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绪论

制造业是一个国家的立国之本,它不仅是一个国家的民族产业和支柱产业,还是反映一个国家经济实力的重要标志,更是为国家创造财富的重要产业。制造技术的不断进步支持着制造业的蓬勃发展,先进的制造技术能使一个国家的制造业乃至国民经济处于有竞争力的地位。如果忽视制造技术的发展,就可能会导致经济发展误入歧途。

1)制造技术的重要性

(1)社会发展与制造技术密切相关

人类的发展过程就是一个不断制造和创新的过程。人类在发展的初期,制造了石器,以便狩猎。随后,相继出现了陶器、铜器、铁器和一些简单的机械,如刀、剑、弓、箭等兵器,锅、壶、盆、罐等生活用具,犁、磨、碾、水车等农用工具。这些工具和用具的制造过程相对简单,主要围绕生活必需和战争需求,制造资源、规模和技术水平都非常有限。随着社会的发展,制造技术的范围和规模不断扩大,技术水平也在不断提高。制造技术开始向文化、艺术、工业等领域发展,出现了纸张、笔墨、活版印刷、石雕、珠宝、钱币、金银饰品等制造技术。大工业生产的出现使得人类的物质生活水平和文明程度有了很大提高。人们对精神和物质也有了更高的要求,科学技术也因此得到了更快、更新的发展,与制造技术的关系也更为密切。蒸汽机制造技术的问世带来了工业革命和大工业生产,内燃机制造技术的出现和发展促进了现代汽车、火车和舰船的形成;喷气涡轮发动机制造技术则推动了现代喷气客机和超音速飞机的发展;集成电路制造技术的进步决定了现代计算机的水平,而纳米技术的出现开创了微型机械的先河。因此,人类的活动与制造密切相关,但人类活动的水平在很大程度上受到了制造水平的约束。宇宙飞船、航天飞机、人造卫星以及空间工作站等制造技术的出现,使人类活动走出地球,迈向太空。

(2)制造技术是科学技术物化的基础

从设想到实现,从精神到物质,制造是转化的关键,是科学技术物化的基础。而科学技术的发展,又反过来推动制造水平的提升。

科学技术的创新和构思需要实践的检验,实践是检验真理的唯一标准。人类对飞行的欲望和需求历史悠久,经历了无数的挫折与失败,经过了多次的构思和实验,最后才取得成功。实验作为一种物化手段和方法,为生产这一成熟的物化过程奠定了基础。

(3)制造技术是各行业的支柱

制造技术的涉及面极广,冶金、建筑、水利、机械、电子、信息、运载、农业等行业的发展均需制造业的支持。如冶金行业需要冶炼、轧制等设备,建筑行业需要挖掘机和推土机等工程机械。因此,制造业作为一个支柱产业,在不同历史时期虽有不同的发展重点,但制造技术的支持不可或缺。各个行业都有其主导技术,如农业生产技术之于农业,现代农业同样离不开农业机械的支持,制造技术早已成为其不可或缺的一部分。由此可见,制造技术既有普遍性、基础性,又兼具特殊性、专业性,既存在共性,又展现个性。

(4)制造业及制造技术是国力和国防的后盾

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。只有在制造上成为强国,才能在军事上成为强国。一个国家不能仅凭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。

改革开放以来,开放与引进在一定程度上促进了我国制造业的发展及制造技术的提高,但与工业发达国家相比,我们在某些方面还存在不足。由于技术、管理、投入等方面的不足,有些差距还有加大的趋势,我国制造业正承受着国际市场的巨大压力。目前我国在一些尖端设备的制造和大型装备的制造方面还主要依赖进口,如高速高精度机床、制造集成电路的光刻设备以及600 MW以上的大型发电机组等,这些设备还常受到国外的出口限制。

