先進制造技術(shù)在機械制造業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢分析

王忠強 戴陽 馬乙文 王穎鵬

上海電控研究所有限公司 上海 200092

引言

制造業(yè)是各國經(jīng)濟發(fā)展的實力象征，我國制造工業(yè)多年來發(fā)展迅猛，網(wǎng)絡(luò)信息時代中產(chǎn)生的信息集成技術(shù)對其有著決定性作用。在這一形勢下，我國應(yīng)充分重視制造技術(shù)的創(chuàng)新，加快高新技術(shù)的發(fā)展，推動制造自動化單元技術(shù)的落成，從而實現(xiàn)我國基礎(chǔ)制造業(yè)的全面提升。

1 先進制造技術(shù)組成與特點

信息技術(shù)的到來改變了人們生產(chǎn)以及生活的方式，也使得制造業(yè)迎來了巨大的變革，其中先進制造技術(shù)是相對于傳統(tǒng)制造技術(shù)的一種概念，其具體表現(xiàn)為集成化、自動化以及智能化，此種技術(shù)結(jié)合了電子、信息、自動化、機械工程等多項科學(xué)，能夠?qū)⒓夹g(shù)、設(shè)備和系統(tǒng)融為一體，實現(xiàn)效率化作業(yè)。

1.1 先進制造技術(shù)組成

先進制造技術(shù)體系由多層次技術(shù)群組成，其以基礎(chǔ)制造技術(shù)為核心，這一技術(shù)具備低耗、高效、優(yōu)質(zhì)、清潔的特點，在目前生產(chǎn)中，傳統(tǒng)鑄造、機械加工、焊接、鍛壓等基礎(chǔ)工藝仍有使用，而基礎(chǔ)制造技術(shù)正是由這些基礎(chǔ)工藝經(jīng)優(yōu)化后形成。此外，體系中還包含新型制造單元技術(shù)，這一技術(shù)是制造技術(shù)在新興產(chǎn)業(yè)及市場需求推動下，與新能源、電子信息、環(huán)境科學(xué)、現(xiàn)代管理等新興技術(shù)融合而成的全新制造技術(shù)，例如：自動化單元模塊、CAD/CAM軟件技術(shù)、質(zhì)量可靠技術(shù)、激光加工技術(shù)以及高密度能源加工等；集成技術(shù)，這一技術(shù)是指生產(chǎn)單位整體或其中部門內(nèi)不同且獨立的設(shè)計與制造技術(shù)、計算機集成制造技術(shù)等；信息技術(shù)，這一技術(shù)是指在計算機基本硬件支持下，應(yīng)用各種軟件完成包括產(chǎn)品信息收集、信息儲存、信息傳遞、生產(chǎn)加工處理等各環(huán)節(jié)在內(nèi)的整個生產(chǎn)過程的技術(shù)，例如：零件原型狀快速加工技術(shù)、虛擬產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等。先進制造技術(shù)的核心由計算機輔助設(shè)計功能、輔助制造技術(shù)、集成化制造技術(shù)所構(gòu)成，擁有這一技術(shù)是制造業(yè)企業(yè)在市場中占據(jù)競爭優(yōu)勢的前提[1]。

1.2 先進制造技術(shù)特點

先進制造技術(shù)特點主要包括七點，一是具備動態(tài)性，先進制造技術(shù)走在各類技術(shù)的前端，是一個不斷進步的過程，其是結(jié)合應(yīng)用目標(biāo)不斷對各高新技術(shù)加以吸收，會在其他技術(shù)逐步發(fā)展中進行自身內(nèi)容更新，不同階段時期擁有不同特點。二是具備廣泛性，過去的制造技術(shù)，是利用生產(chǎn)材料加工成人類需求的物件，而先進制造技術(shù)是在傳統(tǒng)制造技術(shù)基礎(chǔ)之上，實現(xiàn)對于原材料的靈活運用與裝配加工處理，充分應(yīng)用了自動化控制技術(shù)、系統(tǒng)管理技術(shù)、信息化設(shè)計技術(shù)的眾多優(yōu)勢。三是具備實用性，先進制造技術(shù)是結(jié)合制造業(yè)特定發(fā)展需求而形成的新技術(shù)，主要面向工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用且擁有較高實用性。四是具備集成性，在過去的制造技術(shù)相關(guān)學(xué)科之中，內(nèi)容相對單一，專業(yè)界限清晰，而如今的先進制造技術(shù)則具備了集成化的特點，包含電子信息、材料技術(shù)、機械技術(shù)以及管理技術(shù)等，內(nèi)容豐富，且關(guān)聯(lián)性較強。五是具備系統(tǒng)性，先進制造技術(shù)在機械制造過程中應(yīng)用，其人性化、智能化的思想理念應(yīng)貫穿于制造的全過程之中，在設(shè)計初期要將產(chǎn)品生命周期中各項因素考慮在內(nèi)，比如產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)成本、用戶需求等。六是具備靈活性，先進制造技術(shù)應(yīng)用全新技術(shù)對局部或系統(tǒng)加以集成，結(jié)合市場實際情況進行靈活生產(chǎn)。七是具備先進性，先進制造技術(shù)是在傳統(tǒng)制造技術(shù)之上發(fā)展而來的，對其進行了優(yōu)化與改進，而提升對多變市場的適應(yīng)能力及在其中的競爭能力是這一技術(shù)的發(fā)展目標(biāo)。

