第2章 先进制造工艺技术
2.1 概述
先进制造工艺是加工制造过程中基于先进技术装备的一整套技术规范和操作工艺，它是在传统机械制造工艺基础上逐步形成的一种制造工艺技术，并随着技术的进步不断变化和发展。先进制造工艺是先进制造技术的核心和基础，是高新技术产业化和传统工艺高新技术化的具体表现和实际结果，一个国家的制造工艺技术水平是核心竞争力的具体体现，其高低决定了制造业在国际市场中的实力。
2.1.1 先进制造工艺技术的产生
机械制造工艺技术的内涵和面貌随着科技的进步和发展不断发生变化，而且速度越来越快，常规工艺不断优化并得到普及，原来严格的工艺界限和分工，如下料和加工、毛坯制造和零件加工、粗加工和精加工、冷加工和热加工、成形与改性等在界限上趋于淡化，在功能上趋于交叉。先进制造工艺技术包括了常规工艺经优化后的工艺，以及不断出现和发展的新型加工方法。当前比较成熟的先进制造工艺技术主要有：精密加工与超精密加工、微细加工、高速与超高速加工、生物制造技术、快速成型制造技术、激光加工技术、高能束加工、先进切削加工技术、新型材料加工、重型及大型零件加工、表面功能性覆层技术及复合加工等。
先进制造工艺技术是任何高级的自动控制系统都无法取代的，是一个国家制造业核心竞争力的集中体现，特别是对于我国这样一个必须拥有独立完整的现代化工业体系的大国，先进制造工艺技术水平的发展程度决定了制造业的现代化水平，是关系国防建设和国家发展的关键力量和核心技术，是我国完成制造业大国向制造业强国转变的重要技术保障。
2.1.2 先进制造工艺技术的分类和特点
先进制造工艺技术是把各种原材料、半成品加工成为产品的方法和过程。先进制造工艺技术可以划分为以下几类：
（1）先进高效切削加工工艺技术 它包括精密与超精密加工技术、微细加工技术、高速或超高速切削技术和磨削加工技术及复杂型面的数控切削加工技术等，此类技术主要是以先进制造装备为依托，采用新的快速响应控制技术，结合先进刀具、加工工艺等使传统切削加工技术焕发了新的生机，出现了许多新的研究方向和加工工艺。
（2）先进高效或精密成形技术 包括少无余量成形技术、增量制造技术、精密洁净铸造以及塑性成形工艺、优质高效焊接及切割技术、生物制造成形技术及快速成型制造技术等，它是生产局部或全部无余量或少余量半成品工艺的统称，既有以传统去除余量为主的成型技术，也有以3D打印、快速原型制造等增量为主的成型技术，还有结合生物技术，以控制约束生长或者刻蚀成形为主的新技术。
（3）特种加工技术 它是指那些不属于常规加工范畴的加工工艺，如激光加工、高能束（电子束、离子束）加工、电加工（电解和电火花）、高压水射流加工、超声波加工、多种能源的复合加工及纳米加工技术等。
（4）表面改性、涂层技术 它指采用物理、化学、金属学、高分子化学、电学和机械学等技术及其组合，使表面具有耐磨、耐蚀、耐（隔）热、耐辐射和抗疲劳等特殊功能，从而达到提高产品质量，延长寿命，赋予产品新性能的新技术统称，是表面工程的重要组成部分，可以采用化学镀、非静态合金技术、节能表面涂装技术、表面强化处理技术、热喷涂技术、激光表面熔敷处理技术和等离子化学气相沉积技术等。
从先进制造工艺技术的内涵和发展，可以清晰地看出，先进制造工艺技术具有绿色低耗、优质高效、柔性灵活等方面的显著特点。
（1）绿色低耗 随着人类制造水平的提高，对制造所产生的负面效应也得到了应有的关注，先进制造工艺技术应该在满足人类需求的同时，尽量减少对资源的消耗和环境的影响。先进制造工艺技术应满足节省原材料、降低能源消耗、提高能源重复利用率的要求，以减少对于资源的浪费；先进制造工艺技术还应做到少排放或零排放，生产过程不污染环境，符合日益增长、逐渐严苛的环境保护要求。
（2）优质高效 以先进制造工艺和加工制造出的产品应具有产品质量高、性能好、加工精度高、表面处理好、内部组织致密、无缺陷杂质等特点，最终产品零件具有使用性能好、使用寿命长和可靠性高的性能。与传统制造工艺技术相比，先进制造工艺技术还应具有高效加工的特征，即极大地缩短加工时间，提高劳动生产率，降低生产成本和操作者的劳动强度，加工过程具有优良的可操作性和易维护性。
（3）柔性灵活 它指加工方法能够快速变化、灵活适应。快速变换的市场需求对下游产品的加工也提出了快速反应的要求，即能够快速地变换生产过程和种类，以及对产品设计内容进行灵活更改，可进行多品种的柔性生产，适应多变的产品消费市场需求。
