先进制造技术.doc

制造：制造的概念有狭义和广义之分狭义的制造：系统生产车间内与物流有关的加工和装配过程广义的制造：包含市场分析、产品设计、工艺设计、生产准备、加工装配、质量保证、生产过程管理、市场营销、售前售后服务，以及报废后的回收处理等整个产品生产周期内一系列相关联系的生产活动。制造系统：指由制造过程及其涉及的硬件、软件和人员组成的一个具有特定功能的有机整体。 这里所指的制造过程，即为产品的经营规划、开发研制、加工制造和控制管理的过程；所谓的硬件包括生产设备、工具和材料、能源以及各种辅助装置；而软件则包括制造理论、制造工艺和方法及各种制造信息等。制造技术的发展经历了五个发展时期：工厂式生产时期、工业化规模生产时期、刚性自动化发展时期、柔性自动化发展时期、综合自动化发展时期。先进制造技术的内涵：是在传统制造技术基础上不断吸收机械、电子、信息、材料、能源、以及现代管理技术的成果，将其综合应用于产品设计、加工装配、检验测试、经营管理、售后服务乃至回收的制造全过程，以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活的生产，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力的制造技术的总称。与传统制造技术的比较，先进制造技术具有如下特征：系统性、广泛性、集成性、动态性、实用性若从系统工程的观点分析，现代设计技术是一个由时间维、逻辑维、方法维共同组成的三维系统 时间维：反映按时间顺序的设计过程，分为产品规划、方案设计、技术设计、施工设计四个设计阶段计算机辅助设计（CAD）技术包含的内容：利用计算机进行产品的造型、装配、工程图绘制以及相关文档的设计；进行产品渲染、动态显示；对产品进行工程分析，如有限元分析、优化设计、可靠性设计、运动学及动力学仿真等。计算机辅助设计的关键技术：产品的造型建模技术、单一数据库与相关性设计、NURBS（非均匀有理B样条）曲面造型技术、CAD与其他CAX系统的集成技术、标准化技术优化必须具备两个条件: 存在一个优化目标；具有多个方案可供选择。优化设计的数学模型可由 设计变量、目标函数、设计约束 三部分组成，被称之为优化设计的三要素。根据约束性质的不同，可将设计约束分为 区域约束、性能约束。产品的可靠性可定义为：在规定的条件和规定的时间内，完成规定功能的能力。 规定的条件：环境条件、储存条件、受力条件； 规定的时间：指一定的时间范围，因产品的可靠性水平经过一个较长的稳定使用或储存阶段后，会随时间的增长而降低，时间越长，故障失效越多； 规定的功能：指产品若干功能的全部，而不是指其中一部分。可靠性设计的常用指标： 产品的工作能力、可靠度、失效率、平均寿命、可靠度的许用值。电子产品的失效率呈浴盆状，也称为浴盆曲线。该曲线将产品失效率分为三个阶段： 早期失效阶段：在该阶段由于工艺过程造成的缺陷，一些元件很快失效，表现出高的失效率 偶然失效阶段：也称为正常使用阶段，当有缺陷的元件被淘汰后，产品失效率明显下降并趋于稳定，仅仅是由于工作过程中不可预测的因素而导致的失效。 耗损失效阶段：该阶段产品元件经过较长时间的稳定工作后进入老化状态，失效率随着时间的延长而增大。机械产品与电子产品的失效率曲线存在较大区别。由于机械产品的主要失效形式有疲劳、磨损、腐蚀、蠕变等，都属于典型的损伤累计失效，而且一些失效的随机因素也很复杂。因此，随着时间的推移，失效率呈递增趋势。价值工程（VE）是一门管理及设计技术，它以产品的功能分析为核心，以科学的分析方法为工具，寻求功能与成本的最佳组合以获得最佳的产品价值。价值工程三要素：产品价值、产品功能、产品成本。 产品价值：可以用 合算不合算 或 值得不值得 来表达，即指事物的有益程度，它正确反映了功能与成本的关系。 产品功能：功能可解释为功用、作用、效能、用途、目的等。对于产品而言，功能就是产品的用途、产品所担负的职能或所起的作用。功能所回答的是“它的作用或用途是什么。“ 产品成本：成本是指实现功能所支付的全部费用。从产品来说，是以功能为对象而进行的成本核算。功能分析过程分为 功能定义、功能整理、功能评价三个步骤。