材料成型及控制工程广东工业大学.doc

材料咸型及控制工程(材料加工控制及信息化方向)培养目标：培养具备材料加工基本原理、计算机控制及信息学科的知识和技能，掌握材料加工成形过程的自动化 与人工智能、专家信息系统的建立与开发、机械零件及工模具的计算机辅助设计与制進、新材料制备与加工、先 进成形加工技术与设备、材料组织与性能的分析及控制等专业知识，能够从事材料加工、计算机和信息技术应用 领域的产品和技术开发、设计制造、质童控制、经营管理等方面的高级工程技术人才主要课程：材料科学基础、材料成型原理、材料组织与性能控制原理、先进材料畑工技术、现代材料表面工程学、 计算机辅助设计与制遥、模具CAD/CAM.计算机数值模拟技术、控制工程基础、数控原理与编程、检测技术与 控制工程基础、计算机网络与专家信息系统在材料加工中的应用、材料加工企业管理及计算机信息系统、材料加 工品质分析与控制、材料微观分析及计算机图像处理就业方向：可在电子信息产品制造业、机械制造行业、汽车制造业等领域从事各种材料加工与制备、计算机和信 息技术应用于材料加工工艺与控制、工模具的计算机辅助设计与制造、技术与产品研发、质量控制、经营管理、 商品检验及技术监督等方面的工作，亦可在教育科研、商业贸易和专业咨询等部门广泛就业。

该专业为广东省名牌专业21世纪的材料成形加工技术摘要：论述了材料成形加工技术的作用及地位，介绍了快速产品与工艺开发系统、新一代制造工艺与装备、模拟 与仿真3项关键先进制造技术，指出轻童化、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关键词：先进制遥技术材料成形加工精确成形加工模拟仿真并行工程绿色制造1材料成形加工技术的作用及地位中国已是制造大国，仅次于美、日、德，居世界第4位中国虽是制造大国，但与工业发达国家相比，仍有很大 差距，表现在：(1)制遥业的劳动生产率低，不到美国的5%; (2)技术含量低，以CAD为例，仍停留在绘图功 能上；(3)重要关键产品基本上没有自主创新开发能力材料成形加工行业是制造业的重要组成部分，材料成形加工技术是汽车、电力、石化、造船及机械等支柱产业的 基础制造技术，新一代材料加工技术也是先进制造技术的重要内容铸造、锻造及焊接等材料加工技术是国民经 济可持续发展的主体技术据统计，全世界75%的钢材经塑性加工成形，45%的金属结构用焊接得以成形又如 我国铸件年产量已超过1400万t,犬世界铸件生产第一大国汽车结构中65%以上仍由钢材、铝合金、铸铁等材 那通过铸造、锻压.焊接等加工方法成形。

但是，我国的材料咸形加工技术与工业发达国家相比仍有很大差距举例说，重大工程的关键铸锻件如长江三峡水 轮机的第一个叶轮仍从国外进口；航空工业发动机及其他重要的动力机械的核心成形制遥技术尚有待突或因此, 在振兴我国制造业的同时，要加强和重视材料成形加工制造技术的发展高速发展的工业技术要求加工制造的产品精密化、轻童化、集成化；国际竞争更加激烈的市场要求产品性能高、 成本低、周期短；日益恶化的环境要求材料加工原料与能源消耗低、污染少为了生产高精度、高质童、高效率 的产品，材料正由单一的传统型向复合型、多功館型发展；材料成形加工制造技术逐渐综合化、多样化、柔性化、 多学科化因此，面对市场经济、参与全球竞争，必须十分重视先进制造技术及成形加工技术的技术进步2材料成形加工技术的发展趋势美国在"新一代制造计划(Next Generation Manufactiiring)”中指出未来的制遥模式将是：批量小、质量高、成 本低、交货期短、生产柔性、环境友好未来的制造企业将是：以人、技术和经营三要素组成，而以人为本未 来的制造企业要掌握十大关键技术，其中包括快速产品与工艺开发系统、新一代制遥工艺及装备、模拟与仿真3 项关键技术。

