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未来先进制造技术的发展趋势

[日期:2014-04-15] 来源:互联网  作者:沸腾网整理 [字体: ]


  随着市场需求个性化与多样化,未来先进制造技术发展的总趋势是向精密化、柔性化、网络化、虚拟化、智能化、清洁化、集成化、全球化的方向发展。

  在21世纪中,随着电子、信息等高新技术的不断发展,随着市场需求个性化与多样化,未来先进制造技术发展的总趋势是向精密化、柔性化、网络化、虚拟化、智能化、清洁化、集成化、全球化的方向发展。

  当前先进制造技术的发展趋势大致有以下几个方面:

  1、信息技术对先进制造技术的发展起着越来越重要的作用

  信息化是当今社会发展的趋势,信息技术正在以人们想象不到的速度向前发展。信息技术也正在向制造技术注入和融合,促进着制造技术的的不断发展。可以说先进制造技术的形成与发展,无不与信息技术的应用与注入有关。它使制造技术的技术含量提高,使传统制造技术发生质的变化。信息技术对制造技术发展的作用目前已占第一位。在21世纪对先进制造技术的各方面发展将起着更重要的作用。

  信息技术促进着设计技术的现代化,加工制造的精密化、快速化,自动化技术的柔性化、智能化,整个制造过程的网络化、全球化。各种先进生产模式的发展,如CIMS、并行工程、精益生产、灵捷制造、虚拟企业与虚拟制造,也无不以信息技术的发展为支撑。

  2、设计技术不断现代化

  产品设计是制造业的灵魂。现代设计技术的主要发展趋势是:

  (1)设计手段的计算机化

  在实现了计算机计算、绘图的基础上,当前突出反映在数值仿真或虚拟现实技术在设计中的应用,以及现代产品建模理论的发展上,并且向智能化设计方向发展。

  (2)新的设计思想和方法不断出现

  如并行设计、面向“X”的设计(Design For X--DFX)、健壮设计(Robust Design)、优化设计Optimal Design)、反求工程技术(Revese Engineering)等。

  (3)向全寿命周期设计发展

  传统的设计只限于产品设计,全寿命周期设计则由简单的、具体的、细节的设计转向复杂的总体的设计和决策,要通盘考虑包括设计、制造、检测、销售、使用、维修、报废等阶段的产品的整个生命周期。

  (4)设计过程由单纯考虑技术因素转向综合考虑技术、经济和社会因素

  设计不只是单纯追求某项性能指标的先进和高低、而是注意考虑市场、价格、安全、美学、资源、环境等方面的影响。

  3、成形及改进制造技术向精密、精确、少能耗、无污染方向发展

  成形制造技术是铸造、塑性加工、连接、粉末冶金等单元技术的总称。展望21世纪,成形制造技术正在从制造工件的毛坯、从接近零件形状( Near Net Shape Proccess)向直接制成工件精密成形或称净成形( Net Shape Proccess)的方向发展。

  据国际机械加工技术协会预测,到下世纪初,塑性成形与磨削加工相结合,将取代大部分中小零件的切削加工。改性技术主要包括热处理及表面工程各项技术。主要发展趋势是通过各种新型精密热处理和复全处理达到零件性能精确、形状尺寸精密以及获得各种特殊性能要求的表面(涂)层,同时大大减少能耗及完全消除对环境的污染。

  4、加工制造技术向着超精密、超高速以及发展新一代制造装备的方向发展

  (1)超精密加工技术

  目前加工精度达到0.025μm,表面粗糙度达0.0045μm,已进入纳米级加工时代。超精切削厚度由目前的红外波段向可见光波段甚至更短波段近;超精加工机床向多功能模块化方向发展;超精加工材料由金属扩大到非金属。

  (2)超高速切削

  目前铝合金超高速切削的切削速度已超过1600m/min,铸铁为1500m/min,超耐热镍合金为300m/min,钛合金200m/min。超高速切削的发展已转移到一些难加工材料的切削加工。

  (3)新一代制造装备的发展

  市场竞争和新产品、新技术、新材料的发展推动着新型加工设备的研究与开发,其中典型的例子是“并联桁架式结构数控机床”(或俗称“六腿”机床)的发展。它突破了传统机床的结构方案,采用六个轴长短的变化,以实现刀具相对于工件的加工位姿的变化。

