先进制造技术新进展
发布于:2009-12-17 已被阅读: 次 

先进制造技术新进展

一、我国机械制造工业面临的形势

近年高新技术获得飞跃的发展,这一方面使机械制造工业采用了新技术,提高了机械制造的技术水平,同时,由于高新技术和国防工业发展的需要,促进了机械工业技术水平的迅速提高。

近年来我国机械工业获得迅速发展,现在中国已是一个制造大国:中国已能生产电脑,DVD,半导体,各种家电和电信设备等精密产品,并且价格低廉。2003年,统计中国生产了世界上29%的彩色电视机,世界上24%的洗衣机,16%的电冰箱,50%以上的空调机,70%的玩具,55%的照相机,30%的微波炉,42%的显示器,75%的钟表,50%缝纫机,83%的小型拖拉机,40%的自行车,44%的摩托车。收录机年产量2.4亿台,占全球份额的70%,DVD机2000万台,占70%,电话机9600万台,占50%以上,微特电机30亿台,占60%,一次性电池170亿只,占40%,人造金刚石微粉10亿克拉,占60%以上。中国生产的这些机电产品,已经销售到世界各国。我国汽车工业发展迅速,自1992年实施扩大开放政策以来,保持平均15%以上的年增长率。2002年和2003年的产量达到325.1万辆和444.39万辆。

中国制造业规模已达世界第四位,仅次诿拦⑷毡竞偷鹿T诟痔⑺唷⒒恕⒒省⒌缡踊⒛ν谐档饶瓴慷际鞘澜绲谝弧5圃煲荡蠖磺浚侵圃齑蠊皇侵圃烨抗@绺痔?年产量超过2亿吨),我们大量出口低价钢材而进口高附加值的合金钢。机床也是出口亷价的简单机床,而进口昂贵的数控和精密机床。中国制造业的劳动生产率,仅是美国的1/25,日本的1/26。中国很多机械产品价虽亷,而质量也低,突出的例子,如钻头,价格是国外的1/10,而寿命也是国外的1/10。在世界企业的500强中,中国的制造业仅有两家。

但中国不仅不是一个制造强国,而且是一个制造水平很低的国家。只是由于中国劳动力工资很低,因而在中国大量生产的只是劳动密集型产品(很多还是外国品牌)。而高水平高质量的产品,如精密和数控机床,飞机,汽车,精密仪器,精密微电子设备,还都需要大量进口,一些重要精密尖端产品还自己不能生产,受制于外国。

现在世界制造工业竞争极为激烈,我们需要尽快努力,使中国早日真正成为一个制造强国。近年来制造技术发展迅速,大量新技术被应用到制造业中,先进制造技术发展极为迅速。

中国制造工业存在的问题:

1)机械工业产品落后,国外已是新的机电一体化产品,并且产品不断更新,而我国生产的往往是老的产品,产品更新很慢,而且很多高水平高质量的产品还不能制造。如精密机床和数控机床,飞机,汽车,精密仪器,精密微电子设备,还都需要大量进口,一些重要精密尖端产品自己不能生产,受制于外国。

2)不掌握产品核心技术,引进的机电产品很多使用外国的专利(很多还是外国品牌),核心技术没有自己的知识产权,不仅要交专利费,并且不能修攺改进。

3)机床装备数量虽多,但构成比十分落后。据2002年统计,我国机床拥有量383万台,居世界第一,但其中属于国际先进水平的仅占1.5%,属国内先进水平的也只占9%,设备总体构成比十分落后。

4)制造技术落后:制造技术工艺落后,加工棈度低,工作效率和生产效率低。生产周期长,新产品试制周期长,流动资金占用多。

5)管理落后,非生产人员比例大。以机床工业为例,1996年我国机床工业员工共36.9万人,工业结构调整后,现今约20万人,仍居世界第一(美国5.8万人,德国7万人,日本4万人),机床工业员工人数虽多,但机床产量、产值、质量均远远落后于美、日、德等发达国家。据统计我国机械制造业的人均产值仅为美国的1/25,日本的1/26。

6)研究费用及人力投入少,技术创新少。

现在世界制造工业竞争极为激烈,当前我们的任务应尽快努力,使中国早日从制造大国变成为一个真正制造强国。为此必须:

1)研制并发展先进的高水平的产品,机电一体化的新产品。

2)使用先进的制造技术,近年来制造技术发展迅速,大量新技术被应用到制造业中,先进制造技术发展极为迅速,提高加工产品质量,提高加工效率。

3)采用先进的管理技术

4)从思想上重视技术创新,掌握核心技术。

近年来机械工业技术水平提高迅速,竞争剧烈。我们面临的形势是是严峻的,亟需积极努力,加速发展先进制造技术,提高我国机械制造工业的技术水平。只有提高机械工业技术水平,才有可能将我国从一个制造大国转变成一个制造强国。下面简单介绍先进制造技术的几个主要方面的发展情况。

二、高速切削技术的发展

金属切削加工作为制造技术中最主要的工艺技术,决定着制造业中零件的加工效率、精度、质量和成本。即使到下个世纪切削加工仍将是机械制造业最基本最大量的工艺技术,必须给予充分重视。

高速切削技术经过半个世纪的探索和研究,进入二十世纪90年代以后,各工业发达国家已在生产中开始应用,明显的提高切削效率,受到极大的重视高速切削技术的实现,涉及高速机床、刀具、切削工艺、数控技术、切削动力学等多项技术。

1. 高速切削的速度定义

高速切削速度不能简单地用某一切削速度数值来定义,不同的切削条件,具有不同的高速切削速度范围。不同的工件材料的大致高速切削速度范围。高速铣削钢时,切削速度的下限是500-800m/min,高速铣削铝合金时,切削速度的下限是3000-5500m/min。

2.高速切削的主要优点

1)随切削速度提高,材料切除效率增加,大幅度提高加工教率,降低加工成本。

2)切削速度提高,切削力随之减少,平均切削力可下降30%。这对降低高转速主轴的功耗有明显影响,并有利于低刚性和薄壁零件的加工。

3)高速切削平时采用小切深,大进给,并且切削力降低,使加工表面质量明显提高,并有利于低刚性零件的加工。

4)高速切削大量的切削热随切屑排出,大致在90%以上,加工工件的温升小,有利于降低工件的热变形和减小加工的残留内应力。

5)从切削动力学分析,机床转速提高,使切削系统的工作频率远高于机床的低阶固有频率,这有利于降低加工表面粗糙度。

6)高速切削可代替磨削用于淬硬工件的粗加工和半精加工,不仅明显提高加工效率,而且不用切削液,有利于环境保护。

高速切削已用于加工多种不同零件几种加工零件实例,可看到多种不同材料的复杂結抅零件,包含自由曲面的零件等,都已可用高速切削技术加工。航空工业中的大型铝合金机架,使用高速铣削,提高加工效率,效果特别明显。

3. 高速切削对机床的要求

高速切削机床成为高速切削机床发展的首要条件。高速切削对机床有很高的要求,是高技术机床。高速切削机床主轴要求很高的转速,很高的进给速度和加速度,机床结构应有很高的静、动刚度和优良的力学性能。高速切削机床相当大部分是多轴联动数控机床,同时又常是精密机床,,不仅可减少切削工时,并可减少后续的精加工,效益十分明显。

高速主轴是高速切削机床的最核心部件,近年来高精度陶瓷轴承和新润滑技术的应用,使高速主轴的转速从前几年的15000~30000r/min又提高到最新的30000~45000r/min。现高速主轴,多数采用内置式电机,精密陶瓷轴承,油气润滑,内部循环冷却,密封结构。

高速切削时要求甚高的进给速度和加速度,传统滾珠丝杠驱动已不能满足要求。现在多数高速切削机床采用直线电机驱动导轨,进给速度甚至高达80-120m/min是直线电机驱动导轨。

高速切削机床现在相当大部分是多轴联动数控机床或加工中心,同时又常是精密机床,可以加工出非常复杂和精密的零件,大大节省加时间。瑞士DIXI公司以生产精密卧式坐标镗床而闻名于世,现在也已攺生产多坐标数控联动高速卧式精密加工中心示为DIXI公司的DHP40型高速棈密卧式镗铣加工中心,其主轴最高转速为24000r/min。

高速切削机床的结构都应有很高的静、动刚度和优良的力学性能。

4. 高速切削对刀具的要求

高速切削对刀具有极严的要求:

1)使用优质刀具材料高速切削的刀具必须使用优质硬质合金、涂层刀具,超硬材料刀具,如陶瓷刀具,CBN刀具或金刚石刀具等,以保证刀具有较长的切削寿命。

2触。高速切削的刀具现在常采用短锥柄,要求定位锥面和端面同时接触,以获得很高的接触刚度和精度。高速切削用的HSK40刀柄系列。

3)高速切削的刀柄结构必须能保证快速换刀,快速换刀时间现在一般仅为数秒钟。

4)高速切削的刀具使用前必须经过精密动平衡,以免工作时发生振动。

5. 高速切削对控制系统的要求

高速切削的控制系统,要求有高速大容量的数据计算处理能力。高速运动部件的惯性很大,在启动加速和减速停止时,都有很大的加速度,要求控制系统有很强的快速控制性能。在加工时,如作曲线轨迹运动,将产生很大的向心加速度,可能达到4~6m/s2。因此在加工拐角和圆弧时,运动部件的惯性将影响运动精度,编程控制系统必须加以修正。

6. 高速切削对安全和环保的要求

高速切削时,刀具转速甚高,切屑以极高速度飞出,必须有安全防护装置。高速切削时,一般不使用切削液,有利于环境保护。

三、刀具材料和涂层技术的发展

1. 硬质合金刀具材料的进展

现在硬质合金已成为主要刀具材料,近年来硬质合金刀具材料有很大发展提高,细颗粒、超细颗粒硬质合金材料的发展,显著提高了它的强度和韧性。硬质合金化学成份的攺进,发展了很多新牌号的硬质合金,可适应多种不同工艺条件的切削要求。加压烧结等新制造工艺的开发和应用,大大的提高了硬质合金的内在性能和质量。中小规格的钻头、立铣刀、丝锥等刀具现在很多都使用整体硬质合金制成,使切削效率大大提高。但目前我国生产的硬质合金刀片和刀具,和发达国家的硬质合金相比,质量还有很大差距,亟待提攺进高。引进的汽车流水线上,80~90%使用昂贵的进口刀具。

2. 超硬刀具材料的发展

陶瓷和金属陶瓷刀具材料的质量,现在已有很大提高,强度和韧性增加,已可在钢材和铸铁材料的精加工和半精加工批量生产中代替硬质合金,明显提高了切削效率。

PCBN、CBN和聚晶金刚石刀具材料的制造工艺攺进提高,使其韧性提高和切削寿命明显延长。用CBN刀具加工铸铁和淬硬钢,用聚晶金刚石刀具加工有色金属,明显优于用硬质合金刀具,不仅切削效率大大提高,刀具寿命明显延长,而且加工零件质量也可提高,因此这些超硬刀具材料,生产应用不断扩大。

3. 刀具涂层技术的发展

刀具涂层技术近年取得很大进展,化学涂层(CVD)仍然是可转位刀片的主要涂层工艺,新开发了中温CVD、厚膜三氧化二铝、过渡层等工艺,使涂层的韧性和耐磨性得到提高。物理涂层(PVD)技术亦有很大提高。最近又开发了适应高速切削、干切削,硬切削的耐热性更好的新涂层TiAlN,综合性能更好的通用涂层TiAlCN,润滑涂层DLC、W/C等。最近还开发了纳米涂层、多层涂层等,大幅度提高了涂层硬度和韧性。

四、机床工业的技术发展

1. 机床工业面临的形势

机床工业是机械制造工业的基础,振兴装备制造工业,这已成我们政府的一项基本国策。

我国的机床工业由于机床产品水平不高,在二十世纪后期连续5年全行业亏损。直到2000年,才获得明显好转,扭转了全行业的亏损,走上快速发展轨道。但至今机床工业和先进国家相比,差距仍甚大。

2001年我国的机床产量为19.21万台,其中数控机床1.75万台,产值约10亿美元,进口机床额达24亿美元(其中数控机床1.77万台,金额14亿美元),出口机床2.9亿美元。

2002年全年生产机床23.19万台,其中精密、数控机床占2.87万台。2002年1 - 6月我国进口机床55845台,用汇金额13.3亿美元,比去年同期增加23.9%,进口机床不少是高水平高价格的机床,平均单价2.4万美元/台。2002年1 - 6月我国出口机床250.72万台,金额1.46亿美元,比2001年同期增加5.7%。应注意我国出口机床主要是钻床、砂轮机,锯床,普通车床等低水平低价格机床,平均单价仅为58.2美元/台。从我国机床的进出口情况,也可说明中国的机床工业处在甚低的技术水平。

