先进制造技术29

先进制造技术综述学院：机械工程学院专业：机械制造及其自动化1《先进制造技术》试题在课程学习和检索文献资料的基础上,撰写一份先进制造技术综述论文,包括以下具体内容：1.绿色制造的关键技术。2.超高速切削和超高速磨削技术，包括：超高速切削和超高速磨削的机理、关键技术和应用范围。3.超精密加工技术，包括：超精密车削、超精密砂轮磨削、超精密砂带磨削、电泳磨削的加工原理、技术特点和应用范围。4.特种加工，包括：（1）电火花成形加工、电火花线切割加工、电火花磨削加工、电火花表面强化等加工技术的加工原理与特点、应用范围。（2）激光加工、电子束加工、离子束加工、水喷射加工等加工技术的加工原理、技术特点和应用范围。5.先进生产管理的技术，包括：敏捷制造、精益生产、智能制造等先进制造模式的定义、内涵、特点和关键技术等。6.你自己对先进制造技术发展与创新历程的理解和观点。答题要求：1.论文包括题目、摘要、关键词、正文、结语、参考文献等部分。2.论文正文字数不少于3000字，参考文献不少于30篇。3.综述时应尽可能提供加工实例及其示图。4.要按参考或引用的顺序列出文献资料的出处，并在引用处标注。5.本试题页符在答卷上一并交回，提交试卷时，同时提交电子文档。6.参照《西安科技大学学报》排版格式。试卷用A4纸，一级标题用黑体四号字，二级标题用仿宋体小四号字，行间距为1.5倍。7.卷面不得雷同，否则不记成绩。2-1-先进制造技术综述摘要：本文通过大量列举典型的先进制造工艺和先进的管理系统来介绍先进制造技术的发展现状及特点，其中包括典型的先进制造工艺有：绿色制造技术、超高速加工技术、超精密加工技术以及特种加工技术；典型的先进管理系统有：敏捷制造、精益制造以及智能制造等先进制造技术。文中分析了以上各种先进技术的加工原理、技术特点、关键技术以及该技术的应用范围。最后，阐述了本人对先进制造技术发展与创新历程的理解和观点。关键词：先进制造；绿色制造；超高速加工；超精密加工；先进生产管理系统0引言先进制造技术AMT(advancedmanufacturingtechnology)是制造业不断吸收机械、电子、信息(计算机与通信、控制理论、人工智能等)、能源及现代系统管理等方面的成果，并将其综合应用于产品设计、制造、检测、管理、销售、使用、服务乃至回收的全过程，以实现优质、高效、低耗、清洁和灵活生产，提高对动态多变的产品市场的适应能力和竞争能力的制造技术的总称。它集成了现代科学技术和工业创新的成果，充分利用了信息技术，使制造技术提高到新的高度。先进制造技术是发展国民经济的重要基础技术之一，对我国的制造业发展有着举足轻重的作用[1]。先进制造技术是传统的制造技术与现代高新技术结合而产生的完整的技术群，是指在当今技术条件下能显著提高企业的设计、加工、检测、物料储运、营销和生产管理等方面能力的设备、计算机软硬件和管理方法。是一种具有明确范畴的产生于20世纪90年代，面向21世纪的新的技术体系。如图1所示，主要包括计算机网络、柔性制造系统、柔性制造单元、机器人、加工中心、数控机床、激光加工、自动检测设备、自动化仓库等硬件设施以及物料需求计划、制造资源计划、准时制生产计划、计算机辅助设计、计算机辅助制造、专家系统和管理信息系统等软件工具。-2-图l先进制造技术的技术体系Fig.lTechnicalsystemofadvancedmanufacturingtechnology随着科技进步特别是计算机技术的发展，世界范围内对制造业进行了重新的认识和定位，先进制造技术为制造业注入新的活力，使制造业又重新生机勃勃。制造业绝不是“夕阳产业”和“夕阳技术”，先进制造技术是高技术的载体，没有哪个工业发达国家不予以高度关注，先进制造技术已经成为全球制造业争夺的市场焦点。先进制造技术为制造业注入新鲜血液，是发展制造业的基础，它是传统制造业不断地吸收机械、信息、电子、材料、能源和现代管理等方面的最新技术成果，并将其综合应用于产品开发与设计、制造、检测、管理和售后服务的制造全过程，实现优质、高效、低耗、清洁和敏捷制造，并取得理想经济效果。