謝興平

（成都天翔環(huán)境股份有限公司 四川成都 610300）

現(xiàn)代機械制造工藝與精密加工技術(shù)

謝興平

（成都天翔環(huán)境股份有限公司 四川成都 610300）

機械技術(shù)是機電控制系統(tǒng)最重要的基礎(chǔ)技術(shù)，本文基于此，首先簡述了我國現(xiàn)代機械制造領(lǐng)域發(fā)展情況，然后分析了現(xiàn)代機械制造工藝的特點，在此基礎(chǔ)上對現(xiàn)代機械制造工藝與精密加工技術(shù)做出了重點分析，望對相關(guān)人員提供一定的參考價值。

現(xiàn)代機械；制造工藝；特點分析；精密加工

1 引言

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展和科學技術(shù)的進步，機械制造技術(shù)開始在現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)中彰顯出了重要的應用價值，而機械制造工藝作為經(jīng)過各類工藝系統(tǒng)將原材料加工成為機械產(chǎn)品的重要過程，無論是在礦山及工程機械、石油化工機械、機床工具設(shè)備等大型工業(yè)中，還是在洗衣機、電冰箱、轎車這些日用消費品中，都有著極其廣泛的應用。但與此同時，人民日益增長的物質(zhì)需求也使得現(xiàn)代制造工藝開始面臨著更高的挑戰(zhàn)。這樣的背景下，了解現(xiàn)代機械制造工藝的相關(guān)特點，并結(jié)合實際的生產(chǎn)情況，利用先進的科學技術(shù)不斷提升現(xiàn)代機械制造工藝和精密加工技術(shù)水平，對于促進我國機械制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有著不可忽視的重要意義。

2 我國現(xiàn)代機械制造領(lǐng)域發(fā)展情況簡述

進入21世紀以來，全球性的產(chǎn)業(yè)集群重新組合，國際分工不斷明確，各國均開始將提高產(chǎn)業(yè)核心競爭能力及發(fā)展高新技術(shù)作為搶占未來經(jīng)濟的利益點。在機械制造方面，中國市場自加入WTO以來逐漸與國際市場并軌，在全球化帶來的利益和風險面前，我國大量的機械制造企業(yè)開始對于新技術(shù)有著更為迫切的要求，這就促使了現(xiàn)代機械制造領(lǐng)域煥發(fā)出蓬勃的生命力。經(jīng)過半個多世紀的努力，我國已經(jīng)在現(xiàn)代機械制造及加工領(lǐng)域中取得了較為優(yōu)秀的成績，在大型機械方面，基本已經(jīng)形成了具有較大規(guī)模以及技術(shù)開發(fā)能力的支柱產(chǎn)業(yè)，包括近幾年智能電網(wǎng)建設(shè)工作中的60萬kW火力發(fā)電機組、大噸位超重水壓機、冶煉領(lǐng)域中的500萬t的大型鋼鐵成套加工設(shè)備等。而在精細加工領(lǐng)域，更是利用在核心工序上完善關(guān)鍵設(shè)備的手段，將船泊制造精度提升至5μm、粗糙度控制更是達到了0.08μm，形成了完整的精密加工制造體系。

3 現(xiàn)代機械制造工藝的特點分析

隨著微電子技術(shù)、傳感技術(shù)和機電一體化技術(shù)等高新尖技術(shù)的迅速發(fā)展及其在機械制造方面的廣泛應用，現(xiàn)代機械制造工藝也逐漸由單一強調(diào)人的主體作用這一特點向著多元化不斷邁進，具體而言，現(xiàn)代機械制造工藝具有以下特點：

3.1 綜合性

從宏觀的角度來看，現(xiàn)代機械制造技術(shù)已經(jīng)不再局限于單一的機械制造領(lǐng)域，而是將計算機技術(shù)、信息技術(shù)和自動控制技術(shù)等諸多科技成果融入傳統(tǒng)的機械制造技術(shù)之中，以期得到更優(yōu)秀的機械產(chǎn)品。實踐表明，隨著各學科、各專業(yè)間的科研成果不斷碰撞，具有綜合性這一特點的現(xiàn)代機械制造工藝已經(jīng)達到了新的高度。

