先进制造技术盛步云(共119张PPT)

武汉理工大学盛步云教授、博导中职国培机械制造与控制专业

先进设计加工技术日期1、先进设计技术优化设计(OptimizeDesign)虚拟设计(VirtualDesign)有限元分析(InfiniteAnalysis)可靠性设计(ReliabilityDesign)日期日期2、加工、成形制造技术——将原材料、半成品加工成为产品的方法和过程。——成形工艺去除成形受迫成形堆积成形生成成形日期加工精度不断提高加工速度得到提高材料科学的变革重大装备促进——大型、大容量、高效率优质清洁表面工程热成形过程数值模拟5um(3um)精密加工0.3-3um超精密0.03-0.3纳米<0.03um2.1发展现状和趋势日期成形技术——铸造：轻量化、精确化、强韧化、复合化、无污染锻造：净成形CAE相结合焊接：高能密度焊接发展，柔性化、智能化、自动化快速原型、激光表面处理计算机模拟、虚拟制造2.1发展现状和趋势日期3精密洁净铸造工艺精密、洁净、高效无机化学粘接剂型砂——水玻璃、水泥有机化学粘接剂型砂——植物油金属型铸造工艺挤压铸造技术消失（气化）模）铸造技术日期3.1压力铸造高压力：几到几十Mpa~5000Mpa短时间：0.02s~0.2s高速度：0.5m/s~50m/s120m/s日期日期3.1压力铸造开发新型的压射控制系统（致密薄件）新压铸工艺（消除缺陷，提高质量）开发和应用新的压铸合金材料（金属基复合材料MMCs、压铸镁合金、高铝锌基合金）开发和应用快速原型制造技术开展CAD/CAM/CAE系统研究与应用日期3.2挤压铸造技术1937苏联问世——液态金属模压——液压模锻——液压铸造定义：浇入金属型中的液态金属，在通过冲头传递压力作用下进行填充、成型和凝固结晶。日期日期特点尺寸精度高、粗糙度低铸件在凝固过程中能得到有效补缩、无铸造缺陷组织致密性好、晶粒细化、力学性能好无浇冒口，减少液态金属消耗日期3.3消失模铸造（EPC）原理：发泡成型机制成泡末塑料模样（铸件和浇注系统模样）粘结成实体模组、涂刷特制涂料、干燥放入特制砂箱、填入干砂三维振动紧实、抽真空浇铸泡沫模型气化消耗被金属置换日期日期特点近无余量新型成型工艺（无须取模、无分型面、无泥砂芯、无飞边、无拔模斜度、重量减少30-40%）铸件精度高、缺陷少无环境公害，易实现清洁生产方便逐渐结构设计（通过粘结一次铸造）简化砂处理工序、减少占地面积、降低设备费用日期4精确高效金属塑性成型工艺传统：杂制轧制、挤压、拉拔、锻造、冲压超塑成型、等温成型、辊锻和锲横轧技术、粉末成型工艺日期4.1超塑等温成形超塑性：材料在低载荷作用下，拉伸变形的伸长率大于100%（黑色：40%、有色：60%已知材料200多种（锌、铝、铜、钛合金）关键在：材料日期日期日期成形特点形状复杂的工件可一次成形组织细小、均匀、性能好、稳定变形抗力小---无加工硬化流动应力对应变速率的变化敏感制件精度高日期超塑性分类微晶组织超塑（恒温超塑性或结构超塑性）晶粒小于10um，变形温度大于0.5Tm（材料熔点温度）恒定，应变速率低相变超塑性（变温超塑性或动态超塑性）在一定的温度和负荷下，反复循环相变而获得高伸长率。