國內(nèi)外先進(jìn)復(fù)合材料低成本制造技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)外先進(jìn)復(fù)合材料低成本制造技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

第一篇：國內(nèi)外先進(jìn)復(fù)合材料低成本制造技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)外先進(jìn)復(fù)合材料低成本制造技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

從低成本成型的研發(fā)現(xiàn)狀看，大致可分為以下5方面的內(nèi)容：（1）

對(duì)熱固性復(fù)合材料一直沿用的方法進(jìn)行改進(jìn)和提高效率，如Filament

Winding（FW，纖維纏繞）、Pultrusion（拉擠）、Braiding（編

織）、Towplacement（絲束排布）、自動(dòng)成套裁剪、預(yù)浸材料激光

樣板切割（Lasertemplate）等自動(dòng)化技術(shù)。（2）濕法工藝技術(shù)：

RTM、RFI等在纖維增強(qiáng)體的預(yù)型件上再注入浸漬樹脂。（3）熱塑性

復(fù)合材料的易成型新材料開發(fā)及IN-SITU（原位）成型方法：Direct

consolidate（直接固結(jié)）、Commingledyarn（攙混紗線）、

Powdercoatedtowpreg（粉末涂覆絲束預(yù)浸）等新成型方法。（4）

不用熱壓罐的新固化技術(shù)，用微波、電子天、超聲波、X線等高效率

能量的新固化方法。（6）CAD/CAM模擬技術(shù)：鋪層、浸漬、成型、

固化等工序的模型化/模擬技術(shù)，有助于保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率。

低成本成型技術(shù)當(dāng)前發(fā)展的主流是濕法成型技術(shù)，也稱液體模塑

成型技術(shù)（簡稱LCM）,主要有樹脂傳遞模塑、真空輔助樹脂傳遞模

塑（VARTM）、樹脂滲透成型工藝（SCRIMP）和結(jié)構(gòu)反應(yīng)注射模塑

等。其中最重要的是樹脂傳遞模塑技術(shù)（RTM）以及由此而發(fā)展起來

的VARTM。RTM免除了將纖維制成預(yù)浸料，再切割成層片然后再鋪

疊成預(yù)型件的過程，擺脫了大投資的熱壓罐，工藝易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，

具有生產(chǎn)周期短、勞動(dòng)力成本低、環(huán)境污染少、制造尺寸精確、外形

光滑、可制造復(fù)雜產(chǎn)品等優(yōu)點(diǎn)。是目前國際上發(fā)展應(yīng)用最快，并在航

空工業(yè)應(yīng)用最多的低成本技術(shù)之一。

從國際上看，美國在濕法成型技術(shù)上處于領(lǐng)先地位，特別是在航

空航天領(lǐng)域內(nèi)，在過去十年里，美國應(yīng)用RTM技術(shù)的增長率為20-

25%。據(jù)美國塑料工程學(xué)會(huì)預(yù)測，在今后五年里美國應(yīng)用RTM技術(shù)的

增長率將提高到30-32%。美國基本形成了RTM有關(guān)的材料體系、制

造工藝、技術(shù)裝備和驗(yàn)證系統(tǒng)，并在武器裝備上得到批量應(yīng)用，應(yīng)用

范圍從次結(jié)構(gòu)件發(fā)展到主結(jié)構(gòu)件，包括機(jī)翼主承力正弦波梁，其它構(gòu)

件包括前機(jī)身隔框、油箱構(gòu)架和壁板、中機(jī)身武器艙門帽型加強(qiáng)筋、

機(jī)翼中間梁、尾翼梁和加強(qiáng)筋等。RTM技術(shù)的成熟和發(fā)展，為美國的

航空工業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益,如美國F-22機(jī)上采用RTM技術(shù)制造

的各種復(fù)合材料部件達(dá)400件，占復(fù)合材料結(jié)構(gòu)總量的1/4,單這一

項(xiàng)就比原設(shè)計(jì)節(jié)省開支約2.5億美元。歐洲是濕法成型發(fā)展較快的另一

地區(qū),RTM制件的增長率為8-10%。業(yè)內(nèi)人士估計(jì)，20年以后大多

數(shù)大型的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)或半結(jié)構(gòu)部件都將是RTM制品,所有重型卡車

的殼體只有用RTM生產(chǎn)。

由RTM開發(fā)出來的VARTM和SCRIMP工藝近年來更是發(fā)展迅

速，這種方法改變了RTM采用雙邊閉合模的辦法，而只采用單邊硬模,

用來鋪放纖維增強(qiáng)體，另一面則采用真空袋覆蓋，由電腦控制的樹脂

分配系統(tǒng)先使樹脂膠液迅速在長度方向充分流動(dòng)滲透。然后在真空壓

力下向厚度方向緩慢浸潤，大大改善了浸漬效果，減少了缺陷發(fā)生，

產(chǎn)品性能的均勻性和重復(fù)性以及質(zhì)量都能得到有效的保證。在同樣原

材料的情況下，與手糊制件相比，成本節(jié)約可達(dá)50%,樹脂浪費(fèi)率低

于5%,而制件的強(qiáng)度、剛度及其它的物理特性可提高30%-50%以上。

另外由于采用閉模成型，揮發(fā)性有機(jī)物和有毒空氣污染物均受到很好

的控制，VOC排放不超過5PPm的標(biāo)準(zhǔn)，而開模成型的苯乙烯的揮發(fā)

量超過500PPmeSCRIMP工藝使大尺寸、幾何形狀復(fù)雜、整體性要

求高的的制件的制造成為可能，目前它可成型面積達(dá)185m2、厚度為

3-150mm、纖維含量達(dá)70-80%.孔隙率低于1%的制品。樹脂浪費(fèi)

率低于5%,節(jié)約勞動(dòng)成本50%以上。在船艇制造、風(fēng)機(jī)葉片、橋梁、

汽車部件及其它民用和海洋基礎(chǔ)工程等方面得到廣泛應(yīng)用。實(shí)踐證明，

SCRIMP工藝制造的部件性能與航空航天領(lǐng)域廣泛采用的熱壓罐工藝

相媲美。隨著SCRIMP技術(shù)從軍事應(yīng)用向民用工業(yè)的轉(zhuǎn)移,在建筑、

汽車行業(yè)將有很大的拓展空間，如大尺寸的屋面、建筑平臺(tái)等公用工

程構(gòu)件。以Lotus公司為代表的汽車廠家已實(shí)現(xiàn)該工藝的大規(guī)模生產(chǎn)。

SCRIMP工藝的另一個(gè)主要應(yīng)用領(lǐng)域是風(fēng)機(jī)葉片的制造，目前，國外

采用閉模的真空輔助成型工藝用于生產(chǎn)大型葉片（葉片長度在40m以

上時(shí)）和大批量的生產(chǎn)。這種工藝適合一次成型整體的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉

片（纖維、夾芯和接頭等可一次模腔中共成型）,而無需二次粘接。

世界著名的葉片生產(chǎn)企業(yè)LM公司開發(fā)出56M的全玻纖葉片就是采用

這種工藝生產(chǎn)的。

除濕法成型外,其它的低成本制造技術(shù)還有纖維纏繞、拉擠等。

纖維纏繞主要用于圓柱體及旋轉(zhuǎn)體的制造，如壓力容器、石油管道、

排水管道等。纏繞成型的一種拓展技術(shù)為預(yù)浸帶自動(dòng)纏繞，采用的是

經(jīng)樹脂預(yù)浸漬的纖維預(yù)浸帶，這種方法比一般的纖維絲束纏繞鋪放的

效率更高，業(yè)內(nèi)專家介紹，美國波音787飛機(jī)上采用50%的復(fù)合材料,

其中整體機(jī)身段就是采用纖維預(yù)浸帶纏繞工藝制造的，機(jī)身段是長度

和直徑都在5m以上的超大型制件，而采用這種高效的成型技術(shù)，整

個(gè)制件的成型僅在三天之內(nèi)就完成，其中裝模和準(zhǔn)備一天，纏繞一天，

固化及卸模一天，不僅高效快速，且能有效的保證了產(chǎn)品的質(zhì)量。另

一種高效的低成本成型是拉擠成型，拉擠成型有高度自動(dòng)化大量生產(chǎn)

的特性，特別適合民生用產(chǎn)品，許多金屬件也逐漸被拉擠成型的FRP

制件來取代，各式各樣的拉擠制件件，如實(shí)心方管、實(shí)心圓管、工型

梁、C型梁、空心方管、空心圓管以及空心加助補(bǔ)強(qiáng)制件件,幾乎任

何截面都可制造出，其截面形狀變化能力非常高。用以取代金屬制件

用于建筑工程，完全沒有銹蝕的問題，且結(jié)構(gòu)輕便、施工與保養(yǎng)容易。

另外如屋頂波浪版、工型梁、中空方型梁都可用拉擠的復(fù)合材料取代

又重又容易銹蝕的鋼制結(jié)構(gòu)。可以預(yù)見拉擠成型制件的輕、強(qiáng)、產(chǎn)量

大、容易制造、成本低等優(yōu)點(diǎn)會(huì)逐漸取代金屬件，而在民品工業(yè)中占

有一席之地。

國內(nèi)復(fù)合材料低成本產(chǎn)業(yè)起步較晚，技術(shù)水平較低，特別是高端

的航空航天產(chǎn)品的低成本制造，目前僅停留在實(shí)驗(yàn)階段，這也從一個(gè)

側(cè)面反映出我國復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)的總體現(xiàn)狀和水平。在低成本成型技術(shù)

的研發(fā)方面，高端的航空航天產(chǎn)品，由于應(yīng)用需求問題，目前仍處于

初級(jí)階段，在原材料、制造設(shè)備、成型技術(shù)以產(chǎn)品驗(yàn)證系統(tǒng)和規(guī)范標(biāo)

