國內外材料成型及控制工程應用現狀

　　作為現代科學和工業技術發展的基礎，材料成型從20世紀80年代便被看作是推動經濟進入21世紀的三大工業支柱之一。材料成型及控制工程作為其中的一項重要專業技術，在近年來有著突飛猛進的發展，從而有效地推動了材料成型的學科發展。下面從事先進碳纖維復合材料制件研制及生產的企業鑫材泰克小編為大家分析：

　　所謂材料成型，顯而易見成型工藝便是此項科學技術的精髓。工業產品的好與壞不僅僅需要考慮材料自身是否具備優良的力學性能，更重要的是能否充分利用材料的特點采取最適合的加工成型方法。因此，工藝的發展從根本上決定了材料成型的質量。材料成型及控制工程通過分析材料的宏觀形狀、微觀結構及力學性能等研究熱加工過程中相關生產工藝，從而進行成型工藝主要分為鑄造、焊接和鍛壓三個方向。

　　一、鑄造工藝

　　鑄造通俗地說是液態金屬凝固的過程，這是一種使用范圍極其廣的成型工藝，不受鑄件尺寸、形狀及合金材料的限制。其技術關鍵就在于凝固組織的形成于控制、鑄造缺陷的防止與控制及鑄件尺寸精度與表面粗糙度的控制。

　　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。

　　隨著人們對鑄造質量、鑄造精度、鑄造成本和鑄造自動化等要求的提高，精密鑄造技術、連續鑄造技術、特種鑄造技術、鑄造自動化和鑄造成型模擬技術等得到了迅速發展，鑄造技術正朝著精密化、大型化、高質量、自動化和清潔化的方向發展，必將對傳統工業的技術進步有著極大的推動作用，同時也為高新技術產業的發展奠定了基礎。如圖1-1為某小型渦噴發動機靜子葉片，采用精密鑄造。

　　二、焊接工藝

　　焊接作為現代工程技術的重要組成部分，是材料成型中必不可少的工藝手段，主要可分為熔焊、固相焊和釬焊。焊接工藝可謂是真正意義上的在生產實踐中為滿足工業需求而不斷完善和發展起來的。

　　比如，汽車工業推動了電阻焊和二氧化碳氣體保護焊的工藝發展，船舶制造業推動了埋弧焊的發展等。

　　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。

　　為適應高質、高效的生產趨勢，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，成為今后焊接工藝的重點發展趨勢。

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　　三、鍛壓工藝

　　鍛壓實質是材料的塑性成型過程，這與材料自身的塑性變形能力與外部應力等有著密切聯系。它可以應用于大批量的生產，顯然其發展趨勢著重于高速自動化生產，以達到高效規?；a。在信息化高速發展的現今，計算機輔助系統逐步彰顯出其重要作用。利用計算機輔助設計與制造模具及實現生產的模擬化，極大地縮短了工業產品的設計、生產周期，從而減少了大量的人工投入，提高了產品的生產效率和質量。

　　四、材料成型加工技術的作用及地位

　　以鑄造、鍛造、焊接等工藝為代表的材料成形加工技術是制造業中的主要加工方法,材料成型加工技術與科學則是材料科學與工程的重要內容,它對國民經濟的發展及國防力量的增強均有十分重要的作用。據統計,全世界75%的鋼材經塑性加工成型,45%的金屬結構用焊接成型。2001年,我國鑄件產量已達1200萬噸,位居世界第二。

　　材料成型加工技術是汽車、機械、能源、石化、造船等支柱產業及國防工業的關鍵基礎加工技術。例如,長江三峽水輪機的葉輪高5.5米、直徑10.6米、重520噸,只有采用鑄、焊復合技術才能制造,目前尚依賴進口。例如,無論軍用或民用飛機中的燃氣輪機葉片國外都已采有新一代高溫合金單晶體熔模鑄造技術。又例如,目前汽車重量的65%以上仍由鋼鐵材料、鋁合金及鎂合金等通過鑄造、鍛壓、焊接等加工方法而成型。我國在這些前沿核心或關鍵技術方面還有較大的差距。因此,面對市場經濟及參與全球競爭,在振興制造業的同時,必須加強材料成型加工技術與科學的基礎理論和工程應用研究。

