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淺析近凈成形
一、技術(shù)概述 近凈成形技術(shù)是指零件成形后，僅需少量加工或不再加工，就可用作機(jī)械構(gòu)件的成形技術(shù)。它是建立在新材料、新能源、機(jī)電一體化、精密注塑件模具技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、數(shù)值分析和模擬技術(shù)等多學(xué)科高新技術(shù)成果基礎(chǔ)上，改造了傳統(tǒng)的毛坯成形技術(shù)，使之由粗糙成形變?yōu)閮?yōu)質(zhì)、高效、高精度、輕量化、低成本的成形技術(shù)。它使得成形的機(jī)械構(gòu)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(xiàng)技術(shù)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(lǐng)域，并且是新工藝、新裝備、新材料以及各項(xiàng)新技術(shù)成果的綜合集成技術(shù)。 二、現(xiàn)狀及國內(nèi)外發(fā)展趨勢 從七十年代以來，各工業(yè)發(fā)達(dá)國家政府與工業(yè)界對(duì)近凈成形技術(shù)投入了大量資金和人力，使這項(xiàng)技術(shù)得到很快發(fā)展，由于這項(xiàng)技術(shù)對(duì)市場競爭能力的突出貢獻(xiàn)，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(guān)鍵技術(shù)，其產(chǎn)值增長幅度也遠(yuǎn)高于制造業(yè)產(chǎn)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(shù) 工業(yè)發(fā)達(dá)國家一直致力于開發(fā)近凈成形新技術(shù)，在本專題所涉及的各件領(lǐng)域都有很大進(jìn)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(fù)雜程度都有很大提高。例如汽車缸體鑄件已經(jīng)做到壁厚在3～4mm，轎車齒輪已有很多可以采用冷擠壓生產(chǎn)，齒形不再加工。轎車等速萬向節(jié)零件是很復(fù)雜的零件，已經(jīng)可以采用精確的塑性成形技術(shù)來生產(chǎn)。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(jīng)可以控制在3～4%以下，這些技術(shù)都推動(dòng)了轎車自重降低和性能提高，隨著成形精度提高已經(jīng)開發(fā)了一大批近凈成形工藝技術(shù)。新材料的發(fā)展推動(dòng)了新的成形技術(shù)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(xiàng)技術(shù)形成了五彩紛呈、競相發(fā)展的局面。在我國近凈成形技術(shù)在整個(gè)成形制造生產(chǎn)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(dá)國家低1～2個(gè)等級(jí)，一些新技術(shù)只有少數(shù)注塑件加工廠采用，不少復(fù)雜難成形件我國還不能生產(chǎn)，部分先進(jìn)成形設(shè)備、機(jī)械手機(jī)器人，很大一部分高水平自動(dòng)化生產(chǎn)線國內(nèi)還不能成套提供，因此總體水平要比國外落后15～25年。 2.應(yīng)用工藝模擬技術(shù)，優(yōu)化凈成形工藝參數(shù) 傳統(tǒng)的成形技術(shù)是建立在經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上的技術(shù)，制定一個(gè)新的零件成形工藝在生產(chǎn)時(shí)往往還要進(jìn)行大量修改調(diào)試。計(jì)算機(jī)和計(jì)算技術(shù)發(fā)展，特別是非線性問題的計(jì)算技術(shù)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(jīng)形成鑄造、鍛造、復(fù)蓋件沖壓、注塑件模具CAD/CAM等多項(xiàng)商業(yè)軟件，有力推動(dòng)了近凈成形技術(shù)發(fā)展，我國在模擬分析研究方面已經(jīng)做了不少工作，但力量分散，每個(gè)單位的投入都不足，單項(xiàng)研究多，成為商品軟件的很少，現(xiàn)在國外成形軟件相繼進(jìn)入國內(nèi)市場，也暴露出成本高、不適合國情等問題。如何組織國內(nèi)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(jìn)適用軟件，是當(dāng)前應(yīng)當(dāng)解決的問題。 3.不斷開發(fā)適于近凈成形生產(chǎn)用機(jī)器人和機(jī)械手 近凈成形通常是大批量生產(chǎn)，需要建設(shè)自動(dòng)生產(chǎn)線，需要有相應(yīng)的機(jī)械手和機(jī)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(jī)械手和機(jī)器人與一般冷加工和裝配用的機(jī)器人有不同特點(diǎn)，在國外針對(duì)不同成形工藝需要，通過多年工作已經(jīng)掌握了一系列成形機(jī)械手和機(jī)器人的設(shè)計(jì)制造技術(shù)，我國生產(chǎn)用成形機(jī)器人和機(jī)械手除部分引進(jìn)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(chǎn)品還需要研究開發(fā)或通過引進(jìn)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(dòng)生產(chǎn)線和柔性生產(chǎn)線建線和控制技術(shù)，不斷提高生產(chǎn)效率 國外大批量生產(chǎn)的近凈成形多數(shù)采用了自動(dòng)線生產(chǎn)，因而具有生產(chǎn)率高、質(zhì)量穩(wěn)定、勞動(dòng)條件好等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)發(fā)達(dá)國家這種生產(chǎn)線研究和建設(shè)已有幾十年歷史，并且隨著人們對(duì)產(chǎn)品個(gè)性化的要求，已經(jīng)出現(xiàn)一些柔性生產(chǎn)線。