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　　世界經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，市場全球化和競爭日益

　　激烈。企業(yè)為了提高競爭力，必須縮短新產(chǎn)品研制和開發(fā)周

　　期，提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量，降低產(chǎn)品的開發(fā)成本，進(jìn)行創(chuàng)新

　　性設(shè)計(jì)，這樣才能滿足市場不斷變化的需求。虛擬樣機(jī)技術(shù)

　　( Virtual Prototyping )就是在這種迫切需要的驅(qū)動下產(chǎn)

　　生的。

　　新產(chǎn)品的開發(fā)與研制涉及許多相關(guān)的學(xué)科，例如機(jī)械運(yùn)

　　動學(xué)與動力學(xué)、人機(jī)工程學(xué)和美學(xué)等，而各個學(xué)科理論的最

　　優(yōu)實(shí)現(xiàn)又相互制約。過去，為了在這方面作出權(quán)衡，需要制

　　造物理樣機(jī)并進(jìn)行試驗(yàn)，研究其結(jié)構(gòu)與性能，并供其他人員

　　(如銷售與管理人員)進(jìn)行評價(jià)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)問題時，便會修改

　　設(shè)計(jì)方案，然后再制造物理樣機(jī)、再進(jìn)行樣機(jī)試驗(yàn)。在產(chǎn)品

　　定型之前，通常要經(jīng)過多次反復(fù)，這便大大增加了新產(chǎn)品的

　　開發(fā)周期和成本。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，這種人力、物力及財(cái)力

　　的浪費(fèi)越嚴(yán)重。而且由于物理樣機(jī)的單機(jī)制造成本很高，加

　　上急于優(yōu)先搶占市場，常常使投放市場產(chǎn)品的性能和功能不

　　夠完善。

　　虛擬樣機(jī)技術(shù)的逐漸成熟為解決這些問題提供了強(qiáng)有力

　　的工具和手段。運(yùn)用這項(xiàng)技術(shù)，一方面可以節(jié)約時間和資

　　金，降低產(chǎn)品成本，避免不必要的浪費(fèi);另一方面可以縮短

　　產(chǎn)品的開發(fā)周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量，增強(qiáng)產(chǎn)品的市場競爭力。

　　我國的礦山機(jī)械行業(yè)常常由于新產(chǎn)品的開發(fā)周期長、成本

　　高，導(dǎo)致一些產(chǎn)品嚴(yán)重老化、缺乏市場競爭力，而處于一種

　　不景氣的局面。利用虛擬樣機(jī)技術(shù)及廣泛開展這方面的應(yīng)用

　　研究，將對我國礦山機(jī)械行業(yè)的進(jìn)步及提高我國礦山機(jī)械產(chǎn)

　　品在國際市場的竟?fàn)幜τ兄匾囊饬x。

　　1 虛擬樣機(jī)技術(shù)

　　作為一種正處于探索中的新觀念、新技術(shù)，目前虛擬樣

　　機(jī)技術(shù)在國內(nèi)尚沒有一個統(tǒng)一的定義，完整的理論體系還沒

　　有形成，對于它的研究正處于不斷的深人和細(xì)化過程當(dāng)中，

　　根據(jù)幾種比較有代表性的論述可將其歸納如下：

　　所謂虛擬樣機(jī)技術(shù)就是在建造第一臺物理樣機(jī)之前，工

　　程師利用計(jì)算機(jī)技術(shù)建立機(jī)械系統(tǒng)的數(shù)字模型，進(jìn)行仿真分

　　析并以圖形顯示該系統(tǒng)在真實(shí)工程條件下的運(yùn)動特性，從而

　　修改并得到最優(yōu)設(shè)計(jì)方案的技術(shù)。虛擬樣機(jī)是一種計(jì)算機(jī)模

　　型，它能夠反映實(shí)際產(chǎn)品的特性，包括外觀、空間關(guān)系以及

　　運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)的特性。借助于這項(xiàng)技術(shù)，我們可以在計(jì)算

　　機(jī)上建立機(jī)械系統(tǒng)的模型，伴之以三維可視化處理，模擬在

　　現(xiàn)實(shí)環(huán)境下系統(tǒng)的運(yùn)動和動力特性并根據(jù)仿真結(jié)果精化和優(yōu)

　　化系統(tǒng)。也就是說，虛擬樣機(jī)技術(shù)是利用虛擬環(huán)境在可視化

　　方面的優(yōu)勢以及可交互式地探索虛擬物體的功能，對產(chǎn)品進(jìn)

　　行幾何。功能和制造等方面交互的建模與分析。它在CAD模型

　　的基礎(chǔ)上，把虛擬技術(shù)與仿真方法相結(jié)合，為產(chǎn)品的研制提

　　供了一個全新的設(shè)計(jì)方法。虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)貫穿在整個設(shè)計(jì)

