先进制造技术先进制造技术

第1章绪论1.1先进制造技术的背景1.1.1世界制造业及其格局的进展变化近年来，随着信息产业的高速进展，制造技术中的某些技术差不多不再适应高科技的快速进展，不能专门好地融入信息化产业的大潮，缺乏市场竞争力，甚至还可能危及生态环境。许多人认为制造业已成为“夕阳产业”。制造技术中确有“夕阳技术”,这些技术同信息化大潮格格不入，同高科技进展不相适应，缺乏市场竞争力，甚至还可能危害生态环境。面临剧烈的市场变化和技术竞争，许多工业国家迅速调整其技术政策，把提高市场竞争力和增强综合国力作为科技政策的核心。例如，历来重视产业技术的日本、澳大利亚和一些新兴工业化国家。美、英等国过去一贯主张，产业技术的进展要紧靠市场竞争，由企业自由进展，政府不必介入。1.1.2先进制造技术为制造业注入活力随着科技进步特不是计算机技术的进展，世界范围内对制造业进行了重新的认识和定位，先进制造技术为制造业注入新的活力，使制造业又重新生机勃勃。制造业绝不是“夕阳产业”和“夕阳技术”，先进制造技术是高技术的载体，没有哪个工业发达国家不予以高度关注，先进制造技术差不多成为全球制造业争夺的市场焦点。先进制造技术为制造业注入新奇血液，是进展制造业的基础，它是传统制造业不断地汲取机械、信息、电子、材料、能源和现代治理等方面的最新技术成果，并将其综合应用于产品开发与设计、制造、检测、治理和售后服务的制造全过程，实现优质、高效、低耗、清洁和敏捷制造，并取得理想经济效果的前沿制造技术的总称。从本质上看，信息技术＋传统制造技术的进展＋自动化技术＋现代治理技术确实是先进制造技术。1.2国外先进制造技术的现状近些年来，世界经济进展的严峻事实使美国政府意识到，制造业是美国工业的基础，政府必须介入工业技术的进展。20世纪80年代末期，美国依照本国制造业面临的挑战和机遇，为增强制造业竞争力和促进国民经济增长，采取了一系列措施，进行了大规模的21世纪制造业的战略研究，并首先提出了先进制造技术的理念。其中，强调要促进先进制造技术的进展，成立各种层次的先进制造技术研究中心，并提出了一系列如并行工程、精益生产和敏捷制造等先进制造技术的新理论，收效良好。紧接着，许多工业国家如日本、澳大利亚、西欧各国以及一些新兴的工业化国家也都迅速调整其技术政策，开始重视研究和应用先进制造技术，将提高市场竞争力和增强综合国力作为科技决策的核心。自从美国提出先进制造技术这一概念以来，专门快在日本、西欧各国以及亚洲新兴工业国家做出了响应，纷纷将先进制造技术列为国家的高新技术和优先进展项目，世界各国都已重视研究、应用先进制造技术。1.2.1制造业在美国经济的重要性强大的制造基础对国家的经济和军事力量是至关重要的。一个国家只有生产得好,才能生活得好。如美国2100万就业者(占总劳动力的17%)从事20%～30%高酬劳的工作;雇佣了75%的科学家和工程师进行90%的非军事性的ResearchandDevelopment—研制与开发；每100份工作支持着60个以上的非制造业职位；GNP的1/5(超过1兆美元)为其它经济部门提供差不多产品。1.2.2发达国家先进制造技术进展战略工业发达国家都把先进制造技术作为国家级关键技术和优先进展领域。尽管决定国家综合竞争力的因素有多种,但制造业的基础地位不能忽视。20世纪90年代以来，各发达国家,如美国、日本、欧共体、德国等都针对先进制造技术的研发提出了国家级进展打算，旨在提高本国制造业的国际竞争能力。20世纪90年代初,美国政府提出“先进制技术”打算,将基于信息高速公路的敏捷制造作为美国21世纪的制造战略。1991年美国里海大学(LehighUniversity)提出“美国企业网”(FAN,FactoryAmericanNet)打算,该打算的目的是研究如何利用信息高速公路,把美国的制造企业联系在一起。2008年1月,欧洲联盟公布了“第五框架打算(2008～2012)”,将虚拟网络企业列入研究主题2012年,欧盟提出了“第六框架打算”,选定了需要重点攻关的7大领域,其中包括信息和网络技术。欧盟第六框架打算的目的是,通过各种方法刺激信息技术的快速进展,加强信息的产业化,使所有欧洲公民从以信息和网络为主体的知识社会和进展中获益。2012年,美国洛克希德-马丁公司提出了F-22飞机研制的虚拟工厂概念,打通了从设计、生产到治理的全数字化信息流。总之,工业化国家大都把先进制造技术作为本国的科技优先进展领域和高技术的实施重点；进展中国家也十分重视制造业信息化,都把信息技术作为改造传统企业和产业结构调整的要紧战略；新兴工业化国家希望通过加快制造业信息化,跻身世界先进行列,众多进展中国家也希望以信息化推进工业化,以缩小与先进国家的差距。1.3我国先进制造技术的现状先进制造技术是制造技术的最新进展时期，是由传统的制造技术进展起来的，既保持了过去制造技术中的有效要素，又要不断汲取各种高新技术成果，并渗透到产品生产的所有领域及其全部过程。先进制造技术的应用特不注意产生最好的实际效果，其目标是为了提高企业竞争和促进国家经济和综合实力的增长。目的是要提高制造业的综合经济效益和社会效益。在20世纪70年代往常，产品的技术相对比较简单，一个新产品上市，专门快就会有相同功能的产品跟着上市。因此，市场竞争的核心是如何提高生产率。到了20世纪80年代以后，制造业要赢得市场竞争的要紧矛盾差不多从提高劳动生产率转变为以时刻为核心的时刻、成本和质量的三要素的矛盾。