机械加工工艺基础第十章切削加工先进技术

1、第三节第三节 精密加工精密加工31第一节第一节 数控加工数控加工2第二节第二节 特种加工特种加工 第四节第四节 先进加工技术先进加工技术4一、数控机床基础一、数控机床基础 数控数控数字控制（Numerical Control，简称NC），是20世纪中期发展起来的一种自动控制技术，是用数字化信号进行控制的一种方法。 数控机床数控机床用数字化信号对机床的运动及其加工过程进行控制的机床，或者说是装备了数控系统的机床。 第一节第一节 数控加工数控加工 1 1认识数控与数控机床认识数控与数控机床2 2数控机床的组成数控机床的组成（1）控制介质是存储数控加工所需程序的介质。（2）数控装置是数控机床的核心。

2、（3）伺服系统用于接收数控装置的指令，是数控系统的执行部分。（4）测量反馈装置用来检测速度、位移以及加工状态，并将检测到的信息转化为电信号反馈给数控装置，通过比较计算出偏差，并发出纠正误差指令。测量反馈装置分为半闭环和闭环两种。（5）机床主体是数控机床的本体，主要包括床身、主轴、进给机构等机械部件，还有冷却、润滑、转位部件，如换刀装置、夹紧装置等辅助装置。3 3数控加工的工作过程数控加工的工作过程 数控加工的实质是：数控机床按照事先编制好的加工程序，通过数字控制过程，自动地对工件进行加工。 4 4数控机床的分类数控机床的分类l 数控车床l 数控铣床l 加工中心l 数控钻床l 数控线切割机床l

3、数控电火花成形机床l 其他数控机床其他几种常见的分类方法5 5数控机床的加工特点数控机床的加工特点 l 适用范围广。l 加工精度高。l 生产率高。l 加工质量稳定可靠。l 改善劳动条件。l 有利于实现生产管理现代化。6 6数控机床的应用数控机床的应用l 多品种、小批量生产的工件或新产品试制中的工件。l 形状复杂，加工精度要求高，通用机床无法加工或很 难保证加工质量的工件。l 在普通机床上加工，需要昂贵的工装设备（工具、夹 具和模具）的工件。l 尺寸难测量、进给难控制的壳体或盒型工件。l 必须在一次装夹中完成铣、镗、锪、铰或攻螺纹等多任务工序的工件。l 价格昂贵，加工中不允许报废的关键工件。l

4、需要最短生产周期的急需工件。二、常用数控机床简介二、常用数控机床简介1 1数控车床数控车床（1）数控车床的结构 （2）数控车床的特点1）采用防护装置。2）采用自动排屑装置。3）工件装夹安全可靠。4）可自动换刀。5）主传动与进给传动分离。2 2数控铣床数控铣床（1）数控铣床的结构 （2）数控铣床的特点 1）工件加工的适应性强，灵活性好，能加工轮廓形状特别复杂或难以控制尺寸的工件。 2）能加工普通铣床无法加工或很难加工的工件。 3）能加工一次装夹定位后需进行多道工序加工的工件。 4）加工精度较高，加工质量稳定可靠。 5）生产自动化程度高，可以降低操作者的劳动强度，有利于实现生产管理自动化。 6）生

5、产率高。 7）对刀具的要求较高，刀具应具有良好的韧性和耐磨性。3 3加工中心加工中心（1）加工中心的结构（2）加工中心的特点 1）具有至少三轴的切削控制能力，进行轮廓切削。 2）具有自动刀具交换装置，为进行多任务工序加工提供了必要条件，能大大提高加工效率。 3）具有分度工作台和数控转台，数控转台能以很小的当量任意分度。 4）具有选择各种进给速度和主轴转速的能力及各种辅助功能，可大大提高加工过程的自动化。 5）工序高度集中。 特种加工特种加工利用非常规的切削加工手段，利用电、磁、声、光、热等物理及化学能量，直接施加于被加工工件待加工部位，达到材料去除、变形以及改变性能等目的的加工技术。 第二节第

6、二节 特种加工特种加工常用特种加工方法能量形式及适用范围一、电火花加工一、电火花加工1 1电火花加工原理电火花加工原理 电火花加工电火花加工是一种利用脉冲放电对导电材料进行电蚀以去除多余材料的加工方法，故又称为电蚀加工。a）电火花加工原理b）蚀除材料的过程c）工件成型电火花加工电火花加工电火花机床 2 2电火花加工特点电火花加工特点 （1）能加工各种具有导电性能的硬、脆、软、韧材料。 （2）适宜加工小孔、薄壁、窄腔槽及各种复杂的型孔、型腔和曲线孔等，也适用于精密细微加工。 （3）有利于提高工件的加工精度和表面质量，也有利于加工热敏感性强的材料。 （4）便于实现加工过程自动化。 （5）工具电极消

