材料与加工技术对产品变革的影响

材料与加工技术对产品变革的影响

材料与加工技术对产品变革的影响

摘 要：产品设计变革与材料和加工技术的发展息息相关，而且材料和加工技术的每次发展都会在产品设计上体现出来。

关键词：工业设计、材料、加工技术

Abstract : Product revolution has great relationship with materials and process technology, and every new materials and process technology reflects the revolution.

Key words:Industrial design; Material;Process technology

材料和加工技术对工业设计有着很大的影响。下面从材料和加工技术在工业化生产中的作用和地位、材料成型加工技术的发展趋势、新一代的材料成型加工技术三个方面进行阐述。

首先来讨论一下材料和加工技术在工业化生产中的作用和地位。 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) 制造业的劳动生产率低，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。

材料和加工行业是制造业的重要组成部分，材料成型加工技术是汽车、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，是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、铸铁等材料通过铸造、锻压、焊接等加工方法成形。 但是，我国的材料成型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造技术尚有待突破。因此，在振兴我国制造业的同时，要加强和重视材料加工制造技术的发展。

材料与加工技术对产品变革的影响

高速发展的工业技术要求加工制造的产品精密化、轻量化、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、高质量、高效率的产品，材料正由单一的传统型向复合型、多功能型发展；材料成型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型加工技术的技术进步。

下面在来讨论一下材料成型加工技术的发展趋势，

美国在“新一代制造计划”中指出未来的制造模式将是：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、新一代制造工艺及装备、模拟与仿真3项关键技术。其中下一代制造工艺包括精确成型加工制造或称净成型加工工艺。净成型加工工艺要求材料成型加工制造向更轻、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型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的目标是在2003年汽车重量减轻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量将大幅度减少，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能源消耗和减少污染（包括汽车尾气和废旧塑料）提出了更迫切的要求，而轻量化的绿色环保材料将作为人们的首选。镁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料。

镁合金产品具有以下优势：（1）轻量化，密度ρ≈1.8g/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）具有极佳的防震性，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）是非磁性金属，抗电磁波干扰能力强，电磁屏蔽性好。（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）。 镁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

材料与加工技术对产品变革的影响

等）、信息（如手机、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壳）等行业。同时，压铸镁合金产品在国防建设等领域也有十分广阔的应用前景。

新一代的材料成型加工技术也是我们必须要关注的一大问题。

制造技术可分为加工制造和成形制造（以液态铸造成形、固态塑性成形及连接成形等为代表）技术，其中成形制造不仅赋予零件以形状，而且决定了零件的组织结构与性能。

1 精确成型加工技术

近年来出现了很多新的精确成型加工制造技术。在汽车工业中库斯沃茨铸造（采用锆砂砂芯组合并用电磁泵控制浇铸）、消失模铸造及压力铸造已成为新一代汽车薄壁、高质量铝合金缸体铸件的3种主要精确铸造成形方法。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。

在轿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。

以挤压铸造及半固态铸造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（约200MPa）下充型和凝固。材料在压力作用下凝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凝固实验室研究开发，并在20世纪90年代中期因汽车的轻量化得到了快速发展。

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,能够以小批量甚至单件生产迎合市场。快速原型制造技术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，将零件的电子模型（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、线和点堆积形成零件的整体形状。有人因该技术高度的柔性而称之为“自由成形制造”。近年来快速原型制造已发展为快速模具制造及快速制造，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。

材料与加工技术对产品变革的影响

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