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简介
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《现代加工技术》 蔡 军 教授 机械工程及自动化学院 北京航空航天大学 本人信息 蔡 军 办公室: 新主楼 A837 办公电话: 8231-3931 手机 1352-052-7979 Email: jun_cai@buaa.edu.cn 课程简介 课程简介 参考书 参考书 制造业的社会功能 1.0 先进制造技术 制造（Manufacturing）：是一种将物料、能量、资金、人力资源、信息等有关资源，按照社会的需求，转变为新的、有更高应用价值的有形物质产品和无形软件、服务等产品资源的行为和过程。 国际生产工程研究院（CIRP）定义：“制造是一个涉及制造工业中产品设计、物料选择、生产计划、生产过程、质量保证、经营管理、市场销售和服务的一系列相关活动和工作的总称”。 1.0 先进制造技术 制造技术（Manufacturing Technology）：是按照人们所需的目的，运用知识和技能，利用客观物质工具，使原材料转变为产品的技术总称。也可以说是完成制造活动所需的一切手段的总和。 作用：一方面创造价值，生产物质财富和新的知识;另一方面为国民经济各个部门包括国防和科学技术的进步提供先进的手段和装备。制造业是国民经济和综合国力的支柱产业。 1.0 先进制造技术 1.0 先进制造技术 先进制造技术产生的背景 20世纪80年代末，国际上提出了先进制造技术（Advanced Manufacturing Technology，AMT）的新概念。 AMT最早源于美国。由于美国长期受强调基础研究的影响，忽视制造技术的发展，到20世纪70年代日本和德国经济恢复时，美国制造业遇到了强有力的挑战； 20世纪80年代初期，美国一批有识之上相继发表言论，对美国制造业的衰退进行了反思，强调了制造技术与国民经济及国力的至关重要的相依关系，强调了制造技术的重要性。克林顿政府制定了国家关键技术计划，并对其技术政策做了重大调整。先进制造技术就是在这样一个社会经济背景下出台了。 1.0 先进制造技术 当前，AMT在诸多国家和地区得到广泛的应用，并且内涵不断发展。 美国 2009年制定了《重振美国制造业框架》，通过了《制造业促进法案》； 2011年启动了“先进制造伙伴计划（AMP）”，白宫还专门成立制造业政策办公室。 2013 年奥巴马在国情咨文中提出要“确保下一次制造业革命在美国发生”。 1.0 先进制造技术 欧洲 于2009年提出《欧洲2020智慧、可持续、包容增长战略》，重点发展信息、节能、新能源和以智能为标志的先进制造业。 德国 德国一直专注于创新工业科技产品的科研和开发，以及对复杂工业过程的管理。德国制造工业在世界上拥有领头羊的地位。 2013年提出以网络智能制造为核心实现产业升级的“工业 4.0”目标。 日本 拟通过发展协同式机器人、无人化工厂提升制造业的国际竞争力，创造新产业，开拓新市场。 1.0 先进制造技术 中国 “十一五”国家战略性新兴产业发展规划把能源、环境、制造放在十大优先发展领域的前三位； “十二五”国家战略性新兴产业发展规划把节能环保、信息技术、生物以及高端装备制造列在七大优先发展领域前四位。 原人大常委会副委员长宋健指出： “制造业是实现现代化工业的水之源、木之本，是实现工业化的保障和原动力，是国家实力的脊梁，是支持共和国大厦的基石。没有强大制造能力的国家永远成不了经济强国。” 我国制造装备（机床）业又得到了一次难得的历史发展机遇。 中国——先进制造技术发展状况 1、计算机辅助设计（CAD）技术普及化 2、快速原型制造技术由起步迈向成熟，应用初具规模 3、精密成形与加工技术水平显著提高，在汽车零部件、重大装配制造中获得广泛应用。 