現代機械制造工藝與精密加工技術問題分析

楊青

（江海職業技術學院，江蘇 揚州 225000）

0 引言

進入21世紀以來，我國社會經濟發展十分迅速，尤其是在工業行業領域內，各種現代技術的廣泛應用，大大提高了我國工業制造水平，從而更加充分地滿足工業產品市場的具體需求。但我國在現代機械制造工藝與精密加工技術方面的研究水平，還有待進一步提升，各種工業技術還有待進一步完善。所以，必須對現代機械制造工藝與精密加工技術相關問題進行深入分析和研究，以加快推動我國工業產業的發展。

1 現代機械制造工藝與精密加工技術的優勢

1.1 更具整體性

現代機械制造技術不單單涵蓋工業制造過程，還進一步涵蓋了工業產品的研發設計、銷售及售后服務等各個生產運營流程，不同流程之間的密切配合才能促進企業的健康穩定發展。而現代機械制造工藝與精密加工技術，就是把產品不同元素組合起來構成一個完美整體提供了有效的技術支撐，不同構件之間相輔相成、緊密共存，方可使整個產品能夠高效流暢地運行，并有效提高了產品使用的便捷性，從而充分滿足社會大眾的實際需要[1]。

1.2 更具綜合性

近些年來，各種科學技術不斷發展和進步，大大推動了工業制造行業的發展，而現代機械制造工藝與精密加工技術就屬于多種技術協調應用的工業生產活動，這在很大程度上促使各種工業產品不斷朝人性化方向發展，例如一系列的智能手機，就充分集成了光感、聲控以及平衡等先進技術。還有其他更多更加精密的工業產品，也都高度集成了各種現代技術。各種綜合性較強的工業產品只有通過現代機械制造工藝與精密加工技術，方可被廣泛應用到社會經濟發展中。

1.3 更具競爭性

目前，世界經濟一體化趨勢更加明朗，現代機械制造相關企業不但要面對國內同行之間的競爭，還要面對國外企業的沖擊。基于現代機械技術制造的人性化、自動化的發展趨勢，各大企業若想要在激烈的市場競爭中占有一席之地，就一定要促使自身工業制成品在保證基本使用功能的基礎上，更加滿足人性化、便捷化的市場需求，也只有加強應用現代機械制造工藝與精密加工技術，才能不斷增強工業企業的市場競爭力。

2 現代機械制造工藝

2.1 氣體保護焊接工藝

目前氣體保護焊接工藝是指將電弧作為焊接作業所需熱源的一種焊接工藝流程，這種工藝的特點是被焊接物周圍存在一層具有保護作用的氣體介質。在具體的金屬焊接中，電弧周圍會形成一個氣體保護層，使電弧和熔池有效隔離在空氣之外，如此有助于防止有害氣體對焊接作業造成不良影響，并避免這些氣體進入被焊接部位而導致焊接物喪失一定程度的金屬韌性[2]。同時，氣體保護焊還能有效維持焊接中電弧的穩定性，提高焊接材料的燃燒效率，防止燃燒不徹底而產生有害氣體，影響到焊接人員的身體健康。將氣體保護焊接工藝應用在機械制造過程中，能夠有效增強生產效果，充分保證焊接質量。

2.2 電阻焊焊接工藝

電阻焊焊接工藝流程：首先，將被焊接物置于正負電極間，然后對其通電，在電流的作用下，促使被焊接物接觸面及其周邊形成電阻熱效應，從而瞬間加熱金屬并使其融化，與其他金屬發生融合，進而達到焊接目的。這種焊接工藝的焊接質量非常高，加熱與焊接所需時間非常短，操作相對簡單，不僅工作效率較高，而且還不會產生有害氣體而污染到空氣環境。目前，電阻焊焊接工藝的缺陷是：焊接設備成本投入較高，同時很難維修，并且焊接過程要耗費較多電能。所以，這種焊接工藝主要在航空航天、汽車以及醫療等尖端技術行業領域內應用。

