先进机械制造工艺的技术发展趋势.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2024 年 01 月 15 日 作者简介：孙博（1986）,男,黑龙江庆安人，汉族，硕士，主管工程师，研究方向为机械工程；。-197-先进机械制造工艺的技术发展趋势 孙 博 国创机器人创新中心（哈尔滨）有限公司，黑龙江 哈尔滨 150000 摘要摘要：先进机械制造技术是推动工业发展的关键，也是评价国家竞争力的重要指标。目前，在机械制造领域当中，传统工艺的弊端已经日渐凸显，无论是在效率、成本还是产品品质上，都不能令人满意。对此，应当着力去开发先进的制造工艺，如纳米加工、3D 打印等。同时，在原有数控技术的基础上，引入 AI 技术、物联网技术等，因此来推动制造工艺的演进。因此，对先进机械制造技术及其发展趋势进行深入研究具有现实价值。通过对技术的研究，分析其发展趋势，可以改进其使用方法，并找到正确的发展方向。关键词关键词：制造业；机械制造；技术发展 中图分类号中图分类号：TD406 0 引言 机械制造，是指从原材料变成成品的这一过程，制造技术的应用是其中的核心部分。对于制造技术的开发，是当前工业发展的重中之重。然而，在目前的研究中，对于技术的发展趋势仍有一些争论，这涵盖了能源消耗、成本、效率等多个方面。对此，如何把握技术发展趋势，进一步有开发先进的技术，并将其用于实际的制造工业当中，需要我们加强技术研发并在实践中做出探究。1 常见的先进机械制造技术 1.1 纳米加工技术 纳米加工技术，是指在纳米级的精度下完成的加工，其尺寸的范围在 0.1 到 100 纳米之间。因为当物质处在该尺度范围内时，粒子会因受到表面效应的影响，产生和宏观物质不同的新特性。所以在进行纳米加工时，还需要分析该特性，并且进行原子、分子的去除、重组等，这是加工的关键所在。在机械制造领域当中，该技术一般被用于加工精密的仪器零件，如微电子器件。在加工的过程中，一般会辅助使用原子力显微镜，用于观察细节，保证加工精度。目前，纳米加工技术当中，适用性较强的是 FIB 技术，它是将离子束加速射出，并将其聚焦成纳米级的显微切割仪器。FIB 技术的工作原理是利用离子源产生的离子束经过透镜系统后形成一束高度聚焦的子束，通过加速电压将离子束加速到高速度,然后轰击样品表面，使样品表面发生物理或化学反应,从而实现对样品的加工和分析。由于离子束具有较高的能量和较小的束斑直径，因此可以实现高精度的定点切割和微小区域的分析。这种技术可以定点切割试样并观测其横截面以表征截面形貌尺寸,还可以配备与元素分析等相结合的体系来分析截面成分。该纳米加工技术具有多项优势，由于离子束的能量高、直径小，所以能够实现高精度的定点加工。同时，FIB 切割过程中不需要直接接触样品，可以避免对样品造成损伤。且除了切割功能外，FIB还可以实现材料的剥离、沉积、注入和改性等功能。1.2 智能制造技术 智能制造技术，是指利用信息技术、自动化技术、AI 等前沿技术，对制造全过程进行集成化、智能化，实现资源优化配置、生产过程智能化管控的一种现代制造方式，合理应用该技术能够带动制造业中的转型和升级。在实际的生产当中，该技术可以利用传感装置，对生产线上的设备参数进行采集和分析，便于快速发现异常并做出调整，防止影响生产线的运转。传统的数控技术在使用时，即使提前设定好了工艺参数，也会因为过程中会存在误差，而出现难以控制的塑性变形、机床的颤振、机床的热变形等问题。而通过智能制造技术，配备传感器来进行流程检测，能够分析和误差相关的影响因素，在对加工参数做出适当调节，以此来把控产品品量。例如：在加工中，会产生一定的温度变化，机床的一些部件会因受热而变形。由而中国科技期刊数据库 工业 A-198-温度本身没有规律变化，所以依靠人工无法去消除这种不确定的误差。针对这样的问题，通过实时监测机床各部分的温度，并用神经网络分析实际的热变形，可以自动调整制造参数。另外，加工中材料的废料厚度的变化，加工后的工件的表面实际上不是绝对的平面，而是起伏。当该厚度发生较大变化时，产生工具巨大振动的所谓机械颤动现象，以往，通过事先进行加工工序的振动模型解析，计算适当的主轴转速和工具的进给量，避免了颤动现象。