《机械制造技术基础》-第7章

第一节精密与超精密加工一、精密与超精密加工的概念与普通精度加工相对而言，精密加工是指在一定的发展阶段，加工精度和表面质量达到较高程度的加工工艺，超精密加工则是指加工精度和表面质量达到最高程度的加工工艺。目前，精密加工一般指加工精度在０.１μｍ以下，表面粗糙度Ｒａ＜０.１μｍ的加工技术，超精密加工是加工精度可控制到小于０.０１μｍ、表面粗糙度Ｒａ＜０.０１μｍ的加工技术，也称为亚微米加工，并已发展到纳米加工的水平。需要指出的是：上述划分只具有相对意义，因为随着制造技术的不断发展，加工精度必定越来越高，现在属于精密加工的方法总有一天会变成普通加工方法。下一页返回第一节精密与超精密加工精密与超精密加工是现代制造技术的重要组成部分之一，是发展其他高新技术的基础和关键，已成为衡量一个国家制造业水平的重要标志。例如，陀螺仪质量和红外线探测器反射镜的加工精度直接影响导弹的引爆距离和命中率，１ｋｇ的陀螺转子，如质量中心偏离其对称轴０.０００５μｍ，则会引起１００ｍ的射程误差和５０ｍ的轨道误差，红外线探测器抛物面反射镜要求形状精度为１μｍ，表面粗糙度为Ｒａ０.０１μｍ；喷气发动机转子的加工误差如从６０μｍ降到１２μｍ，可使发动机的压缩效率从８９％提高到９４％。上一页下一页返回第一节精密与超精密加工二、精密与超精密加工的方法及分类根据加工成形的原理和特点，精密与超精密加工方法可分为去除加工（又称为分离加工，从工件上去除多余材料）、结合加工（加工过程中将不同材料结合在一起）和变形加工（又称为流动加工，利用力、热、分子运动等手段改变工件尺寸、形状和性能，加工过程中工件质量基本不变）。根据机理和使用能量，精密与超精密加工可分为力学加工（利用机械能去除材料）、物理加工（利用热能去除材料或使材料结合、变形）、化学和电化学加工（利用化学和电化学能去除材料或使材料结合、变形）和复合加工（上述加工方法的复合）。各种精密与超精密加工的分类与机理见表７－１。上一页下一页返回第一节精密与超精密加工由表７－１可知，精密与超精密加工方法很多，有些是传统加工方法的精化和提高，如精密切削和磨削；有些是特种加工方法，利用机、电、光、声、热、化学、磁、原子能等能量来进行加工；也有些是传统加工方法和特种加工方法的复合。下面主要介绍金刚石刀具超精密切削和精密、超精密磨削。１.金刚石刀具超精密切削使用精密的单晶天然金刚石刀具加工有色金属和非金属，直接加工出超光滑的加工表面，粗糙度Ｒａ＝０.０２０～０.００５μｍ，加工精度＜０.０１μｍ。主要应用于单件大型超精密零件和大量生产中的中小型超精密零件的切削加工，比如陀螺仪、激光反射镜、天文望远镜的反射镜、红外反射镜和红外透镜、雷达的波导管内腔、计算机磁盘、激光打印机的多面棱镜、录像机的磁头、复印机的硒鼓等。上一页下一页返回第一节精密与超精密加工金刚石刀具超精密切削也是金属切削的一种，当然也服从金属切削的普遍规律，但因是超微量切削，故其机理与一般切削有较大的差别，其难度比常规的大尺寸去除技术要大得多。超精密切削时，其背吃刀量可能小于晶粒的大小，切削在晶粒内进行，即把晶粒当成一个个不连续体进行切削，切削力一定要超过晶体内部原子、分子的结合力，刀刃上所承受的应力就急剧增加。而且刀具和工件表面微观的弹性变形和塑性变形随机，工艺系统的刚度和热变形对加工精度也有很大影响，再加上晶粒内部大约１μｍ的间隙内就有一个位错缺陷等因素的影响，导致精度难以控制。所以这已不再是单纯的技术方法，而是已发展成一门多学科交叉的综合性高新技术，成为精密与超精密加工系统工程。在具体实施过程中，要综合考虑以下几方面因素才能取得令人满意的效果：上一页下一页返回第一节精密与超精密加工①加工机理与工艺方法；②加工工艺装备；③加工工具；④工件材料；⑤精密测量与误差补偿技术；⑥加工工作环境、条件等。其中对机床和刀具需要提出不同于普通切削的要求。超精密加工机床是超精密加工最重要、最基本的加工设备，对其应提出如下基本要求：上一页下一页返回第一节精密与超精密加工①高精度。包括高的静态精度和动态精度，比如高的几何精度、定位精度和重复定位精度以及分辨率等。②高刚度。包括高的静刚度和动刚度，除自身刚度外，还要考虑接触刚度以及工艺系统刚度。③高稳定性。要具有良好的耐磨性、抗振性等，能够在规定的工作环境和使用过程中长时间保持精度。④高自动化。采用数控系统实现自动化以保证加工质量的一致性，减少人为因素的影响。上一页下一页返回第一节精密与超精密加工典型的超精密机床有：美国的大型ＤＴＭ－３型和ＬＯＤＴＭ大型超精密金刚石车床、英国的大型超精密机床ＯＡＧＭ２５００、日本的ＡＨＮＩＯ型高效车削、磨削超精密机床以及我国的ＪＣＳ－０２７超精密车床、ＪＣＳ－０３１超精密铣床（１９８５）、ＮＡＮ－８００纳米超精密机床（２００１）等。为实现超精密切削，刀具应具有如下性能：①极高的硬度、耐磨性和弹性模量，以保证刀具有很高的尺寸耐用度。②刃口能磨得极其锋锐，即刃口半径值极小，能实现超薄切削厚度。③刀刃无缺陷，因切削时刃形将复制在被加工表面上，这样可得到超光滑的镜面。上一页下一页返回第一节精密与超精密加工④与工件材料的抗黏性好、化学亲和性小、摩擦系数低，以得到极好的加工表面完整性。天然单晶金刚石是一种理想的、不可替代的超精密切削刀具材料，不仅具有很高的高温强度和红硬性，而且导热性能好，和有色金属摩擦因素低，能磨出极其锋锐的刀刃等，因此能够进行Ｒａ０.０５０～０.００８μｍ的镜面切削。人造聚晶金刚石也可应用于超精密加工刀具，但其性能远不如天然金刚石。金刚石刀具超精密切削是在高速、小背吃刀量、小进给量下进行，是高应力、高温切削，由于切屑极薄，切削速度高，不会波及工件内层，因此塑性变形小，可以获得高精度、低表面粗糙度值的加工表面。上一页下一页返回第一节精密与超精密加工同传统切削一样，金刚石刀具切削含碳铁金属材料时，因产生碳铁亲和作用而产生碳化磨损（扩散磨损），不仅易使刀具磨损，而且影响加工质量，所以不能用来加工黑色金属。对于黑色金属、硬脆材料的精密与超精密加工，则主要是应用精密和超精密磨料加工，即利用细粒度的磨粒和微粉对黑色金属、硬脆材料等进行加工，以得到高加工精度和低表面粗糙度值。２.精密磨削精密磨削主要靠砂轮的精细修整，使磨粒具有微刃性和等高性而实现的，精密磨削的机理可以归纳为：上一页下一页返回第一节精密与超精密加工（１）微刃的微切削作用砂轮精细修整后，可得到如图７－２所示的微刃，相当于砂轮磨粒粒度变细，进行微量切削，形成小表面粗糙度值的表面。（２）微刃的等高切削作用分布在砂轮表层同一深度上的微刃数量多，等高性好，使加工表面的残留高度极小。（３）微刃的滑挤、摩擦、抛光作用锐利的微刃随着磨削时间的增加而逐渐钝化因而切削作用减弱，滑挤、摩擦、抛光作用加强。同时磨削区的高温使金属软化，钝化微刃的滑擦和挤压将工件表面凸峰碾平，降低了表面粗糙度值。