3.2 一體化

一體化這一特點主要指的是產(chǎn)品設(shè)計與機械制造工藝一體化，傳統(tǒng)的機械制造技術(shù)往往只涵蓋了設(shè)計工作與制造過程，但隨著全球化經(jīng)濟時代的到來，現(xiàn)代機械制造開始貫穿了從產(chǎn)品設(shè)計、加工制造到產(chǎn)品的銷售、服務、使用維護這樣一個全過程。最具有代表性的并行工程正是基于現(xiàn)代機械制造工藝的一體化所提出的，已成為面向機械制造業(yè)設(shè)計與加工的重要新型概念。

3.3 系統(tǒng)性

與傳統(tǒng)的機械制造產(chǎn)業(yè)相比，現(xiàn)在機械制造工藝更重視工程技術(shù)與經(jīng)營管理的系統(tǒng)結(jié)合，很多優(yōu)秀的生產(chǎn)管理和管理方式也正是在這樣的背景下營運而言，包括涵蓋了資源管理和生產(chǎn)的制造資源計劃（MRP）、涵蓋了時間管理與生產(chǎn)加工的準時生產(chǎn)（HT）、涵蓋了質(zhì)量管理與生產(chǎn)加工的全面質(zhì)量管理（TQC）等等。

3.4 經(jīng)濟性

在激烈的市場競爭的條件下，現(xiàn)代機械制造工業(yè)也開始將經(jīng)濟性作為重要的發(fā)展目標。來考慮生態(tài)平衡、環(huán)境保護的基礎(chǔ)上，現(xiàn)代機械制造工藝越來越多將產(chǎn)品生命周期服務作為中心，追求產(chǎn)品開發(fā)速度快、成本低、質(zhì)量好等一系列目標，以期獲得更優(yōu)秀的經(jīng)濟效果。

4 現(xiàn)代機械制造工藝的應用探討

現(xiàn)代機械制造工藝涵蓋的內(nèi)容十分廣泛，包括車、鉗、銑、焊等等，本文選取應用較為廣泛的焊接方面作為現(xiàn)代機械制造工藝應用的探究內(nèi)容。

4.1 氣體保護焊工藝

氣體保護焊工藝是以不容易與外界發(fā)生反應的氣體（常使用二氧化碳）作為保護氣體，以電弧作為主要熱源來熔化金屬的焊接方法。在應用方面操作簡單，適合自動焊和全方位焊接。在焊接時不能有風，適合室內(nèi)作業(yè)。

在對接焊縫進行操作時，由于氣體保護焊的熔深較大，對于板厚較小的板材焊接可以采用工形坡口雙面單道焊接；對于開坡口的焊接，若是坡口較窄，可以采用多層單道焊，若是坡口較寬，可以采用多層多道焊。對于角焊縫的操作來說，由于其容易產(chǎn)生咬邊、未焊透以及焊縫下垂等缺陷，所以應嚴格控制焊絲的角度。若是等厚板進行焊接，焊絲和水平板的角度要控制在40～50°；若是不等厚板進行焊接，焊絲的傾角要使得電弧偏向厚板方向，板厚越厚，焊絲和其夾角要越大。

這種焊接方式的優(yōu)點在于保護性較強，能避免無關(guān)反應物影響焊接操作，且焊絲自動送絲，敷化金屬量大，能夠達到更高的生產(chǎn)效率。

4.2 埋弧焊工藝

埋弧焊是現(xiàn)代機械制造工藝中應用極廣的一種焊接工藝，如圖1所示，埋弧焊（含埋弧堆焊及電渣堆焊等）是一種電弧在焊劑層下燃燒進行焊接的方法，可焊接的鋼種包括碳素結(jié)構(gòu)鋼，不銹鋼，耐熱鋼及其復合鋼材等。埋弧焊在造船，鍋爐，化工容器，橋梁，起重機械，冶金機械制造業(yè)，海洋結(jié)構(gòu)，核電設(shè)備中應用最為廣泛。此外，用埋弧焊堆焊耐磨耐蝕合金或用于焊接鎳基合金，銅合金也是較理想的。