準(zhǔn)等還未形成自己的體系。其它民用復(fù)合材料的制造，目前手糊工藝

制品占有相當(dāng)大的比重，但近年來隨著復(fù)合材料工業(yè)對(duì)成型工藝產(chǎn)品

的質(zhì)量要求的不斷提升，特別是對(duì)成型工藝的環(huán)保及成本方面的要求

越來越高，促進(jìn)了這些企業(yè)復(fù)合材料的生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品質(zhì)量不斷改進(jìn)

和升級(jí)。其中低成本成型技術(shù),包括濕法工藝的RTM和VARTM技術(shù),

以及纏繞、拉擠工藝得到了迅速的發(fā)展。我國玻璃鋼/復(fù)合材料企業(yè)生

產(chǎn)能力與技術(shù)水平與世界先進(jìn)國家之間有著明顯的差距。我國仍以手

糊法為主,占75%的比例，相應(yīng)其它國家只有約20%,而在先進(jìn)成型

技術(shù)方面,美國接近40%,日本30%，德國15%,而我國不到3%;

纏繞法我國發(fā)展較快，達(dá)13%,這是因?yàn)槲覈谶@方面市場需求增長

很快，而中低端的纏繞產(chǎn)品在技術(shù)上較容易實(shí)現(xiàn)。從產(chǎn)業(yè)規(guī)模和集成

能力來看，我國的企業(yè)數(shù)量是美國的6倍，而相反年產(chǎn)量僅是美國的

1/3。這是因?yàn)槲覈闹行⌒兔駹I企業(yè)數(shù)量巨大，這些數(shù)量巨大的小型

民營企業(yè)目前普遍存在諸如生產(chǎn)工藝落后，產(chǎn)品多為來樣加工，缺乏

自主設(shè)計(jì)能力，無嚴(yán)格的質(zhì)量檢驗(yàn)體系，生產(chǎn)過程對(duì)空氣污染嚴(yán)重，

生產(chǎn)環(huán)境惡劣，工人缺乏必要的防護(hù)服等著一系列的問題。

第二篇：先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵制造技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵制造技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

一、輕量化、整體化新型冷卻結(jié)構(gòu)件制造技術(shù)1整體葉盤制造技

術(shù)整體葉盤是新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新與技術(shù)跨越的關(guān)鍵部件，

通過將傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的葉片和輪盤設(shè)計(jì)成整體結(jié)構(gòu)，省去傳統(tǒng)連接方式采

用的樺頭、棒槽和鎖緊裝置，結(jié)構(gòu)重量減輕、零件數(shù)減少，避免了棒

頭的氣流損失，使發(fā)動(dòng)機(jī)整體結(jié)構(gòu)大為簡化，推重比和可靠性明顯提

高。在第四代戰(zhàn)斗機(jī)的動(dòng)力裝置推重比10發(fā)動(dòng)機(jī)F119和EJ200上,

風(fēng)扇、壓氣機(jī)和混輪采用整體葉盤結(jié)構(gòu)，使發(fā)動(dòng)機(jī)重量減輕

20%~30%,效率提高5%~10%,零件數(shù)量減少50%以上。目前，整

體葉盤的制造方法主要有：電子束焊接法；擴(kuò)散連接法；線性摩擦焊

接法；五坐標(biāo)數(shù)控銃削加工或電解加工法；鍛接法；熱等靜壓法等。

在未來推重比15-20的高性能發(fā)動(dòng)機(jī)上，如歐洲未來推重比15~20

的發(fā)動(dòng)機(jī)和美國的IHPTET計(jì)劃中的推重比20的發(fā)動(dòng)機(jī),將采用效果

更好的SiC陶瓷基復(fù)合材料或抗氧化的C/C復(fù)合材料制造整體渦輪葉

盤。2整休葉環(huán)（無盤轉(zhuǎn)子）制造技術(shù)如果將整休葉盤中的輪盤部分

去掉，就成為整體葉環(huán)，零件的重量將進(jìn)一步降低。在推重比15-20

高性能發(fā)動(dòng)機(jī)上的壓氣機(jī)擬采用整體葉環(huán)，由于采用密度較小的復(fù)合

材料制造，葉片減輕，可以直接固定在承力環(huán)上，從而取消了輪盤，

使結(jié)構(gòu)質(zhì)量減輕70%。目前正在研制的整體葉環(huán)是用連續(xù)單根碳化硅

長纖維增強(qiáng)的鈦基復(fù)合材料制造的。推重比15?20高性能發(fā)動(dòng)機(jī)，如

美國XTX16/1A變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的核心機(jī)第3、4級(jí)壓氣機(jī)為整體葉環(huán)

轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。該整體葉環(huán)轉(zhuǎn)子及其間的隔環(huán)采用TiMC金屬基復(fù)合材料

制造。英、法、德研制了TiMMC葉環(huán)，用于改進(jìn)EJ200的3級(jí)風(fēng)扇、

高壓壓氣機(jī)和渦輪。3大小葉片轉(zhuǎn)子制造技術(shù)大小葉片轉(zhuǎn)子技術(shù)是整

體葉盤的特例，即在整體葉盤全弦長葉片通道后部中間增加一組分流

小葉片，此分流小葉片具有大大提高軸流壓氣機(jī)葉片級(jí)增壓比和減少

氣流引起的振動(dòng)等特點(diǎn)，是使軸流壓氣機(jī)級(jí)增壓比達(dá)到3或3以上的

有發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)。4發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣制造技術(shù)在新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)上有

很多機(jī)匣，如進(jìn)氣道機(jī)匣、外涵機(jī)匣、風(fēng)扇機(jī)匣、壓氣機(jī)機(jī)匣、燃燒

室機(jī)匣、渦輪機(jī)匣等，由于各機(jī)匣在發(fā)動(dòng)機(jī)上的部位不同，其工作溫

度差別很大，各機(jī)匣的選材也不同，分別為樹脂基復(fù)合材料、鐵合金、

高溫合金。樹脂基復(fù)合材料已廣泛用于高性能發(fā)動(dòng)機(jī)的低溫部件，如

F119發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣道機(jī)匣、外涵道筒體、中介機(jī)匣。至今成功應(yīng)用的

樹脂基復(fù)合材料有PMR-15（熱固性聚酰亞胺）及其發(fā)展型、Avimid

（熱固性聚酰亞胺）AFR700等,最高耐熱溫度為290℃?37HC,

2020年前的目標(biāo)是研制出在425。（：溫度下仍具有熱穩(wěn)定性的新型樹脂

基復(fù)合材料。樹脂基復(fù)合材料構(gòu)件的制造技術(shù)是集自動(dòng)鋪帶技術(shù)

（ATL）、自動(dòng)纖維鋪放技術(shù)（AFP）、激光定位、自動(dòng)剪裁技術(shù)、模

壓成形、樹脂傳遞模塑成形（RTM）、樹脂膜浸漬成形（RFI）、熱壓

罐固化成形等技術(shù)于一體的綜合技術(shù)。5寬弦風(fēng)扇葉片制造技術(shù)英國

羅?羅公司成功開發(fā)出遺達(dá)系列的超塑成形-擴(kuò)散連接發(fā)動(dòng)機(jī)寬弦風(fēng)扇

轉(zhuǎn)子葉片，引起了國際航空界的高度重視，此類空心葉片的輕質(zhì)量、

高結(jié)構(gòu)效率使航空發(fā)動(dòng)機(jī)的綜合性能得到顯著提高。如今，寬弦、無

凸臺(tái)、空心葉片是高性能發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇和第一級(jí)壓氣機(jī)葉片的發(fā)展方向。

推重比10一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)F119,EJ200均采用了寬弦風(fēng)扇葉片，GE公司

的GE90,推重比15-20高性能發(fā)動(dòng)機(jī)都采用復(fù)合材料風(fēng)扇葉片。現(xiàn)

在寬弦風(fēng)扇葉片主要采用超塑成形-擴(kuò)散連接（Superplastic

Forming/DiffusionBonding,SPF/DB）技術(shù)。與傳統(tǒng)工藝制造的零

件相比，SPF/DB組合工藝技術(shù)具有重量輕、成本低、效益高、整體性

好、成形質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)。目前國外正在研究的推重比15~20高性能發(fā)

動(dòng)機(jī)的金屬基復(fù)合材料風(fēng)扇葉片，是一種空心的、用連續(xù)碳化硅纖維

增強(qiáng)的鈦基復(fù)合材料（TiMMC）制造,采用超塑成形/擴(kuò)散連接工藝

制出空心風(fēng)扇葉片。6復(fù)合冷卻層板結(jié)構(gòu)制造技術(shù)多孔復(fù)合冷卻層板

結(jié)構(gòu)是推重比10以上發(fā)動(dòng)機(jī)采用的先進(jìn)冷卻結(jié)構(gòu)，多用于燃燒室和渦

輪葉片，它是一種帶有復(fù)雜冷卻回路的多孔層板，用擴(kuò)散連接方法連

接成形的冷卻結(jié)構(gòu)，其關(guān)鍵制造技術(shù)是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和繪制復(fù)雜冷

卻回路，用〃照相-電解法〃制成冷卻回路，擴(kuò)散連接成多層多孔層板。

由此可知，整體化結(jié)構(gòu)、新型冷卻結(jié)構(gòu)等新技術(shù)，使發(fā)動(dòng)機(jī)諸多零件

減輕了質(zhì)量、降低了成本、提高了效率，從而保證了發(fā)動(dòng)機(jī)高推比、

高性能的相關(guān)要求。

二、新材料構(gòu)件制造技術(shù)推重比15~20一級(jí)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)要求材

料具有耐高溫、高強(qiáng)度、高韌性等特性。高性能發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)采用很多

