現代機械制造工藝與精密加工技術

謝興平

（成都天翔環境股份有限公司 四川成都 610300）

現代機械制造工藝與精密加工技術

謝興平

（成都天翔環境股份有限公司 四川成都 610300）

機械技術是機電控制系統最重要的基礎技術，本文基于此，首先簡述了我國現代機械制造領域發展情況，然后分析了現代機械制造工藝的特點，在此基礎上對現代機械制造工藝與精密加工技術做出了重點分析，望對相關人員提供一定的參考價值。

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1 引言

隨著我國經濟的發展和科學技術的進步，機械制造技術開始在現代工業技術中彰顯出了重要的應用價值，而機械制造工藝作為經過各類工藝系統將原材料加工成為機械產品的重要過程，無論是在礦山及工程機械、石油化工機械、機床工具設備等大型工業中，還是在洗衣機、電冰箱、轎車這些日用消費品中，都有著極其廣泛的應用。但與此同時，人民日益增長的物質需求也使得現代制造工藝開始面臨著更高的挑戰。這樣的背景下，了解現代機械制造工藝的相關特點，并結合實際的生產情況，利用先進的科學技術不斷提升現代機械制造工藝和精密加工技術水平，對于促進我國機械制造產業的發展有著不可忽視的重要意義。

2 我國現代機械制造領域發展情況簡述

進入21世紀以來，全球性的產業集群重新組合，國際分工不斷明確，各國均開始將提高產業核心競爭能力及發展高新技術作為搶占未來經濟的利益點。在機械制造方面，中國市場自加入WTO以來逐漸與國際市場并軌，在全球化帶來的利益和風險面前，我國大量的機械制造企業開始對于新技術有著更為迫切的要求，這就促使了現代機械制造領域煥發出蓬勃的生命力。經過半個多世紀的努力，我國已經在現代機械制造及加工領域中取得了較為優秀的成績，在大型機械方面，基本已經形成了具有較大規模以及技術開發能力的支柱產業，包括近幾年智能電網建設工作中的60萬kW火力發電機組、大噸位超重水壓機、冶煉領域中的500萬t的大型鋼鐵成套加工設備等。而在精細加工領域，更是利用在核心工序上完善關鍵設備的手段，將船泊制造精度提升至5μm、粗糙度控制更是達到了0.08μm，形成了完整的精密加工制造體系。

3 現代機械制造工藝的特點分析

隨著微電子技術、傳感技術和機電一體化技術等高新尖技術的迅速發展及其在機械制造方面的廣泛應用，現代機械制造工藝也逐漸由單一強調人的主體作用這一特點向著多元化不斷邁進，具體而言，現代機械制造工藝具有以下特點：

3.1 綜合性

從宏觀的角度來看，現代機械制造技術已經不再局限于單一的機械制造領域，而是將計算機技術、信息技術和自動控制技術等諸多科技成果融入傳統的機械制造技術之中，以期得到更優秀的機械產品。實踐表明，隨著各學科、各專業間的科研成果不斷碰撞，具有綜合性這一特點的現代機械制造工藝已經達到了新的高度。

3.2 一體化

一體化這一特點主要指的是產品設計與機械制造工藝一體化，傳統的機械制造技術往往只涵蓋了設計工作與制造過程，但隨著全球化經濟時代的到來，現代機械制造開始貫穿了從產品設計、加工制造到產品的銷售、服務、使用維護這樣一個全過程。最具有代表性的并行工程正是基于現代機械制造工藝的一體化所提出的，已成為面向機械制造業設計與加工的重要新型概念。

3.3 系統性

與傳統的機械制造產業相比，現在機械制造工藝更重視工程技術與經營管理的系統結合，很多優秀的生產管理和管理方式也正是在這樣的背景下營運而言，包括涵蓋了資源管理和生產的制造資源計劃（MRP）、涵蓋了時間管理與生產加工的準時生產（HT）、涵蓋了質量管理與生產加工的全面質量管理（TQC）等等。

3.4 經濟性

在激烈的市場競爭的條件下，現代機械制造工業也開始將經濟性作為重要的發展目標。來考慮生態平衡、環境保護的基礎上，現代機械制造工藝越來越多將產品生命周期服務作為中心，追求產品開發速度快、成本低、質量好等一系列目標，以期獲得更優秀的經濟效果。

