现代机械制造技术

    现代机械制造技术是20世纪80年代提出的,但它的工作基础已有半个多世纪。最初是手工制造,后来逐渐用机械代替手工,既提高了产品的质量和生产效率,也减轻了繁重的体力劳动。机械制造技术有两方面的含义,一是用机械加工零件的技术,即在机器上采用切削方法完成零件的加工,这种机器通常称为机床、工具机或工作母机;二是指制造某种机械的技术,如生产制造汽车、涡轮机等。近年来,机械制造方法有了很大的改进,除机械加工方法外,还出现了电加工、光学加工、电子加工、化学加工等非机械加工方法,因此人们把机械制造技术扩大,称之为机械制造技术,具有泛指之意,强调了各种各样的机械制造技术,但机械制造技术仍是主体和基础部分。先进机械制造技术是将机械、电子、信息、材料、能源和管理等方面的技术进行交叉和融合,综合应用于产品生命周期的制造全过程,包括市场需求、产品设计、工艺设计、加工装配、检测、销售、维修等,以实现优质、敏捷、高效、低耗、清洁的生产,快速响应市场的需求。

    现代机械制造技术是当前世界各国研究和发展的主题,在市场经济的今天占有十分重要的地位。人类的发展过程就是一个不断制造的过程。在人类发展的初期,制造了石器以便于狩猎。此后,出现了陶器、铜器、铁器和一些简单的机械,如刀、剑、弓、箭等兵器,锅、壶、盆、罐等用具,这些工具和用具的制造过程都很简单,规模和技术水平都非常有限。随着社会的发展,机械制造技术的范围、规模在不断扩大,技术水平也在不断提高,不仅表现在生活水平和战争升级上,而且向文化、艺术、工业方面发展,出现了纸张、笔墨、活版印刷、石雕、珠宝、钱币、金银饰品等制造技术。到了近现代,出现了大工业生产,使得人类的物质文明有了很大的提高,科学技术有了更快更新的发展。蒸汽机制造技术的问世带来了工业革命和大工业生产;内燃机制造技术的出现和发展促成了现代汽车、火车和舰船的问世;喷气涡轮发动机制造技术促进了现代喷气客机和超音速飞机的发展;集成电路制造技术的进步提高了现代计算机的水平;纳米技术的出现开创了微型机械的先河。火箭、宇宙飞船、航天飞机、人造卫星以及空间工作站等制造技术的出现,使人类的活动走出地球,走向太空。因此,人类的活动与机械制造技术的发展密切相关。

    从设想到现实,从精神到物质,都是靠制造实现的。机械制造是科学技术物化的基础,科学技术的发展又提高了制造的水平。信息技术引入机械制造技术,使机械制造技术产生了革命性的变化,出现了机械制造系统工程学,它由物质流、能量流和信息流组成,由机械制造技术与系统论、方法论、信息论、控制论和协同论相结合而构成。

    机械制造技术的涉及面非常广,冶金、建筑、水利、机械、电子、信息、运载、农业等各个行业都有制造业的支持。冶金行业需要冶炼、轧制设备;建筑行业需要塔吊、挖掘机和推土机等工程机械。因此,机械制造业是一个支柱产业。机械制造技术既有普遍性、基础性的一面,又有特殊性、专业性的一面。

    现代机械制造工艺技术是先进机械制造技术的重要组成部分,也是最有活力的部分。产品从设计成为现实是必须通过加工才能完成的,工艺是设计和制造的桥梁,设计的可行性往往会受到工艺的制约,因而工艺往往会成为“瓶颈”,因此,工艺方法和水平是十分重要的。不是所有设计的产品都能加工出来,也不是所有设计的产品通过加工都能达到预定的技术性能要求。“设计”和“工艺”同等重要,把“设计”和“工艺”对立或割裂都是不对的,应该用广义制造的概念把它们统一起来。人们往往看重产品设计师的作用,而未能正确评价工艺师的作用,这是当前影响制造技术发展的关键问题之一。

    同样的设计可以通过不同的工艺方法来实现,工艺不同,所用的加工设备、工艺装备也就不同,其质量和生产效率也会有差别。工艺是生产中最活跃的因素,通常,有了某种工艺方法之后才有了相应的工具和设备出现,而这些工具和设备的发展又提高了该工艺方法的技术性能和水平,扩大了应用范围。新工艺的突破带动了加工技术的发展。在20世纪40年代,苏联科学家拉查连科发明了电加工方法,此后就出现了电火花线切割加工、成形加工、高速打孔加工等方法,发展了一系列的相应设备,形成了一个新兴行业,对模具的发展产生了重大影响。当科学家们发现激光、超声波可以用来加工时,便出现了激光打孔、激光切割、激光焊接、激光干涉测量、超声波打孔、超声波探伤等加工方法,相应地发展了一批加工设备,与其他非切削加工手段结合在一起,形成了特种加工技术,即非传统加工技术,在加工技术领域,形成了一支突起的异军。由于工艺技术的丰富多彩,使得加工技术水平也在不断提高。

