我国机械加工技术的现状与发展

我国机械加工技术的现状与发展的建议摘要近十几年来，机械加工技术有了迅速发展。一方面是传统的切削与磨削加工技术仍在不断发展，加工精度水平也日益提高，精密加工与超精密加工技术已进入实用阶段;另一方面加工技术向自动化方向发展，正在沿着数控(NC),柔性制造系统(FW)及计算机集成制造系统(CII}MS)的台阶向上攀登。当今国际上机械产品的竟争归根结底是工艺技术竞争，为了尽快提高我国机械加工技术水平，增强竞争力，本文综述了我国机械加工技术的现状并甘今后发展提出了相应对策与建议，以使我国机械加工技术尽快赶上工业发达国家的先进水平。关键词：数控柔性制造系统工业工程近年来，尽管精密铸造、精密锻造和无屑加工技术有了一定发发，并且在加工技术领域中还开发了不少新的加工方法，如特种加工、机电复合加工等，但传统的机械加工仍占据着极其重要地位。可以预见，到21世纪，切削和磨削将仍然是获得精密机械零件的最主要加工方式。当前我国的机械加工，普遍仍采用落后的通用机床加大m专用工艺装备的生产模式，即采用分散的、通过很多道工序来组织零件加工的生产模式，新技术、新工艺的研究、开发、推广和应用十分缓慢。例如，成组技术、数控加工技术、复合加工、高速磨削、强力磨削和砂带磨削等先进工艺在我国都未得到广泛应用。而国外机械加工工艺已发展到以零件为对象，按零件组织专业化生产，工艺装备也发生了相应变化。我国生产上使用的加工设备构成比不合理，普通车床所占的比例大，先进的与专用的设备比例少。总的情况是:通用设备多，专用设备少;金切设备多，磨削设备少;单机多，生产线少;高精度、数控等设备更少。据报导，1933年美国机械制造工业的磨床拥有量占金属切削机床总数的23.5i'oo目前，先进工业国家的磨削加工量占到切削、磨削加工总量的25%左右，而砂带磨削的加工量要占磨削加工量的40%^-50。此外，国外的机械加工将坐标锉床、三坐标测量机等精密设备都广泛用于生产第一线，并且特}}J重视加工设备的数控化和柔性化，}tJLW数控化率已达to%以上，而我国虽然早在50年代末就开始发展数控，但至今机床数控化率仍很低，平均还不到0.3%0在加工精度方面，近几年来随着我国技术改造的深入和引进先进技术，在有些工厂中，一些精密机床的加工精度已接近国外先进水平。但从总体上看，我国制造生产水平仍然比较落后。目前我国机械加工的精度普遍约比国外低1}2级。例如汽缸体孔的加工精度，我国为H7级，而国外为H6级;HRC50^-60重载齿轮的加工精度日本可达6级，而我国为7-r8级。预计到2000年，国外的普通机械加工、精密加工与超精密加工的精度可分别达到lE}m,O.OlE}m及O.OOlEImClnm)，并且在一些高新技术产品上超精密加工正在向原子级加工精度逼近，而我国目前的加工精度还刚进入0.1E}m级阶段。众所周知，机械加工技术发展的基础是刀具的发展。无论是普通机床，还是先进的NC机床和加工中心机床(MC)，以至柔性制造系统FMS)，都必须依靠刀具才能完成切削工作。刀具的革新和发展对提高生产率和加工质量有直接影响。目前我国生产上仍广泛应用整体式钨系高速钢和焊接式硬质合金刀具，机夹可转位刀具、涂层刀具、陶瓷刀具、复合材料刀具和金刚石及立方氮化硼等超硬材料刀具在加工中使用的比例还很小，一些高效先进刀具，如可转位钻头、钻扩四刃钻、硬质合金无横刃麻花钻、硬质合金单刃铰刀、金刚石及立方氮化硼铰刀、波形刃立铣刀、可转位螺旋立铣刀、模具铣刀和热管式刀具等因制造、刃磨或检测等各种原因尚未得到广泛应用，并且刀具几何参数和切削用量也未实现优化，致使我国的切削用量水平普遍较低。而先进工业国家目前都已建立了相应的切削数据库;其软件已有商品出售，能为刀具几何参数和一切削用量的自动选取以及工艺规程的自动设计提供经过优化的数量依据，所以加工效率要比我国高1~3倍。