第十章 第七节 先进制造工艺

第十章特种加工方法及先进制造技术07【先进制造工艺】一二三超精密加工技术制造自动化技术微细加工与纳米技术先进制造工程技术四超高速加工技术五六近净成型技术绿色制造技术一、超精密加工技术超精密加工技术是指被加工零件的尺寸误差和形位精度误差小于0.1μm，表面粗糙度值Ra小于0.25μm的加工技术。超精密加工可分为单晶金剧石刀具超精密切削、超精密镜面磨削、超精密特种加工以及复合加工等方式。在采用单晶金刚石刀具进行超精密切削加工时，由于单晶金刚石刀具可磨得极为锋利；因此可切下1nm厚度的切屑。在配备此刀具的双坐标数控超精密机床上，可使被加工的平面和非球曲面达到很高的几何精度。切削有色金屈和非金屈材料时可获得表面粗糙度值Ra=0.02～0.002μm的镜面。在采用精密和镜面磨削时，磨削的尺寸精度和几何精度可达到亚纳水级。使用金属结合剂砂轮的在线电解修整砂轮的镜面磨前技术可得到表面祖精度值Ra=0.01～0.00μm的镜面。先进制造工程技术二、微细加工与纳米技术1.微细加工技术微细加工技术是一种新的集光刻、电铸和模铸于一体的复合微细加工技术。微细加工技术采用深度同步辐射X射线光刻、超精细电铸成形和模铸复制等方法,制作最大高度为1000μm,横向尺寸0.5μm以上，高宽比大于200的立体微结构；加工精度可达到0.1μm。它可制作各种微器件和微装置，如微传感器、微电动机、集成光学和微光学元件、微型医疗器械和装置、纳米技术元件等。它加工出的微器件和微装置还可以大量复制生产，生产成本低。加工材料可以是金属及其合金、陶瓷、聚合物、玻璃等。2.纳米加工技术纳米加工技术通常是指纳米级(0.1～100nm)的材料设计、制造、测量、控制和产品加工的技术。它将加工和测量精度从微米级提高到纳米级。纳米加工技术的主要内容包括：纳米级精度和表面形貌的测量;纳米级表层物理、化学和力学性能检测；纳米级精度加工；原子和分子的去除、搬迁和重组；纳米材料；纳米级微传感器和控制技术；微型和超微型机械；微型和超微型机电系统和纳米生物学等。纳米级加工是指达到纳米级精度的加工，纳米级加工方法包括：机械加工、化学腐蚀、能量束加工、复合加工、扫描隧道显微加工等方法。纳米级机械加工方法包括：单晶金刚石刀具的超精密切削；金刚石砂轮和立方氮化硼砂轮的超精密磨削及镜面磨削；珩磨和砂带抛光等固定磨料工具的加工；研磨、拋光等自由磨料的加工。先进制造工程技术三、制造自动化技术1.制造自动化的概念

制造自动化是指“大制造概念(广义）”的制造过程的所有环节采用自动化技术，实现制造全过程的自动化。也就是对制造过程进行规划、管理、组织、运作、控制与协调优化，以使产品制造过程实现高效、优质、低耗、及时和洁净的目标。2.制造自动化技术的研究现状

（1）制造过程的计划和调度研究十分活跃优化制造过程的计划和调度，以减少机械零件在不同的地方和不同的机床之间运输或等待的时间，是提高制造生产率的主要手段。（2）单元系统的研究单元系统是现代集成制造系统的重要组成部分，是自动化工厂车间作业计划的分解决策层和具体执行机构。(3）柔性制造技术的研究目前围绕FMS的研究主要是系统结构、控制、管理和优化运行。(4）制造系统的系统技术和集成技术系统技术包括制造系统分析技术、建模技术、运筹技术、管理技术和优化技术；集成技术包括功能和信息集成(如CIMS)、过程集成（如并行工程）、企业间集成(如敏捷制造)等。（5）人在制造自动化系统中的作用的研究发挥人的核心作用，采用人机一体的技术路线，将人作为系统结构中的有机组成部分，使人与机器处于优化合作的地位,以取得制造系统的最佳效益。（6）适应先进生产模式的制造环境的研究新的生产模式如并行工程(ConcurrentEngineering)、敏捷制造(AgileManufacturing)、虚拟制造(VirtualManufacturing)、精良生产(LeanProduction）、仿生制造(BionicManufacturing)和绿色制造(GreenManufacturing)的提出和研究,推动了制造自动化技术研究和应用的发展。3.制造自动化技术的发展趋势