从本质上看：信息技术+传统制造技术的发展+自动化技术+现代管理技术就是先进制造技术。高生产率和高质量是先进制造技术的2大追求目标。因此，先进制造技术主要向自动化、柔性化、集成化和智能化、高精密方向发展，向非传统加工技术方向发展。采用新型生产模式，使企业适应多变的市场需求[2]。先进制造技术的发展趋势：1）数字化是发展的核心；2)精密化是发展的关键；3)极品化是发展的焦点；4)自动化是发展的条件；5)集成化是发展的方法；6)网络化是发展的道路；7)智能化是发展的前景；8)绿色化是发展的方向。1绿色制造技术绿色制造又称为面向环境制造(MFE)、环境意识制造(ECM)等，其基本观点是协调解决环境和资源两大社会问题，且的是充分利用资源，减少废弃物的产生，减少机械制造业对环境的负面影响[3]。1.1绿色制造的概念绿色制造是一个综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式，其目标是使得产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个产品生命周期中，对环境的负面影响最小，资源效率最高，并使企业经济效益和社会效益协调优化。而真正促使绿色制造走向市场，却是多种因素共同作用的结果，如图2所示，从当前社会积极实行可持续发展战略的氛围来看，绿色制造实质上是人类社会可持续发展战略在现代制造业中的体现[4]。-3-图2实施绿色制造的原动力Fig.2Impetusfortheimplementationofgreenmanufacturing传统意义上的制造是产品的制造过程，主要表现为机械加工过程，即通常称为“小制造”。绿色制造是一种现代制造模式，涉及制造工业中的产品设计、物料选择，生产计划、生产过程、质量保证、经营管理、市场销售和报废处理等一系列相关活动，因此绿色制造是“大制造”的概念。1.2绿色制造的关键技术绿色制造从“大制造”的概念来讲，包含生命周期的全过程：产品设计、工艺规划、材料选择、生产制造、包装运输、使用和报废处理等阶段。在每个阶段都要考虑绿色制造，于是就产生相应的绿色制造技术。1）绿色设计其目的是克服传统设计的不足，是所设计的产品具有绿色产品的特征。绿色设计可以通过生命周期设计、并行设计、模块化设计等方法来实现。绿色设计将综合考虑环境效益和生态环境指标与产品功能、性能、质量及成本要求进行设计；在产品构思阶段考虑降低能耗、资源重复利用、生态环境保护和使用绿色能源；保证产品的制造和使用过程中可拆卸、易回收。废弃物产生最少；综合考虑顾客和环境的需要，满足可持续发展的要求。2）绿色工艺规划和清洁生产技术绿色制造工艺规划是通过对工艺路线、工艺方法、工艺装备、工艺参数、工艺方案等进行优化决策和规划，从而改善工艺过程及其各环节的环境友好性，使得产品制造过程经济效益和社会效益协调优化规划方法。采用合理工艺，简化产品加工流程，减少加工工序，谋求生产过程的废料最少化，避免不安全因素，减少产品生产过程中的污染物排放．如减少切削液的使用或使用绿色切削液等。3）绿色材料选择绿色产品首先要求构成产品的材料具有绿色特性，即在产品的整个生命周期内，这类材料应有利于降低能耗，环境负面影响最小。材料选择可从减少所用材料种类、选用可回收或再生材料、选用无毒无害材料以及选用新型生态环境材料等方面来考虑。4)绿色包装技术绿色包装是指能够循环复用、再生利用或降解腐化，且在产品的整个生命周期中对人体及环境不造成公害的适度包装。必须尽可能简化产品包装，避免过度包装，使包装可以多次重复使用或便于回收，且不会产生二次-4-污染。5)绿色回收处理技术传统的制造过程是一个开环系统，产品报废后直接遗弃，造成资源浪费和环境污染。绿色制造一个闭环系统，产品达到使用寿命后。将要分类进行材料回收利用，便于再制造。