[现代制造技术]现代制造技术与装备

制造业是以制造技术为主导技术进行产品制造的企业群体的总称，是工业的主体。根据我国现行统计划分，工业由制造业、采掘业以及电力、燃气和水的生产供应业构成，制造业系指第二产业中除采掘业、电力和燃气及其生产供应业、建筑业以外的所有行业，包括30个大类、169个中类、482个小类。

可以说制造业是一个国家的立国之本。制造业发展水平的高低，将直接影响到国家各产品技术水平和经济效益的提高。没有现代化的制造业就不可能有现代化的工业、农业、国防和科学技术。

从世界各国的工业化发展历程来看，制造业的优先发展是经济腾飞的必要条件。制造技术的不断创新则是制造业发展的技术基础和动力。

也是一个国家科学技术水平的重要标志之一，它对信息技术、新材料技术、海洋工程、生物工程、能源工程和空间技术等新学科及新技术的发展有着至关重要的作用。

制造(Manufacturing)是利用制造资源(设计方法、工艺、设备和人力等)将材料“转变”为有用的物品的过程。

制造是一个很大的概念，按制造的连续性可分为连续制造(如化工产品的制造)和离散制造(如家电产品的制造)；按行业又可分为机械制造、食品制造、化工制造、IT产品制造，等等。当今，人们对制造的概念又加以扩充，将体系管理和服务等也纳入其中。制造是人类所有经济活动的基石，是人类历史发展和文明进步的动力。

制造技术(Manufacturing Technology)是制造活动所涉及到的一系列技术的总称，是提高产品竞争力的关键，也是制造业赖以生存和发展的主体技术。传统的制造技术仅强调工艺方法和加工设备。现代的制造技术不仅重视工艺方法和设备，还注重设计方法、生产组织模式、制造与环境和谐统一、制造的可持续性以及制造技术与其它科学技术的交叉和融合，甚至还涉及制造技术与制造全球化、贸易自由化、军备竞争等内容。

1.2 制造业的发展历程

制造业的发展历程，是一个不断提高产品的质量、不断应用最新科技成果,提高和完善制造过程的自动化水平、信息化水平、应用先进的制造理念和管理理念和不断提高劳动生产率、降低制造成本，实现制造最优化的过程。因此，制造业的一个基本出发点就是：在充分利用现有的科学技术最新成果的基础上优质、高产、低耗地生产出所需要的产品来。

制造业发展至今，按其生产方式的变化进行划分，大致经历了以下几个阶段：

1、劳动密集型生产方式。

人类最早的制造活动可以追溯到新石器时代。(1.8万年前开始，结束时间从距今5000多年至2000多年不等)。开始制造和使用磨制石器；发明了陶器；出现了农业和养畜业,是新石器时代的主要特征。 到了青铜器(公元前2000年左右 )和铁器时代(公元前１４００年左右 ) ，才出现了纺织、冶炼、和锻造等较原始的制造活动。18世纪中叶蒸汽机的发明,才出现了以动力驱动为特征的制造方式。

劳动密集型生产方式一般是指劳动力多资本需求量少和技术装备水平低的产业如农业、纺织业、传统手工业等这类产业的发展主要依赖于劳动力投入量的增长。这是一种落后的生产方式。劳动生产率较低，工人劳动强度大，对工人技术水平要求高，产品精度一致性差，产品质量往往取决于工人的技艺。

手工制作及早期的工业生产均属于这种方式。目前，这种生产方式正逐渐被淘汰。

2、 设备密集型生产方式。

19世纪初-20世纪末出现的生产方式。

这是一种随着内燃机发明、运输机械、施工机械和机床等大规模工业化生产的出现而产生的生产方式。1931年建立了具有划时代意义的汽车装配线(福特模式)，也首先提出了劳动分工和计件工资为基础的科学管理理论。

这种生产方式劳动生产率较高，对工人的技术水平要求较低，产品的精度一致性较好 产品质量主要取决于机械加工设备本身的精度。但其生产率的提高来自于众多设备的投入，对多品种的中小批量生产适应性较差。汽车、拖拉机、轴承等大批量生产中的刚性生产流水线均属于这种生产方式。

3． 信息密集型生产方式。

1949年出现了数字控制(NC)技术，并开发了能执行多种加工工作的、复杂的机床控制器。

随着计算机技术、控制技术的发展及在制造领域中的应用，从二十纪初期开始出现了数控机床、加工中心等新型机电一体化加工设备。

它实现了人与机器设备之间的信息交流，机器设备可通过获得的信息，快速、准确地实现加工。

继而产生了以使用这些典型设备的生产方式。这种生产方式的自动化程度和适应性较强，这是一种较为先进的生产方式。

4． 知识密集型生产方式。

1964年-1968年出现了制造系统多级计算机控制（DNC），也就是后来的柔性制造系统。这是一种继信息密集型生产方式之后产生的新的生产方式。是制造理念的飞跃，把单向的产品制造链，有机的组成为制造系统。

制造系统中的物流系统、信息流系统、能量流系统等相互依赖、相互作用、相互协调。这种制造系统不单能与人进行信息交流，而且本身具有专家系统、数据库等必要的解决问题的知识，使其能在获取较少信息的情况下完成加工要求。

因此，这种生产方式的自动化水平和适应性进一步提高。柔性制造系统（FMS）、计算机集成制造系统（1974年CIMS）是这种生产方式的典型代表。

5． 智能密集型生产方式

这是一种目前正在研究和实施的全新的生产方式。它试图使用制造系统本身具有人工智能，而不是只具有对某一问题专一的、有限的知识；并引入了新的制造哲理和组织形式。

因此，这种制造技术能够快速响应市场的变化，超前地开发产品，实现多品种产品的全过程管理。这种制造技术的实施，将使人们梦寐以求的“无图纸加工”、“无人化加工”、“无害化加工”成为可能。

目前正在研究的智能制造系统（IMS）、智能型计算机集成制造系统（I-CIMS）等就属于这种生产方式。

上述生产方式中的前两种就是所谓的传统制造技术，而后三种则属于现代制造技术。 现代制造技术的涵义相当广泛。一般认为，现代制造技术是以传统制造技术与计算机技术、信息技术、自动控制技术等现代高新技术交叉融合的结果，是一个集机械、电子、信息、材料与管理技术于一体的新型交叉学科，并将其综合应用于产品设计、制造、检测、管理、销售、使用、服务乃至回收的全过程，以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活生产，

提高对动态多变的产品市场的适应能力和竞争能力并取得理想经济效果的制造技术总称。

因此，凡是那些能够融合当代科学进步的最新成果，最能发挥人和设备的潜力，最能体现现代制造水平的制造技术均称为现代制造技术。

制造技术发展阶段：

• 19世纪:手工制造

• 20世纪初:批量制造

• 20世纪30年代:刚性自动化生产

• 20世纪60-80年代:CAD/CAM/CAE,FMS,JIT

• 20世纪80年代:集成化制造,并行工程

• 20世纪90年代:敏捷制造、虚拟制造、智能制造、绿色制造。

1.3现代制造技术分类

现代制造技术的构成及特点

现代制造技术所涉及的领域和内容非常广泛,国际上通常采用“技术群”的概念来描述现代制造技术的基本体系结构,一般认为,现代制造技术主要包含5大技术群:

1、 系统总体技术群 主要包括柔性制造、计算机集成制造、敏捷制造、智能制造等

先进制造技术；

2、 设计-制造一体化技术群 主要包括计算机辅助设计/计算机辅助制造/计算机辅

助工程、数控技术、自动化工厂、并行工程、虚拟制造等；

3、 制造工艺与装备技术群 主要包括材料生产工艺与装备、常规加热工艺与装备、

高速/超高速加工工艺与装备、精密/超精密与纳米加工工艺与装备、特种加工工艺与装备；

4、 管理技术群 主要包括计算机辅助生产管理、物料需求规划/制造资源规划/企业

资源规划、供应链管理、全面质量管理、准时生产、精益生产、企业业务流程再造等；

5、 支撑技术群 主要包括标准化技术、计算机技术、软件工程、数据库技术、多媒

体技术、通信技术、人工智能、虚拟现实技术、人机工程学、环境科学等。

6、 美国机械科学研究院AMST提出了一种多层次技术群构成体系，如下图所示：

第一层次为优质、高效、低耗、清洁的基础制造技术。铸造、锻造、焊接、热处理、表面保护、机械加工等传统基础加工工艺仍然是生产中大量采用的经济适用的技术。从基础加工工艺中优化而成的优质、高效、低耗、清洁的基础制造技术，是现代制造技术的核心及重要的组成部分。

第二层次为新型制造单元技术。这是在市场需求及新兴产业带动下，制造技术与电子、信息、新材料、新能源、环境科学、系统工程、现代管理等技术相结合而形成的新的制造技术层。

第三层次为现代制造集成技术。这是计算机技术、信息技术和管理技术与制造技术相互融合，对上述两个层次的技术集成而形成的。

现代制造技术的特点：

1、现代制造技术的研究范围更加广泛，传统制造技术一般是指制造过程的工艺和方法，而现代制造技术则覆盖了从产品设计、加工制造到产品销售、使用、维修和回收的整个生命周期。

2、现代制造过程呈多学科、多技术交叉及系统优化集成的发展态势。传统制造技术的学科单一，界线分明，而现代制造技术的学科交叉、技术融合，形成了集成化的新技术。

3、现代制造技术的基础是优质、高效、低耗代技术和科学知识，制定方案并使方案付诸实施的技术。它是一门多学科、多专业相互交叉的综合性很强的基础技术。

现代设计技术所包含的内容有：

(1) 现代设计方法

现代设计方法包括产品动态分析和设计、摩擦学设计、防蚀设计、可靠性和可维护性及安全设计、优化设计及智能设计等。

(2) 设计自动化技术

设计自动化技术指应用计算机技术进行产品造型和工艺设计、工程分析计算与模拟仿真、多变量动态优化，从而达到整体最优功能目标，实现设计自动化。

(3) 工业设计技术

工业设计技术指开展机械产品色彩设计和中国民族特色与世界流派相结合的造型设计，增强产品的国际竞争力。

2. 先进制造工艺

现代制造工艺技术包括精密成型技术、精密和超精密加工技术以及特种加工技术等。

(1) 精密成型技术

精密成型技术是生产局部或全部、无余量或少余量半成品的工艺方法的统称，包括精密凝聚成型技术、精密塑性加工技术、粉末材料构件精密成型技术、精密焊接技术及复合成型技术等。其目的在于使成型的制品达到或接近成品形状的尺寸，并达到提高质量、缩短制造周期和降低成本的效果；其发展方向是精密化、高效化、强韧化和轻量化。

(2) 特种加工技术

特种加工技术是指那些不属于常规加工范畴的加工，如高能束流(电子束、离子束、激光束)加工、电加工(电解和电火花加工)、超声波加工、高压水加工以及多种能源的组合加工等。特种加工技术因其各自的独特性能而在机械、电子、化工、轻工、航空、建筑、国防等行业以及材料、能源和信息等领域得到了广泛的应用。

(3) 精密和超精密加工技术

精密、超精密加工技术采用去除加工(精密切削、磨削、研磨等)、结合加工(离子镀、晶体生长、激光焊接、快速成型等)、变形加工(精锻、精铸等)等加工方法，使工件的尺寸、表面性能达到极高的精度。现在的精密、超精密加工已经向纳米技术发展。

(4) 表面改性、制膜和涂层技术

表面改性、制膜和涂层技术是采用物理、化学、金属学、高分子化学、电学、光学和机械学等技术及其组合技术对产品表面进行改性、制膜和涂层，赋予产品耐磨、耐蚀、耐(隔)热、抗疲劳、耐辐射以及光、热、磁、电等特殊功能，从而提高产品质量、延长使用寿命和赋予新性能的新技术的统称，是表面工程的重要组成部分。

3. 自动化技术

制造自动化是指用机电设备取代或放大人的体力，甚至取代和延伸人的部分智力，自动完成特定的作业，包括物料的存储、运输、加工、装配和检验等各个生产环节的自动化。其目的在于减轻劳动强度，提高生产效率，减少在制品数量，节省能源消耗以及降低生产成本。 自动化技术主要包括数控技术、工业机器人技术、柔性制造技术、计算机集成制造技术、传感技术、自动检测及信号识别技术和过程设备工况监测与控制技术等。

4. 系统管理技术

系统管理技术是指企业在市场开发、产品设计、生产制造、质量控制到销售服务等一系列的生产经营活动中，为了使制造资源(材料、设备、能源、技术、信息以及人力)得到总体配置优化和充分利用，使企业的综合效益(质量、成本、交货期)得到提高而采取的各种计划、组织、控制及协调的方法和技术的总称。它是现代制造技术体系中的重要组成部分，对企业

的最终效益提高起着重要的作用。

系统管理技术包括工程管理、质量管理、管理信息系统等，以及现代制造模式(如精益生产、CIMS、敏捷制造、智能制造等)、集成化的管理技术、企业组织结构与虚拟公司等生产组织方法。

1.4 现代制造技术现状及发展趋势

世界制造业现状

1. 美国制造业的竞争策略

制造业是美国经济的主要支柱，美国财富的68%来源于制造业。1991年9月，在由美国总统办公厅指定的国家关键技术委员会向总统提出的双年度报告中，认定制造领域的国家关键技术包括：

• (1) 柔性计算机集成制造；

• (2) 智能加工设备；

• (3) 微米级和毫微米级制造；

• (4) 系统管理技术。

1992年国家关键技术委员会又提出将先进制造技术作为国家关键技术。近几年来，美国政府所采取的主要措施有：

(1) 1994年从财政年度预算中拨款14亿美元支持先进制造技术研究开发；

(2) 先进技术计划(ATP)1992年已有60个项目获得资助；

(3) 实施小企业革新研究计划(SBTR)；

(4) 实施工程研究中心建设计划(ERC)；

(5) 实施战略制造计划(STRATMAN)；

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(9) 实施有益于环境的制造计划； 实施制造科学与技术计划； 建立航空航天、电子、机床等领域的敏捷制造研究中心； 在一些大学设置制造工程系、专业、研究中心或实验室；

(10) 在美国科学基金会中，制造工程与科学在工程领域列为独立学科，以强化对其的支持。

分析美国在先进制造技术基础领域的研究现状，其发展趋势大致如下：

(1) 面对大制造业，用户需求启动研究。

(2) 在制造业和制造技术较为发达的基础上，注重制造模式的研究。

(3) CAD普及率达60%以上。

(4) 在传统冷、热成型工艺基础上，发展精度较高的成型工艺技术。

(5) 发展特种与复合加工工艺，如高能束加工工艺等。

(6) 利用应用软件、传感器和控制系统建造新一代智能化机床和智能化加工单元，通过建模、仿真来优化车、钻、铣、磨、模压和注塑成型工艺过程。

(7) 生产准备工作柔性化和柔性工装卡具，近几年成为制造领域的研究热点。

(8) 发展少或无污染和可拆卸回收的产品及其制造技术。

(9) 不少大学工学院多年来设置有技术与管理相结合的工业工程科系。近些年，在大学工学院设置制造工程学科、中心、实验室的数目不断增加。

(10) 国家科学基金资助指南中，制造工程与科学在工程领域列为独立学科，与机械和结构学科分立，强化对制造技术基础与应用基础研究的支持。

2.日本制造业的发展对策

美国曾以福特方法赢得全世界制造技术的优势。而日本人却在福特方法的基础上，不断更新技术以适应市场需求。

在20世纪70年代，日本汽车大举进入美国市场，以其价廉质优和多品种将美国三大汽车公司推向倒闭的边缘。在1990年，仅日本FANUC公司生产的数控系统装置数量就占世界市场的一半。 总体来讲，IMS(智能制造系统)的研究包括三个方面：

