塑性加工技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r及趨勢(shì)

2013-05-09 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

作者:李德群華中理工大學(xué)模具技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

塑性加工具有高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、低耗等顯著特點(diǎn),已成為當(dāng)今先進(jìn)制造技術(shù)的重要發(fā)展方向。根據(jù)專家們的預(yù)測(cè),到21世紀(jì),零件粗加工的75%和精加工的50%將采用塑性成形的方式實(shí)現(xiàn)。工業(yè)部門的廣泛需求為塑性加工新工藝和新設(shè)備的發(fā)展提供了強(qiáng)大的原動(dòng)力和空前的機(jī)遇。

新世紀(jì)科學(xué)技術(shù)面臨著巨大的變革,通過與計(jì)算機(jī)的緊密結(jié)合,數(shù)控加工、激光成型、人工智能、材料科學(xué)和集成制造等一系列與塑性加工相關(guān)聯(lián)的技術(shù)發(fā)展速度之快,學(xué)科領(lǐng)域交叉之廣是過去任何時(shí)代所無法比擬的,塑性加工新工藝和新設(shè)備如雨后春筍般地涌現(xiàn),把握塑性加工技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展前景有助于我們及時(shí)研究、推廣和應(yīng)用高新技術(shù),推動(dòng)塑性加工技術(shù)的持續(xù)發(fā)展。

·精密成形技術(shù)

精密成形技術(shù)對(duì)于提高產(chǎn)品精度、縮短產(chǎn)品交貨期、減少切削加工和降低生產(chǎn)成本均有著重要意義。近10年來,精密鑄造技術(shù)、精密壓力加工技術(shù)與精密焊接技術(shù)突飛猛進(jìn)。

在精密鑄造方面,熔模精密鑄造、陶瓷型精密鑄造、金屬型鑄造和消失模鑄造等技術(shù)得到了重點(diǎn)發(fā)展,鑄件質(zhì)量大大提高。例如采用消失模的鑄件,壁厚公差可達(dá)±0.15mm,表面粗糙度可達(dá)Ra25μm。在精密壓力加工方面,精沖技術(shù)、超塑成形技術(shù)、冷擠壓技術(shù)、成形軋制、無飛邊熱模鍛技術(shù)、溫鍛技術(shù)、多向模鍛技術(shù)發(fā)展很快。例如700mm汽輪機(jī)葉片精密輥鍛和精整復(fù)合工藝已成功應(yīng)用于生產(chǎn),楔橫軋技術(shù)在汽車、拖拉機(jī)精密軸類鍛件的生產(chǎn)中顯示出極佳的經(jīng)濟(jì)性。除傳統(tǒng)的鍛造工藝外,近年來半固態(tài)金屬成形技術(shù)也日趨成熟,引起工業(yè)界的普遍關(guān)注。所謂半固態(tài)金屬成形是指對(duì)液態(tài)金屬合金在凝固過程中經(jīng)攪拌等特殊處理后得到的具有非枝晶組織結(jié)構(gòu)、固液相共存的半固態(tài)坯料進(jìn)行的各種成形加工。這種新的金屬加工技術(shù)可分為半固態(tài)鍛造、擠壓、軋制和壓鑄等幾種主要工藝類型,具有節(jié)省原材料、降低能耗、提高模具壽命、改善制品性能等一系列優(yōu)點(diǎn),并可生產(chǎn)復(fù)合材料的產(chǎn)品,被譽(yù)為21世紀(jì)新興金屬塑性加工的關(guān)鍵技術(shù)。

在精密焊接方面,電子束焊接、激光焊接、激光切割、脈沖電阻焊接技術(shù)和感應(yīng)釬焊技術(shù)的發(fā)展十分迅速,在汽車和家電行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用并取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

此外,在粉末冶金和塑料加工方面,金屬粉末超塑性成形、粉末注射成形、粉末噴射和噴涂成形以及塑料注射成形中氣體輔助技術(shù)和熱流道技術(shù)的成功應(yīng)用,大大擴(kuò)充了現(xiàn)代精密塑性加工的應(yīng)用范圍。

精密成形技術(shù)發(fā)展速度之快、應(yīng)用之廣,使國際機(jī)械加工技術(shù)協(xié)會(huì)有充足的理由認(rèn)為,在21世紀(jì)之初,精密成形與磨削加工相結(jié)合的加工方式,將取代大部分中、小零件的切削加工,在2010年左右,精密成形的精度將會(huì)進(jìn)一步提高,成形公差可望達(dá)到當(dāng)今的磨削精度,實(shí)現(xiàn)工業(yè)界夢(mèng)寐以求的"凈成形"(無余量的完全零件形狀)的奮斗目標(biāo)。

·快速成型與快速制模技術(shù)

