先进加工技术在现代生产中的应用

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1、先进加工技术在现代生产中的应用被誉为“国家的命脉”的制造业，是国民经济的支柱产业和经济增长的发动机，是高技术产业化的载体和实现现代化的重要基石，是吸收劳动就业和扩大出路的关键产业，是国家安全的重要保障。21世纪制造业最大的特点是“大量定制”，当订单一到，性能完善的机床和机器人将立即自动地工作并平稳的制造产品，而该产品是21世纪的特定顾客需要的。机械制造技术是研究产品设计、生产、加工制造、销售使用、维修服务乃至回收再生的整个过程的工程学科,是以提高质量、效益、竞争力为目标,包含物质流、信息流和能量流的完整的系统工程。随着社会的发展,人们对产品的要求也发生了很大变化,要求品种要多样、更新要快捷、质

2、量要高档、使用要方便、价格要合理、外形要美观、自动化程度要高、售后服务要好、要满足人们越来越高的要求,就必须采用先进的机械制造技术。机械零部件设计是机械设计的重要组成部分，机械运动方案中的机构和构件只有通过零部件设计才能得到用于加工的零部件工作图和部件装配图，同时它也是机械总体设计的基础。传统机械零部件的设计带来了运用中出现的许多问题：零部件容易腐蚀损坏；零部件容易疲劳损坏，断裂、表面剥落等；零部件容易摩擦损坏等等。这些问题的出现，都是机械零部件传统的设计局限性所产生的。现代机械机械零部件设计强调创新设计，要求在设计中更充分地发挥设计者的创造力，利用最新科技成果，在现代设计理论和方法的指导下，

3、设计出更具有生命力的产品。机械机械零部件设计的过程是创新的过程。设计者应打破常规思维的惯例，追求新的功能原理、新方案、新结构、新造型、新材料、新工艺等，在求异和突破中体现创新。先进制造技术是制造技术的最新发展阶段，是由传统的制造技术发展起来的，既保持了过去制造技术中的有效要素，又要不断吸收各种高新技术成果，并渗透到产品生产的所有领域及其全部过程。先进制造技术与现代高新技术相结合而产生了一个完整的技术群，它是具有明确范畴的新的技术领域，是面向21世纪的技术。先进制造技术并不限于制造过程本身，它涉及到产品从市场调研、产品开发及工艺设计、生产准备、加工制造、售后服务等产品寿命周期的所有内容，并将它们

4、结合成一个有机的整体。先进制造技术的应用特别注意产生最好的实际效果，其目标是为了提高企业竞争和促进国家经济和综合实力的增长。目的是要提高制造业的综合经济效益和社会效益。先进制造技术特别强调计算机技术、信息技术、传感技术、自动化技术、新材料技术和现代系统管理技术在产品设计、制造和生产组织管理、销售及售后服务等方面的应用。它要不断吸收各种高新技术成果与传统制造技术相结合，使制造技术成为能驾驭生产过程的物质流、能量流和信息流的系统工程。20世纪 80年代以来，市场的全球化有了进一步的发展， 发达国家通过金融、经济、科技手段争夺市场，倾销产品，输出资本。随着全球市场的形成，使得市场竞争变得越来越激烈，

5、先进制造技术正是为适应这种激烈的市场竞争而出现的。因此，一个国家的先进制造技术，它的主体应该具有世界先进水平，应能支持该国制造业在全球市场的竞争力。近年来，我国的制造业不断采用先进制造技术，但与工业发达国家相比，仍然存在一个阶段性的整体上的差距。（1）管理方面。工业发达国家广泛采用计算机管理，重视组织和管理体制、生产模式的更新发展，推出了准时生产（JIT）、敏捷制造（AM）、精益生产（LP）、并行工程（CE）等新的管理思想和技术。我国只有少数大型企业局部采用了计算机辅助管理，多数小型企业仍处于经验管理阶段。（2）设计方面。工业发达国家不断更新设计数据和准则，采用新的设计方法，广泛采用计算机辅助

