先進制造技術最新進展1

哈爾濱工業大學教授  袁哲俊

一、我國機械制造工業面臨的形勢

    近年高新技術獲得飛躍的發展，這一方面使機械制造工業采用了新技術，提高了機械制造的技術水平，同時，由于高新技術和國防工業發展的需要，促進了機械工業技術水平的迅速提高。
    近年來我國機械工業獲得迅速發展，現在中國已是一個制造大國：中國已能生產電腦,DVD,半導體，各種家電和電信設備等精密產品，并且價格低廉。2003年，統計中國生產了世界上29%的彩色電視機，世界上24%的洗衣機，16%的電冰箱，50%以上的空調機，70%的玩具，55%的照相機，30%的微波爐，42%的顯示器，75%的鐘表，50%縫紉機，83%的小型拖拉機，40%的自行車，44%的摩托車。收錄機年產量2.4億臺，占全球份額的70%，DVD機2000萬臺，占70%，電話機9600萬臺，占50%以上，微特電機30億臺，占60%，一次性電池170億只，占40%，人造金剛石微粉10億克拉，占60%以上。中國生產的這些機電產品，已經銷售到世界各國。我國汽車工業發展迅速，自1992年實施擴大開放政策以來，保持平均15%以上的年增長率。2002年和2003年的產量達到325.1萬輛和444.39萬輛。
    中國制造業規模已達世界第四位，僅次于美國、日本和德國。在鋼鐵、水泥、化纖、化肥、電視機、摩托車等年產量都是世界第一。但制造業大而不強，是制造大國而不是制造強國。例如鋼鐵(年產量超過2億噸)，我們大量出口低價鋼材而進口高附加值的合金鋼。機床也是出口亷價的簡單機床，而進口昂貴的數控和精密機床。中國制造業的勞動生產率，僅是美國的1/25，日本的1/26。中國很多機械產品價雖亷，而質量也低，突出的例子，如鉆頭，價格是國外的1/10，而壽命也是國外的1/10。在世界企業的500強中，中國的制造業僅有兩家。
    但中國不僅不是一個制造強國, 而且是一個制造水平很低的國家。只是由于中國勞動力工資很低，因而在中國大量生產的只是勞動密集型產品(很多還是外國品牌)。而高水平高質量的產品，如精密和數控機床，飛機，汽車，精密儀器，精密微電子設備，還都需要大量進口, 一些重要精密尖端產品還自己不能生產，受制于外國。
    現在世界制造工業競爭極為激烈，我們需要盡快努力，使中國早日真正成為一個制造強國。近年來制造技術發展迅速，大量新技術被應用到制造業中，先進制造技術發展極為迅速。

    中國制造工業存在的問題：

    1.機械工業產品落后，國外已是新的機電一體化產品，并且產品不斷更新，而我國生產的往往是老的產品，產品更新很慢，而且很多高水平高質量的產品還不能制造。如精密機床和數控機床，飛機，汽車，精密儀器，精密微電子設備，還都需要大量進口, 一些重要精密尖端產品自己不能生產，受制于外國。
    2.不掌握產品核心技術，引進的機電產品很多使用外國的專利(很多還是外國品牌)，核心技術沒有自己的知識產權，不僅要交專利費，并且不能修攺改進。
    3.機床裝備數量雖多，但構成比十分落后。據2002年統計，我國機床擁有量383萬臺，居世界第一，但其中屬于國際先進水平的僅占1.5%，屬國內先進水平的也只占9%，設備總體構成比十分落后
    4.制造技術落后：制造技術工藝落后，加工棈度低，工作效率和生產效率低。生產周期長，新產品試制周期長，流動資金占用多。
    5.管理落后，非生產人員比例大。以機床工業為例，1996年我國機床工業員工共36.9萬人，工業結構調整后, 現今約20萬人, 仍居世界第一（美國5.8萬人，德國7萬人，日本4萬人），機床工業員工人數雖多，但機床產量、產值、質量均遠遠落后于美、日、德等發達國家。據統計我國機械制造業的人均產值僅為美國的1/25，日本的1/26。
    6.研究費用及人力投入少，技術創新少。

   現在世界制造工業競爭極為激烈，當前我們的任務應盡快努力，使中國早日從制造大國變成為一個真正制造強國。為此必須
    1.研制并發展先進的高水平的產品，機電一體化的新產品。
    2.使用先進的制造技術，近年來制造技術發展迅速，大量新技術被應用到制造業中，先進制造技術發展極為迅速，提高加工產品質量，提高加工效率。
    3.采用先進的管理技術
    4.從思想上重視技術創新，掌握核心技術。
近年來機械工業技術水平提高迅速, 競爭劇烈。我們面臨的形勢是是嚴峻的，亟需積極努力，加速發展先進制造技術，提高我國機械制造工業的技術水平。只有提高機械工業技術水平，才有可能將我國從一個制造大國轉變成一個制造強國。下面簡單介紹先進制造技術的幾個主要方面的發展情況。

