□本刊记者 梁玉 汪艺 余捷 □撰文 余捷 汪艺
为了在新的经济形势下进一步促进中国现代制造技术的发展,加强中德两国在制造科技领域的学术交流,第三届中德先进制造技术研讨会(以下简称CDFK2012)于2012年10月16-17日在上海同济大学召开。作为德国斯图加特制造技术研讨会(FTK)的姊妹会议,本届研讨会再次邀请到了来自德国的众多知名专家和学者,在两天的会议中围绕“明天的制造技术”这一主题与中方诸多专家、学者、企业代表进行了深入友好的交流。作为会议论文集的编著单位,我刊记者全程记录了这次中德先进制造技术领域的学术交流盛事。
开幕式由CDFK中方大会主席、同济大学现代制造技术研究所名誉所长张曙教授主持,中国工程院院士蔡鹤皋教授、同济大学机械与能源工程学院院长杨志刚教授、北京航空航天大学机械工程学院刘强教授在致辞中表示,希望此次会议能够助力增强中国企业的产品开发能力,给力中国制造业的转型升级,推广先进制造技术在企业中的深入应用,促使中国制造迈向中国创造。他们认为,大力发展先进制造技术、不断提高自主创新能力是我国现代制造业与国际接轨的必然选择和唯一选择,而CDFK2012正是提供了这么一个良好的交流平台,两国专家可以相互切磋、相互交流对明天制造技术领域的构思、探索和实践,一定会成为推动我国制造业发展的强大动力。CDFK德方大会主席斯图加特大学机床控制研究所所长Heisel教授在致辞中表示,他非常欣喜地看到中国工业的迅猛发展并从2010年开始就超过日本、德国成为世界机床生产第一大国,他向与会嘉宾介绍了CDFK研讨会的合作、发展历程,并为此次会议能吸引到如此众多的中国同仁以及德国同仁感到由衷的喜悦。
制造业在中国工业化的进程中扮演了重要角色,未来10~20年,制造业的发展和提升仍将是中国国民经济的重要推动力。为了改变中国制造业“大而不强”的局面,加快发展先进制造技术将促进中国制造业从“中国制造”向“中国创造”的转变,中国机械工程学会组织编写了《中国机械工程技术路线图》(以下简称《路线图》)一书,朱森第教授以《路线图》为基础,分别从先进制造技术、产品设计技术、成形制造技术、智能制造技术、精密与超精密制造技术、微纳制造技术、仿生制造技术、再制造技术等方面为与会者全面、详细地剖析了中国未来制造技术的发展方向。归纳出了影响我国制造业发展的8大机械工程技术难题,并指出了中国先进制造技术的发展方向为绿色、智能、融合、服务、超常。最后,朱森第教授总结了先进制造技术路线图实施的保障:创新为发展的不竭动力;人才是实施的关键所在;体系是实施的组织基础;机制是实施的重要保证;开放是实施的基本方针。
中国机械工业联合会特别顾问朱森第教授级高工
同济大学现代制造技术研究所名誉所长张曙教授
张曙教授的演讲无疑使与会者们眼前一亮,他主要介绍了一种工业领域革命性的新技术——三维打印。三维打印的愿景是将来可在任何地方制作任何构成、任何材料和任何几何形状的实物,其原理类似喷墨打印机,不过喷出的不是墨水,而是粘结剂、液态的蜡、塑料或树脂。其基本原理是借助激光固化一层光敏树脂,或烧结一层粉末材料,抑或是喷射一层粘结剂或热熔性材料,形成一层两维轮廓形状,然后层层叠加成三维立体零件。20多年来,该技术已经发展成为具有无限可能的多用途技术,其优势为:直接数字化制造,省去了许多中间工序;完全定制的、个性化的独特产品,并且无需实体仓库;数字发运,就地制造,虚拟运输节约或舍弃了物流成本;最大限度地发挥了材料的特性,大大减少材料的浪费。三维打印也具有其局限性:与成熟的大批量成形技术相比,生产成本过高,与传统切削加工技术相比,产品尺寸精度和表面质量相距较大;材料可选择范围是最大的障碍,并且物理性能尚有待于提高;三维打印即将进入家庭,打印物品要成为新一代的计算机游戏,才能引起足够的兴趣。三维打印是一种能够改变未来商务模式的技术,但在克服其成本、精度和强度的局限性上,还有很长的路要走。
