先進制造技術綜述

先進制造技術綜述學院：機械工程學院專業(yè)：機械制造及其自動化先進制造技術試題在課程學習和檢索文獻資料的基礎上,撰寫一份先進制造技術綜述論文,包括以下具體內容：1. 綠色制造的關鍵技術。2. 超高速切削和超高速磨削技術，包括：超高速切削和超高速磨削的機理、關鍵技術和應用范圍。 3. 超精密加工技術，包括：超精密車削、超精密砂輪磨削、超精密砂帶磨削、電泳磨削的加工原理、技術特點和應用范圍。4. 特種加工，包括：（1）電火花成形加工、電火花線切割加工、電火花磨削加工、電火花表面強化等加工技術的加工原理與特點、應用范圍。（2）激光加工、電子束加工、離子束加工、水噴射加工等加工技術的加工原理、技術特點和應用范圍。5. 先進生產管理的技術，包括：敏捷制造、精益生產、智能制造等先進制造模式的定義、內涵、特點和關鍵技術等。6.你自己對先進制造技術發(fā)展與創(chuàng)新歷程的理解和觀點。答題要求：1. 論文包括題目、摘要、關鍵詞、正文、結語、參考文獻等部分。2. 論文正文字數不少于3000字，參考文獻不少于30篇。3. 綜述時應盡可能提供加工實例及其示圖。4. 要按參考或引用的順序列出文獻資料的出處，并在引用處標注。5. 本試題頁符在答卷上一并交回，提交試卷時，同時提交電子文檔。6. 參照西安科技大學學報排版格式。試卷用A4紙，一級標題用黑體四號字，二級標題用仿宋體小四號字，行間距為1.5倍。7. 卷面不得雷同，否則不記成績。- 26 -先進制造技術綜述摘 要：本文通過大量列舉典型的先進制造工藝和先進的管理系統(tǒng)來介紹先進制造技術的發(fā)展現狀及特點，其中包括典型的先進制造工藝有：綠色制造技術、超高速加工技術、超精密加工技術以及特種加工技術；典型的先進管理系統(tǒng)有：敏捷制造、精益制造以及智能制造等先進制造技術。文中分析了以上各種先進技術的加工原理、技術特點、關鍵技術以及該技術的應用范圍。最后，闡述了本人對先進制造技術發(fā)展與創(chuàng)新歷程的理解和觀點。關鍵詞：先進制造；綠色制造；超高速加工；超精密加工；先進生產管理系統(tǒng)0 引 言先進制造技術AMT(advanced manufacturing technology)是制造業(yè)不斷吸收機械、電子、信息(計算機與通信、控制理論、人工智能等)、能源及現代系統(tǒng)管理等方面的成果，并將其綜合應用于產品設計、制造、檢測、管理、銷售、使用、服務乃至回收的全過程，以實現優(yōu)質、高效、低耗、清潔和靈活生產，提高對動態(tài)多變的產品市場的適應能力和競爭能力的制造技術的總稱。它集成了現代科學技術和工業(yè)創(chuàng)新的成果，充分利用了信息技術，使制造技術提高到新的高度。先進制造技術是發(fā)展國民經濟的重要基礎技術之一，對我國的制造業(yè)發(fā)展有著舉足輕重的作用1。先進制造技術是傳統(tǒng)的制造技術與現代高新技術結合而產生的完整的技術群，是指在當今技術條件下能顯著提高企業(yè)的設計、加工、檢測、物料儲運、營銷和生產管理等方面能力的設備、計算機軟硬件和管理方法。是一種具有明確范疇的產生于20世紀90年代，面向21世紀的新的技術體系。如圖1所示，主要包括計算機網絡、柔性制造系統(tǒng)、柔性制造單元、機器人、加工中心、數控機床、激光加工、自動檢測設備、自動化倉庫等硬件設施以及物料需求計劃、制造資源計劃、準時制生產計劃、計算機輔助設計、計算機輔助制造、專家系統(tǒng)和管理信息系統(tǒng)等軟件工具。圖l 先進制造技術的技術體系Fig.l Technical system of advanced manufacturing technology隨著科技進步特別是計算機技術的發(fā)展，世界范圍內對制造業(yè)進行了重新的認識和定位，先進制造技術為制造業(yè)注入新的活力，使制造業(yè)又重新生機勃勃。制造業(yè)絕不是“夕陽產業(yè)”和“夕陽技術”，先進制造技術是高技術的載體，沒有哪個工業(yè)發(fā)達國家不予以高度關注，先進制造技術已經成為全球制造業(yè)爭奪的市場焦點。先進制造技術為制造業(yè)注入新鮮血液，是發(fā)展制造業(yè)的基礎，它是傳統(tǒng)制造業(yè)不斷地吸收機械、信息、電子、材料、能源和現代管理等方面的最新技術成果，并將其綜合應用于產品開發(fā)與設計、制造、檢測、管理和售后服務的制造全過程，實現優(yōu)質、高效、低耗、清潔和敏捷制造，并取得理想經濟效果。從本質上看：信息技術+傳統(tǒng)制造技術的發(fā)展+自動化技術+現代管理技術就是先進制造技術。高生產率和高質量是先進制造技術的2大追求目標。因此，先進制造技術主要向自動化、柔性化、集成化和智能化、高精密方向發(fā)展，向非傳統(tǒng)加工技術方向發(fā)展。采用新型生產模式，使企業(yè)適應多變的市場需求2。 先進制造技術的發(fā)展趨勢：1）數字化是發(fā)展的核心；2) 精密化是發(fā)展的關鍵；3) 極品化是發(fā)展的焦點；4) 自動化是發(fā)展的條件；5) 集成化是發(fā)展的方法；6) 網絡化是發(fā)展的道路；7) 智能化是發(fā)展的前景；8) 綠色化是發(fā)展的方向。1 綠色制造技術綠色制造又稱為面向環(huán)境制造(MFE)、環(huán)境意識制造(ECM)等，其基本觀點是協(xié)調解決環(huán)境和資源兩大社會問題，且的是充分利用資源，減少廢棄物的產生，減少機械制造業(yè)對環(huán)境的負面影響3。