2.3 埋弧焊焊接工藝

埋弧焊焊接工藝是指在焊接作業中，促使電弧在焊接層下發生燃燒，從而實現焊接目的的焊接技術流程。埋弧焊焊接工藝存在兩種使用方式。第一種，自動埋弧焊。這種焊接方式是通過小車送進焊絲并移動電弧，再實施自動焊接作業的方式。第二種，半自動埋弧焊。該焊接方式是通過人工方式將送進焊絲并移動電弧從而實現焊接目的的，此焊接作業的勞動強度很高，在時代不斷發展的過程中，半自動焊接技術將逐漸被淘汰。在以往的焊接作業中，常常使用半自動電弧焊焊接工藝，這種工藝技術已經被電渣壓力焊接逐步替代。電渣壓力焊的焊接效率非常高，并且焊接效果良好，從而被普遍應用在機械制造工藝流程中。

2.4 攪拌摩擦焊接工藝

攪拌摩擦焊接工藝是英國研發的一種焊接工藝技術，普遍應用在汽車、船舶以及鐵路等多個行業領域中。這種焊接工藝的優點較多，如在焊接作業中，只需焊接攪拌頭，無需使用焊條以及焊絲等焊接材料。同時，在進行鋁合金等金屬焊接作業時，各攪拌頭可焊接80厘米焊縫，并且在低溫環境中也能有效實施焊接作業。

2.5 螺柱焊焊接工藝

螺柱焊焊接工藝主要是指把螺柱與被焊物表面密切接觸，通過電弧將被焊物表面融化，并通過給螺柱施加壓力進而實現焊接目的的工藝技術。

螺柱焊焊接工藝分為拉弧式螺柱焊接與儲能式螺柱焊接兩種方式，拉弧式螺柱焊接的熔深較大，普遍應用于重工業生產過程中。而儲能式螺柱焊接的熔深相對較小，一般用于薄板焊接方面。這兩種焊接方式在單面焊接方面具有較為顯著的優點，在焊接過程中無需實施粘結、鉆洞以及打孔等操作步驟，并且焊接過程中很少發生漏水與漏氣問題，所以螺柱焊接工藝被廣泛應用在現代機械制造中[3]。

3 機械制造中的精密加工技術

3.1 超精密切削技術

在機械設備精密加工中，常常采用直接切削的方式。但要想保證通過切削加工出的產品表面必須具有良好的精準度和粗糙度，就一定要將機器以及外界因素的影響有效消除。比如，機床加工精度的提升，對機床的剛度有很高的要求，即其剛度不能因溫度提升而出現變形現象，并且必須擁有較強的抗振性能。要想達到這些要求，可采用兩種方式。第一，要充分提升機床主軸的轉速，因此目前的超精密加工機床的轉速，由過去的每分鐘幾千轉已經加快到幾萬轉[4]。第二，就是要運用更為先進的技術，比如空氣靜壓軸承、微驅動和微進給技術、以及精密定位技術等。

金剛石是超精密切削加工所用刀具的材質,金剛石刀具與有色金屬的親和力相對較小,并且具有非常高的硬度，以及非常強的耐磨性和導熱性,并且可以將刀刃磨得極為鋒利,刃口圓弧半徑可在0.01微米以下,常用的金剛石刀具的刃口圓弧半徑為0.05微米,經其加工過的表面粗糙度Ra能達到0.01微米以下。

同時，超精密切削加工機床擁有空氣軸承與氣浮導軌等高精度基礎元部件，以及激光檢測系統與光柵等高精度定位檢測元件，并采用了高分辨率的微量進給機構。機床自身具有恒溫、防振與隔振等性能,并安裝有避免污染工件的設備。

超精密切削加工技術對所加工零件的材質也有很高的要求，零件材料一定要質地均勻,不存在瑕疵。利用該技術加工的無氧銅材料,其表面粗糙度Ra能達到0.005微米,加工出的800毫米的非球面透鏡,其具體形狀精度能達到0.2微米。目前,能夠適用于超精密切削加工的材料已經擴展到有機玻璃、塑料制品以及陶瓷等諸多種類。

