機械設計與制造新技術

制造技術是古老而又不斷刷新的生產技術。從18世紀起，在歐美就形成了近代機械制造業；第一次工業革命，到了19世紀又實現了制造機械化；這時，已經形成了一整套傳統加工技術，即機械加工技術。 隨著機械壽命和材料強度的提高，使難切削材料愈來愈多，產品集成化使零件愈來愈復雜，產品小型化又提出了微細加工的需要，以及加工過程要求易於自動化等，使傳統加工很難滿足社會對機械制造業日益提高的要求。從20世紀30年代到80年代，隨著制造技術與電力技術和電子技術結合，爆發了第一次制造革命。在這些年代，一個接一個的發明并在機械制造業應用了一系列與傳統加工完全不同的新加工方法，這些方法統稱為特種加工，其中包括物理和化學加工，簡稱理化加工；電物理和電化學加工，簡稱電加工及其復合加工。 從狹義加工到廣義加工 無論是傳統加工還是特種加工，都有廣義加工和狹義加工之分。廣義加工包括：變形加工、接合加工、減材加工和改性加工等。 變形加工簡稱成形，是由一定體積的材料使其變形成為所需形狀、尺寸和性狀的毛坯、半成品或零件的工藝方法。在傳統加工中變形加工有冷固態變形，主要靠超過材料彈性界限的機械力作用，例如冷鍛、冷壓、冷拔、冷軋和冷擠等；也有熱固態變形，主要靠熱能和機械力的作用，例如熱鍛、熱壓、熱拔、熱軋和熱擠等；此外還有液態變形或半液態變形，主要靠熱能，有時還加機械力的作用，例如鑄造、壓鑄和注射成形等。在特種加工中變形加工有放電成形、電磁成形和激光三維成形等。 接合加工簡稱連接，是將兩種或兩種以上的材料或半成品連接在一起，使之成為半成品或零件的工藝方法。在傳統加工中接合加工有壓接、鉚接、焊接和膠接等。在特種加工中接合加工有放電沖擊焊接、電子束焊接、激光焊接和等離子焊接等。 減材加工簡稱去除，是由大塊原材料或有余量的毛坯逐步去除多余的材料，而得到所需形狀、尺寸和性狀零件的工藝方法。在傳統加工中，減材加工主要利用機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變成零件，例如車、刨、剃、鋸、鉆、鏜、銑、拉、鉸、攻絲等切削加工和磨削加工。特種加工中減材加工有放電加工、電解加工、激光加工、超聲加工、電子束加工、化學加工、等離子加工和離子束加工等。 改性加工簡稱處理，是用冷、熱和化學處理以及腐蝕、拋光、包涂、合金化和噴丸等來改變材料、毛坯、半成品或零件內部、表層或表面的物理、化學或幾何等特性的工藝方法。 狹義加工單指減材加工。雖然傳統加工和特種加工都包含著廣義加工，但它們都以減材加工為主要加工手段。隨著精密變形加工和精密接合加工技術的進步，機械制造業以減材加工為主要精加工手段的局面被打破，代之以各種廣義加工方法并用的局面。 從減材加工到增材加工 在進入20世紀90年代以來，面臨動態多變市場的機械制造業，產品周期縮短、產品更新加快、品種增多、批量減少；產品的質量、價格和交貨期已成為增加企業競爭力的三個決定性因素。以減材加工為主要手段的制造業，難以滿足如上的要求。為此，隨著制造技術與材料技術、能源技術、微電子技術和信息技術的結合，以增材加工為主要內容的第二次制造革命就應運發生了。 增材加工簡稱生長，是用類似生長的方法逐漸增加材料，直到生成所需形狀、尺寸和性狀的樣件或零件。在傳統加工的基礎上，雖然有人試圖用形狀熔化或焊接，以及三維焊接來發展增材加工，但沒有取得實用性進展。後來又在特種加工的基礎上開發了增材加工。它是采用粘結、熔結和聚合作用或化學反應等手段，選擇性地固化液體材料或粘結固體材料等，以此制造所需形狀、尺寸和性狀的零件。這種制造技術是一種多學科的綜合技術，包括：CAD技術、CNC技術、能源技術和材料技術等。采用這種制造技術可以在短短兩天給顧客制造新型樣件，它不是顯示在計算機屏幕上的畫面，而是一個實際物體。如顧客不滿意，可以立即在CAD系統中進行修改，再制造出一個新樣件，直到顧客滿意為止。專家預言，這種新型制造技術給制造業帶來的影響，可以同數控技術相媲美。最初人們把它叫做快速原型制造或快速成形，至今還廣泛使用這個名稱。 目前已有多種增材加工方法，其中應用較好的如化學法中的液態光敏樹脂選擇性固化、復合法中的紙基材料選擇性切割、熱物理法中的絲狀材料選擇性熔覆和粉末材料選擇性燒結，以及噴射法中的粉末材料選擇性粘結和基於創新的數字化噴射RP技術等。 “快速原型制造”或“快速成形”這個名稱不是最合理，因為“快速”并非指加工速度快，而是指全部加工時間短；另外，現有的眾多方法早已超出“原型制造”的範圍。因此，采用“增材加工”這個名稱，足以概括全部方法和應用，清楚地指出了加工原理，并能用其英文縮寫MAM清楚地與減材加工的英文縮寫MRM相對應。