1.1綠色制造的概念綠色制造是一個綜合考慮環(huán)境影響和資源效率的現代制造模式，其目標是使得產品從設計、制造、包裝、運輸、使用到報廢處理的整個產品生命周期中，對環(huán)境的負面影響最小，資源效率最高，并使企業(yè)經濟效益和社會效益協(xié)調優(yōu)化。而真正促使綠色制造走向市場，卻是多種因素共同作用的結果，如圖2所示，從當前社會積極實行可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的氛圍來看，綠色制造實質上是人類社會可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略在現代制造業(yè)中的體現4。圖2 實施綠色制造的原動力Fig.2 Impetus for the implementation of green manufacturing傳統(tǒng)意義上的制造是產品的制造過程，主要表現為機械加工過程，即通常稱為“小制造”。綠色制造是一種現代制造模式，涉及制造工業(yè)中的產品設計、物料選擇，生產計劃、生產過程、質量保證、經營管理、市場銷售和報廢處理等一系列相關活動，因此綠色制造是“大制造”的概念。1.2綠色制造的關鍵技術綠色制造從“大制造”的概念來講，包含生命周期的全過程：產品設計、工藝規(guī)劃、材料選擇、生產制造、包裝運輸、使用和報廢處理等階段。在每個階段都要考慮綠色制造，于是就產生相應的綠色制造技術。1）綠色設計 其目的是克服傳統(tǒng)設計的不足，是所設計的產品具有綠色產品的特征。綠色設計可以通過生命周期設計、并行設計、模塊化設計等方法來實現。綠色設計將綜合考慮環(huán)境效益和生態(tài)環(huán)境指標與產品功能、性能、質量及成本要求進行設計；在產品構思階段考慮降低能耗、資源重復利用、生態(tài)環(huán)境保護和使用綠色能源；保證產品的制造和使用過程中可拆卸、易回收。廢棄物產生最少；綜合考慮顧客和環(huán)境的需要，滿足可持續(xù)發(fā)展的要求。2）綠色工藝規(guī)劃和清潔生產技術 綠色制造工藝規(guī)劃是通過對工藝路線、工藝方法、工藝裝備、工藝參數、工藝方案等進行優(yōu)化決策和規(guī)劃，從而改善工藝過程及其各環(huán)節(jié)的環(huán)境友好性，使得產品制造過程經濟效益和社會效益協(xié)調優(yōu)化規(guī)劃方法。采用合理工藝，簡化產品加工流程，減少加工工序，謀求生產過程的廢料最少化，避免不安全因素，減少產品生產過程中的污染物排放如減少切削液的使用或使用綠色切削液等。3）綠色材料選擇 綠色產品首先要求構成產品的材料具有綠色特性，即在產品的整個生命周期內，這類材料應有利于降低能耗，環(huán)境負面影響最小。材料選擇可從減少所用材料種類、選用可回收或再生材料、選用無毒無害材料以及選用新型生態(tài)環(huán)境材料等方面來考慮。4)綠色包裝技術 綠色包裝是指能夠循環(huán)復用、再生利用或降解腐化，且在產品的整個生命周期中對人體及環(huán)境不造成公害的適度包裝。必須盡可能簡化產品包裝，避免過度包裝，使包裝可以多次重復使用或便于回收，且不會產生二次污染。5)綠色回收處理技術 傳統(tǒng)的制造過程是一個開環(huán)系統(tǒng)，產品報廢后直接遺棄，造成資源浪費和環(huán)境污染。綠色制造一個閉環(huán)系統(tǒng)，產品達到使用壽命后。將要分類進行材料回收利用，便于再制造。圖3 綠色制造過程的閉環(huán)特性Fig.3 Closed-loop characteristic green manufacturing process2 超高速加工技術2.1超高速切削加工1978年，CIRP(國際生產工程協(xié)會)提出以線速度為500-7000m/min的切削為高速切削；ISO1940標準規(guī)定，主軸轉速高于8000rev/min為高速切削；德國Darmstadt工業(yè)大學提出以高于5-10倍普通切削速度的切削定義為高速切削；主軸軸承孔直徑與主軸最大轉速乘積達(5-2000)105mmrev/min的切削定義為高速切削。超高速切削機理和特點：超高速切削的概念可用圖表示。薩洛蒙指出：在常規(guī)切削速度范圍內(圖4中A區(qū))，切削溫度隨切削速度的增大而升高。但是，當切削速度增大到某一數值Vc之后，切削速度再增加，切削溫度反而降低。圖中B區(qū)在美國被稱為“死谷”(Dead valley)。如果能越過這個“死谷”而在超高速區(qū)(圖中C區(qū))進行加工，則有可能用現有刀具進行超高速切削。圖4 超高速切削概念示意圖Fig.4 Ultra-high-speed cutting concept schematic高速加工技術的特點和優(yōu)勢5：1）切削力小，切削溫度低；2）工件熱變形減少；3）加工效率高；4）加工精度高、加工質量好；5）加工過程穩(wěn)定；6）加工成本降低；7）可實現綠色制造。 超高速加工的關鍵技術6：高速切削是一項復雜的系統(tǒng)工程。高速切削不只是切削速度的提高，它的發(fā)展涉及到機床、刀具、工藝和材料等諸多領域的技術配合和技術創(chuàng)新。1）超高速主軸系統(tǒng) 超高速主軸系統(tǒng)是超高速切削技術最重要的關鍵技術之一。