精密加工和超精密加工技术论文

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-htm 超精密加工及特种加工重点实验室 依托单位 哈尔滨工业大学 主管部门 教育厅 实验室主任 梁迎春 电话 0451-86412806 实验室地址 哈尔滨市南岗区西大直街92号 邮编 150001 实验室简介 哈尔滨工业大学以国防和国民经济的需求和牵引为背景,在国内率先展开了超精密加工特种加工的工艺与装备的研究工作,形成了具有自己鲜明特色的科学研究方向和高素质的研究群体,目前本实验室具有博士学位受权,设有博士后流动站,是国家"八五"、“九五”和十五重点建设学科之一。 在超精密加工工艺及设备、微小零件的超精密加工及检测技术、特种加工工艺及加工过程控制、微细特种加工、高性能材料特种加工、镜面电火化加工等研究领域取得了长足的进展，科研成果和综合实力居于国内领先和国际先进水平。现有研究人员33人，教授13人（其中博导8人）全体人员中45岁以下78%，博士占65%。 返回 学科带头人 董申：男，教授，博导，1939年5月出生，1962年毕业于哈工大机械制造系。完成自然科学基金重点项目，国防重大工程项目，国防预研项目共计6项。现承担预研项目二项，其他项目多项。先后获部科技进步一等奖1项，二等奖2项，三等奖1项。已培养博士9名，硕士9名。现指导博士16名，硕士5名。共发表论文120多篇。合著专著二本。目前担任中国生产工程学会精密加工与纳米技术专业委员会常务副主席。 卢泽生：1940年2月生，教授，博导。现任全国机械控制工程研究学会常务副理事长，常务理事兼东北分分理事长，《机械工程学报》编委，并任我校机械工程博士后流动站负责人和机械制造及自动化学科负责人。长期从事精加工、超精加工和自动化学术领域的教学和科研工作，负责和承担多项科研项目，获得航天部科技进步一等奖2项，二等奖1项，出版著作2部，发表学术论文60余篇，指导硕士和博士研究生近30人。 赵万生：1957年5月生，工学博士，教授，博导，哈工大深圳研究生院院长，分别在日本东京大学和美国内布拉斯加-林肯大学进修特种加工2年。主要学术兼职有：中国机械工程学会特种加工分会副理事长，全国高校特种加工教学研究会理事长，美国SME高级会员，日本精密工学会会员等。近年来发表学术论文150余篇，其中被SCI、EI、ISTP、收录32篇。主编专著、教材6部。获发明专利1项，实用新型4项。 梁迎春：1964年3月生，工学博士，教授，博导。现任哈尔滨工业大学精密工程研究所所长。主要社会兼职有：全国高校制造技术与机床研究会常务理事、东北分会副理事长。主要从事超精密加工技术、纳米技术、现代机械设计理论与方法、大型精密非标设备等方面的科学研究工作，获部级科技进步一等奖一项，二等奖三项，出版专著一本（合著），在国内外发表论文60余篇。 程凯：教授，1961年12月生，1983年毕业于哈尔滨工业大学机械工程系，1994年4月获英国利物John Moores大学博士学位；2000年3月聘为哈工大特聘教授。主要的研究方向是微细磨削加工过程的建模和仿真研究、虚拟制造系统与虚拟企业的建模和仿真研究、CAD为基础的三维复杂表面的测量与评定、因特网的产品设计、制造与装配过程的仿真。已发表学术论文72篇，出版英文专著一本。 返回 项目与成果 1、超精密加工机床研制 主要技术指标：主轴转精度：05μm; 导轨直线度:2μm/200mm; 恒温油温控精度：004℃;微量进给精度：05μm 加工的零件精度：2μm；加工的零件：Ra≤02μm 鉴定结论：国内领先，国际先进；获部级一等奖 2、大型精密轴转台 解决了高精密度轴系、大型铝合金框架等关键部件的动静设计、制造和装备等关键技术，研制了我国目前技术水平最高的多种大型精密三轴转台，其性能达到了目前美国CGC公司、德国MBB公司类产品的水平。 3、微小零件的纳米加工与检测技术 攻克了1mm微小零件装夹、超精密轴系的运动控制等多项关键技术，研制了国内微小零件的纳米加工与检测系统，解决了我国国防领域长期未能解决的难题。 4、镜面电火花加工技术 突破了工作液介质、超微细脉冲电源等关键技术，解决了常规电火花加工无法获得大面积镜面的难题。加工出RaOlμm(100×100mm2)的光滑表面，达到了国外同类技术最好水平。