機械制造技術：先進制造技術概述一、先進制造技術的內涵及特點1．先進制造技術的內涵目前對先進制造技術尚沒有一個明確的、一致公認的定義，經過近年來對發展先進制造技術方面開展的工作，通過對其特征的分析研究，可以認為：先進制造技術是制造業不斷吸收信息技術和現代管理技術的成果，并將其綜合應用于產品設計、加工、檢測、管理、銷售、使用、服務乃至回收的制造全過程，以實現優質、高效、低耗、清潔、靈活生產，提高對動態多變的市場的適應能力和競爭能力的制造技術的總稱。2．先進制造技術的特點（1）先進制造技術的實用性先進制造技術最重要的特點在于，它首先是一項面向工業應用，具有很強實用性的新技術。從先進制造技術的發展過程，從其應用于制造全過程的范圍，特別是達到的目標與效果，無不反映這是一項應用于制造業，對制造業、對國民經濟的發展可以起重大作用的實用技術。先進制造技術的發展往往是針對某一具體的制造業（如汽車制造、電子工業）的需求而發展起來的先進、適用的制造技術，有明確的需求導向的特征；先進制造技術不是以追求技術的高新為目的，而是注重產生最好的實踐效果，以提高效益為中心，以提高企業的競爭力和促進國家經濟增長和綜合實力為目標。（2）先進制造技術應用的廣泛性先進制造技術相對傳統制造技術在應用范圍上的一個很大不同點在于，傳統制造技術通常只是指各種將原材料變成成品的加工工藝，而先進制造技術雖然仍大量應用于加工和裝配過程，但由于其組成中包括了設計技術、自動化技術、系統管理技術，因而則將其綜合應用于制造的全過程，覆蓋了產品設計、生產準備、加工與裝配、銷售使用、維修服務甚至回收再生的整個過程。（3）先進制造技術的動態特征由于先進制造技術本身是在針對一定的應用目標，不斷地吸收各種高新技術逐漸形成、不斷發展的新技術，因而其內涵不是絕對的和一成不變的。反映在不同的時期，先進制造技術有其自身的特點；也反映在不同的國家和地區，先進制造技術有其本身重點發展的目標和內容，通過重點內容的發展以實現這個國家和地區制造技術的跨越式發展。（4）先進制造技術的集成性傳統制造技術的學科、專業單一獨立，相互間的界限分明；先進制造技術由于專業和學科間的不斷滲透、交叉、融合，界線逐漸淡化甚至消失，技術趨于系統化、集成化、已發展成為集機械、電子、信息、材料和管理技術為一體的新型交叉學科。因此可以稱其為“制造工程”。（5）先進制造技術的系統性統制造技術一般只能駕馭生產過程中的物質流和能量流。隨著微電子、信息技術的引入，使先進制造技術還能駕馭信息生成、采集、傳遞、反饋、調整的信息流動過程。先進制造技術是可以駕馭生產過程的物質流、能量流和信息流的系統工程。先進制造技術的產生往往要系統地考慮到制造的全過程，如并行工程就是集成地、并行地設計產品及其零部件和相關各種過程的一種系統方法。先進的制造模式除了考慮產品的設計、制造全過程外，還需要更好地考慮到整個的制造組織。（6）先進制造技術強調的是實現優質、高效、低耗、清潔、靈活的生產先進制造技術的核心是優質、高效、低耗、清潔等基礎制造技術，它是從傳統的制造工藝發展起來的，并與新技術實現了局部或系統集成，其重要的特征是實現優質、高效、低耗、清潔、靈活的生產。這意味著先進制造技術除了通常追求的優質、高效外，還要針對21世紀人類面臨的有限資源與日益增長的環保壓力的挑戰，實現可持續發展，要求實現低耗、清潔。此外，先進制造技術也必須面臨人類在21世紀消費觀念變革的挑戰，滿足對日益“挑剔”的市場的需求，實現靈活生產。（7）先進制造技術最終的目標是要提高對動態多變的產品市場的適應能力和競爭能力為確保生產和經濟效益持續穩步的提高，能對市場變化做出更靈敏的反應，以及對最佳技術效益的追求，提高企業的競爭能力，先進制造技術比傳統的制造技術更加重視技術與管理的結合，更加重視制造過程組織和管理體制的簡化以及合理化，從而產生了一系列先進的制造模式。隨著世界自由貿易體制的進一步完善，以及全球交通運輸體系和通信網絡的建立，制造業將形成全球化與一體化的格局，新的先進制造技術也必將是全球化的模式。二、先進制造技術體系結構1．AMST多層次先進制造技術體系先進制造技術是制造業為了提高競爭力以適應時代要求，對制造技術不斷優化及推陳出新而形成的高新技術群。在不同的國家、不同的發展階段，先進制造技術有不同的內容及組成。