超高速主軸由于轉速極高，主軸零件在離心力的作用下產生振動和變形，超高速運轉摩擦熱和大功率內裝電機產生的熱會引起熱變形和高溫，所以必須嚴格控制，為此對超高速主軸提出以下性能要求：(1)結構緊湊、重量輕、慣性小、可避免振動和噪聲，具有良好的起、停性能；(2)足夠的剛性和高的回轉精度；(3)良好的熱穩(wěn)定性；(4)大功率；(5)先進的潤滑和冷卻系統(tǒng)；(6)可靠的主軸監(jiān)測系統(tǒng)。圖5 陶瓷軸承高速主軸結構Fig.5 Ceramic bearings for high-speed spindle 2）快速進給系統(tǒng) 超高速切削時，為了保持刀具每齒進給量基本不變，隨著主軸轉速的提高，進給速度也必須大幅度提高。為了適應進給高速化的要求，在超高速加工機床上主要采取了以下措施；(1)采用新型直線滾動導軌；(2)采用更先進、更高速的直線電機；(3)高速進給機構采用小螺距大尺寸高質量滾珠絲杠，或粗螺距多頭滾珠絲杠；（4）高速進給伺服系統(tǒng)；（5）高速進給機構采用碳纖維增強復合材料，使工作臺重量減輕但不降低其剛度。3）高速CNC控制系統(tǒng) 數控超高速切削加工要求CNC控制系統(tǒng)具有快速處理數據能力和高的功能化要求特性，以保證在超高速切削時，特別是在5軸坐標聯動加工復雜曲面時仍具有良好的加工性能。為了確保超高速下的插補精度，要有前饋和大數目超前程序段預處理功能，此外還可以采用NURBS插補、回沖加速、平滑插補、鐘形加減速等輪廓控制技術。4）超高速切削刀具技術（1）超高速切削刀具材料和刀具結構。高速回轉刀具由于高速引起離心力作用，會造成刀體和刀片夾緊結構破壞以及刀片破裂或甩掉，所以刀體和夾緊結構必須有高的強度與斷裂韌性和剛性，保證安全可靠。刀體重量盡量輕以減少離心力。在高速切削的情況下，刀具與夾具平衡性能的優(yōu)劣，不僅影響到加工精度和刀具壽命，而且也會影響到機床的使用壽命，因此高速回轉刀具必須進行運動平衡試驗，以滿足平衡品質的要求。表1 刀具材料及特性Table.1 Tool materials and features刀具材料優(yōu)點缺點典型應用陶瓷（氧化硅、晶須增強、氧化鋁、氮化硅、Sialon）耐磨性好、抗（熱）沖擊性能好、化學穩(wěn)定性好、抗粘結性好、干式切削韌性差，脆性大，容易產生崩刃；和鋁的高溫親和力大淬火鑄鐵、硬鋼、鎳基高溫合金、不銹鋼CBN硬度高、熱穩(wěn)定性好、摩擦系數小、熱導率高、易產生積屑瘤強度和韌性差，抗彎強度低，易崩刃，一般只用于高硬材料的精加工淬硬鋼、高溫合金、工具鋼、高速鋼金剛石硬度極高、摩擦系數很小，熱導率高、耐磨性極好、鋒利性極高強度和韌性差，抗彎強度低，易崩刃，價格昂貴，不宜切削含鐵和鈦的材料單晶鋁、單晶硅、單晶鍺、鋁合金、黃銅、鎂合金的精密/超精密切削涂層表面硬度高、耐磨性好、抗沖擊性能好耐熱性和耐磨性較差，不宜切削高硬度的材料高硬鋁合金、鈦合金（2）超高速切削刀柄系統(tǒng)。超高速切削加工時，采用常用的7：24錐度的單面夾緊刀柄系統(tǒng)出現了許多問題，主要表現為：剛性不足：ATC(自動換刀)的重復精度不穩(wěn)定：受離心力作用的影響較大；刀柄錐度大，不利于快速換刀及機床的小型化。針對這些問題，為提高刀具與機床主軸的連接剛性和裝夾精度，適應超高速切削加工技術發(fā)展的需要，相繼開發(fā)了刀柄與主軸內孔錐面和端面同時貼緊的兩面定位的刀柄。兩面定位刀柄主要有兩類：一類是對現有的7：24錐度刀柄進行的改進性設計，如BIGPLUS、WCU、ABSC等系統(tǒng)；另一類是采用新思路設計的l：10中空短錐刀柄系統(tǒng)，有德國開發(fā)的HSK、美國開發(fā)的KM及日本開發(fā)的NC5等幾種形式。5）超高速切削加工的安全防護與實時監(jiān)控系統(tǒng)。從總體上講，超高速切削加工的安全保障包括以下幾方面：（1)機床操作者及機床周圍現場人員的安全保障：（2）避免機床、刀具、工件有關設施的損傷；（3)識別和避免可能引起重大事故的工況。在機床結構方面，機床設有保護墻和門窗。刀片，特別是由抗彎強度低的材料制成的機夾刀片，除結構上防止由離心力作用下產生飛離傾向的保證外，還要做極限轉速的測定。刀具夾緊、工件夾緊必須絕對安全可靠，故工況監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性就變得非常重要。機床及切削過程的監(jiān)測包括：切削力監(jiān)測以控制刀具磨損，機床功率監(jiān)測可間接獲得刀具磨損信息；主軸轉速監(jiān)測以判別切削參數與進給系統(tǒng)間關系：刀具破損監(jiān)測；主軸軸承狀況監(jiān)測；電器控制系統(tǒng)過程穩(wěn)定性監(jiān)測等。超高速切削加工的應用范圍：高速切削的應用領域：汽車工業(yè)（發(fā)動機, 齒輪箱）；航空航天工業(yè)（整體結構件、框體、薄壁件）；模具工具制造（鋼及鑄件的半精/精加工）；難加工材料（陶瓷、復合材料、鈦合金、鎳基高溫合金、不銹鋼）；超精密微細切削加工（精密零件，群孔）2.2超高速磨削技術超高速磨削機理7：超高速磨削機理最早可追溯到德國切削物理學家薩洛蒙于1931年提出的著名的超高速切削理論。薩洛蒙認為，與普通切削速度范圍內切削溫度隨切削速度的增大而升高不同，當切削速度增大至與工件材料的種類有關的某一速度V后隨著切削速度的增大切削溫度反而降低。