現(xiàn)代機(jī)械制造工藝與精密加工技術(shù)問題分析

楊青

（江海職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225000）

0 引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來，我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展十分迅速，尤其是在工業(yè)行業(yè)領(lǐng)域內(nèi)，各種現(xiàn)代技術(shù)的廣泛應(yīng)用，大大提高了我國(guó)工業(yè)制造水平，從而更加充分地滿足工業(yè)產(chǎn)品市場(chǎng)的具體需求。但我國(guó)在現(xiàn)代機(jī)械制造工藝與精密加工技術(shù)方面的研究水平，還有待進(jìn)一步提升，各種工業(yè)技術(shù)還有待進(jìn)一步完善。所以，必須對(duì)現(xiàn)代機(jī)械制造工藝與精密加工技術(shù)相關(guān)問題進(jìn)行深入分析和研究，以加快推動(dòng)我國(guó)工業(yè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

1 現(xiàn)代機(jī)械制造工藝與精密加工技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

1.1 更具整體性

現(xiàn)代機(jī)械制造技術(shù)不單單涵蓋工業(yè)制造過程，還進(jìn)一步涵蓋了工業(yè)產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計(jì)、銷售及售后服務(wù)等各個(gè)生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)流程，不同流程之間的密切配合才能促進(jìn)企業(yè)的健康穩(wěn)定發(fā)展。而現(xiàn)代機(jī)械制造工藝與精密加工技術(shù)，就是把產(chǎn)品不同元素組合起來構(gòu)成一個(gè)完美整體提供了有效的技術(shù)支撐，不同構(gòu)件之間相輔相成、緊密共存，方可使整個(gè)產(chǎn)品能夠高效流暢地運(yùn)行，并有效提高了產(chǎn)品使用的便捷性，從而充分滿足社會(huì)大眾的實(shí)際需要[1]。

1.2 更具綜合性

近些年來，各種科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展和進(jìn)步，大大推動(dòng)了工業(yè)制造行業(yè)的發(fā)展，而現(xiàn)代機(jī)械制造工藝與精密加工技術(shù)就屬于多種技術(shù)協(xié)調(diào)應(yīng)用的工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)，這在很大程度上促使各種工業(yè)產(chǎn)品不斷朝人性化方向發(fā)展，例如一系列的智能手機(jī)，就充分集成了光感、聲控以及平衡等先進(jìn)技術(shù)。還有其他更多更加精密的工業(yè)產(chǎn)品，也都高度集成了各種現(xiàn)代技術(shù)。各種綜合性較強(qiáng)的工業(yè)產(chǎn)品只有通過現(xiàn)代機(jī)械制造工藝與精密加工技術(shù)，方可被廣泛應(yīng)用到社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中。

1.3 更具競(jìng)爭(zhēng)性

目前，世界經(jīng)濟(jì)一體化趨勢(shì)更加明朗，現(xiàn)代機(jī)械制造相關(guān)企業(yè)不但要面對(duì)國(guó)內(nèi)同行之間的競(jìng)爭(zhēng)，還要面對(duì)國(guó)外企業(yè)的沖擊。基于現(xiàn)代機(jī)械技術(shù)制造的人性化、自動(dòng)化的發(fā)展趨勢(shì)，各大企業(yè)若想要在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中占有一席之地，就一定要促使自身工業(yè)制成品在保證基本使用功能的基礎(chǔ)上，更加滿足人性化、便捷化的市場(chǎng)需求，也只有加強(qiáng)應(yīng)用現(xiàn)代機(jī)械制造工藝與精密加工技術(shù)，才能不斷增強(qiáng)工業(yè)企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

2 現(xiàn)代機(jī)械制造工藝

2.1 氣體保護(hù)焊接工藝

目前氣體保護(hù)焊接工藝是指將電弧作為焊接作業(yè)所需熱源的一種焊接工藝流程，這種工藝的特點(diǎn)是被焊接物周圍存在一層具有保護(hù)作用的氣體介質(zhì)。在具體的金屬焊接中，電弧周圍會(huì)形成一個(gè)氣體保護(hù)層，使電弧和熔池有效隔離在空氣之外，如此有助于防止有害氣體對(duì)焊接作業(yè)造成不良影響，并避免這些氣體進(jìn)入被焊接部位而導(dǎo)致焊接物喪失一定程度的金屬韌性[2]。同時(shí)，氣體保護(hù)焊還能有效維持焊接中電弧的穩(wěn)定性，提高焊接材料的燃燒效率，防止燃燒不徹底而產(chǎn)生有害氣體，影響到焊接人員的身體健康。將氣體保護(hù)焊接工藝應(yīng)用在機(jī)械制造過程中，能夠有效增強(qiáng)生產(chǎn)效果，充分保證焊接質(zhì)量。

