先进制造技术论文_先进制造技术的论文

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先进制造论文

院系：周口科技机械工程

姓名：曹军科

班级：数控

日 先进制造技术

4班

时间：2010年月2512先进制造技术

材料加工工程在先进制造技术中占有重要地位，是发展高新技术产业和传统工业更新换代的重要科学基础和共性技术。其中包括高效、精密的加工工艺、装备和检测技术，低能耗、低成本产品的流程制造，集成、柔性、智能化制造系统，是工程可持续发展与绿色制造体系的重要组成部分。

材料合成与加工新技术研究包含纳米结构材料和金属加工、聚合物加工、陶瓷加工、复合材料加工、快速凝固、超纯材料、近终型加工等各类合成和加工的基础研究。根据材料的服役效能来调整成分、组织、结构、进而对材料的制备工艺进行设计，将使材料在强韧性、抗摩擦、抗冲击、抗腐蚀等方面的性能大大提高，对材料科学的全面发展起关键的促进作用。

材料制备与成型加工技术，与材料的成分和结构、材料的性质是决定材料使用性能的最基本的三大要素。一般而言，材料需要经历制备、成型加工、零件或结构的后处理等工序才能进入实际应用。

下面将分别介绍新材料加工技术的研究现状、工作原理、特点及发展趋势。

一、研究现状

新材料成形加工技术的研究开发，是近二、三十年来材料科学技术领域最为活跃的方向之一。先进制备与成型加工技术的出现与应用，加上了新材料的研究开发、生产和应用进程，促成了诸如微电子和生物医用材料等新兴产业的形成，促进了现代航天航空，交通运输，能源环保等高技术产业的发展。

先进工业国家对材料制备与成型加工技术的研究开发十分重视。美国制定了“为了工业材料发展计划”，其核心是开放先进的制备与成型加工技术，提高材料性能，降低生产成本，满足未来工业发展对材料的需求。德国开展的“21世纪新材料研究计划”将材料制备与成型加工技术列为六个重点内容之一。在欧盟的“第六框架”计划中，先进制备技术时新材料领域的研究重点之一。日本在20世纪90年代后期，先后实施了“超级金属”、“超钢铁”计划，重点是发展先进的制备加工技术，精确控制组织，大幅度提高材料的性能，达到减少材料用量、节省资源和能源的目的。同时开展本科学领域色前沿和基础研究，并综合利用相关学科基础理论和科技发展成果，提供预备新材料的新原理新方法，也是材料科学与工程学科自身发展的需求。

一大批先进技术和工艺不断发展和完善，并逐步获得实际应用，如快速凝固、定向凝固、连续铸轧、连续铸挤、精密铸造、半固态加工、粉末注射成型、陶瓷胶态成型、热等静压、无模成型、微波烧结、离子束制备、激光快速成型、激光焊接、表面改性等，促进了传统材料的升级换代，加速了新材料的研究开发、生产和应用，解决了高技术领域发展对特种高性能材料的制备加工与组织性能精确控制的急需。

现在将主要的先进材料加工技术分别介绍如下： 1.快速凝固

快速凝固技术的发展，把液态成型加工推进到远离平衡的状态，极大地推动了非晶、细晶、微晶等非平衡新材料的发展。传统的快速凝固追求高的冷却速度而限于低维材料的制备，如非晶丝材、箔材的制备。近年来快速凝固技术主要在两个方面得到发展：①利用喷射成型、超高压、深过冷，结合适当的成分设计，发展体材料直接成型的快速凝固技术；②在近快速凝固条件下，制备具有特殊取向和组织结构的新材料。目前快速凝固技术被广泛地用于非晶或超细组织的线材、带材和体材料的制备与成型。2.半固态成型

半固态成型包括半固态流变成型和半固态触变成形两类：前者是将制备的半固态浆料直接用于成型，如压铸成型（称为半固态流变压铸）；后者是对制备好的半固态坯料进行重新加热，使其达到半熔融状态，然后进行成型，如挤压成型（称为半固态触变挤压）。3.无模成型

