先进制造技术综述

先

进

制

造

技

术

综

述

学院：机械工程学院

专业：机械制造及其自

动化

《先进制造技术》试题

在课程学习和检索文献资料的基础上,撰写一份先进制造技术综述论文,包括以下具体内容：

1.绿色制造的关键技术。

2.超高速切削和超高速磨削技术，包括：超高速切削和超高速磨削的机理、关键技术和应用范围。

3.超周密加工技术，包括：超周密车削、超周密砂轮磨削、超周密砂带磨削、电泳磨削的加工原理、技术特点和应用范围。

4.特种加工，包括：

（1）电火花成形加工、电火花线切割加工、电火花磨削加工、电火花表面强化等加工技术的加工原理与特点、应用范围。

（2）激光加工、电子束加工、离子束加工、水喷射加工等加工技术的加工原理、技术特点和应用范围。

5. 先进生产治理的技术，包括：敏捷制造、精益生产、智能制造等先进制造模式的定义、内涵、特点和关键技术等。

6.你自己对先进制造技术进展与创新历程的理解和观点。

答题要求：

1.论文包括题目、摘要、关键词、正文、结语、参考文献等部分。

2.论文正文字数许多于3000字，参考文献许多于30篇。

3.综述时应尽可能提供加工实例及其示图。

4.要按参考或引用的顺序列出文献资料的出处，并在引用处标注。

5.本试题页符在答卷上一并交回，提交试卷时，同时提交电子文档。

6.参照《西安科技大学学报》排版格式。试卷用A4纸，一级标题用黑体四号字，二级标题用仿宋体小四号字，行间距为1.5倍。

7.卷面不得雷同，否则不记成绩。

先进制造技术综述

摘要：本文通过大量列举典型的先进制造工艺和先进

的治理系统来介绍先进制造技术的进展现状及特点，其

中包括典型的先进制造工艺有：绿色制造技术、超高速

加工技术、超周密加工技术以及特种加工技术；典型的

先进治理系统有：敏捷制造、精益制造以及智能制造等

先进制造技术。文中分析了以上各种先进技术的加工原

理、技术特点、关键技术以及该技术的应用范围。最后，

阐述了本人对先进制造技术进展与创新历程的理解和

观点。

关键词：先进制造；绿色制造；超高速加工；超周密加

工；先进生产治理系统

0 引言

先进制造技术AMT(advanced manufacturing technology)是制造业不断汲取机械、电子、信息(计算机与通信、操纵理论、人工智能等)、能源及现代系统治理等方面的成果，并将其综合应用于产品设计、制造、检测、治理、销售、使用、服务乃至回收的全过程，以实现优质、高效、低耗、清洁和灵活生产，提高

对动态多变的产品市场的适应能力和竞争能力的制造技术的总称。它集成了现代科学技术和工业创新的成果，充分利用了信息技术，使制造技术提高到新的高度。先进制造技术是进展国民经济的重要基础技术之一，对我国的制造业进展有着举足轻重的作用[1]。

先进制造技术是传统的制造技术与现代高新技术结合而产生的完整的技术群，是指在当今技术条件下能显著提高企业的设计、加工、检测、物料储运、营销和生产治理等方面能力的设备、计算机软硬件和治理方法。是一种具有明确范畴的产生于20世纪90年代，面向21世纪的新的技术体系。如图1所示，要紧包括计算机网络、柔性制造系统、柔性制造单元、机器人、加工中心、数控机床、激光加工、自动检测设备、自动化仓库等硬件设施以及物料需求打算、制造资源打算、准时制生产打算、计算机辅助设计、计算机辅助制造、专家系统和治理信息系统等软件工具。

