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1、第1章 绪论1.1 先进制造技术的背景1.1.1 世界制造业及其格局的发展变化近年来，随着信息产业的高速发展，制造技术中的某些技术已经不再适应高科技的快速发展，不能很好地融入信息化产业的大潮，缺乏市场竞争力，甚至还可能危及生态环境。许多人认为制造业已成为“夕阳产业”。制造技术中确有“ 夕阳技术”,这些技术同信息化大潮格格不入，同高科技发展不相适应，缺乏市场竞争力，甚至还可能危害生态环境。面临剧烈的市场变化和技术竞争，许多工业国家迅速调整其技术政策，把提高市场竞争力和增强综合国力作为科技政策的核心。例如，历来重视产业技术的日本、澳大利亚和一些新兴工业化国家。美、英等国过去一贯主张，产业技术的发展
2、主要靠市场竞争，由企业自由发展，政府不必介入。 1.1.2 先进制造技术为制造业注入活力随着科技进步特别是计算机技术的发展，世界范围内对制造业进行了重新的认识和定位，先进制造技术为制造业注入新的活力，使制造业又重新生机勃勃。制造业绝不是“ 夕阳产业” 和“ 夕阳技术”，先进制造技术是高技术的载体，没有哪个工业发达国家不予以高度关注，先进制造技术已经成为全球制造业争夺的市场焦点。先进制造技术为制造业注入新鲜血液，是发展制造业的基础，它是传统制造业不断地吸收机械、信息、电子、材料、能源和现代管理等方面的最新技术成果，并将其综合应用于产品开发与设计、制造、 检测、管理和售后服务的制造全过程，实现优质
3、、高效、低耗、清洁和敏捷制造，并取得理想经济效果的前沿制造技术的总称。从本质上看，信息技术传统制造技术的发展 自动化技术现代管理技术就是先进制造技术。1.2 国外先进制造技术的现状近些年来，世界经济发展的严峻事实使美国政府意识到，制造业是美国工业的基础，政府必须介入工业技术的发展。20世纪80年代末期，美国根据本国制造业面临的挑战和机遇，为增强制造业竞争力和促进国民经济增长，采取了一系列措施，进行了大规模的21世纪制造业的战略研究，并首先提出了先进制造技术的理念。其中，强调要促进先进制造技术的发展，成立各种层次的先进制造技术研究中心，并提出了一系列如并行工程、精益生产和敏捷制造等先进制造技术的
4、新理论，收效良好。紧接着，许多工业国家如日本、澳大利亚、西欧各国以及一些新兴的工业化国家也都迅速调整其技术政策，开始重视研究和应用先进制造技术，将提高市场竞争力和增强综合国力作为科技决策的核心。自从美国提出先进制造技术这一概念以来，很快在日本、西欧各国以及亚洲新兴工业国家做出了响应，纷纷将先进制造技术列为国家的高新技术和优先发展项目，世界各国都已重视研究、应用先进制造技术。1.2.1 制造业在美国经济的重要性强大的制造基础对国家的经济和军事力量是至关重要的。一个国家只有生产得好,才能生活得好。如美国2100万就业者(占总劳动力的17%)从事20%30%高报酬的工作;雇佣了75%的科学家和工程师
5、进行90%的非军事性的Research and Development研制与开发 ；每100份工作支持着60个以上的非制造业职位；GNP的1/5(超过1兆美元)为其它经济部门提供基本产品 。1.2.2 发达国家先进制造技术发展战略工业发达国家都把先进制造技术作为国家级关键技术和优先发展领域。尽管决定国家综合竞争力的因素有多种,但制造业的基础地位不能忽视。20世纪90年代以来，各发达国家,如美国、日本、欧共体、德国等都针对先进制造技术的研发提出了国家级发展计划，旨在提高本国制造业的国际竞争能力。20世纪90年代初,美国政府提出“先进制技术 ”计划 ,将基于信息高速公路的敏捷制造作为美国21世纪的
6、制造战略。1991 年美国里海大学(Lehigh University)提出“美国企业网”(FAN, Factory American Net )计划,该计划的目的是研究如何利用信息高速公路,把美国的制造企业联系在一起。2008年1月,欧洲联盟公布了“第五框架计划(20082012)”,将虚拟网络企业列入研究主题2012年,欧盟提出了“第六框架计划 ”,选定了需要重点攻关的 7大领域 ,其中包括信息和网络技术。欧盟第六框架计划的目的是 ,通过各种方法刺激信息技术的快速发展,加强信息的产业化 ,使所有欧洲公民从以信息和网络为主体的知识社会和发展中获益。2012年,美国洛克希德-马丁公司提出了F-
