学士学位论文浅析我国机械制造技术的现状及发展方向 机械系.docx

1、学士学位论文浅析我国机械制造技术的现状及发展方向 机械系合 肥 通 用 职 业 技 术 学 院毕 业 设 计 论 文题 目： 浅 析 我 国 机 械 制 造 技 术 的 现 状 及 发 展 方 向 系 别： 机 械 工 程 系 专 业： 机 械 制 造 与 自 动 化 学 制： 三 年 指导教师评语及成绩：指导教师： 2014 年 月 日 摘要机械制造技术不仅是衡量一个国家科技发展水平的重要标志，也是国际间科技竞争的重点。本文对我国机械制造技术的现状及技术特点进行分析，并简述了21世纪机械制造技术的发展方向。 关键词 机械制造 技术特点 发展方向 目录摘要 I目录 II第1章 引 言 1第2章

2、 我国机械制造技术发展的现状分析 22.1管理方面 32.2设计方面 42.3制造工艺方面 42.4自动化技术方面 5第3章 机械制造技术的特点 73.1机械制造技术是一个系统工程 73.2机械制造技术是一个综合性技术 73.3机械制造技术是市场竞争要素的统一体 73.4机械制造技术是一个世界性技术 8第4章 我国机械制造技术的发展方向 94.1全球化 104.2虚拟化 104.3绿色化 114.3.1精密成形技术 114.3.2无切削液加工 124.3.3快速成形技术 12结论 14参考文献 15致谢 16第1章 引 言 机械制造工业为人类的生存、生产、生活提供各种设备，是国民经济中极其重要

3、的基础产业。所谓四个现代化，从某种意义上说，就是用现代化设备去装备工业、农业、国防和科学技术事业，使之达到先进的水平。制造业为人类创造着辉煌的物质文明。据统计，90年20个工业化国家制造业所创造的财富占国民生产总值（GDP）的比例平均为22.15%，制造业是一个国家的立国之本。制造技术支持着制造业的健康发展，先进的制造技术使一个国家的制造业乃至国民经济处于有竞争力的地位。忽视制造技术的发展，就会导致经济发展走入岐途。机械工业对提高人民生活质量，推动科学技术进步起着十分重要的作用。而机械工业的发展和进步，在很大程度上又取决于机械制造技术的发展。从历史上看，1769年瓦特发明了蒸汽机，但当时加工技

4、术十分落后，苦于加工不出高精度的汽缸而得不到推广应用。1775年，威尔逊成功地改造了一台汽缸镗床，解决了这一难题。就在第二年(1776年)蒸汽机便得到了实际应用，迎来了第一次产业革命，由此可见，机械制造技术的发展对人类科学技术的进步有何等重要的作用。 在科学技术高度发展的今天，依然是如此，现代工业对机械制造技术提出了越来越高的要求，如要求达到纳米级(106mm)的超精密加工，大规模集成电路硅片划片的超微细加工，重型设备超大型件的加工，难加工材料和具有特殊物理性能材料的加工等等，诸如此类，给现代机械制造技术提出了许多新的课题。同时，当产品的设计图样决定之后，要提高产品质量和劳动生产率，降低成本，

5、采用先进的制造技术是关键。因此，在未来的竞争中，谁掌握先进的制造技术，谁就拥有控制市场的主动权。另一方面，也正是由于科学技术的发展，又为机械制造技术的发展提供了工具和手段，特别是计算机技术的发展，促使常规技术与精密检测技术和数控技术、传感技术等相互结合，给机械制造领域带来许多新技术、新观念，使产品质量和生产效率大大提高。第2章 我国机械制造技术发展的现状分析机械制造技术是研究产品设计、生产、加工制造、销售使用、维修服务乃至回收再生的整个过程的工程学科，是以提高质量、效益、竞争力为目标，包含物质流、信息流和能量流的完整的系统工程。 20世纪70年代以前，产品的技术相对比较简单，一个新产品上市，很

