先进制造技术综述(DOC 29页)

先进制造技术综述(DOC 29页)
先
进
制
造
技
术
综
述
学院：机械工程学院
专业：机
械制造及
其自动化
先进制造技术综述
摘要：本文通过大量列举典型的先进制造工艺和先进的管理系
统来介绍先进制造技术的发展现状及特点，其中包括典型的先进
制造工艺有：绿色制造技术、超高速加工技术、超精密加工技术
以及特种加工技术；典型的先进管理系统有：敏捷制造、精益制
造以及智能制造等先进制造技术。

文中分析了以上各种先进技术
的加工原理、技术特点、关键技术以及该技术的应用范围。

最后，
阐述了本人对先进制造技术发展与创新历程的理解和观点。

关键词：先进制造；绿色制造；超高速加工；超精密加工；先进
生产管理系统
0 引言
先进制造技术AMT(advanced manufacturing technology)是制造业不断吸收机械、电子、信息(计算机与通信、控制理论、人工智能等)、能源及现代系统管理等方面的成果，并将其综合应用于产品设计、制造、检测、管理、销售、使用、服务乃至回收的全过程，以实现优质、高效、低耗、清洁和灵活生产，提高对动态多变的产品市场的适应能力和竞争能力的制造技术的总称。

它集成了现代科学技术和工业创新的成果，充分利用了信息技术，使制造技术提高到新的高度。

先进制造技术是发展国民经济的重要基础技术之一，对我国的制造业发展有着举足轻重的作用[1]。

先进制造技术是传统的制造技术与现代高新技术结合而产生的完整的技术群，是指在当今技术条件下能显著提高企业的设计、加工、检测、物料储运、营销和生产管理等方面能力的设备、计算机软硬件和管理方法。

是一种具有明确范畴的产生于20世纪90年代，面向21世纪的新的技术体系。

如图1所示，主要包括计算机网络、柔性制造系统、柔性制造单元、机器人、加工中心、数控机床、激光加工、自动检测设备、自动化仓库等硬件设施以及物料需求计划、制造资源计划、准时制生产计划、计算机辅助设计、计算机辅助制造、专家系统和管理信息系统等软件工具。

图l 先进制造技术的技术体系
Fig.l Technical system of advanced
manufacturing technology
随着科技进步特别是计算机技术的发展，世界范围内对制造业进行了重新的认识和定位，先进制造技术为制造业注入新的活力，使制造业又重新生机勃勃。

制造业绝不是“夕阳产业”和“夕阳技术”，先进制造技术是高技术的载体，没有哪个工业发达国家不予以高度关注，先进制造技术已经成为全球制造业争夺的市场焦点。

先进制造技术为制造业注入新鲜血液，是发展制造业的基础，它是传统制造业不断地吸收机械、信息、电子、材料、能源和现代管理等方面的最新技术成果，并将其综合应用于产品开发与设计、制造、检测、管理和售后服务的制造全过程，实现优质、高效、低耗、清洁和敏捷制造，并取得理想经济效果。

从本质上看：信息技术+传统制造技术的发展+自动化技术+现代管理技术就是先进制造技术。

高生产率和高质量是先进制造技术的2大追求目标。

因此，先进制造技术主要向自动化、柔性化、集成化和智能化、高精密方向发展，向非传统加工技术方向发展。

采用新型生产模式，使企业适应多变的市场需求[2]。

先进制造技术的发展趋势：1）数字化是发展的核心；2) 精密化是发展的关键；3) 极品化是发展的焦点；4) 自动化是发展的条件；5) 集成化是发展的方法；6) 网络化是发展的道路；7) 智能化是发展的前景；8) 绿色化是发展的方向。

1 绿色制造技术
绿色制造又称为面向环境制造(MFE)、环境意识制造(ECM)等，其基本观点是协调解决环境和资源两大社会问题，且的是充分利用资源，减少废弃物的产生，减少机械制造业对环境的负面影响[3]。

1.1绿色制造的概念
绿色制造是一个综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式，其目标是使得产品从设计、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。