7、22 飞机研制的虚拟工厂概念 , 打通了从设计、生产到管理的全数字化信息流。总之,工业化国家大都把先进制造技术作为本国的科技优先发展领域和高技术的实施重点；发展中国家也十分重视制造业信息化,都把信息技术作为改造传统企业和产业结构调整的主要战略；新兴工业化国家希望通过加快制造业信息化,跻身世界先进行列,众多发展中国家也希望以信息化推进工业化,以缩小与先进国家的差距 。1.3 我国先进制造技术的现状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。先进制造技术的应用特别注意产生
8、最好的实际效果，其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。目的是要提高制造业的综合经济效益和社会效益。在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。1.3.1 我国先进制造技术的特点先进制造技术是制造技术加信息技术和管理科学,再加上有关的科学技术交融而形成的制造技术。它不局限于制造工艺,而是覆盖了市场分析、产
9、品设计、加工和装配、销售、维修、服务,以及回收再生的全过程。其具有如下特点：（1）全球化。21世纪是国际化的大市场，世界各国市场竞相向国外开放，促成制造业竞争的国际化，主要反映在使制造业的资源配置由一国范围扩大到世界范围，致使制造业在全球范围重新分布、组合和洗牌。（2）多样化。由于每个用户群的看法和观点不同，其提出的产品结构和形状也不尽相同，中小批量的产品越来越多，产品的多样化特征也越来越明显。（3）虚拟化。虚拟制造是指利用计算机模拟与仿真技术、人工智能技术、并行工程以CAD/CAPP/CAM/CAE等多种技术，模拟现实制造环境或现实制造过程,呈现现实制造系统的运行状态或者现实产品性能的一种制
10、造技术。（4）生产过程的高速化和柔性化。由于产品设计和制造周期的不断缩短，顾客要求的交货期也相应的越来越短；因此，高速生产技术得到了普遍应用，即要求实现生产过程的高速化。（5）集群化。为了提高自身抵抗风险的能力，各个小型制造企业开始纷纷联合组成集团公司，制造企业呈现越来越多的集中和并购，制造业的市场集中度也得到了进一步提高。（6）服务化。随着当前绿色制造和循环制造概念的提出，制造业应不仅考虑产品的设计和生产，还应考虑从市场调研开始到售后服务，再到产品报废回收，以及循环使用的产品整个生命周期或多个生命周期。1.3.2 我国的先进制造技术与工业发达国家对比（1）管理方面：工业发达国家广泛采用计算机
11、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。 （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（CAD/CAM），大型企业开始无图纸的设计和生产。我国采用CAD/CAM技术的比例较低。（3）制造工艺方面：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
12、，尚在开发、掌握之中。（4）自动化技术方面：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，柔性制造单元和系统仅在少数企业使用。1.3.3 我国对先进制造的重视随着美国政府采取一系列措施进行大规模的21世纪制造业战略的研究。我国政府和企业界投入巨资，组织大量专家进行研究和分析，得出的结论是振兴中国经济的出路在于振兴美国的制造业，经济竞争归根到底是制造技术和制造能力的竞争。因而，我国提出要促进先进制造技术的发展，成立国家级、地区级、大学、企业等各种层
13、次的先进制造技术协调、推广、应用研究中心。这些措施收到了良好的效果，使制造水平大幅度提高。通过先进制造技术，让企业适应多变的市场需求我国制造业市场具有很大的潜力，使得我国的制造技术水平和工业发达国家的差距进一步缩小。1.4 先进制造技术的发展趋势1.4.1 数字化制造技术数字化制造技术是支持信息化和知识化制造业的技术，是先进制造技术发展的核心， 包括以设计为中心、以控制为中心和以管理为中心的数字制造。应用数字化制造技术，将会使全球制造网络环境下的产品异地设计与制造成为21世纪的重要制造模式，促使制造技术和制造产业发生革命性的变革。对全球制造业而言，在数字制造环境下，用户借助网络发布信息，各类企
