工业现代制造技术工艺与应用发展

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现代制造技术

1第一章绪论1.1现代制造技术的内涵1.2现代制造技术的构成1.3我国现代制造技术的发展现状

21.1现代制造技术的内涵1.1.1现代制造技术的定义现代制造技术是指制造业不断吸收机械工程技术、电子信息技术（包括微电子、光电子、计算机软硬件、现代通信技术）、自动化技术生产设备、材料、能源及现代管理等方面的成果，并将其综合应用于产品设计、制造、检测、管理和售后服务以及对报废产品的回收处理这样一个制造全过程；实现优质、高效、低耗、清洁和灵活生产，提高对动态、多变市场的适应能力和竞争能力、并取得理想的技术经济效果的制造技术的总称。“信息技术+传统制造技术的发展+现代管理技术=现代制造技术”。

31.1现代制造技术的内涵1.1.2现代制造技术的内涵及其组成技术美国机械科学研究院（AMST）提出了一个由多层次技术群构成的体系如图1－1所示。图1－1现代制造技术的内涵、层次及其技术构成

41.1现代制造技术的内涵1.基础技术包括精密下科、精密成形、精密加工、精密测量、毛坯强韧化、少（无）氧化热处理、气体保护焊及埋弧焊、功能性防护涂层等。2.新型制造单元技术在市场需求及新兴产业的带动下，制造技术与电子、信息、新材料、新能源、环境科学、系统工程、现代管理等高新技术结合而形成了崭新的制造单元技术。

51.1现代制造技术的内涵3.现代制造集成技术是应用信息、计算机和系统管理技术对上述两个层次技术进行局部或系统集成而形成的现代制造技术的高级阶段。如柔性制造系统（FMS）、计算机集成制造系统（CIMS）、智能制造系统（IMS）等。这种体系结构强调了现代制造技术从基础制造技术、新型制造单元技术到现代制造集成技术的发展过程。

61.2现代制造技术的构成1.2.1现代制造技术的分类现代制造技术主要沿着“大制造”或称“广义制造”的方向发展，通常可分为现代制造系统设计技术、现代制造工艺技术、制造自动化技术、以及现代制造系统与生产管理技术等四个方面。1.现代设计技术包括现代设计理论与设计方法学、计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工程分析（CAE）、计算机辅助工艺规程设计（CAPP）、设计过程管理与设计数据库、面向“X”的设计（DFX）、可靠性设计、优化设计、反求工程、价值工程设计、并行工程（CE）、仿真设计、绿色设计等。

71.2.1现代制造技术的分类2.现代制造工艺技术包括精密铸造、精密锻压、精密焊接、优质低耗热处理、精密切割、超精密加工、超高速加工、微米/纳米加工技术、复杂型面数控加工、特种加工工艺、快速原型制造、少（无）污染制造、报废产品的可拆卸重组技术、虚拟制造与装配技术等。3.制造自动化技术包括包括数控技术、现代工业机器人技术、柔性制造系统、计算机集成制造系统、检测自动化与信号识别及在线质量控制、过程设备工况监测与控制技术等。

81.2.1现代制造技术的分类4.现代制造系统与生产管理技术包括工程管理、质量管理、管理信息系统，以及现代制造模式（如精益生产、计算机集成制造、敏捷制造、智能制造）、集成化的管理技术、企业组织结构与虚拟公司等生产组织方法。

91.2.2现代制造技术的体系结构1994年，美国联邦科学、工程和技术协调委员会将现代制造技术体系分为三个技术群：主体技术群、支撑技术群以及制造基础设施环境（图1-2）。

10面向制造的设计技术群产品/工艺设计计算机辅助设计工艺过程建模和仿真工艺规程设计系统工程基础快速成型技术并行工程制造工艺技术群材料生产工艺加工工艺联接与装配测试和检测环保技术维修技术其他信息技术接口技术集成技术人工智能数据库软件工程决策支持标准和框架数据标准工艺标准接口框架产品定义和标准检验标准机床和工具技术传感器和控制技术质量管理用户/供应商交互作用工作人员培训和教育全国监督和基准评测技术获取和利用主体技术群支撑技术群制造基础设施环境1.2.2现代制造技术的体系结构

111.3我国现代制造技术的发展现状1.超高速加工方面仍处于低级阶段，还没有形成完整、系统的研究体系和方法。国内磨削砂轮的线速度一般在45～60m/s，尚未超过80m/s。超高速切削/磨削技术和其机床装备，与国际先进水平相比，还有较大差距。2.超精密加工方面国内研发的超精密切削机床，无论性能稳定性和可靠性，还是精度指标，与国外产品相比，还有较大差距；而且国外的商品化机床都配有精度补偿软件。

121.3我国现代制造技术的发展现状3.特种加工方面国内在电加工、激光加工、超声加工、聚焦离子束和电子束加工等方面，与国际先进水平相比，还有较大差距。4.微纳加工方面与国外相比，基础研究还很落后，高水平的装备和仪器大都依赖进口。5.自动化技术方面我国目前尚处在单机自动化、刚性自动化阶段，柔性制造单元和系统仅在少数企业中使用。

131.3我国现代制造技术的发展现状6.现代生产管理方面国内只有少数大型企业局部采用了计算机辅助管理，多数中、小型企业仍处于经验管理阶段。与国际先进水平相比，还有较大差距。7.创新能力方面我国在经费投入强度、技术水平、技术引进、生产能力等体现企业核心竟争力和持续发展能力方面，远低于工业发达国家。8.完整的体系方面目前我国绝大多数企业技术开发能力薄弱，尚末成为技术创新的主体；还缺乏一支精干、相对稳定的力量从事产业共性技术的研究与开发。

14第二章现代制造工艺技术2.1超高速切削技术2.2高效磨削技术2.3精密和超精密加工技术2.4微细加工技术2.5快速制造技术

152.1超高速切削技术2.1.1超高速切削技术的内涵德国人CarlSalmon博士于1931年4月提出了超高速切削技术，并作出了CarlSalmon曲线（图2－1）图2－1CarlSalmon曲线

162.1.1超高速切削技术的内涵实践证明，切削速度提高10倍、进给速度提高20倍，远远超越传统的切削“禁区”（图2-1中的不可切削区）后，切削机理发生了根本的变化。其显著标志是使被加工塑性金属材料在切除过程中的剪切滑移速度达到或超过某一阈值，开始趋向最佳切除条件，因而被加工材料切除所消耗的能量、切削力、工件表面温度、刀具磨具磨损、加工表面质量等均明显优于传统切削速度下的指标，加工效率大大高于传统切削速度下的加工效率。结果是单位功率的金属切除率提高了30%～40%，切削力降低了30%，刀具的使用寿命提高了70%，留于工件的切削热量大幅度降低，切削振动几乎消失。切削加工发生了本质性的飞跃，一系列在常规切削加工中备受困扰的问题得到了解决。因此，超高速切削技术是21世纪切削加工领域的重大技术课题之一，是切削加工领域新的里程碑。

172.1.1超高速切削技术的内涵超高速切削中的“超高速”是一个相对概念，不能简单地用某一具体切削速度或主轴转速数值来定义。德国Darmstadt工业大学给出了7种常用材料的超高速切削加工的速度范围如表2-1。不同加工方法：车削：700～7000m/min；铣削：300～6000m/min；钻削：200～1100m/min；磨削：高于150m/s。

182.1.2超高速切削技术的特点1.加工效率高切削速度：传统加工的10倍；进给速度：传统加工的5～10倍；材料切除率：提高3～6倍；加工时间：传统加工的1/3.2.切削力小、刀具寿命长切削力至少下降30%；刀具寿命提高约70%。

192.1.2超高速切削技术的特点3.热变形小加工过程迅速，切屑带走95%的热量，热变形小；因而适合加工易发生热变形的工件.4.加工精度高、表面质量好切削力和切削热的降低，使刀具和零件的变形减小，零件表面的残余应力下降，从而容易保证工件的尺寸精度和表面质量。5.加工过程稳定激振频率远远高于工艺系统固有频率，不会造成工艺系统振动；因而加工过程平稳。

202.1.2超高速切削技术的特点6.能加工各种难加工材料例如航空和动力部门大量采用镍基合金和钛合金，现在采用超高速切削，其切削速度为常规切削速度的10倍左右，不仅大幅度提高生产率，而且可有效地减少刀具磨损。7.加工成本低单位时间的金属切除率高、能耗低、零件加工时间短，从而有效地提高了能源和设备利用率，降低了生产成本。

212.1.3超高速切削技术的应用1.汽车领域Ford汽车公司采用HVM800型卧式加工中心组成的柔性生产线加工汽车发动机零件，其生产率与组合机床自动线相当，但建线投入减少了40%，生产准备时间也少得多。2.模具领域可以实现淬火硬度达到60HRC（某些情况下可达70HRC）的淬硬模具的切削加工，加工时间仅为电加工的25%左右，加工费用可节省50%以上。

222.1.3超高速切削技术的应用3.航空、航天领域采用高速切削后，切削速度达到了100～1000m/min，不仅大幅度提高生产率，还能有效减少刀具磨损，提高工件表面的加工质量。因此，飞机制造业是最早采用高速铣削的行业。图2－2所示为采用“整体制造法”制造的铝制螺旋片；壁厚最薄处只有0.05mm，壁高20mm。采用超高速切削技术后，在保证质量的基础上，加工效率还会大大提高。

232.1.3超高速切削技术的应用图2－2铝制螺旋片尺寸：80×80×40

242.1.4超高速切削加工的关键技术1.超高速切削机床基本要求见表2－3.

25VCP/UCP600/800主轴转速：12000/20000/42000转/分工作行程：X轴：600/530mmY轴:450mmZ轴:450mm快移速度：22米/分工作进给：15米/分刀库容量：30把VCP/UCP710主轴转速：12000/20000/42000转/分工作行程：X轴：710mmY轴:550mmZ轴:500mm快移速度：30米/分工作进给：20米/分刀库容量：30把VCP/UCP1000/1350主轴转速：12000/15000/24000转/分工作行程：X轴：1000/800mmY轴:1000mmZ轴:875mm快移速度：30米/分工作进给：20米/分刀库容量：30/46/60/92把几种常见（超）高速加工中心的技术数据：

262.1.4超高速切削加工的关键技术1.超高速切削机床主要技术包括以下几个方面：1）超高速主轴单元电机和机床主轴合二为一，构成了所谓的“电主轴单元”；采用高速精密轴承，主要有陶瓷轴承、磁悬浮轴承和空气轴承等；采用大功率、宽调速交流变频电机直接驱动；结构设计上保证主轴单元具有良好的动刚性、抗振性、热特性和良好的动平衡性能；配有高效冷却与润滑系统；采用先进的控制技术。超高速电主轴结构如下图所示：

272.1.4超高速切削加工的关键技术超高速电主轴结构1、2、5－密封圈;3－定子;4－转子;6－旋转变压器转子;7－旋转变压器定子;8－螺母

282.1.4超高速切削加工的关键技术2）快速进给系统要求进给系统能瞬时达到高速、瞬时停止，还要具有很高的定位精度。采用的主要技术措施是大幅度减轻移动部件重量以及采用新开发的多头螺纹行星滚珠丝杠，或采用直线电机，省去了中间传动件。3）支承及辅助单元用人造花岗岩来制作机床基础支承件；材料的阻尼特性为铸铁的7～10倍，密度却只有铸铁的1/3。夹具的要求是高刚度、高精度动平衡、轻量化、高效自动化和柔性化。

292.1.4超高速切削加工的关键技术2.对刀具和刀柄的要求刀具材料除了具有普通刀具材料的要求以外，还要求：①可靠性；②高耐热性和抗热冲击性；③良好的高温力学性能；④适应各种难加工材料和新型加工材料的要求。目前适合于超高速切削加工的刀具材料主要有涂层刀具、金属陶瓷刀具、立方氮化硼刀具和聚晶金刚石刀具等几种。

302.1.4超高速切削加工的关键技术目前超高速切削机床普遍采用的是日本的BIG-PLUS刀柄系统（图2-3）和德国的HSK刀柄系统（图2-4）。图2-3BIG-PLUS刀柄系统

312.1.4超高速切削加工的关键技术图2-4HSK刀柄系统

322.2高效磨削技术1.高速重负荷荒磨其砂轮线速度普遍达到了80m/s，有的高达120m/s；磨削法向力通常达到了10000～12000N，有的高达30000N；磨削功率一般为100～150kW，有的高达300kW；材料去除率可达150kg/h。主要用于钢坯的修磨，磨除钢坯的表面缺陷层（夹渣、结疤、气泡、裂纹和脱碳层），以保证钢材成品的最终质量和成材率。主要特点是：①采用定负荷自由磨削方式磨除一定厚度的缺陷层金属，背吃刀量和进给量均不确定；②在磨削过程中不修整砂轮，为确保砂轮既有自锐能力，消耗又不致过大，应选择合适砂轮；③多采用干磨方式，工件表面易烧伤。

332.2高效磨削技术2.缓进给大切深磨削以较大的切削深度（ap>10mm）和很小的纵向进给速度（vW=3～300mm/min，普通磨削的vW=200～2500mm/min）来磨削工件，故也称深磨削或蠕动磨削。主要特点是：①生产效率高；②工件的形状精度稳定；③减小了砂轮的冲击损伤；④扩大了磨削工艺范围；⑤磨床功率大、成本高，工件易产生磨削烧伤。

342.2高效磨削技术3.高速与超高速磨削砂轮的线速度>45～50m/s，则被称为高速磨削HSG（HighSpeedGrinding）。砂轮线速度大>150～80m/s时，则被称为超高速磨削。其主要特点是：①生产率高、砂轮寿命长；②磨削精度高、表面粗糙度低；③减轻磨削表面烧伤和裂纹。超高速磨削可以大幅度提高磨削生产效率、延长砂轮使用寿命或减小磨削表面粗糙度，并可对硬脆材料实现延性域磨削，对高塑性及其他难磨削材料进行磨削也有良好的表现。

352.2高效磨削技术4.高效深切磨削（HEDG）HEDG在切深0.1～0.3mm，工件速度vw=0.5～10m/min，砂轮速度vs=80～200m/s的条件下进行磨削。其工艺特征是砂轮高速度，工件进给快速及大的磨削深度，既能达到高的金属切除率，又能获得高质量的加工表面。其实现条件是：①砂轮应具有良好的耐磨性，高的动平衡性能和抗裂性能；②磨床应具有高动态精度、抗振性和热稳定性；③磨床主轴应具有较高的回转精度和刚度。④磨削液供给方法采用高压喷射法，砂轮内冷却法、空气挡板辅助截断气流法等。

362.2高效磨削技术5.宽砂轮和多砂轮磨削1）宽砂轮磨削外圆磨削砂轮宽度达300mm，平面磨削砂轮宽度达400mm，无心磨削砂轮宽度达800～1000mm；加工精度达IT6，表面粗糙度Ra0.63μm。其主要特点是：①磨削宽度大，磨削力、磨削功率大，磨削时的热量多。②可磨成形面，能保证零件成形精度，采用切入磨削形式，比纵向往复磨削效率高。③砂轮宽度大，主轴悬臂伸长度长。④为保证工件的形位精度，砂轮硬度在圆周和轴向均匀性要好。否则因砂轮磨损不均匀，影响零件的精度和表面质量。

372.2高效磨削技术2）多砂轮磨削多砂轮磨削是在一台磨床上安装了多片砂轮，可同时加工零件的几个表面。多砂轮磨削的砂轮片数可多达8片以上，砂轮组合宽度达900～1000mm。在生产线上，采用多砂轮磨床可减少磨床数量和占地面积。多砂轮磨削主要用在外圆和平面磨床上，内圆磨床也可采用同轴多片砂轮磨同心孔。

382.2高效磨削技术6.恒压力磨削恒压力磨削是切入磨削的一种类型，在磨削过程中无论其他因素（如磨削余量、硬度、砂轮磨钝程度等）如何变化，砂轮与工件之间始终保待预选的压力不变，因此称恒压力磨削，也称作控制力磨削。恒压力磨削，避免荷了超负荷切削，工艺系统弹性变形小，有利干获得正确的几何形状与低的表面粗糙度值。

392.2高效磨削技术7.砂带磨削如图2－5所示。20世纪60年代以来，发展迅猛；发达国家已占磨削工作的1/2。图2-5砂带磨削示意图

402.2高效磨削技术其主要特点是：①设备简单；②可磨削复杂型面；③生产效率高；④加工精度高⑤操作方便

412.3精密和超精密加工技术目前所说的精密加工是指加工精度达到1～0.1μm，表面粗糙度Ra在0.1～0.01μm的加工工艺。而超精加工则是指加工尺寸精度高于0.1μm，表面粗糙度Ra小于0.025μm的精密加工方法。根据加工方法的机理和特点不同，精密加工和超精密加工方法可分为以下几大类。2.3.1精密和超精密加工方法与分类

421.机械超精密加工技术包括金刚石刀具超精密切削、金刚石微粉砂轮超精密磨削、精密研磨和抛光等一些传统加工方法（表2-5）。2.3.1精密和超精密加工方法与分类

43表2-5传统（机械）精密和超精密加工方法及加工精度（μm）（续）2.3.1精密和超精密加工方法与分类

442.非机械超精密加工技术包括精密电火花加工、精密电解加工、精密超声加工、电子束加工、离子束加工、激光束加工等一些非传统加工方法；也称为特种精密加工方法。3.复合超精密加工方法包括传统加工方法的复合、特种加工方法的复合以及传统加工方法和特种加工方法的复合（例如机械化学抛光、精密电解磨削、精密超声珩磨等）。2.3.1精密和超精密加工方法与分类

451.金刚石刀具超精密加工的应用如表2－6所示。2.3.2金刚石刀具超精密加工

46表2-6金刚石刀具超精密切削的零件实例（续）2.3.2金刚石刀具超精密加工

472.超精密车削用金刚石车刀金刚石刀具的主切削刃和副切削刃之间采用过渡刃，对加工表面起修光作用。可以把刀刃设计成圆弧形或带直线修光刃的折线形，以减少切削残留面积对表面粗糙度的影响。图2-6通用金刚石精车刀的几何角度2.3.2金刚石刀具超精密加工

483.金刚石刀具超精密切削切削参数的选择1）切削速度不使用切削液，应选择合适的切削速度，以防积屑瘤的生成。使用切削液，积屑瘤不易生成，切削速度对表面粗糙度影响较小。2）进给量超精密切削时采用很小的进给量，但进给量的数值也不宜小于刀具刃口的钝圆半径。3）背吃刀量背吃刀量大，切削力大，切削变形大，表面层残留变形大；但背吃刀量太小时，因刀具存在切削刃钝圆半径而不易产生切屑，切削力反而增加、使表面残余应力反而增加。2.3.2金刚石刀具超精密加工

49金刚石刀具超精密车削时的切削用量可参考表2-7。2.3.2金刚石刀具超精密加工

50精密和超精密磨削加工方法的类型见图2-7。2.3.3精密和超精密磨削加工

511.精密磨削加工1）普通磨料砂轮精密磨削加工精度：1～0.1μm；表面粗糙度：Ra0.2～0.025μm。其影响因素主要有：①砂轮选择：主要考虑磨粒材料、粒度、结合剂，织织和硬度等②砂轮修整：可分为初修、精修和光修。普通磨料砂轮精密磨削时的砂轮修整用量可参考表2-8。2.3.3精密和超精密磨削加工

52表2-8普通磨料砂轮精密磨削时的砂轮修整用量2.3.3精密和超精密磨削加工

53③磨床选择：精密磨床上需满足以下要求：a.机床几何精度和刚度高；b.由于普通砂轮精密磨削时砂轮的修整速度要求低至10～15mm/min，机床工作台必须能低速进给、平稳、无爬行和冲击；c.从机床结构上和安装上采取一些减振和隔振措施，以提高其抗振性。④磨削用量：包括砂轮速度、工件速度、纵向进给量、磨削深度、走刀次数和无火花磨削次数等的选择，可参考表2-9。2.3.3精密和超精密磨削加工

54表2-9普通砂轮精密磨削时的参考磨削用量2.3.3精密和超精密磨削加工

552）超硬磨料砂轮精密磨削其特点和应用范围如下：（1）可用来加工各种高硬度、高脆性金属材料和非金属材料，例如陶瓷、玻璃、半导体材料、宝石、石材、硬质合金、耐热合金钢以及铜、铝等非铁金属及其合金等。（2）磨削能力强、耐磨性好、使用寿命长、易于控制尺寸及实现加工自动化。（3）磨削力小，磨削温度低，无烧伤、裂纹和组织变化，表面质量好。用金刚石砂轮磨削硬质合金时，其磨削力只有绿碳化硅砂轮磨削时的1/4～1/5。（4）由于超硬磨料有锋利的刃口，耐磨性高，有较高的材料切除率和磨削比，因此磨削效率高。（5）超硬磨料砂轮修整难度大。（6）金刚石砂轮和立方氮化硼砂轮价格比较昂贵，但其使用寿命长，加工效率高、工时少，综合成本不高。2.3.3精密和超精密磨削加工

562.超精密磨削加工加工精度达到或高于0.1μm，表面粗糙度Ra低于0.025μm。主要用于磨削钢铁及其合金，例如耐热钢、钛合金、不锈钢等合金钢，特别是经过淬火处理的淬硬钢；也可用于磨削铜、铝及其合金等非铁金属。同时它还是高精度非金属硬脆难加工材料（例如陶瓷、玻璃、石英、半导体、石材等）的主要加工方法。超精密磨削应用比较成熟的首推金刚石微粉砂轮超精密磨削。2.3.3精密和超精密磨削加工

571）金刚石微粉砂轮采用粒度为F240～F1000的金刚石微粉作为磨料，树脂、陶瓷、金属为结合剂烧结而成；也可采用电铸法和气相沉积法制作。金刚石微粉砂轮超精密磨削具有以下特点：（1）一种固结磨料的微量去除加工方法，比研磨、抛光等精密加工方法加工效率高；（2）磨料是粒度很细，可以同时获得极低的表面粗糙度和很高的几何尺寸和形状精度，是一种比较理想的超精密加工方法。（3）容屑空间很小，砂轮容易堵塞；需要进行在线修整，才能保证磨削的正常进行和加工质量。（4）需要在超精密磨床上进行，设备价格昂贵，磨削成本高。2.3.3精密和超精密磨削加工

582）超精密磨床图2-8为典型液体静压轴承主轴结构原理图。2.3.3精密和超精密磨削加工

59超精密磨床多采用空气静压导轨，如图2－9所示。2.3.3精密和超精密磨削加工

60超精密磨床还采用微量进给装置。如图2－10所示。2.3.3精密和超精密磨削加工

61目前国内、外各种超精密磨床的加工精度和表面粗糙度能够达到的水平为：（1）尺寸精度：0.24～0.50μm；（2）圆度：0.25～1μm；（3）圆柱度：0.25/2500～1/50000；（4）表面粗糙度Ra：0.006～0.01μm。3）超精密磨削工艺磨削参数：（1）砂轮线速度：18～60m/min；（2）工件线速度：4～10m/min；（3）工作台纵向进给速度：50～100mm/min；（4）磨削深度：0.5～1μm；（5）磨削横向进给次数：2～4；（6）无火花磨削次数：3～5；（7）磨削余量：2～5μm。2.3.3精密和超精密磨削加工

623.精密砂带磨削多采用开式磨削方式（图2-11）。2.3.3精密和超精密磨削加工

63需要考虑以下几类因素。1）磨削用量（1）砂带速度。开式砂带磨的砂带速度很低，砂带移动是为了不断有新砂粒进入切削区，控制磨削表面质量和砂带的使用寿命，而磨削的主运动是靠工件的转动或移动来实现的。（2）工件速度。由于砂带速度非常低，切削形成主要靠工件的转动或移动，按磨削要求，工件速度可取10～12m/s。（3）纵向进给量和磨削深度。纵向进给量可参考砂轮磨削来选取，而磨削深度应比砂轮磨削时要小些。粗磨纵向进给量0.17～3.00mm/r，磨削深度为0.05～0.10mm。精磨纵向进给量为0.40～2.00mm/r，磨削深度0.01～0.05mm。（4）接触压力。这是砂带磨削所特有的加工参数，直接影响磨削效率和砂带使用寿命。可根据工件材料、磨粒材料和粒度、磨削余量和表面粗糙度要求来选择，一般选取50～300N，但其大小有时很难控制。2.3.3精密和超精密磨削加工

642）砂带和接触轮的选择应根据被加工材料、加工精度和表面粗糙度要求来选择。其中包括磨料种类、粒度、基底材料、接触轮外缘材料、形状及其硬度等。砂带选择和接触轮选择之间有一定的配合关系要求。3）砂带磨削的冷却和润滑砂带磨削可分为干磨和湿磨两种。湿磨时，磨削液的选择应考虑加工表面粗糙度，被加工材料、砂带粘接剂的种类和基底材料等。例如有些粘接剂为有机物，易受化学溶剂的影响，有些基底材料不防水。干磨时，当粒度大于F150时，可采用干磨剂，有效防止砂带堵塞，提高加工表面质量。2.3.3精密和超精密磨削加工

