精密成形技術

機械構件的加工，首先要製造毛坯。再經切削、磨削等工序，才能得到符合設計要求的產品。毛坯到產品的傳統加工方法，材料、能源、時間的消耗都很大，還會產生大量的廢屑。廢液及噪聲污染。而精密成形技術可極大的改變這種狀況。　利用熔化、結晶、塑性變形、擴散、他變等物理化學變化，按預定的設計要求成形機械構件，目的在於使成形的製品，達到或接近最後要求的形狀或尺寸——這就是精密成形技術。它是現代技術（計算機技術、新材料技術、精密加工與測量技術）與傳統成形技術（鑄造、鍛壓、焊接、切割等）相結合的產物。不僅可以提高材料的利用率，減輕污染，還可使構件材料獲得傳統方法難以獲得的化學成分與組織結構，從而提高產品的質量與性能。精密成形技術是生產高技術產品（如計算機、電於、通訊、宇航、儀表等產品）的關鍵技術。

產品的複雜化、精密化和質量優化；工藝設計的模擬化、準確化；模具模樣設計製造技術的CAD/CAM一體化。目前某些中小零件的精密成形已達到不經切削加工或加工餘量極小。國際機械加工技術協會預測，下世紀初，精密成形與磨削加工相結合，將取代大部分中小零件的切削加工。

精密成形技術在工業發達國家已得到廣泛應用，通過與先進工藝設備、檢測手段配合，已形成不同檔次的精密成形制造單元，並普遍取代了傳統的成形工藝及設備。

今後一段時期，中國將以汽車工業為主要應用對象，結合典型零件進行精密成形技術的開發，並形成應用於生產的成套技術。重點一是提高轎車生產裝備的國產化比例，二是提高轎車零部件的國產化比例。

數字化精密成形技術主要包括數字化精密塑性成形和數字化精密鑄造兩方面。數字化精密塑性成形技術是一項在塑性成形全過程中融合數字化技術，以系統工程為理論基礎的技術體系，實現優質、高效、低耗、清潔的生產。研究內容包括：建立以計算機圖形學為基礎的數字化模型，以統一的數據交換標準和工程數據庫進行不同需求的交互，實現模型和信息共享；以數字化模型為基礎，進行基於精密塑性成形的產品設計；以數字化模型為基礎，進行基於精密塑性成形過程的產品性能分析；產品的數字化製造包括工藝過程和製造裝備的數字化。

當前，精密塑性成形過程模擬在工業發達國家進入實用階段。美國Bat tlelle 研究室在美國軍方的資助下開發的有限元程序AL PID (Analysis ofLarge Plastic Incremental Deformation) 是塑性成形數值模擬技術的開始。在美國發動機覆蓋件模具設計製造中，都要求在設計完成後必須經過計算機模擬檢驗，才能投入試驗軟模的製造。俄羅斯Quntor公司的Biba 等用數值模擬方法優化鍛模，達到了提高模具壽命、改善零件精度的目的。具體方法是用數值模擬結果優化模具參數，如圓角半徑、減少應力集中，採用收縮環和鑲塊。

目前，精密塑性成形出現的大量研究熱點，與數值模擬技術相關的有模具的設計、板材各向異性問

題、材料回彈問題、損傷預測、成形極限線和管件液壓成形技術等。

美國通用汽車公司開發了衝壓模具的數字化開發平台與系統，該系統用三維設計平台對模具進行參數化和變量化設計，以專家系統和可製造性設計為基礎進行模具型面開發，使傳統的技藝型模具開發過程轉變為以科學為基礎的數字化開發。系統集成了通用公司幾十年衝壓工藝經驗、規範，用數值模擬軟件進行零件的成形性和質量分析、修改，從而定量地預測和解決模具開發中的問題。形成了數字化環境下的模具設計、模具製造、試模、衝壓生產，可成形性預測準確度達90 %～95 %，克服了模具開發人員個人經驗的侷限性，一般模具試模1～2 天即可完成。以軍用悍馬車車身等衝壓件為例，用數字化模具開發系統使模具開發週期減少80 %，模具費用降低50 %。此外，通用汽車公司還將優化技術與數值模擬技術有機地結合起來，實現了基於數值模擬的優化。

