先进制造工艺技术

第1章 绪论 1.1 制造技术的发展及对国民经济的贡献 1.1.1 制造的相关概念 1. 制造 制造是人类所有经济活动的基石，是人类历史发展和文明进步的动力。所谓制造，是指人类按照市场需求，运用主观掌握的知识和技能，借助手工或可以利用的客观物质工具，采用有效的工艺方法和必要的能源，将原材料转化为*终物质产品并投放市场的全过程。 狭义的定义：指机电产品的机械加工工艺过程。 广义的定义：国际生产工程研究院（CIRP）1990年给制造的广义定义是“制造是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”。 2. 制造技术 按照人们所需的目的，运用知识和技能，利用客观物质工具，将原材料物化为人类所需产品的工程技术，即使原材料成为产品而使用的一系列技术的总称。 3. 制造过程 产品的设计、生产、使用、维修、报废、回收等全过程，也称为产品生命周期。 4. 制造业 将制造资源（物料、能源、设备、工具、资金、技术、信息和人力等）利用制造技术，通过制造过程，转化为供人们使用或利用的工业品或生活消费品的行业。 5. 机械制造系统 机械制造系统是制造业的基本组成实体，由完成机械制造过程所涉及的硬件（物料、设备、工具、能源等）、软件（制造理论、工艺、技术、信息和管理等）和人员（技术人员、操作工人、管理人员等）组成，通过制造过程将制造资源（原材料、能源等）转变为产品（包括半成品）的有机整体，称为机械制造系统。 机械制造系统的功能是将输入制造系统的资源（原材料、能源、信息、人力等）通过制造过程输出产品，其结构由硬件、软件和人员组成，并包括了市场分析、产品策划、开发设计、生产组织准备、原材料准备及储存、毛坯制造、零件加工、机器装配、质量检验，以及许多其他与之相关的各个环节的生产全过程。机械制造系统如图1-1所示，系统中的物料流、信息流和能量流之间是相互联系、互相影响的，是一个不可分割的整体。 图1-1 机械制造系统图 根据考察研究的对象不同，一个工厂、一个车间、一条生产线甚至一台机床，都可以看做是不同层次的机械制造系统。包括一台机床的机械制造系统是单级制造系统，包括多台机床的机械制造系统是多级制造系统。 1.1.2 制造业发展的历程 19世纪末20世纪初，蒸汽机的发明，自动机床、自动线的相继问世，以及产品部件化、部件标准化和科学管理思想的提出，掀起制造业革命的新浪潮。20世纪中期，电力电子技术和计算机技术的迅猛发展及其在制造领域所产生的强大辐射效应，更是极大地促进了制造模式的演变和产品设计与制造工艺的紧密结合，也推动了制造系统的发展和管理方式的变革。同时，制造技术的新发展也为现代制造科学的形成创造了条件。回顾制造技术的发展，从蒸汽机出现到今天，主要经历了三个发展阶段。 1. 用机器代替手工，从作坊形成工厂 18世纪末，蒸汽机和工具机的发明标志着制造业已完成从手工生产到以机器加工生产方式的转变。20世纪初，各种金属切削加工工艺方法陆续形成，近代制造技术已成体系，但是机器（包括汽车）的生产方式是作坊式的单件生产。它产生于英国，在19世纪先后传到法国、德国和美国，并在美国首先形成了小型的机械工厂，使这些国家的经济得到了发展，国力大大增强。 2. 从单件生产方式发展成大量生产方式 推动这种根本变革的是两位美国人：泰勒和福特。泰勒首先提出了以劳动分工和计件工资制为基础的科学管理，成为制造工程科学的奠基人。福特首先推行所有零件都按照一定的公差要求来加工（零件互换技术），1913年建立了具有划时代意义的汽车装配生产线，实现了以刚性自动化为特征的大量生产方式，它对社会结构、劳动分工、教育制度和经济发展，都产生了重大的影响。