中國工程院士 清華大學 柳百成
［摘要］論述了材料成形加工技術的作用及地位，介紹了快速產品與工藝開發系統、新一代制造工藝與裝備、模擬與仿真3項關鍵先進制造技術，指出 輕量化、精確化、高效化將是未來材料成形加工技術的重要發展方向。

關鍵詞：先進制造技術 材料成形加工 精確成形加工 模擬仿真 并行工程 綠色制造

1 材料成形加工技術的作用及地位

中國已是制造大國，僅次于美、日、德，居世界第4位。中國雖是制造大國，但與工業發達國家相比，仍有很大差距，表現在：（1) 制造業的勞動生產率低，不到美國的5%；（2）技術含量低，以CAD為例，仍停留在繪圖功能上；（3）重要關鍵產品基本上沒有自主創新開發能力。

材料成形加工行業是制造業的重要組成部分，材料成形加工技術是汽車、電力、石化、造船及機械等支柱產業的基礎制造技術，新一代材料加工技術也是先進制造技術的重要內容。鑄造、鍛造及焊接等材料加工技術是國民經濟可持續發展的主體技術。據統計，全世界75%的鋼材經塑性加工成形，45%的金屬結構用焊接得以成形。又如我國鑄件年產量已超過1400萬t，是世界鑄件生產第一大國。汽車結構中65%以上仍由鋼材、鋁合金、鑄鐵等材料通過鑄造、鍛壓、焊接等加工方法成形。

但是，我國的材料成形加工技術與工業發達國家相比仍有很大差距。舉例說, 重大工程的關鍵鑄鍛件如長江三峽水輪機的第一個葉輪仍從國外進口；航空工業發動機及其他重要的動力機械的核心成形制造技術尚有待突破。因此，在振興我國制造業的同時，要加強和重視材料成形加工制造技術的發展。

高速發展的工業技術要求加工制造的產品精密化、輕量化、集成化；國際競爭更加激烈的市場要求產品性能高、成本低、周期短；日益惡化的環境要求材料加工原料與能源消耗低、污染少。為了生產高精度、高質量、高效率的產品，材料正由單一的傳統型向復合型、多功能型發展；材料成形加工制造技術逐漸綜合化、多樣化、柔性化、多學科化。因此, 面對市場經濟、參與全球競爭，必須十分重視先進制造技術及成形加工技術的技術進步。

2 材料成形加工技術的發展趨勢

美國在“新一代制造計劃（Next Generation Manufacturing）”中指出未來的制造模式將是：批量小、質量高、成本低、交貨期短、生產柔性、環境友好。未來的制造企業將是：以人、技術和經營三要素組成，而以人為本。未來的制造企業要掌握十大關鍵技術，其中包括快速產品與工藝開發系統、新一代制造工藝及裝備、模擬與仿真3項關鍵技術。其中下一代制造工藝包括精確成形加工制造或稱凈成形加工工藝（Net Shape Process）。凈成形加工工藝要求材料成形加工制造向更輕、更薄、更精、更強、更韌、成本低 、周期短、質量高的方向發展。
輕量化、精確化、高效化將是未來材料成形加工技術的重要發展方向。以汽車制造為例，美國新一代汽車研究計劃（Partnership of Next Generation Vehicle）的目標是在2003年汽車重量減輕10％，汽車每100km油耗要減少到3L，并減少10％的污染。為了達到這一目標，要求整車重量減輕40%～50%，其中車體和車架的重量要求減輕50％，動力及傳動系統減輕10％。例如，美國福特汽車公司新車型中使用的狀況就反映了這種變化。新一代汽車中黑色金屬用量將大幅度減少，而鋁及鎂合金用量將顯著增加，鋁合金將從129kg增加到333kg，鎂合金將從5kg增加到39kg。

近年來，隨著汽車工業和電子工業的迅速發展，對通過降低產品的自重以降低能源消耗和減少污染（包括汽車尾氣和廢舊塑料）提出了更迫切的要求，而輕量化的綠色環保材料將作為人們的首選。鎂合金就是被世界各國材料界看好的最具有開發和發展前途的金屬材料。

鎂合金產品具有以下優勢：（1）輕量化，密度ρ≈1.8g/cm 3，是鋼鐵的1/4，鋁的2/3，與塑料相近。（2）比強度高，剛性好，優于鋼和鋁。（3）具有極佳的防震性，耐沖擊，耐磨性良好。（4）具有優良的熱傳導性，可改善電子產品散熱性能。（5）是非磁性金屬，抗電磁波干擾能力強，電磁屏蔽性好。（6）加工成形性能好，成品外觀美麗，質感佳，無可燃性（相對于塑料）。（7）材料回收率高，符合環保法。（8）尺寸穩定，收縮率小，不易因環境溫度變化而改變（相對于塑料）。