随着党的二十届三中全会的胜利召开,我国全面深化改革、推进中国式现代化的号角已然吹响。全面深化改革是新时代中国特色社会主义事业发展的强大动力,是推动我国社会生产力发展的重要途径。推进中国式现代化,是我国实现全面建设社会主义现代化国家战略部署的必然选择。机械制造工艺学作为我国工业制造领域的基础学科,必须紧跟时代步伐,以全面深化改革为动力,推进中国式现代化,对机械制造领域的发展具有重要意义。提升工业制造水平,增强我国国际竞争力;促进产业结构优化升级,实现工业经济高质量发展;推动创新驱动发展,提升国家科技创新能力。在机械制造工艺领域中要充分发挥新一代信息技术在推动工业制造升级中的关键作用,主要体现在以下几方面:①智能制造。通过引入人工智能、大数据、云计算等新一代信息技术,实现制造过程的智能化,提高生产效率和产品质量。②数字化设计。利用计算机辅助设计(Computer Aided Design,CAD)和计算机辅助制造(Computer Aided Manufacturing,CAM)技术,缩短产品研发周期,提升产品竞争力。③网络化协同。借助互联网、物联网等技术,实现企业内部及产业链上下游企业间的协同作业,优化资源配置。④绿色制造。利用信息技术优化生产过程,降低能源消耗和污染物排放,推动制造业可持续发展。

2)广义制造论

狭义制造是根据产品设计方案,在生产过程中直接将原材料变成成品的那部分生产工作内容,主要包括毛坯制造、零件加工、产品装配、检验、包装等内容,这一过程主要体现为物质流。

广义制造是20世纪制造技术的重要发展成果,它是在狭义制造基础上发展起来的。长期以来,由于设计与工艺的分离,制造被定位于加工工艺,这是狭义制造的概念。随着社会发展和科技进步,人们开始意识到需要综合、融合、复合多种技术去研究和解决问题。特别是集成制造技术的问世,标志着广义制造(亦称之为“大制造”)的到来,它极大地扩展了制造的概念。

广义制造概念的形成过程主要有以下几方面原因。

(1)工艺和设计一体化

这一趋势体现了工艺和设计的密切结合,形成了设计工艺一体化的理念。设计不仅是指产品本身的设计,还包括工艺设计、生产调度设计和质量控制设计等。

人类的制造技术大体上可分为3个阶段,每个阶段都标志着一个重要的里程碑。

①手工业生产阶段。手工业生产阶段的制造主要靠工匠的手艺来完成,加工方法和工具都比较简单,多靠手工、畜力或极简单的机械,如凿、劈、锯、碾和磨等来加工。制造的手段和水平比较低,以个体和小作坊的生产方式为主。虽有简单的图样或仅有构思,但基本是体脑结合。手工业生产阶段的技术水平取决于制造经验,总体上能满足当时人类发展的需求。

②大工业生产阶段。随着经济发展和市场需求的变化,以及科学技术的进步,制造手段和水平有了很大的提高,形成了大工业生产方式。

生产发展与社会进步使制造进行了大分工。首先是设计与工艺分离,单元技术急速发展形成了设计、装配、加工、监测、试验、供销、维修、设备、工具和工装等直接生产部门和间接生产部门。加工方法丰富多彩,除传统加工方法(如车、钻、刨、铣和磨等)外,非传统加工方法(如电加工、超声波加工、电子束加工、离子束加工、激光束加工)均有了较大发展。此外,还出现了以零件为对象的加工流水线和自动生产线,以部件或产品为对象的装配流水线和自动装配线,适应了大批大量生产的需求。

这一时期从18世纪开始至20世纪中叶,发展迅速且意义重大,奠定了现代制造技术的基础,对现代工业、农业、国防工业的成长和发展产生了深远影响。由于人类生活水平的不断提高以及科学技术日新月异地发展,产品更新换代的速度不断加快,因此,如何快速响应多品种单件小批生产的市场需求成了一个突出矛盾。