二、 高速切削技術的發展

    金屬切削加工作為制造技術中最主要的工藝技術，決定著制造業中零件的加工效率、精度、質量和成本。即使到下個世紀切削加工仍將是機械制造業最基本最大量的工藝技術，必須給予充分重視。
    高速切削技術經過半個世紀的探索和研究，進入二十世紀90年代以后，各工業發達國家已在生產中開始應用，明顯的提高切削效率，受到極大的重視高速切削技術的實現，涉及高速機床、刀具、切削工藝、數控技術、切削動力學等多項技術。

    2.1高速切削的速度定義

    高速切削速度不能簡單地用某一切削速度數值來定義，不同的切削條件，具有不同的高速切削速度范圍。不同的工件材料的大致高速切削速度范圍如圖1所示。高速銑削鋼時,切削速度的下限是500-800m/min，高速銑削鋁合金時,切削速度的下限是3000-5500m/min。

圖1   高速切削速度定義

    2.2高速切削的主要優點

    1.隨切削速度提高，材料切除效率增加，大幅度提高加工教率，降低加工成本。
    2.切削速度提高，切削力隨之減少，平均切削力可下降30%。這對降低高轉速主軸的功耗有明顯影響，并有利于低剛性和薄壁零件的加工。
    3.高速切削平時采用小切深，大進給，并且切削力降低，使加工表面質量明顯提高，并有利于低剛性零件的加工。
    4.高速切削大量的切削熱隨切屑排出，大致在90%以上，加工工件的溫升小，有利于降低工件的熱變形和減小加工的殘留內應力。
    5.從切削動力學分析，機床轉速提高，使切削系統的工作頻率遠高于機床的低階固有頻率，這有利于降低加工表面粗糙度。
    6.高速切削可代替磨削用于淬硬工件的粗加工和半精加工，不僅明顯提高加工效率，而且不用切削液，有利于環境保護。

    高速切削已用于加工多種不同零件，圖2是幾種加工零件實例，可看到多種不同材料的復雜結抅零件，包含自由曲面的零件等，都已可用高速切削技術加工。航空工業中的大型鋁合金機架，使用高速銑削，提高加工效率，效果特別明顯。

圖2 高速切削加工零件實例

    2.3高速切削對機床的要求

    高速切削機床成為高速切削機床發展的首要條件。高速切削對機床有很高的要求,是高技術機床。高速切削機床主軸要求很高的轉速，很高的進給速度和加速度，機床結構應有很高的靜、動剛度和優良的力學性能。高速切削機床相當大部分是多軸聯動數控機床，同時又常是精密機床，,不僅可減少切削工時,并可減少后續的精加工，效益十分明顯。
    高速主軸是高速切削機床的最核心部件，近年來高精度陶瓷軸承和新潤滑技術的應用，使高速主軸的轉速從前幾年的15000～30000r/min又提高到最新的30000～45000r/min。現高速主軸，多數采用內置式電機，精密陶瓷軸承，油氣潤滑，內部循環冷卻，密封結構。圖3 所示是一種典型高速主軸結構。

    高速切削時要求甚高的進給速度和加速度，傳統滾珠絲杠驅動已不能滿足要求。現在多數高速切削機床采用直線電機驅動導軌，進給速度甚至高達80-120m/min。圖4所示是直線電機驅動導軌。
    高速切削機床現在相當大部分是多軸聯動數控機床或加工中心，同時又常是精密機床，可以加工出非常復雜和精密的零件，大大節省加時間。瑞士DIXI公司以生產精密臥式坐標鏜床而聞名于世，現在也已攺生產多坐標數控聯動高速臥式精密加工中心。圖5所示為DIXI公司的DHP40型高速棈密臥式鏜銑加工中心，其主軸最高轉速為24000r/min.
    高速切削機床的結構都應有很高的靜、動剛度和優良的力學性能。