654.精密超精密研磨1）油石研磨常用油石：①氨基甲酸酯油石；制作方便、成本低廉；②金刚石电铸油石；可以研磨出极低表面粗糙度的表面；③超硬磨料粉末冶金油石；研磨精度高、表面质量好、效率高。特点：加工运动与普通研磨方法相同，可以加工平面、外圆等。2.3.3精密和超精密磨削加工

662）磁性研磨如图2-12所示。2.3.3精密和超精密磨削加工

67磁性研磨具有以下特点和用途：（1）研磨压力的大小随磁场中磁通密度及磁性磨料填充量的增大而增大，可以调节。（2）既可研磨磁性材料零件，又可研磨非磁性材料零件；可研磨金属材料，例如钢、铁、不锈钢、铜、铝等；也可研磨非金属材料，如陶瓷、硅片等。（3）加工精度可达1μm，表面粗糙度Ra可达0.01μm，对于钛合金有较好的研磨效果。（4）可加工工件的外圆、内孔等和去毛刺。由于加工间隙有1～4mm，磁性磨粒在未加磁场前是柔性的，因此还可以研磨成形表面。2.3.3精密和超精密磨削加工

685.精密超精密抛光1）软质磨粒抛光典型的软质磨粒机械抛光方法是弹性发射加工（ElasticEmissionMachining，EEM）（图2－13）。其原理是利用水流加速微细磨粒，以尽可能小的入射角冲击工件表面，在接触点处产生瞬时高温高压而发生固相反应，造成工件表层原子晶格的空位及工件原子和磨粒原子互相扩散，形成与工件表层其他原了结合力较弱的杂质点缺陷。当这些缺陷再次受到磨粒撞击时，杂质点原子与相邻的几个原了被一并移去，同时工件表层凸出的原子也因受到很大的剪切力作用而被切除。2.3.3精密和超精密磨削加工

692.3.3精密和超精密磨削加工

702）浮动抛光是一种平面度极高的非接触超精密抛光方法，浮动抛光装置如图2-14所示。高回转精度的抛光机采用高平面度平面并带有同心圆或螺旋沟槽的锡抛光盘，抛光液覆盖在整个抛光盘表面上，抛光盘及工件高速回转时，在两者之间的抛光液呈动压流体状态，并形成一层液膜，从而使工件在浮起状态下进行抛光。2.3.3精密和超精密磨削加工

712.3.3精密和超精密磨削加工

723）动压浮离抛光是另一种非接触抛光方法。平面非接触抛光装置如图2-15所示。沿圆周方向制有若干个倾斜平面的圆盘在液体中转动时，通过液体楔产生液体动压，使保持环中的工件浮离圆盘表面，由浮动间隙中的粉末颗粒对工件进行抛光。加工过程中无摩擦热和工具磨损，标准平面不会变化，因此，可重复获得精密的工件表面。该方法主要用于半导体基片和各种功能陶瓷材料及光学玻璃的抛光，可同时进行多片加工。2.3.3精密和超精密磨削加工

732.3.3精密和超精密磨削加工

744）非接触化学抛光是一种普通的盘式化学抛光方法，通过供给抛光盘面化学抛光液，使其与被加工面作相对滑动，用抛光盘面来去除被加工件面上产生的化学反应生成物。这种抛光方法以化学腐蚀作用为主，机械作用为辅，所以又称为化学机械抛光。水面滑行抛光是一种工件与抛光盘互不接触，不使用磨料的新型非接触化学抛光方法。它借助于流体压力使工件基片从抛光盘面上浮起，利用具有腐蚀作用的液体作加工液完成抛光，抛光装置如图2-16所示。2.3.3精密和超精密磨削加工

752.3.3精密和超精密磨削加工

762.4微细加工技术2.4.1微细加工技术的概念和特点1.微细加工技术的概念微细加工起源于半导体制造工艺，原来指加工尺度约在微米级范围的加工方式。在微机械研究领域中，它是微米级、亚微米级乃至纳米级微细加工的通称，即微米级微细加工，亚微米级微细加工和纳米级微细加工等。广义上的微细加工，包括精密加工和超精密加工的微小化。

772.4.1微细加工技术的概念和特点2.微细加工技术的特点1）多学科的制造系统工程涉及超微量加工和处理技术、高质量和新型的材料技术、高稳定性和高净化的加工环境、高精度的计量、测试技术以及高可靠性的工况监测和质量控制技术等，体现了多学科的交义融合。2）平面工艺是其工艺基础平面工艺是指制作半异体基片、电子元件、电子线路及其连线、封装等一整套制造工艺技术，现在已在此基础上发展了立体工艺技术。

782.4.1微细加工技术的概念和特点2.微细加工方法的分类见表2－10.

792.4.1微细加工技术的概念和特点表2－10（续）.

802.4.2常用微细加工技术1.光刻加工技术光刻加工可分为两个阶段，第一阶段为原版制作，生成工作原版或工作掩膜，第二阶段为光刻加工。1）原版制作（1）绘制原图；（2）制作缩版、殖版；（3）制作工作原版（工作掩膜）；2）光刻加工（1）预处理；（2）涂胶；（3）曝光；

812.4.2常用微细加工技术（4）显影与烘片；（5）刻蚀；（6）剥膜与检查。2.光刻－电铸－模铸复合成形技术（LIGA）LIGA的加工特点是：1）波长短、分辨力高、穿透力强；2）辐射线几乎完全平行，减少了几何畸变；3）辐射强度高，便于利用灵敏度较低而稳定性较好的抗蚀剂（光刻胶）来实现单涂层工艺；4）发射带谱宽，降低衍射，利于获得高分辨力，并可根据掩膜材料和抗蚀剂的特点选用最佳曝光波长；5）曝光时间短，生产率高；6）加工时间长、工艺过程复杂、价格贵，要求层厚大、抗辐射能力强和稳定性好的掩膜基底。

822.4.2常用微细加工技术LIGA加工的部分零件如图2－17所示。

832.4.3纳米加工技术1.纳米加工的概念和特点纳米技术是指纳米级（0.l～100nm）的材料、产品设计、加工、检测、控制一系列技术。包括纳米材料、纳米级精度制造技术、纳米级精度和表面质量检测、纳米级微传感器和控制技术、微型机电系统和纳米生物学等。纳米加工技术的特点：（1）加上精度达到纳米级；（2）从宏观走向微观；（3）综合系统技术；（4）纳米级范畴。

842.4.3纳米加工技术2.纳米加工方法1）传统加工的精密化包括超精密加工和超精密特种加工等，例如超精密切削车削、超精密磨削、超精密研磨和超精密抛光等。2）传统加工的微细化包括微细加工和超微细加工等。例如高能束加工（电子束、离子束、激光束加工）、光刻和LIGA等。3）扫描探针显微加工包括扫描隧道显微加工和原子力显微加工等。例如原子搬迁移动、原子提取去除和放置增添、原子吸附和脱附、探针雕刻等。4）纳米生物加工有去除、约束和生长三种形式。

852.4.3纳米加工技术（1）生物去除成形加工；（2）生物约束成形加工；（3）生物生长成形加工。3.纳米级典型产品1）纳米级器件纳米级器件是指原子开关、原子继电器、单电子晶体管和量子点等原子级器件和量子级器件，主要是电子器件。2）微型机械可分为1～10mm的小型机械、1μm～1mm的微型机械和利用生物工程和分子组装可实现的1nm～1μm的纳米机械三个等级。

862.4.3纳米加工技术3）微型机电系统（简称MEMS）指集微型机构、微型传感器、微型执行器、信号处理、控制电路、接口、通信、电源等于一体的微型机电器件或综合体，它是美国的惯用词。微型机电系统在生物医学、航空航天、国防、工业、农业、交通和信息等多个部门均有广泛的应用前景。

872.5快速制造技术2.5.1快速制造技术的定义和特点1.快速制造的原理如图2-18所示。

882.5.1快速制造技术的定义和特点2.快速制造的特点快速制造具有如下特点：1）由数字模型直接驱动；2）快速制造设备通用性好；3）可以制造具有任意复杂形状的三维实体；4）快速制造使用的材料具有多样性；5）成形过程中无人干预或较少干预。

892.5.2快速制造技术的工艺方法1.光固化技术（SLA）工作原理如图2-19所示。

90SLA的主要特点是：（1）成形精度高；（2）成形速度快；（3）扫描质量好；（4）成形件表面质量好；（5）成形过程中需添加支撑；（6）成形成本高。2.5.2快速制造技术的工艺方法

912.5.2快速制造技术的工艺方法2.激光选区烧结技术（SLS）工作原理如图2-20所示。

92SLS技术具有如下特点：（1）几乎可以成形任意几何形状结构的零件；（2）无需支撑；（3）成形材料范围广；（4）可快速获得金属零件；（5）未烧结的粉末可重复使用，材料浪费极少；（6）应用面广。2.5.2快速制造技术的工艺方法

932.5.2快速制造技术的工艺方法3.叠层实体造型技术（LOM或SSM）工作原理如图2-21所示。

94其主要技术特点是：（1）零件交截面外的材料打网格使之成为小方块，便于去除；（2）采用成卷的带料供材，用激光进行切割；（3）用行程开关控制加工平面，热压辊只对最上面的新层加热加压；（4）先进行热压、粘接，再切割截面轮廓，以防止定位不准和错层的问题。2.5.2快速制造技术的工艺方法

952.5.2快速制造技术的工艺方法4.熔融沉积制造技术（FDM）工作原理如图2-22所示。

96其主要技术特点是：（1）成形材料广；（2）成形零件性能优良；（3）成形精度较高；（4）成形设备简单、成本低廉，可靠性高；容易制成桌面化和工业化快速成形系统。（5）成形过程无环境污染。2.5.2快速制造技术的工艺方法

972.5.2快速制造技术的工艺方法5.三维打印制造技术（3DP）工作原理如图2-23所示。

98其主要技术特点是：（1）成形效率高；（2）成本低，结构简单，易于实现小型化；（3）适用的材料广泛。2.5.2快速制造技术的工艺方法

992.5.2快速制造工艺方法6.快速成形工艺的比较

1002.5.3快速制造技术的应用1.新产品开发方面1）外形设计；2）设计质量检查；3）零件功能检测；4）装配干涉检查；5）手感检测；6）供货询价和用户评价；7）试验分析模型。

1012.5.3快速制造技术的应用2.快速模具制造

1022.5.3快速制造技术的应用3.快速功能零件制造美国一家公司采用FDMTitan设备和PC线材制造的皮带滑轮，代替生产线上破损的铝制皮带滑轮进行正常运行，解决了配件不能及时供应的问题。4.生物医学制造医疗器械、器官（如骨骼、心脏等）、种植体（如人工关节等）的原型制作。

103第三章特种加工技术3.1概述3.2电火花加工3.3电解加工和电解磨削3.4激光加工技术3.5其他特种加工技术

1043.1概述3.1.1特种加工的产生和发展1.特种加工技术的产生背景（1）解决各种难切削材料的加工问题；（2）解决各种特殊复杂型面的加工问题；（3）解决各种超精密、光整零件的加工问题；（4）特殊零件的加工问题。

1052.特种加工技术的产生20世纪40年代，前苏联科学家拉扎连柯夫妇发明了电火花加工技术。由于各种先进技术的不断应用，产生了多种有别于传统机械加工的新方法，从广义上定义为特种加工（Non-TraditionalMachining，NTM）。3.特种加工技术的发展1）微细化特种微细加工技术成为主流；2）特种加工的应用领域正在拓宽；3）广泛采用自动化技术。3.1.1特种加工的产生和发展

1063.1.1特种加工的分类

107尽管特种加工优点突出，应用日益广泛，但是各种特种加工的能量来源、作用形式、工艺特点却不尽相同，其加工特点与应用范围自然也不一样，而且各自还都具有一定的局限性。为了更好地应用和发挥各种特种加工的最佳功能及效果，必须依据工件材料、尺寸、形状、精度、生产率、经济性等情况作具体分析，区别对待，合理选择特种加工方法。表1-2对几种常见的特种加工方法进行了综合比较。3.1.1特种加工的分类

108表3-2几种常见特种加工方法的综合比较3.1.1特种加工的分类

109表3-2几种常见特种加工方法的综合比较（续）3.1.1特种加工的分类

1101.特种加工的特点（1）不是主要依靠机械能，而是主要用其他的能量（如电能、热能、光能、声能以及化学能等）去除工件材料。（2）工具的硬度可以低于被加工工件材料的硬度，有些情况下，例如在激光加工、电子束加工、离子束加工等加工过程中，根本不需要使用任何工具。（3）在加工过程中，工具和工件之间不存在显著的机械切削力作用，工件不承受机械力，特别适合于精密加工低刚度零件。（4）各种加工方法可以任意复合、扬长避短，形成新的工艺方法，更突出其优越性，便于扩大应用范围。如目前的电解电火花加工（ECDM）、电解电弧加工（ECAM）就是两种特种加工复合而形成的新加工方法。3.1.3特种加工的工艺特点与应用

1112.特种加工的应用可以加工任何硬度、强度、韧性、脆性的金属、非金属材料或复合材料，而且特别适合于加工复杂、微细表面和低刚度的零件。同时，有些方法还可以用于进行超精密加工、镜面加工、光整加工以及纳米级（原子级）的加工。特种加工技术的广泛应用，已经引起了机械制造领域的许多变革。例如对材料的可加工性、工艺路线的安排、新产品的试制过程、产品零件结构设计、零件结构工艺性好坏的衡量标准等产生了一系列的影响。这些影响主要表现在以下几个方面。3.1.3特种加工的工艺特点与应用

1121）改善了材料的可加工性；2）改变了零件的典型工艺路线；3）大大缩短了新产品试制周期；4）对产品零件的结构设计带来了很大影响；5）对传统的结构工艺性好与坏的衡量标准产生重要影响；6）特种加工是微细加工和纳米加工的主要技术手段。3.1.3特种加工的工艺特点与应用

1133.2电火花加工3.2.1电火花加工的特点及应用1.电火花加工的基本原理如图3－1所示。

114图3-1电火花加工原理3.2.1电火花加工的特点及应用

1153.2.1电火花加工的特点及应用实现电火花加工的条件：（1）电极之间始终保持确定的距离（0.02～0.1mm）；（2）放电点的局部区域达到足够高的电流密度（一般为105～106A/cm3），以确保被加工材料能在局部熔化、气化；（3）必须是脉冲性的放电（脉宽0.1～1000μs，脉间不小于l0μs），以确保放电所产生的热量来不及传导扩散到被加工材料的其他部分而集中在局部，使局部的材料产生熔化、气化而被蚀除；（4）及时排除电极间的电蚀产物，以确保电极间介电性能的稳定。

1163.2.1电火花加工的特点及应用整个加工表面将由无数个小凹坑组成（图3-2）。

1173.2.1电火花加工的特点及应用2.电火花加工的特点1）优点（1）可以加工硬、软、韧、脆、高熔点的导电材料；（2）适于加工特殊及复杂形状的零件；（3）脉冲参数可以在一个较大的范围内调节，可以在同一台机床上连续进行粗、半精及精加工。2）缺点（1）主要用于加工金属等导电材料，加工半导体和非导体材料需要具备一定的条件；（2）一般加工速度较慢。；（3）存在电极损耗；（4）最小角部半径有限制。

1183.2.1电火花加工的特点及应用3.电火花加工的应用广泛应用于机械（特别是模具制造）、航天、航空、电子、电机电器、精密机械、仪器仪表、汽车拖拉机、轻工等行业，用以解决难加工材料及复杂形状零件的加工问题。加工范围小至几微米的小轴、孔、缝，大到几米的超大型模具和零件。

1193.2.2电火花加工的常用术语和符号1.工具电极电火花加工用的工具是电火花放电时的电极之一，故称为工具电极，有时简称工具或电极。2.放电间隙电火花放电时工具电极和工件间的距离，它的大小一般在0.01～0.5mm之间，粗加工时间隙较大，精加工时则较小。3.脉冲宽度ti（μs）加到电极和工件上放电间隙两端的电压脉冲的持续时间（如图3-3所示）。

1203.2.2电火花加工的常用术语和符号

1213.2.2电火花加工的常用术语和符号4.脉冲间隔to（μs）是两个电压脉冲之间的间隔时间。间隔时间过短，放电间隙来不及消电离和恢复绝缘，容易产生电弧放电；脉间过长，将降低加工生产率。5.放电时间（电流脉宽）te（μs）是工作液介质击穿后放电间隙中流过放电电流的时间，即电流脉宽，它比电压脉宽稍小，二者相差一个击穿延时td。ti和te对电火花加工的生产率、表面粗糙度和电极损耗有很大影响，但实际起作用的是电流脉宽te。6.脉冲周期tp（μs）加到电极和工件上放电间隙两端的电压脉冲的持续时间。

1223.2.2电火花加工的常用术语和符号7.脉冲频率fp（HZ）脉冲频率是指单位时间内电源发出的脉冲个数。显然，它与脉冲周期tp互为倒数.8.击穿延时td(μs)从间隙两端加上脉冲电压后，一般均要经过一小段延续时间td，工作液介质才能被击穿放电，这一小段时间td称为击穿延时。9.有效脉冲频率fe（HZ）是单位时间内在放电间隙上发生有效放电的次数，又称工作脉冲频率。10.脉冲利用率λ脉冲利用率λ是有效脉冲频率fe与脉冲频率fp之比，又称频率比。

1233.2.2电火花加工的常用术语和符号11.脉宽系数τ脉宽系数是脉冲宽度ti与脉冲周期tp之比。12.占空比ψ是脉冲宽度ti与脉冲间隔to之比，ψ=ti/to。粗加工时占空比一般较大，精加工时占空比应较小，否则放电间隙来不及消电离恢复绝缘，容易引起电弧放电。13.开路电压或峰值电压u（V）是间隙开路和间隙击穿之前td时间内电极间的最高电压。14.火花维持电压每次火花击穿后，在放电间隙上火花放电时的维持电压，一般在25V左右，但它实际是一个高频振荡的电压。

1243.2.2电火花加工的常用术语和符号15.加工电压或间隙平均电压U（V）指加工时电压表上指示的放电间隙两端的平均电压，它是多个开路电压、火花放电维持电压、短路和脉冲间隔等电压的平均值。正常加工时，在30～50V。16.加工电流I（A）加工时电流表上指示的流过放电间隙的平均电流。17.短路电流Is（A）是放电间隙短路时电流表上指示的平均电流。18.峰值电流i（A）间隙火花放电时脉冲电流的最大值（瞬时）。19.短路峰值电流（A）间隙短路时脉冲电流的最大值，它比峰值电流要大20%～40%。

1253.2.3电火花加工的类型

1263.2.4电火花加工的基本规律1.影响材料放电腐蚀的主要因素1）极性效应由于正、负极性不同而彼此电蚀量不一样的现象叫做极性效应。我国通常把工件接脉冲电源的正极（工具电极接负极）时，称“正极性”加工；反之，则称“负极性”加工，又称“反极性”加工。2）电规准电参数电参数主要是指电压脉冲宽度ti、电流脉冲宽度te、脉冲间隔to、脉冲频率f、峰值电流i、峰值电压u和极性等。3）金属材料的热学常数金属的熔点、沸点、比热容、熔化热、汽化热越高，电蚀量将越少，越难加工。

1273.2.4电火花加工的基本规律4）工作液其作用主要是：（1）压缩放电通道，并限制其扩展，使放电能量高度集中在极小的区域内，既加强了蚀除的效果，又提高了放电仿型的精确性。（2）加速电极间隙的冷却和消电离过程，有助于防止出现破坏性电弧放电。（3）通过工作液的流动，加速了蚀除金属的排出，以保持放电工作稳定。（4）加剧放电的流体动力过程，有助于金属的抛出。（5）减少工具电极损耗，加强电极覆盖效应。

1283.2.4电火花加工的基本规律5）其他因素主要是加工过程的稳定性。这些不稳定因素包括加工深度、加工面积，加工型面复杂程度等。2.加工速度和工具损耗速度1）加工速度一般采用体积加工速度vW（mm3/min）来表示。粗加工（加工表面粗糙度Ra为10～20μm）时可达200～1000mm3/min，半精加工（Ra为2.5～10μm）时降低到20～100mm3/min，精加工（Ra为0.32～2.5μm）时一般都在l0mm3/min以下。

1293.2.4电火花加工的基本规律2）工具相对损耗相对损耗或称损耗比θ：降低工具相对损耗的方式：（1）利用极性效应正确选择极性和脉宽；（2）利用吸附效应；（3）利用传热效应；（4）工具电极材料合理选择。3）影响加工精度的主要因素放电间隙的大小及其一致性和工具电极的损耗及其稳定性。

1303.2.4电火花加工的基本规律4）电火花加工的表面质量包括以下三部分内容：（1）表面粗糙度；（2）表面变质层：①熔化凝固层；②热影响层；③显微裂纹。3）表面力学性能。包括三个方面：①显微硬度及耐磨性；②残余应力；③耐疲劳性能。

1313.2.5电火花加工机床1.电火花穿孔成型机床1）机床型号、规格、分类我国国标规定，电火花成型机床均用D71加上机床工作台面宽度的1/10表示，例如D7132。其中，D表示电加工成型机床（若该机床为数控电加工机床，则在D后加K，即DK）；71表示电火花成型机床；32表示机床工作台的宽度为320mm。在中国大陆以外，电火花加工机床的型号没有采用统一标准，由各个生产企业自行确定。

1323.2.5电火花加工机床8轴数控叶片小孔高速电火花加工专用设备外形

1333.2.5电火花加工机床2）电火花加工机床结构主要由机床本体、脉冲电源、自动进给调节系统、工作液过滤和循环系统、数控系统等部分组成，如图3-4所示。

1343.2.5电火花加工机床（1）机床本体由床身、立柱、主轴头及附件、工作台等部分组成，是用来实现工件与工具电极的装夹固定和相对运动的机械系统。通用机床的结构形式有如下几种：立柱式、龙门式、滑枕式、悬臂式、台式、便携式等，如图3-5所示。

1353.2.5电火花加工机床常有一些附件，如可调节工具电极角度的夹头、平动头、油杯等。机械式平动头(b)数控平动头平动头照片

1363.2.5电火花加工机床2）脉冲电源脉冲电源输入为380V、50Hz的交流电，其输出应满足以下要求：①要有一定的脉冲放电能量，否则不能使工件金属气化。②火花放电必须是短时间的脉冲性放电，这样才能使放电产生的热量来不及扩散到其他部分，从而有效地蚀除金属，提高成型性和加工精度。③脉冲波形是单向的，以便充分利用极性效应，提高加工速度和降低工具电极损耗。④脉冲波形的主要参数（峰值电流、脉冲宽度、脉冲间歇等）有较宽的调节范围，以满足粗、中、精加工的要求。⑤有适当的脉冲间隔时间，使放电介质有足够时间消电离并冲去金属颗粒，以免引起电弧而烧伤工件。

1373.2.5电火花加工机床电源一般有如下几种：①弛张式脉冲电源：常用的有RC电路脉冲电源（图3-6）。

1383.2.5电火花加工机床②闸流管脉冲电源闸流管是一种特殊的电子管，当对其栅极通入一脉冲信号时，便可控制管子的导通或截止，输出脉冲电流。由于这种电源的电参数与加工间隙无关，故又称为独立式电源。闸流管脉冲电源的生产率较高，加工稳定，但脉冲宽度较窄，电极损耗较大。

1393.2.5电火花加工机床③晶体管脉冲电源：图3-7所示为自振式晶体管脉冲电源原理图。

1403.2.5电火花加工机床（3）自动进给调节系统图

1413.2.5电火花加工机床（4）工作液循环和过滤系统图3-9所示为工作液强迫循环的两种方式。

1423.2.5电火花加工机床工作液强迫循环过滤是由工作液循环过滤器来完成的。图3-10是常用的工作液循环过滤系统的一种。

1433.2.5电火花加工机床5）数控系统（1）数控电火花机床的类型目前常见的数控机床有三轴数控电火花机床、四轴三联动数控电火花机床、四轴联动或五轴联动甚至六轴联动电火花加工机床。（2)数控电火花机床的数控系统工作原理（3）数控电火花机床常见功能①回原点操作功能。数控电火花在加工前首先要回到机械坐标的零点，即X、Y、Z轴回到轴的正极限处。这样，机床的控制系统才能复位，后续机床运动不会出现紊乱。②置零功能。将当前点的坐标设置为零。③接触感知功能。让电极与工件接触，以便定位。④其他常见功能。

1443.2.5电火花加工机床2.电火花线切割机床简介1）机床分类、型号（1）分类快速走丝线切割机床和慢速走丝线切割机床两种。快速走丝线切割机床的走丝速度为8～10m/s；线电极材料常用直径为φ0.10～φ0.30mm的钼丝。慢速走丝线切割机床走丝速度低于0.2m/s。常用黄铜丝（有时也采用紫铜、钨、钼和各种合金的涂覆线）作为电极丝，铜丝直径通常为φ0.10～φ0.35mm。（2）型号如DK7725：D为机床的类别代号，表示是电加工机床；K为机床的特性代号，表示是数控机床；第一个7为组代号，表示是电火花加工机床，第二个7为系代号（快走丝线切割机床为7，慢走丝线切割机床为6，电火花成型机床为1）；25为基本参数代号，表示工作台横向行程为250mm。

1453.2.5电火花加工机床

1463.2.5电火花加工机床2）快走丝线切割机床简介由机床本体、脉冲电源、数控系统和工作液循环系统组成（图3-11）。

1473.2.5电火花加工机床（1）机床本体机床本体主要由床身、坐标工作台、走丝机构和丝架、工作液箱、附件和夹具等几部分组成。

1483.2.5电火花加工机床（2）脉冲电源线切割加工脉冲电源的脉宽较窄（2～60μs），单个脉冲能量、平均电流（1～5A）一般较小，所以线切割总是采用正极性加工。脉冲电源的形式和品种很多，主要有晶体矩形波脉冲电源、高频分组脉冲电源、阶梯波脉冲电源和并联电容型脉冲电源等。（3）数控系统数控系统的主要作用包括：①轨迹控制作用；②加工控制。（4）工作液循环系统主要包括工作液箱、工作液泵、流量控制阀、进液管、回液管和过滤网罩等；其作用是及时地从加工区域中排除电蚀产物，并连续充分供给清洁的工作液，以保证脉冲放电过程稳定而顺利地进行。

1493.2.5电火花加工机床3）慢走丝线切割机床简介由机床本体、脉冲电源、数控系统和工作液循环系统组成（图3-13）。

1503.2.5电火花加工机床（1）主体结构①机头结构机床和锥度切割装置（U，V轴部分）实现了一体化，并采用了桁架铸造结构，从而大幅度地强化了刚度。②主要部件精密陶瓷材料大量用于工作臂、工作台固定板、工件固定架、导丝装置等主要部件，实现了高刚度和不易变形的结构。③工作液循环系统慢走丝线切割机床大多数采用去离子水作为工作液，所以有的机床（如北京阿奇）带有去离子水系统。在较精密加工时，慢走丝线切割机床采用绝缘性能较好的煤油作为工作液。（2）走丝系统如图3-14所示.

