我对先进制造技术的认识_对先进制造技术的认识

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我对先进制造技术的认识

摘要：简要介绍了先进制造技术的结构体系、分类、特点，以及我国先进制造技术的概况，详细阐述了先进制造技术的发展趋势，指出了我国先进制造技术与先进国家相比所存在的差距，并提出了相应的解决措施。关键词：先进制造技术；发展趋势；概述

引言

制造业是现代国民经济和综合国力的重要支柱，其创造了国民生产总值1/3，工业生产总值的4/5，提供了国家财政收入的1/3。由此可见，制造技术的水平将对一个国家的经济实力和科技发展的水平产生重要的影响。制造技术尤其是先进制造技术将主宰一个国家的命运，因而，各国政府都非常重视先进制造技术的研究和发展。先进制造技术AMT是制造业不断吸收机械、电子、信息、能源及现代系统管理等方面的成果，并将其综合应用于产品设计、制造、检测、管理、销售、使用、服务乃至回收的全过程，以实现优质、高效、低耗、清洁和灵活生产，提高对动态多变的产品市场的适应能力和竟争能力的制造技术的总称。先进制造技术源于20世纪80年代的美国，是为提高制造业的竞争力和促进国家经济增长而提出。同时，以计算机为中心的新一代信息技术的发展，推动了制造技术的飞跃发展，逐步形成了先进制造技术的概念。

先进制造技术概述

先进制造技术，AMT是中国1995年列入为提高工业质量及效益的重点开发推广项目，该技术广涉信息、机械、电子、材料、能源、管理等方面的知识。因此，该技术的发展对推动国民经济的发展有着重要的作用。就目前世界的经济发展来看，以美国、日本、西欧为代表的工业化国家在AMT上都有雄厚的实力。

随着社会需求个性化、多样化的发展，生产规模沿小批量－－大批量－－多品种变批量的方向发展，以及以计算机为化表的高技术和现代化管理技术的引入、渗透与融化，不断地改变着传统制造技术的面貌和内涵，从而形成了先进制造技术。

先进制造技术的内涵

目前对先进制造技术尚没有一个明确的、一致公认的定义，经过近年来对发展先进制造技术方面开展的工作，通过对其特征的分析研究，可以认为：先进制造技术是制造业不断吸收信息技术和现代管理技术的成果，并将其综合应用于产品设计、加工、检测、管理、销售、使用、服务乃至回收的制造全过程，以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活生产，提高对动态多变的市场的适应能力和竞争能力的制造技术的总称。

先进制造技术的特点

先进制造技术最重要的特点在于，它是一项面向工业应用，具有很强实用性的新技术。与传统制造技术相比，先进制造技术更具有系统性、集成性、广泛性、高精度性。先进制造技术虽然仍大量应用于加工和装配过程，但在其制造过程中还综合应用了设计技术、自动化技术、系统管理技术等。先进制造技术比传统的制造技术更加重视技术与管理的结合，更加重视制造过程组织和管理体制的简化以及合理化，从而产生了一系列先进的制造模式，并能实现优质、高效、低耗、清洁、灵活的生产。

先进制造技术发展中的一些技术的简单概述

快速成形技术又称快速原型制造技术，诞生于20世纪80年代后期，是基于材料堆积法的一种高新制造技术，被认为是近20年来制造领域的一个重大成果。它集机械工程、CAD、逆向工程技术、分层制造技术、数控技术、材料科学、激光技术于一身，可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件，从而为零件原型制作、新设计思想的校验等方面提供了一种高效低成本的实现手段。即，快速成形技术就是利用三维CAD的数据，通过快速成型机，将一层层的材料堆积成实体原型。快速成形技术的特点