1.3 3D 打印技术 三维（threedimensional，3D）打印技术，也称为积层制造技术，是一种革新的机械制造技术，属于快速成型技术中的一类。打印是将数字模型作为逻辑模板，将三维模型分层为多个二维平面图形，再利用可粘合粉末材料，分层将这些二维的图形以较低的厚度打印出来，并且堆叠、粘结成为三维的成品。其中，涉及到了三维建模、机械控制、指令代码编程等方面学科。与传统工艺相比，该技术生成成品的效率高，通过 CAD 直接建立数字模型，然后驱动打印设备直接打印。可以缩短一些精密零件的制造周期同时，它通过减小打印材料的粒径和分层厚度，3D 打印出来的零件精度高，在制造过程中通过改变分层厚度即可满足精度要求。此外，打印模具是可以通用的，所以在进行材料烧结时，可以支持多种材料混合，这满足了一些特殊的制造要求。但需要注意的是，目前来看，该技术由于对设备要求高，所以不支持规模化的机械制造。1.4 激光制造技术 激光制造技术，简单来讲，是将激光束投射到原材料的表面，借助激光作用使其融化，以实现切割、焊接、打孔等操作。相较于传统制造技术，激光束有较强灵活，在制造中可以灵活地进行调节。同时，该技术适用于许多金属和非金属材料，尤其是对于某些脆性、硬度以及熔点较高的材料而言，激光束能够避免对其造成破坏，这是普通的数控机床无法实现的。在开展激光作业时，激光束的能量往往具有较高的度，其操作速度也相对较快，在进行局部加工过程中，未经激光照射的区域不易被影响或干扰，正是因为其热影响区域范围较小，所以工件加工过程中不会出现受热变形现象，这也为后续加工操作提供了更多便利。目前，在对一些精密机械零件进行制造时，选区激光熔化（SLM）的效果是比较可观的，这是激光制造的一个重要分支。该技术是一种增材制造工艺，以激光束为能量源、以预先建立的 CAD 数据为基础，通过逐层熔化粉末床来制造零件。，该技术通过激光扫描粉末床分层构建三维的机械零件，然后通过使用聚焦激光束提供的热能处理选定区域来达到固结作用，使材料变成所需的形状。过程中，会采用光束偏转系统来进行控制，同时通过 CAD 模型计算，对每一层进行相应截面的扫描，确保零件的精度达到要求。不难看出，激光制造中的SLM 技术属于一种非常规的生产工艺，采用激光热源熔化金属粉末层，凭借一种“分层制造”的方式，可以成形更复杂的零件。因此，该技术凭借材料廉价、产出率高、功能性强以及能够生产独特设计的零件等优势，被用于高端机械制造领域。1.5 智能机器人技术 智能机器人技术，是在中央处理装置（CPU）的作用下，通过预先设定的执行脚本使一系列手动过程自动化，实际上使用软件模拟人类的动作，在设定的程序下利用设备来代替人类进行反复的机械作业。在实际应用中，重点在于控制程序的编程，保证程序完整性的前提下，可实现离线编程操作，促使零件生产加工具有相对较高的自主性。当前的机械制造中，已经无须对智能机器人采取外部控制方式，只要利用程序运行准则，就可以促使其按照预设程序自行实施作业，过程中还会收集生产信息，以此来对附近的环境做出识别，当其出现变化时，机器人将会适当调整运行参数，确保按照预设的要求完成生产任务。借助智能机器人技术，可以实现刚度优化，简单来讲，就是建立以刚度为参数的模型，对机器人进行重复性的辨识试验，使其能够对刚度有细致的把控，从而约束其工作中的加工位置、关节角度等。例如，在某机械制造企业中，选择该技术开展生产，对于末端刚度主要是沿代加工曲面方向的半轴长度作为优化指标，运用遗传算法对智能机器人的运行方式进行优化，从而构建具有较高稳定性的数学模型。同事，可以设置其力矩执行力，在生产当中根据产品信息来做出调整，进而制定最优的加工方案。此外，该技术还可以规划轨迹，即在机械制造当中，按照规中国科技期刊数据库 工业 A-199-划好的既定轨迹，重复完成某项工序。其中比较常见的是在抛光时的应用，因为在传统的制造方式中，实施抛光作业很容易出现人为失误而导致零件损坏，这会降低产品的质量，大幅减低制造效率。而采用规划轨迹来实现抛光加工，则能避免失误、降低损坏率。这是因为智能机器不仅可以根据规划轨迹的程序完成对应的动作，还可以接收外部人工控制指令，从而提升抛光的质量。