20世纪50年代发展到了顶峰，产生了工业技术的革命和创新，传统制造业及其大工业体系也随之建立和逐渐成熟，近代传统制造工业技术体系的形成，其特点是以机械—电力技术为核心的各类技术相互联结和依存的制造工业技术体系。 3. 精密化、柔性化、网络化、虚拟化、智能化、绿色集成化、全球化的现代制造技术 随着电子、信息等高新技术的不断发展，市场需求个性化与多样化，现代制造技术发展向精密化、柔性化、网络化、虚拟化、智能化、绿色集成化、全球化的方向发展。现代制造技术的发展趋势大致有以下九个方面。 （1）信息技术、管理技术与工艺技术紧密结合，现代制造生产模式会获得不断发展。 （2）设计技术与手段更现代化。 （3）成型及制造技术精密化、制造过程实现低能耗。 （4）新型特种加工方法的形成。 （5）开发新一代超精密、超高速制造装备。 （6）加工工艺由技艺发展为工程科学。 （7）实施无污染绿色制造。 （8）制造业中广泛应用虚拟现实技术。 （9）制造以人为本。 1.1.3 制造业对国民经济发展的贡献 国民经济中的任何行业的发展，必须依靠机械制造业的支持并提供装备；在国民经济生产力构成中，制造技术的作用占60%以上。美国认为社会财富的来源机械制造业占68%；当今制造科学、信息科学、材料科学、生物科学等四大支柱科学相互依存，但后三种科学必须依靠制造科学才能形成产业和创造社会物质财富。而制造科学的发展也必须依靠信息、材料和生物科学的发展，机械制造业是任何其他高新技术实现工业价值的*佳集合点，如快速原型成形机、虚拟轴机床、智能结构与系统等，已经远远超出了纯机械的范畴，而是集机械、电子、控制、计算机、材料等众多技术于一体的现代机械设备，并且体现了人文科学和个性化发展的内涵。 1. 国外制造业的发展及其启示 经济发达国家都把制造业作为本国的经济支柱，都十分重视制造业的发展，并且根据不同时期科技和经济的发展，不断摆正制造业在国民经济中的地位，不断调整制造业的发展战略和政策方针。为保证制造业工程研究的世界一流水平和世界一流制造业的地位，近年来，美国政府、大学研究所、公司企业等采取了一系列战略性措施，其中*重要的就是鼓励和支持大学和科研单位的科学技术向工业界的转化。为此，成立了“国家制造工程中心”（ERC）、“工业大学合作研究中心”（IVCRC）、“制造技术中心”（MTC）等，从而为确立美国在制造业的优势奠定了基础。日本经过过去几十年的努力，已经成为制造业的世界巨人。就金属切削机床而言，其产值几乎占全球产值的30%。日本制造业一直以来特别重视数控机床和数控技术的推广，近年来其数控机床占其机床总产量的70%以上，这主要得益于日本政府和工业界不断主动地采用新的制造技术。德国制造业的特长是革新与质量，德国企业能够根据用户的特殊需要，以市场能够接受的价格在*短的时间内向市场提供高质量的产品，这是通过生产过程的合理化而实现的。他们认为，产品的竞争力不是单纯通过降低成本，而更主要的是通过在今天和未来始终保持技术领先来实现的。为了保持一个国家在制造业的优势地位，依靠科技进步促进科研成果的转化是基本方针，注重先进制造技术的开拓和推广是根本途径，良好的组织结构和现代的管理思想是有力的组织保证。 2. 我国制造业的发展及其在国民经济中的地位 近年来我国机械工业获得迅速发展，现在中国已是一个制造大国：中国已能生产电脑、DVD、半导体、各种家电和电信设备等精密产品，并且价格低廉。2003年，据统计中国生产了世界上29%的彩色电视机，24%的洗衣机，16%的电冰箱，50%以上的空调机，70%的玩具，55%的照相机，30%的微波炉，42%的显示器，75%的钟表，50%的缝纫机，83%的小型拖拉机，40%的自行车，44%的摩托车。