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先进制造技术在机械制造业中的应用

发布时间：2013-03-08 浏览次数：605

余震　袁根福
（安徽建筑工业学院数理系）

　　摘　要：中国虽是制造大国，但与工业发达国家相比，仍有很大差距。材料成型加工制造是制造业的重要组成部分，是先进制造技术的重要内容，对国民经济的发展及国防力量的增强均有重要作用。该文认为，面对市场经济、参与全球竞争，企业的发展要依靠先进制造技术，而先进制造技术必然促进企业的发展。未来的制造企业将是以人、管理及技术三要素组成，而以人为本。未来的制造模式将是：小批量、高质量、低成本、交货期短、生产柔性、环境友好。快速产品与工艺开发系统、新一代制造工艺及装备和模拟与仿真是三项关键先进制造技术。
　　关键词：材料成形加工；发展趋势；制造业；先进制造技术
　　引言
　　随着计算机技术的发展，计算材料科学已成为一门新兴的交叉学科，是除实验和理论外解决材料科学中实际问题的第三个重要研究方法。它可以比理论和实验做得更深刻、更全面、更细致，可以进行一些理论和实验暂时还做不到的研究。因此，基于知识的材料成型工艺模拟仿真是材料科学与制造科学的前沿领域及研究热点。根据美国科学研究院工程技术委员会的测算，模拟仿真可提高产品质量5～15倍、增加材料出品率25%、降低工程技术成本13%～30%、降低人工成本5%～20%、增加投入设备的利用率30%～60%、缩短产品设计和试制周期30%～60%、增加分析问题广度和深度的能力3～3.5倍等。
　　1　先进制造技术的概念与特点
　　一般认为：先进制造技术是指制造业(传统制造技术)不断吸收机械工程技术、电子信息技术(包括微电子、光电子、计算机软硬件、现代通信技术)、自动化控制理论技术(自动化技术生产设备)、材料科学、能源技术、生命科学及现代管理科学等方面的成果;并将其综合应用于制造业中产品设计、制造、管理(检测)、销售、使用、服务(售后服务)以及对报废产品的回收处理这样一个制造全过程，实现优质、高效、低耗、清洁、灵活生产，提高对动态多变的产品市场的适应、竞争能力，取得(具有市场竞争能力的)理想经济技术综合效果的制造技术的总称。
　　由以上先进制造技术的概念可以看出先进制造技术有如下特点：
　　1)先进制造技术不是一成不变的，而是一个动态过程，要不断吸取各种高新技术成果，并将其渗透到产品的设计、制造、生产管理及市场营销的所有领域及全部过程，并实现优质、高效、低耗、清洁的生产。
　　2)先进制造技术是面向新世纪技术系统，它的目的是提高制造业的综合效益，赢得市场竞争。
　　3)先进制造技术是不仅限于制造过程本身，它涉及到产品从市场调研、产品设计、工艺设计、加工制造、售后服务等产品寿命周期的所有内容。
　　4)先进制造技术是特别强调计算机技术、信息技术和现代系统管理技术，在产品设计、制造和生产管理等方面的应用。
　　5)先进制造技术是强调各专业学科之间的相互渗透、融合和淡化，并Z终消除它们之间的界限。
　　6)先进制造技术是特别强调环境保护，要求产品是所谓的“绿色产品，要求生产过程是环保型的。
　　2　先进制造技术在机械制造业中的应用
　　如前所述，先进制造技术是一个庞大的技术群。在机械制造的整个过程中，无论是在产品的设计开发、还是在产品生产制造或是经营管理中都能充分利用先进制造技术。近几年，机械制造业发生了一系列重大变化，主要表现在以下几个方面。
　　1)企业生产方式发生重大变革。由于先进制造技术的应用，现代机械制造企业逐步改变了传统观念，在生产组织方式上发生了五个转变：从传统的顺序工作方式向并行工作方式转变；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;从按功能划分部门的固定组织形式向动态、自主管理的小组工作组织形式转变；从质量的竞争策略向快速响应市场的竞争策略转变；从以技术为中心向以人为中心转变。