③虚拟现实工业生产阶段。为了快速响应市场需求,进行高效的单件小批生产,可借助信息技术和计算机技术,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,将设计与工艺高度结合,进行计算机辅助设计、计算机辅助工艺设计和数控加工,使产品在设计阶段就能暴露加工中的问题以便技术人员协同解决。同时,可集中全世界的制造资源来进行全世界范围内的合作生产,缩短了上市时间,提高了产品质量。这一阶段充分体现了体脑的高度结合,对手工业生产阶段的体脑结合进行了螺旋式的上升和扩展。

虚拟现实工业生产阶段采用强大的软件在计算机上进行系统完整的仿真,从而避免了在生产加工时才能发现的一些问题及其造成的损失。因此,它既是虚拟的又是现实的。

(2)零件制造成形机理的扩展

在传统制造工艺中,将零件的加工过程分为热加工和冷加工两个阶段,且是以冷去除加工和热变形加工为主,利用力、热原理。随着制造工艺技术的发展,越来越多的先进工艺技术的出现已经难以用传统分类方法来解释。因此,根据制造工艺过程中零件质量的变化,将零件的制造成形机理分为减材制造 Δ m <0、等材制造 Δ m = 0、增材制造 Δ m >0三类。零件制造成形机理见表0.1。

表0.1 零件制造成形机理表

随着现代制造工艺技术的发展,在产品结构设计时,必须要考虑制造工艺性,制造工艺性可能会反过来引起设计方案的调整。零件制造成形机理的扩展,是设计和工艺一体化的因素之一。

(3)制造技术的综合性

现代制造技术是一门以机械为主体,交叉融合了光、电、信息、材料、管理等学科的综合体,并与社会科学、文化、艺术等学科关系密切。

制造技术的综合性首先表现在与机、光、电、声、化学、电化学、微电子和计算机等的结合,而不是单纯的机械。如人造金刚石、立方氮化硼、陶瓷、半导体和石材等新材料的问世形成了相应的加工工艺学。

制造与管理已经不可分割,管理和体制密切相关,体制不协调会制约制造技术的发展。工业设计学科就是制造技术与美学、艺术相结合的体现。

哲学、经济学、社会学会指导科学技术的发展,现代制造技术有质量、生产率、经济性、产品上市时间、环境和服务等多项目标的要求,单纯靠技术是难以实现的。

(4)制造模式的发展

计算机集成制造技术最初被称为计算机综合制造技术,它强调了技术的综合性,认为一个制造系统至少应由设计、工艺和管理3部分组成,并体现了“合—分—合”的螺旋式上升过程。长期以来,由于科技、生产的发展,制造过程也越来越复杂,人们已习惯了将复杂事物分解为若干单方面事物来处理,形成了“分工”,这是正确的。但忽略了各方面事物之间的有机联系,并迅速获得了广泛关注,当制造更为复杂时,不考虑这些有机联系就不能解决问题,因此,集成制造的概念应运而生。

计算机集成制造技术是制造技术与信息技术结合的产物。集成制造系统首先强调了信息的集成,即计算机辅助设计、计算机辅助制造和计算机辅助管理等多个方面和层次的集成,如功能集成、信息集成、过程集成和学科集成等,总体思想是从相互联系的角度去统一解决问题。

而后在计算机集成制造技术发展的基础上,出现了柔性制造、敏捷制造、虚拟制造、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。“并行工程”“协同制造”等概念及其技术和方法,强调了在产品全生命周期中能并行有序地协同解决某一环节所发生的问题,即从“点”到“全局”。强调了局部和全面的关系,在解决局部问题时要考虑其对整个系统的影响,而且能够协同解决。

(5)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,包括需求分析、设计、加工、销售、使用和报废等环节。

