淺析機械制造技術的發展

摘要：機械制造技術水平的高低是衡量一個國家科學技術發展的重要標志，也是各國科技競爭的重點。本文對我國現有的機械制造技術進行了分析，并闡述了未來的發展方向。

關鍵詞：機械制造 技術特點發展分析

0 引言

目前，我國的機械制造技術與美、英、俄等發達國家相比，還有一定的差距，而科學技術的創新與發展，仍面臨著巨大的挑戰。因此，我國現有的機械制造業已不能沿用20世紀時的，以凸輪及其機構為基礎的專用機床、專用夾具、專用刀具組成的流水式生產，而要向著自動化（數控高速切削加工）、計算計綜合自動化（CIM）發展。本文就機械制造技術、發展分析等，作進一步的研究和探討[1]。

1 機械制造技術

機械制造技術是研究制造生產裝備過程中的基本原理、技術和方法的一門學科。隨著科技發展，對機械制造技術提出了更高的要求，例如，要求達到納米（10-6mm）的超精密加工，大規模集成電路硅片的超微細加工重型裝備超大型件的加工，難加工材料和具有特殊物理性能材料的加工等。要想提高產品質量和勞動生產率，降低其成本，提高市場的競爭力，就必須采用先進的制造技術[2]。

1.1 隨著微電子技術、計算機技術的發展，促使常規技術與精密檢測技術、數控技術、傳感技術、系統技術、伺服技術等相互結合，使機械制造業發生了質的飛躍。

1.2 隨著計算機輔助設計與制造（CAD/CAM）、柔性制造系統（FMS）、計算機集成制造系統（CIMS）的應用，實現了自動化、柔性化、智能化、集成化生產加工，使產品質量和生產效率得到提高。

1.3 隨著生產的發展和科學實驗的需求，許多零件的形狀越來越復雜，精度要求越來越高，表面粗糙度要求越來越低。相繼出現了化學機械加工、電化學加工、超聲波加工、激光加工、超精密研磨與拋光、納米加工等特種加工、超精密加工技術和復合加工技術。

2 發展分析

我國機械制造技術的發展：一是精密加工技術，二是CIMS計算機綜合自動化技術，三是發展模式[3]。

2.1 精密加工技術。精密加工的核心主要體現在對尺寸精度、仿形精度、表面質量的要求。要實現高速切削與強力切削，必須有與之相適應的機床和切削刀具。目前數控車床主軸轉速已達5000r/min，加工中心主軸轉速已達20000r/min，磨削速度已達40～60r/s，高的可達80～120r/s。例如，電火花加工的精度要求可達±2-3μm、底面拐角R值可小于0.03mm，最佳加工表面粗糙度可低于Ra0.3μm。而鏡面加工效果且能夠完成微型接插件、IC塑封、手機、CD盒等高精密模具部位的電火花加工。

例如，運用數控高速切削技術(High Speed Machining，HSM，或High Speed Cutting，HSC)，可提高加工效率和加工質量[4]。

2.1.1 高速切削。高速切削技術綜合了機床的高速主軸系統、快速進給系統、高性能刀夾系統、高性能刀具材料以及高性能CNC數控系統等諸多相關硬件和軟件技術。要實現高速切削與強力切削，必須有與之相適應的機床和切削刀具。目前數控車床主軸轉速已達5000r/min，加工中心主軸轉速已達20000r/min，磨削速度已達40～60r/s，高的可達80～120r/s。

2.1.2 生產效率。高速切削加工技術提高了切削加工的生產效率，表現在：①切削力小：在銑削加工中，主軸軸承、刀具、工件受到的徑向切削力得到大幅度減少。②材料切除率高：在相同時間內的材料切除率相應提高。③工件熱變形小：因為是高速切削，大部分的切削熱來不及傳給工件就被高速流出的切屑帶走，所以，加工表面的受熱時間短，不會導致熱變形，提高了表面精度。④精度高：由于高速切削力小于常規切削，加工系統的振動降低，加工過程平穩，提高了加工精度。⑤環保：由于高速切削可實現干式切削，減少了切削液用量，從而使污染和能耗降低。

2.1.3 實際應用。高速切削技術在精密制造中的實際應用，主要表現在：①非曲直對于薄壁類零件和細長的工件。②采用數控高速切削加工，廣泛應用于汽車、模具、航天航空等制造領域。③采用數控高速切削技術，可實現在一臺機床上對復雜整體結構件同時進行粗、精加工。