先进制造技术把这三个矛盾有机结合起来，使三者达到了统一。1.3.1我国先进制造技术的特点先进制造技术是制造技术加信息技术和治理科学,再加上有关的科学技术交融而形成的制造技术。它不局限于制造工艺,而是覆盖了市场分析、产品设计、加工和装配、销售、维修、服务,以及回收再生的全过程。其具有如下特点：（1）全球化。21世纪是国际化的大市场，世界各国市场竞相向国外开放，促成制造业竞争的国际化，要紧反映在使制造业的资源配置由一国范围扩大到世界范围，致使制造业在全球范围重新分布、组合和洗牌。（2）多样化。由于每个用户群的看法和观点不同，其提出的产品结构和形状也不尽相同，中小批量的产品越来越多，产品的多样化特征也越来越明显。（3）虚拟化。虚拟制造是指利用计算机模拟与仿真技术、人工智能技术、并行工程以CAD/CAPP/CAM/CAE等多种技术，模拟现实制造环境或现实制造过程,呈现现实制造系统的运行状态或者现实产品性能的一种制造技术。（4）生产过程的高速化和柔性化。由于产品设计和制造周期的不断缩短，顾客要求的交货期也相应的越来越短；因此，高速生产技术得到了普遍应用，即要求实现生产过程的高速化。（5）集群化。为了提高自身抵抗风险的能力，各个小型制造企业开始纷纷联合组成集团公司，制造企业呈现越来越多的集中和并购，制造业的市场集中度也得到了进一步提高。（6）服务化。随着当前绿色制造和循环制造概念的提出，制造业应不仅考虑产品的设计和生产，还应考虑从市场调研开始到售后服务，再到产品报废回收，以及循环使用的产品整个生命周期或多个生命周期。1.3.2我国的先进制造技术与工业发达国家对比（1）治理方面：工业发达国家广泛采纳计算机治理，重视组织和治理体制、生产模式的更新进展，推出了准时生产（JIT）、敏捷制造（AM）、精益生产（LP）、并行工程（CE）等新的治理思想和技术。我国只有少数大型企业局部采纳了计算机辅助治理，多数小型企业仍处于经验治理时期。（2）设计方面：工业发达国家不断更新设计数据和准则，采纳新的设计方法，广泛采纳计算机辅助设计技术（CAD/CAM），大型企业开始无图纸的设计和生产。我国采纳CAD/CAM技术的比例较低。（3）制造工艺方面：工业发达国家较广泛的采纳高周密加工、精细加工、微细加工、微型机械和微米/纳米技术、激光加工技术、电磁加工技术、超塑加工技术以及复合加工技术等新型加工方法。我国普及率不高，尚在开发、掌握之中。（4）自动化技术方面：工业发达国家普遍采纳数控机床、加工中心及柔性制造单元（FMC）、柔性制造系统（FMS）、计算机集成制造系统（CIMS），实现了柔性自动化、知识智能化、集成化。我国尚处在单机自动化、刚性自动化时期，柔性制造单元和系统仅在少数企业使用。1.3.3我国对先进制造的重视随着美国政府采取一系列措施进行大规模的21世纪制造业战略的研究。我国政府和企业界投入巨资，组织大量专家进行研究和分析，得出的结论是振兴中国经济的出路在于振兴美国的制造业，经济竞争归根到底是制造技术和制造能力的竞争。因而，我国提出要促进先进制造技术的进展，成立国家级、地区级、大学、企业等各种层次的先进制造技术协调、推广、应用研究中心。这些措施收到了良好的效果，使制造水平大幅度提高。通过先进制造技术，让企业适应多变的市场需求我国制造业市场具有专门大的潜力，使得我国的制造技术水平和工业发达国家的差距进一步缩小。1.4先进制造技术的进展趋势1.4.1数字化制造技术数字化制造技术是支持信息化和知识化制造业的技术，是先进制造技术进展的核心，包括以设计为中心、以操纵为中心和以治理为中心的数字制造。应用数字化制造技术，将会使全球制造网络环境下的产品异地设计与制造成为21世纪的重要制造模式，促使制造技术和制造产业发生革命性的变革。对全球制造业而言，在数字制造环境下，用户借助网络公布信息，各类企业通过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。1.4.2周密化是进展的关键现代超周密机械对精度要求极高，如借助于扫描隧道显微镜与原子力显微镜，加工精度可达0.1μｍ；而基于操作机械的移动距离为纳米级，移动精度可达0.1ｎｍ。显然，没有先进制造技术就没有先进电子技术装备。先进制造技术与先进信息技术是相互渗透、相互促进和紧密结合的，周密化是当前先进制造技术进展的关键所在。1.4.3网络化是进展的道路随着网络化的进一步普及，各种网上销售和网上购物正在悄然进入人们的生活当中，网络化差不多成为先进制造技术进展的必由之路，这必将导致新的制造模式，即虚拟制造组织，形成动态的虚拟企业或企业联盟。现在，各企业致力于其核心业务，实现优势互补和资源优化动态组合与共享，如美国的“日不落打算”正是基于这一点。1.4.4绿色化是进展的方向绿色制造是一个综合考虑环境阻碍因素和资源效率的现代化制造模式，当前日趋严格的环境与资源的约束使绿色制造业显得越来越重要，绿色制造技术也将获得快速的进展。其要求产品、制造、使用、维修及回收全部绿色化，要紧体现在：１）绿色产品设计技术；２）绿色制造技术；３）产品的回收和循环再制造。1.4.5智能化是进展的前景以智能机器人和人类专家共同组成的人机一体化智能系统，使制造系统具有自适应能力、自学习能力和自组织能力，能极大地提高系统的响应速度和决策水平。与传统制造相比，智能制造系统的突出之处在于制造诸环节中以一种高度柔性与集成的方式，借助计算机模拟人类专家的智能活动，取代或延伸制造环境中人的部分脑力劳动；同时，收集、存储、处理、完善、共享、继承和进展人类专家的制造智能。