6、设计技术（CAD/CAM），大型企业开始无图纸的设计和生产。我过采用CAD/CAM技术的比例较低。（3）制造工艺方面。工业发达国家较广泛的采用高精密加工、精细加工、微细加工、微型机械和微米/纳米技术、激光加工技术、电磁加工技术、超塑加工技术以及复合加工技术等新型加工方法。我国普及率不高，尚在开发、掌握之中。（4）自动化技术方面。工业发达国家普遍采用数控机床、加工中心及柔性制造单元（FMC）、柔性制造系统（FMS）、计算机集成制造系统（CIMS），实现了柔性自动化、知识智能化、集成化。我国尚处在单机自动化、刚性自动化阶段，柔性制造单元和系统仅在少数企业使用。我国先进机械制造技术的发展趋势也可以归

7、结于：（1）全球化。一方面由于国际和国内市场上的竞争越来越激烈，例如在机械制造业中，国内外已有不少企业，甚至是知名度很高的企业，在这种无情的竞争中纷纷落败，有的倒闭，有的被兼并。不少暂时还在国内市场上占有份额的企业，不得不扩展新的市场；另一方面，网络通讯技术的快速发展推动了企业向着既竞争又合作的方向发展，这种发展进一步激化了国际间市场的竞争。这两个原因的相互作用，已成为全球化制造业发展的动力，全球化制造的第一个技术基础是网络化，网络通讯技术使制造的全球化得以实现。（2）网络化。网络通讯技术的迅速发展和普及，给企业的生产和经营活动带来了革命性的变革。产品设计、物料选择、零件制造、市场开拓与产品销

8、售都可以异地或跨越国界进行。此外，网络通讯技术的快速发展，加速技术信息的交流、加强产品开发的合作和经营管理的学习，推动了企业向着既竞争又合作的方向发展。（3）虚拟化。制造过程中的虚拟技术是指面向产品生产过程的模拟和检验。检验产品的可加工性、加工方法和工艺的合理性，以优化产品的制造工艺、保证产品质量、生产周期和最低成本为目标，进行生产过程计划、组织管理、车间调度、供应链及物流设计的建模和仿真。虚拟化的核心是计算机仿真，通过仿真软件来模拟真实系统，以保证产品设计和产品工艺的合理性，保证产品制造的成功和生产周期，发现设计、生产中不可避免的缺陷和错误。（4）自动化。自动化是一个动态概念，目前它的研究主

9、要表现在制造系统中的集成技术和系统技术、人机一体化制造系统、制造单元技术、制造过程的计划和调度、柔性制造技术和适应现化生产模式的制造环境等方面。制造自动化技术的发展趋势是制造全球化、制造敏捷化、制造网络化、制造虚拟化、制造智能化和制造绿色化。（5）绿色化。绿色制造则通过绿色生产过程 、绿色设计、绿色材料、绿色设备、绿色工艺、绿色包装、绿色管理等生产出绿色产品，产品使用完以后再通过绿色处理后加以回收利用。采用绿色制造能最大限度地减少制造对环境的负面影响，同时使原材料和能源的利用效率达到最高。然而在数控技术应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展

10、和应用领域的扩大，他对国计民生的一些重要行业（IT、汽车、轻工、医疗等）的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。我国是制造大国，在世界产业转移中要尽量接受前端而不是后端的转移，即要掌握先进制造核心技术，否则在新一轮国际产业结构调整中，我国制造业将进一步“空芯”。我们以资源、环境、市场为代价，交换得到的可能仅仅是世界新经济格局中的国际“加工中心”和“组装中心”，而非掌握核心技术的制造中心的地位，这样将会严重影响我国现代制造业的发展进程。从我国基本国情的角度出发，以国家的战略需求和国民经济的市场需求为导向，以提高我国制造装备业综合竞争能力和产业化水平为目标，用

11、系统的方法，选择能够主导21世纪初期我国制造装备业发展升级的关键技术以及支持产业化发展的支撑技术、配套技术作为研究开发的内容，实现制造装备业的跨跃式发展。制造技术不仅是衡量一个国家科技发展水平的重要标志,也是国际间科技竞争的重点。我国正处于经济发展的关键时期,制造技术是我们的薄弱环节。只有跟上发展先进制造技术的世界潮流,将其放在战略优先地位,并以足够的力度予以实施,才能尽快缩小与发达国家的差距,才能在激烈的市场竞争中立于不败之地。总之,在我国研究和发展先进制造技术势在必行。一、概述目前模具制造的发展现状和趋势模具作为重要的工艺装备，在消费品、电器电子、汽车、飞机制造等工业部门中，占有举足轻重的

