现代制造技术及其发展趋向

现代制造技术及其发展趋向

王先逵

(清华大学精密仪器与机械学系制造工程研究所,北京100084)

摘要:从历史和现代的角度分析现代制造技术的形势和特点,论述制造技术的永恒性和广义制造论(大制造),重点论述工艺核心论,分析制造工艺技术的核心作用和现代制造工艺理论及技术的发展。根据当前制造业的形势,提出现代制造技术的重点发展方向和任务。

关键词:现代制造技术;永恒性;广义制造论;制造工艺技术

中图分类号:TH9文献标识码:A文章编号:1671)3133(2008)01)0001)08

M odern manufacturi ng technology and its devel op m ent

W ang X ian-kui

(Dep.t o f Precisi o n I nstr um ents,Tsi n ghua Un i v ersity,Beiji n g100084,CHN)

Abstrac t:T he situa ti on and feature are analyzed accord i ng to both history and m odern,and t he etern ity o fm anufacturi ng techno lo-gy and broad sense of m anu fact ur i ng theory(/L arge M anufacturing0)are d iscussed.In the sa m e ti m e,the core acti on and the de-ve l op m ent of process t heory and technology i s ana l y zed.In t he last,t he deve lop m ent d i rections of m echan ica l manu fac t ur i ng sc-i ence techno logy are m en tioned.

K ey word s:M ode rn m anufacturing techno logy;E tern ity;Broad sense of m anufacturi ng t heory;M anufactur i ng process techno l ogy

1现代制造技术的形势和特点

111现代制造技术的沿革

我国现代制造技术的发展有两次比较大的变革,一次是在上世纪50年代,原苏联援助146项工程,打下了现代制造的基础,当时我国已能独立生产飞机、汽车、火车、拖拉机、发电设备、钢铁等产品,应该是居于比较先进的水平,有了长足的进步。但在此后的30年内,由于种种原因,一直进步不大。另一次是在上世纪80年代,改革开放,从国外引进大量的先进制造技术和装备,我国的制造技术水平有了很大的提高,已经能够生产现代化的机械产品。纵观这两次变革,其特点都是从国外直接引进技术,但自我进行消化、吸收和创新不够,这就给我国制造业的发展带来了一些负面影响,一个根本的问题是如何自主创新和自我发展。

从世界制造强国成长的轨迹来分析,18世纪工业革命使英国率先成为当时的制造强国,此后德国、法国、意大利等欧洲国家发展很快,进入了世界制造强国之列,第一次世界大战之后,欧洲的经济受到严重影响,而美国、日本等国开始崛起,它们的共同之处是有比较好的基础,走自己发展的道路,可以统称为/英美自我发展道路0。而我国在上世纪50年代是一个制造业比较落后的国家,基础比较薄弱,在上世纪80年代改革开放时,与国际水平相差甚远,受到禁运等不平等待遇,又处于社会主义市场经济初期,很难进行消化吸收,创新就更难了。我国是一个大国,单靠引进来求发展是不行的,必须强调自力更生、艰苦奋斗,走中国自己独立自主的道路,才能使制造业取得根本性的变化。

上世纪80年代到本世纪初是现代制造技术发展比较迅速的时期,一方面原苏联解体、冷战基本结束;另一方面形势相对稳定,虽然战事不断,但都是局部地区的小战争,因此给各国的制造业有了一个发展的机遇和空间,我国应抓住这一时期,迅速赶上和超过世界水平,求得应有的生存和发展空间。

112现代制造技术的特点

11211制造技术已形成为一门科学

现代制造技术在系统论、方法论、信息论和协同论等的基础上形成制造系统工程学,是一种广义制造的概念,亦称之为/大制造0的概念,它体现了制造概念的扩展。广义制造概念的形成过程主要有以下几

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方面原因。

1)制造设计一体化。体现制造和设计的密切结合,形成了设计制造一体化,设计不仅是指产品设计,而且包括工艺设计、生产调度设计、质量控制设计等。

2)材料成形机理的扩展。现在加工成形机理明确地将加工分为去除加工、结合加工和变形加工。

3)制造技术的综合性。现代制造技术是一门以机械为主体,交叉融合光、电、信息、材料等学科的综合体,并与管理科学、社会科学、文化、艺术、人机工程、生物工程和生命科学等相结合,拓展了新领域。现代制造技术应包括硬件和软件两大方面,硬/软件工具、平台和支撑环境有了很大的发展。