(6)丰富的硬软件工具、平台和支撑环境

长期以来,人们对制造的概念多停留在硬件上,认为制造技术主要包括各种装备和工艺装备等。然而,现代制造不仅在硬件方面有了很大的突破,还在软件方面得到了广泛应用。

现代制造技术应包括硬件和软件两大方面,并且应在丰富的硬软件工具、平台和支撑环境的支持下才能工作。硬软件要相互配合才能发挥作用,而且不可分割,如计算机是现代制造技术中不可缺少的设备,但它必须配备相应的操作系统、办公软件和工程应用软件(如计算机辅助设计、计算机辅助制造等)才能投入使用;又如网络,其本身有通信设备、光缆等硬件,但同时也必须有网络协议等软件的支持才能正常运行;再如数控机床,它是由机床本身和数控系统两大部分组成的,而数控系统除数控装置等硬件外,还必须依靠程序编制软件才能使机床进行加工。

软件需要专业人员才能开发,单纯的计算机软件开发人员是难以胜任的,因此,除通用软件外,制造技术在其专业技术的基础上,发展了相应的软件技术,并成为制造技术不可分割的组成部分,同时形成了软件产业。

3)现代制造工艺技术的发展

现代制造工艺技术是先进制造技术的重要组成部分,也是最具活力的部分之一。产品从设计转变为现实必须借助加工制造工艺来实现,工艺是设计与制造的桥梁,设计的可行性常常会受到工艺的制约,工艺(涵盖检测)往往会成为瓶颈,因此,工艺方法与水平至关重要。并非所有设计出的产品都能被加工制造出来,也不是所有设计产品经加工制造后都能达到预期质量。工艺是制造技术的灵魂、核心与关键。制造技术的发展常常从工艺上取得突破。例如,特种加工技术的出现,突破了传统切削加工的难点,让设计也拓宽了“视野”,以往无法设计的结构如今成为可能。工艺是生产中极为活跃的因素。近年来制造工艺理论与技术发展迅猛,除传统的切削加工方法外,因对产品质量提升的需求、众多新材料的涌现、新型产品(计算机、集成电路、印刷电路板等)制造生产的产生等因素,开辟了许多制造工艺的新领域与新方法,推动了现代制造工艺技术的进步。以下分别从现代制造工艺方法、制造单元与制造系统、先进制造模式以及智能制造技术等方面展开论述。其中现代制造工艺方法主要体现在特种加工方法、增材制造(3D打印)、高速与超高速加工、精密工程与纳米技术以及复合加工技术。

特种加工相对于传统的切(磨)削加工而言,它并非依靠刀具(磨料)进行切(磨)削,而是利用电能、光能、声能、热能和化学能去除金属与非金属材料,工件与工具之间无明显切削力,仅有微小作用力,所以工具的硬度与强度可低于工件,工具损耗极小,甚至无损耗。适用于加工脆性材料、高硬度材料、精密微细零件、薄壁零件、弹性零件等常规切削加工中的难加工对象。例如,电火花加工,是利用工具电极与工件电极间脉冲性的火花放电,产生瞬间高温蚀除工件多余金属。电解加工是在工具与工件间接上直流电源,工件接阳极,工具接阴极,两极间外加直流电压,在两极间隙处通以高速流动的电解液,形成极间导电通路,产生电流。加工时,工件阳极表面材料不断溶解,溶解物被高速流动的电解液及时冲走,工具阴极则持续进给,保持加工状态。电解加工的基本原理是阳极溶解的电化学反应过程。超声波加工是利用工具作超声振动,借助工具与工件间的磨料悬浮液开展加工。加工时,工具以一定压力作用于工件,因工具的超声振动,使悬浮磨粒以较大速度、加速度和超声频撞击工件,工件表面受撞击处产生破碎、裂纹,进而脱离形成颗粒,这是磨料撞击与抛磨作用。磨料悬浮液受工具端部超声振动作用产生液压冲击与空化现象,促使液体渗入被加工材料裂纹处,强化了机械破坏作用,液压冲击也使工件表面损坏而蚀除,这是空化作用。离子束加工的基本原理是在真空条件下,将氩(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)等惰性气体,经离子源电离形成带有10 KeV数量级动能的惰性气体离子,并形成离子束,在电场中加速,经集束、聚焦后,射向被加工表面,并对其进行轰击。还有如电子束加工、激光加工等,这些特种加工多为去除加工,特种加工也包含附着、注入和结合,如镀膜、离子注入、氧化、激光焊接、化学黏结等。特种加工的概念是相对的,其内容会随加工技术的发展而改变。