6、快就会有相同功能的产品跟着上市。20世纪80年代以后，随着市场全球化的进一步发展，市场竞争变得越来越激烈。 20世纪90年代初，随着CIMS技术的大力推广应用，包括有CIMS实验工程中心和7个开放实验室的研究环境已建成。在全国范围内，部署了CIMS的若干研究项目，诸如CIMS软件工程与标准化、开放式系统结构与发展战略，CIMS总体与集成技术、产品设计自动化、工艺设计自动化、柔性制造技术、管理与决策信息系统、质量保证技术、网络与数据库技术以及系统理论和方法等均取得了丰硕成果，获得不同程度的进展。如成都飞机工业公司以国家CIMS实验工程为技术依托，和清华大学、南京航空航天大学、西北工业大学等单位合

7、作开发了计算机集成制造系统工程。在公司的计算机网络和分布式数据库支持下，由管理信息系统、质量信息系统、工程信息系统和车间自动化系统有机集成，形成了一个计算机辅助经营、设计、管理、制造的初步集成系统，以满足航空产品研制和多品种小批量生产的需要。原中国石油天然气总公司从1995 年起, 便在江汉钻头厂实施CIMS 工程，其中一期工程已于 1996 年完成，在2000 年完成了二期工程。两期工程实施以来该厂各年度净利润增长明显。但是大部分大型机械制造企业和绝大部分中小型机械制造企业主要限于CAD 和管理信息系统，因底层（车间层）基础自动化还十分薄弱，数控机床由于编程复杂，还没有真正发挥作用。加工中心

8、无论是数量还是利用率都很低。可编程控制器的使用并不普及，工业机器人的应用还很有限。因此，与工业发达国家相比，我国的制造业仍然存在一个阶段性的整体上的差距。主要表现在以下四个方面： 2.1管理方面工业发达国家广泛采用计算机管理，重视组织和管理体制、生产模式的更新发展，推出了准时生产(JIT)、敏捷制造(AM)、精益生产(LP)、并行工程(CE)等新的管理思想和技术。我国只有少数大型企业局部采用了计算机辅助管理，多数小型企业仍处于经验管理阶段。中国机械制造业之所以在投入结构上难以加大科技开发投入，直接根源是产业组织结构不合理，企业规模小，布局分散，大中小企业之间难以形成合理的专业化分工协作体系；深

9、层原因是体制约束，条块分割导致的地区雷同与“分散化”倾向，有悖于世界机械制造业日益资本密集化、生产全球化、机电一体化、市场集中化的发展趋势。机械制造业是竞争性产业，整体产业集中度要求较高。国外大型企业一般在行业中占主导地位，并形成层次分明的专业化分工协作体系，在大企业周围，形成数量众多的专门化的中小企业。企业尤其是大型企业投巨资进行科技开发。中国机械制造业在改革以来出现了分散化趋势，甚至出现小企业排挤大企业的现象。受管理体制、投资体制、采购体制的影响，中国没有形成具有国际竞争力的大型企业或企业集团，企业“大而全、小而全”的状况依然严重，中小企业与大型企业进行专业化协作的产业组织结构还没有形成。

10、目前还有相当数量的企业仍以“全能式”结构为主，除汽车、拖拉机、内燃机少数大批量生产企业外协率达到50%左右外，其他企业多数低于30%。中国机械制造业的技术进步速度与对产值增长的贡献率，总体上略高于全国的技术进步速度及其对GDP 增长的贡献率。但是，与发达国家相比，中国机械制造业技术进步速度与贡献率偏低。1998 年，中国机械制造业技术进步对产值增长速度的贡献率只有34%，西方国家一般都在60以上；新产品产值率不到30%，西方国家在50%以上；机床产值数控化率，中国只有25%左右，日本已达70%；中国机械制造业技术开发经费占销售收入的比重为1.78%，技术开发人员占职工比重，也明显低于发达国家。

11、机械制造业整体设计和制造技术落后，产品多为中低档次。差距还是非常大的。机械制造业人均生产率只有美国的3%，增加值率为发达国家的60%左右，整体效率指数约为23.5%。从结构指数衡量，中国机械制造业的设备更新度约为发达国家的60%，先进机械产品的贸易竞争指数由-10%降到-25%，费用和技术贡献率仅为发达国家的50%60%，产业组织结构指数更低一些，协作水平大约为日本的25%。机械制造业由于生产厂点多、批量小，耗能耗材多，污染量大。机械制造业污染物排放量占到全国工业的1/6。近年来环保水平有所提高，但也只是部分具有一定规模的企业能达到机械制造业生产的逐步清洁化、绿色化，与发达国家相比差距很大，若

