机械制造工艺理论和技术的发展.ppt

1 第7章机械制造工艺理论和技术的发展 本章要点 先进制造工艺理论与方法 现代制造工艺方法 先进制造模式 智能制造 制造系统自动化 2 机械制造技术基础 第7章机械制造工艺理论和技术的发展DevelopmentofMechanicalManufacturingTheoryandTechnology 7 1现代制造工艺理论和技术ModernManufacturingTheoryandTechnology 3 7 1 1制造工艺的重要性 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应该用广义制造的概念将 设计 和 工艺 统一起来 例如 在用金刚石车刀进行超精密切削时 其刃口钝圆半径的大小与切削性能关系十分密切 它影响了极薄切削的切屑厚度 反映了一个国家在超精密切削技术方面的水平 通常 刃口是在专用的金刚石研磨机上研磨出来的 国外加工出的刃口钝圆半径可达2nm 而我国现在还达不到这个水平 这个例子生动地说明了有些制造技术问题的关键不在设计上 而是在工艺上 4 7 1 1制造工艺的重要性 同样的设计可以通过不同的工艺方法来实现 在效率 成本 环保等方面会有很大差别 工艺是生产中最活跃的因素 加工技术的发展往往是从工艺突破的 如电加工及其他特种加工技术的出现使许多传统方法无法加工的工作得以实现 产品质量是一个综合性问题 与设计 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为密切 世界各工业强国都非常重视工艺 5 7 1 2现代制造工艺理论和技术的发展 工艺技术的发展缓慢和工艺问题的不被重视有密切相关传统上 认为工艺是手艺和技艺上世纪50年代 原苏联的许多学者在德国学者研究的基础上 出版了 机械制造工艺学 机械制造工艺原理 等著作 将工艺提高到理论高度 上世纪70年代 又形成了机械制造系统和机械制造工艺系统 工艺技术已形成一门科学 近年来新材料 新产品的出现开辟了许多制造工艺的新领域和新方法 工艺理论 加工方法 制造模式 制造技术和系统等 6 7 2 1加工成形机理 分离加工的一种 又称套料加工可大的减少材料消耗 7 7 2 1加工成形机理 出现了硬质合金 人造金刚石 立方氮化硼 陶瓷等系列 以及涂层 多元共渗 气相沉积等工艺 同时从湿切削发展到无冷却液的干切削 环保切削 和硬 齿 表面切削等 从金属发展到非金属 高分子材料 半导体 陶瓷和石材等 从而发展了半导体 陶瓷和石材等多种加工工艺学 零件成形使用的能源上有力 电 声 化学 电子 离子 激光等 十分丰富 从而发展了电火花加工 超声波加工 化学加工 电子束加工 离子束加工 激光束加工等 8 7 2 2精度原理 继承性原则 又称 母性 原则 循序渐近原则或 蜕化 原则 指加工用机床 工作母机 精度高于加工工件的精度创造性原则 又称 进化 原则 可分为直接创造性原则和间接创造性原则 直接创造性原则 利用精度低于工件精度要求的机床 借助于工艺手段和特殊工具 直按加工出精度高于 工作母机 的工件 如 以粗干精 以小干大 间接创造性原则 用较低精度机床和工具 制造出加工精度能满足工件要求的高精度机床和工具 再用这些机床和工具去加工工件 9 7 2 3相似性原理和成组技术 相似性原理是成组技术的基础成组技术是一种制造哲理 是先进制造技术的专用理论基础之一成组技术的核心 零件及产品分类编码划分零件组 10 7 2 4工艺决策原理 数学模型决策 以建立数学模型并求解作为主要的决策方式 数学模型泛指公式 方程式和由公式系列构成的算法等 可分为系统性数学模型 随机性数学模型和模糊性数学模型三类 式中a k为常数 且0 k 1 其边际生产率分别为 例 输入劳动力L与资本K同输出产品P的Cobb Douglas函数 上式对确定投资方向具有参考意义 11 7 2 4工艺决策原理 逻辑性决策 常用决策树与决策表形式 决策树 由树根 节点 分支构成 分支上方给出向一种状态转换的可能性或条件 确定性条件 分支终点列出应采取的行动 决策行动 12 7 2 4工艺决策原理 决策表 用表格形式描述事件之间逻辑依存关系 表格分为4个区域 左上角为条件项目 右上角为条件组合 各条件之间为 与 的关系 左下角列出决策项目 右下角为各列对应的决策行动 决策行动之间也是 与 的关系 决策表的每一列均可视为一条决策规则 13 7 2 4工艺决策原理 智能思维决策 依赖工艺技术人员的经验和智能思维能力来决策 即要应用人工智能 智能是运用知识来解决问题的能力 学习 推理和联想是智能的三大重要因素 智能思维决策的主要方法有 专家系统 模糊逻辑 人工神经网络和遗传算法等 14 7 2 4工艺决策原理 机械制造工艺设计中的决策方法 15 7 2 5优化原理 优化原理 将已有优化方法应用到工艺问题优化目标 在保证质量前提下 达到最高生产率 最低成本或最大利润率核心问题 建立和求解优化问题数学模型 16 机械制造技术基础 第7章机械制造工艺理论和技术的发展DevelopmentofMechanicalManufacturingTheoryandTechnology 7 