4)产品的全生命周期。制造的范畴从过去的设计、加工和装配发展为产品的全生命周期,包括市场调研、设计、制造、销售、维修和报废处理等。

5)生产制造模式的发展。计算机集成制造技术是制造技术与信息技术结合的产物,集成制造系统强调信息集成,其后出现了柔性制造、敏捷制造、虚拟制造、网络制造、大规模定制、绿色制造、智能制造和协同制造等多种制造模式,有效地提高了制造技术的水平,扩展了制造技术的领域。

11212信息技术给制造技术带来革命性的变化提出信息化的口号,是由于信息技术的发展,大大降低信息交流的难度,也大大缩短信息交流的时间,许多新发明、新技术、新动向得以快速传播四方,促进了国际合作和交流,加快了制造技术现代化的进程。

机、电、信息一体化是现代制造必须掌握的重要技术,机械是主体,电、信息是不可分割的手段,制造技术中的数控技术、传感器技术等是三者结合的典型,三者的结合是数字化制造、数字化社会的技术基础。

11213制造技术的国际性突出

由于现代交通工具先进发达,提供了方便的国际技术交流与合作条件,因此国际学术会议频繁,出国考察学习机会很多,使互通有无、相互了解有了更多的机会,减小了发展不平衡的现象。

在产品设计上,现在已打破了/一包到底0、/一国生产0的局面,由于功能部件和单元技术的发展,许多厂家大多采用引进先进成熟技术或选用优良功能部件和器件的制造方法,而自己仅设计主体部分,使产品在性能、质量上有竞争能力,同时又能快速响应市场需求。因此现代的产品大多/你中有我0,/我中有你0,不能脱离国际环境。

在人力资源上,国际和国内制造业的发展中形成了强大的打工族,不再是由本国人生产本国的产品,人力资源是一个严重的问题,由于交通发达,外出务工已成为一种有效的劳动方式和时尚,由于打工者的技术水平相对较低,这就给产品质量带来一定的问题。

11214先进制造技术成为关键

精密和超精密加工技术、纳米加工技术、特种加工技术、极限制造技术等是当前重点发展的关键技术,占有十分重要的地位,往往成为/瓶颈0,是一个国家制造水平的标志。

11215分布式制造成为生产制造的主流模式当前由于社会发展进步很快,人民生活水平大大提高,民用工业、国防工业等产品,如汽车、飞机、导弹、舰船等产品,品种繁多,既有大批量生产,又有单件小批生产,个性化的要求十分强烈,因此多品种小批量生产的需求突出,生产制造方式要适应多品种小批量生产和个性化要求,分布式制造系统和模式发展迅速。11216绿色制造刻不容缓

环境保护、资源利用和清洁生产,即现代制造业面临的绿色制造,已是亟待解决的大问题,人类再不保护地球则将导致人类最终无生存之地。

2制造技术的重要性

制造技术的重要性是不言而喻的,它有以下五个方面的意义。

211制造的永恒性

现代制造工程是在机械制造工程的基础上发展起来的,具有广义性和时代感,强调了多样化的制造技术,机械制造技术仍是它的主体和基础部分。

人类的发展与制造技术是不可分的,随着制造技术的发展,人类的工作、生活水平不断提高;人类对工作、生活的需求越来越高,对制造技术的要求也越来越高,人类与制造技术的关系就越来越密切。可以肯定,随着制造水平的不断提高,人类将会有更大的进步。

制造技术是一个永恒的主题,是设想、概念、科学技术物化的基础和手段,是国家经济与国防实力的体现,是国家工业化的关键。制造业的发展和其他行业一样,随着国际国内形势的变化,有高潮期也有低潮期,有高速期也有低速期,有国际特色也有民族特色,但必须重视,且要持续不断地发展,这是永恒性的。212社会发展与制造技术密切相关

