国防工业的先进制造技术

３．数字化工艺技术 数字化工艺技术要实现三维环境下的数字 化工艺规划和工艺知识重用，使制造资源可得到 充分地利用和实现制造工艺过程计算机管理与 控制。例如，美军ＤＤＧ １０００驱逐舰的数字化建造 过程中有专门的规划软件工具用于生成数字化 工艺规划。美军建设了先进材料、制造与测试信 息和维护技术分析中心和知识库，采用以网络为 中心的方法捕获制造工艺知识，使工艺过程实现 数字仿真和优化工艺知识重用。在切削加工工艺 方面，结合机床系统动态特性刀具路径仿真、切 削力、刀具寿命和加工精度等条件，实现约束优 化自适应控制，以提高加工效率等。 ４．虚拟装配和柔性装配技术 虚拟装配和柔性装配技术使计算机辅助设 计系统ＣＡＤ与虚拟装配系统间的无缝集成。人 机交互的虚拟装配、装配顺序的智能优化、零工 装柔性装配工艺等技术现在己在美国飞机、潜 艇制造中广泛采用，大大提高了效益。 ５．质量保证技术和资源管理技术 武器装备研制周期和批生产过程的质量保 证技术如：协同质量控制、质量问题追溯、快速 检测等都是保证质量是否合格的重要技术。例 如，美国洛克希德马丁公司采用Ｖｉｓｉｐｒｉｓｅ的ＭＥＳ 软件实现多个工厂之间的协同质量控制，该技 术己用于Ｆ３５飞机研制中。美军已经将质量问题 追溯（ＲＦＩＤ）技术广泛应用于武器装备的采办管 理和武器装备研制供应链中。海湾战争中美军 用ＲＦＩＤ实现对后勤物资从制造过程、工厂到士 兵的全程跟踪，节省１８亿美元。研制资源管理技 术方面有：可重组制造系统、面向武器装备试制 的车间制造执行、以及基于ＰＬＭ的系统集成、基 于网络的异地协同技术等。
图２用快刀伺服车削加工光学微阵列
称曲面甚至自由曲面（见图２）。超精密机床厂家 有美国的Ｍｏｏｒｅ公司和Ｐｒｅｃｉｔｅｃｈ公司等。例如 Ｍｏｏｒｅ公司的Ｎａｎｏｔｅｃｈ ３５０超精密车、磨床， Ｆｒｅｅｆｏｒｍ ７００Ｇ五轴超精密自由曲面铣磨机床 都代表了当前最先进水平。以Ｎａｎｏｆｏｒｍ ３５０为 例（见图３），直线导轨的直线度优于
国防工业的先进制造技术尖端科技■
国防工业的先进制造技不上
Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｉｎ Ｄｅｆｅｎｓｅ Ｉ ｎｄｕｓｔｒｙ
一李圣怡
摘要：文章介绍先进制造技术的几个重要领域，包括制造信息化和数 字化技术、先进切蓐ｌＪ技术、先进热加工及精密威形技术、特种ｈ－ｌ：技术和先 进连接技术的内涵。结合为国防工业服务的一些实例，着重介绍了一些新技 术的现状和发展动态。
２０世纪９０年代后期美国罗彻斯特大学光学 加工中心（Ｃｅｎｔｅｒ ｆｏｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ－ ＣＯＭ）提出了利用可控磁流体去除光学表面材 料的新原理，开发了新的柔性流体制造技术，称 为磁流变抛光（Ｍａｇｎｅｔｏｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌ Ｆｉｎｉｓｈｉｎｇ，
ＭＲＦ）技术。ＱＥＤ公司并研制出Ｑ２２系列磁流变 抛光机床。
２００９年３月美国在最新公布的国防部制造规划（ＭａｎＴｅｃｈ）战略规划中指出，“国 防制造技术的愿景是：在国防武器系统整个生命周期内，实现快速响应的、世界一流 水平的制造能力，并在经济可零受的条件下，快速满足战争的各种需求。”ＭａｎＴｅｃｈ战 略规划投资的三个重点技术领域分别是：复合材料、电子元器件与装置和金属领域 的加工工艺技术。复合材料领域如：可大幅度降低涡轮发动机的重量和燃料消耗的 高温陶瓷基复合材料，轻型航天航空结构复合材料，具有弹道防护功能的复杂几形
超精密确定量研抛技术是以高精度、超光 滑光学零件加工为目的，其基本原理是通过控 制研抛头的形状、压力、运动形式等参数，使单 位时间内工件表面材料的去除量精确、稳定，通 过计算机控制研抛头在工件表面的驻留时间来 实现面形误差的收敛，提高工件表面的加工质 量。我们提出可控柔体研抛技术的新概念，其特 点是：研磨抛光工具的“柔度”可以通过计算机 的控制而改变，从而强化了非球面曲率变化的 适应能力或达到保持去除函数的长期稳定性的 目标，也可以方便地改变工具的“柔度”以适应 不同需求的研抛过程。可控柔体研抛技术在非 球面四维数控技术的基础上增加了更为复杂的 柔体柔度控制，形成五维或多维控制，增加了控 制裕度。因此我们将可控柔体研抛技术划分为 非球镜第三代加工技术。
