1 精密成形技术的内涵及作用

1.1 内涵

精密成形技术是指零件成形后，仅需少量加工或不再加工(近净成形技术，nearnetshapetechnique;或净成形技术，netshapetechnique)，就可用作机械构件的成形技术。它是建立在新材料、新能源、信息技术、自动化技术等多学科高新技术成果的基础上，改造了传统的毛坯成形技术，使之由粗糙成形变为优质、高效、高精度、轻量化、低成本、无公害的成形。它使得成形的机械构件具有精确的外形、高的尺寸精度和形位精度、好的表面粗糙度。该项技术包括近净形铸造成形、精确塑性成形、精确连接、精密热处理、表面改性等专业领域，是新工艺、新材料、新装备以及各项新技术成果的综合集成技术。

精密成形技术具有以下特点：①近净成形体尺寸及形位精度高，为后续采用高效、高精加工提供了理想的毛坯;②高效、低消耗、低成本，为缩短产品开发周期、降低产品成本提供了有利条件;③可方便、快捷地做出过去很难做出的结构件，为新产品开发提供有力技术支撑;④较传统成形产品改善生产条件、减少对环境污染，成为一种清洁生产技术，为可持续发展创造有利条件。

1.2 作用

精密成形技术是先进制造技术的一个重要内容，几乎所有的机械零部件都要通过成形与改性才能具有所需的形状及实用功能。据统计，全世界约有75%的钢材要经过塑性加工，有45%以上的钢材采用焊接技术得以成形。以汽车为例，据德国预测，到2000年，汽车总重量的65%仍将由钢材(约45%)、铝合金(约 13%)及铸铁(约7%)通过锻压、焊接或铸造成形，并通过热处理及表面改性获得最终所需的实用性能[1]。在工业发达国家精密成形铸件已占铸件总产量的 25%～30%，而其产值达到铸件总产值的50%左右。

精密成形技术的发展对提高一个国家的工业竞争力有重大影响。美国竞争委员会在1991年向美国总统提交的美国未来技术优先权的研究报告中，把精密成形与加工技术列为美国处于柔弱地位的技术，建议政府予以重视与支持。

我国制造业在一个相当长的时期将获得快速发展，据预测一直到2020年制造业占我国GDP的比重将保持在35%左右的较高值，2020年后虽然制造业的比重呈下降趋势，但其绝对值仍然不断增加;预计2000年国内机械产品需求2万亿元，2005年达3万亿元;到2005年汽车总需求量为290万辆～330万辆，其中轿车130万辆～140万辆。制造业特别是机械制造业的发展，要求生产过程节约能源、节约材料、提高资源利用效率，这已成为能否以低成本、高质量、高效率参与国际市场竞争的十分重要的问题。发展、应用精密成形技术就是一个有效途径。

2 现状及发展趋势

2.1 现状

近30年来，精密成形技术在国外以很快的速度发展。大量优质、高效、少无切削的新型成形与改性技术得到发展，并在工业中获得广泛应用，如气化模铸造、树脂自硬砂组芯造型等近净形铸造技术;超塑成形、精密热锻、精密冷温成形等精密塑性成形技术;气体保护焊、激光焊、真空电子束焊等精密连接技术。为了加快产品设计，近10年来发展了快速原型/零件制造技术，它打破了材料“去除”的成形原理，采用“累积”成形。目前已开始用于不同领域，并获得了巨大的经济效益。

为了提高制造成形的质量，特别是在大型零件制造中，减少实验工作量以实现一次制造成功，工艺模拟技术获得了飞速发展，首先在铸造领域进入了商品化阶段，在焊接、锻压、热处理方面也取得了很大成绩。

为了改善人类生存环境，绿色制造成形也在不断发展，人们力求在制造成形过程中，最大限度地减少对环境的污染。为了日益扩大人类活动范围，各种水下切割与连接，以及表面改性技术获得发展与应用，已可在水下200m深处进行操作。随着航空、航天事业的发展，在空间进行连接与改性已有必要，这方面也取得突破性进展。