2010年全球碳纤维产量分布为北美36%,西欧34%,亚太地区13%及日本11%等。应用领域除航空航天占29%外,依次已涉及风力发电、汽车制造、体育运动、工业及医疗等领域。碳纤维领域的市场竞争很快会出现。目前复合材料的加工技术还存在不少难以解决的问题,比如:使用普通刀具进行碳纤维材料切削加工时,刀具的使用寿命很低;加工孔时,背面纤维将是被挤压出来并脱层而不是被切削掉,并会导致材料阻力的突然消失造成进给速度的突然增加;纤维复合材料的切削加工过程中会产生一种很轻的粉尘,其中一部分粉尘非常微小,不仅破坏加工环境和加工设备,也会危害人体健康。针对这些问题,通过研发并分析由新型材料(比如陶瓷)制造的刀具、优化刀具的材料与几何外形(例如采用多晶体金刚石PKD)、从吸尘角度出发进行刀具优化、进行碳纤维材料的切削仿真等方式,最终无脱层、无纤维散开、无燃烧附着并且无毛刺的加工工艺是可以实现的。
斯图加特大学机床控制研究所所长Heisel教授
在陶瓷基复合材料CMC方面,Gadow教授介绍了陶瓷基复合材料的优越性能、刹车片净成形制造方法以及一种内通风刹车片的新结构设计及其连接方法;在金属基复合材料MMC方面,Gadow教授主要介绍了金属基增强材料在汽车轻量化方面的运用,并指出生产成本高是其目前广泛应用的主要限制。新的制造工艺能够发挥纤维/颗粒完美性能的同时还能够降低生产成本,接下来进一步需要开展的工作为:直接锻造加工出半成品;改进碳纤维的纤维润湿性;与纳米尺度的纤维集成;碳纳米管增强铝的成形实验(加热、锻造);进一步分析复合材料的性能(在不同温度下的静态力学性能、蜕变和耐疲劳性、耐磨性等)。
斯图加特大学陶瓷零件制造技术研究所所长Gadow教授
刘强教授介绍了数控机床加工过程增效的主要途径:建立数字化车间,优化生产过程,减少生产准备时间;提高加工自动化程度,减少加工辅助工作时间,提高整个零件加工过程自动化程度和连续性,缩短辅助工时;采用高速/高效数控切削技术,减少切削时间。从铣削加工过程的基本力学建模与分析来具体说明,以降低成本、提高效率等因素出发,分别从机床约束、刀具约束、工件约束、动力学约束方面归纳出了数控铣削加工参数的优化方法,优化了主轴转速、进给速度、轴向切宽、径向切宽等参数。最后,刘强教授还介绍了e-Cutting,并结合飞机结构件应用实例,做出了整体结构件加工过程的综合优化。
北京航空航天大学机械工程学院刘强教授
Martin教授指出,在当前飞机制造中,铆接仍然是最常用的连接方法,并暂时无可取代,其具有无振动连接、非常高的强度和夹紧力、可自动化、质量控制简单、连接时无需加热、连接过程快等优点。连接方法的最新发展在于焊接工艺方法的应用上,包括激光、电子束、摩擦焊、搅拌摩擦焊等。Martin教授还介绍了飞机研发的当前策略和目标:材料创新,体现在碳纤维复合材料、多层复合板材等的应用;新的制造工艺和流程,体现在激光束焊接、摩擦焊、移动作业线、机身装配线等方面;适度自动化,体现在大型结构件的自动铆接方面;合理的物流,体现在聚集主要市场方面。
