現(xiàn)代金屬智能制造技術(shù)發(fā)展淺析

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摘要:文章以金屬材料的智能制造技術(shù)為核心，分析智能制造技術(shù)的種類和各自應(yīng)用前景;以增材制造技術(shù)、飛秒激光技術(shù)與超聲加工技術(shù)三大先進(jìn)制造技術(shù)為例，分析其工作原理、特點(diǎn)、應(yīng)用以及優(yōu)勢(shì)等，探究智能制造技術(shù)的進(jìn)展與應(yīng)用，為智能制造技術(shù)的應(yīng)用與推廣提供一些參考。

關(guān)鍵詞:金屬材料;智能制造;加工技術(shù);發(fā)展綜述

金屬材料的智能制造及加工技術(shù)是當(dāng)今工業(yè)發(fā)展的重要方向，我國(guó)在該方面也取得了一些不凡的成果。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)在智能加工方面發(fā)展迅速，在許多科研的重點(diǎn)項(xiàng)目上取得了重大成果，其中就包括常見的機(jī)器人技術(shù)、控制技術(shù)、可靠性技術(shù)、機(jī)械制造工藝技術(shù)、數(shù)控技術(shù)與數(shù)字化制造、智能信息處理技術(shù)等［1］。2012年，我國(guó)發(fā)布了《智能制造裝備產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》和《智能制造科技發(fā)展“十二五”專項(xiàng)規(guī)劃》，并設(shè)立《智能制造裝備發(fā)展專項(xiàng)》，以便能夠更好地加快智能制造裝備自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的創(chuàng)新發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化，推動(dòng)我國(guó)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型和升級(jí)。同時(shí)，該發(fā)展專項(xiàng)還對(duì)如何結(jié)合世界發(fā)展的趨勢(shì)和未來(lái)前沿制高點(diǎn)進(jìn)行了專項(xiàng)的規(guī)劃。在不斷努力下，成功攻克了一批前沿核心技術(shù)和共性關(guān)鍵技術(shù)，成功使一批智能化高端裝備得以問世，并進(jìn)行示范應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化，為實(shí)現(xiàn)我國(guó)從制造大國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)變奠定技術(shù)基礎(chǔ)［2］。但智能制造在我國(guó)仍存在問題，比如，對(duì)智能制造基礎(chǔ)研究能力不足，對(duì)引進(jìn)的先進(jìn)技術(shù)無(wú)法全面吸收;技術(shù)路線不太清晰，國(guó)家對(duì)于智能制造方面的協(xié)調(diào)管理尚且需要完善;對(duì)于一些高端制造設(shè)備與裝備還需要向國(guó)外引進(jìn)，對(duì)外的依賴程度較高等。

1增材制造技術(shù)

1．1增材制造技術(shù)的介紹

增材制造技術(shù)(AdditiveManufacturing，簡(jiǎn)稱AM)，俗稱3D打印。該技術(shù)很好地將計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、材料加工與成型技術(shù)融合在了一起，然后以計(jì)算機(jī)的數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，通過控制軟件和自動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)，把專用的有色金屬材料、化學(xué)金屬材料、非金屬材料等，按照一定的程序進(jìn)行實(shí)體擠壓、燒結(jié)、熔融、光固化、噴射等多種加工方式，分別進(jìn)行逐層材料堆積，進(jìn)而完成制造［3］。與傳統(tǒng)的、對(duì)所用原材料加工進(jìn)行批量去除、切削、組裝的手工制造加工工藝方式不同，增材制造技術(shù)是采取“自下而上”的加工方式，通過針對(duì)原材料加工進(jìn)行批量累加，該技術(shù)打破了傳統(tǒng)制造方法的約束，可通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)來(lái)制造更多的復(fù)雜產(chǎn)品，而產(chǎn)品也具有多樣化，其成本也有一定的改善。增材制造技術(shù)是一種泛指基于重要零部件的二次離散－三維堆積的加工原理，由重要零部件三維加工數(shù)據(jù)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)直接加工生產(chǎn)重要零部件的一種新型科學(xué)工程技術(shù)生產(chǎn)系統(tǒng)?；诓煌难杆偌庸すに嚹Ｊ叫枰M(jìn)行技術(shù)分類，可以大致劃分四類，分別為迅速加工原型、快捷快速成形、迅捷快速制造、3D快速打印。其中的迅速技術(shù)仍然正在不斷地取得進(jìn)步，外延性也在不斷地被拓寬。

