機械制造與夾具教案

（機械制造

行業(yè)）機械制造

與夾具教案

第7章現代制造技術

教學目標與要求

?了解現代制造技術的發(fā)展水平與趨勢

?了解特種加工技術的原理、特點及應用

?了解現代制造生產模式及其發(fā)展趨勢

教學重點

?現代制造技術的發(fā)展水平與趨勢

?特種加工技術的原理、特點及應用

7.1現代制造技術概述

與傳統(tǒng)制造技術比較，現代制造技術具有如下特征。

(1)系統(tǒng)性

由于計算機技術、信息技術、傳感技術、自動化技術

和先進管理等技術的引入，并與傳統(tǒng)制造技術的結合，現

代制造技術成為一個能夠駕馭生產過程中的物質流、信息

流和能量流的系統(tǒng)工程；而傳統(tǒng)制造技術一般只能駕馭生

產過程中的物質流和能量流。

(2)廣泛性

傳統(tǒng)制造技術通常只是指將原材料變?yōu)槌善返母鞣N加

工工藝；而現代制造技術則貫穿了從產品設計、加工制造

機械制造工藝與夾具

到產品銷售及使用維護的整個過程，成為"市場一設計開

發(fā)一加工制造一市場”的大系統(tǒng)。

(3)集成性

傳統(tǒng)制造技術的學科專業(yè)單一、獨立，相互間界限分

明；而現代制造技術由于專業(yè)和學科間的不斷滲透、交叉、

融合，其界限逐漸淡化甚至消失，技術趨于系統(tǒng)化、集成

化，已發(fā)展成為集機械、電子、信息、材料和管理技術為

一體的新型交叉學科——制造系統(tǒng)工程。

(4)動態(tài)性

現代制造技術是針對一定的應用目標，不斷吸收各種

高新技術而逐漸形成和發(fā)展起來的新技術，因而其內涵不

是絕對的和一成不變的。反映在不同的時期、不同的國家

和地區(qū)，現代制造技術有其自身不同的特點、重點、目標

和內容。

(5)實用性

現代制造技術的發(fā)展是針對某一具體的制造需求而發(fā)

展起來的先進、實用的技術，有著明確的需求導向。現代

制造技術不是以追求技術的高新度為目的，而是注重產生

最好的實踐效果，以促進國家經濟的快速增長和提高企業(yè)