在不久的今后，为应对大量复杂信息的处理、瞬息万变的市场需求和激烈的市场竞争，智能制造会越来越受到重视。1.4.6集成化是进展的方法集成化要紧指现代技术、加工技术和企业等的集成，其使专业和学科间的界限逐渐淡化和消逝。先进制造技术的不断进展，使得冷、热加工之间，加工、检测、物流和装配过程之间，设计、材料应用和加工制造之间的界限也逐渐淡化，逐步走向一体化。例如，CAD/CAPP和CAM的出现、周密成形技术的进展、快速原型件制造技术的产生、机器人加工工作站及FMS的出现。专门多新材料的配制和成型是同时完成的，专门难划清材料应用与制造技术的界限。1.5对我国先进制造技术的考虑我国制造业市场的巨大潜力，为先进制造技术进展提供了宽敞的市场空间。然而与制造业发达国家和地区相比，国内的先进制造技术的研发与市场拓展还不均衡。纵观国际制造业的竞争与进展，面对国际、国内２个制造业市场的日渐融合，如何立足国内制造业的市场需求，整合分散的科研与企业资源，尽快形成自身在先进制造产业竞争中的技术优势，差不多是摆在我国制造业面前的迫在眉睫的课题。进展先进制造技术要结合国情，突出重点，在汲取世界各国经验的基础上，走一条具有自身特点的道路。（1）高度重视，全面规划。对涉及面广、技术难度大的技术，其研究及推广应用需要投入大量的力、物力及资金。（2）加强人员培养和培训工作。人是技术的主体，没有高素养的人才，再好的技术也会被束之高阁。（3）严格论证，科学治理。拟实施和上马的项目必须依照企业总体规划进行严格论证。论证时应汲取有关各方人员参与，集思广益，使实施打算更趋于完善。（4）进展我国先进制造技术的关键前沿技术。利用自身优势，大力进展一些关键前沿技术，比如新一代材料成型技术、快速原型制造、智能制造等。第2章先进制造技术与新工业革命2.1先进制造技术的概念、内涵及要紧内容先进制造技术（advancedmanufacturingtechnology简称AMT）是美国在20世纪80年代末提出的概念，是作用于产品整个寿命周期的所有有用技术的总称，要紧是指在当今技术条件下能显著提高企业的设计、加工、检测、物料储运、营销和生产治理等方面能力的设备，计算机软硬件和治理方法，其涉及制造技术的各个方面，包括工程设计、制造自动化、制造工艺技术、现代治理技术以及相关的支持环境和条件。先进制造技术在不同时代具有不同的含义，当前各种新出现的、先进的机械加工技术（纳米加工、激光切割、增材制制造等）、精益生产、并行工程、柔性制造、虚拟制造、敏捷制造和现代集成制造模式等，都属于AMT的研究之列。图1先进制造技术的内涵、层次及技术构成图1先进制造技术的内涵、层次及技术构成2.2先进制造工艺技术（1）高效周密、超周密加工技术，包括周密、超周密磨削、车削，细微加工技术，纳米加工技术。超高速切削。周密加工一般指加工精度在10～0.1μm（相当于IT5级精度和IT5级以上精度），表面粗糙度Ra值在0.1μm以下的加工方法，如金刚车、金刚镗、研磨、珩磨、超精研、砂带磨、镜面磨削和冷压加工等。超周密加工是指被加工零件的尺寸公差为0.1～0.01μm数量级，表面粗糙度Ra值为0.001μm数量级的加工方法。此外，周密加工与特种加工一般差不多上计算机操纵的自动化加工。（2)周密成型制造技术，包括高效、周密、洁净铸造、锻造、冲压、焊接及热处理与表面处理技术。（3）现代特种加工技术，包括高能束流（要紧是激光束、以及电子束、离子束等）加工，电解加工与电火花（成型与线切割）加工、超声波加工、高压水加工等。电火花加工(Electricaldischargemachining(EDM))电火花加工（electricsparkmachining)是指在一定介质中，通过工具电极和工件电极之间脉冲放电的电蚀作用对工件进行的加工。能对任何导电材料加工而不受被加工材料强度和硬度的限制。可分为电火花成型加工(EDM)和电火花线切割加工两大类。一般都采纳CNC操纵。（4）快速成型制造（RPM).快速成形技术是在计算机操纵下，基于离散堆积原理采纳不同方法堆积材料最终完成零件的成型与制造的技术。从成型角度看，零件可视为“点”或“面”的叠加而成。从CAD电子模型中离散得到点、面的几何信息，再与成型工艺参数信息结合，操纵材料有规律、精确地由点到面，由面到体地堆积零件。（5）柔性制造技术柔性制造技术是对各种不同形状加工对象实现程序化柔性制造加工的各种技术的总和。柔性制造技术是技术密集型的技术群，我们认为凡是侧重于柔性，适应于多品种、中小批量(包括单件产品)的加工技术都属于柔性制造技术。目前，按规模大小划分为：柔性制造系统（FMS），柔性制造单元（FMC）,柔性制造线（FML），柔性制造工厂（FMF）。柔性要紧包括：①机器柔性。②工艺柔性。③产品柔性。④维护柔性。⑤生产能力柔性。⑥扩展柔性。⑦运行柔性。随着批量生产时代正逐渐被适应市场动态变化的生产所替换，一个制造自动化系统的生存能力和竞争能力在专门大程度上取决于它是否能在专门短的开发周期内，生产出较低成本、较高质量的不同品种产品的能力。2.3先进制造模式/系统图2制造模式的演变制造模式是制造业为了提高产品质量、市场竞争力、生产规模和生产速度以完成特定的生产任务而采取的一种有效的生产方式和一定的生产组织形式。