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精密特种加工是先进制造技术的重要发展方向

精密特种加工是先进制造技术的重要发展方向

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  • 发布时间:2021-09-13 10:58
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精密特种加工是先进制造技术的重要发展方向

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    制造业是一个国家的经济支柱,先进制造技术必须具有快速动态响应产品市场多变的竞争能力,同时,国家在经济上的独立性和工业上的自力更生能力在很大程度上取决于制造技术的水平,因此,受到了世界各国的重视。

    先进制造技术是将机械、电子、信息、材料、能源和管理等方面的技术,进行交叉、融合和集成,综合应用于产品生命周期的制造全过程。

 

01

先进制造技术的特点和发展

1.1   先进制造技术的特点

    (1)由系统论、信息论、方法论和控制论形成的制造系统工程学,从系统各组成部分之间的相互联系、相互作用、相互制约分析和研究制造过程,出现了制造系统的概念,形成了现代制造系统工程学,图1表示了其结构体系。

制造系统工程学的结构体系

 

    (2)先进制造技术强调了产品生命周期的全过程。它是一个从产品概念开始,到产品形成、使用直至处理报废的集成活动和系统,它包括了产品生命周期的全过程,包含了产品技术、生产技术、拆卸技术和再循环技术四个方面。

    (3)精密特种加工技术是先进制造技术的关键。当前,精密特种加工技术是衡量先进制造技术水平的重要指标之一,在精密和超精密加工技术上,微型机械和纳米技术代表了其发展的水平和研究热点,也是先进制造技术中最活跃的因素。许多精密工程和纳米技术需要特种加工的支持。

    (4)敏捷制造、虚拟制造成为先进制造技术的重要制造模式。近年来,在制造模式上有了很大发展,相继提出了制造单元、生产单元、成组技术、精良生产、敏捷制造、虚拟制造、动态联盟、可重组制造网上制造、全球制造等多种制造模式,敏捷制造的核心是使企业对面临的市场竞争做出快速响应,其关键是虚拟制造技术。

    (5)智能制造是先进制造技术发展的高级阶段。制造技术的发展可以归纳为四个阶段, 即:自动生产线、柔性制造系统、计算机集成制造系统和智能制造系统,就制造系统而言, 其发展可归纳为柔性、集成和智能三个阶段。

1.2   先进制造技术的发展

    先进制造技术的发展主要沿着大制造””或称广义制造的方向发展,它有着旺盛的生命力和明显的重要性,其具体的发展如图2所示。

先进制造技术的发展方向

 

    由图2可以看出,先进制造技术的范围广、涉及面大,当前的重点主要在现代设计方法、创新设计、全生命周期设计、现代成形与改性方法、无损检测、超高速加工、精密工程与纳米加工、非传统加工、现代管理、先进制造模式、集成制造、智能制造、虚拟制造、绿色制造等项目上。

 

02

特种加工概念的扩展和精密特种加工的范畴

    以往特种加工是指一些利用力、热、声、光、电、磁、原子、化学等能源的物理的、化学的非传统加工方法。制造技术的发展使加工这一概念有了很大的变化,从而使特种加工的范畴有了很大的扩大。同时,精密加工和超精密加工的发展,特别是微细加工、纳米加工、微型机械的发展,使得特种加工的范畴有了更大的扩展。

2.1   材料加工成形机理

    由材料加工成形机理,特种加工可分为去除加工、结合加工和变形加工,如表所示。

 

    (1)去除加工又称分离加工,是从工件上去除一部分材料而成形。

    (2)结合加工是利用理化方法将相同材料或不同材料结合在一起而成形,是一种堆积成形、分层制造方法。按结合机理和结合强弱又可分为附着、注入和连接三种。附着又称沉积,即在工件表面上覆盖一层材料,是一种弱结合,典型的加工方法是镀;注入又称渗入, 是在工件表层上渗入某些元素,与基体材料产生物化反应,以改变工件表层材料的力学和机械性质,是一种强结合,典型的加工方法有渗碳、氧化等;连接又称接合,是将两种相同或不相同材料通过理化方法连接在一起,可以是强结合,也可以是弱结合,如激光焊接、化学粘接等。