14、业通过电子商务实现优势互补，形成动态联盟，迅速协同设计并制造出相应的产品。1.4.2 精密化是发展的关键现代超精密机械对精度要求极高，如借助于扫描隧道显微镜与原子力显微镜，加工精度可 达0.1；而基于操作机械的移动距离为纳米级，移动精度可达0.1。显然，没有先进制造技术就没有先进电子技术装备。先进制造技术与先进信息技术是相互渗透、相互促进和紧密结合的，精密化是当前先进制造技术发展的关键所在。1.4.3 网络化是发展的道路随着网络化的进一步普及，各种网上销售和网上购物正在悄然进入人们的生活当中，网络化已经成为先进制造技术发展的必由之路，这必将导致新的制造模式，即虚拟制造组织，形成动态的虚拟企业或
15、企业联盟。此时，各企业致力于其核心业务，实现优势互补和资源优化动态组合与共享，如美国的“日不落计划”正是基于这一点。1.4.4 绿色化是发展的方向绿色制造是一个综合考虑环境影响因素和资源效率的现代化制造模式，当前日趋严格的环境与资源的约束使绿色制造业显得越来越重要，绿色制造技术也将获得快速的发展。其要求产品、制造、使用、维修及回收全部绿色化，主要体现在：）绿色产品设计技术；）绿色制造技术；）产品的回收和循环再制造。1.4.5 智能化是发展的前景以智能机器人和人类专家共同组成的人机一体化智能系统，使制造系统具有自适应能力、自学习能力和自组织能力，能极大地提高系统的响应速度和决策水平。与传统制造相
16、比，智能制造系统的突出之处在于制造诸环节中以一种高度柔性与集成的方式，借助计算机模拟人类专家的智能活动，取代或延伸制造环境中人的部分脑力劳动；同时，收集、存储、处理、完善、共享、继承和发展人类专家的制造智能。在不久的将来，为应对大量复杂信息的处理、瞬息万变的市场需求和激烈的市场竞争，智能制造会越来越受到重视。1.4.6 集成化是发展的方法集成化主要指现代技术、加工技术和企业等的集成，其使专业和学科间的界 限逐渐淡化和消失。先进制造技术的不断发展，使得冷、热加工之间，加工、检测、物流和装配过程之间，设计、材料应用和加工制造之间的界限也逐渐淡 化，逐步走向一体化。例如，CAD/CAPP和CAM的出
17、现、精密成形技术的发展、 快速原型件制造技术的产生、机器人加工工作站及FMS的出现。很多新材料的配制和成型是同时完成的，很难划清材料应用与制造技术的界限。1.5 对我国先进制造技术的思考我国制造业市场的巨大潜力，为先进制造技术发展提供了广阔的市场空间。但是与制造业发达国家和地区相比，国内的先进制造技术的研发与市场拓展还不均衡。纵观国际制造业的竞争与发展，面对国际、国内个制造业市场的日渐融合，如何立足国内制造 业的市场需求，整合分散的科研与企业资源，尽快形成自身在先进制造产业竞争中的技术优势，已经是摆在我国制造业面前的迫在眉睫的课题。发展先进制造技术要结合国情，突出重点，在吸收世界各国经验的基础
18、上，走一条具有自身特点的道路。（1）高度重视，全面规划。对涉及面广、技术难度大的技术，其研究及推广应用需要投入大量的力、物力及资金。（2）加强人员培养和培训工作。人是技术的主体，没有高素质的人才，再好的技术也会被束之高阁。（3）严格论证，科学管理。拟实施和上马的项目必须根据企业总体规划进行严格论证。论证时应吸收有关各方人员参与，集思广益，使实施计划更趋于完善。（4）发展我国先进制造技术的关键前沿技术。利用自身优势，大力发展一些关键前沿技术，比如新一代材料成型技术、快速原型制造、智能制造等。第2章 先进制造技术与新工业革命2.1 先进制造技术的概念、内涵及主要内容先进制造技术（advanced
19、manufacturing technology简称AMT）是美国在20世纪80年代末提出的概念，是作用于产品整个寿命周期的所有实用技术的总称，主要是指在当今技术条件下能显著提高企业的设计、加工、检测、物料储运、营销和生产管理等方面能力的设备，计算机软硬件和管理方法，其涉及制造技术的各个方面，包括工程设计、制造自动化、制造工艺技术、现代管理技术以及相关的支持环境和条件。先进制造技术在不同时代具有不同的含义， 当前各种新出现的、先进的机械加工技术（纳米加工、激光切割、增材制制造等）、精益生产、并行工程、柔性制造、虚拟制造、敏捷制造和现代集成制造模式等，都属于AMT的研究之列。图1 先进制造技术的