2.1.4 關鍵技術。實現數控高速切削的關鍵技術，主要包括：切削機理、切削機床、切削刀具和切削工藝[5]。

①切削機理：研究各種材料在高速加工條件下，形成的切削力、切削熱的變化規律，刀具磨損規律及對加工表面質量的影響規律，有利于促進高速切削工藝規范的確定和切削用量的選擇，為具體零件和材料的加工工藝制定提供理論基礎。②切削機床：高速切削機床主要包括：主軸系統、快速進給系統和CNC控制系統。a主軸。一般主軸轉速在10000r/min以上，最高可達60000－100000r/min，具有良好的動態和熱態性能。b高速進給。機床進給系統能夠滿足快速移動和快速準確定位。③切削刀具：由于切削速度的大幅度提高，對切削刀具材料、刀具幾何參數、刀體結構等都提出了新的要求，高速切削刀具材料和刀具制造技術都有了新的變化。高速切削加工時，不僅要保證高的生產率和加工精度，還要保證人身的安全和產品的可靠性。因此，高速切削加工的刀具系統必須具有良好的幾何精度、重復定位精度、裝夾剛度、高速運轉時良好的平衡狀態和安全可靠性。需要注意的是：要盡可能減輕刀體質量，使其在高速旋轉時所受的離心力小，可提高高速切削時的安全性，改進刀具的夾緊方式。④切削工藝：高速切削在實際生產加工中，缺乏可供參考的應用實例，也沒有實用的切削用量和加工參數數據庫，高速加工的工藝參數優化是加工技術的關鍵。例如，數控高速切削的零件NC程序，要求在整個切削過程中保證載荷穩定，而在使用CNC軟件中發現，自動編程功能不能滿足這一的要求，需要由人工編程加以補充和優化。因此，必須研制開發新的編程方式，使切削數據適合高速主軸的功率特性曲線。

2.2 CIMS計算機綜合自動化技術。CIMS(Computer Integrated Manufacturing System)計算機綜合自動化，是基于CIM哲理構成的新型生產實體，是信息時代的一種新型生產制造模式。CIMS是通過計算機網絡技術、數據庫技術等軟硬件技術，把企業生產過程中經營管理、生產制造、售后服務等環節聯系在一起，構成了一個能適應市場需求變化和生產環境變化的大系統[6]。

隨著計算機輔助設計與制造（CAD/CAM）、柔性制造系統（FMS）、計算機集成制造系統（CIMS）的應用和開發，整個生產過程在計算機的數控下，實現自動化、柔性化、智能化、集成化，不僅使產品質量和生產效率得以提高，且縮短了生產周期，從而提高企業的經濟效益和社會效益。

2.2.1 智能化。智能制造技術IMT是將人工智能融入制造過程的各個環節能自動監測其運行狀態，在受到外界干擾或內部激勵時能自動調整其參數以達到最佳狀態和具備自組織能力。例如，新型數控電火花機床采用了模糊控制技術和專家系統智能控制技術。模糊控制技術是由計算機監測來判定電火花加工間隙的狀態在保持穩定電弧的范圍內自動選擇使加工效率達到最高的加工條件自動監控加工過程實現最穩定的加工過程的控制技術。

2.2.2 自動化。自動操作過程不需人工干預可以提高加工精度、效率。機床的自動化運轉降低了操作人員的勞動強度、提高生產效率。例如，對于批量較大的生產的自動化，可通過機床自動化改裝、應用自動機床、專用組合機床、自動生產線來完成。小批量生產的自動化，可通過NCMCCAMFMSCIMIMS等來完成。為了提高生產效率，減輕勞動強度，改善勞動條件，盡可能地用機械作業替代人力勞動成為一種發展趨勢，為適應這種工程作業環境使用要求，小型及微型工程機械的需求將迅速增長。微型產品不但其外形尺寸受到具體約束，同時其外觀形態、色調等方面的設計愈來愈體現了與自然、環境的融合。

2.2.3 高效化。要求在保證加工精度的前提下大幅提高粗、精加工效率。例如，手機外殼、家電制品、電器用品、電子儀表等領域都要求減少輔助時間，如編程時間、電極與工件定位時間等，同時又要降低粗糙度從原來的Ra0.8μm改進到Ra0.25μm使放電后不必再進行手工拋光處理。

