制造的明天

第三节　制造的明天

一、从传统加工到复合加工

随着机械寿命和材料强度的提高，使难切削材料愈来愈多;产品集成化使零件愈来愈复杂，产品小型化又提出了微细加工的需要，以及加工过程要求易于自动化等，使传统加工很难满足社会对机械制造业日益提高的要求。从20世纪30年代到今天，随着制造技术和电子技术的结合，在机械制造业应用了一系列与传统加工完全不同的电物理和电化学加工方法——电加工及其复合加工。

复合加工是应用多种形式能量的综合作用来实现材料的去除。一些常见的以不同形式能量进行的加工类型如图13-1所示。

由图13-1可知，根据加工材料的特性和精度及效率的要求可以组合出为数众多的各具特点的新的复合加工方法。

(1)机械化学加工和化学机械加工它主要用于进行脆性材料的更精密加工和表层及亚表层无损伤的加工。

(2)磁场辅助加工主要用于解决精密加工的高效性问题。

(3)激光辅助车削主要用于改善难切材料的切削加工性。

二、从狭义加工到广义加工

加工技术不断发展，无论是传统加工还是特种加工、复合加工，都从狭义走向广义。

1.广义加工

广义加工包括:变形加工、接合加工、减材加工和改性加工等。

(1)变形加工(简称成形)是由一定体积的材料使其变形成为所需几何形状、尺寸要求和机械性能的毛坯、半成品或零件的工艺方法。在传统加工中变形加工有冷固态(塑性)变形，主要靠超过材料屈服强度的机械力作用，例如冷锻、冷压、冷拔、冷轧和冷挤等;也有热固态变形，主要靠热能和机械力的作用，例如热锻、热压、热拔、热轧和热挤等;此外还有液态变形或半液态变形，主要靠热能，有时还加机械力的作用，例如铸造、压铸和注射成形等。在特种加工中变形加工有放电成形、电磁成形和激光三维成形等。

图13-1　去除材料的加工方法

(2)接合加工(简称连接)是将两种或两种以上的材料或半成品连接在一起，使之成为半成品或零件的工艺方法。在传统加工中接合加工有压接、铆接、焊接和胶接等。在特种加工中接合加工有放电冲击焊接、电子束焊接、激光焊接和等离子焊接等。

(3)减材加工(简称去除)是由大块原材料或有余量的毛坯逐步去除多余的材料，而得到所需几何形状、尺寸精度和表面质量零件的工艺方法。在传统加工中，减材加工主要利用机械力的作用去除原材料或毛坯的多余部分，即用高硬度的刀具切削原材料或毛坯使之变成零件，例如车、刨、剃、锯、鉆、镗、铣、拉、铰、攻丝等切削加工和磨削加工。特种加工中减材加工有放电加工、电解加工、激光加工、超声加工、电子束加工、化学加工、等离子加工和离子束加工等。

(4)改性加工(简称处理)是用冷、热和化学处理以及腐蚀、抛光、合金化和喷丸等来改变材料、毛坯、半成品或零件内部、表层或表面的物理、化学或几何等特性的工艺方法。

2.狭义加工

狭义加工单指减材加工。虽然传统加工和特种加工都包含着广义加工，但它们都以减材加工为主要加工手段。近年来，随着精密变形加工和精密接合加工技术的进步，机械制造业以减材加工为主要精加工手段的局面被打破，代之以各种广义加工方法并用的局面。

三、从减材加工到增材加工

在进入20世纪90年代以来，面临动态多变市场的机械制造业，产品周期缩短、产品更新加快、品种增多、批量减少;产品的质量、价格和交货期已成为增加企业竞争力的三个决定性因素。以减材加工为主要手段的制造业，难以满足如上的要求。为此，随着制造技术与材料技术、能源技术、微电子技术和信息技术的结合，以增材加工为主要内容的第二次制造革命就应运发生了。

增材加工简称生长，是用类似生长的方法逐渐增加材料，直到生成所需形状、尺寸和性状的样件或零件。在传统加工的基础上，虽然有人试图用形状熔化或焊接，以及三维焊接来发展增材加工，但没有取得实用性进展。后来又在特种加工的基础上开发了增材加工。它是采用粘结、熔结和聚合作用或化学反应等手段，选择性地固化液体材料或粘结固体材料等，以此制造所需几何形状、尺寸精度和性状的零件。这种制造技术是一种多学科的综合技术，称为快速原型或快速成形技术。采用这种制造技术可以在短短两天给顾客制造新型样件，它不是显示在计算机屏幕上的画面，而是一个实际物体。如顾客不满意，可以立即在CAD系统中进行修改，再制造出一个新样件，直到顾客满意为止。专家预言，这种新型制造技术给制造业带来的影响，可以同数控技术相媲美。

