工艺技术_先进制造工艺技术培训教材

先进制造工艺技术 郑华林 教授 博导 2 内容 先进制造技术及其体系结构先进制造工艺技术及其发展趋势高速切削加工技术精密与超精密加工技术特种加工技术快速原型制造技术 3 经济和社会 的发展 以信息技术 为主导的高 技术 的发展 全球化制造 TQCSEK 从传统的 简单 相对稳定 的市场到 复杂 动态多变 的 全球市场 制造业的新变化 4 是制造大国 不是制造强国 发电设备 机床 汽车 电子制造等产品产量居世界前列 却没有一家装备制造企业能跻身世界500强 关键装备大多依赖进口光电子制造设备的100 IC制造装备的85 高档数控机床的70 我国制造科学发展现状 原创性的技术和成果缺乏 企业的核心竞争力不足 制造科学基础研究相对薄弱 5 国外制造科学发展现状 先进制造技术 AMT 是工业发达国家的国家级关键技术和优先发展领域 6 AMT内涵与体系结构 至今尚无明确的和一致公认的定义 可以认为 AMT是制造业不断吸收信息技术和现代管理技术的成果 将其综合应用于产品设计 加工 检测 管理 销售 使用 服务乃至回收的制造全过程 以实现优质 高效 低耗 清洁 灵活生产 提高对动态多变市场的适应能力和竞争力的制造技术的总称 要点 目标提高制造企业对市场的适应能力和竞争力强调信息技术 现代管理技术与制造技术的有机结合关注信息技术 现代管理技术在整个制造过程中综合应用 7 AMT内涵与体系结构 第二个层次是新型的制造单元技术 如制造业自动化单元技术 极限加工技术 质量与可靠性技术 系统管理技术 CAD CAM 清洁生产技术 新材料成形加工技术 激光与高密度能源加工技术 工艺模拟及工艺设计优化技术等 第一个层次是优质 高效 低耗 清洁基础制造技术 包括精密下料 精密塑性成形 精密铸造 精密加工 精密测量 毛坯强韧化 精密热处理 优质高效连接技术 功能性防护涂层及各种与设计有关的基础技术 各种现代管理技术 第三个层次是先进制造集成技术 这是应用信息技术和系统管理技术 通过网络与数据库对上述两个层次的技术集成而形成的 如FMS CIMS IMS以及虚拟制造技术等 8 管理数字化 设计数字化 生产过程数字化 加工装备数字化 企业数字化 先进制造技术 9 以三维CAD为代表的产品创新设计 管路设计 强度分析 结构分析 数字预装配 CAM 装配过程仿真 装配过程仿真 通过产品设计手段与设计过程的数字化 缩短新产品开发周期 提高企业的产品创新能力 工艺规划 先进制造技术 10 以ERP为代表的企业现代管理 通过企业内外部管理的数字化 实现制造资源的最优化配置 先进制造技术 11 以数控机床为代表的数字化装备 通过加工装备的数字化 自动化和精密化 提高产品的加工精度和生产效率 精密工具 数控设备 柔性生产线 先进制造技术 12 内容 先进制造技术及其体系结构先进制造工艺技术及其发展趋势高速切削加工技术精密与超精密加工技术特种加工技术快速原型制造技术 13 先进制造工艺技术 先进制造工艺技术是在机械制造工艺不断变化与发展后所形成的制造工艺技术 包括 常规工艺经优化后的工艺 不断发展的新型加工方法 其主要技术体系由先进成形加工技术 现代表面工程技术 先进制造加工技术等构成 先进制造工艺技术是AMT的核心和基础 任何高级的自动控制系统都无法取代先进制造工艺技术的作用 它反应了制造业的水平 14 先进制造工艺的特点 1 先进性主要表现在优质 高效 低耗 洁净 柔性五个方面 2 实用性它是当今或不久将来机械工厂量大面广的看家工艺 一般投资不高 且有不同档次 宜于工厂根据本身的条件通过技术改造予以采纳 3 前沿性先进制造工艺是高新技术产业化或传统工艺高新技术化的结果 它们是制造工艺研究最为活跃的前沿领域 部分先进制造工艺可能目前应用还不广泛 但是它们代表着某些发展方向 而且可望会得到越来越广泛的应用 15 