钨、玻璃、各种新型的金属基复合材料加工等。 术，其成形后的表面粗糙度可达到亚纳米。ＥＬＩＤ
近年来，美国又推出快刀伺服和慢刀伺服技术， 是日本理化学研究所学者大森整博士发明的，
用于加工光学微阵列、二元光学元件、非回转对 通过使用很小粒度的磨粒、加工中保持砂轮锋
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超精密切削是基于金刚刀具的车、铣、镗加 工。美国ＬＬＮＬ实验室、日本中部大学发现了硬
工技术，用于有色金属、光学单晶材料的超精密 脆材料在纳米级进给条件下的塑性演变规律，
切削加工，面形精度可达几十纳米，表面粗糙度 开发了延展式镜面磨削工艺。美国Ｒｏｃｈｅｓｔｅｒ大
接近Ｒａ ｌｎｍ，现在已研究用于黑色金属、钛、 学光学制造中心（ＣＯＭ）提出了确定量微磨技
作者简介： 李圣怡，男，教授．博士生导师．国防科学技术大学机电工程与自动化学院，４１００７３
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国防科技２０１０年第２期第３１卷第２期＿瞄＿霸翻＿＿＿啊啊豳曩礴嘲隐霸霸嬲喇＿霸＿
状和多层战车结构复合材料的制造工艺技术。 电子元器件与装置领域如：宽禁带与碳化硅装 置、锂电池、ＭＥＭＳ的先进封装与加工技术。金属 加工领域如：材料加工、铸造、锻造以及连接技 术，包括弹道装甲、车辆、飞行器的轻质薄壁结 构，高强度钛合金等的制造工艺技术。
该项技术的原理是：以磁性颗粒、基液、表 面活性剂为基体，加入抛光粉，混合均匀制成磁 流变抛光液。磁流液喷射到滚轮上，在可控磁场 区，磁流液的链化结构发生变化，它变粘成为半 固态，从而把抛光粉推挤到表面，实现对工件的 剪切加工。当磁流液进入弱磁区，又重新恢复其 流变性，加以收回循环使用。因此，磁流变技术 加工具有“抛光头”不会变钝或磨损，能保持长 期稳定性，适合非球光学零件高精度修形加工， 且具有加工效率高等优点。国防科技大学研制 了磁流变机床成功加工出高精度的光学零件， 如图５所示，实现了非球光学零件纳米级面形精 度的修形加工。
图１ 起两运加工技术加工钛舍金叶轮
年来精密加工技术的一项重要技术进步。例如
超高速加工车铣床，其主轴转速６００００转，分甚 至更高，功率５０ｋＷ，超高速切削可制造出比加 工母机精度更高的零件，精度可达纳米级，绝大
部分材料均可用超高速切削加工。图１为用超高 速加工技术加工钛合金叶轮的例子。
２．超精密加工技术
图３ Ｎａｎｏｔｅｃｈ ３５０超精密车、磨床
０．１８７斗ｍ／３５０ｍｍ，典型的主轴轴向运动误差
超精密加工技术是以高精度为目标的技８ｎｍ，径向运功误差１２ｎｍ（标准２５ｎｍ），角定位精
术，它具有单项技术的极限、常规技术的突破、 度０．４弧秒／每３０角（标准＋，－５弧秒／每３０角）０．０６３
新技术综合三方面的特点。在精确打击装备中 弧秒分辨率。
实现可控柔体研抛技术的方式有：研磨抛 光工具的研磨盘可控柔性变形和研抛膜的柔度 可控改变两大类。例如应力盘研抛技术就是基 于弹性力学基础理论的可控柔体制造技术，它 是由计算机控制一组电机执行器使磨盘在加工 过程中不断弹性变形，以实现研抛工具的柔体 控制的。而磁流变抛光、离子束成形技术和射流 抛光技术可通过计算机控制磁场、电场和流场 来控制加工，在广义上说这类加工技术是通过 改变“研抛膜的柔度”来实现加工控制的。
锐的在线修整技术，能够实现高效的镜面加工， 这是磨削技术的重大进展。
英国ＣＲＡＮＦＩＥＬＤ精密工程研究所研制的 ＯＡＧＭ２５００大型ＣＮＣ超精密磨床是为加工大型 离轴非球面光学零件开发的机床。加工尺寸为 ２．５ｍ Ｘ ２．５ｍ Ｘ ０．６１ｍ；位置测量与反馈，分辨率为 ２．５ｒｉｍ；平面加工精度可达ｌ斗ｍ；表面粗糙度为 ２—３ｎｍ，离轴非球镜加工精度达２．５“ｍ，２００６年 又研发了ＢＯＸＴＭ大型超精密磨床，可用于加 工１米直径的自由曲面光学镜与陶瓷材料，加工 精度达ｌ“ｍ。
