天工大机械制造技术基础教案第9章 制造技术的新发展

第九讲制造技术的新发展周次时间年月日第节章节名称第9章制造技术的新发展授课方式理论课教学时数2教学目的及要求1．了解当前先进的制造技术教学方法多媒体教学内容一、制造技术的发展方向：随着电子、信息等高新技术的不断发展，市场需求个性化与多样化，未来制造技术发展的总趋势是向精密化、柔性化、网络化、虚拟化、智能化、绿色化、集成化、全球化的方向发展。其发展方向大致有以下几个方面：①信息技术、管理技术与工艺技术紧密结合，现代制造生产模式将得到不断发展。②设计技术与手段更现代化。③成型及制造技术精密化、制造过程实现低消耗。④开发新一代超精密、超高速制造设备。⑤新型特种加工方法的形成。⑥加工工艺有技艺型发展为工程科学型。⑦实施无污染绿色制造。⑧虚拟现实技术将在制造业中广泛应用。⑨制造过程中将贯彻以人为本的理念。二、超精密加工技术超精密加工包括超精密切削（车削、铣削）、超精密磨削、超精密研磨和超微细加工。每种超精密加工方法应针对不同零件的精度要求而选择，其所获得的尺寸精度、形状精度和表面粗糙度是普通精密加工无法达到的。1．金刚石超精密切削金刚石超精密切削主要用于加工低粗糙度和高形状精度的有色金属或非金属零件，如光学镜面（平面、球面及非球面），感光鼓、磁盘等精密器件，甚至直接加工纳米级表面的硬脆材料（例如陶瓷、单晶锗、单晶硅等）。用天然金刚石刀具进行超精密切削有许多优点，主要包括：①加工精度高，加工表面质量好，加工表面形状误差可控制在0.1～0.0lmm范围内，表面粗糙度Ra。为0.01～0.001m②生产效率高，Cu、Al材料的光学镜面可以通过金刚石超精密车削直接制取。③加工过程易于实现计算机自动控制。④它不仅可以加工平面、球面，而且可以很方便地通过数控编程加工非球面和非对称表面。影响金刚石超精密切削的因素主要有以下几点：①加工设备要求具有高精度、高刚度、良好的稳定性、抗振性和数控功能。②金刚石刀具通常在铸铁研磨盘上进行研磨，在研磨时应使金刚石的晶向与主切削刃平行，并使刃口圆角半径尽可能小。③被加工材料要求组织均匀，无微观缺陷。④工作环境要求恒温、恒湿、净化和抗振。2.超精密磨削超精密磨削是利用磨具上尺度均匀性好、近似等高的磨粒对被加工零件表面进行摩擦、耕犁及切削的过程。主要用于硬度较高的金属和非金属零件的加工，如对加工尺寸及形状精度要求很高的伺服阀、空气轴承主轴、陀螺仪超精密轴承等。超精密磨削与普通磨削相比，其主要特征是：（1）使用超硬磨料进行超精密磨削的磨削背吃刀量极小，磨削行为通常在被磨材料的晶粒内进行，只有在磨削力超过了被磨材料原子（或分子）间键合力的条件下才能从加工表面上磨去一薄层材料，磨粒所承受的切应力极大，温度也很高，要求磨粒材料必须具有很高的高温强度和高温硬度。（2）所用机床精度高，超精密磨床是实现超精密磨削的基本条件。影响超精密磨削的因素主要有以下几点：①砂轮特性及其修整参数的影响。②磨削工艺参数的影响。③工件材质的影响。3.超精密研磨及抛光超精密研磨、抛光是利用研磨剂在工件与研具之间通过相对复杂的轨迹而获得高质量、高精度的加工方法。主要用于加工高表面质量与低型面精度的集成电路芯片和各种光学平面及蓝宝石窗等。研磨加工通常使用一微米至十几微米大小的氧化铝和碳化硅等磨粒和铸铁等硬质材料的研具之间，并借助机床提供的复杂运动，实现零件表面轨迹高度不重合。4.超微细加工微细加工技术是指制造微小尺寸零件的生产加工技术。通常微细加工是指1mm以下的微细尺寸零件，加工精度为0.01～0.001mm的加工，即微细度为0.1mm级的亚毫米级的微细零件加工；而超微细加工主要是指1m从基本加工类型看，微细和超微细加工可大致分为四类：①分离加工。将材料的一部分分离出去的加工方式，如分解、蒸发、溅射、破碎等。②接合加工。