鎂合金壓鑄件廣泛應用于交通工具（如汽車、摩托車及飛機零件等）、信息（如手機、數碼相機及手提電腦殼體等）及小型家電（如攝像機、照相機和其他電子產品外殼）等行業。同時，壓鑄鎂合金產品在國防建設等領域也有十分廣闊的應用前景。

3 新一代的材料成形加工技術

制造技術可分為加工制造和成形制造（以液態鑄造成形、固態塑性成形及連接成形等為代表）技術，其中成形制造不僅賦予零件以形狀，而且決定了零件的組織結構與性能。

3.1 精確成形加工技術

近年來出現了很多新的精確成形加工制造技術。在汽車工業中Cosworth鑄造（采用鋯砂砂芯組合并用電磁泵控制澆鑄）、消失模鑄造及壓力鑄造已成為新一代汽車薄壁、高質量鋁合金缸體鑄件的3種主要精確鑄造成形方法。許多國家預測消失模鑄造將成為“明天的鑄造新技術”。另外，用定向凝固熔模鑄造生產的高溫合金單晶體燃汽輪機葉片也是精確成形鑄造技術在航空航天工業中應用的杰出體現。

在轎車工業中還有很多材料精確成形新工藝，如用精確鍛造成形技術生產凸輪軸等零件、液壓脹形技術、半固態成形及三維擠壓法等。摩擦壓力焊新技術近來也備受人們關注。

以擠壓鑄造（Squeeze Casting）及半固態鑄造（Semi-solid Casting）為代表的精確成形技術由于熔體在壓力下充型、凝固，從而使零件具有好的表面及內部質量。半固態鑄造是一種生產結構復雜、近凈成形、高品質鑄件的材料半固態加工技術。圖5為半固態鑄造鋁合金零件在汽車上的應用。其區別于壓力鑄造和鍛壓的主要特征是：材料處于半固態時在較高壓力（約 200MPa）下充型和凝固。材料在壓力作用下凝固可形成細小的球狀晶粒組織。半固態鑄造技術最早在20世紀70年代由美國麻省理工學院凝固實驗室研究開發，并在20世紀90年代中期因汽車的輕量化得到了快速發展。

3.2 快速及自由成形加工技術

隨著全球化及市場的激烈競爭,加快產品開發速度已成為競爭的重要手段之一。制造業要滿足日益變化的用戶需求,制造技術必須具有較強的靈活性,能夠以小批量甚至單件生產迎合市場。快速原型制造技術(Rapid Prototyping)就是在這樣的社會背景下產生的。快速原型制造技術以離散/堆積原理為基礎和特征，將零件的電子模型(CAD模型)按一定方式離散成為可加工離散面、離散線和離散點,爾后采用多種手段將這些離散的面、線和點堆積形成零件的整體形狀。有人因該技術高度的柔性而稱之為“自由成形制造（Free Forming）”。近年來快速原型制造已發展為快速模具制造(Rapid Tooling)及快速制造(Rapid Manufacturing)，這些技術能大大縮短產品的設計開發周期，解決單件或小批零件的制造問題。

激光加工技術有多種多樣，包括電子元件的精密微焊接、汽車和船舶制造中的焊接、坯料制造中的切割、雕刻與成形等，其中激光加工自由成形制造技術也是重要的發展動向。

4 材料加工制造過程的模擬和仿真

隨著計算機技術的發展，計算材料科學已成為一門新興的交叉學科，是除實驗和理論外解決材料科學中實際問題的第3個重要研究方法。它可以比理論和實驗做得更深刻、更全面、更細致，可以進行一些理論和實驗暫時還做不到的研究。因此，基于知識的材料成形工藝模擬仿真是材料科學與制造科學的前沿領域和研究熱點。根據美國科學研究院工程技術委員會的測算, 模擬仿真可提高產品質量5～15倍，增加材料出品率25％，降低工程技術成本13%～30%，降低人工成本5%～20%，提高投入設備利用率30% ～60%，縮短產品設計和試制周期30%～60%等。