• (1) 将目前各国、各企业掌握的制造技术系统化，包括产品设计技术和产品加工、

装配技术等。

• (2) 将现有技术及将要开发的技术标准化，包括制造数据的压缩、传递与储存的标

准化以及物流管理技术的标准化。

• (3) 面向21世纪的先进制造系统的研究开发，包括系统管理技术，设计、加工和装

配技术以及制造系统体系结构。

2. 前欧共体ESPRIT计划和BRITE-EURAM计划

前欧共体支持先进制造技术开发的主要有关计划是ESPRIT计划和BRITE-EURAM计划。

ESPRIT计划主要资助微电子、软件工程和信息处理系统、计算机集成制造等方面的研究。BRITE-EURAM计划主要资助材料、制造加工和设计以及复杂工厂系统等方面的研究。

上述前欧共体的这种大型国家级研究项目参加者除大企业外还有小企业和大学，参加单位多，研究工作显得分散。

3. 韩国G7计划

韩国于1991年提出实施“高级先进技术国家

计划”，即G7计划。G7计划中的“先进制造系统”项目是一个将市场需求、设计、制造和分销集成在一起的系统，旨在改进产品质量，提高生产率，增加国际竞争力，使韩国制造技术达到世界先进水平。该项目由韩国国家机构科技部负责，总投资额为5.95亿美元，其中政府资助2.77亿美元。

上述“先进制造系统”项目的内涵为：

(1) 共性基础技术：开放式集成系统(包括设计自动化、并行工程等）；标准和性能评估。

(2) 下一代加工系统：加工设备开发(包括5轴加工中心、超精非球面加工中心等）；机械技术(包括高性能主轴、高精度加工和测量等)；运营技术；集成技术。

(3) 电子产品的装配和检验系统：下一代印刷线路装配和检验系统；用于装配和制造系统的高性能机械机构；先进装配用基础技术(包括精密装配、无焊料结合等）。

1.4.2 先进制造技术在我国的发展

1.我国制造业相对优势与先进制造技术的发展

(1) 我国制造技术经建国以来50余年的发展已形成较完整的技术体系，为国民经济发展所需各类机械产品的制造提供基本的工艺技术，已能生产机床、汽车、轮船、飞机、大型发电机组等工业装备及民用消费类制造产品。

(2) 通过对引进技术的消化吸收和对企业现有技术的深化改造，不少企业已经掌握了一批相对先进的制造技术和管理方法，不少产品已成功地打入国际市场。

(3) 在制造技术基础研究的许多方面我国已具有很高水平，制造学科已发展成为一个重要的支柱学科。近百所高等工科院校设有机械制造、机电一体化等相关专业；国家有关部委也设有制造工艺与技术研究所；20世纪80年代中期，国家设立了国家自然科学基金委员会，建立了机械强度与振动、摩擦学、流体传动与控制、激光、模具、焊接、测试与精密仪器、精密成型、汽车、超精密加工等国家重点实验室或工程中心。

(4) 在“九五”计划的实施中，国家科学技术部的“国家科技攻关计划”、“国家高新技术研究发展计划”、“国家基础研究重大项目计划(攀登计划预选项目)”都列入有关项目并付诸实施，其中“精密成型与加工研究开发和应用示范”、“金属材料热成型过程动态模拟及组织性

能质量优化控制”、“CIMS” 以及“智能机器人”等项目已全面实施。

(5) 国家计委也十分重视先进制造技术的发展，在“九五” 期间实施了一批发展先进制造技术的项目，如数控系统及装备研究、自动测试系统及设备技术研究、现场总线研究、 智能化仪表研究、传感器技术研究、30万辆轿车规模生产关键技术及装备研究等。

(6) 先进制造技术应用情况。

① 1993年国家科委组织实施“CAD应用工程”，原机械部又将1997年定为CAD推广年，现在机械工业系统的骨干企业中CAD应用的普及率达到35％，但绝大多数只是“甩图板”。 ② 1958年开始研制数控机床，到20世纪80年代通过引进、消化、吸收国外成熟技术开发出具有自主知识产权的数控系统；到80年代中期，已开始引进和自行研制柔性制造系统，数控机床的生产也实现了产业化。但在金属切削机床总产量中，数控化率只有5%左右。 ③ 我国在20世纪70年代中期研制成功了直接数控(群控)系统并应用于生产，现在已拥有柔性制造系统和柔性制造单元等自动化制造系统。北京第一机床厂的CIMS工程于1994年初步建成，并于1995年获得美国制造工程师学会和计算机与自动化系统专业学会(CASA/SME)的CIMS应用工业的称号。在此之前，1994年清华大学获得CASA/SME的CIMS大学领先奖。

④ 我国在20世纪80年代末就注意引进先进管理模式。沈阳鼓风机厂很早就采用了国际商用机器公司(IBM)的“面向通信的生产信息和控制系统” (Communication Oriented Production Information and Control System，COPICS)，第一汽车集团公司在生产管理中引进了日本的“准时生产”(JIT)模式。据有关资料报导，我国企业已先后投入大约80亿元购买了MRPⅡ软件来建立现代生产管理系统或MIS(管理信息系统)。

2. 我国机械制造业的差距与发展目标

我国机械制造业的差距 (1) 产品品种少、档次低。(2) 制造工艺落后，装备陈旧。 (3) 生产专业化水平低。 (4) 管理技术落后。

鉴于目前机械工业的状况，围绕发展先进制造技术，我国制定了机械工业发展目标：

(1) 2000年，产品设计、精密和超精密加工、激光加工、表面改性、制膜和涂层、制造业和过程工业综合自动化以及系统管理技术，总体上达到工业先进国家20世纪80年代末90年代初的水平。

(2) 我国的优质、高效、低耗、少或无污染的现代制造技术普及率在2000年由目前的不足10%提高到20%，预计在2010年提高到50%。

(3) 形成一批高科技产业：四个加工产业（精密成型加工、精密切削加工、激光加工、表面处理加工）；三个自动化硬件产业(数控系统、工业机器人、传感器和测试设备）；三个软件产业(CAD、CAM、MIS）。

到2000年，大型企业普遍采用CAD技术和计算机辅助管理技术；预计到2010年，大、中型企业普遍采用CAD， 25%的大、中型企业采用CAM，大、中型企业主要产品的关键工序实现柔性化生产。

1.4.3 现代制造技术的发展趋势

• (1) 信息技术、管理技术与工艺技术紧密结合，现代制造生产模式将得到不断发展； • (2) 设计技术与手段更现代化；

• (3) 成型及制造技术精密化，制造过程实现低消耗；

• (4) 形成新型特种加工方法；

• (5) 开发新一代超精密、超高速制造装备；

• (6) 加工工艺由技艺型发展为工程科学型；

• (7) 实施无污染绿色制造；

• (8) 虚拟现实技术将在制造业中广泛应用；

• (9) 制造过程中将贯彻以人为本的概念。

第2章 现代设计技术

1. 现代设计技术的定义

现代设计技术是以满足市场产品的质量、性能、时间、成本、价格综合效益最优为目的，以计算机辅助设计技术为主体，以知识为依托，以多种科学方法及技术为手段，研究、改进、创造产品活动过程所用到的技术群体的总称。

2. 现代设计技术的特点

(1) 系统性。

(2) 动态性。

(3) 创造性。

(4) 计算机化。

(5) 并行化、最优化、虚拟化和自动化。

(6) 主动性。

2.1.2 现代设计技术体系

现代设计技术的整个体系好比一棵大树，由基础技术、主体技术、支撑技术和应用技术四个层次组成，如图2-1所示。

1. 基础技术

基础技术是指传统的设计理论与方法，特别是运动学、静力学与动力学、材料力学、结构力学、热力学、电磁学、工程数学的基本原理与方法等。

2. 主体技术

现代设计技术的诞生和发展与计算机技术的发展息息相关、相辅相成。

计算机科学与设计技术结合产生计算机辅助设计、智能CAD(Intelligent CAD，ICAD)、优化设计、有限元分析程序、模拟仿真、虚拟设计和工程数据库等技术。运用现代设计技术的多种理论与方法如优化设计、可靠性设计、模糊设计等理论构造的数学模型，来编制计算机应用程序，可以更广泛、更深入地模拟人的推理与思维，从而提高计算机的“智力”。

而计算机辅助设计技术正是以它对数值计算和对信息与知识的独特处理能力，成为现代设计技术群体的主干，即主体技术。

3. 支撑技术

支撑技术主要有现代设计方法学、可信性设计技术、试验设计技术。现代设计方法学涉及的内容很广，如并行设计、系统设计、功能设计、模块化设计、价值工程、质量功能配制、反求工程、绿色设计、模糊设计、面向对象设计、工业造型设计等。可信性设计是广义的可靠性设计的扩展，主要指可靠性与安全性设计、动态分析与设计、防断裂设计、健壮设计、耐环境设计等。设计试验技术包括可靠性试验、环保性能试验与控制，

以及运用计算机技术

的数字仿真试验和虚拟试验等。

4. 应用技术

应用技术是针对实用目的解决各类具体产品设计问题的技术，如机床、汽车、工程机械、精密机械的现代设计内容可以看作是现代设计技术派生出来的具体技术群。

现代设计已扩展到产品规划、制造、营销、运行、回收等各个方面，除了必要的传统设计理论与方法的基础知识外，相关的学科与技术，尤其是制造工艺、自动化技术、系统管理技术、材料知识与经验及广泛的自然科学知识等也是十分必要的。此外，设计产品总是以满足社会需求为目的的，因此，设计人员还应具备政治、经济、法律、人文社会、艺术等方面的知识与素养。

2.2

2.1.1 计算机辅助设计技术的产生及发展

(1) 20世纪50年代 — CAD技术的萌芽期。

1950年美国麻省理工学院研制出旋风型图形显示设备

(2) 20世纪60年代— CAD技术的成长期。

1962年SketchPAD图形系统、首次提出了计算机图形学；1965年美国洛克希德飞机公司推出CAD/CAM

(3) 20世纪70年代— CAD技术的发展期。

三维建模及绘图工具，曲面模型得到初步应用

(4) 20世纪80年代— CAD技术的普及期。

复杂曲面描述技术，实体建模技术趋于成熟。

(5) 20世纪90年代— CAD技术集成化期。

网络环境下的CAD系统成为主流的设计平台。

2.2.2 计算机辅助设计的关键技术

1. 产品的几何造型技术

CAD的几何造型过程也就是对被设计对象进行描述，并用合适的数据结构存储在计算机内，以建立计算机内部模型的过程。被设计对象的造型建模技术的发展，经历了线框模型、表面(曲面)模型、实体建模、特征造型、特征参数模型、产品数据模型的演变过程，

1) 线框模型

线框模型由一系列空间直线、圆弧和点组合而成，用来描述产品的轮廓外形(见图2-2(a))。这种模型曾广泛应用于工厂或车间布局、三视图生成、运动机构的模拟和有限元网络的自动生成等方面，但它无法产生剖面图、消除隐藏线以及求解两个形体间的交线，也无法根据线框模型进行物性计算和数控加工指令的编制等作业。

2) 表面模型

表面模型的数据结构在线框模型的基础上，增加了有关面的信息和棱边的连接方向等内容。表面造型又分为“多边平面造型”和“曲面造型”两种。多边平面造型只能构建平面主体，描述能力不强，故较少采用(见图2-2 (b))。曲面造型则发展非常迅速，它可以用于构建具有复杂自由曲面和雕塑曲面的物体模型(见图2-3)，

因此广泛应用于汽车、飞机、船舶等制造工业中。常用的建模方法有贝塞尔(Beizer)曲面技术和B样条(B－spline)曲面技术。表面模型能求解两个形体的交线、消除隐藏线等，但无法定义厚度及内部几何体，故无法生成形体的剖面图以及进行物性的计算。

3) 实体模型

实体模型较完整地反映了三维实体的几何信息(见图2-2 (c))，它既能消除隐藏线，产生有明暗效应的立体图像，又能进行物性计算，进行装配体或运动系统的空间干涉检查，进行有限元分析的前后处理以及多至五轴的数控编程等作业。

常用的实体造型方法有“边界表示”(Boundary Representation，B-rep)法和“构造实体几何”(Constructive Solid Geometry，CSG)法。

边界表示法把一个物体被看作是由有界的平面或曲面片子集构成的，每个面又由它的边界边和顶点组成(见图2-4)，经过各种几何运算和操作，最后达到构成物体的目的。

CSG法的基本思想认为任何几何形体都是由简单的“实体细胞”组成的，这种实体细胞可称为“体素”。CAD系统中常用的体素有：长方体、圆柱、圆锥、球、圆台、楔、椭圆锥等。系统通过布尔运算可以将这些几何体素组成所需要的物体。高档的CAD系统还允许用户根据需要自己定义一些参数化的几何体素。

复杂的几何物体是由体素组成的，通过正实体、负实体的定义，二维多边形的扫描、移动、旋转、挖切和镜像等操作来实现物体的创建。图2-5就是用此方法生成的复杂零件图。

4) 特征造型

所谓特征，就是描述产品信息的集合，也是构成零、部件设计与制造的基本几何体，它既反映了零件的几何信息，又反映了零件的加工工艺信息。常用的零件特征包括：形状特征、精度特征、技术特征、材料特征、装配特征等。与实体模型相比较，特征造型能更好地表达统一、完整的产品信息；能更好地体现设计意图，使产品模型便于理解和组织生产；有助于加强产品设计、分析、加工制造、检验等各个部门之间的联系。因此，基于特征的建模技术更适合于CAD/CAM的集成和CIMS的建模需要。

2. 单一数据库与相关性设计

单一数据库是指与设计相关的全部数据信息来自同一个数据库。

所谓相关性设计，是指任何设计改动都将及时地反映到设计过程的其他相关环节上。例如，修改二维零件工程图样中的某个尺寸，则与该零件工程图样相关联的产品装配图、加工该零件的数控程序等也将会自动跟随更新；修改二维图样左视图中的某个尺寸，其主视图、俯视图以及三维实体模型中相应的尺寸和形状也会随之变化。

建立在单一数据库基础上的产品开发，可以实现产品的相关性设计。单一数据库和相关性设计技术的应用有利于减少设计中的差错，提高设计质量，缩短开发周期。

3. CAD与其他CAX系统的集成技术

CAD技术为产品的设计开发提供了基本的数据化模型，然而，它只是计算机参与产品生产制造的一个环节。

为了使产品生产后续的作业环节有效地利用CAD作业所构造的产品信息模型，充分利用已有的信息资源，提高综合生产效率，必须将CAD技术与其他CAX技术进行有效的集成，包括CAD/CAM技术的集成、CAD与CIMS其他功能系统的集成等。CAD技术的主要功能是进行产品的设计造型，为其他功能系统提供共享的产品数据模型，它已成为CIMS或其他制造系统的基础和关键。

CAD技术的集成体现在以下几个方面：

(1) CAD与CAE集成、CAD与CAPP/CAM集成、CAD与PDM集成、CAD与ERP等软件模块集成。CAD与这些系统模块的集成为企业提供了产品生产制造一体化解决方案，推动了企业的信息化进程。

(2) 将CAD技术的算法、功能模块以至整个系统以专用芯片的形式加以固化，这样一方面可以提高CAD系统的运行效率，另一方面可以供其他系统直接调用。

(3) CAD在网络计算环境下实现异地、异构系统的企业间集成，如全球化设计、虚拟设计、虚拟制造以及虚拟企业就是该集成层次的具体体现。

4. 标准化技术

由于CAD软件产品众多，为实现信息共享，相关软件必须支持异构、跨平台的工作环境。该问题的解决主要依靠CAD技术的标准化。国际标准化组织(ISO)制定了“产品数据模

型交换标准”(Standard for the Exchange of Product Model Data，STEP)。STEP采用统一的数字化定义方法，涵盖了产品的整个生命周期，是CAD技术最新的国际标准。