2.1.3 先进制造工艺技术的发展趋势
1.高效超精密加工
先进制造工艺技术不仅要实现高精度、超精密加工，还要实现高速、高效加工。现在的高精度、超精密加工技术已进入纳米加工时代，加工精度达几十纳米，表面粗糙度达纳米级。超精密加工机床由专用机床向多功能模块化方向发展，加工精度逐步提高；超精密加工材料的范围由金属扩大到高分子材料、复合材料等。以高速切削加工技术为例，对于易切削的铝合金，最高切削速度可以达到6000m/min，进给速度为2～20m/min，最高可以达到100～150m/min。
2.成形精度高、余量小
塑性成形工艺是先进制造工艺技术的重要分支，热加工方面提出了“近无缺陷加工”的目标，零件成形方法出现了“少无余量、近净成形”的发展方向。为实现少、无缺陷，采取的主要措施有：增大合金组织的致密度，优化工艺设计以实现一次成形及试模成功，加强工艺过程监控及无损检测，进行零件安全可靠性能研究及评估，确定临界缺陷量值等。
在“少无余量，近净成形”的制造工艺过程中，加工余量越来越小，毛坯与零件的界限也趋于减小，有的毛坯成形后，仅需要简单的磨削甚至抛光就能够达到零件的最终质量要求，不需要额外加工，如精铸、精锻、精冲、冷温挤压、精密焊接及切割等。
3.围绕新型材料拓展加工工艺
新型材料由于其性能优良，强度、硬度较高，采用传统方法加工存在一定困难。通过采用高能束、激光、等离子体、微波、超声波、电液、电磁和高压射流等新型能源载体，形成了多种让人耳目一新的特种加工技术，这些新技术不仅提高了加工效率和质量，还解决了超硬材料、高分子材料、复合材料和工程陶瓷等新型材料的加工难题。将来围绕不同的新材料，还会研发出新的、有针对性的加工工艺，解决其加工问题。
4.模拟技术和优化控制的广泛采用
随着计算机软硬件技术的发展，将其应用于制造技术，进行模拟加工、预测成形、虚拟装配等体现出了巨大的技术优势，可以低成本地为制造技术服务。模拟技术已向拟实制造成形的方向发展，成为分散网络化制造、数字化制造及制造全球化的技术基础。例如，在材料的热加工过程中，可以预测工艺结果，并通过调整不同参数以优化工艺设计，确保大件一次制造成功；可以使成批件一次成形及试模成功，改性与加工的工艺过程预先掌握。这些工艺过程，特别是热加工过程中会发生一系列复杂的物理、化学、冶金变化，是极其复杂的高温、动态、瞬时过程，其直接观察、间接测试十分困难，而采用模拟成形技术可以部分掌握其动态变化过程，再现成形过程，为其机理的研究和工艺优化提供了一种有力的研究工具。
先进制造工艺技术的控制技术也随着计算机软硬件的发展而不断跃升，形成了从单机到系统，从刚性到柔性，从简单到复杂等不同档次的多种自动化成形加工技术，使工艺过程控制方式发生了质的变化。其发展历程经历了应用集成电路、可编程序控制器、计算机等实现工艺设备的单机、生产线或系统的自动化控制，以及应用新型传感、无损检测、理化检验及计算机、微电子技术，实时测量并监控工艺过程的温度、压力、形状、尺寸、位移、应力、应变、振动、声、像、电、磁及合金与气体的成分、组织结构等参数，实现在线测量、测试技术的闭环控制，进而实现自适应控制；综合整个系统，运用计算机辅助工艺编程（CAPP）、数控、CAD/CAM、机器人、自动化搬运仓储、管理信息系统（MIS）等自动化单元技术，将其用于工艺设计、加工及物流过程，形成不同档次的柔性自动化系统，最终形成数控加工、加工中心（MC）、柔性制造单元（FMC）、柔性制造系统（FMS）和柔性生产线（FTL），乃至形成计算机集成制造系统（CIMS）和智能制造系统（IMS）。
5.加工设计集成并趋于一体化
由于CAD/CAM、FMS、CIMS、并行工程、快速原型等先进制造技术的出现，在设计阶段便可以进行制造阶段的模拟仿真以及虚拟检测等，使加工与设计之间的界限逐渐淡化，并趋于一体化，而且冷、热加工之间，加工过程、检测过程、物流过程、装配过程之间的界限也趋向淡化、消失，而集成于统一的制造系统之中。在集成化的智能制造系统和计算机集成制造系统中，可以实现优化设计、模拟加工、预测成形、过程控制、虚拟装配及检验优化等一系列传统制造技术无法完成的工艺环节，实现快速开发和高效生产。