圖1 幾種不同類型的埋弧焊示意圖

焊接過程中，在工件被焊處覆蓋著一層30～50mm厚的粒狀焊劑，連續(xù)送進的焊絲在焊劑層下與焊件間產(chǎn)生電弧，電弧的熱量使焊絲、工件和焊劑熔化，形成金屬熔池，使它們與空氣隔絕。隨著焊機自動向前移動，電弧不斷熔化前方的焊件金屬、焊絲及焊劑，而熔池后方的邊緣開始冷卻凝固形成焊縫，液態(tài)熔渣隨后也冷凝形成堅硬的渣殼。

這類工藝的優(yōu)勢除了生產(chǎn)效率高、焊縫質(zhì)量好以外，還不存在弧光輻射，使得其對于焊接人員的危害程度較低。

4.3 螺柱焊工藝

螺柱焊工藝指的是先將螺柱與管件或者板件利用固件進行連接，然后再引入電弧使接觸點熔化在一起，最后對螺柱施加一定大小壓力完成焊接。螺柱焊的基本原理在于待焊螺柱和工件之間引燃電弧，當螺柱和工件被加熱到合適的溫度時，通過外力的作用，螺栓送入工件上的焊接熔池形成焊接接頭。

根據(jù)焊接原理的不同，螺柱焊工藝分為儲能式和拉弧式兩種。其中儲能式焊接因其熔化深度較小，多應用于薄板焊接，而拉弧式焊接在觸電融化過程中會提升熔深，故多用于重工業(yè)的厚鋼板焊接之中。這類焊接方式的優(yōu)勢在于無需進行打孔、鉆洞、粘結(jié)等繁瑣工藝，固定后即可進行焊接，從而有效避免了某些惡劣環(huán)境下焊接所存在的漏氣漏水現(xiàn)象，是現(xiàn)代機械制造業(yè)中的常用焊接方式。

4.4 攪拌摩擦焊工藝

摩擦焊是利用工件端面相互運動、相互摩擦所產(chǎn)生的熱，使端部達到熱塑性狀態(tài)，然后迅速頂鍛，完成焊接的一種方法。其原理為：攪拌摩擦焊焊接過程是由一個圓柱體或其他形狀（如帶螺紋圓柱體）的攪拌針（welding pin）伸入工件的接縫處，通過焊頭的高速旋轉(zhuǎn)，使其與焊接工件材料摩擦，從而使連接部位的材料溫度升高軟化。同時對材料進行攪拌摩擦來完成焊接的。

摩擦焊可以方便地連接同種或異種材料，包括金屬、部分金屬基復合材料、陶瓷及塑料?，F(xiàn)已在鐵路、飛機、車輛等大型機械制造業(yè)上有了更優(yōu)秀的應用。隨著科技的發(fā)展，材料研究的不斷深入，高強鋁合金在航天器構(gòu)件上應用越來越廣泛，航天器燃料貯箱就是其中典型構(gòu)件之一。但2000系列、7000系列的高強鋁合金熔焊焊接性極差，如何連接成為困擾工程技術(shù)人員的主要問題。波音公司與英國焊接研究所合作，成功的利用攪拌摩擦焊技術(shù)解決了工程中的連接問題。中間艙段連接采用攪拌摩擦焊技術(shù)的DeltaⅡ火箭于1999年8月17日成功發(fā)射，并于2001年4月7日成功用于運載“火星探索號”，該次發(fā)射也是攪拌摩擦焊技術(shù)首次應用于壓力容器，采用攪拌摩擦焊技術(shù)連接的燃料貯箱工作溫度為-195℃～＋183℃。采用攪拌摩擦焊技術(shù)，助推艙段焊接接頭強度提高了30～50%，制造成本下降了60%，制造周期由23d減少至6d。截至TWI發(fā)布此信息之日，應用于DeltaⅡ型火箭的攪拌摩擦焊縫已達2100m，應用于DeltaⅣ火箭攪拌摩擦焊縫已達1200m，無任何缺陷。

與其它幾類焊接工藝相比，這種焊接方式具有無需焊接攪拌頭以外的焊絲，能夠有效保護體、焊條、焊劑等任何焊接性的消耗性材料，以鋁合金焊接為例，只需焊接1個焊接攪拌頭，即可實現(xiàn)溫下的800m的焊接要求。

5 精密加工技術(shù)的應用探討

5.1 精密切削技術(shù)