1513.2.5电火花加工机床

1523.2.6电火花成形加工电火花穿孔成形加工是利用火花放电腐蚀金属的原理，用工具电极对工件进行复制加工的工艺方法，其应用范围可归纳为：1.电火花型腔加工国内常采用的三种工艺方法是：单电极平动加工、单电极加工－电极修正－平动加工和多电极加工（同尺寸多电极与不同尺寸多电极）。三种工艺方法的比较见表3-4。

1533.2.6电火花成形加工

1543.2.6电火花成形加工1）单电极平动加工法（如图3-15所示）。

1553.2.6电火花成形加工2）多电极更换法（如图3-16所示）。

1563.2.6电火花成形加工3）分解电极加工法(如图3-17所示)。

1573.2.6电火花成形加工4）手动侧壁修光法，如图3-18所示。

1583.2.6电火花成形加工2.型腔加工用电极1）电极材料的选择常用的有铜钨合金、银钨合金、纯铜以及石墨等。较为广泛使用的是纯铜和石墨。（1）纯铜有如下特点：①稳定性好，生产率高。②精加工比石墨电极损耗小。③采用精密加工时能达到优于1.25μm的表面粗糙度。④因其韧性大，故机械加工性能差，磨削加工困难。⑤适宜于做电火花成型加工的精加工电极材料。（2）石墨电极的特点：①机加工成型容易，容易修正。②加工稳定性能较好，生产率高，在长脉宽、大电流加工时电极损耗小。③机械强度差，尖角处易崩裂。④适用于做电火花成型加工的粗加工电极材料。

1593.2.6电火花成形加工2）电极设计（1）电极的尺寸：包括垂直尺寸和水平尺寸。它们的公差是型腔相应部分公差的1/2～2/3。①垂直尺寸。电极平行于机床主轴线方向上的尺寸称为电极的垂直尺寸。如图3-19所示的电火花成型加工电极，电极垂直尺寸包括加工一个型腔的有效高度L、加工一个型腔位于另一个型腔中需增加的高度L1、加工结束时电极夹具和夹具或压板不发生碰撞而应增加的高度L2等。

1603.2.6电火花成形加工

1613.2.6电火花成形加工②水平尺寸。电极的水平尺寸是指与机床主轴轴线相垂直的横截面尺寸（如图3-20所示）。外部为工件，内部为工具电极。

1623.2.6电火花成形加工电极的水平尺寸可用下式确定：a=A±Kb式中：a——电极水平方向的尺寸；A——型腔的水平方向的尺寸；K——与型腔尺寸标注法有关的系数；b——电极单边缩放量，粗加工时，b=δ1+δ2+δ0。（注：δ1、δ2、δ0的意义参见图3-21)。

1633.2.6电火花成形加工

1643.2.6电火花成形加工a=A±Kb中的±号和K值的具体含义如下：(1)凡图样上型腔凸出部分，其相对应的电极凹入部分的尺寸应放大，即用“+”号；反之，凡图样上型腔凹入部分，其相对应的电极凸出部分的尺寸应缩小，即用“-”号。

1653.2.6电火花成形加工K值的选择原则：当图中型腔尺寸完全标注在边界上(即相当于直径方向尺寸或两边界都为定形边界)时，K取2；一端以中心线或非边界线为基准(即相当于半径方向尺寸或一端边界定形另一端边界定位)时，K取1；对于图中型腔中心线之间的位置尺寸(即两边界为定位尺寸)以及角度值和某些特殊尺寸，电极上相对应的尺寸不增不减，K取0。对于圆弧半径，亦按上述原则确定。根据以上叙述，在图4-19中，电极尺寸a与型腔尺寸A有如下关系：a1=A1，a2=A2-2b，a3=A3-b，a4=A4，a5=A5-b，a6=A6+b当精加工且精加工的平动量为c时，b=δ0+c

1663.2.6电火花成形加工（3)电极的排气孔和冲油孔电火花成型加工时，型腔一般均为盲孔，排气、排屑条件较为困难，这直接影响加工效率与稳定性，精加工时还会影响加工表面粗糙度。为改善排气、排屑条件，大、中型腔加工电极都设计有排气、冲油孔。一般情况下，开孔的位置应尽量保证冲液均匀和气体易于排出。电极开孔示意图如下图所示。

1673.2.6电火花成形加工

1683.2.6电火花成形加工3)电极的制造常用的电极制造方法有：（1）切削加工；（2）线切割加工；（3）电铸加工；4）电极装夹与校正电极装夹的目的是将电极安装在机床的主轴头上，电极校正的目的是使电极的轴线平行于主轴头的轴线，即保证电极与工作台台面垂直，必要时还应保证电极的横截面基准与机床的X、Y轴平行。

1693.2.6电火花成形加工3.工作液强迫循环的应用型腔加工往往需要采用强迫冲油，冲油压力一般为20kPa左右，可随深度的增加而有所增加。冲油对电极损耗有影响，随着冲油压力的增加，电极损耗也增加。这是因为冲油压力增加后，对电极表面的冲刷力也增加，因而使电蚀产物不易反粘到电极表面以补偿其损耗。同时由于游离碳浓度随冲油而降低，因而影响了碳黑膜的生成，且流场不均，电极局部冲刷和反粘及碳黑膜厚度不均匀，严重影响了加工精度。

1703.2.6电火花成形加工4.电规准的选择、转换粗加工要求高生产率和低电极损耗，优先考虑采用较宽的脉冲宽度，然后选择合适的脉冲峰值电流，注意加工面积和加工电流的配合。石墨电极加工钢时，平均电流密度为3～5A/cm2时，纯铜电极加工钢时，平均电流密度大约10A/cm2。中规准与粗规准没有明显界限，按具体加工对象划分。一般选用脉冲宽度ti为20～400μs、峰值电流为10～25A进行中加工。

1713.2.6电火花成形加工精加工时，电极损耗率较大，一般为10%～20%，单边加工余量不超过0.1～0.2mm，表面粗糙度应优于Ra2.5μm，一般都选用窄脉宽（ti为2～20μs）、小峰值电流（＜10A）进行加工。加工规准转换的档数，应根据加工型腔精度、形状复杂程度和尺寸大小等具体条件确定。当加工表面刚好达到本档规准对应的表面粗糙度时，就应及时转换规准，这样既达到修光的目的，又可使各档的金属蚀除量最少，得到尽可能高的加工速度和低电极损耗。

1723.2.6电火花成形加工5.电火花穿孔加工1）冲模凹模穿孔加工

1733.2.6电火花成形加工2）电火花穿孔加工工艺方法凹模电火花穿孔方法有：直接法、间接法、混合法、二次电极法。

1743.2.6电火花成形加工（2）直接法。将凸模长度适当增加，作为电极加工凹模后，割去电极加工端后成为凸模。

1753.2.6电火花成形加工（3）混合法（图3-25）。将电极与凸模连接在以一起加工，然后从凸模上取下电极进行凹模电火花加工；与直接法不同的是，电极可选用其他材料，仍保证电极与凸模的尺寸相等。（4）二次电极法。利用电极（一次电极）制造电极（二次电极），并加工出凸模及凹模的工艺方法称为二次电极法。此方法适用于如下两种情况：①当一次电极为凹形，用于凸模制造有困难时。②当一次电极为凸形，用于凹模制造有困难时。3）各种加工方法的选用见表3－6

1763.2.6电火花成形加工3）工具电极（1）电极材料的选用－－按表3－7

1773.2.6电火花成形加工

1783.2.6电火花成形加工（2）电极设计。工具电极的尺寸精度比凹模高一级，一般精度不低于IT7；表面粗糙度比凹模低一级，通常要小于Ra1.25μm，且直线度、平面度和平行度在100mm长度上不大于0.0lmm。（3）电极制造。冲模电极的制造，一般先经普通机械加工，然后成形磨削。对那些不宜磨削加工的材料，可在机械加工后，由钳工精修。现在，还广泛应用电火花线切割方法加工冲模电极。4）工件准备进行电火花加工前，凹模型孔部位要加工预孔，并留适当的电火花加工余量。余量大小至少应能补偿电火花加工的定位、找正误差及机械加工误差。一般情况下，单边余量为0.3～1.5mm为宜，并力求均匀。对形状复杂的型孔，余量要适当加大。

1793.2.6电火花成形加工5）电规准的选择与更换冲模加工中，常选择粗、中、精三种规准。每一种又可分几档。对粗规准的要求是：生产率高（不低于50mm3/min），工具电极的损耗小。转换中规准之前的表面粗糙度应小于Ra10μm，否则将增加中、精加工的加工余量与加工时间。加工过程要稳定，粗规准主要采用较大的电流，较长的脉冲宽度，采用铜电极时电极相对损耗应低于1%。中规准用于过渡性加工，以减少精加工时的加工余量，提高加工速度。精规准用来最终保证模具所要求的配合间隙、表面粗糙度、刃口斜度等质量指标，并在此前提下尽可能地提高其生产率。故应采用小的电流，高的频率、窄的脉冲宽度。

1803.2.7电火花线切割加工目前线切割机床的加工功能及加工工艺指标均比以前有大幅度的扩展与提高。主要表现在以下几个方面。（1）加工对象。除普通金属、高硬度合金材料外，也适用于人造金刚石、半导体材料、导电陶瓷、铁氧体材料等。（2）加工范围。除一般精密加工外，已能加工大尺寸和大厚度工件（例如汽车零件的加工），并且开始涉及精密微细加工领域。（3）加工形状。线切割加工不仅适用于二维轮廓的加工，而且能加工各种锥度、变锥度以及上、下面形状不同的三维直纹曲面。（4）自动化。自适应控制、自动穿丝、自动换丝的研究与进展，已经使长时间的无人操作成为可能。功能较强的自动编程系统大大提高了编程效率，并能完成各种复杂形状工件的加工。

1813.2.7电火花线切割加工1.基本原理电火花线切割加工与电火花成形加工的基本原理一样，都是利用电极间脉冲放电时的电火花腐蚀原理，实现零部件的加工。图3-26所示为电火花线切割加工示意图。

1823.2.7电火花线切割加工2.电火花线切割加工的特点（1）不需要制造复杂的成形电极。（2）能方便、快捷地加工薄壁、窄槽、异形孔等零件。（3）一般采用精规准一次加工成形，在加工过程中大都不需要转换加工规准。（4）采用移动的长电极丝进行加工，单位长度电极丝的损耗较少，对加工精度的影响比较小。低速走丝线切割加工时，电极丝一次性使用，其损耗对加工精度的影响更小。（5）工作液多采用水基乳化液，很少使用煤油；不易引燃起火，容易实现无人操作运行。（6）没有稳定的拉弧放电状态。（7）脉冲电源的加工电流较小，脉冲宽度较窄，属于中、精加工范畴，采用正极性加工方式。

1833.2.7电火花线切割加工3.电火花线切割加工的应用（1）适用于各种形式的冲裁模及挤压模、粉末冶金模、塑压模等通常带锥度的模具加工。（2）高硬度材料零件的加工。（3）特殊形状零件的加工。（4）加工电火花成形加工用的铜、铜钨、银钨合金等材料电极。4.电火花线切割控制系统及其编程要点1）电火花线切割控制系统（1）控制系统的主要作用。①按加工要求自动控制电极丝相对工件的运动轨迹；②自动控制伺服进给速度，保持恒定的放电间隙，防止开路和短路，实现对工件形状和尺寸的加工。

1843.2.7电火花线切割加工（2）控制系统的主要功能：①轨迹控制。精确控制电极丝相对于工件的运动轨迹，以获得所需的形状和尺寸。②加工控制。主要包括对伺服进给速度、电源装置、走丝机构、工作液系统以及其他相关操作控制。此外，断电记忆、故障报警、安全控制及自诊断功能也是一个重要的方面。数字程序控制过程框图如图3-27所示。

1853.2.7电火花线切割加工（3）轨迹控制原理。常见的工程图形都可分解为直线和圆弧或其组合。用数字控制技术来控制直线和圆弧轨迹的方法，有逐点比较法、数字积分法、矢量判别法和最小偏差法等等。高速走丝数控线切割大多采用简单、易行的逐点比较法。此法的线切割数控系统，在X、Y两个方向不能同时进给，只能按直线的斜率或圆弧的曲率来交替地一步一个微米地分步“插补”进给。采用逐点比较法时，X或Y方向每进给一步，插补过程都要进行偏差判别、进给、偏差计算、终点判断四个节拍。不断地重复上述循环过程，就能加工出所要求的轨迹和轮廓形状。

1863.2.7电火花线切割加工（4）加工控制功能。加工控制功能主要有以下几种：①进给速度控制；②短路回退；③间隙补偿；④图形的缩放、旋转和平移；⑤适应控制；⑥自动找中心；⑦信息显示。此外，线切割加工控制系统还具有故障安全（断电记忆等）和自诊断等功能。

1873.2.7电火花线切割加工2）线切割编程要点（1）3B程序指令格式我国高速走丝线切割机床采用统一的五指令3B程序指令格式见表3-8。表中各符号的意义分别是：B为分隔符号，它在程序单上起着把X、Y和J数值分隔开的作用。X、Y为直线的终点对其起点的坐标值或圆弧起点对其圆心的坐标值，编程时均取绝对值，以μm为单位，最多为6位数。

1883.2.7电火花线切割加工J为计数长度，以μm为单位，最多为6位数；G为计数方向，分GX或GY，即可按X方向或Y方向计数，工作台在该方向每走lμm，即计数累减1，当累减到计数长度J=0时，这段程序即加工完毕。Z为加工指令，分为直线L与圆弧R两大类。直线又按走向和终点所在象限而分为L1、L2、L3、L4四种；圆弧又按第一步进入的象限及走向的顺圆、逆圆而分为顺圆SR1、SR2、SR3、SR4及逆圆NR1、NR2、NR3、NR4共八种，如图3-28所示。

1893.2.7电火花线切割加工（2）直线的编程方法。需要注意以下几点：①以直线的起点为原点，建立正常的直角坐标系，x、y表示直线终点的坐标绝对值，单位为μm。最多为6位。②在直线3B代码中，x、y值主要是确定该直线的斜率，所以可以将直线终点坐标的绝对值除以它们的最大公约数作为x、y的值，以简化数值。

1903.2.7电火花线切割加工③若直线与X或Y轴重合，为区别一般直线，x、y均可写作0，也可以不写。④计数方向G的选取原则，应取此程序最后一步的轴向为计数方向。不能预知时，一般选取与终点处的走向较平行的轴向作为计数方向，这样可减小编程误差与加工误差。对直线而言，取X、Y中较大的绝对值和轴向作为计数长度J和计数方向G。⑤J的取值方法为：由计数方向G确定投影方向，若G=Gx，则将直线向X轴投影得到长度的绝对值即为J的值；若G=Gy，则将直线向Y轴投影得到长度的绝对值即为J的值。以μm为单位，最多为6位数。决定计数长度时，要和选计数方向一并考虑。

1913.2.7电火花线切割加工⑥加工指令Z：按照直线走向和终点所在的坐标象限不同可分为L1、L2、L3、L4，其中与＋X轴重合的直线算作L1，与－X轴重合的直线算作L3，与＋Y轴重合的直线算作L2，与－Y轴重合的直线算作L4。（3）圆弧的编程方法。需要注意以下几点：①以圆弧的圆心为坐标原点，建立正常的直角坐标系。②x、y值的确定：用x，y表示圆弧起点坐标的绝对值，单位为μm，最多为6位。③G的确定：计数方向（分Gx和Gy）同样也取与该圆弧终点时走向较平行的轴向作为计数方向，以减少编程和加工误差，即取终点坐标绝对值小的轴向为计数方向（与直线编程相反）。

1923.2.7电火花线切割加工④J的确定：按计数方向G（Gx或Gy）取圆弧在X轴或Y轴上的投影值作为计数长度，单位为μm，最多为6位。如果圆弧较长，跨越两个以上象限，则分别取计数方向对由X轴（或Y轴）上各个象限投影值的绝对值相累加，作为该方向总的计数长度。⑤加工指令Z：按照第一步进入的象限可分为R1、R2、R3、R4；按切割的走向可分为顺圆S和逆圆N，于是共有8种指令：SR1，SR2，SR3，SR4，NR1，NR2，NR3，NR4。

1933.2.7电火花线切割加工5.我国电火花线切割的应用现状及发展（1）稳步发展高速走丝线切割机床的同时，重视低速走丝电火花线切割机床的开发和发展。（2）进一步完善机床结构设计，并改进走丝机构。（3）积极推广多次切割工艺，提高综合工艺水平。（4）发展PC控制系统，扩充线切割机床的控制功能。

1943.3电解加工和电解磨削3.3.1电解加工的特点和应用1.电解加工的原理如图3-29所示。以工件为阳极、工具为阴极，两极之间加上直流电压，电解液以较高的速度从两极之间的缝隙（约0.1～08mm）冲过，使两极之间形成导电通路，两极和电解液之间就有电流通过。工件表面在电化学反应的作用下，溶解到电解液中，电解产生物则被电解液带走。两极之间的间隙大小不等，间隙小处电流密度大，阳极金属去除速度快；而间隙大处电流密度小，去除速度慢。随着工件表面金属材料的不断溶解，工具阴极不断地向工件进给，溶解的电解产物不断地被电解液冲走，工件表面也就逐渐被加工成接近于工具电极的形状。

1953.3.1电解加工的特点和应用

1963.3.1电解加工的特点和应用2.电解加工特点电解加工与其他加工方法相比较，它具有下列特点：（1）能加工各种硬度和强度的材料。只要是金属，不管其硬度和强度如何，都可加工。（2）生产率高。约为电火花加工的5～10倍，在某些情况下，比切削加工的生产率还高，且加工生产率不直接受加工精度和表面粗糙度的限制。（3）表面质量好。电解加工不产生残余应力和变质层，又没有飞边、刀痕和毛刺。在正常情况下，表面粗糙度Ra可达0.2～1.25μm。（4）阴极工具在理论上不损耗，基本上可长期使用。

1973.3.1电解加工的特点和应用电解加工也存在如下的局限性：（1）加工精度一般不如电火花加工和超声波加工高。（2）加工复杂型腔和型面时，工具的制造费用较高，一般不适合于单件和小批量生产。（3）电解加工设备占地面积大，附属设备多，初期投资较大。（4）电解液的处理和回收有一定难度，而且对设备有一定的腐蚀作用，加工过程中产生的气体对环境有一定的污染。

1983.3.1电解加工的特点和应用3.电解加工的应用1）枪、炮管膛线加工;2）型孔及小孔的加工;3）模具型腔加工;4）叶片加工;5）整体叶轮加工;6）电解倒棱、去毛刺;7）数控展成电解加工;8）微精电解加工.

1993.3.1电解加工的特点和应用

2003.3.1电解加工的特点和应用

2013.3.2电解磨削的特点和应用1.电解磨削的加工原理如图3－30所示。导电砂轮3与电源负极相连；5为被加工工件，与电源正极相连。工具与工件以一定的压力相接触，当在它们之间施加电解液时，工件与工具之间发生电化学反应，在工件表面上就会形成一层极薄的氧化物或氢氧化物薄膜，一般称它为阳极薄膜，而工具的表面有突出的磨粒，随着工具与工件的相对运动，工具把工件表面的阳极薄膜刮除，使工件表面露出新的金属并被继续电解，这样，电解作用和机械刮膜作用交替进行，使工件被连续加工，直到加工完毕。

2023.3.2电解磨削的特点和应用

2033.3.2电解磨削的特点和应用2.电解磨削的特点（1）磨削力小，生产率高；（2）加工精度高，表面加工质量好；（3）设备投资较高。3．电解磨削的应用电解磨削广泛应用于平面磨削、成型磨削和内外圆磨削。图3-31（a）、（b）分别为立轴矩台平面电解磨削、卧轴矩台平面电解磨削的示意图。图3-32为电解成型磨削示意图，其磨削原理是将导电砂轮的外圆圆周按需要的形状进行预先成型，然后进行电解磨削。

2043.3.2电解磨削的特点和应用

2053.4激光加工技术3.4.1激光加工及其设备1.激光的特性（1）方向性；（2）单色性；（3）相干性；（4）高亮度。2.激光加工原理（图3-33）

2063.4.1激光加工及其设备YMRF-MV100型成衣激光雕花机

2073.4.1激光加工及其设备

2083.4.1激光加工及其设备3.激光的加工特点（1）几乎可以加工任何材料；（2）激光加工不需要工具，不存在工具损耗、更换和调整等问题，适于自动化连续操作；属于非接触加工，无机械加工变形；（3）激光束可聚焦到微米级，输出功率可以调节，且加工中没有机械力的作用，故适合于精密微细加工；（4）可以透过透明的物质（如空气、玻璃等），故激光可以在任意透明的环境中操作；包括空气、惰性气体、真空甚至某些液体。（5）无需加工工具和特殊环境，便于自动控制连续加工，加工效率高，加工变形和热变形小。（6）激光除可用于材料的蚀除加工外，还可以进行焊接、热处理、表面强化或涂敷、引发化学反应等加工。

2093.4.1激光加工及其设备4.激光加工的基本设备激光加工的基本设备包括四大部分：（1）激光器。是激光加工的核心设备，它把电能转换成光能，并产生激光束。（2）激光器电源。为激光器提供电能并实现激光器和机械系统自动控制。（3）光学系统。主要包括聚焦系统和观察瞄准系统。（4）机械系统。包括床身、数控工作台和数控系统等。图3-34所示为固体激光器结构示意图。

2103.4.1激光加工及其设备

2113.4.2激光加工的应用1.激光打孔广泛用于火箭发动机和柴油机的燃料喷嘴、宝石轴承、金刚石拉丝模、化纤喷丝头等微小孔的加工中。

2123.4.2激光加工的应用激光打孔样品

2133.4.2激光加工的应用激光打孔样品

2143.4.2激光加工的应用2.激光切割激光切割大多采用大功率的CO2激光器（如图3-36所示），对于精细切割，也可采用YAG激光器。

2153.4.2激光加工的应用激光切割具有下列特性：（1）切割精度高、切缝窄（一般为0.1～0.2mm）、加工精度和重复精度高；（2）非接触切割，被切割工件不受机械作用力、变形极小；（3）切割速度高；一般可达2～4m/min。（4）可与计算机数控技术结合，实现加工过程自动化，改善劳动条件。