2003年我国机床年生产量是30.7万台,其中数控机床3.6万台,产值约29.1亿美元。2003年我国进口机床用汇金额超过40亿美元,其中主要是精密和数控机床,是世界第一大机床进口国。我国2003年机床消费额超过67亿美元,比上一年增加了27%,是世界第一大机床消费国。国产机床自我市场的满足率不到44%,国产数控机床的自我市场的满足率不到30%。国防尖端技术急需的大型。精密、高技术数控机床,几乎100%依靠进口。

最近世界机床工业逐年产值增加,世界上30个机床工业发达国家统计(其机床产值约占世界机床总产值的94%),2002年机床总产值322亿美元,2003年机床总产值363亿美元。但机床市场竞争剧烈,现在中国加入WTO后,进口机床关税大幅下调。进口机床总关税水平已由1996年的36%,降低到2003年9.6%,今后进口机床必然会进一步增多。因此我国的机床工业面临国外高水平机床大量进口,市场竞争更加剧烈的严峻局面。这些都迫使我们必须尽快提高机床产品水平,集中力量攻克关键技术,在机床工业中使用高新技术,并积极发展新型机床,满足高新技术发展的需要。

参考国外机床工业的发展动态,作者认为我国机床工业应首先应加速发展机床工业的重要核心技术:数控技术、发展高速切削机床和精密超精密机床,提高国产机床的水平。此外还应注意高新技术发展对机床工业提出的新需求,供应加工微电子元器件和MEMS等的新型机床设备。

2. 数控技术的发展提高

数控技术是发展数控机床和先进制造技术的最关键技术。数控技术发展方向:高分辨率精密数控系统,多轴联动数控系统,发展以通用工业控制微机为基础的开放式数控系统。

现在世界数控技术正处在技术转变阶段,正以通用工业控制微机为基础的开放式数控系统,逐步取代过去的以专用计算机为硬件平台的封闭式数控系统。因此,抓紧这时机,集中投入力量,在新起点基础上迎头赶上,是使我国数控技术早日达到世界先进水平的,现在是不可多得的大好时机。

长期以来,我国的数控机床依赖国外的数控系统,不仅我国的数控机床的发展受到国外的控制,而且国外还限制对我国出口高精度数控系统和五坐标联动以上的高档数控系统。使我国数控技术长期处在严重落后状态。最近我国数控技术取得了可喜的进展,2001年中科院沈阳计算所研制成功有自主知识产权的“蓝天一号”高档数控系统。华中数控有限公司也自主开发成功,以通用工业控制微机为基础的开放式的高水平五坐标数控系统,使我国的数控技术跃进到新的水平。华中数控公司将投资9000万元建设中国最大的数控研究、开发和生产基地。北京第一机床厂和日本大隈株式会社合资将建立我国最大的数控机床制造厂—“北一大隈机床有限公司”,投资3.3亿人民币,年产200台数控机床起步,最终达到年产1000台数控机床的产量目标。

3. 高速切削机床技术的发展

国外在制造业已较广泛应用高速切削加工技术,取得了很大效益,高速切削机床成为机床发展的重要方向,已取得很大成绩。这问题前面已经讲过,不再重复。

我国现在还不能生产高速切削机床,由于这项新技术应用日广,必须投入力量,研究开发高速切削机床。

4. 精密和超精密机床技术的发展

精密和超精密机床技术的发展方向:发展大型超精密机床,普遍提高精密机床的精度,发展多功能和高效专用超精密机床。超精密机床的发展,直接影响尖端技术和国防工业的发展,世界各国在这方面都极为重视,投入很大力量进行开发研究,这部分将在下面讲精密和超精密加工技术发展时再讲述。

5.复合多功能加工机床的发展

为节省复杂零件的装卡辅助时间,国外发展了车铣复合加工中心。例如日本Mazak公司的INTEGREX e-650H车铣复合加工中心,可以进行车削、铣削、钻孔、攻丝等;作为选件,B轴还可以进行滚齿,激光表面淬火和局部外圆磨削。德国STAMA的MC系列机床是5轴联动车铣复合加工中心,集合了棒料车床和立式5轴联动的镗铣加工中心,复杂零件可以一次装卡,完成零件的全部加工,大大节省零件装卡的辅助时间。

