先进制造工艺技术概述1.ppt

先进制造工艺技术 先进制造技术 全生命周期设计 现代设计技术 先进制造工艺技术 制造自动化技术 可靠性设计 智能设计 工业机器人 数控技术 企业资源计划ERP 柔性制造技术 集成制造系统CIMS 精密洁净铸造 精确高效金属塑性成形工艺 超精密加工技术 现代管理技术 并行工程 第一节 概述 先进制造工艺技术精密 超精密加工技术精密加工 精度为3 0 3 mRa0 3 0 03 m超精密加工 精度为0 3 0 03 mRa0 3 0 005 m纳米加工 精度高于0 03 mRa小于0 3 0 005 m 精密成型制造技术从制造工件的毛坯 接近零件形状向直接制成工件的方向发展特种加工技术高能束流加工 电子束 离子束 激光束 电加工 电解和电火花 超声波加工高压水加工多种能源的组合加工 先进制造工艺技术 零件为什么比毛坯值钱 制造过程是原材料或毛坯所包含知识量或信息量的增值过程 构成制造系统的三大要素 制造行为的 三域 活动 一 加工域活动 直接改变零件形状 尺寸 性能的行为活动 是制造行为的基础域活动 1 机械加工技术的发展经历 18世纪前 是一种手工业生产方式 工匠使用手锤制造产品 19世纪发明了蒸汽机 形成制造机械化 20世纪CAD CAPP CAM等技术出现 工厂自动化程度增加 21世纪 制造系统网络化 信息化 智能控制 虚拟制造公司的出现 加工方法的进步历程 机械加工物理与电物理加工化学与电化学加工生物或仿生加工 完全符合科学认识过程从简单到复杂 从粗糙到细致的发展方向 定义工艺就是使各种原材料 半成品制造成为产品的方法和过程 机械制造工艺是将各种原材料 半成品加工成机械产品的方法和过程 是机械工业的基础技术之一 2 机械制造工艺的定义及内涵 机械的制造工艺过程通常可区分为热加工工艺过程 包括铸造 塑性加工 焊接 热处理 表面改性等 及冷加工工艺过程 工艺技术是核心 1 工艺是制造技术的关键工艺是设计和制造的桥梁 设计的可行性往往会受到工艺的制约 工艺和检测往往是 瓶颈 设计 工艺 二者均重要 2 工艺是生产中最活跃的因素同样的设计可以用不同的工艺方法来实现 工艺不同 使用的加工设备 工艺装备不同 其质量 生产率和技术经济性亦有差别 加工技术的发展多数是从工艺突破的 有了新的工艺方法才又有相应的工具和设备出现 从而形成或带动一个产业 如电加工方法 激光 超声波在加工中的应用等例子 3 工艺技术已形成科学长期以来 工艺未受重视 认为工艺是手艺 是工匠 技师的工作 未上升到理论高度 20世纪初 德国非常重视工艺 出版了不少专著和工作手册 20世纪50年代 原苏联出版了 机械制造工艺学 机械制造工艺原理 等著作 在大学开设了机械制造专业 将工艺作为一门学问对待 上升为理论 70年代又形成机械制造系统 使工艺逐步走向科学 世界制造技术强国德国 日本 美国 英国和意大利都十分重视工艺 他们的制造工艺比较发达 产品质量上乘 应该说产品质量是个综合因素与工艺技术 管理和人员素质等多个因素有关 但与工艺技术的关系最密切 3 20世纪制造理论和技术上的发展 1 工艺理论 1 加工成形机理含 分离 去除 加工 结合 堆积 分层 加工 变形 流动 加工 2 精度原理精度是工艺的关键问题之一 围绕精度 质量和优化出现了许多理论 A提出了机械加工精度原则 继承性原则和创造性原则 B提出了定位与基准的概念和六点定位规律 C提出了尺寸链原理和计算方法 D提出了质量统计分析原理和方法 3 相似性原理相似性是成组技术的理论基础 成组工艺是成组技术的核心 零件的分类成组方法是成组技术的关键 4 工艺决策原理提出了数学模型决策 逻辑推理决策 