3现代制造工艺方法ModernManufacturingMethods 17 7 3 1特种加工技术 特种加工领域 特种加工又称为非传统性加工 Non TraditionalManufacturing NTM 特种加工的概念是相对的 其内容将随着加工技术的发展而变化 特种加工方法种类 根据加工机理和所采用能源 可分为 1 力学加工 应用机械能来进行加工 如超声波加工 喷射加工 喷水加工等 2 电物理加工 利用电能转换为热能 机械能和光能等进行加工 如电火花成形加工 电火花线切割加工 电子束加工 粒子束加工等 3 电化学加工 利用电能转换为化学能进行加工 如电解加工 电镀 刷镀 镀膜和电铸加工等 4 激光加工 利用激光光能转化为热能进行加工 5 化学加工 利用化学能或光能转换为化学能来进行加工 如化学铣削和化学刻蚀 即光刻加工 等 6 复合加工 18 7 3 1特种加工技术 特种加工特点 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 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 19 7 3 1特种加工技术 电火花加工 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 4个阶段 1 介质电离 击穿 形成放电通道 2 火花放电产生熔化 气化 热膨胀 3 抛出蚀除物 4 间隙介质消电离 恢复绝缘状态 20 7 3 1特种加工技术 电火花加工机床 21 7 3 1特种加工技术 电极材料 要求导电 损耗小 易加工 常用材料 紫铜 石墨 铸铁 钢 黄铜等 其中石墨最常用 工作液 主要功能压缩放电通道区域 提高放电能量密度 加速蚀物排出 常用工作液有煤油 机油 去离子水 乳化液等 放电间隙 合理的间隙是保证火花放电的必要条件 为保持适当的放电间隙 在加工过程中 需采用自动调节器控制机床进给系统 并带动工具电极缓慢向工件进给 工作要素 脉冲宽度与间隔 影响加工速度 表面粗糙度 电极消耗和表面组织等 脉冲频率高 持续时间短 则每个脉冲去除金属量少 表面粗糙度值小 但加工速度低 通常放电持续时间在2 s至2ms范围内 各个脉冲的能量2mJ到20J 电流为400A时 之间 22 7 3 1特种加工技术 电火花加工类型 电火花线切割加工 23 7 3 1特种加工技术 快走丝 电极丝多用钼丝 做往复运动 走丝速度一般为2 5m s 10m s左右 快走丝与慢走丝 快走丝电火花线切割机床结构原理图1 走丝溜板2 卷丝筒3 电极丝4 丝架5 下丝臂6 上丝臂7 导丝轮8 工作液喷嘴9 工件10 绝缘垫块11 16伺服电机12 工作台13 溜板14 伺服电机电源15 数控装置16 脉冲电源 24 7 3 1特种加工技术 慢走丝 走丝作单方向运动 多用铜丝 为一次性使用 走丝速度一般低于0 2m min 电极丝走丝平稳无震动 损耗小 因此加工精度高 表面粗糙度值低 但其导向 張紧机构比较复杂 慢走丝电火花线切割机床的结构原理图1 溜板2 绝缘垫块3 13 伺服电机4 工作台5 放丝卷筒6 11 导丝轮和旅紧机构7 导向装置8 工作液喷嘴9 工件10 脉冲电源12 收丝卷筒14 数控装置15 伺服电机电源 25 7 3 1特种加工技术 电火花线切割机床 快走丝 电火花线切割加工 加工过程显示 26 7 3 1特种加工技术 27 7 3 1特种加工技术 不受加工材料硬度限制 可加工任何硬 脆 韧 软的导电材料 加工时无显著切削力 发热小 适于加工小孔 薄壁 窄槽 形面 型腔及曲线孔等 且加工质量较好 脉冲参数调整方便 可一次装夹完成粗 精加工 易于实现数控加工 电火花加工特点 电火花加工应用 电火花成形加工 电火花打孔常用于加工冷冲模 拉丝模 喷嘴 喷丝孔等 型腔加工包括锻模 压铸模 挤压模 塑料模等型腔加工 以及叶轮 叶片等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 栅网等电火花回转加工 加工时工具电极回转 类似钻削 铣削和磨削回转共轭加工 利用回转共轭原理 加工内外齿轮和内外螺纹其他 金属表面强化 打印标记 仿形刻字等 28 7 3 1特种加工技术 电火花加工产品实例线切割加工产品实例 29 7 3 1特种加工技术 电解加工 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 30 7 3 1特种加工技术 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 采用振动进给和脉冲电流等新技术 可进一步提高生产效率和加工精度 加工表面质量好 无毛刺 残余应力和变形层 阴极在加工中损耗小 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 电解复合加工 充气电解加工 振动进给脉冲电流电解加工 中间电极法电解加工 电解磨削等 31 7 3 1特种加工技术 电解磨削 工件与磨轮保持一定接触压力 突出的磨料使磨轮导电基体与工件之间形成一定间隙 电解液从中流过时 工件产生阳极溶解 