先进制造工艺技术的现状与发展趋势

无锡商业职业技术学院继续教育学院毕业设计（论文）先进制造工艺现状与发展趋势顾君班级 机电二班专业 机电一体化指导老师 周凌于2010/10/20日至2010/10/30日目录前言3第一章 先进制造工艺的特点.4第二章 先进制造工艺的技术发展趋势 .5第三章 谈谈我国目前先进制造技术的现状及发展途径.8谢辞12前言本文章内容完整，实例丰满，简明扼要，实用性强。突出强调制造工艺规程编写能力培养与训练。特点如下：1体系完整，结构合理 在章节安排和内容阐述上，一方面保持知识体系的完整性；另一方面努力使知识阐述更加循序渐进、循循善诱，并富有启发性。2 重点突出，简明精炼 突出课程的主线，并加强工艺与设计的配合。全文章叙述简明，论述精炼。3注重能力，突出实用 针对当今社会人才需求。制造工艺是机械行业的一项重要和主要工程技术。本文章强化了所阐述知识内容的实用性，强化了例题和实例与工程实际的联系，并对部分例题进行了较详细解答。4 反映发展，顺应形势 强化了数控加工工艺等反映新技术发展的内容。5谈论了我国目前先进制造技术的现状及发展途径。先进制造工艺技术的现状与发展趋势第一章先进制造工艺的特点先进制造工艺的特点可用先进性、实用性和前沿性来概括。 1.先进性 先进制造工艺的先进性主要表现在优质、高效、低耗、洁净、灵活（柔性）五个方面。 优质：加工制造出的零件或整机质量高，性能好；零部件尺寸精确，表面光洁，内部组织致密，无缺陷及杂质，使用性能好；整机的结构、色彩美观宜人，使用寿命和可靠性高。 高效：生产效率及劳动生产率高，大大降低了操作者的劳动强度。 低耗：节省原材料及能源。 洁净：生产过程不污染环境，零排放或少排放。 灵活：能快速对市场变化及产品设计的更改作出反应，适应多品种柔性生产。 2.实用性 先进制造工艺的实用性主要表现在两个方面。一是应用普遍性，它是当今或不久将来机械工厂量大面广的看家工艺；二是经济适用性，它一般投资不高，且有不同档次，宜于工厂根据本身的条件通过技术改造予以采纳。 3.前沿性 先进制造工艺的前沿性主要表现在：先进制造工艺是高新技术产业化或传统工艺高新技术化的结果，它们是制造工艺研究最为活跃的前沿领域。部分先进制造工艺可能目前应用还不广泛，但是它们代表着某些发展方向，而且可望会得到越来越广泛的应用。 因此，先进制造工艺就是机械工厂普遍能够采用，具有直接推广价值或广阔应用前景的一系列优质、高效、低耗、洁净、灵活工艺的总称第二章先进制造工艺的技术发展趋势1.采用模拟技术，优化工艺设计 成形、改性与加工是机械制造工艺的主要工序，是将原材料（主要是金属材料）制造加工成毛坯或零部件的过程。这些工艺过程特别是热加工过程是极其复杂的高温、动态、瞬时过程，其间发生一系列复杂的物理、化学、冶金变化，这些变化不仅不能直接观察，间接测试也十分困难，因而多年来，热加工工艺设计只能凭“经验”。近年来，应用计算机技术及现代测试技术形成的热加工工艺模拟及优化设计技术风靡全球，成为热加工各个学科最为热门的研究热点和跨世纪的技术前沿。 应用模拟技术，可以虚拟显示材料热加工（铸造、锻压、焊接、热处理、注塑等）的工艺过程，预测工艺结果（组织性能质量），并通过不同参数比较以优化工艺设计，确保大件一次制造成功；确保成批件一次试模成功。 模拟技术同样已开始应用于机械加工、特种加工及装配过程，并已向拟实制造成形的方向发展，成为分散网络化制造、数字化制造及制造全球化的技术基础。 2.成形精度向近无余量方向发展 毛坯和零件的成形是机械制造的第一道工序。金属毛坯和零件的成形一般有铸造、锻造、冲压、焊接和轧材下料五类方法。随着毛坯精密成形工艺的发展，零件成形的型成形的形状尺寸精度正从近净成形（Near Net Shape Forming）向净成形（Net ShapeForming）即近无余量成形方向发展。