同种或不同种材料的附加加工或相互结合加工，如蒸镀、沉积、掺入、生长、黏结等。③变形加工。是材料形状发生改变的加工方式，如塑性变形加工、流体变形加工等。④材料处理或改性，如一些热处理或表面改性等。超微细加工是在半导体集成电路制造技术的基础上形成并发展起来的，是大规模集成电路和计算机技术的技术基础。它包括激光、电子束、离子束、微操作等加工手段，是获得现代超精产品的一种重要途径。三、纳米加工技术纳米级加工，是将试件表面的一个个原子或分子作为直接的加工对象，其物理实质就是要切断原子间的结合，实现原子或分子的去除。而各种物质是以共价键、金属键、离子键或分子结构的形式结合而组成，要切断原子间的结合需要很大的能量。在机械加工中，工具材料的原子间的结合能必须大于被加工材料的原子间结合能。而传统的切削、磨削加工消耗的能量较小，实际是利用原子、分子或晶体间连接处的缺点而进行加工的，但想要切断原子间的结合是相当困难的。因此，纳米加工的物理实质与传统的切削、磨削加工有很大区别。直接利用光子、电子、离子等基本能子的加工是纳米级加工的主要方向和主要方法。1.LIGA（LithographieGalvanoformungAbformung）技术LIGA技术是20世纪80年代中期德国wolfgangEhrfeld教授等人发明的，即从半导体光刻工艺中派生出来的一种加工技术。其机理是由深度同步辐射X射线光刻、电铸成型、塑铸成型等技术组合而成的复合微细加工新技术，主要工艺过程由X光光刻掩模版的制作、X光深光刻、光刻胶显影、电铸成模、光刻胶剥离、塑模制作及塑模脱模成型组成。采用LIGA技术可以制作各种各样的微器件和微装置，如微传感器、微电机、微执行器、微机械零件等。材料可以是金属、陶瓷、聚合物和玻璃等，可以制作微型件的最大高度为1000mm、横向尺寸0.5mm以上、高宽比大于2.扫描隧道显微加工技术扫描隧道显微加工技术也称为原子级加工技术，原理是通过扫描隧道显微镜的探针来操纵试件表面的单个原子，实现单个原子和分子的搬迁、去除、增添和原子排列重组，实现极限的精加工。20世纪90年代以来，扫描隧道显微加工技术获得了迅速的发展，并取得了多项重要成果。例如，1990年，美国圣荷塞IBM阿尔马登研究所D.M.Ligler等人在超真空环境中，用35个Xe原子排成IBM三个字母，每个字母高5nm。Xe原子间最短距离为lnm，而日本科学家则实现了将硅原子堆成一个“金字塔”，首先实现了三维空间的立体搬迁。目前，原子级加工技术正在研究对大分子中的原子搬迁、增加原子、去除原子和原子排列的重组。近年来，我国的超精密加工和纳米加工技术取得了很大的发展，已得到较多的生产应用，并对改造和提升我国的制造业水平及提高产品竞争力起到了很大的推动作用。但应看到我国的超精密加工技术水平与发达国家比较还有较大的差距，制约了我国的尖端技术和国防工业的发展，因此我国亟需加速发展这方面的技术。四、快速成形制造技术快速成形技术（RapidPrototyping，RP），是于20世纪80年代末自日本发展起来的，是当前先进的产品开发与快速工具制造技术。快速成形技术综合了机械、电子、光学、材料等学科技术，可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定结构和功能的原形或直接制造零件，从而可以对产品进行快速评估、修改及功能试验，大大缩短了产品的研究周期，提高了企业的竞争能力。RP技术相对于传统的“去除”式加工方法，采用了一种全新的制造模式——增材加工法，通过层层堆积的方式，制造零件的实体模型。随着相关技术的发展，这种新型的制造工艺正日益在生产中获得应用，快速成形技术对制造企业的模型、原型及成形件制造方式正产生深远的影响。