现代制造技术是当前世界各国研究和发展的主

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题,特别是在市场经济的今天,它更占有十分重要的地位。人类的发展过程就是一个不断地使制造技术发展的过程,在发展初期,出现了石器时代,以后相继出现了陶器、铜器、铁器时代,并出现了高分子材料和复合材料器具的新时代。随着社会的发展,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、工业发展,使得人类的物质生活和精神文明均有了很大的提高。因此,人类的活动与制造密切相关,人类活动的水平始终受到了制造水平的极大约束,宇航制造技术的出现和发展,使人类的活动冲破地球束缚,飞向了太空。

人类的制造技术大体上可以分为手工业生产、大工业生产和虚拟现实工业生产三个阶段和里程碑。手工业生产阶段的特点是体脑结合,设计与制造一体。大工业生产阶段的特点是制造进行了大分工,形成了设计、装配、加工、监测、试验、供销、维修、设备、工具和工艺装备等部门,制造手段和水平有了很大的提高,出现了加工流水线、自动生产线和自动装配线等大批大量生产方式。虚拟现实工业生产阶段的特点是快速响应市场需求,借助于信息技术、计算机技术、网络技术,采用集成制造、并行工程、计算机仿真、虚拟制造、动态联盟、协同制造、电子商务等举措,充分体现了体脑高度结合,使手工业生产阶段的体脑结合产生了螺旋式的上升和扩展。

213制造技术是科学技术物化的基础

从设想到现实,从精神到物质,是靠制造来转化的,制造是科学技术物化的基础,科学技术的发展反过来又提高了制造的水平。信息技术的发展渗透到制造技术,使制造技术产生了革命性的变化,出现了制造系统和制造科学,制造技术与系统论、方法论、信息论、控制论和协同论相结合,形成了新的制造学科,即制造系统工程学,制造系统是制造技术发展的新里程碑。

214制造技术是所有工业的支柱

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、农业等各个行业都要有制造业的支持,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,制造业是一个支柱产业,在不同的历史时期有不同的发展重点,但需要制造技术的支持是永恒的。当然,各个行业有其本身的主导技术,如农业需要生产粮、棉等农产品,有丰富的农业生产技术问题,但现代农业就少不了农业机械的支持,制造技术成为其重要组成部分。因此,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,制造技术既有共性,又有个性。215国力和国防的后盾

一个国家的国力主要体现在政治实力、经济实力和军事实力上,而经济和军事实力与制造技术的关系十分密切,只有在制造上是一个强国,才能在军事上是一个强国,一个国家不能靠外汇去购买别国的军事装备来保卫自己,必须有自己的军事工业。有了国力和国防才有国际地位,才能立足于世界。

3制造工艺核心论

311工艺是制造技术的灵魂、核心和关键

现代制造工艺技术是先进制造技术的重要组成部分,也是其最有活力的部分。产品从设计变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,工艺(包括检测)往往会成为/瓶颈0,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0和/工艺0都是重要的,把/设计0和/工艺0对立和割裂起来是不对的,应该用广义制造的概念统一起来。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之一。如集成电路的水平通常是用集成度和最小线条宽度来表示,现代集成电路在单元芯片上的电子元件数已超过105,线宽可达011L m。这些例子生动地说明了有些制造技术问题的关键是在工艺上。

312工艺是生产中最活跃的因素

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,有了某种工艺方法才有相应的工具和设备出现,反过来,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,扩大了其应用范围。

加工技术的发展往往是从工艺突破的,在上世纪40年代,原苏联的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、电火花成形加工、电火花高速打孔加工等方法,发展了一系列的相应设备,形成了特种加工技术,即非传统加工技术和相应的新兴制造行业,对模具的发展产生了重大影响。由于工艺技术上的突破和丰富多彩,使得设计也扩大了眼界,以前有些不敢设计之处,现在敢于设计了。例如,利用电火花磨削方法可以加工直径为

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011mm 的探针;利用电子束、离子束和激光束可以加工直径为011mm 以下的微孔,而纳米加工技术的出现更是扩大了设计的广度和深度。

313 现代制造工艺理论和技术的发展

长期以来人们认为,工艺是手艺,是一些具体的加工方法,未能上升到理论高度,但到上世纪50年代,原苏联的许多学者在德国学者研究的基础上,出版5机械制造工艺学6、5机械制造工艺原理6等著作,在大学开设了机械制造专业,将制造工艺作为一门学问来对待,即将工艺提高到理论高度。此后,在上世纪70年代,又形成了机械制造系统和机械制造工艺系统,因此工艺技术已形成一门科学。

