[科普中國]-近凈形鑄造

近凈形鑄造是近凈形高品質(zhì)流變鑄造系列技術(shù)。是以非牛頓流變學(xué)和凝固理論為基礎(chǔ),以凝固行為和流變行為的有效控制為技術(shù)核心,以實(shí)現(xiàn)無缺陷,高可靠性,近凈形,高性能,長壽命產(chǎn)品生產(chǎn)為目的綠色鑄造新技術(shù)。

簡介近凈形鑄造是根據(jù)合金熔體具有的良好流變性能進(jìn)行成形，使用永久型，徹底擺脫了"翻砂"，減小了環(huán)境負(fù)荷;在壓力作用下充型，凝固和補(bǔ)縮，取消了傳統(tǒng)鑄造中的冒口，使工藝出品率顯著提高;利用流變與凝固的耦合控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)細(xì)晶均質(zhì)化鑄造，產(chǎn)品性能與鍛件相當(dāng);從熔煉到鑄件成形的短流程機(jī)械化作業(yè)，使能耗和排放顯著降低，綠色度高.

該系列技術(shù)吸納了傳統(tǒng)鍛造技術(shù)的高品質(zhì)優(yōu)勢和傳統(tǒng)鑄造技術(shù)的廣泛適應(yīng)性優(yōu)勢，可以解決鍛造技術(shù)對設(shè)備噸位要求高和受零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜性限制的問題，還可以解決傳統(tǒng)鑄造技術(shù)所得產(chǎn)品質(zhì)量均勻性，穩(wěn)定性和安全可靠性低的問題.

該系列技術(shù)代表了材料成形技術(shù)的發(fā)展方向，國內(nèi)外都已經(jīng)獲得工業(yè)應(yīng)用.用于接觸網(wǎng)零件生產(chǎn)，取代現(xiàn)有的精密鑄造方法，不僅使材料利用率提高到75-85%以上，而且因組織細(xì)密，屈服強(qiáng)度提高一倍以上.用于煤礦支護(hù)設(shè)備液壓閥體，使材料利用率由圓鋼車制時(shí)的48%提高到82%以上，性能達(dá)到了與軋制圓鋼車制相當(dāng)?shù)某潭?用于車輛零件(軸箱體，鉤舌，測速齒輪等)生產(chǎn)，有效解決了縮孔，縮松等難以解決的缺陷，使產(chǎn)品可靠性大幅度提高.用于高錳鋼，高鉻鑄鐵等抗磨材料成形生產(chǎn)，使產(chǎn)品抵抗異常破壞的能力大幅度提高，而成本與砂型鑄造相當(dāng)。

研究現(xiàn)狀近30年來，精密成形技術(shù)在國外以很快的速度發(fā)展。大量優(yōu)質(zhì)、高效、少無切削的新型成形與改性技術(shù)得到發(fā)展，并在工業(yè)中獲得廣泛應(yīng)用，如氣化模鑄造、樹脂自硬砂組芯造型等近凈形鑄造技術(shù)；超塑成形、精密熱鍛、精密冷溫成形等精密塑性成形技術(shù)；氣體保護(hù)焊、激光焊、真空電子束焊等精密連接技術(shù)。為了加快產(chǎn)品設(shè)計(jì)，近10年來發(fā)展了快速原型/零件制造技術(shù)，它打破了材料“去除”的成形原理，采用“累積”成形。目前已開始用于不同領(lǐng)域，并獲得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

為了提高制造成形的質(zhì)量，特別是在大型零件制造中，減少實(shí)驗(yàn)工作量以實(shí)現(xiàn)一次制造成功，工藝模擬技術(shù)獲得了飛速發(fā)展，首先在鑄造領(lǐng)域進(jìn)入了商品化階段，在焊接、鍛壓、熱處理方面也取得了很大成績。

為了改善人類生存環(huán)境，綠色制造成形也在不斷發(fā)展，人們力求在制造成形過程中，最大限度地減少對環(huán)境的污染。為了日益擴(kuò)大人類活動(dòng)范圍，各種水下切割與連接，以及表面改性技術(shù)獲得發(fā)展與應(yīng)用，已可在水下200米深處進(jìn)行操作。隨著航空、航天事業(yè)的發(fā)展，在空間進(jìn)行連接與改性已有必要，這方面也取得突破性進(jìn)展。1