目前，主流的CAD软件系统都支持ISO标准及其他工业标准，面向应用的标准构件及零部件库的标准化也成为CAD系统的必备内容，为实现信息共享创造了条件。

2.2.3 CAD系统软件与应用

1. 系统软件

系统软件主要用于计算机管理、维护、控制、运行以及计算机程序的翻译和执行，分为以下几类：

(1) 操作系统

操作系统的主要功能是管理文件及各种输入输出设备。微机上常用的操作系统有DOS、Windows、UNIX、OS/2等。目前较为流行的操作系统是Windows，它是32位多窗口、多任务操作系统，提供了对多媒体和网络的软件支持。工作站主要采用UNIX操作系统，提供支持X协议的多窗口环境。

(2) 编译系统

编译系统是将用高级语言编制的程序转换成可执行指令的程序。我们所熟知的高级语言如FORTRAN、BASLC、PASCAL、COBOL、LISP，C/C++等，都有相应的编译程序或集成开发环境。

(3) 图形接口及接口标准

为实现图形向设备的输出，必须向高级语言提供相应的接口程序(函数库)。

Windows的CGI计算机图形接口编码面向应用软件开发，先后推出了GKS、GKS-3D、PHIGS、GL/OPENGL等图形接口标准。利用这些标准所提供的接口函数，应用程序可以方便地输出二维和三维图形。在各种以图形为基础的CAD软件相继推出后，为了满足不同应用系统产品数据模型的交换、共享需要，又制定了IGES、DXF、STEP等图形(产品)信息交换标准。

2. 支撑软件

1) 计算机分析软件

(1) 常用数学方法库及其可视化软件。

(2) 有限元分析软件。目前，有限元理论和方法已趋成熟，除应用于弹性力学和流体力学外，也应用于流动分析、电磁场分析等方面。商品化的有限元分析软件很多，如SAP-5、ADINA、NASTRAN、ANSYS、COSMOS等，一些软件还具有较强的前、后置处理功能。

(3) 优化设计软件

优化设计建立在最优化数学理论和现代计算技术的基础上，通过迭代寻求设计的最优方案。目前已有不少成熟的优化程序库，如LBM公司的ODL，我国自主知识产权的“优化方法程序库OPB-2”等。

2) 集成化CAD/CAM软件

集成化CAD/CAM软件支持在二维和三维图形方式下进行产品及其零件的定义。

早期的集成化CAD/CAM软件主要致力于实现交互式绘图，如CADAM、AutoCAD、MEDUSA的早期版本均主要以二维交互式绘图为主。20世纪80年代中期开始，实体造型技术日趋完善，不少CAD系统转向采用实体造型技术定义产品零件的几何模型，进行分析、数控加工、输出工程图等。

目前较流行的CAD集成系统有：美国 PTC(Parametric Technology Corporation)公司的Pro/Engineer，美国麦道飞机公司的UG(Unigraphics)，Autodesk公司的AutoCAD及MDT；中国科学院北京软件工程研制中心开发的参数智能化CAD系统PICAD，高华计算机有限公

司开发研制的集成智能化CAD系统，清华大学和华中理工大学共同开发的CAD-MLS等。

4) 数据库管理系统(DBMS)

数据库管理系统用于管理庞大的数据信息，提供数据的增删、查询、共享、安全维护等操作，是用户与数据之间的接口。数据库管理系统使用三种数据模型，即层次模型、网状模型和关系模型。目前流行的数据库管理系统有DBASE、FOXBASE、FOXPRO、ORACI.E、SYBASE等。

5) 网络软件

采用微机和工作站局域网形式的CAD系统已成为20世纪90年代CAD软硬件配置的首选方案。网络服务软件为这些系统在网络上的传输和共享文件提供了条件。最常用的网络软件是Novell公司的NETWARE，它包括服务器操作系统、文件服务器软件、通信软件等。Microsoft的Windows 95以上操作系统可直接支持绝大多数的网络互连服务。

4. 应用软件

应用软件是在系统软件、支撑软件的基础上，针对某一专门应用领域的需要而研制的软件。这类软件通常由用户结合当前设计工作需要自行开发，也称“二次开发”。例如，模具设计软件、电器设计软件、机械零件设计软件、飞机气流分析软件等均属应用软件。

专家系统也是一种应用软件。在设计过程中，有相当一部分工作不是仅通过计算或绘图就可以完成的，而必须依赖该领域专家丰富的实践经验和专门知识，经过专家们的思考、推理和判断才能够完成。为使计算机模拟专家解决问题的工作过程而编制的智能型计算机程序称为专家系统。

2.3

1960年，克拉夫(Clough)首先提出“有限元法”这个概念。30多年来，有限元法得到了很大的发展。它不仅可用于计算静力学模型，也可用于动力学模型求解；既可以计算稳态温度场的物体热力学响应，也可以用于非稳态热源下的时间响应，还能用于电磁场的力学分析等；既可以用于分析刚件结构的受载变形过程，也可以用于设计轮胎、橡胶零件等非刚性物体，找出它们结构设计中的薄弱环节。因此，有限元法已成为工程结构设计阶段不可缺少的工具。

秦凯维奇(Ｏ. Ｃ. Zienkiewicz)教授在他的名著《有限元法》中给出的有限元法定义是：把连续体看成是有限个部分(有限元)的集合体，其性态由有限个参数所规定，在求解离散成有限元的集合体时，其有限单元应满足连续体所遵循的规则。

有限元法的产品结构模型与CAD几何造型的模型是有区别的。有限元法将连续体的结构模型分解成数目有限的小块体(见图2-6)，这些小块体称为有限元，它们彼此之间用有限个结点相互联结，再在这些结点上引进等效力代替作用到单元上的外力，通过计算这些单元阵点力和位移之间的关系来解决连续体的力学问题。

有限元法实质上就是把无限个自由度的连续体理想化为只有有限个自由度的单元集合体，使复杂问题简化为适合于数值解法的结构型问题。

2.4 并 行 设 计

关于并行工程的定义目前国际上有多种提法，被普遍采用的是美国防务研究所1988年12月在第一届CE专题研讨会上给出的定义：“并行工程是一种对产品及其相关过程(包括制造过程和支持过程)进行并行的、一体化设计的工作模式。这种工作模式可使产品开发人员一开始就能考虑到从产品概念设计到消亡的整个产品生命周期中的所有因素，包括质量、成本、进度和用户要求。

在传统的制造系统中，新产品的开发从概念设计到产品出厂的整个过程是按顺序(即串行)进行的。在产品图纸设计完成后，必须进行样机试制，再根据试制中发现的问题对图纸进行修改，同时整理试制工艺，设计制造工艺装备，然后再进行小批量生产，考核工艺规程和工装的正确性，并进行必要的修改。只有在小批量试制通过验证后，才能正式批量投产。

这种串行工程方式对批量较大和市场寿命较长的产品来说，不失为一种行之有效的方法。但是，许多不合理设计和错误设计只有通过试制过程才能发现，有时某些问题甚至是无法修改的，修改设计就意味着部分或全部报废，造成不必要的人力和物力浪费，其缺点是显而易见的。

因此，对于面向定单的单件及小批量生产，这种串行工作方式就完全不适用了。图2-8(a)、(b)为产品设计及技术准备阶段串行工程与并行工程的基本概念示意图。在串行工程中，前馈信息随着过程传递，反馈信息总滞后于过程，返工浪费很难避免。并行工程采用并行方式，在产品设计阶段就集中产品研制周期中的各有关工程技术人员，同步地设计或考虑整个产品生命周期中的所有因素，对产品设计、工艺设计、装配设计、检验方式、售后服务方案等进行统筹考虑，协同进行。经系统的仿真和分析评估，对设计对象进行反复修改和完善，力争后续的制造过程一次成功(Do Right First)。这样，设计阶段完成后一般能保证后面阶段如制造、装配、检验、销售和维护等活动顺利进行，前馈信息在过程传递之前即预发布至各后续工作环节，反馈信息能在过程传递之前送至前序环节，使之能及时修改。特殊情况下，并行工程中也需要对设计方案甚至产品模型进行修改。

并行工程在实施中采用团队工作(Team Work)方式(见图2-9)，将各类专业人员在产品设计的开始时就组织在一起协同工作。初期人们采用集体办公模式实现团队工作，而在企业的计算机信息网络建立起来后，可以将各功能部门的计算机系统联网并通过相应的管理控制软件，使团队成员在异地共享信息，协同工作，实现更大范围内的并行工程模式。

图2-9 企业范围内的并行工程模式

在上述并行工程运行模式下，每个设计者可以像在传统的CAD工作站上一样进行自己的设计工作。借助于适当的通信工具，在公共数据库、知识库的支持下，设计者之间可以相互通信，根据目标要求既可随时应其它设计人员要求修改自己的设计，也可要求其它设计人员响应自己的要求。通过协调机制，设计小组的多种设计工作可以并行协调地进行(见图2-10)。

2.5 反 求 工 程

反求工程(Reverse Engineering)又称逆向工程或逆向设计。这是近年来为消化并提高引进高新技术而发展起来的一项综合性技术。它以已有的产品或技术为对象，用现代化的手段和理论，解剖并掌握所研究对象的关键技术，在充分研究对象的基础上实现再创造，开发新产品，实行“样品-反求-再创造设计-产品”的新产品设计开发过程。具有关文献统计，反求工程可以缩短新产品开发周期40%以上，是提高新产品开发能力的有效手段。反求工程可分为零件反求，部件反求（或整机反求）。

1. 零件反求

零件反求实质上是零件复制。对于结构复杂和要求精确的关键零件，如果复制不精确，将直接影响所开发机器的性能。因此，精确测量以复制零件，并在此基础上逆向生成精确的零件CAD模型，这是反求工程的关键。在反求工程中采用的测量方法可归纳为两类：

一类为采用坐标测量机(Coordinate Measuring Machine，CMM)的接触式测量，另一类是采用激光或机器视觉系统进行图像扫描的光学非接触式测量。下面以采用CMM测量的反求工程为例说明零件反求的过程。

2. 整机反求

整机反求的工作内容如下：

(1) 探索样机的设计思想。

事实上在选择引进样机时就有一个指导思想，例如是选择功能齐全的还是造价便宜的，是注重高科技含量还是可持续发展性(如节约资源、不污染环境和模块化设计等)。根据这个指导思想去分析样机的特点，判断此指导思想是否与需求相吻合，这样才能为反求以后的产品发展打下良好的基础，避免引进错误。

(2) 功能剖析

每种产品都有其特定功能，这是引进样机和发展产品的核心问题。因此，必须对样机的功能进行深入的研究剖析，特别是关键性的功能，必须掌握其基本原理，才能在此基础上设计自己的产品。

(3) 性能试验

对样机的性能必须进行全面的试验和测定，反复验算，深入分析，掌握它的运动特性和动、静态力学特性，找出它可能存在的薄弱环节，以便于在自行设计开发时加以改进，使反求产品优于样机。

(4) 结构分析

零部件的结构与功能原理和机械性能直接有关，并同生产成本和使用性能关系密切，也影响产品的可制造性和可维护性。因此，必须充分了解功能零部件的结构特点及其作用，精确反求，否则会危及产品的稳定性和可靠性，达不到样机的使用性能。

(5) 形体尺寸及精度测定

对于关键零件，必须采用先进而精确的反求手段和仪器，精确测定样件的形体和相关精度(尺寸、形状和相互位置精度)

，并分析它们的作用，否则，反求设计的产品将达不到样

机的质量要求。

(6) 工艺分析

这是反求工程中至关重要的一步。反求产品往往可以做到同样机“形似”，但由于工艺问题没有解决而达不到“神似”，即产品性能总达不到或不能超过样机。因此，在工艺问题上必须特别重视分析和掌握其工艺诀窍，这样才能真正达到反求工程的目标。

(7) 材料分析

零件的材料及其处理方法是决定零件的功能和使用性能的关键因素之一。一般情况下，可通过外观对比、密度确定、理化分析、硬度测定和光谱分析等各种方法来测定材料的物理性能、化学成分，分析对它的热处理和表面处理方法及工艺方法。

(8) 使用和维修分析。

以用户的目光审视样机的使用方便性和易维修性，充分理解和掌握样机在这方面的设计思想。

(9) 相关辅料分析。

样机中使用的冷却液、润滑剂、密封件等也会影响产品的使用性能，在反求工程中同样不能轻视。

除上述反求工作外，样机的造型设计、色彩配置、包装技术等也不能忽视，这将影响用户对产品的直觉印象和市场效应。

2.6 绿色产品设计

1. 绿色产品及特点

绿色产品是指在产品全生命周期内(包括原材料准备、设计、制造、包装、运输、使用、回收、再用或再生等过程)能节约资源和能源，对生态环境无危害或少危害，并对生产者及使用者具有良好保护性的产品。

因此，绿色产品设计可定义为面向不损害产品质量、功能及其制作过程的，能与环境相容的设计。

绿色产品的特点：

(1) 优良的环境友好性，即产品从生产到使用乃至废弃回收处理的各个环节都对环境无害或危害极小。这就要求企业在生产过程中选用清洁的原料、清洁的工艺过程，生产出清洁的产品；使用产品时不对使用者造成危害；报废产品在回收处理过程中很少产生废弃物。

(2) 最大限度地利用材料资源。

(3) 最大限度地节约能源。

2. 绿色产品设计的主要内容

(1) 绿色产品的描述与建模：准确全面地描述绿色产品，建立系统的绿色产品评价模型是绿色产品设计的关键。

(2) 绿色产品设计的材料选择：绿色产品设计要求设计人员改变传统的选材程序和步骤，选材时不仅要考虑产品的使用要求和性能，还应考虑环境约束准则，同时必须了解材料对环境的影响，应选用无毒、无污染材料以及易回收、可重用、易降解材料。

(3) 面向拆卸性设计

传统设计方法多考虑产品的装配性，很少考虑产品的可拆卸性。绿色产品设计要求把可拆卸性作为产品结构设计的一项评价准则，使产品在报废以后其零部件能够高效地、不加破坏地被拆卸，这有利于零部件的重新利用和材料的循环再生，达到节省资源、保护环境的目的。 产品类型千差万别，不同产品的拆卸性设计不尽相同。总体上，可拆卸性设计的原则包括：

① 实现零件的多功能性，减少应拆卸零部件的数目，减少拆卸工作量；

② 避免有相互影响的材料组合，避免零件的污损；

③ 易于拆卸，易于分离；

④ 实现零部件的标准化、系列化、模块化，减少零件的多样性。

(4) 产品的可回收性设计：

在设计时要充分考虑产品各零部件回收再利用的可能性、回收处理方法、回收费用等问题，达到节省材料、节约能源、尽量减小环境污染的目的。

可回收性设计的内容包括：

① 可回收材料的识别及标志；② 回收处理工艺方法：③ 可回收性的结构设计；④ 可回收性的经济分析与评价。

可回收性设计的主要原则有：

① 避免使用有害于环境及人体的材料；② 减少产品所使用的材料种类；③ 避免使用与循环利用过程不相兼容的材料或零件；④ 使用便于重用的材料；⑤ 使用可重用的零部件。

(5) 绿色产品的成本分析：

与传统成本分析不同，绿色产品成本分析应考虑污染物的处理成本、产品拆卸成本、重复利用成本、环境成本等，以达到经济效益与环境质量双赢的目的。

(6) 绿色产品设计数据库：

这是一个庞大复杂的数据库，该数据库对绿色产品的设计过程起到举足轻重的作用。 数据库包括产品全生命周期中环境、经济等有关的一切数据，如材料成分、各种材料对环境的影响、材料自然降解周期、人工降解时间和费用，以及制造、装配、销售、使用过程中所产生的附加物数量及其对环境的影响等环境评估准则所需的各种判断标准。

第3章 精密成形技术

第一节 精密洁净铸造技术 铸造是一种液态金属成形方法。长期以来，应用最广泛的是普通砂型铸造。随着科学技术的不断发展和生产水平的不断提高以及人类社会生活、生产的需要，在继承古代铸造技术和应用近代科学技术成就的基础上，开创了许多新的铸造方法和工艺。使现代铸造技术朝着“精密、洁净、高效”方向发展。

