精密成形技术

 简介

机械构件的加工，首先要制造毛坯。再经切削、磨削等工序，才能得到符合设计要求的产品。毛坯到产品的传统加工方法，材料、能源、时间的消耗都很大，还会产生大量的废屑。废液及噪声污染。而精密成形技术可极大的改变这种状况。

　　精密成形技术包括：精密铸造（湿膜精密成形铸造、刚型精密成形铸造、高精度造芯）、精密锻压（冷湿精密成形、精密冲裁）、精密热塑性成形、精密焊接与切割。这些技术广泛地应用于汽车、洗衣机、家电、电器等产品关键件的生产，如进（排）气管、转向节、精密连杆及复杂轮廓件（如汽车车身）的制造。

　　精密成形的发展趋势是：产品的复杂化、精密化和质量优化；工艺设计的模拟化、准确化；模具模样设计制造技术的CAD／CAM一体化。目前某些中小零件的精密成形已达到不经切削加工或加工余量极小。国际机械加工技术协会预测，下世纪初，精密成形与磨削加工相结合，将取代大部分中小零件的切削加工。

　　精密成形技术在工业发达国家已得到广泛应用，通过与先进工艺设备、检测手段配合，已形成不同档次的精密成形制造单元，并普遍取代了传统的成形工艺及设备。

国外数字化精密成形技术的应用现状
 

1、国外数字化精密塑性成形技术的应

　　数字化精密成形技术主要包括数字化精密塑性成形和数字化精密铸造两方面。数字化精密塑性成形技术是一项在塑性成形全过程中融合数字化技术,以系统工程为理论基础的技术体系,实现优质、高效、低耗、清洁的生产。研究内容包括:建立以计算机图形学为基础的数字化模型,以统一的数据交换标准和工程数据库进行不同需求的交互,实现模型和信息共享;以数字化模型为基础,进行基于精密塑性成形的产品设计;以数字化模型为基础,进行基于精密塑性成形过程的产品性能分析;产品的数字化制造包括工艺过程和制造装备的数字化。

　　当前,精密塑性成形过程模拟在工业发达国家进入实用阶段。美国Bat tlelle 研究室在美国军方的资助下开发的有限元程序AL PID (Analysis ofLarge Plastic Incremental Deformation) 是塑性成形数值模拟技术的开始。在美国发动机覆盖件模具设计制造中,都要求在设计完成后必须经过计算机模拟检验,才能投入试验软模的制造。俄罗斯Quntor公司的Biba 等用数值模拟方法优化锻模,达到了提高模具寿命、改善零件精度的目的。具体方法是用数值模拟结果优化模具参数,如圆角半径、减少应力集中,采用收缩环和镶块 。

　　目前,精密塑性成形出现的大量研究热点,与数值模拟技术相关的有模具的设计、板材各向异性问题、材料回弹问题、损伤预测、成形极限线和管件液压成形技术等。

　　美国通用汽车公司开发了冲压模具的数字化开发平台与系统,该系统用三维设计平台对模具进行参数化和变量化设计,以专家系统和可制造性设计为基础进行模具型面开发,使传统的技艺型模具开发过程转变为以科学为基础的数字化开发。系统集成了通用公司几十年冲压工艺经验、规范,用数值模拟软件进行零件的成形性和质量分析、修改,从而定量地预测和解决模具开发中的问题。形成了数字化环境下的模具设计、模具制造、试模、冲压生产,可成形性预测准确度达90 %～95 % ,克服了模具开发人员个人经验的局限性,一般模具试模1～2 天即可完成。以军用悍马车车身等冲压件为例,用数字化模具开发系统使模具开发周期减少80 % ,模具费用降低50 %。此外,通用汽车公司还将优化技术与数值模拟技术有机地结合起来,实现了基于数值模拟的优化。

　　韩国Yeungnan 大学的Shim 和Son 用敏感性法确定初始板料形状,通过Pam2Stamp 有限元模拟确定形状敏感性,可以达到优化任意形状板材零件拉伸成形工艺设计。