4、热加工工艺模拟优化技术取得重要进展，使材料热加工由“技艺”走向“科学”。 5、激光加工在基础研究和技术开发方面有实质性进展，产业应用获得经济效益。 中国——先进制造技术发展状况 6、数控技术取得重要进展，国内市场占有率有所提高。 7、现场总线智能仪表研究开发获重要进展，应用已有一定的基础。 8、微型机械研究进展迅速，标志着先进制造技术正向微观领域扩展。 9、现代集成制造系统研究和应用取得突破，在国际上占有一席之地。 10、新生产模式的研究和实践具有特色，推动了中国制造业的技术进步和管理现代化。 1.1 先进制造产品的发展趋势：精、极、文 “精”应理解为“精确化”。 几何形体及表面要精密，几何“精度”越来越高； 产品性能(机械、理化、乃至生化性能等)要精确，即性能“精度”越来越高。 “极”指“极端化”。 几何形体上，极大、极小、极厚、极薄、极平等； 物理性能上，极高硬度、塑性、弹性、磁性、耐温性、抗腐蚀性等；有时还得在极端条件下进行制造。 “文”应理解为“人文化”。 不仅要实用，还要美观；不仅耐看，还有内涵。“工业设计”等学科即由此而生。 文还可扩大至文明化生产，是先进制造技术发展的新义。 1.2 先进制造过程的发展趋势： 绿、快、省、效 “绿”是指“绿色” 制造业的产品从构思开始，到设计、制造、销售、使用、维修，直到回收再制造的产品全生命周期，都必须考虑自然、社会环境等的保护。 “快”是指“快速化” 。 市场快速响应，生产快速重组； 生产模式有高度柔性与高度敏捷性。 “快” 是先进制造技术发展的“动力”。 1.2 先进制造过程的发展趋势： 绿、快、省、效 “省”是指“节省” 制造过程必须省材、省能、省工，这是市场经济必然的要求。 “省” 是先进制造技术发展的“原则”。 “效”指“高效” 要有“高生产率”：单位时间内生产的产品数量多。 “效” 是先进制造技术发展的“追求”。 1.3 先进制造方法的发展趋势：数、自、集、网、智 “数”即指“数字化” “工业化”发展的核心是“信息化”，“信息化”的核心是“数字化”，因此“数”是核心。 其发展必将导致制造技术的重大发展与变革。 “自”即指“自动化” “自动化”已从一般的自动控制、自动调节、自动补偿等发展到自组织、自维护、自修复等更高的水平。 “自”是实现先进制造的前提。 1.3 先进制造方法的发展趋势：数、自、集、网、智 “集”即指“集成化” 先进制造技术就是制造技术、信息技术、管理科学与有关科学技术的集成。 集成，就是交叉，是融合，是博采众长、兼收并蓄。 ——DMG高速铣削与增材制造复合机床 “集”是先进制造技术发展的“方法”。 “网”即指“网络化” “网络化”是信息技术与通信技术的交融。网络化既是制造业信息化、集成化必需的基础，又是制造业信息化、集成化进一步发展的需要，这将使制造企业走向全球化、整体化、有序化，资源互补共享。 “网”是先进制造技术发展的“道路”。 1.3 先进制造方法的发展趋势：数、自、集、网、智 “智”即指“智能化”。 “智能化”将使制造过程具有处理大量各种信息的能力，具有强大的自诊断、自修复和自组织能力，主动协调与协同能力以及非逻辑处理能力。 它将是数字化、自动化、集成化、网络化的有机交融与高度发展。 但是，这决不意味完全取代人，而是“人”与“机”的高度协调与有机一体。 所以，“智”是先进制造技术发展的“前景”。 