2163.4.2激光加工的应用激光切割系统BYSPRINT

2173.4.2激光加工的应用激光切割样品－皮革

2183.4.2激光加工的应用3.激光打标利用高能量的激光束照射在工件表面，使工件表面迅速产生蒸发，在工件表面刻出任意所需要的文字和图形，以作为永久防伪标志（如图3-37所示）。

2193.4.2激光加工的应用激光打标设备示意图

2203.4.2激光加工的应用4.激光焊接激光焊接具有以下特点：（1）激光加热范围小，焊接速度高，焊接应力和变形小。（2）适合于微型零件和远距离或一些难以接近的部位的焊接。（3）一台激光器既用于焊接，又用于切割等，一机多用。（4）适用于在玻璃制成的密封容器焊接能对人体产生副作用的材料。激光不受电磁场影响，不存在X射线防护，也不需要真空保护。（5）可以焊接用一般焊接方法难以焊接的材料，如高熔点金属等。甚至可用于非金属材料的焊接，如陶瓷、有机玻璃。焊后无需热处理，适合于某些热敏性的材料的焊接。（6）属于非接触焊接。由于激光焊接的焊接接头没有严重的应力集中，表现出良好的抗疲劳性能和高的抗拉强度。

2213.4.2激光加工的应用

2223.4.2激光加工的应用5.激光表面处理常用的激光表面处理方法有四种，即相变硬化、激光重熔、激光合金化和激光熔覆（图3-38）。

2233.4.2激光加工的应用5.激光表面处理激光表面淬火和表面重熔处理的工件见图3-39。

2243.5其他特种加工技术简介3.5.1电子束加工1.基本原理如图3-40所示。

2253.5.1电子束加工2.电子束加工的特点（1）是一种精密微细的加工方法；微型机械中的光刻技术可达到亚微米级宽度。（2）加工材料范围很广；（3）电子束加工生产率很高；（4）通过磁场或电场对电子束的强度、位置、聚焦等进行直接控制，使整个加工过程实现自动化。特别是在电子束曝光中，从加工位置找准到加工图形的扫描，都可实现自动化。（5）由于电子束加工在真空中进行，因而污染少，加工表面不氧化。（6）电子束加工需要一套专用设备和真空系统，价格较贵，故在生产中受到一定程度的限制。

2263.5.1电子束加工3.电子束加工的应用1）打孔电子束打孔的最小直径己达1μm。孔径在0.5～0.9mm时，其最大孔深己超过10mm，即孔深径比大于15比1。2）焊接电子束焊接一般不用焊条，焊接过程在真空中进行，因此焊缝化学成分稳定，焊接接头的强度往往高于母材。3）热处理电子束热处理的加热速度和冷却速度都很高，在相变过程中，奥氏体化时间很短，只有几分之一秒乃至千分之一秒，奥氏体晶粒来不及长大，从而能获得一种超细晶粒组织，可使工件获得用常规热处理无法达到的硬度。

2273.5.1电子束加工电子束光刻系统

2283.5.1电子束加工真空电子束焊接

2293.5.1电子束加工电子束焊接机结构图

2303.5.1电子束加工电子束加工样品

2313.5.1电子束加工电子束焊接的实例图片

2323.5.2离子束加工1.基本原理图3-41所示为离子束加工原理示意图。

2333.5.2离子束加工2.离子束加工的特点（1）易于精确控制，加工精度高；（2）加工应力小、变形小；（3）加工所产生的污染少；（4）离子束加工应力、变形等极小，加工质量高，适合于各种材料和低刚度零件的加工。3.离子束加工的应用1）离子刻蚀离子刻蚀可以加工各种材料，如金属、半导体、橡胶、塑料、陶瓷等。目前，离子蚀刻应用的一方面是图形刻蚀，如集成电路，光电器件、光电集成器件等微电子学器件的亚微米图形。采用离子刻蚀的还有月球岩石样品的加工，可以从10μm减薄到10nm。

2343.5.2离子束加工2）离子镀膜可在切削工具表面镀氮化钛、碳化钛等硬质材料，以提高刀具的耐用度。也可在金属或非金属表面上镀制金属或非金属材料。目前离子镀膜技术已经用于镀制耐磨膜、耐热膜、耐蚀膜、润滑膜和装饰膜等。3）离子注入离子注入在半导体方面的应用已很普遍，它是将硼、磷等“杂质”离子注入半导体，从而改变其导电型式（P、N极）。此外，离子注入在改善材料的性能，如耐磨性、高硬度、耐蚀性能、润滑性能等方面都非常有效。

2353.5.2离子束加工离子束溅射镀膜设备

2363.5.2离子束加工离子束刻蚀机

2373.5.3超声波加工1.超声波加工的机理超声波加工是利用振动频率超过16000Hz的工具头，通过悬浮液磨料对工件进行成型加工的一种方法，其加工原理如图3-42所示。

2383.5.3超声波加工2.超声波加工的特点（1）特别适合加工各种硬脆材料，尤其是电火花加工等无法加工的不导电非金属材料；（2）加工精度高，加工表面质量好；（3）加工出工件的形状与工具形状一致；（4）与电火花加工、电解加工相比，采用超声波加工硬质金属材料的效率较低。3.超声波加工的应用（1）超声波加工型腔、型孔（图3-43），具有精度高、表面质量好的优点。

2393.5.3超声波加工（2）用超声波可以切割脆硬的半导体材料，普通机械加工切割脆硬的半导体材料是很困难的，采用超声波切割则较为有效。

2403.5.3超声波加工（3）复合加工。如超声波－电解复合加工。单纯用超声波加工，工具损耗较大；单纯电解加工，加工速度又太慢。若二者结合起来，则不但可降低工具损耗，而且可提高加工速度。又如采用超声波－电火花复合加工小孔、窄缝及精微异形孔时，也可获得较好的加工效果。（4）超声波清洗。在清洗溶液（煤油、汽油、四氯化碳）中引入超声波，可使精微零件（如喷油嘴、微型轴承、手表机芯、印制电路板、集成电路微电子器件等）中的细小孔、窄缝、夹缝中的脏物加速溶解、扩散，清洗干净。

2413.5.4水射流切割1.基本原理水射流切割，又称液体水射流加工，是利用超高压、超高速流动的水束流冲击工件而进行加工的（图3-44）。

2423.5.4水射流切割SXSL2015型超高压水射流切割机

2433.5.4水射流切割前混合磨料水射流切割机

2443.5.4水射流切割2.水射流切割的特点（1）加工过程中“刀具”不会变钝，切割质量稳定。可切割各种金属和非金属材料，俗称“水刀”。（2）切缝窄，一般为0.08～0.5mm，可节省材料、降低成本。（3）切割过程不会产生灰尘及火灾。（4）切割温度低，可切割纸、木材、纤维及其制品。（5）切割时工件材料不会受热变形，切边质量较好；切口平整，无毛刺。（6）加工材料范围广。既可用来加工非金属材料，也可以加工金属材料，而且更适宜于切割薄的和软的材料。水射流切割存在的主要问题是喷嘴的成本较高。喷嘴的使用寿命、切割速度和精度仍有待进一步提高。

2453.5.4水射流切割3.水射流切割的应用1）建筑、装潢切割大理石、花岗岩，雕刻出精美的花鸟虫鱼、生肖艺术拼花图案，呈现出五彩缤纷的图案而进入千家万户。2）汽车制造用于切割仪表盘、内外饰件、门板、窗玻璃，不需要模具，可提高生产线的加工柔性。3）航空、航天切割纤维、碳纤维等复合材料，切割时不产生分层，无热聚集，工件切割边缘质量高。4）食品行业切割松碎食品、菜、肉等，可减少细胞组织的破坏，增加存放期。5）纺织工业切割多层布条，可提高切割效率，减少布料边端损伤。

2463.5.5磨料喷射加工1.磨料喷射原理利用磨料与压缩气体混合后经过喷嘴形成的高速束流，通过对工件的高速冲击和抛磨作用来去除工件上多余的材料，达到加工的目的。（图3-45）。

2473.5.5磨料喷射加工2.加工特点（1）它属于精细加工工艺，主要用于去毛刺、清洗表面、刻蚀等。（2）可以加工导电或非导电材料，也可加工像玻璃、陶瓷、淬硬金属等硬脆材料或是尼龙、聚四氟乙烯、乙缩醛树脂等软材料。（3）可以清理各种沟槽、螺纹及异形孔。3.磨料喷射加工的应用（1）磨光或磨毛玻璃；（2）清理表面；（3）去毛刺；（4）加工半导体材料。

2483.5.6化学加工化学加工的应用形式很多，但属于成形加工的主要有化学铣切（化学蚀刻）和光化学腐蚀加工法。1.化学铣切加工1）加工原理化学铣切实质上是较大面积和较深尺寸的化学蚀刻，其原理如图3-46所示。

2493.5.6化学加工

2503.5.6化学加工2）化学铣切加工的特点（1）可加工任何难切削的金属材料，而不受硬度和强度的限制，如铝合金、钼合金、钛合金、镁合金、不锈钢等。（2）适于大面积加工，可同时加工多件。（3）加工过程中不会产生应力、裂纹、毛刺等缺陷，表面粗糙度可达Ra2.5~1.25μm。（4）加工操作比较简单。化学铣切的主要缺点是：不适合加工窄而深的槽和型孔等，原材料中缺陷和表面不平度、划痕等不易消除，腐蚀液对设备和人体有危害，也不利于环保，故需有适当的防护性措施。

2513.5.6化学加工3）化学铣切加工的应用（1）主要用于较大工件的金属表面厚度减薄加工。铣切厚度一般小于13mm。如在航空和航天工业中常用于局部减轻火箭、飞船舱体结构件的重量，对大面积或不利于机械加工的薄壁形整体壁板的加工亦适用。（2）用于在厚度小于1.5mm薄壁零件上加工复杂的型孔。2.光化学腐蚀加工的应用光化学腐蚀加工简称光化学加工，是光学照相制版和光刻（化学腐蚀）相结合的一种精密微细加工技术。它与化学蚀刻（化学铣削）的主要区别是不靠样板人工刻形、划线，而是用照相感光来确定工件表面要蚀除的图形、线条，因此可以加工出非常精细的文字图案。目前己在工艺美术、机制工业和电子工业中获得应用。

252第四章自动化制造系统4.1柔性制造系统4.2计算机集成制造系统

2534.1柔性制造系统4.1.1概述1.柔性制造系统的概念柔性制造系统（图4-1）是由统一的信息控制系统、物流储存系统和一组数字控制加工设备组成、能适应加工对象变换的自动化机械制造系统，即FlexibleManufacturingSystem，英文缩写为FMS。

2544.1.1概述

2554.1.1概述

2564.1.1概述

2574.1.1概述

2584.1.1概述

2594.1.1概述

2604.1.1概述2.柔性制造系统的发展历程1967年，英国莫休斯公司首次根据威廉森提出的FMS概念，研制出了“系统24”。1976年，日本发那科公司展出了由加工中心和工业机器人组成的柔性制造单元（简称FMC），为发展FMS提供了重要的设备形式。70年代末期，柔性制造系统在技术和数量上都有较大发展；80年代初期已进入实用阶段。其中以由3～5台设备组成的柔性制造系统为最多，也有规模更庞大的系统投入使用。1982年，日本发那科公司建成的自动化电机加工车间，由60个柔性制造单元（包括50个工业机器人）和一个立体仓库组成，另有两台自动引导台车传送毛坯和工件，此外还有一个无人化电机装配车间，它们都能连续24小时运转。

2614.1.2FMS的组成一个柔性制造系统（FMS）可概括为由下列三部分组成：多工位数控加工系统、自动化的物料储运系统和控制与管理系统（如图4-2所示）。

2624.1.2FMS的组成三个子系统构成了制造系统的能量流（通过制造工艺改变工件的形状和尺寸）、物料流（主要指工件流和刀具流）和信息流（制造过程的信息和数据处理），如图4-3所示。

2634.1.2FMS的组成1.加工系统加工系统的功能是以任意顺序自动加工各种工件，并能自动地更换工件和工具。对以加工箱体类零件为主的FMS，配备有数控加工中心（有时也有CNC铣床）；对以加工旋转零件为主的FMS，多数配备有CNC车削中心和CNC车床（有时也有CNC磨床）；对于加工专用零件的FMS，如齿轮加工FMS，则除了配备CNC车床外，还配备了CNC齿轮加工机床。在现有的FMS中，加工箱体类零件的FMS占的比重较大，原因就在于箱体、框架类零件采用FMS加工时经济效益特别显著。

2644.1.2FMS的组成板材加工柔性制造系统（FMS）

2654.1.2FMS的组成1）加工系统的配置原则（1）工序集中；（2）使用经济性好；（3）控制功能强、扩展性好；操作性、可靠性、维修性好；（4）高刚度、高精度、高速度。选用切削功能强、加工质量稳定、生产效率高的加工设备。（5）对环境的适应性与保护性好。（6）其他。如技术资料齐全，机床上的各种显示、标记等清楚，机床外形、颜色美观并与系统相协调。

2662）常用设备（1）加工中心图4-4所示为FMS系统中广泛采用的TH6513C型卧式镗铣加工中心。4.1.2FMS的组成

267NV-800立式加工中心4.1.2FMS的组成

268（2）数控组合机床图4-5所示为一台三工位数控组合机床。4.1.2FMS的组成

2692.物流系统包含物料输送和物料储存检索两个子系统。1）物料输送系统主要有传送带式输送系统等。它由传动装置带动工件（或随行夹具）向前，在将要到达要求位置时，减速慢行使工件准确定位。工件（或随行夹具）定位、夹紧完毕后，传动装置使输送带快速复位。（1）工件的输送方式目前，工件送入系统和在夹具上装夹工件仍需人工操作，系统中设置装卸工位。较重的工件可用各种起重设备或机器人搬运。工件输送方式：①直线式输送；②环形输送。箱体类零件较多采用环形或直线式轨迹传送系统或自动输送小车系统（图4-6），而回转体类零件则较多采用机器人或（加）自动输送小车系统。4.1.2FMS的组成

2704.1.2FMS的组成

2714.1.2FMS的组成日本神钢自动导向小车

272（2）步伐式工件输送系统步伐式工件输送系统主要有：①弹性棘爪步伐式输送带；②摆杆步伐式输送带；③抬起步伐式输送带；④托盘步伐式输送装置；⑤非同步输送带；⑥自动辊道输送装置。2）物料存储与检索系统是FMS的一个重要组成部分。工件从毛坯到成品的整个生产过程中，只有相当小的一部分时间在机床上进行切削加工，大部分时间消耗于物料的储运过程。对大多数工件来说，可将自动化储存与检索系统视为库房工具，用以跟踪记录材料和工件的输入，储存的工件、刀具和夹具，必要时能够随时对它们进行检索。存储与检索系统主要包括以下装置。4.1.2FMS的组成

2734.1.2FMS的组成链式输送带

274（1）工件装卸站；（2）托盘缓冲站；（3）自动化仓库如图4－7所示。4.1.2FMS的组成

275自动化立体仓库4.1.2FMS的组成

2763.控制与管理系统FMS的控制与管理系统是实现FMS加工过程和物料流动过程的控制、协调、调度、监测和管理的信息流系统，是FMS的神经中枢和命脉，也是各子系统之间的联系纽带。其主要任务是：组织和指挥制造流程，并对制造流程进行控制和监视，向FMS的加工系统、物流系统（储存系统、输送系统及操作系统）提供全部控制信息并进行过程监视，反馈各种在线监测数据，以便修正控制信息，保证系统安全、可靠地运行。4.1.2FMS的组成

2771.FMS的分类按规模大小，FMS可分为如下三类。1）柔性制造单元（FMC）FMC（图4-8）由单台带多托盘系统的加工中心或3台以下的CNC机床组成，具有适应加工多品种产品的灵活性。4.1.3FMS的分类与应用

2782）柔性制造系统（FMS）通常包括3台以上的CNC机床（或加工中心），通过集中的控制系统及物料系统连接起来，可在在不停机情况下实现多品种、中小批量的加工管理。是使用柔性制造技术最具代表性的制造自动化系统。值得一提的是由于装配自动化技术远远落后于加工自动化技术，产品最后的装配工序一直是现代化生产的一个瓶颈问题。研制开发适用于中小批量、多品种生产的高柔性装配自动化系统，特别是柔性装配单元（FAC）及相关设备已越来越广泛地引起重视。4.1.3FMS的分类与应用

2793）柔性制造线（FML）是处于非柔性自动线和FMS之间的生产线，对物料系统的柔性要求低于FMS，但生产效率更高。图4-9所示为加工244FM摩托车发动机气缸的柔性制造线。4.1.3FMS的分类与应用

2802.FMS的应用从加工领域看，现在的FMS不仅能完成机械加工，还可应用于饭金加工、锻造、焊接、装配、铸造和激光、电火花等特种加工，以及喷漆、热处理、注塑和橡胶模制造等加工领域。从生产产品看，现在的FMS已不再局限于汽车、机床、飞机、坦克、火炮、舰船、拖拉机等产品的制造，还可用于计算机、半导体、木制产品、服装、食品/饮料以及医药和化工等产品的生产。据统计，1994年初，世界各国已投入运行的FMS约有3000多个。其中日本拥有2100多个，占世界首位。4.1.3FMS的分类与应用

281FMS发展方向集中在以下几个方面：1）小型化、单元化20世纪90年代开始,FMS由大型复杂系统，向经济、可靠、易管理、灵活性好的小型化、单元化——FMC方向发展。2）模块化、集成化以模块化结构（比如将FMC,FMM作为FMS的基本模块）集成FMS、再以FMS作为制造自动化基本模块集成CIMS是一种基本趋势。3）开放式开放式FMS系统强调5个方面的性能特征：①即插即用；②可移植性；③可扩展性；④可缩放性；⑤互操作性。4.1.4FMS的发展

2824.2计算机集成制造系统4.2.1概述1.CIMS的产生随着自动化技术、计算机技术和机械制造业的飞速发展，出现了“自动化弧岛”。如由加工中心、机器人、物料储运系统组成的FMS，CAD和CAM通过CAPP集成的CAD/CAM系统，以MRPII为核心发展起来的企业信息管理系统等。它们相对独立、易于控制、具有完整的功能模块、具有便于相互连接的接口。随着现代制造技术与信息技术的结合，人们提出了CIMS的现代制造企业模式。CIMS在这些“自动化弧岛”技术的基础上，从市场分析、产品设计、生产规划、制造、质量保证、经营管理到产品售后服务等，通过数据驱动形成一个有机整体，以获得一个高效益、高柔性、智能化的大系统。

2832.CIMS的发展策略1）美国1976年，美国空军制订了集成计算机捕助制造计划ICAM（IntegraratedComputerAidedManufacturing），该计划提出了著名的结构化分析设计方法IDEF（ICAMDefinationMethod），并于1990年在道格拉斯飞机公司建立了CIMS工程。1986年，美国国家标准技术研究院实施的自动化制造技术研究基地（AMRF）计划，提出了CIMS的五层递阶控制结构，至今仍然是CIMS的参考控制结构，获得广泛应用。4.2.1概述

2842）欧盟1984年，发起了欧洲信息技术研究发展战略计划（ESPRIT），在CIMS发展方面制订了专门计划。提出的CIMS开放体系结构（CIM-OSA），为CIMS建模提供了统一描述框架和集成基础结构，已被国际标准草案所采纳，得到广泛应用。4.2.1概述

2853）日本从1980年起，实施包括订货、设计、加工、装配等功能在内的工厂自动化（FA）计划，建立了多个自动化程度较高的无人生产车间。日本政府于1988年提出了智能制造计划（IMS），该计划的目的在于融合日、美、欧各先进工业国家的技术优势和研究开发方法，致力于面向2l世纪的生产系统研究，克服影响制造业生存的各种共性问题，使生产基础技术真正成为人类共同财富和国际公认标准，以推动世界制造业的发展。4.2.1概述

2864）中国1986年制订国家高技术发展计划（863计划），CIMS是其中一个主题。我国的863/CIMS主题发展战略目标是：首先建立CIMS工程研究中心及相应的单元技术研究实验基地，进行CIMS关键技术研究；同时选择有条件、有需求的若干个企业开展CIMS应用示范工程，并使之取得经济与社会效益。在上述基础上，逐步推广并实现CIMS产业化工程。1990年起，863/CIMS主题在全国范围内选择了一批企业作为863/CIMS典型应用企业。截至1995年底，首批CIMS典型应用企业中，成都飞机工业公司CIMS工程，北京第一机床厂CIMS工程，沈阳鼓风机厂CIMS工程分别通过科技部验收和各部、委的成果鉴定，取得了显著的经济和社会效益。其中北京第一机床厂CIMS工程还荣获了美国制造工程师协会（SME）颁发的1995年“CIMS工业领先奖”。4.2.1概述

2873.CIMS的定义计算机集成制造（ComputerIntegratedManufacturing，CIM）的概念是1973年由美国学者JosephHarrington率先提出的，它包含两个基本观点：（1）系统的观点；（2）信息的观点。1998年，我国制定的CIMS的定义为：将信息技术、现代管理技术和制造技术相结合，并应用于企业产品全生命周期（从市场需求分析到最终报废处理）的各个阶段；通过信息集成、过程优化及资源优化，实现物流、信息流、价值流的集成和优化运行，达到人（组织、管理），经营和技术三要素的集成，以加强企业新产品开发的时间（T）、质量（Q）、成本（C）、服务（S）、环境（E），从而提高企业的市场应变能力和竟争能力。这实质上已将计算机集成制造发展到了现代集成制造。4.2.1概述

2883.CIMS的效益1）美国美国国家科研委员会对CIMS实施方面处于领先地位的五家公司，包括麦道飞机公司、通用汽车公司、迪尔拖拉机公司、英格索尔铣床公司和西屋电子公司的长期跟踪调查，1985年的分析表明：①工程设计成本降低了15%～60%；②生产周期缩短了30%～60%；③生产率提高了40%～70%；④在制品数量减少了30%～60%；⑤产品质量提高了2～5倍；⑥工程技术人员工作能力提高了3～35倍；⑦设备利用率提高了2～3倍；⑧人力费用减少了5%～20%。4.2.1概述

2892）日本富士通公司的试点工厂运转一年半后，分析效益如下：①生产率提高2倍；②作业日基准数降低50%；③生产人员减少50%；④库存减少35%；⑤废品率降低为原来的1/3。3）东方电机DFEM-CIMSDFEM－CIMS提高了产品设计开发与创新能力，设计周期在原来6～12个月的基础上普通缩短3个月。实现重大质量事故为零的突破，全面提高了产品质量。DFEM-CIMS建立的信息系统提高了我国大型水轮发电机组的设计和制造水平，使企业具备了设计制造三峡水轮发电机组和700MW巨型水电机组的生产能力。DFEM-CIMS的实施与应用取得了显著的经济效益和社会效益。4.2.1概述

2901.CIMS的三要素通常认为系统集成包括经营、技术及人/机构三个要素（图4-10），这三个要素相互作用、相互支持，使制造系统达到优化。根据这三个要素相互间的关系，可以看出存在四类集成的问题。4.2.2CIMS的组成与体系结构

291（1）利用计算机技术、自动化技术、制造技术及信息技术等支持企业达到预期的经营目标。如缩短产品设计与开发周期，提高产品质量，减少库存量等。即经营目标是企业建立集成的目的，而技术则仅仅是一种手段。（2）利用技术支持企业中各种人员的工作，能互相配合，协调一致，例如通过共享数据库使产品设计人员能及时了解产品制造的可行性。（3）通过改进组织机构、培训人员及提高人员素质，支持企业达到经营目标，即人/机构和技术一样也是实现集成的一个重要手段。（4）统一管理并实现经营、人/机构及技术三者的集成。4.2.2CIMS的组成与体系结构

2922.CIMS的基本结构1993年美国提出了新版的CIMS轮图来表示其结构（图4-11）。4.2.2CIMS的组成与体系结构

293第一层是驱动轮子的轴心——顾客。迅速而圆满地满足顾客的愿望和要求。市场是企业获得利润和求得发展的基本点。第二层是企业组织中的人员和群体工作方法。在多变的、竞争激烈的市场中，企业中的每个人都必须具有市场意识，每个职工都要了解市场的变化以及企业在市场中的地位、本职工作和市场竞争能力的关系。企业的成败关键不是技术，而是人和组织。第三层是信息（知识）共享系统。信息是企业的主要资源，现代企业的生产活动是依靠信息和知识来组织的。在传统的生产方式下，信息冗余量大，传递速度慢，共享程度很低。现代制造企业一定要建立—个信息和知识共享系统，它是以计算机网络为基础的，并且有使用操作方便和可靠的系统，使信息流动起来，形成一个连续不断的信息流，才有可能大大提高企业的生产和工作效率。4.2.2CIMS的组成与体系结构