7、耗较大。 3 3电火花加工应用电火花加工应用 （1）电火花穿孔、成形加工。包括穿孔和型腔加工两类。 （2）电火花小孔加工。 （3）电火花精密细微加工。 （4）电火花磨削。二、电火花线切割加工二、电火花线切割加工1 1电火花线切割加工原理电火花线切割加工原理快速走丝电火花线切割加工原理示意图 2 2电火花线切割加工特点电火花线切割加工特点 （1）可以加工用传统切削加工方法难以加工或无法加工的形状复杂的工件。 （2）工件变形小，电极丝、夹具不需要太高的强度。 （3）可加工任何导电的固体材料。 （4）有利于加工精度的提高，便于实现加工过程自动化。 （5）不能加工非导电材料。 （6）加工成本高，不适合

8、加工形状简单的大批量工件。3 3电火花线切割加工应用电火花线切割加工应用 （1）各种形状的冲裁模（凸模、凹模）及其他模具的制造。 （2）各类精密型孔、样板、成形刀具等工件和容易引起变形的精密狭槽类工件的加工。 （3）加工和切割稀有、贵重金属。 1 1激光加工原理激光加工原理 固体激光器结构示意图 三、激光加工三、激光加工2 2激光加工的特点激光加工的特点 （1）几乎可以加工任何固体材料。 （2）可进行精密细微加工。 （3）属于非接触加工，没有明显的机械力，没有工具损耗，可加工易变形的薄板和橡胶等弹性工件。 （4）加工速度快，热影响区小，并可通过透明体进行加工。 （5）精密细微加工时，需反复试验

9、，寻找合理的加工参数，才能达到其精度和表面粗糙度要求。3 3激光加工工艺及应用激光加工工艺及应用l 去除加工（激光打孔、激光切割）l 连接加工（即激光焊接） 激光打孔 激光切割四、高压水射流切割加工四、高压水射流切割加工 高压水射流切割高压水射流切割是一种冷切割工艺，被加工材料的物理性能、力学性能及材质的晶体组织结构不会遭到破坏，可免除后续机械加工工艺。一、认识精密加工一、认识精密加工 精密加工精密加工是指在一定发展阶段，加工精度和表面质量比传统的加工方法能达到更高程度的加工工艺。 按我国目前情况，精密加工是指加工精度在0.110m（相当于IT5以上），表面粗糙度值小于Ra 0.16m的加工方

10、法。 精密加工中，精度高于0.1m，表面粗糙度值小于Ra 0.1m的加工方法称为超精密加工超精密加工。 第三节第三节 精密加工精密加工1 1机床设备条件机床设备条件 必须在精密机床上进行。机床应具有高的运动精度，高的刚度和高的转速以及小的进给量。 2 2环境条件环境条件l 消除工艺系统内部和外部的振动干扰。l 创造恒温条件。二、精密车削二、精密车削1 1精密车削的应用精密车削的应用l 铜、铝及其合金制件的最终加工。 l 纯金属、塑料、玻璃纤维、合成树脂及石墨等不宜采用磨削而要求又高的零件。l 黑色金属或其他表面硬度高的精密零件光整加工前的预加工工序。2 2精密车削的刀具和切削用量精密车削的刀具

11、和切削用量 精密车削所用的刀具及其切削用量的选择三、精密磨削三、精密磨削 精密磨削精密磨削在精密磨床上用经过精细修整的细粒度砂轮进行磨削的方法。1 1精密磨削的应用精密磨削的应用 机床主轴、高精度轴承、液压滑阀、标准量具、量仪、半导体硅片，以及航空、航天工业中的精密工件、计算机磁盘等。 2 2精密磨削的种类精密磨削的种类l 精密磨削（Ra0.16Ra0.04m）l 超精密磨削（Ra0.04Ra0.01m）l 镜面磨削（Ra 0.01m） 3 3精密磨削用机床精密磨削用机床l 砂轮主轴的回转精度为1m，内圆磨具采用静压； l 应有对传动部分的减振措施；l 横向进给机构的重复精度高；l 工作台运动

12、平稳，在一定范围内无爬行。4 4精密磨削用砂轮精密磨削用砂轮l 磨料。 l 粒度。 l 硬度。 l 结合剂。 l 组织。 四、光整加工四、光整加工 光整加工光整加工精加工后，从工件上不切除或切除极薄金属层，只减小工件表面粗糙度值，提高工件表面质量或强化工件表面的加工过程。 l 超精加工l 珩磨l 研磨l 抛光 1 1超精加工超精加工 超精加工超精加工用细粒度的磨具对工件施加很小的压力，并作往复振动和慢速纵向进给运动，以实现微量磨削的一种光整加工方法。 2 2珩磨珩磨 珩磨珩磨利用珩磨工具对工件表面施加一定压力，珩磨工具同时作相对旋转和直线往复运动，切除工件上极小余量的光整加工方法。 磨粒运动轨