近年来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,由于精度、表面粗糙度和质量的提高,又由于许多新材料的出现,特别是出现了不少新型产品的制造生产,如计算机、集成电路(芯片)、印刷线路板等,与传统制造方法有很大的不同,从而开辟了许多制造工艺的新领域和新方法。这些发展主要可分为工艺理论、加工方法、制造模式、制造技术和系统等几个方面。

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。31311 加工成形机理

1)分层加工。零件的成形方法有分离(去除)加工、结合(堆积、分层)加工、变形(流动)加工等。在加工成形机理上已经从分离加工扩展到结合加工,形成了分层加工方法。

分层加工和分离加工的原理正好相反,它是将零件在某一方向按一定层厚分为若干薄层,逐一加工这些薄层,并在加工的同时将这些薄层依次堆积起来,即可成形。按分层的形式又可分为平面分层和曲面分层,如图1a 、图1b 所示。另一方面,它也可以将零件沿某方向按一定层厚展开成一条成形带子(通常为带材),将其加工(通常用数控剪切机)出来后,再卷绕成形,如图1c

所示。

图1 分层加工

2)内切削加工。分离加工是将毛坯通过去除余量而总体成形为零件,材料的去除加工方式可分为外切削方式和内切削方式,图2表示了利用激光束在一个透明塑料材料内加工一个球体工件的情况,激光束通过聚焦改变焦距,同时由数控系统控制其运动轨迹,加工完毕后,球体工件留在被加工材料内,不能取出。当将被加工材料一分为二时,球体工件才能出来。这种加工方法的意义在于可发展成为一

种原型

图2 分离加工的内切削方式

制造方法,例如,要加

工一个齿轮零件,则可以用内切削方式先切出齿轮,再将被加工材料切开,就可得到上、下模原型,经用其他材料翻制,便可得到齿轮的上、下模,从而可以制造齿轮零件。

3)刀具材料。刀具材料在金属切削原理和磨削原理发展上最为丰富,刀具材料出现硬质合金、人造金刚石、立方氮化硼、陶瓷等系列,以及涂层、多元共渗、气相沉积等工艺,同时从有冷却液的湿切削发展到无冷却液的干切削(环保切削)和硬(齿)表面切削等。

金刚石刀具与精密加工和超精密加工的发展关系密切,出现了/极薄切削0机理,研究了切屑的极限,为超精密加工机理的研究提供了理论基础。

4)被加工材料。被加工材料也从金属发展到非金属、高分子材料、半导体、陶瓷和石材等,从而发展了高分子材料、半导体、陶瓷和石材等多种加工工艺学。5)使用的能源。在零件成形上所使用的能源有力、电、声、化学、电子、离子、激光等,十分丰富,从而发展了电火花加工、超声波加工、化学加工、电子束加工、离子束加工、激光束加工等,由于加工所使用的能源不同,其加工机理也就自然各异。31312 精度原理

1)机械加工原则。总结了机械加工遵循原则,可分为继承性原则和创造性原则等。

继承性原则又称为/母性0原则、循序渐近原则或/蜕化0原则,它主要指加工用的机床(工作母机)精度一般应高于所欲加工工件的精度,这是很自然的,也是通常的选择,能保证加工质量和效率。

创造性原则又称/进化0原则,可分为直接创造性原则和间接创造性原则。

直接创造性原则是利用精度低于工件精度要求的机床,借助于工艺手段和特殊工具,直接加工出精

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度高于/工作母机0的工件,如/以粗干精0加工方法就是所用机床的精度可低于所欲加工工件的精度,通过一些工艺措施来保证加工精度;/以小干大0原则是指所欲加工工件比机床要大,采用工件不动,靠机床移动进行加工,即所谓/蚂蚁啃骨头0,主要用于大型零件、重型零件的加工,如我国上海所建第一条磁悬浮高速列车的轨梁、我国第一个人造空间环境的圆形轨道都是采用这种加工技术。