先进制造工艺技术发展趋势 采用模拟技术 优化工艺设计应用模拟技术 可以虚拟显示材料热加工 铸造 锻压 焊接 热处理 注塑等 的工艺过程 预测工艺结果 组织性能质量 并通过不同参数比较以优化工艺设计 确保大件一次制造成功 确保成批件一次试模成功 模拟技术同样已开始应用于机械加工 特种加工及装配过程 并已向拟实制造成形的方向发展 成为数字化制造的技术基础 不同切削参数切屑形成及温度分布 16 先进制造工艺技术发展趋势 采用模拟技术 优化工艺设计应用模拟技术 可以虚拟显示材料热加工 铸造 锻压 焊接 热处理 注塑等 的工艺过程 预测工艺结果 组织性能质量 并通过不同参数比较以优化工艺设计 确保大件一次制造成功 确保成批件一次试模成功 模拟技术同样已开始应用于机械加工 特种加工及装配过程 并已向拟实制造成形的方向发展 成为数字化制造的技术基础 三种刀具切削仿真及切削力比较 17 先进制造工艺技术发展趋势 成形精度向近无余量方向发展随着毛坯精密成形工艺的发展 零件成形的形状尺寸精度不断向净成形 NetShapeForming 即近无余量成形方向发展 毛坯 与 零件 的界限越来越小 有的毛坯成形后 已接近或达到零件的最终形状和尺寸 磨削后即可装配 成形质量向近无 缺陷 方向发展近年来热加工界提出了 向近无缺陷 方向发展的目标 这个 缺陷 是指不致引起早期失效的临界缺陷概念 采取的主要措施有 采用先进工艺 增大合金组织的致密度 为得到健全的铸件 锻件奠定基础 采用模拟技术 优化工艺设计 实现一次成形及试模成功 加强工艺过程监控及无损检测 及时发现超标零件 通过零件安全可靠性能研究及评估 确定临界缺陷量值等 18 先进制造工艺技术发展趋势 机械加工向超精密 超高速方向发展超精密加工技术目前已进入纳米加工时代 加工精度达0 025 m 表面粗糙度达0 0045 m 目前起高速切削铝合金的切削已超过1600m min 铸铁为1500m min 超高速切削已成为解决一些难加工材料加工问题的一条途径 采用新型能源及复合加工激光 电子束 离子束 分子束 等离子体 微波 超声波 电液 电磁 高压水射流等新型能源或能源载体的引入 形成了崭新的特种加工及高密度能切割 焊接 熔炼 锻压 热处理 表面保护等加工工艺或复合工艺 其中以多种形式的激光加工发展最为迅速 这些新工艺不仅提高了加工效率和质量 同时还解决了超硬材料 高分子材料 复合材料 工程陶瓷等新型材料的加工难题 19 先进制造工艺技术发展趋势 采用自动化技术 实现工艺过程的优化控制微电子 计算机 自动化技术与工艺设备相结合 形成了从单机到系统 从刚性到柔性 从简单到复杂等不同档次的多种自动化成形加工技术 使工艺过程控制方式发生了质的变化 采用清洁能源及原材料 实现清洁生产机械加工过程产生大量废水 废渣 废气 噪声 振动 热辐射等 劳动条件繁重危险 已不适应当代清洁生产的要求 近年来清洁生产成为加工过程的一个新的目标 除搞好三废治理外 重在从源头抓起 杜绝污染的产生 途径为 一是采用清洁能源二是采用清洁的工艺材料开发新的工艺方法三是采用新结构 减少设备的噪声和振动在清洁生产基础上 满足产品从设计 生产到使用乃至回收和废弃处理的整个周期都符合特定的环境要求的 绿色制造 将成为21世纪制造业的重要特征 20 内容 先进制造技术及其体系结构先进制造工艺技术及其发展趋势高速切削加工技术精密与超精密加工技术特种加工技术快速原型制造技术 21 高速切削技术 高速切削是一个相对概念 是相对常规切削而言 用较高的切削速度对工件进行切削 一般认为应是常规切削速度的5 10倍 高速切削的速度范围与加工方法和工件材料密切相关 HSC High Speed CuttingHSM High Speed MachiningHSM High Speed MillingHSD High Speed DrillingHST