上一页下一页返回第一节精密与超精密加工精密磨削一般用于机床主轴、轴承、液压滑阀、滚动导轨、量规等的精密加工。３.超精密磨削超精密磨削是一种亚微米级的加工方法，并正逐步向纳米级发展。超精密磨削的机理可以用单颗粒的磨削过程加以说明，如图７－３所示。①磨粒可看成一颗具有弹性支承（结合剂）和大负前角切削刃的弹性体。②磨粒切削刃的切入深度是从零开始逐渐增加，到达最大值后再逐渐减少，最后到零。上一页下一页返回第一节精密与超精密加工③磨粒磨削时与工件的接触过程依次是弹性区，塑性区、切削区，再回到塑性区，最后是弹性区。④超精密磨削时有微切削作用、塑性流动和弹性破坏作用，同时还有滑擦作用，这与刀刃的锋利程度或磨削深度有关。超精密磨削同样是一个系统工程，加工质量受到许多因素影响，如磨削机理、超精密磨床、被加工材料、工件的定位夹紧、检测及误差补偿、工作环境以及工人的操作水平等。精密磨削和超精密磨削的质量与砂轮及其修整有很大关系，修整方法与磨料有很大关系。上一页下一页返回第一节精密与超精密加工如果是刚玉类、碳化硅、碳化硼等普通磨料，常采用单粒金刚石修整、金刚石粉末烧结型修整器修整和金刚石超声波修整等方法，如图７－４所示，修整时砂轮与修整器的相对位置如图７－５所示，修整器安装在低于砂轮中心０.５～１.５ｍｍ处，并向上倾斜１０°～１５°，以减小受力。而对于金刚石和立方氮化硼这两种超硬磨料砂轮，因磨料本身硬度很高，砂轮的修整则要分为整形和修锐两个阶段。整形是使砂轮达到一定几何形状要求；修锐是去除磨粒间的结合剂，使磨粒突出结合剂一定高度，形成足够的切削刃和容屑空间。超硬磨料砂轮修整的方法很多，视不同的结合剂材料而不同，具体有：上一页下一页返回第一节精密与超精密加工（１）车削法用单点、聚晶金刚石笔，修整片车削砂轮，修整精度和效率较高，但砂轮切削能力较低。（２）磨削法用普通磨料砂轮或砂块与超硬磨料砂轮对磨进行修整，普通磨料磨粒被破碎，切削超硬磨料砂轮上的树脂、陶瓷、金属结合剂，致使超硬磨粒脱落。修整质量好，效率较高，是目前最广泛采用的方法。（３）电加工法电加工法主要有电解修锐法、电火花修整法，用于金属结合剂砂轮修整，效果较好。其中电解修锐法已广泛地用于金刚石微粉砂轮的修锐，并易于实现在线修锐，其原理如图７－６所示。上一页下一页返回第一节精密与超精密加工（４）超声波振动修整法用受激振动的簧片或超声波振动头驱动的幅板作为修整器，并在砂轮和修整器间放入游离磨料撞击砂轮的结合剂，使超硬磨粒突出结合剂。超硬磨料砂轮主要用来加工各种高硬度、高脆性等难加工材料，如硬质合金、陶瓷、玻璃、半导体材料及石材等。其共同特点是：①磨削能力强，耐磨性好、耐用度高，易于控制加工尺寸。②磨削力小，磨削温度低，加工表面质量好。③磨削效率高。④加工综合成本低。上一页下一页返回第一节精密与超精密加工三、精密与超精密加工的特点与一般加工方法相比，精密与超精密加工具有如下特点：１.“进化”加工原理一般加工时机床的精度总是高于被加工零件的精度，而对于精密与超精密加工，可利用低于零件精度的设备、工具，通过特殊的工艺装备和手段，加工出精度高于加工机床的零件，也可借助这种原理先生产出第二代更高精度的机床，再以此机床加工零件，前者称为直接式进化加工，常用于单件、小批量生产；后者称为间接式进化加工，适用于批量生产。上一页下一页返回第一节精密与超精密加工２.“超越性”加工原理一般加工时刀具的表面粗糙度数值会低于零件的表面粗糙度，而对于精密与超精密加工，可通过特殊的工艺方法，加工出表面粗糙度低于切削刀具表面粗糙度的零件，这称为“超越性”现象，这对表面质量要求很高的零件更为重要。３.微量切削机理精密与超精密加工属于微量或超微量切削，背吃刀量一般小于晶粒大小，切削以晶粒团为单位，并在切应力作用下进行，必须克服分子与原子之间的结合力。上一页下一页返回第一节精密与超精密加工４.综合制造工艺精密与超精密加工中，为实现加工要求，需要综合考虑加工方法、设备与工具、检测手段（精密测量）、工作环境等多种因素。５.自动化精密与超精密加工时，广泛采用计算机控制、自适应控制、在线自动检测与误差补偿技术等方法，以减少人为影响，提高加工质量。６.特种加工与复合加工精密与超精密加工常采用特种加工与复合加工等新的加工方法，来克服传统切削和磨削的不足。具体请参见相关教材和资料。上一页下一页返回第一节精密与超精密加工四、纳米加工技术纳米技术通常是指纳米尺度（０.１～１００ｎｍ）的材料、设计、制造、测量和控制技术，其涉及机械、电子、材料、物理、化学、生物、医学等多个领域，已经成为科技强国重点关注的重大领域之一。任何物质到了纳米量级，其物理与化学性质都会发生巨大的变化，纳米加工的物理实质必然和传统的切削、磨削有很大的区别。欲得到１ｎｍ的加工精度，加工的最小单位必然在亚微米级，接近原子间的距离０.１～０.３ｎｍ，纳米加工实际上已经接近加工精度的极限，此时，工件表面的一个个原子或分子将成为直接加工的对象。上一页下一页返回第一节精密与超精密加工因此，纳米加工的物理实质就是要切断原子间的结合，以去除一个个原子或分子，需要的能量必须要超过原子间结合的能量，能量密度很大。１.纳米加工的精度纳米加工的精度包括纳米级尺寸精度、纳米级几何形状精度、纳米级表面质量三方面，但对不同的加工对象，这几方面各有侧重。（１）纳米级尺寸精度①较大尺寸的绝对精度很难达到纳米级。零件材料的稳定性、内应力、变形等内部因素和环境变化、测量误差等都将会产生尺寸误差。上一页下一页返回第一节精密与超精密加工②较大尺寸的相对精度或重复精度达到纳米级，这在某些超精密加工中会出现，如某些高精度孔和轴的配合，某些精密机械零件的个别关键尺寸，超大规模集成电路制造要求的重复定位精度等。现在使用激光干涉测量和Ｘ射线干涉测量法都可以保证这部分的加工要求。③微小尺寸加工达到纳米级精度，这在精密机械、微型机械和超微型机械中普遍存在，无论是加工或测量都需要进一步研究发展。（２）纳米级几何形状精度这在精密加工中经常出现，如精密孔和轴的圆度和圆柱度；陀螺球等精密球的球度；光学透镜和反射镜、要求非常高的平面度或是要求很严格的曲面形状；集成电路中的单晶硅片的平面度等。这些精密零件的几何形状精度直接影响其工作性能和工作效果。上一页下一页返回第一节精密与超精密加工（３）纳米级表面质量此处的表面质量不仅仅指它的表面粗糙度，还应包含表面变质层、残余应力、组织缺陷等要求，即表面完整性。如集成电路中的单晶硅片，除要求有很高的平面度、很小的表面粗糙度和无划伤外，还要求无（或极小）表面变质层、无表面残余应力、无组织缺陷；高精度反射镜的表面粗糙度、变质层会影响其反射效率。２.纳米加工技术的分类按照加工方式，纳米级加工可分为切削加工、磨料加工、特种加工和复合加工四大类。按照所用能量不同，也可以分为机械加工、化学腐蚀、能量束加工、复合加工、隧道扫描显微技术等多种方法。