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  • 機械制造業中的先進制造技術及應用!

    2022-03-15 00:38:56 擎天機械 0

    ????????制造業是國家經濟發展的重要支柱,制造技術是制造業賴以發展的支撐,是發展競爭優勢的有力武器。在制造技術近200年的發展過程中,經歷了從作坊—機器生產,向批量生產、低成本大量生產、高質量生產、柔性生產,直到目前面向市場的生產的變化過程,并進一步向面向顧客生產方向前進。正是為了實現這種生產方式的轉變,先進制造技術(AdvancedManufacturingTechnology,簡稱AMT)應運而生。它是傳統制造技術不斷吸收機械、電子、材料、能源、信息及現代管理等技術成果,將其綜合應用于制造全過程,實現優質、高效、低耗、清潔和靈活生產,取得理想經濟效果的制造技術的總稱。

    1 先進制造技術的概念

    ????????先進制造技術一詞出現于20世紀80年代末,在1994年美國政府就已批準將先進制造技術列為當今一 重點支持的科學領域。它是美國學者根據當時本國制造業面臨的挑戰和機遇,對其制造業中存在的問題進行深刻反省,重新認識到制造業在國民經濟中的地位和作用后提出的一個新概念。關于先進制造技術的定義,目前理論界尚沒有一個一致公認的嚴格定義。有學者認為:先進制造技術是一個技術群,它是以計算機技術為支柱,綜合應用信息、材料、能源、環保等高新技術及現代管理技術于產品設計、加工、生產管理和產品銷售等制造全過程的制造技術的總稱。

    ????????今天的先進制造技術已由傳統的機械制造技術經過改造融合吸收、蛻變升華為集機械、液壓、電子、光聲射線、信息科學、材料科學、檢測、通訊、自動控制及其他領域 新成就的嶄新科學與高新科技的濃縮一體化的結合產物,是機械、材料、電子、信息、自動化、管理、環保等多門學科的理論和技術相互滲透,共同發展而形成的技術綜合體。它的基本內容包括:柔性制造單元(FMC)、柔性制造系統(FMS)、加工中心(MC)、數控技術(CNC)、激光加工、特種加工、機器人、自動檢測技術、自動化倉庫以及自動化車間、自動化工廠等硬件裝備和物料需求計劃(MRP)、網上制造技術(e—M)、制造資源計劃、計算機輔助設計(CAD)、計算機輔助制造(CAM)、計算機管理信息系統(MIS)、專家系統等軟件工具和技術體系。

    2 先進制造技術在機械制造業中的應用基礎及應用領域

    2.1 數控技術是應用與發展先進制造技術的基礎

    2.1.1 數控技術是應用制造技術的基礎和核心

    ????????數控技術是數字化技術在機械制造行業應用的高新技術,是機械加工工業向現代化發展的關鍵技術。數控技術是現代化工業的基礎技術,數控技術的推廣應用,為機械制造業由剛性自動化向柔性自動化的過渡發展做出了重要的貢獻,揭開了機械制造業 三次歷史性的技術改造的序幕。

    ????????隨著微電子技術、計算機技術和自動控制技術的飛速發展,數控技術得到了新的發展。特別是PC機進入數控系統后,使數控系統由封閉型向開放型的體系結構轉化,數控技術已應用在各種各樣的機床上,形成了數控車床、數控銑床、數控磨床等,并發展了工序集中的復合數控機床(加工中心),開發出了FMC,從而為FMS和CIMS奠定了基礎。數控技術廣泛應用于制造業的各部門,已成為先進加工技術的基礎。

    2.1.2 數控技術的推廣應用給機械制造業帶來了重大變革

    (1)數控技術的推廣應用帶來了機床行業的重大變革。

    ????????數控技術的典型產品是數控機床。數控機床是工廠自動化的基礎,數控機床擁有量的多少是衡量一個國家制造業現代化水平的重要標志。數控機床的發展直接影響到國民經濟各部門制造技術水平的提高,是發展航空、航天等國防工業的重要裝備,是實現國民經濟各部門制造技術與國際接軌的關鍵設備。

    ????????數控技術的推廣應用給機床行業帶來的重大變革主要體現在以下兩個方面:

    a.數控技術促進了舊機床數控化的改造;

    b.數控技術為數控機床發展奠定了基礎。

    (2)數控技術的推廣應用促進了制造工藝的發展。

    ????????隨著數控技術的發展,常規加工工藝條件得以變更,工藝參數的優化成為可能,從而為實現優質、低耗、潔凈、靈活的目標奠定了基礎。數控技術的推廣應用使得以優質、低耗、潔凈、靈活為特征的先進制造工藝在國內得到高度重視及應用。

