1.鑄造等材料生產(chǎn)加工技術(shù)的作用

生產(chǎn)制造工業(yè)生產(chǎn)過(guò)去的二十年中發(fā)生了巨大變化,這些變化還會(huì)繼續(xù)持續(xù)。鑒于全世界的激烈市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng),全新一代鑄造、鍛造、焊接等成形先進(jìn)制造技術(shù)將出現(xiàn)新的產(chǎn)品和加工工藝。應(yīng)對(duì)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)體制、參與全世界市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng),務(wù)必特別提升材料生產(chǎn)加工科學(xué)與技術(shù)的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究。只有采用新的材料生產(chǎn)加工技術(shù)才能得到 高質(zhì)量產(chǎn)品工件或零配件的結(jié)構(gòu)和性能,這類(lèi)高性能材料包含傳統(tǒng)材料和新型材料。

但是與發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)比,在我國(guó)鑄造工業(yè)生產(chǎn)在技術(shù)上仍有一定差距。比如在我國(guó)鑄造件年產(chǎn)量己超過(guò)1000萬(wàn)噸,位于世界第二。但在我國(guó)高質(zhì)量的鑄造件(產(chǎn)品質(zhì)量)僅為18%,以熔模鑄造為代表的準(zhǔn)確成形鑄造件(產(chǎn)值)僅為2%;而美國(guó)分別為40%和13%。此外與發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)比,在我國(guó)鑄造件平均產(chǎn)品質(zhì)量超過(guò)海外10%～20%;勞動(dòng)效率低5～8倍;能耗高2倍。再如在我國(guó)汽車(chē)缸體鑄造件的平均壁厚仍為5.5～6.0mm,而發(fā)達(dá)國(guó)家僅為3.5～4.5mm或更薄。

2.21世紀(jì)的先進(jìn)鑄造工藝

鑄造工藝是生產(chǎn)制造和材料科學(xué)與技術(shù)的交叉學(xué)科行業(yè)。“全新生產(chǎn)制造加工工藝與設(shè)備”和“建模與仿真”是全新生產(chǎn)制造計(jì)劃中十大關(guān)鍵技術(shù)中的2個(gè)。此外,美國(guó)在“加工制造業(yè)迎來(lái)二零二零年挑戰(zhàn)”一書(shū)中也把“無(wú)廢棄物生產(chǎn)加工與新型材料加工工藝”及“建模與仿真”作為應(yīng)優(yōu)先資助的核心技術(shù)。不論是在我國(guó)還是海外,對(duì)鑄造工藝發(fā)展趨勢(shì)的正確認(rèn)識(shí)是保持一致的,即全新準(zhǔn)確成形鑄造工藝(NetShapeCasting)與多學(xué)科仿真模擬將是2個(gè)首要研究領(lǐng)域。

正所謂“無(wú)廢棄物生產(chǎn)加工”的全新鑄造工藝是指生產(chǎn)加工過(guò)程中不形成廢棄物;或形成的廢棄物在整個(gè)生產(chǎn)制造過(guò)程中被作為原材料而利用,并在下一個(gè)步驟中不會(huì)再形成廢棄物。鑒于減少了廢料、污染和耗能,并對(duì)自然環(huán)境有利,因此“無(wú)廢料生產(chǎn)加工”將成為普遍推廣的至關(guān)重要技術(shù)。

為了更好地鑄造更精密、更強(qiáng)、更輕、更經(jīng)濟(jì)的機(jī)器零配件,準(zhǔn)確成形鑄造工藝將是無(wú)廢棄物生產(chǎn)加工的首要選擇之一.比如,美國(guó)全新汽車(chē)研究目標(biāo)(PNGV)的總體目標(biāo)是在2003年每100km油耗減少到3L。汽車(chē)自重減輕10%,可使效率增加7%,并減少10%的污染。為了更好地達(dá)到這一總體目標(biāo),車(chē)體和車(chē)架的產(chǎn)品質(zhì)量要求減少50%,動(dòng)力及傳動(dòng)系統(tǒng)務(wù)必減輕10%。

近些年研發(fā)了許多準(zhǔn)確成型鑄造工藝。比如說(shuō),Cosworth精密鑄造(選用高精密的鋯砂型并且用電磁泵操縱澆鑄)、消失模鑄造及壓力精密鑄造將是汽車(chē)產(chǎn)業(yè)中全新一代薄壁、高質(zhì)量鋁合金缸體鑄造件的3種主要精密鑄造方法。很多科學(xué)研究預(yù)測(cè)消失模鑄造是“明日的精密鑄造新技術(shù)”。

此外,用定向凝固-熔模鑄造生產(chǎn)的透平機(jī)單晶高溫合金葉片也是準(zhǔn)確成型鑄造工藝在航天航空中應(yīng)用的體現(xiàn)。

3成型鑄造工藝的仿真模擬

根據(jù)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的成型鑄造工藝仿真模擬將是另一個(gè)關(guān)鍵研究領(lǐng)域。仿真模擬可確保零配件的產(chǎn)品質(zhì)量、優(yōu)化全過(guò)程設(shè)計(jì)、減少研制開(kāi)發(fā)周期,進(jìn)而給精密鑄造工業(yè)產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益。高性能、高保真和高效率將是仿真模擬的拼搏總體目標(biāo)。選用精密鑄造全過(guò)程計(jì)算機(jī)仿真模擬可提升材料出品率25%、節(jié)約產(chǎn)品成本30%、減少研制開(kāi)發(fā)周期40%。現(xiàn)階段,鑄造件宏觀尺度上的數(shù)值模擬在工程項(xiàng)目中已經(jīng)有應(yīng)用,國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有一些商業(yè)化軟件如MAGMA、PROCAST、FT-STAR等。應(yīng)力場(chǎng)的模擬分析和微觀模擬(從mm、μm至nm尺度)是近些年新的科學(xué)研究熱點(diǎn)課題研究。