RP系统可分为两大类：基于激光或其他光源的成形技术，如光敏树脂液相固化成形（StereoLithography，SL）、叠层实体制造（LaminatedObjectManufacturing，LOM）、选择性激光烧结（SelectedLaserSintering，SLS）、形状沉积制造（ShapeDepositionManufacturing，SDM）等；基于喷射的成形技术，如熔融沉积制造（FusedDepositionModeling，FDM）、三维打印制造（ThreeDimensionalPrinting，3DP）等。五、网络制造网络化制造是在网络经济情况下产生并得到广泛应用的先进制造模式，其概念的形成和初步应用是在20世纪90年代中期。面对市场机遇，针对某一市场需要，利用以因特网（INTERNET）为标志的信息高速公路，灵活而迅速地组织社会制造资源，把分散在不同地区的现有生产设备资源、智力资源和各种核心能力，按资源优势互补的原则，迅速地组合成一种没有围墙的、超越空间约束的、靠电子手段联系的、统一指挥的经营实体——网络联盟企业，以便快速推出高质量、低成本的新产品。实施网络化制造技术的行为主体是网络联盟，因此需从网络联盟的全生命周期来考察研究与网络联盟相关的一系列问题，网络联盟的生命周期按时序大致划分为面对市场机遇时的市场分析、资源重组分析、网络联盟组建设计、网络联盟组建实施、网络联盟运营、网络联盟终止等阶段。在网络联盟全生命周期内，所涉及的实施技术涵盖了以下几方面：组织管理与运营管理技术；资源重组技术；网络与通信技术；信息传输、处理与转换技术等。由于网络化制造是建立在以因特网为标志的信息高速公路的基础上，因此必须建立和完善相应的法律、法规框架与电子商务环境，建立国家制造资源信息网，形成信息支持环境。1．网络制造的特性网络制造给企业的生产模式带来了巨大变化，它具备了以下几项重要的特性：（1）敏捷性（2）协同性（3）数字化（4）直接化（5）远程化（6）多样性2．网络制造的核心问题（1）WEB技术（2）产品模型的人机工程评价（3）产品模型的可制造性与数字化分发（4）产品数据管理（5）工作流管理（6）计算机辅助工艺规划（7）经营过程重组六、虚拟制造虚拟制造（VM—VirtualManufacturing）是根据企业市场竞争的需求，在强调柔性和快速的前提下，于20世纪80年代在美国提出的。随着计算机技术和信息网络技术的发展，它到了20世纪90年代逐渐得到人们的重视，并获得迅速的发展。如今其应用领域越来越广，尤其在航空、航天、国防，以及其他大规模复杂系统的研制开发过程中，一直是不可缺少的工具。它在减少损失、节约经费、缩短开发周期、提高产品质量等方面发挥了巨大的作用。作为面向21世纪的新技术，虚拟制造将会在更高层次上有所发展。1．虚拟制造的概念所谓虚拟制造是对真实产品制造的动态模拟，是一种在计算机上进行而不消耗物理资源的模拟制造软件技术。泛指通过有效运用视听和其他感觉特征在计算机上对制造系统及其组件进行建模、仿真，以及方案设计。它具有建模和仿真环境，使产品从生产过程、工艺计划、调度计划、后勤供应到财会、采购和管理等生成的一种集成的、综合的制造环境，在真实产品的制造活动之前，就能预测产品的功能及制造系统状态，从而可以做出前瞻性的决策和优化实施方案。

2.虚拟制造的特点虚拟制造具有的几个典型特点：（1）高度集成（2）支持敏捷制造（3）分布合作3.虚拟制造的种类广义的制造过程不仅包括了产品的设计、加工和装配，还包含了对企业生产活动的组织与控制。从这个观点出发，可以把虚拟制造划分为三类：以设计为中心的虚拟制造、以生产为中心的虚拟制造和以控制为中心的虚拟制造。