294第四层是企业的活动层，可划分为三大部门和15个功能区。这15种功能都是企业在市场竞争中必不可少的。第五层是企业管理层，这一层应该是很薄的、但卓有成效的一层，是企业内部活动和企业所在环境的接口。企业管理层是把原料、半成品、资金、设备、技术信息和人力资源作为投入，去组织和管理生产，并将产品推出到市场销售。第六层是企业的外部环境。企业是社会中的经济实体，受到用户、竞争者、合作者和其他市场因素的影响。例如老用户和新用户的各种需求，原料和外购件的供应渠道，推销和代理商的组织，能源、交通和通讯基础设施的好坏，劳动力和金融市场的变动，大专院校和研究所的支持，政府的经济法规和政治形势的变化等。企业管理人员不能孤立地只看到企业内部，必须置身于市场环境中去运筹帷幄、高瞻远瞩地作出企业发展的决策。4.2.2CIMS的组成与体系结构

2953.CIMS的组成分系统由生产经营管理信息系统、工程设计自动化系统、制造自动化系统和质量保证系统四个功能分系统以及计算机通信网络和数据库两个支撑分系统组成，如图4-12所示。4.2.2CIMS的组成与体系结构

2961）管理信息系统（MIS）对企业生产经营的主要作用是：（1）合理安排生产，提高企业生产效率。（2）降低产品的生产成本。（3）提高对客户的服务质量。（4）提高企业的管理水平和管理素质。（5）增加企业的应变能力和竟争能力。2）工程设计自动化系统工程设计自动化系统实质上是指在产品开发过程中引入计算机技术，使产品开发活动更有效、更优质、更自动化地进行。产品开发活动包括产品的概念设计、工程与结构分析、详细设计、工艺设计以及数控编程等设计和制造准备阶段的一系列工作，即通常所说的CAD、CAE、CAPP和CAM四大部分。4.2.2CIMS的组成与体系结构

2973）制造自动化系统主要作用可归纳为：（1）实现多品种、小批量产品制造的柔性自动化。制造过程应包括加工、装配、检验等各生产阶段。目前的制造自动化分系统，大部分只实现了加工制造这一个局部的自动化，能实现加工制造、装配及检验全部自动化的系统还很少。（2）实现优质、低成本、短周期及高效率生产，提高企业的市场竞争力。（3）为作业人员创造舒适而安全的劳动环境。4）质量保证系统其主要功能包括：（1）确定产品质量目标与标准，制订质量计划与检测计划。（2）在企业的内部和外部，通过检测和试验设备以及其他数据源收集质量数据。4.2.2CIMS的组成与体系结构

298（3）把收集到的质量数据转换为所需形式，以评价产品质量，诊断缺陷及其原因。（4）当诊断出缺陷产生的原因后，将有关纠正措施的控制信息传送给相应的部门、人员及设备。（5）为不同层次的质量问题决策提供依据，进行质量优化与决策。5）CIMS数据库系统组成CIMS的各个功能分系统的信息都要在一个结构合理的数据库系统里进行存储和调用，以实现整个企业数据的集成与共享。数据库系统提供了定义数据结构和方便地对数据进行操纵的功能；具有安全控制功能，保证了数据安全性；提供完整性控制，保证数据的正确性和一致性；提供并发控制，保证多个用户操作数据库数据的正确性。4.2.2CIMS的组成与体系结构

2996）CIMS计算机通信网络系统计算机网络主要由计算机系统（包括终端设备）、通信传输设备和网络软件组成。计算机系统可以是大型机、中型机、小型机、工作站和个人计算机。终端设备包括各种输入/输出设备。通信传输设备包括传输介质、通信设备和通信控制设备。计算机通信网络技术采用国际标准和工业标准规定的网络协议，可以实现异种机互连、异构局部网络及多种网络的互连。通过计算机网络能将物理上分布的CIMS各个功能分系统的信息联系起来，以达到共享的目的。4.2.2CIMS的组成与体系结构

3001.CIMS的现状1）国外目前，国外关于CIMS的研究和推广应用正向纵深发展。欧美国家的重要理工科大学大都建立了与CIM有关的研究所或实验室；有些大学还开设了CIM相关技术的课程。在制造系统模式方面，国外的研究人员对各种新的制造系统模式，如大批量定制生产模式、敏捷制造模式和可持续发展的制造系统模式等进行了深入的研究。这些研究成果充实丰富了CIMS的内涵。4.2.3CIMS的现状与发展

301各种CIMS单元技术，如现代产品设计技术、虚拟制造、并行工程、产品建模技术、面向产品全生命周期的设计分析技术、先进的单元制造工艺、新型数控系统、制造资源计划MRPII、企业资源计划ERP、敏捷供应链管理、企业过程重组BPR、集成质量保证系统和面向产品全生命周期的质量工程等的研究与开发也取得了长足的进步。随着信息技术的发展，系统集成技术领域发展十分迅速。如基于Web技术的制造应用系统的集成、面向对象和浏览器/客户机/服务器及CORBA和COM/OLE规范的企业集成平台和集成框架技术、以因特网和企业内部网及虚拟网络为代表的企业网络技术、异构分布的多库集成和数据仓库技术等。4.2.3CIMS的现状与发展

3022）国内当前，我国CIMS的试点推广应用更进一步，已经扩展到机械、电子、航空、航天、轻工、纺织、冶金、石油化工等诸多领域，正得到各行各业越来越多的关注和投入。在CIMS产业化方面，国产CIMS产业已经崛起，初步形成了多个系列的CIMS目标产品，覆盖了企业信息化工程所需软件产品的85%以上。863/CIMS目标产品，已在50%的CIMS应用示范企业得到应用。国内领先的CIMS目标产品开发单位联合形成了一支在市场上可与国外软件竞争的主力军，在国内形成了一支高水平的产品开发队伍。在CIMS的应用方面，我国已在多个省市、多个行业的多个企业实施或正在实施CIMS应用示范工程，其中已有50多家通过验收并取得显著效益。863/CIMS主题在实践中形成了一支工程设计、开发、应用骨干队伍，总结出了一套适合我国国情的CIMS实施方法、规范和管理机制。4.2.3CIMS的现状与发展

3032.CIMS的发展近些年，并行工程、人工智能及专家系统技术在CIMS中的应用，大大推动了CIMS技术的发展，增强了CIMS的柔性和智能性。随着信息技术的发展，在CIMS基础上又提出了各种现代先进制造系统，诸如精益生产、敏捷制造、全球制造等。与此同时，人们不但将信息技术引入到制造业，而且将基因工程和生物模拟技术引入制造技术中，试图建立一种具有更高柔性的开放的制造系统。4.2.3CIMS的现状与发展

3041.明确用户需求其工作流程是：①组成工作小组→②市场分析和变化趋势分析→③确定企业发展方向，提出初步的具体定量指标→④确定方针政策→⑤编写报告2.可行性论证其工作流程有以下几步：①组织工作队伍，拟定工作计划→②分析企业的市场环境，提出经营目标和应采取的市场策略→③调查和分析企业的内部资源情况，找出瓶颈→④提出系统建设/改造选型的需求确定目标及主要功能→⑤拟定CIMS总体集成方案和技术路线→⑥提出系统开发过程中的关键技术项目及解决途径→⑦明确组织机构调整或变革需求及可能造成的影响→⑧进行投资概算及初步成本效益分析→⑨拟定系统开发计划→⑩编写可行性论证报告4.2.4CIMS的实施方法

3053.初步设计其工作流程是：①建立初步设计组织→②系统需求分析→③设计系统的总体结构→④确定分系统技术方案→⑤设计系统的功能模型→⑥初步确定信息模型的实体和联系→⑦建立过程模型和提出的其他模型→⑧提出系统集成的内部、外部接口需求→⑨提出拟采用的开发方法和技术路线→⑩提出关键技术及解决方案→⑾确定系统配置→⑿规划集成环境下的组织机构→⒀经费预算→⒁技术经济效益分析→⒂确定详细设计任务、实施进度计划→⒃编写初步设计报告4.详细设计其工作流程有以下几步：4.2.4CIMS的实施方法

306①建立详细设计组织→②确定系统的详细需求→③细化系统功能模型→④完成系统信息模型→⑤应用软件系统设计→⑥接口设计→⑦数据库系统设计→⑧系统设备资源设计→⑨信息分类编码设计→⑩关键技术的研究、试验→⑾调整与确定系统组织机构→⑿修正投资预算和效益分析，进行资金规划→⒀拟定系统实施计划→⒁编制详细的系统测试计划→⒂编写详细设计报告和文档5.工程实施其工作流程有以下几步：①修订落实工程实施计划→②建立集成环境→③应用系统实施→④数据库系统实施→⑤组织机构的调整落实→⑥文档编制和完善4.2.4CIMS的实施方法

3076.系统的运行和维护其工作流程有以下几步：①完善各种操作规程和维护规程→②做好后备工作→③技术培训→④系统运行状况纪录→⑤制定维护手册→⑥软、硬件资源维护→⑦数据库，网络系统软件的维护→⑧数据和数据文件维护→⑨机构和人员调整→⑩定期进行系统运行评价4.2.4CIMS的实施方法

308第五章现代生产与管理模式5.1成组技术5.2计算机辅助工艺过程设计5.3精益生产5.4敏捷制造5.5并行工程5.6虚拟制造

3095.1成组技术5.1.1成组技术的原理与相似性市场竞争日益激烈，产品更新换代越来越快。多品种、中小批生产方式约占75%—80%，产品的生产效率低、成本高、市场竞争能力差。如何用规模生产方式组织中小批产品的生产——成组技术就是针对这种需求而发展起来的一种先进技术。充分利用事物间的相似性，将许多具有相似信息的研究对象归并成组，并用大致相同的方法去解决相似组中的生产技术问题，以达到规模生产的效果，这种技术统称为成组技术。

3105.1成组技术5.1.1成组技术的原理与相似性1.成组技术原理成组技术的基本原理就是充分挖掘和利用零件之间的“相似性”，如图5-1所示。

3112.零件相似性前联邦德国的奥匹兹教授等人首先对零件相似性进行了系统研究，阿亨工业大学的机床与生产工程实验室在他领导下，对机床、发动机、矿山机械、仪表、纺织机械等26个产品中的45000种零件进行了统计分析，得出了有关零件相似性的几个重要规律。5.1.1成组技术的原理与相似性

312（1）在机械制造业中，尽管产品功能、结构要素、几何尺寸等各不相同，但组成产品的各种零部件都可分为特殊件、相似件和标准件三大类。其中相似件约占零件种类的70%，是实施成组技术的主要零件。（2）每类零件在同类产品中所占的数量存在一定稳定性，即零件种类与其数量的相关性。（3）在一定时期内，同类零件的最大尺寸不会有大的变动。5.1.1成组技术的原理与相似性

3131.零件分类编码系统的作用（1）利用零件分类编码系统能够得出企业生产零件的频谱和特征信息，为企业进行生产合理化改造和制定技改、技措方针等提供重要的原始资料。（2）零件分类编码系统提供了十分有效的零件检索手段，能够使大量己有的、并被证明十分可靠的资料，得到重复利用；为计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助工艺设计（CAPP）提供技术支持。（3）零件分类编码系统是实现设计－工艺标准化的基础。通过整理零件分类编码，能汇集出相似结构、或相似工艺的零件组。5.1.2零件的分类编码系统

314（4）零件分类编码系统的推广应用有利于实现专业化生产，成组技术是真正实现企业间、甚至行业间横向联系的可靠纽带，可以带来有效的经济效益和社会效益。（5）零件分类编码系统的应用有助于生产信息管理和使用的合理化。2.零件分类编码系统的结构1）零件分类编码系统的总体结构（1）整体式结构。整个系统为一整体，中间不分段。通常功能单一，码位较少的分类编码系统常用这种结构形式。（2）分段式结构。整个系统按码位所表示的特征性质不同，分成2～3段，通常有主辅码分段式和子系统分段式两种形式。分段式结构的分类编码系统在使用上具有较好的灵活性，能适应不同的应用需要。5.1.2零件的分类编码系统

3152）零件分类编码系统码位之间的结构分类编码系统各码位间的结构有三种形式。（1）树式结构（图5-2(a)）5.1.2零件的分类编码系统

316（2）链式结构（图5-2(b)），也称为并列结构或矩阵结构。（3）混合式结构（图5-2(c)），指系统中同时存在以上所说的两种结构。3.常见零件分类编码系统国内外公开发表的分类编码系统多达百余种，其形式和内容也是多种多样，码位从3位到80位不等。目前，国内外制造业中应用比较广泛的零件分类编码系统分别是OPITZ系统、KK－3系统和JLBM－1系统。5.1.2零件的分类编码系统

3171）OPITZ系统总体结构如图5-3所示，由9位十进制数字代码组成。前5位为几何码（又称主码），分别代表零件的种类、基本形状、回转表面加工、平面加工、辅助孔、轮齿、型面加工。后4位为辅助码，分别代表主要尺寸（直径或边长）、材料类型、毛坯形状、加工精度。每一码位有10个特征码。该代码对回转体形状描叙比较完善，但对非回转体及零件外部尺寸的描述比较粗糙，尤其是对工艺特征描叙不够。使用这种编码系统可能会使一部分零件的代码具有不确定性。5.1.2零件的分类编码系统

3185.1.2零件的分类编码系统

3195.1.2零件的分类编码系统

3205.1.2零件的分类编码系统

3212）KK－3系统由21位十进制数字代码组成，代码含义比较明确，但位数太多，编码困难。采用手工编码几乎不可能完成。3）JLBM－1系统JLBM－1系统是我国机械工业部门为在机械加工中推行成组技术而开发的一种零件分类系统，它采用混合式代码结构（图5-4），由15位代码组成。第1、2位码代表零件名称类别；第3~9位是形状与加工码（为主码）；第10~15位代码为辅助码，分别代表材料、毛坯原始形态、热处理、主要尺寸、加工精度；每一码位有10个特征码。该编码系统吸收了以上两个编码系统的优点，但存在位数偏多的缺点。5.1.2零件的分类编码系统

3225.1.2零件的分类编码系统

3234.企业零件分类编码系统的建立一般有以下三种方法：1）企业自主研发只适用于资金和技术力量都比较雄厚的大企业，一般的中小型企业用这种方法并不经济实用。2）采用商品化的系统需要比较大的投资，但比企业自主研发投入的时间要少些，它使企业能够迅速、可靠地应用零件分类编码系统。3）改进公开出版的系统很多企业都采用这种方式来开发自己的分类编码系统。5.1.2零件的分类编码系统

324主要有视检法、生产流程分析法和编码分类法三类，其他方法大都是以上三种类型的衍生物。1.视检法（目测法）由具有一定经验的人员直接观测零件图或实际零件以及零件的制造过程，并依靠其经验作出判断，对零件进行分类成组。这种方法十分简单，在生产零件品种不多的情况下，可取得成功。但当零件种数比较多时，由于受人的观测和判断能力的限制，往往难以获得满意的结果。据国外资料报导，当零件种数大于200时，要取得完全成功是比较困难的。5.1.3零件分类成组

3252.生产流程分析法以零件的加工工艺过程为依据，把工艺过程相近似的零件归为一类，形成加工族，并安排在一个加工单元内加工。应用生产流程分析法进行零件的分类成组时，首先要定义分类成组零件的范围和数量，是生产的所有零件还是一些典型零件需要分类？一旦确定了零件的范围，就可以按照下述步骤来进行分类：（1）数据收集；（2）工艺路线分类；（3）绘制机床－零件相关矩阵；（4）分类成组；（5）检查并平衡机床负荷。5.1.3零件分类成组

3263.编码分类法首先要确定一个零件分类编码系统，并利用该系统对需要分类的零件进行编码。然后制定各零件族的相似性标准，根据这一相似性标准进行零件的归组。为制定零件族相似性标准，又有特征码位法、码域法和特征位码域法三种方法。1）特征码位法（表5-1）5.1.3零件分类成组

3275.1.3零件分类成组

3282）码域法（表5-2）5.1.3零件分类成组

3293）特征码位码域法（表5-3）5.1.3零件分类成组

3301.产品设计方面产品的“三化”（标准化、系列化、通用化）是减少重复设计、减少基本零件种数的基本方法。成组技术的思想与产品“三化”的目标不谋而合。成组技术要求在新产品设计中尽量采用已有产品的零件，减少零件形状、零件上的功能要求以及尺寸的离散性。成组技术要求各种产品间的零件尽可能相似，尽可能重复使用，不仅在同系列产品之中如此，在不同系列产品之间也尽可能如此。5.1.4成组技术的应用

3312.制造工艺方面成组技术最早用于成组工序，即把加工方法、安装方式和机床调整相近的零件归结为零件组，设计出适用于全组零件加工的成组工序。这样，只要能按零件组安排生产调度计划，就可以大大减少由于零件品种更换所需要的机床调整时间。此外，由于零件组内诸零件的安装方式和尺寸相近，可设计出应用于成组工序的公用夹具——成组夹具。只要进行少量的调整或更换某些零件，成组夹具就能适用于全组零件的工序。为此，应将零件按工艺过程相似性分类以形成加工族，然后针对加工族设计成组工艺过程。成组工艺过程是成组工序的集合，能保证按标准化的工艺路线采用同一组机床加工同组内的各零件。以成组技术指导的工艺设计合理化和标准化为基础，不难实现计算机辅助工艺过程设计（CAPP）及计算机辅助成组夹具设计。5.1.4成组技术的应用

3323.生产组织与管理方面将零件按工艺相似性分类形成加工组，加工同一组零件有其相应的一组机床设备。因此，成组生产系统要求按模块化原理组织生产，即采取成组生产单元的生产组织形式。在一个生产单元内由一组工人操作一组设备，生产一个或若干个相近的加工组，在此生产单元内可完成各零件全部或部分生产。零件成组后，成组批量比原来的批量扩大很多，因此可以经济、有效地采用可调的高效机床或数控机床进行加工，迅速提高生产效率。另外，成组技术同时也是计算机辅助管理系统的基础之一。5.1.4成组技术的应用

3334.成组技术与FMS、CIMS关系以成组技术思想建立FMS，既使系统能加工足够多的零件品种，又可简化系统的结构。因此可以把成组技术作为建立FMS的基础。同时，在成组技术基础上建立的FMS相当于一个生产单元。这种FMS的生产单元实现了工艺过程的全部柔性自动化，从而把成组技术的实施提高到一个新的水平。CIMS是通过企业的信息集成以取得企业整体效益的计算机综合应用系统，信息集成是实施CIMS的基础。企业的信息包括从产品设计制造到生产经营与管理的所有信息，为了实现范围如此广泛的信息的集成，需要对信息进行分类编码。可以应用成组技术的基本原理建立面向企业的信息分类编码系统，从而把系统中的有关环节连接到一起。我国CIMS实验工程及各CIMS应用工程都在不同层次上应用了成组技术，并取得了一定的经济效益。5.1.4成组技术的应用

3345.成组技术的效益在多品种、中小批生产企业实施成组技术所能获得的经济效益是多方面的。据国内外的研究表明，实施成组技术的综合技术经济经济效益如图5-5所示。5.1.4成组技术的应用

3355.2计算机辅助工艺过程设计5.2.1CAPP的概念尽管CAPP系统的种类很多，但其基本结构都离不开零件信息的输入、工艺决策、工艺数据/知识库、人机界面与工艺文件管理等五大部分。1.零件信息的输入计算机目前还不能像人一样识别零件图上的所有信息，所以在计算机内部必须有一个专门的数据结构来对零件信息进行描述。如何描述和输入零件信息是CAPP最关键的问题之一。

3362.工艺决策工艺决策是整个系统的指挥中心。它的作用是以零件信息为依据，按预先规定的顺序或逻辑，调用有关工艺数据或规则，进行必要的比较、计算和决策，生成零件的工艺规程。3.工艺数据/知识库工艺数据/知识库是系统的支撑工具。它包含了工艺设计所需要的所有工艺数据（如加工方法、切削用量、机床、刀具、夹具、量具、辅具以及材料、工时、成本核算等多方面的信息）和规则（包括工艺决策逻辑、工艺经验等，如加工方法选择规则、排序规则）。如何表示工艺数据和知识，使知识库便于扩充和维护，并适用于各种不同的企业和产品，是CAPP系统需要迫切解决的问题。5.2.1CAPP的概念

3374.人机界面人机界面是用户的工作平台。包括系统菜单、工艺设计的界面、工艺数据知识的输入和管理界面，以及工艺文件的显示、编辑、打印输出等。5.工艺文件管理一个系统可能有上千个工艺文件，如何管理和维护这些文件是CAPP系统的重要内容。5.2.1CAPP的概念

3381.零件分类编码法零件分类编码法是派生式CAPP系统采用的主要方法。其缺点是即使采用较长码位的分类编码系统，也只能达到“分类”的目的。对于一个零件究竞由多少形状要素组成，各个形状要素的本身尺寸及相互位置尺寸、精度要求，分类编码法都无法解决。因此，如果需要对零件进行详细描述，就必须采用其他描述方法。2.零件表面元素描述法任何一个零件都被看成是由一个或若干个表面元素所组成，这些表面元素可以是圆柱面、圆锥面、螺纹面……。5.2.2CAPP系统中零件信息的描述

3393.零件特征描述法把单个特征表示为以形状特征为核心，由尺寸、公差和其他非几何属性共同构成的信息实体。针对机械加工工艺过程设计，我们可以把零件特征定义为：机械零件上具有特定结构形状和特定工艺属性的几何外形域，它与特定的加工过程集合相对应。零件信息模型是计算机内部对零件信息的一种描述与表达方式，该模型利用计算机进行零件图绘制、工艺决策和推理、尺寸链计算、工序图生成、刀具路径规划以及仿真等工作。在CAPP系统内部如何组织和表达零件信息，使之既便于CAPP系统应用，又便于与CAD/CAM集成，是一个非常重要的课题。5.2.2CAPP系统中零件信息的描述

3401.派生式CAPP系统派生式CAPP系统，也称变异式CAPP系统，它是以成组技术为基础，利用零件的相似性，通过对产品零件的分类归组，可以把工艺相似的零件汇集成零件组，然后编制每个零件的标准工艺，并将其存入CAPP系统的数据库中。这种标准工艺是符合企业生产条件下的最优工艺方案。一个新零件的工艺，是通过检索类似零件的工艺并加以筛选或编辑而成，由此得到了“派生”或“变异”这个术语。派生式CAPP系统工作原理如图5-6所示。5.2.3CAPP系统的类型及其应用

3415.2.3CAPP系统的类型及其应用

3422.创成式CAPP系统也称为生成式CAPP系统。它不是利用相似零件组的复合工艺修改或编辑生成，不需要派生法中的复合工艺文件；而是依靠系统中的决策逻辑和制造工艺数据信息生成。这些信息主要是有关各种加工方法的加工能力和对象，各种设备及刀具的适用范围等一系列的基本知识。工艺决策中的各种决策逻辑存入相对独立的工艺知识库，供主程序调用。创成式CAPP系统工作原理如图5-7所示。5.2.3CAPP系统的类型及其应用

3435.2.3CAPP系统的类型及其应用

3443.智能式CAPP系统传统的创成式系统由于决策逻辑嵌套在应用程序中，系统结构复杂，不易修改。目前的研究工作主要转向智能式CAPP系统。在智能式CAPP系统中，工艺专家编制工艺的经验和知识存在知识库中，它可以方便地通过专用模块增删和修改，这就使系统适应性的通用性大大提高。智能式CAPP系统工作原理如图5-8所示。5.2.3CAPP系统的类型及其应用

3455.2.3CAPP系统的类型及其应用

346目前，国内应用的CAPP系统多数为派生式。派生式CAPP系统开发完成后，工艺人员就可以便用该系统为实际零件编制工艺规程。具体步骤如下：（1）按照采用的分类编码系统对零件编码。（2）检索该零件所在的零件族。（3）调出该零件族的标准工艺规程。（4）利用系统的交互式修订界面，对标准工艺规程进行筛选、编辑、或自动修订。有些系统能提供自动修订的功能，但这需要补充输入零件的一些具体信息。（5）将修订好的工艺规程存储起来，并按给定的格式打印输出。派生式CAPP系统的应用，不仅可以减少工艺人员编制工艺规程的工作，而且相似零件的工艺过程可达到一定程度上的一致性。此外，从技术上讲，派生式CAPP系统容易实现。5.2.3CAPP系统的类型及其应用

3471.开目CAPP系统不仅提供了基于数据库的大型工艺集成设计与管理环境，具备强大的处理复杂工艺数据表格的功能；而且提供了严格的工艺权限和工艺流程管理功能，支持团队并行工艺开发，并提供了和二次开发接口工具。其工艺规程编制以开目CAD为平台，具有功能强大的绘图工具和文字编辑功能。在绘图方面除吸收了开目CAD的所有特点外，还特别提供了工艺简图外轮廓与加工面的特殊绘制方法。在编辑工艺内容时，可以查询系统提供的各种字符库、工程符号库以及企业的各种工艺资源库。提供了用于材料消耗定额计算和工时定额计算的公式管理器。5.2.4国内外常用的CAPP软件