20、内涵、层次及技术构成从制造系统的观点看，AMT是一个三层次的技术群，如图1所示：第一个层次（内层）为基础制造技术，主要指优质、高效、低耗、清洁的通用共性技术；第二层（中层）是新型制造单元技术，由制造技术与信息技术、新型材料加工技术、清洁能源、环境科学等结合而成，涉及多学科交叉、集成与融合，对应于先进制造技术中的主体技术和管理技术；第三层（外层）为先进制造模式系统（集成技术），是由先进制造单元技术和组织管理等融合而成的现代集成制造模式，强调技术系统和社会系统的协同与融合。2.2先进制造工艺技术（1）高效精密、超精密加工技术，包括精密、超精密磨削、车削，细微加工技术，纳米加工技术。超高速切削。精密
21、加工一般指加工精度在100.1m（相当于IT5级精度和IT5级以上精度），表面粗糙度Ra值在0.1m以下的加工方法，如金刚车、金刚镗、研磨、珩磨、超精研、砂带磨、镜面磨削和冷压加工等。超精密加工是指被加工零件的尺寸公差为0.10.01m数量级，表面粗糙度Ra值为0.001m数量级的加工方法。此外，精密加工与特种加工 一般都是计算机控制的自动化加工。（2) 精密成型制造技术，包括高效、精密、洁净铸造、锻造、冲压、焊接及热处理与表面处理技术。（3）现代特种加工技术，包括高能束流（主要是激光束、以及电子束、离子束等）加工，电解加工与电火花（成型与线切割）加工、超声波加工、高压水加工等。电火花加工(E
22、lectrical discharge machining(EDM)电火花加工 （electric spark machining )是指在一定介质中，通过工具电极和工件电极之间脉冲放电的电蚀作用对工件进行的加工。能对任何导电材料加工而不受被加工材料强度和硬度的限制。可分为电火花成型加工(EDM)和电火花线切割加工两大类。一般都采用CNC控制。（4）快速成型制造（RPM).快速成形技术是在计算机控制下，基于离散堆积原理采用不同方法堆积材料最终完成零件的成型与制造的技术。从成型角度看，零件可视为“点”或“面”的叠加而成。从CAD电子模型中离散得到点、面的几何信息，再与成型工艺参数信息结合，控制材
23、料有规律、精确地由点到面，由面到体地堆积零件。（5）柔性制造技术柔性制造技术是对各种不同形状加工对象实现程序化柔性制造加工的各种技术的总和。柔性制造技术是技术密集型的技术群，我们认为凡是侧重于柔性，适应于多品种、中小批量(包括单件产品)的加工技术都属于柔性制造技术。目前，按规模大小划分为：柔性制造系统（FMS），柔性制造单元（FMC）,柔性制造线（FML），柔性制造工厂（FMF）。柔性主要包括：机器柔性。工艺柔性。产品柔性。维护柔性。生产能力柔性。扩展柔性。运行柔性。随着批量生产时代正逐渐被适应市场动态变化的生产所替换，一个制造自动化系统的生存能力和竞争能力在很大程度上取决于它是否能在很短的开
24、发周期内，生产出较低成本、较高质量的不同品种产品的能力。2.3 先进制造模式/系统图2 制造模式的演变制造模式是制造业为了提高产品质量、市场竞争力、生产规模和生产速度以完成特定的生产任务而采取的一种有效的生产方式和一定的生产组织形式。先进制造模式是以计算机信息技术和智能技术为代表的高新技术为支撑技术，在先进制造思想的指导下，用扁平化、网络化组织结构方式组织制造活动，追求社会整体效益、顾客体验和企业盈利，是最优化的柔性、智能化生产系统。如图2所示， 按照制造技术的发展水平、生产组织方式和管理理念，将制造模式的发展历程归纳为手工作坊式生产、机器生产、批量生产、低成本大批量生产、高质量生产、 网络化
25、制造、面向服务的制造、智能制造个阶段。图3 先进制造生产模式关系20世纪90年代，随着先进制造理念、先进生产技术以及先进管理方式的不断成熟与发展，各种新的制造理念、先进制造新模式得到了迅猛发展，理论界相继出现了高质量生产、网络化制造、面向服务的制造、智能制造等一系列新概念， 各种先进制造模式之间的关系如图3所示。制造技术的改进重点是规模化大批量生产和提高生产效率， 流水线式生产方式使得专业分工和标准化规模生产从技术方法上成为可能， 科学组织管理理念等又从组织、 结构和方式上保障了流水线式生产的实现， 使得大规模制造成为可能。2.4 先进制造技术对产品生产活动的影响从生产流程来看，ATM与传统制