1．2增材制造技術(shù)的特點(diǎn)

增材制造技術(shù)是基于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，通過材料的自上到下的累積進(jìn)行加工制造，最終形成一個(gè)實(shí)體的立式模型。增材制造技術(shù)打破了傳統(tǒng)制造方法的約束，可通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)來(lái)制造更多的復(fù)雜產(chǎn)品，而產(chǎn)品也具有多樣化，其成本也有一定的改善。對(duì)于增材制造技術(shù)只需要一臺(tái)機(jī)器、一個(gè)電腦便可以進(jìn)行加工制造，十分方便，而且無(wú)需改動(dòng)模具。在普通的制造過程中如果改動(dòng)模具，對(duì)于加工來(lái)說是對(duì)成本的一個(gè)累積，新的模具無(wú)疑是最增加成本的，而增材制造解決了這一點(diǎn)，它無(wú)需更換甚至無(wú)需模具，這在降低成本方面得到巨大改善。并且其生產(chǎn)周期短，這是增材制造技術(shù)最大的優(yōu)點(diǎn)，相對(duì)于老式制造，增材制造對(duì)所需的制造能力要求較低，其需要的操作較少、易操作，而且增材制造技術(shù)占地面積小，方便攜帶，即使在戰(zhàn)場(chǎng)與災(zāi)區(qū)這種困難環(huán)境下，依然可以發(fā)揮其作用。同時(shí)，增材制造技術(shù)可以完美復(fù)刻3D軟件上的制作模型，完成精準(zhǔn)制造，制造后沒有垃圾廢料，提高了環(huán)保質(zhì)量。但是增材制造技術(shù)對(duì)原材料的要求相對(duì)較高，無(wú)法充分使用各種材料，材質(zhì)緊缺已經(jīng)成為了增材加工設(shè)備中最致命的一個(gè)缺點(diǎn)。其所采用的制造設(shè)備和機(jī)器的成本也相對(duì)傳統(tǒng)制造較高，無(wú)法進(jìn)入廣大民眾家庭中。目前國(guó)內(nèi)外常見的增材加工設(shè)備制造和加工技術(shù)主要包括以下幾種［4］:金屬激光燒結(jié)技術(shù)(DirectMetalLaser－Sintering，簡(jiǎn)稱DMLS)、電子束熔融技術(shù)(ElectronBeamMelting，簡(jiǎn)稱EBM)、激光選區(qū)熔化技術(shù)(SelectiveLaserMelting，簡(jiǎn)稱SLM)、選擇性激光燒結(jié)技術(shù)(SelectiveLaserSintering，簡(jiǎn)稱SLS)、激光立體成型技術(shù)(LaserSolidForming，簡(jiǎn)稱LSF)、電子束自由制造技術(shù)(ElectronBeamFreeformFabrication，簡(jiǎn)稱EBF3)、熔融沉積成型技術(shù)(FusedDepositionModeling，簡(jiǎn)稱FDM)、光固化立體成型技術(shù)(StereoLithographyApparatus，簡(jiǎn)稱SLA)、分層實(shí)體制造技術(shù)(LaminatedObjectManufacturing，簡(jiǎn)稱LOM)等。