  5、工艺由技艺发展为工程科学,工艺模拟技术得到迅速发展

  先进制造技术的一个重要发展趋势是,工艺设计由经验判断走向定量分析,加工工艺由技艺发展为工程科学。

  热加工过程的数值模拟与物理模拟是一个重要的发展方向,是使热加工工艺由技艺走向科学的重要标志。应用数值模拟于铸造、锻压、焊接、热处理等工艺设计中,并与物理模拟和专家系统相结合,来确定工艺参数,优化工艺方案,预测加工过程中可能产生的缺陷及应采取的防止措施,控制和保护加工工件的质量。采用这种科学的模拟技术并与少量的实验验证结合,以代替过去一切都要通过大量重复实验的方法,不仅可以节省大量的人和物力,而且还可以通过数值模拟来解决一些目前无法在实验室进行直接研究的复杂问题。

  工艺模拟也发展并应用于金属切削加工过程、产品设计过程。最新的进展是在并行工程环境下,开展虚拟成形制造,使得在产品的设计完成时,成形制造的准备工作(如铸造)也同时完成。

  6、专业、学科间的界限逐渐淡化、消失

  先进制造技术的不断发展,在冷热加工之间,加工、检测、物流、装配过程之间,设计、材料应用、加工制造之间,其界限均逐渐淡化,逐步走向一体化。例如,CAD、CAPP、CAM的出现,使设计、制造成为一体;精密成形技术的发展,使热加工可能直接提供接近最终形状、尺寸的零件,它与磨削加工相结合,有可能覆盖大部分零件的加工,淡化了冷热加工的界限;快速原型/零件制造(Rapid Prototyping/Parts Manufacturing--RPM)技术的产生,是近20年制造领域的一个重大突破,它可以自动而迅速地将设计思想物化为具有一定结构和功能的原型或直接制造零件,淡化了设计、制造的界限;机器人加工工作站及FMS的出现,使加工过程、检测过程、物流过程融为一体;现代制造系统使得自动化技术与传统工艺密不可分;很多新材料的配制与成型是同时完成的,很难划清材料应用与制造技术的界限。

  这种趋势表现在生产上是专业车间的概念逐渐淡化,将多种不同专业的技术集成在一台设备、一条生产线、一个工段或车间里的生产方式逐渐增多。

  7、绿色制造将成为21世纪制造业的重要特征

  日趋严格的环境与资源的约束,使绿色制造业显得越来越重要,它将是21世纪制造业的重要特征,与此相应,绿色制造技术也将获得快速的发展。主要体现在:

  (1)绿色产品设计技术 使产品在生命周期符合环保、人类健康、能耗低、资源利用率高的要求。

  (2)绿色制造技术 在整个制造过程,使得对环境负面影响最小,废弃物和有害物质的排放最小,资源利用效率最高。绿色制造技术主要包含了绿色资源、绿色生产过程和绿色产品三方面的内容。

  (3)产品的回收和循环再制造 例如,汽车等产品的拆卸和回收技术,以及生态工厂的循环式制造技术。它主要包括生产系统工厂--致力于产品设计和材料处理、加工及装配等阶段,恢复系统工厂--主要对产品(材料使用)生命周期结束时的材料处理循环。

  8、虚拟现实技术在制造业中获得越来越多的应用

  虚拟现实技术(Virtual Reality Technology)主要包括虚拟制造技术和虚拟企业两个部分。

  虚拟制造技术将从根本上改变了设计、试制、修改设计、规模生产的传统制造模式。在产品真正制出之前,首先在虚拟制造环境中生成软产品原型(Soft Prototype)代替传统的硬样品(Hard Prototype)进行试验,对其性能和可制造性进行预测和评价,从而缩短产品的设计与制造周期,降低产品的开发成本,提高系统快速响应市场变化的能力。

  虚拟企业是为了快速响应某一市场需求,通过信息高速公路,将产品涉及到的不同企业临时组建成为一个没有围墙、超越空间约束、靠计算机网络联系、统一指挥的合作经济实体。虚拟企业的特点是企业的功能上的不完整、地域上的分散性和组织结构上的非永久性,即功能的虚拟化、组织的虚拟化、地域的虚拟化。

  9、信息技术、管理技术与工艺技术紧密结合,先进制造生产模式获得不断发展

  制造业在经历了少品种小批量--少品种大批量、--多品种小批量生产模式的过渡后,70年代、80年代开始采用计算机集成制造系统(CIMS)进行制造的柔性生产的模式,并逐步向智能制造技术(IMT)和智能制造系统(IMS)的方向发展。精益生产(LP)、灵捷制造(AM)等先进制造模式相继出现,预计21世纪初,先进制造模式必将获得不断发展。

  上述几种先进制造生产模式的进展,主要体现了以下五个转变:

  1)从以技术为中心向以人为中心转变;

  2)从金字塔式的多层次生产向扁平的网络结构转变;

  3)从传统的顺序工作方式向并行工作方式转变;

  4)从按功能划分部门的固定组织形式向动态的、自主管理的小组工作组织形式转变;

  5)从质量第一的竞争策略向快速响市场的竞争策略转变。

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