五、精密和超精密加工技术的发展

精密和超精密加工技术的发展,直接影响尖端技术和国防工业的发展。世界各国在这方面都极为重视,投入很大力量进行开发研究,同时技术保密,控制出口。由于光学(含激光)技术的迅速发展和多领域的广泛应用,各种高精度光学平面和曲面的加工成为迫切任务,国外发展了多种超精密车削,磨削、抛光等加工精密光学平面和曲面的机床设备。

1. 超精密机床的发展

发展超精密机床是发展超精密加工的重要内容。各发达国家都发展了多种超精密机床。超精密机床的发展方向:进一步提高超棈密机床的精度,发展大型超精密机床,发展多功能和高效专用超精密机床。

美国除了大家已知的加工直径2.1m的卧式DTM-3金刚石车床和加工直径1.65m的LODTM立式大型光学金刚石车床等两台大型超精金刚石车床外,又研制了大型6轴数控精密研磨机,用于加工大型光学反射镜。不久前美国在南卡里罗那州又加工出直径8.4m的大型光学反射镜。

英国制成OAGM2500 (2500mm×2500mm)多功能三坐标联动数控磨床,可加工和测量精密自由曲面,并且用此机床采用加工件拼合方法,加工成天文望远镜中的直径7.5m的大型反射镜。

过去相当长时期,由于进口受到限制,我们不能购进国外的超精密机床,但在1998年我国数控超精密机床研制成功后,马上对我国开禁,现在已经进口了多台超精密机床。

我国北京机床研究所、航空精密机械研究所,哈尔滨工业大学等单位,现在已能生产若干种数控超精密金刚石机床。图8a所示是北京机床研究所制成的加工直径800mm的超精密车床,图8b所示是哈尔滨工业大学研制的超精密车床,机床有两坐标精密数控系统和激光在线测量系统。但必须承认,这方面的技术,和国外相比还有很大差距,国产超精密机床的质量亟待提高。现在我国正在研制加工直径1m以上的立式超精密机床和加工KDP晶体大平面的超精密铣床等。

2. 非球曲面精密磨削研磨技术的发展

日本以超精密车床为基础,结合ELID镜面磨削技术,发展了加工回转体非球曲面的ELID精密镜面磨床;后来又发展了三坐标联动数控ELID精密镜面磨床,可加工精密自由曲面,达到镜面。

高精度自由曲面现在应用日广,国外已有多种带在线测量系统的多坐标数控研磨抛光机,我国应尽快研制开发这方面的产品。曲面的精密研磨抛光国外最近发展了两种新加工方法,第一种是用磁流体进行抛光,第二种用气囊进行抛光。

磁流体抛光的原理是用永久磁铁或电磁铁工具,将混有磨料的磁流体吸附在工具上面,对工件表面进行抛光。由于磁流体外形可以随工件外形而自动变化,因此对磁铁工具外形无严格要求,很容易加工制造。可以用平面工具吸附磁流体进行抛光。也可用杆状工具,一端吸附磁流体,代替立铣刀在多轴数控联动机床上,对自由曲面进行抛光。磁流体抛光可使加工表面达到很高的质量。

不久前英国Zeeko公司研制成功加工精密曲面的气囊抛光新工艺方法。示是这Zeeko气囊抛光曲面方法的工作原理。抛光工具是外面包有磨料薄膜层的胶皮气囊,抛光工具结构如图10b所示。抛光工作时,工具气囊旋转形成抛光运动,工件对气囊抛光工具作相对的进给运动,(一般是工件作三轴联动的进给运动),使工件的全部表面都被能抛光加工。抛光工作时,工具气囊还同时作摆动(摆动中心为汽囊曲面的曲率中心),使磨料薄膜层均匀磨损。由于工具气囊具有弹性,可以自动适应工件的曲面形状,故同一工具可用于抛光不同外形的曲面。这新的曲面抛光方法可以获得质量甚高的抛光表面。