2.2 電阻焊焊接工藝

電阻焊焊接工藝流程：首先，將被焊接物置于正負(fù)電極間，然后對(duì)其通電，在電流的作用下，促使被焊接物接觸面及其周邊形成電阻熱效應(yīng)，從而瞬間加熱金屬并使其融化，與其他金屬發(fā)生融合，進(jìn)而達(dá)到焊接目的。這種焊接工藝的焊接質(zhì)量非常高，加熱與焊接所需時(shí)間非常短，操作相對(duì)簡(jiǎn)單，不僅工作效率較高，而且還不會(huì)產(chǎn)生有害氣體而污染到空氣環(huán)境。目前，電阻焊焊接工藝的缺陷是：焊接設(shè)備成本投入較高，同時(shí)很難維修，并且焊接過程要耗費(fèi)較多電能。所以，這種焊接工藝主要在航空航天、汽車以及醫(yī)療等尖端技術(shù)行業(yè)領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用。

2.3 埋弧焊焊接工藝

埋弧焊焊接工藝是指在焊接作業(yè)中，促使電弧在焊接層下發(fā)生燃燒，從而實(shí)現(xiàn)焊接目的的焊接技術(shù)流程。埋弧焊焊接工藝存在兩種使用方式。第一種，自動(dòng)埋弧焊。這種焊接方式是通過小車送進(jìn)焊絲并移動(dòng)電弧，再實(shí)施自動(dòng)焊接作業(yè)的方式。第二種，半自動(dòng)埋弧焊。該焊接方式是通過人工方式將送進(jìn)焊絲并移動(dòng)電弧從而實(shí)現(xiàn)焊接目的的，此焊接作業(yè)的勞動(dòng)強(qiáng)度很高，在時(shí)代不斷發(fā)展的過程中，半自動(dòng)焊接技術(shù)將逐漸被淘汰。在以往的焊接作業(yè)中，常常使用半自動(dòng)電弧焊焊接工藝，這種工藝技術(shù)已經(jīng)被電渣壓力焊接逐步替代。電渣壓力焊的焊接效率非常高，并且焊接效果良好，從而被普遍應(yīng)用在機(jī)械制造工藝流程中。

2.4 攪拌摩擦焊接工藝

攪拌摩擦焊接工藝是英國(guó)研發(fā)的一種焊接工藝技術(shù)，普遍應(yīng)用在汽車、船舶以及鐵路等多個(gè)行業(yè)領(lǐng)域中。這種焊接工藝的優(yōu)點(diǎn)較多，如在焊接作業(yè)中，只需焊接攪拌頭，無需使用焊條以及焊絲等焊接材料。同時(shí)，在進(jìn)行鋁合金等金屬焊接作業(yè)時(shí)，各攪拌頭可焊接80厘米焊縫，并且在低溫環(huán)境中也能有效實(shí)施焊接作業(yè)。

2.5 螺柱焊焊接工藝

螺柱焊焊接工藝主要是指把螺柱與被焊物表面密切接觸，通過電弧將被焊物表面融化，并通過給螺柱施加壓力進(jìn)而實(shí)現(xiàn)焊接目的的工藝技術(shù)。

螺柱焊焊接工藝分為拉弧式螺柱焊接與儲(chǔ)能式螺柱焊接兩種方式，拉弧式螺柱焊接的熔深較大，普遍應(yīng)用于重工業(yè)生產(chǎn)過程中。而儲(chǔ)能式螺柱焊接的熔深相對(duì)較小，一般用于薄板焊接方面。這兩種焊接方式在單面焊接方面具有較為顯著的優(yōu)點(diǎn)，在焊接過程中無需實(shí)施粘結(jié)、鉆洞以及打孔等操作步驟，并且焊接過程中很少發(fā)生漏水與漏氣問題，所以螺柱焊接工藝被廣泛應(yīng)用在現(xiàn)代機(jī)械制造中[3]。

3 機(jī)械制造中的精密加工技術(shù)

3.1 超精密切削技術(shù)