增材制造是在三维CAD技术基础上,利用计算机控制技术,将离散材料(如粉末、线材、工程材料和液态金属等)逐层累加制造成实体零件的技术,俗称3D打印技术。常用方法有光固化法、热熔、喷印、黏结、焊接等。光固化立体造型,又称激光立体光刻、立体印刷。其原理是在液槽中盛有紫外激光固化液态树脂,开始成形时,工作台台面在液面下一层高度,聚焦的紫外激光光束在液面上按第一层图样扫描,被照射处即被固化,未被照射处仍为液态树脂。然后升降台带动工作台下降一层高度,第二层布满液态树脂,再按第二层图样扫描,新固化的一层牢固黏结在前一层上,如此重复直至零件成形完毕。激光选区熔化法是在选区内利用直径为100μm的激光束熔化和堆积金属或合金粉末,成形为金属零件,其零件具有结构复杂、组织致密、冶金结合的特点,可用于加工高温合金、不锈钢和钛合金等难加工材料,但存在零件内应力和性能稳定性难以控制的问题。

高速切削的概念源自德国的萨洛蒙博士。他经大量铣削实验发现,切削温度随切削速度增加而升高,达到一个峰值后,却随切削速度增加而下降,该峰值速度称为临界切削速度。以临界切削速度为中心的两边附近区域,形成不适宜切削区,称为“死沟”或“热沟”。当切削速度超越不适宜切削区,继续提高切削速度,切削温度下降,此为适宜切削区,即高速切削区,此时的切削即为高速切削。超高速加工是高速加工的进一步发展,其切削速度更高。高速加工与超高速加工之间无明确界限,二者只是相对概念。高速切削加工时,在切削力、切削热、切屑形成以及刀具磨损、破损等方面与传统切削存在差异。切削加工起始,切削力与切削温度随切削速度提高而逐渐增大,切削速度达到峰值附近,即“热沟”区时,切削力最大,切削温度最高,切削效果最差。继续提高切削速度,切屑变薄,摩擦系数减小,剪切角增大,致使切削力减小,切削温度降低,切削热减少,这对切削加工有利。

精密加工与超精密加工代表了加工精度发展的不同阶段。从一般加工发展到精密加工,再到超精密加工,因生产技术不断进步,划分界限会随发展进程逐渐前移,所以划分是相对的,难以用数值确切表示。如今,精密加工通常指加工精度为1~0.1μm、表面粗糙度系数 Ra 值小于0.01~0.1μm的加工技术;超精密加工是指加工精度高于0.1μm、表面粗糙度系数 Ra 值小于0.025μm的加工技术。当前,超精密加工水平已达纳米级,形成纳米技术,且正向更高水平迈进。依据精密加工与超精密加工方法的机理与特点,其涉及的加工方法有刀具切削加工、磨料磨削加工、特种加工和复合加工等。

微细加工技术是制造微小尺寸零件的生产加工技术。从广义而言,微细加工涵盖各种传统精密加工方法与特种加工方法,属于精密加工与超精密加工范畴;从狭义来讲,微细加工主要指半导体集成电路制造技术,因微细加工技术的产生与发展和大规模集成电路密切相关,其主要技术有外延生产、氧化、光刻、选择扩散和真空镀膜等。

纳米技术是当前先进制造技术发展的热点与重点,通常是指纳米级0.1~100 nm的材料、产品设计、加工、检测、控制等一系列技术。它是科技发展的新兴领域,并非简单的“精度提升”与“尺寸缩小”,而是从物理宏观领域进入微观领域,一些宏观的几何学、力学、热力学、电磁学等无法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、纳米级精度和表面质量检测、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。