为了解决复杂形状或深壳件产品冲压、拉深成型设备规模大、模具成本高、生产工艺复杂、灵活度低等缺点，满足社会发展对产品多样性（多品种、小规模）的需求，20世纪80年代以来，柔性加工技术的开发受到工业发达国家的重视。典型的无模成型技术有增量成型、无摸拉拔、无模多点成型、激光冲击成型等。4.超塑性成型技术

超塑性成型加工技术具有成型压力低、产品尺寸与形状精度高等特点，近年来发展方向主要包括两个方面：一是大型结构件、复杂结构件、精密薄壁件的超塑性成型，如铝合金汽车覆盖件、大型球罐结构、飞机舱门，与盥洗盆等；二是难加工材料的精确成形加工，如钛合金、镁合金、高温合金结构件的成形加工等。5.金属粉末材料成型加工

粉末材料的成型加工是一种典型的近终形、短流程制备加工技术，可以实现材料设计、制备预成型一体化；可自由组装材料结构从而精确调控材料性能；既可用于制备陶瓷、金属材料，也可制备各种复合材料。它是近20年来材料先进制备与成型加工技术的热点与主要发展方向之一。粉末材料成型加工技术的研究重点包括粉末注射成型胶态成型、温压成型及微波、等离子辅助低温强化烧结等。6.陶瓷胶态成型

在围绕着提高陶瓷胚体均匀性和解决陶瓷材料可靠性的问题，开发了多种原位凝固成型工艺，凝胶注模成型工艺、温度诱导絮凝成形、胶态振动注模成形、直接凝固注模成形等相继出现，受到严重重视。原位凝固成形工艺被认为是提高胚体的均匀性，进而提高陶瓷材料可靠性的唯一途径，得到了迅速的发展，已逐步获得实际应用。7.激光快速成型

采用该技术的成形件完全致密且具有细小均匀的内部组织，从而具有优越的力学性能和物理化学性能，同时零件的复杂程度基本不受限制，并且可以缩短加工周期，降低成本。目前发达国家已进入实际应用阶段，主要应用于国防高科技领域。

8.电磁场附加制备与成型技术

在材料的制备与成形加工过程中，通过施加附加外场（如温度场、磁场、电场、力场等），可以显著改善材料的组织，提高材料的性能，提高生产效率。典型的温度场附加制备与成形加工技术有熔体过热处理、定向凝固技术等；典型的力场附加制备与成形技术有半固态加工等；典型的电磁场附加制备与成形加工技术有电磁铸轧技术、电磁连铸技术、磁场附加热处理技术、电磁振动注射成形技术等。近年来，有关电磁场附加制备与成形加工技术的研究在国际上已形成一门新的材料科学分支——材料电磁处理，并且得到迅速发展。9.先进连接技术

先进连接技术主要包括：铝合金激光焊接、镁合金激光焊接、机器人智能焊接。

10.表面改质改性

在材料的使用过程中，材料的表面性质和功能非常重要，许多体材料的失效也往往是从表面开始的。通过涂覆（或沉积、外延生长）表面薄层材料或特殊能量手段改变原材料表面的结构（即对处理进行表面改性），赋予较廉价的体材料以高性能、高功能的表面，可以大大提高材料的使用价值和产品的附加值，是数十年来材料表面加工处理研究领域的主要努力方向。

二、工作原理

新材料成形加工技术的原理主要分为三个方向介绍。（1）材料的精确成形：

金属材料的精确成形包括液态金属精确成形(铸)、金属材料塑性精确成形(锻)、金属材料的精确连接成形(焊)。

无机非金属材料的精确成形包括陶瓷精确成形(塑性滚压成形法、注浆成形法、粉料压力成形法和特种成形法四种)、玻璃精确成形(吹制法、拉制法、压制法和吹/压制法四种)等。

