机械制造业中的先进制造技术及应用！

时间：2019-10-10

制造业是国家经济发展的重要支柱,制造技术是制造业赖以发展的支撑,是发展竞争优势的有力武器。在制造技术近200年的发展过程中,经历了从作坊—机器生产,向批量生产、低成本大量生产、高质量生产、柔性生产,直到目前面向市场的生产的变化过程,并进一步向面向顾客生产方向前进。正是为了实现这种生产方式的转变,先进制造技术(AdvancedManufacturingTechnology,简称AMT)应运而生。它是传统制造技术不断吸收机械、电子、材料、能源、信息及现代管理等技术成果,将其综合应用于制造全过程,实现优质、高效、低耗、清洁和灵活生产,取得理想经济效果的制造技术的总称。

1 先进制造技术的概念

先进制造技术一词出现于20世纪80年代末,在1994年美国**就已批准将先进制造技术列为当今一重点支持的科学领域。它是美国学者根据当时本国制造业面临的挑战和机遇,对其制造业中存在的问题进行深刻反省,重新认识到制造业在国民经济中的地位和作用后提出的一个新概念。关于先进制造技术的定义,目前理论界尚没有一个一致公认的严格定义。有学者认为:先进制造技术是一个技术群,它是以计算机技术为支柱,综合应用信息、材料、能源、环保等**及现代管理技术于产品设计、加工、生产管理和产品销售等制造全过程的制造技术的总称。

今天的先进制造技术已由传统的机械制造技术经过改造融合吸收、蜕变升华为集机械、液压、电子、光声射线、信息科学、材料科学、检测、通讯、自动控制及其他领域较新成就的崭新科学与高新科技的浓缩一体化的结合产物,是机械、材料、电子、信息、自动化、管理、环保等多门学科的理论和技术相互渗透,共同发展而形成的技术综合体。它的基本内容包括:柔性制造单元(FMC)、柔性制造系统(FMS)、加工中心(MC)、数控技术(CNC)、激光加工、特种加工、机器人、自动检测技术、自动化仓库以及自动化车间、自动化工厂等硬件装备和物料需求计划(MRP)、网上制造技术(e—M)、制造资源计划、计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)、计算机管理信息系统(MIS)、*系统等软件工具和技术体系。

2　先进制造技术在机械制造业中的应用基础及应用领域

2.1　数控技术是应用与发展先进制造技术的基础

2.1.1　数控技术是应用制造技术的基础和核心

数控技术是数字化技术在机械制造行业应用的**,是机械加工工业向现代化发展的关键技术。数控技术是现代化工业的基础技术,数控技术的推广应用,为机械制造业由刚性自动化向柔性自动化的过渡发展做出了重要的贡献,揭开了机械制造业*三次历史性的技术改造的序幕。

随着微电子技术、计算机技术和自动控制技术的飞速发展,数控技术得到了新的发展。特别是PC机进入数控系统后,使数控系统由封闭型向开放型的体系结构转化,数控技术已应用在各种各样的机床上,形成了数控车床、数控铣床、数控磨床等,并发展了工序集中的复合数控机床(加工中心),开发出了FMC,从而为FMS和CIMS奠定了基础。数控技术广泛应用于制造业的各部门,已成为先进加工技术的基础。

2.1.2　数控技术的推广应用给机械制造业带来了重大变革

(1)数控技术的推广应用带来了机床行业的重大变革。

数控技术的推广应用给机床行业带来的重大变革主要体现在以下两个方面:

a.数控技术促进了旧机床数控化的改造;

b.数控技术为数控机床发展奠定了基础。

(2)数控技术的推广应用促进了制造工艺的发展。

随着数控技术的发展,常规加工工艺条件得以变更,工艺参数的优化成为可能,从而为实现优质、低耗、洁净、灵活的目标奠定了基础。数控技术的推广应用使得以优质、低耗、洁净、灵活为特征的先进制造工艺在国内得到高度重视及应用。