间接创造性原则是用较低精度的机床和工具,制造出加工精度能满足工件要求的高精度机床和工具,再用这些机床和工具去加工工件,如滚齿机工作台中的分度蜗轮是影响齿轮加工精度的关键零件,齿轮机床制造厂采用自行研制这一关键设备来解决其加工问题。

2)定位原理。提出定位与基准的概念和六点定位原理,其中包括完全定位、不完全定位、欠定位、过定位的判定,定位元件和各种基准的设计。

3)尺寸链原理。论述尺寸链的产生和分类,建立尺寸链的数学模型,针对线性尺寸链和角度尺寸链、工艺尺寸链和装配尺寸链等,提出相应的求解方法,并进行计算机辅助建立和求解尺寸链的研究。

4)质量统计分析原理。针对加工精度等质量问题,应用数理统计学提出分布曲线法和精度曲线法等统计分析方法来分析和控制加工质量,取得了显著成效,在此基础上发展了全面质量管理和计算机辅助质量控制等先进质量保证体系。

31313相似性原理和成组技术

从相似性发展到相似性工程,我国学者在这方面有颇多建树。相似性是成组技术的理论基础,成组工艺是成组技术的核心,零件的分类成组方法是成组技术的关键,如建立了我国的零件分类编码系统:JLB M-1系统等。

在形状相似性的基础上提出了派生相似性的概念,即工艺相似性、装配相似性和测量相似性等,这是对相似性的发展。针对从工艺相似性来进行零件的分类成组,提出了生产流程分析法,其中有聚类分析法和编码分类法等。

31314工艺决策原理

针对工艺问题的决策,提出了数学模型决策、逻辑推理决策和智能思维决策等方法,使工艺问题的决策从主观、经验的判定走向客观、科学的判断,同时和计算机技术结合起来,提高了判断的正确性和效率。

数学模型决策是以建立数学模型并求解作为主要的决策方式。数学模型泛指公式、方程式和由公式系列构成的算法等,可分为系统性数学模型、随机性数学模型和模糊性数学模型三类。

逻辑性决策是采用确定性的逻辑推理来决策,常用的形式有决策树和决策表两种,分别用树状结构和表格结构来描述和处理/条件0和/动作0之间的关系和方法。

智能思维决策是依赖工艺技术人员的经验和智能思维能力来决策,即要应用人工智能。智能是运用知识来解决问题的能力,学习、推理和联想是智能的三大重要因素。智能思维决策的主要方法有:专家系统、模糊逻辑、人工神经网络和遗传算法等。

31315优化原理

将已有的优化方法应用到工艺问题的优化上,进行单目标和多目标、单工序和多工序的工艺方案优化选择,对提高工艺方案的可行性和有效性,降低工艺成本,缩短生产周期有重要意义,这项技术也是与计算机技术密切结合的结果。

机械加工优化通常是要在保证质量的前提下,达到最高生产率、最低成本或最大利润率。首先要确定目标函数,然后选定控制参数,将选定控制参数引入到目标函数的数学模型中,再进行求解,即可得到优化的控制参数值。当前,可进行多参数优化,并针对复杂工程进行多学科的综合优化(MDO),如航空航天工程等,多学科综合优化就是当前的发展关键技术和重点。4现代制造技术的发展方向

现代制造技术的发展主要沿着/广义制造0或称/大制造0的方向发展,其具体的发展可以归纳为四个方面和多个大项目,如图3

所示。

图3现代制造技术的发展方向

当前,发展的重点是创新设计、并行设计、现代成

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形与改性技术、材料成形过程仿真和优化、高速和超高速加工、精密工程与纳米技术、数控加工技术、集成制造技术、虚拟制造技术和工业工程等。

当前值得发展的制造技术可结合汽车、运载装置、模具、芯片、微型机械和医疗器械等进行高速加工、纳米技术、模块化功能部件、使能技术软件、并行工程和数控系统等研究。

411现代设计技术

现代设计技术主要包含设计方法学(模块化设计)、创新设计、反求工程设计、全生命周期设计、虚拟设计、并行设计、绿色设计、协同设计和微型产品设计等。值得提出的是创新设计,它是一切设计之源,是理论和实践结合的产物,其水平与所处物质基础密切相关,是当务之急,同时又是要科学对待的大事。由于当前工程技术的复杂性和多学科性,因此提出了协同设计。由于市场需求的个性化和快速性,并行设计和虚拟设计就应运而生。