图l 先进制造技术的技术体系Fig.l Technical system of advanced manufacturing

technology

随着科技进步特不是计算机技术的进展，世界范围内对制造

业进行了重新的认识和定位，先进制造技术为制造业注入新的活

力，使制造业又重新生机勃勃。制造业绝不是“夕阳产业”和“夕

阳技术”，先进制造技术是高技术的载体，没有哪个工业发达国

家不予以高度关注，先进制造技术差不多成为全球制造业争夺的

市场焦点。先进制造技术为制造业注入新奇血液，是进展制造业

的基础，它是传统制造业不断地汲取机械、信息、电子、材料、

能源和现代治理等方面的最新技术成果，并将其综合应用于产品

开发与设计、制造、检测、治理和售后服务的制造全过程，实现

优质、高效、低耗、清洁和敏捷制造，并取得理想经济效果。从本质上看：信息技术+传统制造技术的进展+自动化技术+现代治理技术确实是先进制造技术。

高生产率和高质量是先进制造技术的2大追求目标。因此，先进制造技术要紧向自动化、柔性化、集成化和智能化、高周密方向进展，向非传统加工技术方向进展。采纳新型生产模式，使企业适应多变的市场需求[2]。

先进制造技术的进展趋势：1）数字化是进展的核心；2) 周密化是进展的关键；3) 极品化是进展的焦点；4) 自动化是进展的条件；5) 集成化是进展的方法；6) 网络化是进展的道路；7) 智能化是进展的前景；8) 绿色化是进展的方向。

1 绿色制造技术

绿色制造又称为面向环境制造(MFE)、环境意识制造(ECM)等，其差不多观点是协调解决环境和资源两大社会问题，且的是充分利用资源，减少废弃物的产生，减少机械制造业对环境的负

面阻碍[3]。

1.1绿色制造的概念

绿色制造是一个综合考虑环境阻碍和资源效率的现代制造

模式，其目标是使得产品从设计、制造、包装、运输、使用到报

废处理的整个产品生命周期中，对环境的负面阻碍最小，资源效

率最高，并使企业经济效益和社会效益协调优化。而真正促使绿

色制造走向市场，却是多种因素共同作用的结果，如图2所示，

从当前社会积极实行可持续进展战略的氛围来看，绿色制造实质

上是人类社会可持续进展战略在现代制造业中的体现[4]。

图2 实施绿色制造的原动力Fig.2 Impetus for the implementation of green

manufacturing

传统意义上的制造是产品的制造过程，要紧表现为机械加工

过程，即通常称为“小制造”。绿色制造是一种现代制造模式，涉及制造工业中的产品设计、物料选择，生产打算、生产过程、质量保证、经营治理、市场销售和报废处理等一系列相关活动，因此绿色制造是“大制造”的概念。

1.2绿色制造的关键技术

绿色制造从“大制造”的概念来讲，包含生命周期的全过程：产品设计、工艺规划、材料选择、生产制造、包装运输、使用和报废处理等时期。在每个时期都要考虑绿色制造，因此就产生相应的绿色制造技术。

1）绿色设计其目的是克服传统设计的不足，是所设计的产品具有绿色产品的特征。绿色设计能够通过生命周期设计、并行设计、模块化设计等方法来实现。绿色设计将综合考虑环境效益和生态环境指标与产品功能、性能、质量及成本要求进行设计；在产品构思时期考虑降低能耗、资源重复利用、生态环境爱护和使用绿色能源；保证产品的制造和使用过程中可拆卸、易回收。

废弃物产生最少；综合考虑顾客和环境的需要，满足可持续进展的要求。

2）绿色工艺规划和清洁生产技术绿色制造工艺规划是通过对工艺路线、工艺方法、工艺装备、工艺参数、工艺方案等进行优化决策和规划，从而改善工艺过程及其各环节的环境友好性，使得产品制造过程经济效益和社会效益协调优化规划方法。采纳合理工艺，简化产品加工流程，减少加工工序，谋求生产过程的废料最少化，幸免不安全因素，减少产品生产过程中的污染物排放．如减少切削液的使用或使用绿色切削液等。

3）绿色材料选择绿色产品首先要求构成产品的材料具有绿色特性，即在产品的整个生命周期内，这类材料应有利于降低能耗，环境负面阻碍最小。材料选择可从减少所用材料种类、选用可回收或再生材料、选用无毒无害材料以及选用新型生态环境材料等方面来考虑。