快速原型技术是由CAD模型直接驱动的快速制造任意复杂形状三维实体的技术总称。它的特征是:

(1)可以制造任意复杂的三维几何实体;

(2)CAD模型直接驱动;

(3)成形设备无需专用夹具或工具;

(4)成形过程中无人干预或较少干预。

快速原型技术采用离散/堆积成型的原理，其过程是:先由三维CAD软件设计出所需要零件的计算机三维曲面或实体模型(亦称电子模型)，然后根据工艺要求，将其按一定厚度进行分层，把原来的三维电子模型变成二维平面信息(截面信息)，即离散的过程;再将分层后的数据进行一定的处理，加入加工参数，产生数控代码，在微机控制下，数控系统以平面加工方式有序地连续加工出每个薄层并使它们自动粘接而成形，这就是材料堆积的过程。

目前快速原型技术包括全部由CAD直接驱动的成形过程，而主要的技术特征即是成形的快捷性。对于材料的转移形式可以是自由添加、去除以及添加和去除结合等形式。

目前已有多种增材加工的方法，其中应用较好的如化学法中的液态光敏树脂选择性固化、复合法中的纸基材料选择性切割、热物理法中的丝状材料选择性熔覆和粉末材料选择性烧结，以及喷射法中的粉末材料选择性粘结和基于创新的数字化喷射技术等。

四、从数字制造到网络制造

一提起数字产品，人们自然会联想到数字电视、数码照相机、数码摄像机、数字手机等，这些产品主要是利用对信号数字化的处理方式取代模拟工作方式，以实现产品的功能和提高产品的性能，但这并非数字制造的概念。数字制造是在对制造过程和产品的全生命周期(从设计、制造、销售、维修到产品回收等)进行精确定义和数字化的描述而建立起的空间中，来完成对产品的制造。

数字制造，又叫e-制造，是以制造为对象，以制造科学和技术为基础，应用数字技术对制造所涉及的所有对象和活动进行表达、处理和控制，具有信息化、网络化、智能化、集成化和可视化等特征的技术系统。数字化制造是制造技术、计算机技术、网络技术与管理科学的交叉、融合、发展和应用的结果，数字制造成为机械制造走向现代化的标志，也是国际机床制造商供货的标准配置。数字化是先进制造技术发展的核心。它包含数字化设计、数字化制造和数字化控制等。对制造设备而言，其控制参数均为数字化信号;对制造企业而言，各种信息(如图形、数据、知识、技能等)均以数字形式，通过网络在企业内传递，以便根据市场信息，迅速收集资料信息，在虚拟现实、快速原型、数据库、多媒体等多种数字化技术的支持下，对产品信息、工艺信息和资源信息进行分析、规划与重组，实现对产品设计和产品功能的仿真、加工过程和生产组织过程的仿真，或完成原型制造，从而实现生产过程的快速重组与对市场的快速响应，以满足客户化要求;对全球制造业而言，用户借助网络发布信息，各类企业通过网络，根据需求，应用电子商务，实现优势互补，形成动态联盟，迅速协同设计并制造出相应的产品。这样，在数字制造环境下，在广泛领域乃至跨地区、跨国界形成一个数字化组成的网，企业、车间、设备、员工、经销商乃至有关市场均可成为网上的一个“结点”。

进入21世纪，计算机技术和通信技术的迅猛发展，极大地拓展了制造业的深度和广度。Internet的出现及日益广泛的应用，并且正以前所未有的势头飞速发展，带动了人类社会经历自工业革命以来最重要的生产力革命，改变了资讯传递的方式，同时也改变着企业组织管理方式，还极大地改变了人们生活、学习以及获取知识的方式。这些由Internet所带来的巨大变革，必将和已经对当今的制造业产生极为深远和现实的影响，使以满足全球化市场用户需求为核心的快速响应制造活动成为可能。企业的一切活动将不再仅局限于自己内部的集成，而把自身视为全球化网络集成环境中的一个节点，更加着眼于知识、资讯的获取和共用，更自觉、主动地利用资讯技术来改造和强化自身，使企业在全新的网络经济中高速成长。这样，就产生了一种适应资讯社会的新型制造模式——网络化制造。