先进制造模式是以计算机信息技术和智能技术为代表的高新技术为支撑技术，在先进制造思想的指导下，用扁平化、网络化组织结构方式组织制造活动，追求社会整体效益、顾客体验和企业盈利，是最优化的柔性、智能化生产系统。如图2图2制造模式的演变图3先进制造生产模式关系20世纪90年代，随着先进制造理念、先进生产技术以及先进治理方式的不断成熟与进展，各种新的制造理念、先进制造新模式得到了迅猛进展，理论界相继出现了高质量生产、网络化制造、面向服务的制造、智能制造等一系列新概念，各种先进制造模式之间的关系如图3所示。图3先进制造生产模式关系2.4先进制造技术对产品生产活动的阻碍从生产流程来看，ATM与传统制造技术对制造过程的阻碍如图4所示。传统制造是利用制造资源将原材料转换为产品的过程，仅为生产过程的一部分，一般包括产品的加工和装配两大内容，制造商自行生产或者从供应商购买零件，将其组装成产品并检验以符合要求。制造过程中输入的是原材料、能量、信息、人力资源等，输出的是符合要求的产品。传统的制造系统设计、制造与销售各部分之间信息的传递与反馈不畅，各部门按功能分解任务，容易只考虑本部门的利益，对系统的优化考虑较少，造成设计与制造部门间难以协调、矛盾突出。ATM要紧从材料设计、制造流程改造、产品服务融合的集成解决方案和循环利用四个方面拓展传统制造技术。图5先进制造技术对制造业的阻碍图4先进制造（右）与传统制造（图5先进制造技术对制造业的阻碍图4先进制造（右）与传统制造（左）流程的比较2.5新工业革命工业革命是生产技术的变革，同时也是一场深刻的社会关系变革。新科技群的协同效应和深度融合将导致生产组织方式和制造模式发生重大变化，从而引发新的工业革命。目前正在出现一种新工业革命，但仍是一个十分模糊的概念，不同研究者对新工业革命的概念有各自的理解，要紧有５种不同的观点：图6里夫金提出的新工业革命的五个支柱（1）杰里米·里夫金认为，历史上重要的工业革命差不多上在新通讯方式和新能源结合之际产生的，当前正由互联网和新能源结合引发新的经济和社会变革，即包括五大支柱的新工业革命，如图6所示，其中：①能源转型，向可再生能源转型，利用风和阳光等，不再消耗石化产品；②分散式生产，互联网信息技术等基础设施的建设大大减小了时刻、空间对人们的经济活动交的制约，基于知识的共享、创新和进展的扁平式、分散化、合作性的生产组织结构更加符合现代商业的需求；③存储，充分利用社会基础设施存储间式可再生能源；④构建能源互联网，利用互联网技术将电网转变为能源共享网，通过一种网格式的智能分布式电力系统和他人共享；⑤交通工具转变，将汽车、图6里夫金提出的新工业革命的五个支柱（2）克里斯·安德森认为，新型材料的应用和增材制造技术等数字化制造方式将引发新工业革命，采纳新型材料、３Ｄ打印技术和基于网络的协同制造服务等智能化与数字化制造方法，能够迅速和精准地将计算机中的虚拟设计模型转化为真实物体，甚至直接打印出零件或模具，基于网络的新型数字化设计及制造的创新提供给网络用户以制造真实物体的能力，将制造延伸至范围更广的生产人群中，这些制造过程蕴藏着由一般人完成的无限可能，众多个人制造联合推动全面制造，将直接加快向新型工业化趋势进展的步伐，从而引领新工业革命。（3）英国彼得·马什在《新工业革命：消费者、全球化以及大规模生产的终结》一书中，将工业革命划分为五次，如表１所示，而将始于2005年的第五次工业革命称为新工业革命。表1马什的工业革命划分（4）保罗·麦基利的三次革命讲认为，表1马什的工业革命划分（5）德国政府于2013年4月举办的汉诺威工业博览会上，正式推出了工4.0第四次工业革命项目，目的是支持工业领域新一代革命性技术的研发与创新。工业4.0强调在工业生产过程中，以信息物理融合系统为核心，将众多智能体聚拢在信息平台上，形成一种高度协同的互联互通关系，从而构建智能化的新型生产模式与产业结构。工业4.0正引领新一轮的工业革命，传统的行业界限将消逝，并会产生各种新的活动领域、商业模式和合作形式，将导致工业结构、经济结构和社会结构从垂直向扁平转变，从集中向分散转变。新工业革命是基于新能源、智能制造、数字化制造、机器人技术、新一代信息网络技术等先进技术综合系统协同创新及突破性的进展，融合信息、计算机、数字化、互联网技术创新变革，使工业生产方式与制造模式发生巨大变化，从而使交易方式与人们的生活方式发生重大变化。传统的自上而下、集中规模化的生产模式将逐步被新工业革命的分散、扁平和协作的模式取代，定制化、个性化、智能化、分散化和合作化是新工业革命的要紧特征。2.6先进制造技术与新工业革命之间关系图7制造技术/模式与工业革命的演变从主导技术和新兴产业的角度来看，以生产方式变革为主线的ATM图7制造技术/模式与工业革命的演变图中：第一次工业革命中，由于蒸汽机、电气技术、内燃机的发明与改进，机器取代手工成为主导生产方式，制造业进入机械化制造时代，成为近代工业化大生产时代的开端。第二次工业革命中，大规模制造成为主导生产方式，20世纪20年代，随着电子技术、信息技术的进展，以流水线为典型代表的大规模制造模式在组织结构上追求纵向一体化与大规模，内部分工认真，专业化程度高，简单熟练的操作提高了生产效率，使制造成本随规模递减，同时质量的稳定性也得到提高，制造模式进入批量大规模制造时期。新工业革命是现代先进制造模式集成协同创新的结果，进入20世纪90年代后期，随着网络信息技术、智能操纵技术研究的深入和以知识为基础的经济时代的到来，制造业的市场环境与技术变革发生了全然性的改变。