2.2.4 信息化。隨著計算機、自動化與通訊網絡技術在制造系統中的應用信息的作用越來越重要。制造過程的實質是對制造過程中各種信息資源的采集、輸入、加工和處理過程，最終形成的產品可看作是信息的物質表現。因此，可以把信息看作是一種產業包括在制造之中。

2.2.5 集成化。集成化的目的是實現制造企業的功能集成，功能集成要借助現代管理技術、計算機技術、自動化技術和信息技術。實現技術集成同時還要強調人的集成，由于系統中不可能沒有人，系統運行的效果與企業經營思想、運行機制、管理模式都與人有關，在技術上集成的同時還應強調管理與人的集成。

2.2.6 柔性化。柔性是指一個制造系統適應各種生產條件變化的能力它與系統方案、人員和設備有關。系統方案的柔性是指加工不同零件的自由度。人員柔性是指操作人員能保證加工任務完成數量和時間要求的適應能力。設備柔性是指機床能在短期內適應新零件的加工能力。例如，在通用產品的基礎上增加模塊化的功能部件，實現產品功能的多樣化，或通過全新的模塊化設計、制造以及不同模塊之間的柔性化組合，實現功能多樣化。應用機電液一體化技術、電子計算機技術、監測控制技術，使工程機械的信息化、智能化，可以提高工程機械各種故障的自我診斷和修復能力，降低施工人員的勞動強度、提高工作效率和工程質量。

2.2.7 綠色化。綠色制造、環境意識的設計與制造、生態工廠、清潔化生產等概念是全球可持續發展戰略在制造業中的體現。依靠科技進步，節約資源，關愛生命，提高效益，減少廢物排放，促進部分資源循環利用，實現經濟、社會、資源、環境和諧的發展。例如，行業可通過生產設施和生產工藝的改進，實現安全清潔生產;通過采用新技術、新工藝、新材料，優化、創新產品設計，減少產品資源消耗與廢物排放，降低產品噪聲，增加操作人員的舒適程度;通過研究新材料、材料表面工程技術開展再制造技術、回收技術，實現廢舊工程機械的回收與再利用。

2.3 發展模式。企業發展規模化、專業化、集約化和柔性化。如大型工程機械整機生產企業或企業集團可通過內生增長和外延擴張等方式，迅速發展，擴大規模，增加產品種類，成長為綜合性的工程機械企業，同時，行業的集中度將進一步提高。零部件企業將由目前的規模小、分布散、企業多和依附于主機企業的狀況，向專業化、與主機企業形成伙伴關系的方向發展；主機廠的非核心零部件業務將逐步剝離，零部件企業將迅速成長，并逐步形成與主機企業同步、甚至超前開發模塊化部件的能力，推動主機產品的發展[7]。

4 結束語

隨著科學技術的進步，我國機械制造技術應順應國際市場大環境的需求，不斷加強微電子技術、信息技術、光電技術、新材料技術與機械制造技術之間的結合、融合，促進產品向多樣化、智能化、綠色化發展，從而進一步提高我國機械制造技術的創新和攻關能力，爭取在較短的時間內，使我國機械制造技術達到世界先進水平[8]。

參考文獻：

[1]H.舒爾茨著.高速加工發展概況，王志剛譯，機械制造與自動化[J].2002（1）.

[2]賓鴻贊，加工過程數控[M].武漢：華中科技大學出版社，2004.

[3]周正干，王美清，李和平.高速加工的核心技術和方法[J].航空制造技術，2000(3).

[4]馬曉春.我國現代機械制造技術的發展趨勢[J].森林工程，2002，（3）.

[5]王世敬，溫筠.現代機械制造技術及其發展趨勢[J].石油機械，2002，（11）.

[6]武永利.機械制造技術新發展及其在我國的研究和應用[J].機械制造與自動化，2003，（1）.

[7]林式藩.CIMS的組成與應用，冶金自動化，1997年6月.

[8]壽云興，郝萬福.CIMS綜述，黑龍江自動化技術與應用，1997年第3期.

作者簡介：陳明，男（1978），遼寧省錦州人，碩士研究生，工程師，研究方向：機械設計、化工設備與機械。