而真正促使绿色制造走向市场，却是多种因素共同作用的结果，如图2所示，从当前社会积极实行可持续发展战略的氛围来看，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中的体现[4]。

图2 实施绿色制造的原动力
Fig.2 Impetus for the implementation of green
manufacturing
传统意义上的制造是产品的制造过程，主要表现为机械加工过程，即通常称为“小制造”。

绿色制造是一种现代制造模式，涉及制造工业中的产品设计、物料选择，生产计划、生产过程、质量保证、经营管理、市场销售和报废处理等一系列相关活动，因此绿色制造是“大制造”的概念。

1.2绿色制造的关键技术
绿色制造从“大制造”的概念来讲，包含生命周期的全过程：产品设计、工艺规划、材料选择、生产制造、包装运输、使用和报废处理等阶段。

在每个阶段都要考虑绿色制造，于是就产生相应的绿色制造技术。

1）绿色设计其目的是克服传统设计的不足，是所设计的产品具有绿色产品的特征。

绿色设计可以通过生命周期设计、并行设计、模块化设计等方法来实现。

绿色设计将综合考虑环境效益和生态环境指标与产品功能、性能、质量及成本要求进行设计；在产品构思阶段考虑降低能耗、资源重复利用、生态环境保护和使用绿色能源；保证产品的制造和使用过程中可拆卸、易回收。

废弃物产生最少；综合考虑顾客和环境的需要，满足可持续发展的要求。

2）绿色工艺规划和清洁生产技术绿色制造工艺规划是通过对工艺路线、工艺方法、工艺装备、工艺参数、工艺方案等进行优化决策和规划，从而改善工艺过程及其各环节的环境友好性，使得产品制造过程经济效益和社会效益协调优化规划方法。

采用合理工艺，简化产品加工流程，减少加工工序，谋求生产过程的废料最少化，避免不安全因素，减少产品生产过程中的污染物排放．如减少切削液的使用或使用绿色切削液等。

3）绿色材料选择绿色产品首先要求构成产品的材料具有绿色特性，即在产品的整个生命周期内，这类材料应有利于降低能耗，环境负面影响最小。

材料选择可从减少所用材料种类、选用可回收或再生材料、选用无毒无害材料以
及选用新型生态环境材料等方面来考虑。

4)绿色包装技术绿色包装是指能够循环复用、再生利用或降解腐化，且在产品的整个生命周期中对人体及环境不造成公害的适度包装。

必须尽可能简化产品包装，避免过度包装，使包装可以多次重复使用或便于回收，且不会产生二次污染。

5)绿色回收处理技术传统的制造过程是一个开环系统，产品报废后直接遗弃，造成资源浪费和环境污染。

绿色制造一个闭环系统，产品达到使用寿命后。

将要分类进行材料回收利用，便于再制造。

图3 绿色制造过程的闭环特性
Fig.3 Closed-loop characteristic green
manufacturing process
2 超高速加工技术
2.1超高速切削加工
1978年，CIRP(国际生产工程协会)提出以线速度为500-7000m/min的切削为高速切削；ISO1940标准规定，主轴转速高于8000rev/min为高速切削；德国Darmstadt工业大学提出以高于5-10倍普通切削速度的切削定义为高速切削；主轴轴承孔直径与主轴最大转速乘积达(5-2000)×105mm·rev/min的切削定义为高速切削。

超高速切削机理和特点：超高速切削的概念可用图表示。

萨洛蒙指出：在常规切削速度范围内(图4中A区)，切削温度随切削速度的增大而升高。

但是，当切削速度增大到某一数值Vc之后，切削速度再增加，切削温度反而降低。

图中B区在美国被称为“死谷”(Dead valley)。

如果能越过这个“死谷”而在超高速区(图中C区)进行加工，则有可能用现有刀具进行超高速切削。

图 4 超高速切削概念示意图
Fig.4 Ultra-high-speed cutting concept
schematic
高速加工技术的特点和优势[5]：1）切削力小，切削温度低；2）工件热变形减少；3）加工效率高；4）加工精度高、加工质量好；5）加工过程稳定；6）加工成本降低；7）可实现绿色制造。