现代铸造技术以熔体洁净、铸件组织细密（性能高）和表面光洁、尺寸精度高、生产效率高为主要特征，可以简称为精密洁净高效铸造工艺技术。精密洁净铸造是采用各种特殊的工艺方法实现的。常见的包括:精密砂型铸造、高效金属型铸造、消失模铸造、半固态铸造、熔模铸造、陶瓷型铸造、壳型铸造、近终形状铸造等。

一 、高效金属型铸造

传统金属铸件的生产方法为砂型铸造，砂型铸造是我国古代劳动人民发明的，目前仍是铸件生产的主要方法。其主要的缺点是铸件尺寸精度低、表面粗糙、铸造缺陷多、机械性能差、生产效率低。

相对砂型铸造而言，高效金属型铸造是现代铸造工艺。按照液态金属的填充方式和凝固特点，金属型铸造又可分为金属型重力铸造、金属型低压铸造、金属型离心铸造、金属型压力铸造和挤压铸造等，这些金属型铸造又称为特种铸造。

金属型铸造也称为硬模铸造，由于铸型可以多次重复使用，所以又称永久型铸造。其铸型是由耐高温的金属材料制成的，根据具体的需要，型芯可以是金属芯也可以是砂芯。金属型重力铸造是靠液态金属的重力填充铸型的；金属型离心铸造依靠铸型高速旋转产生的离心力，使液态金属贴紧铸型型腔，并在高速旋转下结晶凝固；金属型压力铸造是把液态金属以很高的压力和很高的速度射入铸型型腔，并在高压下结晶凝固；而低压铸造其填充压力介于重力铸造和压力铸造之间，是一种气（惰性气体）举液面的金属型铸造工艺。

下边着重介绍金属型压力铸造、金属型低压铸造和挤压铸造。

（一） 压力铸造 压力铸造简称压铸，它是在压铸机的承压室内浇注液态金属或半液态金属，使其在高压高速下填充铸型，并在高压下冷凝形成铸件的一种铸造方法。

其常用压比为5~150MPa，金属液的流速达5~100m/s，填充时间极短（一般为0.01~0.21s）。高压、高速是压力铸造的根本特点。

1、 发展概况

压铸技术的出现，迄今已有150年的历史。最初压铸是用于印刷文字的铸造，后来用于计算机和留声机上锡铅合金零件的铸造，1904年后才用于机械零件的铸造，20世纪20年代美国的Kipp公司制造出机械化的热压室压铸机，到了冷压室压铸机的产生，压铸的材料扩展到了铜、铝合金。20世纪40年代压铸技术进入工业生产。20世纪50年代大型压铸机的诞生，压铸技术才真正拓宽了广泛地工业应用领域。随着压铸机，压铸工艺、压铸模及润滑剂等压铸技术的发展，压铸合金也从最初的铅到锌、铝、铜、镁最后到铁合金的发展过程，随着压铸合金熔点的不断提高，压铸技术的应用会越来越广泛。目前压铸技术已广泛用于汽车工业、仪表、电气通信、家电和玩具等行业，并且能生产出形状复杂、薄壁精美的金属器件。

我国压铸生产开始于20世纪50年代，发展于60年代到70年代，90年代后有了长足进展。我国多小型压铸，压铸合金以锌合金为主，多为家电、玩具等非受力件，在汽车、摩托车等机械设备零件的压铸所占比重较小，在压铸件的质量方面于国外相比仍有较大差距。

2、 与压铸工艺

压铸在压铸机上进行，压铸机一般由压型也称为压铸模、压室、射压系统等组成，压铸时把液态金属装入压室，射压系统推动压射头把液态金属高速压入压型，保持压力，结晶凝固后，压射头回退，由顶出机构顶出铸件。

压力铸造的基本工艺流程如下图所示：

• 3、压铸设备

• 压铸机是压铸生产的主要设备，主要由合型机构和压射机构两部分组成。

根据

压室的不同，压铸机分为热压室和冷压室两类。

热压室压铸机的压室与金属液的保温装置连成一个整体，只适用于压铸低熔点合金（如铅、锡、锌等合金）。热压室压铸机的主要特点是压铸生产工序简单，生产效率高，易于实现自动化，金属消耗小，工艺稳定，压入型腔的液态金属干净，无氧化类杂质，铸件质量好，但由于压室和冲头长时间浸泡在液态金属中，影响使用寿命，常用用于低熔点合金如锌合金制件的压铸。

冷压室压铸机的压室与保温装置是分离的，压铸时从保温坩锅中舀取液态金属，倒入压铸机上的压室，然后进行压射。卧式冷压室压铸机的工作原理图如下图所示。它可用来压铸铝、铜、镁等熔点较高的合金。

4、压铸生产特点

• 1）可铸造结构复杂的薄壁铸件

压力铸造的填充压力高，金属液流动速度快，因此，可获得极其复杂的薄壁铸件，并可直接铸出各种型孔、螺纹和齿轮轮齿等结构复杂的铸件。

• 2）铸件机械性能好

由于填充压力高，并在高压下冷凝结晶，因此，补缩能力强，铸件组织致密。同时，由于冷却快，铸件晶粒细小，机械性能好。

• 3）充型极快，冷凝时间短，压铸生产率高。

• 4）由于填充速度极快，型内气体难以排除干净，铸件中常有一些压力很高的小气孔。 这些小气孔对铸件质量有一定的不良影响，如对压铸件进行热处理，小气孔中气体膨胀将使铸件产生变形，所以压铸件一般不进行热处理。

• 5）压铸机和压铸模的投资大，同时由于受到压铸机规格（吨位）的限制，所以压铸

只适用于大批大量中小型铸件的生产。

综上所述压力铸造主要适用于大批大量中有色金属，小型铸件尤其是外形复杂薄壁铸件的生产。

5、 我国压铸技术展望

1）开发新型压射控制系统。高速高压充型，

是一个极其复杂的热态动力学过程。压铸件高质量、致密薄壁无气孔，在很大程度上与每次压射的稳定性和再现性有关，因此，必须开发新型的压射控制系统和安装靠近压型的热探测器和传感器。

2）发展新的压射工艺。如半固态压铸、双活塞压铸、真空压铸、加氧压铸等都可以有效地减少铸件气孔和提高力学性能，使压铸件能够热处理。

3）开发新型压铸合金。如金属基复合材料（MMCs）,这种合金具要高的比强度、比模量、耐磨和减摩性能、热强性和低的热膨胀系数，且工艺比较简单，成本低，应用上局限性小。其铸造的填充性好，表面质量令人满意。另外压铸镁合金、高铝锌基合金，也都具有独特的机械物理性能，且铸造性能良好。

4）开展CAD/CAE/CAM系统的研究开发，为使填充和凝固更为精确快捷，同时实现压铸模的快速原型制造。

（二） 低压铸造 低压铸造是液体金属在压力作用下充填型腔，以形成铸件的一种方法。由于所用的压力较低，所以叫做低压铸造。

1、发展概况

低压铸造最早由英国人E. F. LAKE于1910年提出并申请专利。1950年以后由于汽车工业的发展，使低压铸造工艺和设备有了一个飞跃。

汽车轮毂由于质量要求高，本身结构又适于低压铸造，而且需求量大，因此极大地推动

了低压铸造技术的发展。英国在60年代率先发展低压铸造汽车轮毂，其后美国、日本、西德相继发展。

1981年低压铸造汽车铸铝轮毂市场占有率仅4%，1994年扩大到40%，至2000年市场份额则扩大到了60%。

2、 低压铸造原理及过程

它是向储有金属液的坩锅中通入2~7N/mm²压力的压缩空气或惰性气体，并作用在液面上，金属液自上而下通过升液管压入铸型型腔，并保持一定的压力（或适当增压），直到铸件凝固为止。然后去除液面压力，升液管及浇注系统中的未凝固金属液又在重力作用下流回坩锅。

3、 低压铸造过程

低压铸造的工艺规范包括充型、增压、铸型预热温度、浇注温度，以及铸型的涂料等。金属材料熔炼→封闭炉体→制备模具→预热模具→制备复合型芯→合模→低压浇铸成型→高压补缩、保压→铸件成型后→放气→结晶凝固→开型→取出铸件→清理。

4、低压铸造的特点

1、提高了铸型寿命和铸件质量 低压铸造既克服了重力铸造流动性差、铸件成形不良和易形成缩孔及缩松的缺点；又克服了压力铸造填充速度过快，对铸型型腔的冲刷作用大，使铸型寿命降低和易在铸件上产生气孔的缺点。

2、浇注和凝固压力可根据需要进行调整，由于填充压力适当，可适用于各种铸型（金属型、砂型等）。

4、 有较好的补缩作用

由于在压力作用下充型，冷凝、能对浇口起补缩作用；且能实现自上而下的顺序凝固，铸件组织致密，机械性能好。采用金属铸型则生产效率高，应用较广进行低压铸造需解决坩锅以及坩锅与铸型间的密封问题。当采用砂型时，铸型安装比较麻烦，生产效率低，应用较少；采用金属铸型则生产效率高，应用较广。低压铸造的铸件精度和表面质量取决于所用铸型的种类。低压铸造设备简单，投资少,易于实现。

5、 低压铸造设备

低压铸造设备一般由保温炉及其附属装置，铸型开合系统和供气系统三部分组成。按铸型和保温炉的连接方式，可分为顶铸式低压铸造机和侧铸式低压铸造机两种类型。

1）保温炉及附属装置

它由炉体、熔池、密封盖和升液管等所组成，是低压铸造机的基本部分。保温炉的炉型很多，如焦炭炉，煤气炉，电阻炉，感应炉等。但目前广泛使用的是电阻加热炉，其次是电热反射炉。

2）供气系统

在低压铸造中，正确控制对铸型的充型和增压是获得良好铸件的关键，这个控制完全由供气系统来实现。根据不同铸件，不同铸件的要求，供气系统应可以任意调节，工作要稳定可靠，结构要使维修方便。

6、 21世纪低压铸造展望

1) 大型薄壁铝合金铸件一直是铸造界的难题，低压铸造是最佳工艺方法。据有关方面信息，美国目前可生产直径800 mm、长5 m、壁厚6～8 mm的巡航导弹舱体，合金材料A357。我国也将研制直径600 mm左右、高3 m、壁厚6 mm的差压铸件。

2) 汽车发动机中若干铝合金零件如排气管、缸盖以及摩托车发动机缸头、缸盖和轮毂目前大量仍采用金属型重力铸造。特别是铝合金轮毂，我国起步时大部分都采用低压铸造，现在由于低压铸造成套设备不能满足工艺要求，生产率低，许多原来采用低压铸造的厂家走

回头路又用金属型重力铸造法生产。但随着技术进步，包括汽车、摩托车缸头、缸盖、排气岐管和轮毂将大量采用低压铸造法生产，使铸件质量提高一个档次。

3) 质量大于1000 kg以上的大型离心泵不锈钢叶轮(CF-3M,CD-4MCu)，叶片厚度薄，面积大，而轴颈断面尺寸大，铸件厚薄不均，且工作时承受应力腐蚀环境。常规砂型重力浇注时铸件中出现比较严重缩松。在腐蚀环境下寿命大大缩短。

此类零件在低压铸造设备完备的前提下，采用树脂砂或石墨型低压铸造法有望铸造成组织致密、尺寸精确的优质铸件。这类铸件在核电装备中具有重要地位。

(三)挤压铸造

1、

挤压铸造工艺于1973年由前苏联首次用于铸造生产，当时称为“液态金属模压”，是金属液在压力下充型及凝固而获得铸件的一种铸造方法。

将金属液浇入挤压机的凹模中，然后上型（也叫冲头）向下移动将下型中的液态金属挤满型腔，金属液在压力下凝固成形。

2、挤压铸造有以下优点：

1）铸件精度高，加工余量小；

2）由于铸件是在压力下充型和凝固的，所以铸件组织致密，无缩孔、缩松及气孔等铸造缺陷，晶粒细小，铸件的力学性能好；

3）挤压铸造不必设置浇冒口系统，减少液态金属的消耗，提高了工艺实收率。 由于上述优点，挤压铸造对铸造的发展还体现在以下几个方面：

1）建立了一整套压力下结晶及挤压铸造的理论系统。包括：压力对合金状态图、形核及长大、气体的溶解与析出等影响；挤压过程中铸件的成形、凝固与热传导，压力的传递分布与损失；铸件的收缩、补缩、晶粒组织与异常偏析形成等。为挤压铸造工艺的发展垫定了坚实的理论基础。

2）发展了一整套挤压铸造工艺方法，定型生产了挤压铸造机系列。为了适应多样化的生产需要，挤压工艺发展了直接冲头挤压、间接冲头挤压、柱塞挤压、型板挤压等多种方式。挤压铸造设备也从早期的通用压力机发展成辅助活动横梁、顶出器油缸或侧向油缸的普通型挤压铸造机。近十年来又发展了从模具清理喷涂、浇铸、挤压到取件全自动化，挤压速度可分级调节、工艺参数可全过过程计算机控制并显示的挤压铸造机。

3）挤压铸造的生产规模发展迅速。产品材料包括铝、镁、锌、铜、铁、铅、钢、锡、镍等合金及其复合材料。产品类型遍布机械、交通、家电、仪表及汽车等各个行业。

3、挤压铸造工艺的发展趋势

1）挤压铸造的材料渗透到陶瓷纤维增强材料中，制成局部增强金属基复合材料，将成为廉价、便捷的批量生产先进金属基复合材料的方法。此外在传统卧式压铸机上，通过改进压射系统，进行低速充型并实时控制，加宽浇口，采用双柱塞挤压等方法，可以实现不卷入气体的水平式挤压铸造生产。

2）扩大应用，提高质量，使铸件向着更优质、高性能、大型化、复杂化的方向发展。

3）改造原有的挤压铸造设备，发展新的挤压铸造设备系列。提高挤压铸造的自动化水平和形成新一代标准化高效挤压铸造设备系列。

二、消失模铸造

消失模铸造是将与铸件形状、尺寸相似的发泡塑料模型粘接组成模型簇,刷耐火材料涂层并烘干后,埋在干石英砂中振动造型,在一定的条件下浇注液体金属,使模型气化并占据模型位置,冷却凝固后获得所需铸件的方法。

对于消失模铸造有多种不同的叫法。国内主要的叫法有：“干砂实型铸造”、“负压实型铸造”，简称EPC铸造。

（一）消失模铸造发展概况

1956年美国人（H.F.SHOYER）开始了将聚苯乙烯泡沫塑料用于铸造的试验，并获得成功,引起了人们极大的兴趣，1958年以专利的形式公布于众，当时称之为“无型腔铸造”。起初，该法只是用来制造金属雕像等艺术品铸件，美国马萨诸塞工艺院铸造出重约150Kg的青铜飞马和高大的球墨铸铁钟架。

以后经过许多实践和探索，1962年西德从美国引进专利，消失模铸造法才开始被开发，并在工业上得到应用。

1964年美国的T.R.SMITH发表了使用无粘结剂干砂造型生产消失模铸件的专利。到了1967年,采用普通粘土砂和自硬砂的消失模铸造法获得了成功,并在许多国家得到了应用,生产了成千上万吨铸件,但无粘结剂干砂实型铸造却没得到发展,仍处于探索阶段。