4 現代機械制造工藝的應用探討

現代機械制造工藝涵蓋的內容十分廣泛，包括車、鉗、銑、焊等等，本文選取應用較為廣泛的焊接方面作為現代機械制造工藝應用的探究內容。

4.1 氣體保護焊工藝

氣體保護焊工藝是以不容易與外界發生反應的氣體（常使用二氧化碳）作為保護氣體，以電弧作為主要熱源來熔化金屬的焊接方法。在應用方面操作簡單，適合自動焊和全方位焊接。在焊接時不能有風，適合室內作業。

在對接焊縫進行操作時，由于氣體保護焊的熔深較大，對于板厚較小的板材焊接可以采用工形坡口雙面單道焊接；對于開坡口的焊接，若是坡口較窄，可以采用多層單道焊，若是坡口較寬，可以采用多層多道焊。對于角焊縫的操作來說，由于其容易產生咬邊、未焊透以及焊縫下垂等缺陷，所以應嚴格控制焊絲的角度。若是等厚板進行焊接，焊絲和水平板的角度要控制在40～50°；若是不等厚板進行焊接，焊絲的傾角要使得電弧偏向厚板方向，板厚越厚，焊絲和其夾角要越大。

這種焊接方式的優點在于保護性較強，能避免無關反應物影響焊接操作，且焊絲自動送絲，敷化金屬量大，能夠達到更高的生產效率。

4.2 埋弧焊工藝

埋弧焊是現代機械制造工藝中應用極廣的一種焊接工藝，如圖1所示，埋弧焊（含埋弧堆焊及電渣堆焊等）是一種電弧在焊劑層下燃燒進行焊接的方法，可焊接的鋼種包括碳素結構鋼，不銹鋼，耐熱鋼及其復合鋼材等。埋弧焊在造船，鍋爐，化工容器，橋梁，起重機械，冶金機械制造業，海洋結構，核電設備中應用最為廣泛。此外，用埋弧焊堆焊耐磨耐蝕合金或用于焊接鎳基合金，銅合金也是較理想的。

圖1 幾種不同類型的埋弧焊示意圖

焊接過程中，在工件被焊處覆蓋著一層30～50mm厚的粒狀焊劑，連續送進的焊絲在焊劑層下與焊件間產生電弧，電弧的熱量使焊絲、工件和焊劑熔化，形成金屬熔池，使它們與空氣隔絕。隨著焊機自動向前移動，電弧不斷熔化前方的焊件金屬、焊絲及焊劑，而熔池后方的邊緣開始冷卻凝固形成焊縫，液態熔渣隨后也冷凝形成堅硬的渣殼。

這類工藝的優勢除了生產效率高、焊縫質量好以外，還不存在弧光輻射，使得其對于焊接人員的危害程度較低。

4.3 螺柱焊工藝

螺柱焊工藝指的是先將螺柱與管件或者板件利用固件進行連接，然后再引入電弧使接觸點熔化在一起，最后對螺柱施加一定大小壓力完成焊接。螺柱焊的基本原理在于待焊螺柱和工件之間引燃電弧，當螺柱和工件被加熱到合適的溫度時，通過外力的作用，螺栓送入工件上的焊接熔池形成焊接接頭。

根據焊接原理的不同，螺柱焊工藝分為儲能式和拉弧式兩種。其中儲能式焊接因其熔化深度較小，多應用于薄板焊接，而拉弧式焊接在觸電融化過程中會提升熔深，故多用于重工業的厚鋼板焊接之中。這類焊接方式的優勢在于無需進行打孔、鉆洞、粘結等繁瑣工藝，固定后即可進行焊接，從而有效避免了某些惡劣環境下焊接所存在的漏氣漏水現象，是現代機械制造業中的常用焊接方式。

4.4 攪拌摩擦焊工藝

摩擦焊是利用工件端面相互運動、相互摩擦所產生的熱，使端部達到熱塑性狀態，然后迅速頂鍛，完成焊接的一種方法。其原理為：攪拌摩擦焊焊接過程是由一個圓柱體或其他形狀（如帶螺紋圓柱體）的攪拌針（welding pin）伸入工件的接縫處，通過焊頭的高速旋轉，使其與焊接工件材料摩擦，從而使連接部位的材料溫度升高軟化。同時對材料進行攪拌摩擦來完成焊接的。