普通碳钢160次循环伸长率达到500%其它超塑性材料日期超塑性工艺应用气压成形原理：使毛坯的外侧或内侧形成一个封闭的压力空间，在压缩空气的气压作用下，坯料产生超塑性变形，逐步向模具型面靠近，直至同模具完全贴合，形成零件凸模法、凹模法真空成型日期日期4.2粉末成形工艺粉末冶金是制取金属粉末或用金属粉末（混合物）作为原料，经过成形烧结，制取金属材料、复合材料的工艺技术——其生产工艺与陶瓷工艺类似——金属陶瓷法日期基本工序原料粉末制取将金属粉末成形——坯块烧结——使制品具有最终的物理、化学和力学性能日期粉末冶金锻造工艺原理：金属粉末经压实后烧结，在用烧结体作为锻造毛坯进行锻造粉末冷压烧结加热锻造热处理机加工成品准备预制坯制取预制坯锻造后处理与加工日期4高效优质焊接切割技术精密焊接特殊环境下焊接现代切割技术日期4.1精密焊接激光焊接——激光加热焊接部位电子束焊接——在真空条件下，聚焦后被加速的电子束高速冲击工件焊接部位扩散焊接——可连接物理化学性能差别很大的异种材料，固态焊接方法（如陶瓷与金属）焊熔近终成形——快速成形方法之一日期4.2特殊环境下焊接空间焊接水下焊接日期4.3现代切割技术激光切割等离子切割超声切割高压水射流切割日期4.4激光切割利用聚焦的高功率密度光束照射工件，使被照射处的材料迅速熔化、气化、烧蚀或达到燃点，同时借助光束同轴的高速气流吹除熔融物质日期4.5等离子切割等离子：是高度电离的气体，是由气体原子或分子电离后，离解成带正电荷的离子和负电荷的电子所组成，正负电荷相等，因此称为等离子。原理：利用高温、高速的等离子弧及其焰流使工件材料融化、蒸化缓和气化并被吹离机体。等离子体能量高度集中，电流密度高、等离子弧温度高（11000-28000度）普通电弧5000-8000度、速度高（800-2000m/s)日期日期特点能切割氧气割难以切割的各种金属材料切割厚度不大的金属时，速度快，是普通切割的5-6倍切割面光洁、热变形小切口宽度和切割斜角较大，与切割厚度有关切割厚度不及气割日期4.6超声切割原理：利用超声振动的工具在有磨料的液体介质中或干磨料中，产生磨料的冲击、震颤、液压冲击及由此产生的气蚀作用去除材料，特别适合硬脆材料切割日期日期特点适合加工硬脆材料，尤其适合非金属硬脆材料，或硬质耐热导电材料，但加工效率低切削力小切割应力、热小，粗糙度低（0.63-0.08）尺寸精度正负0.03mm,也适合加工薄壁、窄缝、低刚度零件工具可用软材料做成复杂形状，无相对运动，可加工复杂型腔和型面比金刚石刀具切割具有切片薄、切口窄、精度高、生产率高、经济性好日期4.7高压水射流切割原理：利用水或水中加添加剂的液体，经水泵至增压器，再经储掖蓄能器使高压液体流动平稳，最后有人造蓝宝石喷嘴形成300-900m/s的高速液体束流，喷射到工件表面，从而去除材料的加工。高速液体束流能量密度：102W/mm2