12、地位。模具作为重要的工艺装备，在消费品、电器电子、汽车、飞机制造等工业部门中，占有举足轻重的地位。工业产品零件粗加工的75%，精加工的50%及塑料零件的90%将由模具完成。目前中国模具市场需求已达500亿元之规模。汽车模具、特别是覆盖件模具年增长速度将超过20%；建材模具也迅速发展，各种异型材模具、墙面和地面模具成为模具的新增长点，今后几年塑料门窗和塑料排水管增长将超过30%；家电模具年增长速度将超过10%；IT业年均增长速度超过20%，对模具的需求占模具市场的20%。2004年中国机床工具工业产值将继续增长。我国模具制造市场潜力巨大。根据资料统计，近年来，我国模具的年总产值达到30亿美元，进

13、口超过10亿美元，出口超过1亿美元。增长从1995年的25%增加到2005年的50%。国外专家预言：亚洲在全球模具制造中占据的份额，将从1995年的25%增加至2005年的50%。中国模具工业发展迅速，形成了华东和华南两大基地，并且逐渐扩大到其他省份。(山东，安徽，四川)1996年2002年，模具制造业产值年平均增长14%，2003年增长25%。2003年我国模具产值为450亿人民币。总产量位居世界第3，出口模具3.368亿美元，比上年增长33.5%。但是，我国技术含量低的模具已供过于求，精密、复杂的高档模具很大部分依靠进口。每年进口模具超过10亿美元。出口超过1亿美元。密模具精度要求在2m3

14、m，大型模具需要满足8000kN合模力注塑机的要求;小型模具需满足直径1mm塑料管的要求。目前，采用高速切削生产模具已经成为模具制造的大趋势，在国外一些模具生产厂家，高速机床大面积取代电火花机床，高速切削大大提高了模具生产效率。机床企业瞄准模具生产企业，有的加工中心生产厂机床的60%以上卖给模具加工企业。高速切削逐渐取代电火花精加工模具在国外的模具制造企业已经普遍采用，高速切削生产模具已经成为逐渐模具制造的大趋势，大大提高了模具生产效率和质量。采用高速切削替代电火花生产模具，可以明显提高效率、提高模具精度、使用寿命长。高速加工在模具制造中的应用高速切削的优点：刀具的高转速和机床的高进给以及高加

15、速度，大大提高金属切除率；高速切削减小切削力；高速切削热大部分由切屑带走，工件发热少；高速切削减少振动，提高加工质量；高速加工应用于模具加工的效益快速粗加工和半精加工，提高加工效率；高速高精度精加工硬切削代替光整加工，表明质量高，形状精度提高，比EDM加工提高效率50%，减少手工修磨；硬切削加工最后成型表面，提高表面质量、形状精度，(不仅是表面粗糙度低，而且表面光亮度高)，用于复杂表面的加工更具优势；避免EDM加工产生的表面损伤，提高模具寿命20%；结合CAD/CAM技术快速加工电极，特别是形状复杂、薄壁类电极。采用高速切削加工模具需要解决的问题在国内，由于资金、技术等方面的原因，应用高速切削

16、生产模具还处于初期阶段。还存在机床、刀具、工艺以及其他方面的一些问题需要逐步解决。缺点是加工成本高，对刀具的使用有较高的要求，不能使用过大的刀具，要有复杂的计算机编程技术做支持，设备运行成本高。高速加工模具的机床选择切削刀具合理的加工工艺编程和刀具轨迹根据生产条件大量的工艺实验二、加工模具的高速加工机床模具精加工和硬切削加工需要数控高速机床，模板、模架加工需要精密、高效数控机床等。许多机床企业瞄准模具生产，有的加工中心生产厂机床的60%以上卖给模具企业。模具行业今后几年年均有50亿元的固定资产投入，其中80%是购买模具加工设备，也就是说每年有40亿元人民币要购买金切机床。目前我国数控机床的平均