摩擦焊可以方便地連接同種或異種材料，包括金屬、部分金屬基復合材料、陶瓷及塑料。現已在鐵路、飛機、車輛等大型機械制造業上有了更優秀的應用。隨著科技的發展，材料研究的不斷深入，高強鋁合金在航天器構件上應用越來越廣泛，航天器燃料貯箱就是其中典型構件之一。但2000系列、7000系列的高強鋁合金熔焊焊接性極差，如何連接成為困擾工程技術人員的主要問題。波音公司與英國焊接研究所合作，成功的利用攪拌摩擦焊技術解決了工程中的連接問題。中間艙段連接采用攪拌摩擦焊技術的DeltaⅡ火箭于1999年8月17日成功發射，并于2001年4月7日成功用于運載“火星探索號”，該次發射也是攪拌摩擦焊技術首次應用于壓力容器，采用攪拌摩擦焊技術連接的燃料貯箱工作溫度為-195℃～＋183℃。采用攪拌摩擦焊技術，助推艙段焊接接頭強度提高了30～50%，制造成本下降了60%，制造周期由23d減少至6d。截至TWI發布此信息之日，應用于DeltaⅡ型火箭的攪拌摩擦焊縫已達2100m，應用于DeltaⅣ火箭攪拌摩擦焊縫已達1200m，無任何缺陷。

與其它幾類焊接工藝相比，這種焊接方式具有無需焊接攪拌頭以外的焊絲，能夠有效保護體、焊條、焊劑等任何焊接性的消耗性材料，以鋁合金焊接為例，只需焊接1個焊接攪拌頭，即可實現溫下的800m的焊接要求。

5 精密加工技術的應用探討

5.1 精密切削技術

直接使用切削方法獲得機械產品的高精度是一種簡單也是最常用的精密加工方法，但這種方法同樣有著一定的局限性，以機械零件的加工為例，精密切削技術對于機床、零件、固件等相關物體均有著較高的要求，熱變形、機床自重、導軌損耗、回轉誤差等常見的故障都會使得零件的精密情況被大大降低。這就要求這類加工技術采用更高更先進的精度控制技術，包括超精密切削和金剛石刀具，精密和超精密磨削、研磨與拋光，精密和超精密機床，精加工中的測量技術和在線誤差補償，微細加工技術，精加工的支撐環境，納米技術，空氣靜壓軸承、精密陶瓷導軌、微驅動等等。此外，還應當盡可能地提升機床主鈾的轉速以提升切削精度，現在，超精密加工機床的轉速已從每分鐘幾千轉提高到幾萬轉，精度更是達到了納米數量級，隨著精密加工技術的不斷成熟，我們有理由相信精密切削這類加工技術有著更為優秀的應用價值。

例如：采用金剛石刀具進行切削，平面鏡的表面粗糙度可以達到Ry5μm，曲面鏡的表面粗糙度可以達到Ry10μm，形狀精度可以達到30μm，并且沒有塌邊的現象；相比于一般的切削加工，通過金剛石刀具超精密切削精度可以提升1～2個量級；在SPDT加工過程中可以通過數控系統進行大批量的生產加工，這樣不單單會縮短加工所用的時間，提升效率，同時加工復雜表面時也比較容易，所以，加工的設備投資雖然比較高，但是效益也比較高，總體成本還是較低的。

5.2 模具成型技術

模具成型技術主要是將計算機輔助設計、精密機械、數控激光技術以及材料學進行綜合應用的新興技術，它主要是利用離散堆積原理，將設計物體的CAD模型轉化成為實物樣件。由于此技術的原理是將三維形體轉化成為二維平面后進行分層制造，對于物體的構成復雜性不很敏感，所以物體的形狀越復雜越能體現出它的優越性。

模具成型技術開發的目的就是要縮短新產品的開發周期，降低開發成本，盡早的向市場推出滿足客戶需求、多品種小批量的產品。由于產品開發和相關制造技術的快速發展，再加上越來越多變的市場需求，造成了產品的壽命周期越來越短，例如，對于汽車、家電、計算機等電子產品，通過模具成型技術進行模型的制造，其制作周期相比傳統的模具制造可以縮短2/3～9/10，生產成本也可以降低2/3～4/5。因此，發達國家已經將模具成型技術當成縮短產品開發周期的重要課題以及制造業的核心技術進行研究，我國也進行了一定程度的快速制造業的研究和開發。