流量7.5L/min日期日期特点加工精度高:0.075-0.1mm，切边质量好液体束流能量密度高，流速高，工件切缝窄0.075-0.4mm加工产物混入液体排出，无灰尘、无污染加工区温度低，不产生热量，适合木材、纸张、皮革材料的加工设备简单、操作方便，易实现数控加工日期5.表面工程技术定义：通过改变固态金属表面或非金属表面的形态、化学成分和组织结构，以获得所需表面性能的系统工程理论基础：表面分析技术、表面物理、表面化学应用理论：表面失效分析、摩擦与磨损理论、表面腐蚀与防护理论、表面结合和复合理论目的：弄清各类固态材料表面失效机理，并综合运用各种表面技术提高材料的抵御环境作用的能力，实施特定的表面加工来制造构件、另部件和元器件日期方法覆盖层技术：电镀、电刷镀、涂装、粘结、堆焊、喷涂、塑料粉末涂敷、搪瓷涂敷、真空镀膜、镀膜，贴片机械、物理化学方法：改变材料形貌、化学成分、微观结构、应力状态——喷丸、热处理、激光表面处理、等离子扩渗处理综合两种或以上方法的复合表面处理：等离子喷涂与激光辐射、热喷涂与喷丸、化学热处理与电镀、化学热处理与气相沉积日期5.1表面改性技术指采用某种工艺手段使材料表面获得与基体材料的组织结构、性能不同的一种技术。既发挥基体的力学性能，又获得表面的各种特殊性能传统方法：喷丸、表面热处理、化学热处理清洁技术：等离子体、激光、电子束等日期日期5.2表面覆层技术在工件表面制备各种特殊功能的覆盖层，用极少量材料达到大量昂贵整体材料所能起到或难以起到的作用，同时极大地降低制造成本——广泛用于修复产品日期日期6超高速加工技术定义：采用超硬材料刀具、磨具和能可靠实现高速运动的高精度、高自动化、高柔性的制造设备，以极大提高切削速度来达到提高切除率、加工精度和加工质量的现代制造加工技术。（标志）范围：铝合金2000－7500m/min铸铁900－5000m/min钢600－3000m/min，钛合金150－1000m/min车削700－7000m/min，铣削300－6000m/min钻削200－1100m/min，磨削150m/s日期6.1超高速加工关键技术超高速切削机理大功率超高速主轴单元高加减速直线进给电机超硬耐磨长寿命刀具材料及结构安全装置以及高性能CNC控制系统和测试系统日期6.2超高速切削机理萨洛蒙曲线A不能切削B区高速切削C区切削速度切削温度日期6.3大功率超高速主轴单元主轴材料、结构、轴承超过高速主轴系统动态特性及热态特性柔性主轴及其轴承的弹性支撑技术润滑与冷却技术主轴系统多目标优化设计、虚拟设计技术美国福特卧式加工中心（动静压轴承）15000rpm日本东庄大学CNC平磨3000，东芝气浮轴承30000德国KAAP公司磁悬浮轴承60000－100000rpm日期6.4高加减速直线进给电机侍服驱动技术滚动元件技术监测单元技术安全防护技术冷却润滑技术从8－12m/min发展到30－50m/min一般18－20m/min60m/min日期7超精密加工技术一般加工10um,Ra0.3-0.8um精密加工10um-0.1um,Ra0.3-0.03um超精密加工0.1-0.01umRa0.03-0.05um纳米加工<10-3umRa<0.005um日期日期7.1关键技术加工方法与机理（微量切除表层）材料技术:加工工具与被加工材料加工设备及其基础元件日期8快速原型制造技术的概念原型 原型（Prototype)是指用来建造未来模型或系统基础的一个初始模型或系统。它能基本代表零部件性质和功能，但不具备或不完全具备零部件的功能。快速原型制造 原型制造（Prototyping)是设计、建造原型的过程。一般来说，物体成型的方式分为三类：去除成型、添加成型和静尺寸成型，原型制造也是如此。日期快速原型制造技术的分类按采用的原材料分类：液体聚合、固化粉末烧结与粘结丝材、线材熔化粘结膜、板材层合按制造工艺原理分类：立体印刷成型层合实体制造选域激光烧结熔融沉积制模三维喷涂粘结焊接成型数码累计造型日期快速原型制造技术发展历史与现状1892年美国人JFblanther获得了用层合方法制作三维地图模型的专利，可以说是近代分层制造方法的开端。