在制造技术网络化中，值得关注的是电子商务的应用。电子商务是将业务数据数字化，并将数字信息的使用和计算机的业务处理同Internet进行集成，成为一种全新的业务操作模式。在电子商务的网络化制造中，供应链管理、客户关系管理和产品生命周期管理共同构成了制造的增殖链。它具有两大优点:商务的直接化与透明化，这对降低成本、加快流通、提高效率和增加商业机会大有好处，从而对企业内部重组、经营战略和竞争模式有着深刻影响。

五、从零件制造到基因制造

自古以来，制造业一直制造无生命的零件，无法制造有生命的生物，因为生物的繁衍是自然界的制造过程。但是，在制造业日趋信息化和生命科学走向工程化的今天，如果把制造工程、生命科学、计算机技术、信息技术、材料工程各领域的最新成果组合起来，使其彼此沟通，那么制造业不仅能制造出无生命的复杂智能机器，而且还可利用基因工程的成就，制造出有生命、可供移植的器官的仿生部件。

仿生制造技术属于制造科学和生命科学的“远缘杂交”，是模仿生物的组织结构和运行模式的制造系统和制造过程的总称。

在此以前不管是变形加工的塑性成形，还是接合加工的连接成形;也不管是减材加工的去除成形，还是增材加工的生长成形，它们都属于被动成形。所谓被动成形，就是在外界强制作用下的成形。这些外界的强制作用如:热熔金属在模具中的浇铸、靠热和机械力作用下的模锻、在超过材料屈服强度的机械力作用下的模压以及在轮廓控制下的去除和生长等。随着生物制造的需要，将有非常精巧、复杂的结构等待制造。被动成形的加工方法已不能满足生物制造日益提高的要求。因此，一种按生物生长、发育，在其内在基因控制下，通过细胞分裂而进行的自成形，又称自组织成形或自生长成形的加工新方法即将诞生。这种方法是仿生制造中核心的问题。

脑与认知科学的成就将使部分地模拟脑功能和行为成为可能，人类将在21世纪制造出可部分地模拟人类智慧的人造脑和机器人。这就形成了一种特殊的制造工程，即生物制造工程。生物制造工程不仅包括制造类生物或生物体，而且还包括利用生物的机能进行制造(基因复制、生物去除或生物生长)，即自成形或称主动成形。

六、新世纪的制造革命

20世纪，人类已经按照自己的意愿，设计出新的生物基因蓝图，然后像建筑工地那样制造出全新的生命体。克隆技术、人类干细胞培养、遗传密码破译、人类基因组大规模测序计划、转基因技术等新技术层出不穷。

20世纪90年代西安交通大学快速成形及制造研究中心与第四军医大学合作，已经开始了人工生物活性骨骼的研究并取得了可喜的进展。美国约翰斯.霍普金斯大学威尔默眼科研究所的科学家和北卡罗来纳州立大学的机械工程师，共同研制成功可使盲人重见光明的“眼睛芯片”。此外，美国Affymetrix公司已实现了DNA高密度的集成，目前已达到每个芯片上集成40万种不同的DNA片段。

21世纪，随着生物技术、生命科学、材料科学等不断融入先进制造技术，又必将使制造工程产生一场新的制造革命。无论称其为生物制造工程还是仿生制造技术，就其实质和即将产生的巨大影响，这可能就是第三次制造革命。总之，一是利用基因工程的成就，制造出有生命，可供移植的器官和可供利用的仿生部件;二是按生物生长、发育，在其内在基因控制下，通过细胞并行分裂进行自生长成形加工。这种制造方法可以生长出任何人类所需要的产品，如人或动物的骨骼、器官、肢体，以及生物材料结构的机械零件等。可以设想，如果人们能将DNA中控制形状、尺寸、结构与材质的基因分离出来，加以破译，并采用先进的“原子操作技术”组装或修改基因，那么有朝一日机器零件乃至整台的机器可以在培育皿中从相应的“种子”生长出来。那将是多么神奇的世界呀!将来微型机械的制造就很可能向这一方向发展。

纵观机械制造技术的发展，加工方法进步的轨迹就是这样的:机械加工→物理与电物理加工→化学与电化学加工→生物或仿生加工，完全符合科学认识过程，从简单到复杂、从粗糙到精细，从低级到高级、从普通到神奇的发展方向。