美国下下代国防材料技术发展的相关技术问题

设计
武器系统成功采用新材料必须将材料设计/选择与整个系统设计集成考虑,选择最符合武器系统需求的材料,甚至对材料进行定制或设计。同时在设计早期阶段修改设计方案以补偿材料缺点。

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如今,在以环保、电子等领域高科技发展及世界可持续发展为主所产生的巨大需求的大背景下,对于包括泵行业在内的许多行业或领域都带来了技术的飞速变革和发展。泵类产品必将向智能化方向发展,能够对压力、流量、温度和振动等参数进行监测;能够对泵的轴、轴承和密封状况进行评估;能够对故障的原因进行诊断等。

材料服从设计
材料及工艺专家与武器系统设计人员在开发阶段应尽早沟通,有可能设计出满足武器系统需求的材料,而不是围绕现有材料设计武器系统。将采用计算机仿真的成分/结构/加工/特性“虚拟”研究代替大量的实验室实验,缩短开发时间和降低开发成本。将建立材料特性综合数据库和开发表证材料特性的新技术,促进材料设计。

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中国汽车工程学会理事长付于武不久前表示,2050年之前,电驱动依然无法全面取代内燃机驱动,在此期间,水泵、机油泵也将面对轻量化、模块化发展的挑战。

材料定制
一种材料的特性很少能够解决某一应用的所有问题,必须在适合的参数范围内进行材料定制,以满足武器系统的各种要求。如果将多种材料视作结构复合材料中的一个系统,将大大增加材料特性的定制能力。定制的程度将随材料和应用类型而变化,材料科学家与系统工程师早期沟通有利于确定所需或所希望的材料。

   
 随着我国军工技术的突飞猛进,军工产品向小型化轻量化方向发展,其产品的功能、尺寸、重量越来越符合现代军事作战的特点,新材料、新工艺、新设备的投入应用,使产品的构造趋向模块化、集成化,在保证产品性能、质量要求的前提下,缩短产品的研制生产周期,确保研制产品的可制造性,是加快部队装备的关键。

要引领内燃机行业水泵和机油泵行业的潮流,准确把握泵技术的发展趋势是基本功。泵技术的发展一如其他产业的发展一样,是由市场需求的推动取得的。如今,在以环保、电子等领域高科技发展及世界可持续发展为主所产生的巨大需求的大背景下,对于包括泵行业在内的许多行业或领域都带来了技术的飞速变革和发展。

材料对开发/部署成本的影响
材料从多方面影响开发与部署成本,如原材料成本过高,材料极难加工或产生大量废物或废料,均使成本快速增高。开发全新的加工技术或鉴定程序也影响到成本,关键是要尽早了解基本过程、合格的特性范围和其它控制因素。

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节能减排需要技术创新

利用商品化代用材料
由于规模经济和加强加工质量控制,商品化材料及部件比专为国防设计、开发和制造的材料更便宜,且质量更好。但在投资开发性能大大改进的新材料或新工艺前,应证明潜在回报高而值得投资,并选择内部开发、合作生产还是外购的方式。

   
 设计工艺性是军工产品设计工作中的一项重要因素,也是产品的固有属性之一,它直接决定了产品的可制造性、可靠性、维修性、保障性、测试性、安全性和环境适应性。因此,军工产品设计中选用合理的结构、合适的材料及工艺,在设计伊始提高产品的设计工艺性,对保证产品的质量和可靠性、提高研制水平、增强产品批生产能力和有效控制成本有着重要的现实意义。

随着技术的不断进步,泵类产品必将向智能化方向发展,能够对压力、流量、温度和振动等参数进行监测;能够对泵的轴、轴承和密封状况进行评估;能够对故障的原因进行诊断等。磁力泵、隔膜泵行业的技术发展将集中体现在设计电子调节系统、改善驱动装置和寻求新的材料等方面。

风险管理
通常因风险而不愿采用新材料或新工艺,除非证明新材料或新工艺有明显的利益或风险很小。为此材料必须符合规定的标准,同时必须发现材料“致命性缺陷”,否则,即使别的特性再理想也决不考虑采用。