-188-

的綜合競爭力。

7.2現代制造工藝技術

7.2.1現代制造工藝

現代制造工藝的發(fā)展主要表現在如下幾個方面。

(1)制造加工精度不斷提高

隨著制造工藝技術的進步與發(fā)展，機械制造加工精度

得到不斷提高。18世紀，加工第1臺蒸汽機所用的汽缸

鋒床，其加工精度為1mm;19世紀末，機械制造精度也

僅為0.05mm;20世紀初，由于能夠測量0.001mm千

分尺和光學比較儀的問世，加工精度向微米級過渡，成為

機械加工精度發(fā)展的轉折點；到了20世紀50年代末，實

現了微米級的加工精度；在最近的一二十年內，機械制造

加工精度提高了1~2個數量級，有了較快的發(fā)展，達到

10nm的技術水平。現在測量超大規(guī)模集成電路所用的電

子探針，其測量精度已達到0.25nm。預計在不遠的將來,

可實現原子級的加工和測量。

(2)切削加工速度迅速提高

隨著刀具材料的發(fā)展和變革，在近一個世紀時期內，

切削加工速度提高了一百至數百倍。20世紀前，切削刀具

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是以碳素鋼作為刀具材料，由于其耐熱溫度低于200℃,

所允許的切削速度不超過10m/min;20世紀初，出現了

高速鋼，其耐熱溫度為500~600℃,可允許的切削速度

為30~40m/min;到了20世紀30年代，硬質合金開始

得到使用，刀具的耐熱溫度達到800~1000℃,切削速度

很快提高到每分鐘數百米。隨后，相繼使用了陶瓷刀具、

金剛石刀具和立方氮化硼刀具，而陶瓷刀具和立方氮化硼

刀具，切削速度達到每分鐘一千米至數千米。

(3)新型工程材料的應用推動了制造工藝的進步和變

革

超硬材料、超塑材料、高分子材料、復合材料、工程

陶瓷、非晶與微晶合金、功能材料等新型材料的發(fā)展與應

用，對制造工藝提出了新的挑戰(zhàn)：一方面迫使在通常機械

加工工藝方法中要不斷改善刀具材料的切削性能，改進機

械加工制造設備，使之滿足新材料的機械加工要求；另一

方面探求應用更多的物理、化學、材料科學的現代知識來

開發(fā)新型的制造工藝，以便更有效地適應新型工程材料的

加工。

(4)自動化和數字化工藝裝備的發(fā)展提高了機械加工

-190-

的效率

由于微電子、計算機、自動檢測和控制技術與制造工

藝裝備相結合，使工藝裝備實現了從單機到系統(tǒng)、從剛性

到柔性、從簡單到復雜等不同檔次的多種自動化轉變，使

工藝過程的檢測和控制方式和手段發(fā)生了質的變化，可以

使整個工藝過程和工藝參數得到實時的優(yōu)化，大大提高了

加工制造的效率和質量。

(5)零件毛坯成型在向少、無余量方向發(fā)展

零件毛坯成型是機械制造的第1道工序，有鑄造、鍛

造、沖裁、焊接和軋制等常用工藝。隨著人們對人類生存

資源的節(jié)省和保護意識的提高，要求零件毛坯成型精度向

少、無余量方向發(fā)展，使成型的毛坯接近或達到零件的最

終形狀和尺寸，磨削后即可參與裝配。因而，出現了熔模

精密鑄造、精密鍛造、精密沖裁、冷溫擠壓、精密焊接和

精密切割等新工藝。

(6)優(yōu)質清潔表面工程技術的形成和發(fā)展

表面工程技術是通過表面涂覆、表面改性、表面加工

及表面的復合處理，來改變零件表面的形態(tài)、化學成分和

組織結構，以獲取與基體材料不同性能要求的一項應用技

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術。雖然人們使用表面技術已有悠久的歷史，然而形成一

門表面工程獨立學科只是近20年的事。

7.2.2超精密加工技術

超精密加工是指加工精度和表面質量達到極高程度的

精密加工工藝，從概念上講具有相對性，隨著加工技術的

不斷發(fā)展，超精密加工的技術指標也是不斷變化的。目前，

一般加工、精密加工、超精密加工以及納米加工可以劃分

如下。

(1)一般加工

加工精度在10pm左右、表面粗糙度凡值在0.3~

0.8pm的加工技術，如車、銃、包!|、磨、鋒、錢等。一般

加工適用于汽車、拖拉機和機床等產品的制造。

(2)精密加工

加工精度在10~0.1pm,表面粗糙度凡值在0.3~

0.03pm的加工技術，如金剛車、金剛鋒、研磨、跖磨、

超精加工、砂帶磨削、鏡面磨削和冷壓加工等。精密加工

適用于精密機床、精密測量儀器等產品中的關鍵零件的加

工,如精密絲杠、精密齒輪、精密蝸輪、精密導軌、精密

軸承等。

-192-

(3)超精密加工

加工精度在0.1~0.01即、表面粗糙度總值在0.03~

的加工技術，如金剛石刀具超精密切削、超精密

0.05Pm

磨料加工、超精密特種加工和復合加工等。超精密加工適

用于精密元件、計量標準元件、大規(guī)模和超大規(guī)模集成電

路的制造。目前，超精密加工的精度正處在亞納米級工藝,

正在向納米級工藝發(fā)展。

(4)納米加工

加工精度高于lOT^m(納米，lnm=101表面

粗糙度總值小于0.005|jm的加工技術，其加工方法大多

已不是傳統(tǒng)的機械加工方法，而是諸如原子、分子單位加

工等方法。

1,超精密切削加工技術

(1)超精密切削對刀具的要求

為實現超精密切削，刀具應具有如下的性能。

①極高的硬度、耐用度和彈性模量，以保證刀具有很

長的壽命和很高的尺寸耐用度。

②刃口能磨得極其鋒銳，刃口半徑o值極小，能實現

超薄的切削厚度。

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③刀刃無缺陷，因切削時刃形將復印在加工表面上，

而不能得到超光滑的鏡面。

④與工件材料的抗黏結性好、化學親和性小、摩擦系

數低，能得到極好的加工表面完整性。

(2)金剛石刀具的性能特征

目前超精密切削刀具用的金剛石為大顆粒(0.5~1.5

克拉，1克拉=200mg\無雜質、無缺陷、淺色透明的優(yōu)

質天然單晶金剛石，它具有如下的性能特征。

①具有極高的硬度，其硬度達到6000~10000HV;

而TiC僅為3200HV;WC為2400HV.

②能磨出極其鋒銳的刃口，且切削刃沒有缺口、崩刃

等現象。普通切削刀具的刃口圓弧半徑只能磨到5~

30卜im,而天然單晶金剛石刃口圓弧半徑可小到數納米，

沒有其他任何材料可以磨到如此鋒利的程度。

③熱化學性能優(yōu)越，具有導熱性能好、與有色金屬間

的摩擦因數低、親和力小的特征。

④耐磨性好，刀刃強度高。金剛石摩擦系數小，與鋁

之間的摩擦系數僅為0.06-0.13,如切削條件正常，刀具

磨損極慢，刀具耐用度極高。因此，天然單晶金剛石雖然

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昂貴，但被一致公認為是理想的、不能代替的超精密切削

的刀具材料。

(3)超精密切削時的最小切削厚度

超精密切削實際能達到的最小切削厚度與金剛石刀具

的鋒銳度、使用的超精密機床的性能狀態(tài)、切削時的環(huán)境

條件等直接有關。

極限最小切削厚度加min與刀具刀刃鋒銳度(即刃口

半徑0)關系如圖7-1所示。圖中Z為極限臨界點，在Z

點以上被加工材料將堆積起來形成切屑，而在2點以下，

加工材料經彈性變形形成加工表面。Z點的位置可由切削

變形剪切角例角定，剪切角。又與刀具材料的摩擦系數〃有

關:當“=0.12時,可得/bmin=0.322p;當〃=0.26時，

可得/?Dmin=0.249/?.