(1)制造原型所用的材料不限，各种金属和非金属材料均可使用；

(2)原型的复制性、互换性高；

(3)制造工艺与制造原型的几何形状无关，在加工复杂曲面时更显优越；

(4)加工周期短，成本低，成本与产品复杂程度无关，一般制造费用降低50%，加工周期节约70%以上；

(5)高度技术集成，可实现了设计制造一体化；

RP技术基本原理

快速成形技术是在计算机控制下，基于离散、堆积的原理采用不同方法堆积材料，最终完成零件的成形与制造的技术。从成形角度看，零件可视为“点”或“面”的叠加。从CAD电子模型中离散得到“点”或“面”的几何信息，再与成形工艺参数信息结合，控制材料有规律、精确地由点到面，由面到体地堆积零件。从制造角度看，它根据CAD造型生成零件三维几何信息，控制多维系统，通过激光束或其他方法将材料逐层堆积而形成原型或零件。

RP技术的类型

近十几年来，随着全球市场一体化的形成，制造业的竞争十分激烈。尤其是计算机技术的迅速普遍和CAD/CAM技术的广泛应用，使得RP技术得到了异乎寻常的高速发展，表现出很强的生命力和广阔的应用前景。快速成形技术发展至今，以其技术的高集成性、高柔性、高速性而得到了迅速发展。目前，快速成形的工艺方法已有几十种之多，其中主要工艺有四种基本类型：光固化成型法、分层实体制造法、选择性激光烧结法和熔融沉积制造法。

RP技术的应用

不断提高RP技术的应用水平是推动RP技术发展的重要方面。目前，快速成型技术已在工业造型、机械制造、航空航天、军事、建筑、影视、家电、轻工、医学、考古、文化艺术、雕刻、首饰等领域都得到了广泛应用。并且随着这一技术本身的发展，其应用领域将不断拓展。RP技术的实际应用主要集中在以下几个方面：

(1)在新产品造型设计过程中的应用快速成形技术为工业产品的设计开发人员建立了一种崭新的产品开发模式。运用RP技术能够快速、直接、精确地将设计思想转化为具有一定功能的实物模型(样件)，这不仅缩短了开发周期，而且降低了开发费用，也使企业在激烈的市场竞争中占有先机。

(2)在机械制造领域的应用由于RP技术自身的特点，使得其在机械制造领域内，获得广泛的应用，多用于制造单件、小批量金属零件的制造。有些特殊复杂制件，由于只需单件生产，或少于50件的小批量，一般均可用RP技术直接进行成型，成本低，周期短。(3)在医学领域的应用近几年来，人们对RP技术在医学领域的应用研究较多。以医学影像数据为基础，利用RP技术制作人体器官模型，对外科手术有极大的应用价值。

(4)在文化艺术领域的应用在文化艺术领域，快速成形制造技术多用于艺术创作、文物复制、数字雕塑等。快速成形技术的应用很广泛，可以相信，随着快速成形制造技术的不断成熟和完善，它将会在越来越多的领域得到推广和应用。

超高速加工的机制及特点定义

通常将切削速度和进给速度达到常规机床5～10 倍的切削加工称之为高速切削。也有将主轴转速达到10000 r/ min, 快速进给速度40 m/ min 以上,平均工作进给速度10 m/ min 以上, 最大工作进给速度30 m/ min 以上, 进给加速度0.3g 以上的切削加工定义为高速切削。但是基于对切削速度要求不断提高的发展趋势, 迄今为止, 还很难对高速切削作出得到广泛认同的确切界定。

[4]2 超高速加工的机制

超高速加工的理论研究可追溯到20世纪30年代。萨治蒙指出：在常规的切削速度范围内，切削温度随切削速度的增大而升高。但是，当切削速度增大到某一数值之后．切削速度再增加，切削温度反降低。其中速度值与工件材料的种类有关，对每种工件材料，存在一个速度范围，在这个速度范围内，由于切削温度太高，任何刀具都无法承受，切削加工不可能进行，这个速度范围在美国被称为“死谷”。由于受当时实验条件的限制，这一理论未能严格区分切削温度和工作温度的界限，但他的思想给后者的研究者一个非常重要的启示：如能越过这个“死谷”而在超高速区进行加工，则有可能用现有的刀具进行超高切削，大幅度减少切削工时，并成功地提高机床的生产率。主要特点

