论文部分内容阅读
摘要：随着科学技术的发展需求，在各种极限环境下制造极端尺寸或极端功能的器件，成为当今制造技术新的前沿。本文给出了极限制造的基本概念与内涵，分析探讨了极限制造技术的现状、发展趋势和国家发展的需要。
关键词：极限制造 极度功能 极限环境
引言
随着科学技术的不断发展，极限制造的概念已不再局限于超精密、超高速制造技术了，现在的极限制造，又称为极端制造，指在极限环境下进行制造，或制造极限尺度、极高功能的器件的功能系统。
在各种极限环境下进行制造的需求将随着科学技术的发展而越来越多，它集中表现在以下几个方面。
1. 微制造
微制造指极小尺度制造。如微型机电系统[1]、微纳器件、原子器件、量子器件等。从尺度上看，极小。
美国1991年在其“国家关键技术”报告中向政府提出：在制造设备方面领先的国家有可能主宰半导体器件的世界市场，建议将“微米级和纳米级制造”列为国家关键技术[2]。2004年美国联邦政府投入8.5亿美元，和州政府等一起共超过21亿美元。现在纳米线宽的集成电路、微米尺度制造精度达10～2μm量级，纳米尺度制造精度达0.1nm量级。
我国在微制造方面还没有自主的核心技术，依靠引进技术与装备形成的制造能力总比国际先进水平落后1～2代。我国现在已能制造中大规模的集成电路，但设备依靠进口。在精密和超精密机床方面我国已能生产超精密机床，如金刚石刀具超精密切削车床和铣床等，但精度和精度保持性上还有差距。近年来出现的微型精密机床我国正在起步，如已能生产的微小型砂轮磨床，其金刚石砂轮直径为200μm，转速为60000r/min，外形尺寸为210×220×230mm，可满足高精度的小孔、槽和台阶面等加工。
2. 巨系统制造
巨系统制造指极大尺度制造。如航天飞行器、超大功率能源动力装备、超大型冶金石油化工装备、超大型机床等的制造。
国外已能制造尺寸可达数千米长的装备。
数百米长的舰艇、欧洲空中客车公司已制造出可乘坐五百多人的客机[3]，并已投入运营，而能乘坐一百多人的客机我国尚在研制中。
在超大型金属构件锻造能力方面，二次大战结束后美国建造两台4.5万吨水压机，俄国建造两台7.5万吨水压机，法国建造一台6.5万吨水压机[4]。水压机的吨位标志了一个国家的大型金属构件的锻造能力。
而我国现有水压机尚处于1～2万吨，远远落后于国外。水压机可以用于加工飞机机身的大型结構件，从而使飞机的结构强度更高，同时可制造火箭整体直径达10m的燃料箱，使火箭的推力更大而不必采取多火箭捆绑的形式。我国现在火箭燃料箱直径可达到5m多.。
在机床方面，国外可制造加工36m长工件的车床，加工工件直径为20m的立式车床，可测量面积为20m×10m的龙门式三坐测量机等，但我国在超大型机床装备的生产上有赖于和国外合作，才能生产加工工件长度超过10m、直径超过2.3m的数控外圆磨床。
因此，大型的水压机或油压机、大型的加热炉等热处理设备，这些超大型制造设备的研发，是大型装备关键零件的制造技术基础，是巨系统制造的发展趋势。我国应加强超大型金属构件的研制。
3. 极度功能制造
极度功能制造指极高功能制造和极多功能制造。极高功能制造，如当前钢件熔炼轧制连续机，可从钢铁冶炼开始连续轧制成钢板；极多功能制造如具有铣、镗、磨功能的五轴六面体数控加工中心等多种加工功能集于一身。
