【正文】 ?從美國這個超級大國在制造技術和制造工業(yè)的發(fā)展中所走過的彎路和所經(jīng)歷的波折中，我們可以看到：?一個現(xiàn)代國家如果忽視了制造技術和制造工業(yè)，放松了對于制造技術的研究、開發(fā)和對于制造工業(yè)的促進，其后果將是何等嚴重!?像美國這樣的實力雄厚的經(jīng)濟大國尚且不能承受由此而引起的嚴重后果，更何況像我國這樣的發(fā)展中國家。在美國的壓力下，東芝公司董事長和總經(jīng)理被迫辭職。二、知識經(jīng)濟條件下制造業(yè)面臨的機遇和挑戰(zhàn) （1）建立在規(guī)模經(jīng)濟基礎上，靠企業(yè)規(guī)模、生產(chǎn)批量、產(chǎn)品結構和重復性來獲得競爭優(yōu)勢。（5）難以滿足市場對產(chǎn)品花色品種和交貨期的要求。 (3)大市場和大競爭世界市場的開放程度越來越大。(5)信息化和智能化隨著計算機技術廣泛的應用，企業(yè)的控制進一步信息化和智能化，企業(yè)的工作內(nèi)容、對象和方法發(fā)生根本的改變。第三節(jié) 21世紀制造業(yè)的主要特點一、背景市場競爭是推動制造業(yè)不斷采用先進制造技術和制造模式的因素 二十多年來，世界制造業(yè)已進入了一個巨大變革時期，這一變革主要特點是：生產(chǎn)能力(包括資本、信息)在世界范圍內(nèi)迅速提高和擴散，已形成全球市場激烈競爭格局。 二、21世紀制造業(yè)的主要特點是產(chǎn)品生命周期縮短，產(chǎn)品更新加快美國制造業(yè)的經(jīng)營策略變革示意圖 具備贏得競爭，提高市場占有率的四種基本能力：（1）時間競爭能力，產(chǎn)品上市快、生產(chǎn)周期短、交貨及時；（2）質(zhì)量競爭能力，產(chǎn)品不僅可靠性高，而且使用戶在各方面都滿意；（3）價格競爭能力，產(chǎn)品生成成本低，銷售價格適中；（4）創(chuàng)新競爭能力?，F(xiàn)代制造業(yè)的設計方法、產(chǎn)品結構、生產(chǎn)方式、生產(chǎn)工藝和設備以及生產(chǎn)組織結構已經(jīng)改變。環(huán)境保護意識的增強與可持續(xù)發(fā)展。生態(tài)安全型和資源節(jié)約型制造技術是制造領域亟待解決的一個重要課題。挑戰(zhàn)性：在通信和數(shù)據(jù)處理方面需要重要的新技術，需要制造企業(yè)有新的社會與文化氛圍。按計算機和信息技術(硬件和軟件)目前的指數(shù)增長速率，到2020年將能滿足制造業(yè)的需求。人口增長及技術不斷開發(fā)，全球生態(tài)系統(tǒng)將受到嚴重的制約。全球產(chǎn)業(yè)界進入了結構大調(diào)整的重要時期，世界正在形成一個統(tǒng)一的大市場。2020年，技術創(chuàng)新的單元將在以下諸方面發(fā)揮巨大的能力：多單元工藝技術集成為單一工藝將顯著減少投資、檢驗時間、搬運和加工時間。這些創(chuàng)新工藝的發(fā)展能夠制造出新的產(chǎn)品，例如 由分子級的元器件組成的生物計算機； 能在分子或細胞級上進行手術且只有分子大小的外科工具； 高效且便宜的太陽能收集器等等。FCCSET先進制造技術的系統(tǒng)結構及主要內(nèi)容如圖3所示。 新的設計思想和方法不斷出現(xiàn)，如 并行設計、 面向“X”的設計(Design For X，DFX)、 健壯設計(Robust Design)、 優(yōu)化設計(Optimal Design)、 反求工程技術(Reverse Engineering)等。 現(xiàn)代產(chǎn)品建模理論發(fā)展，向智能化設計方向發(fā)展。(1)精密、超精密加工技術。