大规模制造系统的刚性与市场的个性化需求以及环境快速变化所要求的响应速度之间的矛盾日益尖锐，正是在此背景下，各种新制造模式研究探究与试验如雨后春笋般迅速兴起，现ATM融合自然科学和社会科学的最新进展，以绿色、低碳、可持续为进展理念，带来了产业组织模式的转变，对转变经济增长方式、政府治理模式和社会组织形态都有巨大的推动作用，使全球技术要素和市场要素配置方式发生了革命性变化。ATM的进展将在新工业革命中发挥重要作用。如前所述，工业革命的实质是制造业生产方式与制造模式发生重大变化，它必定也是始于制造技术突破性的进展。ATM是制造业产生变革的全然力量，新一代信息技术（云计算、大数据、物联网、务联网、云平台等）、新能源（再生能源、清洁能源等）、新材料（复合材料、纳米材料等）技术等将为新工业革命制造强大的新基础设施；分散式制造（网络化制造、制造物联、云制造、智能制造）、众包生产、集群效应、利基思维等使生产方式产生变革，将整个工业生产体系提升到一个新的水平，工业生产、经济体系和社会结构将从垂直转向扁平、从集中转向分散；以智能制造为代表的新一代先进制造模式，必将使商业模式、治理模式、服务模式、企业组织结构和人才资源需求发生巨大变化，给工业领域、生产价值链、业务模式乃至生活方式带来全然性变革，进而推进和实现新的工业革命。制造模式的演进与新工业革命的出现由市场进展、社会变革、技术突破、治理创新多种动因的综合作用决定。对新工业革命的内涵的理解必须通过与社会科学（如经济学和治理学）等跨学科的对话和交流，适当突破自然科学和工程技术学科的理论范畴。工业进展历程表明，新的生产模式的出现均为与特定的社会制度、组织结构和经济因素等相互作用的产物,而新的制造模式又会对既有社会制度和治理方式提出新的要求，从而推进企业治理模式、社会制度环境的变革。综上所述，在市场、技术、社会经济环境变化与全球一体化趋势的推动下，制造业正在经历着一场革命，一场以实施先进制造技术和经营方式完全变革为要紧内容的先进制造模式的革命，涉及制造理念、制造战略、制造技术、制造组织与治理各个领域的全面变革。第3章航空发动机关键技术近年来，为适应国家安全和国民经济进展的需要，各种型号的预警机、歼击机、直升机、大客大运等新型飞机不断飞上蓝天，但他们绝大多数依旧缺乏一颗强劲的“中国心”。中国制造的ARJ21客机安装着美国的CF34-10A发动机，中国制造的C919大型客机，将配装美、法研制的LEAP-X1C发动机，我们必须尽快翻过这一页。能够相信，随着中国制造2025的全面布局，航空发动机重大工程的开展，通过航空发动机人的不懈努力，逐步解决航空发动机制造的关键技术、基础技术和热点技术.从关键技术、热点技术和基础技术3个层面介绍航空发动机关键制造技术，制造关键技术是研制先进航空发动机必须具有的技术；制造热点技术是提高发动机制造效率和制造品质必须开展研究的技术；制造基础技术是发动机研制和批量生产应逐步积存和进展的技术，代表发动机制造技术水平和生产能力的软实力。3.1航空发动机制造基础技术（1）周密制坯技术。周密制坯技术包括周密锻造制坯、周密铸造制坯和3D打印技术制坯，它是为现代航空发动机制造提供“粮食”的技术。（2）高效高质量焊接技术。构件整体化是新型航空发动机零件结构进展变化的趋势，高效焊接技术是实现构件整体化的最有效方法之一。扩散连接焊、线性摩擦焊、电子束焊等焊接工艺是实现航空发动机构件整体化制造的3大关键技术。（3）刀具、机床、构件一体化技术。航空发动机上几乎所有的零件都需要机械加工，机械加工离不了刀具和机床。现代航空发动机制造技术，使刀具技术和机床功能等得到了高速进展。（4）基础数据库的开发和应用技术。国外航空发动机设计、试验和制造大量采纳仿真技术进行模拟相关零件、构件或发动机整机的特性，模拟锻件的变形、铸件的凝固、焊接件的连接、零件加工中材料的切削过程等。（5）加工废料回收和再利用技术。高性能航空发动机需要使用高强度、耐高温材料，靠近燃烧室的压气机和涡轮部件大量使用镍基和钴基超耐热合金，风扇和压气机叶片、机匣、盘大量采纳钛合金、高温合金材料。3.2单晶涡轮叶片制造技术现代航空发动机涡轮前温度大大提升，F119发动机涡轮前温度高达1900~2050K，传统工艺铸造的涡轮叶片全然无法承受如此高的温度，甚至会被熔化，无法有效地工作。单晶涡轮叶片成功解决了推重比10一级发动机涡轮叶片耐高温的问题，单晶涡轮叶片优异的耐高温性能要紧取决于整个叶片只有一个晶体，从而消除了等轴晶和定向结晶叶片多晶体结构造成晶界间在高温性能方面的缺陷。单晶涡轮叶片是目前航空发动机所有零件中制造工序最多、周期最长、合格率最低、国外封锁和垄断最为严格的发动机零件。制造单晶涡轮叶片的工序包括压芯、修芯、型芯烧结、型芯检验、型芯与外型模具的匹配、蜡模压注、蜡模X光检验、蜡模壁厚检测、蜡模修整、蜡模组合、引晶系统系统及浇冒口组合、涂料撤砂、壳型干燥、壳型脱蜡、壳型焙烧、叶片浇注、单晶凝固、清壳吹砂、初检、荧光检查、脱芯、打磨、弦宽测量、叶片X光检查、X光底片检查、型面检查、精修叶片、叶片壁厚检测、终检等制造环节。除此之外，还必须完成涡轮叶片精铸模具设计和制造工作。单晶涡轮叶片，目前世界上只有美国、俄罗斯、英国、法国、中国等少数几个国家能够制造。近年来，国内在单晶涡轮叶片制造中也取得了较大的进步，研制了推重比10一级发动机单晶涡轮叶片并批量生产了高功重比涡轴发动机单晶涡轮叶片。