也谈现代制造技术

1、也谈现代制造技术    引言 机械制造业的发展总是依托于整个社会的技术进步，并以此为界线划分为不同的发展时代。首先是电力时代，在此期间，机械制造业实现了电气化和自动化；同时，在常规加工（CM）即传统加工（TM）的基础上，又发展了特种加工（NTM）即非传统加工（UTM）。后来是信息时代，从1946年世界上第一台电子计算机研制成功，标志着信息时代的开始，在此期间，机械制造业出现了多种制造模式和理念，即：数控（NC）、加工中心（MC）、成组技术（GT）、计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助工艺设计（CAPP）、计算机集成制造（CIM）

2、、并行工程（CE）、精益生产（LP）、敏捷制造（AM）、虚拟制造（VM）等。新技术在制造业中的应用，使得被人们称作“夕阳产业”的机械制造业不断涌现新的希望，唤发新的活力。从起初“规模型”、“成本型”到“质量型”，再到现在的“快速响应型”无不展示其适应市场竞争，求生存、求发展的勃勃生机。 围绕着以满足个性需求为宗旨的新产品开发与竟争，一场以大制造、全过程、多学科为特征的新的制造业革命正波澜壮阔地展开。这是二十一世纪知识经济新时代下制造业的趋势，同时也预示着其未来的可持续发展方向全球化、信息化、智能化。 集成化思想在制造业中发展历程 提到“集成”，自然想到CIMS（Computer Integra

3、ted ManufacturinSystems）。作为实现“集成”哲理的实际系统，以计算机应用为核心，支持制造过程各个环节，是信息技术在制造业应用发展的高级阶段。可以说CIMS是集成化思想在制造业中的具体体现。 CIMS概念提出于70年代，在80年代得以应用并迅速发展起来。起初是以信息集成为特征的。期间，CAD、CAM、柔性制造系统（FMS）、CAPP、制造资源计划（MRP）等得到了广泛的应用。进入90年代，新品更新周期日益缩短；价廉高性能工作站的普及；加速新品开发软件包的迅速发展，使CIMS进入了以过程集成为特征的新阶段。其显著标志就是并行工程CE。它要求新产品一开始，设计、工艺、生产管理均

4、介入其中，同步进行。有关这方面更具体的内容将在下面做进一步阐述。 新世纪的来临，支持企业集成的CIMS是实现敏捷制造AM的要求。敏捷制造企业较并行工程的制造企业有了进一步发展，更强调企业结盟。当一旦发现单独不能作出敏捷反应时，能通过高速信息公路（Internet）的工厂子网和其它企业进行合作，从组织跨企业的开发组到动态联合公司，来对机遇作出快速响应。 从过去的一个世纪集成化思想在制造业中发展历程及给制造业带来的效益，使我们认识到，制造业已越来越离不开以先进技术为支持的集成化思想.小到一个加工中心，大到一个企业集团，方方面面无不渗透着集成化思想。“集成”就意味着精简，很难想象，一个没有集成化思想

5、的企业，它将如何适应当今竟争日趋激烈的经济浪潮。可以说，集成化思想制造业之灵魂。而且，今后的发展也将以集成化思想为基本思路。 先进技术制造业之原动力 正如前面所述，机械制造业所以能够发展壮大，得益于日趋激烈的市场竞争刺激下，先进技术的支持与推动。我们知道制造业整个运作过程包括产品决策、产品设计、工艺设计、制造加工、销售、售后服务等诸多环节。先进制造技术体系亦包含了管理技术、设计技术、制造技术等方面。下面从制造加工环节入手，就先进技术在其中关键环节上的应用以及它们为适应未来制造业发展要求而需不断创新的趋势展开论述。 一、制造加工环节 跨世纪的先进切削加工技术概括起来就是：超高速、超大进给量加工；

6、单轴复合加工；异种材料同时加工；难切削材料加工以及干式切削。这些技术涉及机床设备、刀具等。 机床设备 机床设备有两次质的飞跃对现代制造业的发展意义深远：一次就是数控机床的广泛应用；另一次就是高速铣床的商业化。 早期使用的单板机或单片机控制系统将逐步被基于PC的数控系统所取代，数控机床的应用意味着CAM已进入实际应用阶段。继数控机床之后，为适应现代制造业发展需求，高速铣床出现了。应该说，它是“机械”、“电子”“材料”等多学科技术发展的结晶。概括地讲，其关键技术包括高速主轴单元、大进给驱动系统、大容量数字控制系统、高速刀具系统、机床支承与辅助单元。 高速铣床的出现，给工艺设计带来新的思路：无论是按