从当前机械设计趋势来看,功能部件具有较大的发展,如机床设计可分解为主轴单元、直线驱动单元、基础件单元等,一台机床可根据功能需求由不同单元所组成,可以提高机床的性能和质量,缩短制造周期。近年来出现的直线电动机伺服单元对机械结构设计具有重要影响,称为零传动直线位移装置,其结构简单,运动速度范围广、速度高、加速度高,无反向间隙、采用闭环反馈控制系统、定位精度和重复定位精度高,行程不受限制,应用广泛。

412现代成形和改性技术

现代成形和改性技术包括现代成形技术、材料成形仿真技术、现代表面改性技术、机械失效和可靠性工程、质量监控与无损检测技术等。表面工程是20世纪制造技术的重要成果之一,它不仅扩展了制造领域,同时使零件的内在特性发生了变化,改进了机械设计的结构。

413现代加工技术

近年来高速与超高速加工、精密工程与纳米技术、特种加工技术、快速成形技术、数控加工技术,以及自动化加工技术的发展使加工技术有了长足的进步,从加工的尺度上,在/微尺度0、/中尺度0和/宏尺度0上都有进展,它们分别从微观、细观和宏观世界来研究加工问题。

414制造系统和管理技术

制造系统沿着自动化、柔性化、集成化和智能化的方向发展,出现了自动生产线、柔性制造系统、集成制造系统、并行工程、敏捷制造系统、虚拟制造系统、大规模定制、网络制造、企业集群制造、全球制造、智能制造和绿色制造等丰富多彩的制造模式。同时制造技术与人机工程、管理科学、生物工程和生命科学相结合,拓展了新领域。

企业集群是指众多生产相同或相似产品的企业在某个地区内聚集的现象,集群制造是指企业集群生产的制造模式,正在逐渐发展成为世界经济的一种重要形式,如美国加州硅谷的微电子、生物技术企业集群、意大利北部以米兰为中心的机器制造和皮革加工企业的/第三意大利现象0、我国的珠江三角地区的计算机、服装、家具等企业集群和长江三角地区的集成电路、轻工产品等企业集群。

企业集群制造是通过企业集群制造系统实现的,企业集群制造系统是企业虚拟化和集群化的结果。企业虚拟化使产品的制造过程分解成多个独立的制造子过程,企业集群化使每个制造子过程都聚集了大量的同构企业并形成企业族。

5当前制造技术面临的形势和任务

511传统技术与高新技术

传统技术是高新技术的基础,在发展高新技术的同时应注意传统技术、原始技术的改造,两者相辅相成,使高新技术更上一层楼。我国在20世纪60和70年代已经建成一个比较完整的制造业体系,但水平不够高,与此同时未能加快信息技术等高新技术的发展,跟上世界潮流。改革开放后,我国的制造业在体制和技术上均不能适应市场经济的需求。这一时期,虽然注意了高新技术的发展,却对传统技术的改革显得有些束手无策。

引进国际上的先进技术是必要的,但如何处理好引进与自力更生的关系则更加重要。自力更生是基本国策,引进应该是通过消化、吸收,达到跟踪、创新、自行制造的目的。中国是一个大国,不能单靠引进来发展工业,更不应该盲目引进和重复引进,我国的汽车工业,在轿车上基本无自己的品牌,在机床制造业上,高档精密机床、数控机床大多依赖进口,在国际投标中基本上无竞争力,这种现象令人担忧。引进只能得到一般设备和一般技术,核心技术是很难引进的。核心技术只能靠自己的研究工作才能掌握,只有自力更生才能发展,因此,应该引进那些能够消化、吸收,并能改进设计进行制造的关键设备和技术,而不是全盘搬家,易地生产。

512结合行业需求

在当前市场驱动的形势下,制造技术的发展应结

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合具体的产业,结合行业的产品来发展,才是最有效的,也是最具显示度的,一方面能有具体的目标需求,另一方面也易于促进产业的进步和发展。当前值得发展的制造技术可结合汽车、运载装置、模具、芯片、微型机械和医疗器械等进行高速加工、纳米技术、模块化功能部件、使能技术软件、并行工程和数控系统等研究。结合一个产品解决其技术问题,使行业整体水平能够提高,易于将科技成果转化为商品。