他的思想給了后人非常重要的啟示，即如果能在大于V的超高速范圍內進行切削，則有可能采用現有刀具進行超高速切削，大幅度地提高機床的生產效率。在高磨除率條件下，隨著Vs 增大，磨削力在Vs=100m/s 前后的某個區(qū)間出現陡降約降低(約降低50%) ，這種趨勢隨著磨除率的提高而愈加明顯，且當砂輪達到超高速磨削狀態(tài)后，工件表面溫度出現回落。超高速磨削時由于磨削速度很高，單個磨屑的形成時間極短。在極短的時間內完成的磨屑的高應變率（可近似認為等于磨削速度）形成過程與普通磨削有很大的差別，表現為工件表面的彈性變形層變淺，磨削溝痕兩側因塑性流動而形成的隆起高度變小，磨屑形成過程中的耕犁和滑擦距離變小，工件表面層硬化及殘余應力傾向減小。此外，超高速磨削時磨粒在磨削區(qū)上的移動速度和工件的進給速度均大大加快，加上應變率響應的溫度滯后的影響，導致磨削表面磨削溫度降低，因而能越過容易發(fā)生磨削燒傷的區(qū)域。圖6 磨削速度與磨削溫度的關系8Fig.6 Grinding speed and grinding temperature relations超高速磨削加工的關鍵技術9：圖7列出了超高速磨削技術所需的各項相關技術，其中高速軸承和高速砂輪的設計與制造是影響超高速磨削技術應用的最重要因素。圖7 高速磨削技術構架圖Fig.7 High-speed grinding technology skeleton chart1）高速主軸。須配有連續(xù)自動動平衡裝置。圖8 高速主軸動平衡系統(tǒng)Fig.8 Dynamic balance of high-speed spindle system1-信號傳送單元 2-緊固法蘭盤 3-內裝電子驅動平衡塊 4-磨床主軸2）高速磨床結構。具有高動態(tài)精度、高阻尼、高抗振性和熱穩(wěn)定性。圖9 直線電機驅動高速平面磨床Fig.9 Linear motor-driven high-speed surface grinder該高速平面磨床磨削速度達125m/s，工作臺往復運動達1000 st/min，是普通磨床的10倍。3）高速磨削砂輪。砂輪基體：必須考慮高速離心力作用；砂輪磨粒-立方氮化硼和金剛石。圖10 高速砂輪典型結構Fig.10 High-speed grinding wheel typical structure4）冷卻潤滑液。V液大于等于V砂，潤滑效果好；V液小于V砂，清洗效果好。圖11 冷卻潤滑液出口流速的影響Fig.11 Effects of coolant exit flow velocitya) V液大于V砂 b) V液略大于V砂 c) V液 =V砂其加工特點：1）生產效率高；2）砂輪使用壽命長；3）磨削表面粗糙度值低；4）磨削力和工件受力變形小，工件加工精度高；5）磨削溫度低；6）充分利用和發(fā)揮了超硬磨料的高硬度和高耐磨性的優(yōu)異性能；7）具有巨大的經濟效益和社會效益，并具有廣闊的綠色特性10。3 超精密加工技術超精密加工技術主要包括:超精密加工的機理，超精密加工的設備制造技術，超精密加工工具及刃磨技術，超精密測量技術和誤差補償技術，超精密加工工作環(huán)境等11。3.1超精密車削加工超精密切削是特指采用金剛石等超硬材料作為刀具的切削加工技術，其加工表面粗糙度 Ra可達到幾十納米，包括超精密車削、鏜削、銑削及復合切削(超聲波振動車削加工技術等)。超精密車削加工機理：主要用高精度機床和單晶金剛石刀具，采用微量切削可以獲得光滑而加工變質層較少的表面。切削速度很高，但切深很小。最小切削厚度取決于金剛石刀具的切削刃鈍圓半徑，切削刃鈍圓半徑越小，則最小切削厚度越小。因此，具有納米級刃口鋒利度的超精密切削刀具的設計與制造是實現超精密切削的關鍵技術之一。超精密車削加工的技術特點：1）切削在晶粒內進行；2）切削力原子結合力（剪切應力達 13000 N/ mm2）； 3）刀尖處溫度極高，應力極大，普通刀具難以承受 ； 4） 高速切削（與傳統(tǒng)精密切削相反），工件變形小，表層高溫不會波及工件內層，可獲得高精度和好表面質量。超精密車削加工的應用范圍：1）用于銅、鋁及其合金精密切削（切鐵金屬，由于親合作用， 產生“碳化磨損”，影響刀具壽命和加工質量）； 2）加工各種紅外光學材料如鍺、硅、ZnS和ZnSe等；3）加工有機玻璃和各種塑料。典型產品：光學反射鏡、射電望遠鏡主鏡面、大型投影電視 屏幕、照相機塑料鏡片、樹脂隱形眼鏡鏡片等。3.2超精密砂輪磨削加工技術超精密磨削采用較小修整導程和吃刀量修整砂輪，靠超微細磨粒等高微刃磨削作用進行磨削。砂輪材料一般是金剛石、立方氮化硼(CBN)、陶瓷等?？杉庸じ鞣N高硬度、高脆性金屬及非金屬材料（鐵金屬用CBN）；耐磨性好，耐用度高，磨削能力強，磨削效率高；磨削力小，磨削溫度低，加工表面好。其主要技術有磨削機理、多顆粒磨削機制、砂輪在線修銳、砂輪類型和結構等12。3.3超精密砂帶磨削加工技術砂帶在一定工作壓力下與工件接觸并作相對運動，進行磨削或拋光。砂帶基材料為聚碳酸脂薄膜，其上植有細微砂粒。有開式（圖12）和閉式兩種形式，可磨削平面、內外圓表面、曲面等13。