1．3增材制造技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

經(jīng)過20多年的探索與發(fā)展，增材制造技術(shù)已經(jīng)歷了一個(gè)由萌芽階段向產(chǎn)業(yè)化、由原型陳列階段到零部件直接生產(chǎn)與制造階段的轉(zhuǎn)變，發(fā)展非常迅猛。美國(guó)一家專門為增材加工制造技術(shù)顧問服務(wù)的機(jī)構(gòu)Wohlers協(xié)會(huì)，其發(fā)布的《WohlersReport2020》報(bào)告被稱之為3D打印的行業(yè)圣經(jīng)，成為國(guó)內(nèi)外3D打印從業(yè)人士參閱的寶典。該報(bào)告就各個(gè)行業(yè)在增材制造領(lǐng)域的應(yīng)用狀況做出了分析，比如在持續(xù)的新型冠狀病毒全球大流行中，意大利的Isinnova公司利用增材制造技術(shù)為醫(yī)院生產(chǎn)了許多呼吸閥。同時(shí)，在剛剛過去的幾年里，航空裝備零部件的制造與醫(yī)療器械的制造一直都是增材制造產(chǎn)品數(shù)量增長(zhǎng)速度最高的應(yīng)用場(chǎng)所。2020年全球增材制造收入已達(dá)158億美元，該公司預(yù)計(jì)，2022年收入預(yù)測(cè)將攀升至239億美元，到2024年將達(dá)到356億美元。增材加工制造技術(shù)目前仍然處于高速發(fā)展時(shí)期，并且擁有旺盛的市場(chǎng)生命力。隨著科學(xué)信息技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用范圍也將變得更加廣闊。

2飛秒激光技術(shù)

2．1飛秒激光技術(shù)的介紹

飛秒是一個(gè)時(shí)間計(jì)量單位，一飛秒相當(dāng)于10－15秒，也就是1/1000萬(wàn)億秒。激光是指在組成化學(xué)物質(zhì)的各個(gè)原子中，有不同強(qiáng)度和數(shù)量的粒子均勻地分布在各個(gè)能量層上，這些粒子從最初的高能層躍遷至最后的低能層上，它們就會(huì)向外輻射產(chǎn)生出與激發(fā)它相同性質(zhì)的光［5］。飛秒激光技術(shù)是一種以激光電磁波或激光脈沖的各種形式自由快速運(yùn)轉(zhuǎn)的化學(xué)激光組成，其加工持續(xù)時(shí)間非常短，且具有非常高的瞬間運(yùn)動(dòng)速度和加工功率。其在加工過程中，激光可以輕松地直接實(shí)現(xiàn)對(duì)任何一種材料的精細(xì)激光加工、修補(bǔ)和激光微波衍射處理，激光在極短的精細(xì)加工持續(xù)時(shí)間和極小的作用空間內(nèi)與其他化學(xué)物質(zhì)相互作用，作用時(shí)間范圍內(nèi)的激光溫度在瞬間內(nèi)急劇地快速上升，并以激光等離子體向外快速運(yùn)動(dòng)噴發(fā)的各種形式作用使其可以得到飛秒激光斑的去除。飛秒激光技術(shù)避免了傳統(tǒng)加工中高溫?zé)崛诤腿刍^程產(chǎn)生的質(zhì)量問題，大幅降低和有效消除了由于傳統(tǒng)加工過程管理中的高溫?zé)嵝?yīng)可能帶來(lái)的許多其它負(fù)面影響。德國(guó)漢諾威激光中心的B．N．Chickov研究小組在真空環(huán)境中放置了100mm厚的鋼片，然后分別用納秒激光與飛秒激光進(jìn)行加工。經(jīng)過104個(gè)脈沖照射后，對(duì)比兩者的處理結(jié)果，發(fā)現(xiàn)有明顯的不同，如圖1所示。這便說明了飛秒激光的準(zhǔn)確性與良好的工藝性。