　　過程當(dāng)中。在概念設(shè)計(jì)和方案論證中，設(shè)計(jì)師可以把自己的

　　經(jīng)驗(yàn)與想象結(jié)合在計(jì)算機(jī)的虛擬樣機(jī)里，讓想象力和創(chuàng)造力

　　充分發(fā)揮。當(dāng)用虛擬樣機(jī)來代替實(shí)際樣機(jī)驗(yàn)證設(shè)計(jì)時，縮短

　　了開發(fā)周期，設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率也得到了提高。

　　傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想和方法是一個串行的過程，從設(shè)計(jì)到產(chǎn)

　　品的批量生產(chǎn)按照從前到后的順序進(jìn)行。這種方法存在很多

　　的弊端，往往是把注意力過分集中在細(xì)節(jié)上而忽略了整機(jī)性

　　能，從而導(dǎo)致最終產(chǎn)品存在著許多未曾估計(jì)到的問題，這必

　　將導(dǎo)致設(shè)計(jì)質(zhì)量降低并造成嚴(yán)重浪費(fèi)。現(xiàn)在世界范圍內(nèi)已經(jīng)

　　廣泛地接受了并行工程(Concurrent而卻步Engineerms)的

　　概念，但大多數(shù)僅對單個、零部件采用并行設(shè)計(jì)方法，往往

　　導(dǎo)致整機(jī)系統(tǒng)效果不夠理想。而虛擬樣機(jī)技術(shù)強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)層面

　　上的優(yōu)化，該技術(shù)使產(chǎn)品在開發(fā)設(shè)計(jì)階段就可以迅速分析比

　　較多種設(shè)計(jì)方案，測試并改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，直至獲得最優(yōu)工作

　　性能。這樣，在產(chǎn)品質(zhì)量得到提高的同時，縮短了產(chǎn)品開發(fā)

　　周期，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)也更加合理、完善。

　　虛擬樣機(jī)技術(shù)是一門綜合多學(xué)科的技術(shù)。該技術(shù)以機(jī)械

　　系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)和控制理論為核心，加上成熟的三維計(jì)

　　算機(jī)圖形技術(shù)和基于圖形的用戶界面技術(shù)，將分散的零部件

　　設(shè)計(jì)和分析技術(shù)(如零部件的CAD和Flex有限元分析)集成在

　　一起，提供一個更全面地研究產(chǎn)品工作性能的方法。它通過

　　設(shè)計(jì)中的反饋信息不斷地指導(dǎo)設(shè)計(jì)，保證產(chǎn)品尋優(yōu)開發(fā)過程

　　順利進(jìn)行。

　　可以說，諸多相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步和成熟促進(jìn)了虛擬樣機(jī)技

　　術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展。首先，虛擬樣機(jī)能耗50%左右。

　　我國的第一汽車制造廠和第二汽車制造廠，每采用1000t

　　(1500萬件)粉末冶金零件，可節(jié)約鋼材2500t，銅材

　　300t;用粉末冶金材料熱鍛120萬件行星齒輪，可節(jié)約

　　CrMnTi鋼770t。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每生產(chǎn)20萬件粉末冶金零件，可節(jié)

　　約工時10萬臺時以上。

　　3 粉末冶金零件能夠改善主機(jī)性能

　　粉末冶金材質(zhì)組合設(shè)計(jì)和生產(chǎn)實(shí)施的自由度較高，能夠

　　根據(jù)機(jī)械零件的使用條件設(shè)計(jì)材料和生產(chǎn)方法，可以賦予零

　　件成品用常規(guī)工藝無法得到的組織結(jié)構(gòu)，使產(chǎn)品具有所需的

　　優(yōu)異性能，而有利于主機(jī)性能的改善和提高。

　　(1)在工業(yè)車輛中，粉末熱鍛傳動連桿，其疲勞強(qiáng)度優(yōu)