    (3)变形加工又称流动加工,是利用力、热、分子运动等手段使工件产生变形,改变其尺寸、形状和性能,如特种锻造、特种铸造等。

2.2   零件的整体成形和分层成形

    零件是一个三维实体,自古以来大多采用整体成形方法制造,对于型腔、壳体等成形表面,加工十分困难,一直是加工制造的瓶颈。信息技术和计算机技术的发展,使信息处理能力有了很大的提高,提出了利用离散、堆积分层成形的概念,将一个三维实体,分解为若干个层厚很小的三维实体,分别制造后堆积形成所需的零件,即快速原型制造。

    从分层成形的角度来分析, 这种方法又可以分为平面分层、曲面分层和卷绕分层三类, 如图3所示。

三种分层方式

 

    (1)平面分层较简单易行,也最为常用。(2)曲面分层较复杂,但形状精度较高,有时可减少因层厚产生的台阶效应。(3)卷绕分层是一种比较特殊的情况,目前已应用在R型变压器铁芯的卷绕成形制造, 也可制造铸模、纸包装等零件。

    从加工方法的角度分析,快速原型制造方法是去除、结合、变形三种加工的综合应用, 而各种工艺方法有不同的侧重点,如分层实体制造综合应用了激光切割和粘接等技术,而曲面分层和卷绕分层还必须考虑变形。

2.3   表面工程技术

    加工概念中不仅包含工件尺寸、形状的变化,还包含了工件表面层材料的化学成分、组织结构、力学及物理性质的变化,有处理的含义,特别是表层处理的含义,这种加工就是表面工程技术。

    表面工程是由材料学、冶金学、机械学、物理学、化学、电子学等多学科交叉、综合发展起来的新兴学科,它以表面为研究对象,根据零件表面的失效机制,应用各种表面技术及其复合表面技术,形成了表面工程基础理论,如表面层失效、表面摩擦与磨损、表面腐蚀与防护、表面结合与复合等,同时开辟了高能束冶金学、等离子体物理学、动态金属学、摩擦化学、纳米化学等新的研究领域。表面工程技术中所采用的一些方法多属于附着加工和注入加工,如原子、分子沉积、颗粒沉积、涂敷覆盖、表面改性处理和贴片、粘接、焊接等。

    当前,表面功能性涂敷技术能赋予工件表面耐磨、耐蚀、耐疲劳、耐热、防辐射、防光、防磁、绝缘等特殊功能。特种加工中的激光束加工和离子束加工是最有前途的表面改性处理方法,激光表面改性处理有:固态相变、重溶、涂敷和镀膜等。

2.4   微细加工技术

    微细加工技术是指制造微小尺寸零件的加工技术,它是在半导体集成电路制造技术的基础上形成并发展起来的,是大规模集成电路和计算机技术的基础,是信息时代、微电子时代、光电子时代的关键制造技术之一。

    在微细加工时,由于加工尺寸很小,精度是用去除材料大小的绝对值来表示,引入了加工单位尺寸(简称加工单位)的概念,它表示去除材料的大小,例如原子加工单位表示能去除一个原子。

    微细加工的发展出现了超微细加工,它们都以电子束、离子束和激光束三束加工为基础, 采用沉积、刻蚀、溅射、蒸镀等加工手段进行各种处理。微细加工技术的各种加工方法可用树状结构表示,如图4。目前微细加工正向着高深宽比三维工艺方向发展。

微细加工技术

 

2.5   纳米技术

    纳米技术是当前先进制造技术发展的热点和重点,也是特种加工技术大显身手、大有用武之地的领域。

    纳米技术通常是指纳米级0.1~100nm的材料、产品设计、加工、检测、控制等一系列技术。它是科技发展的一个新兴领域,它不是简单的精度提高尺寸缩小,而是从物理的宏观领域进入到微观领域,一些宏观的几何学、力学、热力学、电磁学等都不能正常描述纳米级的工程现象与规律。

