面向21世纪的铸造技术

1.铸造等材料生产加工技术的作用

生产制造工业生产过去的二十年中发生了巨大变化,这些变化还会继续持续。鉴于全世界的激烈市场竞争,全新一代铸造、锻造、焊接等成形先进制造技术将出现新的产品和加工工艺。应对市场经济体制、参与全世界市场竞争,务必特别提升材料生产加工科学与技术的基础和应用研究。只有采用新的材料生产加工技术才能得到 高质量产品工件或零配件的结构和性能,这类高性能材料包含传统材料和新型材料。

但是与发达国家对比,在我国铸造工业生产在技术上仍有一定差距。比如在我国铸造件年产量己超过1000万吨,位于世界第二。但在我国高质量的铸造件(产品质量)仅为18%,以熔模铸造为代表的准确成形铸造件(产值)仅为2%;而美国分別为40%和13%。此外与发达国家对比,在我国铸造件平均产品质量超过海外10%～20%;劳动效率低5～8倍;能耗高2倍。再如在我国汽车缸体铸造件的平均壁厚仍为5.5～6.0mm,而发达国家仅为3.5～4.5mm或更薄。

2.21世纪的先进铸造工艺

铸造工艺是生产制造和材料科学与技术的交叉学科行业。“全新生产制造加工工艺与设备”和“建模与仿真”是全新生产制造计划中十大关键技术中的2个。此外,美国在“加工制造业迎来二零二零年挑战”一书中也把“无废弃物生产加工与新型材料加工工艺”及“建模与仿真”作为应优先资助的核心技术。不论是在我国还是海外,对铸造工艺发展趋势的正确认识是保持一致的,即全新准确成形铸造工艺(NetShapeCasting)与多学科仿真模拟将是2个首要研究领域。

正所谓“无废弃物生产加工”的全新铸造工艺是指生产加工过程中不形成废弃物;或形成的废弃物在整个生产制造过程中被作为原材料而利用,并在下一个步骤中不会再形成废弃物。鉴于减少了废料、污染和耗能,并对自然环境有利,因此“无废料生产加工”将成为普遍推广的至关重要技术。

为了更好地铸造更精密、更强、更轻、更经济的机器零配件,准确成形铸造工艺将是无废弃物生产加工的首要选择之一.比如,美国全新汽车研究目标(PNGV)的总体目标是在2003年每100km油耗减少到3L。汽车自重减轻10%,可使效率增加7%,并减少10%的污染。为了更好地达到这一总体目标,车体和车架的产品质量要求减少50%,动力及传动系统务必减轻10%。

近些年研发了许多准确成型铸造工艺。比如说,Cosworth精密铸造(选用高精密的锆砂型并且用电磁泵操纵浇铸)、消失模铸造及压力精密铸造将是汽车产业中全新一代薄壁、高质量铝合金缸体铸造件的3种主要精密铸造方法。很多科学研究预测消失模铸造是“明日的精密铸造新技术”。

此外,用定向凝固-熔模铸造生产的透平机单晶高温合金叶片也是准确成型铸造工艺在航天航空中应用的体现。

3成型铸造工艺的仿真模拟

根据专业知识的成型铸造工艺仿真模拟将是另一个关键研究领域。仿真模拟可确保零配件的产品质量、优化全过程设计、减少研制开发周期,进而给精密铸造工业产生经济效益。高性能、高保真和高效率将是仿真模拟的拼搏总体目标。选用精密铸造全过程计算机仿真模拟可提升材料出品率25%、节约产品成本30%、减少研制开发周期40%。现阶段,铸造件宏观尺度上的数值模拟在工程项目中已经有应用,国內外已经有一些商业化软件如MAGMA、PROCAST、FT-STAR等。应力场的模拟分析和微观模拟(从mm、μm至nm尺度)是近些年新的科学研究热点课题研究。

原材料生产加工成型仿真模拟方面的科学研究和研发是国家科学技术部和自然科学基金委员会的优先选择资助新项目。近些年,这些方面又取得非常大进展,如我国现在已经研发出凝固全过程中热应力分析的FDM/FEM集成系统,该系统软件藕合根据有限差分法的热模拟和根据有限元法的应力模拟。为了科学研究成型铸造件的应力变化、预测热裂和残余应力,准固相区可选用[H]-[H|N]-[N|S]流变模型,而凝固以后的固相可用热-弹-塑性模型。

4网络化并行工程下的商品与过程设计

现代化加工制造业面对着全世界激烈的竞争,销售市场变化迅速,并且产品更加复杂。这就要求加工制造业减少生产周期,开发新商品的速度和效率是其经济生存的核心思想。所以,并行工程(CE)成了商品与工艺全过程(包括成型与生产加工制造和相关的辅助环节)集成设计的系统软件方法。并行工程项目的目的是提高产品质量,降低产品成本,减少商品进入销售市场的时间,并满足用户要求。美国先进金属材料生产加工工程项目研究中心提出了“有效的商品与全过程设计”的思想,这也是并行工程的核心思想。用该方法模拟、优化设计精密铸造全过程,可确保铸造件产品质量。

近些年在国家科委的资助下,清华大学对并行环境下的铸造全过程数值模拟系统软件进行了深入分析.比如,通过使用CAE系统模拟1个典型的镁合金壳体铸件,其质量明显提高,新产品研发得到顺利开展。

与智能制造、虚拟工厂、网络生产制造集成,铸造等原材料成形生产过程模拟仿真将变成加工制造业新产品全过程设计的十分有效的工具。为满足不同客户及产品设计的要

求,北京清华大学正研究基于网络的智能铸造系统软件。比如,福特公司通过互联网把IDEAS/CAD软件设计的汽车铸件资料传到北京,双方都以STL格式做为网上平台。北京清华大学进行铸件的宏观和微观模拟后,将結果反馈到福特公司作进一步的评定。所以,网络化的远程智能铸造加工系统软件将是二十一世纪一种崭新的先进铸造技术。

5结论

(1)铸造、锻压、焊接等原材料加工工艺对国民经济的发展起着重要作用。面向市场激烈的市场竞争,全新铸造工艺的出现将造成 崭新的产品和技术。

(2)“无废物加工”的全新生产制造全过程减少了废弃物、环境污染和能量消耗,是将来的重要加工工艺,而准确成形铸造工艺将是其中理想化的选择。

(3)高性能、高保真、高效率将是基于知识的铸造工艺模拟仿真的努力方向。

(4)新产品研发的速度和效率是全球加工制造业市场竞争的关键。并行工程是产品及其相关的加工工艺全过程(如铸造)集成设计的系统软件方法。

(5)网络化、智能化是二十一世纪铸造新产品与加工工艺全过程设计的趋势。