原材料生產(chǎn)加工成型仿真模擬方面的科學(xué)研究和研發(fā)是國(guó)家科學(xué)技術(shù)部和自然科學(xué)基金委員會(huì)的優(yōu)先選擇資助新項(xiàng)目。近些年,這些方面又取得非常大進(jìn)展,如我國(guó)現(xiàn)在已經(jīng)研發(fā)出凝固全過(guò)程中熱應(yīng)力分析的FDM/FEM集成系統(tǒng),該系統(tǒng)軟件藕合根據(jù)有限差分法的熱模擬和根據(jù)有限元法的應(yīng)力模擬。為了科學(xué)研究成型鑄造件的應(yīng)力變化、預(yù)測(cè)熱裂和殘余應(yīng)力,準(zhǔn)固相區(qū)可選用[H]-[H|N]-[N|S]流變模型,而凝固以后的固相可用熱-彈-塑性模型。

4網(wǎng)絡(luò)化并行工程下的商品與過(guò)程設(shè)計(jì)

現(xiàn)代化加工制造業(yè)面對(duì)著全世界激烈的競(jìng)爭(zhēng),銷(xiāo)售市場(chǎng)變化迅速,并且產(chǎn)品更加復(fù)雜。這就要求加工制造業(yè)減少生產(chǎn)周期,開(kāi)發(fā)新商品的速度和效率是其經(jīng)濟(jì)生存的核心思想。所以,并行工程(CE)成了商品與工藝全過(guò)程(包括成型與生產(chǎn)加工制造和相關(guān)的輔助環(huán)節(jié))集成設(shè)計(jì)的系統(tǒng)軟件方法。并行工程項(xiàng)目的目的是提高產(chǎn)品質(zhì)量,降低產(chǎn)品成本,減少商品進(jìn)入銷(xiāo)售市場(chǎng)的時(shí)間,并滿足用戶要求。美國(guó)先進(jìn)金屬材料生產(chǎn)加工工程項(xiàng)目研究中心提出了“有效的商品與全過(guò)程設(shè)計(jì)”的思想,這也是并行工程的核心思想。用該方法模擬、優(yōu)化設(shè)計(jì)精密鑄造全過(guò)程,可確保鑄造件產(chǎn)品質(zhì)量。

近些年在國(guó)家科委的資助下,清華大學(xué)對(duì)并行環(huán)境下的鑄造全過(guò)程數(shù)值模擬系統(tǒng)軟件進(jìn)行了深入分析.比如,通過(guò)使用CAE系統(tǒng)模擬1個(gè)典型的鎂合金殼體鑄件,其質(zhì)量明顯提高,新產(chǎn)品研發(fā)得到順利開(kāi)展。

與智能制造、虛擬工廠、網(wǎng)絡(luò)生產(chǎn)制造集成,鑄造等原材料成形生產(chǎn)過(guò)程模擬仿真將變成加工制造業(yè)新產(chǎn)品全過(guò)程設(shè)計(jì)的十分有效的工具。為滿足不同客戶及產(chǎn)品設(shè)計(jì)的要

求,北京清華大學(xué)正研究基于網(wǎng)絡(luò)的智能鑄造系統(tǒng)軟件。比如,福特公司通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)把IDEAS/CAD軟件設(shè)計(jì)的汽車(chē)鑄件資料傳到北京,雙方都以STL格式做為網(wǎng)上平臺(tái)。北京清華大學(xué)進(jìn)行鑄件的宏觀和微觀模擬后,將結(jié)果反饋到福特公司作進(jìn)一步的評(píng)定。所以,網(wǎng)絡(luò)化的遠(yuǎn)程智能鑄造加工系統(tǒng)軟件將是二十一世紀(jì)一種嶄新的先進(jìn)鑄造技術(shù)。

5結(jié)論

(1)鑄造、鍛壓、焊接等原材料加工工藝對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起著重要作用。面向市場(chǎng)激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng),全新鑄造工藝的出現(xiàn)將造成 嶄新的產(chǎn)品和技術(shù)。

(2)“無(wú)廢物加工”的全新生產(chǎn)制造全過(guò)程減少了廢棄物、環(huán)境污染和能量消耗,是將來(lái)的重要加工工藝,而準(zhǔn)確成形鑄造工藝將是其中理想化的選擇。

(3)高性能、高保真、高效率將是基于知識(shí)的鑄造工藝模擬仿真的努力方向。

(4)新產(chǎn)品研發(fā)的速度和效率是全球加工制造業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵。并行工程是產(chǎn)品及其相關(guān)的加工工藝全過(guò)程(如鑄造)集成設(shè)計(jì)的系統(tǒng)軟件方法。

(5)網(wǎng)絡(luò)化、智能化是二十一世紀(jì)鑄造新產(chǎn)品與加工工藝全過(guò)程設(shè)計(jì)的趨勢(shì)。