12、能达到发达国家的50%60%左右的水平就是一个相当理想的水平。 2.2设计方面工业发达国家不断更新设计数据和准则，采用新的设计方法，广泛采用计算机辅助设计技术(CADCAM)，大型企业开始无图纸的设计和生产。我国采用CADCAM技术的比例较低。中国机械制造业的快速发展，主要依靠技术引进和赶超型发展战略，加之中国劳动力丰富而资金相对短缺，致使机械制造业的科技开发明显滞后。虽然中国机械制造业的产品数量已经位居世界前列，但主要是劳动密集型产品，具有自主知识产权的高、精、尖产品比较少。2000 年，中国汽车生产超过200 万辆，但是关键技术都来源于国外大型汽车公司，很多关键部件国内尚不能生产，需要依靠

13、进口。我国械制造业产品的质量虽然有了很大程度的提高，但大量的机电产品的质量可靠性、外观设计、内在性能还有很大差距。比如数控机床和精密机床的可靠性差、质量问题严重，轴承、液压件、密封件等基础件产品水平低、品种少、满足度低、质量不稳定。工程机械目前只能生产中小型产品，大型工程机械、大型火电设备的技术能力十分薄弱。 2.3制造工艺方面机械制造业作为一般竞争性行业，其竞争状况与效益状况直接受生产投入结构的影响。企业之间的竞争，实际上是科学技术实力和创新能力的竞争，而科技实力和技术创新能力在很大程度上取决于科研与开发的投入。发达国家为了保持机械制造业的市场竞争力，加大了科技投入的力度。一些大企业的科技开

14、发费用占到其销售额的4%8%，甚至10%以上。这种高投入，使其本来就远远领先的科技优势进一步扩大，使企业从完全竞争的局面转变为“ 垄断竞争”，在许多关键领域占据了战略性优势地位。日本、美国、德国、法国机械制造业企业的人均研究开发经费，分别为21.54 万美元/年、15.76 万美元/年、19.99 万美元/年、25.94 万美元/年，是中国企业的几十倍。与科技开发相类似，国外机械制造业企业非常重视设备更新。美国制造业企业设备的平均役龄逐步缩短，由1975 年的6.98 年，下降到1990 年的6.70 年，其中电制造机械和精密机械的设备役龄分别为5.5 年和4.9 年。中国机电行业的设备更新比

15、较缓慢，而且呈现下降趋势。1994 年与1985 年相比，机械行业的设备更新度系数下降了5.73 个百分点，1995 年与1990 年相比下降了2.4 个百分点。设备更新度系数偏低成为机械制造业各行业普遍存在的问题。企业科研人员占职工的比重，可以反映出企业的人力资本状况与发展潜力。国外大型机械制造业企业研究开发人员占职工人数的比重为5%10%，中国仅为1% 。正是科技投入、人员素质、设备投入等方面的巨大差距，使中国机械制造业企业的设计与生产方法落后，自主开发能力差，产品开发周期长，更新慢，新产品产值率低，产品质量难以得到保证。工业发达国家较广泛的采用高精密加工、精细加工、微细加工、微型机械和微

16、米纳米技术、激光加工技术、电磁加工技术、超塑加工技术以及复合加工技术等新型加工方法。我国普及率不高，尚在开发、掌握之中。 2.4自动化技术方面自动化的研究主要表现在制造系统中的集成技术和系统技术、人机一体化制造系统、制造单元技术、制造过程的计划和调度、柔性制造技术和适应现化生产模式的制造环境等方面。如采用自动送料装置的冷冲压模具，加工精度和生产效率均较高，而且长期效益明显。工业发达国家普遍采用数控机床、加工中心及柔性制造单元(FMC)、柔性制造系统(FMS)、计算机集成制造系统(CIMS)，实现了柔性自动化、知识智能化、集成化。我国尚处在单机自动化、刚性自动化阶段，柔件制造单元和系统仅在少数企