七、智能制造1.智能制造智能制造（IntelligentManufacturing，IM），是通过集成传统制造技术、计算机技术与人工智能技术等，形成的一种新型制造模式。所谓智能制造技术是指在制造工业的各个环节，以一种高度集成的方式，通过计算机模拟人类专家的智能活动进行分析、判断、推理、构思和决策，旨在取代或延伸制造环境中人的部分脑力劳动，并对人类专家的制造智能进行收集、存储、完善、共享、继承与发展的技术。2.智能制造系统智能制造系统（IntelligentManufacturingSystem，IMS），是基于智能制造技术产生的制造系统。它借助于计算机，综合应用人工智能技术、信息技术、自动化技术、制造技术、并行工程、生命科学、现代管理技术和系统工程理论与方法，在国际标准化和互换性的基础上，使得整个企业制造系统中的各个子系统分别智能化，并使制造系统成为网络集成的高度自动化的制造系统。智能制造系统的特点突出表现在以下几方面：

（1）制造系统的自组织与超柔性能力（2）制造系统的自律能力（3）自学习和自维护能力（4）整个制造环境的智能集成八、绿色制造绿色制造（GreenManufacturing），又称环境意识制造（EnvironmentallyConsciousManufacturing，ECM），是一个综合考虑环境影响和资源效率的现代化制造模式，其目标是使产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个产品生命周期中，对环境的负面影响最小、资源效率最高，并使企业经济效益和社会效益协调优化。传统制造企业为了追求最大的经济效益，有时甚至不惜牺牲环境，同时大量消费品因生命周期的缩短，造成废旧产品的日益增多，这些不仅对环境产生了较大的污染，还浪费了大量的环境资源。绿色制造的实施是解决这些问题的根本方法和途径，是21世纪制造业的必由之路。它要求企业要在考虑经济效益的同时更要考虑社会效益（包括环境效益和可持续发展效益等），使得企业追求的目标从单一的经济效益优化变革到经济效益和社会效益协调优化。绿色制造具有很深刻的内涵，归纳起来主要有以下几点：（1）绿色制造涉及的问题领域包括三部分：一是制造问题，包括产品生命周期全过程；二是环境影响问题；三是资源优化问题。绿色制造就是这三部分内容的交叉和集成。（2）绿色制造中的“制造”涉及产品整个生命周期，是一个“大制造”概念，同计算机集成制造、敏捷制造等概念中的“制造”一样。绿色制造体现了现代制造科学的“大制造、大过程、学科交叉”的特点。（3）由于绿色制造是一个面向产品整个生命周期全过程的大概念，因此近年来提出的绿色设计、绿色工艺规划、清洁生产、绿色包装等可看成是绿色制造的组成部分。（4）资源、环境、人口是当今人类社会面临的三大主要问题，绿色制造是一种充分考虑前两种问题的一种现代制造模式。（5）当前人类社会正在实施全球化的可持续发展战略，绿色制造实质上是人类社会可持续发展战略在现代制造业的体现。

九、并行工程并行工程（ConcurrentEngineering，CE），是1986年由美国国防系统首次提出的，目的是要缩短武器生产的周期、降低成本，不久就成为国际机械制造业研究的热门课题。并行工程是对产品及其相关过程（包括制造过程和支持过程）进行并行，一体化设计的一种系统化的工作模式。CE包括四方面的内容，称为CE的四“C”性：并行性、约束性、协调性和一致性。它要求产品开发人员在设计一开始就考虑产品整个生命周期中的所有因素，包括质量、成本、加工、装配进度、销售和用户等，以便最大限度地提高产品开发效率及一次成功率。传统的串行工程的方案设计与制造过程设计两大进程有序地反复地集中进行。它的不足在于方案设计过程中不能及早考虑制造过程以及质量保证等问题，必然造成设计与制造脱节。若开发的产品不能满足需求，则需再设计，使整个产品开发过程变成设计、加工、测试、评价、修改的大循环，从而使设计改动量增大，产品开发周期长，开发成本高。而与之相比，并行工程将产品分解成多个部件，成立多个