工技學(xué)第十講-現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展與前沿

工技學(xué)第十講—現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展與前沿本章提要機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展過程，是一個不斷提高機(jī)械制造產(chǎn)品的加工精度和表面質(zhì)量、不斷提高和完善制造過程的自動化水平和不斷降低制造成本的過程。制造技術(shù)的一個基本出發(fā)點就是：在充分利用現(xiàn)有的科學(xué)技術(shù)最新成果的基礎(chǔ)上，優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低消耗地生產(chǎn)出所需的產(chǎn)品來。從系統(tǒng)的觀點出發(fā)、以計算機(jī)作為工具，現(xiàn)代機(jī)械制造工藝走向系統(tǒng)化、柔性化和高度自動化。概述難加工材料的特種加工超精密加工技術(shù)機(jī)械制造系統(tǒng)的自動化與計算機(jī)輔助制造技術(shù)內(nèi)容提綱8.1概述8.1.1現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展過程20世紀(jì)60年代，隨著市場競爭的日益加劇，大規(guī)模生產(chǎn)方式面臨著新的挑戰(zhàn)。這個時期誕生的制造技術(shù)與制造裝備主要有計算機(jī)輔助設(shè)計（CAD）、計算機(jī)輔助工藝設(shè)計（CAPP）、計算機(jī)輔助工程（CAE）、計算機(jī)輔助制造（CAM）、現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床、柔性制造系統(tǒng)（FMS）、即時生產(chǎn)（JIT）等。20世紀(jì)80年代，出現(xiàn)了制造資源規(guī)劃（MRPⅡ）、企業(yè)資源規(guī)劃（ERP）、計算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）、并行工程（CE）、精益生產(chǎn)（LP）等。20世紀(jì)90年代以來，以互聯(lián)網(wǎng)為代表的信息技術(shù)革命給世界帶來了巨大的變化，經(jīng)濟(jì)全球化進(jìn)程也打破了傳統(tǒng)的地域經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式，市場變得更為廣闊。在這樣的背景下，提高制造企業(yè)的快速響應(yīng)能力以適應(yīng)瞬息萬變的市場需求，成為制造企業(yè)應(yīng)得市場競爭的關(guān)鍵。圍繞著這一個目標(biāo)，出現(xiàn)了許多的先進(jìn)制造系統(tǒng)模式，如敏捷制造、虛擬制造、智能制造及綠色制造等。8.1概述8.1.2現(xiàn)代制造技術(shù)的產(chǎn)生及特點1．現(xiàn)代制造技術(shù)的產(chǎn)生19世紀(jì)末，自然科學(xué)和工業(yè)技術(shù)進(jìn)入了鼎盛發(fā)展時期，出現(xiàn)了許多劃時代的科學(xué)發(fā)展和新技術(shù)發(fā)明，并相應(yīng)建立了新的自然科學(xué)理論和新的學(xué)科體系，為能量驅(qū)動型的傳統(tǒng)制造向信息驅(qū)動型的現(xiàn)代制造發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)，創(chuàng)造了技術(shù)條件，這些科學(xué)和技術(shù)進(jìn)展可歸納如下。（1）19世紀(jì)末自然科學(xué)的全面發(fā)展。19世紀(jì)末，自然科學(xué)領(lǐng)域進(jìn)入了一個全面發(fā)展的時期，不斷產(chǎn)生新的重大發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)立新的科學(xué)理論體系。（2）新技術(shù)的產(chǎn)生。