17、利用率大约20%，高速机床的利用率3%5%。模具企业也有相当的单位购买高速机床，从6000r/min40000r/min的都有。高速机床的技术参数要求加工中心主轴大功率、高转速，满足粗精加工；精加工模具要用小直径刀具，机床一般要达到15000r/min20000r/min。通常主轴转速在10000rpm以下的机床可以进行粗加工和半精加工，达不到精加工的精度；无法达到400m/min以上的切削速度。快速进给的一般要求和汽车、飞机企业的区别；快速进给30m/min60m/min。根据模具生产种类选择立、卧式加工中心或龙门式加工中心。具有好的高速控制系统：高精度插补、轮廓前瞻控制、高加速度、高精度位

18、置控制等。因此，选择高速加工模具的机床必须考虑具体的生产情况。五轴机床的应用增加趋势加工路线灵活，表面形状复杂；加工范围大，适合多种类型模具加工；切削条件好，减少刀具磨损，提高刀具寿命；针对模具类型，选择工作台式或铣头式五轴机床。多头机床和多电主轴头可以更好的扩大加工范围。购买CAD/CAM软件和高速机床配套据统计，每年有几十亿美元用于进口机床，大部分电加工机床和高速机床需要进口。三、高速切削模具的刀具技术高速切削刀具需要解决的问题：刀具成本刀具耐用度适合于刀具的切削工艺参数解决方法：发展高速切削国产涂层刀具、刀柄。根据刀具本身性能的差异、模具材料的差异、机床的差异等进行实际工艺试验取得数据，

19、参考刀具生产厂的参数。利用各方面力量开展研究和应用，如产学研结合、国家基金支持。高速切削加工还需配备适宜高速切削的刀具。高速加工刀具材料的进展促使了高速加工的发展。硬质合金涂层刀具、聚晶增强陶瓷刀具使得兼顾高硬度的刀刃部和高韧性的基体成为可能。聚晶立方氮化硼(PCBN)刀片，其硬度可达3500HV4500HV。聚晶金刚石(PCD)其硬度可达6000HV10000HV。近年来德国SCS、日本三菱(神钢)及住友、瑞士山特维克、美国肯纳飞硕等国外著名刀具公司都先后推出了各自的高速切削刀具，不仅有高速切削普通结构钢的刀具，还有能直接高速切削淬硬钢的陶瓷刀具等超硬刀具，尤其是涂层刀具异军突起，在淬硬钢的

20、半精加工和精加工中发挥着巨大作用。新刀具材料和刀具技术的出现已经使高速加工上的瓶颈问题不再会出现在刀具上。但是，进口刀具的昂贵价格也阻碍高速切削模具的重要因素。一般来说，刀具以及刀夹的加速度达到3g以上，刀具的径向跳动要小于0.015mm，而刀的长度不能大于4倍的刀具直径。根据SANDVIK公司的实际统计，在使用碳氮化钛(TiCN)涂层的整体硬质合金立铣刀(58HRC)进行高速铣削时，粗加工刀具线速度约为100m/min，而精加工和超精加工时，其线速度超过了280m/min。这样对刀具的材料(包括硬度、韧性、红硬性)、刀具的形状(包括排屑性能、表面精度、动平衡性等)以及刀具寿命都有很高的要求。

21、根据国内模具高速精加工的经验，采用小直径球头铣刀进行模具精加工时，线速度超过了400m/min800m/min。选择足够高速度的机床硬切削模具精加工。Delcam采用0.8mm直径的刀具加工窄槽，转速40000r/min，0.1mm深度，进给速度30m/min。根据不同的加工对象合理选择刀具：硬质合金涂层刀具、CBN和金刚石烧结层刀具。采用小直径球头铣刀进行模具表面精加工；根据Millstar公司的介绍TiAlN(铝氮化钛)超细晶粒硬质合金涂层刀具由于润滑条件好，比(TiCN)硬质合金涂层刀具抗磨损性能更好。切削模具钢。选择刀具参数，如负前角刀具等。刀具要求比普通加工要求抗冲击韧性更高，还要求

