现代机械制造工艺与精密加工技术

2016-08-09谢兴平

大科技 2016年4期

关键词：纳米技术焊丝研磨

谢兴平

（成都天翔环境股份有限公司四川成都 610300）

现代机械制造工艺与精密加工技术

谢兴平

（成都天翔环境股份有限公司四川成都 610300）

机械技术是机电控制系统最重要的基础技术，本文基于此，首先简述了我国现代机械制造领域发展情况，然后分析了现代机械制造工艺的特点，在此基础上对现代机械制造工艺与精密加工技术做出了重点分析，望对相关人员提供一定的参考价值。

现代机械；制造工艺；特点分析；精密加工

1 引言

随着我国经济的发展和科学技术的进步，机械制造技术开始在现代工业技术中彰显出了重要的应用价值，而机械制造工艺作为经过各类工艺系统将原材料加工成为机械产品的重要过程，无论是在矿山及工程机械、石油化工机械、机床工具设备等大型工业中，还是在洗衣机、电冰箱、轿车这些日用消费品中，都有着极其广泛的应用。但与此同时，人民日益增长的物质需求也使得现代制造工艺开始面临着更高的挑战。这样的背景下，了解现代机械制造工艺的相关特点，并结合实际的生产情况，利用先进的科学技术不断提升现代机械制造工艺和精密加工技术水平，对于促进我国机械制造产业的发展有着不可忽视的重要意义。

2 我国现代机械制造领域发展情况简述

进入21世纪以来，全球性的产业集群重新组合，国际分工不断明确，各国均开始将提高产业核心竞争能力及发展高新技术作为抢占未来经济的利益点。在机械制造方面，中国市场自加入WTO以来逐渐与国际市场并轨，在全球化带来的利益和风险面前，我国大量的机械制造企业开始对于新技术有着更为迫切的要求，这就促使了现代机械制造领域焕发出蓬勃的生命力。经过半个多世纪的努力，我国已经在现代机械制造及加工领域中取得了较为优秀的成绩，在大型机械方面，基本已经形成了具有较大规模以及技术开发能力的支柱产业，包括近几年智能电网建设工作中的60万kW火力发电机组、大吨位超重水压机、冶炼领域中的500万t的大型钢铁成套加工设备等。而在精细加工领域，更是利用在核心工序上完善关键设备的手段，将船泊制造精度提升至5μm、粗糙度控制更是达到了0.08μm，形成了完整的精密加工制造体系。

3 现代机械制造工艺的特点分析

随着微电子技术、传感技术和机电一体化技术等高新尖技术的迅速发展及其在机械制造方面的广泛应用，现代机械制造工艺也逐渐由单一强调人的主体作用这一特点向着多元化不断迈进，具体而言，现代机械制造工艺具有以下特点：

3.1 综合性

从宏观的角度来看，现代机械制造技术已经不再局限于单一的机械制造领域，而是将计算机技术、信息技术和自动控制技术等诸多科技成果融入传统的机械制造技术之中，以期得到更优秀的机械产品。实践表明，随着各学科、各专业间的科研成果不断碰撞，具有综合性这一特点的现代机械制造工艺已经达到了新的高度。

3.2 一体化

一体化这一特点主要指的是产品设计与机械制造工艺一体化，传统的机械制造技术往往只涵盖了设计工作与制造过程，但随着全球化经济时代的到来，现代机械制造开始贯穿了从产品设计、加工制造到产品的销售、服务、使用维护这样一个全过程。最具有代表性的并行工程正是基于现代机械制造工艺的一体化所提出的，已成为面向机械制造业设计与加工的重要新型概念。

3.3 系统性

与传统的机械制造产业相比，现在机械制造工艺更重视工程技术与经营管理的系统结合，很多优秀的生产管理和管理方式也正是在这样的背景下营运而言，包括涵盖了资源管理和生产的制造资源计划（MRP）、涵盖了时间管理与生产加工的准时生产（HT）、涵盖了质量管理与生产加工的全面质量管理（TQC）等等。