5.3 超精密研磨技術

超精密研磨技術由于具有特殊的加工原理以及對于加工設備、加工環境要求不是很高等相關特點，所以它可以實現納米級甚至是原子級的加工，其已經成為了超精密加工技術中的重要組成部分。

其加工機理在于：對于硬脆材料的研磨加工，一部分磨粒由于研磨壓力的作用，使之壓入到研磨盤內，通過露出的尖端刻劃工件的表面，進行微切削加工；而另一部分磨粒在工件和研磨盤之間進行滾動，產生滾軋效果，使工件表面產生微裂紋，裂紋擴展之后使得工件表面產生脆性崩碎，形成切屑，從而達到表面去除的目的。

超精密研磨技術主要用于集成電路基板的硅片加工，隨著集成電路的不斷發展，電路中核心元件——硅片的體積也面臨著更高的挑戰。現階段硅片的表面粗糙度要求已經達到了毫米數量級，這是用傳統的磨削、研磨、拋光方法難以打成的，因此，需要采用超精密研磨技術對其進行精細加工，常使用的超精密研磨技術包括彈性發射加工和流體動壓型懸浮研磨、促進化學反應的機械化學研磨等等。

5.4 納米技術

納米技術是在納米尺度內，通過對物質反應、傳輸和轉變的控制來實現創造新的材料、器件和充分利用它們的特殊的性能，并且探索在納米尺度內物質運動的新現象和新規律。

科技水平的不斷進步，尤其是在電子行業這一朝陽產業，納米技術得到了很大的發展，主要是集中在電子復合薄膜，利用超微粒子來改善膜材的電性、磁性和磁光特性，此外還有磁記錄、納米敏感材料等。隨著人們生活水平的日益提高，及人們對環保的重視程度不斷加強。空氣質量與工業廢水處理已成為城市的一個生活生存質量標志。納米材料由于其特有的表面吸附特性，使其在凈化空氣與工業廢水處理方面有著很大的發展前景。

納米技術目前已成功用于許多領域，包括醫學、藥學、化學及生物檢測、制造業、光學以及國防等等。包括如下領域：納米技術在新材料中的應用、納米技術在微電子、電力等領域中的應用、納米技術在制造業中的應用、納米技術在生物、醫藥學中的應用、納米技術在化學、環境監測中的應用、納米技術在能源、交通等領域的應用、納米技術在農業中的應用、納米技術在日常生活中的應用。例如：在紡織以及化纖制品中添加納米微粒，可以除味殺菌。化纖布雖然結實，但有煩人的靜電現象，加工少量金屬納米微粒就可消除靜電現象。

納米技術應用前景十分廣闊，經濟效益十分巨大。美國權威機構預測，未來納米技術的應用將遠遠超過計算機工業。納米復合、塑膠、橡膠和纖維的改性，納米功能涂層材料的設計和應用，將給傳統產生和產品注入新的高科技含量。專家指出，紡織、建材、化工、石油、汽車、軍事裝備、通訊設備等領域，將免不了一場因納米而引發的“材料革命”現在我國以納米材料和納米技術注冊的公司有近100個，建立了10多條納米材料和納米技術的生產線。納米布料、服裝已批量生產，象電腦工作裝、無靜電服、防紫外線服等納米服裝都已問世。加入納米技術的新型油漆，不僅耐洗刷的性能提高了十幾倍，而且無毒無害無異味。納米技術正在改善著、提高著人們的生活質量。

6 結束語

綜上所述，對于現代化機械制造行業而言，其發展的快慢在某種程度上與機械制造工藝與精密加工技術息息相關。基于此，結合現代機械制造工藝發展的實際情況，掌握其未來的發展趨勢，最終促進精密加工技術的不斷提升，值得相關人員進一步探討。

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TH16

A

1004-7344（2016）04-0243-02

2016-1-20

謝興平（1985-），男，漢族，工程師，本科，主要從事機械設備制造工作。