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第七章先进制造技术一、教学目的1．深刻理解当代机械制造技术的发展方向；2．深刻理解发展超精加工、微机电、超高速加工技术的重要意义；3．熟悉了解制造哲理与生产模式制造系统的设计与评估；4．熟悉了解自动化制造系统、快速响应制造及可持续发展制造战略。二、教学方法课堂讲授。三、教学手段多媒体教学。四、学时分配2学时。五、重点、难点1．超精加工、微机电、超高速加工技术2．自动化制造系统、快速响应制造及可持续发展制造六、作业布置1．试论当代机械制造技术的发展方向？2．分析超精加工、超高速加工基本原理？3、分析自动化制造系统、快速响应制造及可持续发展制造技术的技术要点。七、辅导安排每周5下午2：00在教学楼辅导答疑。八、教学内容1、制造技术的新发展2、制造哲理与生产模式3、制造系统的设计与评估4、自动化制造系统5、快速响应制造6、可持续发展制造现代科学技术的发展与交叉融合，给制造技术提出了新的要求，也给予了强大支持。因此，涌现了许多先进制造技术。超高速切削、超精密加工、微机械制造等技术近年来有了长足的发展。制造系统主要由物流、信息流和资金流组成。制造系统的设计主要对这三个系统进行设计。快速响应制造技术主要包括产品的快速设计、快速开发、快速造及生产系统的快速组成。先进制造技术的许多重要概念都与快速响应密切关。其中主要有快速成形制造（RP&M，RapidPrototyping&Manufacturing并行工程、虚拟制造、CIMS、敏捷制造、动态联盟与虚拟公司等。可持续发展战略以高技术努力降低自然资源消耗，把环境保护与自然资源筹考虑地发展。§7-1制造技术的新发展一、超精密加工现代机械工业之所以要致力于提高加工精度，其主要原因在于：提高产品性能和质量，提高其稳定性和可靠性，促进产品的小型化，增强零件的互换性提高装配生产率，并促进自动化装配。超精密加工。它是尖端技术产品发展中可缺少的关键加工手段。精密、超精密加工技术的提高，有力地推动了各种技术的发展。精密和超精密加工目前包含三个领域：①超精密切削。如超精密金刚石切削，可加工各种镜面，它成功地解决了高精大型抛物面镜的加工，用于激光光核聚变系统和天体望远镜。②精密和超精密磨削研磨。可以解决大规模集成电路基片的加工和高精度硬磁的加工等。③精密特种加工。如电子束、离子束加工，使美国超大规模集成电路线宽达0.1μm(八十年代水平)。二、微机械制造技术在机械装置的小型化过程中出现两类机械，即小型机械和微型机械。可以样划分：10mm～1mm为小型机械,用精密加工的方法可以制造出来;1mm～1um为型机械,需要用硅微加工技术或LIGA技术等微细加工方法才能制造出来；1um1nm为纳米机械,是分子级的零件,需采用生物工程的方法制造。微型机械不是传统机械的简单微型化，而是指集微型机构、微型传动器以信号处理和控制电路，甚至外围接口电路、通讯电路和电源等于一体的微型机系统。因此，微型机械远远超出了传统机械的概念和范畴，是基于现代科学技术用崭新的思维方法指导的产物。三、超高速切削通常把切削速度比常规高5～10倍以上的切削叫做超高速削。切削温度通常随切削速度升高而升高，但超过一定范围后，切削温度反而切削速度的升高而下降。如图示。超高速切削的优点：①切屑形态将从带状演变为片状或碎屑；②切削热的95%将被切屑带走；③切削力至少降低30%以上；④工件非常精密、光洁；⑤工件表面的残留应力也小,直接达到精加工的要求；⑥单位时间材料切削率增加了6倍。超高速切削目前主要用于飞机、汽车及模具工业。超高速切削希望刀具强度高、耐热性能好。