上一页返回第二节增材制造技术一、增材制造技术的概念相对于传统的材料去除—切削加工技术、受迫成形—铸造、锻造、挤压成形等技术，增材制造（ＡｄｄｉｔｉｖｅＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，ＡＭ）技术是基于离散－堆积原理，由零件三维数据驱动直接制造零件，采用材料逐渐累加方法来制造实体零件的技术，是一种“自下而上”的制造方法。ＡＭ技术２０世纪８０年代后期起源于美国，三十年来，取得了快速的发展，并有“快速原型制造（ＲａｐｉｄＰｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ）”“３Ｄ打印（３ＤＰｒｉｎｔｉｎｇ）”“实体自由制造（ＳｏｌｉｄＦｒｅｅ－ｆｏｒｍＦａｂｒｉｃａｔｉｏｎ）”之类各异的叫法，也分别从不同侧面表达了这一技术的特点。下一页返回第二节增材制造技术它综合了计算机的图形处理、数字化信息和控制、激光技术、机电技术和材料技术等多项高技术的优势，西方媒体把这种实体自由成形制造技术誉为将带来“第三次工业革命”的新技术。利用ＡＭ技术可以自动、快速、精确地将设计思想物化为具有一定功能的原形或直接制造零件，从而对产品设计进行快速评价、修改及功能实验，可有效地缩短产品的研发周期。二、增材制造技术的工艺过程ＡＭ的基本过程如图７－８所示，首先由ＣＡＤ软件设计出所需零件的计算机三维曲面（三维虚拟模型），然后根据工艺要求，按一定的厚度进行分层，将原来的三维模型转变为二维平面信息（即截面信息），将分层后的信息进行处理（离散过程）产生数控代码；上一页下一页返回第二节增材制造技术数控系统以平面加工的方式，有序而连续地加工出每个薄层，并使它们自动黏结而成形（堆积过程）。这样就将一个复杂的物理实体的三维加工离散成一系列的层片加工，大大降低了加工难度。三、增材制造技术的典型工艺目前，大家耳熟能详的“３Ｄ打印”技术实际上是一系列增材制造技术（也即快速原型成型技术）的统称，主要有以下几种典型工艺。１.立体光刻成形立体光刻（Ｓｔｅｒｅｏ－ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙＡｐｐａｒａｔｕｓ，ＳＬＡ）基于液态光敏树脂的光聚合原理进行工作，也称光造型、立体平版印刷技术，最早是由美国３ＤＳｙｓｔｅｍ公司开发的，其工作原理如图７－９所示。上一页下一页返回第二节增材制造技术由计算机传输来的三维实体数据文件，经机器的软件分层处理后，驱动一个扫描激光头，发出紫外激光束在液态紫外光敏树脂的表层进行扫描。受光束照射的液态树脂表层发生聚合反应形成固态。每一层的扫描完成之后，工作台下降一个凝固层的高度，已成形的层面上又布满一层新的液态树脂，刮平器将树脂液面刮平，再进行下一层的扫描，由此层层叠加，形成一个三维实体。ＳＬＡ方法是目前技术上最为成熟的方法，成形的零件精度较高，可达０.１ｍｍ。这种成形方法的缺点是成形过程中需要支撑、树脂收缩导致精度下降、树脂本身也具有一定的毒性等。上一页下一页返回第二节增材制造技术２.分层实体制造工艺分层实体制造（ＬａｍｉｎａｔｅｄＯｂｊｅｃｔＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，ＬＯＭ）也称叠层实体制造，采用薄片材料如纸、塑料薄膜等，如图７－１０所示。在ＬＯＭ成形机器中，片材从一个供料卷拉出，胶面朝下平整地经过造型平台，由位于另一端的收料卷筒收卷起来。片材表面事先涂覆一层热熔胶，加工时，热压辊热压片材，使之与下面已成形的工件粘接。这时激光束开始沿着当前层的轮廓进行切割。激光束经准确聚焦，使之刚好能切穿一层纸的厚度。在模型四周或内腔的纸则被激光束切割成细小的“碎片”，以便后期处理时可以除去这些材料。同时在成形过程中，这些碎片可以对模型的空腔和悬壁结构起支撑作用。上一页下一页返回第二节增材制造技术一个薄层完成后，工作台带动已成形的工件下降，与带状片材（料带）分离，箔材已割离的四周剩余部分被收料筒卷起，并拉动连续的箔材进行下一层的敷覆。如此反复直至零件的所有截面粘接、切割完，得到分层制造的实体零件。ＬＯＭ工艺只需在片材上切割零件截面轮廓，而无须扫描整个截面，因此成形厚壁零件的速度较快，易于制造大型零件，工艺过程中不存在材料相变，因此不易产生翘曲变形，零件的成形精度较高（＜０.１５ｍｍ）。ＬＯＭ工艺也无须加支撑，因为工件外框与截面轮廓之间的多余材料在加工时起到了支撑作用。上一页下一页返回第二节增材制造技术３.选择性激光烧结工艺选择性激光烧结（ＳｅｌｅｃｔｉｖｅＬａｓｅｒＳｉｎｔｅｒｉｎｇ，ＳＬＳ）工艺的原理与ＳＬＡ十分相似，主要的区别是ＳＬＡ所用的材料是液态光敏树脂，而ＳＬＳ是使用可熔粉状材料，如图７－１１所示。和其他的ＡＭ技术一样，ＳＬＳ采用激光束对粉末状的材料进行分层扫描，受到激光束照射的粉末会固化在一起，并与下面已成形的部分烧结而构成零件的实体部分。当一层扫描烧结完成后，工作台下降一层的高度，敷料辊又在上面敷上一层均匀密实的粉末，直至完成整个烧结成形。此后去除多余未烧结的粉末，再经过打磨、烘干等后处理，便得到烧结后的物体原型或实体零件。上一页下一页返回第二节增材制造技术ＳＬＳ工艺最大的优点在于选材较广泛，目前可用于ＳＬＳ技术的材料包括尼龙粉、蜡、ＡＢＳ、聚碳酸脂粉、聚酰胺粉、金属和陶瓷粉等。另外，在成形过程中，未经烧结的粉末对模型的空腔和悬壁起支撑作用，因而无须考虑支撑系统。４.熔丝沉积造型工艺熔丝沉积造型（ＦｕｓｅｄＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎＭｏｄｅｌｌｉｎｇ，ＦＤＭ）通常使用热熔性材料，如腊、ＡＢＳ、ＰＣ、尼龙等，并以丝状供料。ＦＤＭ加工原理如图７－１２所示：首先将丝状的热熔性材料在喷头内加热熔化，喷头可以沿ｘ轴方向移动，工作台则沿ｙ轴方向移动，同时将熔化的材料挤出，材料迅速固化，并与周围的材料黏接。上一页下一页返回第二节增材制造技术一层沉积完成后，工作台按预定的增量下降一个层的高度，再继续熔喷沉积，如此层层堆积直至完成整个实体造型。由于ＦＤＭ工艺的每一层片都是在上一层上堆积形成，上一层对当前层起定位和支承作用。随着高度增加，层片轮廓的面积和形状都会变化，当上层轮廓不能为当前层提供足够的定位、支承时，就需要设计一些辅助结构为后续层提供定位和支承，特别是对于有空腔和悬壁结构的工件。ＦＤＭ工艺不用激光器件，因此使用、维护简单，成本较低。用蜡成形的零件原形，可以直接用于失蜡铸造。用ＡＢＳ制造的原形因具有较高强度而在产品设计、测试与评估等方面得到广泛应用。由于以ＦＤＭ工艺为代表的熔融材料堆积成形工艺具有一些显著优点，该类工艺发展极为迅速。上一页下一页返回第二节增材制造技术５.三维打印黏结工艺三维打印黏结工艺又可称为三维印刷工艺（ＴｈｒｅｅＤｉｍｅｎｓｉｏｎＰｒｉｎｔｉｎｇ，３ＤＰ），工艺原理与ＳＬＳ十分相似，也是使用粉末材料，如陶瓷粉末，金属粉末，用以制造铸造用的陶瓷壳体和芯子。