由最小切削厚度比min與刃口半徑p的關系式可知，若

能正常切削生min=lnm，要求所用金剛石刀具的刃口半徑

O應為3~4nm。國外報道研磨質量最好的金剛石刀具，

刃口半徑可以小到數個納米的水平；而國內生產中使用的

金剛石刀具，刃口半徑p=0.2~0.5Rm,特殊精心研磨可

以達到夕=。卬m。

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2.超精密磨削加工技術

所謂超精密磨削加工，是指加工精度達到或高于

0.1pm,表面粗糙度凡值低于0.025pm的一種亞微米級

并正向納米級發(fā)展的加工方法。超精密磨削的關鍵在于砂

輪的選擇、砂輪的修整、磨削用量和高精度的磨削機床。

(1)超精密磨削砂輪

在超精密磨削中所使用的砂輪，其材料多為金剛石、

立方氮化硼磨料，因其硬度極高，故一般稱為超硬磨料砂

輪。金剛石砂輪有較強的磨削能力和較高的磨削效率，在

加工非金屬硬脆材料、硬質合金、有色金屬及其合金時有

較大的優(yōu)勢。由于金剛石易于與鐵族元素產生化學反應和

親和作用，故對于硬而韌的、高溫高硬度、熱導率低的鋼

鐵材料，則用立方氮化硼砂輪磨削較好。立方氮化硼比金

剛石有較好的熱穩(wěn)定性和較強的化學惰性，其熱穩(wěn)定性可

達1250~1350℃,而金剛石磨料只有700~800℃。雖

然當前立方氮化硼磨料的應用不如金剛石磨料廣，且價格

也比較高，但它是一種很有發(fā)展前途的磨具磨料。

(2)超精密磨削砂輪的修整

砂輪的修整是超硬磨料砂輪使用中的一個技術難題，

-196-

它直接影響被磨工件的加工質量、生產效率和生產成本。

砂輪修整通常包括修形和修銳兩個過程。所謂修形，是使

砂輪達到一定精度要求的幾何形狀；所謂修銳，是指去除

磨粒間的結合劑，使磨粒凸出結合劑一定高度，形成足夠

的切削刃和容屑空間。如金剛石和立方氮化硼都比較堅硬,

很難用別的磨料磨削以形成新的切削刃，故通過去除磨粒

間的結合劑方法，可使磨粒凸出結合劑一定高度，形成新

的磨粒。

超硬磨料砂輪修整的方法很多，可歸納為以下幾類。

①車削法

用單點、聚晶金剛石筆、修整片等車削金剛石砂輪以

達到修整的目的。這種方法的修整精度和效率都比較高，

但修整后的砂輪表面平滑，切削能力低，同時修整成本也

晨）。

②磨削法

用普通磨料砂輪或砂塊與超硬磨料砂輪進行對磨修

整。普通砂輪磨料如碳化硅、剛玉等磨粒被破碎，對超硬

磨料砂輪結合劑起到切削作用，失去結合劑后磨粒就會脫

落，從而達到修整的目的。這種方法的效率和質量都較好,

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是目前較常用的修整方法但普通砂輪的磨損消耗量較大。

③噴射法

將碳化硅、剛玉磨粒從高速噴嘴噴射到轉動的砂輪表

面，從而去除部分結合劑，使超硬磨粒凸出，這種方法主

要用于修銳。

④電解在線修銳法

該法適用于以鑄鐵纖維為結合劑的金剛石砂輪，應用

電解加工原理完成砂輪的修銳過程。如圖7-2所示,將超

硬磨料砂輪接電源正極，石墨電極接電源負極，在砂輪與

電極之間通以電解液，通過電解腐蝕作用去除超硬磨料砂

輪的結合劑，從而達到修銳效果。在這種電解修銳過程中,

被腐蝕的砂輪鑄鐵結合劑表面逐漸形成鈍化膜，這種不導

電的鈍化膜將阻止電解的進一步進行，只有當凸出的磨粒

磨損后，鈍化膜被破壞，電解修銳作用才會繼續(xù)進行，這

樣可使金剛石砂輪能夠保持長時間的切削能力。

⑤電火花修整法

如圖7-3所示，將電源的正、負極分別接于被修整超

硬磨料砂輪和修整器（石墨電極），其原理是電火花放電加

工。這種方法適用于各種金屬結合劑砂輪，既可修形又可

-198-

修銳，效率較高；若在結合劑中加入石墨粉，也可用于樹

脂、陶瓷結合劑砂輪的修整。

圖7-2電解在線修銳法圖7-3電火花修整法

此外，尚有超聲波修整法、激光修整法等，有待進一

步研究開發(fā)。

(3)磨削速度和磨削液

金剛石砂輪磨削速度一般不能很高，根據磨削方式、

砂輪結合劑和冷卻情況的不同，其磨削速度為12~30m/s

(它的熱穩(wěn)定性只有700~800℃1一般陶瓷結合劑、樹

脂結合劑的金剛石砂輪其磨削速度可選得高些，金屬結合

劑的金剛石砂輪磨削速度可選得低些。

立方氮化硼砂輪的磨削速度比金剛石砂輪高得多，可

達80~100m/s,主要是因為立方氮化硼磨料的熱穩(wěn)定性

好。

3.微細加工技術

微細加工可以進一步分為微米級微細加工、亞微米級

微細加工和納米級微細加工等。下面分別介紹微機械基本

特征與微細加工工藝方法。

(1)微機械基本特征

機械制造工藝與夾具

概括起來，微機械具有以下幾個基本特征。

①體積小、精度高、重量輕

其體積可達亞微米以下，尺寸精度達納米級，重量可

至納克。目前已經研制出了直徑細如發(fā)絲的齒輪、能開動

3mm大小的汽車和花生米大的飛機。最近有資料表明，

科學家們已能在5mm2內放置1000臺微型發(fā)動機。

②性能穩(wěn)定、可靠性高

由于微機械的體積小，幾乎不受熱膨脹、噪聲、撓曲

等因素影響，具有較高的抗干擾性，可在較差的環(huán)境下穩(wěn)

定地工作。

③能耗低，靈敏度和工作效率高

微機械所消耗的能量遠小于傳統(tǒng)機械的十分之一，但

卻能以10倍以上的速度來完成同樣的工作，如

5mmx5mmx0.7mm的微型泵的流速，是比其體積大得

多的小型泵的1000倍，而且機電一體化的微機械不存在

信號延遲問題，可進行高速工作.