“毛坯”与“零件”的界限越来越小。有的毛坯成形后，已接近或达到零件的最终形状和尺寸，磨削后即可装配。主要方法有多种形式的精铸、精锻、精冲、冷温挤压、精密焊接及切割。如在汽车生产中，“接近零余量的敏捷及精密冲压系统”及“智能电阻焊系统”正在研究开发中。 3. 成形质量向近无“缺陷”方向发展 毛坯和零件成形质量高低的一另一指标是缺陷的多少、大小和危害程度。由于热加工过程十分复杂，因素多变，所以很难避免缺陷的产生。近年来热加工界提出了“向近无“缺陷”方向发展”的目标，这个“缺陷”是指不致引起早期失效的临界缺陷概念。采取的主要措施有：采用先进工艺，净化熔融金属薄板，增大合金组织的致密度，为得到健全的铸件、锻件奠定基础；采用模拟技术，优化工艺设计，实现一次成形及试模成功；加强工艺过程监控及无损检测，及时发现超标零件；通过零件安全可靠性能研究及评估，确定临界缺陷量值等。 4.机械加工向超精密、超高速方向发展 超精密加工技术目前已进入纳米加工时代，加工精度达0.025m，表面粗糙度达0.0045m。精切削加工技术由目前的红处波段向加工可见光波段或不可见紫外线和X射线波段趋近；超精加工机床向多功能模块化方向发展；超精加工材料由金属扩大到非金属。 目前起高速切削铝合金的切削已超过1600m/min；铸铁为1500m/min；超高速切削已成为解决一些难加工材料加工问题的一条途径。 5.采用新型能源及复合加工。解决新型材料的加工和表面改性难题 激光、电子束、离子束、分子束、等离子体、微波、超声波、电液、电磁、高压水射流等新型能源或能源载体的引入，形成了多咱崭新的特种加工及高密度能切割、焊接、熔炼、锻压、热处理、表面保护等加工工艺或复合工艺。其中以多种形式的激光加工发展最为迅速。这些新工艺不仅提高了加工效率和质量，同时还解决了超硬材料、高分子材料、复合材料、工程陶瓷等新型材料的加工难题。 6.采用自动化技术，实现工艺过程的优化控制 微电子、计算机、自动化技术与工艺设备相结合，形成了从单机到系统，从刚性到柔性，从简单到复杂等不同档次的多种自动化成形加工技术，使工艺过程控制方式发生质的变化，其发展历程及趋势为： 1）应用集成电路、可编程序控制器、微机等新型控制元件、装置实现工艺设备的单机、生产线或系统的自动化控制。 2）应用新型传感、无损检测、理化检验及计算机、微电子技术，实时测量并监控工艺过程的温度、压力、形状、尺寸、位移、应力、应变、振动、声、像、电、磁及合金与气体的成分、组织结构等参数，实现在线测量、测试技术的电子化、数字化、计算机及工艺参数的闭环控制，进而实现自适应控制。 3）将计算机辅助工艺编程（CAPP）、数控、CAD/CAM、机器人、自动化搬运仓储、管理信息系统（MIS）等自动化单元技术综合用于工艺设计、加工及物流过程，形成不同档次的柔性自动化系统；数控加工、加工中心（MC）、柔性制造单元（FMC）、柔性制造岛（FMI）、柔性制造系统（FMS）和柔性生产线（FTL），及至形成计算机集成制造系统（CIMS）和智能制造系统（IMS）。 7.采用清洁能源及原材料、实现清洁生产 机械加工过程产生大量废水、废渣、废气、噪声、振动、热辐射等，劳动条件繁重危险，已不适应当代清洁生产的要求。近年来清洁生产成为加工过程的一个新的目标，除搞好三废治理外，重在从源头抓起，杜绝污染的产生。其途径之一为：一是采用清洁能源，如用电加热代替燃煤加热锻坯，用电熔化代替焦炭冲天炉熔化铁液；二是采用清洁的工艺材料开发新的工艺方法，如在锻造生产中采用非石墨型润滑材料，在砂型铸造中采用非煤粉型砂；三是采用新结构，减少设备的噪声和振动。如在铸造生产中，噪声极大的震击式造型机已被射压、静压造型机所取代。