1979年，日本东京大学生产技术研究所中川威雄教授发明叠层模型造型法。80年，小玉秀兰提出了光造型法，并于81年首次发表了快速原型制造技术的论文。美国UVP公司的C.Whull完成了系统SLA-1（StereoLithographyApparatus，立体印刷成型），之后与他人创办3DSystem公司，研制出了掩膜式的原型制造系统。1984年，MFeygin提出了层合实体概念。1986年，美国人S.Crump提出了熔融沉积造型设想。在多家快速原型制造设备公司中，3DSystem公司生产的快速原型制造系统在国际上占有60%的份额。90年代，快速原型制造技术服务中心年平均增长40%以上。日期立体印刷成型 立体印刷成型是目前世界上研究最深入、技术最成熟、应用最广泛的一种快速成型方法。 它以光敏树脂（如丙烯基树脂）为原料采用计算机控制下的紫外激光以预定原型各分层截面的轮廓为轨迹逐点扫描，使被扫描区的树脂薄层产生光聚合反应后固化，从而形成的一个薄层截面。当一层固化后，向上（下）移动工作台，在刚固化的树脂表面布放一层新的液态树脂，再进行新一层扫描、固化。如此重复至整个原型制造完毕。日期立体印刷成型的工艺过程模型设计对模型分层处理工作台置位激头照射光敏树脂后续处理重复三维CAD系统中造型STL格式←CAD模型系统控制系统操纵日期层合实体制造 层合实体制造又称分层实体造型、分层物体制造等。它采用激光器按照CAD分层模型所获得的数据，用激光束将单面涂有热溶胶的薄膜材料或其他材料的箔带切割成欲制原型在该层平面的内外轮廓，再通过加热辊加热，使刚刚切好的一层与下面已切割层粘接在一起。通过逐层切割、粘合，最后将不需要的材料剥离，得到欲求的原型。 层合实体制造工艺与立体印刷成型工艺的主要区别在于将立体印刷成型中的光致树脂固化的扫描运动变为激光切割薄膜运动，它使用低能二氧化碳激光器，成型的制件无内应力、无变形，因而精度较高。日期层合实体制造的工艺过程模型设计对模型切片处理工作台置位激光头切纸后续处理重复三维CAD系统中造型使用切片软件系统控制系统控制、提供数据日期选域激光烧结 选域激光烧结，借助精确引导的激光束使材料粉末烧结成熔融合凝固成三维原型或制件。即成型机按照计算机输出的原型分层轮廓，采用激光束在指定路径上选择性地扫描并熔融工作台上很薄（100～200μm）且均匀铺层的材料粉末，由分层图形所选择的扫描区域内的粉末被激光束熔融，连结在一起，而未在该区域内的粉末仍然是松散的。当一层扫描完毕，向上（或下）移动工作台，控制完成新一层烧结。全部烧结后去掉多余的粉末，再进行打磨、烘干等处理便获得原型或零件。日期选域激光烧结的工艺过程模型设计对模型切片处理工作台置位激光烧结粉末后续处理重复三维CAD系统中造型使用切片软件系统控制系统控制、提供数据日期熔融沉积造型 熔融沉积造型采用热熔喷头，使半流动状态的材料按CAD分层数据控制的路径挤压并沉积在指定的位置凝固成型，逐层沉积、凝固后形成整个原型或零件。这一技术又称为熔化堆积法、熔融挤出成模等。日期熔融沉积造型的工艺过程模型设计对模型切片处理工作台置位液体凝固成型后续处理重复三维CAD系统中造型使用切片软件系统控制加热、挤压控制液体日期其它技术三维喷涂粘接，使用粉末材料和粘接剂，按原型 或零件分层截面轮廓，喷头在每一层铺好的材料粉末层上有选择的喷吐粘接剂，喷过粘接剂的路径材料被粘接在一起，其他地方仍为松散粉末。层层粘接后就得到一个三维空间实体，去除粉末并进行后烧结就得到所要求的原型或零件，又称三维打印、多层打印，陶瓷壳法。焊接成型技术，用焊接设备及工艺方法，制成全由焊缝金属组成的零件，也称融化成型、全焊接金属零件制造技术。这种方法的本质，就是采用现有的各种成熟的焊接技术用逐层堆焊的方法制造零件。日期第一部分先进设计加工技术