圖12 砂帶磨削示意圖Fig.12 Belt grinding schematic drawing圖13 靜電植砂砂帶結構Fig.13 Electrostatic sand-planting belt structure砂帶磨削特點：1）砂帶與工件柔性接觸，磨粒載荷小，且均勻，工件受力、熱作用小，加工質量好（ Ra 值可達 0.02m）； 2）靜電植砂，磨粒有方向性，尖端向上（圖13），摩擦生熱小，磨屑不易堵塞砂輪，磨削性能好；3）強力砂帶磨削，磨削比（切除工件重量與砂輪磨耗重量之比）高，有“高效磨削”之稱；4）制作簡單，價格低廉，使用方便；5）可用于內外表面及成形表面加工。超精密砂帶磨削發(fā)展非?？?，已不限于拋光而發(fā)展為一種高效加工方法。其磨削面積大，磨削效率高，通用性強，可對復雜型面進行磨削。砂帶磨削的加工效率比普通磨削高510 倍。對鋼材的切除率已達700mm3/mm.s。采用的砂帶寬度可達5m ，切深可達5mm。工業(yè)發(fā)達國家砂帶磨削已占總磨削量的一半左右。3.4電泳磨削的加工技術電泳磨削的加工機理：利用超細磨粒的上述電泳特性，在加工過程中使磨粒在電場力作用下向磨具表面運動，并在磨具表面沉積形成一超細磨粒吸附層，利用磨粒吸附層對工件進行磨削加工。在切削力的作用下部分磨粒將不斷脫落，同時新的磨粒又不斷補充(見圖14)。由于磨粒層表面凹陷處局部電流大，新磨粒更容易在凹陷處沉積，從而使磨粒層表面趨于均勻，保持良好的等高性。同時，磨具每旋轉一周，磨粒層表面都有大量新磨粒補充，使微刃始終保持鋒利尖銳。通過對電場強度、液體及磨粒特性等影響因素加以控制，就可使磨粒層在加工過程中呈現兩種不同的狀態(tài)：一種是在加工過程中使磨粒的脫落量與吸附量保持動態(tài)平衡，這樣就可以穩(wěn)定吸附層的厚度，得到一個表面不斷自我修整而尺寸不變的超細砂輪；另一種狀態(tài)是在加工過程中，使磨粒的吸附量超過脫落量，那么磨粒層厚度就會不斷增加，這樣就可以在機床無切深進給的條件下實現磨削深度的不斷增加。我們稱之為自進給電泳磨削14。圖14電泳磨削原理Fig.14 Electrophoresis grinding principle電泳磨削加工特點：磨粒層表面凹陷處局部電流大，新磨粒更容易在凹陷處沉積，從而使磨粒層表面趨于均勻，保持良好的等高性；同時，磨具每旋轉一周，磨粒層表面都有大量新磨粒補充，使微刃始終保持鋒利尖銳。電泳磨削加工范圍：在電泳磨削技術中，磨粒吸附層可以作為磨具用于脆性材料的精密磨削工藝；自進給電泳磨削實現微米級甚至亞微米級深度進給，而不依賴于機床本身的進給精度15。4 特種加工技術4.1電火花加工技術工作原理：利用工具電極與工件電極之間脈沖性火花放電，產生瞬時高溫，工件材料被熔化和氣化。同時，該處絕緣液體也被局部加熱，急速氣化，體積發(fā)生膨脹，隨之產生很高的壓力。在這種高壓作用下，已經熔化、氣化的材料就從工件的表面迅速被除去16（圖15）。 圖15 電火花加工原理圖Fig.15 Electric spark machining schematic diagram4個階段： 1）介質電離、擊穿，形成放電通道；2）火花放電產生熔化、氣化、熱膨脹；3）拋出蝕除物；4）間隙介質消電離（恢復絕緣狀態(tài)）。圖16 電火花加工機床原理圖Fig.16 Spark processing machine schematic4.1.1電火花成形加工技術電火花成形加工機理：電火花成形加工是通過工具電極的形狀和尺寸相對于工件做進給運動，將工具電極的形狀和尺寸復制在工件上，從而加工出所需的零件，它包括：1）電火花型腔加工。電火花型腔加工包括三維型腔和型面加工以及電火花雕刻，主要用于加工各類熱鍛模、壓鑄模、擠壓模、塑料模和膠木模的型腔，以及各類葉輪、葉片的曲面等；2）電火花穿孔加工。電火花穿孔加工主要用于型孔(圓孔、方孔、多邊形孔、異型孔)、曲線孔、(彎孔、螺旋孔)、小孔和微孔的加工17。圖17 電火花成形加工原理圖Fig.17 Sark forming processing diagram1一工件 2一工作液泵 3一過濾器 4一自動進給調節(jié)裝置 5一工具 6一工作液7一脈沖電源工具5和工件1分別與右端的脈沖電源7的兩極性輸出端相連接；隨后通過自動進給調節(jié)裝置4(此處為絲桿螺母機構和電動機)的調節(jié)使工具與工件之間經常保持一很小但又可控的放電間隙，若將脈沖電壓的正負極分別加在工具和工件上，滿足某一處間隙最小或某一處絕緣強度最低的條件時，其區(qū)域將產生火花放電現象，并擊穿介質。即瞬間放出的高溫迫使工件和工具表面在一定程度上被蝕除掉一小部分金屬，最后形成凹坑；脈沖電源7放電結束后，經過脈沖間隔的休整期，工作液又恢復絕緣；隨著自動進給調節(jié)裝置4的進給，脈沖電源7又開始第二次在工件和工具之間放電，當滿足某一處間隙最小或絕緣強度最低的條件時，又開始重復前面的電腐蝕現象，形成又一個新的凹坑。放電、腐蝕、休整、進給，如此連續(xù)不斷的重復過程，工具的形狀自然而然就復制在工件上，加工出所需要的零件。即，工件的成形是由于電腐蝕現象一點點蝕除而成的，其表面都是由小凹坑組成。其加工的特點如下：1）“以柔克剛”。加工時候，工具電極與工件材料不接觸，兩者之間基本沒有宏觀機械作用力參與，因此能用“軟”的工具電極加工“硬”的工件；2）“精密細微。由于脈沖放電的能量密度可達到精確控制，再者兩極之間又沒有宏觀機械作用力，因此可實現精密細微的加工；3）“仿形逼真。 直接利用電能加工，便于實現加工過程的自動化、智能化，以及現代計算機技術的應用使工件的仿形加工更加逼真，直接減少了機械加工工序。應用：電火花打孔常用于加工冷沖模、拉絲模、噴嘴、噴絲孔等；型腔加工包括鍛模、壓鑄模、擠壓模、塑料模等型腔加工，以及葉輪、葉片等曲面加工。