22、抗热冲击能力强。采取多种方法提高刀具寿命，降低刀具成本。采用高速刀柄，目前应用最多的是HSK刀柄，热压装夹刀具。注意刀具装夹后的整体动平衡。当前的刀具企业在解决高速切削刀具技术方面已经做了很多工作，面向加工的刀具服务会帮助解决很多问题，刀具生产厂家成为主体，参考刀具生产厂家提供的技术参数。四、提高高速切削模具效率的工艺技术高速切削加工模具的基本要求：高切削速度400m/min。小直径刀具，高转速。小进给量，小刀纹。每齿0.01mm0.1mm。切削负载连续稳定，减少突变，缓退缓进。保持单刃切削。保持均匀精加工余量。目的：减少刀具磨损，提高表面质量。国外高速铣削加工零件材料质量较好，材料质量标准相

23、同，加工性能比较稳定；而国外公司生产的刀具也是以他们的材料标准做试验；推荐的加工参数一般比较适合他们的标准，如果使用他们的刀具，与国内的零件材质有一定的区别，在高速铣削时，这种差别表现得较为明显，有些参数可以直接应用，但有些效果就比较差。而国内企业一般选用零件材质有一定的标准，所使用的零件材料，特别是能用高速加工的零件材质，一般会局限在某些零件材料范围内，这对我们应用高速加工技术也提供了有利的条件，会在较少的加工材料范围内应用。这里要强调的是，一定要在这些材料上选取优化出一套适合本企业的加工工艺参数，并且纳入企业标准。选用国产刀具，很少有推荐高速铣削的技术参数的，有必要做试验，取得比较满意的参

24、数，最好选用固定的刀具生产厂家，减少试验的次数，形成加工技术标准，这样可以提高设备有效利用率，降低生产成本，可以取得较好的经济效益。五、高速切削的加工刀具路径和编程1平面进给路径选择轮廓加工路径选择保持切削载荷平稳保持相对平稳的进给量和进给速度在平面切削中保持园拐角合理选择精加工余量HSC精加工对CAM的编程要求：尽量避免拐角的铣削运动；尽量避免工件外的进刀与退刀运动，直接从轮廓进入下一个深度。或者采用螺旋线或斜向进给切入；恒定每刃进给，提高质量，延长刀具寿命；轮廓加工保持在水平面上等。高速切削CAM软件：Delcam公司几年前就开始了高速切削加工编程技术的研究，开发了高速切削自动编程软件模块

25、；最近，MasterCAM公司也开发了高速切削自动编程软件模块；国内北航海尔也在开发高速切削自动编程软件模块。高速切削模具的编程软件特点：根据高速切削特点确定切削参数。需要特殊的刀具进给运动轨迹。保护刀具，减少磨损。六、高速机床数控系统的特点高速数据处理拐角预测处理NURBS非有理样条插补曲线加工高速切削模具的安全问题刀具磨损和破坏的监测；刀片连接的强度；和普通机床加工不同，安全防护和开机前对机床和刀具的严格检查非常重要。八、目前我国在采用高速加工模具技术中存在的问题机床国产高速机床整体性能尚有差距，功能部件性能还不能满足要求。包括电主轴的功率和转速，进口机床价格高；机床的高速下动态特性研究还

26、不够，因而影响整机的性能；五轴机床还不够成熟，进口机床价格太高；配套技术和设备还不完全。刀具国产刀具还不能够适应高速切削的应用，特别是高速硬切削光整加工。进口刀具价格高。刀具技术是影响高速切削加工模具的一个重要因素。配套技术还不够，包括刀柄、成套在线动平衡等。高速模具加工工艺技术及实验由于高速加工模具的历史比较短，缺乏应用经验积累；对高速切削工艺研究比较少，投入不够，立项比较困难；缺少高速切削数据库或手册，目前还是空白；模具生产厂家对高速切削的认识不够，缺乏长期效益的分析对比；缺乏高速切削自动编程软件；缺乏五轴联动高速切削自动编程CAM软件。九、结束语模具市场对高速加工有强烈需求，但是技术跟不上。起步晚，基础较差，整体技术水平不高，发展缓慢。需要各个方面协调发展，产学研结合，加大投入，综合利用各个方面力量推动高速切削在模具制造中的应用。我们希望，通过各方面的努力，在市场需求的推动下，通过技术进步，像汽车、机床、家电一样，在不远的将来，我国不但要成为模具生产大国，而且要成为模具生产强国。