2．2飛秒激光的主要用途

飛秒激光的主要用途可以概括為以下三個(gè)方面，即在超快領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用、在超強(qiáng)領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用和在超微細(xì)加工中的應(yīng)用。飛秒激光在超快現(xiàn)象研究領(lǐng)域中起到的是一種快速過程診斷的作用。飛秒激光就像一個(gè)精細(xì)的時(shí)鐘和一架超高速相機(jī)，對(duì)于自然界的原子與分子都可以快速進(jìn)行分析，并且記錄下來(lái)。飛秒激光在超強(qiáng)領(lǐng)域中的應(yīng)用主要?dú)w因于具有一定能量的飛秒脈沖的峰值功率和光強(qiáng)可以非常之高，飛秒強(qiáng)光可用來(lái)產(chǎn)生X射線和其它極短波長(zhǎng)的光進(jìn)行核聚變。飛秒激光用于超微細(xì)加工是飛秒激光用于超快現(xiàn)象研究和超強(qiáng)現(xiàn)象研究之外的又一個(gè)飛秒激光技術(shù)的重要的應(yīng)用研究領(lǐng)域，其對(duì)于關(guān)鍵工業(yè)生產(chǎn)有著直接的推動(dòng)作用［6］。

3超聲加工技術(shù)

3．1超聲加工技術(shù)的介紹

超聲加工技術(shù)是利用超聲頻(16kHz～25kHz)振動(dòng)的工具端面沖擊工作液中的懸浮磨粒，并通過它與工件之間的游離物質(zhì)和液體內(nèi)部中的磨料進(jìn)行敲擊和震蕩作用，使得工件材料在物質(zhì)和表面逐漸破碎而形成的一種特殊加工，其工作原理如圖2所示。超聲波加工通常被應(yīng)用在穿孔、剪切、焊接、套材及拋光等方面［7］。其特點(diǎn)為:(1)由于機(jī)械振動(dòng)加工方式是利用機(jī)械超聲波轉(zhuǎn)化為振動(dòng)的機(jī)械，所以相比于各類柔韌性材料機(jī)械加工所產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)效果相對(duì)較好;(2)加工過程中，工具頭和零部件間均存在著磨料上的懸浮液，當(dāng)被加工的材料是為了保持薄壁上的厚度以及狹窄裂隙時(shí)，其加工效果明顯，脆性越強(qiáng)的材料則比較容易;(3)用于超聲波加工的機(jī)械頭可以采用硬度較小的物質(zhì)，可以做出相對(duì)復(fù)雜的形狀。相對(duì)于傳統(tǒng)機(jī)械加工方式，超聲加工也有諸多不足，例如，在超聲加工中，加工速度較慢，生產(chǎn)效率低，在后期還需要防腐處理，因此增加了工序，同時(shí)也增加了成本;加工時(shí)工件被加工出來(lái)的破碎物不容易直接排出，當(dāng)加工進(jìn)行到一定深度時(shí)，工具頭進(jìn)給困難，容易造成加工中斷、無(wú)法持續(xù)的現(xiàn)象［8］。

3．2超聲橢圓振動(dòng)加工技術(shù)