智能思维决策等方法 5 优化技术在工艺问题上的应用 20世纪制造理论和技术上的发展 先进制造工艺是在不断变化和发展的传统机械制造工艺基础上逐步形成的一种制造工艺技术 是高新技术产业化和传统工艺高新技术化的结果 先进制造工艺是先进制造技术的核心和基础 一个国家的制造工艺技术水平的高低 在很大程度上决定了其制造业在国际市场的竞争实力 4 先进制造工艺的定义及地位 制造加工精度不断提高 0 25nm切削加工速度迅速提高 1000m min新型工程材料的应用推动了制造工艺的进步和变革 自动化和数字化工艺装备的发展提高了机械加工的效率 零件毛坯成形在向少无余量发展 优质清洁表面工程技术的形成和发展 1 先进制造工艺的发展 2 制造工艺流程 5 机械制造工艺方法与分类 JB T5992 92 按大 中 小和细分类四个层次划分 机械制造工艺方法类别划分及代码 JB T5992 92 6 机械制造工艺的分类 受迫成形去除成形添加 堆积 成形生长成形 汽车模具系列MouldingDieForAutomotive 保险杠注射模 轮毂压铸模 轮胎橡胶模 密封圈挤出模 大型覆盖件模 反光镜玻璃模 绝缘陶瓷模 受迫成形 激光快速成形 7 机械加工技术的发展特点 1 从传统加工到特种加工 2 从狭义加工到广义加工 3 从减材加工到增材加工 4 从制造死物到制造活物 5 从它成形到自成形 1 从传统加工到特种加工 制造技术是古老而又不断刷新的生产技术 从18世纪起 在欧美就形成了近代机械制造业 第一次工业革命 到了19世纪又实现了制造机械化 这时 已经形成了一整套传统加工技术 即机械加工技术 随着机械寿命和材料强度的提高 使难切削材料愈来愈多 产品集成化使零件愈来愈复杂 产品小型化又提出了微细加工的需要 以及加工过程要求易於自动化等 使传统加工很难满足社会对机械制造业日益提高的要求 从20世纪30年代到80年代 随着制造技术与电力技术和电子技术结合 爆发了第一次制造革命 在这些年代 一个接一个的发明并在机械制造业应用了一系列与传统加工完全不同的新加工方法 这些方法统称为特种加工 其中包括物理和化学加工 简称理化加工 电物理和电化学加工 简称电加工及其复合加工 2 从狭义加工到广义加工 无论是传统加工还是特种加工 都有广义加工和狭义加工之分 广义加工包括 变形加工 接合加工 减材加工和改性加工等 变形加工简称成形 是由一定体积的材料使其变形成为所需形状 尺寸和性状的毛坯 半成品或零件的工艺方法 在传统加工中变形加工有冷固态变形 主要靠超过材料弹性界限的机械力作用 例如冷锻 冷压 冷拔 冷轧和冷挤等 也有热固态变形 主要靠热能和机械力的作用 例如热锻 热压 热拔 热轧和热挤等 此外还有液态变形或半液态变形 主要靠热能 有时还加机械力的作用 例如铸造 压铸和注射成形等 在特种加工中变形加工有放电成形 电磁成形和激光三维成形等 接合加工简称连接 是将两种或两种以上的材料或半成品连接在一起 使之成为半成品或零件的工艺方法 在传统加工中接合加工有压接 铆接 焊接和胶接等 在特种加工中接合加工有放电冲击焊接 电子束焊接 激光焊接和等离子焊接等 减材加工简称去除 是由大块原材料或有余量的毛坯逐步去除多余的材料 而得到所需形状 尺寸和性状零件的工艺方法 在传统加工中 减材加工主要利用机械力的作用去除原材料或毛坯的多余部分 即用高硬度的刀具切削原材料或毛坯使之变成零件 例如车 刨 剃 锯 钻 镗 铣 拉 铰 攻丝等切削加工和磨削加工 特种加工中减材加工有放电加工 电解加工 激光加工 超声加工 电子束加工 化学加工 等离子加工和离子束加工等 改性加工简称处理 是用冷 热和化学处理以及腐蚀 