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先进制造技术──高效精密加工技术AdvancedManufacturingTechnology──High-Efficiency&High-PrecisionMachiningTechnology南京航空航天大学机电学院CollegeofMechanical&ElectronicEngineeringNanjingUniversityofAeronautics&Astronautics傅玉灿教授、博士生导师江苏省南京市御道街29号南京航空航天大学210016高效精密加工技术研究所电话:+86-25-84895857,13851495604传真:+86-25-84895857E-mail:yucanfu@nuaa.edu.cn什么是“制造”?制造(Manufacturing来源于17世纪的两个拉丁语Manu:手Facture:制作Manufacturing:Past,Present,andFutureEarly18thCentury19thCentury20thCentury21stCenturyApersonwithananvilandhammerPoorlyunderstoodprocessCraftspeopleCottageindustrySteam-poweredmachineryImprovedunderstandingofprocessesFactoryconditionsincitiesComputeraideddesign,planning,andmanufacturingLimitedprocessmodelsusingclosedloopcontrolIncreasedfactoryautomationSystemwidenetworksandinformationRobustprocessesandintelligentcontrolGlobalenterprisesandvirtualmanufacturingcorporations制造技术的演进20,000B.C.~1770A.D.TheArtofManufacturingLeonardoDaVinci1770s~1970sTheTechnologyofManufacturing1980s~presentAScienceofManufacturing制造技术的演进(续118世纪后半叶,制造企业的雏形——工场式生产的出现219世纪,电气技术得到了发展320世纪初,内燃机的发明。刚性、大批大量制造技术420世纪中,制造技术向高质量生产和柔性生产的发展520世纪80年代,计算机集成制造系统(CIMS的发展620世纪90年代,以信息为主要特征、面向顾客为特征的生产制造科学与技术研究的重要性美国的教训1.上个世纪70年代,美国不重视制造业,把制造业称为“夕阳工业”,结果导致美国80年代的经济衰退。2.80年代后期,美国的一些国会议员、政府要员纷纷要求政府出面,协调和支持制造产业的发展,1991年,布什政府期间,美国白宫科学技术政策办公室发表了总数为22项的美国国家关键技术,其中制造技术占4项,标志着美国科技政策的转变。3.克林顿上台后,对制造业大力支持,他把先进制造技术列为六大国防关键技术之首。结果美国在机械工业、汽车工业、航空工业及信息产业等方面取得了明显的进展,使美国的经济连续8年取得了2-3%的增长率,而且还同时保持低通胀率和低失业率。这就是克林顿虽发生丑闻而未被弹劾的主要原因。制造科学与技术研究的重要性日本的经验1.在上个世纪70-80年代,日本非常重视制造业,特别大抓了汽车制造和微电子制造,结果日本的汽车和家用电器占领了全世界的市场,特别是大举进入了美国市场。2.日本的微电子芯片成为美国高技术产品的关键元件。1991年海湾战争结束后,日本人说美国赢得这场战争是依靠的日本的芯片,是“日本的芯片打败了伊拉克的钢片”。制造科学与技术研究的重要性东南亚经济危机的启示1.1998年爆发的动南亚经济危机,从另一个侧面反映了一个国家发展制造业的重要。一个国家,如果把经济的基础放在股票、旅游、金融、房地产、服务业上,而无自己的制造业,这个国家的经济就容易形成泡沫经济,一有风吹草动就会产生经济危机。2.新加坡、台湾都有自己的制造业,因此受经济危机的影响小一些。制造科学与技术研究的重要性瑞士依靠什么使人均产值居世界第一?1.瑞士是一个仅700万人口的小国,但瑞士的制造业十分发达,瑞士的精密机械产品的出口量是我国的8倍,瑞士的手表世界第一,连小小的军刀,也风靡全世界。2.现在瑞士的年人均国民生产总值达到4.3万美元以上,居世界第一。先进制造技术的提出先进制造技术的提出(20世纪80年代末期美国:先进制造技术计划制造技术中心计划日本:智能制造技术计划韩国:先进制造系统计划先进制造技术的提出(续影响AMT发展最主要的因素是:技术的推动市场的牵引生产规模:小批量一少品种大批量一多品种变批量资源配置:劳动密集一设备密集一信息密集一知识密集生产方式:手工一机械化一单机自动化一刚性流水自动化一柔性自动化一智能自动化先进制造技术的内涵贯穿于产品设计、加工、检测、管理、销售、使用、服务乃至回收的制造全过程。目的是实现优质、高效、低耗、清洁、灵活生产,提高对动态多变的市场的适应能力和竞争能力。计算机技术、信息技术、自动化技术、现代管理技术与传统制造技术有机结合的产物。先进制造技术的主要内容涵盖产品设计、制造、管理的各环节涉及处理物质、能量、信息的诸问题现代设计技术先进制造工艺系统管理技术先进制造技术的发展趋势精密化柔性化网络化虚拟化智能化清洁化集成化全球化现代产品设计制造:以产品为中心以顾客为中心设计:经验设计知识设计面向制造的设计面向产品全生命周期设计现代产品设计(续面向产品的全生命周期的设计DesignForX产品功能产品模型工艺性可靠性维修性测试性保障性安全性拆卸性人机接口风俗、伦理、心理等在设计阶段就预见到产品的整个生命周期的设计,是具备高度预见性和预防性的设计。