自然科學(xué)的全面進(jìn)步，促進(jìn)了新技術(shù)的發(fā)明和創(chuàng)造，產(chǎn)生了新興材料技術(shù)、新切削加工技術(shù)、大型發(fā)電和傳輸技術(shù)、核能技術(shù)、微電子技術(shù)自動化技術(shù)、激光技術(shù)、生物技術(shù)和系統(tǒng)工程技術(shù)。（3）社會發(fā)展對制造技術(shù)提出了需求。人類社會跨入20世紀(jì)后，社會發(fā)展對經(jīng)濟(jì)支撐行業(yè)——制造業(yè)及其技術(shù)體系提出了更高的需求，要求制造業(yè)具有更加快速和靈活的市場響應(yīng)、更高的產(chǎn)品質(zhì)量、更低的成本和能源消耗，以及良好的環(huán)保特性。這一需求促使傳統(tǒng)制造在20世紀(jì)開始了又一次新的革命性的變化和進(jìn)步，傳統(tǒng)制造開始向現(xiàn)代制造發(fā)展。8.1概述8.1.2現(xiàn)代制造技術(shù)的產(chǎn)生及特點2．現(xiàn)代制造技術(shù)的特點現(xiàn)代制造技術(shù)的最大特點是計算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、管理等科學(xué)與制造科學(xué)的交叉融合。與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比，現(xiàn)代制造技術(shù)具有以下特點：（1）現(xiàn)代制造技術(shù)的覆蓋范圍更加廣泛?，F(xiàn)代制造技術(shù)覆蓋了從產(chǎn)品設(shè)計、加工制造到產(chǎn)品銷售、使用、維修和回收的整個生命周期。（2）現(xiàn)代制造過程呈多學(xué)科、多技術(shù)交叉及系統(tǒng)優(yōu)化集成的發(fā)展態(tài)勢。（3）現(xiàn)代制造技術(shù)的基礎(chǔ)是優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、無污染或少污染的加工工藝，在此基礎(chǔ)上形成了新的先進(jìn)加工工藝與技術(shù)。（4）現(xiàn)代制造技術(shù)從單一目標(biāo)向多元目標(biāo)轉(zhuǎn)變，強(qiáng)調(diào)優(yōu)化制造系統(tǒng)的產(chǎn)品上市時間、質(zhì)量、成本、服務(wù)、環(huán)保等要素，以滿足日益激烈的市場競爭的要求。（5）現(xiàn)代制造技術(shù)正在從以物質(zhì)流和能源流為要素的傳統(tǒng)制造觀向著信息流、物質(zhì)流及能量流為要素的現(xiàn)代制造觀轉(zhuǎn)變，信息流在制造系統(tǒng)中的地位已經(jīng)超越了物質(zhì)流和能量流。（6）現(xiàn)代制造技術(shù)特別強(qiáng)調(diào)以人為本，強(qiáng)調(diào)組織、技術(shù)與管理的集成，制造技術(shù)與生產(chǎn)管理相互融合、相互促進(jìn)。8.1概述8.1.3現(xiàn)代制造技術(shù)的內(nèi)容1．現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)是現(xiàn)代制造技術(shù)的基礎(chǔ)。出現(xiàn)了優(yōu)化設(shè)計、計算機(jī)輔助裝配工藝設(shè)計、計算機(jī)輔助夾具設(shè)計、反求工程、面向產(chǎn)品全生命周期的設(shè)計、基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的異地設(shè)計、智能設(shè)計、虛擬設(shè)計、綠色設(shè)計等。2．現(xiàn)代加工技術(shù)制造工藝與加工方法是制造技術(shù)的核心和基礎(chǔ)?，F(xiàn)代加工技術(shù)主要涉及先進(jìn)切削加工技術(shù)、成型加工技術(shù)、變形加工技術(shù)、表面工程技術(shù)以及特種加工技術(shù)等。3．自動化技術(shù)制造自動化可以說是現(xiàn)代制造技術(shù)最顯著的特征。制造自動化技術(shù)經(jīng)歷了一個長期的發(fā)展過程，從早期的剛性自動化、數(shù)控加工等階段，發(fā)展到柔性制造、計算機(jī)集成制造等階段。4．制造管理技術(shù)制造系統(tǒng)是由加工對象、制造裝備以及人員組織等構(gòu)成的一個有機(jī)整體。