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加工技术的发展

加工技术的发展
从传统加工到特种加工

制造技术是古老而又不断刷新的生产技术。从18世纪起,在欧美就形成了近代机械制造业;第一次工业**,到了19世纪又实现了制造机械化;这时,已经形成了一整套传统加工技术,即机械加工技术。

随着机械寿命和材料强度的提高,使难切削材料愈来愈多,产品集成化使零件愈来愈复杂,产品小型化又提出了微细加工的需要,以及加工过程要求易於自动化等,使传统加工很难满足社会对机械制造业日益提高的要求。从20世纪30年代到80年代,随着制造技术与电力技术和电子技术结合,爆发了第一次制造**。在这些年代,一个接一个的发明并在机械制造业应用了一系列与传统加工完全不同的新加工方法,这些方法统称为特种加工,其中包括物理和化学加工,简称理化加工;电物理和电化学加工,简称电加工及其复合加工。

从狭义加工到广义加工
无论是传统加工还是特种加工,都有广义加工和狭义加工之分。广义加工包括:变形加工、接合加工、减材加工和改性加工等。

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

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

减材加工简称去除,是由大块原材料或有余量的毛坯逐步去除多余的材料,而得到所需形状、尺寸和性状零件的工艺方法。在传统加工中,减材加工主要利用机械力的作用去除原材料或毛坯的多余部分,即用高硬度的刀具切削原材料或毛坯使之变成零件,例如车、刨、剃、锯、鉆、镗、铣、拉、铰、攻丝等切削加工和磨削加工。特种加工中减材加工有放电加工、电解加工、激光加工、超声加工、电子束加工、化学加工、等离子加工和离子束加工等。

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

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

从减材加工到增材加工

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

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

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

“快速原型制造”或“快速成形”这个名称不是蕞合理,因为“快速”并非指加工速度快,而是指全部加工时间短;另外,现有的众多方法早已超出“原型制造”的範围。因此,采用“增材加工”这个名称,足以概括全部方法和应用,清楚地指出了加工原理,并能用其英文缩写MAM清楚地与减材加工的英文缩写MRM相对应。

从制造死物到制造活物

自古以来,制造业一直制造死物,无法制造活物,因为它是人类的制造过程。自地球上有生命以来,生物界一直繁衍活物,不会繁衍死物,因为它是自然界的生命过程。但是,在制造业日趋信息化和生命科学走向工程化的今天,如果把制造工程、生命科学、计算机技术、信息技术、材料工程各领域的蕞新成果组合起来,使其彼此沟通,那麽制造业不仅能制造出无生命的复杂智能机器,而且还可利用基因工程的成就,制造出有生命、可供移植的器官和可供利用的仿生部件。

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

从它成形到自成形

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

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

新的制造**

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

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

21世纪,随着生物技术、生命科学、材料科学等不断融入先进制造技术,又必将使制造工程产生一场新的制造**,这可能就是第三次制造**。如前所述,叫做生物制造工程也好,叫做仿生制造技术也好。总之,一是利用基因工程的成就,制造出有生命,可供移植的器官和可供利用的仿生部件;二是按生物生长、发育,在其内在基因控制下,通过细胞并行分裂进行自生长成形加工。这种制造方法可以生长任何人类所需要的产品,如人或动物的骨骼、器官、肢体,以及生物材料结构的机械零件等。可以设想,如果人们能将DNA中控制形状、尺寸、结构与材质的基因分离出来,加以破译,并采用先进的“原子操作技术”组装或修改基因,那麽有朝一日机器零件乃至整台的机器可以在培育皿中从相应的“种子”生长出来。将来微型机械的制造很可能向这方向发展。

纵观制造技术的发展,加工方法是这样进步的:机械加工→物理与电物理加工→化学与电化学加工→生物或仿生加工,完全符合科学认识过程从简单到复杂、从粗糙到细致的发展方向。

 
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