复合加工技术包含传统复合加工技术与广义复合加工技术。传统复合加工是指两种或多种加工方法或作用组合在一起的加工方法,能发挥各自加工优势,使加工效果叠加,达成高质高效加工目的。在加工方法或作用的复合上,可为传统加工方法的复合,也可是传统加工方法与特种加工方法的复合,综合应用力、热、光、电、磁、流体、声波等多种能量加工。因多工位机床、多轴机床、多功能加工中心、多面体加工中心和复合刀具的发展,工序集中也是一种复合加工,这些复合加工技术与传统复合加工技术整合在一起,便形成广义复合加工技术。复合加工技术按加工表面、单个工件和多个工件划分,可分为作用叠加型、功能集合型(工序集中型)和多件并行型。

20世纪60年代以来,制造技术迅猛发展,涌现出各类先进制造系统与生产模式。现代制造业多采用制造单元的结构形式。各制造单元在结构与功能上具备并行性、独立性和灵活性,借助信息流协调各制造单元间协同工作的整体效益,从而改变了制造企业传统生产的线性结构。制造单元是制造系统的基础,制造系统是制造单元的集成,强调各单元独立运行、并行决策、综合功能、分布控制、快速响应和适应调整。企业生产机械产品是个系统工程,企业功能依次为销售—产品设计—工艺设计—加工—装配,加工系统是整个制造系统的一个单元。

计算机集成制造系统(Computer Integrated Manufacturing System,CIMS)又称计算机综合制造系统,它在制造技术、信息技术和自动化技术基础上,通过计算机软硬件系统,将制造企业全部生产活动的各个分散制造单元有机联系起来,进行产品设计、工艺设计、加工、装配和销售等全面管理的自动化。计算机集成制造系统是在网络、数据库的支持下,以计算机辅助设计为核心的产品设计和工程分析系统,以计算机辅助制造为中心的加工、装配、检测、储运、监控自动化工艺系统以及以计算机辅助生产经营管理为主的管理信息系统(Management Information System,MIS)构成综合体。20世纪70年代初期,美国的哈林顿博士率先提出计算机集成制造概念,其核心思想是强调在制造业充分利用计算机网络、通信技术和数据处理技术,实现产品信息集成。他提出的概念基于两点:企业各个环节不可分割,需统一考量;整个生产过程实质是对信息的采集、传递和加工处理过程。此后,计算机集成制造在世界各国兴起。美国商业部原国家标准局,现为国家标准和技术研究所的自动化制造研究实验室基地,于1981年提出研究计算机集成制造计划并实施,1986年底完成全部工作。欧洲共同体将工业自动化领域的计算机集成制造作为信息技术战略一部分,制定欧洲信息技术研究发展战略计划,包括微电子技术、软件技术、先进信息处理技术、办公室自动化、计算机集成化生产5部分。我国从1986年开始筹备计算机集成制造研究工作,将其纳入高技术研究发展计划(863计划)自动化领域,成立计算机集成制造系统主题专家组,提出建立计算机集成制造系统实验研究中心、单元技术网点和应用工厂等举措。1987—1992年建立在国家计算机集成制造系统工程技术研究中心的计算机集成制造系统实验工程由清华大学等12个单位的200多位工程技术人员参与研究,总投资3 700万元,是我国首个计算机集成制造系统。