近年来，精密成形技术在我国得到迅速发展[2]。在近净形铸造技术方面，近几年重点发展了熔模精密铸造、陶瓷型精密铸造、消失模铸造等新技术。采用消失模铸造生产的铸件质量好，铸件壁厚公差达到了±0.15mm，表面粗糙度Ra25μm。电渣熔铸工艺已用于大型水轮机的导叶生产。 1997年研究成功的电渣铸接新工艺，铸接了一块300mm×190mm×700mm的试验件。高强度、形态复杂、薄壁、净重2.7t的铝合金铸件也获成功;在精密塑性成形技术方面，重点发展了热锻技术、冷精压技术、成形轧制技术、精冲技术和超塑成形技术。依靠我国力量建设的汽车前梁、羊角和轿车连杆生产线已达到国际先进水平。汽车前轴精密辊锻和模锻复合工艺，其生产线投资仅为以万吨热模锻压力机为主方案的1/5～1/8;精密连接与切割技术方面，重点发展了电子束焊接、水下焊接和切割技术、逆变焊接电源及药芯焊丝制造技术。已研究开发成5kWCO2焊接与切割工艺及设备。

一批先进的新型、高效、优质、高精度成形技术在机械工业生产中被大量采用，如铸造方面，采用了感应电炉双联熔炼技术，炉前微机自动检测控制技术，通过采用新技术，铁水温度由 1350℃～1450℃提高到1500℃左右;树脂砂铸造从无到有，铸件质量达到当代工业先进国家同类企业的先进水平，大型铸钢件已达330t以上;锻造方面，已基本掌握了精锻、精冲、冷挤等少无切削锻压工艺，基本掌握了热锻生产线成套技术，锻造用最大钢锭达400t，已成功地锻造了300MW、 600MW大型火电机组成套锻件和核电压力壳锻件;焊接方面，基本掌握了精密切割、气体保护焊及埋弧自动焊等先进技术，焊接成套设备、焊接机器人、焊接生产线和柔性制造系统已经使用;热处理及表面改性方面，已基本掌握或推广应用了可控气氛热处理、真空热处理、低温化学热处理、激光表面合金化，PVD、 CVD及其复合技术也成功地应用于工模具，无污染自泳涂装技术广泛应用于工程机械，在节能节材方面取得明显效果。

“九五”期间，国家将“精密成形与加工研究开发和应用示范”列为重点科技攻关项目[3]。通过该项目的实施，围绕汽车等重大产品以及跟踪国际精密成形技术的前沿，在汽车薄壁球铁件金属型铸造、铝合金金属型精密成形、精密热锻件、冷精锻和闭塞锻造、复杂形状接插件、大型覆盖件冲压成形、大功率固体激光加工、离子束表面复合改性、金属表面合金化复合强化、快速原型制造及应用等方面，取得一批具有国际先进水平的科技成果，并且预计可研究开发成新产品20种、工业应用示范生产线14条、中试生产点12个、综合应用示范厂1个。

2.2 发展趋势

2.2.1 成形精度向净成形的方向发展

当前精密成形技术已在较大程度上实现了近净成形，即制造接近零件形状的工件毛坯，较传统成形技术减少了后工序的切削量，减少了材料、能源的消耗。发展趋势是实现净成形，即直接制成符合形状要求的工件。据国际机械加工技术协会预测，21世纪初，塑性成形与磨削相结合，将取代大部分中小零件的切削加工。#p#副标题#e#

2.2.2 成形工艺向新型加工方法以及复合工艺方向发展

激光、电子束、离子束、等离子体等多种新能源及能源载体的引入，形成多种新型成形与改性技术，一些特殊材料(如超硬材料、复合材料、陶瓷等)的应用造就了一批新型复合工艺的诞生，如超塑成形/扩散连接技术。