513单元技术、综合技术与成套技术

单元技术是重要的,指一些带有基础性的单项技术,它是综合技术的基础,综合技术带有多学科的融合和交叉,而成套技术是指围绕某一工程的成套装备和技术,如进行热力发电必须要有锅炉、汽轮机和发电机以及输配电等系列装备;又如要生产集成电路必须有半导体晶体生长设备、片基加工设备、集成电路刻蚀以及封装等系列设备,成套设备是我国制造业目前的弱项,不少关键设备还要依赖进口。

514关键技术和新兴技术

重点要抓极端制造和精密制造,极端制造的内容可包括极限尺度、极度功能和极端环境三个方面。

1)极限尺度。有极大尺度和极小尺度,极大尺度有巨系统制造装备;极小尺度有微型机械、微型机电系统,微纳米加工是当前极小尺度的加工极限境界。由于科学技术的不断发展,具体极限值将随着发展进程而逐渐向前推移。

2)极度功能。有极高功能和极多功能,极高功能如当前钢件熔炼轧制连续机,可从钢铁冶炼开始连续轧制成钢板;极多功能如具有铣、镗、磨的五轴六面体数控加工中心是当前的最高水平。

3)极端环境。有真空、失重、强场(辐射、磁场)、温度(超高温、超低温)、速度(高速、超高速;高加速、超高加速)、压力(超高压、超低压)、水下、特种气氛等。

极端制造的内涵和指标将随着科学技术和工业的发展而不断变化,它是一个国家国力和制造能力的重要标志之一。

极端制造和精密制造可以归纳为/高、大、精、尖、基、绿0等几个方面。

1)生物工程、生命科学和宇航工程等是当前的新兴技术领域,需要机、电、信息技术的支持和结合,体现/高0字。

2)对国计民生影响较大的重大技术设备和成套设备,如电力、冶金、石化、水利、煤炭、纺织等,体现/大0字。

3)精密工程微纳米技术和虚拟制造技术是当前制造技术的前沿和热点,如集成电路(芯片等)、微型机械、计算机、生物医疗机械、虚拟仪器等,体现/精0字。

4)尖端科学是国家政治、经济独立的重要标志,也是整个国家科学、技术、教育水平的体现,如原子能(核能)、航天、半导体、生物工程等,体现/尖0字。

5)基础机械主要是基础设备和功能部件,如数控机床、仪器仪表、传感器等,体现/基0字。

6)与资源、环保、生活密切相关,如家用器件、农业机械、林业机械等涉及现代人的工作、生活的环境和条件,是整个国民经济的基础,体现/绿0字。

515制造技术的创新

在近代,由于社会的影响,我国制造技术的创新未能得到展现,崇洋媚外的思想严重地束缚了创新性。创新是技术发展的原动力,是科技进步和经济发展的源泉,是知识经济的核心。

创新要从思维开始,对制造技术来说,首先要大力提倡创新性设计,根据创造性的程度,设计可分为适应性设计、变异式设计和创新性设计三类。创新性设计是最具生命力和竞争力的,是设计的最高水平。在加工技术中,特种加工就是区别于传统加工的非传统加工,其中电加工最具创造性,它使加工机理由力能转向电能,从而开辟了加工的新领域;纳米加工是超精密加工中最具有创造性的,它使制造技术从量变走向了质变,从宏观世界走向微观世界。制造系统、制造技术和管理的结合也是一个创造,对制造技术的发展有重要意义。

创新的源泉来自社会、来自实际,绿色制造的创意是在20世纪末由人、资源和环境的矛盾中提出的,具有时代性。

516体制和政策

体制是上层建筑,它必须和经济基础相适应。当前,我国正处在改革开放时期,从计划经济转向社会主义市场经济,因此,体制也要从指令性控制转向宏观控制,它扩大了企业的自主权,极大地调动了广大企业的积极性。同时,民营企业的兴起改变了经济成分的比例,某些城市中的民营企业所占比例比国有企业要高,这就使得政府的职能部门不仅要管理国有企业,而且要管好民营企业、合资企业和外资企业,才能适应这种形势的需要。