超高速机床，是实现超高速切削的前提条件和关键因素。超高速切削对机床的主要要求如下：（1）要有一个适应于超高速运转的主轴部件及其驱动系统。（2）要有一个快速反应的数控伺服系统和进给部件。（3）高压大流量喷射冷却系统。（4）要有一个三刚（静刚度、动刚度、热刚度）特性都很好的机床支承件。§7-2制造哲理与生产模式在大批量制造模式下，提高工序效率，可以显著提高生产率。因此，制造技术的许多研究，致力于切削速度的提高在大批量生产情况下，由于生产准备终结时间占的比例很少，加工的辅助时间（如装卡、换刀时间）也经过精确的设计，因而基本加工时间占比例较大，提高切削速度、加大切深，这些单工序优化的措施，取得了良好的效益。在多品种、中小批量生产类型中，上述措施的效益就不再是那么显著。因为辅助时间占了较大的比重，因此必须在如何缩短辅助时间方面下功夫。从系统观点及资金流（见本章第三节）来诊断制造过程的瓶颈问题。分析在制品滞留时间，发现存在如下问题：①批量制造中，为防止质量事故、设备故障等因素的超量投料。②工序进度不平衡，设备有闲置时间。③生产准备时间长，如消化图纸、准备工装卡具、编制及输入数控程序、对刀等。④工件装夹时间。⑤工件在机床工序间的运输时间。⑥工件检测时间。计算机集成制造系统（CIMS）更是将制造中的的信息（技术、管理、控制等信息）集成保证了统一的计划与调度，进一步缩短了在制品通过时间和设备利用率。然而制造自动化系统需要巨额的投资。80年代初期，人们对以CIMS为代表的自动化制造系统寄予了很大的希望，认为它能带来巨大的效益。但是，统计表明，制造业采用CIMS的实际效益与期望值尚有距离。信息高速公路的发展大大缩短了人们之间的物理距离，使基于网络的远程计及制造成为现实。虚拟公司就是当有了好的产品设计后（技术及市场均占优的），不需要像规的方法那样组织生产，而是通过计算机网络，在全球范围内，选取最优的制资源组成联盟或称虚拟公司，通过网络、数据库、多媒体等技术的支撑来协调计、制造、装配、销售活动。各加盟单位根据贡献和合同分享利润，当该产品市场寿命结束了，虚拟公司就解体了。§7-3制造系统的设计与评估制造系统主要由物流、信息流和资金流组成。制造系统的设计主要对这三系统进行设计。物流就是将毛坯（原料）转化为产品的流运过程。物流系统的计主要是规划制造系统的硬件。信息流主要指制造系统的决策、计划、管理、控制和评估活动中发生的信息控制信息使制造活动按照决策和计划进行，管理和评估则是发现执行状态与设的偏离，以图保证目标的实现。资金流是从经济角度分析评估制造系统设计、运行的优劣，诊断效益的瓶环节。一、制造系统的设计制造系统设计的目标一般是满足一定的生产任务要求。制造系统设计的序如下：(1)需求调研与分析(2)建立功能模型(3)规划物流(4)建立信息流模型(5)规划制造设备配置(6)规划信息支撑系统硬件配置(7)规划软件平台及应用软件开发内容(8)规划建设进度(9)系统运行仿真(10)项目概预算(11)系统资金流评估(12)系统柔性及风险分析以上步骤要反复交叉进行，直至所设计出来的系统较为满意为止。二、制造系统的评估1.系统运行仿真2.系统资金流评估（1）设计经济性评估（2）设备投资评估（3）库存评估（4）工序经济性评估§7-4自动化制造系统一、柔性制造系统FMS柔性制造系统（FMS-FlexibleManufacturingSystem）是通过局域网把数控机床(加工中心)、座标测量机、物料输送装置、对刀仪、立体刀库、工件装卸站、机器人等设备联结起来，在计算机及控制软件的控制下，形成一个加工系统，根据规模大小的不同，FMS还可以分为：a.柔性制造单元FMC：规模较小，柔性较大，由1台或2～5台机床组成。