员会测算,模仿仿真可提高产品质量5~15倍,增长材料出品率25%,减少工程技术成本13%~30%,减少人工成本5%~20%,增长投入设备运用率30%~60%,缩短产品设计和试制周期30%~60%,增长分析问题广度和深度能力3~3.5倍等。
2.4材料迅速成形与虚拟制造
国内制造业重要问题之一是缺少创新产品开发能力,因而缺少国际市场竞争能力。
随着全球化市场激烈竞争,加快产品开发速度已成为竞争重要手段之一。
制造业要满足日益变化顾客规定,必要有较强灵活性,以最迅速度提供高质量产品。
虚拟制造是CAD、CAM和CAPP等软件集成技术,其核心是建立制造过程计算模型,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,并且不受时间、空间限制。
虚拟制造基本是虚拟现实技术。
所谓“虚拟现实”技术是运用计算机和外观设备,生成与真实环境一致三维虚拟环境,使顾客通过辅助设备从不同“角度”和“视点”与环境中“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非常有效工具。
第三章新一代材料成形加工
3.1材料成形加工技术发展特性
材料成形加工技术在当代发展过程中,形成“精密”、“优质”、“迅速”、“复合”、“绿色”、“信息化”特性。
1.
材料成形加工技术“精密”特性:
成形精度向净成形方向发展
材料成形加工技术重要特性是精密化,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方向发展,体现为零件成形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”界限越来越小。
2.
材料成形加工技术“优质”特性:
成形质量向近无缺陷、“零”缺陷方向发展
如果说净成形技术重要反映是成形加工技术尺寸与形状精密特性,反映了成形加工保证尺寸及形状精密限度,那么,反映成形加工优质特性则是近无缺陷、“零”缺陷成形加工技术。
这个“缺陷”是指不致引起初期失效临界缺陷概念。
采用重要办法有:
采用先进工艺、净化熔融金属、增大合金组织致密度,为得到健全铸件、锻件奠定基本;
采用模仿技术、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,拟定临界缺陷量值等。
3.
材料成形加工技术“迅速”特性:
成形过程向迅速方向发展
为满足当代消费观念变革以及市场激烈竞争化,“客户化、小批量、迅速交货”规定不断增长,需要材料成形加工技术迅速化。
成形加工技术迅速特性体当前各种新型高效成形工艺不断涌现,星星锻造、锻造、焊接办法都从不同角度提高生产效率。
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(以液态锻导致形、固态塑性成形及连接成形等为代表)技术,其中成形制造不但赋予零件以形状,并且决定了零件构成。
3.2.1精准成形加工技术
近年来浮现了诸多新精准成形加工制造技术。
在轿车工业中尚有诸多材料精准成形新工艺,如用精准锻导致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。
以挤压锻造及半固态锻造为代表精准成形技术由于熔体在压力下充型、凝固,从而使零件具备好表面及内部质量。
半固态锻造是一种生产构造复杂、近净成形、高品质铸件材料半固态加工技术。
半固态锻造铝合金零件在汽车上应用其区别于压力锻造和锻压重要特性是:
材料处在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球状晶粒组织。
3.2.2迅速原型制造技术
随着全球化及市场激烈竞争,加快产品开发速度已成为竞争重要手段之一。
制造业要满足日益变化顾客需求,制造技术必要具备较强灵活性,可以以小批量甚至单批量生产迎合市场。
迅速原型制造技术以离散和堆积原理为基本和特性,将零件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,然后采用各种手段将这些离散面、线和点堆积形成零件整体形状。