High Speed TurningHSTM High Speed Turn Milling 22 高速加工的切削速度范围 高速加工切削速度范围因不同的工件材料而异 车削 700 7000m min 铣削 300 6000m min 钻削 200 1100m min 磨削 50 300m s 高速加工切削速度范围随加工方法不同也有所不同 高速切削技术 23 20世纪80年代以来 新型刀具材料的发展为高速切削的实际应用创造了条件 高速切削技术 24 Al2O3基陶瓷刀具端铣调质45 钢时的切削力 高速切削加工中的切削力变化 高速切削的特点之一 200 0 1200 1000 800 600 400 1400 0 70 140 210 280 350 切削分力 N 切削速度 m min F z F x F y 25 高速切削试验中温度与速度的关系 高速切削的特点之二 CBN刀具12000C 26 高速切削可提高加工效率降低加工成本 高速切削的特点之三 刀具费用只占总加工成本的4 切削界公认的事实加工效率提高20 加工成本降低15 刀具价格下降20 加工成本降低0 6 刀具寿命延长一倍加工成本降低1 5 加大刀具投入 用先进刀具高速切削提高生产效率降低总生产成本 是切削理念的一次进步 27 加工效率高 进给率较常规切削提高5 10倍 材料去除率可提高3 6倍切削力小 较常规切削至少降低30 径向力降低更明显 有利于减小工件受力变形 适于加工薄壁件和细长件切削热小 加工过程迅速 95 以上切削热被切屑带走 工件积聚热量极少 温升低 适合于加工熔点低 易氧化和易于产生热变形的零件加工精度高 刀具激振频率远离工艺系统固有频率 不易产生振动 又切削力小 热变形小 残余应力小 易于保证加工精度和表面质量工序集约化 可获得高的加工精度和低的表面粗糙度 并在一定条件下 可对硬表面进行加工 从而可使工序集约化 这对于模具加工具有特别意义 高速加工的特点 高速切削技术 28 航空航天 带有大量薄壁 细筋的大型轻合金整体构件加工 材料去除率达100 180cm3 min 镍合金 钛合金加工 切削速度达200 1000m min汽车工业 高速加工的应用 采用高速数控机床和高速加工中心组成高速柔性生产线 实现多品种 中小批量的高效生产 模具制造 高速铣削代替传统的电火花成形加工 效率提高3 5倍 高速切削技术 29 实现高速切削的关键技术 高速切削机理及工艺高性能刀具材料及刀具设计制造技术高性能机床及其附件 机床结构及材料 机床设计制造技术 高速主轴系统 快速进给系统 高性能CNC系统 高性能刀具及工件夹紧系统 高效高精度测量测试技术 安全防护技术 高速切削技术 30 高速切削加工科学内涵 31 面向高速切削的切削刀具 特点 三高一专 即高效率 高精度 高可靠性和专用化 在基体上焊接刀片 材料CBN PCD 的HSC刀具 以高强度铝合金做基体的HSC端面铣刀 带内部冷却的钻头 高速切削技术 32 高速切削刀具装卡系统 最小的动不平衡量最小的径向偏差高刚性传递高扭矩高精度换刀时的高重复精度高转速下的安全性 要求 方案 用空心短锥柄 HSK系列 取代快换锥柄 SK系列 通过主轴端面进行轴向定位 主轴和空心锥柄的胀塞配合 HSK 高速切削技术 33 面向高速切削的切削机床 高速电机主轴 驱动电机与主轴的一体化转速至80 000r min 用于小直径刀具的高速切削大转速范围内的高扭矩输出首选球轴承 液压轴承 气压轴承或磁轴承 高速切削技术 34 高速切削技术 高度集中 复合 概念已成为制造业新的发展趋势 它可以一次安装工件 用复合加工刀具多工序复合加工 也可以在同一台机床上同时实现多工序或多面体加工 大大减少安装工件和换刀时间 降低非切削辅助时间 提高加工效率和质量 高效复合加工技术 叶根轮专用槽铣刀 多功能刀具的高效率组合加工 35 