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淺析近凈成形
一、技術概述 近凈成形技術是指零件成形后，僅需少量加工或不再加工，就可用作機械構件的成形技術。它是建立在新材料、新能源、機電一體化、精密注塑件模具技術、計算機技術、自動化技術、數(shù)值分析和模擬技術等多學科高新技術成果基礎上，改造了傳統(tǒng)的毛坯成形技術，使之由粗糙成形變?yōu)閮?yōu)質、高效、高精度、輕量化、低成本的成形技術。它使得成形的機械構件具有精確的外形、高的尺寸精度、形位精度和好的表面粗糙度。該項技術包括近凈形鑄造成形、精確塑性成形、精確連接、精密熱處理改性、表面改性、高精度注塑件模具等專業(yè)領域，并且是新工藝、新裝備、新材料以及各項新技術成果的綜合集成技術。 二、現(xiàn)狀及國內外發(fā)展趨勢 從七十年代以來，各工業(yè)發(fā)達國家政府與工業(yè)界對近凈成形技術投入了大量資金和人力，使這項技術得到很快發(fā)展，由于這項技術對市場競爭能力的突出貢獻，被美國、日本政府和注塑件加工廠列為九十年代影響競爭能力的關鍵技術，其產值增長幅度也遠高于制造業(yè)產值增長幅度。主要發(fā)展趨勢有： 1.不斷開發(fā)近凈成形新技術 工業(yè)發(fā)達國家一直致力于開發(fā)近凈成形新技術，在本專題所涉及的各件領域都有很大進展，因而近凈形成形所占比重和成形件精度以及成形零件的復雜程度都有很大提高。例如汽車缸體鑄件已經做到壁厚在3～4mm，轎車齒輪已有很多可以采用冷擠壓生產，齒形不再加工。轎車等速萬向節(jié)零件是很復雜的零件，已經可以采用精確的塑性成形技術來生產。轎車連桿不僅尺寸精度高，重量偏差也小，轎車連桿重量精度已經可以控制在3～4%以下，這些技術都推動了轎車自重降低和性能提高，隨著成形精度提高已經開發(fā)了一大批近凈成形工藝技術。新材料的發(fā)展推動了新的成形技術研究開發(fā)，高密度能源（激光、等離子束、電子束等）的發(fā)展和用于近凈成形，也推出了一批新的近凈成形工藝。所有這些都使這項技術形成了五彩紛呈、競相發(fā)展的局面。在我國近凈成形技術在整個成形制造生產中所占比重還比較低，成形件精度總體水平平均要比發(fā)達國家低1～2個等級，一些新技術只有少數(shù)注塑件加工廠采用，不少復雜難成形件我國還不能生產，部分先進成形設備、機械手機器人，很大一部分高水平自動化生產線國內還不能成套提供，因此總體水平要比國外落后15～25年。 2.應用工藝模擬技術，優(yōu)化凈成形工藝參數(shù) 傳統(tǒng)的成形技術是建立在經驗和實驗數(shù)據(jù)基礎上的技術，制定一個新的零件成形工藝在生產時往往還要進行大量修改調試。計算機和計算技術發(fā)展，特別是非線性問題的計算技術發(fā)展，使成形過程的模擬分析和優(yōu)化成為可能，國外通過大量工作已經形成鑄造、鍛造、復蓋件沖壓、注塑件模具CAD/CAM等多項商業(yè)軟件，有力推動了近凈成形技術發(fā)展，我國在模擬分析研究方面已經做了不少工作，但力量分散，每個單位的投入都不足，單項研究多，成為商品軟件的很少，現(xiàn)在國外成形軟件相繼進入國內市場，也暴露出成本高、不適合國情等問題。如何組織國內力量。從國情出發(fā)，把優(yōu)勢單位組織起來，開展工藝模擬和優(yōu)化工作，開發(fā)先進適用軟件，是當前應當解決的問題。 3.不斷開發(fā)適于近凈成形生產用機器人和機械手 近凈成形通常是大批量生產，需要建設自動生產線，需要有相應的機械手和機器人，由于工作環(huán)境的多樣性，通常又在高溫下工作，因此近凈成形機械手和機器人與一般冷加工和裝配用的機器人有不同特點，在國外針對不同成形工藝需要，通過多年工作已經掌握了一系列成形機械手和機器人的設計制造技術，我國生產用成形機器人和機械手除部分引進消化發(fā)展和自行開發(fā)能提供注塑件加工廠需要外，多數(shù)產品還需要研究開發(fā)或通過引進消化吸收發(fā)展，逐步形成系列化。 4.