抛光 包涂 合金化和喷丸等来改变材料 毛坯 半成品或零件内部 表层或表面的物理 化学或几何等特性的工艺方法 狭义加工单指减材加工 虽然传统加工和特种加工都包含着广义加工 但它们都以减材加工为主要加工手段 随着精密变形加工和精密接合加工技术的进步 机械制造业以减材加工为主要精加工手段的局面被打破 代之以各种广义加工方法并用的局面 3 从减材加工到增材加工 在进入20世纪90年代以来 面临动态多变市场的机械制造业 产品周期缩短 产品更新加快 品种增多 批量减少 产品的质量 价格和交货期已成为增加企业竞争力的三个决定性因素 以减材加工为主要手段的制造业 难以满足如上的要求 为此 随着制造技术与材料技术 能源技术 微电子技术和信息技术的结合 以增材加工为主要内容的第二次制造革命应运而生 增材加工简称生长 是用类似生长的方法逐渐增加材料 直到生成所需形状 尺寸和性状的样件或零件 在传统加工的基础上 虽然有人试图用形状熔化或焊接 以及三维焊接来发展增材加工 但没有取得实用性进展 后来又在特种加工的基础上开发了增材加工 它是采用粘结 熔结和聚合作用或化学反应等手段 选择性地固化液体材料或粘结固体材料等 以此制造所需形状 尺寸和性状的零件 这种制造技术是一种多学科的综合技术 包括 CAD技术 CNC技术 能源技术和材料技术等 采用这种制造技术可以在短短两天给顾客制造新型样件 它不是显示在计算机屏幕上的画面 而是一个实际物体 如顾客不满意 可以立即在CAD系统中进行修改 再制造出一个新样件 直到顾客满意为止 专家预言 这种新型制造技术给制造业带来的影响 可以同数控技术相媲美 最初人们把它叫做快速原型制造或快速成形 至今还广泛使用这个名称 目前已有多种增材加工方法 其中应用较好的如化学法中的液态光敏树脂选择性固化 复合法中的纸基材料选择性切割 热物理法中的丝状材料选择性熔覆和粉末材料选择性烧结 以及喷射法中的粉末材料选择性粘结和基于创新的数字化喷射RP技术等 快速原型制造 或 快速成形 这个名称不是最合理 因为 快速 并非指加工速度快 而是指全部加工时间短 另外 现有的众多方法早已超出 原型制造 的范围 因此 采用 增材加工 这个名称 足以概括全部方法和应用 清楚地指出了加工原理 并能用其英文缩写MAM清楚地与减材加工的英文缩写MRM相对应 4 从制造死物到制造活物 自古以来 制造业一直制造死物 无法制造活物 因为它是人类的制造过程 自地球上有生命以来 生物界一直繁衍活物 不会繁衍死物 因为它是自然界的生命过程 但是 在制造业日趋信息化和生命科学走向工程化的今天 如果把制造工程 生命科学 计算机技术 信息技术 材料工程各领域的最新成果组合起来 使其彼此沟通 那麽制造业不仅能制造出无生命的复杂智能机器 而且还可利用基因工程的成就 制造出有生命 可供移植的器官和可供利用的仿生部件 脑与认知科学的成就将使部分地模拟脑功能和行为成为可能 人类进而在21世纪制造出可部分地模拟人类智慧的人造脑和机器人 这就形成了一种特殊的制造工程 即生物制造工程 生物制造工程不仅包括制造类生物或生物体 而且还包括利用生物的机能进行制造 基因复制 生物去除或生物生长 即自成形 5 从它成形到自成形 在此以前不管是变形加工的塑性成形 还是接合加工的连接成形 也不管是减材加工的去除成形 还是增材加工的生长成形 它们都属于它成形 所谓它成形 就是在外界强制作用下的成形 这种外界的强制作用如 热熔金属在模具中的浇铸 靠热和机械力作用下的模锻 在超过材料弹性界限机械力作用下的模压以及轮廓控制下的去除和生长等 随着生物制造的需要 将有非常精巧 复杂的结构等待制造 它成形的加工方法已不能满足生物制造日益提高的要求 