3482.天河CAPP系统针对大、中型企业工艺制造信息化的解决方案，构建企业工艺、制造信息网络协同工作平台环境。包括工艺设计、工艺管理、企业数据处理、二次开发框架与接口、与PDM/ERP系统集成接口等模块；完全基于网络、数据库，实用、智能、开放、安全、满足各专业的设计要求及系统集成要求。主要功能特点是：①“所见所得”，高效实用；②实时支持企业卡片标准的更新；③可满足企业的工艺设计要求；④自动汇总及报表；⑤提供二次开发接口，满足集成要求；⑥企业可方便地扩充天河CAPP的功能，迅速开发出适合本企业的专用CAPP系统；⑦可以方便建立企业工艺管理模型，快速实现工艺任务流程管理；⑧天河CAPP系统提供安全、实用、完善的权限系统、保证用户工艺数据的安全。5.2.4国内外常用的CAPP软件

3493.西工大CAPP西工大CAPP是陕西金叶西工大软件股份有限公司开发的集成化CAPP应用框架与开发平台。主要功能包括：产品结构管理、工艺分工计划、材料定额、工艺设计、工艺信息管理、工艺文档管理、工艺审批流程管理、产品工艺配置、工艺文档浏览、工艺/制造资源管理、工艺知识推理、工艺信息建模、工艺卡片定制、用户管理、系统配置管理等。5.2.4国内外常用的CAPP软件

3504.大天CAPP（GS-CAPP）GS-CAPP是杭州浙大大天信息有限公司的CAPP产品。可进行工艺过程卡及其工序卡的设计，自动统计生成管理用工艺文件，并对整个工艺设计流程进行控制和管理。系统基于分布式数据库设计，采用自顶向下的工艺设计与管理，支持产品零部件不同工艺的并行设计，内置GS-ZDDS二维绘图工具。5.2.4国内外常用的CAPP软件

3515.思普CAPP（SIPM/CAPP）SIPM/CAPP是上海思普信息技术有限公司的CAPP产品。思普工艺设计系统（简称SIPM系统）主要包括五个部分：SIPM/BASE基础数据维护系统、SIPM/CCPM工艺卡片格式定制系统、SIPM/PPCD工艺设计系统、SIPM/CAD工序图绘制系统、SIPM/PPDM产品数据管理系统。每个系统均能独立运行，整个工艺工作流程受思普产品数据管理系统SIPM/PPDM的管理，形成了一个有机整体，为工厂工艺工作提供一个网络化的并行产品设计和工艺设计工作环境。5.2.4国内外常用的CAPP软件

3526.山大华特CAPP（WIT-CAPP）WIT-CAPP是山东山大华特软件有限公司自主开发的工艺设计与管理系统。它基于产品结构进行工艺数据管理，工艺文件有版本管理，支持分布式协同的工作模式，提供二次开发工具。5.2.4国内外常用的CAPP软件

3535.3精益生产（LP）5.3.1精益生产的特征和体系1、精益生产的特征有以下几个方面：1）以“人”为中心；2）以“简化”为手段；3）以“技术”为支撑；4）以“尽善尽美”为最终目标。

3545.3.1精益生产的特征和体系2.精益生产的体系结构准时生产（JIT）、全面质量管理（TQC）、成组技术（GT）、弹性作业人数和尊重人性是精益生产的主要支柱（图5-9）。

3555.3.1精益生产的特征和体系1）准时生产（JIT）准时制作业（Just-in-time）的基本含义是在所需要的时间、按所需要的数量生产所需要的产品（或零部件）。其目的是加快半成品的流动，将资金的积压减少到最低限度，从而提高企业的生产效益。2）全面质量管理（TQC）全面质量管理（TotalQualityControl，TQC）是保证产品质量、树立企业形象和达到零缺陷的主要措施，是实施精益生产方式的重要保证。

3565.3.1精益生产的特征和体系全面质量管理（TQC）有以下几层含义。（1）全方位质量管理。不仅对产品的功能质量进行管理，而且对现代质量概念的各个方面进行管理，包括寿命、可靠性、安全性及可负担性等方面的质量管理。（2）全过程质量管理。不仅对加工制造过程进行管理，而且对市场调查、产品设计开发、外协准备、制造装配、检查试验、售后服务等影响产品质量的所有环节进行管理，重在排除上述过程中引起废品的因素，而不是在最终检查中剔除废品。（3）全员质量管理。企业的所有人员，上自经理，下至操作工人，全都参与质量管理，自己检查产品，100%地检查，自我纠正误差，不断改进方案。为了便于全员参加质量管理，需要下功夫使产品质量标准变得直观易懂，增强质量“可见性”，强化全员的质量意识。

3575.3.2精益生产的应用1.在航空工业的应用美国洛克希德公司认为精益生产方式适用于战斗机、战术运输机、导弹和卫星生产的所有领域，包括F-22这种末来主要型号战斗机。为实现F-22项目规定的某些宏伟目标，例如在某些情况下，减少生产车间工作量的80%～90%，公司总经理决定设立“重点工厂”，强调优化流程和消除浪费。这就必须按精益生产的思想进行设计和制造，并开始在现有的一些项目中实现精益生产。洛克希德公司的福特沃思分公司主动向美国空军许诺，每年降低12～24架F-16C战斗机的价格，每架飞机的费用降低300万～2000万美元。

3585.3.2精益生产的应用2.在赛车企业的应用英国的阿斯顿·马丁（AstomMartin）公司是一家有着60余年豪华名牌赛车生产历史的明星企业。80年代未90年代初，公司的经营陷入了困境。为了走出困境，该公司1991年开始按照精益生产的思路，采取了一系列改革措施。这些措施的要点是：（1）领导方面。承认企业根本的变化必须首先从领导层开始。（2）人员方面。消除管理人员与工作人员之间的壁垒，打开公司雇员参与管理的局面，并培育人际间的信任与合作关系，充分发挥人的作用。

3595.3.2精益生产的应用（3）产品开发方面。引入并行工程的概念，成立并行工程产品开发小组，并将质量贯穿于整个产品开发过程。（4）生产方面。承认人是生产一线的主体；通过改变车间布置、减少换装时间和生产批量等措施来引入JIT，并采用看板控制生产过程和库存，从而消除了以前的生产秩序混乱、库存量高等问题。（5）供应方面。减少供应商，实行供应商证书制，实行JIT供货。（6）生产能力方面。成立雇员参与的问题解决小组，致力于提高生产率的改进工作。（7）产品质量方面。通过过程质量控制来提高产品质量。

3605.4敏捷制造（AM）5.4.1敏捷制造的内涵及特点1、敏捷制造的内涵敏捷制造（又称为灵捷制造）作为一个新型制造模式，在概念和组成上在不断地更新和发展，目前尚无统一、公认的定义。通常可以这样认为：敏捷制造是在“竞争——合作/协同”机制作用下，企业通过与市场/用户、合作伙伴在更大范围、更高程度上的集成，提高企业竞争能力，最大限度地满足市场用户的需求，实现对市场需求做出灵活、快速反应的一种制造新模式（图5-10）。

3615.4.1敏捷制造的内涵及特点

362敏捷制造强调“竞争——合作/协同”，采用灵活多变的动态组织结构，改变过去以固定专业部门为基础的静态不变的组织结构，以最快的速度从企业内部某些部门和企业外部不同公司中选出设计、制造该产品的优势部分，组成一个单一的经营实体。企业制造的敏捷性不主张借助大规模的技术改造来刚性地扩充企业的生产能力，不主张构造拥有一切生产要素、独霸市场的巨型公司，制造的敏捷性提出了一条在市场竞争中获利的清新思路。5.4.1敏捷制造的内涵及特点

3632.敏捷制造的特点1）敏捷制造是自主制造系统敏捷制造具有自主性，每个工件和加工过程、设备的利用以及人员的投入都由基本单元自己掌握和决定，使得系统简单、易行、有效。2）敏捷制造是虚拟制造系统敏捷制造系统是一种以适应不同产品为目标而构造的虚拟制造系统，其目标在于能够随着环境的变化迅速地动态重构，对市场的变化做出快速的反应，实现生产的柔性自动化。3）敏捷制造是可重构制造系统5.4.1敏捷制造的内涵及特点

364敏捷制造系统设计不是预先按规定的需求范围建立某过程，而是使制造系统从组织结构上具有可重构性、可重用性和可扩充性三个方面的能力。它有预计完成变化活动的能力，通过对制造系统的硬件重构和扩充，适应新的生产过程，要求软件可重用，能对新制造活动进行指挥、调度与控制。5.4.1敏捷制造的内涵及特点

3651.产品设计和并行工程产品设计和并行工程的使命就是按照客户需求进行产品设计、分析和优化，并在整个企业内实施并行工程。通过产品设计和并行工程，产品设计者在产品的概念设计阶段就要考虑产品整个生命周期的所有重要因素，诸如质量、成本、性能，以及产品的可制造性、可装配性、可靠性、可维护性等。2.虚拟制造虚拟制造提供了一个功能强大的模型和仿真工具集，并且在制造过程分析和企业模型中使用这些工具。5.4.2敏捷制造的关键技术

3663.制造计划与控制其任务就是描述一个集成的宏观（企业的高层计划）和微观（详细的生产系统信息，包括制造路径、详细数据以及支持各种制造操作的信息等）计划环境。该系统将使用基于特征的技术、与CAD数据库的有效连接方法、具有知识处理能力的决策支持系统等。4.智能闭环加工智能闭环加工就是应用先进的控制和计算机系统以改进车间的控制过程。当各种重要参数在加工过程中能够得到监视和控制时，产品质量就能够得到保证。智能的闭环加工将采用投资少、效益高、以计算机为基础的具有开放式结构的控制器，以达到改进车间生产的目标。5.4.2敏捷制造的关键技术

3675.虚拟公司虚拟公司是指企业群体为了赢得某一个机遇性市场竞争，迅速开发某一复杂的产品并推向市场。虚拟企业是由一个企业内部有优势的不同部分和有优势的不同企业，按照资源、技术和人员的最优配置，快速组成的一个功能单一的临时性的经营实体，因此能够迅速抓住市场机遇。这种以最快的速度把企业内部的优势和企业外部不同公司的优势集合起来所形成的竞争力，是以固定专业部门为基础的静态不变的组织结构对市场的竞争力所无法比拟的。5.4.2敏捷制造的关键技术

3685.4.3实施敏捷制造的流程

3691.企业敏捷制造战略选择企业敏捷制造战略选择包括确定企业的敏捷制造战略，产品的吸引力与企业的相对竞争地位，要建立的竞争优势，竞争优势的基本优势分解，基本优势的获得性和合理性分析，战略的实施时机和实施策略分析等。在进行选择时必须做好相关的目标制定和目标管理。2.企业敏捷化建设包括企业经营策略的相应转变和相关的技术准备。企业经营策略需作如下转变：1）员工的敏捷化培训；2）企业的功能/过程分析与重组；3）相应的组织/人员/信息/资源/功能的调整；4）企业的技术准备。5.4.3实施敏捷制造的流程

3703.敏捷制造系统构建敏捷制造系统构建主要分为两部分：方案设计和方案实施。其主要任务则是从结构化分析与结构化设计的角度出发，进行系统逻辑层面的建模及物理系统的构建，从而形成功能、过程、组织、信息、资源间的交互与集成。4.敏捷制造系统的运行与管理敏捷制造系统运行是在敏捷制造方法论的指导下，对系统的功能、过程、组织人员、信息、资源、利润框架等进行系统分析和综合管理。系统运行管理的主要内容有系统的描述与分析方法、决策、管理方法、评价体系/保证体系/安全体系、技术支持等。5.4.3实施敏捷制造的流程

3715.5并行工程5.5.1并行工程的概念并行工程的提出，改变了传统的串行工程的企业组织结构与工作方式、以及人们的思维方法。为了实现并行工程，首先要在设计阶段完成设计人员的集成（即组织一个多功能小组，强调小组成员的协同工作），共享信息，在统一有效的管理下，借助先进的通信手段，使各项工作交叉、并行、有序地进行，从而尽早考虑产品整个生命周期中的所有因素，尽快发现并解决问题，以确保设计与制造的一次成功。有人把并行工程环境比作一个并行工程轮，如图5-12所示。

3725.4.1并行工程的概念

3735.5.2并行工程的特点及效益大量实践表明，实施并行工程可以获得明显的经济效益。据统计，实施并行工程可以使新产品开发周期缩短40%～60%，早期生产中工程变更次数减少一半以上，产品报废及返工率减少75%，产品制造成本降低30%～40%。

3745.5.3并行工程的关键技术1.产品开发过程的重构技术企业要实施并行工程，就要对企业现有的产品开发流程进行深入分析，找出影响产品开发进展的根本原因，重新构造能为有关各方所接受的新模式。实现新的模式需要两个保证条件：一是组织上的保证；二是计算机工具和环境的支持，如DFA、DFM、PDM等。2.并行工程的开发团队（IPT）并行工程是按多功能组划分结构的，这就使得专业知识成为必须。产品开发组是由几个精通不同技术、专业学科的子单元组成的，各子单元的成员包括：产品计划人员、产品概念工程师和分析员、产品设计人员、原型设计工程师、制造工程计划人员、管理和控制人员、计算机集成制造和装配人员、交货和支持成员等。

3755.5.3并行工程的关键技术3.面向X的设计（DFX）较常用的是DFA和DFM。DFA的主要作用是：制定装配工艺规划，考虑装拆的可行性；优化装配路径；在结构设计过程中，通过装配仿真考虑装配干涉。DFA的应用将有效地减少产品最终装配向设计阶段的大反馈，能有效地缩短产品开发周期。同时，DFA也可以优化产品结构，提高产品质量。DFM作为一种设计方法，其主要思想是在产品设计时不但要考虑功能和性能要求，而且要同时考虑制造的可能性、高效性和经济性，即产品的可制造性（或工艺性）。其目标是在保证功能和性能的前提下使制造成本最低。

3765.5.3并行工程的关键技术4.产品信息集成并行工程重组产品开发过程的行为，必然涉及产品信息的变化，包括数据结构和数据。5.计算机支持的协同工作（CSCW）计算机支持的协同工作（ComputerSupportCooperativeWork，CSCW）是研究在计算机技术支持的环境下（CS），特别是在计算机网络环境下，一个群体如何协同工作，完成一项共同的任务（CW）。它的目标是要设计出能支持各种各样的协同工作的工具、环境与应用系统。CSCW系统融计算机的交互性、网络的分布性和多媒体的综合性为一体，为并行工程环境下的多学科小组提供一个协同管理的方式与手段。

3775.5.4并行工程的发展和应用1.并行工程的发展阶段在国外的研究和发展大致经历了以下几个阶段：1）理论研究与初步实践阶段（1985～1992）以美国国防部支持的DARPA/DICE计划、欧洲的ESPRITEII&III计划、日本的IMS计划等作为代表。2）企业的应用阶段（1991～1996）国外一些著名的大公司开始应用并行工程进行产品开发。3）新发展阶段（1996～）这一阶段并行工程发展迅猛，各种新技术不断涌现。如可重用的产品设计方法、网络上的异地协同设计技术、设计中的虚拟现实技术、面向产品生命周期的设计方法学、基于知识的产品数据重用、基于企业级PDM的产品数据管理与共享技术等。

3785.5.4并行工程的发展和应用2.并行工程的应用国外一些著名的大公司通过实施并行工程取得了显著的成效。比较典型的实例有波音公司波音777飞机的开发、美国洛克希德公司新型号导弹的开发等。1）波音公司波音777飞机开发；2）洛克希德公司新型号导弹的开发；3）并行工程在国内的应用。

3795.6虚拟制造5.6.1虚拟制造的产生和发展1.虚拟制造的产生背景随着建模与仿真技术的飞速发展，分布式交互仿真技术对复杂系统的设计与分析带来了巨大帮助，而这些复杂系统足以与现行生产系统相媲美。仿真技术及其相关的建模与优化技术正是信息技术与制造技术结合的桥梁，是企业产生最大经济效益的核心技术。技术计算机图形学、虚拟现实技术和可视化带给人们以强烈的视觉冲击；工程技术人员和客户都迫切希望采用这些先进技术来改进传统制造业，为机械产品的设计、加工、分析以及生产的组织和管理提供一个虚拟的仿真环境，从而能够在计算机上组织和“实现”生产，在产品实际投入生产以前，就对其可制造性和可生产性等各方面的性能进行论证，保证一次投入生产就能够成功。

3805.6虚拟制造5.6.1虚拟制造的产生和发展2.虚拟制造技术的发展1）美国虚拟制造技术的进展1994年，NIST开始联合一些大学科研机构、知名企业以及政府部门进行虚拟制造方面的研究，起动了一项长期的研究项目SIMA（Systemintegrationofmanufacturingapplications）。该项目覆盖了设计、加工、装配和过程建模及车间控制和调度等方面的活动，着重进行制造信息的描述、系统接口规范的制定和相应测试床的开发等。典型的子项目有：

3815.6.1虚拟制造的产生和发展（1）计算机协同设计；（2）设计实例库；（3）制造资源的数据表示；（4）以网络为中心的计算机辅助设计和制造；（5）开放式装配设计环境；（6）工程设计测试床。

3825.6.1虚拟制造的产生和发展2）日本虚拟制造技术的发展东京大学的Kimura教授等人认为：以模型驱动系统和模块化配置系统是虚拟制造的关键内涵。大阪大学的Onosato教授领导的研究小组强调虚拟制造系统与现实制造系统的兼容性和结构上的相似性，认为虚拟制造系统应该在三个方面实现与现实制造系统的兼容：语义兼容、内容兼容和时间兼容。

3835.6.1虚拟制造的产生和发展3）其他国家虚拟制造技术的发展德国、法国、韩国、加拿大等国对虚拟制造技术的研究主要集中在将虚拟制造技术应用于车间级的调度仿真，以及加工、焊接、铸造或装配等过程的动画仿真。但多数研究只是在原有单项仿真的基础上，采用虚拟现实技术改善人机接口，仅仅提供能否加工出来或能否装配等定性分析，缺乏可制造性分析的定量信息；因此对企业的决策只能提供有限的信息，支持的力度还远远不够。

3845.6.2虚拟制造技术的内涵1.虚拟制造的定义“虚拟制造”就是“在计算机上实现制造的本质内容”。虚拟制造最终提供的是一个强有力的建模与仿真环境，使得产品的规划、设计、制造、装配等均可在计算机上来实现，并且能够对产品生产过程的方方面面提供支持。也就是说，虚拟制造应该包括交互式的设计过程、生产过程、工艺规划、调度、装配规划、从生产线到整个企业的后期服务、财务管理等业务的可视化。

3855.6.2虚拟制造技术的内涵2.虚拟制造的特点从虚拟制造的各种定义中，可以看出虚拟制造具有以下突出特点。1）全数字化的产品；2）基于模型的集成；3）柔性的组织模式；4）分布式的协同工作环境；5）仿真结果的高可信度；6）人与虚拟制造环境交互的自然化。

3865.6.2虚拟制造技术的内涵3.虚拟制造的分类虚拟制造根据其应用范围，分为以设计为中心的虚拟制造、以生产为中心的虚拟制造和以控制为中心的虚拟制造三类。1）以设计为中心的虚拟制造其核心思想是把制造信息引入到设计过程，利用制造仿真来优化产品设计，从而在设计阶段就可对设计零件甚至整机进行可制造性分析。包括加工过程的工艺分析，铸造过程的热力学分析，运动部件的运动学和动力学分析；甚至包括加工时间、加工费用和加工精度分析等。

3875.6.2虚拟制造技术的内涵2）以生产为中心的虚拟制造其核心思想是将虚拟制造引入到生产过程中，建立生产过程模型来评估和优化生产过程，以便降低费用，快速评价不同的工艺方案、资源需求计划、工艺计划等。其主要目标是可生产性评价，主要解决“这样组织生产是否合理”的问题。3）以控制为中心的虚拟制造其核心思想是通过对制造设备和制造过程进行仿真，建立虚拟的制造单元；对各种制造单元的控制策略和制造设备的控制策略进行评估，从而实现车间级的基于仿真的最优控制。单元控制器根据制造需求、规划和调度若干个工件在本制造单元的加工工序和各工序的顺序、加工时间等，而每台制造设备的控制器只规划和调度工件在本台设备上的加工顺序和加工代码等。

3885.6.3虚拟制造的关键技术虚拟制造所涉及的技术领域十分广泛，根据各项技术在虚拟制造中的地位和作用，可以把这些技术划分为建模技术、仿真技术和虚拟现实技术。1）建模技术是虚拟现实中的技术核心，也是难点之一。虚拟制造系统是现实制造系统在虚拟环境下的映射，是模型化、形式化和计算机化的抽象描述和表示。虚拟制造建模的关键技术应包括：生产模型、产品模型和工艺模型的信息体系结构。（1）生产模型；（2）产品模型；（3）工艺模型。

3895.6.3虚拟制造的关键技术2）仿真技术就是应用计算机对复杂的现实系统经过抽象和简化形成系统模型，然后在分析的基础上运行此模型，从而得到系统一系列的统计性能。由于仿真是以系统模型为对象的研究方法，而不干扰实际生产系统，同时仿真可以利用计算机的快速运算能力，用很短时间模拟实际生产中需要很长时间的生产周期，因此可以缩短决策时间，避免资金、人力和时间的浪费。计算机还可以重复仿真，优化实施方案。

3905.6.3虚拟制造的关键技术3）虚拟现实技术虚拟现实技术是为改善人与计算机的交互方式，提高计算机可操作性中产生的，是综合利用计算机图形系统、各种显示和控制等接口设备，在计算机上生成可交互的三维环境（称为虚拟环境）中提供沉浸感觉的技术，以及交互性操作的计算机系统称为虚拟现实系统VRS（VirtualRealitySystem）。虚拟现实系统包括操作者、机器和人机接口三个基本要素。它不仅提高了人与计算机之间的和谐程度，也成为了一种有力的仿真工具。利用VRS可以对真实世界进行动态模拟，通过用户的交互输入，并及时按输出修改虚拟环境，使人产生亲临其境的感觉。

3915.6.3虚拟制造的应用和发展1.虚拟制造的应用美国在虚拟制造的研究领域的主要研究项目有以下几个：①美国国家技术标准研究所的国家先进制造试验基地与马里兰大学、芝加哥大学、佛罗里达大学、俄亥俄大学、波音公司等34家单位合作，主要进行遥感显微镜及显微分析；流量计校准；电器标准远程校准与认证；制造电子商务；基于信息的金属成形的虚拟模具设计。②DRPPA的MAVE（theMetricsfortheAgileVirtualEnterprise）项目。③华盛顿州立大学VRCIM实验室的设计与制造虚拟环境项目。④马里兰大学的虚拟制造数据库项目。

3925.6.3虚拟制造的应用和发展欧洲，包括英国曼彻斯特大学、巴斯大学、德国达姆斯特技术大学计算机图形研究所等许多大学都确定以VM作为重点研究方向。虽然美国、德国、日本等工业发达国家都已对虚拟制造技术进行了不同程度的研究和应用。但在这一领域，美国处于国际研究的前沿。福特汽车公司和克莱斯勒汽车公司在新型汽车的开发中已经应用了虚拟制造技术，大大缩短了产品的发布时间。波音公司设计的777型大型客机是世界上首架以三维无纸化方式设计出的飞机，它的设计成功已经成为虚拟制造从理论研究转向实用化的一个里程碑。目前，虚拟现实技术主要应用在以下几个方面：

3935.6.3虚拟制造的应用和发展1）虚拟企业；2）虚拟产品设计；3）虚拟产品制造；4）虚拟生产过程。2.虚拟制造的发展趋势具体表现为：向高精度、高效率建模与仿真发展；向集成计算机材料工程与多尺度建模与仿真发展；向多学科综合优化、全过程建模与仿真发展；向基于数字样机的协同仿真的集成化、平台化方向发展。

394第六章面向可持续发展的绿色制造6.1绿色制造6.2绿色设计6.3清洁生产6.4再资源化技术

3956.1绿色制造6.1.1绿色制造的概念、内涵和发展1.绿色制造的概念绿色制造又称为环境意识制造和面向环境的制造，是一个综合考虑环境影响和资源消耗的现代制造模式。其目标是使产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个生命周期，对环境负面影响最小、资源利用率最高，并使企业经济效益和社会效益协调优化。

3966.1.1绿色制造的概念、内涵和发展绿色制造涉及的问题领域有三部分：（1）制造问题，包括产品生命周期全过程。（2）环境保护问题。（3）资源优化利用问题。绿色制造就是这三部分内容交叉，如图6-1所示。

3976.1.1绿色制造的概念、内涵和发展2.绿色制造的内涵1）绿色制造是“大制造”绿色制造中的“制造”涉及到产品整个生命周期，因而同计算机集成制造、敏捷制造等概念中的“制造”一样，是一个“大制造”概念。2）绿色制造范围广绿色制造涉及的范围非常广泛。包括机械、电子、食品、化工、军工等，几乎覆盖整个工业领域。3）绿色制造重视资源和环境问题资源问题、环境问题、人口问题是当今人类社会面临的三大主要问题。绿色制造从制造系统工程的观点出发，是一种充分考虑前两大问题的一种现代制造模式，是充分考虑制造业资源和环境问题的复杂的系统工程问题。

