現代機械制造工藝及精密加工技術研究

王國偉

（沈陽理工大學工程實踐中心，沈陽 110159）

隨著科技的發展與進步，我國已經成為工業化制造業大國。近年來，我國在現代機械制造技術和精密加工技術方面取得了很大進步，制造業規模位居世界第四，僅略遜于美國、德國和日本。目前，我國與其他發達國家的制造業尤其是高精密加工方面尚存在較大差距。雖然我國每年出口大量機械制造產品，但往往是低技術含量、低成本的產品，仍需要從國外進口大量技術含量高、成本高的產品。雖然我國已經發展了一些先進的精密加工技術和設備，但現有的技術和設備還不足以支持先進的技術生產。因此，我國每年需要進口大量無法國產的精密數控機床和儀器。此外，我國無法購買一些急需的重要高精度機床和儀器，必須發展自己的現代制造工藝和精密加工技術，投入足夠的精力，提升我國制造業水平，使我國成為真正的發展強國[1-3]。

1 研究背景和研究現狀

現代機械制造技術在20世紀80年代提出，已有半個多世紀的工作基礎。它源于手工制造技術，后來隨著技術的發展逐漸通過機械制造代替手工制造，不僅提高了產品生產效率，而且提高了產品生產質量，減輕了勞動力的體力負荷。迄今為止，先進的機械制造工藝將電子、信息、機械、材料以及能源等方面的技術結合并集成，以滿足預期的功能需求。

1.1 現代機械制造工藝發展史

工業發展前，人們使用最原始的純手工制造，效率低，人力成本高，需要大量勞動力。在緩慢的發展過程中，為了追求高效生產，流水線制造逐漸出現在制造過程中，可以實現大規模生產，加快產品生產，減少工作量，但仍需要大量工作。隨著科技的發展與進步，智能制造逐漸取代體力勞動，同時產品的制造水平逐步提高，大大保證了產品質量，但生產手段變得越來越復雜。隨著計算機科學的發展，機器制造變得更加智能化，生產模式得到了極大優化，使得機器由計算機設備控制進行制造。機械制造技術的發展離不開前人對現有技術的不斷研究。機械制造工藝發展到現階段，通過各種高科技技術的集成和計算機的完全智能化大大減少了勞動力[4]。

1.2 精密加工技術發展現狀

20世紀80年代中期，我國研發了世界一流的精密機床及其零部件，大大提高了制造水平。我國大力發展精密加工技術，極大地提高了我國的尖端技術和國防水平。進入21世紀，精密加工技術被廣泛應用于航空航天、電子信息等領域。隨著各行業的不斷發展，人們對各種高精度部件的要求越來越高，推動了精密加工技術的發展。目前，我國開發了更多的精密機床、加工設備和零件，不斷發展新型精密機械加工技術。

1.3 現代化機械制造技術與精密加工技術的聯系與特點

現代化機械制造技術具有廣泛含義，不僅包括傳統機械加工技術的創新創造，也包含現代化數控精密加工技術，其中精密加工技術已經逐漸成為機械加工的一種新興方向。對于現代化機械加工流程而言，每一個環節都至關重要，一旦某一環節出現問題，會對機械加工的成品造成連鎖影響。精密加工制造與現代化的機械制造工藝技術息息相關，涉及數控技術、尺寸識別與檢測、自動化控制等多個學科內容。因此，精密加工制造技術作為現代化機械制造加工工藝的重要內容，需要不斷開發高新技術，實現現代機械制造工藝和精密加工技術的全球化[5]。

2 精密加工技術研究方法

2.1 對精密加工技術的理解

細微加工制造、超細微加工制造與精加工技術共同組成精密加工制造技術，功能與特點如表1所示。

表1 機械制造工藝和精密加工技術分類表

2.2 現代機械制造工藝和精密加工技術分析

現代化機械加工制造工藝有多種技術方向分支。目前，最常見的技術工藝有氣體保護焊接工藝、攪拌摩擦焊接工藝、電阻焊接工藝、埋弧焊接工藝以及螺柱焊接工藝等。

2.2.1 氣體保護焊工藝

氣體保護焊技術使用電弧焊零件。氣體可以在零件表面形成氣層，對零件起到很好的保護作用。焊接過程中，經常使用二氧化碳作為氣層。二氧化碳不僅容易獲得，成本低，而且對零件有較好的保護作用，可以提高焊接質量，有效提高生產的經濟效益，保證產品的生產質量。二氧化碳氣體保護焊技術主要使用二氧化碳和焊絲。氣體保護焊作為領先的機械生產工藝之一，廣泛應用于化工、交通等諸多領域[6]。

2.2.2 摩擦焊工藝

摩擦焊接技術廣泛應用于飛機、鐵路、車輛等制造業。隨著技術的發展與各學科之間的交叉應用，摩擦焊技術廣泛應用于各行各業。目前，摩擦焊接技術在我國已具有一定的水平。焊接鋁合金時，可直接焊接800 m。摩擦焊的焊接溫度相比其他焊接方式而言較低，具有低能耗和高安全性的特點。摩擦焊工藝工廠實操，如圖1所示。

圖1 摩擦焊工藝工廠實操圖

2.2.3 電阻焊工藝

電阻焊工藝通過強電流焊接物體表面，利用焊接物體表面的電阻產生巨大熱量焊接物體，主要實施方法為對目標焊接物體的兩端通電，通過焊接極產生的強大電流，在電流通過附近產生熱阻效應，促進其與金屬結合。電弧焊具有焊接效率較高、資源消耗少、焊接質量較高等優勢，廣泛應用于家電設備加工、汽車重要零部件制造以及航天設備制造等方面。