第二部分制造自动化技术

第三部分微机械系统

第四部分先进管理模式目录日期制造是通过能量与信息的输入将原材料变换成产品的过程。自动化：规划、管理、组织、控制与操作60年代：扩大生产规模70年代：降低生产成本80年代：提高产品质量90年代：快速响应市场日期刚性自动化数控机床柔性制造系统CIMS并行工程工厂子网广域网信息高速公路全球通讯网络智能制造计算智能制造智能敏捷制造虚拟组织制造资源组织全球化全球制造刚性技术柔性柔性系统决策敏捷全球单元系统集成自动化性性40-5060708090年代日期制造自动化技术特征分布式、协同处理强调人和知识的作用智能化集成（4M，Modeling、Manufacturing、Measurement、Manipulation）网络化和全球化日期制造自动化关键技术基于并行工程CAD/CAPP/CAM/PDM技术面向自动化的虚拟制造技术虚拟加工、虚拟控制、虚拟装配、虚拟检测、虚拟评价传感与检测技术机器人化制造技术（传输、装配、加工）日期日期日期汽车转向器干涉检查示例：日期CAPP系统日期CAPP系统日期日期日期日期日期日期日期日期2.2协同设计网站——远程辅助设计系统日期2.3三维设计软件共享系统日期日期2.4共享白板和多媒体交流系统日期日期日期日期远程文件传输日期第一部分先进设计加工技术

第二部分制造自动化技术

第三部分

微机械系统

第四部分先进管理模式目录日期微机械的概况称谓：美国：微型电子机械系统（MEMS）

日本：微机器

欧洲：微系统按尺寸分类：微小型机械：1～10mm微机械：1μm～1mm纳米机械：1nm～1μm现代微机械加工的特征：高宽比达到几十以上几个<=W<=几十个微米几十<=H<=几百个微米2.具有集光、机、电性能于一体的生产器件的潜力日期微机械的概况--几种典型产品（1）日本丰田公司早已造出长4．8毫米的4轮微型汽车美国斯坦福研究所的微观“人造肌肉”则可利用“扑打”的方法，带动微型飞机飞行

美国林肯实验室的燃气轮机只有钮扣般大小，可产生0．64公斤推力麻省理工学院的喷气式发动机，直径只有1厘米，推力为13克，可带动50克重的微型飞机以300公里时速飞行

德国的微型直升机有400毫克重，发动机直径1—2毫米，转速高达每分钟4万转瑞典皇家理工学院设计日期微机械的概况--几种典型产品（2）美国国家航空航天局准备要研制重7磅（3．2公斤）的超微航天探测器广东工业大学与日本筑波大学生物医用微型机器人，一维二维联动压电陶瓷驱动器，位移50umX50um哈尔滨工业大学电致伸缩陶瓷驱动二自由度微型机器人，10umX10um,位移分辨率00.1um日期微机械材料与微型构件硅体材料：单晶硅、多晶硅、二氧化硅、炭化陶瓷、石英、金刚石、记忆合金、压电功能材料：电致伸缩材料、形状记忆材料、永磁材料、受热变相的凝胶材料日期微机械的应用领域

微机械由于具有狭小空间内进行作业而又不扰乱工作环境和对象的特点，在航空航天、精密仪器、材料、生物医疗等领域有着广泛的应用潜力另外，微型机器人不久的将来可能出现在战场上微机器人擅于管道检查维修微组装和微型工厂

日期微机械的一般结构

典型的MEMS系统

传感器信号处理执行器外部信息微传感器微执行器微型构件

微机械光学器件真空微电子器件

电力电子器件

信号处理的集成电路日期微机械的设计方法--新的设计概念（1）

开发微机械必须建立新的设计概念：尽量设计无摩擦结构，不出现旋转关节，因为所有的旋转关节都有摩擦力（因为微机械尺寸很小，摩擦力超过了其它的力，控制了系统的运动。）在我们身边有很多毫米级的昆虫，它们是开发基于昆虫模型机械的基础。日期微机械的设计方法--新的设计概念（2）