④多功能和智能化

微機械集傳感器、執(zhí)行器、信號處理和電子控制電路

為一體，易于實現多功能化和智能化。

-200-

⑤適用于大批量生產，制造成本低

微機械采用和半導體制造工藝類似的方法生產，可以

像超大規(guī)模集成電路芯片一樣一次制成大量的完全相同的

部件，故制造成本大大降低。如美國的研究人員正在用該

技術制造雙向光纖維通信所必需的微型光學調制器，通過

巧妙的光刻技術制造芯片，做一塊只需幾美分，而過去則

要花5000美元。

(2)微細加工工藝方法

微細加工是指加工尺寸為微米級范圍的加工方式，是

微機械發(fā)展的重要基礎。微細加工起源于半導體制造工藝,

加工方式十分豐富，包含了微細機械加工、各種現代特種

加工、高能束加工等方式。而微機械制造過程又往往是多

種加工方式的組合。目前，常用的有以下幾種加工方法。

①超微機械加工

用超小型精密金屬切削機床和電火花、線切割等加工

方法，制作毫米級尺寸以下的微機械零件是一種三維實體

加工技術，加工材料廣泛，但多是單件加工、單件裝配，

費用較局I。

②光刻加工

機械制造工藝與夾具

光刻加工是用照相復印的方法將光刻掩模上的圖形印

刷在涂有光致抗蝕劑的薄膜或基材表面，然后進行選擇性

腐蝕，刻蝕出規(guī)定的圖形。所用的基材有各種金屬、半導

倆口介質材料。

③體刻蝕加工技術

體刻蝕加工技術是對硅的襯底進行腐蝕加工的技術，

即用腐蝕的方法將硅基片有選擇性地去除一部分，以形成

微機械結構。腐蝕的方法分濕法腐蝕和干法腐蝕。濕法腐

蝕是用化學腐蝕液對硅基片進行刻蝕。干法腐蝕是利用等

離子體取代化學腐蝕液，把基體暴露在電離的氣體中，氣

體中的離子與基體原子間的物理和化學作用引起刻蝕。

④面刻蝕加工技術

面刻蝕加工技術是從集成電路平面工藝演變而來的，

它是在硅基片上形成薄膜并按一定要求對薄膜進行加工的

技術。

面刻蝕加工工藝過程如下:①在硅基片上淀積犧牲層

材料，如淀積磷玻璃，其厚度一般1~211m，但也可以更

厚些；淀積后，犧牲層材料被腐蝕成所需形狀；②淀積和

腐蝕結構材料薄膜層，多晶硅是常用的結構層材料，結構

-202-

層腐蝕過后，除去犧牲層就可得到分離空腔結構。

面刻蝕加工技術的主要優(yōu)點是具有與常規(guī)集成電路的

兼容性，器件不但可以做得很小，而且不影響器件特征；

其缺點是該工藝本身屬于二維平面工藝，限制了設計的靈

活性，且由于采用犧牲層工藝，漂洗和干燥需要反復多次,

易產生黏連現象，降低成品率。

⑤封接技術

封接技術在微機械加工中也占有重要位置，封接的目

的是將分開制作的微機械部件在使用黏結劑的情況下連接

在一起，封在殼中使其滿足使用要求。封接技術影響到整

個微系統(tǒng)的功能和尺寸，可以說是微機械系統(tǒng)的關鍵技術。

常用的封接技術有反應封接、淀積密封膜和鍵合技術。為

了提高微系統(tǒng)的集成度，一些新的工藝方法如自動焊接、

倒裝焊接也得到了廣泛的應用。

⑥分子裝配技術

20世紀80年代初發(fā)明的掃描隧道顯微遍簡稱STM）

以及后來在STM基礎上派生出的原子力顯微鏡（簡稱

AFM）,使觀察分子、原子的結構從宏觀進入了微觀世界。

STM和AFM具有O.Olnm的分辨率，是目前世界上精度

機械制造工藝與夾具

最高的表面形貌觀測儀。利用其探針的尖端可以俘獲和操

縱分子和原子，并可以按照需要拼成一定的結構，進行分

子和原子的裝配制作微機械這是一種納米級微加工技術,

是一種從物質的微觀角度來構造、制作微機械的工藝方法。

美國的IBM公司用STM操縱35個銀原子，在銀板上拼

出了"IBM"3個字母；中國科學院化學研究所用原子擺

成我國的地圖；日本用原子拼成了"Peace"一詞。有理

由相信，STM技術將會在微細加工方面有更大的突破。

7.2.3表面工程技術

表面工程是通過運用各種物理、化學或機械工藝過程,

來改變基體表面狀態(tài)、化學成分、組織結構和應力狀態(tài)等,

使基體表面具有不同于基體的某種特殊性能，從而達到特

定使用要求的一項應用技術。表面工程技術在促進技術進

步、節(jié)約原材料、提高產品性能、延長產品使用壽命、裝

飾環(huán)境、美化生活方面發(fā)揮了越來越突出的作用，該技術

已成為20世紀80年代世界十項關鍵技術之一。

(1)表面工程的特點

表面工程具有學科的綜合性、手段的多樣性、廣泛的

功能性、潛在的創(chuàng)新性、環(huán)境的保護性、很強的實用性和

-204-

巨大的增效性，它不僅用于維修業(yè)，還用于制造業(yè)，是先

進制造技術的重要組成部分。表面工程技術將成為21世

紀的主導技術之一。

(2)表面工程的內容

表面工程是由多個學科交叉、綜合而發(fā)展起來的新興

學科，有著廣泛的涵義，概括了表面處理、表面加工、表

面涂層、表面改性以及表面薄膜制備技術等內容。

(3)表面工程的工藝方法

①表面改性技術

表面改性是指采用某種工藝手段在零件表面獲得不同

于基體的組織結構和性能的技術。材料經表面改性處理后,

既能發(fā)揮基體的力學性能，又能使材料表面獲得各種特殊

性能，如耐磨性、耐腐蝕性、耐高溫性等，還可以掩蓋基

體表面的缺陷，延長材料和構件的使用壽命。表面改性對

節(jié)約稀貴材料、節(jié)約能源、改善環(huán)境有著重要的作用。

②表面覆層技術

表面覆層技術是指通過應用物理、化學、電學、光學、

材料學、機械學等各種工藝手段，用極少量的材料，在產

品表面制備一層保護層、強化層或裝飾層，以達到耐磨、

機械制造工藝與夾具

耐蝕、耐（隔）熱、抗疲勞、耐輻射、提高產品質量、延

長使用壽命的目的。

?熱噴涂技術。熱噴涂技術是采用氣體、液體或電弧、

等離子、激光等作為熱源，使金屬、合金、陶瓷、氧化物、

碳化物、塑料以及其復合材料加熱到熔融或半熔融狀態(tài)，

通過高速氣流使其霧化，然后噴射、沉積到經過預處理的

工件表面，從而形成附著牢靠的表面層。熱噴涂有很多工

藝方法，比較常用的有火焰噴涂、等離子噴涂、爆炸噴涂

等。

?氣相沉積技術。氣相沉積技術是近三十年來迅速發(fā)展

的一種表面制膜新技術，它是利用氣相之間的反應，在各

種材料表面沉積單層或多層薄膜，從而使材料獲得所需的

各種優(yōu)異性能。氣相沉積技術可分為物理氣相沉積（PVD）

和化學氣相沉積（CVDX物理氣相沉積是在真空條件下，

利用各種物理方法將鍍料汽化成原子、分子或離子，直接

沉積到基體表面的方法?；瘜W氣相沉積是把含有構成薄膜

元素的一種或幾種化合物或單質氣體供給基體，借助氣相

作用或在基體表面上的化學反應生成所要求的薄膜。

③復合表面處理技術

-206-

單一的表面處理技術往往具有一定的局限性，不能滿

足人們對材料越來越高的使用要求。若將兩種或兩種以上

的表面處理工藝用于同一工件的處理，不僅可以發(fā)揮各種

表面處理技術各自的特點，而且更能顯示組合使用的突出

效果。近年來，復合表面處理技術在歐美、日本以及我國

均得到較快的發(fā)展，并取得了良好的效果。

?復合熱處理技術。將兩種以上的熱處理方法復合起

來，比單一的熱處理具有更多的優(yōu)越性。如滲鈦與離子滲

氮復合處理，可在工件表面形成硬度極高、耐磨性很好且

具有較好耐蝕性的金黃色TiN化合物層，其性能明顯高于

單一滲鈦和單一滲氮層的性能。

?表面覆層技術與其他表面處理技術的復合。利用各種

工藝方法在工件表面上所形成的各種覆層，如鍍層、涂層、

沉積層或薄膜，若再經過適當熱處理，使覆層中的金屬原

子向基體擴散，或與基體進行冶金化融合，不僅增強了覆

層與基體的結合強度同時也能改變表層覆層本身的成分,

防止覆層剝落并獲得較高的強韌性，可提高表面的抗擦傷、

耐磨損和耐腐蝕能力。如鋅浴淬火，實質上它是一種淬火

與鍍鋅相結合的復合處理工藝。如碳的質量分數為

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0.15%~0.23%的硼鋼在保護氣體中加熱到900℃,然后