1.4 工业4.0——从智慧工厂到智能生产 1.4 工业4.0——从智慧工厂到智能生产 1.4 工业4.0——从智慧工厂到智能生产 1.4 工业4.0——从智慧工厂到智能生产 1.4 工业4.0——从智慧工厂到智能生产 Industry 4.0——德国高科技战略计划 两大主题：智慧工厂、智能生产 智慧工厂 重点研究智能化生产系统及过程，以及网络化分布式生产设施的实现 智能生产 主要涉及整个企业的生产物流管理、人机互动、3D打印以及增材制造等技术在工业生产过程中的应用等 1.4 工业4.0——从智慧工厂到智能生产 Industry 4.0——德国高科技战略计划 两大主题：智慧工厂、智能生产 三个设想：产品、设施、管理 产品：集成有动态数字存储器、感知和通信能力，承载着在其整个供应链和生命周期中所需的各种必需信息 设施：由整个生产价值链所集成，可实现自组织 管理：能够根据当前的状况灵活决定生产过程 1.4 工业4.0——从智慧工厂到智能生产 智慧工厂的架构 ——基于物联网和服务互联网 1.4 工业4.0——从智慧工厂到智能生产 智慧工厂的流程 ——基于云安全网络 1.4 工业4.0——从智慧工厂到智能生产 智慧工厂的车间 ——基于无线、RFID、传感器和服务的架构 1.4 工业4.0——从智慧工厂到智能生产 工业4.0下的产品特点 ——集成了信息存储、传感、无线通信功能 产品是信息载体 产品在整个完整的供应链和生命周期中都一直带有自身信息 产品是一个agent 产品会影响其所在环境 产品具有自监测功能 产品会对其自身状态和环境进行监测 1.4 工业4.0——从智慧工厂到智能生产 面向智慧工厂的室内精确定位 1.4 工业4.0——从智慧工厂到智能生产 智慧工厂中的增强现实技术 1.4 工业4.0——从智慧工厂到智能生产 智慧工厂中的机器人技术 1.4 工业4.0——从智慧工厂到智能生产 智慧工厂中的智能装配 1.4 工业4.0——从智慧工厂到智能生产 工业4.0自动化-信息物理系统（CPS） 信息物理系统（Cyber Physical System，CPS）强调物理过程与信息间的反馈。 2008年美国加利福利亚大学的Lee.E在其技术报告《信息物理系统：设计挑战》中指出：信息物理系统是计算和物理过程的整合集成。嵌入式计算机和网络对物理过程进行监测和控制。 从自动化技术的观点看，CPS是一种工程系统，由一个嵌入在物体中的计算和通信的内核，以及物理环境中的结构监测和控制。（Karl Henrik Johansson，2011） 以信息物理生产系统CPPS为模型构建智慧工厂，或者数字化工厂 1.4 工业4.0——从智慧工厂到智能生产 工业4.0自动化-信息物理系统（CPS） 1.4 工业4.0——从智慧工厂到智能生产 工业4.0自动化-信息物理系统（CPS） 4.1 工业4.0——从智慧工厂到智能生产 工业4.0自动化-信息物理系统（CPS） 1.4 工业4.0——从智慧工厂到智能生产 工业4.0战略重点关注以下8个方面内容： （1）标准化和参考架构建设； （2）管理复杂系统的工具和方法； （3）宽带基础设施建设，实现互联互通； （4）信息安全和系统保护； （5）新的组织与工作设计，适应智能化工厂时代； （6）建立最佳实践网络和数字化学习工具，推进终身学习和个人的职业发展； （7）针对新的产业革命设计科学的管制框架； （8）有效地提高资源利用效率，实现全方位的绿色化。 1.4 工业4.0——从智慧工厂到智能生产 智能产品案例-智能化汽车 1.4 工业4.0——从智慧工厂到智能生产 德国一些企业已经开始实施industry 4.0 1.4 工业4.0——从智慧工厂到智能生产 1.5 先进制造技术构成 1、基础技术 第一层次是优质、高效、低耗、清洁基础制造技术。经过优化的基础工艺如机械加工、铸造、锻压、焊接、热处理、表面保护等。 2、新型的制造单元技术 第二个层次是新型的先进制造单元技术。这是在市场需求及新兴产业的带动下，制造技术与电子、信息、新材料、新能源、环境科学、系统工程、现代管理等高新技术结合而形成的崭新的制造技术。 。 1.5 先进制造技术构成 3、集成技术 第三个层次是先进制造集成技术。这是应用信息、计算机和系统管理技术对上述两个层次的技术局部或系统集成而形成的先进制造技术的高级阶段。如：FMS、CIMS、工业4.0等。 其中 基础技术 及 新型的制造单元技术 统称为加工工艺技术，是制造技术的核心。 