3.3整体叶盘高效高精度低成本加工技术整体叶盘技术的应用推动了航空发动机结构设计的创新和制造工艺的跨越，实现了发动机减重和增效的目的，提高了发动机工作的可靠性。同时，叶片的薄厚度、大弯扭高效率气动设计，形成了叶片刚性差，加工易变形难操纵的问题；叶片间窄而深的气流通道，使叶盘加工工艺实现性差；钛合金、高温合金等高强材料，难切削加工，效率低。美英20世纪80年代的新型发动机开始应用整体叶盘技术，我国整体叶盘技术起步于1996年前后。整体叶盘技术的应用推动了发动机零件结构整体化技术的进展，带鼓筒叶盘、带轴叶盘、盘片鼓筒轴组合叶盘、带箍闭式叶盘、整流器静子环叶盘和两级或多级叶盘组合的串列式整体叶盘结构在新型航空发动机研制中陆续得到应用；整体叶盘的功能结构在轴流叶盘、离心叶轮的基础上，进展了大小叶片结构叶盘、斜流转子叶盘。自整体叶盘在高性能航空发动机上应用以来，整体叶盘制造技术一直在进展和提升，目前整体叶盘加工的工艺方法要紧有以下5种：失蜡周密铸造整体叶盘、电子束焊接整体叶盘、电化学加工整体叶盘、线性摩擦焊整体叶盘和五坐标数控机床加工整体叶盘等工艺方法。五坐标数控机床加工整体叶盘工艺方法是国内航空发动机整体叶盘制造中技术研究开展的最早、工程应用面最宽、技术成熟度较高的叶盘制造工艺方法。其中，插铣开槽加工工艺、对称螺旋铣削叶型精铣加工工艺、叶片前后缘加工误差补偿技术和整体叶盘叶型自适应加工工艺技术是该技术进展和应用的关键。国外T700发动机、BR715发动机增压级、EJ200发动机的整体叶盘使用此加工方法加工制造，我国CJ1000A、WS500等航空发动机整体叶盘也是采纳五坐标数控加工技术制造。图8为我国制造的商用航空发动机高压压气机第一级整体叶盘。图8商用航空发动机高压压气机第一级整体叶盘图8商用航空发动机高压压气机第一级整体叶盘3.4空心叶片制造技术图9空心风扇叶片及内部三角形结构涡扇发动机的风扇远离燃烧室，热负荷低，但先进航空发动机对其气动效能的要求和防外物打伤的能力在不断提升。高性能航空发动机风扇均采纳宽弦、无凸肩、空心风扇叶片。罗·罗公司研制的三角形桁架结构的空心风扇叶片是对原蜂窝夹芯叶片的改进，罗·罗公司称其为第二代空心风扇叶片，其工艺是采纳超塑成形/扩散连接（SPF/DB）组合工艺方法，将3层钛合金板制成宽弦空心风扇叶片，叶片空心部位呈三角形桁架结构,该结构叶片差不多在波音777和A330飞机的“遄达”发动机上使用。我国三角形桁架结构的空心风扇叶片制造技术也取得突破（图9为空心风扇叶片及内部三角形结构），但要满足工程化应用还需开展大量的强度、振动、疲劳试验和工艺优化研究工作。空心叶片的制造工艺流程为：首先需预备3块钛合金板并按上、中、下3层放置，中间一层为芯板，上下层分不为叶盆和叶背层板，然后按照除油酸洗3块钛合金板、中间层喷涂止焊剂、钛板焊接、入模加温、氩气净化、扩散连接、超塑成型、随炉冷却、表面化洗、叶根及进排气边加工、叶片检验等工序[2]超塑成形/图9空心风扇叶片及内部三角形结构3.5高端轴承制造技术轴承是航空发动机的关键零部件之一，轴承在以每分钟上万转高速长时刻运转的同时，还要承受发动机转子高速旋转所产生的巨大离心力和各种形式的挤压应力、摩擦与超高温作用。轴承的质量和性能直接阻碍到发动机性能、寿命、可靠性和飞行安全。高端轴承的研制和生产与接触力学、润滑理论、摩擦学等学科交叉及疲劳与破坏、热处理与材料组织等基础研究紧密相关，同时还必须解决设计、材料、制造、制造装备、检测与试验、油脂及润滑等环节大量的技术难题。目前，高端轴承的研发、制造与销售差不多上被铁姆肯、NSK、SKF，FAG等西方国家的轴承制造企业垄断。我国航空发动机制造技术落后，国内轴承制造企业的生产能力和研制水平，在短期全然无法提供适合先进航空发动机使用的高端轴承。轴承已成为我国航空发动机研发中难以翻越的“珠穆朗玛峰”，极大制约了我国高性能航空发动机的进展。3.6粉末涡轮盘制造技术航空发动机涡轮盘承受着高和气高应力的叠加作用，工作条件苛刻，制备工艺复杂，技术难度大，成为我国发动机进展的难点之一。基于粉末高温合金具有优异的综合力学性能和良好的冷热工艺性能等优点，国外高性能航空发动机上广泛使用粉末涡轮盘。粉末涡轮盘的制造包括材料研制、母合金熔炼、粉末制备与处理、热等静压、等温锻造、热处理，以及高精度检测与评价等一系列关键制造技术，它承载着先进航空发动机制造不可或缺的关键制造技术。国外粉末涡轮盘研究的趋势为在涡轮盘使用性能上从高强型涡轮盘向耐损伤型涡轮盘进展、制粉工艺向超纯净细粉方向进展，成型工艺在采纳热等静压成型工艺的同时，还进展挤压成型工艺、等温锻成型工艺。国内，北京航空材料研究院已研制了多种航空发动机粉末涡轮盘，解决了先进航空发动机粉末涡轮盘的关键制造技术难题，但粉末涡轮盘工程化制造问题还未完全解决。3.7叶片进排气边（前后缘）加工技术及自适应加工技术航空发动机叶片进排气边的加工质量是阻碍航空发动机气动性能的关键因素之一。进排气边也是叶片缺陷易发部位和钛合金缺陷敏感区，大量的发动机失效事件差不多上叶片进排气边加工缺陷造成的。由于叶片进排气边是叶片最薄的部位，又是叶片的边沿部位，其刚性差、加工变形量大，加工的叶片进排气边常常出现方头、尖头等。发动机叶片批量产中，高效高质量叶片进排气边加工的关键工艺问题仍未完全解决。自适应加工技术分为3种形式，即刀位轨迹的自适应规划、数控系统的自适应操纵和与数字化检测相结合的自适应加工。