有人因该技术高度柔性而称之为“自由成形制造”。
近年来迅速原型制造已发展为迅速模具制造及迅速制造,这些技术能大大缩短产品设计开发周期,解决单件或小批零件制造问题。
3.3新一代产品制造设计研究
将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。
这一系列智能核心即可预测性、可生产性和便宜性、污染防治、产品与工艺性能。
研究这些特点已使集成设计、制造和服务成为一种具备竞争力系统学科。
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分析办法,然后就可以拟定基本参数及如何测量它们,从而可以预测期行为。
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基本要点:
数字产品和工艺建模可预测性
随着具备竞争力缩减产品发展与实现周期蓬勃发展,在产品与工艺合成中所有决策需要精度建模与仿真工艺,以使物理基本或行为基本设计属性生效。
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将来数字制造先决条件。
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工程问题。
制造商可以使用高度工程化仿真模型来协助供货商变化模型设计和运送近于零缺陷铸件给消费者,这样会尽量减少返工和缺陷。
材料可生产性和便宜性
便宜制造材料对制造业特别是航空业始终是一种挑战。
随着对环境和性能规范和限制越来越多,各公司正在寻找更好超级合金高温材料和类似网状工艺技术,以减少原材料和制造运作过程成本。
当前,研究机构中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。
咱们必要将着眼点从尺寸精准性扩展到材料性能,以便获得对工艺、机器和零件品质全面理解。
这将引导咱们开创集材料、制造、物理和计算学等交叉学科研究工作,以推动咱们对制造学理解。
绿色生产和工艺污染防治
咱们需要新规范使传感器和工艺控制这种技术更好整合,以便更少发展和安装成本提供更高能源效率并减少污染。
绿色制造系统应改进以使工厂监控工艺参数,并直接、精准和迅速获得真实工艺信息。
此外,需要可代替化学基本涂层技术来影响化学自由制造工艺,还需要新型传感器通过化学手段监控和控制腐蚀环境。
正在浮现技术,诸如微电子机械基本工艺传感器和无线电通信,需要发展和工程化以满足这些挑战性需求。
4.
产品与工艺性能先进维护技术
服务和维护对于保持产品和工艺质量及客户满意度是非常重要。
拟定系统失效因素难点归结为几种因素,涉及系统复杂性、不拟定性和缺少足够纠错工具。
当前,许多组织工业正实行服务和维护就是基于响应办法。
组织咱们解决这些问题基本因素是对制造机器和设备每天状况理解局限性。
咱们只是不懂得如何定量预测零件和机器性能退化。
咱们缺少有效地预测模型和工具,它们可以告诉咱们给定工艺参数详细值时会有什么状况发生。
咱们要进行研究,以理解产品和机器故障生产因素,开发智能和可重复配备这些目的,需要智能软件和网络设备来提供预先维护能力,诸如性能退化测量、故障修复、自维护和远程诊断。
这些特点容许制造和加工工业能发展预先维护方略,以保证产品和工艺性能,并最后消除不必要系统瘫痪。
第4章
绿色再制造与材料成形加工可持续发展
在当今全球经济发展同步,对自然资源任意开发运用带来了全球生态破坏、资源短缺、环境污染等重大问题。
其中,机电产品制造业是最大资源使用者,也是最大环境污染资源之一。
通过研究再制造工程理论和技术,可觉得废旧产品科学运用提供根据,指引规范当前再制造市场。
再制造工程是以产品全寿命周期设计和管理为指引,以优质、高效、节能、环保为目的,以先进技术和产业化市场为手段,来恢复或改造废旧产品一系列技术办法或工程活动总称。
通过再制造研究,可形成闭环产品物质及信息流系统,实现由产品开环解决和材料资源闭环回收,发展到产品闭环使用高档阶段,实现高档资源物质流最优化循环。
4.1再制造过程设计基本