經過30多年的不斷發展，鑄造及鍛造宏觀模擬在工程應用中已是一項十分成熟的技術，已有很多商品化軟件（如MAGMA，PROCAST， DEFORM）和中國的鑄造之星（FT-STAR）等，并在生產中取得顯著的經濟及社會效益。例如，長江三峽水輪機的第1個葉輪是從加拿大進口的，價值為960萬美元，而在我國重型制造企業的共同努力下，長江三峽水輪機葉輪的重62t的不銹鋼葉片，已由德陽中國二重集團鑄造廠于2001年首次試制成功，其鑄造工藝方案采用了先進的計算機模擬仿真技術，經反復模擬得到了最優化的鑄造工藝方案。由國務院三峽辦、中國機械工業聯合會共同主持召開的鑒定委員會專家組認為：“該葉片技術資料齊全，采用了計算機優化等先進技術，符合有關標準要求，達到國際同行業先進水平。”

目前，模擬仿真技術已能用在壓力鑄造、熔模鑄造等精確成形加工工藝中，而 焊接過程的模擬仿真研究也取得了可喜的進展。

高性能、高保真、高效率、多學科及多尺度是模擬仿真技術的努力目標，而微觀組織模擬（從mm、μm到nm尺度）則是近年來研究的新熱點課題。通過計算機模擬，可深入研究材料的結構、組成及其各物理化學過程中宏觀、微觀變化機制，并由材料成分、結構及制備參數的最佳組合進行材料設計。計算材料科學的研究范圍包括從埃量級的量子力學計算到連續介質層次的有限元或有限差分模型分析，此范圍可分為4個層次：納米級、微觀、介觀及宏觀層次。在國外，多尺度模擬已在汽車及航天工業中得到應用。

鑄件凝固過程的微觀組織模擬以晶粒尺度從凝固熱力學與結晶動力學兩方面研究材料的組織和性能。20世紀90年代 鑄造微觀模擬開始由試驗研究向實際應用發展，國內的研究雖處于起步階段，但在用相場法研究鋁合金枝晶生長、用Cellular Automaton法研究鋁合金組織演變和汽車球墨鑄鐵件微觀組織與性能預測等方面均已取得重要進展。鍛造過程的三維晶粒度預測也有進展。

5 快速產品/工藝開發系統、并行工程及綠色制造

我國制造業的主要問題之一是缺乏創新產品的開發能力，因而缺乏國際市場競爭能力。

傳統產品開發的特點：一是照貓畫虎，知識老化，缺乏創新；二是周期長，返工多，成本高。例如，美國空軍研究所從1981～1991年研發武器共發布圖紙20000張，但共有90000張圖紙進行了更改，平均每張圖紙改動了4.5次，多花費了16億美元。

現代的產品開發系統的特點是：（1）采用現代設計理論與方法；（2）進行全生命周期設計；（3）設計全過程采用信息技術；（4）加快采用新材料、新工藝；（5）產品開發周期短，返工少，成本低，努力做到一次成功；（6）產品有創新，在國際市場上有競爭能力。

應該指出，產品設計及制造開發系統是以設計與制造過程的建模（Modeling）為核心內容的。在產品零部件的設計過程中同時要進行影響產品及零部件性能的成形制造過程的建模及仿真， 它不僅可以提供產品零部件的可制造性評估，而且可以提供產品零部件的性能預測。 1992年，美國先進金屬材料加工工程研究中心提出了產品設計/制造（工藝）集成系統。2001年，美國又提出了集成制造技術建議（Integrated Manufacturing Technology Initiative）和“可靠制造的建模與仿真（Modeling and Simulation for Affordable Manufacturing）”新構思，對產品設計制造等全生命周期過程全部進行了模擬仿真。

波音公司采用的現代產品開發系統將新產品研制周期從8年縮短到5年，工程返工量減少了50%。日本豐田汽車公司在研制2002年嘉美新車型時縮短了研發周期10個月，減少了試驗樣車數量65％。美國底特律柴油機公司研發1臺V6型柴油機的研發周期只用了7.5個月。美國汽車工業希望汽車的研發周期縮短為 15～25個月，而20世紀90年代汽車的研發周期為5年。

美國在展望2010年的制造業前景時，進一步把“精確成形工藝”發展為“無廢棄物成形加工技術(Waste-Freeess)”。所謂“無廢棄物加工”的新一代制造技術是指加工過程中不產生廢棄物；或產生的廢棄物能被整個制造過程中作為原料而利用，并在下一個流程中不再產生廢棄物。由于無廢物加工減少了廢料、污染和能量消耗，并對環境有利，從而成為棄物（Reduce）、重用 (Reuse) 及回用 (Recycling)。今后推廣的重要綠色制造技術。日本鑄造工廠最近提出了3R的環境保護新概念，即：減少廢棄物（Reduce)、重用（Reuse)及回用(Recycling)。