26、造技术对制造过程的影响如图4所示。传统制造是利用制造资源将原材料转换为产品的过程，仅为生产过程的一部分，一般包括产品的加工和装配两大内容，制造商自行生产或者从供应商购买零件，将其组装成产品并检验以符合要求。制造过程中输入的是原材料、能量、信息、人力资源等，输出的是符合要求的产品。传统的制造系统设计、制造与销售各部分之间信息的传递与反馈不畅，各部门按功能分解任务，容易只考虑本部门的利益， 对系统的优化考虑较少，造成设计与制造部门间难以协调、矛盾突出。ATM主要从材料设计、制造流程改造、产品服务融合的集成解决方案和循环利用四个方面拓展传统制造技术。图5 先进制造技术对制造业的影响图4 先进制造（右
27、）与传统制造（左）流程的比较从基础制造技术、新型制造单元技术和现代先进集成制造技术对制造业的发展产生了重要影响。基础制造技术通过改进、整合形成新型制造单元技术，进而影响整个制造过程。具体来讲，新型制造单元技术（图1中第二层）对传统制造流程的改造如图5所示，增材精准制造用于对加工阶段的改造；机器人自动化技术用于组装和生产流程的自动化；先进电子技术用于产品和服务的融合以及加工过程的控制；供应链设计以整体效益最优化为目标，以系统化的观点综合考虑人、技术、管理、设备、物料、信息等系统构成要素的优化组合，在满足产品或服务供给要求的同时，达到成本最低；清洁生产技术主要用于材料的循环利用、 回收等环节；分子
28、生物学和生物制造用于材料设计及制造流程的改进；纳米材料技术用于合成与加工功能梯度材料、复合材料等；物联网、云计算和大数据用于对产品全生命周期制造过程进行全方位跟踪、分析、优化和控制，实现多维度、 透明化的泛在感知，确保制造过程的高效、敏捷、可持续和智能化。2.5 新工业革命工业革命是生产技术的变革，同时也是一场深刻的社会关系变革。新科技群的协同效应和深度融合将导致生产组织方式和制造模式发生重大变化，从而引发新的工业革命。目前正在出现一种新工业革命，但仍是一个十分模糊的概念，不同研究者对新工业革命的概念有各自的理解，主要有种不同的观点：图6 里夫金提出的新工业革命的五个支柱（1）杰里米里夫金认为
29、，历史上重要的工业革命都是在新通讯方式和新能源结合之际产生的，当前正由互联网和新能源结合引发新的经济和社会变革，即包括五大支柱的新工业革命，如图6所示，其中：能源转型，向可再生能源转型，利用风和阳光等，不再消耗石化产品；分散式生产，互联网信息技术等基础设施的建设大大减小了时间、空间对人们的经济活动交的制约，基于知识的共享、创新和发展的扁平式、分散化、合作性的生产组织结构更加符合 现代商业的需求；存储，充分利用社会基础设施存储间式可再生能源；构建能源互联网，利用互联网技术将电网转变为能源共享网，通过一种网格式的智能分布式电力系统和他人共享；交通工具转变，将汽车、卡车、火车等运输工具转向插电式或者
30、燃料电池等以可再生能源为动力的交通工具，电动车需要的电可在充电站购买。（2）克里斯安德森认为，新型材料的应用和增材制造技术等数字化制造方式将引发新工业革命，采用新型材料、打印技术和基于网络的协同制造服务等智能化与数字化制造方法，能够迅速和精准地将计算机中的虚拟设计模型转化为真实物体，甚至直接打印出零件或模具，基于网络的新型数字化设计及制造的创新提供给网络用户以创造真实物体的能力，将制造延伸至范围更广的生产人群中，这些制造过程蕴藏着由普通人完成的无限可能，众多个人制造联合推动全面创造，将直接加快向新型工业化趋势发展的步伐，从而引领新工业革命。（3）英国彼得马什在新工业革命：消费者、全球化以及大规
31、模生产的终结一书中，将工业革命划分为五次，如表所示，而将始于2005年的第五次工业革命称为新工业革命。表1 马什的工业革命划分（4）保罗麦基利的三次革命说认为，以制造业数字化为核心的第三次工业革命（新工业革命）即将到来，互联网、智能软件、新能源、新材料、机器人、新的制造方法和以网络为基础的商业服务模式将使技术要素和市场配置要素发生革命性变革，产生改变社会发展历程的巨大能量。而制造业的数字化进程正从智能计算机软件、新材料、更灵巧的机器人、基于网络的制造业服务化、新的制造方法个方面向前推进。（5）德国政府于2013年4月举办的汉诺威工业博览会上，正式推出了工4.0第四次工业革命项目，目的是支持工业