国外超音速飞机的飞行速度已达12马赫；在高速列车行驶速度上，采用磁悬浮技术，已达到了350～500km/h；制造过程运动速度已达到105r/min和102m/s以上量级[4]，高速切削速度已达到45000m/min，高速磨削已达到500m/s，甚至更高。这些都体现了极高功能的发展和应用。我国在这些方面的技术很大程度上还要依靠国外，水平有较大差距。如高速切削受设备和刀具材料的限制比较大；大型硅片的超精密加工是一个难题；国外已经生产精密双面化学机械抛光机床；聚晶金刚石是一种用途极广的大型超硬材料，我国虽能制造，但水平还是有较大差距。
极多功能制造的发展，例如我国已应用的从钢铁冶炼开始直至轧出钢板的大型熔炼轧制连续机，既体现了功能的多，也反映出设备的大，但目前我国还不能独立制造。为了节约能源，国外已能生产大型电动机和水轮发电机的联合机，用于水位落差的水库发电。这些都是极多功能制造技术的应用。
4. 极端环境下制造
极端环境下制造，指特殊环境制造技术。如强场（磁场、辐射场等）、失重、高温、高压、低温、真空、水下和特种气氛等环境下的制造等等。
如人造卫星，需要在真空环境下模拟试验，必须要有大型真空室，才能模拟太空中的飞行试验。
在航天工业中，所制造的陀螺仪是要在失重情况下工作，因此，装配后的平衡调整就必须在失重环境下进行。
金刚石是当前世界上最坚硬的材料，在工业上的应用越来越广泛，人造金刚石需在高温高压下制造。目前人造金刚石颗粒还不够大，制造技术还需加强。
随着海洋工业的发展，水下作业的工种、水深和范围也越来越广，需要进行更深层次的水下焊接、装配等工作。比如水下焊接机器人技术，我国比较有优势。
要模拟宇宙飞船等在太空飞行的状况，需要在真空环境下进行试验，因此需要特大的真空空间室；而离子束、电子束加工是需要在真空环境下加工，随着加工器件尺寸的增大，也需要大的真空空间。
有些材料的加工在常温下进行很难，需要在低温环境下才具有较好的工艺性能；放射性材料需要在屏蔽放射性的环境下进行自动化加工；有些材料需要在某种保护气氛下加工，以防止其表面被氧化等问题。
这些极端环境下的制造技术，都需要更进一步发展。
5. 超硬材料切削加工技术
超硬材料切削加工是指被加工材料硬度值非常高，通常可用如金刚石、立方氮化硼和陶瓷等超硬材料刀具进行切削，也可用超硬磨料砂轮进行磨削。
例如，采用化学气相沉积（HFCVD）法可在各种复杂形状刀具上沉积金刚石薄膜；在金刚石薄膜沉积过程中通入氩气可有效减小金刚石颗粒的尺寸，实现纳米金刚石薄膜沉积，并在切削时有效提高工件的表面质量和减小切削力；在金刚石涂层薄膜中掺入硼和硅可有效提高金刚石涂层的附着力，因此进一步提高金刚石涂层刀具的切削性能[5]。另一方面，也可采用电火花加工、电化学加工等特种加工的原理和方法进行加工。
由于过去多是采用热处理的方法来提高零件表面的硬度，致使零件产生变形，后续工序大多采用砂轮磨削办法来保证零件的质量要求，加工成本高，加工效率低。现在采用超硬材料刀具在材料热处理后进行切削的方法，具有工艺过程简单，易于保证加工质量、加工效率高，环境保护好等特点，具有广泛的应用前景，但其关键是要有超硬材料的刀具，是值得注意的发展方向。
6. 结束语
在传统的制造技术不断发展的同时，我们应该同时重视极限制造技术的研发与应用。极限制造技术水平已经成为衡量一个国家科技水平的重要标志之一，是国力与国防力量的体现。有了国力和国防，才有国际地位，使我国在世界上不仅有“制造大国”的称号，更要成为一个制造强国。
参考文献
【1】卢小平 现代制造技术 【M】北京：清华大学出版社，2003：49
【2】张保明“国家关键技术”的选择（美国篇） 【J】国外科技动态，2001（5）
【3】空中客车A380简介 百度文库
【4】钟掘 极端制造——制造创新的前沿与基础【J】中国科学基金，2004（6）：330-331