種類的新材料和新材料構(gòu)件，尤其是金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材

料、碳/碳復(fù)合材料是當(dāng)前高溫復(fù)合材料領(lǐng)域開發(fā)和應(yīng)用研究的熱點(diǎn)。

與其同時(shí)進(jìn)行的高溫復(fù)合材料構(gòu)件制造技術(shù)正在深入地發(fā)展。1金屬

基復(fù)合材料構(gòu)件制造技術(shù)SiC長纖維增強(qiáng)Ti基復(fù)合材料（TiMMC）具

有比強(qiáng)度高、比剛度高、使用溫度高及疲勞和蠕變性能好的優(yōu)點(diǎn)。例

如德國研制的SCS-6SiC/IMI834復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度高達(dá)2200MPa,

剛度達(dá)220GPa,而且具有極為優(yōu)異的熱穩(wěn)定性,在70（TC溫度暴露

2000h后，力學(xué)性能不降低。TiMMC葉環(huán)代替壓氣機(jī)盤，可使壓氣

機(jī)的結(jié)構(gòu)質(zhì)量減輕70%。美國制備的TiMMC葉環(huán)已在P&W的XTC-

65IHPTET驗(yàn)證機(jī)上成功地進(jìn)行了驗(yàn)證，能夠滿足性能要求。英、法、

德也研制了TiMMC葉環(huán)，并成功地進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)。未來發(fā)動(dòng)機(jī)的

低壓壓氣機(jī)葉片和靜子葉片、整體葉環(huán)、機(jī)匣及渦輪軸將采用金屬基

復(fù)合材料制造。TiMMC關(guān)鍵制造技術(shù)有、纖維涂層法、等離子噴涂法、

漿料帶鑄造法、箔-纖維法。2陶瓷基復(fù)合材料構(gòu)件制造技術(shù)推重比

15~20高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪前溫度將達(dá)到2200K以上，連續(xù)纖維

增韌陶瓷基復(fù)合材料（CMC）耐溫高，密度低，具有類似金屬的斷裂

行為，對(duì)裂紋不敏感，不發(fā)生災(zāi)難性的損毀，可代替高溫合金作為熱

端部件結(jié)構(gòu)材料。CMC的應(yīng)用使發(fā)動(dòng)機(jī)大幅度減重，節(jié)約冷卻氣或無

需冷卻，從而確保發(fā)動(dòng)機(jī)高推重比的有關(guān)性能。美、英、法等發(fā)達(dá)國

家以推重比9~10發(fā)動(dòng)機(jī)（如F119、EJ200.F414等）作為CMC的

驗(yàn)證平臺(tái)，主要驗(yàn)證的部件有SiC基CMC的燃燒室、渦輪外環(huán)、火焰

穩(wěn)定器、矢量噴管調(diào)節(jié)片和密封片，甚至整體燃燒室和整體渦輪等構(gòu)

件。SiC基CMC的關(guān)鍵制造技術(shù)包括纖維預(yù)制件的設(shè)計(jì)和制造、SiC

基體的致密化技術(shù)、纖維與基體間界面層和復(fù)合材料表面防氧化涂層

的設(shè)計(jì)與制造以及構(gòu)件的精密加工等。3破/碳復(fù)合材料構(gòu)件制造技術(shù)

碳/碳復(fù)合材料（C/C）的最顯著的優(yōu)點(diǎn)是耐高溫（1800℃-2000℃）

和低密度（約L9g/cm3）,可能使發(fā)動(dòng)機(jī)大幅度減重。美、法、俄等

研制的C/C復(fù)合材料部件有燃燒室噴嘴、加力燃燒室噴管、渦輪和導(dǎo)

向葉片、整體渦輪盤、渦輪外環(huán)等。美國將整體渦輪盤在176CTC進(jìn)行

了地面超轉(zhuǎn)試驗(yàn)。C/C構(gòu)件的關(guān)鍵制造技術(shù)包括碳纖維預(yù)制體的設(shè)計(jì)

與制備、C/C的致密化技術(shù)和C/C防氧化涂層的設(shè)計(jì)與制造。C/C致

密化方法有化學(xué)氣相浸透法（CVI）和液相浸漬法。液相浸漬法包括樹

脂浸漬炭化法和瀝青浸漬炭化法，發(fā)展的方向是提高致密化速率，降

低制造成本。由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)用C/C構(gòu)件要滿足富氧燃?xì)猸h(huán)境下長壽

命工作的要求，所以必須解決C/C抗氧化的問題。通過設(shè)計(jì)和制備防

氧化涂層是改善C/C抗氧化性的主要途徑，也是國際研究的熱點(diǎn)，目

前尚未取得突破性進(jìn)展。由上可見，與現(xiàn)行推重比8的發(fā)動(dòng)機(jī)相比，

新材料構(gòu)件不管在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造技術(shù)方面，還是在整體質(zhì)量方面，

都有較大突破，因此可確保推重比15?20等高性能的實(shí)現(xiàn)。

三、航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造技術(shù)新工藝1新型結(jié)構(gòu)件精密制坯技術(shù)目前，

先進(jìn)精密毛坯制造技術(shù)正在向近凈成形方向發(fā)展。先進(jìn)的精密制坯技

術(shù)有定向凝固和單晶精鑄制坯、精密鍛造制坯和快速凝固粉末冶金制

坯技術(shù)。高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)采用了大量的新型結(jié)構(gòu)件，由于制坯技術(shù)

的進(jìn)步將導(dǎo)致毛坯件發(fā)生重大變化。精鑄件、精鍛件、單晶和定向凝

固精鑄件以及快速凝固粉末冶金制坯毛坯將取代傳統(tǒng)的大余量毛坯。

傳統(tǒng)意義的鍛件將由77%降至33%,精鑄件由18%增至44%以上，

粉末冶金件由3%增至8%,復(fù)合材料構(gòu)件由4%增至15%。2先進(jìn)的

切削技術(shù)切削加工一直是航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)重件的主要制造手段。隨著航

空發(fā)動(dòng)機(jī)推重比的不斷提高，特別是質(zhì)量的不斷減輕，發(fā)動(dòng)機(jī)制造將

越來越多地依賴于高比強(qiáng)度、低密度、高剛度和耐高溫能力強(qiáng)的鈦合

金、高溫合金以及金屬基復(fù)合材料等新材料，而這些材料都屬于典型

的難加工材料。同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)重件往往型面復(fù)雜，對(duì)加工精度和表面

完整性的要求極，因此在新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)的切削加工中迫切需要采

用新型刀具材料、刀具結(jié)構(gòu)以及高效的工藝方法，同時(shí)這種需求也大

大推動(dòng)了具有高剛度、高精度和大驅(qū)動(dòng)功率的專用機(jī)床和通用機(jī)床的

發(fā)展。數(shù)控加工技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的制造中主要用于壓氣機(jī)及渦輪機(jī)

的各類機(jī)匣、壓氣機(jī)盤及渦輪盤、渦輪軸和壓氣機(jī)軸等復(fù)雜構(gòu)件的加

To高端數(shù)控裝備及技術(shù)作為國家戰(zhàn)略性物資，對(duì)提高發(fā)動(dòng)機(jī)整體制

造水平起著舉足輕重的作用，如美國洛克希德?馬丁公司在研制JSF聯(lián)

合攻擊機(jī)時(shí)，采用五坐標(biāo)數(shù)控加工方法，將約1.5t的鐵合金鍛鍛錠數(shù)

控銃削加工成重約99kg的大型升力風(fēng)扇整體葉盤，其切除率超過

93%。高效精密切削、變形補(bǔ)償、自適應(yīng)加工，以及抗疲勞制造等技

術(shù)的研究和應(yīng)用在新一代發(fā)動(dòng)機(jī)的加工中需求迫切；同時(shí)，加工過程

的知識(shí)積累對(duì)于提高加工效率、加工質(zhì)量和加工的自動(dòng)化水平非常重

要，應(yīng)圍繞發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)重件和典型材料的高效數(shù)控加工建立相應(yīng)的切削

數(shù)據(jù)庫。磨削在先進(jìn)的切削技術(shù)研究中占有重要地位。在磨削加工技

術(shù)的研究中，為了獲得高加工效率，世界發(fā)達(dá)國家開始嘗試高速、強(qiáng)

力磨削技術(shù)，如利用強(qiáng)力磨削可一次磨出渦輪葉片的樺頭齒形。目前,

磨削技術(shù)的發(fā)展趨勢是：發(fā)展超硬磨料磨具，研究精密及超精密磨削、

高速高效磨削機(jī)理并開發(fā)其新的磨削加工技術(shù)，研制高精度、高剛性

的自動(dòng)化磨床。3特種加工技術(shù)以高能束流加工為代表的特種加工技

術(shù)在難切削材料加工，復(fù)雜構(gòu)件的型腔、型面、型孔、微小孔、細(xì)微

槽及縫的加工中具有顯著優(yōu)勢，解決了常規(guī)加工很難解決的問題。特

種加工技術(shù)主要包括：激光加工、電子束加工、離子束加工、等離子

加工、電火花加工、電解加工、超聲波加工、磨料流加工、高壓水射

流切割等。通過電磁場、溫度場、化學(xué)場和力場（包括空間微重力場）

等外加因素的綜合應(yīng)用以及激光、等離子束、微波等多種能量形式的

結(jié)合，開辟材料加工成形技術(shù)創(chuàng)新的廣闊途徑。4特種焊接技術(shù)先進(jìn)

焊接連接技術(shù)作為確保航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)完整性不可缺少的手段，其研

究、開發(fā)與應(yīng)用直接關(guān)系到新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量、壽命和可靠性。

特種焊接技術(shù)由于具有可明顯減輕結(jié)構(gòu)重量、降低制造成本、提高結(jié)

構(gòu)性能等特點(diǎn)，滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)輕質(zhì)化、長壽命、低成本、高可靠性

制造的要求，已成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造中的一項(xiàng)重要技術(shù)。特種焊接技