因此 一种按生物生长 发育 在其内在基因控制下 通过细胞并行分裂而进行的自成形 又称自组织成形或自生长成形的加工新方法即将诞生 这种方法是仿生制造中最核心的问题 仿生制造技术属于制造科学和生命科学的 远缘杂交 是模仿生物的组织结构和运行模式的制造系统和制造过程的总称 二 物流域活动 物流是物料的流动过程 分为 工件流工具流配套流物流域活动是指工件流 工具流和配套流的移动和存储 主要完成物料的存储 输送 装卸等功能 物流域活动 21世纪是一个消耗多样化 生产少量化 流通高效化的时代 物流服务的优质化是今后发展的趋势 把好的产品 Therightproduct 在规定的时间 Attherighttime 规定的地点 Intherightplace 以需要的数量 Intherightquantity 合适的价格 Attherightprice 提供给客户将成为物流优质服务的目的 1 物流域活动的主要装备 1 夹具2 连续输送装置3 吊车和卷扬机4 运货车5 自动导引小车 AGV AutomatedguidedVehicles 6 物流系统中的自动化仓库 气动虎钳液压夹具 机床夹具 三爪卡盘 四爪卡盘 万向平口钳 回转工作台 分度头 通用夹具 组合夹具实例 机床夹具 2 机床的分类与型号编制 按机床的加工性质和所用刀具来分类 分成为12大类 车床 钻床 镗床 磨床 齿轮加工机床 螺纹加工机床 铣床 刨插床 拉床 特种加工机床 锯床和其它机床 每一类机床 又可按其结构 性能和工艺特点的不同细分为若干组 普通车床 万能卧式升降台铣床的组成 万能卧式升降台铣床1 底座2 床身3 悬梁4 主轴5 支架6 工作台7 回转盘8 床鞍9 升降台 立式钻床1 工作台2 主轴3 主轴箱4 立柱5 底座 摇臂钻床1 底座2 工作台3 立柱4 摇臂5 主轴箱和进给箱6 主轴 f 立式钻床与摇臂钻床的组成 卧式镗床的组成 普通外圆磨床的组成 立式加工中心的组成 三 信息域活动 1 设计过程的信息域活动2 加工过程的信息域活动3 物流过程的信息域活动4 管理中的信息域活动 第二节 常见的先进制造工艺技术 1 精密洁净铸造工艺2 精确高效金属塑性成形工艺3 优质高效焊接及切割技术4 优质低耗洁净热处理技术5 优质清洁表面工程技术6 超高速加工技术7 超精密加工技术8 微型机械加工技术9 非传统加工技术 先进制造工艺的特点 1 优质2 高效3 低耗4 洁净5 灵活 一 特种铸造 特种铸造 金属型铸造 离心铸造 压力铸造 熔模铸造 低压铸造 挤压铸造 陶瓷型铸造 4 3压力铸造 压力铸造是在专用设备 压铸机上进行的一种铸造 即在高速 高压下将熔融的金属液压入金属铸型 使它在压力下凝固获得铸件的方法 压铸工艺过程 4 4低压铸造 低压铸造是采用较压力铸造低的压力 一般为0 03 0 07Mpa 将金属液从铸型的底部压入 并在压力下凝固获得铸件的方法 带保温炉 不带保温炉 1 坩埚 2 升液管 3 金属液 4 进气管 5 密封盖 6 浇道 7 型腔 8 铸型 4 5熔模铸造 熔模铸造又名 失蜡法铸造 是采用易熔的蜡质材料制成模型 然后用造型材料将其包覆若干层 待其干燥硬化后将蜡模熔化获得无分型面的壳型 经烘干后浇注金属液而获得铸件的铸造方法 蜡模铸造工艺流程 蜡模制造 结壳 浇注 焙烧 脱模 脱蜡和造型 4 6离心铸造 离心铸造是将金属液浇入高速旋转 250 1500r min 的铸型中 并在离心力作用下充型和凝固的铸造方法 其铸型可以是金属型 也可以是砂型 既适合制造中空铸件 也能用来生产成形铸件 精密工程与纳米技术是衡量现在制造技术水平的重要指标之一 