3.4 经济性

在激烈的市场竞争的条件下，现代机械制造工业也开始将经济性作为重要的发展目标。来考虑生态平衡、环境保护的基础上，现代机械制造工艺越来越多将产品生命周期服务作为中心，追求产品开发速度快、成本低、质量好等一系列目标，以期获得更优秀的经济效果。

4 现代机械制造工艺的应用探讨

现代机械制造工艺涵盖的内容十分广泛，包括车、钳、铣、焊等等，本文选取应用较为广泛的焊接方面作为现代机械制造工艺应用的探究内容。

4.1 气体保护焊工艺

气体保护焊工艺是以不容易与外界发生反应的气体（常使用二氧化碳）作为保护气体，以电弧作为主要热源来熔化金属的焊接方法。在应用方面操作简单，适合自动焊和全方位焊接。在焊接时不能有风，适合室内作业。

在对接焊缝进行操作时，由于气体保护焊的熔深较大，对于板厚较小的板材焊接可以采用工形坡口双面单道焊接；对于开坡口的焊接，若是坡口较窄，可以采用多层单道焊，若是坡口较宽，可以采用多层多道焊。对于角焊缝的操作来说，由于其容易产生咬边、未焊透以及焊缝下垂等缺陷，所以应严格控制焊丝的角度。若是等厚板进行焊接，焊丝和水平板的角度要控制在40～50°；若是不等厚板进行焊接，焊丝的倾角要使得电弧偏向厚板方向，板厚越厚，焊丝和其夹角要越大。

这种焊接方式的优点在于保护性较强，能避免无关反应物影响焊接操作，且焊丝自动送丝，敷化金属量大，能够达到更高的生产效率。

4.2 埋弧焊工艺

埋弧焊是现代机械制造工艺中应用极广的一种焊接工艺，如图1所示，埋弧焊（含埋弧堆焊及电渣堆焊等）是一种电弧在焊剂层下燃烧进行焊接的方法，可焊接的钢种包括碳素结构钢，不锈钢，耐热钢及其复合钢材等。埋弧焊在造船，锅炉，化工容器，桥梁，起重机械，冶金机械制造业，海洋结构，核电设备中应用最为广泛。此外，用埋弧焊堆焊耐磨耐蚀合金或用于焊接镍基合金，铜合金也是较理想的。

图1 几种不同类型的埋弧焊示意图

焊接过程中，在工件被焊处覆盖着一层30～50mm厚的粒状焊剂，连续送进的焊丝在焊剂层下与焊件间产生电弧，电弧的热量使焊丝、工件和焊剂熔化，形成金属熔池，使它们与空气隔绝。随着焊机自动向前移动，电弧不断熔化前方的焊件金属、焊丝及焊剂，而熔池后方的边缘开始冷却凝固形成焊缝，液态熔渣随后也冷凝形成坚硬的渣壳。

这类工艺的优势除了生产效率高、焊缝质量好以外，还不存在弧光辐射，使得其对于焊接人员的危害程度较低。

4.3 螺柱焊工艺

螺柱焊工艺指的是先将螺柱与管件或者板件利用固件进行连接，然后再引入电弧使接触点熔化在一起，最后对螺柱施加一定大小压力完成焊接。螺柱焊的基本原理在于待焊螺柱和工件之间引燃电弧，当螺柱和工件被加热到合适的温度时，通过外力的作用，螺栓送入工件上的焊接熔池形成焊接接头。

根据焊接原理的不同，螺柱焊工艺分为储能式和拉弧式两种。其中储能式焊接因其熔化深度较小，多应用于薄板焊接，而拉弧式焊接在触电融化过程中会提升熔深，故多用于重工业的厚钢板焊接之中。这类焊接方式的优势在于无需进行打孔、钻洞、粘结等繁琐工艺，固定后即可进行焊接，从而有效避免了某些恶劣环境下焊接所存在的漏气漏水现象，是现代机械制造业中的常用焊接方式。