我國一些重點(diǎn)注塑件加工廠在70～80年代前期依靠引進(jìn)設(shè)備陸續(xù)建立了一些近凈成形生產(chǎn)線，（例如70年代未期二汽購進(jìn)了德國奧姆科公司的一萬二千噸熱模鍛壓力機(jī)生產(chǎn)自動(dòng)線）。其后通過引進(jìn)和自主開發(fā)，我國在90年代初已經(jīng)能夠全部依靠國內(nèi)技術(shù)和設(shè)備建設(shè)熱模鍛生產(chǎn)線。還有很多生產(chǎn)線建設(shè)技術(shù)，國內(nèi)尚未掌握，在下個(gè)世紀(jì)初十年必須掌握這些技術(shù)，才能根據(jù)國內(nèi)注塑件加工廠需求，建設(shè)不同自動(dòng)化程度的生產(chǎn)線和柔性生產(chǎn)線。 5.重視近凈成形生產(chǎn)過程的質(zhì)量控制，提高質(zhì)量一致性 國外注塑件加工廠為了保證產(chǎn)品質(zhì)量一方面加強(qiáng)管理，做好生產(chǎn)全過程的質(zhì)量控制，另一方面通過生產(chǎn)過程中的自動(dòng)化和智能控制以保證近凈成形生產(chǎn)質(zhì)量穩(wěn)定，并且開發(fā)各種在線檢測和無損檢測技術(shù)和儀器，并且進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)過程控制技術(shù)的研究和應(yīng)用，從而使成形件的質(zhì)量和精度可靠。上述幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)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(zhì)量。 6.發(fā)展近凈成形技術(shù)的虛擬制造和網(wǎng)絡(luò)制造 隨著計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展近年來虛擬制造和網(wǎng)絡(luò)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(shù)力量不足，信息不靈。由于近年來我國網(wǎng)絡(luò)信息業(yè)的迅速發(fā)展，我國一批科研機(jī)構(gòu)和學(xué)校又積累了一批研究成果和軟件，如果通過協(xié)會(huì)、學(xué)會(huì)、生產(chǎn)力促進(jìn)中心多種途徑把注塑件加工廠和研究單位、學(xué)校組織起來，開展虛擬制造和網(wǎng)絡(luò)制造，進(jìn)行有償服務(wù)，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(shù)水平的有效途徑。 三、“十五”目標(biāo)及主要研究內(nèi)容 1.目標(biāo) 通過科技攻關(guān)和產(chǎn)業(yè)化，使近凈成形技術(shù)在主要方面能趕上或接近國際先進(jìn)水平，并在部分技術(shù)上有創(chuàng)新；通過攻關(guān)技術(shù)的成熟化、產(chǎn)業(yè)化、成套化、既可向注塑件加工廠提供先進(jìn)成套技術(shù)，也可提供單項(xiàng)技術(shù)以滿足注塑件加工廠的需要，爭取做到國內(nèi)技術(shù)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(shù)裝備進(jìn)口。 2.主要研究內(nèi)容 （1）近凈形成形新技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)化：含“近凈成形鑄造”、“精確塑性成形”、“優(yōu)質(zhì)高效精確連接”、“精確熱處理改性”、“優(yōu)質(zhì)高效表面改性及涂層”、“復(fù)雜高精度注塑件模具”等技術(shù)及其綜合應(yīng)用，針對(duì)上述方向中注塑件加工廠急需且復(fù)蓋面廣的新技術(shù)和共性技術(shù)開展研究，提供新工藝、新方法、新裝備，積累完善的技術(shù)數(shù)據(jù)，并達(dá)到實(shí)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(guān)鍵技術(shù)，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(chǎn)線用機(jī)械手和機(jī)器人：研究近凈成形生產(chǎn)線所需典型（鍛壓、沖壓、壓鑄、焊接等）機(jī)械手和機(jī)器人，使之達(dá)到系列化、成熟化、滿足生產(chǎn)線建設(shè)需要。 （4）近凈成形生產(chǎn)自動(dòng)線和柔性生產(chǎn)線建線技術(shù)：以工藝技術(shù)為核心研究掌握近凈形成形自動(dòng)生產(chǎn)線建線技術(shù)，側(cè)重研究生產(chǎn)線控制和在線檢測技術(shù)，做到能根據(jù)注塑件加工廠生產(chǎn)綱領(lǐng)和可能提供的資金建設(shè)不同機(jī)械化、自動(dòng)化程度的生產(chǎn)線，也要根據(jù)發(fā)展需要，建設(shè)部分柔性生產(chǎn)線。 （5）生產(chǎn)過程的質(zhì)量控制技術(shù)：通過在線智能控制技術(shù)、無損檢測技術(shù)和統(tǒng)計(jì)過程控制技術(shù)的研究應(yīng)用，達(dá)到對(duì)近凈形成的全過程質(zhì)量控制，從而是保證最終產(chǎn)品質(zhì)量。 （6）近凈成形技術(shù)的虛擬制造和網(wǎng)絡(luò)制造技術(shù)：針對(duì)本行業(yè)中小注塑件加工廠多，國內(nèi)注塑件加工廠技術(shù)水平低的特點(diǎn)，與協(xié)會(huì)、學(xué)會(huì)、生產(chǎn)力促進(jìn)中心緊密結(jié)合，建立虛擬制造和網(wǎng)絡(luò)制造系統(tǒng)