    2.4高速切削對刀具的要求

    高速切削對刀具有極嚴的要求:
    1.使用優質刀具材料 高速切削的刀具必須使用優質硬質合金、涂層刀具，超硬材料刀具，如陶瓷刀具，CBN刀具或金剛石刀具等，以保證刀具有較長的切削壽命。
    2.刀柄結抅 高速切削的刀具在甚高轉速下工作，原來的7:24錐柄接觸不可靠，如圖6所示，錐面很難良好接觸。高速切削的刀具現在常采用短錐柄，要求定位錐面和端面同時接觸，以獲得很高的接觸剛度和精度。圖7所示是這種高速切削用的HSK40刀柄系列。
    3.高速切削的刀柄結構必須能保證快速換刀，快速換刀時間現在一般僅為數秒鐘。
    4.高速切削的刀具使用前必須經過精密動平衡，以免工作時發生振動。

    2.5高速切削對控制系統的要求

    高速切削的控制系統，要求有高速大容量的數據計算處理能力。高速運動部件的慣性很大，在啟動加速和減速停止時，都有很大的加速度，要求控制系統有很強的快速控制性能。在加工時, 如作曲線軌跡運動, 將產生很大的向心加速度，可能達到4~6m/sec2。因此在加工拐角和圓弧時，運動部件的慣性將影響運動精度，編程控制系統必須加以修正。

    2.6高速切削對安全和環保的要求

    高速切削時，刀具轉速甚高，切屑以極高速度飛出，必須有安全防護裝置。高速切削時，一般不使用切削液，有利于環境保護。

三、刀具材料和涂層技術的發展

    3.1硬質合金刀具材料的進展

    現在硬質合金已成為主要刀具材料，近年來硬質合金刀具材料有很大發展提高，細顆粒、超細顆粒硬質合金材料的發展，顯著提高了它的強度和韌性。硬質合金化學成份的攺進，發展了很多新牌號的硬質合金，可適應多種不同工藝條件的切削要求。加壓燒結等新制造工藝的開發和應用，大大的提高了硬質合金的內在性能和質量。中小規格的鉆頭、立銑刀、絲錐等刀具現在很多都使用整體硬質合金制成，使切削效率大大提高。但目前我國生產的硬質合金刀片和刀具，和發達國家的硬質合金相比，質量還有很大差距，亟待提攺進高。引進的汽車流水線上，80~90%使用昂貴的進口刀具。

    3.2超硬刀具材料的發展

    陶瓷和金屬陶瓷刀具材料的質量，現在已有很大提高，強度和韌性增加，已可在鋼材和鑄鐵材料的精加工和半精加工批量生產中代替硬質合金，明顯提高了切削效率。
    PCBN、CBN和聚晶金剛石刀具材料的制造工藝攺進提高，使其韌性提高和切削壽命明顯延長。用CBN刀具加工鑄鐵和淬硬鋼，用聚晶金剛石刀具加工有色金屬，明顯優于用硬質合金刀具，不僅切削效率大大提高，刀具壽命明顯延長，而且加工零件質量也可提高，因此這些超硬刀具材料，生產應用不斷擴大。

    3.3刀具涂層技術的發展

    刀具涂層技術近年取得很大進展，化學涂層(CVD)仍然是可轉位刀片的主要涂層工藝，新開發了中溫CVD、厚膜三氧化二鋁、過渡層等工藝，使涂層的韌性和耐磨性得到提高。物理涂層(PVD)技術亦有很大提高。最近又開發了適應高速切削、干切削，硬切削的耐熱性更好的新涂層TiAlN，綜合性能更好的通用涂層TiAlCN，潤滑涂層DLC、W/C等。最近還開發了納米涂層、多層涂層等，大幅度提高了涂層硬度和韌性。