術(shù)主要包括：笆極惰性氣體保護(hù)弧焊（GTAW）、活性焊劑焊接技術(shù)、

自蔓延高溫合成焊接法、等離子弧焊（PAW）、電子束焊（EBW）、

激光焊（LBW）、真空釬焊（VB）、擴(kuò)散焊（DB）、摩擦焊等。近

年來，新型纖焊和擴(kuò)散焊、摩擦焊和高能束流焊接等先進(jìn)焊接技術(shù)在

航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造中的發(fā)展和應(yīng)用越來越廣泛。在歐美已相繼用摩擦焊

取代電子束焊用于發(fā)動(dòng)機(jī)的粉末冶金等溫鍛造盤-盤及盤-軸一體化焊

接。摩擦焊接技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子鼓筒、整體葉盤的焊接中得到和應(yīng)用，

并逐漸發(fā)展成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。5熱障涂層技術(shù)

先進(jìn)的高推重比發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)中將大量采用以熱障涂層技術(shù)為代表的先

進(jìn)熱障涂層技術(shù)。涂層技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零部件的耐磨、高溫防

護(hù)、隔熱、封嚴(yán)以及鈦合金零件的防微動(dòng)磨損、阻燃等方面起了顯著

的作用，應(yīng)用越來越廣泛。先進(jìn)的涂層方法主要包括：真空等離子噴

涂、層流等離子噴涂、超音速火焰噴涂、電子束物理氣相沉積、化學(xué)

氣相沉積、真空離子濺射涂層（MAn爐）等。熱端部件采用熱障涂層

以提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，其中有陶瓷涂層和多層隔熱層。陶瓷熱障涂層需先

在零件表面噴涂MCrALY底層以提高結(jié)合強(qiáng)度。多層復(fù)合隔熱涂層是

在基體金屬表面釬焊一層柔性金屬纖維結(jié)構(gòu)（材料為

HFe22.5Cr5.5SiOO.lC）,可減少冷卻氣流80%。渦輪工作葉片和導(dǎo)

向器的隔熱涂層采用低壓等離子噴涂涂敷，也可以采用電子束物理氣

相沉積（EB-PVD）涂敷。發(fā)動(dòng)機(jī)冷端部件溝采用封嚴(yán)涂層、耐磨和防

腐蝕涂層。6快速原型/零件制造技術(shù)快速原型（RapidPrototyping,

RP）制造技術(shù)出現(xiàn)于20世紀(jì)90年代中期，這種基于〃離散-堆積〃

原理和增材制造的方法，能夠?qū)崿F(xiàn)高性能復(fù)雜結(jié)構(gòu)金屬零件的無模具、

快速、近凈成形，具有高度柔性的制造思想已經(jīng)被企業(yè)界廣泛接受，

其應(yīng)用已從最初的設(shè)計(jì)原型和測試原型制造向最終產(chǎn)品制造的方向發(fā)

展。快速原型/零件制造技術(shù)為航空發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)雜零件的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)實(shí)體化

提供快速方便的手段，可實(shí)現(xiàn)精鑄復(fù)雜模具的制造，現(xiàn)在發(fā)展到直接

快速成形零件，是一種很有發(fā)展前景的工藝方法。主要方法有：分層

實(shí)體制造（LOM）、選擇性激光燒結(jié)（SLS）、熔化沉積制造

（FDM）、三維立體印刷（SLA）和三維焊接法等?？焖僭椭圃旒?/p>

術(shù)一經(jīng)出現(xiàn)，就成為先進(jìn)制造技術(shù)和激光加工領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，美國

軍方對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展給予了相當(dāng)?shù)年P(guān)注和支持，在其直接支持下，

美國率先將這一先進(jìn)技術(shù)實(shí)用化，目前，F(xiàn)-22和F/A-18E/F上的幾個(gè)

關(guān)鍵零件已經(jīng)采用了TC4鈦合金激光快速成形件。該技術(shù)能顯著提高

疲勞性能，降低成本40%,加工周期僅為傳統(tǒng)工藝的1/5。7浮壁式

火焰筒制造技術(shù)推重比10一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪前溫度達(dá)到1500℃

艾利遜公司研究了用多孔層板加柔性金屬/陶瓷

-1700℃oLamilloy

制造的浮壁式火焰筒結(jié)構(gòu)。普惠公司研究了用玻璃陶瓷基復(fù)合材料制

造浮壁式火焰筒結(jié)構(gòu)。F119采用的浮壁式火焰筒結(jié)構(gòu)是用多環(huán)段連接

而成。環(huán)段背向火焰一面對(duì)流散熱的凸環(huán)，并有縫隙形成冷卻隔熱氣

膜，隔熱環(huán)是由浮動(dòng)片組成，并用螺栓連接在外環(huán)段上。浮動(dòng)片用精

密鑄造而成，而冷卻隔熱環(huán)局部噴涂熱障涂層，以降低部件表面溫度。

四、航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的無損檢測技術(shù)無損檢測技術(shù)能為發(fā)動(dòng)機(jī)

產(chǎn)品提供內(nèi)部質(zhì)量信息，既可作為產(chǎn)品評(píng)價(jià)的依據(jù)，也為工藝分析提

供參考信息，是確保發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)高可靠性的重要手段。對(duì)于航空發(fā)動(dòng)

機(jī)而言，在服役過程中難免會(huì)出現(xiàn)一些疲勞裂紋、損傷以及惡劣工作

環(huán)境下組織狀態(tài)變化等問題，及時(shí)檢測到這些問題對(duì)于減少事故、提

高零部件的使用壽命有重大意義。常用的檢測技術(shù)有超聲檢測、渦流

檢測、工業(yè)CT無損檢測等。無損檢驗(yàn)技術(shù)發(fā)展的總趨勢仍是速度快，

自動(dòng)化程度高，分辨率高，易于解讀，可嵬性高，以及成木低。例如，

在傳統(tǒng)的超聲、電磁及聲學(xué)檢驗(yàn)中，廣泛引入移動(dòng)式自動(dòng)掃描，綜合

應(yīng)用了多種技術(shù)，出現(xiàn)了自動(dòng)掃描的超聲、電磁、傳感器系統(tǒng)，聲學(xué)-

激光自動(dòng)掃描系統(tǒng)。

五、面向零件制造過程的專業(yè)化成套制造技術(shù)作為單項(xiàng)數(shù)字化制

造技術(shù)的集成，將信息技術(shù)與制造技術(shù)相結(jié)合而形成的數(shù)字化生產(chǎn)線

技術(shù)的應(yīng)用成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)提高生產(chǎn)質(zhì)量和柔性的關(guān)鍵技術(shù)。GE、

羅?羅和普惠等主要航空發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)廠商應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)，建成了一系

列航空發(fā)動(dòng)機(jī)典型零件自動(dòng)化生產(chǎn)線，取得了良好的效果。（1）壓氣

機(jī)葉片精密鍛造生產(chǎn)線目前航空發(fā)動(dòng)機(jī)有33%的工作量來自于葉片的

制造，葉片精鍛生產(chǎn)線是解決葉片制造瓶頸的有效方法之一。生產(chǎn)線

由葉片制坯、葉片精鍛成形、葉片型面化銃、葉片熱處理、葉片檢測

5條子生產(chǎn)線組成，適合于高溫合金、鈦合金、鋁合金和不銹鋼等材

料精鍛葉片的批量生產(chǎn)。（2）渦輪葉片精密鑄造生產(chǎn)線渦輪葉片制造

質(zhì)量對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能有很大影響。由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造技術(shù)含

量高，其精鑄質(zhì)量和尺寸精度與葉片研制過程中的設(shè)計(jì)、制造、冶金、

化學(xué)、制模、爐工等人員密切相關(guān)。國外航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造公司花費(fèi)大

量資金建立了發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片精鑄生產(chǎn)線。（3）壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片電化

學(xué)自動(dòng)化加工牛產(chǎn)線該牛產(chǎn)線集拉削加工技術(shù)、高精度測量技術(shù)、電

化學(xué)技術(shù)、電火花加工技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)以及無損檢測技術(shù)等眾多技

術(shù)于一體，其關(guān)鍵技術(shù)為360。電化學(xué)加工技術(shù)。首先采用組合的垂直

拉床將預(yù)切長度的棒材拉削加工出葉片的樣齒，然后利用根部來定位,

從葉盆和葉背兩面進(jìn)行電化學(xué)加工，一次完成葉身型面加工。

六、以信息化技術(shù)為紐帶，建立數(shù)字化工廠信息化是振興及提升

航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造業(yè)的必要途徑，必須將專業(yè)的制造技術(shù)與信息技術(shù)、

管理技術(shù)相融合，運(yùn)用先進(jìn)的信息技術(shù)和現(xiàn)代管理思想，實(shí)現(xiàn)航空發(fā)

動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、制造、檢測、管理、使用和維護(hù)等全過程的自動(dòng)化、

網(wǎng)絡(luò)化和智能化。在國外，航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制已利用信息化技術(shù)從傳統(tǒng)

的大批量制造模式轉(zhuǎn)向現(xiàn)代先進(jìn)精益制造模式。例如，GE公司發(fā)動(dòng)機(jī)

部GEAE在1998年制訂實(shí)施了航空發(fā)動(dòng)機(jī)異地協(xié)同設(shè)計(jì)和制造的增量

式發(fā)展規(guī)劃，取得了顯著的效益。羅?羅公司建立了發(fā)動(dòng)機(jī)典型零件的

自動(dòng)化生產(chǎn)線和協(xié)同的計(jì)算機(jī)工作環(huán)境，實(shí)施了并行工程，從整體上

增強(qiáng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研制能力。普惠公司采用集成產(chǎn)品開發(fā)團(tuán)隊(duì)的形式

來管理發(fā)動(dòng)機(jī)全生命周期內(nèi)的計(jì)劃、流程、技術(shù)、信息等經(jīng)濟(jì)技術(shù)活

動(dòng)，建立先進(jìn)的數(shù)字化工廠。免責(zé)聲明：本公眾號(hào)所載文章為本公眾

號(hào)原創(chuàng)或根據(jù)網(wǎng)絡(luò)搜集編輯整理，文章版權(quán)歸原作者所有。如涉及作

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第三篇：特種加工技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與展望?先進(jìn)制造技術(shù)課程論文