　　五、材料成型加工技術發展趨勢

　　制造業在過去的二十年中發生了巨大變化,這種變化還會延續。高速發展的工業技術要求材料成型加工技術的精確化、輕量化、集成化;激烈的國際競爭要求產品性能高、流程短、成本低;日益惡化的環境則要求材料成型加工消耗能源低、污染少。21世紀高新技術的出現將進一步導致材料成型加工技術與科學的進步與變革,包括:全新的成型加工方法與工藝及傳統加工方法的升級與革新。

　　近年來出現了很多新的精確鑄造成型技術。例如,在汽車工業出現了可控壓力鑄造、消失模鑄造及壓力鑄造等制造新一代汽車發動機薄壁鋁合金缸體鑄件的新方法。出現了液壓塑性成型、精密鍛造、攪拌磨擦焊、鎂及鋁合金半固態成型、鈦合金成型加工等新技術。用定向凝固熔模鑄造生產高溫合金單晶體燃氣輪機葉片則是精確鑄造成型技術在航空工業中應用的杰出體現。隨著金屬基復合材料、金屬間化合物材料及陶瓷材料等各種新材料的研究與開發,新的制備成型加工方法不斷出現,而材料制備和成型加工一體化則是重要的發展趨勢。例如,材料電磁成型加工、激光直接成型加工技術、金屬基復合材料液態噴射成型技術等等。

　　六、材料成型加工過程模擬及仿真

　　隨著計算機技術的發展,計算材料科學已成為一門新興的交叉學科,成為除實驗和理論外解決材料科學中實際問題的重要研究方法,基于知識的材料成型加工過程模擬與仿真已成為材料科學的前沿研究領域。據報道,模擬仿真技術可提高產品質量5-15倍、增加材料出品率25%、降低成本10%-30%、縮短產品設計和試制周期30%-60%。經過幾十年的不斷發展,鑄造及鍛造宏觀模擬技術已在工程中應用,并有很多商品化軟件。當前,高性能、高保真和高效率是成型加工過程模擬與仿真的努力目標,而微觀組織模擬(從毫米到微米尺度)則是新的研究熱點。并行工程是以集成、并行的方式設計產品及其相關過程(包括加工制造過程),力求使產品開發人員在設計一開始就考慮到產品整個生命周期中從概念形成到產品報廢處理所有因素(包括質量、成本、進度計劃和用戶要求)。在設計階段同時進行工藝CAD、成型加工過程的計算機輔助工程分析(CAE)及模具與產品的制造過程仿真(CAM),以取得最優的效果。美國通用汽車公司采用并行工程及CAE技術,每年節省產品研究開發費用達數百萬美元。

　　七、總結

　　縱觀材料成型工藝的技術與發展，工業產業的需求是推動其技術進步的重要動力，而激光技術、計算機技術、新材料技術及其它先進技術的發展賦予了材料成型技術具有廣泛的應用前景：

　　一是高效。隨著信息技術、計算機網絡和設備的升級換代，材料成型技術的自動化程度越來越高，材料成型技術高度速成化趨勢越發明顯，而這些技術的發展，無疑將為產品的高度速成帶來新的可能。

　　二是環保。隨著環保意識的不斷增強，人們在研制新型材料的動力和能力將變得越發強勁，新型環保材料將得到越來越廣泛的應用，這將從根本上推生新的材料成型技術的誕生。

　　三是節能。規模化生產無疑能將工件成本降低至新低，高度智能化帶來產品的高節能性。隨著智能理論的逐步完善，材料成型技術高度節能性趨勢越發明顯，而這一技術的發展，無疑將為產品的高節能性帶來新的希望。

　　鑫材泰克小編綜上所述，社會的可持續發展，必然離不開資源環境的可持續發展。就材料成型行業來說，我個人認為，未來的發展不僅僅要著重于生產的自動化、高效化和產品的高性能化，更應強調其生產過程中的能源消耗、污染排放和產品的使用安全性等問題。生產過程中的能源消耗、污染排放和產品的使用安全性等問題。承載力等完美結合，形成真正意義上的高效、環保、節能的新型生產工藝。