开发微机械必须建立新的设计概念：我们学习昆虫的知识对我们研究微型机械大有好处。昆虫有很多有趣的特征，比如：外部骨骼、弹性关节、伸缩肌肉等。这些特点为我们设计微机械提供了基础。（昆虫只有104－106个神经细胞，它的运动是简单的机械运动，如往复运动。但是为什么这些运动看上去非常协调、灵活，这就是我们研制基于昆虫模型机械的原因。）日期微机械的设计方法--动力问题

微机械的动力问题

在微机械领域，由于尺寸及重量的限制，传统的驱动器基本上都无法工作。目前，已经提出的几种典型方案如下：

形状记忆合金（SMA）微驱动器DNA驱动超声马达（USM）驱动

日期形状记忆合金（SMA）微驱动器原理：利用合金的相变(热弹性马氏体相变)来进行能量转换的，它可直接实现各种直线运动或曲线运动轨迹，而不需任何机械传动装置。优点：1.形状记忆合金驱动器可做成非常简单的形式2.形状记忆合金制作的驱动器便于实现独立控制3.具有传感功能4.所需的电源电压较低，易与控制电路用的电源一致以简化系统5.工作时不存在外摩擦，无任何噪声，不会产生磨粒缺点：效率较低、疲劳寿命较短

微机械的设计方法--

SMA日期DNA驱动原理：单股的DNA链是伸直的，但是互补的DNA遇到一起，就会形成双螺旋结构，因此单股的DNA就会缩短。优点：几乎不需要我们另外提供任何能量，它的动力都是自然界自身所提供的绝对纯净的能源。缺点：适用范围有限，只能在液体中工作。微机械的设计方法--

DNA驱动日期超声马达驱动原理：利用压电陶瓷的逆压电效应将电能转换成超声波范围内的机械振动（频率≥20kHz）来获得驱动力，通过摩擦耦合将驱动力转换成转子或滑块的运动。优点：1.不受磁场的干扰、不产生电磁波2.能量密度大,比电磁马达大5～10倍

3.结构紧凑

4.结构形式多样化

5.制动和响应快

，控制性能好

6.运行无噪音

缺点：1.由于靠摩擦力驱动，存在磨损问题，因此工作寿命较短2.高频振动引起温度升高，影响压电陶瓷工作的稳定性

微机械的设计方法--超声马达驱动（USM）日期第一部分先进设计加工技术

第二部分制造自动化技术

第三部分微机械系统

第四部分

先进管理模式目录日期并行工程敏捷制造精益生产绿色制造日期一、并行工程

特点（1）从组织结构上看，CE采用分布式组织结构，将组织结构从层次式转变为平面式，其基本组织结构是产品开发组。

（2）从设计过程来看，CE的工作过程是集成化的产品设计、制造、经销过程。

（3）从管理上来看，CE的管理体制中强调人的作用。

含义并行工程（ConcurrentEngineering)：并行工程是一种对产品及其相关过程（包括制造过程和支持过程）进行并行的、一体化设计的的工作模式。这种工作模式可使产品开发人员一开始就能考虑到从产品概念设计到消亡的整个产品生命周期中的所有因素，包括质量、成本、进度和用户要求。

1、并行工程的含义及特点日期2、并行工程的运行模式

市场分析产品概念设计产品设计工艺设计装配设计检验设计系统仿真和评估满意？制造装配检验销售维护维修设计YN日期3、并行工程的运行特征并行特性整体特性协同特性多功能的协同组织机构协同的设计思想协同的效率集成特性

人员集成信息集成功能集成技术集成日期二、敏捷制造的含义及特点含义

敏捷制造（Agilemanufacturing）是一种结构，在这个结构中每一个公司都能开发自己的产品和实施自己的经营战略，构成这个结构的基石是三种基本资源：有创新精神的管理结构和组织；有技术、有知识的高素质人员；柔性制造技术和智能制造技术。敏捷源