在整个六十年代直至七十年代,消失模铸造法仅限于单件小批生产,典型产品是汽车模具、机器底座、艺术品等。

1968年，德国人E.KRYZMOWSKI在砂箱内抽成负压进行浇注,取得了专利，即现在的消失模铸造。八十年代以前，由于专利的制约，生产中使用无粘结剂干砂消失模铸造受到限制；铸造界与其他产业部门协调不够；由于工艺不当、型砂和涂料不合适以及模型质量不高所导致的实型铸件外观及内在质量不够好，造成了一部分人的等待、观望甚至怀疑的态度，使得消失模铸造法发展缓慢。 1981年以后由于相应专利技术失效，再加上经过几年努力，发泡聚苯乙烯原料珠粒有了很大进步、模型组合粘结剂质量改善、高质量涂料被研制成功等工艺技术的进步，消失模铸造法得以迅速发展，并很快在生产上得到应用。1982年美国首先公开了世界上第一条生产复杂铝铸件的消失模铸造生产线。1984年美国福特汽车公司建立了年产100万只铝合金进气歧管高度自动化的生产线。至此，消失模铸造作为一种全新的铸造工艺方法被应用于生产。 1990年美国通用汽车公司在Saturn建成了一套年产铸件5.5万吨，10万平方米的新铸造厂，用三条全自动EPC生产线生产铝合金缸体、缸盖和球墨铸铁曲轴等铸件。1979年，由我国著名消失模铸造专家、中科院长春光学精密机械研究所研究员黄述哲教授在全国铸造工艺学会上发表了“消失模铸造基本特性的研究”论文报告，在国内首次系统阐述了这一方法的特点和规律性。八十年代后期郑州机械所也开始了消失模铸造的试验性应用研究。

九十年代开始以来，清华大学、哈尔滨工业大学、华中理工大学、西安交大等也纷纷加入了消失模铸造的研究。 90年代我国在北京宋庄铸造总厂、福州柴油机厂、四川南川机械厂、湖北丹江口管理局建成了年产3000~5000t铸件的消失模铸造生产线。同时也引进了国外先进的消失模铸造生产线，如一汽轻型发动机从美国福康公司引进了制模、振动台等部分设备，国内配套组成生产线；长沙汽车发动机厂则引进了意大利法塔公司全套制模、造型、浇灌生产线。2003年我国消失模铸造行业的铸件总产量约为140600吨，全国消失模铸造生产厂总数约为120-140家。

二、 生产原理及工艺流程

消失模铸造技术是将与铸件尺寸形状相似的发泡塑料模型粘结组合成模型簇，刷涂耐火涂层并烘干后，埋在干石英砂中振动造型，在一定条件下浇注液体金属，使模型气化并占据模型位置，凝固冷却后形成所需铸件的方法。对于消失模铸造，有多种不同的叫法，国内主要的叫法有“干砂实型铸造”、“ 负压实型铸造”，简称EPC铸造。 消失模铸造根据其铸型材料分类：结合有粘结剂自硬砂消失模铸造(简称“FM”法)；和无粘结剂干砂结合抽真空技术(第三代)造型法消失模铸造(简称“EPC”法)。 根据浇注条件分类：普通消失模铸造和负压消失模铸造。与传统的铸造技术相比，“二十一世纪的铸造技术”和“铸造工业的绿色革命”。“二十一世纪的铸造技术”和“铸造工业的绿色革命”。

消失模铸造工艺流程

传统的砂型铸造工艺流程

消失模铸造需要的专用设备

消失模铸造与其他铸造方法的主要区别是它所特有的黑区和白区部分。白区指制模工部和模型组合及涂料烘干工部，黑区指造型浇注工部。

消失模铸造的专用设备有：

白区： 制模工部：预发机、蒸缸、成型机、 模型干燥室等； 模型组合及涂料烘干工部：涂料研磨机、涂料混制滚筒、模型烘干设备等。

黑区： 造型浇注工部：造型振实台、真空系统、砂处理系统、砂箱、雨淋加砂装置、砂箱运输系统等。

（三）消失模铸造的工艺优越性

与传统的砂型铸造相比，大量生产的消失模铸造有如下工艺特征：

（1）一个与铸件形状完全一致、尺寸大小只差金属收缩量的泡沫塑料模型保留在铸型内，形成“实型”铸型，而不是传统砂型的“空腔”铸型（即“空型”）。

（2）其砂型为无粘结剂、无水份、无任何附加物的干石英砂。

（3）浇注时，泡沫塑料模型在高温液体金属作用下不断分解气化，产生金属-模型的置换过程，而不象传统“空型”铸造是一个液体金属的填充过程。制作一个铸件，就要“消失”掉一个泡沫塑料模型。

（4）泡沫塑料模型可以分块成形再进行粘结组合。模型形状（即铸件形状）基本不受任何限制。

消失模铸造有下列特点：

1）铸件质量好，成本低。材质不限，大小皆宜；尺寸精度高，表面光洁，减少清理，节省机械加工；内部缺陷大大减少，组织致密。

2）可实现大规模、大批量生产。自动化流水线生产,无污染、环保。可以大大改善作业环境、降低劳动强度、减少能源消耗。

3）与传统铸造技术相比，消失模铸造技术具有与无伦比的优势，被国内外铸造界誉为“二十一世纪的铸造技术” 、“铸造工业的绿色革命”。1999年，国家科技部把消失模铸造技术列为国家重点推广的高新技术。近年来，消失模铸造技术在国内外已经成为改造传统铸造产业应用最广的高新技术。

（四）消失模铸造技术发展趋势

1、随着严格的质量保证体系和各关键工序监控仪表的完善，消失模铸件的质量将进一步提高，废品率将大为降低。

2、在模具设计和制造领域，将大量采用快速原型制造技术和并行环境下计算机模拟仿真，从而大大缩短模具的生产时间，实现铸件的快捷生产。

3、随着聚苯乙烯泡沫塑料尾气净化装置和旧砂处理设备的进一步改善，以及各工序间自动化程度的提高，将使消失模铸造工厂（车间）绿色化。

4、随着技术的进步，消失模铸造技术将与其它先进铸造工艺相结合，开创出更新的复杂工艺，将使铸件质量和生产效率进一步提高。例如，将消失模铸造技术与低压铸造相结合，将实现对金属液填充速度的严格控制，同时也会实现气化模型的有序气化，使铸件在一定的压力下结晶凝固，从而获得组织致密、高气密性的铝合金铸件。

三、 半固态金属（SSM）成形

（一）发展概况

从70年代初美国麻省理工学院的 Flemings教授等开发出半固态加工技术以来， 现已得到迅速发展。美国在此技术的开发研究和工业应用等方面处于全球领先地位；欧 洲国家和日本也相继开展此方面的工作，并取得很大进展。半固态加工技术最广泛的应用主要集中在汽车工业，用以进行汽车零件的近终形(NearNetShape)制造以及使其轻量化；

另外，这项技术还被越来越多地用于航空、兵器、仪表等工业的主要构件。目前，半固态金属加工技术的发展主要围绕着半固态金属的制备和成形、基础理论、金属基复合材料的制造、工业应用和开发等方面。与此同时，很多相关的新技术和应用领域不断被开发出来。

（二）半固态成形原理

半固态成形，在金属凝固过程中，进行强烈搅拌，使普通铸造易于形成的树枝晶网络被打碎，得到一种液态金属母液中均匀悬浮着一定颗粒状固相组分的固-液混合浆料，采用这种既非液态、又非完全固态的金属浆料加工成形的方法，称为金属的半固态加工。SSM成形是介于铸造和锻造之间的一种工艺过程，适用于很多常规的成形方法。

通常根据采用的成形设备对其命名，这些设备包括：改进的压铸设备、注射成形设备、连续铸造设备和模锻设备等。在研究和应用中，铸造设备在SSM成形中占较大比例，因而SSM 成形多称为半固态铸造。 SSM原料在进入模具内腔之前有不同的处理方法，从而使SSM成形分为两大类：流 变成形(Rheoforming)和触变成形(Thixo- forming)。流变成形是将获得的 SSM原料直接成形；触变成形是将SSM原料首先制成 锭料，生产时，将定量的锭坯重新加热至半固态然后再成形。

对于流变成形，由于直接获得的SSM原料保存和输送很不方便，因而发展较缓慢，一 般仅用于SSM连续成形方面；对触变成形，由于 SSM坯料便于输送和加热，易于实现自动化，所以，触变成形在工业中得到广泛应用。

（三）半固态金属的成形工艺

1、工艺流程：由原始浆料连铸或直接成形的方法被称为“流变铸造（rheocasting）”，目前进入实用的流变成形技术只有一种，它被称之为射铸(Injection Molding or Thixomolding)技术。射铸技术只应用于镁合金(ASTM Spectifications-AZ91D)的半固态成形，成形件为汽车零件毛坯，成形机中包含一个特殊的螺旋推进系统(Extruder),并配有半固态镁合金加热源；当小块状的镁合金(由传统的枝晶镁合金锭剪切而成)送入螺旋推进系统后，镁合金一边被加热，一边由左向右螺旋剪切推进；到达螺旋推进系统左边的半固态镁合金已经具有流变性，随后被射入模具型腔成形。射铸件的强度、塑性与高压铸件的相当，但射铸件的气孔率降低约46%，耐蚀性更强。

2、另一条途径用术语描述为“触变成形（thixoforming）”。

一般触变成形中半固态组织的恢复仍用感应加热的方法，然后进行压铸、锻造加工成形。半固态金属的触变成形可以分为几种：一是触变压铸(thixodie-casting),其成形设备是压铸机； 二是触变锻造(thixoforging),其成形设备是压力机；三是触变挤压，其成形设备是挤压机； 四是触变轧制，其成形设备是轧机。以上成形方法的前两种工艺是目前实际生产中已经成熟的工艺，而后两种工艺尚不成熟。

（四）半固态成形的特点

1、由于SSM本身具有均匀的细晶粒组织及特殊的流变特性，在压力下成形使工件具有很高的综合力学性能；成形温度比全液态成形温度低，减少液态成形缺陷，提高铸件质量，拓宽压铸合金的种类至高熔点合金；

2、能够减轻成形件的质量，实现金属制品的近净成形； SSM成形件表面平整光滑；内部组织致密、晶粒细小、力学性能高；凝固收缩小， 因而铸件尺寸精度高；SSM成形件尺寸与成品零件几乎相同，极大地减少了机械加工量， 可以做到少或无切削加工。

3、SSM充型平稳、无湍流和喷溅、温度低而且释放了部分结晶潜热，因而减轻了对成形装置尤其是模具的热冲击，使其寿命大幅度提高；同时，SSM凝固时间缩短，从而有 益于提高生产率。

4、用常规液态成形方法不可能制造的合金，例如某些金属基复合材料的制备。因此，半固态金属成形技术以其诸多的优越性而被视为划时代的金属加工新工艺。

5、不直接处理液态金属，便于实现自动化，改善了劳动条件；与固态金属模锻相比，SSM的流动应力显著降低，因而SSM模锻成形速度更高， 而且可以成形十分复杂的零件。

（五）半固态金属制备方法

制备方法：熔体搅拌法、应变诱发熔化激活法、热处理法、粉末冶金法等。其中熔体搅拌法是应用最普遍的方法。熔体搅拌法根据搅拌原理的不同可分成如下两种：

1．机械搅拌法

机械搅拌法设备技术比较成熟，易于实现，搅拌状态和强弱易控制，剪切效率高；但对搅拌器材料的强度、可加工性及化学稳定性要求很高。在半固态成形的早期研究中多采用机械搅拌法。

2．电磁搅拌法

在旋转磁场的作用下，使熔融金属液在容器内作涡流运动。电磁搅拌法的突出优点是不用搅拌器，对合金液成分影响小，搅拌强度易于控制，尤其适合于高熔点金属的半固态制备。

（六）SSM的工业应用与开发前景

半固态成形：半固态成形（SSF）的铝和镁合金件已经大量地用于汽车工业的特殊零件上。生产的汽车零件主要有：汽车轮毂、主制动缸体、反锁制动阀、盘式制动钳、动力换向壳体、离合器总泵体、发动机活塞、液压管接头、空压机本体、空压机盖等。

半固态加工技术除上述直接成形外，还有望于提纯金属(使3SM的液固两相分离)、 制造金属板带等。尤其是用半固态加工技术制造金属基复合材料愈来愈受到人们的重视。随着不断研究开发，半固态加工技术必将超出今天工业应用的范围。 SSM适用于有液固共存区的合金体系。研究和生产证明，适用于半固态加工的金属 有：镁合金、铝合金、锌合金、镍合金、铜合金以及钢铁合金等，其中铝镁合金已用于工业生 产。

半固态加工技术有可能使黑色金属实现压铸，很多国家正致力于这方面的研究。

四、 近终形状铸造技术

近终形状铸造（Near Net Shape Casting）：技术主要包括薄板坯连铸（厚度40~100mm）、带钢连铸（厚度小于40mm）以及喷雾沉积等技术。其中喷雾沉积技术为金属成形工艺开发了一条特殊的工艺路线，适用于复杂钢种的凝固成形。其工艺原理如图所示。图 喷雾沉积工作原理

液态金属的喷射流股从安装在中间包底部的耐火材料喷嘴喷出，金属被强劲的气体流股雾化，形成高速运动的液滴。在雾化液滴与基体接触前，其温度介于固-液相温度之间。随后液滴冲击在基体上，完全冷却和凝固，形成致密的产品。根据基体的几何形状和运动方式，可以生产小型材、圆盘、管子和复合材料等。

当喷雾锥的方向沿平滑的循环钢带移动时，便可得到扁平状的产品。多层材料可由几个

雾化装置连续喷雾成形。空心的产品也可采用类似的方法制成，将液态金属直接喷雾到旋转的基体上，可制成管坯、圆坯和管子。以上讨论的各种方式均可在喷雾射流中加入非金属颗粒，制成颗粒固化材料。该工艺是可代替带钢连铸或粉末冶金的一种生产工艺。

五、计算机数值模拟技术

用计算机数值模拟技术模拟铸件凝固过程，可以模拟计算包括冒口在内的三维铸件的温度场分布，即将铸件首先剖分成六面体的网格，每一个网格单元有一初始温度。然后计算其在实际生产条件下，在各种铸型中的传热情况。算出各个时刻每个单元的温度值、分析铸件薄壁处、棱角边缘处的凝固时间，厚壁处、铸件芯部和冒口处的凝固时间，看看冒口是否能很好补缩铸件，铸件最后凝固处是否在冒口处可预测铸件在凝固过程中是否出现缩孔、缩松缺陷，这种模拟计算可以概括为电脑试浇。由于工艺设计的不同，如砂型种类（硅砂、铬铁矿砂、锆砂），冒口大小和位置，初始浇注温度，冷铁多少、大小的不同，其电脑试浇的结果也不同，反复试浇（即反复模拟计算），总可以找到一种科学、合理的工艺，即通过电脑模拟计算优化了的工艺，进而组织生产，就可以得到优质铸件，这就是当今所说的“铸造工艺CAD技术”。由于电脑试浇并非真正的人力、物力投入进行热生产试验，只要有一台计算机，在一定的程序软件下进行模拟计算就行，因而可以大量节省生产试验成本，而且可以进行工艺优化，因而其经济效益十分显著。

第二节 精确高效金属塑性成形工艺

金属塑性成形是指金属在外力的作用下产生塑性变形，成为具有所要求形状、尺寸和性能的制品的加工方法。由于是利用金属的塑性在压力下的成形，所又称为金属塑性加工或金属压力加工。

常见的金属塑性成形方法有轧制、挤压、拉拔、锻造、冲压等。这些塑性成形方法都是利用金属的塑性而进行成形加工的，属于传统的金属塑性成形方法。

随着宇航、汽车等工业的不断发展，对其制品在质量、效率、节能降耗等方面的要求越来越高。因此，出现了精密锻造、精密冲载、超塑性和等温成形工艺、辊锻和楔横轧技术，粉末成形工艺等。

塑性成形新工艺的特点：

• 1）尽量使成形件的形状接近零件的形状，以便达到少、无切屑加工的目的，同时得

到合理

• 分布的纤维组织，提高零件的力学性能。

• 2）具有更高的生产率。

• 3）减小了变形力，可以在较小的压力设备上制造出大型零件。

• 4）广泛采用电加热和少氧化、无氧化加热，提高零件表面质量，改善劳动条件。 一、精密模锻

在精度高、刚性好的锻压设备上使用精密模具制造无切削余量或少切削余量锻件的工艺技术精密锻压与普通模锻相比，锻件的模锻斜度小(0～3°)、表面光洁、凹凸圆角半径小、主要尺寸容差小。