高分子材料的精确成形包括液态高分子材料精确成形(如环氧树脂的浇注成形等)，固态高分子材料精确成形(如塑料的注射成形、挤出成形等)。

（2）快速成形技术：快速成形技术就是利用三维CAD的数据，通过快速成型机，将一层层的材料堆积成实体原型。快速成型（RP）的技术设想，即是利用连续层的选区固化生产三维实体。快速成型制造是将制品离散成为相互独立的层并将各层独立制造。快速成形技术是在计算机控制下，基于离散、堆积的原理采用不同方法堆积材料，最终完成零件的成形与制造的技术。从成形角度看，零件可视为“点”或“面”的叠加。从CAD电子模型中离散得到“点”或“面”的几何信息，再与成形工艺参数信息结合，控制材料有规律、精确地由点到面，由面到体地堆积零件。从制造角度看，它根据CAD造型生成零件三维几何信息，控制多维系统，通过激光束或其他方法将材料逐层堆积而形成原型或零件。

（3）高分子材料加工技术：现代材料科学的范围定义为研究材料性质、结构和组成、合成和加工、材料的性能这四个要素以及它们之间的相互关系。高分子材料科学的基本任务是：研究高分子材料的合成、结构和组成与材料的性质、性能之间的相互关系；探索加工工艺和各种环境因素对材料性能的影响；为改进工艺，提高高分子材料的质量，合理使用高分子材料，开发新材料、新工艺和新的应用领域提供理论依据和基础数据。

大多数情况下，高分子的加工通常包括两个过程：首先使原材料产生变形或流动，并取得所需要的形状，然后设法保持取得的形状。高分子加工与成型通常有以下形式：高分子熔体的加工、类橡胶状聚合物的加工、高分子液体的加工、低分子聚合物或预聚物的加工、高分子悬浮体的加工以及高分子的机械加工。

三、特点

现代的产品开发系统的特点是：采用现代设计理论与方法；进行全生命周期设计；设计全过程采用信息技术；加快采用新材料、新工艺；产品开发周期短，返工少，成本低，努力做到一次成功；产品有创新，在国际市场上有竞争能力。

而材料则由传统结构材料向高性能、复合化、结构功能一体化发展，尤其需要先进制备与成型加工技术及装备，可使材料的生产过程更加高效，节能和洁净。材料成形加工技术是以成形技术为手段、以材料为加工对象、以过程控制为质量保证措施、以实现产品制造为目的技术。以材料为加工对象的特点决定了材料科学也成为技术的基础知识，而以过程控制为质量保证措施这一特点，决定了控制理论也成为重要组成部分。因此，材料成形加工技术是以材料学科和自动化专业及计算机科学与技术等为基础进行发展的技术。此外，随着科学技术的发展和学科交叉，材料成形加工也紧密地依赖诸如数学、物理、化学、微电子、计算机、系统论、信息论、控制论及现代化管理等各门学科及其最新成就。

下面例举几种新材料加工技术的特点予以说明。（1）快速成形技术：

1）高度柔性；

2）技术的高度集成； 3）设计制造一体化； 4）快速性；

5）自由成形制造(Free Form Fabrication，FFF)； 6）材料的广泛性

（2）复合材料制品成型工艺特点：

与其它材料加工工艺相比，复合材料成型工艺具有如下特点：

1）材料制造与制品成型同时完成 一般情况下，复合材料的生产过程，也就是制品的成型过程。材料的性能必须根据制品的使用要求进行设计，因此在造反材料、设计配比、确定纤维铺层和成型方法时，都必须满足制品的物化性能、结构形状和外观质量要求等。

2）制品成型比较简便 一般热固性复合材料的树脂基体，成型前是流动液体，增强材料是柔软纤维或织物，因此，用这些材料生产复合材料制品，所需工序及设备要比其它 材料简单的多，对于某些制品仅需一套模具便能生产。

(3)高分子材料加工成形技术

现在采用的是聚合物动态反应加工技术及设备与传统技术无论是在反应加工原理还是设备的结构上都完全不同，该技术是将电磁场引起的机械振动场引入聚合物反应挤出全过程，达到控制化学反应过程、反应生成物的凝聚态结构和反应制品的物理化学性能的目的。该技术首先从理论上突破了控制聚合物单体或预聚物混合混炼过程及停留时间分布不可控制的难点，解决了振动力场作用下聚合物反应加工过程中的质量、动量及能量传递及平衡问题，同时从技术上解决了设备结构集成化问题。新设备具有体积重量小、能耗低、噪音低、制品性能可控、适应性好、可靠性高等优点。