韓國Yeungnan 大學的Shim 和Son 用敏感性法確定初始板料形狀，通過Pam2Stamp 有限元模擬確定形狀敏感性，可以達到優化任意形狀板材零件拉伸成形工藝設計。

加拿大成形(FTI) 公司用於金屬板材設計仿真的CA TIA 方法將設計與分析統一在一個程序中。通過簡單地更改幾何形狀、材料特性或板材厚度，利用計算機輔助進行最佳化設計，仿真結果起到了作為預警系統的作用。通過顏色特徵表示“工件設計的可靠”“，存在折邊趨勢”或“工件在紅色面上有裂紋”,從而實現工藝設計的優化。

數字化精密鑄造技術是指在鑄造成形的過程中全面融合數字化技術，其中包括計算機輔助工程分析（鑄造CAE） 、鑄造工藝計算機輔助設計（鑄造CAD） 、鑄造專家系統等多項技術。

目前，信息技術在國外國防工藝鑄造工程研究與應用中日趨深入，正在全面的提升鑄造技術水平。美國等工藝發達國家已利用計算機輔助精密鑄造技術成功完成了多種航天、航空、兵器等關鍵部件的試製，並取得了明顯的經濟效益。

美國國防部2006 年啓動的CIR 計劃開展了多個鑄造數字化相關的項目。如由普渡大學承擔的“面向鑄造工藝的幾何約束設計工具”項目，並推薦其它鑄造工藝的改進方法。為達到提高鑄件的質量的目的，該項目研究將首先收集已經得到業內證實的“推薦設計參數”，然後開發新的鑄件設計軟件和工具。軟件工具的開發將針對複雜結構件鑄造，以及鑄件的幾何特徵對金屬鑄造工藝的影響，重點針對砂型鑄造工藝和金屬型鑄造工藝。

美國國防部的Man Tech 計劃也非常重視鑄造數字化技術的開發和應用。如ABC2NACO 公司等單位承擔的“面向工作性能的鋼鐵鑄造集成設計”Man Tech 項目，其目標在於研究碳鋼和低合金鋼鑄造中，收縮不連續組織對其結構性能的影響，並開發出相應的計算機工具。該技術的實施將降低鑄件質量，提高鑄造產量，擴展鋼鐵鑄造的應用，縮短訂貨2交貨週期並降低成本。

美國洛克達因公司研製德爾它4 火箭芯級發動機RS268 初期時，創建了集成產品並行開發的工作環境，利用先進的設計工具、3D 立體建模技術，完成了發動機數字建模工作。渦輪泵的設計充分體現了洛克達因先進過程集成開發項目（RAPID）實施的效果。建立以模型為中心的水平集成設計系統（HIDS），製造出鑄芯的HIDS 三維數字模型，然後將模型送至鑄造廠生產試件，技術人員根據這些試件對澆口進行優化，並能夠將各種特性直接反映到鑄件的設計中，從而提高澆鑄質量。

經過多年的不斷髮展，鑄造過程模擬仿真技術從宏觀到微觀，由試驗研究向實際應用，發展到現在已是一項十分成熟的工程應用技術，並有大量的實用模擬軟件和豐富的熱物性數據庫，可以較準確地模擬大多數合金的鑄造過程，實現工藝優化設計。通過數值模擬技術對鑄件的結構工藝性、鑄造工藝進行模擬，為技術人員設計較合理的鑄件結構和確定合理的工藝方案提供了有效的科學依據，從而避免了傳統的依靠經驗進行結構設計和工藝制定的隨意性。在工業發達國家中,已有15 %～20 %的鑄造企業在生產中採用凝固模擬分析技術，精確地預測缺陷以及改進鑄件的出品率。

近年來，國內相關企業及高校相繼開展了一些數字化精密成形技術的相關研究，但是缺乏系統的集成研究，不能實現單項促進集成，局部帶動整體，技術優勢不能轉化為產品優勢，全行業精密成形技術水平沒有質的躍升。因此，國內精密成形技術的研究應加強自主創新，突破關鍵技術。如產品信息建模技術、工藝模擬及優化技術、模具設計智能生成技術等，從而實現精密成形技術綜合集成，提高工藝設計水平，進一步實現數字化設計製造一體化，縮短產品開發週期，降低製造成本。同時應加強成果應用，提高全行業精密成形技術水平。