（一）锻造发展简史

人类在新石器时代末期已开始以锤击天然红铜来制造装饰品和小用品。中国约在公元前2000多年已应用冷锻工艺制造工具，如甘肃武威皇娘娘台齐家文化遗址出土的红铜器物就有明显的锤击痕迹。

商代中期用陨铁制造武器，采用了加热锻造工艺。春秋后期出现了块炼熟铁，经过反复加热锻造以挤出氧化物夹杂并成形。

14世纪以后出现了畜力和水力落锤锻造。1842年，英国的J.内史密斯制成第一台蒸汽锤，使锻造进入应用动力的时代。以后陆续出现锻造水压机、电机驱动的夹板锤、空气锻锤

和机械压力机，

到19世纪末已形成近代锻压机械的基本门类。夹板锤最早应用于美国内战(1861～1865)期间，用以模锻武器的零件，随后在欧洲出现了蒸汽模锻锤，模锻工艺逐渐推广。

20世纪初期，随着汽车开始大量生产，热模锻迅速发展，成为锻造的主要工艺。 20世纪中期，热模锻压力机、平锻机和无砧锻锤逐渐取代了普通锻锤，提高了生产率，减小了振动和噪声。

随着锻坯少无氧化加热技术、高精度和高寿命模具、热挤压、成形轧制等新锻造工艺和锻造操作机、机械手以及自动锻造生产线的发展，锻造生产的效率和经济效果不断提高。 二）精密模锻过程及工艺特点

精密热模锻生产通常要经过下料、加热、制坯、预锻、终锻、切边、校正或精整等多道工序。由于锻件形状尺寸和精度要求不同，有些工步可以省去，确定工步的一般原则和普通热模锻生产线相似；工艺流程设计对于正确选择和利用设备、保证产品精度和质量、提高生产效率、降低生产线投资和日常生产成本、节能节材、改善生产环境和劳动条件。

如精密模锻伞齿轮，下料—感应加热（850℃）—锻造—硬化处理—精整。其齿形部分可直接锻出而不必再经过切削加工。精密模锻件尺寸精度可达IT12~IT15，表面粗糙度为Ra3.2~1.6μm。精密模锻通常用于难切削加工或费时的零件，以及对使用性能有较高要求零件。

精密模锻工艺特点：

• 1）精确计算原始坯料的尺寸，严格按坯料质量下料。

• 2）精细清理坯料表面，除净坯料表面的氧化皮、脱碳层及其它缺陷等。

• 3）采用无氧化或少氧化加热方法，尽量减少坯料表面形成的氧化皮。

• 4）精锻模膛的精度必须很高，一般要比锻件的精度高两级。精密锻模一定有导柱、

导套结构，以保证合模准确。为排除模膛中的气体，减小金属流动阻力，使金属更好地充满模膛，在凹模上应开有排气小孔。

• 5）模锻时要很好地进行润滑和冷却锻模。

• 6）精密模锻一般都在刚度大、精度高的曲柄压力机、摩擦压力机或高速锤上进行。

（三）精密模锻技术发展应用展望

1、精密模锻对设备的要求

精密模锻要求与之匹配的锻造设备应具有较好的刚性，精密的导向机构，良好的可靠性、稳定性，多缸的动作能力，生产工序的自动监控和检测功能等等。

2、多学科渗透的精密锻造技术

精锻是精密成形的重要分支，精锻品的获得已不单是锻造技艺的推陈出新；新材料、传感技术、信息技术、自动控制技术、液压技术、表面技术与锻造原理的融合，使得精锻技术日新月异。

3、航天用轻合金的成形技术

航天、航空零件多由钛、镁、铝等台金材料构成，这些材质的强度高，抗变形能力强，因此多采用热模锻工艺与机加工的方法获得 由于在成形过程中必须重点考虑材料的相变关系，成形设计难度较大，它反应了一个国家基础工业的科研水平。以往的锻造业很少包容航天、航空领域，这方面越来越多的科研成果一旦服务于民用的需求，将极大地丰富基础工业的应用领域。

4、精密锻造市场展望

精密锻造的主要市场是“汽车”工业，日本、德国每辆车的精密冷锻件已达40多千克，而国内每辆车的精密锻件只有20多千克。根据我国汽车工业“十五规划，预测2005年汽车需求量为290～320万辆，如果每辆车的冷锻件能达到发达国家的水平，则将有6万吨的冷

锻件需求，以平均单件0.5kg计算，至少有12亿件的冷精锻件的市场份额，市场需求量很大。摩托车目前近1000万辆的市场，其中相关精密锻件的需求也十分可观。

日本学者估算2010年前全球的电动汽车产量将达到1500万辆，相关的精密锻件将有一个庞大的市场 中国已成为各种家电、电器产品的第一大制造国，因此涉及到的有色金属精锻件制品、塑料制品种类繁多；加之汽车轻量化的迫切要求，将进一步扩大非黑色金属精密锻件的市场份额。 二、精密冲裁

冲裁是利用模具使板料产生相互分离的冲压工序。根据冲裁件加工质量及加工原理的不同，冲裁又可划分为普通冲裁和精密冲裁。精密冲裁简称精密冲压，在一定条件下可以取代切削加工，具有优质、高效低耗、面广的优点，适合组织自动化生产。精冲件的尺寸公差等级可达IT7~IT8级，剪切面粗糙度可达Ra2.4~0.4μm,相当于磨削。

（一）发展概况

精冲技术起源于1914年，历经了秘密期、普及期和发展期。20世纪70年代末80年代初，精冲技术伴随着汽车工业得以快速发展，并在机械工业、电子工业、汽车工业和军事工业得到广泛的应用。现今，精冲件的品种、尺寸形状、材料厚度和力学性能等都有了很大的提高。为适应市场需求，生产的均衡性、质量可靠性和加工经济性更加突出。

迄今，全世界大约有45个国家采用精冲技术，生产的精冲零件约10000种，精冲机拥有量约3000～4000台。 （二）实现精冲裁的技术要点：

1、冲裁前，冲模的“V”形压边圈先压住坯料防止剪切区以外的材料在剪切过程中随凸模流动；

2、压边圈和顶件板的夹持作用使坯料在冲裁过程中始终保持和冲裁方向垂直而不翘起，在结合凸模与凹模的小间隙，构成了使坯料获得塑性剪切的条件；

3、在“V”形环压边力、冲裁力和顶件反力的作用下，坯料的变形区处在三向应力状态，提高了材料的塑性，避免了在冲裁结束前制件和板材的分离；

4、冲裁前板料经软化处理以提高材料的塑性。精密冲裁件的质量与模具结构、模具精度、凸凹模的状况、材料状态、料厚、润滑条件、设备精度、冲裁速度、压力和顶件反力等因素有关。 （三）未来几年精冲技术展望

1.精冲件的尺寸范围继续扩大

从初期的仪器仪表、中期的电器开关到近期的用于重型机械的大型精冲件，轮廓尺寸不断增大，向大厚度发展，最厚的精冲件达25mm。

2. 高强度、高精度精冲件所占比重不断增加

通常均采用塑性好精冲性能好的材料先精冲强化，近几年采用了先强化后精冲的工艺路线，对于强度700MPa以上的贝氏体钢或球化调质钢，精冲后不再进行强化处理，避免了后续处理对工件质量的损害。

另外，为了上述同样的目的，开发了若干适于精冲的高强度微量合金粒钢，强度在650～850MPa之间，这些材料具有优良的精冲性能，精冲8mm的厚度仍可获得光滑无撕裂的剪切面，加工硬化效应使冲切表层硬度达40HRC，可以免除后续的淬火工序、新材料的出现突破了通常情况下材料强度超过650MPa以后难以精冲的界限，使高强度厚板零件实现精冲成为可能，从而扩大了精冲的使用范围。

3. 精冲复合工艺迅速发展

所谓精冲复合工艺是指精冲和其他冲压工艺的复合，如精冲压印；精冲弯曲、精冲挤压； 精冲浅拉深；精冲压沉孔；精冲翻边；精冲半冲孔；精冲压筋以及压扁不等厚精冲等工艺。

目前采用精冲复合工艺生产的零件占全部精冲的20%以上。

4.出现了三维精冲件

一般精冲零件的尺寸要求基本上都在平面以内，精冲同时和多种工艺复合生产的零件、尺寸要求往往超出平面而是空间关系，这类零件称为三维精冲件，是轿车变速箱拨叉典型零件，其技术要求是：

• 材料强度：ζb 640～880MPa

剪切面粗糙度：Ra0.4～0.8μm

尺寸公差：IT7～IT8级

两孔同轴度：0.05mm

弯曲角角度偏差：±10′

三维精冲件生产技术难度大，它代表当代精冲技术的最高水平。

三、超塑性成形

塑性是金属的本质，一般金属均不超过百分之几十，如黑色金属不大于40%，有色金属不超过60%，塑性最好的有色金属如金和银，其伸长率一般也只有80%，即便在高温下，也难达到100%。

所谓超塑性，一般是指材料在低载荷的作用下，其拉伸变形的伸长率超过100%的现象。凡具有能超过100%伸长率的材料，称之为超塑性材料。超塑性变形是指金属或合金在低的变形速率（ε=10-2~10-4/s）、一定的变形温度（约为熔点绝对温度的一半）和均匀的细晶粒度（晶粒平均直径为０.2~5μm）条件下，其相对伸长率δ超过100%以上的变形。例如钢可超过500%、纯钛可超过300%、锌铝合金可超过1000%。

超塑性状态下的金属在拉伸变形过程中不产生缩颈现象，变形应力可比常态下金属的变形应力降低几倍至几十倍，因此极易变形，可采用多种工艺方法制出复杂零件。

常用的超塑性成形材料：主要是锌铝合金、铝基合金、钛合金及高温合金。

（一）发展概况

超塑性现象早在20世纪20~30年已被发现，但大量系统深入的研究工作则是在60年代之后，70年代超塑性应用技术开始进入工业应用，至今超塑性及其应用技术已经成为材料学科一个重要的研究领域。金属的超塑性成形在锻造、挤压、拉深、轧制等塑性加工方面应用越来越广泛。

（二）超塑性成形的特点

• 1、形状复杂的零件可以一次成形。

• 2、制件组织细小、均匀，且性能好、稳定。

• 3、变形抗力小。超塑性成形进入稳定阶段后，几乎不发生加工硬化，所以材料的流

动应力非常小。

• 4、流动应力对应变速率的变化非常敏感。

• 5、制件的精度高。

（三）超塑性分类

1、微晶组织超塑性。一般所指超塑性多属这类，它是目前国内外研究得最多的一种。材料超塑性产生的条件：1）材料具有均匀的、稳定的微细等轴晶体，晶粒尺寸通常小于10μm；2）变形温度T>0.5Tm（Tm为材料的熔点温度，以绝对温度表示），并保持变形温度恒定；3）应变速率比较低，一般变速率在10-4~10-1min-1,要比普通金属拉伸实验时应变速率至少低一个数量级。

2、相变超塑性。这类超塑性不要求材料有超细晶粒组织，而是在一定温度和负荷条件下，经过反复的循环相变或同素异形转变而获得很大的伸长率。普通碳钢在160次循环后，其伸长率可达500%以上。

3、其它超塑性。近年来发现普通非超塑性材料在一定条件下快速变形时，也能显示出超塑性。如标距为25mm的热轧低碳钢棒快速加热到α+γ两相区，保温5~10秒，快速拉伸，其伸长率可达100%~300%。这种短时间内的超塑性，称为短暂超塑性。有些材料在去应力退火过程中，在应力作用下也可以得到超塑性。此外，国外正在研究的还有升温超塑性。

（四）超塑性成形工艺的主要应用：

金属材料的微晶超塑性加工前，要进行预处理，常用的方法有：冶金学法。添加细化晶粒原素，快速凝固等；变形热处理方法。例如，高、中温联合轧制（或锻造）等；热处理法。如球化退火等。

1）板料超塑性冲压成形 采用锌铝合金等超塑性材料，可以一次拉深较大变形量的杯形件，而且质量很好，无制耳产生。

2）板料超塑性气压成形 将具有超塑性性能的金属板料放于模具之中，把板料与模具一起加热到规定温度，向模具内吹入压缩空气或抽出模具内空气形成负压，使板料沿凸模或凹模变形，从而获得所需形状，如图2-78所示。

3）超塑性模锻或挤压 高温合金及钛合金在常态下塑性很差，变形抗力大，不均匀变形引起各向异性的敏感性强，常规方法难于成形，材料损耗大。如采用普通热模锻毛坯，再进行机械加工，金属消耗达80%左右，导致产品成本升高。在超塑性状态下进行模锻或挤压，就可克服上述缺点，节约材料，降低成本。 超塑性模锻利用金属及合金的超塑性，扩大了可锻金属材料的类型。如过去只能采用铸造成形的镍基合金，也可以进行超塑性模锻成形。超塑性模锻时，金属填充模膛的性能好，可锻出尺寸精度高、机械加工余量很小、甚至不用加工的零件，并且金属的变形抗力小，可充分发挥中、小设备的作用。锻后可获得均匀、细小的晶粒组织，零件力学性能均匀一致。

4)板料的真空成形和吹塑成形 将超塑性板料放在模具中，并与模具一起加热到超塑性温度后，将模具内的空气抽出（真空成形）或向模具内吹入压缩空气（吹塑成形），利用气压差使板坯紧贴在模具上，从而获得所需形状的工件。这种方法主要适合于成形钛合金、铝合金、锌合金等形状复杂的壳体零件。

通常零件厚度在0.4～4mm之间的薄板用真空成形法，而厚度较大、强度较高的板料用吹塑法。

四、高能率成形

高能率成形是一种在极短时间内释放高能量而使金属变形的成形方法。

高能率成形包括：

1．爆炸成形加工

金属板材被置于凹模上，在板料上布放炸药，利用炸药在爆炸时释放出的瞬间巨大能量使板料快速成形。爆炸成形加工用于小批量或单件的大型工件生产，也可用于多层

2．电磁冲压成形

金属毛坯被置于凹模和电磁线圈之间，借瞬间产生的电磁冲击力使坯料靠向凹模而成形，也可用于管材扩口成形。

五、计算机在塑性成形加工中的应用

计算机技术的应用：

制订金属塑性成形生产工艺和工艺制度（CAPP）。CAPP可以根据给定条件，通过引入优化技术制订出最优化工艺和工艺制度。

这对塑性成形加工生产特别重要，因为塑性成形生产往往是多阶段、多工序和多因素交互影响的过程，通过手工优化设计计算无法完成。帮助设计人员进行金属塑性成形产品、工具、机器、车间或企业等的设计工作（CAD）。在塑性成形中，工具设计的CAD系统已广泛应用，例如轧辊孔型的CAD系统，冷弯型钢生产的辊型设计CAD系统，冲压、挤压和

拉拔等模具设计CAD系统，以及塑性成形生产车间或工厂设计的CAD系统等。

可以由计算机辅助完成金属塑性成形生产中从产品设计、工艺计划制定，到工艺过程的控制和产品检验，以及生产的计划管理的过程。这种综合系统称为计算机集成制造系统（CIMS），构成了整个生产系统的计算机化。借助于数值计算方法，可进行塑性成形加工过程的计算机数值模拟，以替代真实的塑性成形过程或其中的物理现象，这样可节省经费和消耗，灵活控制和调节影响因素及其变化，准确测量实验数据。

第三节 粉末成形工艺 粉末冶金是一种特殊的固态成形工艺。它是以金属粉末作为材料，经压制和烧结制造成各种制品的加工方法。

一、发展概况

粉末冶金方法起源于公元前三千多年。埃及人制造铁粉的第一个方法实质上采用的就是粉末冶金方法。 公元300年,印度的铁匠用此法制造了“德里柱”，重达65Kg。19世纪初，在俄罗斯和英国，将铂粉经冷压、烧结，再进行热锻致密铂，并制成铂制品。1850年出现了铂的熔炼法后才停止了粉末冶金法制作铂制品，1909年粉末冶金法制造电灯钨丝，现代粉末成形工艺得到了很大的发展。