其中下一代制遥工艺包括精确成形加工制造或称净成形加工工艺（Net Shape Process）＜净咸形加工 工艺要求材科成形加工制遥向更轻、更薄、更精、更强、更韧、成本低、周期短、质量高的方向发展轻量化、 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以汽车制造为例，美国新一代汽车研究计划（Partnership of Next Generation Vehicle）的目标是在2003年汽车重童减轻10%,汽车每100km油耗要减少到 3L,并减少10%的污染为了达到这一目标，要求整车重量减轻40%〜50%,其中车体和车架的重量要求减轻 50%,动力及传动系统减轻10%例如，美国福特汽车公司新车型中使用的状况就反映了这种变化新一代汽车 中黑色金属用董将大幅度减少，而铝及镁合金用量将显著增加，铝合金将从129kg增加到333kg,镁合金将从5kg 增加到39kg近年来，随着汽车工业和电子工业的迅速发展，对通过降低产品的自重以降低飽源消耗和减少污染（包括汽车尾 气和废旧塑料）提出了更迫切的要求，而轻量化的竦色环保材料将作为人们的首选镂合金就是被世界各国材料 界看好的最具有开发和发展前途的金属材科。

镁合金产品具有以下优势：（1）轻童化，密度pal・8g/cm 3,是钢铁的1/4,铝的2/3,与塑料相近2）比强度 高，刚性好，优于钢和铝3）具有极佳的防宸性，耐冲击，耐磨性良好4）具有优良的热传导性，可改善电 子产品散热性能5）是非减性金属，抗电磁波干扰飽力强，电磁屏厳性好6）加工成形性能好，成品外观美 丽，质感佳，无可燃性（相对于塑料）7）材料回收率高，符合环保法8）尺寸稳定，收缩率小，不易因环境 温度变化而改变（相对于塑料）镂合金压铸件广泛应用于交通工具（如汽车、摩托车及飞机零件等）、信息（如、数码相机及手提电脑壳体等） 及小型家电（如摄像机、照相机和其他电子产品外亮）等行业同时，压铸镂合金产品在国防建设等领域也有十 分广阔的应用前景3新一代的材料成形加工技术制造技术可分为加工制造和成形制遥（以液态铸造成形、固态塑性成形及连接成形等为代表）技术，其中成形制 造不仅賦予零件以形状，而且决定了零件的组织结构与性能3.1精确成形加工技术近年来出现了很多新的精确成形加工制造技术在汽车工业中Cosworth #造（采用错砂砂芯组合并用电磁泵控制 浇铸）、消失模铸谴及压力铸造已成为新一代汽车薄璧、髙质量铝合金缸体铸件的3种主要精确铸谴成形方法。

许 多国家预测消失模铸造将成为“明天的铸造新技术”另外，用定向凝固熔模铸造生产的高温合金单晶体燃汽轮机 叶片也是精确成形铸造技术在航空航天工业中应用的杰出体现在桥车工业中还有很多材料精确成形新工艺，如用精确锻造成形技术生产凸轮轴等零件、液压胀形技术、半固态 成形及三维挤压法等摩擦压力焊新技术近来也备受人们关注以挤压铸進（Squeeze Casting）及半固态铸造（Semi-solid Casting）为代表的精确成形技术►由于熔体在压力下充型、 凝固，从而使零件具有好的表面及内部质量半固态铸造是一种生产结构复杂、近净成形、高品质铸件的材料半 固态加工技术图5为半固态铸造铝合金零件在汽车上的应用其区别于压力铸造和锻压的主要特征是：材料处 于半固态时在较高压力（釣200MPa）下充型和凝固材料在压力作用下聚固可形成细小的球状晶粒组织半固态 铸造技术最早在20世纪70年代由美国麻省理工学院漩固实验室研究开发，并在20世纪90年代中期因汽车的轻 童化得到了快速发展3.2快速及自由成形加工技术随着全球化及市场的激烈竞争，加快产品开发速度已成为竞争的重要手段之一制造业要满足日益变化的用户需求, 制造技术必须具有较强的灵活性，能够以小批董甚至单件生产迎合市场。