開展并使用近凈成開自動生產線和柔性生產線建線和控制技術，不斷提高生產效率 國外大批量生產的近凈成形多數(shù)采用了自動線生產，因而具有生產率高、質量穩(wěn)定、勞動條件好等優(yōu)點，在工業(yè)發(fā)達國家這種生產線研究和建設已有幾十年歷史，并且隨著人們對產品個性化的要求，已經出現(xiàn)一些柔性生產線。我國一些重點注塑件加工廠在70～80年代前期依靠引進設備陸續(xù)建立了一些近凈成形生產線，（例如70年代未期二汽購進了德國奧姆科公司的一萬二千噸熱模鍛壓力機生產自動線）。其后通過引進和自主開發(fā)，我國在90年代初已經能夠全部依靠國內技術和設備建設熱模鍛生產線。還有很多生產線建設技術，國內尚未掌握，在下個世紀初十年必須掌握這些技術，才能根據(jù)國內注塑件加工廠需求，建設不同自動化程度的生產線和柔性生產線。 5.重視近凈成形生產過程的質量控制，提高質量一致性 國外注塑件加工廠為了保證產品質量一方面加強管理，做好生產全過程的質量控制，另一方面通過生產過程中的自動化和智能控制以保證近凈成形生產質量穩(wěn)定，并且開發(fā)各種在線檢測和無損檢測技術和儀器，并且進行了統(tǒng)計過程控制技術的研究和應用，從而使成形件的質量和精度可靠。上述幾項關鍵技術我國還有不小差距，也需要盡快掌握，從而保證最終成形件質量。 6.發(fā)展近凈成形技術的虛擬制造和網(wǎng)絡制造 隨著計算機及網(wǎng)絡技術的發(fā)展近年來虛擬制造和網(wǎng)絡制造在國外開始得到重視和發(fā)展，我國近凈成形注塑件加工廠普遍規(guī)模較小，技術力量不足，信息不靈。由于近年來我國網(wǎng)絡信息業(yè)的迅速發(fā)展，我國一批科研機構和學校又積累了一批研究成果和軟件，如果通過協(xié)會、學會、生產力促進中心多種途徑把注塑件加工廠和研究單位、學校組織起來，開展虛擬制造和網(wǎng)絡制造，進行有償服務，有可能是科研成果商品化的有效途徑，也將是提高行業(yè)整體技術水平的有效途徑。 三、“十五”目標及主要研究內容 1.目標 通過科技攻關和產業(yè)化，使近凈成形技術在主要方面能趕上或接近國際先進水平，并在部分技術上有創(chuàng)新；通過攻關技術的成熟化、產業(yè)化、成套化、既可向注塑件加工廠提供先進成套技術，也可提供單項技術以滿足注塑件加工廠的需要，爭取做到國內技術可滿足注塑件加工廠需求的85～90%，在大部分方向上可基本檔住成套技術裝備進口。 2.主要研究內容 （1）近凈形成形新技術及其產業(yè)化：含“近凈成形鑄造”、“精確塑性成形”、“優(yōu)質高效精確連接”、“精確熱處理改性”、“優(yōu)質高效表面改性及涂層”、“復雜高精度注塑件模具”等技術及其綜合應用，針對上述方向中注塑件加工廠急需且復蓋面廣的新技術和共性技術開展研究，提供新工藝、新方法、新裝備，積累完善的技術數(shù)據(jù)，并達到實用化。 （2）近凈成形工藝模擬分析和優(yōu)化：研究解決成形工藝模擬的關鍵技術，使三維模擬軟件完善化、成熟化、商品化，為近凈成形提供優(yōu)化的工藝參數(shù)。 （3）近凈成形生產線用機械手和機器人：研究近凈成形生產線所需典型（鍛壓、沖壓、壓鑄、焊接等）機械手和機器人，使之達到系列化、成熟化、滿足生產線建設需要。 （4）近凈成形生產自動線和柔性生產線建線技術：以工藝技術為核心研究掌握近凈形成形自動生產線建線技術，側重研究生產線控制和在線檢測技術，做到能根據(jù)注塑件加工廠生產綱領和可能提供的資金建設不同機械化、自動化程度的生產線，也要根據(jù)發(fā)展需要，建設部分柔性生產線。 （5）生產過程的質量控制技術：通過在線智能控制技術、無損檢測技術和統(tǒng)計過程控制技術的研究應用，達到對近凈形成的全過程質量控制，從而是保證最終產品質量。 （6）近凈成形技術的虛擬制造和網(wǎng)絡制造技術：針對本行業(yè)中小注塑件加工廠多，國內注塑件加工廠技術水平低的特點，與協(xié)會、學會、生產力促進中心緊密結合，建立虛擬制造和網(wǎng)絡制造系統(tǒng)