　　2)机械制造业的先进制造工艺以及自动化技术的形成和发展。在整个机械制造的过程中，工艺过程是Z主要的过程。由于机械制造业本身的需要，形成和发展了许多先进的制造工艺及自动化技术。从而充实、发展了整个先进制造技术群，带动了其他制造业的发展。这些先进制造工艺及自动化技术主要包括以下几个方面。(1)毛坯制造工艺。毛坯制造是机械制造工艺的基础和前提。近几年，出现了许多先进的制造工艺及技术。铸造方面出现了一套精密洁净铸造成形工艺，例如，外热风冲天炉熔炼、处理、保护成套技术；钢液精炼与保护技术;高效金属型铸造工艺及设备；气化模铸造工艺与设备等。锻压方面出现了精确高效塑性成型技术，主要有热精锻生产线成套技术，冷温成型成套技术，辊锻和楔横轧成形技术，精密冲裁工艺及设备等，焊接与切割方面出现了新型焊接电源及控制技术，激光焊接技术，微连接技术，数控切割技术等。(2)机械加工工艺。机械加工是机械制造工艺过程的主要组成部分，在这方面的趋势是向高效、高精度方向发展。主要有精密加工和超精密加工，高速切削与超高速磨削，复杂型面的数控加工，游离磨料的高效加工等。(3)自动化技术。制造自动化技术是在制造过程的所有环节采用自动化技术，实现制造全过程的自动化。是研究对制造过程的规划、运作、管理、组织、控制与协调优化等的自动化的技术，以使产品制造过程实现高效、优质、低耗、及时和洁净的目标。在机械制造过程中，除了发展应用先进制造工艺以外，自动化技术的发展与应用是另一大特征。这些自动化技术包括CAD，CAM集成、机床数控技术、工业机器人、柔性制造技术、传感技术、计算机集成制造技术、自动检测及信号识别技术等。
　　3　我国机械工业发展先进制造技术的战略与对策
　　我国是一个制造业基础薄弱的国家，而机械制造业占的比重又较大。尽管近十年来，我国机械制造业不断引进国外的先进制造技术，但与发达国家相比仍有较大的差距。主要表现为：技改投入相对不足。技术装备、生产工艺、生产管理、市场观念、人员素质相对落后。面对新世纪机械制造业的竞争和高新技术发展的挑战，我国机械制造业应采取以下对策。
　　1)提高认识，全面规划，将装备制造业置于重要的战略地位。
　　2)加强先进制造技术的应用与自身制造技术的开发相结合。据前论述可知，加强先进制造技术在机械制造业的应用，对发展机械制造业、增强机械制造业的生命力十分必要。但同时，我们也应注重机械制造技术自身的开发，着重提高自主创新能力。高度重视制造产业共性技术的研究开发，全力实施标准战略、专利战略。切实提高企业的技术开发和集成创新能力，这对于丰富先进制造技术、促进其他制造业的发展至关重要。将引进、消化吸收国外先进制造技术与自主开发创新相结合，深化科技体制改革，推进技术创新体系的建设。
　　3)大力发展先进高新制造技术及其产业。
　　4)人才是技术发展的关键。要加强先进制造技术的应用和开发，必须提高人员素质，加强人才培训。应培养一批既懂科学技术，又懂管理的优秀企业家，还要造就一支具有较高职业素质的技术工人队伍。
　　5)加强交流与合作。世界各国的机械制造技术的发展都有自己的特色和侧重点。通过加强交流与合作，可迅速吸收应用先进制造技术，并结合本国国情来发展机械制造技术。
　　现代的产品与工艺开发系统的特点是：在设计全过程采用信息技术，产品有创新，采用新材料与新制造工艺，使产品开发周期短、返工少、成本低，因而产品在市场上有竞争能力。轻量化、精确化、高效化将是成形制造技术的重要发展方向，材料成形制造向更轻、更薄、更精、更强、更韧、成本低、周期短、质量高的方向发展。制造过程的计算机模拟仿真是先进制造技术的重要内容，已在铸造及塑形加工等领域中得到广泛应用。高性能、高精度、高效率、多学科及多尺度是模拟仿真技术的努力目标，而微观组织模拟从微米到纳米尺度则是近年来新的研究热点。绿色制造是制造技术的进一步发展趋势。
　　制造业及材料成型加工技术的作用及地位