4.1.2電火花線切割加工技術電火花線切割加工原理：利用不斷移動的線狀電極(鉬絲、鎢絲、銅絲等)，與工件之間形成脈沖性放電現象來去除金屬多余材料，滿足加工要求。圖18 電火花線切割加工原理圖Fig.18 Wedm processing principle diagram1一工作液箱 2一儲絲筒 3一電極絲 4一供液管 5一導電塊 6一導向輪 7一工件8一夾具 9一坐標工作臺 l0一脈沖電源與控制器電火花線切割原理是不分高低速的，其實質與電火花成形加工原理相同，無非就是將塊狀電極換成線狀。圖18為高速走絲電火花線切割原理示意圖。首先，根據加工要求選擇脈沖電源10的極性與電極絲3(鉬絲或銅絲)相連接，工件7接相反極性；其次，電極絲3在儲絲筒2的帶動下，做正反交替移動；最后，坐標工作臺9帶動工件7按預定設計的程序在兩個坐標方向上各自根據火花間隙狀態(tài)做伺服進給，當電極絲3與工件7滿足了放電條件時，便產生火花放電開始去除金屬，這時從工作液箱1泵出乳化液經供液管4噴向放電區(qū)域，達到冷卻和沖散電蝕雜物的目的。這個反復的過程便合成各種曲線軌跡，把工件按加工要求切割成形18。其加工的特點如下：1）不必制造專門的成形工具電極，很大程度的降低了工具電極的設計和制造費用，以及縮短了生產準備時間；2）由于選擇直徑較小的細絲作為電極工具，故脈沖寬度、平均電流等參數數值不能取太大，加工工藝參數的選擇范圍較小，屬于中、精電火花加工，工件一般接電源正極；3）由于電極絲相對比較細，可以加工常規(guī)方法無法加工或加工比較困難的微細異形孔、窄縫以及復雜形狀的工件；4）由于采用較長的移動電極絲進行加工，致使單位長度電極絲的損耗有所減少，從而對加工精度的影響也相對減小，特別在低速走絲線電火花切割加工時，電極絲通常一次性使用，致使電極絲損耗對加工精度的影響更??；5)工作液一般選用乳化液或水基，不會引燃起火，很容易實現安全無人運轉。應用范圍：廣泛用于加工各種硬質合金和淬硬鋼的沖模、樣板、各種形狀復雜的板類零件、窄縫、柵網等。4.1.3電火花磨削加工技術電火花磨削加工機理：電火花磨削與一般電火花加工相似,只是其工具電極為旋轉的石墨磨輪,工件在伺服控制的工作臺上,對磨輪作伺服進給(圖19)。工件是通過浸泡在介質液內的負極磨輪與正極工件之間的火花放電作用來進行磨削的。圖19 電火花磨削原理Fig.19 Electric spark grinding principle1一電火花電源 2一導線 3一電刷滑環(huán) 4一石墨磨輪 5一工作槽 6一電解液7一工作臺移動方向 8一工件 9一工作臺 10一工作臺自動伺服傳動電火花磨削加工特點及應用：電火花磨削主要用來對硬質合金、鋼結硬質合金和其它高硬度或難以磨削的金屬(如銅和鋁等)材料做的工模具進行精密成形磨削。同時,對于普通砂輪磨削容易產生熱變形的細而長、薄而脆的精密金屬成形零件,采用電火花磨削更具有獨特的優(yōu)點。它還可以用來磨削平面、內孔與外圓19。4.1.4電火花表面強化加工技術電火花表面強化技術的基本原理：儲能電源通過電極以102000的頻率在電極與工件之間產生火花放電,在10-510-6內電極與工件接觸的部位即達到800025000的高溫,使該區(qū)域的局部材料熔化、氣化或等離子體化,將電極材料高速過度并擴散到工作表面,形成冶金結合型牢固強化層。電火花強化工藝設備主要由振動器電源和振動器等構成。振動器電源包括振動電源和脈沖電源。工作時,振動電源給振動器供電,振動器夾持電極作上下往復或旋轉運動,而脈沖電源給電極和工件供電,使兩者之間產生電火花放電20。原理示意圖如圖20所示:圖20電火花表面強化工作原理圖Fig.20 Spark surface hardening operation電火花表面強化具有如下特點：1）電火花強化是在空氣中進行，不需要特殊、復雜的處理裝置和設備,如真空系統(tǒng)或特制的容器等，因此加工設備簡單；2）熱輸入量小，被強化工件基體不產生退火或熱變形，減少了原有工件尺寸和物性改變而造成的諸多后果，更好地適應現代工業(yè)零件拆裝配套的要求；3）既可以對零件表面進行局部強化，也可以對一般幾何形狀的平面或曲面進行強化,比如模具、刀具和機械零件、對刃口和易磨損部位進行強化處理，就能達到提高硬度和耐磨性的目的；4）強化層與基體的冶金結合非常牢固，不會發(fā)生剝落；5）強化層厚度、表面粗糙度與脈沖電源的電氣參數以及強化時間等有關，控制簡單；6）電極材料選擇范圍廣，容易實現異種材料強化層；7）不會使工件退火或熱變形；8）不需要復雜特殊的配套裝置，操作簡單、靈活,設備投資和運行費用低等；9)環(huán)保、經濟、操作人員技術要求低等優(yōu)勢。應用范圍：電火花強化廣泛應用于模具強化及零件微量磨損的修復；航空工業(yè)和電力工業(yè)等多個領域。4.2激光加工技術激光加工機理：激光是一種受激輻射產生的加強光，當激光照射到工件表面，光能被工件迅速吸收并轉化為熱能，工件在光熱效應下產生的高溫熔融和沖擊波的綜合作用達到加工的目的。圖21 固體激光器結構示意圖Fig.21 Solid laser schematic structure激光加工技術特點：激光加工的技術對于加工工具與特殊環(huán)境沒有要求，不會造成工具的磨損，易于使用自動控制來進行連續(xù)加工，且加工效率極高；同時激光的強度極高，聚焦后差不多能夠熔化和氣化全部的材料，所以能夠加工所有硬度的金屬與非金屬的材料；加上激光加工是屬于非接觸的加工，及加工速度非常的快，工件沒有受力與受熱而產生變形：其還能聚焦成為極小的光斑(微米級)，能夠調節(jié)輸出的功率，所以可進行精密且細微的加工。