4.4 搅拌摩擦焊工艺

摩擦焊是利用工件端面相互运动、相互摩擦所产生的热，使端部达到热塑性状态，然后迅速顶锻，完成焊接的一种方法。其原理为：搅拌摩擦焊焊接过程是由一个圆柱体或其他形状（如带螺纹圆柱体）的搅拌针（welding pin）伸入工件的接缝处，通过焊头的高速旋转，使其与焊接工件材料摩擦，从而使连接部位的材料温度升高软化。同时对材料进行搅拌摩擦来完成焊接的。

摩擦焊可以方便地连接同种或异种材料，包括金属、部分金属基复合材料、陶瓷及塑料。现已在铁路、飞机、车辆等大型机械制造业上有了更优秀的应用。随着科技的发展，材料研究的不断深入，高强铝合金在航天器构件上应用越来越广泛，航天器燃料贮箱就是其中典型构件之一。但2000系列、7000系列的高强铝合金熔焊焊接性极差，如何连接成为困扰工程技术人员的主要问题。波音公司与英国焊接研究所合作，成功的利用搅拌摩擦焊技术解决了工程中的连接问题。中间舱段连接采用搅拌摩擦焊技术的DeltaⅡ火箭于1999年8月17日成功发射，并于2001年4月7日成功用于运载“火星探索号”，该次发射也是搅拌摩擦焊技术首次应用于压力容器，采用搅拌摩擦焊技术连接的燃料贮箱工作温度为-195℃～＋183℃。采用搅拌摩擦焊技术，助推舱段焊接接头强度提高了30～50%，制造成本下降了60%，制造周期由23d减少至6d。截至TWI发布此信息之日，应用于DeltaⅡ型火箭的搅拌摩擦焊缝已达2100m，应用于DeltaⅣ火箭搅拌摩擦焊缝已达1200m，无任何缺陷。

与其它几类焊接工艺相比，这种焊接方式具有无需焊接搅拌头以外的焊丝，能够有效保护体、焊条、焊剂等任何焊接性的消耗性材料，以铝合金焊接为例，只需焊接1个焊接搅拌头，即可实现温下的800m的焊接要求。

5 精密加工技术的应用探讨

5.1 精密切削技术

直接使用切削方法获得机械产品的高精度是一种简单也是最常用的精密加工方法，但这种方法同样有着一定的局限性，以机械零件的加工为例，精密切削技术对于机床、零件、固件等相关物体均有着较高的要求，热变形、机床自重、导轨损耗、回转误差等常见的故障都会使得零件的精密情况被大大降低。这就要求这类加工技术采用更高更先进的精度控制技术，包括超精密切削和金刚石刀具，精密和超精密磨削、研磨与抛光，精密和超精密机床，精加工中的测量技术和在线误差补偿，微细加工技术，精加工的支撑环境，纳米技术，空气静压轴承、精密陶瓷导轨、微驱动等等。此外，还应当尽可能地提升机床主铀的转速以提升切削精度，现在，超精密加工机床的转速已从每分钟几千转提高到几万转，精度更是达到了纳米数量级，随着精密加工技术的不断成熟，我们有理由相信精密切削这类加工技术有着更为优秀的应用价值。

例如：采用金刚石刀具进行切削，平面镜的表面粗糙度可以达到Ry5μm，曲面镜的表面粗糙度可以达到Ry10μm，形状精度可以达到30μm，并且没有塌边的现象；相比于一般的切削加工，通过金刚石刀具超精密切削精度可以提升1～2个量级；在SPDT加工过程中可以通过数控系统进行大批量的生产加工，这样不单单会缩短加工所用的时间，提升效率，同时加工复杂表面时也比较容易，所以，加工的设备投资虽然比较高，但是效益也比较高，总体成本还是较低的。

5.2 模具成型技术

模具成型技术主要是将计算机辅助设计、精密机械、数控激光技术以及材料学进行综合应用的新兴技术，它主要是利用离散堆积原理，将设计物体的CAD模型转化成为实物样件。由于此技术的原理是将三维形体转化成为二维平面后进行分层制造，对于物体的构成复杂性不很敏感，所以物体的形状越复杂越能体现出它的优越性。