表面生成一层氧化膜 其硬度远比金属本身低 易被刮除 露出新金属表面 继续进行电解 电解作用与磨削作用交替进行 实现加工 电解磨削效率比机械磨削高 且磨轮损耗远比机械磨削小 特别是磨削硬质合金时 效果更明显 32 7 3 1特种加工技术 超声波加工 工作原理 利用工具端面作超声 16 25kHz 振动 使工作液中的悬浮磨粒对工件表面撞击抛磨来实现加工 超声波发生器将工频交流电能转变为有一定功率输出的超声频电振荡 通过换能器将超声频电振荡转变为超声机械振动 此时振幅一般很小 再通过振幅扩大棒 变幅杆 使固定在变幅杆端部的工具振幅增大到0 01 0 15mm 33 7 3 1特种加工技术 超声波加工机床 超声波加工样件 34 7 3 1特种加工技术 超声波加工特点及应用 适用于加工各种脆性金属材料和非金属材料 如硬质合金 淬火钢 玻璃 陶瓷 半导体 宝石 金刚石等 可加工各种复杂形状的型孔 型腔 形面 还可进行套料 切割和雕刻 工具与工件不需作复杂的相对运动 机床结构简单 被加工表面无残余应力 无破坏层 加工精度较高 尺寸精度可达0 01 0 05mm 加工过程受力小 热影响小 可加工薄壁 薄片等易变形零件生产效率较低 采用超声复合加工 如超声车削 超声磨削 超声电解加工 超声线切割等 可提高加工效率 35 7 3 1特种加工技术 电子束加工 工作原理 真空条件下 利用电流加热阴极发射电子束 经控制栅极初步聚焦后 由加速阳极加速 通过透镜聚焦系统进一步聚焦 使能量密度集中在直径5 10 m斑点内 高速而能量密集的电子束冲击到工件上 被冲击点处形成瞬时高温 几分之一微秒时间内升高至几千摄氏度 工件表面局部熔化 气化直至被蒸发去除 36 7 3 1特种加工技术 电子束加工特点及应用 电子束束径小 最小直径可达0 01 0 05mm 而电子束长度可达束径几十倍 故可加工微细深孔 窄缝 非接触加工 无工具损耗 无切削力 加工时间极短 工件无变形 加工速度高 切割1mm厚钢板 速度可达240mm min 在真空中加工 无氧化 特别适于加工高纯度半导体材料和易氧化的金属及合金 加工设备较复杂 投资较大 多用于微细加工 电子束加工的喷丝头异形孔 材料适应性广 原则上各种材料均能加工 特别适用于加工特硬 难熔金属和非金属材料 37 7 3 1特种加工技术 离子束加工 工作原理 利用氩 Ar 离子或其它带有10keV数量级动能的惰性气体离子 在电场中加速 以极高速度 轰击 工件表面 进行 溅射 加工 38 7 3 1特种加工技术 将被加速的离子聚焦成细束 射到被加工表面上 被加工表面受 轰击 后 打出原子或分子 实现分子级去除加工 离子束溅射去除加工 四种工作方式 加工装置如图示 三坐标工作台可实现三坐标直线运动 摆动装置可实现绕水平轴摆动和绕垂直轴转动 离子束溅射去除加工可用于非球面透镜成形 金刚石刀具和冲头的刃磨 大规模集成电路芯片刻蚀等 39 7 3 1特种加工技术 离子束溅射镀膜加工 用加速的离子从靶材上打出原子或分子 并将这些原子或分子附着到工件上 形成 镀膜 溅射镀膜可镀金属 也可镀非金属 由于溅射出来的原子和分子有相当大的动能 故镀膜附着力极强 与蒸镀 电镀相比 离子镀氮化钛 美观耐磨 应用在刀具上可提高寿命1 2倍 40 7 3 1特种加工技术 用高能离子 数十万KeV 轰击工件表面 离子打入工件表层 其电荷被中和 并留在工件中 置换原子或填隙原子 从而改变工件材料和性质 可用于半导体掺杂 在单晶硅内注入磷或硼等杂质 用于晶体管 集成电路 太阳能电池制作 金属材料改性 提高刀具刃口硬度 等方面 离子束溅射注入加工 离子束曝光 用在大规模集成电路制作中 与电子束相比有更高的灵敏度和分辨率 41 7 3 1特种加工技术 激光加工 工作原理 激光是一种受激辐射而得到的加强光 其基本特征 强度高 亮度大 波长频率确定 单色性好 相干性好 相干长度长 方向性好 几乎是一束平行光 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 42 7 3 1特种加工技术 激光器 固体激光器 混合气体 氦约80 氮约15 CO2约5 通过高压直流放电进行激励 波长10 6 m 为不可见光 能量效率5 15 气体激光器 CO2激光器 YAG 结晶母材由钇 铝和石榴石构成 激光器 红宝石激光器 43 7 3 1特种加工技术 激光加工特点 加工材料范围广 适用于加工各种金属材料和非金属材料 特别适用于加工高熔点材料 耐热合金及陶瓷 宝石 金刚石等硬脆材料 加工性能好 工件可离开加工机进行加工 可透过透明材料加工 可在其他加工方法不易达到的狭小空间进行加工 非接触加工方式 热变形小 加工精度较高 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的小孔加工和窄缝切割 加工速度快 效率高 激光加工不仅可以进行打孔和切割 也可进行焊接 热处理等工作 激光加工可控性好 易于实现自动控制 加工设备昂贵 44 7 3 1特种加工技术 激光加工应用 激光热处理 照射到金属表面上的激光使表面原子迅速蒸发 由此产生微冲击波会导致大量晶格缺陷形成 达到硬化 