(2)精密成形制造技術指從制造工件的毛坯、從接近零件形狀(Near Net Shape Process)向： 直接制成工件即精密成形或稱凈成形(N用Shape Process)的方向發(fā)展國際機械加工技術協(xié)會預測： 到21世紀初，塑性成形與磨削加工相結合，將取代大部分中小零件的切削加工。制造自動化涉及技術： 數(shù)控技術、 工業(yè)機器人技術 柔性制造技術， 制造自動化涉及技術是機械制造業(yè)最重要的基礎技術之一。(4)自動檢測及信號識別技術 包括自動檢測CAT，信號識別系統(tǒng)，數(shù)據(jù)獲取，數(shù)據(jù)處理，特征提取，識別。(1)先進制造生產(chǎn)模式。包括 虛擬公司理論與組織 企業(yè)組織結構的變革 以人為本的團隊建設 企業(yè)重組工程第六節(jié) 先進制造技術的發(fā)展趨勢 新世紀新動態(tài)： 電子、信息等高新技術的迅猛發(fā)展 市場需求個性化與多樣化先進制造技術 “8化” 發(fā)展： 精密化、柔性化、網(wǎng)絡化、虛擬化、智能化、清潔化、集成化、全球化。先進制造體系依靠 先進的信息技術 自動化技術 實現(xiàn)自身的先進性， 先進的管理科學 保證： “時、空、人、物、信息、處理及決策”的正確性。反映在不同的國家和地區(qū)，先進制造技術也有其本身重點發(fā)展的目標和內(nèi)容。信息技術應用于先進制造技術，提高了制造技術的技術含量，使傳統(tǒng)制造技術發(fā)生質(zhì)的變化。各種先進生產(chǎn)模式的發(fā)展，如CIMS、并行工程、敏捷制造、虛擬企業(yè)與虛擬制造，也以信息技術的發(fā)展為支撐。 在生產(chǎn)上專業(yè)車間的概念逐漸淡化，將多種不同專業(yè)的技術集成在： 一臺設備 一條生產(chǎn)線 一個工段或車間里的生產(chǎn)方式逐漸增多。制造科學是支撐制造技術理論體系的外在表現(xiàn)。主要體現(xiàn)在：(1)綠色產(chǎn)品設計技術 使產(chǎn)品在生命周期符合環(huán)保、人類健康、能耗低、資源利用率高的要求。八．虛擬現(xiàn)實技術在制造業(yè)中越來越多的應用虛擬現(xiàn)實技術(Virtual Reality Technology)主要包括虛擬制造技術和虛擬企業(yè)兩個部分。虛擬企業(yè)含義：虛擬企業(yè)是為了快速響應某一市場需求，通過信息高速公路，將產(chǎn)品涉及到的不同企業(yè)臨時組建成為一個沒有圍墻、超越空間約束、靠計算機網(wǎng)絡聯(lián)系、統(tǒng)一指揮的合作經(jīng)濟實體。制造產(chǎn)品、市場的國際化及全球通信網(wǎng)絡的建立，形成國際競爭與協(xié)作氛圍，21世紀制造國際化是發(fā)展的必然趨勢。加工立體形狀復雜的大型框架，如座艙風擋骨架、艙門、窗框等，還需要采用多坐標聯(lián)動的數(shù)控銑床或立體靠模銑床。 制造工藝方法歸結為下圖分類(P162圖51)2. 種加工技術一、特種加工的產(chǎn)生及發(fā)展背景：傳統(tǒng)的機械加工已有很久的歷史，它對人類的生產(chǎn)和物質(zhì)文明起了極大的作用。從第一次產(chǎn)業(yè)革命以來，到第二次世界大戰(zhàn)以前，長達150多年，都靠機械切削加工，沒有產(chǎn)生對特種加工的迫切要求，也沒有發(fā)展特種加工的充分條件。二、特種加工的特點和種類目前，已經(jīng)找到了多種加工方法，相對傳統(tǒng)金屬切削加工，這類新加工方法統(tǒng)稱為特種加工，國外稱作非傳統(tǒng)加工(NonTraditional Machining，NTM)或非常規(guī)機械加工(NonConventional Machining，NCM)。（6）能獲得良好的加工表面質(zhì)量，熱應力、殘余應力、冷作硬化、熱影響區(qū)以及毛刺等均比較小。