第4章 机械制造及先进制造技术(上课课件)

1、机械设计制造及其自动化机械设计制造及其自动化张彩丽张彩丽2015.032015.03l4.1 制造技术与制造系统制造技术与制造系统l4.2 先进制造技术先进制造技术l4.3 先进制造生产模式先进制造生产模式4.1 4.1 制造技术与制造系统制造技术与制造系统 是制造业大国，但不是制造业强国。是制造业大国，但不是制造业强国。 企业组织结构小而散，产业集中度低，规模效企业组织结构小而散，产业集中度低，规模效益差。益差。 低端产品生产扩张过度，高附加值产品依赖进低端产品生产扩张过度，高附加值产品依赖进口。口。 资源利用率和经济效率较低。资源利用率和经济效率较低。 缺乏管理技能和全球营销技巧，价格战成

2、为主缺乏管理技能和全球营销技巧，价格战成为主要的竞争手段。要的竞争手段。4.1 4.1 制造技术与制造系统制造技术与制造系统4.1 4.1 制造技术与制造系统制造技术与制造系统4.1.3 4.1.3 制造的概念制造的概念运用一定的知识、技能，操纵可利用的物质、 工具，采取各种有效的策略、方法等。4.1.3 4.1.3 制造的概念制造的概念、车削车削工件旋转作主运动，车刀移动作进工件旋转作主运动，车刀移动作进 给运动的切削加工方法。给运动的切削加工方法。 车削加工适宜于加工各种回转体表面。车削加工适宜于加工各种回转体表面。4.1 4.1 制造技术与制造系统制造技术与制造系统4.1 4.1 制造技

3、术与制造系统制造技术与制造系统4.1.4 4.1.4 常规加工方法及其机床常规加工方法及其机床 用于零件的用于零件的精加工，尤其是淬硬钢件精加工，尤其是淬硬钢件和高硬度特殊材料的精加工和高硬度特殊材料的精加工。 用于：用于：内外圆柱表面内外圆柱表面 圆锥表面圆锥表面 平面平面 螺旋面螺旋面 齿轮的轮齿表面齿轮的轮齿表面 各种成形表面各种成形表面磨削加工及磨床磨削加工及磨床内圆磨床内圆磨床普通外圆磨床普通外圆磨床平面磨床平面磨床万能外圆磨床万能外圆磨床磨削加工及磨床磨削加工及磨床无心外圆磨床无心外圆磨床磨床的主要加工范围及方法磨床的主要加工范围及方法磨削加工及磨床磨削加工及磨床4.1.4 4.1

4、.4 常规加工方法及其机床常规加工方法及其机床钻孔是采用钻头在实心材料上加工孔的一钻孔是采用钻头在实心材料上加工孔的一种方法。种方法。 对于精度要求不高的孔，对于精度要求不高的孔，如螺栓的贯穿孔、油孔以及螺纹底孔，可直接采用钻孔。台式钻床底座工作台主轴箱立柱手柄外立柱内立柱摇臂主轴箱底座钻削加工及机床钻削加工及机床4.1.4 4.1.4 常规加工方法及其机床常规加工方法及其机床铣削加工的运动特点：铣削加工的运动特点：铣削加工及机床铣削加工及机床4.1.4 4.1.4 常规加工方法及其机床常规加工方法及其机床 卧式镗床的工艺范围卧式镗床的工艺范围镗孔及镗床镗孔及镗床4.1.4 4.1.4 常规加

5、工方法及其机床常规加工方法及其机床刨削：刨削：在刨床上用刨刀加工工件的过程。在刨床上用刨刀加工工件的过程。 刨床主要用于加工各种平面和沟槽刨床主要用于加工各种平面和沟槽，也可以加工一些直线成形面。也可以加工一些直线成形面。刨削加工及刨床刨削加工及刨床4.1.4 4.1.4 常规加工方法及其机床常规加工方法及其机床拉削时，拉刀做直线移动，加工余量是借拉削时，拉刀做直线移动，加工余量是借助于拉刀上各刀齿的齿升量分层切除的，助于拉刀上各刀齿的齿升量分层切除的，所以拉刀一次通过工件即可加工完毕。所以拉刀一次通过工件即可加工完毕。由于一把拉刀只能加工一种尺寸的特定工由于一把拉刀只能加工一种尺寸的特定工件

6、表面，且拉刀较昂贵，故拉削加工主要件表面，且拉刀较昂贵，故拉削加工主要用于大批大量生产。用于大批大量生产。拉削加工及拉床拉削加工及拉床拉削加工及拉床拉削加工及拉床4.2 4.2 先进制造技术先进制造技术以比常规高数倍的切削速度对零件进行以比常规高数倍的切削速度对零件进行切削加工的一项先进制造技术。切削加工的一项先进制造技术。德国物理学家Salomom在“高速切削原理”一文中给出了著名的“Salomom曲线”：对应于一定的工件材料存在一个临界切削速度，此点切削温度最高，超过该临界值，切削速度增加，切削温度反而下降。4.2.1 4.2.1 高速切削技术高速切削技术切削加工时间减少，切削效率提高切削