先进的制造与工艺技术多种多样，下面从 技术分类的角度就几个重要的领域加以说明和 介绍。
一、制造信息化和数字化技术
要缩短武器装备的研制周期、提高设计质 量、降低武器装备全生命周期成本和提高武器 装备研制的经济可承受性，全过程信息化和数 字化技术是一项综合性很强的关键技术。
１．多领域统一建模和多学科优化设计技术 武器装备十分复杂，存在着对机、电、液、 气、热、控等多领域耦合。在设计中需要对它的 功能、行为、性能提供统一建模机制，在该模型 的基础上针对实际装备的特征和需求用多学科 解耦体系和优化技术，获得高精度、高性能和Biblioteka Baidu 性价比的设计模型。例如，２００６年欧洲军工、航 空、航天、汽车等重要工业领域联合构筑基于 ｍｏｄｅｌｉｃａ的欧洲系统库（Ｅｕｒｏｓｙｓｌｉｂ／ｍｏｄｅｌｉｃａ），来 支持多领域统一建模和多学科优化设计技术。 ２．虚拟样机技术 虚拟样机技术是从数字化设计到生产的全 过程数字化仿真的技术，装备设计首先要实现 ３Ｄ的几何造型，然后实现基于性能的设计分析 仿真，再分解为零件、部件的制造任务并实现数 字化模拟的制造过程仿真，达到在任何物理零件 制造之前在计算机上实现产品的设计、生产、装 配和实验模拟。例如，美国在波音７７７飞机实现了 数字化设计，而波音７８７梦想飞机不但实现了数 字化设计，而且实现了制造全过程的数字化仿 真；２００６年１２月美国在完全虚拟的环境下设计了 美国海军的下一代航母—ＣＶＮ２１，并在计算机上 进行了虚拟的建造，这就为实现更好设计效果， 缩短建造周期，节约研制成本提供了条件。
离子束成形（Ｉｏｎ Ｂｅａｍ Ｆｉｇｕｒｉｎｇ，ＩＢＦ）技术 采用高能离子，在真空状态下由离子枪射向工 件，材料在离子束的轰击下实现去除。由于离子
图４国防科技大学研制的磁流变机床
图５国防科技大学研制的离子束机床
束抛光的精度可以达到原子量级，因此离子束 抛光可以达到非常高的精度。在真空室内工作， 离子束对加工表面没有重力压力，工件表面没 有压力变形，也不产生机械刚性研抛的令人头 痛的边缘效应问题，尤其适用于超轻超薄镜面
各类平台的导航与测控系统；在信息化装备中，
超精密磨削不仅要实现镜面级的表面粗糙
侦察卫星、精密雷达，及军用微电子、光电子、测 度，还要保证获得精确的几何形状和尺寸。如伺
试仪表等产品中很多零件都是建立在精密、超 服阀柱塞、惯导零件、振动筒等，需要实现对黑
精密加工技术的基础之上。
色金属或其它高硬材料圆柱型偶件的超精密加
关键词：先进制遣技术发展 中囤分类号：１】０５ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７１－４５４７（２０１０）０２－０００１－０７
先进武器装备的设计首先必须建立在实现性和经济可承受性的基础上，而先进 的制造与工艺技术是实现设计思想的物质基础和依据，它不但能为武器装备升级换 代提供快速研制的手段，还能为武器装备的高质量、批量化生产、使用与维修提供保 证。世界各国军事大国对先进的制造与工艺技术十分重视。例如，２００８年８月１日美国 国防工业委员会ＮＤＩＡ制造分会发布了｛Ｍａｉｎｔａｉｎｉｎｇ Ｖｉａｂｌｅ Ｄｅｆｅｎｓｅ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｂａｓｅ》 白皮书，将制造技术列为“影响美国国防工业的、与制造有关的七大关键因素”之首， 指出：如果失去制造技术的领先优势，那么将失去国家安全。
二、先进冷加工技术
车、铣、镗、磨等切削技术和研磨、抛光技术 等，泛称为冷加工技术。先进冷加工技术根据精 度划分为精密和超精密加工技术两类，近年来 微小零件加工技术也是一项新技术。
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国防工业的先进制造技术尖端科技舞
１．超高速精密加工技术 精密加工技术广泛地应用于武器装备的动 力系统、武器系统、测控系统的零部件制造中， 精密加工技术面临的技术难题是：针对特殊材 料（如特软、特硬、脆、耐磨、难切削），特殊形状 尺寸（特大、特小、特薄、特复杂）或其它特殊条 件约束下高精度加工新原理和新方法的研究， 如在发动机、薄型舱壳、相控阵雷达天线等复杂 仪表结构件的制造。超高速精密加工技术是近