【5】余捷 汪艺 明天的制造技术【J】制造技术与机床，2012（11）：14
关键词：极限制造 极度功能 极限环境
引言
随着科学技术的不断发展，极限制造的概念已不再局限于超精密、超高速制造技术了，现在的极限制造，又称为极端制造，指在极限环境下进行制造，或制造极限尺度、极高功能的器件的功能系统。
在各种极限环境下进行制造的需求将随着科学技术的发展而越来越多，它集中表现在以下几个方面。
1. 微制造
微制造指极小尺度制造。如微型机电系统[1]、微纳器件、原子器件、量子器件等。从尺度上看，极小。
美国1991年在其“国家关键技术”报告中向政府提出：在制造设备方面领先的国家有可能主宰半导体器件的世界市场，建议将“微米级和纳米级制造”列为国家关键技术[2]。2004年美国联邦政府投入8.5亿美元，和州政府等一起共超过21亿美元。现在纳米线宽的集成电路、微米尺度制造精度达10～2μm量级，纳米尺度制造精度达0.1nm量级。
我国在微制造方面还没有自主的核心技术，依靠引进技术与装备形成的制造能力总比国际先进水平落后1～2代。我国现在已能制造中大规模的集成电路，但设备依靠进口。在精密和超精密机床方面我国已能生产超精密机床，如金刚石刀具超精密切削车床和铣床等，但精度和精度保持性上还有差距。近年来出现的微型精密机床我国正在起步，如已能生产的微小型砂轮磨床，其金刚石砂轮直径为200μm，转速为60000r/min，外形尺寸为210×220×230mm，可满足高精度的小孔、槽和台阶面等加工。
2. 巨系统制造
巨系统制造指极大尺度制造。如航天飞行器、超大功率能源动力装备、超大型冶金石油化工装备、超大型机床等的制造。
国外已能制造尺寸可达数千米长的装备。
数百米长的舰艇、欧洲空中客车公司已制造出可乘坐五百多人的客机[3]，并已投入运营，而能乘坐一百多人的客机我国尚在研制中。
在超大型金属构件锻造能力方面，二次大战结束后美国建造两台4.5万吨水压机，俄国建造两台7.5万吨水压机，法国建造一台6.5万吨水压机[4]。水压机的吨位标志了一个国家的大型金属构件的锻造能力。
而我国现有水压机尚处于1～2万吨，远远落后于国外。水压机可以用于加工飞机机身的大型结構件，从而使飞机的结构强度更高，同时可制造火箭整体直径达10m的燃料箱，使火箭的推力更大而不必采取多火箭捆绑的形式。我国现在火箭燃料箱直径可达到5m多.。
在机床方面，国外可制造加工36m长工件的车床，加工工件直径为20m的立式车床，可测量面积为20m×10m的龙门式三坐测量机等，但我国在超大型机床装备的生产上有赖于和国外合作，才能生产加工工件长度超过10m、直径超过2.3m的数控外圆磨床。
因此，大型的水压机或油压机、大型的加热炉等热处理设备，这些超大型制造设备的研发，是大型装备关键零件的制造技术基础，是巨系统制造的发展趋势。我国应加强超大型金属构件的研制。
3. 极度功能制造
极度功能制造指极高功能制造和极多功能制造。极高功能制造，如当前钢件熔炼轧制连续机，可从钢铁冶炼开始连续轧制成钢板；极多功能制造如具有铣、镗、磨功能的五轴六面体数控加工中心等多种加工功能集于一身。
国外超音速飞机的飞行速度已达12马赫；在高速列车行驶速度上，采用磁悬浮技术，已达到了350～500km/h；制造过程运动速度已达到105r/min和102m/s以上量级[4]，高速切削速度已达到45000m/min，高速磨削已达到500m/s，甚至更高。这些都体现了极高功能的发展和应用。我国在这些方面的技术很大程度上还要依靠国外，水平有较大差距。如高速切削受设备和刀具材料的限制比较大；大型硅片的超精密加工是一个难题；国外已经生产精密双面化学机械抛光机床；聚晶金刚石是一种用途极广的大型超硬材料，我国虽能制造，但水平还是有较大差距。