先進(jìn)制造論文

題目：先進(jìn)制造技術(shù)院系：周口科技機(jī)械工程數(shù)控

班級(jí)：數(shù)控

姓名：閆文磊

4班

時(shí)間:2010年12月251

日

先進(jìn)成型技術(shù)

摘要

一、特種加工技術(shù)在國際上被稱為21世紀(jì)的技術(shù)，對(duì)新型武器裝

備的研制和生產(chǎn)，起到舉足輕重的作用。本文分別從激光加工技術(shù)、

電子束加工技術(shù)、離子束及等離子加工技術(shù)、電加工技術(shù)幾方面介紹

了國外的發(fā)展現(xiàn)狀，同時(shí)提出了國內(nèi)相應(yīng)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：特種加工；高能束流；激光技術(shù)；發(fā)展趨勢

特種加工亦稱〃非傳統(tǒng)加工〃或〃現(xiàn)代加工方法〃，泛指用電能、

熱能、光能、電化學(xué)能、化學(xué)能、聲能及特殊機(jī)械能等能量達(dá)到去除

或增加材料的加工方法。本文所述的特種加工技術(shù)主要是指激光加工

技術(shù)、電子束加工技術(shù)、離子束及等離子加工技術(shù)和電加工技術(shù)等。

隨著新型武器裝備的發(fā)展，國內(nèi)外對(duì)特種加工技術(shù)的需求日益迫

切。不論飛機(jī)、導(dǎo)彈，還是其它作戰(zhàn)平臺(tái)都要求降低結(jié)構(gòu)重量，提高

飛行速度，增大航程，降低燃油消耗，達(dá)到戰(zhàn)技性能高、結(jié)構(gòu)壽命長、

經(jīng)濟(jì)可承受性好。為此，上述武器系統(tǒng)和作戰(zhàn)平臺(tái)都要求采用整體結(jié)

構(gòu)、輕量化結(jié)構(gòu)、先進(jìn)冷卻結(jié)構(gòu)等新型結(jié)構(gòu)，以及鈦合金、復(fù)合材料、

粉末材料、金屬間化合物等新材料。

為此，需要采用特種加工技術(shù)，以解決武器裝備制造中用常規(guī)加

工方法無法實(shí)現(xiàn)的加工難題，所以特種加工技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域是：

難加工材料，如鈦合金、耐熱不銹鋼、高強(qiáng)鋼、復(fù)合材料、工程

陶瓷、金剛石、紅寶石、硬化玻璃等高硬度、高韌性、高強(qiáng)度、高熔

點(diǎn)材料。

難加工零件，如復(fù)雜零件三維型腔、型孔、群孔和窄縫等的加工。

低剛度零件，如薄壁零件、彈性元件等零件的加工。

以高能量密度克流實(shí)現(xiàn)焊接、切割、制孔、噴涂、表面改性、刻

蝕和精細(xì)加工。1先進(jìn)制造技術(shù)的特點(diǎn)1.1是面向21世紀(jì)的技術(shù)

先進(jìn)制造技術(shù)是制造技術(shù)的最新發(fā)展階段，是由傳統(tǒng)的制造技術(shù)

發(fā)展起來的，既保持了過去制造技術(shù)中的有效要素，又要不斷吸收各

種高新技術(shù)成果，并滲透到產(chǎn)品生產(chǎn)的所有領(lǐng)域及其全部過程。先進(jìn)

制造技術(shù)與現(xiàn)代高新技術(shù)相結(jié)合而產(chǎn)生了一個(gè)完整的技術(shù)群，它是具

有明確范疇的新的技術(shù)領(lǐng)域，是面向21世紀(jì)的技術(shù)。1.2是面向工業(yè)

應(yīng)用的技術(shù)

先進(jìn)制造技術(shù)并不限于制造過程本身，它涉及到產(chǎn)品從市場調(diào)研、

產(chǎn)品開發(fā)及工藝設(shè)計(jì)、生產(chǎn)準(zhǔn)備、加工制造、售后服務(wù)等產(chǎn)品壽命周

期的所有內(nèi)容，并將它們結(jié)合成一個(gè)有機(jī)的整體。先進(jìn)制造技術(shù)的應(yīng)

用特別注意產(chǎn)生最好的實(shí)際效果，其目標(biāo)是為了提高企業(yè)競爭和促進(jìn)

國家經(jīng)濟(jì)和綜合實(shí)力的增長。目的是要提高制造業(yè)的綜合經(jīng)濟(jì)效益和

社會(huì)效益。1.3是駕馭生產(chǎn)過程的系統(tǒng)工程

先進(jìn)制造技術(shù)特別強(qiáng)調(diào)計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、傳感技術(shù)、自動(dòng)

化技術(shù)、新材料技術(shù)和現(xiàn)代系統(tǒng)管理技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造和生產(chǎn)組

織管理、銷售及售后服務(wù)等方面的應(yīng)用。它要不斷吸收各種高新技術(shù)

成果與傳統(tǒng)制造技術(shù)相結(jié)合，使制造技術(shù)成為能駕馭生產(chǎn)過程的物質(zhì)

流、能量流和信息流的系統(tǒng)工程。1.4是面向全球競爭的技術(shù)

20世紀(jì)80年代以來，市場的全球化有了進(jìn)一步的發(fā)展，發(fā)達(dá)國

家通過金融、經(jīng)濟(jì)、科技手段爭奪市場，傾銷產(chǎn)品，輸出資本。隨著

全球市場的形成，使得市場競爭變得越來越激烈，先進(jìn)制造技術(shù)正是

為適應(yīng)這種激烈的市場競爭而出現(xiàn)的。因此，一個(gè)國家的先進(jìn)制造技

術(shù)，它的主體應(yīng)該具有世界先進(jìn)水平，應(yīng)能支持該國制造業(yè)在全球市

場的競爭力。1.5是市場競爭三要素的統(tǒng)一

在20世紀(jì)70年代以前，產(chǎn)品的技術(shù)相對(duì)比較簡單，一個(gè)新產(chǎn)品

上市，很快就會(huì)有相同功能的產(chǎn)品跟著上市。因此，市場競爭的核心

是如何提高生產(chǎn)率。到了20世紀(jì)80年代以后，制造業(yè)要贏得市場競

爭的主要矛盾已經(jīng)從提高勞動(dòng)生產(chǎn)率轉(zhuǎn)變?yōu)橐詴r(shí)間為核心的時(shí)間、成

本和質(zhì)量的三要素的矛盾。先進(jìn)制造技術(shù)把這三個(gè)矛盾有機(jī)結(jié)合起來,

使三者達(dá)到了統(tǒng)一。

研究現(xiàn)狀

新材料成形加工技術(shù)的研究開發(fā)，是近二、三十年來材料科學(xué)技

術(shù)領(lǐng)域最為活躍的方向之一。先進(jìn)制備與成型加工技術(shù)的出現(xiàn)與應(yīng)用，

加上了新材料的研究開發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用進(jìn)程，促成了諸如微電子和生

物醫(yī)用材料等新興產(chǎn)業(yè)的形成，促進(jìn)了現(xiàn)代航天航空，交通運(yùn)輸，能

源環(huán)保等高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

先進(jìn)工業(yè)國家對(duì)材料制備與成型加工技術(shù)的研究開發(fā)十分重視。

美國制定了〃為了工業(yè)材料發(fā)展計(jì)劃〃，其核心是開放先進(jìn)的制備與

成型加工技術(shù)，提高材料性能，降低生產(chǎn)成本，滿足未來工業(yè)發(fā)展對(duì)

材料的需求。德國開展的"21世紀(jì)新材料研究計(jì)劃〃將材料制備與成

型加工技術(shù)列為六個(gè)重點(diǎn)內(nèi)容之一。在歐盟的〃第六框架"計(jì)劃中，

先進(jìn)制備技術(shù)時(shí)新材料領(lǐng)域的研究重點(diǎn)之一。日本在20世紀(jì)90年代

后期，先后實(shí)施了〃超級(jí)金屬〃、〃超鋼鐵〃計(jì)劃，重點(diǎn)是發(fā)展先進(jìn)

的制備加工技術(shù)，精確控制組織，大幅度提高材料的性能，達(dá)到減少

材料用量、節(jié)省資源和能源的目的。同時(shí)開展本科學(xué)領(lǐng)域色前沿和基

礎(chǔ)研究，并綜合利用相關(guān)學(xué)科基礎(chǔ)理論和科技發(fā)展成果，提供預(yù)備新

材料的新原理新方法，也是材料科學(xué)與工程學(xué)科自身發(fā)展的需求。

一大批先進(jìn)技術(shù)和工藝不斷發(fā)展和完善，并逐步獲得實(shí)際應(yīng)用，

如快速凝固、定向凝固、連續(xù)鑄軋、連續(xù)鑄擠、精密鑄造、半固態(tài)加

工、粉末注射成型、陶瓷膠態(tài)成型、熱等靜壓、無模成型、微波燒結(jié)、

離子束制備、激光快速成型、激光焊接、表面改性等，促進(jìn)了傳統(tǒng)材

料的升級(jí)換代，加速了新材料的研究開發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用，解決了高技

術(shù)領(lǐng)域發(fā)展對(duì)特種高性能材料的制備加工與組織性能精確控制的急需。

現(xiàn)在將主要的先進(jìn)材料加工技術(shù)分別介紹如下：1快速凝固

快速凝固技術(shù)的發(fā)展，把液態(tài)成型加工推進(jìn)到遠(yuǎn)離平衡的狀態(tài)，

極大地推動(dòng)了非晶、細(xì)晶、微晶等非平衡新材料的發(fā)展。傳統(tǒng)的快速

凝固追求高的冷卻速度而限于低維材料的制備，如非晶絲材、箔材的

制備。近年來快速凝固技術(shù)主要在兩個(gè)方面得到發(fā)展：①利用噴射成

型、超高壓、深過冷，結(jié)合適當(dāng)?shù)某煞衷O(shè)計(jì)，發(fā)展體材料直接成型的

快速凝固技術(shù)；②在近快速凝固條件下，制備具有特殊取向和組織結(jié)