现代粉末冶金技术发展的三个重要标志

1）克服了难熔金属熔铸过程中产生的困难。1909年制造电灯钨丝，推动了粉末冶金的发展；1923年粉末冶金硬质合金的出现被誉为机械加工中的革命。

2）三十年代成功制取多孔含油轴承；继而粉末冶金铁基机械零件的发展，充分发挥了粉末冶金少切削甚至无切削的优点。

3）向更高级的新材料、新工艺发展。四十年代，出现金属陶瓷、弥散强化等材料，六十年代末至七十年代初，粉末高速钢、粉末高温合金相继出现；利用粉末冶金锻造及热静压等已能制造高强度的零件。

二、粉末冶金制品类别

1）机械零件

结构零件、滑动轴承、摩擦件、过滤及多孔件等。

三、粉末冶金的特点

1、绝大多数难熔金属及其化合物、假合金、多孔材料只能用粉末冶金方法来制造。

2、由于粉末冶金工艺在材料生产过程中并不熔化材料，也就不怕混入由坩埚和脱氧剂等带来的杂质，而烧结一般在真空和还原气氛中进行，不怕氧化，也不会给材料任何污染，故有可能制取高纯度的材料。

3、粉末冶金法能保证材料成分配比的正确性和均匀性。

4、节约材料铸造、压力加工、切削加工等加工方制造的产品，材料的利用率约为40%~80%，甚至更低。粉末冶金法材料的利用率可高达95%。例如在许多情况下，用铁基粉末加工的轴套可以代替铸造、切削加工的铜合金轴套，从而节约了大量的有色金属，并提高了材料的利用率。用粉末冶金方法制造产品时，金属的损耗只有1-5%，而用一般熔铸方法生产时，金属的损耗可能会达到80%。

5、 生产成本降低粉末冶金适宜于生产同一形状而数量多的产品，特别是齿轮等加工费

用高的产品，用粉末冶金法制造能大大降低生产成本。 不足之处是，零件的大小和形状受到限制，粉末原料的价格较高，零件的塑性、韧性较差等。

四、粉末冶金工艺的基本工序

1、原料粉末的制取和准备

粉末可以是纯金属或它的合金、非金属、金属与非金属的化合物以及其它化合物，采用还原法、雾化法、电解沉积法和机械粉碎法等各种不同的方法制取金属粉末，然后再进行多

种粉末组份的合批或混合。粉末的混合一般在空气中进行，为防止氧化，有的粉末需要在真空或液体中混合。混合好的粉末经过筛分，去除较大的夹杂和润滑剂的块状凝聚物，以便及时使用。

2、压制成形

把混合好的粉末装在模具型腔中，在一定的压力作用下使之成为压坯的过程。常用的压制方法有：封闭钢模冷压法、液体静压法、热压法以及锻造法。压坯具有所需零件的形状与密度，并具有进一步转运和加工所需的强度。

3、烧结

预制好的压坯在低于基体组分熔点下进行加热，使粉末颗粒之间产生原子扩散、固溶、化合和熔接、致使压坯收缩并强化的过程。根据粉末组份及需要得到不同强度和密度的烧结体，烧结分为固相烧结和液相烧结。烧结是粉末冶金工艺中的关键工序。

4、精整

为了进一步改善烧结体的性能和尺寸精度，通常还需要进行烧结后的处理，如校形、精压、浸渍、热处理等。

五、粉末冶金新工艺

超微粉或纳米粉制备、快速冷凝技术、机械合金化、热等静压烧结、粉末注射成形、涂层技术、电火花烧结、激光烧结、微波烧结等。

现代粉末冶金不仅是一种材料制造技术，而且其本身包含着材料的加工和处理，并逐渐形成了自身的材料制备工艺理论和材料性能理论。粉末冶金新技术、新工艺的应用不但使传统的粉末冶金材料性能得到根本的改善，而且使得一批高性能和具有特殊性能的新一代材料相继产生。

例如粉末高温合金、高性能难熔金属及合金、超硬材料、粉末微晶材料和纳米材料、快速冷凝非晶及准晶材料、高性能永磁材料、高性能摩擦材料、固体自润滑材料等。这些新材料都需要以粉末冶金工艺作为其主要的或唯一的制造手段。

现代粉末冶金技术已发展成为制取各种高性能结构材料、特种功能材料的有效途径。

（一）粉末注射成形工艺

粉末注射成形工艺是一种将粉末冶金工艺与注射成形工艺相结合的新型制造工艺。简单地说，就是采用塑料注射成形工艺，制造粉末冶金零件。该工艺适合大批量生产小型、精密、复杂以及具有特殊性能要求的零件。该工艺的基本过程是：

陶瓷粉末，与有机粘结剂均匀混合，形成具有流变性的物质，然后采用先进的注射机将其注入具有零件形状的模腔，形成坯件，再脱除粘结剂并经烧结，使其高度致密化成为制品。粉末注射成形技术是近年来世界粉末冶金领域发展最快的高新技术。

1．粉末注射成形的工艺特点

• 1）零部件几何形状的自由度高、制件各部分密度均匀、尺寸精度高，适用于制造几

何

• 形状复杂、精密及具有特殊要求的小型零件（0.2～200ｇ）；

• 2）对于过硬、过脆、难以切削的材料，或原料液态成形时有偏析或污染的零件，可

降低制造成本；

• 3）产品质量稳定、性能可靠，制件的相对密度可达95%~98％，制件强度比传统的

压制成形粉末冶金产品高15％左右，可进行渗碳、淬火、回火等后处理；

• 4）加工零件的典型公差为±0.004mm／mm，二次加工可达0.002mm／mm； • 5）制造工艺简单、生产效率高，易于实现大批量生产。

2．粉末注射成形适用的材料

• 粉末注射成形适用的材料主要有：Fe合金、Fe-Ni合金、不锈钢、W合金、Ti合金、

Si-Fe合金、硬质合金、永磁合金等。

3．粉末注射成形技术的应用领域

粉末注射成形技术的应用：①计算机及其辅助设施，如打印机零件、磁头、磁芯；②工具，如钻头、刀头、螺旋铣刀、电工工具、手工工具等；③家用器具，如表壳、表链、照相机用零件等；④医疗机械零件，如牙矫形架、剪刀、镊子等；⑤军用零件，如导弹尾翼、枪支零件、弹头等；⑥电气零件，如微型马达、电子零件、传感器件等；⑦机械零件，如纺织机零件等；⑧汽车船舶用零件，如离合器内环、汽门导管等。

（二）纳米金属粉末材料

纳米粉末一般指颗粒尺寸在0.1μｍ以下的粉末。按颗粒尺寸的大小，它又分为３个等级，粒径处于10~100ｎｍ范围的称大纳米粉末，处于2~10ｎｍ范围的称中纳米粉末，小于２ｎｍ的称小纳米粉末。

小纳米粉末也称为原子簇，极难制备和捕集，目前仅供物性研究之用，所以，所谓的纳米材料一般是指大、中纳米粉末材料。纳米粉末的一个显著特点是比表面积很大，这就使粉末的性质不同于一般固体，表现出明显的表面效应。

1．纳米金属粉末的特性

• １）外观呈黑色，可完全吸收电磁波，是物理学上的理想黑体；

• ２）在极低温度下几乎无热阻，是极好的导热体；

• ３）熔点显著低于块状材料，烧结温度可大为降低；

• ４）表面活性很强，容易进行各种活化反应；

• ５）导电性能好，超导转变温度较高；

• ６）铁磁性金属的纳米粉末具有很强的磁性，其矫顽力很高。

2．纳米金属粉末材料的应用举例

由于纳米金属粉末材料具有独特的物理性质和力学性质，可以预料其在现代技术中的应用会越来越广泛。

• 1）电磁波吸收材料

纳米羰基铁粉、镍粉和铁氧体粉末具有优良的电磁波吸收性能。用以配制吸波涂料和结构吸波材料可以显著改善舰船、飞机、导弹等武器装备的隐身性能。纳米粉末不仅能吸收雷达波，而且能很好地吸收可见光和红外线，配制成隐身材料不但能在很宽的频带范围内逃避雷达的侦察，而且能起到红外隐身的作用。

• 2） 高性能磁性材料

以纳米磁性材料粉末作为磁记录材料的优点是记录密度和矫顽力高，可以达到很高的信噪比和稳定性。用以制造视频磁带、计算机磁带和磁盘，其性能和工作寿命远高于现用的γ-Fe2O3产品。用纳米粉末制造的永磁材料可以达到很高的矫顽力、最大磁能积和剩磁比。这为永磁电机的开发提供了很好的材料基础。

• 3） 新型复合材料

把纳米陶瓷粉末引入金属基体，例如向Al合金中引入SiC、Si3N4等，可以制造出重量轻、强度高、耐热性好的新型复合材料。

六、粉末锻造

粉末锻造是将粉末冶金和精密模锻结合在一起的成形工艺。工艺流程如图所示。将各种金属粉末（如钢粉）按一定比例配出所需要的化学成分，在模具中冷压（或热等静压）出近似零件形状的坯料并放在加热炉内加热到使粉末黏结，冷却到一定温度后，进行闭式模锻，得到紧密的内部组织（相对密度在粉末锻造的工艺流程为：

制粉 混粉 冷压制坯 烧结加热

模锻 热处理 成品。98%以上）、尺寸精度较高的锻件。粉末锻造工艺通常分为粉

末热锻、粉末冷锻、粉末等温与超塑性锻造、粉末热等静压、粉末准等静压、粉末喷射锻造等。

1、粉末热锻

粉末热锻采用预合金粉、预成形坯成形后直接加热锻造成形。由于直接法比烧结锻造方法减少了二次加热，可节省能源15%左右。

因此，烧结锻造向着粉末热锻的方向发展。

2、粉末冷锻

粉末冷锻是粉末预成形坯烧结后冷锻。粉末冷锻比粉末热锻有许多优点，制品表面光结，容易控制制品重量和尺寸精度，不需要保护气氛加热，节约能源。但粉末冷锻要求烧结后预成形坯必须具有足够的塑性，这样对粉末原材料提出了更高的要求。

3、粉末高温合金的等温与超塑性锻造

粉末高温合金是制造飞机发动机涡轮盘、叶片的理想材料，粉末高温合金晶粒细小，很容易实现超塑性。高温合金粉末致密化成形工艺，可采用热等静压、热挤压、热等静压+锻造三种方法，其中热挤压方法最好。经致密化处理后，制成预成形坯，然后采用等温或超塑性锻造方法生产锻件。 没有宏观塑性流动，只有微观粉末的塑性变形填充孔隙，而体积变化，属压实致密的成形方法。

粉末热等静压主要用于生产高速钢、高温耐热合金、钛合金、不锈钢、硬质合金、磁性材料、结构陶瓷及其重要结构件。

5、粉末喷射锻造

粉末喷射（喷雾）锻造是采用高速氦气喷射金属液流，雾化的粉末落下，沉积到预成形的模具中。沉积的预成形坯的密度很高，相对密度可达99%，将预成形坯从雾化室中取出，放在保温加热炉中，当预成形坯加热到锻造温度后，立即进行锻造，得到近乎完全致密的锻件。然后送切边压力机切边，获得成品锻件。喷射成形和塑性加工方法相结合，把雾化方法生产金属粉末与铸压成形有机结合，从熔融金属到锻件，材料利用率达90%以上，该方法比较适合大型锻件的成形。根据这种方法现在发展起了喷射轧制、喷射挤压、以及采用离心喷射沉积方法制造板材、型材和大型薄壁筒形件等先进方法。

七、高级粉末冶金材料与工艺发展

作为快速制造工艺的典型，近年来发展了用激光烧结粉末金属和合金的方法，直接制取接近成品形状零件的成形新工艺。正在研究的成形材料包括铝合金、钛合金、不锈钢、工具钢、铁镍合金、钨合金、NiAl、MoSi2、MMC等。

作为粉末冶金和材料科学发展的前沿，金属基复合材料（MMC）、金属间化合物高温材料、粉末高温合金、粉末高速钢（HSS）、硬质材料、金属纤维、功能梯度材料（FGM）、喷射成形、热等静压（HIP）等，都是该领域的组成部分，为航空航天、电子、汽车、国防、燃气轮机、金属加工等提供了大量的新材料和新手段。

第四节 焊接新工艺、新技术

金属焊接是指利用加热或加压手段，借助于金属原子间的结合与扩散作用，使被焊接金属材料牢固的连接起来的一种加工工艺。 焊接是现代工业中不可缺少的一种工艺方法，它不仅在机械制造中得到广泛应用，而且在电器、仪表、建筑、航空、航天等领域也起着重要的作用。

一、发展概况

19世纪80年代，焊接只用于铁匠锻造上。工业化的发展和两次世界大战的爆发对现代焊接的快速发展产生了影响。基本焊接方法—电阻焊、气焊和电弧焊都是在一战前发明的。但20世纪早期，气体焊接切割在制造和修理工作中占主导地位。过些年后，电焊得到了同样的认可。

1909年出现时，实验证明它是更集中、更炙热的能源，利用它可以提高焊接速度，减少线能量。20世纪60年代出现的激光电子束焊接也与之有相似的好处。质量提高，容差减小，超过了以前可能达到的标准。对新材料和不同金属组合都能进行焊接。电子束狭窄，要求必需使用机械化设备。 从1964年起，机器人就已经用于电阻焊。大约10年后出现电弧焊机器人。

电动机器人可以设计得非常精确，达到熔化极惰性气体保护电弧焊焊接的要求。最初，机器人内输入的焊接数据和手工焊使用的焊接数据是相同的。

人们进行了许多尝试来提高熔化极惰性气体保护电弧焊工艺的生产力。加拿大人John Church使用了快速送丝速度和由4种成分组成的保护气体来做此尝试。工艺相似，仍然使用同样的焊接设备，但却有可能让焊接速度提高一倍。

在同一熔池内使用两根焊丝的焊接法—双丝焊或双芯焊，实验证明更富有成效。最新高效焊接法是混合焊—这种方法结合了两种不同的工艺。激光熔化极惰性气体保护电弧焊混合焊是最有发展前景的。这种焊接速度极快，熔深大。

机械化焊接打开了投入到新应用中去的大门。窄间隙焊既节省时间，又节省耗材，减少了热影响区焊接的变形。起初使用的是熔化极惰性气体保护电弧焊工艺，后来也使用埋弧焊和钨极惰性气体保护电弧焊。1980年前后，伊萨把重型埋弧焊、窄间隙焊设备运往了前苏联Volgadonsk。

1992年，TWI获得搅拌摩擦焊专利权。这种焊接法对铝很适用。铝不用熔化就能接合并形成高质量接合点。该工艺不使用耗材，能源消耗少，它的另一个好处就是对环境影响小。此工艺非常简单有效，是20世纪最重要的焊接创新之一。

二、先进焊接方法

（一）搅拌摩擦焊

搅拌摩擦焊（FSW）是使用带有特殊形状的搅拌针的搅拌头在一定的旋转压力下进行的固相焊接方法。焊接时，搅拌针在高速旋转中被压入待焊件的接缝处，同时，沿着待焊接方向前移，旋转搅拌头的轴肩向待焊件表面施加压力，在搅拌针、轴肩与材料间的摩擦力作用下，使待焊材料加热至热塑性状态，同时亦将待焊面的材料搅拌焊接在一起而形成焊缝。FSW焊的焊接接头由熔核、热机械影响区（TMAZ）、HAZ和母材组成。