其优点 快速 不需淬火介质 硬化均匀 变形小 硬化深度可精确控制 45 7 3 1特种加工技术 激光焊接 激光切割 46 7 3 2快速原型制造 快速原型制造 RapidPhotographManufacturing RPM 又称 快速成形技术 RapidPhotograph RP 或 分层制造 LayerManufacturing LM 是20世纪80年代后期迅速发展起来的一种新型制造技术 它将计算机辅助设计 CAD 计算机辅助制造 CAM 计算机数控 CNC 精密伺服驱动 新材料等先进技术集于一体 依据计算机上构成的产品三维设计模型 对其进行分层切片 得到各层截面的轮廓 按照这些轮廓 激光束选择性地切割一层层的箔材 或固化一层层的液态树脂 或烧结一层层的粉末材料 或喷射源选择性地喷射一层层的粘结剂或热熔材料等 形成一个个薄层 并逐步迭加成三维实体 47 7 3 2快速原型制造 48 7 3 2快速原型制造 49 7 3 2快速原型制造 快速成型机床及快速成型件 50 7 3 2快速原型制造 由CAD模型直接驱动 可快速成形任意复杂的三维几何实体 不受传统机械加工方法中刀具无法达到某些型面的限制 采用 分层制造 方法 通过分层 将三维成形问题变成简单的二维平面成形 成形设备为计算机控制的通用机床 无需专用工模具 成形过程无需人工干预或很少人工干预 节省原材料 51 7 3 2快速原型制造 用快速原型直接制造产品样品 一般只需传统加工方法30 50 的工时 20 35 的成本 这种样品与最终产品相比 虽然材质可能有所差异 但形状与尺寸完全相同 且有较好的机械强度 经适当的表面处理后 与真实产品一模一样 不仅可供设计者和用户进行直观检测 评判 优化 而且可在零件级和部件级水平上 对产品工艺性能 装配性能及其他特性进行检验 测试和分析 例GM公司在97年推出的新车型中 使用RP生成的模型进行车内空调系统传热学试验 节省费用40 以上 Chrysler则直接利用RP制造的车体原型进行高速风洞流体动力学试验 节省成本达70 RP是生产厂家与客户或订购商的最佳交流手段 RP生成的模型亦是工程部门与非工程部门交流的理想中介物 RP利用材料累加法亦可用来直接制造塑料 陶瓷 金属及各种复合材料零件 产品开发 52 7 3 2快速原型制造 直接制作模具 快速成形件具有较好的机械强度和稳定性 且能承受一定的高温 约200 可直接用作某些模具 如砂型铸造木模的替代模 低熔点合金铸造模 试制用注塑模 以及熔模铸造的蜡模的替代模 或蜡模的成形模 复制软模具 用快速成形件作母模 可浇注蜡 硅橡胶 环氧树脂 聚氨脂等软材料 构成软模具 或先浇注硅橡胶 环氧树脂模 蜡模成形模 再浇注蜡模 蜡模用于熔模铸造 硅橡胶模 环氧树脂模可用作试制用注塑模 或低熔点合金铸造模 复制硬模具 用快速成形件作母模 或据其复制的软模具 可浇注 或涂覆 石膏 陶瓷 金属 金属基合成材料 构成硬模具 如各种铸造模 注塑模 蜡模的成形模 拉伸模等 制作电加工机床用电极 用快速成形件作母体 通过喷镀或涂覆金属 粉末冶金 精密铸造 浇注石墨粉或特殊研磨 可制作金属电极或石墨电极 模具制造 53 7 3 2快速原型制造 在医学上的应用快速原型制造系统可利用CT扫描或MRI核磁共振图象的数据 制作人体器官模型 以便策划头颅 面部 牙科或其他软组织的手术 进行复杂手术操练 为骨移植设计样板 或将其作为X光检查的参考手段 在建筑上的应用利用快速原型制造系统制作建筑模型 可以帮助建筑设计师进行设计评价和最终方案的确定 在古建筑的恢复上 可以根据图片记载 用快速成形技术复制原建筑 其他领域应用 54 RPM应用领域 7 3 2快速原型制造 RPM应用领域 55 7 3 2快速原型制造 RPM应用领域 RPM行业占有率 56 7 3 2快速原型制造 分层实体制造 LaminatedObjectManufacturing LOM 分层实体制造示意图1 激光器2 热压辊3 计算机4 供纸卷5 收纸卷6 块体7 层框和碎小纸块8 透镜系统 根据零件分层信息 用数控激光机在铺上的一层箔材上切出本层轮廓 将该层非零件图样部分切成小块 以便以后去除 再铺上一层箔材 用加热滚辗压 以固化粘接剂 使新铺上的一层箔材牢固地粘结在成形体上 再切割新层轮廓 如此反复直至加工完毕 使用材料为一种特殊的纸 也可用金属箔等 57 7 3 2快速原型制造 光固化立体造型 StereoLithography SL 又称立体印刷 StereoLithographyApparatus SLA 激光立体光刻 LaserPhotolithography LP 立体印刷示意图1 成形零件2 紫外激光器3 环氧或丙烯酸光敏树脂4 升降台5 液面 如图示 液槽中盛有紫外激光固化液态树脂 开始成型时 工作台台面在液面下一层高度 聚焦的紫外激光光束在液面上按该层图形进行扫描 被照射的地方就固化 未被照射的地方仍然是液态树脂 然后升降台带动工作台下降一层高度 第二层上布满了液态树脂 再按第二层图形进行扫描 新固化的一层被牢固地粘在前一层上 如此重复直至零件成型完毕 58 7 3 2快速原型制造 选择性激光烧结 SelectedLaserSintering