發(fā)展趨勢1、成形精度向凈成形的方向發(fā)展

當(dāng)前精密成形技術(shù)已在較大程度上實(shí)現(xiàn)了近凈成形，即制造接近零件形狀的工件毛坯，較傳統(tǒng)成形技術(shù)減少了后工序的切削量，減少了材料、能源的消耗。發(fā)展趨勢是實(shí)現(xiàn)凈成形，即直接制成符合形狀要求的工件。據(jù)國際機(jī)械加工技術(shù)協(xié)會(huì)預(yù)測，21世紀(jì)初，塑性成形與磨削相結(jié)合，將取代大部分中小零件的切削加工。

2、成形工藝向新型加工方法以及復(fù)合工藝方向發(fā)展

激光、電子束、離子束、等離子體等多種新能源及能源載體的引入，形成多種新型成形與改性技術(shù)，一些特殊材料(如超硬材料、復(fù)合材料、陶瓷等)的應(yīng)用造就了一批新型復(fù)合工藝的誕生，如超塑成形/擴(kuò)散連接技術(shù)。

3、成形裝備沿著“單機(jī)自動(dòng)化--流水線自動(dòng)化--柔性、集成系統(tǒng)”方向發(fā)展

由于激烈的市場競爭，生產(chǎn)方式將由大批量單品種轉(zhuǎn)向多品種變批量，為快速響應(yīng)市場又要求成形的高速度，各類傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息和控制技術(shù)的發(fā)展支撐著精密成形裝備從單機(jī)到系統(tǒng)的自動(dòng)化、柔性化、集成化。

4、成形質(zhì)量控制朝過程智能化方向發(fā)展

質(zhì)量控制是為了保證優(yōu)化的工藝，提高產(chǎn)品質(zhì)量，保證穩(wěn)定不變的工藝條件得到分散度極小的均一的產(chǎn)品質(zhì)量。為此，在生產(chǎn)過程自動(dòng)化、工藝參數(shù)在線控制、生產(chǎn)工藝因素對工藝效果影響的模擬基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)控制過程智能化，并實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，是當(dāng)前的主要方向。

5、工藝模擬及優(yōu)化技術(shù)獲得飛速發(fā)展，工藝由“技藝”向“工程科學(xué)”方向發(fā)展

精密成形技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展趨勢是工藝設(shè)計(jì)由經(jīng)驗(yàn)判斷走向定量分析，應(yīng)用數(shù)值模擬于鑄造、鍛壓、焊接、熱處理等工藝設(shè)計(jì)中，并與物理模擬和專家系統(tǒng)結(jié)合，來確定工藝參數(shù)、優(yōu)化工藝方案、預(yù)測加工過程中可能產(chǎn)生的缺陷及采取有效防止措施、控制和保證加工工件的質(zhì)量。

代表性的技術(shù)有虛擬鑄造技術(shù)，虛擬鍛壓技術(shù)，焊接、熱處理工藝過程模擬及質(zhì)量預(yù)測、組織性能預(yù)測，成形工藝-模具-產(chǎn)品CAD/CAM一體化技術(shù)。

應(yīng)用范圍本項(xiàng)目技術(shù)是一種通用性很強(qiáng)的材料成形技術(shù)，在汽車零件，軍工航天零件，機(jī)車車輛零件，抗磨零件，電力配件等各種重要零件生產(chǎn)領(lǐng)域具有廣闊的市場化前景.

汽車和軌道交通領(lǐng)域的機(jī)車車輛零件正在向輕量化，綠色化方向發(fā)展.輕量化和綠色化的關(guān)鍵途徑之一是提高材料性能水平.本項(xiàng)目提供的流變成形系列技術(shù)可以為此提供技術(shù)支撐.