2 先進制造技術(shù)在機械制造業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀分析

全球工業(yè)革命經(jīng)歷四次變革，前三次分別以蒸汽機、電力、信息技術(shù)為代表，第四次則以人工智能、虛擬現(xiàn)實、機器人技術(shù)、量子信息技術(shù)以及清潔能源等先進制造技術(shù)為代表?；诘谒拇喂I(yè)革命背景之下，全球經(jīng)濟一體化的腳步之間加快，在全球市場中，各國制造業(yè)核心競爭力即為先進制造技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展。我國于2015年印發(fā)《中國制造2025》，其中描繪了工業(yè)2.0時代到4.0時代的跨越進步，其中明確指出要利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)活的優(yōu)勢，優(yōu)化各生產(chǎn)要素的配置，將其創(chuàng)新成果在各領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。

2.1 利用先進制造技術(shù)理念進行產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)

先進的制造技術(shù)理念當(dāng)前被廣泛應(yīng)用于機械設(shè)備制造前期的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及研發(fā)環(huán)節(jié)。加入了先進制造技術(shù)理念的現(xiàn)代化設(shè)計方法，充分應(yīng)用了計算機輔助設(shè)計、可靠性設(shè)計、綠色設(shè)計等現(xiàn)代化技術(shù)優(yōu)勢，改變了傳統(tǒng)設(shè)計思路與技術(shù)方法，實現(xiàn)了發(fā)展。從產(chǎn)品設(shè)計內(nèi)容層面上看，傳統(tǒng)機械產(chǎn)品設(shè)計過程涵蓋方案、技術(shù)設(shè)計板塊、工藝方法設(shè)計，附加項極少。而現(xiàn)代機械產(chǎn)品設(shè)計可謂全方位設(shè)計，已經(jīng)滲透到制造加工的全過程之中，其中包括產(chǎn)品設(shè)計階段、產(chǎn)品檢測極端、產(chǎn)品宣傳營銷、產(chǎn)品維護保養(yǎng)、產(chǎn)品報廢以及回收環(huán)節(jié)。從產(chǎn)品設(shè)計方法層面上看，傳統(tǒng)機械產(chǎn)品設(shè)計僅依據(jù)經(jīng)驗積累、單一知識，運用落后生產(chǎn)工具來實施，而依托先進制造技術(shù)理念的現(xiàn)代化機械產(chǎn)品設(shè)計需要結(jié)合多種科學(xué)技術(shù)與手段，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計、制造、加工、包裝環(huán)節(jié)的一體化、最優(yōu)化以及并行化。

2.2 現(xiàn)代產(chǎn)品制造中應(yīng)用新工藝與新技術(shù)