32、领域新一代革命性技术的研发与创新。工业4.0强调在工业生产过程中，以信息物理融合系统为核心，将众多智能体聚集在信息平台上，形成一种高度协同的互联互通关系，从而构建智能化的新型生产模式与产业结构。工业4.0正引领新一轮的工业革命，传统的行业界限将消失，并会产生各种新的活动领域、商业模式和合作形式，将导致工业结构、经济结构和社会结构从垂直向扁平转变，从集中向分散转变。新工业革命是基于新能源、智能制造、数字化制造、机器人技术、新一代信息网络技术等先进技术综合系统协同创新及突破性的发展，融合信息、计算机、数字化、互联网技术创新变革，使工业生产方式与制造模式发生巨大变化， 从而使交易方式与人们的生活方式
33、发生重大变化。传统的自上而下、集中规模化的生产模式将逐步被新工业革命的分散、扁平和协作的模式取代，定制化、个性化、智能化、分散化和合作化是新工业革命的主要特征。2.6先进制造技术与新工业革命之间关系图7 制造技术/模式与工业革命的演变从主导技术和新兴产业的角度来看，以生产方式变革为主线的ATM的群体 涌现、协同融合将导致新的工业革命，各种技术之间产生的耦合效应推动了工业革命的进程。新工业革命不是依赖单一学科或某几类技术，而应该是全方位的多学科、多技术层次、宽领域的协同效应和深度融合。人类制造模式的演变从原始手工生产模式到现代先进制造模式的演变过程中， 经历了次大的革命性变革。图7所示为由市场变
34、化与技术发展推动的先进制造模式的变革。图中：第一次工业革命中，由于蒸汽机、电气技术、内燃机的发明与改进，机器取代手工成为主导生产方式，制造业进入机械化制造时代，成为近代工业化大生产时代的开端。第二次工业革命中，大规模制造成为主导生产方式，20世纪20年代，随着电子技术、信息技术的发展，以流水线为典型代表的大规模制造模式 在组织结构上追求纵向一体化与大规模，内部分工仔细，专业化程度高，简单熟练的操作提高了生产效率，使制造成本随规模递减，同时质量的稳定性也得到提高，制造模式进入批量大规模制造阶段。新工业革命是现代先进制造模式集成协同创新的结果，进入20世纪90年代后期，随着网络信息技术、智能控制技
35、术研究的深入和以知识为基础的经济时代的到来，制造业的市场环境与技术变革发生了根本性的改变。大规模制造系统的刚性与市场的个性化需求以及环境快速变化所要求的响应速度之间的矛盾日益尖锐，正是在此背景下，各种新制造模式研究探索与试验如雨后春笋般迅速兴起，现ATM融合自然科学和社会科学的最新进 展，以绿色、低碳、可持续为发展理念，带来了产业组织模式的转变，对转变经济增长方式、政府管理模式和社会组织形态都有巨大的推动作用，使全球技术要素和市场要素配置方式发生了革命性变化。ATM的发展将在新工业革命中发挥 重要作用。如前所述，工业革命的实质是制造业生产方式与制造模式发生重大变化，它必然也是始于制造技术突破性
36、的发展。ATM是制造业产生变革的根本力量， 新一代信息技术（云计算、大数据、物联网、务联网、云平台等）、新能源（再生能源、清洁能源等）、新材料（复合材料、纳米材料等）技术等将为新工业革命创造强大的新基础设施；分散式制造（网络化制造、制造物联、云制造、智能制造）、众包生产、集群效应、利基思维等使生产方式产生变革，将整个工业生产体系提升到一个新的水平，工业生产、经济体系和社会结构将从垂直转向扁平、 从集中转向分散； 以智能制造为代表的新一代先进制造模式， 必将使商业模式、 管理模式、服务模式、企业组织结构和人才资源需求发生巨大变化，给工业领域、 生产价值链、业务模式乃至生活方式带来根本性变革，进而
37、推进和实现新的工业革命。制造模式的演进与新工业革命的出现由市场发展、 社会变革、 技术突破、 管理创新多种动因的综合作用决定。对新工业革命的内涵的理解必须通过与社会科学（如经济学和管理学）等跨学科的对话和交流，适当突破自然科学和工程技术学科的理论范畴。工业发展历程表明，新的生产模式的出现均为与特定的社会制度、组织结构和经济因素等相互作用的产物,而新的制造模式又会对既有社会制度和管理方式提出新的要求，从而推进企业管理模式、社会制度环境的变革。综上所述，在市场、技术、社会经济环境变化与全球一体化趋势的推动下，制造业正在经历着一场革命，一场以实施先进制造技术和经营方式彻底变革为主要 内容的先进制造模