其中，企業(yè)的戰(zhàn)略決策、組織構(gòu)架、人力資源、信息流、物流等的管理與控制，也是非常重要的方面。5．先進(jìn)制造技術(shù)先進(jìn)制造技術(shù)是制造技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、自動化技術(shù)以及管理科學(xué)等多學(xué)科技術(shù)綜合運用于制造工程而形成的一個學(xué)科體系。8.2難加工材料的特種加工8.2.1基本概念特種加工是指直接利用電能、光能、聲能、化學(xué)能及電化學(xué)能去除材料的加工方法。其共同的特點是：加工時工具與工件不直接接觸，沒有顯著的機(jī)械力，工具的硬度可以比工件低，因此可以加工用傳統(tǒng)機(jī)械加工方法難以加工或無法加工的高硬度、高強(qiáng)度、高脆性材料或具有細(xì)微小孔、深孔、窄縫、型腔以及低剛度、薄壁等零件?？山鉀Q以下難題：（1）新型材料及傳統(tǒng)的難加工材料的加工。（2）各種特殊復(fù)雜表面的加工。（3）各種超精、光整或具有特殊要求的零件的加工。8.2難加工材料的特種加工8.2.1基本概念特種加工方法加工所用能量可加工材料主要適用范圍電火花加工電熱能任何導(dǎo)電的金屬材，如硬質(zhì)合金、耐熱鋼、不銹鋼、淬火鋼等各種沖、壓、鍛模及三維成型曲面的加工電火花線切割電熱能各種沖模及二維曲面的成型截割電化學(xué)加工電、化學(xué)能鍛模及各種二維、三維成型表面加工電化學(xué)機(jī)械復(fù)合加工電、化、機(jī)械能硬質(zhì)合金等難加工材料的磨削超聲加工聲、機(jī)械能任何脆硬的金屬及非金屬材料石英、玻璃、鍺、硅、硬質(zhì)合金等脆硬材料的加工、研磨快速成型光、熱、化學(xué)樹脂、塑料、陶瓷、金屬、紙張、ABS制造各種模型激光加工光、熱能任何材料加工精密小孔、小縫及薄板材成型切割、刻蝕電子束加工電、熱能離于束加工電、熱能表面超精、超微量加工、拋光、刻蝕、材料改性、鍍覆常見特種加工方法8.2難加工材料的特種加工8.2.2電火花加工1-直流脈沖電源；2-工件；3-工作液；4-工具電極；5-自動進(jìn)給調(diào)節(jié)裝電火花加工又稱放電加工、電蝕加工（Electro-DischargeMachining，EDM），是利用工具電極和工件電極間瞬時火花放電所產(chǎn)生的高溫來熔蝕工件的表面材料，達(dá)到加工目的的一種加工方法。8.2難加工材料的特種加工8.2.2電火花加工1-直流脈沖電源；2-工件；3-工作液；4-工具電極；5-自動進(jìn)給調(diào)節(jié)裝1）電火花加工的優(yōu)點（1）適用于難切削材料的加工。（2）可以加工特殊及復(fù)雜形狀的零件。（3）主要用于加工金屬等導(dǎo)電材料，在一定條件下也可以加工半導(dǎo)體和非導(dǎo)體材料。（4）加工表面微觀形貌圓滑，工件的棱邊、尖角處無毛刺、塌邊。（5）工藝靈活性大，還可與其他工藝結(jié)合，形成復(fù)合加工。2）電火花加工的局限性（1）一般加工速度較慢。（2）存在電極損耗和二次放電。（3）最小角部半徑有限制。8.2難加工材料的特種加工8.2.3電解加工4—工件；5—電解液泵；6—電解液

1-直流電源；2-進(jìn)給機(jī)構(gòu)；3-工具；4-工件；5-電解液泵；6-電解液電解加工是利用金屬在電解液中產(chǎn)生陽極溶解的化學(xué)原理來加工工件的。工件接直流電源的正極，工具接負(fù)極，兩極間保持一定間隙（～）。電解液以一定的壓力（～2MPa）和速度（5～50m/s）從間隙間流過。當(dāng)接通直流電源時（電壓為5～20V，電流密度為10～100A/cm2），工件與陰極接近的表面金屬開始電解。工具以一定的速度（～3mm/min）向工件進(jìn)給，逐漸使工具的形狀復(fù)印到工件上，得到所需要的加工形狀。8.2難加工材料的特種加工8.2.4超聲加工1—超聲發(fā)生器；2—換能器；3－振幅擴(kuò)大棒；4－工作液；5－工件；6－工具超聲加工是利用超聲頻振動（16kHz以上）的工具沖擊磨料，使工作液中的懸浮磨粒對工件撞擊、拋磨來實現(xiàn)加工的一種方法。