国内自适应加工技术在航空发动机精锻/辊轧叶片加工、损伤叶片修复和线性摩擦焊接整体叶盘加工中等到成功应用，尽管自适应加工技术在理论和实践上都取得了突破和进展，然而自适应加工技术的工程化应用仍是航空发动机制造研究的热点技术。3.8防鸟撞技术鸟撞事件频发，由此造成危害巨大成为航空发动机研制不可避开的问题，国内外均开展了广泛的研究。2015年7月美国FAA公布了《运输类飞机鸟撞要求》的通告，此要求的公布不仅对以后航空发动机的防鸟撞、防外物打伤提出了具体的要求和规定，同时又为发动机新材料新结构制造技术的开展指明了又一新的研究方向。3.9复合材料制造及3D打印技术复合材料技术已在高性能航空发动机上取得广泛的应用，为研制LEAP发动机的需要，斯耐克玛公司采纳三维编制树脂转移模塑（RTM）工艺技术，加工制造了复合材料风扇机匣和复合材料风扇叶片，RTM技术制造的LEAP发动机零件，不但强度高，而且质量只有相同结构钛合金部件质量的一半。在研制F119发动机过程中，普惠公司研制连续SiC纤维增强钛基复合材料宽弦风扇叶片。该类复合材料叶片具有刚度高、质量轻、耐撞击等性能，被称为第三代宽弦风扇叶片。3D打印也称增材制造，集成CAD、CAM、粉末冶金、激光加工等多项技术。利用3D打印技术，我们能够把“大脑”的思维变成三维实体，把电脑上的零件图像打印成“真实”零件。3D打印技术使制造技术和加工理念发生了“革命性”的变化。澳大利亚莫纳什大学，成功制造出世界上首个3D打印喷气发动机。同时，还与波音公司、空客集团和赛峰集团合作，为波音等提供3D打印的发动机原型机，用于飞行测试。采纳3D打印技术，发动机零部件的制造时刻能够从3个月缩短至6天。利用3D打印技术制造了发动机上非承力件、静子件零件，但零件使用的力学性能正在积极地评估，同时，使用3D打印技术制造发动机转子零件、承力件等也开展了广泛的研究工作。第4章超周密加工领域的研究超周密加工是获得高形状精度、表面精度和表面完整性的必要手段。随着对产品质量和多样化的要求日益提高，对超周密加工提出更多、更高的要求。超周密加工技术已成为包含当代最新科技成果的一个复杂系统工程。从加工精度、加工质量和加工效率角度对先进的具有代表性的超周密加工机床、超周紧密削、超周密磨削和超周密抛光技术进行重点评述和比较。超周密加工目前包括4个领域：①超周紧密削加工；②超周密磨削加工；③超周密抛光加工；④超周密特种加工(如电子束、离子束加工)。图10给出了目前各种典型超周密加工方法的加工精度范围。图10目前各种超周密加工方法的精度范围超周密加工是现代高技术战争的重要支撑技术，是现代高科技产业和科学技术的进展基础，是现代制造科学的重要进展方向。以超周密加工技术为支撑的高性能武器，对现代战争的进程及结果发挥了决定性的作用。以超周密加工技术为支撑的三代半导体器件，为电子、信息产业的进展奠定了基础。图10目前图10目前各种超周密加工方法的精度范围4.1超周密机床超周密机床是实现超周密加工的首要基础条件。关于切削和磨削来讲，要实现超周密加工确实是要实现材料的超微量去除，除了要有极锐利的刀具或微细磨具之外，机床的动态刚度和精度以及微量进给系统特不重要。超周密机床技术目前差不多进展成为一项综合性的系统工程，其进展综合利用了基础理论(包括切削机理、悬浮理论等)、关键单元部件技术、相关功能器件技术、刀具技术、计量与测试分析技术、误差处理技术、切削工艺技术、运动操纵技术和可重构技术、环境技术等。因此，技术高度集成已成为超周密机床的要紧特点。目前超周密机床已达到了专门高的水平。现在美国和日本均各有几十家工厂和研究所生产超周密机床，英国、荷兰、德国等也都有单位在研发超周密机床，也都达到了较高的水平。目前美国超周密机床的水平最高，不仅有许多工厂生产中小型超周密机床，而且由于国防和尖端技术的需要，研发了大型超周密机床，其代表是LL国家实验室于1983～1984年研制成功的DTM-3和LODTM大型金刚石超周密车床，这两台机床是目前为止世界公认的最高水平的大型超周密机床。超周密机床进展过程中，国际上一些典型的、具有代表性的机床技术性能指标如表2所示。4.2超周紧密削技术超周紧密削是特指采纳金刚石等超硬材料作为刀具的切削加工技术，其加工表面粗糙度Ra可达到几十纳米，包括超周密车削、镗削、铣削及复合切削(超声波振动车削加工技术等)。采纳微量切削能够获得光滑而加工变质层较少的表面。最小切削厚度取决于金刚石刀具的切削刃钝圆半径，切削刃钝圆半径越小，则最小切削厚度越小。因此，具有纳米级刃口锐利度的超周紧密削刀具的设计与制造表2几种典型的超周密机床技术性能指标是实现超周紧密削的关键技术之一。超周紧密削用刀具材料目前均采纳天然单晶金刚石。国外金刚石刀具制造厂商要紧有英国的康图公司、日本的大阪钻石工业株式会社。目前国外高精度圆弧刃金刚石刀具的刃磨水平最高已达到数纳米。国内尚不能制造高精度的圆弧刃金刚石刀具，切削刃钝圆半径只能达到0.1～0.3µm，生产中使用的高精度圆弧刃刀具均依靠于进口，价格昂贵。金刚石刀尖切削刃钝圆半径从理论上可达到3nm，但目前还无法直接测量。由于金刚石刀具在切削黑色金属如钢材时磨损严峻，因此在黑色金属的超周紧密削加工中也能够采纳高性能陶瓷刀具、TiN、CBN、金刚石涂层的硬质合金刀具以及CBN刀片，但由于其加工表面质量不如天然金刚石好，仅用于表面质量不十分严格的场合。