7、排工艺路线，还是对难切削材料、薄壁零件的认识，都与传统工艺有着质的不同，更加符合现代制造业“快” 字当头的特点。是对先进切削加工技术的有力支持。 今后，机床发展趋势：（1）仍然是高速切削，至于硬车削、硬铣削也要建立在高速切削基础之上；IT（信息技术）与机床结合。目前，世界计算机、网络发展迅速。在2000年9月美国芝加哥制造技术展（IMTS2000）和日本国际机床发展（20JIMTOF）上，IT与机床结合的发展已开始成为展览会的重要特色之一。新世纪，IT应用将更加广泛，一是将出现许多各种精密、高效、高自动化小型机床为加工通信、电子、医疗、军工等产品小型零件服务；二是机床本身更加广泛使用IT技术，

8、实现控制、监视、诊断、补偿、调整等功能，提高机床无人化、智能化、集成化之水平；三是利用IT网络将机床与工段、车间、工厂、外界数据库等联系起来，并进一步实现管理、经营、销售、服务等各方面之网络化。在21世纪，IT将成为机床发展的主潮流；（3）进一步发展高精、高效、高自动化、多样化、成套化、集成化，纳米技术将有突破性进展。确保不断提高精度、可靠性、稳定性、持久性，是提高加工效率、自动化程度的基础。在20世纪80年代90年代，加工中心的定位精度约提高了一倍，已从±0.01mm普遍提高到±5m，有的已达±3m±1m。在21世纪，在确保精度的基础上，不断提高效率（

9、如多轴联动，多方位，尽可能保证大型零件，一次装夹完成；复合化即多工种集于一身）；另外，随着对零部件小型化、精密化、轻量化的不断需求，纳米技术在迅速发展。目前，有的非球面零件加工精密车床，主轴振摆已达10nm以下。日本开发的ULG-100C（H3）型超精密非球面加工机，X，Y，Z轴移动量各为300mm,75mm,150mm,C轴分度能力0.0001°，X，Y，Z轴控制分辨率达1nm。（4）节能环保技术运用到机床领域。（5）更加适应CIMS、精益制造、敏捷制造等新型生产、组织、管理体系（6）新工艺、新材料、新结构、新元件，以及各种配套基础元部件、测量、刀具、附件等将不断创新。 二、刀具

10、与刀具有关的技术主要是切削机理和材料。切削机理决定刀具切削方式及形状。材料决定在切削机理一定的前提下的切削性能。切削机理方面，除常规的车、铣、刨、磨、线切割等，目前，又出现了水切割、激光切割。特别是激光切割，它是当今迅速发展起来的新型加工技术快速成型的基石。刀具材料方面：超细晶硬质合金、金刚石涂层硬质合金、纳米晶陶瓷、超细晶金属陶瓷及其涂层、立方氮化硼等已得到应用。陶瓷和立方氮化硼多用于车削；硬质合金和金刚石涂层硬质合金多用于铣削。 今后切削加工技术特点：超高速、超大进给量加工；难切削材料加工以及干式切削。自然，用于硬车削刀片和高速铣削整体立铣刀材料的研究应是发展方向。而在切削机理方面，应重点

11、开发新领域。一个新的切削机理的产生，往往会产生联动效应。如激光切割的产生，带动快速成型技术的发展。 先进技术在制造业宏观方面的应用 在这里，我们不想对产品设计、工艺设计等各环节具体新技术的应用做过多的讨论。我们单从它们之间衔接环节及完成各环节的过程就可以充分体会到先进技术在制造业中起着何等重要的作用。正是信息技术的发展与应用，使得制造业产生了革命性的变革。这种变革就是由传统的串行运作模式向现代的并行运作模式转化。CE、LP、AM等涉及技术、企业管理体制的新概念，并强调人、技术与经营三者集成，使人员组织管理、任务分配、工作协调、信息交流、设计资料与资源共享等发生根本性变化。这里之所以重点提及并行

12、工程，是因为从观念上讲，它更符合“快速响应”的要求；从技术上讲，现在计算机技术、信息技术等飞速发展，为其构成强有力支持。 并行设计是并行工程的核心，其内容包括：（1）过程重构：由传统的串行产品开发模式转变成集成的、并行的产品开发模式，使下游设计过程中的需求及早地反馈给相应过程；（2）数字化产品定义：包括数字化产品模型和管理、数字化过程定义和管理、数字化工具定义和信息集成，如DFQ、DFA、DFM、CAD/CAE/CAM集成等；（3）产品开发队伍重构：将传统的以功能部门为主线的产品设计，改变以产品为主线，组织多功能集成产品开发团队，进行产品并行开发；（4）协同工作环境：利用多媒体、网络等技术，组