38、式的革命，涉及制造理念、制造战略、制造技术、制造组织与管理各个领域的全面变革。第3章 航空发动机关键技术近年来，为适应国家安全和国民经济发展的需要，各种型号的预警机、歼击机、直升机、大客大运等新型飞机不断飞上蓝天，但他们绝大多数依然缺乏一颗强劲的“中国心”。中国制造的 ARJ21 客机安装着美国的CF34-10A发动机，中国制造的C919大型客机，将配装美、法研制的LEAP-X1C 发动机，我们必须尽快翻过这一页。可以相信，随着中国制造 2025的全面布局，航空发动机重大工程的开展，通过航空发动机人的不懈努力，逐步解决航空发动机制造的关键技术、 基础技术和热点技术.从关键技术、热点技术和基础技
39、术3个层面介绍航空发动机关键制造技术，制造关键技术是研制先进航空发动机必须具有的技术；制造热点技术是提高发动机制造效率和制造品质必须开展研究的技术；制造基础技术是发动机研制和批量生产应逐步积累和发展的技术，代表发动机制造技术水平和生产能力的软实力。3.1 航空发动机制造基础技术（1）精密制坯技术。精密制坯技术包括精密锻造制坯、精密铸造制坯和3D 打印技术制坯，它是为现代航空发动机制造提供“粮食”的技术。（2）高效高质量焊接技术。构件整体化是新型航空发动机零件结构发展变化的趋势，高效焊接技术是实现构件整体化的最有效方法之一。扩散连接焊、线性摩擦焊、电子束焊等焊接工艺是实现航空发动机构件整体化制造
40、的3大关键技术。（3）刀具、机床、 构件一体化技术。航空发动机上几乎所有的零件都需要机械加工，机械加工离不了刀具和机床。现代航空发动机制造技术，使刀具技术和机床功能等得到了高速发展。（4）基础数据库的开发和应用技术。国外航空发动机设计、试验和制造大量采用仿真技术进行模拟相关零件、构件或发动机整机的特性，模拟锻件的变形、 铸件的凝固、焊接件的连接、零件加工中材料的切削过程等。（5）加工废料回收和再利用技术。高性能航空发动机需要使用高强度、耐高温材料，靠近燃烧室的压气机和涡轮部件大量使用镍基和钴基超耐热合金，风扇和压气机叶片、机匣、 盘大量采用钛合金、高温合金材料。3.2 单晶涡轮叶片制造技术现代
41、航空发动机涡轮前温度大大提升，F119发动机涡轮前温度高达 19002050K，传统工艺铸造的涡轮叶片根本无法承受如此高的温度，甚至会被熔化， 无法有效地工作。单晶涡轮叶片成功解决了推重比10一级发动机涡轮叶片耐高温的问题，单晶涡轮叶片优异的耐高温性能主要取决于整个叶片只有一个晶体，从而消除了等轴晶和定向结晶叶片多晶体结构造成晶界间在高温性能方面的缺陷。单晶涡轮叶片是目前航空发动机所有零件中制造工序最多、周期最长、合格率最低、国外封锁和垄断最为严格的发动机零件。制造单晶涡轮叶片的工序包括压芯、修芯、型芯烧结、型芯检验、型芯与外型模具的匹配、蜡模压注、蜡模 X 光检验、蜡模壁厚检测、蜡模修整、蜡
42、模组合、引晶系统系统及浇冒口组合、 涂料撤砂、壳型干燥、壳型脱蜡、壳型焙烧、叶片浇注、单晶凝固、清壳吹砂、 初检、荧光检查、脱芯、打磨、弦宽测量、叶片X光检查、X光底片检查、型面检查、精修叶片、叶片壁厚检测、终检等制造环节。除此之外，还必须完成涡轮叶片精铸模具设计和制造工作。单晶涡轮叶片， 目前世界上只有美国、 俄罗斯、 英国、法国、中国等少数几个国家能够制造。近年来，国内在单晶涡轮叶片制造中也取得了较大的进步，研制了推重比10一级发动机单晶涡轮叶片并批量生产了高功重比涡轴发动机单晶涡轮叶片。3.3 整体叶盘高效高精度低成本加工技术整体叶盘技术的应用推动了航空发动机结构设计的创新和制造工艺的跨
43、越， 实现了发动机减重和增效的目的，提高了发动机工作的可靠性。同时，叶片的薄厚度、大弯扭高效率气动设计，形成了叶片刚性差，加工易变形难控制的问题；叶片间窄而深的气流通道，使叶盘加工工艺实现性差；钛合金、高温合金等高强材料，难切削加工，效率低。美英20世纪80年代的新型发动机开始应用整体叶盘技术，我国整体叶盘技术起步于1996年前后。整体叶盘技术的应用推动了发动机零件结构整体化技术的发展，带鼓筒叶盘、带轴叶盘、盘片鼓筒轴组合叶盘、 带箍闭式叶盘、整流器静子环叶盘和两级或多级叶盘组合的串列式整体叶盘结构在新型航空发动机研制中陆续得到应用；整体叶盘的功能结构在轴流叶盘、离心叶轮的基础上，发展了大小叶