现代产品设计(续并行工程ConcurrentEngineering技术支撑要求:(1一个完备的公共数据库(2一个计算机网络系统(3一套切合实际的计算机仿真模型和软件N图纸合格?加工零件合格?装配整机合格?销售与售后服务用户满意?Y继续生产NNN设计修改设计改进加工改进装配改进售后服务传统的产品串行开发与生产过程加工仿真满意?装配仿真使用仿真维修仿真YN设计修改设计修改加工工艺改进装配工艺修改维修服务满意?N满意?N交付生产YY并行设计过程PTQ波音777装配过程现代产品设计(续虚拟制造VirtualManufacturing将虚拟现实技术与产品制造过程的计算机仿真和预测技术相结合,就形成了虚拟制造技术虚拟现实VirtualReality借助于多媒体计算机的声像技术及先进的传感技术,虚构一种场景,给人以身临其境的“真实”感受。系统管理技术从大批量生产MassProduction到顾客化大生产MassCustomization标准化产品的大量生产互换性原理的应用流水作业和精细分工刚性生产设备专业分化和顺序决策集中领导与分级管理福特模式的特点系统管理技术(续顾客化大生产模式以大批量生产的规模和效率,制造满足顾客个性化消费需要的产品。面临两大难题:(1如何及时跟踪市场(2如何实时处理信息和知识解答:(1精益生产(2敏捷制造系统管理技术(续精益生产LeanProduction精益生产的基本原则(1以“人”为中心(2以“简化”为手段(3以“尽善尽美”为最终目标系统管理技术(续成组技术GroupTechnology按照零件或成品之间的相似性,将它们分类成组,使相类似的产品设计、开发和零件的生产能遵循类似的方法来解决,以达到节省时间、精力和费用,提高效率与降低风险的目的。成组技术包括:成组设计成组工艺成组车间布局等系统管理技术(续全面质量管理TotalQualityControl(1全方位的质量管理(2全过程的质量管理(3全员质量管理系统管理技术(续集成制造IntegratedManufacturing计算机集成制造系统CIMSComputerIntegratedManufacturingSystem以计算机来辅助制造系的集成,以充分的、及时的信息交流或信息共享将企业的设计、工艺、生产车间以及供销管理部门集成一个有机的整体,使它们相互协调地运作,以确保企业的整体利益,提高企业的竞争能力和生存能力。系统管理技术(续CIMS在观念上和技术上存在的局限性以及拓宽它们的必要性(1CIMS侧重在信息的集成,需要拓宽到过程的集成(2CIMS侧重在企业内部的信息集成,需要拓宽到企业之间的集成(3CIMS侧重在技术因素的集成,需要将人的因素也集成起来,并突出人的因素在企业运作中的主导地位系统管理技术(续敏捷制造AgileManufacturing敏捷制造的内涵(1分布式、网络化(2动态联盟(3工作小组敏捷制造的特点(1敏捷性及快速响应能力(2制造资源的充分利用(3局部利益和整体利益的高度一致性(4整体的协调一致性和个体的独立自主性的高度统一先进制造工艺切/磨削加工的发展方向¾高效精密¾精密超精¾微细纳米切削切:用刀片把物品分成若干部分partingmaterialswithsword削:用刀片斜着去掉物体的表层scrapingmaterialswithsword什么是“切/磨削加工”切削加工是用刀具/磨具从工件表面切除多余的材料,从而获得在几何形状、尺寸精度、表面粗糙度以及表面层质量等方面均符合要求的加工方法。21世纪,切/磨削加工仍是获得精密机械零件的最主要的加工方法。切/磨削加工发展史公元前13世纪:铜镜研磨公元前12世纪:卜骨钻孔公元前2世纪:金缕玉衣17世纪中叶:畜力18世纪后期:蒸汽机动力19世纪中叶:电力19世纪末:高速钢刀具1923年:硬质合金刀具1930年后:金属陶瓷和超硬材料(人造金刚石和立方氮化硼高效精密加工技术¾高速切削加工(机床、工艺、刀具¾高效磨削加工高速切削加工¾高速/超高速切削加工概念的提出HighSpeed/UltrahighSpeedMachining/Cutting¾高速/超高速切削加工的优点及其应用领域¾高速/超高速切削加工机理¾高速切削的主要关键技术¾高速切削技术的发展趋势Why“HighSpeedMachining”?1930’s,德国CarlSalomon博士首次提出高速切削概念steelcastironcarbide:980°Cstellite:850°Chigh-speedsteel:650°CC-steel:450°Cbroncenon-ferrousmetalssoftaluminiumiron-carbonalloy39000m/min(127951ft/minover45000m/min(147636ft/minnotmachinable0600120018002400[m/min]300012008004001600cuttingspeedvccuttingtemperatureϑc高速切削加工发展史1958,美国空军首次资助高速切削研究,论证了可行性1970’s早期,美国海军资助洛克希德公司,刺激了高速切削的实验与应用研究高潮1979起,美国空军耗资250万美元委托GE公司开展高速切削技术研究计划,是高速切削开始实用化1970’s末,美国Vought公司首次推出高速铣床(20000rpm1984,德国国家研究技术部拨款3300万马克资助Darmstadt工业大学等41家单位,执行联合研究计划,开展了全面系统的高速切削技术研究1990’s后期,大量涌现商品化高速切削机床高速切削速度范围10100100010000100000碳纤维塑料铝合金铜合金铸铁钢钛合金镍基合金切削速度m/min普通切削过渡区高速区切削速度及进给速度高出普通切削加工范围下切削速度及进给速度的5~10倍的加工高速切削的主要特点高速切削主要特点(续切削力降低工件热变形减少有利于保证零件的尺寸、形位精度已加工表面质