超聲發(fā)生器將工頻交流電能轉(zhuǎn)變?yōu)橛幸欢üβ瘦敵龅某曨l電振蕩，通過換能器將超聲頻電振蕩轉(zhuǎn)變?yōu)槌暀C(jī)械振動，其振幅一般只有5～10μm，再通過一個上粗下細(xì)的振幅擴(kuò)大棒，使振幅擴(kuò)大到10～100μm，固定在振幅擴(kuò)大棒端頭的工具即產(chǎn)生超聲振動。8.2難加工材料的特種加工8.2.5激光加工激光是一種經(jīng)受激輻射產(chǎn)生的加強(qiáng)光。光的強(qiáng)度高，方向性、相干性和單色性好。通過光學(xué)系統(tǒng)可將激光束聚焦成直徑為幾十微米到幾微米的極小光斑，從而獲得極高的能量密度（108～1010W/cm2）。當(dāng)激光照射到工件表面，光能被工件吸收并迅速轉(zhuǎn)化為熱能，光斑區(qū)域的溫度可達(dá)1萬度以上，使材料熔化甚至氣化，達(dá)到加工的目的。8.2難加工材料的特種加工8.2.6電子束加工在真空條件下，利用電流加熱陰極發(fā)射電子束，經(jīng)控制柵極初步聚焦后，由加速陽極加速，并通過電磁透鏡聚焦裝置進(jìn)一步聚焦，使能量集中到直徑Φ5～10μm的斑點內(nèi)。高速而能量密集的電子束沖擊到工件上，使被沖擊部分的材料溫度在幾分之一微秒內(nèi)升高到幾千攝氏度以上，這時熱量還來不及向周圍擴(kuò)散就可以把局部區(qū)域的材料瞬時熔化、氣化甚至蒸發(fā)而去除。8.2難加工材料的特種加工離子束加工離子束加工的加工原理與電子束加工原理基本類似，也是在真空條件下，將離子源產(chǎn)生的離子束經(jīng)過加速、聚焦后投射到工件表面的加工部位以實現(xiàn)加工的。所不同的是離子帶正電荷，其質(zhì)量比電子大數(shù)千倍甚至數(shù)萬倍，故在電場中加速較慢，但一旦加至較高速度，就比電子束具有更大的撞擊動能。離子束加工的物理基礎(chǔ)是離子束射到材料表面時所發(fā)生的撞擊效應(yīng)、濺射效應(yīng)和注入效應(yīng)。離子束加工是目前特種加工中最精密、最微細(xì)的加工，是納米加工工藝的基礎(chǔ)。8.3超精密加工技術(shù)8.3.1概述精密加工和超精密加工代表了加工精度發(fā)展的不同階段，從一般加工發(fā)展到精密加工，再到超精密加工。由于生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展，劃分的界限將隨著發(fā)展進(jìn)程而逐漸向前推移，因此劃分是相對的，很難用數(shù)值來表示?，F(xiàn)在，精密加工是指加工精度為1～、表面粗糙度小于Ra～的加工技術(shù)；超精密加工是指加工精度高于、表面粗糙度小于Ra的加工技術(shù)。當(dāng)前，超精密加工的水平已達(dá)到了納米級，形成了納米技術(shù)，而且正在向更高水平和更大廣度發(fā)展。精密加工和超精密加工是由日本提出的。在歐洲和美國，通常將精密加工技術(shù)和超精密加工技術(shù)統(tǒng)稱為精密工程。8.3超精密加工技術(shù)8.3.2精密和超精密加工方法根據(jù)加工方法的機(jī)理和特點，精密加工和超精密加工方法可分為刀具切削加工、磨料加工、特種加工和復(fù)合加工等。主要有：1．金剛石刀具超精密切削2．精密磨削3．超硬磨料砂輪精密和超精密磨削4．精密和超精密砂帶磨削5．精密研磨拋光方法8.3超精密加工技術(shù)8.3.3微細(xì)加工技術(shù)微細(xì)加工技術(shù)是指制造微小尺寸零件的生產(chǎn)加工技術(shù)。從廣義的角度來說，微細(xì)加工包含了各種傳統(tǒng)精密加工方法（如切削加工、磨料加工等）及特種加工（如外延生產(chǎn)、光刻加工、電鑄、激光束加工、離子束加工等），它屬于精密加工和超精密加工范疇。從狹義的角度來說，微細(xì)加工主要指半導(dǎo)體集成電路制造技術(shù)，因為微細(xì)加工技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展與大規(guī)模集成電路有密切關(guān)系，其主要技術(shù)有外延生長、氧化、光刻、選擇擴(kuò)展和真空鍍膜等。在微細(xì)加工中，光刻加工是其主要加工方法之一，它又稱光刻蝕或刻蝕加工，簡稱刻蝕，主要是制作由高精度微細(xì)線條所構(gòu)成的高密度微細(xì)復(fù)雜圖形。光刻加工可分為兩個階段：第一階段為原版制作，生成工作原版或工作掩膜，即光刻時的模板；第二階段為光刻。