機械制造工藝在機械制造全過程中擁有十分重要的作用，其是將原材料與半成品加工成為人們所需要的機械產(chǎn)品。在機械產(chǎn)品制造過程中，隨著先進制造技術(shù)的不斷滲透與實際生產(chǎn)需求的不斷變化，產(chǎn)生大量全新工藝與全新技術(shù)。例如，諸多高新技術(shù)在毛坯制造中涌現(xiàn)出來，其中包括新型焊接電源與控制技術(shù)、鋼液精煉及保護成套技術(shù)、激光焊接技術(shù)和切割技術(shù)等，在機械加工方面包含精密加工、高速切削、高速磨削、復(fù)雜型面數(shù)控加工等機電一體化技術(shù)等；在熱處理方面有真空熱處理技術(shù)、激光表面合金化技術(shù)以及可控氣氛熱處理技術(shù)；自動化生產(chǎn)層面上有柔性制造技術(shù)、集成集成化制造、機床數(shù)控、自動檢測、傳感以及信號識別技術(shù)等。大量新技術(shù)的形成不僅能滿足機械制造過程自身所需，同時還能推動制造行業(yè)技術(shù)的發(fā)展，這些新技術(shù)現(xiàn)階段已得到廣泛應(yīng)用[2]。

2.3 實現(xiàn)現(xiàn)代化管理模式的轉(zhuǎn)型

生產(chǎn)單位所采用的管理模式對制造生產(chǎn)過程的質(zhì)量以及功能專業(yè)能夠產(chǎn)生極大的影響，應(yīng)用剛性生產(chǎn)線，由其他部門在其上履行自身職責(zé)。在機械制造業(yè)發(fā)展過程中，其生產(chǎn)方式逐漸向小批量、中批量趨勢變化，所以生產(chǎn)單位組織管理模式也要優(yōu)化成與之相適配的形式。先進制造業(yè)在應(yīng)用中使生產(chǎn)單位組織管理模式發(fā)生諸多變化，其一，依托先進的制造技術(shù)可以改變傳統(tǒng)制造工序，使得管理模式也會發(fā)生相應(yīng)的功能。其二，依照每一環(huán)節(jié)的具體生產(chǎn)需求，形成動態(tài)化的組織管理模式。三是由金字塔多層級生產(chǎn)組織管理機構(gòu)變?yōu)楸馄交W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，四是可以根據(jù)市場變化，以市場為導(dǎo)向，轉(zhuǎn)變制造設(shè)計理念，提高產(chǎn)品競爭能力手段，五是由技術(shù)為核心轉(zhuǎn)變?yōu)橐匀藶楹诵摹?/p>

3 先進制造技術(shù)在機械制造業(yè)中的應(yīng)用發(fā)展趨勢

3.1 信息化技術(shù)帶動先進制造技術(shù)發(fā)展

在網(wǎng)絡(luò)信息時代中，信息化技術(shù)的涌現(xiàn)與發(fā)展促使大量新興制造產(chǎn)業(yè)形成，推能夠加快傳統(tǒng)制造業(yè)務(wù)的轉(zhuǎn)型，引起傳統(tǒng)管理理念優(yōu)化更新，促進先進制造業(yè)向智能化、集成化及網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。諸如現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)、虛擬產(chǎn)品開發(fā)制造、并行工程、精益生產(chǎn)等均是在信息化技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上產(chǎn)生。信息化技術(shù)發(fā)展帶動先進制造技術(shù)更新，能在很大程度上推動我國社會經(jīng)濟進步。

3.2 以低能耗、無污染、高精度為發(fā)展方向

快速成型這一新興技術(shù)融合多學(xué)科知識，其中涵蓋了數(shù)控、計算機輔助、材料技術(shù)以及精密機械加工等等，利用離散積堆原理，將產(chǎn)品設(shè)計模型制成實物樣件。對于改性制造技術(shù)而言，各種新型精密熱處理與復(fù)合處理是其主要發(fā)展方向，能使能耗充分降低，并實現(xiàn)對環(huán)境的零污染。

3.3 加工工藝由技藝發(fā)展成為工程科學(xué)

先進制造技術(shù)在機械制造業(yè)之中發(fā)展的核心在于工藝設(shè)計環(huán)節(jié)，是否能夠依靠經(jīng)驗判斷，逐步變?yōu)槎ㄏ蚍治?。在這一過程中，加工工藝在計算機輔助設(shè)計與制造技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)上，從原有的依照實物發(fā)展模型轉(zhuǎn)變?yōu)橄冗M模型加工技術(shù)。產(chǎn)品設(shè)計工作在并行工程環(huán)境開展虛擬成型制造過程中將與其準(zhǔn)備工作同時完成。