超高速加工的关键技术[6]：高速切削是一项复杂的系统工程。

高速切削不只是切削速度的提高，它的发展涉及到机床、刀具、工艺和材料等诸多领域的技术配合和技术创新。

1）超高速主轴系统超高速主轴系统是超高速切削技术最重要的关键技术之一。

超高速主轴由于转速极高，主轴零件在离心力的作用下产生振动和变形，超高速运转摩擦热和大功率内装电机产生的热会引起热变形和高温，所以必须严格控制，为此对超高速主轴提出以下性能要求：(1)结构紧凑、重量轻、惯性小、可避免振动和噪声，具有良好的起、停性能；(2)足够的刚性和高的回转精度；(3)良好的热稳定性；(4)大功率；(5)先进的润滑和冷却系统；(6)可靠的主轴监测系统。

图5 陶瓷轴
承高速主轴结构
Fig.5 Ceramic bearings for high-speed spindle
2）快速进给系统 超高速切削时，为了保持刀具每齿进给量基本不变，随着主轴转速的提高，进给速度也必须大幅度提高。

为了适应进给高速化的要求，在超高速加工机床上主要采取了以下措施；(1)采用新型直线滚动导轨；(2)采用更先进、更高速的直线电机；(3)高速进给机构采用小螺距大尺寸高质量滚珠丝杠，或粗螺距多头滚珠丝杠；（4）高速进给伺服系统；（5）高速进给机构采用碳纤维增强复合材料，使工作台重量减轻但不降低其刚度。

3）高速CNC 控制系统 数控超高速切削加工要求CNC 控制系统具有快速处理数据能力和高的功能化要求特性，以保证在超高速切削时，特别是在5轴坐标联动加工复杂曲面时仍具有良好的加工性能。

为了确保超高速下的插补精度，要有前馈和大数目超前程序段预处理功能，此外还可以采用NURBS 插补、回冲加速、平滑插补、钟形加减速等轮廓控制技术。

4）超高速切削刀具技术
（1）超高速切削刀具材料和刀具结构。

高速回转刀具由于高速引起离心力作用，会造成刀体和刀片夹紧结构破坏以及刀片破裂或甩掉，所以刀体和夹紧结构必须有高的强度与断裂韧性和刚性，保证安全可靠。

刀体重量尽量轻以减少离心力。

在高速切削的情况下，刀具与夹具平衡性能的优劣，不仅影响到加工精度和刀具寿命，而且也会影响到机床的使用寿命，因此高速回转刀具必须进行运动平衡试验，以满足平衡品质的要求。

表1 刀具材料及特性
Table.1 Tool materials and features 刀具材料 优点 缺点 典型应用 陶瓷（氧化硅、晶须增强、氧化铝、氮化硅、Sialon ） 耐磨性好、抗（热）冲击性能好、化学稳定性好、抗粘结性好、干
韧性差，脆性大，容易产生崩刃；和铝的高
温亲和力
大
淬火铸铁、硬钢、镍基高温合金、不锈钢
式切削
CBN 硬度高、热
稳定性好、
摩擦系数
小、热导率
高、易产生
积屑瘤
强度和韧
性差，抗弯
强度低，易
崩刃，一般
只用于高
硬材料的
精加工
淬硬钢、高
温合金、工
具钢、高速
钢
金刚石硬度极高、
摩擦系数
很小，热导
率高、耐磨
性极好、锋
利性极高
强度和韧
性差，抗弯
强度低，易
崩刃，价格
昂贵，不宜
切削含铁
和钛的材
料
单晶铝、单
晶硅、单晶
锗、铝合金、
黄铜、镁合
金的精密/
超精密切削
涂层
表面硬度
高、耐磨性
好、抗冲击
性能好
耐热性和
耐磨性较
差，不宜切
削高硬度
的材料
高硬铝合
金、钛合金
（2）超高速切削刀柄系统。

超高速切削加工时，采用常用的7：24锥度的
单面夹紧刀柄系统出现了许多问题，主要表现为：刚性不足：ATC(自动换刀)的重复精度不稳定：受离心力作用的影响较大；刀柄锥度大，不利于快速换刀及机床的小型化。