第一個層次是優質、高效、低耗、清潔基礎制造技術。鑄造、鍛壓、焊接、熱處理、表面保護、機械加工等基礎工藝至今仍是生產中大量采用、經濟適用的技術，這些基礎工藝經過優化而形成的優質、高效、低耗、清潔基礎制造技術是先進制造技術的核心及重要組成部分。這些基礎技術主要有精密下料、精密塑性成形、精密鑄造、精密加工、精密測量、毛坯強韌化、精密熱處理、優質高效連接技術、功能性防護涂層及各種與設計有關的基礎技術、各種現代管理技術。第二個層次是新型的制造單元技術。這是在市場需求及新興產業的帶動下，制造技術與電子、信息、新材料、新能源、環境科學、系統工程、現代管理等高新技術結合而形成的嶄新制造技術，如制造業自動化單元技術、極限加工技術、質量與可靠性技術、系統管理技術、CAD／CAM、清潔生產技術、新材料成形加工技術、激光與高密度能源加工技術、工藝模擬及工藝設計優化技術等。第三個層次是先進制造集成技術。這是應用信息技術和系統管理技術，通過網絡與數據庫對上述兩個層次的技術集成而形成的，如FMS、CIMS、IMS以及虛擬制造技術等。2．先進制造技術體系結構（1）主體技術群①面向制造的設計技術群；②制造工藝技術群。（2）支撐技術群（3）制造基礎設施（制造技術環境）上述三部分相互聯系，相互促進，組成一個完整的體系，每一部分均不可缺少，否則就很難發揮預期的整體功能效益。FCCSET先進制造技術的系統結構及主要內容如圖7-2所示。7．1．3先進制造技術的發展趨勢在21世紀中，隨著電子、信息等高新技術的不斷發展，隨著市場需求個性化與多樣化，未來先進制造技術發展的總趨勢是向精密化、柔性化、網絡化、虛擬化、智能化、清潔化、集成化、全球化的方向發展。當前先進制造技術的發展趨勢大致有以下幾個方面：⑴信息技術對先進制造技術的發展起著越來越重要的作用信息化是當今社會發展的趨勢，信息技術正在以人們想象不到的速度向前發展。信息技術也正在向制造技術注入和融合，促進著制造技術的的不斷發展。可以說先進制造技術的形成與發展，無不與信息技術的應用與注入有關。它使制造技術的技術含量提高，使傳統制造技術發生質的變化。信息技術對制造技術發展的作用目前已占第一位。在21世紀對先進制造技術的各方面發展將起著更重要的作用。信息技術促進著設計技術的現代化，加工制造的精密化、快速化，自動化技術的柔性化、智能化，整個制造過程的網絡化、全球化。各種先進生產模式的發展，如CIMS、并行工程、精益生產、靈捷制造、虛擬企業與虛擬制造，也無不以信息技術的發展為支撐。⑵設計技術不斷現代化產品設計是制造業的靈魂?，F代設計技術的主要發展趨勢是：①設計手段的計算機化在實現了計算機計算、繪圖的基礎上，當前突出反映在數值仿真或虛擬現實技術在設計中的應用，以及現代產品建模理論的發展上，并且向智能化設計方向發展。②新的設計思想和方法不斷出現如并行設計、面向“X”的設計、健壯設計、優化設計、反求工程技術等。③向全壽命周期設計發展傳統的設計只限于產品設計，全壽命周期設計則由簡單的、具體的、細節的設計轉向復雜的總體的設計和決策，要通盤考慮包括設計、制造、檢測、銷售、使用、維修、報廢等階段的產品的整個生命周期。④設計過程由單純考慮技術因素轉向綜合考慮技術、經濟和社會因素設計不只是單純追求某項性能指標的先進和高低、而是注意考慮市場、價格、安全、美學、資源、環境等方面的影響。⑶成形及改進制造技術向精密、精確、少能耗、無污染方向發展成形制造技術是鑄造、塑性加工、連接、粉末冶金等單元技術的總稱。展望21世紀，成形制造技術正在從制造工件的毛坯、從接近零件形狀向直接制成工件精密成形或稱凈成形的方向發展。據國際機械加工技術協會預測，到下世紀初，塑性成形與磨削加工相結合，將取代大部分中小零件的切削加工。改性技術主要包括熱處理及表面工程各項技術。主要發展趨勢是通過各種新型精密熱處理和復合處理使零件達到性能精確、形狀尺寸精密以及獲得各種特殊性能要求的表面（涂）層，同時大大減少能耗及完全消除對環境的污染。⑷加工制造技術向著超精密、超高速以及發展新一代制造裝備的方向發展①超精密加工技術目前加工精度達到0.025μm，表面粗糙度達0.0045μm，已進入納米級加工時代。超精切削厚度由目前的紅外波段向可見光波段甚至更短波段近；超精加工機床向多功能模塊化方向發展；超精加工材料由金屬擴大到非金屬。