4)绿色包装技术绿色包装是指能够循环复用、再生利用或

降解腐化，且在产品的整个生命周期中对人体及环境不造成公害

的适度包装。必须尽可能简化产品包装，幸免过度包装，使包装

能够多次重复使用或便于回收，且可不能产生二次污染。

5)绿色回收处理技术传统的制造过程是一个开环系统，产

品报废后直接遗弃，造成资源白费和环境污染。绿色制造一个闭

环系统，产品达到使用寿命后。将要分类进行材料回收利用，便

于再制造。

图3 绿色制造过程的闭环特性Fig.3 Closed-loop characteristic green manufacturing

process

2 超高速加工技术

2.1超高速切削加工

1978年，CIRP(国际生产工程协会)提出以线速度为

500-7000m/min的切削为高速切削；ISO1940标准规定，主轴转速高于8000rev/min为高速切削；德国Darmstadt工业大学提出以高于5-10倍一般切削速度的切削定义为高速切削；主轴轴承孔直径与主轴最大转速乘积达(5-2000)×105mm·rev/min的切削定义为高速切削。

超高速切削机理和特点：超高速切削的概念可用图表示。萨洛蒙指出：在常规切削速度范围内(图4中A区)，切削温度随切削速度的增大而升高。然而，当切削速度增大到某一数值Vc之后，切削速度再增加，切削温度反而降低。图中B区在美国被称为“死谷”(Dead valley)。假如能越过那个“死谷”而在超高速区(图中C区)进行加工，则有可能用现有刀具进行超高速切削。

图4 超高速切削概念示意图Fig.4 Ultra-high-speed cutting concept schematic

高速加工技术的特点和优势[5]：1）切削力小，切削温度低；2）工件热变形减少；3）加工效率高；4）加工精度高、加工质量好；5）加工过程稳定；6）加工成本降低；7）可实现绿色制造。

超高速加工的关键技术[6]：高速切削是一项复杂的系统工程。高速切削不只是切削速度的提高，它的进展涉及到机床、刀具、工艺和材料等诸多领域的技术配合和技术创新。

1）超高速主轴系统超高速主轴系统是超高速切削技术最重要的关键技术之一。超高速主轴由于转速极高，主轴零件在离心力的作用下产生振动和变形，超高速运转摩擦热和大功率内装电机产生的热会引起热变形和高温，因此必须严格操纵，为此对超高速主轴提出以下性能要求：(1)结构紧凑、重量轻、惯性小、可幸免振动和噪声，具有良好的起、停性能；(2)足够的刚性和高的回转精度；(3)良好的热稳定性；(4)大功率；(5)先进的润

滑和冷却系统；(6)可靠的主轴监测系统。

图5 陶瓷轴承高速主轴结构Fig.5 Ceramic bearings for high-speed spindle

2）快速进给系统超高速切削时，为了保持刀具每齿进给量

差不多不变，随着主轴转速的提高，进给速度也必须大幅度提高。

为了适应进给高速化的要求，在超高速加工机床上要紧采取了以

下措施；(1)采纳新型直线滚动导轨；(2)采纳更先进、更高速的

直线电机；(3)高速进给机构采纳小螺距大尺寸高质量滚珠丝杠，

或粗螺距多头滚珠丝杠；（4）高速进给伺服系统；（5）高速进给

机构采纳碳纤维增强复合材料，使工作台重量减轻但不降低其刚

度。

3）高速CNC操纵系统数控超高速切削加工要求CNC操纵系

统具有快速处理数据能力和高的功能化要求特性，以保证在超高速切削时，特不是在5轴坐标联动加工复杂曲面时仍具有良好的加工性能。为了确保超高速下的插补精度，要有前馈和大数目超前程序段预处理功能，此外还能够采纳NURBS插补、回冲加速、平滑插补、钟形加减速等轮廓操纵技术。

4）超高速切削刀具技术

（1）超高速切削刀具材料和刀具结构。高速回转刀具由于高速引起离心力作用，会造成刀体和刀片夹紧结构破坏以及刀片破裂或甩掉，因此刀体和夹紧结构必须有高的强度与断裂韧性和刚性，保证安全可靠。刀体重量尽量轻以减少离心力。在高速切削的情况下，刀具与夹具平衡性能的优劣，不仅阻碍到加工精度和刀具寿命，而且也会阻碍到机床的使用寿命，因此高速回转刀具必须进行运动平衡试验，以满足平衡品质的要求。