针对这些问题，为提高刀具与机床主轴的连接刚性和装夹精度，适应超高速切削加工技术发展的需要，相继开发了刀柄与主轴内孔锥面和端面同时贴紧的两面定位的刀柄。

两面定位刀柄主要有两类：一类是对现有的7：24锥度刀柄进行的改进性设计，如BIG—PLUS、WCU、ABSC等系统；另一类是采用新思路设计的l：10中空短锥刀柄系统，有德国开发的HSK、美国开发的KM及日本开发的NC5等几种形式。

5）超高速切削加工的安全防护与实时监控系统。

从总体上讲，超高速切削加工的安全保障包括以下几方面：（1)机床操作者及机床周围现场人员的安全保障：（2）避免机床、刀具、工件有关设施的损伤；（3)识别和避免可能引起重大事故的工况。

在机床结构方面，机床设有保护墙和门窗。

刀片，特别是由抗弯强度低的材料制成的机夹刀片，除结构上防止由离心力作用下产生飞离倾向的保证外，还要做极限转速的测定。

刀具夹紧、工件夹紧必须绝对安全可靠，故工况监测系统的可靠性就变得非常重要。

机床及切削过程的监测包括：切削力监测以控制刀具磨损，机床功率监测可间接获得刀具磨损信息；主轴转速监测以判别切削参数与进给系统间关系：刀具破损监测；主轴轴承状况监测；电器控制系统过程稳定性监测等。

超高速切削加工的应用范围：高速切削的应用领域：汽车工业（发动机, 齿轮箱）；航空航天工业（整体结构件、框体、薄壁件）；模具工具制造（钢及铸件的半精/精加工）；难加工材料（陶瓷、复合材料、钛合金、镍基高温合金、不锈钢）；超精密微细切削加工（精密零件，群孔）
2.2超高速磨削技术
超高速磨削机理[7]：超高速磨削机理最早可追溯到德国切削物理学家萨洛蒙于1931年提出的著名的超高速切削理论。

萨洛蒙认为，与普通切削速度范围内切削温度随切削速度的增大而升高不同，当切削速度增大至与工件材料的种类有关的某一速度V
ε
后随着切削速度的增大切削温度反而降低。

他的思想给了后
人非常重要的启示，即如果能在大于V
ε
的超高速范围内进行切削，则有可能采用现有刀具进行超高速切削，大幅度地提高机床的生产效率。

在高磨除率条件
下，随着V
s 增大，磨削力在V
s
=100m/s 前后的某个区间出现陡降约降低(约降
低50%) ，这种趋势随着磨除率的提高而愈加明显，且当砂轮达到超高速磨削状态后，工件表面温度出现回落。

超高速磨削时由于磨削速度很高，单个磨屑的形成时间极短。

在极短的时间内完成的磨屑的高应变率（可近似认为等于磨削速度）形成过程与普通磨削有很大的差别，表现为工件表面的弹性变形层变浅，磨削沟痕两侧因塑性流动而形成的隆起高度变小，磨屑形成过程中的耕犁和滑擦距离变小，工件表面层
硬化及残余应力倾向减小。

此外，超高速磨削时磨粒在磨削区上的移动速度和工件的进给速度均大大加快，加上应变率响应的温度滞后的影响，导致磨削表面磨削温度降低，因而能越过容易发生磨削烧伤的区域。

图6 磨削速度与磨削温度的关系[8]
Fig.6 Grinding speed and grinding
temperature relations
超高速磨削加工的关键技术[9]：图7列出了超高速磨削技术所需的各项相关技术，其中高速轴承和高速砂轮的设计与制造是影响超高速磨削技术应用的最重要因素。

图7 高速磨削技术构架图
Fig.7 High-speed grinding technology skeleton
chart
1）高速主轴。

须配有连续自动动平衡装置。

图8 高速主轴动平衡系统
Fig.8 Dynamic balance of high-speed spindle
system
1-信号传送单元 2-紧固法兰盘 3-内装电子驱动平衡块 4-磨床主轴2）高速磨床结构。