生产实践表明, 与常规切削相比, 高速切削加工有以下主要特点。1 材料切除率高, 切削力低 2 热变形小加工表面质量高关键技术

高速机床及高速切削刀具是实现高速切削加工的前提和关键。具有高精度高转速主轴, 具有高精度、高轴向进给速度和进给加速度的直线电机进给驱动系统, 具有高性能的CNC 控制系统, 又是高速机床的关键所在。高速主轴

高速机床主轴是高速切削加工的最重要的关键技术,国外主轴转速在10000～20000r/min 的加工中心越来越普及,转速高达100000 r/min、200000r/min、250000r/min 的实用高速主轴正在研究开发之中。主轴的结构采用主轴电机与机床主轴合二为一的结构形式,即所谓“内装式电机主轴”,电机的转子就是机床的主轴,主轴单元的壳体就是电机座。该结构紧凑、重量轻、惯性小,响应特性好,还可避免振动与噪声,是超高速主轴单元的理想结构,已在高速机床中获得广泛应用。高速切削主轴除保持高转速外,还应满足下面性能:足够的刚性和较高的回转精度、良好的热稳定性、工具装卡可靠、大功率、先进的润滑和冷却系统、可靠的监测系统。直线电机进给驱动系统

如果采用通常的伺服电机滚珠丝杠副的轴向直线进给系统, 提高轴向进给速度和加速度将受到传统结构的限制,不能满足高速切削加工的要求, 只有采用直线伺服电机高速驱动系统, 它是高速机床设计的一个重要发展趋势。直线电机驱动系统可由直线电机直接驱动机床工作台,消除了中间传动环节,提高了驱动系统的进给速度、加速度、刚度和定位精度。满足高速机床进给驱动要求的交流直线电机,按励磁方式分为永磁式直线电机和感应式直线电机两种。美国Ingersoll公司在HVM8 加工中心的轴向进给系统中首先采用了永磁式直线电机, 使进给速度达到76.2m/min,进给加速度达到1.5g。北美GEFanuc Automation与其它公司联合开发的高速机床采用了直线电机进给驱动系统,其进给加速度达到1.5g,当进给速度为38.1～76.2m/min时,工件轮廓尺寸精度达到3～5mm。高速切削刀具

高速切削加工要求刀具材料与被加工材料的化学亲合力要小, 并具有优异的机械性能和热稳定性,抗冲击, 耐磨损。目前在高速切削中常用的刀具材料有单涂层或多涂层硬质合金、陶瓷、立方氮化硼（GBN）、聚晶金刚石等。

（1）硬质合金刀具（2）陶瓷刀具

[5]（3）立方氮化硼(CBN)刀具（4）聚晶金刚石刀具(PCD)[6]4 超高速轴承技术

超高速主轴系统的核心是高速精密轴承。因滚动轴承有很多优点，故目前国外多数超高速磨床采用的是滚动轴承。为提高其极限转速，主要采取如下措施：第一，提高制造精度等级，但这样会使轴承的价格成本成陪增长。第二，合理选择材料，陶瓷球轴承具有重量轻、热膨胀系数小、硬度高、耐高温的尺寸稳定、耐腐蚀、弹性模具比刚高、非磁性等优点。第三，改进轴承结构，从而可提高轴承结构的刚性。

超高速加工的发展趋势

航空工业是高速切削加工的主要应用行业。对大型铸锻件、铆接件、组合件需求减少的同时, 现代飞机大量采用轧制的厚铝板作毛坯直接整体加工成形的构件, 有的整体构件材料去除率高达98%, 成品壁厚只有1mm。国外在高速切削加工时, 采用小切削量、高切削速度代替传统大切削量、低切削速度, 提高了加工效率和加工精度, 加工时间约减少80%, 而尺寸精度和表面质量都达到无须补充光整加工的水平。

军事电子工业也将成为高速切削加工的重点应用行业。据介绍, 在军用雷达产品微波零件的加工中, 如采用小尺寸刀具时, 转速高达7500～10000 r/ min, 进给速度为5～10m/ min, 不仅防止了这类薄壁零件在普通数控设备上加工易产生弯曲和膨胀, 而且工效提高了20 倍以上。