這些均是激光加工優(yōu)點。但由于其設備的投資比較大，及操作和維護技術要求比較高；且在精微加工的時候，重復的精度與表面的粗糙度難以保證等21。激光加工工藝及應用1）激光打孔 可在任何材料上打微型小孔，如噴嘴、噴絲板、寶石軸承等，孔直可達0.01mm以下，深徑比50:1；2）激光切割 可切割金屬、非金屬，更適宜于對細小部件作各種精密切割；3）激光焊接 以高功率聚焦激光束為熱源，無需焊料和焊劑，只需將工件的加工區(qū)域熱熔在一起就可以；4）激光表面處理 有相變硬化、快速熔凝、合金化、熔覆等表面處理工藝。4.3電子束加工技術電子束加工原理：電子束流是由高壓加速裝置在真空條件下形成束斑極小的高能電子流，屬于高能密度束流(HEDB)，真空電子束的功率密度大于106Wcm2，極限功率為300kW。電子束加工是以高能電子束流作為熱源，對工件或材料實施特殊的加工，是一種完全不同于傳統(tǒng)機械加工的新工藝22，其加工原理如圖22所示。圖22 電子束加工原理Fig.22 Electron Beam Machining.電子束加工具有如下特點：1)電子束發(fā)射器發(fā)射的電子束流束斑極小，且可控，可以用于精密加工；2)對于各種不同的被處理材料，其效率可高達75一98，而所需的功率則較低；3)能量的發(fā)生和供應源可精確地靈活移動，并具有高的加工生產率；4)可方便地控制能量束，實現加工自動化；5)設備的使用具有高度靈活性，并可使用同一臺設備進行電子束焊接、表面改善處理和其他電子束加工；6)電子束加工是在真空狀態(tài)下進行，對環(huán)境幾乎沒有污染；7)電子束加工對設備和系統(tǒng)的真空度要求較高，使得電子束加工價格昂貴，一定程度上限制了其在生產中的應用。電子束加工應用：由于電子束流具有以上特點，目前，已被廣泛地應用于高硬度、易氧化或韌性材料的微細小孔的打孔，復雜形狀的銑切，金屬材料的焊接、熔化和分割，表面淬硬、光刻和拋光，以及電子行業(yè)中的微型集成電路和超大規(guī)模集成電路等的精密微細加工中。隨著研究的不斷深入，電子束加工已成為高科技發(fā)展不可缺少的特種加工手段之一。4.4離子束加工技術離子束加工原理：離子束加工利用具有較高能量的離子束射到材料表面時所發(fā)生的撞擊效應、濺射效應和注入效應來進行不同的加工。由于離子束轟擊材料是逐層去除原子，所以可以達到納米級的加工精度。離子束加工按其工藝原理和目的的不同可以分為三種：用于從工件上去除材料的刻蝕加工、用于給工件表面涂覆的鍍層加工以及用于表面改性的離子注入加工23。特點及應用241）加工精度和表面質量高。離子束加工是靠微觀力效應，不會引起機械應力及損傷。離子束斑直徑可達1u m以內，加工精度可達nm級。適用于修整局部表面，校正大波長誤差和改善表層材料微觀結構,消除工件表面污染等；2）加工材料廣泛?？蓪Υ嘈?、半導體、高分子等材料加工。由于加工是在真空下進行，所以適于加工易氧化的金屬、合金及半導體材料等；3）加工方法豐富。BIM可進行去除、鍍膜、注人等加工,利用這些加工原理引成了多種具體方案，如成形、蝕刻、減薄、曝光等，在集成電路制作中占有極其重要的地位；4）控制性能好。易于實現自動化；5）應用范圍廣泛。小直徑、高能量密度離子束用于去除加工；大直徑、低能量密度適于鍍膜、蝕刻；大直徑、高能量的BIM則適于注人加工。4.5水噴射加工技術水噴射加工的基本原理：是利用液體增壓原理，通過特定的裝置（增壓器或高壓泵），將動力源（電動機）的機械能轉換成壓力能，具有巨大壓力能的水再通過小孔噴嘴將壓力能轉變成動能，從而形成高速射流，噴射到工件表面，達到去除材料的加工目的25。圖23 水噴射加工裝置示意圖Fig.23 Water injection unit schematic水噴射加工技術的主要特點：1）適用范圍廣。既可用來加工金屬材料，也可以加工非金屬材料；2）加工質量高。切縫窄（約為0.075-0.38mm），提高材料利用率；切口質量好，幾乎無飛邊、毛刺，切割面垂直、平整，光潔；3）加工時對材料無熱影響，工件不會產生熱變形和熱影響區(qū)，對加工熱敏感材料如鈦合金尤為有利；切削無火花，同時由于水的冷卻作用，工件溫度較低，非常適合對易燃易爆物件如木材、紙張等的加工；4）加工清潔，不產生有害人體健康的有毒氣體和粉塵等，對環(huán)境無污染，提高了操作人員的安全性；5）加工“刀具”為高速高壓水流，加工過程中不會變鈍，減少了刀具準備、刃磨等時間，效率高。水噴射加工的類型及其適用范圍：1）純水射流 主要用于切割軟材料，如橡膠、紙張、塑料、毛毯、玻璃和木材等；2）磨料水射流 它幾乎可切割所有的硬質材料，如金屬、非金屬、金屬基及陶瓷基復合材料等，是應用最廣的射流加工方法；3）聚合物水射流 主要用于切割較軟或稍硬材料。5 先進生產管理的技術5.1敏捷制造敏捷制造26：利用人工智能和信息技術，通過多方面的協(xié)作，用改變企業(yè)沿用的復雜的多層遞階結構來改變傳統(tǒng)的大量生產。其實質是在先進的柔性制造技術的基礎上，通過企業(yè)內部的多功能項目組和企業(yè)外部的多功能項目組，組建虛擬公司，這是一種多變的動態(tài)組織結構，可把全球范圍內的各種資源，包括人的資源，集成在一起 實現技術、管理和人的集成從而在整個產品生命周期內最大限度滿足用戶需求 提高企業(yè)的競爭能力。