该项技术应用模具抛光、载人航天多余度伺服阀反馈杆、巡航导弹精密弹扰性零件的加工。 5、轧电火花毛化试验机床 研制出国内第一台功能齐全、性能先进的EDT试验机床。攻克了精密液压伺服、精密脉冲电源等关键技术，该机床的毛化模式多，毛化粗糙度范围宽（R42～5μm）,关键技术指标超过了国外同类产品。在宝钢得实际应用。 6、智能化模糊控制电火花加工数控系统 采用开放式体系结构和PC/Win平台，成功地研制了自主版权的电火花加工数控系统。该系统具有加工过程模糊控制、智能化加工条件选取等功能。1997年4月在北京国际机床展览会上展出时，是国内外第一台同类样机。该技术在汉川机床厂成功的实现了产业化。 返回 设备情况 本实验室现拥有实验室面积400平米，拥有一批国际水平，国内一流研究设备和仪器，固定资产2800万元。主要的仪器设备如下： 1、激光加工机床 2、扫描隧道显微系统 3、YAG激光器 4、微测力仪 5、多轴位移系统 6、亚微米超精密车床 7、大型精密万能磨床 8、圆弧刃金刚石刀具刃磨机 9、金刚石刀具刃口检测仪 10、精密数控电火花成形机床 11、电火花线切割机床 12、微细电火花加工机床 13、激光快速成型机

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特种加工机床范围较广，有几十个门类。包括：电火花加工（EDM）、电化学加工（ECM）、电解磨削加工（ECG）、化学加工（CHM）、电弧加工（EAM）、激光加工（LBM）、超声加工（USM）、离子束加工（IBM）、电子束加工（EBM）、等离子弧加工（PAM）、快速成型加工（RPM）、磨料射流加工（AJM）等等。 特种加工机床原属金属切削加工机床范畴，但由于特种加工机床与金属切削加工机床机理完全不同，机床功能部件的性能不同，以及它在国民经济中重要地位和作用等原因，2003年国家标准化管理委员会明确为与金切机床并行的独立的机床体系。1、特种加工机床主要特点 (1)特种加工技术是先进制造技术的重要组成部分 随着特种加工技术的发展，一方面计算机技术、信息技术、自动化技术等在特种加工中已获得广泛应用，逐步实现了加工工艺及加工过程的系统化集成；另一方面，特种加工能充分体现学科的综合性，学科(声、光、电、热、化学等)和专业之间不断渗透、交叉、融合，因此，特种加工技术本身同样趋于系统化集成的发展方向。这二方面说明，特种加工技术已成为先进制造技术的重要组成部分。一些发达国家也非常重视特种加工技术的发展，如日本把特种加工技术和数控技术作为跨世纪发展先进制造技术的二大支柱。特种加工技术已成为衡量一个国家先进制造技术水平和能力的重要标志。这是特点之一。 (2)特种加工具有独特的加工机理 特种加工不是依靠刀具、磨具等进行加工，而主要依靠电能、热能、光能、声能、磁能、化学能及液动力能等进行加工，其加工机理与金属切削机床完全不同。能量的发生与转换、使能过程的控制是特种加工高新技术的重要部分。这是特点之二。 (3)增材加工是特种加工的重要发展方向 金属切削机床、特种加工机床一大部分是减材加工。我国从二十世纪八十年代末发展起来的快速成形(RP)加工技术是属于特种加工技术的一种增材加工的新领域。它利用分层制造原理(离散堆积)及分层处理软件，理论上可以制造任意复杂形状的零、部件，能适应高科技、个性化、小批量生产的需要，增材加工的RP加工技术已成为特种加工的特点之三。 (4)特种加工可以进行二种或二种以上能量的复合加工 一般来说，“组合加工”是指在一台机床上二种不同加工形式(能量)在加工过程中交替使用的加工方式；“复合加工”是指在一台机床上实现二种或二种以上能量(形式)在加工过程中同时作用的加工方式，例如，电能和声能、化学能和电能、光能和化学能、化学能和电能及机械能等复合，以获得高效或精密加工的效果，这是特点之四。 (5)特种加工技术应用领域的重要性和特殊性 特种加工适用于各种高硬度、高强度、高韧性、高脆性、微细等金属和非金属材料的加工，以及各种新型、特殊材料的加工，在航空航天、军工、汽车、模具、冶金、机械、电子、轻纺、交通等工业中解决了大量传统机械加工难于解决的关键、特殊的加工难题。所以在国民经济的众多关键制造工业中发挥着极其重要的不可替代的作用。例如，在航空航天工业中各类复杂深小孔加工、发动机蜂窝环、叶片、整体叶轮加工、特殊材料的切割加工、钛合金加工等等。