主要区别在于ＳＬＳ用激光烧结成形，而３ＤＰ采用喷墨打印的原理是将液态黏结剂（如硅胶）由打印头喷出，将零件的截面“印刷”在材料粉末上面。用黏结剂黏结的零件强度较低，还需后处理。先烧掉黏结剂，然后在高温下渗入金属，使零件致密化，提高强度，逐层黏结粉末材料成形，如图７－１３所示。上一页下一页返回第二节增材制造技术６.弹道微粒制造工艺弹道微粒制造（ＢａｌｌｉｓｔｉｃＰａｒｔｉｃｌｅＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，ＢＰＭ）工艺的工作原理如图７－１４所示。它用一个压电喷射（头）系统来沉积熔化了的热塑性塑料的微小颗粒，喷头安装在一个５轴的运动机构上，可在计算机的控制下按预定轨迹运动，从而将零件成形。对于零件中的悬臂部分，可以不加支承。而“不连通”的部分还要加支承。四、增材制造技术的特点及应用与传统成形方法相比，增材制造技术具有以下特点：①系统柔性高，只需改变ＣＡＤ模型就可成形各种不同形状的零件，特别适合于形状复杂的、不规则零件的制造。上一页下一页返回第二节增材制造技术②设计制造一体化，采用了离散／堆积分层制造的思想，能够很好地将ＣＡＤ／ＣＡＭ结合起来。③快速性，与逆向工程（ＲｅｖｅｒｓｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＲＥ）相结合，可快速开发新产品，且不需要专用的工艺装备，大大缩短了新产品的试制时间。④具有广泛的材料适应性，且没有或极少废弃材料，是一种绿色制造技术。⑤是一种自动化的成形过程，无须人员干预或较少干预；零件的复杂程度与制造成本关系不大。上一页下一页返回第二节增材制造技术鉴于以上特点，目前，增材制造技术主要应用于新产品开发、快速单件及小批量零件制造、复杂形状零件（原形）的制造、模具设计与制造等，在模具、家用电器、汽车、航空航天、军事装备、材料、玩具、轻工产品、工业造型、建筑模型、医疗器具、人体器官模型、电影制作等领域都得到了广泛应用，已成为先进制造技术的一个重要的发展方向。上一页返回第三节智能制造一、概述１.智能制造的概念智能制造（ＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，ＩＭ）是在现代传感技术、网络技术、自动化技术、拟人化智能技术等先进技术的基础上，通过智能化的感知、人机交互、决策和执行技术，实现设计过程、制造过程和制造装备智能化，是信息技术和智能技术与装备制造过程自动化技术的深度融合和集成。智能制造日益成为未来制造业发展的重大趋势和核心内容，它把制造自动化的概念更新，扩展到柔性化、智能化和高度集成化，涵盖了以智能互联为特征的智能产品、以智能工厂为载体的智能生产、以信息物理系统为关键的智能管理以及以实时在线为特征的智能服务，包含了产品设计、生产规划、生产执行、售后服务等制造业的全部环节。下一页返回第三节智能制造智能制造包括智能制造技术和智能制造系统两大关键组成要素。智能制造技术（ＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＩＭＴ）是指利用计算机模拟制造专家的分析、判断、推理、构思和决策等智能活动，通过智能机器将其贯穿应用于整个制造企业的各个环节（如经营决策、采购、产品设计、生产计划、制造、装配、质量保证和市场销售等），以实现整个制造企业经营运作的高度柔性化和集成化。ＩＭＴ是当前先进自动化技术、传感技术、控制技术、数字制造技术等先进制造技术以及物联网、大数据、云计算等新一代信息技术高度融合的产物。上一页下一页返回第三节智能制造智能制造系统（ＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＳｙｓｔｅｍ，ＩＭＳ）是一种由智能机器和人类专家共同组成的人机一体化智能系统，在制造过程中以一种高度柔性和高度集成的方式进行智能活动，旨在（部分）取代或延伸人类专家在制造过程中的脑力劳动，在国际标准化和互换性的基础上，使整个企业制造系统中的各个子系统分别智能化，并使制造系统形成由网络集成的、高度自动化的一种制造系统。ＩＭＳ是智能制造的核心，是智能技术集成应用的环境，也是智能制造模式展现的载体。ＩＭ、ＩＭＴ、ＩＭＳ这三个概念相互交叉、融合，很难严格区分。上一页下一页返回第三节智能制造２.智能制造的特征智能制造和传统的制造相比，智能制造系统具有以下特征：（１）自律能力拥有强有力的知识库和基于知识的模型，能监测与处理周围环境信息和自身作业状况信息，并进行分析判断和规划自身行为的能力。具有自律能力的设备称为“智能机器”，“智能机器”在一定程度上表现出独立性、自主性和个性，使整个系统具备抗干扰、自适应和容错等能力。（２）人机一体化ＩＭＳ起源于对“人工智能”研究，但已不是单纯的“人工智能”系统，而是人机一体化的智能系统，是一种混合智能。上一页下一页返回第三节智能制造基于人工智能的智能机器只能进行机械式的推理、预测、判断，它只能具有逻辑思维（专家系统），最多做到形象思维（神经网络），完全做不到灵感（顿悟）思维。人机一体化一方面突出真正同时具备以上三种思维能力的人类专家在制造系统中的核心地位，同时在智能机器的配合下，将机器智能和人的智能真正地集成在一起，更好地发挥人的潜能。（３）虚拟制造技术虚拟制造（ＶｉｒｔｕａｌＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，ＶＭ）技术是实际制造过程在计算机上的本质实现，即采用计算机建模与仿真技术、虚拟现实（ＶｉｒｔｕａｌＲｅａｌｉｔｙ，ＶＲ）技术或（及）可视化技术，在计算机网络环境下协同工作，虚拟展示整个制造过程和未来的产品等，以增强制造过程中各个层次或环节的正确决策和控制能力。上一页下一页返回第三节智能制造这种人机结合的新一代智能界面，可以按照人们的意愿任意变化，是智能制造的一个显著特征。（４）自组织与超柔性自组织是ＩＭＳ的一个重要标志，ＩＭＳ中的各组成单元能够依据工作任务的需要，自行组成一种最合适的结构，并按照最优的方式运行，完成任务后，该结构随即自行解散，以备在下一个任务中重新组合成新的结构。其柔性不仅表现在运行方式上，而且表现在结构形式上，所以称这种柔性为超柔性。（５）学习能力与自我维护能力ＩＭＳ能以原有的专家知识为基础，实践中不断地自学习，完善系统知识库，删除库中有误的知识，使知识库趋向最优。上一页下一页返回第三节智能制造同时，在运行过程中能自行故障诊断，并具备对故障自行排除和修复的能力。这种特征使ＩＭＳ能够自我优化并适应各种复杂的环境。二、机床智能加工由于智能制造涉及的内容广泛，需要的支承技术也很多，比如人工智能技术、虚拟制造技术、并行工程、网络信息技术等，每一个支承技术都是值得探讨和深入研究的重大课题。本章只介绍其中与制造直接相关的一个重要组成部分———机床智能加工的相关内容。１９８８年，ＷｒｉｇｈｔＰ.Ｋ和ＢｏｕｒｎｅＤ.