(3)数控技术的推广应用促进了制造技术向高层次发展。数控技术是制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础。数控技术的推广应用和产业化,将大大促进机械加工工业的产业结构、产品结构、生产方式和管理体制发生深刻的变革。

2.2　先进制造技术在机械制造业中的应用领域

近年来,由于先进技术的发展和市场需求的变化,通用机床、**机床及组合机床自动线都向着柔性化方向发展,传统的以单台机床为单位的“机台”的概念,也逐渐让位于“制造单元”和以“加工中心为基础的制造系统”,并且出现了带自动刀库的加工中心和可换主轴箱的加工中心,通过加工中心,将通用机床和**机床溶为一体,演变成为“柔性加工系统”。加工中心的出现和发展是依赖于NC、CNC技术以及机械手、机器人和自动仓库技术的发展。结合光学、电子学和其他机电一体化技术的柔性化的可变制造系统已经进入实用化阶段。

据统计,工业发达国家的机械制造业占整个国家制造业的60%以上,因而先进制造技术与机械制造技术的关系密不可分。一方面,先进制造技术广泛应用于机械制造业的各个方面,使得先进制造技术的技术理论得以具体应用和实现,并推动机械制造业的迅猛发展;另一方面,机械制造业由于本身生产的需要,出现的各种新工艺、新技术,又丰富和发展了先进制造技术的理论,并可以推广到其他制造领域,具体体现在:

(1) 在产品的设计开发中应用了现代设计技术的较新成果。在机械制造过程中,机械产品的设计、开发已不断应用了现代设计的思想和方法。绿色设计、并行工程、计算机辅助设计、可靠性设计、模糊设计及虚拟技术等现代设计方法和技术,从根本上改变了传统设计的思想和方法。从设计内容上看,传统的机械产品设计将设计过程划分为方案设计、技术设计和工艺设计,设计的内容过于狭窄。而现代设计的内容已扩展到产品规划、制造、检验、营销、维护、报废、回收等全过程的*设计;从设计方法上看,传统设计往往是根据经验的积累、单一的知识、落后的工具来进行的,而现代设计以计算机辅助设计技术为主体,以多种学科及技术为手段,并实现设计过程的并行化、较优化、精确化。

(2) 在产品的制造过程中涌现了大量的新工艺、新技术。机械制造工艺是将原材料、半成品加工成机械产品的方法和过程,是整个机械制造全过程的主要部分,在这个过程中,由于先进制造技术的渗透,结合生产实际的需要,已涌现了大量的新工艺、新技术。在毛坯制造方面,近几年出现了钢液精炼与保护成套技术,高效金属型铸造工艺及设备,新型焊接电源及控制技术,激光焊接与切割技术等**;在机械加工方面,出现了精密加工、**精密加工技术,高速切削与高速磨削技术,难加工材料的切削技术,复杂型面的数控加工技术等;在热处理方面,近几年出现了可控气氛热处理、真空热处理、激光表面合金化等先进技术;在自动化生产方面,已广泛应用机床数控技术、工业机器人、柔性制造技术、传感技术、集成制造技术、自动检测及信号识别技术等。这些新技术一方面满足了机械制造本身的需要,同时又支撑了先进制造技术的体系。

(3) 先进制造技术的应用引起了企业组织管理模式的重大变革。在批量生产方式下,企业的组织管理模式主要是功能专业化,采用刚性生产线,各个部门各司其职。当今,机械制造业的生产方式正向着中、小批量生产方式转变,因而企业的组织和管理模式也必须与之相适应。由于先进制造技术在机械制造业中的应用,企业的组织管理模式发生了多方面的转变。

a.从传统的顺序工作方式向并行工作方式转变;

b.从按功能划分部门的固定组织形式向动态、自主管理的小组组织形式转变;

c.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;