内容 先进制造技术及其体系结构先进制造工艺技术及其发展趋势高速切削加工技术精密与超精密加工技术特种加工技术快速原型制造技术 36 精密与超精密加工技术 精密加工 在一定的发展时期 加工精度和表面质量达到较高程度的加工工艺 超精密加工 在一定的发展时期 加工精度和表面质量达到最高程度的加工工艺 瓦特改进蒸汽机 镗孔精度1mm20世纪40年代 最高精度1 m20世纪末 精密加工 0 1 m Ra 0 01 m 亚微米加工 超精密加工 0 01 m Ra 0 001 m 纳米加工 微细加工 微小尺寸的精密加工超微细加工 微小尺寸的超精密加工 37 精密与超精密加工技术 38 精密与超精密加工技术是一个国家制造业水平重要标志例 美国哈勃望远镜形状精度0 01 m 超大规模集成电路最小线宽0 1 m 日本金刚石刀具刃口钝圆半径达2nm 精密加工与超精密加工技术是先进制造技术基础和关键例 美国陀螺仪球圆度0 1 m 粗糙度Ra0 01 m 导弹命中精度控制在50m范围内 英国飞机发电机转子叶片加工误差从60 m降至12 m 发电机压缩效率从89 提高到94 齿形误差从3 4 m减小1 m 单位重量齿轮箱扭矩可提高一倍 精密加工与超精密加工技术是新技术的生长点精密与超精密加工技术涉及多种基础学科和多种新兴技术 其发展无疑会带动和促进这些相关科学技术的发展 精密与超精密加工地位 精密与超精密加工技术 39 精密与超精密加工技术 40 精密与超精密加工特点 精密与超精密加工技术 41 精密与超精密加工技术 42 精密与超精密加工技术 43 金刚石刀具的性能特征 1 具有极高的硬度 其硬度达到6000 10000HV 而TiC仅为3000HV WC为2400HV 2 能磨出极其锋锐的刃口 且切削刃没有缺口 崩刃等现象 天然单晶金刚石刃口圆弧半径可小到数纳米 没有其他任何材料可以磨到如此锋利的程度 3 热化学性能优越 具有导热性能好 与有色金属间的摩擦系数低 亲和力小等特征 4 耐磨性好 刀刃强度高 金刚石摩擦系数小 和铝之间的摩擦系数仅为0 06 0 13 如切削条件正常 则刀具磨损极慢 刀具耐用度极高 精密与超精密加工技术 44 金刚石刀具超精密切削的机理和一般的切削是有很大差别 切削力 原子结合力 剪切应力达13000N mm2 切削深度极小 可能小于晶粒的大小 切削就在晶粒内进行刀尖处温度极高 应力极大 普通刀具难以承受 高速切削 与传统精密切削相反 工件变形小 表层高温不会波及工件内层 可获得高精度和好表面质量 精密与超精密加工技术 45 金刚石车床 加工4 5mm陶瓷球 精密与超精密加工技术 金刚石车床及其加工照片 46 内容 先进制造技术及其体系结构先进制造工艺技术及其发展趋势高速切削加工技术精密与超精密加工技术特种加工技术快速原型制造技术 47 特种加工又称非传统加工 通常被理解为别于传统切削与磨削加工方法的总称 特种加工方法产生于二次大战后 三方面问题传统机械加工方法难于解决 1 难加工材料的加工问题 宇航工业等对材料高强度 高硬度 高韧性 耐高温 耐高压 耐低温等的要求 使新材料不断涌现 2 复杂形面 薄壁 小孔 窄缝等特殊工件加工问题 3 各种超精 光整或具有特殊要求的零件的加工问题 为解决上面三方面问题 出现了特种加工方法 特种加工方法将电 磁 声 光等物理量及化学能量或其组合直接施加在工件被加工的部位上 从而使材料被去除 累加 变形或改变性能等 特种加工技术概述 48 常见特种加工方法 电火花加工 电火花成型 电火花线切割 电化学加工 电解 电铸 电镀 超声加工 激光加工 水射流加工 49 电能与热能作用方式 电火花EDM 线切割WEDM 电子束EBM 等离子PAM电能与化学能作用方式 电解ECM 电铸 电刷镀电化学能与机械能作用方式 电解磨削ECG 电解珩磨ECH声能与机械作用能作用方式 