淬入450。（2的含鋁的鋅浴中等溫轉變，同時鍍鋅，這種復

合處理縮短了工時，降低了能耗，也提高了工件的性能。

?離子輔助涂覆。在等離子輔助沉積技術中，將離子

鍍和濺射沉積所應用的等離子體與氣相反應物相結合，產

生一種稱為等離子輔助化學沉積（PCVD）的技術。若用

離子束代替等離子體來完成類似效應的稱為離子輔助涂

覆。這種技術具有靈活性和重復性，可低溫操作，是一種

快速和可控的方法，通常用于高度精密表面處理以及普通

技術不能處理的一些表面。

7.3特種加工技術

顧名思義，特種加工技術就是一種采用不同于傳統(tǒng)切

削、磨削加工工藝及裝備的加工技術。它是將電、磁、聲、

光、熱等物理能量及化學能量或其組合乃至與機械能組合

直接施加在被加工的部位上，從而使材料被去除、變形及

改變性能等。

7.3.1特種加工的特點與分類

1.特種加工的特點

①工具材料的硬度可以大大低于工件材料的硬度。

-208-

②可直接利用電能、電化學能、聲能或光能等能量對

材料進行加工。

③加工過程中的機械力不明顯，工件很少產生機械變

形和熱變形，有助于提高工件的加工精度和表面質量。

④各種加工方法可以有選擇地復合成新的工藝方法，

使生產效率成倍地增長，加工精度也相應提高。

⑤幾乎每產生一種新的能源，就有可能產生一種新的

特種加工方法。

2.特種加工方法適用的場合

①解決各種難切削材料的加工問題，如耐熱鋼、不銹

鋼、鈦合金、淬火鋼、硬質合金、陶瓷、寶石、金剛石等

以及錯和硅等各種高強度、高硬度、高韌性、高脆性以及

高純度的金屬和非金屬的加工。

②解決各種復雜零件表面的加工問題如各種熱鍛模、

沖裁模和冷拔模的模腔和型孔、整體渦輪、噴氣渦輪機葉

片、炮管內腔線以及噴油嘴和噴絲頭的微小異形孔的加工。

③解決各種精密的、有特殊要求的零件加工問題，如

航空航天、國防工業(yè)中表面質量和精度要求都很高的陀螺

儀、伺服閥以及低剛度的細長軸、薄壁筒和彈性元件等的

機械制造工藝與夾具

加工。

3.特種加工的分類

特種加工發(fā)展至今雖有五十多年的歷史，但在分類方

法上并無明確規(guī)定。一般按能量形式和作用原理進行劃分。

①電能與熱能作用方式：電火花成型與穿孔加工

（EDMX電火花線切割加工（WEDMX電子束加工（EBM）

和等離子體加工（PAMI

②電能與化學能作用方式：電解加工（ECM1電鑄

加工和刷鍍加工。

③電化學能與機械能作用方式：電解磨削（ECG1電

解玷磨（ECH\

④聲能與機械能作用方式：超聲波加工（USMX

⑤光能與熱能作用方式：激光加工（LBM工

⑥電能與機械能作用方式：離子束加工（IMX

⑦液流能與機械能作用方式：水射流切割（WJC\

磨料水噴射加工（AWJC）和擠壓拓磨（AFHX

在特種加工范圍內還有一些屬于降低表面粗糙度和

改善表面性能的工藝，前者如電解熱拋光、化學拋光、離

子束拋光等；后者如電火花表面強化、鍍覆、電子束曝光、

-210-

離子束注入等。

7.3.2幾種典型的特種加工技術

1.電火花加工

電火花加工是在一定的液體介質中，利用脈沖放電對

導電材料的電蝕來蝕除材料，從而使零件的尺寸、形狀和

表面質量達到預定技術要求的一種加工方法。在特種加工

中，電火花加工的應用最為廣泛，尤其在模具制造業(yè)、航

空航天等領域有著極為重要的地位。

（1）電火花加工的原理與特點

電火花加工是在如圖7-4所示的加工系統(tǒng)中進行的。

加工時，脈沖電源的一極接工具電極，另一極接工件電極。

兩極均浸入具有一定絕緣度的液體介質（常用煤油或礦物

油或去離子水）中。工具電極由自動進給調節(jié)裝置控制，

以確保工具與工件在正常加工時維持一很小的放電間隙

（0.01~0.05mmX當脈沖電壓加到兩極之間時，便將當

時條件下極間最近點的液體介質擊穿，形成放電通道。由

于通道的截面積很小，放電時間極短，致使能量高度集中，

放電區(qū)域產生的瞬時高溫（溫度高達10000~12000℃）

足以使材料熔化甚至蒸發(fā)，以致形成一個小凹坑。第1次

機械制造工藝與夾具

脈沖放電結束之后，經過很短的間隔時間，第2個脈沖又

在兩極間最近點擊穿放電。如此周而復始高頻率地循環(huán)下

去，工具電極不斷地向工件進給，它的形狀最終就復制在

工件上，形成所需要的加工表面。與此同時，總能量的一

小部分也釋放到工具電極上，從而造成工具損耗。

圖7-4電火花加工原理圖

由上可見，進行電火花加工必須具備3個條件：必須

采用脈沖電源；必須采用自動進給調節(jié)裝置，以保持工具

電極與工件電極間微小的放電間隙；火花放電必須在具有

一定絕緣強度(103~107am)的液體介質中進行。

電火花加工具有如下特點：可以加工任何高強度、高

硬度、高韌性、高脆性以及高純度的導電材料；加工時無

明顯機械力，適用于低剛度工件和微細結構的加工；脈沖

參數可依據需要調節(jié)，可在同一臺機床上進行粗加工、半

精加工和精加工；電火花加工后的表面呈現的凹坑，有利

于儲油和降低噪聲；生產效率低于切削加工；放電過程有

部分能量消耗在工具電極上，導致電極損耗，影響成型精

度。

(2)電火花加工的應用

-212-

電火花加工主要用于模具中型孔、型腔的加工，已成

為模具制造業(yè)的主導加工方法，推動了模具行業(yè)的技術進

步。電火花加工零件的數量在3000件以下時，比模具沖

壓零件在經濟上更加合理。按工藝過程中工具與工件相對

運動的特點和用途不同，電火花加工可大體分為電火花成

型加工、電火花線切割加工、電火花磨削加工、電火花展

成加工、非金屬電火花加工和電火花表面強化等。

2.激光加工

激光加工是20世紀60年代發(fā)展起來的一種新興技

術，它是利用光能經過透鏡聚焦后達到很高的能量密度，

依靠光熱效應來加工各種材料。目前，激光加工已廣泛用

于打孔、切割、焊接、電子器件微調、表面處理以及信息

存儲等許多領域。

(1)激光加工的原理與特點

激光是一種經受激輻射產生的加強光。其強度高，方

向性、相干性和單色性好，通過光學系統(tǒng)可將激光束聚焦

成直徑為幾十微米到幾微米的極小光斑，從而獲得極高的

能量密度(108~10i0W/cm2X當激光照射到工件表面時,

光能被工件吸收并迅速轉化為熱能，光斑區(qū)域的溫度可達

機械制造工藝與夾具

10000℃以上，使材料熔化甚至汽化。隨著激光能量的不

斷吸收，材料凹坑內的金屬蒸氣迅速膨脹，壓力突然增大,

熔融物爆炸式地高速噴射出來，在工件內部形成方向性很

強的沖擊波。激光加工就是工件在光熱效應下產生的高溫

熔融和沖擊波的綜合作用過程。

圖7-5所示是固體激光器中激光的產生和工作原理

圖。當激光的工作物質鉆鋁石榴石受到光泵（激勵脈沖錢

燈）的激發(fā)后，吸收具有特定波長的光，在一定條件下可

導致工作物質中的亞穩(wěn)態(tài)粒子數大于低能級粒子數，這種

現象稱為粒子數反轉。此時一旦有少量激光粒子產生受激

輻射躍遷，造成光放大，再通過諧振腔內的全反射鏡和部

分反射鏡的反饋作用產生振蕩，由諧振腔的一端輸出激光,

再通過透鏡聚焦形成高能光束，照射在工件表面上，即可

進行加工。固體激光器中常用的工作物質除了鉆鋁石榴石

外，還有紅寶石和錢玻璃等材料。

圖7-5固體激光器中激光的產生和工作原理圖

激光加工具有如下特點：它屬于高能束流加工，不存

在工具磨損更換問題；幾乎可以加工任何金屬與非金屬材

料；屬于非接觸加工，無明顯機械力，能加工易變形的薄

-214-

板和橡膠等彈性工件；加工速度快，熱影響區(qū)小;易實現

加工過程的自動化；激光可通過玻璃、空氣及惰性氣體等

透明介質進行加工，如對真空管內部進行焊接等；激光可

以通過聚焦，形成微米級的光斑,輸出功率的大小又可以

調節(jié)，因此可用于精密微細加工，?加工時不產生振動噪聲,

加工效率高，可實現高速打孔和高速切割；可以達到

0.01mm的平均加工精度和0.001mm的最高加工精度；

表面粗糙度區(qū)值可達

04~0.1Mmo

(2)激光加工的應用范圍

激光加工的主要參數為激光的功率密度、激光的波長

和輸出的脈寬、激光照射在工件上的時間以及工件對能量

的吸收等。激光對材料的表面處理、焊接、切割和打孔等

都與上述參數有關。

①激光表面處理

這是近十年來激光加工領域中最為活躍的研究與開發(fā)

方向，發(fā)展了相變硬化、快速熔凝、合金化、熔覆等一系

列處理工藝。其中相變硬化和熔凝處理的工藝技術趨向成

熟并產業(yè)化。合金化和熔覆工藝無論對基體材料的適應范

圍還是性能改善的幅度，都比前兩種工藝廣得多，因而發(fā)