四、发展趋势

轻量化、精确化、高效化将是未来材料成形加工技术的重要发展方向。新材料加工技术的总体发展趋势，可以概括为三个综合，即过程综合、技术综合、学科综合。由于上述材料加工技术的总体发展趋势，可以预见，在今后较长一段时间内，材料制备、成形与加工技术的发展将具有以下两个主要特征：

（1）性能设计与工艺设计的一体化。

（2）在材料设计、制备、成型与加工处理的全过程中对材料的组织性能和形状尺寸进行精确控制。

基于上述材料加工技术的总体发展趋势和特征，新材料加工技术的主要发展方向包括以下几个方面。

1）常规材料加工工艺的短流程化和高效化。

打破传统材料成形与加工模式，工艺环节，实现近终形、短流程的连续化生产提高生产效率。

2）发展先进的成形加工技术，实现组织与性能的精确控制

例如，非平衡凝固技术、电磁铸轧技术、电磁连铸技术、等温成形技术、低温强加工技术、先进层状复合材料成形、先进超塑性成形、激光焊接、电子束焊接、复合热源焊接、扩散焊接、摩擦焊接等先进技术，实现组织与性能的精确控制，不仅可以提高传统材料的使用性能，还有利于改善难加工材料的加工性能，开发高附加值材料。

3）材料设计（包括成分设计、性能设计与工艺设计）、制备与成形加工一体化

发展材料设计、制备与成型加工一体化技术，可以实现先进材料和零部件的高效，近终形，短流程成型。

4）开发新型制备与成形加工技术，发展新材料和新产品 块体非晶合金制备和应用技术、连续定向凝固成形技术、电磁约束成型技术、双结晶器连铸与充芯连铸复合技术、多坯料挤压技术、微成形加工技术等，是近年来开发的新型制备与成形加工技术。

5）发展计算机数值模拟与过程仿真技术，构建完善的材料数据库

基于知识的材料成形工艺模拟仿真是材料科学与制造科学的前沿领域和研究热点。模拟仿真可提高产品质量5～15倍，增加材料出品率25％，降低工程技术成本13%～30%，降低人工成本5%～20%，提高投入设备利用率30%～60%，缩短产品设计和试制周期30%～60%等。

高性能、高保真、高效率、多学科及多尺度是模拟仿真技术的努力目标，而微观组织模拟（从mm、μm到nm尺度）则是近年来研究的新热点课题。通过计算机模拟，可深入研究材料的结构、组成及其各物理化学过程中宏观、微观变化机制，并由材料成分、结构及制备参数的最佳组合进行材料设计。

6）材料的智能化制备与成形加工技术

材料的智能化制备与成形加工技术是1986年由美国材料科学界提出的“第三代”材料成形加工技术，20世纪90年代以来受到日本等先进工业国家的重视它通过综合利用计算机技术、人工智能技术、数据库技术和先进控制技术等，以成分、性能、工艺一体化设计与工艺控制方法，实现材料组织性能与成形加工质量，同时达到缩短研制周期、降低生产成本、减少环境负荷的目的。

材料的智能化制备与成形加工技术的研究尚处于概念形成与探索阶段，被认为是21世纪前期材料成形加工新技术中最富潜力的前沿研究方向之一。

7)其他的材料先进制备与成形加工前沿技术:电磁软接触连铸、钛合金连铸连轧技术、高性能金属材料喷射成形技术、轻合金半固态加工技术、泡沫铝材料制备、钢质蜂窝夹芯板扩散-轧制复合、金属超细丝材制备技术、超细陶瓷粉末燃烧合成、模具表面渗注镀复合强化、金属管件内壁等离子体强化技术、钛合金激光熔覆技术、非纳米晶复合涂层制备技术等。

参考文献

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[2]浅析高分子材料成型加工技术，硅谷2008年第8期，中图分类号：TU5文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2008）0420066－01 [3] 王英杰，金属材料及其成形加工，机械工业出版社，第1版，2008 [4]柳百成，沈厚发 主编，21世纪的材料成形加工技术与科学，机械工业出版社，2004

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