SLS 又称激光熔结 LaserFusion LF 选择性激光烧结1 光栅扫描器2 激光束3 激光器4 已烧结粉末5 未烧结粉末6 新层7 水平辊8 前层 如图示 先在工作台上铺一层一定厚度的金属粉末 用水平辊辗压 使其具有很好密实度和平整度 将激光束聚焦在层面上 按所需层面图样进行数控扫描 即可进行激光烧结而形成层面 再在其上铺上一层粉末 进行另一层烧结 如此叠加形成一个粉末烧结零件 59 7 3 2快速原型制造 熔融沉积成形 FusedDepositionModeling FDM 又称熔融挤压成形 MeltedExtrusionModeling MEM 如图示 将丝状热熔性材料加热 由喷头挤压出丝 按层面图样要求沉积出一个层面 然后如法生成下一个层面 并与前一个层面熔接在一起 这样层层扫描堆成三维零件 优点 无需激光系统 设备简单 成本较低 其热熔性材料比较广泛 如工业用蜡 尼龙 塑料等高分子材料 以及低熔点合金等 特别适合于大型 薄壁 薄壳成形件 关键技术 控制熔丝温度 使其处于半流动状态 60 7 3 2快速原型制造 喷射印刷成形 JetPrintingModeling JPM 也可以在工作台上铺上一层均匀的密实的可粘接粉末 由喷头喷射粘接剂而形成层面 再逐层叠加形成零件 喷头可以是单个 也可以是多个 可多达96个 这种方法不采用激光 但成形设备要求较高 需5轴联动 又称三维打印 ThreeDimensionPrinting 3DP 将热熔成形材料 如工程塑料 熔融后由喷头喷出 扫描形成层面 经逐层堆积而形成零件 如图示 61 7 3 2快速原型制造 喷射印刷成形 62 7 3 2快速原型制造 国内主要RPM系统 63 7 3 3高速加工和超高速加工 高速加工和超高速加工概念 萨洛蒙曲线 1931 切削温度随着切削速度的增大而提高 超过某一速度后 切削温度反而降低 同时 切削力也会大幅度下降 64 7 3 3高速加工和超高速加工 高速加工定义 尚无统一定义 一般认为高速加工是指采用超硬材料的刀具 通过极大地提高切削速度和进给速度 来提高材料切除率 加工精度和加工表面质量的现代加工技术 以切削速度和进给速度界定 高速加工为普通切削的5 10倍 以主轴转速界定 高速加工的主轴转速 10000r min 高速加工速度范围 车削 700 7000m min铣削 300 6000m min钻削 200 1100m min磨削 50 300m s 65 7 3 3高速加工和超高速加工 高速加工特点及应用 高速加工特点 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 动力学特性好 刀具激振频率远离工艺系统固有频率 不易产生振动 可获得好的表面粗糙度可加工硬表面 高速切削可加工硬度HRC45 65的淬硬钢铁件 在一定条件下可取代磨削加工或某些特种加工环保 可实现 干切 和 准干切 避免冷却液污染 66 7 3 3高速加工和超高速加工 高速5轴加工增压器叶轮 67 7 3 3高速加工和超高速加工 高速加工应用 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 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 仪器仪表 精密光学零件加工 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 68 7 3 3高速加工和超高速加工 69 7 3 3高速加工和超高速加工 a 传统模具加工过程 b 高速模具加工过程 两种模具加工过程比较 70 7 3 3高速加工和超高速加工 对于复杂型面模具 模具精加工费用往往占到模具总费用的50 以上 采用高速加工可使模具精加工费用大大减少 从而可降低模具生产成本 71 7 3 3高速加工和超高速加工 高速加工机理 热沟区 由萨洛蒙曲线知 切削力和切削温度随切削速度升高而逐渐增加 在峰值附近 被加工材料表层不断软化而形成了粘滞状态 严重影响切削性 这就是 热沟 区 切削速度继续提高时 切屑变薄 摩擦系数减小 剪切角增大 同时切削热传入切屑的比例增大 致使切削力减小 切削温度降低 进入切削适应区 切屑形态 在高速范围内 切屑很薄 对铝合金 低碳钢 合全钢等低硬度材料 其切屑易于形成连续带状切屑 而对于淬火钢 钛合金等高硬度材科 易于形成挤裂切屑或单元切屑 表面质量 切屑在极短的时间内形成 应变速度大 表面弹性 塑性变形层变薄 硬化层减小 表层残余应力减小 高速磨削 单位时间内磨削区的磨粒数增加 单个磨粒切下的切屑变薄 使得总磨削力减小 表面硬化层 弹性 塑性变形层变薄 残余应力减小 磨削热降低 不易产生表面磨削烧伤 72 7 3 3高速加工和超高速加工 高速加工体系结构及关键技术 73 7 3 4精密工程和纳米技术 精密加工和超精密加工概念 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90年代 精密加工 0 1 1 m Ra 0 1 m 亚微米加工 超精密加工 0 1 m Ra 0 01 m 纳米加工 精密工程 