13、织协调工作环境，支持并行设计。 并行设计作为一种设计“哲理”，应该说是多学科思想和技术的集成。今后，将主要在以下几个方面发展：（1）产品设计的虚拟化、集成化虚拟产品开发；（2）产品设计的网络化、敏捷化基于虚拟企业的产品开发；（3）产品设计个性化、敏捷化大规模定制。 制造业每一次质的飞跃无不依赖于各学科的技术突破。计算机技术、网络与通讯技术、新材料技术，甚至生物技术对传统制造业的无孔不入的渗透，使传统制造业生机盎然，使制造者的智力和制造业的能力冲破传统的时间、空间及观念的束缚飞速发展。这就是先进技术对制造业的影响。 适时的管理模式开启制造业动力源泉之催化剂 先进的制造技术如果不配以适时的管理模式

14、，效益同样出不来。有人统计过，适时的管理模式能给企业带来数倍，甚至十几倍的效益。 管理的积极作用来自它适时的变化。21世纪制造业组织管理的特点将有如下变化：(1)从以技术为中心向技术驱动，人为中心转变；(2)从金字塔式的多层次生产管理结构向扁平的网络结构转变；(3)从传统的顺序工作方式向并行工作方式转变；(4)从按功能划分部门的固定组织形式向动态的、自主管理的小组工作组织形式转变；（5）从质量第一的竟争策略向市场响应、速度第一，进而向产品创新第一的竟争策略转变 。 适时的管理模式包含着以下新思想和新方法：网络组织结构、虚拟企业、新的制造投资评价观、新的质量保证体系、重组工程和人因工程等。这些新

15、思想和新方法用以解决组织创新、高素质人才培养和如何促成制造资源的快速有效集成等先进生产模式是有待解决的核心问题。就拿上面所提的产品创新来说，企业必须制定出一套完整的、切实可行的运行体制，来适应现代制造业发展要求。 产品创新制造业之龙头 美、日、德等发达国家，它们的制造业之所以能在世界上领先，首要的是其新产品不断涌现，并占据某领域大部分份额。在这些国家里，即使是最有实力的企业，其忧患意识也很浓。产品创新作为其头等重要的事情。众所周知，经过半个世纪的建设，中国机械制造业已是中国最大的产业。工业总产值、利税总额和职工人数均为全国工业的1/51/4，产值仅次于美、日、德、法，位居世界第五。中国机械制造

16、业门类齐全，具有14个大行业，145个小行业，4万多个企业，6万多个品种。但是，由于长期受计划经济的影响，产品创新能力极为薄弱。因此，在6万多个品种中，很大部分为全球市场中档次较低、技术含量和附加价值较低的产品，不少高档产品或是空白或是不具备国际市场竞争能力。例如，在几个轿车建设项目中，国产装备只占总装备价值的30左右，有些工业部门的一些重大装备全部依赖进口。更为严重的是，这样的进口正以每10年为一轮回地在继续下去。透过现象，这实际上是产品创新问题21世纪中国机械制造业面临的最大课题。 针对这一问题，主要从观念、体制和机制及方法等方面着手解决：（1）必须树立在市场经济条件下，是否具备产品创新能

17、力关系着一个企业生死存亡的头等大问题的观念。在当今产品生命周期日益缩短的情况下，产品创新不是毕其功于一役的事，而是永恒的课题。必须实行生产一代，开发下一代，和预研下二代、下三代的发展战略。（2）我国工程技术人员的聪明才智和素质并不亚于国外竞争对手，只是长期在旧体制和机制下，受到抑制。为此，不解决建立能最大限度调动开发人员积极性的体制和机制，则产品创新难以成为现实。（3）方法上：其一从消化吸收引进产品着手。其二另辟蹊径，超越对手。广泛吸收高新技术领域和其它门类学科的最新成果，集成、转化为自己的；不局限于现有的机理和原理，以跨越一代或几代而不是单纯以逐代跟踪对手的方式进行创新。在这里顺便提一下，目前很流行的说法叫作“绿色设计”、“绿色制造”，自然生产出的也是“绿色产品”。这里的“绿色”不光是环保的意思，而是各方面综合指标，包括产品创新。其三组织好产、学、研的结合，同时应充分利用国际资源。 对于一个国家来说，抓几个大项目，如汽车、通讯等，其产品档次、技术含量和附加值上去了，自然大大增加其在世界市场上的竞争力，只要创出几个知名品牌，就会带动整个国家制造业的迅速发展。总而言之，不管是