　　于鋼材模鍛件，當(dāng)運(yùn)行疲勞循環(huán)次數(shù)為106時，其額定載荷可

　　由29kn提高到34kn。

　　粉末冶金熱鍛傳動齒輪，當(dāng)運(yùn)行疲勞循環(huán)次數(shù)為106時，

　　其額定負(fù)荷扭矩為540Nm,而16nr5鋼只為430Nm。用粉末冶金

　　材料凸輪軸，其運(yùn)行疲勞循環(huán)次數(shù)可提高6~7倍。用粉末冶金

　　材料制造的剎車片耐磨性好，不粘結(jié)，不龜裂，剎車效能

　　高，可受比壓為1.5MPa，摩擦系數(shù)穩(wěn)定，單面單次磨損在

　　0.03mm以下，使用壽命可提高0.5~1.0倍。用粉末冶金材料

　　制造的一些耦合件具有顯著優(yōu)越性，如各種齒輪油泵，其齒

　　輪嚙合性好，耐磨損，泵油效率可提高15%~20%。

　　(2)在鏟裝設(shè)備中，主傳動系統(tǒng)變速箱的齒輪及齒輪

　　軸，彩粉末冶金熱鍛工藝制造，當(dāng)運(yùn)行疲勞周期為106時，，

　　其承載扭矩可提高15%~20%。齒輪箱的離合器、摩擦片采用粉

　　末冶金材料后，承受工作壓力可由95MPa提高到400MPa，傳遞

　　扭矩由150Nm提高到1400Nm，使用壽命在5000h以上。工作裝

　　置的幾種軸套采用鐵基粉末冶金制作，在50~100℃范圍內(nèi)尺

　　寸誤差穩(wěn)定，其耐磨性能比30號鋼高3~4倍。如用粉末冶金材

　　料取代鑄造青銅，磨損率可降低50%~60%。

　　(3)在起重運(yùn)輸設(shè)備中，用粉末冶金材料制成的固體潤

　　滑軸承和高石墨青銅含油軸承，能在一IO～15℃范圍內(nèi)保持

　　穩(wěn)定，耐磨性提高2倍。使主機(jī)噪聲降低5～6dB。使用的粉末

　　冶金鎢基和碳化鎢基觸頭，具有較高硬度、抗高溫熔焊、高

　　導(dǎo)電性和高導(dǎo)熱性等優(yōu)點(diǎn)，其壽命比銅鋁合金制品高6～I(xiàn)O

　　倍。用粉末冶金材料制成的托輥密封件和軸承保持架等零

　　件，工藝工時減少3O%，成本降低ZOde，使用效果良好，壽

　　命延長2-3倍。

　　(4)在鉆采設(shè)備中，各種鉆具、切割刃具都需要較高的

　　硬度及耐磨性，燒結(jié)高速鋼，鋼結(jié)硬質(zhì)合金和金屬陶瓷等粉

　　末冶金材料可以滿足要求，其價(jià)格較低而壽命較長。

　　用硬質(zhì)合金制做鉆具(如釬頭、聯(lián)結(jié)套等)和割齒，構(gòu)

　　件成型比較容易，工藝簡捷，成本可降低 ZO %左右;而鉆鑿

　　效率可提高3Ong，壽命延長 IO～ZO倍，鋼結(jié)硬質(zhì)合金可以進(jìn)

　　行機(jī)械加工和熱處理，用它制做綜采機(jī)割頭的有孔柱形齒和

　　巷道掘進(jìn)機(jī)割盤的滾刀，可按工作條件要求成型，節(jié)約工時

　　3O%，切割效率提高ZO%一25%，其使用壽命比W18Cr4v高3—

　　5倍。

　　4 粉末冶金工藝有利于保護(hù)生產(chǎn)環(huán)境

　　如前所述，采用普通機(jī)械加工工藝制造機(jī)械零件，其金

　　屬材料利用率僅為50%左右，大部分材料變?yōu)榻饘傩技捌渌?/P>

　　遺物，這些固體廢物對環(huán)境的水體、大氣和土壤都會產(chǎn)生派

　　生大量的酸渣和酸氣，嚴(yán)重污染環(huán)境。廢水含有四乙基鉛

　　(Ph[C2H]).鉻酸配(CrO3、二氧化錳(MnO2 )和硫化

　　硒(SeS)等，其中的大量有色金屬元素進(jìn)人清潔用水系統(tǒng)

　　后，使水體的天然自靜能力受到抑制，進(jìn)而產(chǎn)生異味、異

　　臭、異色，呈現(xiàn)泡沫和油膜等，妨礙水系的正常利用。

　　如前所述，粉末冶金零件成型技術(shù)屬于少切削或無切削

　　加工工藝，沒有金屬屑等固體排遺物，更沒有機(jī)械加工產(chǎn)生

　　的廢油，生產(chǎn)過程中雖有少量的粉塵和廢水，但僅為普通機(jī)

　　械加工工藝的1/15~ l/ ZO。所以，粉末冶金零件成型工藝技

　　術(shù)對保護(hù)生產(chǎn)環(huán)境是非常有利的。

　　由于粉末冶金工藝技術(shù)在機(jī)械行業(yè)呈現(xiàn)出諸多優(yōu)點(diǎn)，所

　　以近年來工業(yè)先進(jìn)國家的粉末冶金工業(yè)發(fā)展速度，明顯超過

　　傳統(tǒng)的機(jī)械工業(yè)和冶金工業(yè)。我國通過十幾年的努力，粉末

　　冶金工業(yè)已具有一定規(guī)模，達(dá)到一定水平。當(dāng)前正重點(diǎn)研究

　　提高鐵基材料、銅基材料、摩擦材料和復(fù)合材料等已有產(chǎn)品

　　的性能。同時開發(fā)各種先進(jìn)的結(jié)構(gòu)材料和功能材料。如精細(xì)

　　陶瓷、超導(dǎo)材料、記憶合金和超微粒材料等。努力發(fā)展快速

　　冷凝。機(jī)械合金化及STAMP法等新材料制造技術(shù)。只要結(jié)合工

　　礦機(jī)械產(chǎn)品開發(fā)，擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域，廠家與用戶緊密結(jié)合，不

　　斷進(jìn)行使用性能、使用條件和應(yīng)用范圍的研究，粉末冶金工

　　藝技術(shù)定會獲得更好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。