在模锻生产中，噪声大且耗能多的模锻锤，已逐渐被电液传动的曲柄热模锻压力机、高能螺旋压力机所取代。在清洁生产基础上，满足产品从设计、生产到使用乃至回收和废弃处理的整个周期都符合特定的环境要求的“绿色制造”将成为21世纪制造业的重要特征。 8.加工与设计之间的界限逐渐淡化，并趋向集成及一体化。CAD/CAM、FMS、CIMS、并行工程、快速原型等先进制造技术及哲理的出现，使加工与设计之间的界限逐渐淡化，并走向一体化。同时冷热加工之间，加工过程、检测过程、物流过程、装配过程之间的界限亦趋向谈化，、消失，而集成于统一的制造系统之中。 9.工艺技术与信息技术、管理技术紧密结合，先进制造生产模式获得不断发展 先进制造技术系统是一个由技术、人和组织构成的集成体系，三者有效集成才能取得满意的效果。因而先进制造工艺只有通过和信息、管理技术紧密结合，不断探索适应需求的新型生产模式，才能提高先进制造工艺的使用效果。先进制造生产模式主要有：柔性生产、准时生产、精益生产、敏捷制造、并行工程、分散网络化制造等。这些先进制造模式是制造工艺与信息、管理技术紧密结合的结果，反过来它也影响并促进制造工艺的不断革新与发展。第三章谈谈我国目前先进制造技术的现状及发展途径一当前制造科学要解决的问题 a)制造系统结构日益复杂:为满足制造系统敏捷性、快速响应和快速重组的能力，必须借鉴信息科学、生命科学和社会科学等多学科的研究成果，探索制造系统新的体系结构、制造模式和制造系统有效的运行机制。制造系统优化的组织结构和良好的运行状况是制造系统建模、仿真和优化的主要目标。制造系统新的体系结构不仅对制造企业的敏捷性和对需求的响应能力及可重组能力有重要意义，而且对制造企业底层生产设备的柔性和可动态重组能力提出了更高的要求; b)基础几何图论运算更加复杂:例如在计算机辅助 设计与制造(CAD/CAM)集成、坐标测量(CMM)和机器人学等方面，在三维现实空间(3-realspace)中，都存在大量的几何算法设计和分析等问题，特别是其中的几何表示、几何计算和几何推理问题;在测量和机器人路径规划及零件的寻位(如localization)等方面，存在C-空间(配置空间configurationspace)的几何计算和几何推理问题;在物体操作(夹持、抓取和装配等)描述和机器人多指抓取规划、装配运动规划和操作规划方面则需要在旋量空间(screwspace)进行几何推理。制造过程中物理和力学现象的几何化研究形成了制造科学中几何计算和几何推理等多方面的研究课题，其理论有待进一步突破，当前一门新学科-计算机几何正在受到日益广泛和深人的研究; c)制造信息量日益庞杂:提高制造系统的信息处理能力已成为现代制造科学发展的一个重点。由于制造系统信息组织和结构的多层次性，制造信息的获取集成与融合呈现出立体性、信息度量多维性和信息组织多层次性。在制造信息的结构模型、制造信息的一致性约束、传播处理和海量数据的制造知识库管理等方面，都还有待进一步突破; d)多样智能制造技术大量涌现:如基于生物进化算法的计算智能工具，在包括调度问题在内的组合优化求解技术领域中，受到越来越普遍的关注，有望在制造中完成组合优化问题时的求解速度和求解精度方面双双题规模的制约。制造智能还表现在:智能调度、智能设计、智能加工、机器人学、智能控制、智能工艺规划和智能诊断等多方面。 这些问题是当前产品创新的关键理论问题，也是制造由一门技艺上升为一门科学的重要基础性问题。这些问题的重点突破，可以形成产品创新的基础研究体系。二我国发展先进制造业的关键1数是发展的核心 数字化制造就是指制造领域的数字化，它包含了三大部分:以设计为中心的数字制造，以控制为中心的数字制造和以管理为中心的数字制造。