精密加工与超精密加工统称 74 7 3 4精密工程和纳米技术 精密加工和超精密加工特点 创造性原则 由于被加工零件的精度要求很高 有时已不可能采用现有的机床 因此应考虑采用直接或间接创造性原则 微量切除 极薄切削 吃刀量极小 属微量切除和超微量切除 对刀具刃磨 砂轮修整和机床精度均有很高要求 综合制造工艺系统 精密加工和超精密加工是一门多学科综合性的高技术 涉及被加工材料 加工方法 加工设备 工具 测试方法及测试设备 工作环境 以及人的技艺等诸多因素 是一个复杂系统工程 难度很大 精密特种加工和复合加工方法 传统切削与磨削方法存在加工精度极限 超越极限需采用新的方法 自动化技术 应用计算机技术 在线检测 误差补偿 适应控制和信息技术等使整个系统工作自动化 减少人的因素影响 加工检测一体化 精密检测是精密与超精密加工的必要条件 并常常成为精密与超精密加工的关键 75 7 3 4精密工程和纳米技术 精密加工和超精密加工方法 76 金刚石刀具精密切削 金刚石刀具超精密切削机理 切削在晶粒内进行切削力 原子结合力 剪切应力达13000N mm2 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粗糙度 用于铜 铝及其合金的精密切削 切铁金属 由于亲合作用 产生 碳化磨损 影响刀具寿命和加工质量 加工各种红外光学材料如锗 硅 ZnS和ZnSe等加工有机玻璃和各种塑料典型产品 光学系统反射镜 射电望远镜主镜面 大型投影电视屏幕 照像机塑料镜片 树脂隐形眼镜镜片等 金刚石刀具超精密切削应用 7 3 4精密工程和纳米技术 77 7 3 4精密工程和纳米技术 影响金刚石刀具超精密切削因素 78 精密磨削 精密磨削机理 微刃的微切削作用 磨粒的微刃性和等高性 见下图 微刃的等高切削作用微刃的滑挤 摩擦 抛光作用 修整方法 单粒金刚石修整 金刚石粉末烧结型修整器修整和金刚石超声波修整修整器安装 精密磨削砂轮及其修整 7 3 4精密工程和纳米技术 磨粒的微刃性和等高性 79 7 3 4精密工程和纳米技术 修整器安装位置 砂轮修整 80 精密磨床结构 高几何精度 如主轴回转精度 导轨直线度 以保证工件的几何形状精度要求 高精度的横向进给机构 以保证工件的尺寸精度 以及砂轮修整时的微刃性和等高性 低速稳定性好的工作台纵向移动机构 不能产生爬行 振动 以保证砂轮的修整质量和加工质量 7 3 4精密工程和纳米技术 影响精密磨削质量因素 砂轮选择与修整磨床结构与精度磨削工艺参数工作环境 81 超硬磨料砂轮精密与超精密磨削 超硬磨料砂轮及应用 指金刚石砂轮和立方氮化硼 CBN 砂轮加工难加工材料 如硬质合金 陶瓷 玻璃 半导体材料及石材等 7 3 4精密工程和纳米技术 超硬磨料砂轮磨削特点 可用来加工各种高硬度 高脆性金属和非金属难加工材料 对于钢铁等材料适用于用立方氮化硼砂轮磨削 磨削能力强 耐磨性好 使用寿命长 易于控制加工尺寸及实现加工自动化磨削力小 磨削温度低 加工表面质量好磨削效率高加工综合成本低 82 分为整形 Truing 和修锐 Sharpening 两个阶段 整形是使砂轮达到一定几何形状的要求 修锐是去除磨粒间的结合剂 使磨粒突出结合剂一定高度 一般为磨粒尺寸的1 3左右 形成足够的切削刃和容屑空间 超硬磨料砂轮修整 7 3 4精密工程和纳米技术 修整方法 用碳化硅砂轮 或金刚石笔 修整 获得所需形状 电解修锐 适用于金属结合剂砂轮 效果好 并可在线修整 83 精密与超精密砂带磨削 砂带磨削方式 7 3 4精密工程和纳米技术 砂带 带基材料为聚碳酸脂薄膜 其上植有细微砂粒 砂带在一定工作压力下与工件接触并作相对运动 进行磨削或抛光 有开式 见右图 和闭式两种形式 可磨削平面 内外圆表面 曲面等 84 7 3 4精密工程和纳米技术 几种砂带磨削形式 85 砂带磨削特点 7 3 4精密工程和纳米技术 砂带与工件柔性接触 磨粒载荷小 且均匀 工件受力 热作用小 加工质量好 Ra值可达0 02 m 静电植砂 磨粒有方向性 尖端向上 见图 摩擦生热小 磨屑不易堵塞砂轮 磨削性能好 强力砂带磨削 磨削比 切除工件重量与砂轮磨耗重量之比 高 有 高效磨削 之称 制作简单 价格低廉 使用方便 可用于内外表面及成形表面加工 86 精密研磨抛光 磁性研磨 7 3 4精密工程和纳米技术 工件放在两磁极之间 工件和极间放入含铁的刚玉等磁性磨料 在直流磁场的作用下 磁性磨料沿磁力线方向整齐排列 如同刷子一般对被加工表面施加压力 并保持加工间隙 研磨压力的大小随磁场中磁通密度及磁性磨料填充量的增大而增大 因此可以调节 研磨时 工件一面旋转 一面沿轴线方向振动 使磁性磨料与被加工表面之间产生相对运动 这种方法可研磨轴类零件内外圆表面 也可以用来去毛刺 87 软质磨粒抛光 7 3 4精密工程和纳米技术 软质磨粒抛光的特点是可以用较软的磨粒 如SiO2 ZrO2 来抛光 它不产生机械损伤 可减少一般抛光中所产生的微裂纹 磨粒嵌入 洼坑 麻点 附着物 污染等缺陷 获得好的表面质量 典型的软质磨粒抛光是弹性发射加工 ElasticEmissionMachining EEM 它利用水流加速微小磨粒 磨粒以很大的动能撞击工件表面 