大批量生产的汽车行业面临产品快速更新换代而形成的多品种生产, 柔性生产线(FTL)代替了组合机床生产线, 高速加工中心则将柔性生产线的效率提高到组合机床生产线水平, 如美国Ingersoll公司的HVM800 高速卧式加工中心。

我国对高速切削加工的研究相对较薄弱, 高速加工机床对我国机床行业还是一个巨大的技术课题。但一些航空企业、汽车制造企业及军事电子研究单位通过引进国外设备, 正在开展高速切削加工的应用工作, 解决制造技术难题。

应该说超高速加工技术的前途是光明的，像NC技术出现一样，超高速加工技术也是一项革命性的革新。

激光加工方法的应用与发展

激光加工是20世纪60年代发展起来的。它扩展了光为人类服务的领域，加深了人类对光的认识。由于激光加工是不需接触工件，工具不会与工件的表面直接磨察产生阻力，所以激光加工的速度极快、而且工件受热影响的区域小而且不会产生噪音。由于激光束的能量大小和光束的移动均可调节，因此激光加工应用极为广泛。

激光加工在再制造业同样有其不可替代的地位。激光加工用于再制造业是由相变硬化发展到激光表面合金化和激光熔覆，由激光合金涂层发展到复合涂层及陶瓷涂层，从而使得激光表面加工技术成为再制造的一项重要手段。它主要是采用高功率激光器及其系统。但目前我国激光在此领域的应用技术尚不成熟。主要表现为：高档激光加工系统少；主力激光器不过关；微细激光加工装备缺口较大；而这些领域我国的生产加工企业正在积蓄力量稳步进入，国内应用市场有很大发展空间。国内各类制造业接受了激光加工技术，使他们的产品加快产品更新的速度。

1.加工机理：激光由处于激发状态的原子、离子或分子受辐射而发出的光。当工作物质（如红宝石等）受到光泵激发后，便产生受激辐射跃迁，造成光放大，再通过两个反射镜组成谐振产生振荡，由谐振腔一段输出激光，经过透镜聚焦，就产生了激光束。其直径只有几微米到几十微米，其能量密度却极其高，温度可达一千摄氏度，因此可在千分之几秒溶化、气化任何材料。

2.激光机工的加工优点：

（1）由于其能量密度高，热作用时间短，热影响区域小，几乎可以加工任何材料。

（2）激光加工不需要切削工具，就不存在工具磨损，不要更换、调整，易于实现自动化（3）激光加工可以聚焦到微米级，实现精密加工，且不必考虑加工应力的问题。适合于精密微细加工。

（4）由于激光可以透过透明的物质，所以激光可以再任何透明的物质中工作，甚至某些液体（5）激光加工不受电磁干扰，所以可以在大气层中进行加工处理。（6）激光除可用于材料的切除外，还可进行焊接、热处理、表面强化、引发化学反应等加工。3.激光的主要应用领域

（1）激光打孔工艺：采用脉冲激光器可进行打孔, 激光打孔是激光加工的主要领域之一。目前比较成熟的打孔方法有复制法和轮廓迂回法。复制法应用较为广泛。它采用与被加工控形状相同的光点进行复制打孔。轮廓迂回就相当于是激光束切割。激光打孔已广泛用于钟表和仪表的宝石轴承、金刚石拉丝模、化纤喷丝头等工件的加工。

（2）激光束切割：激光切割可用于各种材料的切割。如可切割金属，以及玻璃、陶瓷、皮革等非金属材料。在造船、汽车制造等工业中,常使用百瓦至万瓦级的连续CO2激光器对大工件进行切割,既能保证精确的空间曲线形状,又有较高的加工效率。对小工件的切割常用中、小功率固体激光器或CO2激光器。在微电子学中，常用激光切划硅片或切窄缝，速度快、热影响区小。用激光可对流水线上的工件刻字或打标记，并不影响流水线的速度，刻划出的字符可永久保持。影响激光切割的因素主要有：激光功率、光束模式、聚焦光斑、光束偏振和材料性质等。激光的功率核材料的性能主要用于确定切割速度和切割厚度。光束模式和它的聚焦能力有关。焦点位置对溶深和熔池形状的影响很大。辅助气体的作用是 与金属产生放热反应，增加能量；吹掉熔渣；冷却切缝领进区域，减小热影响区；保护透镜，防止污染。