13、迹3 3研磨研磨 研磨研磨用研磨工具和研磨剂，从工件上研去一层极薄表面层的光整加工方法。 l 研磨外圆时，使用研具为研套。 l 研磨内孔时，使用的研具为研磨棒。 外圆研具 研磨棒 研磨外圆 研磨内孔 抛光抛光利用机械、化学或电化学的作用，使工件获得光亮、平整表面的加工方法。 4 4抛光抛光 一、先进加工技术的发展状况一、先进加工技术的发展状况1 1加工精度不断提高加工精度不断提高 第四节第四节 先进加工技术先进加工技术 随着制造工艺技术的进步与发展，机械加工精度得到不断提高。20世纪50年代末，已经实现了微米级的加工精度。在最近的十年时间内，机械加工精度提高了12个数量级，达到10nm的精度水

14、平。预计在不久的将来，可实现原子级的加工和测量。切削速度随刀具材料的变更而提高 2 2切削速度迅速提高切削速度迅速提高3 3新型工程材料的应用新型工程材料的应用4 4自动化和数字化工艺装备的发展自动化和数字化工艺装备的发展5 5产品加工向少余量和无屑加工方向发展产品加工向少余量和无屑加工方向发展飞机总装生产线二、先进加工技术的分类二、先进加工技术的分类l 超精密加工技术l 高速加工技术l 微细加工技术l 数控加工技术 精密工程、微细工程和纳米技术是现代制造技术的前沿，具有广泛的应用领域，它包括了所有能使工件的几何精度和尺寸精度达到微米和亚微米范围的机械加工方法。1. 1. 超精密加工技术超精密

15、加工技术2. 2. 高速加工技术高速加工技术 高速加工技术高速加工技术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，可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。高速切削加工目前主要用于难加工材料、超精密微细切削、复杂曲面的加工等。3. 3. 微细加工技术微细加工技术 微细加工微细加工是指加工尺度为微米级范围的加工方式。微细加工起源于半导体制造工艺，加工方式十分丰富，包含了微细机械加工、各种现代特种加工、高能束加工等方式。而微机械制造过程又往往是多种加工方式的组合。目前，微细加工技术有以下几种：超微机械加工技术、光刻加工技术、LIGA技术（制版术、电

16、铸成形和微注塑）等。4. 4. 数控加工技术数控加工技术 数字控制加工技术数字控制加工技术简称数控（NC）加工技术，是近代发展起来的一种自动控制技术，该技术是典型的机械、电子、自动控制、计算机和检测技术密切结合的机电一体化高新技术。数控加工技术是实现制造过程自动化的基础，是自动化柔性系统的核心，是现代集成制造系统的重要组成部分。三、先进加工技术的发展趋势三、先进加工技术的发展趋势1. 1. 机械加工向超精密、超高速方向发展机械加工向超精密、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0.025m，表面粗糙度值达Ra0.0045m。精切削加工技术由目前的红外波段向加工可见光波

17、段或不可见紫外线和X射线波段趋近，超精加工机床向多功能模块化方向发展，超精加工材料由金属扩大到非金属。 2. 2. 制造自动化技术的发展，趋向全球化、虚制造自动化技术的发展，趋向全球化、虚拟化和绿色化拟化和绿色化 制造全球化制造全球化是制造自动化技术发展的最重要的发展趋势。全球化制造自动化技术的基础是网络化、标准化和集成化。 制造过程的虚拟化制造过程的虚拟化，是指面向产品生产过程的模拟和检验，检验产品的可加工性、加工方法和工艺的合理性，以优化产品的制造工艺，保证产品质量、生产周期和最低成本为目标，进行生产过程计划、组织管理、车间调度、供应链及物流设计的建模和仿真。 制造过程的绿色化制造过程的绿色化，是指制造过程中的无切削、快速成形、挤压成形等，尽量减少材料和能量的消耗。3. 3. 采用清洁能源及原材料，实现清洁生产采用清洁能源及原材料，实现清洁生产l采用清洁能源，如用电加热代替燃煤加热锻坯，用电 熔化代替焦炭冲天炉熔化铁液。l采用清洁的工艺材料，开发新的工艺方法，如在锻造 生产中采用非石墨型润滑材料，在砂型铸造中采用非 煤粉型砂。l采用新结构，减少设备的噪声和振动，如