使表层不平处的原子晶格受到很大剪切力 致使这些原子被移去 抛光液的入射角 与水平面的夹角 要尽量小以增加剪切力 抛光器为聚氨酯球 抛光时抛光器与工件不接触 88 7 3 4精密工程和纳米技术 微细加工概念及特点 微细加工 通常指1mm以下微细尺寸零件的加工广义 属于精密加工和超精密加工范畴狭义 指半导体集成电路制造技术精度表示方法 一般尺寸加工 其精度用误差尺寸与加工尺寸比值表示 微细加工 其精度用误差尺寸绝对值表示 加工单位 去除一块材料的大小 对于微细加工 加工单位可以到分子级或原子级微切削机理 切削在晶粒内进行 切削力要超过晶体内分子 原子间的结合力 单位面积切削阻力急剧增大 89 7 3 4精密工程和纳米技术 微细加工方法 微细加工方法 90 7 3 4精密工程和纳米技术 光刻加工 光刻加工过程 91 7 3 4精密工程和纳米技术 光刻 电铸 模铸复合成形技术 LithographicGaluanoformungAbformung LIGA 1 以同步加速器放射的短波长 1nm X射线作为曝光光源 在厚度达0 5mm的光致抗蚀剂上生成曝光图形的三维实体 2 用曝光蚀刻图形实体作电铸模具 生成铸型 3 以生成的铸型作为模具 加工出所需微型零件 LIGA由深层同步X射线光刻 电铸成形 塑注成形组合而成 包括三个主要工序 92 7 3 4精密工程和纳米技术 LIGA工作现场 93 7 3 4精密工程和纳米技术 LIGA特点 用材广泛 可以是金属及其合金 陶瓷 聚合物 玻璃等可以制作高度达0 1 0 5mm 高宽比大于200的三维微结构 见图 形状精度达亚微米可以实现大批量复制 成本较低 LIGA代表产品及应用 微传感器 微电机 微机械零件 微光学元件 微波元件 真空电子元件 微型医疗器械等广泛应用于加工 测量 自动化 电子 生物 医学 化工等领域 94 7 3 4精密工程和纳米技术 集成电路芯片制造 集成电路芯片的主要工艺方法a 外延生长b 氧化c 光刻d 选择扩散e 真空镀膜 95 7 3 4精密工程和纳米技术 印刷电路板制造 印刷电路板a 单面板b 双面板c 双面板电路结构d 多层板电路结构 1 剪切2 钻定位孔 以便以后采用一面两销定位 同时加上条形码3 清洗4 电路制作 采用光刻技术5 钻孔或冲孔 用数控高速钻床或冲床加工出通道孔 插件孔 附加孔等6 电镀 用非电解电镀 在含有铜离了的水溶液中进行化学镀 方法将铜淀积在通孔内的绝缘层表面上7 镀保护层 如镀金等8 测试 96 7 3 4精密工程和纳米技术 纳米技术 纳米技术概述 通常指纳米级 0 1nm 100nm 的材料 设计 制造 测量和控制技术 纳米技术涉及机械 电子 材料 物理 化学 生物 医学等多个领域 在达到纳米层次后 决非几何上的 相似缩小 而出现一系列新现象和规律 量子效应 波动特性 微观涨落等不可忽略 甚至成为主导因素 纳米技术研究的主要内容 纳米级精度和表面形貌测量及表面层物理 化学性能检测 纳米级加工 纳米材料 纳米级传感与控制技术 微型机电系统 纳米生物学 97 7 3 4精密工程和纳米技术 微机电系统 MicroElectroMechanicalSystems MEMS 微机电系统又称为微型机械 Micromachine 或微型系统 Microsystem 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 通讯 电源等于一体的微型机电器件或综合体 微机电系统可以认为是一个产品 其特征尺寸范围1 m 1mm 包括当前尺寸在1 10mm的小型机械和将来利用生物工程和分子组装可实现的1nm 1 m的纳米机械或分子机械 微型机电系统由输入 传感器 信号处理 执行器等独立的功能单位组成 其输入是力 光 声 温度 化学等物化信号 通过传感器转换为电信号 经过模拟或数字信号处理后 由执行器与外界作用 各个微型机电系统可以采用光 磁等物理量的数字或模拟信号 通过接口与其它微型机电系统进行通讯 98 7 3 4精密工程和纳米技术 99 7 3 4精密工程和纳米技术 意大利气动机器人 用于胃肠道检验 100 机械制造技术基础 第7章机械制造工艺理论和技术的发展DevelopmentofMechanicalManufacturingTheoryandTechnology 7 4制造单元和制造系统ManufacturingCellandManufacturingSystem 101 7 4 1制造单元和制造系统的自动化 制造单元与制造系统自动化目的 加大质量成本的投入 提高或保证产品的质量 提高对市场变化的响应速度和竞争能力 缩短产品上市时间 减少人的劳动强度 改善劳动条件 减少人为因素对生产的影响 提高劳动生产率 减少生产面积 人员 节省能源消耗 降低生产成本 制造单元与制造系统自动化举措 单一品种大批量生产自动化 通用机床的自动化改造半自动机床 自动机床 组合机床数控机床 加工中心自动生产线柔性生产线 102 7 4 1制造单元和制造系统的自动化 多品种单件小批量生产自动化 成组技术 根据零件相似性分类成组 按零件组组织生产 数控技术和数控机床 现代的数控机床向多坐标 多工种 多面体加工和可重组 