Ａ出版的智能制造领域的首本专著《ＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ》中，就提出了智能机床的设想。它既与ＩＭＳ有密切的联系，又自成一体。上一页下一页返回第三节智能制造机床智能加工的目的就是要解决加工过程中众多不确定的、要由人干预才能解决的问题，也就是要由计算机取代或延伸加工过程中人的部分脑力劳动，实现加工过程中的决策、监测与控制的自动化，其中关键是决策自动化。１.机床智能加工系统的基本结构机床智能加工系统主要由过程模型、传感器集成、决策规划、控制等４个模块以及知识库和数据库组成，图７－１５所示为其基本结构。（１）过程模型模块过程模型模块主要是从多个传感器中获取不同的加工过程信息，进行相应信息的特征提取，建立各自的过程模型，并作为输入信息输入多传感器信息集成模块。上一页下一页返回第三节智能制造（２）传感器集成模块传感器集成模块主要将多个传感器信息进行集成，根据过程模型模块输入的加工状态情况，对合适的传感器加重“权”，为加工过程决策与规划提供更加准确、可靠的信息。（３）决策规划模块根据传感器集成模块提供的信息，针对加工过程中出现的各种不确定性问题，依据知识库和数据库作出相应的决策和对原控制操作做适当的修正，使机床处于最佳的工作状态。上一页下一页返回第三节智能制造（４）控制模块依据决策规划的结果，确定合适的控制方法，产生控制信息，通过ＮＣ控制器，作用于加工过程，以达到最优控制，实现要求的加工任务。（５）知识库与数据库知识库主要存放有关加工过程的先验知识，提高加工质量的各种先验模型以及可知的各种影响加工质量的因素，加工质量与加工过程有关参数之间的关系等。数据库主要由一个静态数据库和一个动态数据库组成，前者主要记录每次工件检验的有关参数及结果，后者主要记录加工过程中各种信号的测量值以及控制加工的数值。上一页下一页返回第三节智能制造在此基础上，再加上智能工艺规划系统、在线测量系统以及ＣＡＤ，并将单台机床扩展为多台机床或换为加工中心，则可组成一个智能加工单元，如图７－１６所示。２.机床智能加工要解决的关键问题智能加工关键要解决“监测—决策—控制”的问题，主要包括以下几方面内容：（１）机床智能加工的感知———传感器集成技术感知是具有智能的基础条件。传统的机床加工自动化，大多采用单个传感器来监测加工过程，因而所得的过程模型不能正确反映加工过程的复杂性。上一页下一页返回第三节智能制造多传感器集成技术重点研究强干扰、多因素、非线性环境下的智能监测技术，具体包括多传感器信号的特征提取、信号集成方法与算法以及状态判别准则等，以确保加工过程及其系统的可靠性与适应性。（２）机床智能加工的决策重点研究基于传感器集成技术的加工过程决策模型的结构与算法，具体包括加工状态的分析，切削用量的合理选择及优劣评价的数据准则，基于判据值进行决策的决策规则以及支持上述分析、选择、判别与决策的知识库和数据库的建立方法等。上一页下一页返回第三节智能制造（３）机床智能加工的控制机床智能加工的控制包括基于传感器集成的控制技术、基于知识及决策模型的控制技术（如适应控制、自学习控制、模糊控制技术等）以及智能控制的实时性研究。（４）机床智能加工系统的自学习与自维护智能活动必须包括以下两个方面：一是拥有知识；二是使用知识求解问题。前面几个方面的研究大多属于使用知识求解问题，而这个方面的研究内容就是如何拥有知识、研究系统如何自动学习获取知识并自动维护知识库的方法和技术。上一页下一页返回第三节智能制造三、有关智能制造的政府计划业界普遍认为，全球正出现以信息网络、智能制造、新能源和新材料为代表的新一轮产业革命。作为一项实用和前沿技术，智能制造已受到各国政府、企业和科技界的广泛重视，各国政府制定的高科技发展计划都将智能制造列为核心、关键，如美国的“工业互联网”、德国的“工业４.０”、我国的“中国制造２０２５”等，下面介绍现在最热点的“工业４.０”、“中国制造２０２５”的相关内容。上一页下一页返回第三节智能制造１.“工业４.０”（１）“工业４.０”简介“工业４.０”概念是德国政府提出的一个高科技战略计划，并在２０１３年４月的汉诺威工业博览会上正式推出，旨在提升制造业的智能化水平，利用物联信息系统（ＣｙｂｅｒＰｈｙｓｉｃａｌＳｙｓｔｅｍ，ＣＰＳ）将生产中的供应、制造、销售信息数据化、智慧化，最后达到快速、有效、个人化的产品供应。德国学术界和产业界认为，“工业４.０”概念即是以智能制造为主导的第四次工业革命，或革命性的生产方法。德国政府提出“工业４.０”战略，其目的是提高德国工业的竞争力，在新一轮工业革命中占领先机。上一页下一页返回第三节智能制造“工业４.０”，已迅速成为德国的另一个标签，并在全球范围内引发了新一轮的工业转型竞赛，现在已经在世界上几个工业大国开始实施，正在深刻影响今后的全球工业产业布局。（２）“工业４.０”的研究主题“工业４.０”主要分为三大研究主题：一是“智能工厂”。智能工厂重点研究智能化生产系统及过程以及网络化分布生产设施的实现，利用物联网技术和监控技术加强信息管理和服务，提高生产过程可控性、减少生产线人工干预，并合理安排计划。同时集智能手段和智能系统等新兴技术于一体，构建高效、节能、绿色、环保、舒适的人性化工厂，其本质是人机有效交互。“智能工厂”是未来智能基础设施的关键组成部分。上一页下一页返回第三节智能制造二是“智能生产”。智能生产的侧重点在于将人机互动、智能物流管理、３Ｄ打印等先进技术应用于整个工业生产过程，从而形成高度灵活、个性化、网络化的产业链。该计划将特别注重吸引中小企业参与，力图使中小企业成为新一代智能化生产技术的使用者和受益者，同时也成为先进工业生产技术的创造者和供应者，工厂可以为单件小批量的单个客户提供个性化生产服务，而不是只能按照固定的生产流程生产。三是“智能物流”。智能物流主要通过互联网、物联网、物流网，整合物流资源，充分发挥现有物流资源供应方的效率，而需求方，则能够快速获得服务匹配，得到物流支持。上一页下一页返回第三节智能制造智能物流是利用集成智能化技术，通过智能物流系统的四个智能机理，即信息的智能获取技术，智能传递技术，智能处理技术，智能运用技术，使物流系统能模仿人的智能，具有思维，感知，学习，推理判断和自行解决物流中某些问题的能力。智能物流在功能上要实现６个“正确”，即正确的货物、正确的数量、正确的地点、正确的质量、正确的时间、正确的价格，在技术上要实现：物品识别、地点跟踪、物品溯源、物品监控、实时响应。作为新的工业生产模式，德国“工业４.０”战略是信息化与工业化深度融合的产物，终极目的是使制造业脱离人工束缚，实现制造业竞争力的较大化。工业时代４.０这条路刚刚开始，但给了我们大概的方向，未来企业将会成为数据的企业、创新的企业、集成的企业、不断快速变化的企业。上一页下一页返回第三节智能制造（３）“工业４.０”的支柱技术学术界和产业界认为，“工业４.