我国机械加工水平低，还与检侧方法落后与工艺科研力量薄弱有关。国外目前用工业工程(I})的观点来研究机械加工技术，他们既围绕材料加工技术研究工艺和设备(即通常说的制造的硬件部分)，同时又围绕制造系统对人、材料和设备等组成的集成系统的控制和管理进行研究(软件部分)，也就是将技术与管理两者有机地结合起来，通过不断改造、优化，以达到保证质量，降低成本，提高生产率等目标。为了振兴我国机械工业，提高我国机械加工技术水平，在新技术革命面前，我们应把握时机，并且应着眼于}1世纪，极积研究对策，制定切实措施，迎头赶上世界先进水平。为此，特提出如下几点认识和建议:1.更新设备，改变设备构成比在更新设备时，应减少普通机床的比重，增加精密、高效机床的比重，并应大力发展高质量、高效率和高柔性的NC机床和加工中心.在更新设备时，应尽量选用国家推荐的技术进步产品。2,用数控和数显改造旧机床我国现有机床320多万台，旧机床在机械工厂一中占有相当大的比重，近几年内还难于大幅度增加设备的投资，不可能将旧机床都淘汰与更新。因此，须对旧机床进行有计划地改造，使其发挥应有的作用。根据我国国情，旧机床改造的方向是:实现数控或数显化，柔性化，专用化以及精密化。根据机床的具体情况，采用静压轴承、数控及数显装置等，把机床从人手的延一长，扩大为人脑部分功能的延长。数显装置具有投资少、见效快的特点。它是由检测元件(感应同步器、光栅及磁栅等)和数显表两部分组成的电子数码显示装置，安装在机床上，工人可方便准确地控制加工尺寸，被誉为机床的眼睛，应用数显装置加工零件，其加工精度一般可提高1一2级，工效可提高?0%以上。旧机床改造在一些工业发达的国家同样受到十分重视。1990年9月5日至13日在美国芝加哥举行的美国国际制造技术展览会上，有相多家厂商展出了大量改造后的机床，就连美国著名的CincinnatiMilacron和Devlics工厂也展出为数不少改造过的旧机床。这主要由于当前国际市场竞争激烈，而改造后的机床要比新机床价格便宜30%,甚至更多。所以，我们要充分认识到“旧机床加电脑控制”是一条适合我国国情的工业发展道路。3.用工业工程(1E)原理和方法开展技术改造实践证明，提高机械加工技术水平可以通过技术改造来实现，即除应采用新设备外，还应推广和应用各种新工艺、新技术和新材料，以“三新”强化工艺手段。在进行技术改造时，必须从经营战略和生产系统整体出发来考虑，要用IE的原理和方法对生产系统进行经常不断的改善，这样才有助于加工技术整体水平的提高。4。大力推广并研制各种先进刀具随着产品的更新换代，今后各种高强度钢、不锈钢、高温合金和钦合金等具有硬、脆、韧、粘等难加工材料将日益增多。因此，应把新一代高性能、高效率、长寿命的刀具材料和各种先进刀具设法用于生产上。今后，未涂层的硬质合金和高速钢刀具的应用会减少，而涂层刀具、陶瓷刀具与超硬材料刀具及超硬磨料磨具所占的比重将较快地增加。新一代刀具材料的广泛应用，必然会促进机床和加工工艺的变革;而高效机床的发展，又将进一步推动新一代刀具材料的使用。同时，还应开发各种模块式刀具和模块化刀具系统BTS(BlockToolSystem)oBTS能和各种系列化的刀具(如铿刀、钻头和丝锥等)和夹头相配，可实行刀具的自动更换。据报导，在自动化生产中，机床利用率的提高1/3归功于计算机数控技术(CNC),1/3归功于物料处理和管理的自动化，还有1/3则归功于BTS的应用。因此，国外十分重视刀具费用的投入。例如，德国奔驰汽车厂每辆汽车的刀具费用要占其销售价的2%，而我国长春第一汽车制造厂仅占0,5%。刀具费用低，限制了先进刀具的推广与使用，这样虽节约了刀具费用，但却降低了生产效率及总的经济效益。5。开发柔性制造系统(FMS)，实现机械制造自动化当今机械制造自动化已由过去刚性的自动线或自动化单机，发展到现在的CNC和FMS阶段，并正在向计算机集成制造系统CIMS)方向发展。