2.2.3 成形装备沿着“单机自动化--流水线自动化--柔性、集成系统”方向发展

由于激烈的市场竞争，生产方式将由大批量单品种转向多品种变批量，为快速响应市场又要求成形的高速度，各类传感器技术、计算机技术、信息和控制技术的发展支撑着精密成形装备从单机到系统的自动化、柔性化、集成化。

2.2.4 成形质量控制朝过程智能化方向发展

质量控制是为了保证优化的工艺，提高产品质量，保证稳定不变的工艺条件得到分散度极小的均一的产品质量。为此，在生产过程自动化、工艺参数在线控制、生产工艺因素对工艺效果影响的模拟基础上，实现控制过程智能化，并实现上述目标，是当前的主要方向。

2.2.5 工艺模拟及优化技术获得飞速发展，工艺由“技艺”向“工程科学”方向发展

精密成形技术的一个重要发展趋势是工艺设计由经验判断走向定量分析，应用数值模拟于铸造、锻压、焊接、热处理等工艺设计中，并与物理模拟和专家系统结合，来确定工艺参数、优化工艺方案、预测加工过程中可能产生的缺陷及采取有效防止措施、控制和保证加工工件的质量。

代表性的技术有虚拟铸造技术，虚拟锻压技术，焊接、热处理工艺过程模拟及质量预测、组织性能预测，成形工艺-模具-产品CAD/CAM一体化技术。

2.2.6 精密成形制造向虚拟制造和网络制造方向发展

与制造技术向虚拟制造和网络制造方向发展，并最终实现全球化生产的方向一样，精密成形制造也向虚拟制造和网络制造方向发展，如精密模具制造目前已在国内开展分散网络制造的研究及应用示范。

2.2.7 精密成形生产向清洁生产方向发展

清洁生产技术是协调工业发展与环境保护矛盾的一种新的生产方式，是21世纪制造业发展的重要特征。

精密成形清洁生产技术有如下主要意义：①高效利用原材料，对环境清洁;②以最小的环境代价和最小的能源消耗，获取最大的经济效益;③符合持续发展与生态平衡。

3 我国应重点发展的精密成形技术前沿

(1)优质、高效成形与改性技术　它涵盖了现代机械制造技术中毛坯与模型制造的主要技术内容。其特点是，该项技术是由多项现代科学技术与传统成形技术结合并改善，使制件的形状精度和尺寸精度得到很大提高，从而实现了接近或完全达到成品最终形状，工件的微观组织和性能可以进行预测和控制，以及优质高效、低成本。

主要指如下技术：①精密毛坯制造技术。它是提供高效、精密、高质量毛坯的制造技术。由于当今技术的发展，毛坯制造业已实现了轻量化、高精度、高质量，这里包含了近净形、无缺陷铸造技术、精确塑性成形技术、优质高效连接技术，以及新型复合成形技术等。②毛坯和零件的改性和涂层技术。这是进一步改善毛坯和制件内部组织性能，以及提供一个能适应各种不同工况条件的优质表面的制造技术。现代机械性能参数提高，工况复杂，要适应多种不同工况和环境，不但要有更高的内部组织性能要求，还要求表面耐磨、耐蚀、耐辐射、耐高温，要求处理后做到不变形或少变形，这方面包含了两个内容，即精确热处理技术、优质高效表面改性及涂层技术。③大型工件和关键件成形与改性技术。由于其零件尺寸大，制造方法和性能要求有别于一般中小件，因此需要单独进行研究开发。④ 模型和模具制造。为加速产品开发，缩短开发和生产周期，需要解决的配套技术有快速成形制造技术和精密模具技术。⑤再制造技术。将在使用中因磨损、腐蚀、疲劳等原因造成局部失效，但未造成不可恢复损伤的重要零部件，采用先进的表面工程、修复热处理等技术，优质、高效、低成本、少无污染地恢复并改善其性能的系统技术。