０”需要９大技术支柱来支持，包括工业物联网、云计算、工业大数据、工业机器人、３Ｄ打印、知识工作自动化、工业网络安全、虚拟现实和人工智能。①工业物联网。工业物联网是“工业４.０”的核心基础。在工业物联网中，无处不在的传感器进行互联以后形成大量数据，并将移动通信、智能分析等技术不断融入工业生产过程的各个环节。②云计算。云计算是将互联网的核心硬件层、核心软件层和互联网信息层统一起来为互联网各系统提供支持和服务。在理想状态下，物联网的传感器和企业通过网络线路和计算机终端与云计算进行交互、向云计算提供数据，企业可根据需求访问计算机和存储系统。上一页下一页返回第三节智能制造③工业大数据。未来是一个从ＩＴ（ＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）到ＤＴ（ＤａｔａＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）转变的时代，即数据科技时代，未来所有的企业都会变成数据企业。工业大数据是制造业转型的重要基础，工业数据会在云端保存，通过工业数据的搜集和特征分析，可以重新来分析机器的运行以及效率提升。④工业机器人。在“工业４.０”中的智能工厂里，全部生产活动由电子计算机进行控制，生产第一线配有机器人而无须配备工人。生产命令和原料进入工厂后，经过产品设计、工艺设计、生产加工和检验包装，得到最后的产品。所有工作都由计算机控制的机器人、数控机床、无人运输小车和自动化仓库来实现，机器人的“智能胜”也比传统的机器人要加强，要与人一起协同工作。上一页下一页返回第三节智能制造⑤３Ｄ打印。３Ｄ打印技术在“智能工厂”里将与新一代数控技术融合，将机器人具有的搜集信息、整理信息、分析信息、处理信息的这些优势与３Ｄ打印技术结合起来，３Ｄ打印技术将变得更加智能化，将会进入智能３Ｄ打印时代，自动化程度也将显著提高。它将会按照设计好的图纸自行加工、配送原材料、自我校正、后处理、检测、包装。其后处理数字化流程将得到优化，一方面利用３Ｄ打印技术加工一些金属零部件，同时，利用数控技术进行后处理，将两种技术融合，集成在一个平台。上一页下一页返回第三节智能制造⑥知识工作自动化。在包括集成设计环境、任务流程数据集成系统、工程数据集成管理系统、知识集成应用系统、工程应用集成门户系统等构成的智能化平台体系上，通过建立统一的标准和方法，可以将工程设计、仿真、试制、试验过程中的各种工具和系统进行集成，同时将多项单一技术（如气动、结构、强度、电子、控制等）整合为综合技术，并通过智能语义分析，实现知识、工具流程化自动执行，最终实现知识工作自动化，使得知识工作者８０％的体力劳动由系统代替人来自动地完成。在智能系统的辅助下，设计人员可以不断地获得新知识，并在完成设计任务的过程中实现边干边学。上一页下一页返回第三节智能制造⑦工业网络安全。工业互联网是全球工业系统与高级计算、分析、感应技术以及互联网连接融合的结果。在“工业４.０”技术里面，机器和机器互联，第一，存在接口兼容问题；第二，这些数据保存在云端，数据之间的安全防范性将变得更加重要，要求网络系统的硬件、软件及其系统中的数据再受到保护，不因偶然的或者恶意的原因而遭受到破坏、更改、泄露，系统要连续、可靠、正常地运行。⑧虚拟现实。在工业上应用虚拟现实技术，利用计算机生成一种模拟环境，使用户沉浸到该环境中，实现多源信息融合的交互式的三维动态视景和实体行为，是真正意义上用于指导生产的仿真系统，对企业提高开发效率，加强数据采集、分析、处理能力，减少决策失误，降低企业风险起到了重要的作用，是实现虚拟制造的必备基础。上一页下一页返回第三节智能制造⑨人工智能。人工智能是计算机学科的一个分支，是研究人类智能活动的规律，构造具有一定智能的人工系统，研究如何让计算机去完成以往需要人的智力才能胜任的工作，也就是研究如何应用计算机的软硬件来模拟人类某些智能行为的基本理论、方法和技术。２０世纪７０年代以来被称为世界三大尖端技术（空间技术、能源技术、人工智能）之一，也被认为是２１世纪三大尖端技术（基因工程、纳米科学、人工智能）之一。智能化是“工业４.０”之魂，智能工厂、智能生产、智能物流的实现必然离不开人工智能技术。上一页下一页返回第三节智能制造２.“中国制造２０２５”（１）“中国制造２０２５”简介“工业４.０”对我国工业转型升级具有重要的启示意义。在新的国际、国内环境下，为改变中国制造业“大而不强”的局面，中国政府立足于国际产业变革大势，２０１５年５月８日，国务院正式印发《中国制造２０２５》，这是中国政府实施制造强国战略第一个十年的行动纲领。其根本目标在于通过１０年的努力，使中国迈入制造强国行列，为到２０４５年将中国建成具有全球引领和影响力的制造强国奠定坚实基础。上一页下一页返回第三节智能制造不少专家学者认为，“中国制造２０２５”是中国版的“工业４.０”。所以，在《中国制造２０２５》中，最受关注的无疑是智能制造，推动智能制造是解决我国制造业由大变强的根本路径，也是主攻方向。为此，《中国制造２０２５》明确提出，着力发展智能装备和智能产品，推进生产过程智能化，培育新型生产方式，全面提升企业研发、生产、管理和服务的智能化水平。为推动“中国制造２０２５”的实施进程，２０１５年９月２９日，国家制造强国建设战略咨询委员会发布《“中国制造２０２５”重点领域技术路线图》（又称“中国制造２０２５”重点领域技术创新绿皮书）。受国家制造强国建设战略咨询委员会委托，中国工程院围绕“中国制造２０２５”提出了十大重点领域创新的方向和路径，并将其汇编成册。上一页下一页返回第三节智能制造（２）“中国制造２０２５”的总体结构《中国制造２０２５》的总体结构可概括为“一、二、三、四、五五、十”。“一”：从制造业大国向制造业强国转变，最终实现制造业强国的一个目标。“二”：用信息化和工业化两化深度融合来引领和带动整个制造业的发展，这也是我国制造业所要占据的一个制高点。“三”：即“三步走”战略，大体上每一步用十年左右的时间来实现我国从制造业大国向制造业强国转变的目标。第一步，到２０２５年迈入制造强国行列；上一页下一页返回第三节智能制造第二步，到２０３５年中国制造业整体达到世界制造强国阵营中等水平；第三步，到２０４９年时，综合实力进入世界制造强国前列。“四”：确定了四项原则。第一项原则是市场主导、政府引导。第二项原则是既立足当前，又着眼长远。第三项原则是全面推进、重点突破。第四项原则是自主发展和合作共赢。“五五”：第一个“五”就是有五条方针，即创新驱动、质量为先、绿色发展、结构优化和人才为本；第二个“五”，就是实行五大工程，包括制造业创新中心建设工程、强化基础工程、智能制造工程、绿色制造工程和高端装备创新工程，实现长期制约制造业发展的关键共性技术突破，提升我国制造业的整体竞争力。上一页下一页返回第三节智能制造①制造业创新中心（工业技术研究基地）建设工程。