44、片结构叶盘、斜流转子叶盘。自整体叶盘在高性能航空发动机上应用以来，整体叶盘制造技术一直在发展和提升，目前整体叶盘加工的工艺方法主要有以下 5 种：失蜡精密铸造整体叶盘、电子束焊接整体叶盘、 电化学加工整体叶盘、线性摩擦焊整体叶盘和五坐标数控机床加工整体叶盘等工艺方法。五坐标数控机床加工整体叶盘工艺方法是国内航空发动机整体叶盘制造中技术研究开展的最早、工程应用面最宽、技术成熟度较高的叶盘制造工艺方法。其中，插铣开槽加工工艺、对称螺旋铣削叶型精铣加工工艺、叶片前后缘加工误差补偿技术和整体叶盘叶型自适应加工工艺技术是该技术发展和应用的关键 。国外 T700 发动机、BR715 发动机增压级、EJ20
45、0 发动机的整体叶盘使用此加工方法加工制造，我国 CJ1000A、WS500 等航空发动机整体叶盘也是采用五坐标数控加工技术制造。图8为我国制造的商用航空发动机高压压气机第一级整体叶盘。图8 商用航空发动机高压压气机第一级整体叶盘3.4 空心叶片制造技术图9 空心风扇叶片及内部三角形结构涡扇发动机的风扇远离燃烧室，热负荷低，但先进航空发动机对其气动效能的要求和防外物打伤的能力在不断提升。高性能航空发动机风扇均采用宽弦、 无凸肩、空心风扇叶片。罗罗公司研制的三角形桁架结构的空心风扇叶片是对原蜂窝夹芯叶片的改进，罗罗公司称其为第二代空心风扇叶片，其工艺是采用超塑成形/扩散连接（SPF/DB）组合工
46、艺方法，将3层钛合金板制成宽弦空心风扇叶片，叶片空心部位呈三角形桁架结构,该结构叶片已经在波音777和A330飞机的“遄达”发动机上使用。我国三角形桁架结构的空心风扇叶片制造技术也取得突破（图9为空心风扇叶片及内部三角形结构），但要满足工程化应用还需开展大量的强度、振动、疲劳试验和工艺优化研究工作。空心叶片的制造工艺流程为：首先需准备3块钛合金板并按上、中、下3层放置，中间一层为芯板，上下层分别为叶盆和叶背层板， 然后按照除油酸洗 3 块钛合金板、 中间层喷涂止焊剂、 钛板焊接、入模加温、氩气净化、扩散连接、超塑成型、随炉冷却、表面化洗、 叶根及进排气边加工、叶片检验等工序2超塑成形/扩散连接
47、（SPF/DB）成风扇空心叶片。3.5 高端轴承制造技术轴承是航空发动机的关键零部件之一，轴承在以每分钟上万转高速长时间运转的同时，还要承受发动机转子高速旋转所产生的巨大离心力和各种形式的挤压应力、摩擦与超高温作用。轴承的质量和性能直接影响到发动机性能、寿命、可靠性和飞行安全。高端轴承的研制和生产与接触力学、润滑理论、摩擦学等学科交叉及疲劳与破坏、热处理与材料组织等基础研究密切相关，同时还必须解决设计、材料、制造、制造装备、检测与试验、油脂及润滑等环节大量的技术难题。目前，高端轴承的研发、制造与销售基本上被铁姆肯、NSK、SKF，FAG 等西方国家的轴承制造企业垄断。我国航空发动机制造技术落后
48、，国内轴承制造企业的生产能力和研制水平， 在短期根本无法提供适合先进航空发动机使用的高端轴承。轴承已成为我国航空发动机研发中难以翻越的“珠穆朗玛峰”，极大制约了我国高性能航空发动机的发展。3.6 粉末涡轮盘制造技术航空发动机涡轮盘承受着高温和高应力的叠加作用，工作条件苛刻，制备工艺复杂，技术难度大，成为我国发动机发展的难点之一。基于粉末高温合金具有优异的综合力学性能和良好的冷热工艺性能等优点，国外高性能航空发动机上广泛使用粉末涡轮盘。粉末涡轮盘的制造包括材料研制、母合金熔炼、粉末制备与处理、热等静压、等温锻造、热处理，以及高精度检测与评价等一系列关键制造技术，它承载着先进航空发动机制造不可或缺
49、的关键制造技术。国外粉末涡轮盘研究的趋势为在涡轮盘使用性能上从高强型涡轮盘向耐损伤型涡轮盘发展、制粉工艺向超纯净细粉方向发展，成型工艺在采用热等静压成型工艺的同时，还发展挤压成型工艺、等温锻成型工艺。国内，北京航空材料研究院已研制了多种航空发动机粉末涡轮盘，解决了先进航空发动机粉末涡轮盘的关键制造技术难题， 但粉末涡轮盘工程化制造问题还未彻底解决。3.7 叶片进排气边（前后缘）加工技术及自适应加工技术航空发动机叶片进排气边的加工质量是影响航空发动机气动性能的关键因素之一。进排气边也是叶片缺陷易发部位和钛合金缺陷敏感区，大量的发动机失效事件都是叶片进排气边加工缺陷造成的。由于叶片进排气边是叶片最薄的部位， 又是叶片的边沿部位，其刚性差、加工变形量大，加工