模具成型技术开发的目的就是要缩短新产品的开发周期，降低开发成本，尽早的向市场推出满足客户需求、多品种小批量的产品。由于产品开发和相关制造技术的快速发展，再加上越来越多变的市场需求，造成了产品的寿命周期越来越短，例如，对于汽车、家电、计算机等电子产品，通过模具成型技术进行模型的制造，其制作周期相比传统的模具制造可以缩短2/3～9/10，生产成本也可以降低2/3～4/5。因此，发达国家已经将模具成型技术当成缩短产品开发周期的重要课题以及制造业的核心技术进行研究，我国也进行了一定程度的快速制造业的研究和开发。

5.3 超精密研磨技术

超精密研磨技术由于具有特殊的加工原理以及对于加工设备、加工环境要求不是很高等相关特点，所以它可以实现纳米级甚至是原子级的加工，其已经成为了超精密加工技术中的重要组成部分。

其加工机理在于：对于硬脆材料的研磨加工，一部分磨粒由于研磨压力的作用，使之压入到研磨盘内，通过露出的尖端刻划工件的表面，进行微切削加工；而另一部分磨粒在工件和研磨盘之间进行滚动，产生滚轧效果，使工件表面产生微裂纹，裂纹扩展之后使得工件表面产生脆性崩碎，形成切屑，从而达到表面去除的目的。

超精密研磨技术主要用于集成电路基板的硅片加工，随着集成电路的不断发展，电路中核心元件——硅片的体积也面临着更高的挑战。现阶段硅片的表面粗糙度要求已经达到了毫米数量级，这是用传统的磨削、研磨、抛光方法难以打成的，因此，需要采用超精密研磨技术对其进行精细加工，常使用的超精密研磨技术包括弹性发射加工和流体动压型悬浮研磨、促进化学反应的机械化学研磨等等。

5.4 纳米技术

纳米技术是在纳米尺度内，通过对物质反应、传输和转变的控制来实现创造新的材料、器件和充分利用它们的特殊的性能，并且探索在纳米尺度内物质运动的新现象和新规律。

科技水平的不断进步，尤其是在电子行业这一朝阳产业，纳米技术得到了很大的发展，主要是集中在电子复合薄膜，利用超微粒子来改善膜材的电性、磁性和磁光特性，此外还有磁记录、纳米敏感材料等。随着人们生活水平的日益提高，及人们对环保的重视程度不断加强。空气质量与工业废水处理已成为城市的一个生活生存质量标志。纳米材料由于其特有的表面吸附特性，使其在净化空气与工业废水处理方面有着很大的发展前景。

纳米技术目前已成功用于许多领域，包括医学、药学、化学及生物检测、制造业、光学以及国防等等。包括如下领域：纳米技术在新材料中的应用、纳米技术在微电子、电力等领域中的应用、纳米技术在制造业中的应用、纳米技术在生物、医药学中的应用、纳米技术在化学、环境监测中的应用、纳米技术在能源、交通等领域的应用、纳米技术在农业中的应用、纳米技术在日常生活中的应用。例如：在纺织以及化纤制品中添加纳米微粒，可以除味杀菌。化纤布虽然结实，但有烦人的静电现象，加工少量金属纳米微粒就可消除静电现象。

纳米技术应用前景十分广阔，经济效益十分巨大。美国权威机构预测，未来纳米技术的应用将远远超过计算机工业。纳米复合、塑胶、橡胶和纤维的改性，纳米功能涂层材料的设计和应用，将给传统产生和产品注入新的高科技含量。专家指出，纺织、建材、化工、石油、汽车、军事装备、通讯设备等领域，将免不了一场因纳米而引发的“材料革命”现在我国以纳米材料和纳米技术注册的公司有近100个，建立了10多条纳米材料和纳米技术的生产线。纳米布料、服装已批量生产，象电脑工作装、无静电服、防紫外线服等纳米服装都已问世。加入纳米技术的新型油漆，不仅耐洗刷的性能提高了十几倍，而且无毒无害无异味。纳米技术正在改善着、提高着人们的生活质量。