制造自动化技术的发展趋势主要是敏捷化、虛拟化、智能化、网络化、全球化和制造绿色化。先进制造工程技术四、超高速加工技术超高速加工技术是指采用超硬材料的刀具和磨具，借助能可靠地实现高速运动的高精度、高自动化和高柔性的制造设备，来提高切削速度以达到提高材料加工精度、加工质量和切除率的先进加工技术。其显著标志是使被加工塑性金属材料在切除过程中的剪切滑移速度达到或超过某一阈值，开始趋向最佳切除条件，使得切除被加工材料所消耗的能量、工件表面温度、切削力、刀具和磨具磨损、加工表面质量等明显优于传统切削速度下的指标，而加工效率则大大高于传统切削速度下的加工效率。五、近净成形技术近净成形技术是指零件成形后，仅需少量加工或不再加工,就可用做机械零件的成形技术。它将新材料、新能源、精密模具技术、计算机技术、自动化技术等多种高新技术融入传统的毛坯成形技术，使之由粗糙成形变为优质、高效、高精度、轻量化、低成本的成形技术,其涵盖精密铸造成形、精密塑性成形、精密连接、精密热处理改性与表面改性、高精度模具等专业领域，是一项集新工艺、新材料、新装备以及相关高新技术成果于一体的综合技术。先进制造工程技术六、绿色制造技术1绿色制造的概念绿色制造（GreenManufacturing,GM)，又被称为环境意识制造(EnvironmentallyConsciousManufacturing,ECM)或面向环境的制造(ManufacturingForEnvironment,MFE),是在不牺牲产品功能、质量和成本的前提下，系统地考虑产品开发制造及其活动对环境的影响和资源效率的现代制造模式。绿色制造的目标是使得产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个产品生命周期中，对环境的负面影响最小，资源效率最高,并使企业经济效益和社会效益协调优化。这里的环境包含了自然生态环境、社会系统和人类健康等因素。先进制造工程技术2.绿色制造的特点绿色制造具有非常深刻的内涵，其特点如下：（1）大制造绿色制造涉及现代制造观的变革，以及大制造、大过程和学科交叉等一系列制造科学问题，它的研究无疑将会推动制造科学的发展。（2）多领域绿色制造涉及的问题领域包括三部分：制造问题，包括产品生命周期全过程;环境影响问题;资源优化问题。（3）广内涵将与绿色制造相关或相类似的制造概念大致分类如图11-16所示。先进制造工程技术（4）物流闭环绿色制造的物流则是一个闭环系统，其中开环物流和产品报废后的反馈形成大闭环系统。在此过程中，又可能形成若干个小闭环系统，其物流闭环特征如图11-17所示。先进制造工程技术3.绿色制造的体系结构绿色制造所研究的关键技术体系结构如图11-18所示。先进制造工程技术4.绿色制造工艺绿色工艺是指在产品加工过程中，采用的既能提高经济效益，又能减少环境影响的工艺技术。它要求在提高生产效率的同时，必须减少或消除废弃物的产生和有毒有害材料的产量,改善劳动条件，保护操作者的健康，并能生产出安全、可靠、与环境无害的产品。缘色工艺涉及诸多内容，如零件加工的绿色工艺，表面处理的绿色工艺，干式加工等。绿色制造工艺的开发策略如图11-19所示。先进制造工程技术5.绿色再制造的概念和内涵绿色再制造(GreenRemanufacturing)是一个以产品全寿命周期设计和管理为指导,以优质、高效、节能、节材、环保为目标，以先进技术和产业化生产为手段,来修复或改造废旧产品的一系列技术措施或工程活动的总称。其中再制造的产品是广义的.它既可以包括是设备、系统、设施，也可以是其零部件;既包括硬件，也包括软件。再制造技术是为了适应可持续发展、节约资源、保护环境的需要而形成并正在发