极多功能制造的发展，例如我国已应用的从钢铁冶炼开始直至轧出钢板的大型熔炼轧制连续机，既体现了功能的多，也反映出设备的大，但目前我国还不能独立制造。为了节约能源，国外已能生产大型电动机和水轮发电机的联合机，用于水位落差的水库发电。这些都是极多功能制造技术的应用。
4. 极端环境下制造
极端环境下制造，指特殊环境制造技术。如强场（磁场、辐射场等）、失重、高温、高压、低温、真空、水下和特种气氛等环境下的制造等等。
如人造卫星，需要在真空环境下模拟试验，必须要有大型真空室，才能模拟太空中的飞行试验。
在航天工业中，所制造的陀螺仪是要在失重情况下工作，因此，装配后的平衡调整就必须在失重环境下进行。
金刚石是当前世界上最坚硬的材料，在工业上的应用越来越广泛，人造金刚石需在高温高压下制造。目前人造金刚石颗粒还不够大，制造技术还需加强。
随着海洋工业的发展，水下作业的工种、水深和范围也越来越广，需要进行更深层次的水下焊接、装配等工作。比如水下焊接机器人技术，我国比较有优势。
要模拟宇宙飞船等在太空飞行的状况，需要在真空环境下进行试验，因此需要特大的真空空间室；而离子束、电子束加工是需要在真空环境下加工，随着加工器件尺寸的增大，也需要大的真空空间。
有些材料的加工在常温下进行很难，需要在低温环境下才具有较好的工艺性能；放射性材料需要在屏蔽放射性的环境下进行自动化加工；有些材料需要在某种保护气氛下加工，以防止其表面被氧化等问题。
这些极端环境下的制造技术，都需要更进一步发展。
5. 超硬材料切削加工技术
超硬材料切削加工是指被加工材料硬度值非常高，通常可用如金刚石、立方氮化硼和陶瓷等超硬材料刀具进行切削，也可用超硬磨料砂轮进行磨削。
例如，采用化学气相沉积（HFCVD）法可在各种复杂形状刀具上沉积金刚石薄膜；在金刚石薄膜沉积过程中通入氩气可有效减小金刚石颗粒的尺寸，实现纳米金刚石薄膜沉积，并在切削时有效提高工件的表面质量和减小切削力；在金刚石涂层薄膜中掺入硼和硅可有效提高金刚石涂层的附着力，因此进一步提高金刚石涂层刀具的切削性能[5]。另一方面，也可采用电火花加工、电化学加工等特种加工的原理和方法进行加工。
由于过去多是采用热处理的方法来提高零件表面的硬度，致使零件产生变形，后续工序大多采用砂轮磨削办法来保证零件的质量要求，加工成本高，加工效率低。现在采用超硬材料刀具在材料热处理后进行切削的方法，具有工艺过程简单，易于保证加工质量、加工效率高，环境保护好等特点，具有广泛的应用前景，但其关键是要有超硬材料的刀具，是值得注意的发展方向。
6. 结束语
在传统的制造技术不断发展的同时，我们应该同时重视极限制造技术的研发与应用。极限制造技术水平已经成为衡量一个国家科技水平的重要标志之一，是国力与国防力量的体现。有了国力和国防，才有国际地位，使我国在世界上不仅有“制造大国”的称号，更要成为一个制造强国。
参考文献
【1】卢小平 现代制造技术 【M】北京：清华大学出版社，2003：49
【2】张保明“国家关键技术”的选择（美国篇） 【J】国外科技动态，2001（5）
【3】空中客车A380简介 百度文库
【4】钟掘 极端制造——制造创新的前沿与基础【J】中国科学基金，2004（6）：330-331
【5】余捷 汪艺 明天的制造技术【J】制造技术与机床，2012（11）：14