(2)精密成形设备及生产自动化技术　各种精密成形工艺必须依靠先进的装备予以实现。自动化的生产过程应当是系统本身具有决策和适应的能力，这往往需要装备有能够感知加工对象状况和外部环境条件的传感器，在对各种信息的处理后自动修正系统输出，以抵抗干扰并消除误差，同时采用各种先进控制手段，以达到预定的加工质量并实现高效、低成本生产的目的。

主要包括新型成形与改性设备(单机与生产线)自动化技术、成形与改性工艺过程智能控制技术、成形与改性柔性生产线单元和系统技术、成形与改性过程集成制造系统等。

(3)精密成形质量控制技术　精密成形的质量控制包括材料化学成分、冶金质量、加工过程、制造工艺参数、工艺与辅助材料、产品质量性能的优化控制，破坏性抽查，100%的无损探伤、无损检验、分选等一系列过程的人工的或自动的控制。它是一种既包括生产技术，又包括生产质量管理的系统工程。它可以把废次品消除在生产过程之中，实现100%合格的全面质量控制，而不是最后靠技术检验科检出废品。在生产过程中实现自动控制对节能、节材、降低制造成本、提高产品质量、保证质量的均一性、零件的互换性起着重要作用。它的方向是实现控制过程智能化。

主要包括质量在线控制技术、无损检测与评价技术、统计过程控制(SPC)技术、精密传感技术等。

(4)热加工工艺模拟及优化技术　随着试验技术及计算机技术的发展，一门崭新的交叉技术--材料热加工工艺模拟及优化设计应运而生。它一出现立即吸引了大批研究工作者涉及这一领域，成为材料热加工各个学科最为瞩目的研究热点及技术前沿。

有如下主要研究内容：①金属材料热加工基础理论及缺陷形成机理。这是建立过程模型及设计物理模拟试验的理论基础。②金属材料热加工宏观尺度模拟及优化控制。模拟、预测并优化材料在加工成形中的形状、位置、尺寸及孔洞、裂纹、皱纹等宏观缺陷的加工结果。③金属材料热加工微观尺度模拟及优化控制。模拟、预测并优化材料微观组织结构及偏析、混晶、氢致裂纹等微观缺陷的演化。④非牛顿流体注塑过程的动态模拟和优化控制。⑤金属材料成形改性工艺性的物理模拟和精确评价技术。⑥在并行环境下，工艺模拟与生产系统的集成(包括数据库、知识支持系统、专家系统)。

(5)清洁成形与改性技术　清洁成形与改性技术是实现机械制造业自身清洁生产的重要环节和关键技术。清洁成形与改性制造技术可在生产的各个环节采用无毒无害材料、清洁的能源，高效、节能、降耗、减污的先进制造工艺与装备。对在少无污染成形及改性技术无法实现的情况下产生的“三废”进行严格的处理-回收-利用，有效地保护生态环境。

主要包括节能节材及少无污染成形与改性技术、三废治理及综合利用技术、成形与改性设备的改造及延寿技术等。

(6)新型材料(工件)及特殊条件下的成形与改性技术　新型材料(工件)的成形技术是解决新型材料(高强铝合金、铝锂合金、钛合金、金属间化合物、各类复合材料、超导材料和形状记忆合金等功能材料)在变成制品时成形过程的特殊困难的技术，包括铸造、塑性成形、连接与材料改性等技术。新型材料成形技术是先进制造技术的重要组成部分，是许多先进结构或元器件不可缺少的重要制造技术。

人类正向水下、太空领域进一步开拓自己的活动领域，核能的发展也要求制造技术保证核能装备在核辐射条件下的各种性能。特殊条件下的成形与改性技术主要针对上述水下、微重力、超真空、核辐射条件下的切削、连接以及表面保护技术。

主要包括新型材料(工件)成形技术、特殊条件下(水下、微重力、真空、核辐射等)的成形与改性技术。