構(gòu)的新材料。目前快速凝固技術(shù)被廣泛地用于非晶或超細(xì)組織的線材、

帶材和體材料的制備與成型。2.半固態(tài)成型

半固態(tài)成型包括半固態(tài)流變成型和半固態(tài)觸變成形兩類：前者是

將制備的半固態(tài)漿料直接用于成型，如壓鑄成型（稱為半固態(tài)流變壓

鑄）；后者是對(duì)制備好的半固態(tài)坯料進(jìn)行重新加熱，使其達(dá)到半熔融

狀態(tài)，然后進(jìn)行成型，如擠壓成型（稱為半固態(tài)觸變擠壓）。

3.無模成型

為了解決復(fù)雜形狀或深殼件產(chǎn)品沖壓、拉深成型設(shè)備規(guī)模大、模

具成本高、生產(chǎn)工藝復(fù)雜、靈活度低等缺點(diǎn)，滿足社會(huì)發(fā)展對(duì)產(chǎn)品多

樣性（多品種、小規(guī)模）的需求，20世紀(jì)80年代以來,柔性加工技

術(shù)的開發(fā)受到工業(yè)發(fā)達(dá)國家的重視。典型的無模成型技術(shù)有增量成型、

無摸拉拔、無模多點(diǎn)成型、激光沖擊成型等。4.超塑性成型技術(shù)

超塑性成型加工技術(shù)具有成型壓力低、產(chǎn)品尺寸與形狀精度高等

特點(diǎn)，近年來發(fā)展方向主要包括兩個(gè)方面：一是大型結(jié)構(gòu)件、復(fù)雜結(jié)

構(gòu)件、精密薄壁件的超塑性成型，如鋁合金汽車覆蓋件、大型球罐結(jié)

構(gòu)、飛機(jī)艙門，與盥洗盆等；二是難加工材料的精確成形加工，如鈦

合金、鎂合金、高溫合金結(jié)構(gòu)件的成形加工等。5.金屬粉末材料成型

加工

粉末材料的成型加工是一種典型的近終形、短流程制備加工技術(shù)，

可以實(shí)現(xiàn)材料設(shè)計(jì)、制備預(yù)成型一體化；可自由組裝材料結(jié)構(gòu)從而精

確調(diào)控材料性能；既可用于制備陶瓷、金屬材料，也可制備各種復(fù)合

材料。它是近20年來材料先進(jìn)制備與成型加工技術(shù)的熱點(diǎn)與主要發(fā)展

方向之一。粉末材料成型加工技術(shù)的研究重點(diǎn)包括粉末注射成型膠態(tài)

成型、溫壓成型及微波、等離子輔助低溫強(qiáng)化燒結(jié)等。6.陶瓷膠態(tài)成

型

在圍繞著提高陶瓷胚體均勻性和解決陶瓷材料可靠性的問題，開

發(fā)了多種原位凝固成型工藝，凝膠注模成型工藝、溫度誘導(dǎo)絮凝成形、

膠態(tài)振動(dòng)注模成形、直接凝固注模成形等相繼出現(xiàn)，受到嚴(yán)重重視。

原位凝固成形工藝被認(rèn)為是提高胚體的均勻性，進(jìn)而提高陶瓷材料可

靠性的唯一途徑，得到了迅速的發(fā)展，已逐步獲得實(shí)際應(yīng)用。7.激光

快速成型

采用該技術(shù)的成形件完全致密且具有細(xì)小均勻的內(nèi)部組織，從而

具有優(yōu)越的力學(xué)性能和物理化學(xué)性能，同時(shí)零件的復(fù)雜程度基本不受

限制，并且可以縮短加工周期，降低成本。目前發(fā)達(dá)國家已進(jìn)入實(shí)際

應(yīng)用階段，主要應(yīng)用于國防高科技領(lǐng)域。激光加工技術(shù)1.1現(xiàn)狀

國外激光加工設(shè)備和工藝發(fā)展迅速，現(xiàn)已擁有100kW的大功率

CO2激光器、kw級(jí)高光束質(zhì)量的Nd:YAG固體激光器,有的可配

上光導(dǎo)纖維進(jìn)行多工位、遠(yuǎn)距離工作。激光加工設(shè)備功率大、自動(dòng)化

程度高，已普遍采用CNC控制、多坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)，并裝有激光功率監(jiān)控、

自動(dòng)聚焦、工業(yè)電視顯示等輔助系統(tǒng)。

激光制孔的最小孔徑已達(dá)0.002mm,已成功地應(yīng)用自動(dòng)化六坐標(biāo)

激光制孔專用設(shè)備加工航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片、燃燒室氣膜孔，達(dá)到無

再鑄層、無微裂紋的效果。

激光切割適用于由耐熱合金、鈦合金、復(fù)合材料制成的零件。目

前薄材切割速度可達(dá)15m/min,切縫窄，一般在0.1?1mm之間,熱

影響區(qū)只有切縫寬的10%~20%,最大切割厚度可達(dá)45mm,已廣泛

應(yīng)用于飛機(jī)三維蒙皮、框架、艦船船身板架、直升機(jī)旋翼、4發(fā)動(dòng)機(jī)

燃燒室等。

激光焊接薄板已相當(dāng)普遍，大部分用于汽午工業(yè)、宇航和儀表工

業(yè)。激光精微焊接技術(shù)已成為航空電子設(shè)備、高精密機(jī)械設(shè)備中微型

件封裝結(jié)點(diǎn)的微型連接的重要手段。

激光表面強(qiáng)化、表面重熔、合金化、非晶化處理技術(shù)應(yīng)用越來越

廣，激光微細(xì)加工在電子、生物、醫(yī)療工程方面的應(yīng)用已成為無可替

代的特種加工技術(shù)。

激光快速成型技術(shù)已從研究開發(fā)階段發(fā)展到實(shí)際應(yīng)用階段，已顯

示出廣闊的應(yīng)用前景。

國內(nèi)70年代初已開始進(jìn)行激光加工的應(yīng)用研究，但發(fā)展速度緩慢。

在激光制孔、激光熱處理、焊接等方面雖有一定的應(yīng)用，但質(zhì)量不穩(wěn)

定。目前已研制出具有光纖傳輸?shù)墓腆w激光加工系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)光纖耦

合三光束的同步焊接和石英表芯的激光焊接。完成了激光燒結(jié)快速成

型原理樣機(jī)研制，并采用環(huán)氧聚脂和樹脂砂燒結(jié)粉末材料，快速成型

出典型零件，如葉輪、齒輪。1.2發(fā)展趨勢

激光加工技術(shù)今后幾年應(yīng)結(jié)合已取得的預(yù)研成果，針對(duì)需求，重

點(diǎn)開展無缺陷氣膜小孔的激光加工及實(shí)時(shí)檢控技術(shù)、高強(qiáng)鋁（含鋁鋰、

鋁鎂）合金的激光焊接技術(shù)、金屬零件的激光粉末燒結(jié)快速成型技術(shù)、

激光精密加工及重要構(gòu)件的激光沖擊強(qiáng)化等項(xiàng)目的研究。實(shí)現(xiàn)高溫渦

輪發(fā)動(dòng)機(jī)氣膜孔無缺陷加工，可使葉片使用壽命達(dá)2000小時(shí)以上；以

焊代替數(shù)控加工飛機(jī)次承力構(gòu)件，以及帶筋壁板的以焊代鐘；實(shí)現(xiàn)重

要零部件的表面強(qiáng)化，提高安全性、可靠性等，從而使先進(jìn)的激光制

造技術(shù)在軍事工業(yè)中發(fā)揮更大的作用。1）無再鑄層、無微裂紋渦輪葉

片氣膜孔激光高效加工技術(shù)研究；

2）鋁合金、超強(qiáng)鋼、鈦合金、異種材料構(gòu)件以及大型空間曲面零

件的激光焊接工藝研究；

3）三維激光切割工藝規(guī)范及表面質(zhì)量控制技術(shù)和在線測量控制技

術(shù)研究；4）提高高溫合金、鋁合金等重要部件抗疲勞性能的激光沖

擊技術(shù)研究；5）激光快速成型技術(shù)研究；電子束加工技術(shù)2.1現(xiàn)狀

電子束加工技術(shù)在國際上日趨成熟，應(yīng)用范圍廣。

國外定型生產(chǎn)的40kV~300kV的電子槍（以60kV、150kV為主），

已普遍采用CNC控制，多坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)，自動(dòng)化程度高。電子束焊接已成

功地應(yīng)用在特種材料、異種材料、空間復(fù)雜曲線、變截面焊接等方面。

目前正在研究焊縫自動(dòng)跟蹤、填絲焊接、非真空焊接等，最大焊接熔

深可達(dá)300mm,焊縫深寬比20:1。電子束焊已用于運(yùn)載火箭、航天

飛機(jī)等主承力構(gòu)件大型結(jié)構(gòu)的組合焊接，以及飛機(jī)梁、框、起落架部

件、發(fā)動(dòng)機(jī)整體轉(zhuǎn)子、機(jī)匣、功率軸等重要結(jié)構(gòu)件和核動(dòng)力裝置壓力

容器的制造。如：F-22戰(zhàn)斗機(jī)采用先進(jìn)的電子束焊接，減輕了飛機(jī)重

量，提高了整機(jī)的性能；〃蘇-27〃及其它系列飛機(jī)中的大量承力構(gòu)件,

如起落架、承力隔框等，均采用了高壓電子束焊接技術(shù)。

國內(nèi)多種型號(hào)的飛機(jī)及發(fā)動(dòng)機(jī)和多種型號(hào)的導(dǎo)彈殼體、油箱、尾

噴管等結(jié)構(gòu)件均已采用了電子束焊接。因此，電子束焊接技術(shù)的應(yīng)用

越來越廣泛，對(duì)電子束焊接設(shè)備的需求量也越來越大。

國外的電子束焊機(jī)，以德國、美國、法國、烏克蘭等為代表，已

達(dá)到了工程化生產(chǎn)。其特點(diǎn)是采用變頻電源，設(shè)備的體積、噪聲、高

壓性能等方面都有很大提高；在控制系統(tǒng)方面，運(yùn)用了先進(jìn)的計(jì)算機(jī)