（3）激光焊接：焊接过程属于传导焊接，激光辐射加热工件表面，产生的热量通过热传导向工件内部传递。和其他焊接方法相比，激光尤其显著的优点，也有其局限性。激光焊接强度高、热变形小、密封性好，可以焊接尺寸和性质悬殊，以及熔点很高(如陶瓷)和易氧化的材料。但激光能量转换效率低，成本高。

激光表面热处理：激光表面热处理是一个研究工作比较活跃的领域。对激光束的模式和聚焦特性没有要求，可采用多模光束。用激光照射材料，选择适当的波长和控制照射时间、功率密度，可使材料表面熔化和再结晶，达到淬火或退火的目的。激光热处理的优点是可以控制热处理的深度，可以选择和控制热处理部位，工件变形小,可处理形状复杂的零件和部件,可对盲孔和深孔的内壁进行处理。激光表面处理的工艺很多，包括相变硬化、涂敷、熔凝、合金化、气相沉淀、增强电镀等。把激光表面强化技术应用于陶瓷、硬质合金刀具具有深刻的研究意义和广阔的应用前景。

4.我国先进制造技术的发展状况

(1)在设计方面，计算机辅助设计(CAD)技术普及化。计算机辅助设计(CAD)技术，是电子信息技术的个重要组成部分，是促进科研成果的开发和转化，促进传统产业和学科的更新和改造，实现设计自动化，增强企业及其产品在市场上竟争能力，加速国民经济发展和国防现代化的项关键性高新技术，也是进步向计算机集成制造(CIMS)发展的重要技术基础。CAD技术的广泛应用，提高了我国企业整体的设计水平以及产品开发能力。以二维CAD和产品数据管理为重点，在软件市场和企业应用方而得到充分的发挥。

(2)在应用方面，各种高新技术发展迅速，并取得了显著的成效。主要表现在以下几个方而：快速原型制造技术由起步迈向成熟，应用初具规模；精密成形与加工技术水平显著提高，在汽车零部件、重大装配制造中获得广泛应用；热加工工艺模拟优化技术取得重要进展，使材料热加工由“技艺”走向“科学”；激光加工在基础研究和技术开发方面有实质性进展，产业应用获得经济效益；数控技术取得重要进展，国内市场占有率有所提高；现场总线智能仪表研究开发获重要进展，应用已有一定的基础；现代集成制造系统研究和应用取得突破，在国际上已占有席之地。

(3)在管理方面，新生产模式的研究和实践具有特色，推动了我国制造业的技术进步和管理现代化。通过学习和引进工业发达国家的先进管理经验，采用计算机管理，重视组织和管理体制、生产模式的更新发展，推出了准时生产（JIT）、敏捷制造（AM）、精益生产（LP）、并行工程（CE）等新的管理思想和技术，通过精简机构、减少管理层次和消除各种浪费现象，显著提高了企业的经营效益。

5.结束语

制造业是国家经济和综合国力的基础，被称为“立国之本”。先进制造技术是现代制造业的关键技术，已经成为一个国家综合实力和科技发展的重要标志，为提高一个国家的国际地位起着举足轻重的作用。经过近几年的发展，我国的制造工业己经取得了长足的进步，但和先进国家相比还存在很大差距。主要表现在：技术投入相对不足，原有技术基础和研究开发能力薄弱，制造业产品落后，技术水平低，信息含量少，更新换代慢，以及市场营销、经营管理、人才素质相对落后，缺乏国际竟争能力等方而。因此，我国对先进制造技术已引起高度重视，大力发展先进制造技术，培养专业人才，使我国由世界制造大国逐步转变为世界制造强国。

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