　　我国已是制造大国，仅次于美、日、德，位居世界第4。我国虽是制造大国，但与工业发达国家相比，仍有很大差距，表现在：（1）劳动生产率低，人均产值不到美国的k/20；（2）技术含量低，以CAD为例，仍停留在绘图功能：（3）重要关键复杂产品基本上没有自主产品创新开发能力。
　　材料成形加工行业是制造业的重要组成部分，材料成形加工是汽车、电力、石化、造船、机械等支柱产业的基础制造技术，新一代材料加工技术也是先进制造技术的重要内容。铸造、锻造及焊接等材料加工技术是国民经济可持续发展的主体技术。据统计，全世界75%的钢材经塑性加工，45%的金属结构用焊接得以成型。汽车重量的65%以上仍由钢材、铝合金、铸铁等材料通过铸造、锻压、焊接等加工方法而成形。
　　但是，我国的材料成形加工技术与国外工业发达国家相比，仍有很大差距。例如：重大工程的关键铸锻件如长江三峡水轮机的个叶轮仍从国外进口；航空工业发动机及其它重要的动力机械的核心成形制造技术尚有待突破。　　因此，在振兴我国制造业的同时，要加强和重视材料成形加工制造技术的发展。
　　制造业在过去的二十年中发生了巨大变化，这种变化还会延续。高速发展的工业技术要求加工制造的产品精密化、轻量化、集成化；竞争更加激烈的市场要求产品性能高、成本低、周期短；日益恶化的环境要求材料加工原料与能源消耗低、污染少。为了生产高精度、高质量、高效率的产品，材料正由单一的传统型向复合型、多功能型发展；材料成形加工制造技术逐渐综合化、多样化、柔性化、多学科化。
　　面对市场经济、参与全球竞争，必须十分重视制造业、先进制造技术及成形加工制造技术的技术进步。
　　先进制造技术的发展趋势
　　美国在“新一代制造计划”中指出未来的制造模式将是：批量小、质量高、成本低、交货期短、生产柔性、环境友好。未来的制造企业将是：以人、管理及技术三要素组成，而以人为本。未来的制造企业要掌握十大关键技术，包括了“快速产品与工艺开发系统”，“新一代制造工艺及装备”及“模拟与仿真”三项关键技术。其中新一代制造工艺包括精确成型制造或称净成型制造工艺。净成型制造工艺要求材料成型制造向更轻、更薄、更精、更强、更韧、成本低、周期短、质量高方向发展。
　　轻量化、精确化、高效化将是未来制造技术的重要发展方向。以汽车制造为例，美国新一代汽车研究计划的目标是在2003年每100公里油耗要减少到3升。汽车重量减轻10%可使燃烧效率提高7%，并减少10%的污染。为了达到这一目标，要求整车重量要减轻40～50%，其中车体和车架的重量要求减轻50%，动力及传动系统必须减轻10%。例如，美国福特汽车公司新车型中使用的主要材料可以看出新一代汽车中钢铁黑色金属用量将大幅度减少，而铝及镁合金用量将显著增加，铝合金将从284磅增加到733磅，镁合金将从10磅增加到86磅。
　　近年来，随着汽车工业和电子工业的迅速发展，对通过降低产品的自重以降低能源消耗和减少污染包括汽车尾气和废旧塑料，提出了更迫切的要求，轻量化的绿色环保材料将作为人们的首选。镁合金就是被世界各国材料界看好的Z具有开发和应用发展前途的金属材料。
　　镁合金产品具有以下优势：（1）轻量化：密度1.8g/cm³左右，是铁的1/4，铝的2/3，与塑料相近。（2）比强度高、刚性佳，优于钢、铝。（3）极佳的防震性，耐冲击、耐磨性良好。（4）优良的热传导性，改善电子产品散热问题。（5）非磁性金属，抗电磁波干扰，电磁屏蔽性佳。（6）加工成型性能好，成品外观美丽，质感佳，无可燃性相对于塑料。（7）材料可100%回收，回收率高，符合环保法。（8）尺寸稳定，收缩率小，不易因环境温度变化而改变相对于塑料。
　　镁合金压铸件广泛应用于交通工具如汽车、摩托车及飞机零件等、IT行业如手机、手提电脑等3C产品、小型家电、摄像机、照相机及其他电子产品外壳等行业。同时，压铸镁合金产品在国防建设等领域也有十分广阔的应用前景。
　　快速产品/工艺开发系统
　　我国制造业的主要问题之一是缺乏创新产品的开发能力，因而缺乏市场竞争能力。