    (3)數控技術的推廣應用促進了制造技術向高層次發展。數控技術是制造業實現自動化、柔性化、集成化生產的基礎。數控技術的推廣應用和產業化,將大大促進機械加工工業的產業結構、產品結構、生產方式和管理體制發生深刻的變革。

    2.2 先進制造技術在機械制造業中的應用領域

    ????????近年來,由于先進技術的發展和市場需求的變化,通用機床、專用機床及組合機床自動線都向著柔性化方向發展,傳統的以單臺機床為單位的“機臺”的概念,也逐漸讓位于“制造單元”和以“加工中心為基礎的制造系統”,并且出現了帶自動刀庫的加工中心和可換主軸箱的加工中心,通過加工中心,將通用機床和專用機床溶為一體,演變成為“柔性加工系統”。加工中心的出現和發展是依賴于NC、CNC技術以及機械手、機器人和自動倉庫技術的發展。結合光學、電子學和其他機電一體化技術的柔性化的可變制造系統已經進入實用化階段。

    ????????據統計,工業發達國家的機械制造業占整個國家制造業的60%以上,因而先進制造技術與機械制造技術的關系密不可分。一方面,先進制造技術廣泛應用于機械制造業的各個方面,使得先進制造技術的技術理論得以具體應用和實現,并推動機械制造業的迅猛發展;另一方面,機械制造業由于本身生產的需要,出現的各種新工藝、新技術,又豐富和發展了先進制造技術的理論,并可以推廣到其他制造領域,具體體現在:

    (1) 在產品的設計開發中應用了現代設計技術的 新成果。在機械制造過程中,機械產品的設計、開發已不斷應用了現代設計的思想和方法。綠色設計、并行工程、計算機輔助設計、可靠性設計、模糊設計及虛擬技術等現代設計方法和技術,從根本上改變了傳統設計的思想和方法。從設計內容上看,傳統的機械產品設計將設計過程劃分為方案設計、技術設計和工藝設計,設計的內容過于狹窄。而現代設計的內容已擴展到產品規劃、制造、檢驗、營銷、維護、報廢、回收等全過程的全方位設計;從設計方法上看,傳統設計往往是根據經驗的積累、單一的知識、落后的工具來進行的,而現代設計以計算機輔助設計技術為主體,以多種學科及技術為手段,并實現設計過程的并行化、 優化、精確化。

    (2) 在產品的制造過程中涌現了大量的新工藝、新技術。機械制造工藝是將原材料、半成品加工成機械產品的方法和過程,是整個機械制造全過程的主要部分,在這個過程中,由于先進制造技術的滲透,結合生產實際的需要,已涌現了大量的新工藝、新技術。在毛坯制造方面,近幾年出現了鋼液精煉與保護成套技術,高效金屬型鑄造工藝及設備,新型焊接電源及控制技術,激光焊接與切割技術等高新技術;在機械加工方面,出現了精密加工、超精密加工技術,高速切削與高速磨削技術,難加工材料的切削技術,復雜型面的數控加工技術等;在熱處理方面,近幾年出現了可控氣氛熱處理、真空熱處理、激光表面合金化等先進技術;在自動化生產方面,已廣泛應用機床數控技術、工業機器人、柔性制造技術、傳感技術、集成制造技術、自動檢測及信號識別技術等。這些新技術一方面滿足了機械制造本身的需要,同時又支撐了先進制造技術的體系。

    (3) 先進制造技術的應用引起了企業組織管理模式的重大變革。在批量生產方式下,企業的組織管理模式主要是功能專業化,采用剛性生產線,各個部門各司其職。當今,機械制造業的生產方式正向著中、小批量生產方式轉變,因而企業的組織和管理模式也必須與之相適應。由于先進制造技術在機械制造業中的應用,企業的組織管理模式發生了多方面的轉變。

    a.從傳統的順序工作方式向并行工作方式轉變;

    b.從按功能劃分部門的固定組織形式向動態、自主管理的小組組織形式轉變;

    c.從金字塔式的多層次生產管理結構向扁平的網絡結構轉變;

    d.從質量 一的競爭策略向快速響應市場的競爭策略轉變;e.從以技術為中心向以人為中心轉變。

    3 機械制造業未來發展的趨勢

    由于先進制造技術的推動,機械制造業未來的發展出現以下幾個趨勢。

    (1) 柔性化制造。

    ????????隨著社會的發展和人民生活水平的提高,人們對產品的需求是多樣化的,這就決定了未來機械制造的生產方式是多品種、小批量。針對這一趨勢,機械制造的生產必須具有較大的靈活性,才能縮短產品的制造周期,提高機床利用率,這就需要廣泛建立和應用柔性制造系統(FMS),即把若干臺數控加工系統、物料自動搬運系統及自動上下工件系統、立體倉庫等系統集成起來,形成一個完整的生產系統。柔性制造系統是制造業向現代自動化生產發展的基礎。