直接使用切削方法獲得機械產(chǎn)品的高精度是一種簡單也是最常用的精密加工方法，但這種方法同樣有著一定的局限性，以機械零件的加工為例，精密切削技術(shù)對于機床、零件、固件等相關(guān)物體均有著較高的要求，熱變形、機床自重、導軌損耗、回轉(zhuǎn)誤差等常見的故障都會使得零件的精密情況被大大降低。這就要求這類加工技術(shù)采用更高更先進的精度控制技術(shù)，包括超精密切削和金剛石刀具，精密和超精密磨削、研磨與拋光，精密和超精密機床，精加工中的測量技術(shù)和在線誤差補償，微細加工技術(shù)，精加工的支撐環(huán)境，納米技術(shù)，空氣靜壓軸承、精密陶瓷導軌、微驅(qū)動等等。此外，還應當盡可能地提升機床主鈾的轉(zhuǎn)速以提升切削精度，現(xiàn)在，超精密加工機床的轉(zhuǎn)速已從每分鐘幾千轉(zhuǎn)提高到幾萬轉(zhuǎn)，精度更是達到了納米數(shù)量級，隨著精密加工技術(shù)的不斷成熟，我們有理由相信精密切削這類加工技術(shù)有著更為優(yōu)秀的應用價值。

例如：采用金剛石刀具進行切削，平面鏡的表面粗糙度可以達到Ry5μm，曲面鏡的表面粗糙度可以達到Ry10μm，形狀精度可以達到30μm，并且沒有塌邊的現(xiàn)象；相比于一般的切削加工，通過金剛石刀具超精密切削精度可以提升1～2個量級；在SPDT加工過程中可以通過數(shù)控系統(tǒng)進行大批量的生產(chǎn)加工，這樣不單單會縮短加工所用的時間，提升效率，同時加工復雜表面時也比較容易，所以，加工的設(shè)備投資雖然比較高，但是效益也比較高，總體成本還是較低的。

5.2 模具成型技術(shù)

模具成型技術(shù)主要是將計算機輔助設(shè)計、精密機械、數(shù)控激光技術(shù)以及材料學進行綜合應用的新興技術(shù)，它主要是利用離散堆積原理，將設(shè)計物體的CAD模型轉(zhuǎn)化成為實物樣件。由于此技術(shù)的原理是將三維形體轉(zhuǎn)化成為二維平面后進行分層制造，對于物體的構(gòu)成復雜性不很敏感，所以物體的形狀越復雜越能體現(xiàn)出它的優(yōu)越性。

模具成型技術(shù)開發(fā)的目的就是要縮短新產(chǎn)品的開發(fā)周期，降低開發(fā)成本，盡早的向市場推出滿足客戶需求、多品種小批量的產(chǎn)品。由于產(chǎn)品開發(fā)和相關(guān)制造技術(shù)的快速發(fā)展，再加上越來越多變的市場需求，造成了產(chǎn)品的壽命周期越來越短，例如，對于汽車、家電、計算機等電子產(chǎn)品，通過模具成型技術(shù)進行模型的制造，其制作周期相比傳統(tǒng)的模具制造可以縮短2/3～9/10，生產(chǎn)成本也可以降低2/3～4/5。因此，發(fā)達國家已經(jīng)將模具成型技術(shù)當成縮短產(chǎn)品開發(fā)周期的重要課題以及制造業(yè)的核心技術(shù)進行研究，我國也進行了一定程度的快速制造業(yè)的研究和開發(fā)。

5.3 超精密研磨技術(shù)

超精密研磨技術(shù)由于具有特殊的加工原理以及對于加工設(shè)備、加工環(huán)境要求不是很高等相關(guān)特點，所以它可以實現(xiàn)納米級甚至是原子級的加工，其已經(jīng)成為了超精密加工技術(shù)中的重要組成部分。

其加工機理在于：對于硬脆材料的研磨加工，一部分磨粒由于研磨壓力的作用，使之壓入到研磨盤內(nèi)，通過露出的尖端刻劃工件的表面，進行微切削加工；而另一部分磨粒在工件和研磨盤之間進行滾動，產(chǎn)生滾軋效果，使工件表面產(chǎn)生微裂紋，裂紋擴展之后使得工件表面產(chǎn)生脆性崩碎，形成切屑，從而達到表面去除的目的。