先进制造技术中的制造模式是制造与管理的结合,与体制密切相关,许多技术工作有赖于领导的支持才能办成,例如分布式制造模式的实施,它是一项

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难度很大综合制造技术,其关键有时并不在技术上,而是在领导层的思想认识和态度上,这就是一个涉及体制改革的具体问题。

制造技术和管理的结合是一个方向,管理离不开体制,体制不合适,会制约制造技术的发展,这是一个普遍问题。

517人才的培养

制造强国的实现需要大批的技术人才,我国目前培养的技术人才在国有大中企业工作的较少,使这些企业长期处于技术人员匮乏的局面,大大削弱了产品开发制造能力。另一方面,工人缺乏正规的技术培训,缺少高级技师和掌握数控技术的高级工程技术人员,成为制造水平不高的重要原因之一。

在人才培养上,要进行思想、人生观、世界观、系统基础知识和专门知识以及能力的培养,以便能适应企业、事业等单位的具体工作,而社会对人是一种综合教育。企业、研究所、公司等要求大学毕业的学生一开始就能胜任工作,这是不合理的,学校只能重点培养基础知识和宽专业面的专门知识,主要是打基础,而结合具体单位要求的知识和能力应该由单位自行培养。同时政府管理部门应当通过学会、协会等规划与组织实施大学毕业生就业后的继续教育,使这些工程技术人员能够结合自身的技术工作不断进行相应专业技术的深造,和不断接受现代制造技术的新知识,不断提高自身的专业理论知识水平和解决实际工程技术问题与难题的能力,以及创新能力。

518世界制造大国的现实

我国已是一个制造大国,在各个开发区,已有不少外资企业或中外合资企业,利用我国廉价劳动力和资源进行生产,实际上是资本输出,品牌是外国的,使我国成为工业发达国家的生产基地,对我国制造业会造成一些负面影响,在一定程度上阻碍了我国国有工业和民族工业的发展。另一方面,我国的许多企业都承接了国外企业的转包生产或来料加工,使不少企业疲于奔命,既不能掌握核心技术,经济效益又很低,使我国工业处于支离破碎的境地,不能形成整体配套能力,以上的两种情况造成经济上、技术上受制于外人的局面。但从总体上来说,近年来,我国制造业有了很大的发展,制造技术水平有了很大的提高。

6结语

当前我国已是一个制造大国,世界制造强国将可能由美国和日本转移到中国,这对我国的制造业是一个机遇和挑战。要成为世界制造强国就必须掌握先进制造技术,掌握核心技术,要有很高的制造技术水平,才能不受制于外人,才能从制造大国成为制造强国。要做到这一点,非常不易,要提倡自力更生、自强不息、奋发图强、诚信严谨的爱国主义精神,在党和国家的正确领导下,通过艰苦奋斗、奋发图强、实事求是和与时俱进才能做到。因此,要把握时机,迎接挑战,变被动为主动,使我国真正成为独立自主而又具有国际水平的制造强国。

我国自改革开放以来,在建设具有中国特色社会主义的思想指引下,经济稳步增长,社会稳定,其建设成果受到世界瞩目。出于社会主义市场经济和体制调整下的我国制造业,应担负起历史使命,使我国的制造技术的水平能够位于世界前列,在发展信息技术的同时,要大力发展制造技术。制造技术是当代科学技术发展最为活跃的领域之一,是产品更新、生产发展、响应市场需求、国际间经济竞争和科技竞争的重要手段,各工业化国家纷纷把先进制造技术列为国家关键技术和优先发展领域,生命科学、物质与材料科学、信息与电子科学、海洋与地球科学、能源科学和宇航科学等的发展,必然对制造技术提出更高的要求,世界制造技术将向全球化、绿色化、高技术化、信息化、个性化和服务化、集群化方向发展,我国将会应对一次制造强国的转移,世界和全国人民都在关注着、期待着这一历史时刻的到来。

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作者简介:王先逵,教授,博士生导师。

作者通讯地址:清华大学精密仪器与机械学系制造工程研究所(北

京100084)

E-m ai:l xkwan@ma i.l tsi https://www.360docs.net/doc/2f18638872.html,.c n

收稿日期:2007-11-30

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