图3绿色制造过程的闭环特性Fig.3Closed-loopcharacteristicgreenmanufacturingprocess2超高速加工技术2.1超高速切削加工1978年，CIRP(国际生产工程协会)提出以线速度为500-7000m/min的切削为高速切削；ISO1940标准规定，主轴转速高于8000rev/min为高速切削；德国Darmstadt工业大学提出以高于5-10倍普通切削速度的切削定义为高速切削；主轴轴承孔直径与主轴最大转速乘积达(5-2000)×105mm·rev/min的切削定义为高速切削。超高速切削机理和特点：超高速切削的概念可用图表示。萨洛蒙指出：在常规切削速度范围内(图4中A区)，切削温度随切削速度的增大而升高。但是，当切削速度增大到某一数值Vc之后，切削速度再增加，切削温度反而降低。图中B区在美国被称为“死谷”(Deadvalley)。如果能越过这个“死谷”而在超高速区(图中C区)进行加工，则有可能用现有刀具进行超高速切削。图4超高速切削概念示意图Fig.4Ultra-high-speedcuttingconceptschematic高速加工技术的特点和优势[5]：1）切削力小，切削温度低；2）工件热变形减少；3）加工效率高；4）加工精度高、加工质量好；5）加工过程稳定；6）加工成本降低；7）可实现绿色制造。-5-超高速加工的关键技术[6]：高速切削是一项复杂的系统工程。高速切削不只是切削速度的提高，它的发展涉及到机床、刀具、工艺和材料等诸多领域的技术配合和技术创新。1）超高速主轴系统超高速主轴系统是超高速切削技术最重要的关键技术之一。超高速主轴由于转速极高，主轴零件在离心力的作用下产生振动和变形，超高速运转摩擦热和大功率内装电机产生的热会引起热变形和高温，所以必须严格控制，为此对超高速主轴提出以下性能要求：(1)结构紧凑、重量轻、惯性小、可避免振动和噪声，具有良好的起、停性能；(2)足够的刚性和高的回转精度；(3)良好的热稳定性；(4)大功率；(5)先进的润滑和冷却系统；(6)可靠的主轴监测系统。图5陶瓷轴承高速主轴结构Fig.5Ceramicbearingsforhigh-speedspindle2）快速进给系统超高速切削时，为了保持刀具每齿进给量基本不变，随着主轴转速的提高，进给速度也必须大幅度提高。为了适应进给高速化的要求，在超高速加工机床上主要采取了以下措施；(1)采用新型直线滚动导轨；(2)采用更先进、更高速的直线电机；(3)高速进给机构采用小螺距大尺寸高质量滚珠丝杠，或粗螺距多头滚珠丝杠；（4）高速进给伺服系统；（5）高速进给机构采用碳纤维增强复合材料，使工作台重量减轻但不降低其刚度。3）高速CNC控制系统数控超高速切削加工要求CNC控制系统具有快速处理数据能力和高的功能化要求特性，以保证在超高速切削时，特别是在5轴坐标联动加工复杂曲面时仍具有良好的加工性能。为了确保超高速下的插补精度，要有前馈和大数目超前程序段预处理功能，此外还可以采用NURBS插补、回冲加速、平滑插补、钟形加减速等轮廓控制技术。4）超高速切削刀具技术（1）超高速切削刀具材料和刀具结构。高速回转刀具由于高速引起离心力作用，会造成刀体和刀片夹紧结构破坏以及刀片破裂或甩掉，所以刀体和夹紧结构必须有高的强度与断裂韧性和刚性，保证安全可靠。刀体重量尽量轻以减少离心力。在高速切削的情况下，刀具与夹具平衡性能的优劣，不仅影响到加工精度-6-和刀具寿命，而且也会影响到机床的使用寿命，因此高速回转刀具必须进行运动平衡试验，以满足平衡品质的要求。表1刀具材料及特性Table.1Toolmaterialsandfeatures刀具材料优点缺点典型应用陶瓷（氧化硅、晶须增强、氧化铝、氮化硅、Sialon）耐磨性好、抗（热）冲击性能好、化学稳定性好、抗粘结性好、干式切削韧性差，脆性大，容易产生崩刃；和铝的高温亲和力大淬火铸铁、硬钢、镍基高温合金、不锈钢CBN硬度高、热稳定性好、摩擦系数小、热导率高、易产生积屑瘤强度和韧性差，抗弯强度低，易崩刃，一般只用于高硬材料的精加工淬硬钢、高温合金、工具钢、高速钢金刚石硬度极高、摩擦系数很小，