17、业使用。 从总体上看，我国机械工业技术开发能力和技术基础薄弱，发展后劲不足，技术来源主要依靠引进国外技术，对国外技术的依存度较高，对引进技术的消化吸收仍停留在掌握已有技术和提高国产化率上，没有上升到形成产品自主开发能力和技术创新能力的高度。目前，我国已加入WTO，机械制造业面临着巨大的挑战与新的机遇。因此，我国机械制造业不能单纯的沿着20世纪凸轮及其机构为基础采用专用机床、专用夹具、专用刀具组成的流水式生产线刚性自动化发展。而是要全面拓展，面向五化发展，即全球化、网络化、虚拟化、自动化、绿色化。第3章 机械制造技术的特点机械制造自动化技术始终是机械制造中最活跃的一个研究领域。也是制造企业提高生

18、产率和赢得市场竞争的主要手段。机械制造自动化技术自本世纪20年代出现以来，经历了三个阶段，即刚性自动化、柔性自动化和综合自动化。综合自动化常常与计算机辅助制造、计算集成制造等概念相联系，它是制造技术、控制技术、现代管理技术和信息技术的综合，旨在全面提高制造企业的劳动生产率和对市场的响应速度。做好基础自动化的工作仍是我国制造企业一项十分紧迫而艰巨的任务。但加工中心无论是数量还是利用率都很低。可编程控制器的使用并不普及，工业机器人的应用还很有限。因此，我们要立足于我国的实际情况，在看到国际上制造业发展趋势的同时扎扎实实地做好基础工作。 3.1机械制造技术是一个系统工程 先进制造技术特别强调计算机技

19、术、信息技术、传感技术、自动化技术、新材料技术和现代系统管理技术在产品设计、制造和生产组织管理、销售及售后服务等方面的应用。它要不断吸收各种高新技术成果与传统制造技术相结合，使制造技术成为能驾驭生产过程的物质流、能量流和信息流的系统工程。 3.2机械制造技术是一个综合性技术先进制造技术应用的目标是为了提高企业竞争和促进国家经济和综合实力的增长。因此，它并不限于制造过程本身，它涉及产品从市场调研、产品开发及工艺设计、生产准备、加工制造、售后服务等产品寿命周期的所有内容，并将它们结合成一个有机的整体。以便提高制造业的综合经济效益和社会效益。 3.3机械制造技术是市场竞争要素的统一体在20世纪70年

20、代以前，产品的技术相对比较简单，一个新产品上市，很快就会有相同功能的产品跟着上市。因此，市场竞争的核心是如何提高生产率。到了20世纪80年代以后，制造业要赢得市场竞争的主要矛盾已经从提高劳动生产率转变为以时间为核心的时间、成本和质量的三要素的矛盾。先进制造技术把这三个矛盾有机结合起来，使三者达到了统一。 3.4机械制造技术是一个世界性技术 20世纪80年代以来，随着全球市场的形成，发达国家通过金融、经济、科技手段争夺市场，倾销产品，输出资本，使得市场竞争变得越来越激烈，为适应这种激烈的市场竞争，一个国家的先进制造技术应具有世界先进水平，应能支持该国制造业在全球市场的竞争力。同时，机械制造技术是

21、面向21世纪的技术，应与现代高新技术相结合，应是有明确范畴的新的技术领域。计算机技术、传感技术、自动化技术、新材料技术以及管理技术等诸技术的引入与传统制造技术相结合, 甚至融为一体, 使制造技术成为能驾驭生产过程的物质流、信息流和能量流的系统工程。制造技术从单纯技术角度逐步发展成与生产经验管理的密切结合, 成为一种生产、技术系统, 是先进制造技术系统的系统特性。生产规模的扩大以及最佳技术经济效果的追求, 使现代制造技术比传统制造技术更加重视工程技术与经营管理的结合, 更加重视制造过程组织和管理体制的简化及合理化, 产生一系列技术与管理结合的新的生产方式。传统制造技术一般单指加工制造过程的工艺方