3986.1.1绿色制造的概念、内涵和发展3.绿色制造的研究现状1）国外绿色制造研究现状在美国，从一些国家重点实验室到国家研究中心，从东海岸的麻省理工学院到西海岸的Berkeley加州大学，大量的研究工作正在进行。在欧洲，国际生产工程学会（CIRP）近几年均有大量论文对绿色制造和多生命周期工程等本质问题进行研究。英国CFSD（thecenterforsustainabledesign）对生态设计、可持续性产品设计等进行了集中研究，并开展了有关的教育工作，发行了TheJournalofSustainableProductDesign杂志。

3996.1.1绿色制造的概念、内涵和发展国际电子电器工程师协会（IEEE）和日本生态设计（EcoDesign）协会联合发起，在松下、索尼、IBM、丰田等多家跨国公司赞助下，InternationalSymposiumonEnvironmentallyConsciousDesignandInverseManufacturing国际研讨会迄今已成功举办了3届，对环境意识制造和逆向制造技术展开了讨论。欧洲、日本、美国等发达国家的许多跨国公司都制定了绿色制造实施目标和措施，开展节能、降耗、产品生命周期评估（LCA）、环境审核、绿色产品开发等具体工作。

4006.1.1绿色制造的概念、内涵和发展2）国内绿色制造研究现状重庆大学和武汉科技大学合作，承担了国家863项目（“绿色制造的资源流模型和实施关键技术研究”、“绿色制造的集成运行模式和使用评估技术”、“面向绿色制造的工艺规划关键使能技术及应用支持系统研究”等）和国家自然科学基金项目（“绿色制造的理论体系和决策支持技术研究”、“制造系统资源消耗模型和资源消耗特性的研究”等），初步建立了绿色制造的理论体系和技术体系，对制造系统物料和能源、资源优化利用以及面向绿色制造的工艺规划方面进行较为深入的研究，开发了一套“面向绿色制造的工艺规划应用支持系统（著作权登记号：2003SR9386）”，并在中国现代集成制造系统网络中开辟了绿色制造专题。

4016.1.1绿色制造的概念、内涵和发展清华大学、机械科学研究院、上海交通大学、装甲兵工程学院以及其他高校和研究机构，如合肥工业大学、华中科技大学等对绿色制造的理论体系、专题技术等也进行了不少的研究。

4026.1.1绿色制造的概念、内涵和发展4.绿色制造发展趋势1）绿色制造正朝着标准化、政策化、法律化的方向发展2）“绿色贸易壁垒”促使着绿色制造技术的全球化发展3）绿色制造技术的集成特性愈来愈突出主要表现在以下几个方面：（1）效益目标集成；（2）组织模式集成；（3）技术集成；（4）绿色产品制造业正带动着传统产业的更新换代；（5）绿色制造带来的新兴产业正在兴起。

4036.1.2绿色制造的内容体系绿色制造作为一种先进制造模式，它强调在产品生命周期全过程中采取绿色措施，从而尽可能地减少产品在整个生命周期中对环境和人体健康的负面影响，提高资源和能源的利用率，所谓产品生命周期全过程，是指从地球环境（土地、空气和海洋）中提取材料，加工制造成产品，并流通给消费者使用。产品报废后经拆卸、回收和再循环将资源重新利用的整个过程，如图6-2所示。

4046.1.2绿色制造的内容体系

4056.1.2绿色制造的内容体系由图可以看出，绿色产品的生命周期可大致分为五个阶段：原材料绿色制备阶段、产品绿色设计与清洁生产阶段、产品的绿色流通阶段及产品绿色使用阶段及产品再资源化阶段。绿色制造谋求经济性的实现如下的产品生命周期环境协调特性。（1）节省资源与能源；（2）良好的环境保护特性；（3）良好的劳动保护特性。

4066.1.2绿色制造的内容体系绿色制造的内容及其相互关系可以由图6-3表示。它包括绿色设计、清洁生产、绿色包装、绿色运输、再资源化技术及企业环境管理等内容。其中，绿色设计是绿色制造的核心，它在企业硬件、软件、组织机构、管理模式的支持下，不断地同产品生命周期的其他阶段以及外部环境因素交换信息，通过信息的反馈与控制实现产品的清洁生产、绿色消费、绿色回收处理及再利用。

4076.1.2绿色制造的内容体系

4086.1.2绿色制造的内容体系绿色制造各部分的主要内容如下：1）企业环境管理①企业可持续发展策略；②ISO14000环境管理标准认证；③环境信息统计分析及综合管理；④企业环境管理内审；⑤产品生命周期的废物管理；⑥可回收件标志和管理等。2）绿色设计①绿色产品的技术、经济、环境模型；②绿色设计中的材料选择技术；③产品均衡寿命设计；④产品长寿命设计；⑤节能设计；⑥面向环境的设计；⑦人机工程设计；⑧可拆卸性设计；⑨面向环境的数据库系统开发技术；⑩生命周期评价；⑾并行工程及人工智能的应用；⑿绿色设计工具与平台等。

4096.1.2绿色制造的内容体系3）清洁生产①生产过程能源优化利用；②生产过程资源优化利用；③生产过程环境状况检测；④生产过程的劳动保护等。4）绿色包装①包装材料的选择；②包装结构；③包装的清洁生产；④包装物的再资源化技术等。5）绿色运输①最佳运输路线及运输方案设计；②物料、仓储的优化设计；③安装调试过程的节能；④安装调试中的节省资源等。

4106.1.2绿色制造的内容体系6）绿色材料①可降解材料的开发；②材料的轻量化设计；③材料的长寿命设计；④绿色材料的生命周期评价；⑤绿色材料数据库开发等。7）绿色能源①可再生能源的应用；②新能源的开发；③传统能源的清洁使用；④能源的生命周期评价；⑤绿色能源数据库开发等。8）再资源化技术①废物管理系统；②废物无公害处理；③废物循环利用；④报废产品的拆卸及分类；⑤报废产品及零件的再制造及重用等。

4116.2绿色设计6.2.1绿色设计的实施过程绿色设计的过程和方法如图6-4所示。主要包括以下步骤：

4126.2.1绿色设计的实施过程1）初步设计根据有关理论和历史资料，用生命周期评价（LifeCycleAssessment，LCA）方法，分析待设计产品生命周期各个阶段可能出现的环境影响因素。在此基础上，运用并行设计的原理，在设计中全面考虑产品生命周期各阶段中产品的绿色特性，并借助各种设计方法与理论，完成产品的初步设计。2）详细设计运用LCA模拟追踪所设计产品生命周期过程，评估设计方案的绿色特性，在此基础上，完成详细设计。3）改进设计根据评估结果，找出产品绿色特性问题所在，进行改进设计，并从产品生命周期的角度出发对产品绿色设计进行整体优化。

4136.2.2绿色设计与传统设计的区别绿色设计是指借助产品生命周期中与产品相关的各类信息（技术信息、环境协调性信息、经济信息），利用并行设计等各种先进的理论，使设计出的产品具有先进的技术性、良好的环境协调性以及合理的经济性的一种系统设计方法。绿色设计的内涵较传统设计丰富得多，主要表现在如下两方面：（1）绿色设计将产品的生命周期拓展为从原材料制备到产品报废后的回收处理及再利用，从而有助于真正实现产品“从摇篮到坟墓（CradletoGrave）”的绿色化。（2）绿色设计在系统论的基础上，利用并行工程的思想，将环境、安全性、能源、资源等因素集成到产品的设计活动当中，有助于实现产品生命周期中“预防为主，治理为辅”的绿色设计战略，从根本上达到保护环境、保护人体健康和优化利用资源与能源的目的。

4146.2.3绿色设计的环境协调原则1）资源利用最佳原则（1）在资源选用时，应充分考虑资源的再生能力，避免因资源的不合理使用而加剧资源的稀缺和造成资源枯竭危机，从而制约生产的可持续发展。因此，设计中应尽可能选择可再生资源。（2）在设计上，应尽可能保证资源在产品的整个生命周期中得到最大限度的利用，力争使资源的回收利用和投入比率趋于1。（3）对于确因技术水平限制而不能回收、再生、重用的废弃物，应能够自然降解，或便于安全的最终处理，以免增加环境的负担。

4156.2.3绿色设计的环境协调原则2）能量利用最佳原则（1）在选用能源类型时，应尽可能选用太阳能、风能等清洁型可再生能源。优化能源结构，尽量减少汽油、煤油等不可再生能源的使用，以有效减缓能源危机。（2）通过设计，力求使产品全生命周期中能量消耗最少，使有效能量与总能耗之比趋于1，以减少能源的浪费。同时，减少由于这些浪费的能量造成的振动、噪声、热辐射以及电磁波等对环境产生污染。

4166.2.3绿色设计的环境协调原则3）污染极小化原则绿色设计应彻底抛弃传统的“先污染、后治理”的末端治理方式。在设计时，就充分考虑如何使产品在其全生命周期中对环境的污染最小，考虑如何消除污染源，从根本上消除污染。确保产品在其全生命周期中产生的环境污染接近于零，是绿色设计的理想目标。4）安全宜人化原则绿色设计不仅要求从产品的制造和使用环境以及产品的质量和可靠性等方面，考虑如何确保生产者和使用者的安全，而且还要求产品符合人机工效学、美学等有关原理，以使产品安全可靠、操作性好、舒适宜人。也就是说，绿色设计不仅要求所设计的产品在其全生命周期过程中对人们的身心健康造成伤害最小，还要求给产品的生产者和使用者提供舒适宜人的作业环境。

4176.2.4生命周期评价生命周期评价（LifeCycleAssessment），也称生命周期分析（LifeCycleAnalysis，LCA），是绿色设计的分析基础。所谓LCA，就是针对产品的环境协调性（如能源、资源的消耗，产品对生态环境和人体健康的影响），运用系统的观点，对产品生命周期的各个阶段（材料制备、设计开发、制造、包装、发运、安装、使用、最终处理及回收再生）进行详细的分析或评估，从而获得产品相关信息的总体情况，为改进产品性能提供完整、准确的信息。LCA的普通标准己于1997年完成，并编制在ISO14040中。LCA原理如图6-5所示。

4186.2.4生命周期评价

4196.2.4生命周期评价1.确定目标与范围生命周期评价的目标，取决于进行生命周期评价的动机。通常，进行生命周期分析的动机有下面四种。1）建立某类产品的参考标准2）识别某类产品的改善潜力3）用于概念设计时的方案比较4）用于详细设计时的方案比较利用生命周期评价方法，寻找详细设计方案的优缺点，并做出综合评判，从中寻求最优方案，并对方案进行改进。

4206.2.4生命周期评价2.清单分析清单分析（InventoryAnalysis）是LCA的核心和关键。它包括数据的收集和处理，当产品生命周期评价的目标和范围确定以后，就可以模拟（对产品设计分析）或追踪（对产品性能评估）产品的整个生命周期，详细列出各个阶段的各种输入和输出清单，并进行分析，从而为下一阶段进行各种因素对目标性能的影响评价作准备。通常，生命周期评价清单分析的过程如图6-6所示。

4216.2.4生命周期评价

4226.2.4生命周期评价3.影响评价影响评价（ImpactAssessment）就是根据清单中的信息，定性或定量分析其对生态系统、人体健康、自然资源及能源消耗等产生的影响。然而，绿色产品涉及到的评价指标众多，其中既有定量指标又有定性指标，这些指标都从不同侧面描述了产品的环境协调性，必须对其进行综合评价。目前有关影响评价的指标体系和方法很多，归纳起来主要包括定性分析法和定量分析法两大类。

4236.2.5面向产品生命周期的设计面向产品生命周期各（某）环节的设计（DesignforX）的缩写是DFX。主要有：面向采购的设计（DesignforProcurement，DFP）；面向制造的设计（DesignforManufacture，DFM）；面向装配的设计（DesignforAssembly，DFA）；面向维修的设计（DesignforService/Maintain/Repair，DFS）；面向拆卸的设计（DesignforDisassembly，DFD）；面向回收的设计（DesignforRecovering&Recycling，DFR）等

4246.2.5面向产品生命周期的设计1.绿色设计中的材料选择1）绿色设计中的材料选择过程绿色设计中的材料选择过程如图6-7所示。

4256.2.5面向产品生命周期的设计2）绿色设计中的材料选择准则（1）材料的环境协调性原则。其主要内容包括：材料的最佳利用原则。第一，尽量选择绿色材料、可再生材料和回收的零部件或材料，使材料的回收利用与投入比率趋于1。第二，尽量选择具有相容性的材料。第三，减少使用材料的种类。第四，材料选择时应尽可能考虑材料的利用率。第五，对不同材料进行标识。

4266.2.5面向产品生命周期的设计能源的最佳利用原则。第一，材料生命周期中应尽可能采用清洁型可再生能源（也称绿色能源），如太阳能、风能、水能、地热能等。第二，材料生命周期能量利用率最高原则，即输入与输出能量的比值最大。污染最小原则。材料生命周期全过程中产出的环境污染最小。材料选择时必须考虑其对环境的影响，尽量避免选择对环境有害的材料。例如在低压电器生产中，应避免采用含镉的银氧化镉（AgCdO）触头材料。

4276.2.5面向产品生命周期的设计损害最小原则。材料生命周期全过程中对人体健康的损害最小。材料选择必须考虑其对人体健康的损害、通常应注意材料的辐射强度、腐蚀性、毒性等。（2）材料的经济性原则。这不仅指优先考虑选用价格比较便宜的材料，而且综合考虑材料对整个制造、运行使用、产品维修乃至报废后的回收处理成本等的影响，以达到最佳技术经济效益。材料的经济性原则主要表现为两方面。

4286.2.5面向产品生命周期的设计①材料的成本效益分析。在绿色设计中，产品的成本应该由材料生命周期成本来表示。显然，降低材料生命周期成本对制造者、使用者和回收者都是有利的。影响材料成本的主要因素包括六个方面：第一，材料本身的相对价格；第二，材料的加工费用；第三，材料的利用率；第四，采用组合结构；第五，节约稀有材料；第六，回收成本。②材料的供应状况。选材时还应考虑当时当地材料的供应情况，为了简化供应和储存的材料品种，应尽可能地减少同一部机器上使用的材料品种。

4296.2.5面向产品生命周期的设计2.绿色包装设计1）绿色包装材料选择应该遵循上述绿色设计中的材料选择准则。2）进行合理的结构设计（1）通过合理的包装结构设计，提高包装的刚度和强度，减少包装材料的使用。（2）通过合理的包装形态设计，减少包装材料的使用。（3）了解包装印刷工艺和内结构，实现包装的省料设计。（4）避免过度包装。

4306.2.5面向产品生命周期的设计（5）通过合理的结构设计，提高运输的效率。（6）通过合理的包装结构设计，避免包装物的随意丢弃，从而减小包装物收集和回收的难度。（7）在包装设计中，在产品外包装上使用各种回收标志。使用不同颜色或其他辅助辨识系统，显著地标明其废弃方法、废弃地点、分类标识等，以增强包装物的有效回收。（8）外包装的结构设计应避免造成对人体的伤害。

4316.2.5面向产品生命周期的设计3.面向拆卸回收的设计产品结构不宜于连续拆卸和回收，主要表现在以下几方面。1）连接结构难于拆卸2）材料多样性3）未考虑拆卸回收过程4）产品使用后，拆卸难度加大5）缺乏所拆卸产品的完整信息

4326.2.5面向产品生命周期的设计解决上述问题的基本思想就是：以方便维修、方便更换、方便回收为目标进行可拆卸设计。1）面向拆卸的设计面向拆卸设计的基本准则主要包括：（1）明确拆卸对象。（2）减少拆卸工作量。（3）增加易拆卸性能。（4）增加易处理性，即在设计时要考虑工人安全操作或实现自动操作。（5）增加易分离性。（6）减少零部件的多样性。

4336.2.5面向产品生命周期的设计2）拆卸工艺设计主要要考虑下列问题：（1）拆卸类型的确定（2）拆卸信息产品拆卸工艺设计所需的信息如图6-8所示。

4346.2.5面向产品生命周期的设计（3）拆卸深度。拆卸时，通常遵从先拆去最有价值的零部件的原则。刚开始拆卸时，所获得的资源回收价值较大，拆卸也较容易，相应的拆卸费用也较低，即单位资源拆卸效益高。随着拆卸程度的加深，单位资源的回收价值减少，拆卸难度增加，单位资源的拆卸效益下降。当单位资源回收价值等于单位资源拆卸费用，即单位资源拆卸效益为零时，达到拆卸技术与经济的协调，所得拆卸的总利润最大。如果继续拆卸，则拆卸效益为负，拆卸的总利润减少。因此，从经济角度出发，拆卸工艺设计时，应尽量寻找最优拆卸深度。

4356.3清洁生产6.3.1节省材料技术1.提高构件承载能力1）提高构件的静态强度（1）合理设计构件的截面形状（2）对于轴类零件，应采用空心环形截面（3）采用等强度梁（4）改善构件的受力状况（5）对构件进行弹、塑性强化，依此抵消部分工作应力。

4366.3.1节省材料技术2）提高构件的疲劳强度主要方法有：（1）降低应力集中（2）提高表面质量（3）进行表面处理3）提高构件的抗冲击能力主要途径是：（1）减小构件刚度，增大静变形Δj。（2）设计缓冲结构。（3）合理选择材料。

4376.3.1节省材料技术4）提高构件的刚度主要途径是合理配置系统的几何参数：（1）合理设计零部件的形状结构。（2）施加预变形。（3）提高接触刚度。5）提高构件的稳定性（1）合理的截面形状。（2）改善杆端支承状况，减小支座系数。（3）等稳定性结构。（4）增加中间支承。（5）改善结构，降低压杆受力。

4386.3.1节省材料技术2.改善机械运动设计方案1）按节材原则设计传动系统推广应用标准化、系列化和通用化的零部件，是节省材料的重要措施之一。采用新型传动形式，如同步带、窄V带、摆线针轮行星传动、谐波齿轮传动、活齿传动等。合理地改善结构布置，可以有效地减小外廓尺寸和重量。2）按照节材原则设计执行机构在机电产品的设计过程中，原动机和传动装置大多是根据工作条件选配，而执行机构则需要设计者自行设计。

4396.3.1节省材料技术3.机械装置的轻量化设计在满足产品功能、性能的前提下，机械装置的轻量化不仅可以节省材料，还可以带来如下优点：（1）能减轻其他部件或构件所承受的载荷。（2）由于机器重量的减轻，能使有效载荷增加（如飞机、车辆、挖掘机等）。（3）节省能源、减少运行费用。（4）易于操作和搬运（如建筑机械、家用电器、体育设备等）。

4406.3.1节省材料技术机械装置轻量化设计的主要方法有以下几种：1）改善机械装置中零件的受力状况合理地布置零件位置；合理设计零件的卸载及均载结构；减小零件的附加载荷。2）限制机械系统的受力设置安全联轴器或缓冲器等。3）提高传统装置承载能力传动系统的结构尺寸对机械装置的机架、箱体，甚至对机器的总体尺寸均有重大影响。选择和开发新型传动装置；采用强化工艺提高传动零件的承载能力。4）合理设计机械装置的结构提高零部件疲劳强度的结构设计；减轻机架重量的结构设计。

4416.3.2节省资源技术机械设备常常是企业的耗能大户；节能主要可从如下几个方面着手。1.运动部件轻量化在保证设备运行正常的情况下、设备运动部件轻量化可以减小能耗。以汽车为例，车体重量减小10%，可以降低油耗10%。运动部件轻型化可以通过选择高强度钢、轻质材料或改进结构设计来实现。

4426.3.2节省资源技术2.减少运动副之间的摩擦在机械设备中，摩擦不仅会磨损设备，还会因克服摩擦力而浪费不少能量。常用的减磨措施有：（1）靡擦副采用互溶性小的材料，以减小摩擦系数。（2）选择合适的摩擦副表面粗糙度，减小摩擦系数。（3）改变摩擦副性质，尽量采用滚动摩擦副或流体摩擦副。（4）加强摩擦副之间的润滑。3.改进传动系统，提高传动效率一般机床的传动系统中，主传动系统功率损失高达20%。传动系统传动效率的提高，可通过缩短传动链、采用新型高效传动机构以及加强传动系统的润滑等措施来实现。

4436.3.2节省资源技术4.采用节能措施很多产品使用过程中，并非时刻都处于做有用功的状态，有很多时间处于“空载”状态。因此，设计时应尽可能采用节能控制，如采用变频技术、模糊控制等。5.适度自动化设备的功能不要一味追求自动化，应以实用为原则。在保证不增加操作者劳动强度和保证操作者安全的情况下，可适当采用手动机构；而不顾实际情况的过度自动化，往往会造成能耗的大量增加。

4446.3.2节省资源技术6.提高能量的转换效率在机械设备中往往还存在一次或多次的能源转换，如电能转换为机械能、化学能转换为机械能等。在转换过程中，往往存在较大的能量损失。因此，应尽可能地提高产品使用过程中的能量转换效率。7.减少能量储备不必要的能量储备实际上是一种浪费。例如当设备的电动机容量选择不合理时，会出现产品功率不匹配的现象（如“大马拉小车”），造成能量损失。

4456.3.3环境友好技术1.干切削技术切削液带来的负面效应，主要表现在以下几个方面：（1）切削液的添加剂含硫、氯等，润滑剂中含亚硝胺、多环芳香烃和细菌分解产物，切削加工中产生的高温，使切削液形成雾状挥发物，污染环境，并损害操作者的健康。（2）某些切削液及粘有该切削液的切屑必须作为有毒、有害材料处理，处理费用非常高。（3）切削液的渗漏、溢出对安全生产有很大影响。（4）切削液的处理、循环、泵吸和过滤使加工系统复杂化，处理成本高。

4466.3.3环境友好技术1）干切削及其特点干切削技术是在加工过程中不施加任何切削液的工艺方法，从源头上消除了切削液带来的环境负面效应。它具有以下特点：（1）形成的切屑无污染，易于回收和处理。（2）节约了与切削液有关的传输、回收，过滤等装置及费用。（3）不会发生与切削液有关的环境污染、安全和质量事故。

4476.3.3环境友好技术2）实现干切削加工的措施（1）刀具要求。干切削要求刀具材料应具有优良的耐热性能和耐磨性能。常用的刀具材料有金刚石、立方氮化硼、陶瓷、涂层和超细晶粒硬质合金等。采用涂层技术，因为性能优良的涂层可降低刀具与工件表面之间的摩擦，减少切削力。目前所使用的刀具中，40%采用了涂层技术。选择适合干切削加工的刀具几何形状，以减少加工中刀具、切屑和工件间的摩擦。（2）切削用量的选择，见表6-1。

4486.3.3环境友好技术

4496.3.3环境友好技术（3）机床结构设计。研究表明，切削液的主要作用是散热和排屑，润滑作用只占10%。因此，机床的结构设计应保证快速排屑和散热，并尽量消除切屑对环境的不利影响。2.无铅化技术由于铅对环境和人体健康具有很大的危害，无铅化已经成为机电行业的发展趋势。3.无铬工艺六价铬及其化合物对人体的皮肤、粘膜和呼吸系统有很大的刺激性和腐蚀性，对中枢神经系统有毒害作用，并且有强致癌性，毒性是三价铬的100倍。欧盟的RoHS/WEEE和我国《电子信息产品生产污染防治管理法》明确规定，禁止使用包括六价铬等有害物质。

4506.4再资源化技术6.4.1拆卸工艺及工具1.拆卸工艺制定步骤1）产品分析在先拆卸最有价值零部件的总体原则下，结合设计信息，对产品可回收再利用的零件与材料进行分析，以获得再生、再利用程度与可能性以及最佳可拆卸程度等信息，为制定正确的拆卸路线，选择适当的拆卸方式作好准备。

4516.4.1拆卸工艺及工具2）产品装配分析产品的装配关系对拆卸有极大的影响，因为拆卸在多数情况下是装配的逆过程。因此必须准确掌握产品装配的有关信息，对产品中各零部件的紧固连接元件、连接方式以及产品生产时装配顺序等进行详尽地分析，为产品的拆卸提供技术参考。3）产品使用方式和影响分析主要是对产品的使用过程与环境进行分析，以考虑产品在使用过程中，因使用环境或维护等原因对拆卸造成的不确定因素。

4526.4.1拆卸工艺及工具4）决定拆卸策略根据所获得的信息，决定产品零部件的拆卸方式，是进行破坏性拆卸、非破坏性拆卸还是部分破坏性拆卸。5）拆卸过程计划和策略在上述步骤基础上，确定拆卸深度、优化拆卸路线、细化拆卸工艺（比如决定拆卸方式、选择拆卸工具、确定拆卸运动等）及制定拆卸工艺书等。