并行工程(Concurrent Engineering,CE)又称同步工程或同期工程,是针对传统产品串行开发过程提出的强调并行的概念、哲理与方法。并行工程在集成制造环境下,是集成的、并行有序设计产品全生命周期及其相关过程的系统方法,应用产品数据管理和数字化产品定义技术,通过多学科群组协同,使产品在开发各阶段既有一定时序,又能并行交错。并行工程采用计算机仿真等各种计算机工具、手段、使能技术和上下游共同决策方式,通过宏循环和微循环的信息流闭环体系进行信息反馈,在开发早期便能及时发现产品开发全过程问题,要求产品开发人员在设计之初就考虑从概念形成到报废处理整个生命周期的所有因素,包括用户需求、设计、生产制造计划、质量和成本等。并行工程能够缩短产品开发周期,提升产品质量,降低成本,增强企业竞争力,具有显著经济效益与社会效益。波音公司是美国民航喷气飞机制造的最大基地之一,也是最早开发应用计算机集成制造和并行工程的航空企业。但其地理位置分布广泛,导致信息集成和群组协同工作困难。因计算机辅助技术高速发展与广泛应用,在20世纪90年代针对波音777大型民用客机研制,进行了以国际流行的CATIA三维实体造型系统为核心的同构CAD/CAM系统信息集成,其研制具有以下特点:①对产品进行数字化定义,实现无图样研制飞机;②建立电子样机,取消原型样机研制,仅对部分关键部件制作全尺寸模型,采用计算机预装配,查出零件干涉2 500多处,使工程更改减少50%;③采用群组协同工作;④运用并行工程,使飞机在设计时充分考虑工艺、加工、材料等下游因素,提高研制成功率;⑤改变研制流程,缩短研制周期。波音777飞机与波音767飞机研制周期相比,缩短一年以上。在设计和出图方面,波音767飞机耗时40个月,而波音777飞机仅用27个月。

精益生产(Lean Production,LP)是20世纪50年代日本丰田汽车公司提出的新型生产方式,它综合单件生产与大批大量生产方式优点,大幅减少工人、设备投资及新产品开发时间等投入,生产出的产品品种丰富且质量上乘。日本汽车产业发展水平很大程度得益于精益生产方式。精益生产主导思想是以“人”为中心,工人是企业终身雇员,是企业主人,能充分发挥其创造性。以“简化”为手段,去除生产中一切不增值工作。简化组织结构、与协作厂关系、产品开发过程、生产过程和检验过程。减少非生产费用,强调一体化质量保证。精益求精,以“尽善尽美”为最终目标。持续改进生产、降低成本,力争无废品、无库存且产品品种多样化。精益生产不仅是一种现代制造企业的组织管理方法,更是一种生产方式。

敏捷制造将柔性生产技术、具备生产技能与知识的劳动力以及企业内部与企业之间相互合作的灵活管理集成一体,通过构建共同基础结构,对快速变化或难以预见的用户需求和市场时机迅速响应,其核心是“敏捷”。其特点有:①能快速推出全新产品。随着用户需求变化与产品改进,用户易于获取重新组合产品或更新换代产品;②形成信息密集、生产成本与批量无关的柔性制造系统,即能重新组合、可连续更换的制造系统;③生产高质量产品,在产品全生命周期让用户满意,不断发展的产品系列寿命较长,与用户和商家建立长期合作关系;④建立国内或国际的虚拟企业(公司)或动态联盟,它是依靠信息联系的动态组织结构与经营实体,权力集中与分散相结合,建有高度交互性网络,实现企业内与企业间全面并行工作。通过人、管理、技术相结合,可以充分调动人员积极性,最大限度地发挥雇员的创造性。凭借优化的组织成员、柔性生产技术与管理、丰富资源优势,实现敏捷性,提高新产品投放市场速度与竞争力。

虚拟制造(Virtual Manufacturing,VM)技术本质是以计算机支持的仿真技术为前提,对设计、制造等生产过程统一建模,在产品设计阶段,适时并行模拟产品未来制造全过程及其对产品设计的影响,预测产品性能、加工技术、可制造性,从而更有效、经济、灵活地组织生产,使工厂和车间设计布局更合理高效,以达成产品开发周期与成本最小化、产品设计质量最优化、生产效率最大化。虚拟制造是敏捷制造的核心,是其发展的关键技术之一。敏捷制造中的虚拟企业在正式运行前,需分析组合是否最优,能否正常协调工作,并对组合投产后效益与风险进行有效评估。实现这种分析与有效评估,需将虚拟企业映射为虚拟制造系统,通过运行虚拟制造系统开展实验。虚拟制造系统基于虚拟制造技术实现,是现实制造系统在虚拟环境下的映射,不消耗现实资源与能量,所生产产品是可视虚拟产品,具备真实产品特征,是数字产品。