在機(jī)械設(shè)備精密加工中，常常采用直接切削的方式。但要想保證通過切削加工出的產(chǎn)品表面必須具有良好的精準(zhǔn)度和粗糙度，就一定要將機(jī)器以及外界因素的影響有效消除。比如，機(jī)床加工精度的提升，對(duì)機(jī)床的剛度有很高的要求，即其剛度不能因溫度提升而出現(xiàn)變形現(xiàn)象，并且必須擁有較強(qiáng)的抗振性能。要想達(dá)到這些要求，可采用兩種方式。第一，要充分提升機(jī)床主軸的轉(zhuǎn)速，因此目前的超精密加工機(jī)床的轉(zhuǎn)速，由過去的每分鐘幾千轉(zhuǎn)已經(jīng)加快到幾萬轉(zhuǎn)[4]。第二，就是要運(yùn)用更為先進(jìn)的技術(shù)，比如空氣靜壓軸承、微驅(qū)動(dòng)和微進(jìn)給技術(shù)、以及精密定位技術(shù)等。

金剛石是超精密切削加工所用刀具的材質(zhì),金剛石刀具與有色金屬的親和力相對(duì)較小,并且具有非常高的硬度，以及非常強(qiáng)的耐磨性和導(dǎo)熱性,并且可以將刀刃磨得極為鋒利,刃口圓弧半徑可在0.01微米以下,常用的金剛石刀具的刃口圓弧半徑為0.05微米,經(jīng)其加工過的表面粗糙度Ra能達(dá)到0.01微米以下。

同時(shí)，超精密切削加工機(jī)床擁有空氣軸承與氣浮導(dǎo)軌等高精度基礎(chǔ)元部件，以及激光檢測(cè)系統(tǒng)與光柵等高精度定位檢測(cè)元件，并采用了高分辨率的微量進(jìn)給機(jī)構(gòu)。機(jī)床自身具有恒溫、防振與隔振等性能,并安裝有避免污染工件的設(shè)備。

超精密切削加工技術(shù)對(duì)所加工零件的材質(zhì)也有很高的要求，零件材料一定要質(zhì)地均勻,不存在瑕疵。利用該技術(shù)加工的無氧銅材料,其表面粗糙度Ra能達(dá)到0.005微米,加工出的800毫米的非球面透鏡,其具體形狀精度能達(dá)到0.2微米。目前,能夠適用于超精密切削加工的材料已經(jīng)擴(kuò)展到有機(jī)玻璃、塑料制品以及陶瓷等諸多種類。

3.2 超精密研磨技術(shù)

過去的工件研磨與拋光技術(shù)無法有效滿足目前工件的生產(chǎn)需要，若要提高工件加工的精度，就必須在加工過程中合理控制工件表面的粗糙度。現(xiàn)階段，我國(guó)機(jī)械制造領(lǐng)域普遍采用的是原子級(jí)的研磨拋光技術(shù)，通過此類技術(shù)能夠大大加強(qiáng)對(duì)工件表面粗糙度的控制，對(duì)于工件生產(chǎn)有非常良好的作用。

超精密研磨技術(shù)又稱為游離磨粒切削加工技術(shù)，如圖1所示是單個(gè)磨粒的磨削模型示意圖。工件與磨粒進(jìn)行摩擦而產(chǎn)生熱量與切屑，并出現(xiàn)新生面，同時(shí)促使原子發(fā)生紊亂。超精密研磨技術(shù)所用磨料，主要是粒徑僅有幾納米的研磨微粉，能夠使鏡面加工出的尺寸精度低于0.01微米，角度偏差不超過0.01秒，表面粗糙度Ra能夠達(dá)到0.01微米，并且圓度誤差低于0.01微米，每米直線度誤差不超過1微米，屬于一種可達(dá)到無加工變質(zhì)層以及無表面損傷效果的超精密加工技術(shù)。

圖1 單個(gè)磨粒的磨削模型Fig. 1 Grinding model of single abrasive

超精密研磨技術(shù)可分為兩種類型，第一種是致力于表面粗糙度降低，或尺寸精度提升的技術(shù)類型。第二種是致力于材料元件功能實(shí)現(xiàn)的技術(shù)類型。這需要將表面粗糙度以及極小變質(zhì)層等方面的問題有效解決，以滿足高精度要求。在加工電子材料時(shí)，不僅對(duì)其形狀精度有很高要求，還要求其一定達(dá)到結(jié)晶學(xué)中的無損傷鏡面。在加工單晶材料時(shí)，對(duì)其平面度、厚度以及晶相的定向精度也有非常高的要求。

3.3 微機(jī)械技術(shù)