3.2 超精密研磨技術

過去的工件研磨與拋光技術無法有效滿足目前工件的生產需要，若要提高工件加工的精度，就必須在加工過程中合理控制工件表面的粗糙度。現階段，我國機械制造領域普遍采用的是原子級的研磨拋光技術，通過此類技術能夠大大加強對工件表面粗糙度的控制，對于工件生產有非常良好的作用。

超精密研磨技術又稱為游離磨粒切削加工技術，如圖1所示是單個磨粒的磨削模型示意圖。工件與磨粒進行摩擦而產生熱量與切屑，并出現新生面，同時促使原子發生紊亂。超精密研磨技術所用磨料，主要是粒徑僅有幾納米的研磨微粉，能夠使鏡面加工出的尺寸精度低于0.01微米，角度偏差不超過0.01秒，表面粗糙度Ra能夠達到0.01微米，并且圓度誤差低于0.01微米，每米直線度誤差不超過1微米，屬于一種可達到無加工變質層以及無表面損傷效果的超精密加工技術。

圖1 單個磨粒的磨削模型Fig. 1 Grinding model of single abrasive

超精密研磨技術可分為兩種類型，第一種是致力于表面粗糙度降低，或尺寸精度提升的技術類型。第二種是致力于材料元件功能實現的技術類型。這需要將表面粗糙度以及極小變質層等方面的問題有效解決，以滿足高精度要求。在加工電子材料時，不僅對其形狀精度有很高要求，還要求其一定達到結晶學中的無損傷鏡面。在加工單晶材料時，對其平面度、厚度以及晶相的定向精度也有非常高的要求。

3.3 微機械技術

（1）LIGA技術。LIGA技術能夠有效加工金屬材料、陶瓷材料以及塑料等多種材料類型，是一種應用較為普遍的三維加工技術，該精密加工技術的顯著特點就是其加工深度可達到數百微米的程度。這種技術通常將加速器作為加工的基礎，通過其發出的X射線刻在光敏聚合物層上，以形成工件圖形，然后利用電場將金屬遷移到已做好的模型中，最終形成金屬結構[5]。

（2）微放電加工技術。微放電加工技術也具有較為獨特的優點，就是采用該技術進行精密加工時，所產生的加工阻力比其他技術相對較小，不僅能用于導電性材料的加工方面，還能夠用于半導體材料的加工。所以，微放電加工技術在微機械構件制造領域應用較為普遍。同時，利用微放電加工技術還能從根本上解決銀鎢絲在機床加工中的成形問題。隨著該技術的不斷發展和進步，微放電技術的加工精度與微細程度都取得了非常大的突破。

（3）腐蝕技術。腐蝕技術包括三類不同方面的技術。首先是濕法腐蝕技術。該類技術建立在電化學的基礎上，能夠對腐蝕深度實現精準控制，常用于硅結構的制作過程中。其次是干法腐蝕技術。這種技術的特點是其分辨率與精準度均非常高，通常用于等離子體腐蝕方面。最后是各向異性腐蝕技術。這種技術是將腐蝕液作用在硅結構中，促使不同晶向上出現有差異的腐蝕速度，并在此基礎上進行微結構或微型零件的制作。

4 現代化機械制造工藝與精密加工技術的發展狀況

4.1 虛擬化制造

虛擬化機械制造模式，是指通過先進的計算機技術，對待加工產品實施全生命周期的建模與仿真，也就是虛擬制造技術。此類技術的在應用中的工作內容是模擬仿真待加工產品的設計、制造、裝配以及檢驗等整個過程的各個環節。虛擬制造技術的有效應用，能夠促進國內機械制造企業最大程度地優化自身生產資源方面的配置，減少產品研制周期，降低生產加工成本，并有效提升產品制造質量，提高機械制造行業企業的市場競爭能力。虛擬化制造技術極大程度上改變了待加工產品的生產制造模式，從而節約諸多生產成本，大幅度提高了產品加工制造效率，這也是該技術最大的優勢所在。在對待加工產品相關的建模仿真過程中，技術人員能夠隨時發現產品制造方面可能出現的問題，能夠實現對制造系統的不斷優化，同時還能使客戶能夠對產品的性質與特點有更加直觀的了解，這有利于制造企業加工出更加令客戶滿意的產品，不僅能增強制造企業的市場競爭力，還能進一步提升其產品品質。