機械制造工藝與夾具

展前景廣闊。

②激光焊接

它是基于大功率激光所產生的小孔效應基礎上的深

熔焊接。它既是一種熔深大、速度快、單位時間熔合面積

大的高效焊接方法，又是一種焊縫深寬比大、比能小、熱

影響區(qū)小、變形小的精確焊接方法。當激光的功率密度為

IO5~107W/cm2,照射時間為1/lOOs左右時，即可進

行激光焊接。激光焊接一般無需焊料和焊劑，只需將工件

的加工區(qū)域"熱熔"在一起即可。

③激光切割

激光切割所需的功率密度為105~107W/cm2。它既

可以切割金屬材料，也可以切割非金屬材料。它還能透過

玻璃切割真空管內的燈絲，這是任何機械加工所難以達到

的。

④激光打孔

激光打孔的功率密度一般為107~108W/cm2。它主

要應用于在特殊零件或特殊材料上加工孔。如火箭發(fā)動機

和柴油機的噴油嘴、化學纖維的噴絲板、鐘表上的寶石軸

承和聚晶金剛石拉絲模等零件上的微細孔加工。

-216-

超聲激光復合加工是一種激光打孔新工藝，它是將超

聲波振動和激光束的作用復合起來。采用超聲調制的激光

打孔，不但能增加孔的加工深度，而且能改善孔壁質量。

3.電子束加工

(1)電子束加工的原理與特點

電子束加工在真空中進行其加工原理如圖7-6所示。

由電子槍射出的高速電子束經電磁透鏡聚焦后轟擊工件表

面，在轟擊處形成局部高溫，使材料瞬時熔化和汽化，從

而達到材料去除、連接或改性的目的?？刂齐娮邮芰棵?/p>

度的大小和能量注入的時間，可達到不同的加工目的。如

只使材料局部加熱，就可進行電子束熱處理；使材料局部

熔化，就可進行電子束焊接；提高電子束能量密度，使材

料熔化和汽化，就可進行電子束打孔、切割等加工；利用

較低能量密度的電子束轟擊高分子材料時產生化學變化的

原理，即可進行電子束光刻加工。

電子束加工具有如下特點：電子束可實現極其微細的

聚焦(可達O.lpim),可實現亞微米和納米級的精密微細

加工；電子束加工主要靠瞬時熱效應,工件不受機械力作

用，因而不產生宏觀應力和變形；加工材料范圍廣泛，對

機械制造工藝與夾具

高強度、高硬度、高韌性的材料以及導體、半導體和非導

體材料均可加工；電子束的能量密度高，如果配合自動控

制加工過程，加工效率非常高；每秒鐘可在0.1mm厚的

鋼板上加工出3000個直徑為0.2mm的孔；電子束加工

在真空中進行，污染少，加工表面不易氧化，尤其適合加

工易氧化的金屬及其合金材料，以及純度要求極高的半導

體材料。

(2)電子束加工的應用范圍

電子束加工可用于打孔、切割、焊接、蝕刻和光刻等。

①高速打孔

電子束打孔的孔徑范圍為0.02~0.003mm。噴氣發(fā)

動機上的冷卻孑杯口機翼吸附屏的孔，其孔徑微小，孔數巨

大，達數百萬個，最適宜用電子束打孔。此外，還可以利

用電子束在人造革、塑料上高速打孔，以增強其透氣性.