加工技术定义：采用某种工具（包括刀具）或能量流通过变形、去除、连接、改性或者增加材料等方式将工件材料制成满足一定设计要求的半成品或成品的技术过程的总称。目的是获得一定的表面几何形状、几何精度和表面质量。 1.6 现代加工技术 加工技术的地位 一方面人类不断发明新产品、新材料，对加工技术不断提出新的要求。 另一方面新的加工方法不断出现，在加工效率、精度、成本等诸多方面提高了人类开发和制造新产品的能力。 1.6 现代加工技术 加工技术分类 分类方法一（按加工时是否加热）： 冷加工：车、铣、刨、磨、抛、钻、拉、镗、铰、攻、滚插、冲、挤等。 热加工：铸、煅、焊、热处理等。 分类方法二（按能量形式）： 机械加工、电加工、光加工、声加工、振动加工、热加工、化学加工、生物加工。（物理、化学、生物，组合） 分类方法三（按加工对象几何形状）： 平面加工、槽加工、外圆加工、孔加工、螺纹加工、齿轮加工、非圆曲面加工。（加工也决定设计） 分类方法四（按加工前后材料增减变化）： 去除（或者减材）加工、增材加工、变形加工、表面加工。 按微结构与尺度：表面加工、微米/纳米加工、分子级加工等。 1.6 现代加工技术 金属切削加工 用刀具或磨具去除工件余量，得到符合设计图纸要求的尺寸、精度、表面粗糙度及表面质量的加工方法。它是机械制造最基本的加工方法。另一方面新的加工方法不断出现，在加工效率、精度、成本等诸多方面提高了人类开发和制造新产品的能力。 1.6 现代加工技术 先进加工技术---分类：（与普通加工区别开） 高速—高速切削 高效—高生产率 精密—精密、超精密 微细—工件特征尺寸小、刀具小 自动化—数控机床代替普通机床、机动代替手动 绿色化—环保、节能、循环 1.6 现代加工技术 先进加工技术---加工精度的发展（精密化） 1.6 现代加工技术 先进加工技术---加工效率的发展（高速化） 高速切削技术日益进步： 电主轴与直线进给电机速度已提高一个数量级。 60000r/min，80KW主轴；100m/min，2g直线电机 1.6 现代加工技术 先进加工技术---加工效率的发展（高速化） 高速切削技术需求日益广泛： 整体结构件切削量极大，使加工时间减小50%，降低铣削变形。 磨具制造业广泛采用高速铣削，加工效率成倍提高 1.6 现代加工技术 先进加工技术---加工尺度的发展（极限化） 超小化：毫米级→微米级→纳米级→分子级 超大化：十几米整体机翼、几米模锻壁板、几米整体叶轮、几米镜头等 复杂化：复杂结构精铸、复杂结构数控铣、复杂孔系打孔等 集成化：MEMS、Nano-MEMS、Photo-MEMS、Power-MEMS、Bio-MEMS等 1.6 现代加工技术 先进加工技术--- 加工智能的发展（智能化） 自动产生零部件的加工方案和初步的加工参数。 根据外部传感器信号的变化，实时监测加工过程的能力。 根据工件形状变化实时优化调整加工参数。 对机床故障进行自诊断、自排出、自修复。 能为操作人员提供人机一体化的智能交互界面。 加工系统具有自学习、自积累的知识系统。 1.6 现代加工技术 先进加工技术---加工环境的发展（绿色化） 低能耗：降低切削力、减少工序。 低排放：较少切削液、电解液、电镀液、激光与电火花排放。 低材耗：精毛坯，少无屑加工，优化下料。 再制造：延长产品使用周期，修复再使用。 差距：制造业产品耗能和产值能耗约占全国一次能耗的60%，单位产品能耗平均高出国际先进水平的20~30%；单位产值产生的污染远高出发达国家。 1.6 现代加工技术 切削加工的基本问题 切削力与切削振动控制问题 切削温度与刀具磨损控制问题 切屑控制问题 表面完整性控制问题 加工精度控制问题 加工效率控制问题 工艺优化问题 录像展示 本节完
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