②超高速切削目前鋁合金超高速切削的切削速度已超過1600m/min，鑄鐵為1500m/min，超耐熱鎳合金為300m/min，鈦合金200m/min。超高速切削的發展已轉移到一些難加工材料的切削加工。③新一代制造裝備的發展市場競爭和新產品、新技術、新材料的發展推動著新型加工設備的研究與開發，其中典型的例子是“并聯桁架式結構數控機床”（或俗稱“六腿”機床）的發展。它突破了傳統機床的結構方案，采用六個軸長短的變化，以實現刀具相對于工件的加工位置的變化。⑸工藝由技藝發展為工程科學，工藝模擬技術得到迅速發展先進制造技術的一個重要發展趨勢是，工藝設計由經驗判斷走向定量分析，加工工藝由技藝發展為工程科學。熱加工過程的數值模擬與物理模擬是一個重要的發展方向，是使熱加工工藝由技藝走向科學的重要標志。應用數值模擬于鑄造、鍛壓、焊接、熱處理等工藝設計中，并與物理模擬和專家系統相結合，來確定工藝參數，優化工藝方案，預測加工過程中可能產生的缺陷及應采取的防止措施，控制和保護加工工件的質量。采用這種科學的模擬技術并與少量的實驗驗證結合，以代替過去一切都要通過大量重復實驗的方法，不僅可以節省大量的人力和物力，而且還可以通過數值模擬來解決一些目前無法在實驗室進行直接研究的復雜問題工藝模擬也發展并應用于金屬切削加工過程、產品設計過程。最新的進展是在并行工程環境下，開展虛擬成形制造，使得在產品的設計完成時，成形制造的準備工作（如鑄造）也同時完成。⑹專業、學科間的界限逐漸淡化、消失先進制造技術的不斷發展，在冷熱加工之間，加工、檢測、物流、裝配過程之間，設計、材料應用、加工制造之間，其界限均逐漸淡化，逐步走向一體化。例如，CAD、CAPP、CAM的出現，使設計、制造成為一體；精密成形技術的發展，使熱加工可能直接提供接近最終形狀、尺寸的零件，它與磨削加工相結合，有可能覆蓋大部分零件的加工，淡化了冷熱加工的界限；快速原型／零件制造（RPM）技術的產生，是近20年制造領域的一個重大突破，它可以自動而迅速地將設計思想物化為具有一定結構和功能的原型或直接制造零件，淡化了設計、制造的界限；機器人加工工作站及FMS的出現，使加工過程、檢測過程、物流過程融為一體；現代制造系統使得自動化技術與傳統工藝密不可分；很多新材料的配制與成型是同時完成的，很難劃清材料應用與制造技術的界限。這種趨勢表現在生產上是專業車間的概念逐漸淡化，將多種不同專業的技術集成在一臺設備、一條生產線、一個工段或車間里的生產方式逐漸增多。⑺綠色制造將成為21世紀制造業的重要特征日趨嚴格的環境與資源的約束，使綠色制造業顯得越來越重要，它將是21世紀制造業的重要特征，與此相應，綠色制造技術也將獲得快速的發展。主要體現在：①綠色產品設計技術使產品在生命周期符合環保、人類健康、能耗低、資源利用率高的要求。②綠色制造技術在整個制造過程，使得對環境負面影響最小，廢棄物和有害物質的排放最小，資源利用效率最高。綠色制造技術主要包含了綠色資源、綠色生產過程和綠色產品三方面的內容。③產品的回收和循環再制造例如，汽車等產品的拆卸和回收技術，以及生態工廠的循環式制造技術。它主要包括生產系統工廠——致力于產品設計和材料處理、加工及裝配等階段，恢復系統工廠——主要對產品（材料使用）生命周期結束時的材料處理循環。⑻虛擬現實技術在制造業中獲得越來越多的應用虛擬現實技術主要包括虛擬制造技術和虛擬企業兩個部分。虛擬制造技術將從根本上改變了設計、試制、修改設計、規模生產的傳統制造模式。在產品真正制出之前，首先在虛擬制造環境中生成軟產品原型代替傳統的硬樣品進行試驗，對其性能和可制造性進行預測和評價，從而縮短產品的設計與制造周期，降低產品的開發成本，提高系統快速響應市場變化的能力。虛擬企業是為了快速響應某一市場需求，通過信息高速公路，將產品涉及到的不同企業臨時組建成為一個沒有圍墻、超越空間約束、靠計算機網絡聯系、統一指揮的合作經濟實體。虛擬企業的特點是企業的功能上的不完整、地域上的分散性和組織結構上的非永久性，即功能的虛擬化、組織的虛擬化、地域的虛擬化。⑼信息技術、管理技術與工藝技術緊密結合，先進制造生產模式獲得不斷發展制造業在經歷了少品種小批量——少品種大批量——多品種小批量生產模式