2.2.4 埋弧焊工藝

埋弧焊工藝可以分為全自動埋弧焊和半自動埋弧焊工藝，主要在流動層下焊接電弧。全自動埋弧焊技術主要應用于通過專用小車輸送焊絲與電弧的焊接流程，而半自動埋弧焊技術的焊絲與電弧需要人工運輸，因此半自動埋弧焊在埋弧焊發展過程中逐漸沒落。在選擇埋弧焊焊接工藝時，應該考慮流量選擇、冶金性能、電流類型與等級等重要技術指標。埋弧焊工藝焊接成品，如圖2所示。

圖2 埋弧焊工藝焊接成品圖

2.3 精密加工技術

2.3.1 研磨工藝

研磨技術是指對產品表面進行研磨和拋光，以降低產品表面粗糙度，達到預期標準的技術。傳統的研磨技術僅適用于一些普通產品。隨著工業技術的不斷發展，傳統的磨削技術已經不能滿足市場需求。為了適應市場，將精密加工技術應用于磨削技術，改善了傳統磨削技術的缺點。磨削技術中采用磁懸浮技術，可使磨削更加精確，減少了磨削過程中對零件的損壞，延長了產品的使用壽命[7]。

2.3.2 微機械技術

微機械技術是指利用半導體技術在微米領域設計和制造三維機械系統和微米級機械部件。機械化生產過程不僅需要生產材料，還需要嚴格控制加工和包裝。微處理技術采用先進的控制技術，確保產品質量。與傳統的機械制造技術相比，微加工技術是一種操作方便、精度高的新型控制技術。由于微型機械產生的產品信息規模小、數量大，已被廣泛應用于各個行業。許多大型工業對許多零件都有很高要求，只有微機械技術才能滿足其精度要求。

2.3.3 切割技術

切割技術是指直接利用切割獲得高精度產品。因此，通過切割獲得的產品可能有更高的要求。然而，通過切削技術來保證工件表面的高尺寸精度與幾何精度的前提是去除工件、刀具和機床相關的尺寸影響。

3 現代機械制造工藝及精密加工技術研究的意義

3.1 研究實現現代機械制造工藝和精密加工技術的重要性

隨著科學技術的不斷發展進步，機械制造行業面臨著巨大轉型。各國在大力發展制造業，在精密和超精密加工技術領域存在極其激烈的競爭。與發達國家相比，我國的精密和超精密加工技術較落后，大量精密產品仍需進口。精密和超精密加工目前包括超精密切割、精密磨削和超精密加工3個領域。超精密切割可以加工各種鏡子，成功解決了激光反射鏡、高精度陀螺儀和一些大型反射鏡的加工問題。精密磨削和超精密加工，如高精度硬盤表面和大規模集成電路基板加工。

3.2 現代機械制造工藝和精密加工技術的發展前景

機械制造業在國民工業中占有重要地位，是一個國家的支柱產業，對國民經濟的發展具有重要作用。在長期的經濟建設中，我國機械制造業取得了顯著成績，但也暴露出一些問題。

對于任何一個國家來說，機械制造業水平對其經濟建設具有重大影響。機械制造業水平在一定程度上可以反映國家經濟建設的整體水平。因此，機械制造業不僅是國家發展的重要保障，也是衡量國家建設水平的重要標準之一。

從我國目前的機械加工制造發展現狀來看，精密加工制造技術主要朝著高精度、大型化、精細化方向發展，同時包括檢測與加工一體化方向、多功能模塊化精密機械加工制造方向、加工材料、原理探索等發展方向。首先，高精度開發。從目前的亞微米級到納米級，最終實現“移動原子”的目標，實現了原子級加工。其次，向大型化方向發展。針對開發各種大型超精密加工設備，以滿足航空航天、通信以及軍事等領域的需要。最后，向小型化方向發展，以滿足微型計算機和集成電路快速發展的需要。

隨著超精密結構、多功能、光電機電一體化、檢測處理與集成的發展，先進的檢測與監控技術被廣泛應用于誤差補償，不斷提出新工藝和復合加工技術，以擴大加工材料的范圍。

超精密加工技術的主要研究方法是高精度加工機理設計與研究，其中又細分為細微加工原理研究和微觀表面完整性研究。超精密加工設備的研究對超精密加工制造行業的發展具有重大影響，其中包括納米級精密車床工程研究、相關車床的軸系配合、直線導軌與滑動機構的選擇、伺服數控系統的控制與調配以及微小位移控制等多個方向。對于高精度機床的裝配與生產技術研究，主要體現在高精度車床的加工方法、磨料與銑削技術上，不僅可以加強金剛石刀具的加工硬度，而且有助于創新微型精鋼石砂輪粉磨與修整技術。

4 結語

科技的不斷發展、基礎理論的研究與相關研究設備的不斷出現，對科技革新產生了重大影響。本文主要研究現代化機械加工制造技術與精密加工制造技術的聯系與特點，根據現代化機械加工制造工藝的發展現狀，對未來現代化機械加工方向中的超精密機械加工制造進行進一步展望與思考。工業創新和現代技術是現代機械制造技術的重中之重，是國民經濟的重要組成部分，也是反映國家科技發展水平的重要指標，在國民經濟中發揮著重要作用。我國作為制造業與工業大國，加工制造技術的發展與提升對國家整體水平的提高至關重要。因此，必須了解當前機械加工制造技術的現狀，合理估測未來的發展趨勢，不斷發展我國的現代機械加工制造工藝技術，從而提高我國生產制造的工藝水平。