具有高动态精度、高阻尼、高抗振性和热稳定性。

图9 直线电机驱动高速平面磨床
Fig.9 Linear motor-driven high-speed surface
grinder
该高速平面磨床磨削速度达125m/s，工作台往复运动达1000 st/min，是普通磨床的10倍。

3）高速磨削砂轮。

砂轮基体：必须考虑高速离心力作用；砂轮磨粒--立方氮化硼和金刚石。

图10 高速砂轮典型结构
Fig.10 High-speed grinding wheel typical
structure
4）冷却润滑液。

V
液大于等于V
砂
，润滑效果好；V
液
小于V
砂
，清洗效果好。

图11 冷却润滑液出口流速的影响Fig.11 Effects of coolant exit flow velocity
a) V
液大于V
砂
b) V
液
略大于V
砂
c) V
液
=V
砂
其加工特点：1）生产效率高；2）砂轮使用寿命长；3）磨削表面粗糙度值低；4）磨削力和工件受力变形小，工件加工精度高；5）磨削温度低；6）充分利用和发挥了超硬磨料的高硬度和高耐磨性的优异性能；7）具有巨大的经济效益和社会效益，并具有广阔的绿色特性[10]。

3 超精密加工技术
超精密加工技术主要包括:超精密加工的机理，超精密加工的设备制造技
术，超精密加工工具及刃磨技术，超精密测量技术和误差补偿技术，超精密加工工作环境等[11]。

3.1超精密车削加工
超精密切削是特指采用金刚石等超硬材料作为刀具的切削加工技术，其加工表面粗糙度 Ra可达到几十纳米，包括超精密车削、镗削、铣削及复合切削(超声波振动车削加工技术等)。

超精密车削加工机理：主要用高精度机床和单晶金刚石刀具，采用微量切削可以获得光滑而加工变质层较少的表面。

切削速度很高，但切深很小。

最小切削厚度取决于金刚石刀具的切削刃钝圆半径，切削刃钝圆半径越小，则最小切削厚度越小。

因此，具有纳米级刃口锋利度的超精密切削刀具的设计与制造是实现超精密切削的关键技术之一。

超精密车削加工的技术特点：1）切削在晶粒内进行；2）切削力＞原子结合力（剪切应力达 13000 N/ mm2）； 3）刀尖处温度极高，应力极大，普通刀具难以承受； 4）高速切削（与传统精密切削相反），工件变形小，表层高温不会波及工件内层，可获得高精度和好表面质量。

超精密车削加工的应用范围：1）用于铜、铝及其合金精密切削（切铁金属，由于亲合作用，产生“碳化磨损”，影响刀具寿命和加工质量）； 2）加工各种红外光学材料如锗、硅、ZnS和ZnSe等；3）加工有机玻璃和各种塑料。

典型产品：光学反射镜、射电望远镜主镜面、大型投影电视屏幕、照相机塑料镜片、树脂隐形眼镜镜片等。

3.2超精密砂轮磨削加工技术
超精密磨削采用较小修整导程和吃刀量修整砂轮，靠超微细磨粒等高微刃磨削作用进行磨削。

砂轮材料一般是金刚石、立方氮化硼(CBN)、陶瓷等。

可加工各种高硬度、高脆性金属及非金属材料（铁金属用CBN）；耐磨性好，耐用度高，磨削能力强，磨削效率高；磨削力小，磨削温度低，加工表面好。

其主要技术有磨削机理、多颗粒磨削机制、砂轮在线修锐、砂轮类型和结构等[12]。

3.3超精密砂带磨削加工技术
砂带在一定工作压力下与工件接触并作相对运动，进行磨削或抛光。

砂带基材料为聚碳酸脂薄膜，其上植有细微砂粒。

有开式（图12）和闭式两种形式，可磨削平面、内外圆表面、曲面等[13]。

图12 砂带磨削示意图
Fig.12 Belt grinding schematic drawing
图13 静电植砂砂带结构
Fig.13 Electrostatic sand-planting belt
structure
砂带磨削特点：
1）砂带与工件柔性接触，磨粒载荷小，且均匀，工件受力、热作用小，加工质量好（ Ra 值可达 0.02μm）；
2）静电植砂，磨粒有方向性，尖端向上（图13），摩擦生热小，磨屑不易堵塞砂轮，磨削性能好；
3）强力砂带磨削，磨削比（切除工件重量与砂轮磨耗重量之比）高，有“高效磨削”之称；
4）制作简单，价格低廉，使用方便；
5）可用于内外表面及成形表面加工。