3. 超大规模集成电路制造技术的进展

过去30年集成电路获得飞跃发展的发展,现以全球最大的芯片制造商英特尔公司(Intel)的计算机芯片为例说明集成电路的发展。

英特尔公司自1971年开始生产计算机芯片以来,已更新换代十多次。芯片的性能和集成度,在这一次次的更新换代中,得到大幅度提高。1971年英特尔公司的4004芯片,时钟速度仅为108 kHz,内含晶体管2300个,最小线宽为10μm ;1999年英特公司的Pentium III 芯片(奔腾III芯片),时钟速度已经高达1 GHz,在面积为217 mm2的芯片内,有晶体管2800万个,最小线宽为0.18μm。最近2001年3月英特尔公司推出的Pentium 4电脑的时钟速度高达1.7 GHz,最小线宽0.13μm,在面积为116 mm2的芯片内,晶体管数超过4200万个。计划十年内时钟速度达到10 GHz,30年来计算机芯片速度和集成度提高了13000倍,线宽从1971年的10μm缩小到0.13μm。最近新的芯片时钟速度已高达2.8 GHz。

现在制造集成电路的光刻技术使用的光波是深紫外光(光波长为0.24μm),已达到的最小线宽为0.13μm。从理论分析这光刻加工技术的极限为0.1μm。光刻中最小的光刻线宽和光波的波长有关,光刻时的光班直径等于半波长。国外正在研究进一步缩小芯片上电子元件的尺寸和光刻的线宽,这只有使用更短波长的超紫外光曝光光源。这使用超紫外光的光刻方法,将有可能使光刻的线宽达到70 nm以下。但是超紫外光会被空气吸收,因此,光刻需在真空中进行,这对大规模工业生产将增添困难。国外现在制造超大规模集成电路用10″- 12″晶片,制造时已用数字控制柔性生产线加工,因此,新集成电路块能很快试制出来,并且批量不很大的集成电路也能接受生产,价格也不贵。

我国微电子工业近年获得飞跃发展,我国现在制造大规模集成电路的水平是:已能用8″硅晶片制造大规模集成电路,光刻能达到的最小线宽为0.18μm。我们正在努力研究发展10″~12″晶片、线宽0.13~0.1μm的大规模集成电路制造,希望能尽快赶上世界先进水平。

六、机械制造自动化技术的发展

从计算出现以后,机械制造自动化的发展是柔性自动化的发展过程:从数控机床→加工中心→柔性加工单元→柔性制造系统。同时机械设计、工艺规程编制、车间调度、车间和工厂管理,成本核算等也都用计算机管理,这样就出现了CAD/CAM一体化,并在20世纪80年代提出了全部工厂生产管理都由计算机控制管理,达到全盘自动化的CIMS设想,认为这是机械制造业的今后发展方向。

但实际推广CIMS技术却是到处碰壁,这是因为一个机械制造企业要全部由计算机控制管理,不仅技术难度极大,需要极大的投资,而且企业全部由计算机控制管理,根本无法适应机械制造技术的快速发展和机电产品的多变和快速更新。

计算机技术的发展,提出了计算机仿真和虚拟制造,包含在计算机上进行加工过程碰撞仿真、加工精度仿真、调度仿真、制造过程仿真(虚拟制造)、装配过程仿真(虚拟装配)。对机械制造业中的设计、制造、调度管理都有极大帮助。后来又提出并行工程,使机械制造中原来需要先后顺序进行的工作,攺成并行或部分并行的工作,大大缩短了生产周期。

20世纪90年代随因特网的出现应用,提出了敏捷制造(或网络制造)的新制造模式。应用因特网,可使不同地区的单位间,实现快速大信息量的传输交流,使机械制造业可以将不同地区的工厂、设计单位和研究所通过因特网组合在一起,分工协作,、发挥各单位特长,共同开发、研制并生产某大型新产品。因系多单位协作,发挥各自特长,并行作业,故可快速、优质、低成本地进行大型新产品研制与生产,这就是敏捷制造(或网络制造)的概念。敏捷制造是多单位的协作生产(有一单位是主持的主导单位),可以包含基层单位中的局部的计算机控制管理自动化(CIMS)、FMS、CAD/CAM,可以灵活机动地采用虚拟制造、虚拟装配、并行工程等各种先进工艺和管理方法,最终达到快速、优质、低成本地进行生?
 

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