（1）LIGA技術(shù)。LIGA技術(shù)能夠有效加工金屬材料、陶瓷材料以及塑料等多種材料類型，是一種應(yīng)用較為普遍的三維加工技術(shù)，該精密加工技術(shù)的顯著特點(diǎn)就是其加工深度可達(dá)到數(shù)百微米的程度。這種技術(shù)通常將加速器作為加工的基礎(chǔ)，通過其發(fā)出的X射線刻在光敏聚合物層上，以形成工件圖形，然后利用電場(chǎng)將金屬遷移到已做好的模型中，最終形成金屬結(jié)構(gòu)[5]。

（2）微放電加工技術(shù)。微放電加工技術(shù)也具有較為獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，就是采用該技術(shù)進(jìn)行精密加工時(shí)，所產(chǎn)生的加工阻力比其他技術(shù)相對(duì)較小，不僅能用于導(dǎo)電性材料的加工方面，還能夠用于半導(dǎo)體材料的加工。所以，微放電加工技術(shù)在微機(jī)械構(gòu)件制造領(lǐng)域應(yīng)用較為普遍。同時(shí)，利用微放電加工技術(shù)還能從根本上解決銀鎢絲在機(jī)床加工中的成形問題。隨著該技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，微放電技術(shù)的加工精度與微細(xì)程度都取得了非常大的突破。

（3）腐蝕技術(shù)。腐蝕技術(shù)包括三類不同方面的技術(shù)。首先是濕法腐蝕技術(shù)。該類技術(shù)建立在電化學(xué)的基礎(chǔ)上，能夠?qū)Ωg深度實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制，常用于硅結(jié)構(gòu)的制作過程中。其次是干法腐蝕技術(shù)。這種技術(shù)的特點(diǎn)是其分辨率與精準(zhǔn)度均非常高，通常用于等離子體腐蝕方面。最后是各向異性腐蝕技術(shù)。這種技術(shù)是將腐蝕液作用在硅結(jié)構(gòu)中，促使不同晶向上出現(xiàn)有差異的腐蝕速度，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行微結(jié)構(gòu)或微型零件的制作。

4 現(xiàn)代化機(jī)械制造工藝與精密加工技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r

4.1 虛擬化制造

虛擬化機(jī)械制造模式，是指通過先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，對(duì)待加工產(chǎn)品實(shí)施全生命周期的建模與仿真，也就是虛擬制造技術(shù)。此類技術(shù)的在應(yīng)用中的工作內(nèi)容是模擬仿真待加工產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造、裝配以及檢驗(yàn)等整個(gè)過程的各個(gè)環(huán)節(jié)。虛擬制造技術(shù)的有效應(yīng)用，能夠促進(jìn)國(guó)內(nèi)機(jī)械制造企業(yè)最大程度地優(yōu)化自身生產(chǎn)資源方面的配置，減少產(chǎn)品研制周期，降低生產(chǎn)加工成本，并有效提升產(chǎn)品制造質(zhì)量，提高機(jī)械制造行業(yè)企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。虛擬化制造技術(shù)極大程度上改變了待加工產(chǎn)品的生產(chǎn)制造模式，從而節(jié)約諸多生產(chǎn)成本，大幅度提高了產(chǎn)品加工制造效率，這也是該技術(shù)最大的優(yōu)勢(shì)所在。在對(duì)待加工產(chǎn)品相關(guān)的建模仿真過程中，技術(shù)人員能夠隨時(shí)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品制造方面可能出現(xiàn)的問題，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)制造系統(tǒng)的不斷優(yōu)化，同時(shí)還能使客戶能夠?qū)Ξa(chǎn)品的性質(zhì)與特點(diǎn)有更加直觀的了解，這有利于制造企業(yè)加工出更加令客戶滿意的產(chǎn)品，不僅能增強(qiáng)制造企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，還能進(jìn)一步提升其產(chǎn)品品質(zhì)。

4.2 柔性化制造

柔性化是指柔性制造，就是在對(duì)一系列制造技術(shù)進(jìn)行有效組合的基礎(chǔ)上，將自動(dòng)化物流系統(tǒng)與多組柔性制造單元有效聯(lián)接，以批量完成自動(dòng)化機(jī)械制造任務(wù)[6]。這種制造模式將成組技術(shù)作為制造加工的基礎(chǔ)，柔性制造系統(tǒng)能夠在特定范圍內(nèi)，對(duì)成組對(duì)象類型進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別，以合理確定機(jī)械制造工藝流程，同時(shí)自動(dòng)選擇與機(jī)械制造工藝相匹配的柔性制造單元，在設(shè)定好數(shù)量的前提下，進(jìn)行批量加工生產(chǎn)。