表1 刀具材料及特性

Table.1 Tool materials and features

的7：24锥度的单面夹紧刀柄系统出现了许多问题，要紧表现为：刚性不足：ATC(自动换刀)的重复精度不稳定：受离心力作用的阻碍较大；刀柄锥度大，不利于快速换刀及机床的小型化。针对这些问题，为提高刀具与机床主轴的连接刚性和装夹精度，适应超高速切削加工技术进展的需要，相继开发了刀柄与主轴内孔锥面和端面同时贴紧的两面定位的刀柄。两面定位刀柄要紧有两类：一类是对现有的7：24锥度刀柄进行的改进性设计，如BIG —PLUS、WCU、ABSC等系统；另一类是采纳新思路设计的l：10中空短锥刀柄系统，有德国开发的HSK、美国开发的KM及日本开发的NC5等几种形式。

5）超高速切削加工的安全防护与实时监控系统。从总体上讲，超高速切削加工的安全保障包括以下几方面：（1)机床操作者及机床周围现场人员的安全保障：（2）幸免机床、刀具、工件

有关设施的损伤；（3)识不和幸免可能引起重大事故的工况。在机床结构方面，机床设有爱护墙和门窗。刀片，特不是由抗弯强度低的材料制成的机夹刀片，除结构上防止由离心力作用下产生飞离倾向的保证外，还要做极限转速的测定。刀具夹紧、工件夹紧必须绝对安全可靠，故工况监测系统的可靠性就变得特不重要。机床及切削过程的监测包括：切削力监测以操纵刀具磨损，机床功率监测可间接获得刀具磨损信息；主轴转速监测以判不切削参数与进给系统间关系：刀具破损监测；主轴轴承状况监测；电器操纵系统过程稳定性监测等。

超高速切削加工的应用范围：高速切削的应用领域：汽车工业（发动机, 齿轮箱）；航空航天工业（整体结构件、框体、薄壁件）；模具工具制造（钢及铸件的半精/精加工）；难加工材料（陶瓷、复合材料、钛合金、镍基高温合金、不锈钢）；超周密微细切削加工（周密零件，群孔）

2.2超高速磨削技术

超高速磨削机理[7]：超高速磨削机理最早可追溯到德国切削物理学家萨洛蒙于1931年提出的闻名的超高速切削理论。萨洛蒙认为，与一般切削速度范围内切削温度随切削速度的增大而升高不同，当切削速度增大至与工件材料的种类有关的某一速度Vε后随着切削速度的增大切削温度反而降低。他的思想给了后人特不重要的启发，即假如能在大于Vε的超高速范围内进行切削，则有可能采纳现有刀具进行超高速切削，大幅度地提高机床的生产效率。在高磨除率条件下，随着V s增大，磨削力在V s=100m/s 前后的某个区间出现陡降约降低(约降低50%) ，这种趋势随着磨除率的提高而愈加明显，且当砂轮达到超高速磨削状态后，工件表面温度出现回落。

超高速磨削时由于磨削速度专门高，单个磨屑的形成时刻极短。在极短的时刻内完成的磨屑的高应变率（可近似认为等于磨削速度）形成过程与一般磨削有专门大的差不，表现为工件表面

的弹性变形层变浅，磨削沟痕两侧因塑性流淌而形成的隆起高度变小，磨屑形成过程中的耕犁和滑擦距离变小，工件表面层硬化及残余应力倾向减小。此外，超高速磨削时磨粒在磨削区上的移动速度和工件的进给速度均大大加快，加上应变率响应的温度滞后的阻碍，导致磨削表面磨削温度降低，因而能越过容易发生磨削烧伤的区域。

图6 磨削速度与磨削温度的关系[8]

Fig.6 Grinding speed and grinding temperature

relations

超高速磨削加工的关键技术[9]：图7列出了超高速磨削技术所需的各项相关技术，其中高速轴承和高速砂轮的设计与制造是阻碍超高速磨削技术应用的最重要因素。