汉堡应用技术大学运载技术和飞机制造系Martin教授
何宁教授首先介绍了高性能加工技术的主要特征,随后介绍了高速加工技术的优势、多种典型的高效加工技术、可测可控加工技术以及可持续加工技术。在结束语中,何宁教授指出:现代高技术产品性能要求的提高,使得新型材料(难加工材料)的应用需求越发广泛,同时也给难加工材料的机加工技术带来严峻的挑战;在追求高性能产品的同时,保护良好的环境成为新的共识,因此理想的生产模式既包括制造的产品最优化,也包括制造过程能源、材料、资金和产品、排放物等输入输出的最优化;科学化生产对加工过程的描述、测量和控制提出了更高的要求;对于未来的切削加工发展方向,必定向着优质、高效、可测可控、可持续、综合经济性最高的方向发展。
南京航空航天大学国际交流学院院长何宁教授
Bauernhansl教授提出了一种不同于以往通过稳态经济方案、选择性增长方案、减缓经济增长方案等抑制经济增长的举措来实现可持续性的全新的经济增长技术性方案——以新技术实现资源消耗的大幅度降低来实现可持续性。在汽车制造业方面,目前流水线上按节拍生产汽车,未来将应用不相耦合的、完全柔性的、高智能的生产系统,降低汽车的报废率。在机械制造中可运用零废料机械系统,产能更高的革新主要体现在:在生产过程中回收材料;能量回收;革新的回收方法;生产资料的网络化;生产方式的组合和集成;实现短的、无损失的过程链。除此之外还可运用新的高效工艺方法(例如有机郎肯循环),可实施有效的物资回收新方法。Bauernhansl教授最后表示,我们现在最多只有40年的时间来改变现状,这个改变过程必须由我们自己来推动,教育、责任、社会义务以及交流和透明度是最重要的前提条件。
德国Fraunhofer生产自动化研究所所长Bauernhansl教授
在汽车工业中,粘接技术可用于异种材料的连接;可用于车身补强;可通过CAE分析以及建模,进行刚度强度计算、抗撞性评估以及疲劳与耐久性分析。其优点为:粘接区域应力分布均匀;粘接区域有较好的疲劳性能;粘接可以连接异质材料;粘接可以实现自动化,从而提高生产效率。胶接技术具有应力分布均匀、疲劳耐久性好的优势,但抗剥离强度低;焊接具有工艺简单、操作容易的优势,但是应力过于集中。结合胶接、焊接以及连接工艺的胶焊技术是未来发展的重点,它具有应力分布均匀、接头强度高的优点,但是成本较高。随着我国汽车工业的快速发展,采用具有高屈服强度、高破坏强度、高洛氏硬度的热成型高强度钢进一步实现汽车轻量化势在必行。而异种材料的粘接技术在未来必将起到至关重要的作用。
大连理工大学汽车工程学院院长胡平教授
杜尚俭博士介绍了雄克公司自1945年成立以来的发展历程,并展示了雄克在刀具及工件夹持系统、自动化工程等领域的部分产品。对于现代加工对夹持系统提出的众多新要求,雄克创新了缸盖夹持工艺——Vero-S零点快换夹持系统解决方案,具有很多优势:加工辅助时间极大缩短;夹具结构及设计的模块化、标准化,生产管理简化;通过托盘,实现工装的快速转换,实现共线生产,柔性高;实现了机加、清洗、装配、搬运、检验的通用夹持接口;定位迅速、重复精度高;夹持稳定、可靠;适合于自动化加工的工装需求;适合中、小批量的柔性加工,也适用于大批量制造。
德国雄克公司中国区总经理杜尚俭博士