对制造设备而言，其控制参数均为数字化信号。对制造企业而言，各种信息(如图形、数据、知识和技能等)均以数字形式通过网络在企业内传递，以便根据市场信息，迅速收集资料信息，在虚拟现实、快速原型、数据库、多媒体等多种数字化技术的支持下，对产品信息、工艺信息与资源信息进行分析、规划与重组，实现对产品设计和产品功能的仿真，对加工过程与生产组织过程的仿真或完成原型制造，从而实现生产过程的快速重组与对市场的快速响应，以满足客户要求。还应指出，制造知识(包括技能、经验)的获取、表达、存储、推理乃至系统化、公理化等，这是使制造技术发展到制造科学的关键，而这又与数字化不可分开。 2精是发展的关健 精是精密化，一方面是指对产品、零件的精度要求越来越高，另一方面是指对产品、零件的加工精度要求越来越高。20世纪初，超精密加工的误差是10?m,30年代达?m,50年代达0.1?m,70一80年代达0.01?m，至今达0.001?m，即1nm。再由以下一组数据可以看到微电子产品对加工精度的依赖程度，电子元件制造误差为:一般晶体管50?m，一般磁盘5?m，一般磁头磁鼓0.5?m，集成电路0.05?m，超大型集成电路达0.005?m，而合成半导体为1nm。 3极是发展的焦点 极即极端条件，就是指在极端条件下工作的或者有极端要求的产品，从而也是指这类产品的制造技术有极的要求。如在高温、高压、高湿、强磁场和强腐蚀等条件下工作，或有高硬度、大弹性等要求的，或在几何形体上极大、极小、极厚、极薄和奇形怪状的。显然，这些产品都是科技前沿的产品。其中之一就是微机电系统(MEMS),MEMS可以完成特种动作与实现特种功能，乃至可以沟通微观世界与宏观世界，其深远意义难于估量。可以说，极是前沿科技或前沿科技产品发展的一个焦点。例如，在信息领域中的分子存储器、原子存储器;生命领域中的克隆技术、基因操作系统;军事武器中的精确制导技术、精确打击技术;航空航天领域中的微型飞机、微型卫星、纳米卫星(0.1kg以内);微型机器人领域中的脑科手术等。 4自是发展的条件 自就是自动化，即减轻人的劳动，强化、延伸、取代人的有关劳动的技术或手段。自动化是先进制造技术发展的前提条件。自动化总是伴随有关机械或工具来实现的，可以说，机械是一切技术的载体，也是自动化技术的载体。据统计，从1870-1980年，加工过程的效率提高了20倍，体力劳动得到了有效的解放;但管理效率只提高了1.8-2.2倍，设计效率只提高1.2倍，这表明脑力劳动远没有得到有效的解放。自动化从自动控制、自动调节、自动补偿、自动辨识等发展到自学习、自组织、自维护和自修复等更高的自动化水平，而且今天自动控制的内涵与水平已今非昔比，控制理论、控制技术、控制系统、控制元件都有着极大的发展。 5集是发展的方法 集就是集成化，包括技术的集成、管理的集成、技术与管理的集成。其本质是知识的集成。如前所述，先进制造技术就是制造技术、信息技术、管理科学与有关科学技术的集成。目前，集主要指:现代技术的集成，如机电一体化等;加工技术的集成，特种加工技术及其装备是个典型，如增材制造(即快速原型)、激光加工、高能束加工和电加工等;企业集成，即管理的集成、全生命周期过程的集成等。当然，管理的集成不可能不包含管理与技术的集成。 从长远看，由生物技术与制造技术集成的微制造的生物方法或所谓的生物制造是一个崭新的充满着活力的领域，作用难以估量。 6网是发展的道路 网就是网络化，制造技术的网络化是先进制造技术发展的必由之路，制造业走向整体化、有序化，这同人类社会发展是同步的。在制造技术网络化中，值得关注的是电子商务的应用。它具有的优点是商务的直接化与透明化，这对降低成本、加快流通、提高效率、增加商业机会大有好处，从而对企业内部重组、经营战略与竞争模式有着深刻影响。