围绕重点行业转型升级和新一代信息技术、智能制造、增材制造、新材料、生物医药等领域创新发展的重大共性需求，形成一批制造业创新中心（工业技术研究基地），重点开展行业基础和共性关键技术研发、成果产业化、人才培训等工作。制定完善制造业创新中心遴选、考核、管理的标准和程序。②智能制造工程。紧密围绕重点制造领域关键环节，开展新一代信息技术与制造装备融合的集成创新和工程应用。支持政产学研用联合攻关，开发智能产品和自主可控的智能装置并实现产业化。依托优势企业，紧扣关键工序智能化、关键岗位机器人替代、生产过程智能优化控制、供应链优化，建设重点领域智能工厂／数字化车间。上一页下一页返回第三节智能制造在基础条件好、需求迫切的重点地区、行业和企业中，分类实施流程制造、离散制造、智能装备和产品、新业态新模式、智能化管理、智能化服务等试点示范及应用推广。建立智能制造标准体系和信息安全保障系统，搭建智能制造网络系统平台。③工业强基工程。开展示范应用，建立奖励和风险补偿机制，支持核心基础零部件（元器件）、先进基础工艺、关键基础材料的首批次或跨领域应用。组织重点突破，针对重大工程和重点装备的关键技术和产品急需，支持优势企业开展政产学研用联合攻关，突破关键基础材料、核心基础零部件的工程化、产业化瓶颈。强化平台支撑，布局和组建一批“四基”研究中心，创建一批公共服务平台，完善重点产业技术基础体系。上一页下一页返回第三节智能制造④绿色制造工程。组织实施传统制造业能效提升、清洁生产、节水治污、循环利用等专项技术改造。开展重大节能环保、资源综合利用、再制造、低碳技术产业化示范；实施重点区域、流域、行业清洁生产水平提升计划，扎实推进大气、水、土壤污染源头防治专项；制定绿色产品、绿色工厂、绿色园区、绿色企业标准体系，开展绿色评价。⑤高端装备创新工程。组织实施大型飞机、航空发动机及燃气轮机、民用航天、智能绿色列车、节能与新能源汽车、海洋工程装备及高技术船舶、智能电网成套装备、高档数控机床、核电装备、高端诊疗设备等一批创新和产业化专项、重大工程。开发一批标志性、带动性强的重点产品和重大装备，提升自主设计水平和系统集成能力，突破共性关键技术与工程化、产业化瓶颈，组织开展应用试点和示范，提高创新发展能力和国际竞争力，抢占竞争制高点。上一页下一页返回第三节智能制造“十”：十个领域包括新一代信息技术产业、高档数控机床和机器人、航空航天装备、海洋工程装备及高技术船舶、先进轨道交通装备、节能与新能源汽车、电力装备、农机装备、新材料、生物医药及高性能医疗器械等十个重点领域。（３）推进“中国制造２０２５”存在的主要问题目前，我国绝大多数工厂还处于劳动密集的“规模化流水线”的“工业２.０”时代，尚未进入大规模自动化生产的“工业３.０”时代。在推进“中国制造２０２５”时，还存在着不少难题，有待尽快克服。上一页下一页返回第三节智能制造①制造业创新体系不完善。我国在国际分工中尚处于技术含量和附加值较低的“制造—加工—组装”环节，关键核心技术受制于人的局面仍然没有得到根本改变，大量的关键零部件、系统软件和高端装备基本都依赖进口。②产品档次不高，缺乏世界知名品牌和跨国企业。首先，我国产品质量和技术标准整体水平不高。为指导当前和未来一段时间内智能制造标准化工作，２０１５年１２月，工信部与国家标准管理委员会联合发布了《国家智能制造标准体系建设指南（２０１５年版）》（以下简称“《建设指南》”）。其次，我国企业在品牌设计、品牌建设和品牌维护等方面投入严重不足。第三，标准体系整体水平不高。上一页下一页返回第三节智能制造据统计，我国主导制定的国际标准占比不到０.５％，标准更新速度缓慢。第四，领军企业对工业增长的贡献远低于工业发达国家的平均水平。③资源能源利用效率低，环境污染问题较为突出。据英国ＢＰ公司统计，我国单位ＧＤＰ能耗约为世界平均水平的１.９倍、美国的２.４倍、日本的３.６５倍，同时高于巴西、墨西哥等发展中国家。要大力研发应用先进节能环保技术、工艺和装备，加快制造业绿色改造升级，提高制造业资源利用效率，建成高效、清洁、低碳、循环的绿色制造体系，推进资源利用方式向绿色低碳转变。上一页下一页返回第三节智能制造④产业结构不合理，高端装备和生产服务业发展滞后。我国制造业中资源密集型产业比重过大，技术密集型产业偏低；生产服务业停留在批发零售、运输仓储等低端领域；集群发展方面，部分传统行业集中度相对偏低，产业集聚和集群发展水平不高。要推进传统产业向中高端迈进，优化制造业布局，逐步化解产能过剩，加快制造与服务的协同发展，推动我国制造业产业结构向高端化、服务化方向转变。⑤信息化水平不高，与工业化融合深度不够。信息基础设施建设和应用水平仍然滞后于发达国家，企业利用信息技术改造传统生产方式和工艺流程的意愿偏低，关系国家经济、社会安全的高端核心工业软件主要依赖进口，信息化与信息安全相关领域人才储备严重不足。上一页下一页返回第三节智能制造我国工业企业需要补上从工业２.０到３.０的差距，才能实现４.０的方向发展。要加快推动新一代信息技术与制造技术融合发展，推动我国制造模式从“中国制造”向“中国智造”转变。⑥产业国际化程度不高，全球化经营能力不足。我国的工业企业“走出去”仍处于初级阶段。一是投资规模较小；二是产业类型上，主要集中在煤炭、钢铁、有色金属、石油等能源资源行业和劳动密集型产业，在电子信息、高端装备制造、新能源等高新技术领域还有很大的发展潜力；三是许多企业欠缺对外投资的长期发展战略与人才储备，缺乏大型投资管理和大型资本运作管理等方面的经验，对各个东道国的投资环境、法律体系、文化底蕴、外商投资政策点等总体上缺少深入了解；四是投资风险准备不足。上一页返回第四节绿色制造技术一、概述１.绿色制造技术的产生和发展随着日趋严格的环境与资源约束，制造加工的绿色化越来越重要，而中国的资源、环境问题尤为突出。世界上已经掀起了一股“绿色浪潮”，环境问题已经成为世界各国关注的热点，并列入世界议事日程，从２０世纪９０年底起，国外不少国家的政府部门已推出了以保护环境为主题的“绿色计划”。作为消耗资源、制造产品、排放都占很大比重的制造业（据统计造成环境污染的排放物７０％以上来自制造业），也必然要顺应形势，改变高投入、高消耗、高污染的粗放发展模式。在这种背景下，绿色制造技术应运而生，并必将成为制造业永恒的主题。下一页返回第四节绿色制造技术绿色制造（ＧｒｅｅｎＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，ＧＭ），又称环境意识制造（ＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｌｙＣｏｎｓｃｉｏｕｓＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）、面向环境的制造（ＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＦｏｒＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ）等，是指在保证产品的功能、质量、成本的前提下，综合考虑环境影响和资源效率，使产品从设计、制造、使用到报废整个产品生命周期中节约资源和能源，不产生环境污染或使环境污染最小化，并使企业经济效益和社会效益协调优化的生产制造模式。