与传统设计相比，绿色设计应遵循的设计原则：资源最佳利用原则、能量消耗最少原则、零污染原则、零损害原则、技术先进原则、生态经济效益最佳原则机械制造工艺定义：是将各种原材料通过改变其形状、尺寸、性能或相对位置，使之成为成品或半成品的方法和过程。机械制造工艺分为三个阶段：零件毛坯的成形准备阶段，包括原材料切割、焊接、铸造、锻压加工成形等 机械切削加工阶段，包括车削、钻削、铣削、刨削、镗削、磨削加工等 表面改性处理阶段。包括热处理、电镀、化学镀、热喷涂、涂装等。先进制造工艺技术特点：优质、高效、低耗、洁净、灵活。超塑性：是指材料在一定的内部组织条件和外部环境条件下，呈现出异常低得流变抗力、异常高的伸长率现象。粉末锻造成形：是将传统的粉末冶金和精密锻造结合起来的一种新工艺。粉末锻造成形的优越特点：能源消耗低，材料利用率高；锻件精度高，力学性能好，内部组织无偏析，无各向异性；疲劳寿命高。粉末锻造成形工艺过程：粉末制取模压成形型坯烧结锻前加热锻造后续处理。四大基本工程材料: 高分子材料已与钢材、水泥、木材。高分子材料成形加工技术：注射成形（最重要）、挤出成形、吹塑成形、压延成形、压制成形。超硬磨损砂轮修整方法：车削法、磨削法、喷射法、电解在线修锐法（ELID）、电火花修整法、超声波修整法、激光修整法等。超精密机床的主轴广泛采用液体静压轴承和空气静压轴承。微量进给装置有：机械或液压传动式、弹性变形式、热变形式、流体膜变形式、磁致伸缩式、压电陶瓷式。高速加工概念：是指采用超硬材料的刀具与磨具，能可靠地实现高速运动的自动化制造设备，极大地提高材料切除率，并保证加工精度和加工质量的现代制造加工技术。德国切削物理学家Salomon于1931年提出的著名切削理论认为：一定的工件材料对应有一个临界切削速度，在该切削速度下其切削温度最高。高速加工的优势：切削力低、热变形小、材料切除率高、高精度、减少工序。高速切削加工的关键技术：高速主轴、快速进给系统、高性能CNC控制系统、先进的机床结构、高速加工刀具等。高速磨削的特点：在材料切除率不变的条件下，提高切削速度可以降低单一磨粒的切削厚度，从而减小磨削力，降低工件表面的粗糙度；高速磨削时仍维持原有的切削力，可提高进给速度，降低加工时间，提高生产效率；既可用于精加工又可用于粗加工。高速主轴特点：先进的主轴结构、优良的主轴轴承、良好的润滑和散热技术、连续动平衡装配。快速原型制造技术（RPM）工艺方法： 光敏液相固化法（SLA）：又称为立体印刷和立体光刻。成形作业时，聚焦后的激光束或紫外光光点在液面上按计算机指令由点到线，由线到面的逐点扫描，扫描到的地方光敏树脂液被固化，未被扫描的地方仍然是液态树脂。当一个层面扫描完成后，升降台下降一个层片厚度的距离，重新覆盖一层液态光敏树脂，再次进行第二层扫描，新固化的一层牢固的粘接在前一层上，如此重复直至整个三维零件制作完毕。 SLA法的工艺特点：可形成任意复杂形状的零件；成形精度高；材料利用率高，性能可靠；适用于产品外形评估、功能试验、快速制造电极和各种快速经济模具；所需设备及材料价格昂贵，光敏树脂有一定毒性，不符合绿色制造趋势。 选区片层粘接法（LOM）：伺服电动机带动收纸辊转动，使纸卷沿图中箭头所示的方向移动一定距离。工作台上升至与纸面接触，热压辊沿纸面自右向左滚压，加热纸背面的热熔胶，并使这一层纸与基板上的前一层纸粘合。Co2 激光器发射的激光束跟踪零件的二维截面轮廓数据进行切割，并将轮廓外的废纸余料切割出方形小格，以便于成形过程完成后的剥离。每切割完一个截面，工作台连同被切出的轮廓层自动下降至一定高度，重复下一次工作循环，直至形成由一层层横截面粘叠的立体纸质原型零件。然后剥离废纸小方块，即可得到性能似硬木或塑料的“纸质模样产品”。 LOM特点：成形速度快，成形材料便宜，无相变，无热应力，形状和尺寸精度稳定，但成形后废料剥离费时。 选区激光烧结法（SLS）：是在一个充满氮气的惰性气体加工室中作业。先将一层很薄的可熔性粉末沉积到成形桶的底板上，该底板可在成形桶内作上下垂直运动。然后按CAD数据控制Co2 激光束的运动轨迹，对可熔粉末进行扫描融化，并调整激光束强度正好能将层高为0.1250.25mm的粉末烧结成形。这样，当激光束按照给定的路径扫描移动后就能将所经过区域的粉末进行烧结，从而生成零件原型的一个个截面。