22、法, 而现代制造技术则贯穿了从产品设计、加工制造到产品销售及使用维护等全过程, 成为“ 市场- 产品设计- 制造- 市场”的大系统。其中柔性制造系统( FMS) 对技术与管理的融合具有典型性。FMS 从工艺过程的编制、材料( 或毛坯) 消耗、生产计划控制到设备、工量具准备与维护、生产统计、质量检测等, 使生产过程成为一个整体。随着市场竞争的加剧, 从生产经营的角度, 从企业内部的组成技术( GT) 、准时制( JIT) 、制造资源计划( MRPII) 、并行工程( CE) 、灵捷制造( AE) 、精益生产( LP) 发展到企业外部的虚拟企业、分散网络生产系统等, 并于切削机床为中心的制造技术相

23、适应, 实现优质、高效、低耗、清洁、灵活生产, 并取得理想的技术经济效果。第4章 我国机械制造技术的发展方向先进制造技术是制造技术的最新发展阶段，是由传统的制造技术发展起来的，既保持了过去制造技术中的有效要素，又要不断吸收各种高新技术成果，并渗透到产品生产的所有领域及其全部过程。 20世纪80年代，随着扫描显微镜的发明和使用，人类认识世界和改造世界的能力进入纳米尺度，纳米技术是指实现纳米级精度，是一种在纳米尺度上研究原子和分子结构，物质特性及相互作用与运动，并运用这种技术为人类服务的高新技术，纳米技术对制造业产生了很大的影响，其应用范围将非常广泛，包括纳米材料技术、纳米加工技术、纳米装配技术和

24、纳米测量技术等。 超精密加工的加工精度在2000年已达到纳米级，在21世纪初开发的分子束生长技术、离子注入技术和材料合成、扫描隧道工程（STE）可使加工精度达到0.00030.0001m，现在精密工程正向其终极目标原子级精度的加工逼近，也就是说，可以做到移动原子级别的加工。 现代机械制造技术的发展主要表现在两个方向上：一是精密工程技术，以超精密加工的前沿部分、微细加工、纳米技术为代表，将进入微型机械电子技术和微型机器人的时代；二是机械制造的高度自动化，以CIMS和敏捷制造等的进一步发展为代表。 超精密加工的加工精度在2000 年已达到0.0001 m (1 nm) , 在21 世纪初开发的分子

25、束生长技术、离子注入技术和材料合成、扫描隧道工程（STE）可使加工精度达到0.00030.0001 m （013011 nm），现在精密工程正向其终极目标原子级精度的加工逼近，也就是说，可以做到移动原子级别的加工。加工设备正向着高精、高速、多能、复合、控制智能化、安全环保等方向发展，在结构布局上也已突破了传统机床原有的格式。日本Mazak 公司在产品综合样本中展示出一种未来机床，该机床在外形上犹如太空飞行器，加工过程中噪音、油污、粉尘等将不再给环境带来危害。随着技术、经济、信息、营销的全球化，我国加入WTO，纵观21 世纪的制造业的发展趋势，可用三化来概括，即全球化、虚拟化和绿色化。这也是我国

26、石油装备制造业未来发展的方向。4.1全球化制造的全球化,可以说是21 世纪机械制造业自动化最重要的发展趋势。近年来，在各种工业领域中，国际化经营不仅成为大公司而且已是中小规模企业取得成功的重要因素。这一方面，由于国际和国内市场上的竞争越来越激烈，例如在机械制造业中，国内外已有不少企业，甚至是知名度很高的企业，在这种无情的竞争中纷纷落败，有的倒闭，有的被兼并。不少暂时还在国内市场上占有份额的企业，不得不扩展新的市场。另一方面，由于网络通讯技术的快速发展，提供了技术信息交流、产品开发和经营管理的国际化手段，推动了企业向着既竞争又合作的方向发展。这种发展进一步激化了国际间市场的竞争。这两个原因的相互

27、作用，已成为全球化制造业发展的动力。全球化制造的第一个技术基础是网络化、标准化和集成化。由于网络通讯技术的迅速发展和普及，正在给企业的生产和经营活动带来了革命性的变革。产品设计、物料选择、零件制造、市场开拓与产品销售都可以异地或跨越国界进行，实现制造的全球化。第二个技术基础是集成化与标准化。异地制造实际上是实现产品信息集成、功能集成、过程集成和企业集成。实现集成的基础与关键是标准化，可以说没有标准化就没有全球化。4.2虚拟化“虚拟制造”的概念于20世纪90年代初期提出。虚拟制造以系统建模和计算机仿真技术为基础，集现代制造工艺、计算机图形学、信息技术、并行工程、人工智能、多媒体技术等高新技术为一