    (2) 自動化生產。

    ????????自動化生產可以大幅度提高生產率,同時,大大降低工人的勞動強度,改善工作環境。因此,自動化生產是未來機械制造業發展的一個重要方向,這就需要大力發展自動化技術和自動化設備。

    (3) 精密加工、超精密加工、特種加工技術。

    ????????社會的發展對機械產品的質量提出了越來越高的要求,諸如一些軍工產品、航空航天產品、儀器儀表產品、電子產品、微型機械產品,其精度要求已達到微米級、亞微米級、甚至納米級,這樣的精度要求是普通加工方法難以或根本不能達到的,這決定了發展精密加工、超精密加工技術以及諸如激光加工、電火花加工等特種加工技術是機械制造未來的一個重點。其中激光技術應用于制造業中,有著更廣泛的意義。例如,紐約Akronstrippit-Houdaille公司將激光器與小組合沖孔機結合,因為激光束直徑僅僅是人頭發的兩倍那么粗細,編程人員可以根據所設想的兩維、三維空間形狀加以切割與沖鑿,同時可以切割小半轉角,沿任何方向,以任意角度移動和轉動。它能切割一般沖孔機所不能切割的小角弧面與沖鑿曲面工藝品,這也為模具制造帶來了莫大的福音和便利。目前,發達國家采用超精密特種加工方法已能加工出納米級的大規模集成電路芯片(加工精度2.5nm,粗糙度4.5nm)]。超精密加工的對象已由加工單件、小批量的工具、量具等擴展到大批量工件生產和高科技產品(如磁盤、錄像機磁頭、大規模集成電路、精密雷達等)的加工。此外,超高速加工等高效節能加工技術也是當前的發展趨勢,比如:采用陶瓷刀具切削速度已達到800~1000m/s。

    (4) 微系統及其制造技術研究。

    ????????微系統(micro-system)是機械技術與電子技術在納米尺度上相融合的產物。早在1959年就有科學家提出微型機械的設想,1962年 一個硅微型壓力傳感器問世,其后,開發出了尺寸50~500μm的齒輪、齒輪泵、氣動渦輪及連接件等微型機構。1987年,美國加州大學伯克利分校研制出轉子直徑為60~120μm的硅微型靜電電機,顯示出利用硅微加工工藝制造微小可動結構并與集成電路兼容、制造微小系統的潛力。微系統技術有可能象20世紀的微電子技術那樣,在21世紀對世界科技、經濟發展和國防建設產生巨大的影響。近10年來,微系統的發展令人瞻目。其特點如下:相當數量的微型元器件和微系統研究成功,體現了其現實的和潛在的應用價值;多種微型制造技術的發展,特別是半導體微細加工技術已成為微系統的支撐技術。

    (5) 計算機集成制造化。

    ????????機械制造業為了在激烈的競爭中求生存、求發展,需要進一步縮短產品研制周期和交貨時間,提高產品質量,降低成本,發展計算機集成制造化模式是機械制造業的必然發展趨勢。計算機集成制造系統的各功能部分又包含許多相對獨立的子系統,它們之間用數據庫、網絡、系統技術、人工智能等技術實現功能集成。

    (6)綠色制造普及化。隨著人們對環保的要求越來越高,環保意識不斷增強,綠色制造將成為21世紀制造業的重要特征。制造業不僅要解決生產過程中的污染和資源浪費問題,更重要的是要為社會提供沒有污染、節約資源的產品。

    4我國制造業的基本狀況

    ????????我國制造業的現狀與西方發達國家相比有很大差距,與實施AMT的要求之間也有明顯的距離,主要表現在:技術裝備落后,數控率約為1%;企業生產規模小,技術改造能力差;計算機應用歷史短且深度不夠;員工素質低,缺乏有效的員工繼續教育手段;企業經營管理手段落后;市場需求的不穩定和不確定性;非經濟因素的干擾和影響等。

    ????????先進制造技術是制造技術領域的一場深刻的革命,它將使得具有二百多年歷史的制造技術進入一個嶄新的發展階段,從而將使似乎已近陳舊的機械制造業獲得了新的生命力,以帶動諸多相關產業的發展, 從而,推動制造業的發展,促進國民經濟的提高。


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