敏捷制造的目標是快速響應市場的變化，在盡可能短的時間內向市場提供適銷對路的環(huán)保型產品27。采用標準化的計算機網絡和信息集成基礎結構，以分布式結構連接各類企業(yè) 構成虛擬制造環(huán)境，以競爭合作為原則，在虛擬制造環(huán)境內動態(tài)選擇成員，組成面向任務的虛擬公司進行快速生產，系統(tǒng)的運行目標是最大限度滿足用戶需求。敏捷制造的主要特征：1）以滿足用戶要求獲得利潤為目標；2）以競爭能力和信譽為依據選擇組成動態(tài)公司的合作伙伴；3） 基于合作間的相互信任、分工協(xié)作、共同目標來有力地增強整體實力，把知識技術信息投入生產實際。敏捷制造的技術基礎主要包括：1）并行工程；2）虛擬制造技術；3）先進制造工藝；4）自動控制技術；5）網絡技術；6）模塊化技術；7）系統(tǒng)集成技術；8）動態(tài)聯盟；9）產品數據管理技術。5.2精益生產精益生產：是通過系統(tǒng)結構、人員組織、運行方式和市場供求等方面的變革，使生產系統(tǒng)能很快適應用戶需求不斷變化，并能使生產過程中一切無用、多余的東西被精簡，最終達到包括市場供銷在內的生產的各方面最好的結果28。精益生產的思想內涵：可概括為以下五點：確定價值、識別價值流、價值流動、需求拉動和循環(huán)改善29。圖24 精益生產系統(tǒng)Fig.24 The lean production system七個支撐體系：是指生產的快速轉換與維護體系；精益品質保證和防錯自動化體系；柔性化生產體系；均衡化和同步化體系；現場作業(yè)IE研究體系；生產設汁和高效物流體系；產品開發(fā)設計體系30。5.3智能制造智能制造技術：是指利用計算機模擬制造業(yè)人類專家的分析、判斷、推理、構思和決策等智能活動，并將這些智能活動與智能機器有機地融合起來，將其貫穿應用于整個制造企業(yè)的各個子系統(tǒng)(經營決策、采購、產品設計、生產計劃、制造裝配、質量保證和市場銷售等)，以實現整個制造企業(yè)經營運作的高度柔性化和高度集成化，從而取代或延伸制造環(huán)境中人類專家的部分腦力勞動，并對制造業(yè)人類專家的智能信息進行搜集、存儲、完善、共享、繼承與發(fā)展31。智能制造系統(tǒng)基于智能制造技術，綜合應用人工智能技術、信息技術、自動化技術、制造技術、并行工程、生命科學、現代管理技術和系統(tǒng)工程理論與方法，在國際標準化和互換性的基礎上，使得整個企業(yè)制造系統(tǒng)中的各個子系統(tǒng)分別智能化，并使制造系統(tǒng)成為網絡集成的高度自動化的制造系統(tǒng)。智能制造系統(tǒng)的特點32：1）自組織能力；2）自律能力；3）自學習和自維護能力；4）整個制造系統(tǒng)的智能集成；5）人及一體化智能系統(tǒng)； 6）虛擬現實。智能制造系統(tǒng)的主要支撐技術33：1）人工智能技術；2）并行工程；3）虛擬制造技術；4）信息網絡技術。6 結語通過老師的講解以及查閱相關資料，我對于先進制造技術有了一個更加深入更加系統(tǒng)的了解。在學習了先進制造技術以后，除了掌握相應的基本知識之外，對于先進制造有了自己的理解和觀點。第一，學習先進制造技術的發(fā)展歷程，深刻認識到需求是先進制造技術發(fā)展的動力，人類利用自己的智慧去創(chuàng)造、去描述設想中的制造業(yè)。綜合各種技術，不斷吸收現代科學技術在機械、電子、信息、材料、計算機、控制、能源、加工工藝、自動化以及現代管理等領域的最新科研成果，并將其優(yōu)化集成綜合應用于產品的研發(fā)設計、制造、檢驗、銷售、使用、管理和服務的環(huán)節(jié)，從而實現優(yōu)質、高效、低耗、清潔、精益、敏捷、靈活的生產目標。第二，在學習過程中，了解更多自己沒有接觸過的方法和加工工藝，如：超高速切削時采用的對稱分布的六角機床、超精密加工工藝中的電泳磨削加工技術以及特種加工工藝中的水噴射加工技術等先進制造工藝。充分理解了先進制造技術的先進性所在。第三，接觸了這么多先進的制造方法，讓我們有了更深的思考和更強的動力，對于即將跨入社會的我們而言，必須不斷地學習先進制造技術，否則現在的先進也許就是明天的傳統(tǒng)了。這門課程的學習，對我而言就像是一扇窗戶，讓我看到更多、更先進的技術，從中也學習了很多創(chuàng)新和思考問題的方法。而且，不僅僅是局限在自己所研究課題的領域，對于其他方面的知識我也有了初步的認識，更意識到先進的科技帶給我們不僅是巨大的利益更是強大的動力，不斷促使我們更加努力的學習科學知識，以期待我們?yōu)槭澜鐜砀冗M的制造方法。參考文獻 References1 龔超,田金麗.我國先進制造技術概況及其發(fā)展趨勢J.機械設計與制造,2009 (11) GONG Chao, TIAN Jin-li. General situation and development trend of advanced manufacturing technology in ChinaJ. Mechanical design and manufacturing, 2009 (11)2 隋廣洲，弓滿鋒，李忠.論先進制造技術的發(fā)展趨勢及特征J.機械工程，2012（06） SUI Guang-zhou, GONG Man-feng,LI Zhong. On the development