　　加拿大成形( FTI) 公司用于金属板材设计仿真的CA TIA 方法将设计与分析统一在一个程序中。通过简单地更改几何形状、材料特性或板材厚度,利用计算机辅助进行最佳化设计,仿真结果起到了作为预警系统的作用。通过颜色特征表示“工件设计的可靠”“, 存在折边趋势”或“工件在红色面上有裂纹”,从而实现工艺设计的优化。

2、国外数字化精密铸造技术的应用现状

　　数字化精密铸造技术是指在铸造成形的过程中全面融合数字化技术,其中包括计算机辅助工程分析(铸造CAE) 、铸造工艺计算机辅助设计(铸造CAD) 、铸造专家系统等多项技术。

　　目前,信息技术在国外国防工艺铸造工程研究与应用中日趋深入,正在全面的提升铸造技术水平。美国等工艺发达国家已利用计算机辅助精密铸造技术成功完成了多种航天、航空、兵器等关键部件的试制,并取得了明显的经济效益。

　　美国国防部2006 年启动的CIR 计划开展了多个铸造数字化相关的项目。如由普渡大学承担的“面向铸造工艺的几何约束设计工具”项目,并推荐其它铸造工艺的改进方法。为达到提高铸件的质量的目的,该项目研究将首先收集已经得到业内证实的“推荐设计参数”,然后开发新的铸件设计软件和工具。软件工具的开发将针对复杂结构件铸造,以及铸件的几何特征对金属铸造工艺的影响,重点针对砂型铸造工艺和金属型铸造工艺。

　　美国国防部的Man Tech 计划也非常重视铸造数字化技术的开发和应用。如ABC2NACO 公司等单位承担的“面向工作性能的钢铁铸造集成设计”Man Tech 项目,其目标在于研究碳钢和低合金钢铸造中,收缩不连续组织对其结构性能的影响,并开发出相应的计算机工具。该技术的实施将降低铸件质量,提高铸造产量,扩展钢铁铸造的应用,缩短订货2交货周期并降低成本。

　　美国洛克达因公司研制德尔它4 火箭芯级发动机RS268 初期时,创建了集成产品并行开发的工作环境,利用先进的设计工具、3D 立体建模技术,完成了发动机数字建模工作。涡轮泵的设计充分体现了洛克达因先进过程集成开发项目( RAPID) 实施的效果。建立以模型为中心的水平集成设计系统( HIDS) ,制造出铸芯的HIDS 三维数字模型,然后将模型送至铸造厂生产试件,技术人员根据这些试件对浇口进行优化,并能够将各种特性直接反映到铸件的设计中,从而提高浇铸质量。

　　经过多年的不断发展,铸造过程模拟仿真技术从宏观到微观,由试验研究向实际应用,发展到现在已是一项十分成熟的工程应用技术,并有大量的实用模拟软件和丰富的热物性数据库,可以较准确地模拟大多数合金的铸造过程,实现工艺优化设计。通过数值模拟技术对铸件的结构工艺性、铸造工艺进行模拟,为技术人员设计较合理的铸件结构和确定合理的工艺方案提供了有效的科学依据,从而避免了传统的依靠经验进行结构设计和工艺制定的随意性。在工业发达国家中,已有15 %～20 %的铸造企业在生产中采用凝固模拟分析技术,精确地预测缺陷以及改进铸件的出品率。

对我国数字化精密成形技术发展的启示

近年来,国内相关企业及高校相继开展了一些数字化精密成形技术的相关研究,但是缺乏系统的集成研究,不能实现单项促进集成,局部带动整体,技术优势不能转化为产品优势,全行业精密成形技术水平没有质的跃升。因此,国内精密成形技术的研究应加强自主创新,突破关键技术。如产品信息建模技术、工艺模拟及优化技术、模具设计智能生成技术等,从而实现精密成形技术综合集成,提高工艺设计水平,进一步实现数字化设计制造一体化,缩短产品开发周期,降低制造成本。同时应加强成果应用,提高全行业精密成形技术水平。