在工业生产中,针对使用机器人的部分缺点,可以通过人机协作来解决。在工业生产中,协作机器人可在施加驱动力时提供方向和动力辅助,可进行大型零部件装配、定位辅助以及有条件的防碰撞;在汽车工业中,协同装配可应用于发动机组、催化检测单元、传动装置、以及仪表板导入等等。Apprich女士详细介绍了安全系统、碰撞预防系统、损伤最小化系统。最后Apprich女士对于人机协作做出了总结:可满足对装配系统的灵活性、适应性和可重用性不断增长的需求;具有利用装配工人认知和感知运动的优点;相对于可变成本,可大大节约不变成本;对人机之间的安全交互和通信提出了新的挑战。
斯图加特大学机床控制研究所Apprich女士
滚珠丝杆的磨削效率受限于磨床的抗振性能,将声发射传感器和加速度传感器安装在机床尾架的顶尖处,通过声发射信号在线监测磨削状态、砂轮与工件的接触状态和磨削颤振现象,为企业解决了磨削颤振这一技术难题,并向厂方提出降低初始速度的改进方案,有效地改进了磨削质量。通过更换磨削液、改进冷却液喷嘴冷却方式、使冷却液更有效进入磨削区进行冷却和基于不同型号砂轮与磨削轴承烧伤有很大关系从而优选砂轮等方法有效解决了宁波通用轴承有限公司轴承磨削烧伤现象。对于磨削材料去除率进行在线监测,将对工艺参数的确定起到重要的指导作用,根据试验结果表明:基于AE信号的工件材料去除率模型与工件去除实际测量值基本吻合。
上海理工大学机械工程学院院长李郝林教授
面对新的市场需求变化,中国机床产业结构调整和产业升级迫在眉睫。目前国内产品在参数指标、性能和可靠性方面与国外产品相比还存在差距。国内企业还存在制造技术粗放、质量管理体系不完备和形似神不似的问题。通过提高研发的行业和工艺指向性、精确的产品定义、推动以制造技术为基础的核心技术研究、鼓励以质量管理体系建设为基础的可靠性研究、支持以检测、验证和性能评价为基础的研发平台建设等方法可以消除差距。通过注重特定需求、突破国内企业供需间的信息封锁(新材料、新结构、新工艺)、强化产品定义、努力成为用户工艺师、建立同步研发机制、注重技术的时效性和区域有效性等方式转变产品开发方式。通过研究型的学习(模仿总是落后,改进才能超越)、紧跟用户工艺需求和用户共同成长、针对具体问题提出有效的解决方案、加强基础试验与研究等方式实现创新。
沈阳机床集团李宪凯教授级高工
轿车发动机缸孔精加工面临如何保证直线度和圆度在0.01 mm之内、如何提高进给量去实现循环时间4.75 min/件的目标、如何实现刀具磨损的自动补偿功能等问题,可以采用珩磨前精镗缸孔的新方案进行加工。轿车发动机曲轴孔精加工面临如何满足孔1到孔5同心度0.025 mm的要求、如何满足孔圆度0.01 mm的要求等问题,可以采用珩磨前精镗曲轴孔的新方案进行加工。
德国LMT公司(中国)总经理张明博士
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;金刚石涂层刀具在加工石墨、碳化硅颗粒增强金属基复合材料、印刷线路板(PCB)(微钻的消耗占PCB总成本30%到40%,一直是制约我国PCB生产效率和利润提高的瓶颈)和碳纤维增强复合材料时具有更优越的加工性能。
上海交通大学孙方宏教授
基于注重能源效率和减少CO2排放等方面的考虑,机床生产厂已经开始销售无液压机床,例如:GROB G系列机床所有运动及工件和刀具的夹紧均为电动,由CNC控制;MAG冷轧机床 XK 651舍弃液压系统后实现了更高的生产效率和能量效率。无液压系统机床具有将能量仅仅用在机床所需的运动过程中、较少的能量损失、高能量效率、无泄漏问题、工作场所清洁和低噪声、省去液压站、不再需要管路和液压阀、无需换油和无需处理废油等优越性。无液压机床需要电驱动夹具。电动驱动缸是高精密机械系统和现代控制技术相结合的产物。电动驱动缸相比于液压油缸具有高效+灵活、保护生态环境、精密、低维护和安全等特点,耗电仅为液压油缸的二十四分之一。