技術(shù),采用了先進(jìn)的CNC及PLC技術(shù)，使設(shè)備的控制更可靠，操作更

簡便、直觀。

國外真空電子天物理氣相沉積技術(shù)，已用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片

高溫防腐隔熱陶瓷涂層，提高了涂層的抗熱沖擊性能及壽命。電子束

刻蝕、電子束輻照固化樹脂基復(fù)合材料技術(shù)正處于研究階段。2.2發(fā)展

趨勢

電子束加工技術(shù)今后應(yīng)積極拓展專業(yè)領(lǐng)域，緊密跟蹤國際先進(jìn)技

術(shù)的發(fā)展，針對(duì)需求，重點(diǎn)開展電子束物理氣相沉積關(guān)鍵技術(shù)研究、

主承力結(jié)構(gòu)件電子束焊接研究、電子束輻照固化技術(shù)研究、電子束焊

機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究等。1)150kV.15kW高壓電子槍及高壓電源的技術(shù)

研究；2)電子束物理氣相沉積技術(shù)的研究；

3)大厚度變截面鈦合金的電子束焊接技術(shù)研究及質(zhì)量評(píng)定；4)

典型復(fù)合材料飛機(jī)構(gòu)件的電子束固化工藝研究及其工程化研究；5)

多功能電子束加工技術(shù)研究。離子束及等離子體加工技術(shù)3.1現(xiàn)狀

表面功能涂層具有高硬度、耐磨、抗蝕功能，可顯著提高零件的

壽命，在工業(yè)上具有廣泛用途。

美國及歐洲國家目前多數(shù)用微波ECR等離子體源來制備各種功能

涂層。等離子體熱噴涂技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入工程化應(yīng)用，已廣泛應(yīng)用在航空、

航天、船舶等領(lǐng)域的產(chǎn)品關(guān)鍵零部件耐磨涂層、封嚴(yán)涂層、熱障涂層

和高溫防護(hù)層等方面。等離子焊接已成功應(yīng)用于18mm鋁合金的儲(chǔ)箱

焊接。配有機(jī)器人和焊縫跟蹤系統(tǒng)的等離子體焊在空間復(fù)雜焊縫的焊

接也已實(shí)用化。微束等離子體焊在精密零部件的焊接中應(yīng)用廣泛。我

國等離子體噴涂已應(yīng)用于武器裝備的研制，主要用于耐磨涂層、封嚴(yán)

涂層、熱障涂層和高溫防護(hù)涂層等。

真空等離子體噴涂技術(shù)和全方位離子注入技術(shù)已開始研究，與國

外尚有較大差距。等離子體焊接在生產(chǎn)中雖有應(yīng)用，但焊接質(zhì)量不穩(wěn)

定。3.2發(fā)展趨勢

離子束及等離子體加工技術(shù)今后應(yīng)結(jié)合已取得的成果，針對(duì)需求，

重點(diǎn)開展熱障涂層及離子注入表面改性的新技術(shù)研究，同時(shí)，在已取

得初步成果的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開展等離子體焊接技術(shù)研究。

1）復(fù)雜零件〃保形〃離子注入與混合沉積技術(shù)研究，獲得高密度

等離子體方法研究；2）空間結(jié)構(gòu)焊接工藝參數(shù)自適應(yīng)控制及焊縫自

動(dòng)跟蹤系統(tǒng)研究，以及等離子弧焊過程中變形控制技術(shù)研究；

3）等離子噴涂陶瓷熱障涂層結(jié)構(gòu)、工藝及工程化研究；4）層流

湍流自動(dòng)轉(zhuǎn)換技術(shù)及軸向送粉、三維噴涂技術(shù)研究；5）層流等離子

體噴涂系統(tǒng)的研制及其噴涂技術(shù)的研究。4電加工技術(shù)4.1發(fā)展現(xiàn)狀

國外電解加工應(yīng)用較廣，除葉片和整體葉輪外已擴(kuò)大到機(jī)匣、盤

環(huán)零件和深小孔加工，用電解加工可加工出高精度金屬反射鏡面。目

前電解加工機(jī)床最大容量已達(dá)到5萬安培，并已實(shí)現(xiàn)CNC控制和多參

數(shù)自適應(yīng)控制。電火花加工氣膜孔采用多通道、納秒級(jí)超高頻脈沖電

源和多電極同時(shí)加工的專用設(shè)備，加工效率2~3秒/孔，表面粗糙度

Ra0.4|jm,通用高檔電火花成型及線切割已能提供微米級(jí)加工精度，

可加工3pm的微細(xì)軸和5Pm的孔。精密脈沖電解技術(shù)已達(dá)10|jm左

右。電解與電火花復(fù)合加工，電解磨削、電火花磨削已用于生產(chǎn)。

參考文獻(xiàn)

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種加工技術(shù)北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2003[4]主編白基成，郭永豐,

劉晉春特種加工技術(shù)哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2006【5】郭

東明，趙福令面向快速制造的特種加工技術(shù)北京：國防工業(yè)出版社，

20097

第四篇：國內(nèi)外先進(jìn)制造技術(shù)的新發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢解讀

國內(nèi)外先進(jìn)制造技術(shù)的新發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢1當(dāng)前制造科學(xué)要解決

的問題

(1)制造系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的大系統(tǒng)，為滿足制造系統(tǒng)敏捷性、快

速響應(yīng)和快速重組的能力，必須借鑒信息科學(xué)、生命科學(xué)和社會(huì)科學(xué)

等多學(xué)科的研究成果，探索制造系統(tǒng)新的體系結(jié)構(gòu)、制造模式和制造

系統(tǒng)有效的運(yùn)行機(jī)制。制造系統(tǒng)優(yōu)化的組織結(jié)構(gòu)和良好的運(yùn)行狀況是

制造系統(tǒng)建模、仿真和優(yōu)化的主要目標(biāo)。制造系統(tǒng)新的體系結(jié)構(gòu)不僅

對(duì)制造企業(yè)的敏捷性和對(duì)需求的響應(yīng)能力及可重組能力有重要意義，

而且對(duì)制造企業(yè)底層生產(chǎn)設(shè)備的柔性和可動(dòng)態(tài)重組能力提出了更高的

要求。生物制造觀越來越多地被引入制造系統(tǒng)，以滿足制造系統(tǒng)新的

要求。

(2)為支持快速敏捷制造，幾何知識(shí)的共享已成為制約現(xiàn)代制造

技術(shù)中產(chǎn)品開發(fā)和制造的關(guān)鍵問題。例如在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造

(CAD/CAM)集成、坐標(biāo)測量(CMM)和機(jī)器人學(xué)等方面，在三維現(xiàn)實(shí)

空間(3-RealSpace)中,都存在大量的幾何算法設(shè)計(jì)和分析等問題，特

別是其中的幾何表示、幾何計(jì)算和幾何推理問題；在測量和機(jī)器人路

徑規(guī)劃及零件的尋位(如Localization)等方面，存在C-空間(配置空間

ConfigurationSpace)的幾何計(jì)算和幾何推理問題;在物體操作俠持、

抓取和裝配等)描述和機(jī)器人多指抓取規(guī)劃、裝配運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和操作規(guī)劃

方面則需要在旋量空間(ScrewSpace)進(jìn)行幾何推理。制造過程中物理

和力學(xué)現(xiàn)象的幾何化研究形成了制造科學(xué)中幾何計(jì)算和幾何推理等多

方面的研究課題，其理論有待進(jìn)一步突破，當(dāng)前一門新學(xué)科--計(jì)算機(jī)

幾何正在受到日益廣泛和深入的研究。3)在現(xiàn)代制造過程中，信息不

僅已成為主宰制造產(chǎn)業(yè)的決定性因素，而且還是最活躍的驅(qū)動(dòng)因素。

提高制造系統(tǒng)的信息處理能力已成為現(xiàn)代制造科學(xué)發(fā)展的一個(gè)重點(diǎn)。

由于制造系統(tǒng)信息組織和結(jié)構(gòu)的多層次性，制造信息的獲取、集成與

融合呈現(xiàn)出立體性、信息度量的多維性、以及信息組織的多層次性。

在制造信息的結(jié)構(gòu)模型、制造信息的一致性約束、傳播處理和海量數(shù)

據(jù)的制造知識(shí)庫管理等方面，都還有待進(jìn)一步突破。

(4)各種人工智能工具和計(jì)算智能方法在制造中的廣泛應(yīng)用促進(jìn)

了制造智能的發(fā)展。一類基于生物進(jìn)化算法的計(jì)算智能工具，在包括

調(diào)度問題在內(nèi)的組合優(yōu)化求解技術(shù)領(lǐng)域中，受到越來越普遍的關(guān)注，

有望在制造中完成組合優(yōu)化問題時(shí)的求解速度和求解精度方面雙雙突

破問題規(guī)模的制約。制造智能還表現(xiàn)在：智能調(diào)度、智能設(shè)計(jì)、智能

加工、機(jī)器人學(xué)、智能控制、智能工藝規(guī)劃、智能診斷等多方面。

這些問題是當(dāng)前產(chǎn)品創(chuàng)新的關(guān)鍵理論問題，也是制造由一門技藝

上升為一門科學(xué)的重要基礎(chǔ)性問題。這些問題的重點(diǎn)突破，可以形成

產(chǎn)品創(chuàng)新的基礎(chǔ)研究體系。2現(xiàn)代機(jī)械工程的前沿科學(xué)