如同SLA工艺方法一样，SLS每层烧结都是在前一层顶部进行，这样所烧结的当前层能够与前一层牢固的粘接。在零件原型烧结完成后，可用刷子或压缩空气将未烧结的粉末去除。 SLS特点：取材广泛，不需要另外的支撑材料。微机械基本特征：体积小，精度高，重量轻；性能稳定，可靠性高；能耗低，灵敏度和工作效率高；多功能和智能化；适用于大批量生成，制造成本低。电子束表面处理特点：加热和冷却速度快；与激光处理相比，使用成本低；结构简单；电子束与金属表面偶合性好；电子束是在真空中工作的，可保证在表面处理时工件表面不被氧化；电子束能量的控制比激光束控制方便，通过灯丝电源和加速电压很容易实现准确控制；电子束辐射与激光辐射的主要区别在于产生最高温度的位置和最小熔化层的厚度。表面覆层技术：是指通过应用物理、化学、电学、光学、材料学、机械学等各种工艺手段，用极少量的材料，在产品表面制备一层保护层、强化层或装饰层，达到耐磨、耐蚀、耐热、抗疲劳、耐辐射、提高产品质量、延长使用寿命的目的。激光加工原理：激光是一种经受激辐射产生的加强光，当激光照射到工件表面时，光能被工件迅速吸收并转化为热能，致使光斑区域的金属蒸气迅速膨胀，压力突然增大，熔融物以爆炸式高速喷射出来，在工件内部形成方向性很强的冲击波。激光加工就是工件在光热效应下产生的高温熔融和冲击波的综合作用过程。激光加工特点：功率密度高几乎可以加工任何材料；激光光斑小到微米级；属于非接触加工，没有明显的机械力，没有工具损耗，可加工易变性的薄板和橡胶等弹性零件；加工速度快，热影响区小；属于一种瞬时的局部熔化和气化的热加工方法，其影响因素很多，其精度和表面粗糙度需反复试验，寻找合理的加工参数才能达到所需要求。超声波加工：是利用工具端面作超声频振动，通过磨料悬浮液加工脆性材料的一种成形加工方法。是磨粒在超声振动作用下的机械撞击和抛磨作用以及超声空化作用的综合结果，其中磨粒的撞击作用是主要的。 应用：适合于加工各种硬脆材料，特别是不导电的非金属材料。超声波加工装置包括：超声波发生器、超声振动系统、机床本体和磨料工作液循环系统等。制造自动化的发展分为：刚性自动化、柔性自动化、综合自动化三个阶段。工业机器人组成：执行机构、控制系统、驱动系统、位置检测机构等几部分。工业机器人分类：按系统功能分类专用机器人、通用机器人、示教再现式机器人、智能机器人 按驱动方式分类气压传动机器人、液压传动机器人、电气传动机器人、 按结构形式分类直角坐标机器人、圆柱坐标机器人、球坐标机器人、关节机器人工业机器人性能指标：自由度、工作空间、提取重力、运动速度、位置精度。常用的机器人编程方法：示教编程法、离线编程法。柔性制造系统（FMS）定义：至少有两台机床、一套具有高度自动化的物料运储系统和一套计算机控制系统所组成的制造系统，通过简单改变软件程序便能制造出多种零件中任何一种零件。 组成：加工系统、工件运储系统、刀具运储系统、一套计算机控制系统、冷却润滑系统、切屑运输系统、自动清洗装置、自动去毛刺设备。FMS机床设备的配置：互替式、互补式、混合式等，以满足FMS柔性和高效率的生产要求目前，FMS的夹具有两个重要发展趋势：大量使用组合夹具、开发柔性夹具。FMS工件运储系统包括：工件装卸站、托盘缓冲站、物料运载装置、自动化仓库等。物料需求计划（MRP）的信息来源：主生产计划、物料清单、库存状态文件、用户零部件订货的独立需求。MRP系统常用的批量规则：直接批量法、固定批量法、固定周期法、经济批量法（EOQ）。产品数据管理（PDM）系统是建立在关系型数据库管理系统平台上的面向对象的应用系统，其体系结构共有四层组成：第一是支持层、第二是对象层、第三是功能层、第四是用户层。及时生产的目标为零库存、零废品、零故障、零准备时间，其最终目标是获取最大利润。看板的功能：作为生产以及运送的工作指令、防止过量生产和过量运送、作为直观目视管理的工具、改善生产系统“体质”的工具。计算机集成制造系统（CIMS）的组成： 四个功能分系统：经营管理信息系统、工程设计自动化系统、制造自动化系统、质量保证信息系统。 两个支撑分系统：计算机网络、数据库管理。并行工程（CE）定义：是一种对产品及其相关过程进行并行的、一体化设计的工作模式，这种模式可使产品开发人员一