8.3超精密加工技術(shù)8.3.3微細(xì)加工技術(shù)微細(xì)加工方法樹狀圖8.3超精密加工技術(shù)8.3.4納米技術(shù)納米技術(shù)是當(dāng)前先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展的熱點和重點，它通常是指納米級（～100nm）材料、產(chǎn)品的設(shè)計、加工、檢測、控制等一系列技術(shù)。它是科技發(fā)展的一個新興領(lǐng)域，不是簡單的“精度提高”和“尺寸縮小”，而是從物理的宏觀領(lǐng)域進(jìn)入到微觀領(lǐng)域，一些宏觀的幾何學(xué)、力學(xué)、熱力學(xué)、電磁學(xué)等都不能正常描述納米級的工程現(xiàn)象與規(guī)律。納米技術(shù)主要包括：納米材料、納米級精度制造技術(shù)、納米級精度和表面質(zhì)量檢測、納米級微傳感器和控制技術(shù)、微型機(jī)電系統(tǒng)和納米生物學(xué)等。微型機(jī)電系統(tǒng)（MicroElectroMechanicalSystems，MEMS）是指集微型結(jié)構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器、信號處理、控制電路、接口、通信、電源等于一體的微型機(jī)電器件或綜合體。它是美國的慣用詞，日本仍習(xí)慣地稱為微型機(jī)械（Micromachine），歐洲稱為微型系統(tǒng)（Microsystem），現(xiàn)在大多稱為微型機(jī)電系統(tǒng)。8.4機(jī)械制造系統(tǒng)的自動化與計算機(jī)輔助制造技術(shù)8.4.1機(jī)械制造系統(tǒng)自動化1．單一產(chǎn)品大批量生產(chǎn)的自動化產(chǎn)品單一、批量大時，可采用專用設(shè)備、專用流水線和自動線等剛性自動化措施來實現(xiàn)，一旦產(chǎn)品有變化，則往往不能適應(yīng)。通常采用的自動化措施有以下幾項：（1）通用機(jī)床的自動化改造。（2）自動機(jī)床和半自動機(jī)床。（3）組合機(jī)床。（4）自動生產(chǎn)線，簡稱自動線，在汽車、拖拉機(jī)、軸承等制造中應(yīng)用十分廣泛。8.4機(jī)械制造系統(tǒng)的自動化與計算機(jī)輔助制造技術(shù)8.4.1機(jī)械制造系統(tǒng)自動化2．多品種小批量生產(chǎn)的自動化實現(xiàn)多品種小批量生產(chǎn)自動化可以采取以下措施。1）成組技術(shù)在機(jī)械加工中，成組技術(shù)是指成組工藝和成組夾具的綜合，它是根據(jù)零件的形狀、尺寸等幾何特征和工藝特點的相似性進(jìn)行分組分類，編制成組工藝，設(shè)計成組夾具。2）數(shù)字控制技術(shù)和數(shù)控機(jī)床3）適應(yīng)控制在機(jī)械加工中，在線檢測加工狀態(tài)，并及時修正控制參數(shù)，以實現(xiàn)加工過程的優(yōu)化，獲得預(yù)定的加工目標(biāo)或效果，這種控制稱為適應(yīng)控制。4）柔性制造系統(tǒng)這是當(dāng)前應(yīng)用的最廣泛的制造系統(tǒng)，一般是指可變的、自動化程度較高的制造系統(tǒng)，它由多臺數(shù)控機(jī)床或加工中心組成，沒有固定的加工順序和節(jié)拍。5）計算機(jī)集成制造系統(tǒng)它又稱為計算機(jī)綜合制造系統(tǒng)，一般是由以計算機(jī)輔助設(shè)計（CAD）為核心的產(chǎn)品建模信息系統(tǒng)，以計算機(jī)輔助制造（CAM）為中心的加工、檢測、裝配自動化工藝系統(tǒng)和以計算機(jī)輔助生產(chǎn)管理(CAPM)為主的管理信息系統(tǒng)所組成的綜合體。8.4機(jī)械制造系統(tǒng)的自動化與計算機(jī)輔助制造技術(shù)8.4.2成組技術(shù)能否把大批量生產(chǎn)的先進(jìn)工藝和高效設(shè)備以及生產(chǎn)方式用于組織中、小批量產(chǎn)品的生產(chǎn)，一直是國際生產(chǎn)工程界廣為關(guān)注的重大研究課題。成組技術(shù)（GroupTechnology，GT）便是為了解決這一矛盾應(yīng)運而生的一門新的生產(chǎn)技術(shù)，也是針對生產(chǎn)中的這種需求發(fā)展起來的一種生