②加工型孔

為了使人造纖維的透氣性好，更具松軟和富有彈性，

人造纖維的噴絲頭型孔往往設計成各種異形截面，這些異

形截面最適合采用電子束加工。

③加工彎孑麗曲面

-218-

借助于偏轉器磁場的變化，可以使電子束在工件內部

偏轉方向，可加工曲面和彎孔。

此外，還可以利用電子束進行焊接、切割、刻蝕、表

面熱處理和光刻。由于電子束加工的成套設備價格昂貴,

其應用受到一定限制。

4.離子束加工

離子束加工的原理與電子束加工基本類似，也是在真空

條件下，將離子源產生的離子耨過加速后，撞擊在工件表

面上，引起材料變形、破壞和分離。由于離子帶正電荷，其

質量是電子的千萬倍,因此離子束加工主要靠高速離子束的

衢見楣嵋相能，而不曷象電子束加注要靠《^。圖

7-7所示為離子束加工理圖。惰性氣體氯氣由入口注入電

離室，灼熱的燈絲發(fā)射電子，電子在陽極的吸引和電聯圈

的偏轉作用下,向下高速作螺旋運動。氮在高速電子的撞擊

下被電離成離子”日極和陰極各有數百個上下位量寸齊、直

徑為0.3mm的小孔，形成數百條較準直的離子束，均勻分

布在直徑為50mm的圓面積上。通過調整加速電壓，可以

得到不同速度的離子束，以實現不同的加工。

(1)離子束加工的特點

機械制造工藝與夾具

①離子束轟擊工件的材料時，其束流密度和能量可以

精確控制，因此可以實現納米級的加工，是當代納米加工

技術的基礎；

②離子束加工在真空中進行，污染少，特別適宜加工

易氧化的金屬、合金、高純度的半導體材料；

③離子束加工的宏觀壓力小，因此加工應力小，熱變

形小，加工表面質量非常高。

④離子束加工設備費用高、成本高、加工效率低，其

應用范圍受到一定限制。

(2)離子束加工的應用范圍

①離子刻蝕

它是由能量為0.5~5keV、直徑為十分之幾納米的氮

離子轟擊工件，將工件表層的原子逐個剝離的。這種加工

本質上屬于一種原子尺度上的切削加工，所以也稱為離子

銃削。這就是近代發(fā)展起來的納米加工工藝。

②離子濺射沉積

離子濺射沉積本質上是一種鍍膜加工。它也是采用

0.5~5keV的氮離子轟擊靶材，并將靶材上的原子擊出,

淀積在靶材附近的工件上，使工件表面鍍上一層薄膜。

-220-

③離子鍍膜

離子鍍膜也稱離子濺射輔助沉積，同樣屬于一種鍍膜

加工。它將0.5~5keV能量的氮離子分成兩束，同時轟擊

靶材和工件表面，以增強膜材與工件基材之間的結合力。

也可將靶材高溫蒸發(fā)，同時進行離子鍍。

④離子注入

離子注入是采用5~500keV能量的離子束，直接轟

擊被加工材料。在如此大的能量驅動下，離子能夠鉆入材

料表層，從而達到改變材料化學成分的目的?？梢愿鶕?/p>

同的目的選用不同的注入離子，如磷、硼、碳、氮等，以

實現材料的表面改性處理，從而改變工件表面層的機械物

理性能。

5.水射流加工

水射流加工技術是在20世紀70年代初出現的。開始

時只是在大理石、玻璃等非金屬材料上用作切割直縫等簡

單作業(yè)。經過三十多年的開發(fā)，現已發(fā)展成為能夠切削復

雜的三維形狀的工藝方法。水射流加工特別適合于各種軟

物質有機材料的去毛刺和切割等加工，是一種“綠色"加

工方法。

機械制造工藝與夾具

(1)水射流加工的基本原理

水射流加工是利用水或加入添加劑的水液體,經水泵

至儲液蓄能器使高壓液體流動平穩(wěn)，再經增壓器增壓，使

其壓力達到70~400MPa,最后由人造藍寶石噴嘴形成

300~900m/s的高速液體流，噴射到工件表面，從而達

到去除材料的加工目的，如圖7-8所示。高速液體流的

能量密度可達1010W/mm2,流量為7.5L/min,這種液

體的高速沖擊，具有固體的加工作用。

圖7-8水射流加工示意圖

1一帶有過濾器的水箱；2—水泵；3—儲液蓄能器；4一控制器；5—閥；6

一藍寶石噴嘴；

7一射流束；8—工件；9TF水口；10—壓射距離；11—液壓系統(tǒng)；12—

增壓器

(2)水射流加工的特點

①采用水射流加工時，工件材料不會受熱變形，切縫

很窄(0.075~0.40mm),材料利用率高，加工精度一般

可達0.075~0.1mm。

②高壓水束不會變鈍，各個方向都有切削作用，使用

水量不多；加工時不需要進刀槽、孔，工件上任意一點都

能開始和結束切削，可加工小半徑的內圓角；與數控系統(tǒng)

相結合，可以進行復雜形狀的自動加工。

-222-

③加工區(qū)溫度低，切削中不產生熱量，無切屑、無毛

刺、無煙塵、無雜質等，加工產物混入液體排出，故無灰

塵、無污染，適合于木材、紙張、皮革等易燃材料的加工。

④水射流加工的流束直徑為0.05~0.38mm,加工的

材料除大理石、玻璃外，還可以加工金屬材料。目前，水

射流加工已廣泛應用于普通鋼、不銹鋼、鋁、銅、鉛、鈦

合金板，以至塑料、陶瓷、膠合板、石棉、混凝土、巖石、

玻璃纖維板、橡膠、地毯、棉布、紙、塑料、皮革、軟木、

復合材料等80種材料的切削，最大厚度可達100mm.

6.復合加工

當把兩種或兩種以上的能量形式（包括機械能）合理

地組合在一起，就發(fā)展成復合加工。復合加工有很大的優(yōu)

點，它能成倍地提高加工效率和進一步改善加工質量，是

特種加工技術的發(fā)展方向。下面簡單介紹幾種復合加工。

（1）電解磨削

電解磨削是利用電解作用與機械磨削相結合的一

種復合加工方法。如圖7-9所示，高速旋轉的導電砂

輪接直流電源負極，工件（刀具）接直流電源正極。

電解磨削時，導電砂輪和工件間保持一定的接觸壓力，

機械制造工藝與夾具

砂輪表面外凸的磨粒使砂輪導電體與工件間有一定間

隙。當電解液從間隙中流過時，工件出現陽極溶解，

工件表面形成一層較軟的薄膜，它很容易被導電砂輪

上的磨粒磨除，于是工件上又露出新的金屬表面并進

一步電解。在加工過程中，電解作用與磨削作用交替

進行，其中電解作用是主要的，最后達到加工要求。

圖7-9電解磨削原理圖

(2)超聲電解復合拋光

超聲電解復合拋光是超聲波加工和電解加工復合而

成的，它可以獲得優(yōu)于靠單一電解或單一超聲波拋光的拋

光效率和表面質量。超聲電解復合拋光的加工原理如圖

7-10所示。拋光時，工件接正極，工具接直流電源負極，

工件與工具間通入鈍化性電解液。高速流動的電解液不斷

在工件待加工表面生成鈍化軟膜，工具則以極高的頻率進

行拋磨，不斷地將工件表面凸起部位的鈍化膜去掉。被去

掉鈍化膜的表面迅速產生陽極溶解，溶解下來的產物不斷

被電解液帶走。而工件凹下去部位的鈍化膜，工具拋磨不

到，因此不溶解。這個過程一直持續(xù)到將工件表面整平時

為止。工具在超聲波振動下，不但能迅速去除鈍化膜，而

-224-

且在加工區(qū)域內產生的“空化"作用可增強電化學反應,

進一步提高工件表面凸起部位金屬的溶解速度。

(3)超聲電火花復合拋光

超聲電火花復合拋光是在超聲波拋光的基礎上發(fā)展起

來的。這種復合拋光的加工效率比純超聲機械拋光要高出

3倍以上，表面粗糙度用值可達0.2~0.1pm,特別適合

于小孔、窄舞以及小型精密表面的拋光。超聲電火花拋光

的工作原理如圖7-11所示。拋光時，工具接脈沖電源的

負極，工件接正極，在工具和工件間通入乳化液作電解液。

這種電解液的陽極溶解作用雖然微弱，但有利于工件的拋

光。拋光過程中，超聲的"空化”作用一方面會使工件表

面軟化，有利于加速金屬的剝離；另一方面使工件表面不

斷出現新的金屬尖峰這樣不但增加了火花放電的分散性,

而且給放電加工造成了有利條件。超聲波拋磨和放電交錯

而連續(xù)進行，不僅提高了拋光速度，而且提高了工件表面

材料去除的均勻性.

圖7-10超聲電解復合拋光原理圖圖7-11超聲電火花復合拋

光原理圖

*7.4現代制造生產模式

7.4.1并行工程

機械制造工藝與夾具

1.并行工程的概念

長期以來，人們一直采用串行工程的方法從事產品的

研制和開發(fā)。所謂串行工程,如圖7-12所示，即在前一

工作環(huán)節(jié)完成之后才開始后一工作環(huán)節(jié)的工作，各個工作

環(huán)節(jié)的作業(yè)在

圖7-12串行工程工作方式

時序上沒有重疊和反饋，即使有反饋，也是事后的反饋。

在這種作業(yè)方法下，只有市場人員參與產品的概念設計工

作，其他工作人員只是被動接受前一階段的工作結果。這

樣，不能在產品設計階段就能及早地考慮后續(xù)的工藝設計、

制造裝配、質量保證、維修服務等問題，致使各個生產環(huán)節(jié)