针对失效产品进行再制造,一方面要对其进行再制造设计,再制造设计基本涉及产品失效机理及寿命预测、再制造性评价等内容。
4.1.1产品失效机理及寿命预测
产品服役环境行为及失效机理研究是实行再制造工程重要基本理论根据。
从宏观和微观上研究零部件在复杂环境中失效机理和损伤规律。
重要研究复杂环境中多因素非线性耦合伙用下零部件失效机理,涉及腐蚀介质与力学因素联合伙用下零件损伤机理,温度场与应力场耦合伙用下零部件损伤行为,多轴载荷作用下零部件疲劳破坏行为,以及汽液固多相流环境中零部件腐蚀、冲蚀、穴蚀交互损伤规律。
产品寿命预测与剩余寿命评估办法建立在零部件失效分析基本上,应用力学理论建立失效行为数学模型,并与加速实验成果相结合,以建立产品寿命预测评估系统,评估新品、再制造产品寿命及产品剩余寿命。
4.1.2产品再制造性评价
废旧产品再制造性是决定其能否进行再制造前提,是再制造基本理论研究中首要问题。
再制造性是指将技术、经济和环境等因素综合分析后,废旧产品所具备通过维修或改造后恢复或超过原产品性能能力。
4.2再制造材料成形加工核心技术
废旧产品通过再制造论证后,要实行再制造必要依赖于先进材料成形加工技术。
4.2.1复合表面工程技术
零件失效多来源于表面,因而表面工程技术是再制造过程中核心技术。
表面过程,是经表面预解决后,通过表面涂覆、表面改性或各种表面工程技术复合解决,变化固体金属表面或非金属表面形态、化学成分、组织构造和应力状态等,已获得所需要表面性能系统工程。
表面工程是由各种学科交叉、综合而发展起来新兴学科,它以“表面”为研究核心,在关于学科理论基本上,依照零件表面失效机制,以应用各种表面工程技术及其复合为特色,逐渐形成了与其她学科密切有关表面工程基本理论。
表面工程最大优势是可以以各种办法制备出优于本体材料性能表面功能薄层,赋予零件耐高温、防腐蚀、耐磨损、抗疲劳、防辐射等性能。
表面工程基本特性是综合、交叉、复合、优化。
复合表面工程是先进表面工程重要基本内容。
复合表面工程重要涉及各种表面技术复合和各种表面材料复合两种形式。
国外称之为第二代表面工程新技术。
各种表面技术复合
各种表面技术复合可以形成新涂层体系,并建立表面工程新领域。
单一表面技术由于其固有局限性,往往不能满足日益苛刻工况条件规定。
综合运用各种表面技术复合可以通过最佳协同效应获得了“1+1>
2”效果,解决了一系列高新技术发展中特殊工程技术难题。
各种表面技术复合重要研究内容涉及:
⑴
研究可产生协同效应各种技术之间复合和设计;
表面复合涂层在恶劣工况下表面或界面之间协同效应机理。
⑵
研究表征功能梯度材料(FGM)性能与构成梯度变化,应用计算机逆向设计对FGM覆层构成和构造进行优化;
开发热喷涂、电刷镀、气相沉积等工艺制备FGM覆层技术;
研究金属、金属间化合物、陶瓷等FGM涂层性能。
⑶
应用物理气相沉积、化学气相沉积和高能束辅助沉积在再制造毛坯上形成超硬膜。
研究真空膜层成膜界面行为与膜层性能关系;
形核及生长动力学;
在晶格错配度较大条件基体强度与超硬膜结合强度关系;
复合膜组元之间交互作用。
各种表面材料复合
各种表面材料形成复合涂层不但具备单一构造涂层所具备性能,还因复合材料不同而获得特殊性能或具备多功能性能涂层,复合涂层研究和应用日益增多。
由各种材料复合获得复合涂层种类重要有:
金属基陶瓷复合涂层、陶瓷复合涂层、梯度功能复合涂层等。
4.2.2纳米表面工程技术
纳米表面工程是以纳米材料和其她低维非平衡材料为基本,通过特定加工技术或手段,对固体表面进行强化、改性、超精细加工或赋予表面新功能系统工程。
纳米涂层及纳米表面自修复材料和技术是以纳米材料为基本,通过特定工艺手段,对固体表面进行强化、改性,或者赋予表面新功能,或者对损伤表面进行自修复。
例如:
纳米颗粒复合电镀刷技术
纳米颗粒复合原位动态自修复技术
纳米材料热喷涂技术
⑷
金属表面纳米晶化技术
纳米表面工程重要技术基本涉及:
①
纳米涂层制备技术基本研究,特别是研究纳米材料在介质中分散和稳定等核心工艺;
纳米涂层高强度、高韧性及其她特殊优秀性能;
纳米涂层对热疲劳及高温磨损等苛刻条件下微裂纹萌生、扩展和损伤抑制机理;
纳米涂层抗氧化性和热稳定性机理等。