超精密研磨技術(shù)主要用于集成電路基板的硅片加工，隨著集成電路的不斷發(fā)展，電路中核心元件——硅片的體積也面臨著更高的挑戰(zhàn)?，F(xiàn)階段硅片的表面粗糙度要求已經(jīng)達到了毫米數(shù)量級，這是用傳統(tǒng)的磨削、研磨、拋光方法難以打成的，因此，需要采用超精密研磨技術(shù)對其進行精細加工，常使用的超精密研磨技術(shù)包括彈性發(fā)射加工和流體動壓型懸浮研磨、促進化學反應的機械化學研磨等等。

5.4 納米技術(shù)

納米技術(shù)是在納米尺度內(nèi)，通過對物質(zhì)反應、傳輸和轉(zhuǎn)變的控制來實現(xiàn)創(chuàng)造新的材料、器件和充分利用它們的特殊的性能，并且探索在納米尺度內(nèi)物質(zhì)運動的新現(xiàn)象和新規(guī)律。

科技水平的不斷進步，尤其是在電子行業(yè)這一朝陽產(chǎn)業(yè)，納米技術(shù)得到了很大的發(fā)展，主要是集中在電子復合薄膜，利用超微粒子來改善膜材的電性、磁性和磁光特性，此外還有磁記錄、納米敏感材料等。隨著人們生活水平的日益提高，及人們對環(huán)保的重視程度不斷加強?？諝赓|(zhì)量與工業(yè)廢水處理已成為城市的一個生活生存質(zhì)量標志。納米材料由于其特有的表面吸附特性，使其在凈化空氣與工業(yè)廢水處理方面有著很大的發(fā)展前景。

納米技術(shù)目前已成功用于許多領(lǐng)域，包括醫(yī)學、藥學、化學及生物檢測、制造業(yè)、光學以及國防等等。包括如下領(lǐng)域：納米技術(shù)在新材料中的應用、納米技術(shù)在微電子、電力等領(lǐng)域中的應用、納米技術(shù)在制造業(yè)中的應用、納米技術(shù)在生物、醫(yī)藥學中的應用、納米技術(shù)在化學、環(huán)境監(jiān)測中的應用、納米技術(shù)在能源、交通等領(lǐng)域的應用、納米技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應用、納米技術(shù)在日常生活中的應用。例如：在紡織以及化纖制品中添加納米微粒，可以除味殺菌?；w布雖然結(jié)實，但有煩人的靜電現(xiàn)象，加工少量金屬納米微粒就可消除靜電現(xiàn)象。

納米技術(shù)應用前景十分廣闊，經(jīng)濟效益十分巨大。美國權(quán)威機構(gòu)預測，未來納米技術(shù)的應用將遠遠超過計算機工業(yè)。納米復合、塑膠、橡膠和纖維的改性，納米功能涂層材料的設(shè)計和應用，將給傳統(tǒng)產(chǎn)生和產(chǎn)品注入新的高科技含量。專家指出，紡織、建材、化工、石油、汽車、軍事裝備、通訊設(shè)備等領(lǐng)域，將免不了一場因納米而引發(fā)的“材料革命”現(xiàn)在我國以納米材料和納米技術(shù)注冊的公司有近100個，建立了10多條納米材料和納米技術(shù)的生產(chǎn)線。納米布料、服裝已批量生產(chǎn)，象電腦工作裝、無靜電服、防紫外線服等納米服裝都已問世。加入納米技術(shù)的新型油漆，不僅耐洗刷的性能提高了十幾倍，而且無毒無害無異味。納米技術(shù)正在改善著、提高著人們的生活質(zhì)量。

6 結(jié)束語

綜上所述，對于現(xiàn)代化機械制造行業(yè)而言，其發(fā)展的快慢在某種程度上與機械制造工藝與精密加工技術(shù)息息相關(guān)?；诖?，結(jié)合現(xiàn)代機械制造工藝發(fā)展的實際情況，掌握其未來的發(fā)展趨勢，最終促進精密加工技術(shù)的不斷提升，值得相關(guān)人員進一步探討。

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TH16

A

1004-7344（2016）04-0243-02

2016-1-20

謝興平（1985-），男，漢族，工程師，本科，主要從事機械設(shè)備制造工作。