大规模定制是将企业、用户、供应商和环境集成为一体,形成系统。用整体优化视角,充分利用企业各种资源,在成组技术、现代设计方法学、先进加工技术、计算机技术、信息技术等支持下,依据用户个性化需求,采用大批量生产方法,以高质量、高效率和低成本提供定制产品与服务。大规模定制关键技术是解决用户个性需求导致的产品多样性与生产批量化矛盾,使用户与企业均满意,这就要求采用柔性制造技术、虚拟制造技术等,如大规模定制的产品模块化设计、成组制造和管理等。

企业集群是指众多生产相同或相似产品的企业在某地区聚集现象。集群制造是企业集群生产的制造模式,逐渐成为世界经济的重要形式。如我国珠江三角洲地区的计算机、服装、家具等企业集群以及长江三角洲地区的集成电路、轻工产品等企业集群等。企业集群制造通过企业集群制造系统实现。企业集群制造系统是企业虚拟化与集群化的结果。企业虚拟化使产品制造过程分解为多个独立制造子过程,企业集群化使各制造子过程聚集大量同构企业并形成企业族。企业集群制造基本思想是制造资源开放利用,持续优化资源环境、市场化运行机制。

绿色制造(Green Manufacturing,GM)是一种综合考虑环境影响和资源利用的现代制造模式。该模式的目标是在产品从市场需求、设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的全生命周期中,尽可能减少对环境的负面影响,提高资源利用效率。绿色制造含义广泛且重要,主要涉及环境保护、资源利用、清洁生产等。

智能制造(Intelligent Manufacturing,IM)源于人工智能研究,强调发挥人的创造能力与人工智能技术。一般认为智能是知识与智力的总和,知识是智能的基础,智力是获取与运用知识求解的能力,学习、推理和联想三大功能是智能的重要因素。智能制造就是将人工智能技术应用于制造。智能制造由智能制造技术与智能制造系统组成。智能制造技术将专家系统、模糊逻辑、神经网络和遗传算法等人工智能思维决策方法应用于制造,进行分析、推理、判断、构思、运算和决策等智能活动,解决多种复杂决策问题,提升制造系统的实用性和水平。智能制造系统由智能机器和人类专家共同组成。借助人与智能机器的协作,扩展、延伸并部分取代人类专家在制造过程中的脑力劳动,且能够在实践中持续充实知识库,具备自主学习能力。智能制造是20世纪80年代兴起的一门新兴学科,前景广阔,被广泛认可为继柔性化、集成化之后,制造技术发展的第三阶段。

4)本课程的内容与学习要求

本课程主要介绍了机械制造工艺过程基本概念、定位原理、零件的制造工艺规程设计、机床夹具设计、装配工艺规程的设计、机械加工质量分析与控制等。本课程的机械制造的概念是基于传统的狭义的制造论而言的。

通过本课程的学习,学生能对机械制造有一个总体的、全面的了解与把握,掌握传统狭义上的机械制造的基本概念、定位原理,具备制定工艺规程的能力和掌握机械加工精度及表面质量分析的基本理论知识,并初步具备分析解决现场工艺问题的能力。

5)本课程的学习方法

机械制造工艺知识及能力的掌握要求具有很强的实践性,因此,本课的学习必须重视实践环节,仅通过课堂上听教师的讲授或自学教材是远远不够的,必须通过实验、现场实习及工厂调研来更好地体会、加深理解,应该在不断的实际训练中加深对书中基本知识的理解与应用。本书给出的仅是基本概念与理论,真正的掌握与应用必须不断地在“实践—理论—实践”的循环中善于总结、思考、分析、应用,直至达到真正掌握的程度。 axbZv50HMAr9B+wltDggtOJuSeJdHOzNvhJIioY/cLnqvYTuru3RhfF0B86tv2yY

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