b.柔性制造系统FMS：由几台到几十台设备组成。c.柔性生产线FML：适应于大批量生产，生产不同规格的同类型产品。根据FMS的工艺特点，可分为：a.机械加工FMSb.装配FMSc.钣金加工FMSd.激光加工FMSe.热处理FMSf.焊接FMS二、计算机集成制造系统CIMS计算机技术的发展为企业信息的集成提供了有力的工具。企业的技术信息、管理信息与过程控制的集成，可以为企业带来高效率的工作，可以避免信息的延误、丢失，不一致造成的各种损失。信息的集成使企业领导的决策更科学和快捷，提高了对市场的响应速度，生产计划与调度也得到充分的优化，在保证质量和交货期、降低成本等综合方面都增强了企业的竞争能力。CIMS(ComputerIntegratedManufacturingSystem)一般可以分为以下四个应用子系统：即管理信息子系统（MIS）、技术信息子系统（TIS）、自动化制造子系统（MAS）、质量保证子系统（CAQ）及两个支撑系统，即数据库与网络.三、数据库管理系统§7-5快速响应制造快速响应制造技术主要包括产品的快速设计、快速开发、速制快造及生产系统的快速组成。先进制造技术的许多重要概念都与快速响应密切相关。其中主要有快速成形制造（RP&M，RapidPrototyping&Manufacturing）、并行工程、虚拟制造、CIMS、敏捷制造、动态联盟与虚拟公司等。一、产品快速开发系统1.并行工程2.虚拟制造3.快速成形制造快速成形制造包括快速原型制造（RP）、基于RP的快速模具制造（RT，RapidTooling）、快速精铸（QuickCasting）和快速反求工程（ReverseEngineering）。二、制造系统的快速重组制造业在由市场适应生产转变到生产适应市场，就要求有足够的柔性。从信息的角度讲，制造过程实际上是制造信息的物化过程，我们是否可以利用信息的重组来达到制造系统的高度柔性呢？90年代以来，全球经济一体化的进程打破了传统的地域经济发展模式，高速信息公路使世界越来越小，但对于单个企业来说，市场则更加广阔。基于INTERNET/INTRANET的设计和制造使制造业达到适合市场的高度柔性。§7-6可持续发展制造战略以前的经济增长方式主要以自然资源和劳动力为投入手段。这种粗放型经济增长方式不仅消耗浪费了地球上大量不可再生的宝贵资源，而且资源消耗和工业废弃物造成的环境污染破坏了自然界生态系统，直接威胁人类的生存。可持续发展战略以高技术努力降低自然资源消耗，把环境保护与自然资源统筹考虑地发展。可持续发展是人类应享有追求健康而富有生产成果的生活权利，也应该坚持与自然相和谐统一的方式，而不是凭借人们手中的技术和投资，采取耗竭资源，破坏生态平衡和污染环境的方式追求这种发展权利。我们应该在创造当代发展与消费的时候，努力作到使自己的机会与后代人的机会平等，不能片面自私地追求自身的发展与消费，而剥夺后代人本应享有的发展与消费的平等机会。目前看来，可持续制造战略主要包含以下内容：1．绿色产品①产品的原材料是易回收的或重利用的，或者易分解而不致在报废后造成对环境的污染。②产品在使用运行时，不造成对环境的污染，如应是低噪声的，不排出有害气体的，运行时是节能的。③产品所用原材料应是来源丰富的，尽量减少稀缺资源的使用。④易拆卸，可重用的产品结构设计。2．节能的制造过程节能，就是节约地球的资源。同时，能量消耗的减少意味着产生电能、核能等过程中，污染排放也减少了。3．绿色制造过程在制造过程中，产生尽量少的噪声，不产生有害气体。如应用液氮冷却的超冷切削替代了会产生有害气体的乳化液。还有改善制造过程中的环境，使其是宜人的。4.产品的包装应是绿色的