2 设计工艺性分析

理论与设计方法的科学化很有必要。因此必须加强泵的基础理论研究,注重交叉学科、边缘学科、新兴学科的相互渗透。理论研究的重点是:泵内部流动的测量、数值模拟及性能预测;一元黏性流动的数值计算;多相流动的理论与应用;泵的优化设计及设计的多样化。

制造
新材料或新工艺在实验室内可能很理想,但实际上根本无法制造,因此必须保证材料和零部件能实际生产使用、缺陷密度小、成品率高、无加工废物或废物量少、加工效率高,必须加强加工过程中的质量检验,并且制造成本合理。

2.1 产品的设计工艺性

生产和制造的高技术化是产品价廉物美的根本保证。通过利用先进的计算机辅助设计和计算机辅助制造技术,不仅保证了产品的设计质量,而且缩短了设计周期,大大提高了产品设计能力,实现了设计方案的最优化,确保了产品的可靠性。同时,计算机制造集成系统和虚拟技术的应用,大大地缩短了泵产品的生产周期,保证了产品的性能。

寿命周期
必须按零部件或武器系统全寿命周期材料性能挑选材料。按照材料或工艺可靠性模型预测材料使用寿命,用自质疑和自报告材料或系统提出应当注意的问题。并通过多种途径保证国防武器系统使用的材料具有极高的可靠性,如选择能在各种各样条件下使用的材料、加强加工质量控制、加强零部件和武器系统的维护。选择材料还必须考虑包括维护成本在内的寿命周期成本,并考虑材料的到期问题,包括武器系统再生或重新利用,以及无法再利用部件的环境意识处置。

   
 军工产品的设计工艺性是多种特性的综合,即通过产品设计和生产策划,形成最有效的、最可靠的和经济的方法,进行产品的制造、装配、检查、试验、安装、检验和验收,并能符合产品的技术要求、环境使用要求和质量要求。即在产品的全寿命周期中均体现了产品的设计工艺性。因此,具有良好工艺性设计应该是:具有适当技能的操作者,通过合理、经济的方法,采用经济和易获得的材料,在较短的时间内,制造出满足技术要求的产品。

模块化泵技术是泵业技术发展的一个重要趋势。在模块化泵系列中,只需要少数几个零件就可以构成整个泵系列,从而可以降低生产成本,缩短交货时间,减少零部件和备存的库存,而个性化的发展则要求产品逐渐趋向于朝多品种、小批量的方向发展。

设计工艺性可以归结为以下三点:

近年来,各种新材料的开发和应用是推动泵技术发展的一个重要因素。泵的零部件采用了各种各样的新材料,所带来的好处主要是延长了泵在腐蚀性介质中的使用寿命和可靠性,并扩展了泵的使用范围。同时,涂覆技术和材料的表面处理技术在改善泵的流动特性和耐腐蚀性方面变得日益重要,具有广阔的应用前景。

(1)设计工艺性是产品的固有属性,产品设计的各种要素都对设计工艺性产生影响。

传统制造与信息技术结合

(2)设计工艺性是对产品性能、生产周期、全寿命成本、可靠性、维修性、保障性、测试性、安全性和环境适应性等的综合平衡优化的结果,其目的是在满足产品性能和六性要求的前提下,满足经济高效生产的要求。

进入信息时代的今天,泵的设计人员早已经利用计算机技术来进行产品的开发设计,大大提高了设计本身的速度,缩短了产品设计的周期。而在生产为主的制造当中,以数控技术CAM为代表的制造技术业已深入到泵的生产当中。但是,从日前国内的情况看,数控技术CAM主要应用在批量产品的生产上。对于单件或小批的生产,目前CAM技术尚未在泵行业当中普遍实施,单件小批的生产仍旧以传统生产设备为主。

(3)设计工艺性不但与产品结构的各种要素有关,而且与工艺布局、公司现有的设备及测试手段等生产要素密切相关,同时与产品的生产批量密切相关。

由于市场要求生产厂商的货期尽可能缩短,尤其对于特殊产品(针对用户要求生产的产品)供货周期缩短,必然要求泵的生产企业加速利用CAM技术甚至是计算机集成制造系统、柔性制造对从设计到制造模具、零件加工等各环节协调一致处理,保证一旦设计完成,产品零部件的加工也趋于同期完成,以确保缩短产品的生产周期。