    纳米技术主要包括:纳米材料、纳米级精度制造技术、纳米级精度表面质量检测、纳米级微传感器和控制技术、微型机电系统和纳米生物学等。

    微型机电系统(MEMS)是指集微型机构、微型传感器、微型执行器、信号处理、控制电路、接口、通讯、电源等于一体的微型机电器件或综合体,它是美国的惯用词,日本仍习惯地称为微型机械,欧洲称之为微型系统,现在大多称为微型机电系统。

    微型机电系统可由输入、传感器、信号处理、执行器等独立的功能单位组成,其输入是力、光、声、温度、化学等物化信号,通过传感器转换为电信号,经过模拟或数字信号处理后,由执行器与外界作用。各个微型机电系统可以采用光、磁等物理量的数字或模拟信号, 通过接口与其他微型机电系统进行通讯。

    微型机械可认为是一个产品,其特征尺寸范围应在1μm~1mm,考虑到当前的技术水平,尺寸在 1~10mm 的小型机械和将来利用生物工程和分子组装可实现的1nm1μm的纳米机械或分子机械,均可属于微型机械范畴。

    微型机电系统在生物医学、航空航天、国防、工业、农业、交通、信息等多个部门均有广泛的应用前景,已有微型传感器、微型齿轮泵、微型电机、电极探针、微型喷嘴等多种微型机械问世,今后将在精细外科手术、微卫星的微惯导装置、狭窄空间及特殊工况下的维修机器人、微型仪表、农业基因工程等各个方面显现出巨大潜力。

    目前,微型机电系统的发展前沿主要有:微型机械学研究、微型结构加工技术(高深宽比多层微结构的表面加工和体加工技术)、微装配微键合微封装技术、微测试技术、典型微器件、微机械的设计制造技术等。

 

03

非机械超精密加工技术

    目前,大多数学者都将超精密加工技术分为两大类:机械超精密加工技术和非机械超精密加工技术。前者主要指金刚石刀具超精密切削、金刚石微粉砂轮超精密磨削、精密研磨和抛光等传统加工方法的精密化、微型化,后者主要指微细电火花加工、微细电解加工、微细超声加工、电子束加工、离子束加工、激光束加工等非传统加工的精密化、微型化。可以很明显地看出,所谓非机械超精密加工技术实际上就是超精密特种加工,这对特种加工而言是一次极好的机遇。

    当然,非机械超精密加工技术不仅包含了通常的特种加工技术,而且包含了集成电路制作的一些微细加工技术。一块集成电路芯片的主要工艺如图5所示。

集成电路芯片的制作工艺

 

04

特种加工技术的发展

    随着科学技术的进步和工业生产的发展,特种加工技术的内涵日益丰富,范畴日渐扩大, 已形成了较完整的制造工程体系,在难加工材料、复杂型面、低刚度薄壁零件、精密微细等加工方面占有十分重要的地位。今后的发展方向主要有以下几方面:

    (1)精密化、微型化。要在保持原有特种加工特点的基础上,向微细加工、纳米加工方向发展,同时,不仅要注意分离加工,而且要注意结合和变形加工。

    (2)自动化、柔性化、集成化、智能化。自动化有助于实现操作,提高加工质量和效率,快速响应市场需求;柔性化可实现多品种小批量生产;集成化可充分利用CAD/CAMCIMS等技术实现设计制造一体化、并行设计、虚拟制造、反求工程等;智能化可利用专家系统、模糊推理、人工神经网络、遗传基因等人工智能技术,解决制造过程中的复杂决策问题,提高实用性,代替人的部分脑力劳动。

    (3)新方法、新技术。要开拓一些新的特种加工方法和复合加工方法,目前已成功应用的水射流加工技术,包括水射线、磨料水射流和冰粒水射流等都有广泛的应用前景,与电子束、离子束、激光束共同组成了束流加工技术。

    (4)绿色制造,由于世界性的环境保护,制造业必须面对这一问题进行绿色加工,在特种加工中,用水基溶液代替有污染的工作液,有多方面的工作可做。

   者:王先逵,赵   

   源:《电加工与模具》2002年第1 

   文:《精密特种加工是先进制造技术的重要发展方向》

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