前后脫節(jié)，設計改動量大，產品的開發(fā)周期長、成本高。為

了提高市場競爭能力，以最快的速度設計、生產出高質量的

產品，20世紀80年代末凌國和一些西方工業(yè)國家出現了

一種叫陰亍工程(ConcurrentEngineering,CE)的

式。這種生產方式是將時間上先后的知識處理和作業(yè)實施過

程轉變?yōu)橥瑫r考僦返可能同時處理的一種作則式,如圖

7-13漏

圖7-13并行工程工作方式

-226-

2.并行工程的特征

(1)并行特征

并行工程的最大特點是把時間上的先后作業(yè)過程轉變

為同時考慮和盡可能同時處理的過程，在產品的設計階段

就并行地考慮了產品整個生命周期中的所有因素，避免將

設計錯誤傳遞到下步階段，減少不必要的環(huán)節(jié)，使產品開

發(fā)過程更趨合理、高效。這種生產模式，當產品設計工作

結束后，后續(xù)的制造、檢驗和維護環(huán)節(jié)較為方便、容易，

可使產品開發(fā)研制周期明顯縮短。但必須強調的是，并行

工程不能省去產品串行工程中的任一環(huán)節(jié)，不是將產品的

設計和其他生產環(huán)節(jié)重疊或同時進行。

(2)整體特征

并行工程哲理認為，制造系統(tǒng)包括制造過程是一個有

機的整體，在似乎相互獨立的各個制造過程和知識處理單

元之間，實質上存在著不可分割的內在聯系，特別是豐富

的雙向信息聯系，如圖7-14所示。并行工程強調全局性

地考慮問題，即產品研制者從一開始就考慮到產品整個生

命周期中的所有因素，追求整體最優(yōu)，有時為了保證整體

最優(yōu)，甚至可能不得不犧牲局部的利益。

機械制造工藝與夾具

(3)協(xié)同特征

并行工程特別強調團隊設計小組的協(xié)同工作

(Teamwork\現代產品的功能和特性越來越復雜，產品

開發(fā)過程涉及的學科門類和專業(yè)人員也越來越多，要取得

產品開發(fā)過程的整體最優(yōu)，其關鍵是如何很好地發(fā)揮人們

的群體作用。為此，并行工程非常注重協(xié)同的組織形式、

協(xié)同的設計思想以及所產生的協(xié)同效益。

(4)集成特征

集成特征具有如下4個特點。

①人員集成。管理者、設計者、制造者、支持者(質

量、銷售、采購、維護等)以至用戶集成為一個協(xié)調的整

體。

②信息集成。產品全生命周期中各類信息的獲取、表

示、處理及操作工具的集成和統(tǒng)一管理。

③功能集成。產品全生命周期中企業(yè)內各部門功能集

成，以及產品開發(fā)企業(yè)與外部協(xié)作企業(yè)間的功能集成。

④技術集成。產品開發(fā)全過程中涉及的多學科知識以

及各種技術、方法的集成，形成集成的知識庫、方法庫。

-228-

7.4.2精益生產

1.精益生產的基本概念

精益生產(又稱精良生產)，被美國人稱之為

"LeanProduction",簡稱LP,原意是"瘦型"胡方式。

精益生產簡練的含義就是運用多種現代管理方法和手段，

以社會需求為依托，以充分發(fā)揮人的作用為根本，有效配

置和合理使用企業(yè)資源，為企業(yè)謀求經濟效益的一種新型

企業(yè)生產方式。

2.精益生產方式的思維特點

(1)逆向思維方式

精益生產的思維方式大多都是逆向思維、風險思維，

很多問題都是倒過來看，也是倒過來干的。比如，我們一

般認為銷售是生產經營的終點，而精益生產卻把銷售看成

是起點，而且把用戶看成是生產制造過程的組成部分；傳

統(tǒng)的生產方式一直是“推動式”的，從上到下發(fā)指令，從

前道工序送到后道工序，一道道往后推，而精益生產卻是

由后道工序拉動前道工序；過去總認為超前生產是好事，

而精益生產卻認為超前生產是無效勞動，是一種浪費。

(2)逆境中的拼搏精神

機械制造工藝與夾具

精益生產方式是市場競爭的產物，來自于逆境中的拼

搏精神。例如，豐田公司在開始時十三年的轎車累計產量

還不及福特公司一天產量的40%，在相差這樣懸殊的條件

下，他們卻敢于提出趕上美國，走出一條新路子。經過二

十年努力，終于把理想變成現實。

(3)無止境的盡善盡美追求

在思維方法上，精益生產與以往生產經營目標的根本

差別在于追求盡善盡美。大量生產追求的是有限目標，可

以容忍一定的廢品率和最大限度的庫存。精益生產則追求

完全的目標，低成本、無廢品、零庫存和產品多種多樣，

而且永無止境地提高，不斷奮斗。精益生產認為，允許出

錯誤，錯誤就會不斷發(fā)生，所以從開始就不應出錯。

3.精益生產方式的特征

精益生產方式綜合了單件生產與大量生產的優(yōu)點，既

避免了前者的高成本，又避免了后者的僵化，在內容和應

用上具有如下特征.

①以銷售部門作為企業(yè)生產過程的起點，產品開發(fā)與

產品生產均以銷售為起點，按訂貨合同組織多品種小批量

生產。

-230-

②產品開發(fā)采用并行工程方法和主查制確保高質量、

低成本，縮短產品開發(fā)周期，滿足用戶要求。

③在生產制造過程中實行“拉動式”的準時化生產,

把上道工序推動下道工序生產變?yōu)橄碌拦ば蛞罄瓌由系?/p>

工序生產，杜絕一切超前、超量生產。

④以"人"為中心，充分挖掘和調動人的潛能和積極

性，普遍推行多機器操作，多工序管理，并把工人組成作

業(yè)小組，不僅完成生產任務，而且參與企業(yè)管理，從事各

種革新活動，提高勞動生產率。

⑤追求無廢品、零庫存、零故障等目標，降低產品成

本，保證產品多樣化。

⑥消除一切影響工作的“松弛點"，以最佳工作環(huán)境、

最佳條件和最佳工作態(tài)度從事最佳工作，從而全面追求盡

善盡美，適應市場多元化要求，用戶需要什么則生產什么，

需要多少就生產多少，達到以盡可能少的投入獲取盡可能

多的產出。

⑦把主機廠與協(xié)作廠之間存在的單純買賣關系變成利

益共同的"共存共榮"的"血緣關系"，把70%左右零部

件的設計、制造委托給協(xié)作廠進行，主機廠只完成約30%

機械制造工藝與夾具

的設計、制造任務。

7.4.3敏捷制造

1,敏捷制造的內涵

美國機械工程師學會（ASME）主辦的《機械工程》

雜志1994年期刊中，對敏捷制造作了如下定義："敏捷制

造就是指制造系統(tǒng)在滿足低成本和高質量的同時，對變幻

莫測的市場需求的快速反應"。因此，敏捷制造的企業(yè)，其

敏捷能力應當反映在以下6個方面。

①對市場的快速反應能力。判斷和預見市場變化并對

其快速地作出反應的能力。

②競爭力。企業(yè)獲得一定生產力、效率和有效參與競

爭所需的技能。

③柔性。以同樣的設備與人員生產不同產品或實現不

同目標的能力。

④快速。以最短的時間執(zhí)行任務（如產品開發(fā)、制造、

供貨等）的能力。

⑤企業(yè)策略上的敏捷性。企業(yè)針對競爭規(guī)則及手段的

變化、新的競爭對手的出現、國家政策法規(guī)的變化、社會

形態(tài)的變化等作出快速反應的能力。

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⑥企業(yè)日常運行的敏捷性。企業(yè)對影響其日常運行的

各種變化，如用戶對產品規(guī)格、配置及售后服務要求的變

化、用戶定貨量和供貨時間的變化、原料供貨出現問題及

設備出現故障等作出快速反應的能力。

2.敏捷制造的主要概念

①全新企業(yè)概念。將制造系統(tǒng)空間擴展到全國乃至全

世界，通過企業(yè)網絡建立信息交流高速公路，建立"虛擬

企業(yè)"，以競爭能力和信譽為依據選擇合作伙伴，組成動態(tài)

公司。

②全新的組織管理概念。簡化過程，不斷改進過程；

提倡以"人"