28、体，是一项由多学科知识形成的综合系统技术。虚拟制造利用信息技术、仿真计算机技术对现实制造活动中的人、物、信息及制造过程进行全面的仿真，以发现制造中可能出现的问题，在产品实际生产前就采取预防的措施，从而达到产品一次性制造成功，来达到降低成本、缩短产品开发周期，增强产品竞争力的目的。虚拟化是指设计过程中的拟实技术和制造过程中的虚拟技术。虚拟化可以大大加快产品的开发速度和减少开发的风险。产品设计中的拟实技术指面向产品的结构和性能分析技术，以优化产品本身性能和成本为目标，包括产品的运动仿真和干涉检验、动力学分析、造型设计、人机工程学分析、强度和刚度有限元计算等。制造过程中的虚拟技术指面向产品生产过程的

29、模拟和检验，检验产品的可加工性、加工方法和工艺的合理性，以优化产品的制造工艺、保证产品质量、生产周期和最低成本为目标，进行生产过程计划、组织管理、车间调度、供应链及物流设计的建模和仿真。虚拟化的核心是计算机仿真。通过仿真软件来模拟真实系统，以保证产品设计和产品工艺的合理性，保证产品制造的成功和生产周期，发现设计、生产中不可避免的缺陷和错误。虚拟化软件有可能形成21 世纪大的软件产业。4.3绿色化已经颁布实施的ISO9000 系列国际质量标准和ISO14000 国际环保标准为制造业提出了一个新的课题，就是快速实现制造的绿色化。绿色制造则通过绿色生产过程（绿色设计、绿色材料、绿色设备、绿色工艺、绿

30、色包装、绿色管理）生产出绿色产品，产品使用完以后再通过绿色处理后加以回收利用。采用绿色制造能最大限度地减少制造对环境的负面影响, 同时原材料和能源的利用效率能达到最高。如何最有效地利用资源和最低限度的产生环境污染, 是摆在制造企业面前的一个重大课题。绿色制造实质上是人类社会可持续发展战略在现代制造业的体现，也是未来制造业自动化系统必须考虑的重要问题。目前绿色制造技术有以下几个方面：4.3.1精密成形技术精密成形技术是指零件成形后，仅需少量加工或不再加工（近净成形技术，near net shape technique；或净成形技术，net shape technique），就可用作机械构件的成形

31、技术。它 是建立在新材料、新能源、信息技术、自动化技术等多学科高新技术成果的基础上，改造了 传统的毛坯成形技术，使之由粗糙成形变为优质、高效、高精度、轻量化、低成本、无公害 的成形。它使得成形的机械构件具有精确的外形、高的尺寸精度和形位精度、好的表面粗糙 度。该项技术包括近净形铸造成形、精确塑性成形、精确连接、精密热处理、表面改性等专 业领域，是新工艺、新材料、新装备以及各项新技术成果的综合集成技术。成形制造技术包括铸造、焊接、塑性加工等。精密成形技术包括：精密铸造（湿膜精密成形铸造、刚型精密成形铸造、高精度造芯）、精密锻压（冷湿精密成形、精密冲裁）、精密热塑性成形、精密焊接与切割等。精密成形

32、技术具有以下特点：近净成形体尺寸及形位精度高，为后续采用高效、高精加工 提供了理想的毛坯；高效、低消耗、低成本，为缩短产品开发周期、降低产品成本提供了 有利条件；可方便、快捷地做出过去很难做出的结构件，为新产品开发提供有力技术支撑 ；较传统成形产品改善生产条件、减少对环境污染，成为一种清洁生产技术，为可持续发 展创造有利条件。 4.3.2无切削液加工绿色制造工艺技术是以传统的工艺技术为基础，并结合材料科学、表面技术、控制技术等新技术的先进制造工艺技术。其目的是合理利用资源及原材料、降低零件制造成本，最大限度地减少对环境的污染程度。环境、资源、人口是当今社会面临的3大主要问题。依靠科技进步，实现节资增效，减少废物排放，在制造业实施绿色制造已势在必行，绿色制造技术也是国家“十一五”科学技术发展规划中制造业领域的重大项目。