在军事工业中，例如核武器及高新技术武器几乎全是特殊材料和高新技术材料，各种零件的成形加工、各种孔加工、精密薄材加工等特种加工发挥着特殊重要的作用。这是特点之五。 (6)特种加工机床产量世界第一 由于特种加工机床应用领域的广泛性和重要性，在我国已形成由生产企业、大专院校、研究院所200多个单位组成的特种加工机床行业，其电火花加工机床的年产量就约达30000台之多，其产量为世界第一。是名副其实的生产大国(但不是生产强国)这是特点之六。 2、行业概况和现状 (1)我国生产的特种加工机床主要种类 特种加工机床种类较多，据不完全统计约有30多种。在我国已形成了产业化生产或具有一定产量的特种加工机床主要种类有： ①电火花加工机床：以电火花成形机、电火花线切割机、电火花高速小孔加工机等为主。 ◆ 电火花成形机：产量约3500～4000台/年。普及型数控电火花成形机(NCSEDM)约800～1000台/年。部分NCSEDM为当前国际水平，主要由独资及合资企业生产。 ◆ 电火花线切割机(WEDM)：分高速走丝电火花线切割机(HSWEDM)和低速走丝电火花线切割机(LSWEDM)，HSWEDM和LSWEDM数控化率均为100%，产量约25000台/年。LSWEDM属国产高档机床，为普及型数控机床，产量约占WEDM的3～4%，部分LSWEDM为当前国际水平，主要由独资及合资企业生产。 ◆电火花高速小孔加工机(HSEDM)：产量约1500台/年。极大部分为手动型或点位控制型。最大径深比为1：300(也有1：1000的)，其加工工艺指标与国外水平相当。 其他电火花加工机床均为专用机床。 ②电解加工机床 ◆ 电解成形加工机床：有普通型、数控型(包括展成加工型)，产量约20～30台/年。 ◆ 电解去毛刺机床：都为专用机床，约15～20台/年。 ③电解磨削加工机床 都为专用机床，约十几台/年。 ④超声加工机床 ◆ 超声抛光机：有二种型式，一种为单一用声能的超声抛光机，一种为电火花—超声抛光机。产量约为150～200台/年。 ◆ 超声成形加工机床：产量较少。 ⑤快速成形(RP)机床 ◆ 选择性激光烧结(SLS)机床： 我国作为高新技术产品，产量约为30台/年。 ◆ 三维光刻(SL)机床：为高新技术产品，产量约25～30台/年。产品性能与国外相比差距已在缩小，但成形材料性能与国外相比还有相当大的差距。 ◆ 熔融挤压成形(FDM)机床：为高新技术产品，产量约30台/年。产品部分指标已达到国际先进水平。 ◆ 分层实体制造(LOM)机床：产量约15台/年。 ⑥激光加工机床 ◆ 激光切割机床：产量约100台/年。国内在大功率快速轴流CO2激光器的研制上落后，因而国内激光切割机的激光器都依赖进口(或国内组装生产的激光器)。 其他激光加工设备，如激光雕刻机、激光小孔加工机等产量不大。 ⑦等离子弧切割机 产量约15～20台/年。 ⑧高压水射流切割机床 我国的产量不大，约20～30台/年。 ⑨电熔爆加工机床 主要用于冶金及建筑行业等轧辊加工，为国家高新技术产品，产量约10～15台/年。 (2)特种加工机床行业总的产量、产值 ①总产量31000～32000台/年。 (2)总产值(按人民币核算) 电火花加工机床总产值约：17亿/年。 其他特种加工机床产值约：3～4亿/年。 总产值约：20～21亿/年。 (3) 特种加工机床的出口情况 ①出口量 主要为电火花加工机床及少量的RP机床出口，包括二个独资企业在内出口量约1100～1200台/年。 ②出口金额 总出口额约3500万美元/年

浅谈现代机械制造技术的新发展 编辑条目26 关键字： 前言 目前，随着电子、信息等高新技术的不断发展及市场需求个性化与多样化，世界各国都把机械制造技术的研究和开发作为国家的关键技术进行优先发展，将其他学科的高技术成果引入机械制造业中。 因此机械制造业的内涵与水平已今非昔比，它是基于先进制造技术的现代制造产业。纵观现代机械制造技术的新发展，其重要特征主要体现在它的绿色制造、计算机集成制造、柔性制造、虚拟制造、智能制造、并行工程、敏捷制造和网络制造等方面。 现代机械制造技术的特征 （1）机械制造科学是由机械、计算机、信息、材料、自动化等学科有机结合而发展起来的一门跨学科的综合科学，它随不同对象和时间而改变功能结构及信息系统。 （2）柔性、集成、并行工作。现代机械制造系统具有多功能性和信息密集性，能够制造生产成本与批量无关的产品，能按订单制造，满足产品的个性要求。 （3）制造智能化。能够代替熟练工人的技艺，具有学习工程技术人员多年实践经验和知识的能力，并用以解决生产实际问题。智能制造系统能发挥人的创造能力和具有人的智能和技能，强调以人为系统的主导者这一总的概念。在智能制造系统中，智能和集成并列，集成是智能的重要支撑，反过来智能又促进集成水平的提高。 （4）设计与工艺一体化。传统的制造工程设计和工艺分步实施，造成了工艺从属于设计、工艺与设计脱离等现象，影响了制造技术的发展。产品设计往往受到工艺条件的制约，受到制造可靠性、加工精度、表面粗糙度、尺寸等限制。因此，设计与工艺必须密切结合，要以工艺为突破口，形成设计与工艺的一体化。 （5）精密加工技术是关键。精密和超精密加工技术是衡量先进制造技术水平的重要指标之一。当前，纳米加工技术代表了制造技术的最高精度水平。 （6）产品生命周期的全过程。现代制造技术是一个从产品概念开始，到产品形成、使用，一直到处理报废的集成活动和系统。在产品的设计中，不仅要进行结构设计、零件设计、装配设计，而且特别强调拆卸设计。使产品报废处理时，能够进行材料的再循环。节约能源，保护环境。 （7）人、组织、技术三结合。现代制造技术强调人的创造性和作用的永恒性，提出了由技术支撑转变为人、组织、技术的集成；强调了经营管理、战略决策的作用。在制造工业战略决策中，提出了市场驱动、需求牵引的概念，强调用户是核心，用户的需求是企业成功的关键，并且强调快速响应市场需求的重要性。 2．现代机械制造技术的内容和发展方向 1 绿色制造（GM） 绿色制造是一个综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式。绿色制造是可持续发展战略在制造业中的重要体现。其目标是使产品在设计、制造、装配、运输、销售及使用的整个过程中努力做到资源的优化利用、清洁生产和废弃物的最少化及综合利用。要力求实现切削加工工艺的绿色化。目前这一绿色加工工艺主要集中在不使用切削液上，这主要是因为切削液既污染环境和危害工人健康，又增加资源和能源的消耗。而干切削和干磨削一般是大气氛围中(氮气中、冷风中或采用干式静电冷却技术)不使用切削液进行的切削。不过对某些加工方式和工件组合，完全不使用切削液的干切削和干磨削在实际中很难实现，故又出现了使用极微量润滑(MQL)的准干切削。目前，在欧洲的大批量机械加工中，已有10％～15％的加工使用了干切削和准干切削。 2 计算机集成制造（CIM） CIM就是通过计算机实现信息集成，实现现代化的生产制造，求得企业的总体效益，使企业能够持续稳定的发展。随着计算机的普及应用，计算机集成制造已成为规模生产的主要科技，企业从市场预测、产品设计、加工制造、经营管理直至售后服务是一个不可分割的整体，需要统筹考虑，集成制造主要指： （1）人员集成，管理者、设计者、制造者、保障者(负责质量、销售、采购、服务等的人员)以及用户应集成为一个协调整体。 （2）信息集成，产品生命周期中各类信息的获取、表示、处理和操作工具集成为一体，组成统一的管理控制系统。特别是产品信息模型（PIM：Product Information Model）和产品数据管理（PDM：Product Data Management）在系统中应得到一体化的处理。 （3）功能集成，产品生命周期中企业各部门功能集成以及产品开发与外部协作企业间功能的集成。 （4）技术集成，产品开发全过程中涉及的多学科知识以及各种技术、方法的集成，形成集成的知识库和方法库，以利CIMS的实施。 3 柔性制造（FM） 柔性制造系统（FMS）是由统一的控制系统（信息流）、物料（工件、刀具）和输送系统（物料流）连接起来的一组加工设备，能在不停机的情况下实现多品种、小批量零件的加工，并具有一定管理功能的自动化制造系统。柔性制造技术是制造业适应动态市场需求及产品迅速更新的主要手段，是各国制造业发展的主流趋势，是先进制造领域的基础技术。数控技术的成熟及单台数控设备的问世，使许多工业发达国家开始了柔性制造系统的研究。FMS包括许多个柔性制造单元，它能根据制造任务和生产环境的变化迅速进行调整，适用于多品种、中小批量的生产。