更换主轴箱等部件 等方向发展 数控系统向开放式 分布式 适应控制 多级递阶控制 网络化和集成化等方向发展 不仅可用于单件 小批生产自动化 同时也可用于单一产品大批量生产自动化 制造单元 将设备按不同功能布局 形成各种自动化的制造单元 如装配 加工 传输 检测 储存 控制等 各种零件按其工艺过程在相应制造单元上加工制造 柔性制造系统 全线由数控机床 加工中心和物流装置组成 无固定的加工顺序和节拍 能同时自动加工不同工件 具有高度的柔性 体现了生产线 工段 的柔性自动化 计算机集成制造系统 由网络 数据库 CAD CAM和管理信息系统等组成 强调了功能集成 信息集成 是产品设计和制造的综合自动化系统 103 7 4 1制造单元和制造系统的自动化 计算机辅助制造系统是一个计算机分级结构控制和管理制造过程中多方面工作的系统 是制造技术与信息技术结合的产物 104 7 4 1制造单元和制造系统的自动化 制造单元是制造系统的基础 制造系统是制造单元的集成可分为装配 加工 传输 检测 储存 控制等单元 强调各单元独立运行 并行决策 综合功能 分布控制 快速响应和适应调整制造单元的这种结构使生产具有柔性 易于解决单件小批多品种的生产自动化 制造单元 ManufacturingCell MC 生产是一个系统工程 企业的功能依次为销售 设计 工艺设计 制造 装配 把销售放在第一位从功能结构上看 制造系统是生产系统的一部分 可以认为制造系统是一个生产单元 今后的生产单元是一个闭环自律式系统 生产单元 ProductionCell PC 105 7 4 2自动生产线 106 7 4 2自动生产线 加工箱体零件的组合机床自动生产线1 控制台2 立式组合机床3 鼓轮4 夹具5 切屑输送装置6 液压油泵站7 平卧双面组合机床8 双面卧式组合机床9 转台10 工件传送带11 传送带传动装置 107 7 4 2自动生产线 244FM摩托车发动机汽缸加工自动线 108 7 4 2自动生产线 生产节拍 根据生产纲领确定 按节拍拟订零件的工艺过程 安排工序 工位 工步和走刀 全线分段 对于比较长的自动线 按工艺可将其分成若干段 每段设备6 10台 每段之间配置储料装置 便于分段维修 以免因故障造成全线停工而带来的重大损失 定位和安装 多采用单一基准原则 工件在机床夹具上直接定位夹紧 或采用随行夹具 托盘 工件连同随行夹具一起在自动线上传输 由随行夹具在机床上进行单一基准定位夹紧 结构布局形式 结构布局形式应考虑零件工艺过程 机床数量 厂房面积大小和形状等因素 有直线形 折线形 框形和环形等 机床可排列在线的一边 也可排列在线的二边 大批大量生产 109 7 4 3柔性制造系统 FMS 柔性制造系统由多台加工中心或数控机床 自动上 下料装置 储料和输送系统等组成 没有固定的加工顺序和节拍 在计算机及其软件系统的集中控制下 能不停机调整 更换工件和工夹具 实现加工自动化 在时间和空间 多维性 上都有高度的柔性 是一种计算机直接控制的自动化可变加工系统 定义 具有高度柔性 能实现多种不同工艺要求不同 类 的零件加工 自动更换工件 夹具 刀具和自动装夹 具有高度的自动化程度 稳定性和可靠性 能实现长时间的无人自动连续工作 如连续24小时工作 提高设备利用率 减少调整 准备终结等辅助时间 具有高生产率 降低直接劳动费用 减小占地面积 增加经济收益 特点 110 7 4 3柔性制造系统 FMS 应用 111 7 4 3柔性制造系统 FMS 柔性制造单元 FlexibleManufacturingCell FMC 柔性制造单元 是一个可变加工单元 由单台计算机控制的加工中心或数控机床 环形 圆形 角形或长圆形等 托盘输送装置或机器人所组成 采用切削监视系统实现自动加工 不停机更换工件进行连续生产 FMC是组成柔性制造系统的基本单元 112 7 4 3柔性制造系统 FMS 数控车床和机器人组成的柔性制造单元 113 7 4 3柔性制造系统 FMS 114 7 4 3柔性制造系统 FMS CincinnatiHMC柔性制造单元 可实现高速 高精度加工 重复定位精度 1 115 7 4 3柔性制造系统 FMS 柔性制造系统 FlexibleManufacturingSystem FMS 由两台或两台以上的加工中心 数控机床或柔性制造单元所组成 配置有自动输送装置 有轨 无轨输送车或机器人 工件自动上 下料装置 托盘交换或机器人 和自动化仓库等 并有计算机递阶控制功能 数据管理功能 生产计划和调度管理功能 以及实时监控功能等 通常所说的柔性制造系统就是指的这种类型 柔性制造系统 116 7 4 3柔性制造系统 FMS 117 7 4 3柔性制造系统 FMS 118 7 4 3柔性制造系统 FMS 柔性制造自动线 FlexibleTransmissionLine FTL 由若干台加工中心组成 但物料系统不采用自动生产线所用的上 下料装置 如各种送料槽等 不追求高度的柔性和自动化程度 这种柔性制造系统又称之为准柔性制造系统 可变生产线 VariableProductionLine VPL 由若干台带有可更换部件的加工中心或控机床组成 用于成批生产 当加工工件变化时 可更换机床的某些部件