4.2 柔性化制造

柔性化是指柔性制造，就是在對一系列制造技術進行有效組合的基礎上，將自動化物流系統與多組柔性制造單元有效聯接，以批量完成自動化機械制造任務[6]。這種制造模式將成組技術作為制造加工的基礎，柔性制造系統能夠在特定范圍內，對成組對象類型進行自動識別，以合理確定機械制造工藝流程，同時自動選擇與機械制造工藝相匹配的柔性制造單元，在設定好數量的前提下，進行批量加工生產。

相比于過去的機械制造模式，柔性制造模式能夠進一步促進國內機械制造行業企業的市場競爭力。但在具體應用過程中，柔性制造模式還具有一定的局限性，若需加工產品的規格或類型與柔性制造系統所加工出的產品存在很大差異時，就不能采用柔性機械加工模式。

4.3 敏捷化制造

敏捷化制造模式是在虛擬制造技術的基礎上實現產品的快速加工，同時利用虛擬制造技術構建兩種制造模式共存的基本結構，從而使制造企業能夠根據市場變化快速采取合理的應對措施，進而增強制造企業的適應能力。相比于過去的制造技術，敏捷制造模式的生產效率與產品質量也更加優良，并且敏捷制造過程中的生產成本也相對較低。另外，敏捷制造能夠最大程度地提高機械制造設備的利用率，有助于制造企業的長期戰略發展目標的實現。但敏捷制造的前期投入資金非常龐大，從而在我國難以大范圍推廣和應用。

4.4 集成化制造

現代集成制造系統（英文簡稱CIMS，也叫計算機集成制造系統），是以現代化生產理念為基礎，機械制造集成化、信息化和智能化發展的理論方法。現代集成制造系統無特定的工作模式，主要包括六個系統，即工程設計分系統、生產管理經營分系統、制造自動化分系統、數據庫管理系統、計算機網絡系統以及質量保障分系統，該制造系統的目標是進行信息集成，從整體上增強制造企業的產品研發能力，全面提升制造企業管理水平[7]。但現代集成制造系統的投入成本較大，制造企業在進行規劃過程中，一定要從自身具體情況出發，注重工藝難點及重點部分的投入，通過對現有資源的最大化利用，來達成局部信息化的目標，從而進一步促進制造企業經濟收益的不斷提升。

4.5 并行化制造

并行工程的是在產品設計環節中，同時考慮待加工產品的制造、裝配、使用與售后等其他環節，是并行化處理待加工產品全生命周期各個環節的一種綜合性制造技術。并行工程并不局限在產品設計環節的工作方面，還能全面、精密地檢測產品全生命周期中各個環節存在的問題，有效降低產品研發中的試制頻率，同時還能進一步縮減產品研發時間，降低產品研發成本[8-10]。在并行工程規劃合理的情況下，甚至能夠達到一次性研發成功的最佳目標。

5 結論

總之，現代機械制造工藝與精密加工技術是工業行業領域發展的關鍵性要素，加強對現代機械制造工藝與精密加工技術的研究，對提高我國工業水平、增強我國制造類企業市場競爭力等方面，有著十分重要的現實意義。因此，各個工業企業應對現代機械制造工藝與精密加工技術的優勢有深刻認知，充分了解各種機械制造工藝技術，以及各種精密加工技術，有效把握現代機械制造工藝與精密加工技術的發展狀況，科學選擇和應用符合企業生產制造實際的工藝技術，以促進企業的快速、持續發展。