超聲波橢圓振動(dòng)加工技術(shù)主要原理是，通過觀察橢圓整體振動(dòng)的作用超聲波將其振動(dòng)附加作用到各種切削加工刀具上，使得切割工件的切削刀尖高度能夠與其相對(duì)于所有需要進(jìn)行加工的切削工件按照其橢圓振動(dòng)軌跡相反方向移動(dòng)進(jìn)行橢圓振動(dòng)，進(jìn)而不斷完善切削加工材料工藝。是將先進(jìn)的光學(xué)電子技術(shù)、計(jì)量控制技術(shù)、機(jī)械振動(dòng)和加工原理以及加工材料流動(dòng)力學(xué)等多個(gè)熱門加工專業(yè)學(xué)科聯(lián)合組成到一起的一門綜合性加工學(xué)科。其應(yīng)用方法分為熔接法、鉚焊法、埋植、成型、電焊和切割封口等［9］。熔接法是以超音波超高頻率振動(dòng)的焊頭在適度壓力下，使二塊金屬的接合面產(chǎn)生磨擦熱而瞬間熔融接合，可達(dá)到水密或氣密，并免除采用輔助品所帶來(lái)的不便，實(shí)現(xiàn)高效清潔的熔接。鉚焊法是將具有特殊特性的超音波動(dòng)的金屬鉚釘連接焊頭，壓著產(chǎn)品突出的鉚釘?shù)母啥撕附由翌^，使之瞬間迅速地膨脹發(fā)熱，甚至融化而形成為金屬鉚釘?shù)恼w形狀，使不同鉚釘類型和各種材質(zhì)的焊接工藝將鉚釘緊密地焊接聚集結(jié)合到一起。埋植是利用焊接孔與接頭之間的傳道及適當(dāng)?shù)暮附訅毫Γ查g將各種特殊金屬焊接部件全部直接擠進(jìn)模具預(yù)留的一個(gè)塑料孔內(nèi)，固定在一定的塑料深度，完成后不管任何拉力、扭矩均能與一般傳統(tǒng)的焊接模具在孔內(nèi)相互作比較，可以有效避免焊接射出模的零件受損和模具射出緩慢的雙重缺點(diǎn)。成型技術(shù)工藝應(yīng)用方法與傳統(tǒng)鉚焊擠壓工藝相同，將一個(gè)大型凹狀圓形焊頭直接擠壓至整個(gè)金屬產(chǎn)品的物件外圈，焊頭上面會(huì)發(fā)出高頻超音波并在超高頻高速振動(dòng)后將整個(gè)金屬產(chǎn)品進(jìn)行加熱熔融融合成形，并且由包覆于任何一種金屬制品物件外圈中的彈性鋁合金金屬材料固定。其產(chǎn)品外觀光滑美觀，適用于各種電子產(chǎn)品制造、化妝品包裝制造、隱形眼鏡片制造等。點(diǎn)焊技術(shù)是將二片金屬分點(diǎn)進(jìn)行熔接，而不必預(yù)先做好所設(shè)計(jì)的焊線，達(dá)到熔接的目的。對(duì)于一些比較大型的焊接工件，不易按照實(shí)際設(shè)計(jì)需要焊接管線的各種工件焊接要求同時(shí)進(jìn)行焊接分點(diǎn)連續(xù)焊接，而且為了能夠達(dá)到多點(diǎn)熔化和連續(xù)分點(diǎn)焊接的良好效果，可以同時(shí)使用進(jìn)行多點(diǎn)連續(xù)焊接。切割封口主要采用了一種超音波瞬間高頻發(fā)振的快速工作運(yùn)動(dòng)原理，對(duì)各種化纖和紡織物面料進(jìn)行了快速切割，其主要技術(shù)優(yōu)點(diǎn)之一是刀割切口光潔不容易開裂、不容易產(chǎn)生拉絲［10］。

4結(jié)論

本文通過三種先進(jìn)的制造技術(shù)引出智能制造的重要性，并探討了金屬材料智能制造應(yīng)用前景的廣闊性。當(dāng)今智能制造在航空航天、車輛工程、水利工程等方面都起到了重要的技術(shù)支持作用，未來(lái)加強(qiáng)對(duì)智能制造方面的協(xié)調(diào)管理，加強(qiáng)對(duì)智能制造的基礎(chǔ)知識(shí)理解，研究出我國(guó)自己的制造工具，在智能制造方面做強(qiáng)，這樣才會(huì)在未來(lái)智慧化工廠中占有一席之地。智能機(jī)器人與系統(tǒng)管理者實(shí)現(xiàn)在制造系統(tǒng)的協(xié)同作業(yè)，實(shí)現(xiàn)真正的全自動(dòng)化與全智能化?，F(xiàn)在我國(guó)在金屬智能加工技術(shù)上雖取得了一定的成果，但依然需要科技創(chuàng)新，對(duì)于當(dāng)今這個(gè)社會(huì)工業(yè)化的環(huán)境下，金屬材料智能加工的應(yīng)用前景是很好的，在未來(lái)科技不斷發(fā)展的過程中，金屬材料智能制造的應(yīng)用會(huì)更加寬廣，要以實(shí)體經(jīng)濟(jì)為主體，大力發(fā)展科技研究。智能加工同樣提高的是加工質(zhì)量，產(chǎn)品質(zhì)量的全面提升是樹立品牌的前提條件，它將推動(dòng)中國(guó)制造向中國(guó)智造的轉(zhuǎn)型。

作者:張修路 張恒 白玉龍 單位:沈陽(yáng)城市學(xué)院 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)