是现代制造技术中最活跃的因素 精密工程包括精密加工技术和超精密加工技术 纳米技术通常是指纳米级制造技术 实际上它是超精密加工技术的一部分 代表了超精密加工的最高水平 受到了世界各个工业发达国家的重视 二 精密工程和纳米技术 目前 大多数学者都将精密和超精密加工技术分为机械和非机械两大类 同时以加工半导体和制作集成电路为背景 提出了微细加工技术 以后又出现了反映当前最高精度的纳米加工技术 1 机械精密和超精密加工技术主要指金刚石刀具超精密切削 金刚石微粉砂轮超精密磨削 精密研磨和抛光等传统加工方法及其微型化 2 非机械精密和超精密加工技术 主要指微电子束加工及离子束加工 激光束加工等非传统加工及其微型化 可以很明显地看出 所谓非机械超精密加工技术实际上就是超精密特种加工 3 微细加工技术 微细加工技术是指制造微小尺寸零件的加工技术 它是在半导体集成电路制造技术的基础上形成并发展的 是大规模集成电路和计算机技术的基础 是信息时代 微电子时代 光电子时代的关键制造技术之一 在微细加工时 由于加工尺寸很小 精度是用去除材料大小的绝对值来表示 引入了加工单位尺寸的概念 加工单位尺寸i简称加工单位 它表示去除材料的大小 例如 原子加工单位表示能去除一个原子 下图示意表示了常用的非机械微细加工 微细加工的发展出现了超微细加工 它们都以电子束 离子束和激光束三束加工为基础 采用沉积 刻蚀 溅射和蒸镀等加工手段进行各种处理 4 纳米技术纳米技术是当前先进制造技术发展的热点和重点 通常指0 1 100nm的材料 产品设计 加工 检测及控制等一系列技术 它是科技发展的一个新兴领域 它不是简单的 精度提高 和 尺寸缩小 而是从物理的宏观领域进入到微观领域 一些宏观的几何学 力学 热力学和电磁学等都不能正常描述纳米级的工程现象与规律 纳米技术主要包括 纳米材料 纳米级精度制造技术 纳米级精度和表面质量检测 纳米级微传感器和控制技术 微型机电系统和纳米生物学等 微型机电系统 Microelectromechanicalsystems MEMS 是指集微型机构 微型传感器 微型执行器 信号处理 控制电路 接口 通信和电源等于一体的微型机电器件或综合体 它是美国的惯用词 日本习惯地称为微型机械 Micromachine 欧洲称之为微型系统 Microsystems 现在大多称为微型机电系统 它可以认为是一个产品 如图2所示 目前 微型机电系统的发展前沿主要有 微型机械学研究 微型结构加工技术 高深宽比多层微结构的表面加工和体加工技术 微装配 微键合 微封装技术 微测试技术 典型微器件及微机械的设计制造技术等 三 计算机集成制造系统CIMS制造科学和工程技术专家总结了制造系统的发展 将其分为四个阶段 1 刚性自动线 现在仍然是单一品种大批量生产自动化的主要形式 2 柔性制造系统 它是在数控机床和加工中心的基础上发展起来的 它由数控机床和加工中心 一般为2至8台 物流 检测和清洗等装备构成 具有工件的自动加工 运输 存储 上下料和检测等功能 实现了高度的自动化和高柔性 3 集成制造系统 它是在计算机系统 网络和数据库的支撑环境下 由以计算机辅助设计为核心的工程信息分系统 计算机辅助制造为中心的柔性制造分系统 计算机管理信息分系统和计算机质量管理分系统所组成 体现了功能集成 信息集成 过程集成 人机集成和学科集成 实现了车间 工厂的综合自动化 计算机集成制造系统很快就发展为并行工程 它是在集成的基础上并行有序地设计和开发产品全生命周期的各个过程的系统方法 它要求产品开发人员在设计一开始就能考虑产品从概念形成到报废处理的所有因素 从而能够缩短产品开发周期 提高质量 降低成本 