相比于過去的機(jī)械制造模式，柔性制造模式能夠進(jìn)一步促進(jìn)國(guó)內(nèi)機(jī)械制造行業(yè)企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。但在具體應(yīng)用過程中，柔性制造模式還具有一定的局限性，若需加工產(chǎn)品的規(guī)格或類型與柔性制造系統(tǒng)所加工出的產(chǎn)品存在很大差異時(shí)，就不能采用柔性機(jī)械加工模式。

4.3 敏捷化制造

敏捷化制造模式是在虛擬制造技術(shù)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的快速加工，同時(shí)利用虛擬制造技術(shù)構(gòu)建兩種制造模式共存的基本結(jié)構(gòu)，從而使制造企業(yè)能夠根據(jù)市場(chǎng)變化快速采取合理的應(yīng)對(duì)措施，進(jìn)而增強(qiáng)制造企業(yè)的適應(yīng)能力。相比于過去的制造技術(shù)，敏捷制造模式的生產(chǎn)效率與產(chǎn)品質(zhì)量也更加優(yōu)良，并且敏捷制造過程中的生產(chǎn)成本也相對(duì)較低。另外，敏捷制造能夠最大程度地提高機(jī)械制造設(shè)備的利用率，有助于制造企業(yè)的長(zhǎng)期戰(zhàn)略發(fā)展目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。但敏捷制造的前期投入資金非常龐大，從而在我國(guó)難以大范圍推廣和應(yīng)用。

4.4 集成化制造

現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)（英文簡(jiǎn)稱CIMS，也叫計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)），是以現(xiàn)代化生產(chǎn)理念為基礎(chǔ)，機(jī)械制造集成化、信息化和智能化發(fā)展的理論方法。現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)無特定的工作模式，主要包括六個(gè)系統(tǒng)，即工程設(shè)計(jì)分系統(tǒng)、生產(chǎn)管理經(jīng)營(yíng)分系統(tǒng)、制造自動(dòng)化分系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)以及質(zhì)量保障分系統(tǒng)，該制造系統(tǒng)的目標(biāo)是進(jìn)行信息集成，從整體上增強(qiáng)制造企業(yè)的產(chǎn)品研發(fā)能力，全面提升制造企業(yè)管理水平[7]。但現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)的投入成本較大，制造企業(yè)在進(jìn)行規(guī)劃過程中，一定要從自身具體情況出發(fā)，注重工藝難點(diǎn)及重點(diǎn)部分的投入，通過對(duì)現(xiàn)有資源的最大化利用，來達(dá)成局部信息化的目標(biāo)，從而進(jìn)一步促進(jìn)制造企業(yè)經(jīng)濟(jì)收益的不斷提升。

4.5 并行化制造

并行工程的是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，同時(shí)考慮待加工產(chǎn)品的制造、裝配、使用與售后等其他環(huán)節(jié)，是并行化處理待加工產(chǎn)品全生命周期各個(gè)環(huán)節(jié)的一種綜合性制造技術(shù)。并行工程并不局限在產(chǎn)品設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的工作方面，還能全面、精密地檢測(cè)產(chǎn)品全生命周期中各個(gè)環(huán)節(jié)存在的問題，有效降低產(chǎn)品研發(fā)中的試制頻率，同時(shí)還能進(jìn)一步縮減產(chǎn)品研發(fā)時(shí)間，降低產(chǎn)品研發(fā)成本[8-10]。在并行工程規(guī)劃合理的情況下，甚至能夠達(dá)到一次性研發(fā)成功的最佳目標(biāo)。

5 結(jié)論

總之，現(xiàn)代機(jī)械制造工藝與精密加工技術(shù)是工業(yè)行業(yè)領(lǐng)域發(fā)展的關(guān)鍵性要素，加強(qiáng)對(duì)現(xiàn)代機(jī)械制造工藝與精密加工技術(shù)的研究，對(duì)提高我國(guó)工業(yè)水平、增強(qiáng)我國(guó)制造類企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力等方面，有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。因此，各個(gè)工業(yè)企業(yè)應(yīng)對(duì)現(xiàn)代機(jī)械制造工藝與精密加工技術(shù)的優(yōu)勢(shì)有深刻認(rèn)知，充分了解各種機(jī)械制造工藝技術(shù)，以及各種精密加工技術(shù)，有效把握現(xiàn)代機(jī)械制造工藝與精密加工技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，科學(xué)選擇和應(yīng)用符合企業(yè)生產(chǎn)制造實(shí)際的工藝技術(shù)，以促進(jìn)企業(yè)的快速、持續(xù)發(fā)展。