收录机年产量2.4亿台，占全球份额的70%；DVD 机2000万台，占70%；电话机9600万台，占50%以上；微特电动机30亿台，占60%；一次性电池170亿只，占40%；人造金刚石微粉10亿克拉，占60%以上。中国生产的这些机电产品，已经销售到世界各国。我国汽车工业发展迅速，自1992年实施扩大开放政策以来，保持平均15%以上的年增长率。2002年和2003年的产量达到325.1万辆和444.39万辆。 中国制造业规模已达世界第四位，仅次于美国、日本和德国。钢铁、水泥、化纤、化肥、电视机、摩托车等年产量都是世界**。但制造业大而不强，是制造大国而不是制造强国。例如，钢铁（年产量超过2亿吨），我们大量出口低价钢材而进口高附加值的合金钢。机床也是出口廉价的简单机床，而进口昂贵的数控和精密机床。中国制造业的劳动生产率，仅是美国的1/25，日本的1/26。中国很多机械产品价虽廉，但质量也低，突出的例子，如钻头，价格是国外的1/10，而寿命也是国外的1/10。在世界企业的500强中，中国的制造业仅有两家。 中国不仅不是一个制造强国，而且是一个制造水平很低的国家。由于中国劳动力工资很低，因而在中国大量生产的只是劳动密集型产品（很多还是外国品牌）。而高水平高质量的产品，如精密和数控机床、飞机、汽车、精密仪器、精密微电子设备，还都需要大量进口，一些重要精密尖端产品自己还不能生产，受制于外国。 在工业化过程当中，“中国制造”、“中国加工”走向了世界，从而为中国的经济带来了一个持续高速的增长。美国可以向全世界出售它的先进的技术和先进的设备、先进的创意。马克思当年说，资本家（现在的话就是企业家）率先创新是因为他能够获得超额利润。一个企业是这样，一个国家是这样，所以中国不得不创新。如果不创新的话，就依然是中国制造，依然是中国加工，所谓中国制造、中国加工就是技术是人家的，依然在一个极端的基层面的加工产业，而且用的是我们的原料、资源和环境。这样发展下去是非常被动的，创新少了，挣不到很大的利润，收获的只是低层次的，很薄的利润，而且我们的环境、我们的资源负担会很重。所以，转变经济发展方式的关键或者核心应该是提升我们的自主创新能力。从“中国制造”走向“中国创造”是转变经济发展方式中必须解决的问题，这也是温家宝总理反复强调必须要解决的问题。 3. 中国制造工业存在的问题 （1）机械工业产品落后，国外已是新的机电一体化产品，并且产品不断更新，而我国生产的往往是老的产品，产品更新很慢，而且很多高水平高质量的产品还不能制造。例如，精密超精密机床和高档数控机床、大飞机、精密仪器、精密微电子设备等还都需要大量进口，一些重要精密尖端产品自己不能生产，受制于外国。 （2）不掌握产品核心技术，引进的机电产品很多使用外国的专利（很多还是外国品牌），核心技术没有自己的知识产权，不仅要交专利费，并且不能修改和改进。 （3）机床装备数量虽多，但构成比十分落后。据2002年统计，我国机床拥有量383万台，居世界**，但其中属于国际先进水平的仅占1.5%，属国内先进水平的也只占9%，设备总体构成比十分落后。 （4）制造技术工艺落后，加工精度低，工作效率和生产效率低。生产周期长，新产品试制周期长，流动资金占用多。 （5）管理落后，非生产人员比例大。以机床工业为例，1996年我国机床工业员工共36.9万人，工业结构调整后，现今约20万人，仍居世界**（美国5.8万人，德国7万人，日本4万人），机床工业员工人数虽多，但机床产量、产值、质量均远远落后于美、日、德等发达国家。据统计我国机械制造业的人均产值仅为美国的1/25，日本的1/26。 （6）研究费用及人力投入少，技术创新少。 现在世界制造工业竞争极为激烈，当前我们的任务应尽快努力，使中国早日从制造大国变成为一个真正制造强国。为此必须做到以下几点。 ① 研制并发展先进的高水平的产品，机电一体化的新产品。 ② 使用先