在20世紀40年代開始研究并逐步應用于生產(chǎn)。長期以來電腐蝕被認為是有害的，人們不斷地研究電腐蝕的原因并設法減輕和避免它。間隙過小，容易形成短路接觸，同樣也不能產(chǎn)生火花放電。為此，電火花加工必須采用脈沖電源。以上問題的綜合解決通過下圖所示電火花加工系統(tǒng)來實現(xiàn) （1）是不接觸加工工具電極和工件之間并不直接接觸而有一個火花放電間隙(0．1—0．01 mm)，間隙中充滿煤油工作液?？梢杂密浀墓ぞ呒庸び岔g的工件，及超硬材料。由于加工中工具電極和工件不直接接觸，沒有機械加工的切削力，因此適宜加工低剛度工件及微細加工，目前已能加工出0．005 mm的短微細軸和0．008mm的淺微細孔，以及直徑小于1 mm的齒輪。1960年，美國休斯實驗室(Hughes Laboratories)的梅曼(H．Maiman)成功地制成了世界上第一臺激光器，人們對激光的想象也終于變成了現(xiàn)實。它是從“Light Amplification by Stimulated Emission Of Radiation‘’各詞取第一個字母縮寫而成的，直譯過來就是“受激輻射放大的光”。根據(jù)丹麥物理學家波爾(Bohr)的原子軌道論，核外電子只能沿若干可能的運行軌道之一繞核運轉。圖2—1簡單說明了原子受激躍遷的過程。原子受激產(chǎn)生能級躍遷示意圖受激輻射出的光子又會激發(fā)另外的原子產(chǎn)生受激輻射，如此循環(huán)下去，光便得到了放大。脈沖激光器產(chǎn)生的激光亮度比太陽表面亮度高1010倍。（３）單色性好：單色性是指激光譜線寬度的范圍。（２）激光加工分類根據(jù)激光束與材料相互作用的機理，大體可將激光加工分為激光熱加工和光化學反應加工兩類。１）固體激光器工作原理下圖是固體激光器工作原理圖當激光工作物質(zhì)釔鋁石榴石受到光泵(激勵脈沖氙燈)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(zhì)中的亞穩(wěn)態(tài)粒子數(shù)大于低能級粒子數(shù)，這種現(xiàn)象稱為粒子數(shù)反轉。在后者中有時還包括根據(jù)加工要求驅動工作臺的自動控制裝置。５）工作臺由人工控制或采用數(shù)控裝置控制，在三坐標方向移動，方便又準確地調(diào)整工件位置。應根據(jù)工件材料合理選用激光器。當焦點位置很低時，透過工件表面的光斑面積很大，不僅會產(chǎn)生很大的喇叭口，而且由于能量密度減小而影響加工深度。一般應使焦點恰恰在或者微低于工件表面為宜。４）輸出功率與照射時間的影響激光輸出功率大，照射時間長，工件所獲得的激光能量就大。5）照射次數(shù)的影響用激光照射一次，加工的深度大約是孔徑的五倍左右，且錐度較大。從圖中可知，照射20～30 次以后，孔的深度到達飽和值。大功率的C02氣體激光器輸出的連續(xù)激光廣泛用于切割鋼板、鈦板、石英和陶瓷，及用于切割塑料、木材、紙張和布匹等。在切割易燃材料時可噴吹氮氣等惰性氣體以防止燃燒。激光切割設備投資很高，主要用于12毫米以下各種厚度的不銹鋼、鈦和鈦合金、難熔金屬和貴重金屬的精密切割。它已獲得廣泛的應用，目前國內(nèi)外的線切割機床已占電加工機床的60％以上。2) 電極絲比較細，可以加工微細異型孔、窄縫和復雜形狀的工件。5)自動化程度高，操作方便，勞動強度低。3)加工三維直紋曲面的零件(需配有數(shù)控回轉工作臺)，如圖3．圖3．如圖3．圖3. 84)各種導電材料和半導體材料以及稀有、貴重金屬的切斷。1958年美國開始研制混合集成電路，即將微型電阻、電容、晶體二極管和晶體三極管等裝配到一個絕緣基片上，用基片上的金屬化線互連實現(xiàn)某種功能的電路組件。光刻蝕————就使用電磁波頻譜中的光束或電子、X射線和離子等射線，將光致抗蝕劑(光刻膠)形成規(guī)定圖形的微細加工方法。