3.4 超高速、超精度技術(shù)與先進制造裝備發(fā)展方向

當(dāng)前超高速的數(shù)控切削技術(shù)的速度每分鐘已經(jīng)超過了2000～7500m，切削銅合金的速度為每分鐘900～5000m，切削鋼的速度為每分鐘600～3000m，切削鑄鐵的速度為每分鐘800～3000m，切削超耐熱鎳合金的速度為每分鐘80～3000m，切削鈦合金的速度為每分鐘150～1000m，切削纖維增強塑料的速度為每分鐘2000～9000m。超高速切削技術(shù)的發(fā)展已逐漸取代碳素鋼索刀具材料的應(yīng)用地位，其能實現(xiàn)對難以加工的材料進行切削加工。超精密加工技術(shù)發(fā)展步入納米級時代，其在應(yīng)用中能達到0.025μm的加工精度，0.0045μm的表面粗糙度。超精切削厚度從紅外波段向可見光波段及更短波段發(fā)展；超精加工機床逐漸融合多功能模塊化；超精加工材料不斷擴大，包括金屬材料與非金屬材料等。先進制造設(shè)備在新產(chǎn)品、新技術(shù)、新材料的發(fā)展推動下進行研究與開發(fā)，比如并聯(lián)桁架式結(jié)構(gòu)數(shù)控機床，可通過六軸長短變化來控制刀具與工件相對加工位置，這一數(shù)控機床優(yōu)化了傳統(tǒng)機床的結(jié)構(gòu)方案[3]。

3.5 先進制造技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域界限淡化

在加工、物流、設(shè)計、檢測等領(lǐng)域應(yīng)用先進制造技術(shù)的界限淡化，逐漸向一體化發(fā)展。通過計算機輔助設(shè)計與制造技術(shù)的應(yīng)用融合產(chǎn)品設(shè)計與制造為一體；通過精密成型技術(shù)的應(yīng)用使毛坯加工更接近最終零件形狀與尺寸，降低切削加工量，使冷熱加工界限消失；通過快速原型、零件制造技術(shù)的應(yīng)用促使設(shè)計思想成為具備一定結(jié)構(gòu)的原型或直接進行零件制造，使設(shè)計與制造間的界限淡化消失。

3.6 虛擬技術(shù)、人工智能廣泛應(yīng)用于制造業(yè)中

虛擬現(xiàn)實技術(shù)主要包括兩部分，一為虛擬制造，這一部分主要是利用虛擬制造技術(shù)從根本上改變傳統(tǒng)制造模式中的設(shè)計、試制、修改以及規(guī)模生產(chǎn)，在產(chǎn)品生產(chǎn)前先在虛擬制造環(huán)境中生成軟產(chǎn)品原型加以實驗，預(yù)測并評估其性能與可制造性，以降低成本，減少制造時長，具備得以快速響應(yīng)市場變化的能力。二為虛擬企業(yè)，這一部分是結(jié)合市場需求，使產(chǎn)品涉及的各企業(yè)通過網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系暫時組成合作體，對組合是否能夠協(xié)調(diào)運行進行分析，并評估投產(chǎn)風(fēng)險及利益分配，虛擬企業(yè)具備地域分散化、信息共享化的特點。

3.7 智能制造技術(shù)方向發(fā)展

智能制造技術(shù)通過計算機對人的分析、判斷、決策等活動進行模擬，將之融入機器人中，在制造企業(yè)子系統(tǒng)中貫穿使用，使設(shè)計、制造過程智能化，這一技術(shù)是信息技術(shù)、智能技術(shù)及制造技術(shù)的深度集成[4]?，F(xiàn)階段，智能制造產(chǎn)業(yè)包括智能家居、無人機、無人駕駛、機器人、虛擬現(xiàn)實等，不少企業(yè)已步入智能制造應(yīng)用階段，然而適用于各種復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計且具備較高智能化的軟件產(chǎn)品尚缺，在計算機輔助設(shè)計、電子商務(wù)等關(guān)鍵技術(shù)的能力水平還與外國存在較大差距。

4 結(jié)束語

現(xiàn)階段，我國正處于經(jīng)濟發(fā)展重要階段，制造技術(shù)作為經(jīng)濟發(fā)展的實力象征，是我國較為薄弱的環(huán)節(jié)，只有追上先進制造技術(shù)的發(fā)展潮流，將其放于我國優(yōu)先戰(zhàn)略地位，并加大實施力度，才能在市場激烈競爭中占據(jù)優(yōu)勢。