德国罗姆公司总经理Fried 博士
针对现有挤压成形工艺的局限性,阐述一种新的工艺方法,拓展挤压成形工艺在薄壁工件加工领域的应用。与传统的杯形件挤压工艺不同,借助逆向冲头的同移,显著减小作用在杯形冲头上的挤压力。使用该工艺,可在相同冲头压应力下加工更薄的杯形件。该工艺方法目前存在的缺陷可通过运动学数字优化的逆向冲头位姿控制加以解决。该研究方法和实验模具已经应用到以伺服液压缸驱动附加集成转轴的压力机设备的实际生产运营中,并将继续进行深入的实验,以验证所提到的下冲头的数值优化方法。此外,挤压件的加工可重复性也应该得到令人满意的提高。除了通过可控制的附加力来实现的杯状挤压加工方法外,斯图加特大学锻压研究所目前还在进行有更广更有潜力的可控制整体成型的研究项目。
斯图加特大学金属成形技术研究所Mletzko先生
哈尔滨工业大学开发的内高压成形技术已成功应用于副车架、仪表盘支架等零件的批量生产,并应用于航天航空产品。2011年哈工大为一汽轿车开发的内高压成形工艺和模具技术,用于奔腾轿车副车架批量生产,产量400件/天。为大众宝来开发了批量生产工艺、模具和设备,全自动生产,可达30s/件。未来几年,对内高压成形零部件和内高压成形生产线会有大量需求。在汽车进一步轻量化和降成本的要求下,内高压成形技术也向高效率低成本方向发展,还需要开展以下工作:(1)内高压成形专用管材开发;(2)管材力学性能直接测试理论与设备研制;(3)高强钢管材内高压成形;(4)内高压生产设备成套开发;(5)内高压零件设计准则。在航天产品方面,内高压成形技术适于制造封闭截面薄壁整体构件,成形精度高、整体性好,可取代传统冲压焊接构件,提高结构可靠性。
哈尔滨工业大学材料科学与工程学院刘钢教授
为了加工和检测具有复杂曲面的工件,需要有效的夹持方法。点阵式柔性夹持系统是一种高效夹持技术。柔性夹持装置在大型机翼加工中和曲面薄板加工中都得到应用。集成式点阵柔性夹持单元在夹持小型工件中得到应用。手动锁紧式柔性夹持单元具有结构简单、密集的夹持点阵、手动锁紧、承载力较小、适用于测量过程等特点。应用这个系统圆球可以被可靠地夹持。复杂曲面工件的夹持是加工和测量过程中的一个难点;传统的夹持方法针对具体工件设计专用工装夹具,不仅费用高,而且往往操作费时费力,效率低下;点阵式柔性夹持系统为解决这一难题提供了一种经济高效、适用范围广泛的方案。
德国中欧工业技术咨询公司总经理袁华博士
我国是世界的制造大国,同时也是机床消费、进口机床生产第一大国,数控机床年产量和保有量均居世界首位。徐劲博士说,随着我国工业化进程的发展和产业、产品结构的转型、更新,会出现制品批量减小和零件复杂程度上升的趋势,这种趋势决定了我国具有世界上最大的数控编程市场。但是,这个市场目前几乎为国外系统所垄断,具有知识自主产权的数控编程系统影响有限。在数控编程研究和实际运用方面和国外距离有进一步拉大的趋势。今年7月国务院在关于印发“十二五”国家战略性新兴产业发展规划的通知中具体描绘了高端软件和新兴信息服务产业发展路线图。其中,将加强计算机辅助设计与制造、智能化管理等工业软件研发作为重大行动之一,并提出了相应的方针、政策。
同泰科技公司总经理徐劲博士