d.从质量**的竞争策略向快速响应市场的竞争策略转变;e.从以技术为中心向以人为中心转变。

3　机械制造业未来发展的趋势

由于先进制造技术的推动,机械制造业未来的发展出现以下几个趋势。

(1) 柔性化制造。

随着社会的发展和人民生活水平的提高,人们对产品的需求是多样化的,这就决定了未来机械制造的生产方式是多品种、小批量。针对这一趋势,机械制造的生产必须具有较大的灵活性,才能缩短产品的制造周期,提高机床利用率,这就需要广泛建立和应用柔性制造系统(FMS),即把若干台数控加工系统、物料自动搬运系统及自动上下工件系统、立体仓库等系统集成起来,形成一个完整的生产系统。柔性制造系统是制造业向现代自动化生产发展的基础。

(2) 自动化生产。

自动化生产可以大幅度提高生产率,同时,大大降低工人的劳动强度,改善工作环境。因此,自动化生产是未来机械制造业发展的一个重要方向,这就需要大力发展自动化技术和自动化设备。

(3) 精密加工、**精密加工、特种加工技术。

社会的发展对机械产品的质量提出了越来越高的要求,诸如一些**产品、航空航天产品、仪器仪表产品、电子产品、微型机械产品,其精度要求已达到微米级、亚微米级、甚至纳米级,这样的精度要求是普通加工方法难以或根本不能达到的,这决定了发展精密加工、**精密加工技术以及诸如激光加工、电火花加工等特种加工技术是机械制造未来的一个重点。其中激光技术应用于制造业中,有着更广泛的意义。例如,纽约Akronstrippit-Houdaille公司将激光器与小组合冲孔机结合,因为激光束直径仅仅是人头发的两倍那么粗细,编程人员可以根据所设想的两维、三维空间形状加以切割与冲凿,同时可以切割小半转角,沿任何方向,以任意角度移动和转动。它能切割一般冲孔机所不能切割的小角弧面与冲凿曲面工艺品,这也为模具制造带来了莫大的福音和便利。目前,发达国家采用**精密特种加工方法已能加工出纳米级的大规模集成电路芯片(加工精度2.5nm,粗糙度4.5nm)]。**精密加工的对象已由加工单件、小批量的工具、量具等扩展到大批量工件生产和高科技产品(如磁盘、录像机磁头、大规模集成电路、精密雷达等)的加工。此外,**高速加工等高效节能加工技术也是当前的发展趋势。

(4) 微系统及其制造技术研究。

微系统(micro-system)是机械技术与电子技术在纳米尺度上相融合的产物。早在1959年就有科学家提出微型机械的设想,1962年**个硅微型压力传感器问世,其后,开发出了尺寸50～500μm的齿轮、齿轮泵、气动涡轮及连接件等微型机构。1987年,美国加州大学伯克利分校研制出转子直径为60～120μm的硅微型静电电机,显示出利用硅微加工工艺制造微小可动结构并与集成电路兼容、制造微小系统的潜力。微系统技术有可能象20世纪的微电子技术那样,在21世纪对世界科技、经济发展和*建设产生巨大的影响。近10年来,微系统的发展令人瞻目。其特点如下:相当数量的微型元器件和微系统研究成功,体现了其现实的和潜在的应用价值;多种微型制造技术的发展,特别是半导体微细加工技术已成为微系统的支撑技术。

(5) 计算机集成制造化。

机械制造业为了在激烈的竞争中求生存、求发展,需要进一步缩短产品研制周期和交货时间,提高产品质量,降低成本,发展计算机集成制造化模式是机械制造业的必然发展趋势。计算机集成制造系统的各功能部分又包含许多相对独立的子系统,它们之间用数据库、网络、系统技术、人工智能等技术实现功能集成。

(6)绿色制造普及化。随着人们对环保的要求越来越高,环保意识不断增强,绿色制造将成为21世纪制造业的重要特征。制造业不仅要解决生产过程中的污染和资源浪费问题,更重要的是要为社会提供没有污染、节约资源的产品。

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