快速原型制遥技术(Rapid Prototyping)就是 在这样的社会背景下产生的快速原型制造技术以离散/堆积原理为基础和特征，将家件的电子模型(CAD模型)按 一定方式离散成为可加工离散面、离散线和离散点，尔后采用多种手段将这些离散的面、线和点堆积形成奉件的整 体形状有人因该技术高度的柔性而称之为“自由成形制造(Free Forming)\近年来快速原型制造已发展为快速 模具制造(Rapid Tooling)及快速制造(Rapid Manufacturing),这些技术能大大缩短产品的设计开发周期，解决单件 或小批零件的制造问题激光加工技术有多种多样，包括电子元件的精密微焊接、汽车和船舶制造中的焊接、坯料制造中的切割、雕刻与 成形等，其中激光加工自由成形制遥技术也是重要的发展动向4材料加工制造过程的模拟和仿真随着计算机技术的发展，计算材料科学已成为一门新兴的交*学科，是除实验和理论外解决材料科学中实际问题的 第3个重要研究方法它可以比理论和实验做得更深刻、更全面、更细致，可以进行一些理论和实验暂时还做不 到的研究因此，基于知识的材料成形工艺模拟仿真犬材料科学与制造科学的前沿领域和研究热点。

根据美国科 学研究院工程技术委员会的测算，模拟仿真可提高产品质量5〜15倍，增加材科出品率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%,绪短产品设计和试制周期30%〜60% 等经过30多年的不断发展，铸造及锻造宏观模拟在工程应用中已是一项十分成熟的技术，已有很多商品化软件(如 PROCAST等)，并在生产中取得显著的经济及社会效益例如，长江三峡水轮机的第1个叶轮是从加拿大进口的， 价值为960万美元，而在我国重型制造企业的共同努力下，长江三咲水轮机叶轮的重62t的不锈钢叶片，已由德阳 中国二重集团铸造厂于2001年首次试制成功，其铸适工艺方案采用了先进的计算机模拟仿真技术，经反复模拟得 到了最优化的铸造工艺方案由国务院三峡办、中国机械工业联合会共同主持召开的鉴定委员会专家组认为：“该 叶片技术资料齐全，采用了计算机优化等先进技术，符合有关标准要求，达到国际同行业先进水平/目前，模拟仿真技术已能用在压力铸造、熔模铸造等精确成形加工工艺中，而焊接过程的摸拟仿真研究也取得了 可喜的进展高性能、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、Jim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计算材料科学的研究范围包括从埃童 级的童子力学计算到连续介质层次的有限元或有限差分模型分析，此范围可分为4个层次：纳米级、微现、介观 及宏观层次在国外，多尺度模拟已在汽车及航天工业中得到应用铸件凝固过程的微观组织模拟以晶粒尺度从凝固热力学与结晶动力学两方面研究材料的组织和性能20世纪90年 代铸造微观模拟开始由试验研究向实际应用发展，国内的研究虽处于起步阶段，但在用相场法研究铝合金枝晶生 长、用Cellular Automaton法研究铝合金组织演变和汽车球蔓铸铁件微观组织与性能预测等方面均已取得重要进 展锻遥过程的三维晶粒度预测也有进展5快速产品/工艺开发系统、并行工程及绿色制造我国制造业的主要问題之一是缺乏创新产品的开发能力，因而缺乏国际市场竞争能力 传统产品开发的特点：一是照猫画虎，知识老化，缺乏创新；二是周期长，返工多，成本高例如，美国空军研 究所从1981〜1991年研发武器共发布图纸20000张，但共有90000张图纸进行了更改，平均每张图纸•改动了 4・5 次，多花费了 16亿美元。

现代的产品开发系统的特点是：（1）采用现代设计理论与方法；（2）进行全生命周期设计；（3）设计全过程采用 信息技术；（4）加快采用新材料、新工艺；（5）产品开发周期短，返工少，成本低，努力做到一次成功；（6）产 品有创新，在国际市场上有竞争能力应该指出，产品设计及制造开发系统是以设计与制遥过程的建模（Modeling。