②
研究非晶复合纳米晶涂层形成机理与影响因素,涉及材料表面纳米构造和非晶纳米晶复合涂层构造和体相物理化学现象;
涂层显微组织形成与演化规律、缺陷与热应力形成机理、界面结合状况等。
研究非平衡条件下低维材料构造与行为以及宏观与微观一体化,涉及“尺度问题”和“表面、界面问题”,为开发纳米电刷镀技术、纳米热喷涂技术、纳米气相沉积等及其复合技术提供技术基本。
③
纳米原位动态减摩自修复技术基本研究。
在不断机、不解体状况下,应用摩擦化学理论,运用纳米颗粒特性在摩擦微损伤表面原位动态形成自修复膜层办法及材料。
研究内容涉及:
纳米构造润滑膜、自修复薄膜等生长机理和服役特性;
纳米润滑添加剂对摩擦表面强化和对初期磨损表面原位动态自修复等机制;
纳米添加剂构成、形态、构造、反映活性等与损伤动态自修复功能关系规律,开发与摩擦表面结合良好、具备优良抗磨损和承载能力纳米磨损动态自修复技术及摩擦表面原位强化技术。
4.2.3特殊环境下应急再制造技术
国内有大量设备服役在苛刻环境条件下,如在野外环境下石油、天然气设备;
水电、公路铁路施工设备等;
在严重迅速磨损高原沙漠地区,在高温、高湿、高烟雾海洋环境下严重腐蚀或磨损等。
特殊环境下装备应急再制造核心技术以恢复服役性能为重点,对再制造时间、空间、原则、技术条件等有特殊规定,具备现场性、应急性、易噪性等特点。
研究内容重要涉及:
应急迅速维修技术
高科技条件下局部战争及生产线协同运营等作业方式缩短了损伤装备修理时间和空间,因而应急迅速维修地位和作用也变得更为重要。
采用先进技术迅速修复损伤装备,使其迅速恢复战斗力和生产力,是高科技条件下作战与生产相应急维修技术规定,也是装备再制造重要研究方向。
重要技术基本:
研究军用装备战伤特点及装备突发故障规律,建立应急维修技术专家系统。
开发适应于高低温、高负荷、强辐射等苛刻条件下使用耐磨、防腐化学粘涂材料(复合型胶粘剂、纳米胶粘剂、特种功能胶粘剂);
研究粘结粘涂层衰变性能;
研究迅速固化机理和技术,如紫外线固化、微波固化技术等;
重点开发合用于战伤及突发损伤粘接、冷焊、扣合、堵漏等应急迅速抢修技术。
研究提高部队作战和野外施工作业应急机动保障能力核心技术,开发通用化、小型化、原则化、智能化、数字化靠前抢修配套工具和仪器,开发各种现场抢修车及方舱等。
再制造毛坯迅速成形技术
再制造毛坯迅速成形技术,是运用原有废旧零件作为再制造零件毛坯原料,依照离散和堆积成形原理,运用CAD零件模型所拟定几何信息,采用积分原理和先进熔覆技术进行金属熔融堆积,迅速成形。
建立产品构造、零部件及表面涂层体系再制造计算机辅助工程系统(RCAE),研究零件受损检测和几何特性定位,开发再制造毛坯表面三维几何参量测试及再制造建模系统。
研究适当迅速成形高熔点材料,解决金属直接迅速成形致密性、成形材料与基体结合强度、成形材料间内聚强度等问题。
结
本文指出国内制造业基本共性技术领域材料成形加工技术与科学发展方向,以推动该领域发展和进步。
新一代制造工艺及装备、建模与仿真及迅速产品与工艺开发系统是面向当代三项核心先进制造技术。
轻量化、精准化、高效化将是新一代成形加工技术重要发展方向,材料成形加工向更轻、更薄、更精、更强、更韧、质量高、周期短及成本低方向发展。
在新一代成形加工技术与材料成形加工发展中不断面临环保、资源、市场竞争等问题上,绿色再制造又成为了成形加工技术进一步发展趋势。
绿色再制造材料成形加工核心技术基本研究目的和内容涉及材料学科和机械学科前沿,符合废品资源化和国内可持续发展战略原则和内容,其中许多技术基本研究内容优又是依照国内废旧产品再制造需求提出,具备较强学科创新性、前瞻性以及辽阔应用与发展前景。
参照文献
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周尧和.21世纪需要绿色集约化锻造,1998
成都理工大学
材料成型与加工技术
姓名:
陈康
学号:
050207
专业:
机械工程及其自动化
院系:
核技术与自动化学院
1月5日
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