快速成型技術(shù)(RP)是快速原型與制造技術(shù)的簡(jiǎn)稱,其成型原理為:先由幾何造型軟件生成產(chǎn)品的三維模型,然后按一定厚度分層,獲得各個(gè)截面的平面信息,經(jīng)數(shù)據(jù)處理后,數(shù)控系統(tǒng)有序地連續(xù)加工出每個(gè)薄層并使它們粘接成型?？焖俪尚椭饕屑す饬Ⅲw光刻(SLA)、分層實(shí)體制造(LOM)、選擇性激光燒結(jié) (SLS)和熔融沉積制造(FDM)等方法。

近幾年來,我國激光快速成型技術(shù)發(fā)展十分迅速,有些研究成果已達(dá)到國際先進(jìn)水平。如華中理工大學(xué)研制的分層實(shí)體制造(LOM)成型系統(tǒng)HRP棦?，清华大学集LOM與MEM(熔融擠出)于一體的多功能快速成型系統(tǒng)M桼PMSⅡ以及西安交通大學(xué)的立體光刻(SLA)成型系統(tǒng)LPS?00A,其主要技術(shù)指標(biāo)均接近或達(dá)到國際名牌機(jī)型的水平。

快速成型技術(shù)對(duì)于模具的快速制造產(chǎn)生了重要的影響和推動(dòng)作用。用于小批量生產(chǎn)的塑料模具和冷沖壓模具可以依照由快速成型方法所獲得的產(chǎn)品實(shí)體直接用硅橡膠、環(huán)氧樹脂或金屬材料制造。用于大批量生產(chǎn)的各種模具也可由快速成型和鑄造技術(shù)相結(jié)合的方法制造。快速制模技術(shù)由于具有制造周期短、成本低、綜合經(jīng)濟(jì)效益高等優(yōu)點(diǎn),十分適合新產(chǎn)品開發(fā)和小批量多品種的生產(chǎn)方式,近10年來發(fā)展非常迅速。除了快速成型在快速制模中應(yīng)用外,電弧噴涂成形技術(shù)、實(shí)型鑄造制模技術(shù)、氮?dú)鈴椈稍跊_壓模具中的應(yīng)用、鋅基合金制模技術(shù)、低熔點(diǎn)合金制模技術(shù)、銅基合金制模技術(shù)、電鑄技術(shù)在注塑模具中的應(yīng)用、環(huán)氧樹脂制模技術(shù)、無模多點(diǎn)成形技術(shù)、疊層鋼板制模技術(shù)等快速制模的新工藝、新方法和新設(shè)備層出不窮,顯示出強(qiáng)大的生命力和顯著的經(jīng)濟(jì)效益。 ·高速銑削和電火花銑削技術(shù)

隨著產(chǎn)品零件微型化和精密度要求的提高,對(duì)模具加工精度的要求也越來越高。超精密加工技術(shù)在近年來發(fā)展很快,最為突出的是高速銑削加工技術(shù)。高速銑削不僅工件加工表面質(zhì)量好,與傳統(tǒng)的切削方式相比,還具有工件溫升低、熱變形小、切削力小等優(yōu)點(diǎn),十分適合于對(duì)溫度和熱變形敏感的材料及薄壁、剛性差的零件加工。合理選用刀具和切削用量,高速銑削可用于硬質(zhì)材料(硬度達(dá)60HRC)的切削加工。在第七屆廣州國際模具展覽會(huì)(1998年)上展出的瑞士米克朗公司的HSM700型高速銑削機(jī)床,主軸轉(zhuǎn)速達(dá)42000r/min,切削進(jìn)給速度為20m/min;意大利菲迪亞公司展出的DIGIT643型高速銑削機(jī)床轉(zhuǎn)速也達(dá)28000r/min,進(jìn)給速度15m/min。高速銑削加工技術(shù)在模具制造中的應(yīng)用越來越廣泛,被人們譽(yù)為"第三代制模技術(shù)"。

電火花銑削加工技術(shù)(又稱為電火花創(chuàng)成加工技術(shù))是電火花加工技術(shù)的重大發(fā)展,這是一種替代傳統(tǒng)的用成型電極加工模具型腔的新技術(shù)。像數(shù)控銑削加工一樣,電火花銑削技術(shù)采用高速旋轉(zhuǎn)的桿狀電極對(duì)工件進(jìn)行二維或三維輪廓加工,無需制造復(fù)雜、昂貴的成型電極。日本三菱公司最近推出的EDSCAN8E電火花創(chuàng)成加工機(jī)床配置有電極損耗自動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)、CAD/CAM集成化系統(tǒng)、在線自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)和動(dòng)態(tài)仿真系統(tǒng),體現(xiàn)了當(dāng)今電火花銑削加工機(jī)床的水平。