軍工產(chǎn)品和載運(yùn)工具零件的高安全可靠性和高復(fù)雜性對材料成形技術(shù)提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，現(xiàn)有傳統(tǒng)鑄鍛技術(shù)難以滿足要求，本項(xiàng)目技術(shù)可以發(fā)揮其優(yōu)勢，為軍工，航天等重要領(lǐng)域提供高品質(zhì)近凈形零件.

抗磨材料及其產(chǎn)品的國內(nèi)外需求都很大，目前的生產(chǎn)方法主要是鑄造.而傳統(tǒng)鑄造產(chǎn)品組織性能的不均勻性和高缺陷率使抗磨產(chǎn)品經(jīng)常出現(xiàn)早期異常破壞，造成嚴(yán)重的材料浪費(fèi).本項(xiàng)目技術(shù)的高致密，均質(zhì)化特點(diǎn)可以使這一問題得到根本的解決，推廣應(yīng)用前景看好.

金屬基復(fù)合材料以鑄造成形成本最低，但因復(fù)合材料的鑄造工藝性能不好，鑄造生產(chǎn)難度較大，應(yīng)用受到限制.采用本項(xiàng)目技術(shù)可以方便地生產(chǎn)各種金屬基顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料及其零件，使其應(yīng)用范圍大幅度擴(kuò)展。2

實(shí)際應(yīng)用北京近凈形精密鑄造研究所研制的精密鑄造模具冷卻系統(tǒng)，在技術(shù)上，縮短了精密鑄造模具件在生產(chǎn)過程中等待脫模的時(shí)間，使得生產(chǎn)效率顯著提高。由于電子溫度控制器的控制作用，可以根據(jù)工藝條件，科學(xué)地控制冷卻時(shí)間和溫度，提高了精密鑄造模具件的質(zhì)量。

精密鑄造模具產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中，模具的冷卻是影響產(chǎn)品成型的關(guān)鍵因素之一。目前國內(nèi)多采用自然降溫或者介質(zhì)（水）冷卻，采用介質(zhì)（水）冷卻系統(tǒng)通常是對上下型殼、型芯進(jìn)行水冷，將生產(chǎn)中由工作材質(zhì)帶來的熱量由冷卻系統(tǒng)帶出模具，以保證模具在生產(chǎn)中的正常工作和精密鑄造模具件的良好質(zhì)量。在生產(chǎn)過程中，由于每次等待模具溫度達(dá)到預(yù)計(jì)范圍的時(shí)間即脫模時(shí)間很長，因而模具的冷卻效率直接影響到精密鑄造模具的生產(chǎn)效率，而目前的精密鑄造模具冷卻系統(tǒng)，對于水介質(zhì)的溫度不能控制，進(jìn)而無法實(shí)現(xiàn)對模具冷卻的溫度范圍和降溫時(shí)間進(jìn)行調(diào)控。

北京近凈形精密鑄造研究所研制的“精密鑄造模具的冷卻系統(tǒng)”，在技術(shù)上，縮短了脫模時(shí)間，為精密鑄造模具件提供了有利條件。

渦輪增壓器本體是渦輪增壓系統(tǒng)中最重要的部件。實(shí)際應(yīng)用中，渦輪葉片的材質(zhì)、轉(zhuǎn)速、氣流通道決定了渦輪穩(wěn)定增壓的效應(yīng)。渦輪增壓廣泛應(yīng)用于各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域。一般來說，渦輪只在中轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)產(chǎn)生效用，在低速時(shí)渦輪增壓的效能并不明顯，這種現(xiàn)象被稱為渦輪遲滯。由于渦輪葉片上的導(dǎo)流隔板拉筋，呈均勻螺旋分布，渦輪葉片在旋轉(zhuǎn)過程中，會(huì)產(chǎn)生空氣渦流?，F(xiàn)有技術(shù)下的渦輪葉片氣流輸出通道狹窄，產(chǎn)生渦流的阻礙，影響轉(zhuǎn)速和增壓效用。

北京近凈形精密鑄造研究所研制新型的渦輪葉片，從技術(shù)上降低了渦輪葉片導(dǎo)流隔板造成的氣流阻礙，使得氣流摩擦力更小，減少渦輪遲滯，有更好的渦輪響應(yīng)。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

李雪梅 - 副教授 - 西南大學(xué)