　　传统产品开发的特点：一是照猫画虎、知识老化、缺乏创新，二是周期长、返工多、成本高。例如，日本丰田汽车公司沿用传统的产品设计开发方法造成了大量的返工。又例如，美国空军研究所从1981—1991年研发武器共发布图纸20,000张，但共有90,000张图纸进行了更改，平均每张图纸改动了4.5次，多化费了16亿美元。
　　现代的产品开发系统的特点是：（1）采用现代设计理论与方法；（2）进行全生命周期设计；（3）设计全过程采用信息技术；（4）加快采用新材料、新工艺；（5）产品开发周期短、返工少、成本低，努力做到一次成功；（6）产品有创新，在市场上有竞争能力。
　　应该指出：产品设计及制造开发系统是以设计与制造过程的建模为核心内容。1992年，美国先进金属材料加工工程研究中心提出了产品设计/制造工艺集成系统。在产品零部件的设计过程中同时要进行影响产品及零部件性能的成型制造过程的建模，它不仅可以提供产品零部件的可制造性评估，而且可以提供产品零部件的性能预测。2001年，美国又提出了集成制造技术建议，并提出“可靠制造的建模与仿真”新构思，对产品设计制造等全生命周期过程全部进行模拟仿真。
　　波音公司采用的现代产品开发系统，将新产品研制周期从8年缩短到5年，工程返工量减少了50%。日本丰田汽车公司在研制2002年嘉美新车型时缩短了研发周期10个月，减少了试验样车数量65%。美国底特律柴油机公司研发一台V6型柴油机的研发周期只用了7.5个月。美国汽车工业希望汽车的研发周期缩短为15—25个月，而20世纪90年代汽车的研发周期为5年。
　　新一代制造技术　材料成型制造技术
　　制造技术可分为加工制造及成型制造，以液态铸造成型、固态塑性成型及连接成型等为代表技术，其中成型制造不仅赋予零件以形状，而且决定了零件的组织结构与性能。
　　精确成型制造技术
　　近年来出现了很多新的精确成型制造技术。例如，在精确铸造成型加工方面，在汽车工业中Cosworth铸造采用锆砂砂芯组合并用电磁泵控制浇铸)、消失模铸造及压力铸造已成为新一代汽车薄壁、高质铝合金缸体铸件的三种主要精确铸造成型方法。许多研究预测消失模铸造将是“明天的铸造新技术”。另外，用定向凝固熔模铸造生产的高温合金单晶体燃汽轮机叶片也是精确成型铸造技术在航空、航天工业中应用的杰出体现。
　　在轿车工业中还有很多材料精确成型新工艺，如用精确锻造成型技术生产凸轮轴等零件液压胀型技术、半固态成型、三维挤压法等。摩擦压力焊新技术近来备受人们关注。
　　以挤压铸造及半固态铸造为代表的精确成型技术由于熔体在压力下充型、凝固，从而使铸件具有好的表面及内部质量。材料在压力作用下凝固可形成细小的球状晶粒组织。半固态铸造是一种生产结构复杂、近净成型、高品质铸件的材料半固态加工工艺技术。其区别于压力铸造和锻压的主要特征是材料处于半固态时在较高压力下充型和凝固。半固态铸造技术Z早在上世纪70年代由美国MIT凝固实验室研究开发，并在90年代中期因汽车的轻量化得到了快速发展，可分为流变铸造和触变铸造。
　　快速及自由成型制造技术
　　随着全球化及市场的激烈竞争，加快产品开发速度已成为竞争的重要手段之一。制造业要满足日益变化的用户需求，制造技术必须有较强的灵活性，能够以小批量甚至单件生产迎合市场。快速原型制造技术就是在这样的社会背景下产生的。快速原型制造技术以离散/堆积原理为基础和特征，将零件的电子模型按一定方式离散成为可加工的离散面、离散线和离散点，而后采用多种手段，将这些离散的面、线段和点堆积形成零件的整体形状。有人因该技术高度的柔性而称之为“自由成型制造”。近年来，快速原型制造已发展为快速模具制造及快速制造。它能大大缩短产品的设计开发周期，解决单件或小批零件的制造问题。
　　激光加工技术多种多样，包括电子元件的精密微焊接、汽车和船舶制造中的焊接、坯料制造中的切割、雕刻与成型等，其中激光加工自由成型制造技术也是重要的发展动向。
　　参考文献
　　1.盛晓敏、梁朝晖等. 先进制造技术 [M] . 机械工业出版社，2000.09.
　　2.魏铁华、论现代制造系统模式的共性 [J] . 工厂建设与设计，1996.06.

来源：《安徽建筑工业学院学报：自然科学版》2003年第3期