超精密砂带磨削发展非常快，已不限于抛光而发展为一种高效加工方法。

其磨削面积大，磨削效率高，通用性强，可对复杂型面进行磨削。

砂带磨削的加工效率比普通磨削高5~10 倍。

对钢材的切除率已达700mm3/mm.s。

采用的砂
带宽度可达5m ，切深可达5mm。

工业发达国家砂带磨削已占总磨削量的一半左右。

3.4电泳磨削的加工技术
电泳磨削的加工机理：利用超细磨粒的上述电泳特性，在加工过程中使磨粒在电场力作用下向磨具表面运动，并在磨具表面沉积形成一超细磨粒吸附层，利用磨粒吸附层对工件进行磨削加工。

在切削力的作用下部分磨粒将不断脱落，同时新的磨粒又不断补充(见图14)。

由于磨粒层表面凹陷处局部电流大，新磨粒更容易在凹陷处沉积，从而使磨粒层表面趋于均匀，保持良好的等高性。

同时，磨具每旋转一周，磨粒层表面都有大量新磨粒补充，使微刃始终保持锋利尖锐。

通过对电场强度、液体及磨粒特性等影响因素加以控制，就可使磨粒层在加工过程中呈现两种不同的状态：一种是在加工过程中使磨粒的脱落量与吸附量保持动态平衡，这样就可以稳定吸附层的厚度，得到一个表面不断自我修整而尺寸不变的超细砂轮；另一种状态是在加工过程中，使磨粒的吸附量超过脱落量，那么磨粒层厚度就会不断增加，这样就可以在机床无切深进给的条件下实现磨削深度的不断增加。

我们称之为自进给电泳磨削[14]。

图14 电泳磨削原理
Fig.14 Electrophoresis grinding principle
电泳磨削加工特点：磨粒层表面凹陷处局部电流大，新磨粒更容易在凹陷处沉积，从而使磨粒层表面趋于均匀，保持良好的等高性；同时，磨具每旋转一周，磨粒层表面都有大量新磨粒补充，使微刃始终保持锋利尖锐。

电泳磨削加工范围：在电泳磨削技术中，磨粒吸附层可以作为磨具用于脆性材料的精密磨削工艺；自进给电泳磨削实现微米级甚至亚微米级深度进给，而不依赖于机床本身的进给精度[15]。

4 特种加工技术
4.1电火花加工技术
工作原理：利用工具电极与工件电极之间脉冲性火花放电，产生瞬时高温，工件材料被熔化和气化。

同时，该处绝缘液体也被局部加热，急速气化，体积
发生膨胀，随之产生很高的压力。

在这种高压作用下，已经熔化、气化的材料就从工件的表面迅速被除去[16]（图15）。

图15 电火花加工原理图
Fig.15 Electric spark machining schematic
diagram
4个阶段： 1）介质电离、击穿，形成放电通道；2）火花放电产生熔化、气化、热膨胀；3）抛出蚀除物；4）间隙介质消电离（恢复绝缘状态）。

图16 电火花加工机床原理图
Fig.16 Spark processing machine schematic
4.1.1电火花成形加工技术
电火花成形加工机理：电火花成形加工是通过工具电极的形状和尺寸相对于工件做进给运动，将工具电极的形状和尺寸复制在工件上，从而加工出所需的零件，它包括：1）电火花型腔加工。

电火花型腔加工包括三维型腔和型面加工以及电火花雕刻，主要用于加工各类热锻模、压铸模、挤压模、塑料模和胶木模的型腔，以及各类叶轮、叶片的曲面等；2）电火花穿孔加工。

电火花穿孔。