FMS通常由CNC加工巾心系统、运输存储系统和计算机控制系,4f;i}三大部分组成。它的最主要特y是“柔性”，也就是具有完成不同加工任务的应变能力，能适应多品种中小批量生产的自动化要求。目前FMS正向着规模大型化、功能复杂化(即柔性'}9造车间)及小型化、简单化(即柔性制造单元FMC)两个方向发展。FMS进一步的发展是向CIMS方向去发展，CIMS包括生产、管理与经营三个方面，并由五级计算机控制组成，即单机级一~FMC(单元)级一、FMS(系统)级~~车闻级一~工厂级。CIMS是一种全薪生产结构与组织的自动化工厂(FA)。实现CIMS可使整个工厂的生产、管理、经营进行优化，从而提高生产率，提高柔性，提高产品质量，降低在制品与一}J费用。日.本是开发研究CI丫S较有成效的国家，例如安川电机制作所的“CIM化”工厂是一家典型一的鞠机器人组装机器人的无人化工厂。目前},i美、欧三极还以国际合作方式，集Wsoot}}元，正在研制举世注目的IMC智能制遭系统)，即所谓下一代高度自动化生产系统.。有人认为我国人员多，劳动力便宜，无必要向FA方向发展。笔者认为，FA优点是缩短产品生产周期，提高产品质量、可靠性和生产率。我们如不去研究开发，不作好充分技术储备，将会使今后我国机械产品在国际市场上丧失竞争能力。6.提高计量与检铡水平提高零件的机械加土精度，计量与检测也是个关键。鉴于我国现有检测水平不高，生产上应先推广使用各种气动和电动测量仪、投影仪和各种电子数显量具，有条件的工厂还可采用电接触测量或光电测量、自动测量机、多参数的综合检验装置、以及三坐标测量机等。量具和量仪的精度一般都要求比被测量零件高一个数量级，所以加工和测量通常是独立进行的。但随着机械加工技术水平的提高，机床本身的精度也大大提高，此时如配有适当仪器或采取一定措施后，机床可以作为计量装置，从而可使机床既是加工机，又是测量机，实现加工计量一体化。7.加强科研工作，促进机械加工技术水平全面提高当今机械制造技术正借助微电子、计算机、自动化等技术向着高度自动化、精密化、智能化、高效化、集成化的方向发展，计算机辅助设计与制造(CAD/CAM)今后将成为机械工业普遍使用的技术，所以在科研工作上，我们既应对加工过程(即系统加工技术)进行研究，如成组技术、数控加工技术、自动线、i}14I;、甚至自动化工厂(FA)等，也妥对加工方法(即固有加工技术)进行探讨，如各种特种切削加工、少无切屑加工、精密加工和超精密加工等。当前机械加工研究工作重点应放在切削机理、切削优化(如切削工序优化、切削用量优化、以及、采用新型刀具材料和新型工件材料情况下刀具几何参数优化等)、建立切削数据库，难加工材料切削技术，新型刀具的研制和模块化刀具系统的开发，自动化生产过程中工况监测、自动补偿、故障诊断与预测，以及提高加工精度与表面质量等方面上来;同时还应开展在切削加工中导入声、光、热、电、磁等外加能量的新型特种切削加工方法的研究，如超声振动切削、导电加热切削、低温切削、激光辅助切削、磁化切削以及电解磨削等，此外，，还应继续开展以“三新”强化工艺手段，提高机械制造工艺水平，把高效与精度结合起来，在提高加工效率的同时提高加工精度水平。目前在国际市场上，机械产品的竞争实质上是工艺技术的竞争，因此要牢固树立工艺技术是提高产品质量的突破口这个指导思想，要把机械工业的重心转移到提高制造技术水平上来。8。加强技术培训，提高人才素质为适应当代机械制造业的迅速发展，全面提高我国机械加工技术水平，必须从提高劳动者素质着手，应大力加强技术工人的技能训练和职业技术教育，目前各企业中尤其缺乏“机电一体化”人才，应争取在近几年内有所改变，使我国机械加工技术的水平得到稳步发展与提高，以迎接新世纪的挑战。