四、機床工業的技術發展

    4.1機床工業面臨的形勢

    機床工業是機械制造工業的基礎，振興裝備制造工業，這已成我們政府的一項基本國策。
我國的機床工業由于機床產品水平不高，在二十世紀后期連續5年全行業虧損。直到2000年, 才獲得明顯好轉，扭轉了全行業的虧損，走上快速發展軌道。但至今機床工業和先進國家相比，差距仍甚大。
    2001年我國的機床產量為19.21萬臺，其中數控機床1.75萬臺，產值約10億美元，進口機床額達24億美元(其中數控機床1.77萬臺, 金額14億美元), 出口機床2.9億美元。
    2002年全年生產機床23.19萬臺，其中精密、數控機床占2.87萬臺。2002年1 - 6月我國進口機床55845臺, 用匯金額13.3億美元，比去年同期增加23.9%，進口機床不少是高水平高價格的機床，平均單價2.4萬美元/臺。2002年1 - 6月我國出口機床250.72萬臺，金額1.46億美元, 比2001年同期增加5.7%。應注意我國出口機床主要是鉆床、砂輪機，鋸床，普通車床等低水平低價格機床，平均單價僅為58.2美元/臺。從我國機床的進出口情況，也可說明中國的機床工業處在甚低的技術水平。
    2003年我國機床年生產量是30.7萬臺，其中數控機床3.6萬臺，產值約29.1億美元。2003年我國進口機床用匯金額超過40億美元，其中主要是精密和數控機床，是世界第一大機床進口國。我國2003年機床消費額超過67億美元，比上一年增加了27%, 是世界第一大機床消費國。國產機床自我市場的滿足率不到44%，國產數控機床的自我市場的滿足率不到30%。國防尖端技術急需的大型。精密、高技術數控機床，幾乎100%依靠進口。
    最近世界機床工業逐年產值增加，世界上30個機床工業發達國家統計(其機床產值約占世界機床總產值的94%)，2002年機床總產值322億美元，2003年機床總產值363億美元。但機床市場競爭劇烈，現在中國加入WTO后，進口機床關稅大幅下調。進口機床總關稅水平已由1996年的36%，降低到2003年9.6%，今后進口機床必然會進一步增多。因此我國的機床工業面臨國外高水平機床大量進口，市場競爭更加劇烈的嚴峻局面。這些都迫使我們必須盡快提高機床產品水平, 集中力量攻克關鍵技術, 在機床工業中使用高新技術，并積極發展新型機床，滿足高新技術發展的需要。
    參考國外機床工業的發展動態，作者認為我國機床工業應首先應加速發展機床工業的重要核心技術: 數控技術、發展高速切削機床和精密超精密機床, 提高國產機床的水平。此外還應注意高新技術發展對機床工業提出的新需求, 供應加工微電子元器件和MEMS等的新型機床設備。

    4.2數控技術的發展提高

    數控技術是發展數控機床和先進制造技術的最關鍵技術。數控技術發展方向：高分辨率精密數控系統，多軸聯動數控系統，發展以通用工業控制微機為基礎的開放式數控系統。
    現在世界數控技術正處在技術轉變階段，正以通用工業控制微機為基礎的開放式數控系統,逐步取代過去的以專用計算機為硬件平臺的封閉式數控系統。 因此, 抓緊這時機，集中投入力量, 在新起點基礎上迎頭趕上，是使我國數控技術早日達到世界先進水平的, 現在是不可多得的大好時機。
    長期以來, 我國的數控機床依賴國外的數控系統，不僅我國的數控機床的發展受到國外的控制, 而且國外還限制對我國出口高精度數控系統和五坐標聯動以上的高檔數控系統。使我國數控技術長期處在嚴重落后狀態。最近我國數控技術取得了可喜的進展，2001年中科院沈陽計算所研制成功有自主知識產權的“藍天一號”高檔數控系統。華中數控有限公司也自主開發成功, 以通用工業控制微機為基礎的開放式的高水平五坐標數控系統，使我國的數控技術躍進到新的水平。華中數控公司將投資9000萬元建設中國最大的數控研究、開發和生產基地。北京第一機床廠和日本大隈株式會社合資將建立我國最大的數控機床制造廠— “北一大隈機床有限公司”, 投資3.3億人民幣，年產200臺數控機床起步，最終達到年產1000臺數控機床的產量目標。

    4.3高速切削機床技術的發展

    國外在制造業已較廣泛應用高速切削加工技術, 取得了很大效益，高速切削機床成為機床發展的重要方向，已取得很大成績。這問題前面已經講過，不再重復。
    我國現在還不能生產高速切削機床，由于這項新技術應用日廣，必須投入力量, 研究開發高速切削機床。

    4.4精密和超精密機床技術的發展

    精密和超精密機床技術的發展方向：發展大型超精密機床，普遍提高精密機床的精度，發展多功能和高效專用超精密機床。超精密機床的發展, 直接影響尖端技術和國防工業的發展，世界各國在這方面都極為重視，投入很大力量進行開發研究，這部分將在下面講精密和超精密加工技術發展時再講述。

    4.5復合多功能加工機床的發展

    為節省復雜零件的裝卡輔助時間, 國外發展了車銑復合加工中心。例如日本Mazak公司的INTEGREX e-650H車銑復合加工中心, 可以進行車削、銑削、鉆孔、攻絲等; 作為選件，B軸還可以進行滾齒，激光表面淬火和局部外圓磨削。德國STAMA的MC系列機床是5軸聯動車銑復合加工中心，集合了棒料車床和立式5軸聯動的鏜銑加工中心，復雜零件可以一次裝卡，完成零件的全部加工, 大大節省零件裝卡的輔助時間。