搅拌摩擦焊的主要特点：

• 1）可焊接不同类型的材料，可焊接的材料范围大，包括先前不可焊或焊接性能不好

的金属和复合材料；

• 2）接头的抗疲劳强度高，可比熔化焊高一倍；

• 3）可在全位置上进行焊接并形成直缝或复杂形状的焊缝；

• 4）保留材料的特性，使材料的焊接变形减到最小；

• 5）操作安全，对环境和人身不造成危害，如焊接烟尘、辐射、高电压、液体金属或

弧光；

• 6）可焊接渐变厚度的接头，可伸缩的搅拌针能维持全过程的熔透（焊透）；

• 7）节能，如焊接铝合金，可比其它焊接方法节约100%~300%的能量。

（二）A-TIG焊（钨极惰性气体保护焊）

活性化焊剂TIG焊，又称助焊剂TIG焊。其实质是在被焊工件表面涂上一层很薄的活性化焊剂，这种活性化焊剂在焊接时能引起电弧的收缩或使熔池的流动模式发生变化，从而大幅度地增加熔池的深度。一般地说A-TIG焊比常规的TIG焊缝增加1~3倍。对不锈钢来说板厚12mm以内不需要开坡口，可一次完成单面焊双面成形，焊缝外观良好，焊后仅需将表面的熔渣刷洗干净。不会对焊缝造成污染。

（三）双丝熔化极气体保护焊（双丝MAG焊）

双丝焊是近年来发展起来的一种高速高效焊接方法，焊接薄板时可以显著提高焊接速度（达到3~6m/min），焊接厚板时可以提高熔敷效率。除了高速高效外，双丝焊接还有其它特点：在熔敷效率增加时保持较低的热输入，热影响区小，焊接变形小，焊接气孔效率低等。由于焊接速度非常高，特别适合采用全自动和机器人焊接。目前，串列双丝焊已在汽车、造船、机械工程、机车车辆及压力容器等行业中得到广泛应用。

（四）窄间隙埋弧焊

窄间隙埋弧焊是近年来发展起来的一种高效焊接方法。它主要适用于一些厚板结构，如厚壁压力容器、原子能反应堆外壳、涡轮机转子等的焊接。这些焊件的壁厚很大，如采用常规的埋弧焊接方法，需开“U”或双“U”坡口。这种坡口的加工量及焊接量都很大，生产效率低且不易保证焊接质量。采用窄焊缝埋弧焊时。坡口形状为简单的“I”形，不仅可大大减少了坡口的加工量，而且坡口的截面积小，焊接时可减小焊缝的热输入和熔敷金属量，节省焊接材料和电能，并且易于实现自动控制。

三、精密焊接

精密焊接是指可以达到精确成形的焊接工艺。一般具有高能密度焊接的方法，均可以达到精密焊接的目的。主要包括：激光焊接、电子束焊接、扩散焊接和近终成形技术。

激光焊接是用激光束将被焊材料加热至熔化温度以上熔合而成焊接接头的方法。当激光功率密度达到105～107 W/cm2时，激光小孔效应可使焊缝深宽比达12以上，热影响区小焊接变形小，适于焊接尺寸精度要求高的部件。但激光焊接对焊件的装备精度要求高，并要求激光束能沿焊缝长度精确扫描。因此，焊接过程和焊接质量的实时检测与闭环控制，以及对特种材料的激光焊接的研究将影响激光焊接的技术水平和应用范围。

电子束焊接经过近40年的发展已经获得了广泛的应用。它可以焊接几乎所有用熔焊方法可焊的金属材料。从廉价的汽车齿轮到贵重的喷气发动机部件，从极小的微型压力传感器到较大的航天器外壳，从极薄的工件到厚达300 mm的厚板，既可用于单件生产也可用于大批量制造。电子束焊接方法可以将精加工后的零件组焊在一起而保证构件的整体精度。因此，它在航空航天工业及核工业的重要部件焊接中具有重要意义。

近年来国内外发展起来的新型结构材料，如陶瓷、复合材料、特殊合金，具有优异的物理、化学和机械性能。但在实际应用中，这些材料之间的连接问题是必须解决的课题。目前最常用的方法有瞬间液相扩散钎焊和固态连接方法如扩散焊等。扩散焊是一种可以连接物理、化学性能差别很大的异种材料的固态连接方法，如陶瓷与金属，并可以连接截面形状和尺寸差异大的材料，以及连接经过精密加工的零部件而不影响其原有精度。

焊熔近终成型技术是一种新发展的快速零件(原型)制造技术，其实质是采用成型熔化制成全部由焊缝组成的零件。通常可采用已经成熟的焊接技术，按照零件的需求连续逐层堆焊，直至达到零件的最终尺寸。这种方法的优越性在于新制构件的尺寸、形状几乎不受限制。

目前已制成最大外径达5.8 m、重5×105 kg的部件，其金属材料利用率高；由于接近净成型，只需少量加工即可；焊接材料利用率达80%以上；化学成分均匀，冲击韧性、断裂韧性均显著改善。

四、特种材料及特种环境下的新型焊接技术

随着21世纪科学技术的不断发展，对于水下、太空等特种环境以及陶瓷、光缆、复合材料、微电子产品等新型材料，一方面原有的焊接技术仍在发展以适应新的要求；另一方面，不断有新的焊接方法涌现出来。例如，利用微波能的体积加热和相选择加热特点进行焊接，在陶瓷材料的制备和连接等方面已取得了一定进展。微波体积加热使陶瓷材料整体升温，避免了陶瓷材料在快速加热时由于温度不均匀而导致开裂的弊病，使快速加工陶瓷材料成为可能。

同时微波的某些热效应和非热效应使陶瓷材料中的物理过程异于普通加热方法，导致了

烧结与连接过程的加速。与电子束作为热源相媲美，在真空条件下的阴极电弧可望成为实现太空焊接与钎焊的新型热源。

五、焊接自动化

(一)

焊接技术进步的突出的表现就是焊接过程由机械化向自动化、智能化和信息化发展。智能焊接机器人的应用，是焊接过程高度自动化的重要标志。焊接机器人突破了焊接自动化的传统方式，使小批量自动化生产成为可能。焊接机器人大多为固定位置的手臂式机械，有示教型和智能型两种。 示教型机器人：通过示教，记忆焊接轨迹及焊接参数，并严格按照示教程序完成产品的焊接。只需一次示教，机器人便可以精确地再现示教的每一步操作。这类焊接机器人的应用较为广泛，适宜于大批量生产，用于流水线的固定工位上，其功能主要是示教再现，对环境变化的应变能力较差。对于大型结构在工地上的小批量生产没有用武之地。

智能型机器人：可以根据简单的控制指令自动确定焊缝的起点、空间轨迹及有关参数，并能根据实际情况自动跟踪焊缝轨迹、调整焊炬姿态、调整焊接参数、控制焊接质量。这是最先进的焊接机器人，具有灵巧、轻便、容易移动等特点，能适应不同结构、不同地点的焊接任务，目前实际应用很少，尚处在研究开发阶段。焊接机器人中，点焊机器人占50%～60%，它由机器人本体、点焊系统和控制系统三大部分组成。机器人本体的自由度为1～5个，控制系统分本体控制和焊接部分控制。

焊接系统主要包括：焊接控制器、焊钳和水、电气等辅助部分。

（二）计算机软件的应用

计算机软件系统在焊接领域中的应用主要有以下几个方面：

1、 计算机模拟技术

包括模拟焊接热过程、焊接冶金过程、焊接应力和变形等。焊接是一个涉及到电弧物理、传热、冶金和力学等学科的复杂过程。一旦焊接中的各个过程都实现了计算机模拟，就能够通过计算机系统来确定焊接各种结构和各种材料时的最佳设计方案、工艺方法和焊接参数。

传统上，焊接工艺总是要通过一系列的实验或根据经验来确定，以获得可靠而经济的焊接结构，计算机模拟只要通过少量验证试验证明数值方法在处理某一问题上的适用性，大量筛选工作即可由计算机完成，省去了大量的试验工作，从而大大节约了人力、物力和时间，在新的工程结构及新材料的焊接方面具有很重要的意义。

计算机模拟技术的水平还决定了自动化焊接的范围。此外，计算机模拟还广泛用于分析焊接结构和接头的强度和性能等问题。

2．数据库技术与专家系统

用于焊接工艺设计和工艺参数的选择、焊接缺陷诊断、焊接成本预算、实时监控、焊接CAD、焊工考试等。

数据库技术目前已经渗透到焊接领域的各个方面，从原材料、焊接试验、焊接工艺到焊接生产。典型的数据库系统有焊接工艺评定、焊接工艺规程、焊工档案管理、焊接材料、材料成分和性能、焊接性、焊接CCT图管理和焊接标准咨询系统等。这些数据库系统为焊接领域内各种数据和信息管理提供了有利条件。

焊接专家系统主要集中在工艺制定、缺陷预测和诊断、计算机辅助设计等方面。现有的焊接专家系统中，工艺选择和工艺制定是最主要的应用领域，焊接过程的实时控制是重要的发展方向。

3．计算机辅助质量控制技术（CAQ） 用于对产品的数据分析、焊接质量的实时监测等。

另外，计算机辅助设计/制造（CAD/CAM）在焊接加工中的应用也日益增加，主要用于数控切割、焊接结构设计和焊接机器人中。

六、焊接技术发展趋势

焊接的有些发展趋势是显而易见的：不断提高生产力；进一步机械化；继续寻找更有效率的焊接工艺。通过新设计以及使用高强度钢和铝合金的增多，整体构件重量减轻。在焊接展上，我们能清楚看到电子元件、计算机技术以及数字通讯的发展影响着焊接设备的发展。诸如混合激光熔化极惰性气体保护电弧焊和搅拌摩擦焊新工艺已经出现。

但是传统的钨极惰性气体保护电弧焊、熔化极惰性气体保护电弧焊以及埋弧焊工艺毫无疑问将继续占主导地位。

现代的焊接，我们不难发现其愈发显现出的几大特征 ：

1、最流行的在当今工业社会，没有哪一种连接技术象焊接那样被如此广泛、如此普遍地应用在各个领域。而其中最主要的原因就是其极具竞争力的性价比。

2、焊接显现了极高的技术含量和附加值在人类社会步入二十一世纪的今天，焊接已经进入了一个崭新的发展阶段。当今世界的许多最新科研成果、前沿技术和高新技术，诸如：计算机、微电子、数字控制、信息处理、工业机器人、激光技术等，

已经被广泛地应用于焊接领域，这使得焊接的技术含量得到了空前的提高，并在制造过程中创造了极高的附加值。

3、焊接已成为关键的制造技术

焊接作为组装工艺之一，通常被安排在制造流程的后期或最终阶段，因而对产品质量具有决定性作用。正因为如此，在许多行业中，焊接被视为一种关键的制造技术。

4、焊接已成为现代工业不可分离的组成部分

在工业化最发达的美国，焊接被视为“美国制造业的命脉，而且是美国未来竞争力的关键所在”。其主要根源就是基于这样一个事实：许多工业产品的制造已经无法离开焊接技术的使用。在人类发展史上留下辉煌篇章的三峡水利工程、西气东输工程以及“神舟”号载人飞船，哪个没有采用焊接结构？

以西气东输工程项目为例，全长约 4300公里的输气管道，焊接接头的数量竟达35万个以上，整个管道上焊缝的长度至少1万5千公里。离开焊接，简直无法想象如何完成这样的工程。

第五节 快速原形技术简介

快速原形技术（Rapid Prototyping，简称RP）：利用材料堆积法制造实物产品的一项高新技术。

1988年第一台商业机种问世，迅速得到了广泛的开发应用，被称为“21世纪CNC工具机”之最新科技。它能根据产品的三维模样数据，不借助其它工具设备，迅速而精确地制造出该产品，

集中体现在计算机辅助设计、数控、激光加工、新材料开发等多学科、多技术的综合应用。快速成形技术是现代制造技术的一次重大变革。

一、快速成形工艺

快速成形技术就是利用三维CAD的数据，通过快速成形机，将一层层的材料堆积成实体原型。迄今为止，国内、外已开发成功了10多种成熟的快速成形工艺，其中比较常用的有以下几种：

1．纸层叠法—薄形材料选择性切割（LOM法） 计算机控制的CO２激光束按三维实体模样每个截面轮廓对薄形材料（如底面涂胶的卷状纸、或正在研制的金属薄形材料等）进行切割，逐步得到各个轮廓，并将其粘结快速形成原型。用此法可以制作铸造母模或用于“失纸精密铸造”。

2．—液态光敏树脂选择性固化 液槽盛满液态光敏树脂，它在计算机控制的激光束照射下会很快固化形成一层轮廓，新固化的一层牢固地粘结在前一层

上，如此重复直至成形完毕，即快速形成原型。激光立体制模法可以用来制作消失模，在熔模精密铸造中替代蜡模。

3．烧结法—粉末材料选择性激光烧结（SLS法）粉末材料可以是塑料、蜡、陶瓷、金属或它们复合物的粉体、覆膜砂等。粉末材料薄薄地铺一层在工作台上，按截面轮廓的信息CO2激光束扫过之处，粉末烧结成一定厚度的实体片层，逐层扫描烧结最终形成快速原型。

用此法可以直接制作精铸蜡模、实型铸造用消失模、用陶瓷制作铸造型壳和型芯、用覆膜砂制作铸型、以及铸造用母模等。

4．熔化沉积法—丝状材料选择性熔覆

（FDM法）加热喷头在计算机的控制下，根据截面轮廓信息作X-Y平面运动和高度Ｚ方向的运动，塑料、石腊质等丝材由供丝机构送至喷头，在喷头中加热、熔化，然后选择性地涂覆在工作台上，快速冷却后形成一层截面轮廓，层层叠加最终成为快速原型。用此法可以制作精密铸造用蜡模、铸造用母模等。

此外还有粉末材料选择性粘结法（TDP法）、直接壳型铸造法（DSPC法）以及立体生长成形（SGC法）等方法。快速成形技术系统的工作流程如图1-61所示。

二、快速成形技术特点：

①材料不限，各种金属和非金属材料均可使用；②原型的复制性、互换性高；③制造工艺与制造原型的几何形状无关，在加工复杂曲面时更显优越；④加工周期短，成本低，成本与产品复杂程度无关，一般制造费用降低50％，加工周期缩短70％以上；⑤高度技术集成，可实现设计制造一体化。

三、快速成形的应用

应用：铸造模具和各种铸型。可以利用快速成形技术制得的快速原型，结合硅胶模、金属冷喷涂、精密铸造、电铸、离心铸造等方法生产铸造用的模具。

四、快速原型技术的历史、现状及发展趋势

2000年12月在德国法兰克福Euro-Mold和2001年5月辛辛那提SME-RPM会议上对RP技术的发展方向进行了热烈讨论。面向市场的非定制生产不断扩大，人们需要既满足客户个性化需求又可进行大批量生产的低成本生产方式。A.Toffler(1970年)、B.J.Pine(1993年)、

D.Anderson(1999年)就提出过批量定制(Mass Customization)的概念和方法体系，

其工艺的核心技术是快速制造(Rapid Manufacturing，RM)。RM技术使设计和制造更紧密地结合起来，具体表现为“两个统一”：通过CAD模型直接驱动工具和材料来成型，进一步将成型的过程与物理过程统一起来；采用离散/堆积成型原理，将材料制备与材料成型过程统一起来。

RP技术朝两个方向发展。发展方向一：RP仍然保留制造概念模型的部分，并朝着桌面化发展。随着快速成型技术的发展，一种适合环境和桌面化的小型“三维打印机”日益受到RP设备开发商和用户的关注。这种设备的特点是价格便宜，外观小巧，成型空间较小，有一定的造型精度。这方面的发展以以色列的概念模型机为先。我国清华大学激光快速成型中心也在开发适合中国国情的“三维打印机”，它将比国外设备有更好的性价比。

RP技术发展方向二：朝制造功能性模型(零件)

方向发展，主要应用于批量定制、材料梯

度-功能梯度零件以及金属成型零件。

总之，快速成型技术是当今世界上发展迅速的先进制造技术之一，在RP继续朝着向设备概念原型方面发展的同时， RM从RP中分化出来成为批量定制的核心工艺，并向材料梯度-功能梯度零件、生物制造以及直接金属成型零件方向迅猛发展。关注其发展的最新动态，对我国快速成型事业的健康发展以及制造业都有深远的意义。