4536.4.1拆卸工艺及工具2.拆卸技术产品报废后，必须采取一定的拆卸手段才能实现零部件的拆卸。选择合理的拆卸技术，直接关系到产品能否拆卸成功和拆卸的经济性。拆卸技术按其自动化程度，可分为手动拆卸和自动拆卸两类。手动拆卸主要依靠手动工具和工人的拆卸技艺来完成拆卸工作，具有对产品类型变化适应能力强等优点；但是拆卸效率低、拆卸质量也受工人技术水平、精神状态等人为因素的影响，多见于各种小型或个人的拆卸厂。自动化拆卸方式更受大企业、大公司的青睐。拆卸系统的规模以及自动化程度，应根据被拆卸产品要求、技术条件和企业自身的实际情况决定。

4546.4.2再制造工程1.再制造定义再制造是指以产品全寿命周期理论为指导，以废旧产品性能实现跨越式提升为目标，以优质、高效、节能、节材、环保为准则，以先进技术和产业化生产为手段，对废旧产品进行修复和改造的一系列技术措施或工程活动的总称。简言之，再制造就是废旧产品高技术维修的产业化。

4556.4.2再制造工程2.再制造过程包括产品清洗、目标对象拆卸、清洗、检测、再制造零部件分类、再制造技术选择、再制造、检验等八个步骤（图6-9）。

4566.4.2再制造工程1）产品清洗产品清洗对于产品性能检测、再制造目标的确定等非常重要。其目的是清除产品尘土、油污、泥沙等脏物。2）目标对象拆卸通过分析产品零部件之间的约束关系，确定目标对象的拆卸路径，完成目标对象拆卸。3）目标对象清洗目标对象的清洗就是根据目标对象的材质、精密程度、污染物性质不同，以及零件清洁度的要求，选择合适的设备、工具、工艺和清洗介质进行清洗。目标对象清洗，有助于发现目标对象的问题和缺陷。

4576.4.2再制造工程4）目标对象检测目标对象检侧目的是为了确定目标对象的技术、性能状态。常用的检测内容和方法有：①几何形状精度检测；②表面位置精度检测；③表面质量检测；④内部缺陷检测；⑤力学物理性能检测；⑥零件称重与平衡。5）再制造零部件分类再制造零部件应根据其几何形状、损坏性质和工艺特性的共同性来分类。再制造零件的分类，为再制造企业采用大批量或批量方法实现再制造提供了条件。

4586.4.2再制造工程6）再制造技术选择根据再制造企业的技术水平、目标对象的损坏情况以及各种再制造技术的技术、经济和环境特性选择适宜的再制造技术。7）再制造根据所选的再制造技术，进行目标对象的再制造。8）检验对再制造后的目标零件进行检验，看是否达到技术要求。

4596.4.2再制造工程3.再制造技术废旧零部件再制造技术很多，主要包括喷涂法、粘修法、焊修法、电镀法、熔敷法、塑性变形法及机械加工修理法等（图6-10）。

4606.4.2再制造工程1）热喷涂技术热喷涂技术是一种用专用设备把某种固体材料熔化并加速喷射到机件表面上，形成一特制薄层，以提高机件耐蚀、耐磨和耐高温等性能的新兴材料表面科学技术。2）堆焊修复技术堆焊修复技术是借用焊接手段对金属材料表面进行厚膜改质，即在零件上堆覆一层或几层具有希望性能的材料。这些材料可以是合金，也可以是陶瓷。堆焊就其物理本质和冶金过程而言，具有焊接的一般规律。堆焊可以在零件工作表面上取得任意厚度和化学成分的焊层，可以获得各种高硬度和耐磨特性的堆焊层。

4616.4.2再制造工程3）特种电镀技术镀层的种类很多，不同成分和不同组合方式的镀层具有不同的性能。按照使用性能可分为下面几类：防护性镀层、防护－装饰性镀层、装饰性镀层、耐磨和减摩镀层、电性能镀层、磁性电镀层、焊接时镀层、耐热镀层及修复用镀层等。合理选择镀层时，首先要了解基材和各种镀层的性能，然后按照零件的服役条件及使用性能要求，选用相匹配的镀层。4）激光修复技术激光的强度高、方向性好、颜色单纯，激光束可以通过光学系统聚焦成直径仅有几微米到几十微米的光斑，获得108～1010W/cm2的能量密度，以及10000℃以上的高温，从而能在千分之几秒甚至更短的时间内使各种物质熔化和气化。常用的激光修复技术有：①激光焊接；②激光表面熔敷；③激光相变硬化等。

4626.4.2再制造工程5）胶接修复技术胶接就是通过胶粘剂，将两个或两个以上的同质或不同质的物体连接在一起。它是通过物理或者化学的作用来实现的。胶粘剂的种类很多，按照基本成分、可分为有机胶粘剂和无机胶粘剂两类。随着胶接材料和胶接工艺的进步，胶接在再制造中的应用越来越受到人们的重视。

4636.4.3材料再资源化技术1.粉碎技术粉碎是破碎和磨碎的统称。其中，破碎是指产品粒度大部分在5mm以上的作业。磨碎是指产品的粒度大部分在5mm以下的作业。粉碎的方法包括常温机械粉碎、低温冷冻粉碎、半湿式粉碎、湿式粉碎等物理粉碎方法，以及爆破粉碎等化学粉碎方法。

4646.4.3材料再资源化技术2.材料的分选技术为了有效、经济合理的利用资源，就需要对破碎后的物料进行分选。对固体物料的分选主要是根据物料不同组分之间的物理及化学性质差异而进行的。其主要分选方法有重力分选、磁力分选、静电分选、浮游分选、摩擦与弹跳分选、拣选等。3.热分解热分解又称热裂解，是利用有机物的热不稳定性，在缺氧条件下加热使相对分子质量大的有机物产生热裂解，转化为相对分子质量小的燃料气、液体（油，油脂等）及残渣等。热分解与焚烧不同，焚烧只能回收热能，而热分解可从废物中回收可以储存、输送的能源（油或燃气等）。

4656.4.4逆向物流技术1.逆向物流的定义逆向物流是一种包含了产品退回、物料替代、物品再利用、废弃处理、维修与再制造等过程的物流活动。2.逆向物流的驱动因素逆向物流的形成主要有四个方面的原因：1）法规强制2）经济利益3）生态效益4）社会效益

4666.4.4逆向物流技术3.逆向物流的发展趋势（1）从个案中总结出逆向物流系统设计的一般性原则，从理论上建立完整的系统结构框架。（2）逆向物流系统中信息的管理与共享，正逆向物流系统的整合、通信与优化。（3）逆向物流系统中成员的关系，包括决策权力的调配以及利润的分配。（4）网络环境下逆向物流系统的重构以及业务流程的优化重组等。

467第七章现代制造技术与新型制造业的发展趋势7.1现代制造技术的发展趋势7.2新型制造业的发展趋势

4687.1现代制造技术的发展趋势1.全球化世界经济一体化和市场全球化决定了制造业的全球化发展趋势，包括制造市场、制造企业和制造资源的全球化。未来制造产品的竞争力主要取决于六大因素：绿色度、成本、质量、服务、及时性与个性化（G-C-Q-T-S-P），产品的绿色度将上升为首要因素。拥有上述综合优势的产品必将冲破国界、占领市场，其制造企业也可成为跨国企业。这是国际跨国公司的发展史，也将是中国企业成为跨国企业的必由之路。

4697.1现代制造技术的发展趋势2.知识化计算机芯片、精密仪器、飞机、轿车等高知识含量的产品，因其科技水平高、市场价格高、利润丰厚而成为制造业竞争的高地。中国要想在这些高知识含量的产品竞争中占有一席之地，就必须在这些高技术领域大力开展基础性研究，创造更多的拥有自主知识产权的高知识含量的产品。

4707.1现代制造技术的发展趋势3.信息化信息化是数字化、智能化和网络化制造的总称。它包含机电产品设计及其生产过程的数字化、智能化和网络化的高度集成。智能数字网络多功能集成产品将会越来越多、越来越普遍，而且更新换代会越来越快。

4717.1现代制造技术的发展趋势4.绿色化绿色化即基于资源节约和环境友好的绿色可持续性制造，是一项战略性的制造理念，也是一种制造模式和制造技术。绿色可持续制造包含无污染无废弃物制造、绿色产品的设计与制造、废旧机电产品的再制造、节能节材制造以及新能源装备制造五个方面。耗能耗材多、污染环境的机电产品和生产过程将会受到市场和法规的制约而逐渐消失或消亡。相反，新能源、节能节材和无污染的机电产品及其生产过程将得到更大发展。同时，由于废弃产品的剧增，再制造业将得到迅速发展。

4727.1现代制造技术的发展趋势5.极端化指极大或极小几何尺度或极端环境下服役的机电产品的制造。由于人类认识和改造世界的欲望及能力的提高，例如观察宇宙星球需要超大超远望远镜、征服太空需要制造更大更快的宇宙飞船、制造大飞机需要大型制造装备；交通、水利水电、矿业、深海工程等需要制造更大更先进的机械装备。另一方面，物理学家观察微观粒子需要超大超高倍显微镜、下一代计算机集成电路的发展要求寻找新的纳米制造方法、机电产品的微型化发展要求制造出更微小的结构及零件。

4737.1.1高速高效加工领域发展趋势随着工具材料、驱动、控制和机床等技术的不断进步，高速高效加工不仅获得普遍应用，并且向着超高速方向发展。现代高速加工中心替代柔性自动线已经成为明显的发展趋势。复合加工在一次安装中能完成车、铣、钻、攻丝甚至磨削等不同的工序，高速高效复合加工机床在多品种、单件生产场合将有广阔的应用前景。汽车制造业是全球机床消费的最大用户，2007年占机床消费总量的42.78%。汽车制造业未来所需的加工技术如图7-1所示。

4747.1.1高速高效加工领域发展趋势

4757.1.1高速高效加工领域发展趋势汽车生产系统从20世纪70年代的机床专机流水线发展到2010年由高速加工中心组成的可变（可重构）加工线，能够生产不同品种和不同数量的产品。在可以预见的未来，预计汽车动力系统零部件加工技术的发展趋势将是高速度、高效率和超高精度。分析汽车制造行业所用中型加工中心的高速化与高精化的发展历程，可以预见2015年、2025年的国内、外的性能指标对比数值（表7-1）。

4767.1.1高速高效加工领域发展趋势

4777.1.2超精密加工领域发展趋势超精密加工技术的总的发展趋势是：①大型化、微小型化、数控化、智能化的加工装备；②复合化、无损伤加工工艺；③超精密、高效率、低成本批量加工；④在生产车间大量应用的高精度、低成本检测装置。超精密加工技术未来的发展趋势如表7-2所示。

4787.1.2超精密加工领域发展趋势

4797.1.3微纳制造领域发展趋势1.微纳设计技术随着微纳米技术的深入发展，MEMS在功能上向集成化方向扩展，更加追求与IC技术的集成与融合。在应用领域，由惯性器件逐渐向光、射频、流体、生物等器件发展，特别是随着尺寸的缩小和功能集成度的增加，MEMS在BIO-CHEMICAL领域的优势越来越明显，逐渐在国际上形成了MEMS的主流，应用前景广阔。

4807.1.3微纳制造领域发展趋势2.微纳加工技术1）硅与非硅材料混合集成加工技术目前有很多问题尚未得到解决，主要是非硅微加工技术中的LIGA/准LIGA技术、精密机械加工、电化学加工、激光加工等工艺与IC工艺不兼容。通过硅与非硅材料混合集成加工技术的研究和开发，将制备出含有金属、塑料、陶瓷或硅微结构，并与集成电路一体化的微传感器和执行器，到2020年将在信息、汽车、生物医药、传统产业改造等领域得到实际应用。

4817.1.3微纳制造领域发展趋势2）微纳制造的集成度方面目前集成加工技术正由二维向准三维过渡，未来的三维集成加工技术将使系统的体积和重量减少一到两个数量级，提高互联效率及带宽，提高制造效率和可靠性。预计到2020年，三维多功能微系统集成加工技术将得到广泛应用。3）微机械加工技术微机械加工工艺技术可加工尺度越来越小，已发展到微米级尺度，未来有可能在若干加工领域加工尺度达到亚微米级；可达到的加工精度也越来越高。微机械加工技术与超精密加工技术融合，未来向着超精密微加工方向发展，可达到的表面质量越来越高。

4827.1.3微纳制造领域发展趋势4）纳米压印技术在非主流半导体生产工艺中，特别是陶瓷、高分子和玻璃等材料为基板生产器件时，纳米压印技术因其成本低、工艺简单和可靠性高而成为取代传统光刻工艺的良好选择。预计未来15年内，纳米压印技术将在主流半导体、纳机电系统等纳米制造中得到广泛应用。5）纳米结构的可控自组装技术未来可能在以下领域实现突破和应用：具有分子识别功能的新型非共价键中间分子体的设计、合成及纳米结构单元聚集体行为和自组织排列体系的构建上取得突破；实现以生物分子马达为基础的微纳机器人、功能材料的应用。在纳米结构模块化组装领域实现突破，特别是利用生命过程中已经存在的机理进行的生物分子纳米结构可控自组装在生物传感器、仿生、疾病诊断与治疗等领域取得进展。

4837.1.3微纳制造领域发展趋势6）原子级别分辨率纳米加工技术2D纳米加工的分辨率将在2025年达到原子级，3D纳米加工的分辨率则在2035年或以后达到原子级，2D和3D纳米制造技术在全彩色精细电子能、超薄监视器、TB级存储单元、超高效汽车和小型燃料电池制造中有很好的应用前景。

4847.1.4特种加工技术领域发展趋势1.激光加工领域激光加工领域的重点发展方向为：①激光加工基础理论：重点研究激光与材料的相互作用，尤其是强激光诱导的光声光力效应；②激光加工光的传输、变换、检测与控制理论及其关键技术；③激光三维微纳制造技术；④面向节能减排的激光先进制造技术。

4857.1.4特种加工技术领域发展趋势2.磨粒射流加工领域其重点发展方向是：①硬脆材料复杂曲面零件的高效磨料水射流加工基础理论及方法；②精密微细磨料水（气）射流加工基础理论及方法；③精密微细磨料射流复合加工基础理论及方法；④高端射流加工装备基础技术；⑤磨料射流加工废料回收和再利用技术。

4867.1.4特种加工技术领域发展趋势3.聚焦离子束加工领域聚焦离子束加工技术的重点发展方向：①聚焦离子束加工基础理论研究；②精密稳定的聚焦离子束加工母机开发；③提高聚焦离子束的加工面积和速度；④离子束加工的无环境污染或低环境污染的绿色加工；⑤聚焦离子束微纳加工技术的应用领域拓展。

4877.1.4特种加工技术领域发展趋势4.电加工技术领域电加工技术的重点发展方向是：①深入揭示电加工过程机理，在机床装备关键技术方面不断突破；②在微细电加工机理、过程控制、电源形式、工作液循环系统、电极制备等方面要持续开展研究；③绿色电加工技术；④新型复合电加工技术。

4887.1.4特种加工技术领域发展趋势5.超声波加工领域超声波加工技术领域的重点发展方向是：①超声换能器的研发、设计和生产，未来超声换能器向大功率、低压驱动、高频、薄膜化、微型化、集成化方向发展；②超声振动辅助微细孔加工技术及其设备；③超精密超声振动研磨加工技术及其设备；④超声椭圆振动车削技术及其设备；⑤超声辅助气质电火花铣削加工技术及其设备；⑥超声复合加工技术及其设备；⑦旋转超声加工方法及其设备。

4897.1.5未来制造系统的发展趋势未来制造系统在5～20年，其发展趋势也将是“精确化”、“服务化”、“绿色化”，发展过程如图7-2所示。

4907.1.5未来制造系统的发展趋势1.制造系统工程的新理论未来越来越复杂的制造系统亟需有效的分析工具，但目前已有的分析工具在理论和实践方面有着巨大的差距，新的理论，诸如无尺度网格、误差流等方法展现出一定的发展潜力。其中误差流控制的主要发展趋势包括：提高设计阶段“首次正确率”控制误差流；通过误差源的诊断控制误差流；充分利用多工序间复杂的相关性控制误差流。

4917.1.5未来制造系统的发展趋势2.制造智能具体发展趋势包括以下几个方面：1）智能计算随着基于智能技术的数字化制造过程研究的深入，必然会进一步与生产实践相结合，向着系统化、集成化、规范化、智能化和实用化方向发展。2）先进生产计划和调度①生产网格结构化；②生产模型网络化；③智能算法专业化；④仿真技术的使用。

4927.1.5未来制造系统的发展趋势3）计划执行与生产控制①生产系统定制化；②看板系统动态化；③瓶颈资源动态排程。4）质量控制质量控制的焦点从过程的输出（产品/服务等）转向对过程本身的控制。5）可靠性与设备性能维护①维护工程系统化；②设备维护行业化；③设备维护流程化；④设备维护信息化；⑤设备维护智能化。

4937.1.5未来制造系统的发展趋势3.数字化制造具体发展趋势有：1）传感网络研究发展趋势传感网络基础理论与关键方法研究、高效的无线传感器网络结构、面向数字化制造的智能传感网络。2）数字化制造过程建模发展趋势多场耦合下的切削加工过程建模、制造过程复杂性建模与分析、自适应过程建模新方法、多学科建模与仿真平台开发。

4947.1.5未来制造系统的发展趋势3）MES系统在现代信息技术、控制技术、制造技术以及管理技术等的推动下，正在向标准化、集成化、敏捷化、智能化、可视化、专业化等方向发展。4）系统集成技术PLM作为系统集成技术的主流技术，今后的发展重点包括：企业基础信息框架、统一产品模型、单一数据源、基于WEB的产品入口，以及PLM标准与规范体系。

4957.1.5未来制造系统的发展趋势5）E制造与电子商务领域各类信息的集成与本地化处理；先进的预测检测方法和技术；各种非接触式的信息技术如无线信息技术、无线传感技术、可视化系统等；无线通信和网络结构技术；确定和发展新的通信协议标准；先进的远程智能维护与智能诊断系统、质量信息跟踪技术。4.新兴制造模式其中绿色制造、服务型生产等将是今后发展的趋势。作为正在发生的生产方式变革，迫切需要对服务型制造的基础理论进行探索，主要包括：服务型制造系统与复杂网格分析；服务型制造质量与主动健康维护；普适计算环境下的工作研究。

4967.2新型制造业的发展趋势7.2.1新型制造业的内涵和外延所谓新型制造业是指依靠科技创新、降低能源消耗、减少环境污染、增加就业、提高经济效益、提升竞争能力、能够实现可持续发展的制造业。新型制造业的发展必须符合和谐社会建设的需要，应当是资源、环境、经济与科技和谐发展的制造业；新型制造业是建设创新型国家的核心产业，必须强化自主创新能力，依靠科技创新的支撑和引领；新型制造业是社会主义新农村建设的重要载体和推动力量，是全面提升农民生活水平和幸福指数的客观基础。

4977.2.1新型制造业的内涵和外延1.新型制造业坚持科学发展新型制造业强调科学发展：①新型制造业强调以人为本，关注制造业发展过程中参与者的利益，重视经济与社会的同步发展，重视人的全面发展。②新型制造业强调环境友好，重视减少资源消耗和环境污染，注重提高产业和产品的科技含量，注重发挥人力资源优势，倡导资源节约型的可持续发展的制造业发展道路。③新型制造业强调创新能力，评价制造业发展的水平和程度，必须充分考虑经济创新能力、科技创新能力和能源消耗及环境影响程度（即注重可持续发展），④新型制造业强调面向未来，要求正确处理好制造业发展当前与长远的关系，按照科学发展观的要求，从前瞻性、战略性和全局性的角度放眼未来，稳步推进中国制造业的持续发展。⑤新型制造业强调通过科技创新支撑和引领中国制造业的发展。

4987.2.1新型制造业的内涵和外延2.新型制造业强化自主创新新型制造业的发展必须依靠科技创新来支撑和引领：①制造业的发展逐步转变到以知识创新和技术创新为基础的轨道上来，改变以往那种主要依靠资本、劳动力和物质资源的投入来带动的制造业增长方式。②新型制造强调通过科技创新提高制造业的水平和促进产品的更新换代，通过科技创新提高资源和能源的利用效率与效益，进而提高经济效益。③新型制造业倡导由要素驱动向创新驱动发展转变，强调发挥知识和技术创新的优势促进产业发展。④新型制造业重视资源节约和环境友好，钢铁、汽车、石化产业和纺织业等传统制造业，面对日益激烈的竞争态势必须运用科技创新成果改造传统工艺、设备、技术和方法，不断提升经济效益，走新型制造业发展道路。

4997.2.1新型制造业的内涵和外延3.新型制造业创造新的商业文化随着技术革命和全球经济一体化进程加快，新型制造业必将培育和形成具有鲜明时代特征的新型商业文化：1）开放型文化发展新型制造业，必然要求重视发展商业文化，而商业文化由于行业特点决定它注重开放性，不仅国内市场统一开放，地球村也将不是梦想，统一开放的国际市场的形成只是时间问题。

5007.2.1新型制造业的内涵和外延2）创新型文化新型制造业的发展，离不开创新社会意识的孕育和形成，离不开创新理念的发展和壮大，主要是由于产业发展必须适应市场的激烈竞争。高度重视知识经济条件下科技创新、管理创新、组织创新等社会各方面的创新的作用和意义，以创新求生存，以创新谋求发展，已经成为个人、企业、产业、社会良性发展的根本动力。3）契约型文化新型制造业强调在法律的框架下开展一切商业活动，通过签订契约保护商业关系当事人的权利，减少商业往来的风险，确保商业关系能够长期顺利地开展下去，从而为整个新型制造业的发展保驾护航。

5017.2.1新型制造业的内涵和外延4）平等型文化从某种意义上来说，平等型文化是从契约型商业文化中派生出来的，因为从本质上来说契约签订的前提条件是双方的法律地位平等，区别于传统的农耕文化中注重权威、等级观念森严的内在特征。此外，网络化、信息化的冲击和发展，新型制造业产品的生产、销售、售后服务、消费、分配强调平等交易，注重利益相关者之间的合作共赢，这也将极有力地推动社会平等型文化的发展。

5027.2.2新型制造业的发展理念1.以人为本以人为本是在对片面追求经济增长所付出巨大代价反思的基础上发展起来的，重视现代社会发展中人的主体地位。新型制造业讲究以人为本，就是要以人的生存权、工作权、发展权、享受权为本，要使新型制造业发展过程中的参与者都能享受到发展所带来的利益，就是要实现经济与社会的同步发展，实现人的全面发展。

5037.2.2新型制造业的发展理念（1）新型制造业重视人的生存权，既注重经济价值的创造，又重视科技创新，还强调环境保护和资源节约；不仅考虑当代人的生存问题，还关注子孙后代的生存环境。（2）新型制造业可以创造更多的就业机会，保障社会个体的工作权。发展新型制造业不仅本身可以吸纳大量的劳动力，还可以通过辐射其他行业，带动相关产业发展创造更多的就业岗位，充分保障社会个体享受工作的权利。

5047.2.2新型制造业的发展理念（3）发展新型制造业，可以通过不断提高劳动者科学文化素质来实现社会个体的发展权。为了适应新型制造业的发展要求，社会个体必须树立终身学习的发展理念，高度重视教育培训在个人发展中的重要作用，有意识、有针对性地增加教育培训投入，通过系统性学习，工作后的再教育再培训，不断提升自身的科学文化素质和技术技能。（4）发展新型制造业，可以通过社会财富积累、自然环境日益优美、科学知识提高来实现社会个体的享受权。新型制造业重视产业经济价值增值，强调通过科技创新、组织创新、管理创新等各个环节的创新活动来增加产业的科技含量和知识水平，从而为社会创造更多的物质财富。

5057.2.2新型制造业的发展理念2.自主创新发展新型制造业以科技创新、组织创新、管理创新为重点，坚持科技创新为手段、组织创新为保障、管理创新为关键的创新思路，丰富新型制造业的创新内涵，扩大新型制造业的创新规模，提升新型制造业的创新层次，全面推进新型制造业各个方面和主要环节的创新工作向纵深方向发展。

5067.2.2新型制造业的发展理念3.环境友好我国目前正处于工业化和城镇化加速发展的阶段，制造业产品中初级品的比重高，资源消耗多、浪费大、利用率低的问题突出，生态环境受到了严重破坏。因此，必须坚决转变经济增长方式，选择有利于资源节约和环境保护的生产方式与消费结构，千方百计减少资源消耗和保护环境，坚定不移地走新型制造业的发展道路。4.面向未来面向未来，指的是制造业必须正确处理好当前和长远的关系，必须按照科学发展观的要求，从前瞻性、战略性和全局性的角度立足现在、放眼未来，稳步推进中国制造业的持续发展。