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深究机械制造技术
深究机械制造技术 中国是世界上机械制造技术发展最早的国家之一。中国的机械制造技术历 史悠久,成就辉煌,不仅对中国的社会经济发展起到了重要的促进作用,而且对世 界技术文明的进步做出了重大贡献。传统机械制造方面,我国在很长一段时期内 都领先于世界,到了近代特别是从18世纪初到19世纪40年代,由于诸多原因,我国 的机械行业发展停滞不前,这100多年的时间正是西方资产阶级政治革命和产业 革命时期,机械制造技术飞速发展,远远超过了中国的水平,中国机械制造技术的 水平与西方的差距急剧拉大,到十九世纪中期已经落后西方一百多年。新中国建立后特别是近三十年来,机械制造技术发展速度很快,向机械产品 大型化、精密化、自动化和成套化的趋势发展,在有些方面已经达到或超过了世 界先进水平。新中国机械制造技术的发展速度之快、水平之高是前所未有的。而 且这一时期还没有结束,只要我们能够采取正确的方针、政策,用好科技发展规律 并勇于创新,我国的机械制造技术还将向更高的水平发展,重新引领世界机械工业 发展潮流。
1.机械制造简史。石器时代人类制造和使用的各种石斧、石锤和木质、皮 质的简单工具是后来出现的机械的先驱。
几千年前,人类创制了用于谷物脱壳和粉碎的臼和磨,用于提水的桔槔和辘 轳,装有轮子的车,航行于江河的船及桨、橹、舵等。所用的动力由人力发展到畜 力、风力和水力。所用材料由天然的石、木、土、皮革等发展到人造材料。最早 的人造材料是陶瓷。制造陶瓷器皿的陶车,已是具有动力、传动和工作三个部分 的完整机械。鼓风器对人类社会发展起了重要作用。强大的鼓风器使冶金炉获得 足够高的炉温,得从矿石中炼取金属。西周时期,中国就已有了冶铸用的鼓风器。
17世纪以后,资本主义商品经济在英、法等国迅速发展,许多人致力于改进 各产业所需要的工作机械和研制新的动力。随着机械的改进,煤和金属矿石需求 量的增加,只依靠人力和畜力已不能适应生产提高的要求,于是在18世纪初出现了 纽科门的大气式蒸汽机,用以驱动矿井排水泵。1765年,瓦特发明了有分开凝汽器 的蒸汽机,降低了燃料消耗率。1781年,瓦特又创制出提供回转动力的蒸汽机。
18世纪后期,蒸汽机的应用从采矿业推广到纺织、面粉和冶金等行业。制 造机械的主要材料逐渐从木材改为金属。机械制造工业开始形成,并逐渐成为重 要产业。机械工程从分散性的、主要依赖匠师个人才智和手艺的技艺发展成为有理论指导的、系统的和独立的工程技术。机械工程是促成18～19世纪的工业革命 和资本主义机械大生产的主要技术因素。
19世纪末,电力供应系统和电动机开始发展和推广。20世纪初,电动机已在 工业生产中取代了蒸汽机,成为驱动各种工作机械的基本动力。发电站初期应用 蒸汽机为原动机;20世纪初,出现了高效率、高转速、大功率的汽轮机,也出现了适 应各种水力资源的大、小功率的水轮机。19世纪后期发明的内燃机经过逐年改进, 成为轻而小、效率高、易于操纵并可随时启动的原动机。内燃机最初用于驱动没 有电力供应的陆上工作机械,以后又用于汽车、移动机械(如拖拉机、挖掘机械等) 和轮船,20世纪中期开始用于铁路机车。内燃机和以后发明的燃气轮机和喷气发 动机,还是飞机、航天器等成功发展的基础技术因素之一。
2.机械制造技术的发展。工业革命以前,机械大都是由木工手工制成的木结 构,金属(主要是钢和铁)仅用以制造仪器、钟表、锁、泵和木结构机械上的小型零 件。金属加工主要靠机匠的精工细作以达到需要的精度。随着蒸汽机的广泛使用 以及随之出现的矿山、冶金、轮船和机车等大型机械的发展,需要成形加工和切 削加工的金属零件越来越多,所用金属材料由铜、铁发展到以钢为主。机械加工(包 括铸造、锻压、焊接、热处理等技术及其设备以及切削加工技术和机床、刀具、 量具等)迅速发展,从而保证了发展生产所需要的各种机械装备供应。
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。
3.先进机械制造技术的特点。
3.1面向工业应用的技术。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。
3.2驾驭生产过程的系统工程。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。
3.3面向全球竞争的技术。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,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。
3.4市场竞争三要素的统一。在20世纪70年代以前,产品的技术相对比较简 单,一个新产品上市,很快就会有相同功能的产品跟着上市。因此,市场竞争的核心 是如何提高生产率。到了20世纪80年代以后,制造业要赢得市场竞争的主要矛盾 已经从提高劳动生产率转变为以时间为核心的时间、成本和质量的三要素的矛盾。
先进制造技术把这三个矛盾有机结合起来,使三者达到了统一。
4.先进机械制造技术的发展现状。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。
4.1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。
4.2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设计技术(CAD/CAM),大型企业开始无图纸的设计和生产。
我国采用CAD/CAM技术的比例较低。
4.3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。
4.4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。
5.我国先进机械制造技术的发展趋势。
5.1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。
5.2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。
5.3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。
5.4自动化。自动化是一个动态概念,目前它的研究主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。
5.5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。机械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,机械制造技术是我们的薄弱 环节。只有跟上发展先进机械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。