2 先进机械制造技术发展趋势 2.1 环保趋势 随着全球对环境问题日益关注，以及我国双碳目标的提出，工业也受到了影响，有了朝着环保、低碳发展的趋势。目前，在机械制造领域方面，环保主要有几个方面的体现。一是要提升原材料的使用效率，减少废物的产出。这主要通过优化工艺工序，采用更加高效的材料利用方式，发挥材料的最大价值。同时，也可以采用更加可靠的制造技术，如智能技术、打印技术等，降低产品的次品率，这也能防止材料浪费。通过此举，能够减少对不可再生资源的依赖，避免因制造产品总量增大而引起的生态危机。二是要减少制造工业当中的碳排放。目前的机械制造还是以传统能源为主，其排放的总量是比较可观的，这和当前环保趋势相悖。而先进的制造技术，如激光制造技术、纳米加工技术等，他们需要应用大量能源。对此，可以通过智能技术来调整能源消耗，实现最优的利用方式；也可以使用新能源来进行供能，如风能、光伏等。此外，在机械制造发展过程中，还要遵循循环经济理念，即将废弃物转化为资源，通过回收再利用、再制造和再循环等方式，实现资源的循环利用和减少废弃物的产生。同时，要对产品设计、生产、使用到废弃处理的流程管控，以减少机械制造对环境的影响。2.2 应用领域界限淡化 在机械制造技术在发展中，处在一个高度专业化的领域。传统的观念中，机械制造技术的应用被明确地限定在特定的行业和领域，有着高度专业化的需求。然而，随着制造工艺的发展，这种界限正在逐渐模糊，跨行业和跨领域的应用正在涌现。首先，先进机械制造技术在航空航天领域的应用已经超越了传统的飞行器制造范畴。现在，我们看到航空航天设备的设计、制造、维护，以及航空航天材料的研发和生产，甚至航空航天数据的处理和分析等领域，都能看到先进机械制造技术的身影。其次，先进机械制造技术在能源、医疗、电子等各个行业中也得到了广泛应用。在能源领域，先进机械制造技术不仅支持可再生能源设备的制造，还在能源转换设备的优化上发挥了重要作用。在医疗领域，我们看到先进机械制造技术应用于医疗器械的制造和医疗设备的研发，这无疑为医疗服务带来了革新。而在电子领域，先进机械制造技术更是支持了电子产品的制造和微电子器件的精密加工。这种跨行业和跨领域的应用，无疑带来了更多的合作和交流机会，促进了技术的跨界融合和创新。2.3 数字化趋势 目前，机械制造领域正身处一个数字化转型的关键时刻。在先进的机械制造技术领域，数字化趋势正在以一种极为独特的方式展现。目前来看，数字化设计和仿真技术的广泛应用，使得先进的机械制造技术实现了从产品开发到制造过程的全面数字化。传统的产品设计和制造方式，往往需要耗费大量的人力和时间，且成功率难以保证。而现在，我们有了数字化的设计软件和虚拟仿真技术，这一切都变得简单起来。工程师们可以利用 CAD 软件进行三维模型的设计和优化，同时通过虚拟仿真技术来模拟产品的性能和行为。这种数字化的设计和仿真过程，不仅大大提高了设计效率，缩短了开发周期，更降低了产品研发的成本，为制造业的发展开辟了新的道路。同时，在新兴技术的带动下，实现了生产过程的全面数字化转型。数字化生产涵盖了数字化加工、数字化控制和数字化监测等各个方面。如今的数控机床和自动化生产线已经实现了数字化加工，通过计算机的控制和传感器的监测实现了数字化控制和数字化监测。而引入了智能制造、人工智能、机器人等技术后，使得生产过程更加智能化、灵活化。3 结语 制造业是国内工业的关键构成部分，技术实力的水准直接决定着工业的发展前景。在当代制造领域中，机械制造及有关生产技术是一个关键的研究内容。对机械制造技术的探索可以推动国内工业的进步，加快经济结构的进步。目前来看，诸如 3D 打印、智能制造等技术，都已经开始了在机械制造领域的应用研究，中国科技期刊数据库 工业 A-200-但具体怎样规模化用于生产还需要探究。相信在技术的精进下，我们可以通过在实践中的摸索，将先进制造技术的价值发挥出来，实现制造领域的高速发展 参考文献 1郭良姊,牛波.机械设计与制造技术现状及相关先进技术发展研究J.数字化用户,2021,27(13):139-140.2袁继春.机械设计与制造技术现状及相关先进技术发展研究J.机械与电子控制工程,2022,4(5).