未来汽车的轻量化制造对能源效率和环境美化是一种重要的解决方法:减少100 kg重量意味着每行驶100 km减少0.3 L的燃料。骨架构造式和薄板自支承舱等“空间框架”可以实现一部分轻量化,通过新的方法可以进一步减重——基于纤维复合的轻量化制造。连续纤维增强的塑料比金属材料在许多方面具有优势,如特殊的刚度和强度。不过相对于金属材料,这些加工成本还很高。主要原因是较多的手工时间和昂贵的材料成本。目前CFK-构件仅在高终端应用。利用复合工艺将正确的材料放到正确的位置,例如在挤压和剪切部分用金属,在拉伸部分用连续纤维增强的塑料,是一种可行的方式。
本刊记者还对到会的几位嘉宾进行了采访。朱森第教授说,作为老牌的制造业强国,德国的整个工业体系和人才培养的体系一直都是我国比较赞赏的。对中国而言,制造业在今后若干年内仍然是国民经济发展的动力,而中国制造业的发展必须由先进的制造技术来支撑,只有不断吸纳和融入更多新的技术,制造技术的发展才能有源源不断的动力。何宁教授说,中德两国在企业、大学之间的合作非常普遍,从国家层面上来说,作为未来全世界共同的话题,可持续发展、新能源等需要两国政府的共同推动,虽然可持续发展短期内可能会牺牲部分效益,但从长远的角度讲,它在能源成本的降低等方面也会产生新的效益,对于广大中国企业来说,早走一步不是坏事。李郝林教授说,本届研讨会德国学者和国内企业的参与人数较上届有很大的增加。在德国,清洁度材料加工已经是个很热的研究点,但是在国内刚刚起步,真正在企业应用得还很少,希望国内能够有更多企业对此引起足够的关注和重视。西门子(中国)有限公司驱动技术集团运动控制部副总经理、机床数控业务总经理许政顺先生说,此次会议说明中德在技术方面的合作由来已久,并将继续在多个层面良性发展下去,以德国的数控技术为例,也同样具有开放性和合作性,相信中德的制造技术领域的合作还会向更深更广的方向发展。MAG中国亚洲区/中国区总裁李黎先生说,中国机床存在积累不足、发展困难的问题,中国企业和客户之间应该建立期长时间合作的共同成长的有效机制;而欧美一些企业和研究部门出现远离市场、需求不足的现象,希望针对双方各自存在的问题能寻求出一种促进共同发展的更好、更新的模式,。李总还特别提到推MAG公司推出的超低温液氮加工机床也是未来制造技术的一个发展方向袁华博士说FTK是和德国著名的AMB展会同时举办,在FTK上会介绍最前沿的制造技术,而CDFK作为FTK的姐妹会议对于在中国宣传最前沿的制造技术是有着重要意义的,对于中德双方的交流有着重要意义。
经过几次参会,记者发现此次中德技术研讨会与往届变化不小,为此记者又专访了会议的中方大会主席张曙教授。张教授介绍说,此次会议比前几届扩大了范围,德方人员不再局限于斯图加特大学,增加了汉堡大学等德方高校。会议不再是中国一个地区与德国一个地区之间的学术交流,而是希望能为中国工业起到一定作用。这次还在会场外开设了一个小型“展览会”,虽然只有7个展台,但是其中包含例如三维打印这样非常重要的技术内容。张曙教授指出,目前制造业关键问题是要走出浪费能源的时代。在减少能源的消耗、提高能源的利用率等方面,德国是我们的榜样,中德技术研讨会就是搭建了一个中德制造技术深度交流的平台。就目前来看,减少被加工材料重量是降低能源的最直接途径之一。为了减少材料重量就需要应用新材料,而新材料的应用随之而来的就是加工方式的改变,同时也需要新的加工设备。这一系列的变化都需要中国制造业做出更多的努力,通过此次会议,我们可以从已经进入实用阶段的德国新材料加工技术及设备中得到更多的启示。