先进机械制造工艺的技术发展趋势

第10卷第3期呼伦贝尔学院学报N o.3 V o l.10 2002年6月Jou rnal of H u lunbeir Co llege Pub lished in Jun.2002

先进机械制造工艺的技术发展趋势

刘　震

呼伦贝尔市民族技校　呼伦贝尔市海拉尔区　021008

摘　要:介绍先进机械制造工艺的技术发展趋势,便于读者了解机械制造工艺的最新动态。

关键词:机械制造　工艺　技术

在科学技术日新月异的今天,我国的机械制造工艺的发展更是突飞猛进,取得了令人瞩目的成就。本文从5个方面介绍一下先进制造工艺的技术发展趋势,以便于大家了解机械制造工艺的最新动态。

1、工艺过程的模拟优化得到迅速发展,使制造工艺由“技艺”逐渐发展为真正的工程科学

工艺过程的模拟成优化即虚拟制造成形、加工装配,是当代制造业的技术前沿和研究重点。它以过程的精确数学物理建模为基础,以计算机和相关的交互设备为手段,在逼真的视、听、角等拟实环境中,对成形加工装配过程进行仿真,模拟工优化,能够实现一次成形加工、装配成功。

目前,热加工的模拟优化已由宏观的温度场、应力 应变场模拟进入相变、晶粒度、组织、微观缺陷等的微观模拟阶段,模拟尺寸由毫米级进入微米级。应用商品化软件模拟铸件缩孔、锻件塑性流动充型等已应用于生产。研究工作的前沿为预测铸件的热裂和晶粒度、热锻的混晶、热处理的变形及相变等。

机械加工模拟优化不仅可以显示加工过程的工件、刀具宏观运动,而且可通过放大和“慢动作”使微观、瞬态过程可视化。比较成熟的技术有:(1)切削路径和表面形成过程的动态仿真,包括切削运动轨迹仿真、机床运动过程的干涉和碰撞检查、表面形成过程仿真等。

(2)加工过程物理特性仿真,包括切削形成过程的物理特性、工艺系统(机床、工件、刀具、夹具等)的静动态特性、加工误差的预测等。这种物理特性一般无法直接观察,因而建模要涉及加工过程的物理本质,所以模拟仿真的难度较大。(3)生产线运行作业的仿真:包括设备和物流系统的模拟运行及优化装置、生产线作业的空间位置及防护措施预置、混流生产作业的生产规划和调度等。应用这种仿真技术可以迅速地对各种生产系统的作业情况作出评估,获得理想的生产节拍,从而优化生产规划和缩短生产线的调整周期。

机械产品的虚拟装配由于其仿真建模只涉及三维几何模型和零件间的几何约束关系,较少涉及温度、应力 应变,相结构等物理特性,因而发展较早、应用较多。美国波音公司于90年代初开发的777客机(由几十万个零件组成)的一次设计、制造成功即得益于虚拟装配技术的支持。

2、采用新型能源及新型加工原理,解决新型材料的加工和表面改性难题

激光、电子束、离子束、分子束、等离子体、微波、超声波、电液、电磁、高压水射流等新型能源或能源载体的引入,形成了多种崭新的特种加工及高能束切割、焊接熔炼、锻压、热处理、表面保护等加工工艺或复合工

艺,其中以多种形式的激光加工发展最为迅速。这些新工艺不仅提高了加工效率和质量,同时还解决了超硬材料、高分子材料,工程陶瓷等新型材料的加工难题。在新型加工原理方面,最具革命性与创新性的当属最近初露端倪的生物制造,它是生命科学、材料科学及生物技术与制造技术相融合产生的交叉学科。主要内容包括:利用生物的机能进行制造并已申报专利。

3、不同加工方法、不同工艺环节,加工与设计之间的界限逐渐淡化、消失,并趋向集成及一体化

当代科技的一个重要趋势是不同学科、专业的彼此交叉、融合及集成,这种趋势同样反映在先进制造工艺部及与相邻技术领域之间的下述关系上:多种复合成形加工是不同工艺方法的嫁接结果;精密成形技术的发展,淡化了冷、热加工的界限;机器人工作站,及FM S的发展及应用,使加工、物流、检测,装配过程融为一体;CAD CA PP CAM一体化、C I、M S、并行工程、快速原型制造等技术及哲理的发展及应用,淡化了产品设计与制造工艺的界限,并走向一体化。很多新型材料的配制与成形是同时完成的,很难划清材料科学与制造技术的界限。这种趋势表现在生产中,将多种专业的技术及工序集成在一台设备、一条生产线、一个工段或车间里的生产布局逐渐增多,使得专业车间的概念也趋于淡化。

4、工艺技术与信息技术、管理技术紧密结合,先进制造生产模式获得不断发展

先进制造技术系统是一个由技术、人和组织构成的集成体系,三者的有效集成才能取得满意效果。因而先进制造工艺只有通过与信息、管理技术紧密结合,不断探索适应市场需求的新型生产模式,才能提高先进制造工艺的使用效果。先进制造生产模式主要有:柔性生产、准时生产、精益生产、敏捷制造、并行工程、分散网络化制造等。这些先进制造生产模式是制造工艺与信息、管理技术紧密结

合的结果,反过来它也影响并促进制造工艺的不断革新与发展。

5、成形及改性制造工艺向精密、清洁无污染方向发展

成形及改性工艺包括各种热加工及表面处理工艺,近年来的发展方向和目标有以下三个方面:

(1)外形尺寸的精密化——近无余量成形。成形的毛坯工件从接近零件的外形尺寸向直接制成工件即净成形或近无余量成形方向发展,做到有的零件成形后仅需磨削或不需磨削即可直接装配。主要方法有多种形式的精铸,精锻、精冲、冷温挤压、精密焊接及切割等。又如美国汽车工业正在发展“接近零余量的精密冲压系统。”

(2)内部组织及质量的精密化——近无缺陷成形及改性。毛坯成形与改性质量高低的另一指标是缺陷的多少、大小和危害程度。由于热加工过程十分复杂,因素多变,所以很难避免缺陷的产生。近年来热加工界提出了“向近无缺陷方向发展”的目标,这个缺陷是指不致引起早期失效的临界缺陷概念,采取的主要措施有:净化溶融金属,强制冷却,增大组织致密度,为得到健全的铸件、锻件奠定基础;加强工艺过程临控及无损检测,及时发现超标零件;通过零件安全可靠性能研究及评估,确定临界缺陷量值等。应用定向凝固技术制造高温合金单晶体燃气轮机叶片、应用电渣熔铸技术制造不锈钢水轮机导叶,都是成功的首例。

(3)从三废治理到清洁生产走向“绿色制造”。热加工和表面保护过程产生大量废水、废渣、废气、噪声、振动、热幅射等,劳动条件繁重危险,远不适应当代清洁生产的要求。近年来,重在从源头抓起的生产成为成形与改性工艺的一个新的发展方向及目标。其途径为:一是采用清洁能源,如用电加热代替燃煤加热,用电熔化代替焦炭冲天炉熔化铁液。二是采用清洁的工艺材料开发新的工艺方法,如在锻造生产中采用非石墨(下转第49页)