着重突破了成批生产的经济效益一定大于单件生产的传统观念。FMS是在自动化技术、信息技术及制造技术的基础上，将以往企业中相互独立的工程设计、生产制造及经营管理等过程，在计算机及软件的支撑下构成一个覆盖整个企业的完整而有机的系统，以实现全局动态最优化，总体高效益、高柔性，并进而赢得竞争全胜的智能制造系统。 4 虚拟制造（VM） 虚拟制造主要就是利用计算机技术和装备产生一个虚拟环境，应用人类知识、技术和感知能力，与虚拟对象进行交互作用，对产品设计和制造活动进行全面的建模和仿真。虚拟制造技术从根本上改变了设计、试制、修改设计和规模生产的传统制造模式。在产品真正制造以前，首先在虚拟制造环境中生产软产品原形（Soft Prototype），代替传统的硬样（Hard Prototype)，预测产品的设计和制造的合理性、产品性能和制造周期等，从而使产品的开发生产周期最短、成本最低、质量最优，最终提高快速响应市场多变的能力。 5 智能制造（IM） 智能制造技术作为一种模式，通过知识工程、软件制造系统和机器人技术，对工人的技能和专家知识进行建模，能够在无人干预的情况下进行小批量的生产。它的突出之处就是将人工智能融入制造过程的各个环节，借助模拟专家的智能活动进行分析、判断、推理、构思和决策，取代或延伸制造环境中的部分脑力劳动，同时收集、存储、处理、完善、共享、继承和发展人类专家的制造智能。 6 并行工程（CE） 并行工程的实质是在产品的设计阶段就充分地预报该产品的制造、装配、销售、使用、售后服务以及报废、回收等环节中的“表现”，发现可能存在的问题，及时地进行修改与优化。并行工程的目的是减少产品开发中的弯路与反复，缩短产品的周期，甚至做到产品开发一次成功。在传统的串行开发过程中，设计中的问题或不足，要分别在加工、装配或售后服务中才能被发现，然后蒋回过头来修改设计，改进加工、装配或售后服务（包括维修服务）。而并行工程就是将设计、工艺和制造结合在一起，利用计算机互联网并行作业，大大缩短生产周期。 7 敏捷制造（AM） 制造自动化系统的生存能力和竞争能力在很大程度上取决于它是否能在很短的开发周期内生产出低成本、高质量的不同品种产品的能力，从而去面对市场的挑战。敏捷制造是将柔性生产技术、熟练掌握生产技能的劳动力，与促进企业内部和企业之间相互合作的灵活管理集成在一起，通过所建立的共同基础结构，对迅速改变或无法预见的市场作出快速反应。它旨在不可预测的持续变化的环境中使企业具有卓越的自适应能力，从而占据主导地位的总体战略，同时也是对市场需求做出快速响应、快速重组的生产模式；敏捷制造是一种哲理或管理哲学，是企业管理的战略性变革。其特征是：制造柔性和成员合作，制造柔性是敏捷制造的组成部分，包括人员、设备和软件3方面的柔性。提高从产品设计、制造和销售全过程的整体柔性，进而保证敏捷制造系统快速响应、快速重组的能力。目前，敏捷制造在西方国家已初见成效。 8 网络制造（NM） 随着信息技术和网络技术的飞速发展，网络化制造作为一种现代制造新模式，正日益成为制造业研究和实践的热门领域，网络制造业将给现代制造业带来一场深刻的变革。网络化制造应用服务（MASP，Manufacturing Application Service Provider）可为产品设计和制造过程提供服务和优化，并且可以进行虚拟的工艺仿真作为产品设计和工艺制定的参考。通过网络化应用服务中心进行产品及其制造工艺的模拟仿真与优化设计和协同制造，能够大大节省企业的投资并提高生产效率。另外企业的技术人员也可以由客户端直接在远程服务器上进行产品与工艺的优化设计或模拟仿真。 3． 结语 我国是世界上使用与发展机械最早的国家之一。机械制造具有悠久的历史。解放以来，我国机械工业有了很大的发展，已经成为工业产业中门类比较齐全、具有相当规模和一定技术基础的部门之一。 改革开放以来，机械工业充分利用国内外的技术资源，进行技术改造，依靠科技进步，已经取得了长足的发展。但与世界先进水平相比，我国的机械制造业的产品在功能、质量等方面还有较大的差距，产品构成落后，精度保持性差、科研开发能力较薄弱、人员技术素质还跟不上现代机械制造业飞速发展的需要。因此，我国机械制造业必须不断增强技术力量，培养高水平的人才和提高现有人员的素质，学习和引进国外先进科学技术，使我国的机械制造工业早日赶上世界先进水平。