以后的进展趋势是采纳金刚石刀具材料表面改性或复合切削技术(如低温切削技术、超声波振动切削技术等)来减小金刚石刀具在切削黑色金属时的磨损。微小结构表面切削加工是超周紧密削的一个新的研究方向，目前德国和日本在该领域的研究处于国际领先水平。德国夫琅和费生产技术学院用微小单晶金刚石刀具加工出表面特征结构尺寸小100µm的金字塔微棱镜阵列和壁厚1.5µm、高200表2几种典型的超周密机床技术性能指标4.3超周密磨削技术超周密磨削是指以利用细粒度或超细粒度的固结磨料砂轮以及高性能磨床实现材料高效率去除、加工精度达到或高于0.1µm，加工表面粗糙度Ra<0.025µm的加工方法，是超周密加工技术中能够兼顾加工精度、表面质量和加工效率的加工手段。随着科学技术的不断进展，在机械、电子、通信、空间、光学等尖端技术和国防工业领域中，硬脆材料高精度，高表面质量的零件获得了广泛的应用，如单晶硅片、工程陶瓷、光学玻璃、光学晶体、蓝宝石基片等，超周密磨削技术确实是为适应这些材料的高精度高表面质量的加工需要而进展起来的，硬脆材料超周密磨削可获得高度的镜面，具有专门大的进展潜力。但由于磨削是面状刀具与工件的作用，因此，与单刃刀具相比，其产生的磨削阻力要大数倍乃至百倍。为了获得高的磨削精度，必须要有高刚度的砂轮和磨床。对硬脆材料的磨削，要生成微小切削必须采纳微细磨粒的砂轮，而要产生自锐性必须使磨粒脱落的可能性增大。树脂结合剂砂轮因结合剂较软使砂轮自锐性显著提高，比金属结合剂砂轮磨削质量好。然而，磨削阻力会引起砂轮面的变形和精度恶化问题。为解决砂轮的高刚性化，采纳玻璃质固化的微细金刚石砂轮具有气孔且易排屑，适用于高质量，高精度的磨削。现已生产出粒度为0.5nm、以铁粉作结合剂的金刚石砂轮，磨削的表面粗糙度为0.5nm，适用于磨削精细陶瓷、玻璃以及单晶材料。超周密磨削要求机床具有专门高的精度和刚度，砂轮轴的高速旋转必须使用价格昂贵的轴承，而某种程度的振动总是不可幸免的。磨削过程中需要对砂轮不断地进行修整，以保持磨粒的锐利，防止磨屑堵塞砂轮烧伤工件表面，容屑空间及其保持性成为制作超微细磨粒砂轮的要紧难题；另外，磨削过程中，工件与砂轮要紧为线接触方式，加工具有单向性，专门难保证加工表面的均匀性；非磁导性工件装夹困难。这些问题都限制了磨削加工可获得的表面质量。假如能操纵单颗磨粒对工件的法向载荷并使之小于中位—径向裂纹或侧向裂纹产生的临界载荷，现在工件可能仅发生弹性变形，则可实现无亚表面损伤的加工或塑性域加工。4.4超周密抛光技术超周密抛光是利用微细磨粒的机械作用和化学作用，在软质抛光工具或化学液、电/磁场等辅助作用下，为获得光滑或超光滑表面，减少或完全消除加工变质层，从而获得高表面质量的加工方法，加工精度可达到数纳米，加工表面粗糙度Ra可达到10–1nm级，超周密抛光是目前最要紧的终加工手段。目前，抛光加工中材料的去除单位已在纳米甚至是亚纳米级，在这种加工尺度内，加工区域氛围的化学作用就成为抛光加工不可忽视的一部分。(1)超周密无损伤抛光。超周密无损伤抛光是以不破坏极表层结晶结构的加工单位进行材料微量去除的加工方法。能够按加工状态，将无损伤抛光看作是机械作用和化学的作用所进行的，它们的组合形成了各种抛光法。这些方法可分为：机械微量去除抛光、化学抛光、化学机械复合抛光。机械微量去除，只限定于磨图11各种抛光法的加工原理分类粒作用区域的机械抛光(图图11各种抛光法的加工原理分类(2)界面反应抛光。过去，硬脆电子功能陶瓷材料的加工差不多上是利用硬质磨粒的机械压入、刻划作用为主的研磨和抛光。通常在工件表面留有加工变质层。为了消除加工变质层，一般采纳化学抛光和电解抛光加工，但又会造成形状精度降低。为了克服上述缺点，必须开发新的抛光法，以实现功能陶瓷的高精度高质量抛光加工。在工件与磨料的摩擦界面上的机械能一部分转化为热能，使界面真实接触部位处于高温高压状态，处于这种状态的界面是不稳定的，各物质之间专门容易互相渗透，化合物专门容易产生和分解。这种界面反应一般称为机械化学反应。假如将反应生成物操纵在工件表层微小的深度内(一般只有数个Å)，因其加工单位专门小，就能够在不伤及母材情况下使其脱落，能够获得一般机械加工绝对达不到的超周密表面。这确实是一边反应生成易于去除的局部软质生成物，一边进行加工的界面反应抛光方法。可用于抛光加工的界面反应现象有机械化学固相反应和水合反应现象，相应的抛光方法称为机械化学抛光和水合抛光。这些新方法与传统的抛光法相比在加工机理上是完全不同的。由于不必使用弹性抛光盘而使加工的面形精度得以提高。由于利用了化学反应，所形成的加工变质层微小。界面反应抛光将可能成为功能陶瓷元器件基片超周密加工的要紧方法。(4)电、磁场辅助抛光。电、磁场辅助抛光(Field-assistedfinefinishing,FF)或场致抛光是通过操纵电、磁场的强弱操纵磨粒对工件的作用力，进行抛光的加工方法。磁场辅助抛光要紧包括磁性磨粒加工、磁流体抛光和磁流变加工三种。磁性磨粒加工、磁流变加工将在下一节介绍，磁流体抛光有悬浮式和分离式两种，前者将磨粒混入磁流体中，通过磁流体在磁场作用下的“浮置”作用进行抛光；后者的磨粒不混入磁流体中，而是利用磁流体向强磁场方向移动的特性，通过橡胶等弹性体挤压磨料，对工件进行抛光。电场辅助抛光要紧是指电泳抛光，它利用胶体粒子在电场作用下产生的电泳现象进行抛光。图12气囊式抛光原理(5)气囊式抛光。气囊式抛光原理如图12所示：进动抛光是一种新颖的光学器件的抛光方法，它具有高斯形收敛