伴隨著高速切削電火花加工技術(shù)的進(jìn)步,模具加工過程的檢測(cè)手段和模具表面處理技術(shù)也取得了很大進(jìn)展。現(xiàn)代三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)除了能高精度地測(cè)量復(fù)雜曲面的數(shù)據(jù)外,其良好的溫度補(bǔ)償裝置、可靠的抗振保護(hù)能力、嚴(yán)密的除塵措施以及簡(jiǎn)便的操作步驟使得現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化檢測(cè)成為可能。

在模具表面處理方面,拋光技術(shù)的進(jìn)步也十分突出?，F(xiàn)代超聲拋光設(shè)備能使模具表面拋光至Ra0.05~0.025μm,達(dá)到鏡面拋光的要求。模具表面耐磨、耐腐蝕和花紋處理技術(shù)也有長(zhǎng)足的進(jìn)步。

· CAD/CAM技術(shù)

CAD/CAM是改造傳統(tǒng)模具生產(chǎn)方式的關(guān)鍵技術(shù),是一項(xiàng)高科技、高效益的系統(tǒng)工程,它以計(jì)算機(jī)軟件的形式為用戶提供一種有效的輔助工具,使工程技術(shù)人員能借助計(jì)算機(jī)對(duì)產(chǎn)品、模具結(jié)構(gòu)、成形工藝、數(shù)控加工及成本等進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化。模具CAD/CAM能顯著縮短模具的設(shè)計(jì)制造周期、降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量,這已成為人們的共識(shí)。

在CAD/CAM技術(shù)日新月異的今天,工業(yè)部門已不滿足于僅僅將計(jì)算機(jī)作為繪圖和數(shù)控編程的工具,工程技術(shù)人員迫切地希望在同一軟件環(huán)境下,既能自動(dòng)繪圖,又能有設(shè)計(jì)、計(jì)算、分析和加工的能力,于是模具CAD/CAE/CAM集成化系統(tǒng)便應(yīng)運(yùn)而生。在各類塑性加工工藝中,塑料注射成形工藝計(jì)算機(jī)集成系統(tǒng)的應(yīng)用最為突出。世界著名的CAD/CAM系統(tǒng),如CADDS5,Pro桬和UGⅡ等,均實(shí)現(xiàn)了CAD/CAM系統(tǒng)與塑料注射過程模擬、模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和模具型腔數(shù)控加工的初步集成并取得了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。為了適應(yīng)國際發(fā)展潮流,華中理工大學(xué)模具技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室正在開發(fā)新一代塑料注射模軟件。所謂新一代注塑模軟件,是指利用計(jì)算機(jī)集成制造技術(shù)(CIM)開發(fā)的注塑模集成制造系統(tǒng)(CIMS),這種高度集成的系統(tǒng)能支持模具設(shè)計(jì)與制造的全過程,具有智能化、集成化、面向裝配和模具可制造性評(píng)價(jià)等特點(diǎn)。

應(yīng)該指出的是,在CIMS基礎(chǔ)上發(fā)展起來的虛擬技術(shù)將在21世紀(jì)的塑性加工領(lǐng)域發(fā)揮作用。所謂虛擬技術(shù),是指以CAD/CAM支持的仿真技術(shù)為前提,對(duì)設(shè)計(jì)、加工、裝配、試模等工序建立相關(guān)聯(lián)的數(shù)學(xué)模型,配置必要的硬件(如頭盔、手套或者信號(hào)反饋裝置等)和軟件(如圖形加速軟件、虛擬現(xiàn)實(shí)模型語言等),形成虛擬的環(huán)境、虛擬的過程、虛擬的產(chǎn)品和虛擬的企業(yè)。

在虛擬技術(shù)的支持下,從用戶訂貨,產(chǎn)品創(chuàng)意、設(shè)計(jì)到零部件生產(chǎn)、裝配、銷售以及售后服務(wù)等全過程的各個(gè)環(huán)節(jié)都可以分別由處在不同地域的企業(yè)進(jìn)行互利合作。通過國際互聯(lián)網(wǎng)、局域網(wǎng)和企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)實(shí)現(xiàn)模具的異地設(shè)計(jì)和異地制造,提高企業(yè)快速響應(yīng)市場(chǎng)的能力。

·結(jié)束語

現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)正在改變塑性加工領(lǐng)域的許多傳統(tǒng)觀念和生產(chǎn)組織方式,技術(shù)創(chuàng)新已成為21世紀(jì)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。由于新技術(shù)的應(yīng)用和引導(dǎo),塑性加工在國民經(jīng)濟(jì)中的作用越來越大,在一定程度上決定了我國機(jī)械制造業(yè)在21世紀(jì)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力,對(duì)此,我們要有足夠的認(rèn)識(shí)并采取得力的措施。

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