不同科學(xué)之間的交叉融合將產(chǎn)生新的科學(xué)聚集，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社

會(huì)的進(jìn)步對(duì)科學(xué)技術(shù)產(chǎn)生了新的要求和期望，從而形成前沿科學(xué)。前

沿科學(xué)也就是已解決的和未解決的科學(xué)問題之間的界域。前沿科學(xué)具

有明顯的時(shí)域、領(lǐng)域和動(dòng)態(tài)特性。工程前沿科學(xué)區(qū)別于一般基礎(chǔ)科學(xué)

的重要特征是它涵蓋了工程實(shí)際中出現(xiàn)的關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題。

超聲電機(jī)、超高速切削、綠色設(shè)計(jì)與制造等領(lǐng)域，國內(nèi)外已經(jīng)做

了大量的研究工作，但創(chuàng)新的關(guān)鍵是機(jī)械科學(xué)問題還不明朗。大型復(fù)

雜機(jī)械系統(tǒng)的性能優(yōu)化設(shè)計(jì)和產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)、智能結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)、智能

機(jī)器人及其動(dòng)力學(xué)、納米摩擦學(xué)、制造過程的三維數(shù)值模擬和物理模

擬、超精度和微細(xì)加工關(guān)鍵工藝基礎(chǔ)、大型和超大型精密儀器裝備的

設(shè)計(jì)和制造基礎(chǔ)、虛擬制造

和虛擬儀器、納米測量及儀器、并聯(lián)軸機(jī)床、微型機(jī)電系統(tǒng)等領(lǐng)

域國內(nèi)外雖然已做了不少研究，但仍有許多關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題有待解

決。

信息科學(xué)、納米科學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)、管理科學(xué)和制造科

學(xué)將是改變21世紀(jì)的主流科學(xué)，由此產(chǎn)生的高新技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)將改變

世界的面貌。因此，與以上領(lǐng)域相交叉發(fā)展的制造系統(tǒng)和制造信息學(xué)、

納米機(jī)械和納米制造科學(xué)、仿生機(jī)械和仿生制造學(xué)、制造管理科學(xué)和

可重構(gòu)制造系統(tǒng)等會(huì)是21世紀(jì)機(jī)械工程科學(xué)的重要前沿科學(xué)。

2.1制造科學(xué)與信息科學(xué)的交叉--制造信息科學(xué)

機(jī)電產(chǎn)品是信息在原材料上的物化。許多現(xiàn)代產(chǎn)品的價(jià)值增值主

要體現(xiàn)在信息上。因此制造過程中信息的獲取和應(yīng)用十分重要。信息

化是制造科學(xué)技術(shù)走向全球化和現(xiàn)代化的重要標(biāo)志。人們一方面對(duì)制

造技術(shù)開始探索產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造過程中的信息本質(zhì)，另一方面對(duì)制造

技術(shù)本身加以改造，以使得其適應(yīng)新的信息化制造環(huán)境。隨著對(duì)制造

過程和制造系統(tǒng)認(rèn)識(shí)的加深，研究者們正試圖以全新的概念和方式對(duì)

其加以描述和表達(dá)，以進(jìn)一步達(dá)到實(shí)現(xiàn)控制和優(yōu)化的目的。

與制造有關(guān)的信息主要有產(chǎn)品信息、工藝信息和管理信息，這一

領(lǐng)域有如下主要研究方向和內(nèi)容：

(1)制造信息的獲取、處理、存儲(chǔ)、傳遞和應(yīng)用，大量制造信息向

知識(shí)和決策轉(zhuǎn)化。

(2)非符號(hào)信息的表達(dá)、制造信息的保真?zhèn)鬟f、制造信息的管理、

非完整制造信息狀態(tài)下的生產(chǎn)決策、虛擬管理制造、基于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下

的設(shè)計(jì)和制造、制造過程和制造系統(tǒng)中的控制科學(xué)問題。

這些內(nèi)容是制造科學(xué)和信息科學(xué)基礎(chǔ)融合的產(chǎn)物，構(gòu)成了制造科

學(xué)中的新分支--制造信息學(xué)。

2.2微機(jī)械及其制造技術(shù)研究

微型電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS),是指集微型傳感器、微型執(zhí)行器以及

信號(hào)處理和控制電路、接口電路、通信和電源于一體的完整微型機(jī)電

系統(tǒng)。MEMS技術(shù)的目標(biāo)是通過系統(tǒng)的微型化、集成化來探索具有新

原理、新功能的元件和系統(tǒng)。MEMS的發(fā)展將極大地促進(jìn)各類產(chǎn)品的

袖珍化、微型化，成數(shù)量級(jí)的提高器件與系統(tǒng)的功能密度、信息密度

與互聯(lián)密度，大幅度地節(jié)能、節(jié)材。它不僅可以降低機(jī)電系統(tǒng)的成本,

而且還可以完成許多大尺寸機(jī)電系統(tǒng)無法完成的任務(wù)。例如用尖端直

徑為5pm的微型銀子可以夾起一個(gè)紅細(xì)胞；制造出3mm大小能夠開

動(dòng)的小汽午；可以在磁場中飛行的像蝴蝶大小的飛機(jī)等。MEMS技術(shù)

的發(fā)展開辟了技術(shù)全新的領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)，具有許多傳統(tǒng)傳感器無法比擬

的優(yōu)點(diǎn)，因此在制造業(yè)、航空、航天、交通、通信、農(nóng)業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、

環(huán)境監(jiān)控、軍事、家庭以及幾乎人們接觸到的所有領(lǐng)域中都有著十分

廣闊的應(yīng)用前景。

微機(jī)械是機(jī)械技術(shù)與電子技術(shù)在納米尺度上相融合的產(chǎn)物。早在

1959年就有科學(xué)家提出微型機(jī)械的設(shè)想，1962年第一個(gè)硅微型壓力

傳感器問世。1987年美國加州大學(xué)伯克利分校研制出轉(zhuǎn)子直徑為

60~120pm的硅微型靜電電動(dòng)機(jī)，顯示出利用硅微加工工藝制作微小

可動(dòng)結(jié)構(gòu)并與集成電路兼容制造微小系統(tǒng)的潛力。微機(jī)械技術(shù)有可能

像20世紀(jì)的微電子技術(shù)那樣，在21世紀(jì)對(duì)世界科技、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國

防建設(shè)產(chǎn)生巨大的影響。近10年來，微機(jī)械的發(fā)展令人矚目。其特點(diǎn)

如下：相當(dāng)數(shù)量的微型元器件（微型結(jié)構(gòu)、微型傳感器和微型執(zhí)行器等）

和微系統(tǒng)研究成功，體現(xiàn)了其現(xiàn)實(shí)的和潛在的應(yīng)用價(jià)值；多種微型制

造技術(shù)的發(fā)展，特別是半導(dǎo)體微細(xì)加工等技術(shù)已成為微系統(tǒng)的支撐技

術(shù)；微型機(jī)電系統(tǒng)的研究需要多學(xué)科交叉的研究隊(duì)伍，微型機(jī)電系統(tǒng)

技術(shù)是在微電子工藝的基礎(chǔ)上發(fā)展的多學(xué)科交叉的前沿研究領(lǐng)域，涉

及電子工程、機(jī)械工程、材料工程、物理學(xué)、化學(xué)以及生物醫(yī)學(xué)等多

種工程技術(shù)和科學(xué)。

目前對(duì)微觀條件下的機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，微小構(gòu)件的物理特性

和載荷作用下的力學(xué)行

為等尚缺乏充分的認(rèn)識(shí)，還沒有形成基于一定理論基礎(chǔ)之上的微

系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論與方法，因此只能憑經(jīng)驗(yàn)和試探的方法進(jìn)行研究。微型

機(jī)械系統(tǒng)研究中存在的關(guān)鍵科學(xué)問題有微系統(tǒng)的尺度效應(yīng)、物理特性

和生化特性等。微系統(tǒng)的研究正處于突破的前夜，是亟待深入研究的

領(lǐng)域。

2.3材料制備/零件制造一體化和加工新技術(shù)基礎(chǔ)

材料是人類進(jìn)步的里程碑，是制造業(yè)和高技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。每一

種重要新材料的成功制備和應(yīng)用，都會(huì)推進(jìn)物質(zhì)文明，促進(jìn)國家經(jīng)濟(jì)

實(shí)力和軍事實(shí)力的增強(qiáng)。21世紀(jì)中，世界將由資源消耗型的工業(yè)經(jīng)濟(jì)

向知識(shí)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)變，要求材料和零件具有高的性能以及功能化、智能化

的特性；要求材料和零件的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)定量化、數(shù)字化；要求材料和零

件的制備快速、高效并實(shí)現(xiàn)二者一體化、集成化。材料和零件的數(shù)字

化設(shè)計(jì)與擬實(shí)仿真優(yōu)化是實(shí)現(xiàn)材料與零件的高效優(yōu)質(zhì)制備/制造及二

者一體化、集成化制造的關(guān)鍵。一方面，通過計(jì)算機(jī)完成擬實(shí)仿真優(yōu)

化后可以減少材料制備與零件制造過程中的實(shí)驗(yàn)性環(huán)節(jié)，獲得最佳的

工藝方案，實(shí)現(xiàn)材料與零件的高效優(yōu)質(zhì)制備/制造；另一方面，根據(jù)

不同材料性能的要求，如彈性模量、熱膨脹系數(shù)、電磁性能等，研究

材料和零件的設(shè)計(jì)形式。進(jìn)而結(jié)合傳統(tǒng)的去除材料式制造技術(shù)、增加

材料式覆層技術(shù)等，研究多種材料組分的復(fù)合成形工藝技術(shù)。形成材

料與零件的數(shù)字化制造理論、技術(shù)和方法，如快速成形技