超声波加工USM光能与热能作用方式 激光加工LBM电能与机械作用能作用方式 离子束加工IM液流能与机械作用能 挤压珩磨AFH 水射流WJC 特种加工方法分类 按能量形式和作用原理分类 特种加工技术概述 50 特种加工方法主要不是依靠机械能 而是用其它能量 如电能 光能 声能 热能 化学能等 去除材料 特种加工方法由于工具不受显著切削力的作用 工具的硬度不一定大于工件的硬度 对工具和工件的强度 硬度和刚度均没有严格要求 一般不会产生加工硬化现象 且工件加工部位变形小 发热少 或发热仅局限于工件表层加工部位很小区域内 工件热变形小 加工应力也小 易于获得好的加工质量 加工中能量易于转换和控制 有利于保证加工精度和提高加工效率 特种加工方法的材料去除速度 一般低于常规加工方法 这也是目前常规加工方法仍占主导地位的主要原因 特种加工方法特点 特种加工技术概述 51 拓宽现有特种加工方法的应用领域 例如 非导电材料的电火花加工 电火花 激光 电子束表面改性等 向微细化方向发展 目前 国际上对微细电火花加工 微细超声波加工 微细激光加工 微细电化学加工等的研究正方兴未艾 特种微细加工技术有望成为三维实体微细加工的主流技术 采用数控 自适应控制 CAD CAM 专家系统等技术 提高加工过程自动化 柔性化程度 发展趋势 特种加工技术概述 52 工作原理 利用工具电极与工件电极之间脉冲性火花放电 产生瞬时高温 工件材料被熔化和气化 同时 该处绝缘液体也被局部加热 急速气化 体积发生膨胀 随之产生很高的压力 在这种高压作用下 已经熔化 气化的材料就从工件的表面迅速被除去 几种代表性特种加工方法 53 电火花加工机床 几种代表性特种加工方法 54 电火花线切割加工 用连续移动的钼丝 或铜丝 作工具阴极 工件为阳极 机床工作台带动工件在水平面内作两个方向移动 可切割出二维图形 同时 丝架可作小角度摆动 可切割出斜面 电火花加工类型 几种代表性特种加工方法 55 无论硬 脆 软 耐热材料 只要导电就行小孔 薄壁 窄槽 复杂截面同一台电火花机床上 只需要修改参数即可完成粗 半精 精加工 电火花加工特点 电火花加工应用 电火花成形加工 电火花打孔 型腔加工 曲面加工 电火花线切割 广泛用于加工各种硬质合金和淬硬钢的冲模 样板 各种形状复杂的板类零件 窄缝 栅网等 几种代表性特种加工方法 56 56 57 57 58 工作原理 工件接阳极 工具 铜或不锈钢 接阴极 两极间加直流电压6 24V 极间保持0 1 1mm间隙 在间隙处通以6 60m S高速流动电解液 形成极间导电通路 工件表面材料不断溶解 溶解物及时被电解液冲走 工具阴极不断进给 保持极间间隙 几种代表性特种加工方法 59 不受材料硬度的限制 能加工任何高硬度 高韧性的导电材料 并能以简单的进给运动一次加工出形状复杂的形面和型腔 加工形面 型腔生产率高 与电火花加工比高5 10倍 阴极损耗小 加工表面质量好 无毛刺 残余应力和变形层 设备投资大 有污染 需防护 模具型腔 枪炮膛线 发电机叶片 花键孔 内齿轮 小而深的孔加工 电解抛光 倒棱 去毛刺等 电解加工特点 电解加工应用 几种代表性特种加工方法 60 工作原理 激光加工 几种代表性特种加工方法 当激光束照射到工件表面时 光能被吸收 转化成热能 使照射斑点处温度迅速升高 熔化 气化而形成小坑 由于热扩散 使斑点周围金属熔化 小坑内金属蒸气迅速膨胀 产生微型爆炸 将熔融物高速喷出并产生一个方向性很强的反冲击波 于是在被加工表面上打出一个上大下小的孔 61 几乎能加工所有材料 特别是高硬度 高脆性及高熔点材料非接触加工 激光可视作 光刀 无 刀具 磨损 无 切削力 作用于工件 热变形小 加工精度较高 可在其他加工方法不易达到的狭小空间进行加工 可进行微细加工 激光聚焦后焦点直径理论上可小至1 以下 实际上可实现 0 01mm的小孔加工和窄