增强企业竞争能力 4 智能制造系统 它是发挥人的创造能力和具有人的智能的制造系统 制造工作者认为它是当前制造系统发展的最高阶段 展现了与人类智能行为相关的特性 如理解语言 学习能力 逻辑推理和解决问题等能力 能够深入了解人脑活动机理 取代人的部分脑力劳动 强调企业的自组织能力 智能制造技术的内容大体包括专家系统 模糊推理 人工神经网络和遗传因子等方面 其表现形式有智能制造单元和系统 如智能数控机床 智能机器人 制造过程的智能控制 智能监测与诊断系统等 四 特种加工技术特种加工由于具有工具的强度和硬度可以低于工件的强度和硬度的特点 因此适于加工高硬度材料 脆性材料等难加工材料 由于它不是靠力来进行加工 所以适于加工微细零件 薄壁零件 弹性零件 又由于工具损耗很少 因此适于舶工复杂成形表面和型腔等模具零件 1 电加工主要有电火花线切割和电火花成形两种加工形式 2 电化学加工 主要有电解加工 电镀 电铸 刷镀及一些复合加工方法 3 高能束流加工 这是20世纪的重大科技成果 主要是指电子束 离子束和激光束三束加工又称高能束流加工 现己成为微细加工方法的主流 4 超声波加工 主要有超声波成形加工 旋转加工 振动切削 探测 如探伤 测距等 和焊接等加工 已经发展为一种不可缺少的特种加工方法 其中的超声波旋转加工已成功的运用在硬脆材料的孔加工上 特种加工的发展一方面在能源上己从机械能向声能 光能 电能 磁能 热能 分子运动能 化学能及电化学能等方向发展 甚至向量子能加工方向迈进 寻求新的能源 另一方面特种加工和精密加工又是密切结合的 形成了精密特种加工 许多特种加工方法同时又是精密加工方法 相辅相成 相互促进 特别是在纳米加工中 正是采用了许多特种加工手段才得以解决 5 快速成形制造它是一种堆积 分层 加工方法 属于结合加工的一种 目前多归在特种加工范畴内 现在 平面分层方法多称之为快速原型制造 并已发展为快速成形制造 即可以直接形成零件 不必要经过原型阶段 不仅可以制造塑料 纸 蜡等材料的模具和制品 而且可以直接形成金属零件 特别是可以利用抽壳技术直接成形如人的骨筋等中空零件间 在生物工程上有颇多应用 成为20世纪具有突破性的重要制造科技成果之一 6 表面工程零件表面进行的镀层 涂敷 注入和氧化等表面处理 可统称为表面工程 它是近年来发展起来的新学科 表面工程学是由材料学 冶金学 机械学 物理学 化学和电子学等多个学科交叉 融合发展起来的 以研究 表面 为主线 主要有表面层失效分析理论 表面摩擦与磨损理论 表面腐蚀与防护理论 表面结合与复合理论 以及表面处理技术等方面 表面处理技术基本上属于结合加工 其主要的加工方法有 原子分子沉积 如镀 气相沉积等 颗粒沉积 如热喷涂等 涂敷覆盖 如喷塑 刷镀等 表面改性处理 如离子溅射注入 激光表面处理等 涂敷覆盖 如喷塑 刷镀等 表面改性处理 如离子溅射注入 激光表面处理等 和表面接合 如包金属箱 化学粘接等 如激光表面处理就可以进行固态相变 重熔 涂敷和镀膜 是一种非常有前途的表面加工方法 7 水喷射加工 水喷射加工系统及其应用技术a 加工装置其结构示意图如图1所示 1 超高压水射流发生器它包括盛液箱 使脉动的液压趋于平稳的储液罐 液压泵 增压器 液压站和调节压力的控制器 2 磨料混合和液流处理它包括磨料仓 磨料与高压水的混合器 涡旋分离式磨料过滤器 以及喷射加工后回流液中杂质和油脂的清滤装置 根据磨料与超高压水混合时的部位不同分为 在喷嘴前已混合好的前混式 利用高速水流的负压效应在喷嘴旁路吸入磨料进行混合的后混式 两者性能对比见表13 喷嘴喷射的材料及工作条件如表2所示 采用金刚石喷嘴的寿命一般约200h 表