绿色制造模式是一个闭环系统，即原料—工业生产—产品使用—报废—二次原料资源，从设计、制造、使用一直到产品报废回收整个寿命周期对环境影响最小，资源效率最高。上一页下一页返回第四节绿色制造技术随着人们环保意识的不断加强，绿色制造受到越来越普遍的关注。特别是国际标准化组织提出了关于环境管理的ＩＳＯ１４０００以来，绿色制造的研究与应用就更加活跃。可以预计，随着人们环保意识的增强，那些不推行绿色制造技术和不生产绿色产品的企业，将会在市场竞争中被淘汰。２.绿色制造技术的内容联合国环境保护署对绿色制造技术的定义是：“将综合预防的环境战略，持续应用于生产过程和产品中，以便减少对人类和环境的风险”，并提出绿色制造技术的三项基本原则是：上一页下一页返回第四节绿色制造技术（１）“不断运用”原则绿色制造技术持续不断运用到社会生产的全部领域和社会持续发展的整个过程。（２）预防性原则对环境影响因素从末端治理追溯到源头，采取一切措施最大限度地减少污染物的产生。（３）一体化原则将空气、水、土地等环境因素作为一个整体考虑，避免污染物在不同介质之间进行转移。上一页下一页返回第四节绿色制造技术根据上述定义和原则，绿色制造包括制造过程和产品两大方面，应包括产品生命周期的各个阶段。Ｌ.Ａｌｔｉｎｇ提出将产品的生命周期划分为六个阶段：需求识别、设计开发、制造、运输、使用以及处置或回收。Ｒ.Ｚｕｓｔ等人进一步将产品的生命周期划分为四个阶段：产品开发阶段，从概念设计到详细设计的设计过程中就要考虑产品整个生命周期的其他各个阶段；产品制造阶段（加工和装配）、产品使用阶段及最后的产品处置阶段（包括解体或拆卸、再使用、回收、开发、焚烧及掩埋）。上一页下一页返回第四节绿色制造技术根据上述阶段，简单来讲，绿色制造技术主要由绿色设计、绿色制造、绿色处理三部分组成，就是要在在产品的生命周期过程中实现“４Ｒ”—减量化Ｒｅｄｕｃｅ、重用Ｒｅｕｓｅ、再生循环Ｒｅｃｙｃｌｅ、再制造Ｒｅｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，满足节能环保的要求。二、绿色设计设计阶段是产品生命周期的源头，在很大程度上决定了产品设计之后的其他过程的走向。如从源头实现废弃物的最小化或污染预防，这无疑是最有效的方法。上一页下一页返回第四节绿色制造技术绿色设计又称为面向环境的设计（ＤｅｓｉｇｎｆｏｒｔｈｅＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ＤＦＥ），是在产品及其寿命的全过程的设计中充分考虑对资源和环境的影响，在充分考虑产品的功能、质量、开发周期和成本的同时，优化各有关设计因素，使得产品及其制造过程对环境的总体影响和资源消耗减到最小。在设计过程中使材料选择、结构设计、工艺设计、包装运输设计、使用维护设计、拆卸回收设计、报废处置设计等多个设计阶段同时进行、相互协调各阶段和整体设计方案、分析评价结果，及时进行信息交流和反馈，从而在其设计研发过程中及时改进，使产品设计达到最优化。上一页下一页返回第四节绿色制造技术绿色设计主要研究以下内容：（１）绿色产品设计理论和方法从全生命周期角度对绿色产品的内涵进行全面系统的研究，提出绿色产品设计理论和方法。（２）绿色产品的描述和建模技术在上述基础上，对绿色产品进行描述，建立绿色产品评价体系，对所有与环境相关的过程输入输出进行量化和评价，并对产品生命周期中经济性和环境影响的关系进行综合评价，建立数学模型。（３）绿色产品设计数据库建立与绿色产品有关的材料、能源及空气、水、土、噪声排放的基础数据库，为绿色产品设计提供依据。上一页下一页返回第四节绿色制造技术（４）典型产品绿色设计系统集成针对具体产品，收集、整理绿色设计资料，形成指导设计的指南、准则，建立绿色产品系统设计工具平台，并与其他设计工具（如ＣＡＤ、ＣＡＥ、ＣＡＰＰ等）集成，形成集成的设计环境。三、绿色制造此处的绿色制造主要指绿色的产品制造阶段，是以过去传统的制造技术为基础，使用当代的先进制造技术和新的材料使得制造的产品质量高、成本低，对环境的污染小，并有利于资源循环利用。要从绿色材料、绿色工艺、绿色包装三个方面入手，并在绿色制造过程中加以实现。上一页下一页返回第四节绿色制造技术绿色制造过程要实现前面三个方面的原则，减少制造过程中的资源消耗，避免或减少制造过程对环境的不利影响以及报废产品的再生与利用。为此，相应地要发展三个方面的制造技术，即节省资源的制造技术、环保型制造技术和再生制造技术。１.节省资源的制造技术这主要从减少原材料消耗、减少制造过程中的能源消耗和减少制造过程中的其他消耗等方面入手来节省资源。（１）减少原材料消耗制造过程中使用的原材料越多，消耗的资源就越多，并会加大采购、运输、库存、毛坯制造等的工作量。上一页下一页返回第四节绿色制造技术减少制造过程中原材料消耗的主要措施如下：①科学选用原材料，避免选用稀有、贵重、有毒、有害材料，尽量实现废弃材料的回收与再生。②合理设计毛坯结构，尽量减少毛坯加工余量，并采用净成形、净终成形的先进毛坯制造工艺（如精密铸造、精密锻造、粉末冶金等）。③优化排料、排样，尽可能减少边角余料等造成的浪费。④采用冷挤压等少、无切屑加工技术代替切削加工；在可行的条件下，采用增材制造技术，避免传统的去除加工所带来的材料损耗。上一页下一页返回第四节绿色制造技术（２）减少制造过程中的能源消耗制造过程中耗费的能量除一部分转化为有用功之外，大部分都转化为其他能量而浪费并有可能带来其他不利影响，如普通机床用于切削的能量仅占总能量的３０％，其余７０％的能量则消耗于空转、摩擦、发热、振动和噪声等。减少制造过程中能量消耗的措施如下：①提高设备的传动效率，减少摩擦与磨损。例如采用电主轴以消除主传动链传动造成的能量损失，采用滚珠丝杠、滚动导轨代替普通丝杠和滑动导轨以减少摩擦损失；②合理安排加工工艺与加工设备，优化切削用量，尽量使设备处于满负荷、高效率运行状态。例如，粗加工选用大功率设备，而精加工选用小功率设备等；上一页下一页返回第四节绿色制造技术③优化产品结构工艺性和工艺规程，采用先进成形方法，减少制造过程中的能量消耗。例如，零件设计尽量减少加工表面、采用净成形（无屑加工）制造技术以减少机械加工量；采用高速切削技术实现“以车代磨”等；④合理确定加工过程的自动化程度，以减少机器设备结构的复杂性，从而避免消耗过多的能量。（３）减少制造过程中的其他消耗即减少其他辅料的消耗，如刀具消耗、液压油消耗、润滑油消耗、冷却液消耗、包装材料消耗等。上一页下一页返回第四节绿色制造技术①减少刀具消耗的主要措施：选择合理的刀具材料、适当的刀具角