正性膠經(jīng)曝光后，被光照射過的部分難于被顯影液溶解，故顯影圖形中未被光照射過的部分形成窗口。 3)顯影與烘片顯影利用曝光區(qū)與未曝光區(qū)光刻膠溶解度不同，在特定溶劑中把曝光圖呈現(xiàn)出來的處理過程?？涛g方法分為 濕刻(或稱腐蝕)法(化學) 把硅片浸泡在一定的化學試劑或試劑溶液中，使沒有被抗蝕劑掩蔽的那一部分薄膜表面與試劑發(fā)生化學反應而被除去,是傳統(tǒng)的刻蝕方法。 5)剝膜與檢查 剝膜清除殘留腐蝕液后用剝膜液去除光刻膠的處理。由于電子束的能量密度高，作用時間短，所產(chǎn)生的熱量在未來得及傳導擴散前已使工件材料局部熔化、氣化，甚至蒸發(fā)。利用電子束熱效應進行電子束加工時，可通過調(diào)整功率密度實現(xiàn)不同的加工:1）在低功率密度電子束照射時，工件可達到材料熔化溫度，材料的氣化與蒸發(fā)很小，故用在電子束熔煉工藝中。電子束焊接的缺點是要求在真空中進行。低功率密度電子束照射的工件表面時，入射的電子與高分子材料分子碰撞，使它的分子鏈切斷或重新聚合，引起高分子材料的化學性質(zhì)和分子量的變化，這種現(xiàn)象稱為電子束的化學效應。它主要用于制作掩膜圖形，也可完成基片圖形的寫圖。選用合適的顯影液，利用不同分子量溶解速度不同的原理把寫出的圖象顯示出來，即完成掩膜或基片圖形的寫圖。如電子陰極投影系統(tǒng)，利用石英掩膜可以復印出基片或工作掩膜。如對0．1—1μm厚的薄板打孔只需30微秒至數(shù)秒即可完成，即使是5mm厚的板材也只需數(shù)十秒即可完成打孔。電子束曝光裝置通過電場或磁場能方便地完成電子束聚焦和移動電子束的照射點位置，它對控制信號的響應速度快，便于實現(xiàn)自動化控制，且生產(chǎn)率高。已用于金剛石刀具的最終刃磨，集成電路的寫圖、復印，離子注入與各種處理，離子濺射、離子銑等加工中。注：物體因平動而具有的動能是它質(zhì)量m和它的速度v的二次方的乘積的一半，即mv2/2。在引出電極8的作用下，將離子吸出，形成300條準直的離子束，再向下則均勻分布在直徑為50mm的圓面積上。它的物理基礎是離子束射到材料表面時所發(fā)生的撞擊效應、濺射效應和注入效應。目前用于改變零件尺寸和表面物理力學性能的離子束加工有：用于從工件上作去除加工的離子刻蝕加工；用于給工件表面添加的離子鍍膜加工；用于表面改性的離子注入加工另外還有離子束寫圖與圖形復印等。問: 為什么用氬氣？ 答: 因為氬氣原子序數(shù)高，而且價格便宜，所以通常用氬離子進行轟擊刻蝕?！? 加工非球面透鏡能達到其它方法不能達到的精度。利用低能量的入射離子附著在工件表面的微細加工方法稱為離子附著加工。這些返回工件的原子與鍍膜的膜材原子同時到達工件表面，形成了膜材原子和基材原子的共混膜層?！? 離子鍍裝飾膜還用于工藝美術品的首飾、金筆套、餐具等的修飾上，其膜厚僅1．5～2μm。由于離子能量相當大，離子就鉆進被加工材料的表面層，如下圖所示。②離子注入在半導體方面的應用在國內(nèi)外都很普遍。④離子注入在光學方面可以制造光波導例如對石英玻璃進行離子注入，可增加折射率而形成光波導。能夠描畫線寬小于0．1μm的精密微細圖形。2)離子束曝光的不足(與電子束比較)電子束曝光是一項成熟的技術，離子束曝光尚在研究之中，由離子源引出的離子束不易實現(xiàn)微細聚焦，目前還不可能像電子束那樣獲得數(shù)埃A(A,1018m)的束徑，離實用階段還有一定的距離.（5）離子束加工其他特點1)加工材料廣泛，加工精度和表面質(zhì)量高 可以實現(xiàn)韌性和脆性材料的高精度加工，(dμ)至1018m(nm)級，被加工面的表面粗糙度值小。 4)易于實現(xiàn)自動控制八、超聲波加工(P174)○什么叫超聲波?○人耳能感受的聲波頻率在16—16 000Hz