    在上世纪初,德国就非常重视工艺,出版了不少工艺工作手册。到了20世纪50年代,苏联的许多学者在德国学者研究的基础上,出版了《机械制造工艺学》《机械制造工艺原理》等著作,在大学开设了机械制造专业,将工艺提升到理论高度。在20世纪70年代,又形成了机械制造系统和机械制造工艺系统,此后,工艺技术形成一门学科。近年来,机械制造加工工艺理论和技术的发展比较快,除传统制造方法外,由于制造精度、表面粗糙度和质量的提高及许多新材料的出现,特别是不少新型产品的制造生产,如计算机、集成电路、印刷线路板等,与传统制造方法有很大的不同,开辟了许多制造工艺的新领域和新方法,主要可分为工艺理论、加工方法、制造模式、制造技术和系统等。机械制造工艺理论包括:加工成形机理、精度原理、相似性原理、决策原理和优化原理等若干方面。

    机械制造是从产品概念到最终产品的集成活动,是一个功能体系和信息处理系统。这个系统向着柔性化、集成化、智能化方向发展。并行工程、精良生产、敏捷制造和及时生产等是当前制造系统的新概念,提倡面向制造的设计、面向装配的设计、甚至面向价值的设计。并行工程是集成地、并行地设计产品及其相关的各种过程,要求产品开发人员在设计一开始就考虑产品从概念形成、生产到报废处理整个生命周期的所有因素,如用户要求、质量、进度计划及成本等,因此,它是采用动态优化方法处理问题的一种系统工程方法。精良生产是在产品开发、生产、销售过程中,实现最大限度的精简,简化组织机构,进行各方面人员的集成,获取最大效益,达到最大限度满足用户需求,提高企业竞争能力。

    人类处于小生产、手工生产时,设计和工艺是密切结合的,有时甚至是同时的。并且统一在同一个人身上。大规模、大批量生产出现后,由于生产需要,设计与工艺分开了,甚至出现了工艺从属于设计的现象。但是随着社会的发展和人类生活水平的不断提高、多品种单件小批生产在整个生产中占多数,产品规格式样不断更新的需求越来越大,从而导致设计与工艺的一体化,并可能会出现工艺过程主宰产品的现象。为了保证将设计变成现实、工程一次成功,并行工程技术应运而生,而面向制造的设计成为并行工程的一个新方法、新途径。

    机械制造已经具有随不同对象和时间而改变的功能结构,建立了表达功能的模型和功能之间的信息流和物质流,可以对制造系统进行分析并找出控制其性能的规则,预测其情况变化时所产生的影响。机械制造技术的当务之急是要发展它所需要的科学和工程理论基础,现在的机械制造技术越来越以科学为基础,越来越多靠理论、算法、实验、分析、模型、模拟、仿真等手段来开发和深化,要发展和形成一门真正的科学。机械制造科学是以机械为主由机械、计算机、信息、材料、自动化等学科的有机结合而发展起来的一门跨学科的综合科学,计算机的问世和计算机科学的发展加速了制造科学的形成,而机械制造技术的发展和制造系统的出现为制造科学的形成创造了基础和条件。由于把设计和制造的整个过程集成起来,形成了制造科学的二元化理论。

    一方面由于国际和国内市场上的竞争越来越激烈,例如在机械制造业中,不少暂时还在国内市场上占有份额的企业,不得不扩展新的市场;另一方面,网络通讯技术的快速发展推动了企业向着既竞争又合作的方向发展,这种发展进一步激化了国际间市场的竞争。这两个原因的相互作用,已成为全球化制造业发展的动力,全球化制造的第一个技术基础是网络化,网络通讯技术使制造的全球化得以实现。网络通讯技术的迅速发展和普及,给企业的生产和经营活动带来了革命性的变革。产品设计、物料选择、零件制造、市场开拓与产品销售都可以异地或跨越国界进行。此外,网络通讯技术的快速发展,加速技术信息的交流、加强产品开发的合作和经营管理的学习,推动了企业向着既竞争又合作的方向发展。在现代机械制造过程中,信息不仅已成为主宰制造产业的决定性因素,而且还是最活跃的驱动因素。提高制造系统的信息处理能力已成为现代制造科学发展的一个重点。

    机械制造过程是一种离散的生产过程,与连续的生产过程相比,实现其自动化更为困难。机械制造自动化的发展经历了单机自动化、刚性自动线、数控机床和加工中心、柔性制造系统和计算机集成制造系等几个阶段,并向柔性化、集成化、智能化进一步发展。自动化的目的不仅是提高生产效率和改善劳动条件,而且往往是保证产品质量的必要措施,自动化是一个动态概念,目前它的研究主要表现在制造系统中的集成技术和系统技术、人机一体化制造系统、制造单元技术、制造过程的计划和调度、柔性制造技术和适应现化生产模式的制造环境等方面。制造自动化技术的发展趋势是制造全球化、制造敏捷化、制造网络化、制造虚拟化、制造智能化和制造绿色化。

    绿色机械制造则通过绿色生产过程、绿色设计、绿色材料、绿色设备、绿色工艺、绿色包装、绿色管理等生产出绿色产品,产品使用完以后再通过绿色处理后加以回收利用。采用绿色机械制造能最大限度地减少制造对环境的负面影响,同时使原材料和能源的利用效率达到最高。

    当前,我国已是一个机械制造大国,世界机械制造中心可能将转移到中国,这对我国的机械制造业是一个机遇和挑战。要成为世界机械制造中心就必须掌握先进的制造技术和核心技术,要把握时机,迎接挑战,变被动为主动,才能从机械制造大国成为机械制造强国,使我国真正成为独立自主而又具有国际水平的世界机械制造中心。

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