7、加工时间减少，切削效率提高3 35 5倍，倍，加工成本可降低加工成本可降低2020- -4040。在高速切削加工范围，随切削速度提高，在高速切削加工范围，随切削速度提高，切削力可减少切削力可减少30%30%以上，减少工件变形。以上，减少工件变形。高速切削可加工硬度高速切削可加工硬度HRC45HRC456565的淬硬钢的淬硬钢铁件。铁件。4.2.1 4.2.1 高速切削技术高速切削技术有利于减少加工零件的内应力和热变形，有利于减少加工零件的内应力和热变形，提高加工精度，适合于热敏感材料的加工。提高加工精度，适合于热敏感材料的加工。转速的提高，使切削系统的工作频率远离转速的提高，使切削系统的工作频

8、率远离机床的低阶固有频率，加工中鳞刺、积屑机床的低阶固有频率，加工中鳞刺、积屑瘤、加工硬化、残余应力等也受到抑制。瘤、加工硬化、残余应力等也受到抑制。因此，高速切削加工可大大降低加工表面因此，高速切削加工可大大降低加工表面粗糙度，加工表面质量可提高粗糙度，加工表面质量可提高1 12 2等级。等级。4.2.1 4.2.1 高速切削技术高速切削技术优点优点: :具有高生产效率具有高生产效率; ;减少切削力，提高加工精度和减少切削力，提高加工精度和表面质量表面质量; ;降低生产成本降低生产成本; ;可加工高硬材料。可加工高硬材料。应用：应用：汽车和摩托车制造业、模具业、轴承业、航空航汽车和摩托车制造

9、业、模具业、轴承业、航空航天业、机床业、工程机械、石墨电极天业、机床业、工程机械、石墨电极等行业中广等行业中广泛应用。泛应用。4.2.1 4.2.1 高速切削技术高速切削技术 （1 1）高速主轴系统）高速主轴系统由于转速极高，主轴零件在离心力作用下产生振动和变形，高速运转摩擦会引起热变形和高温。为此提出：(1) 要求结构紧凑、重量轻、惯性小、可避免振动、噪音和良好的起、停性能；(2) 足够的刚性和高的回转精度；(3) 良好的热稳定性；(4) 大功率；(5) 先进的润滑和冷却系统；(6) 可靠的主轴监测系统。 高速电主轴高速电主轴Z轴磁浮导轨支撑高速机床电主轴轴磁浮导轨支撑高速机床电主轴 4.2

10、.1 4.2.1 高速切削技术高速切削技术（2 2）快速进给系统）快速进给系统为适应进给运动高速化的要求，采用措施：为适应进给运动高速化的要求，采用措施：采用新型直线滚动导轨采用新型直线滚动导轨其中球轴承与钢导轨之间接触面积很小，摩擦系数仅为槽式导轨的1/20左右，且 “爬行”现象可大大降低。高速进给机构采用的是小螺距大尺寸高质量滚高速进给机构采用的是小螺距大尺寸高质量滚珠丝杠，或粗螺距多头滚珠丝杠珠丝杠，或粗螺距多头滚珠丝杠目的是在不降低精度的前提下获得较高的进给速度和进给加减速度。4.2.1 4.2.1 高速切削技术高速切削技术高速进给伺服系统已发展为数字化、智高速进给伺服系统已发展为数字

11、化、智能化和软件化，不会有丢失或延迟现象能化和软件化，不会有丢失或延迟现象为尽量减轻工作台重量但又不损失工作为尽量减轻工作台重量但又不损失工作台刚度，高速进给机构通常采用碳纤维增台刚度，高速进给机构通常采用碳纤维增强复合材料强复合材料为提高进给速度，更先进、更高速的直为提高进给速度，更先进、更高速的直线电机已经发展起来线电机已经发展起来位置测量系统机床滑台初级线圈次级线圈导轨直线进给电机直线进给电机4.2.1 4.2.1 高速切削技术高速切削技术（3 3）高速切削对刀具材料的要求）高速切削对刀具材料的要求高速切削时速度和自动化程度高，要求刀具应高速切削时速度和自动化程度高，要求刀具应具有很高的

12、可靠性具有很高的可靠性，并要求刀具的寿命高，质并要求刀具的寿命高，质量一致性好，切削刃的重复精度高量一致性好，切削刃的重复精度高高的耐热性、抗热冲击性能和良好的高温力学高的耐热性、抗热冲击性能和良好的高温力学性能性能很好的断屑、卷屑和排屑性能很好的断屑、卷屑和排屑性能能适应难加工材料和新型材料加工的需要能适应难加工材料和新型材料加工的需要4.2.1 4.2.1 高速切削技术高速切削技术高速切削常使用的刀具材料有：高速切削常使用的刀具材料有：硬质合金涂层刀具硬质合金涂层刀具立方氮化硼刀具立方氮化硼刀具4.2.1 4.2.1 高速切削技术高速切削技术陶瓷刀具陶瓷刀具聚晶金刚石刀具聚晶金刚石刀具4.

13、2.2 4.2.2 特种加工技术特种加工技术4.2.2 特种加工技术特种加工技术传统切削加工以外的新的加工方法。传统切削加工以外的新的加工方法。特点：特点：不依靠机械能、切削力进行加不依靠机械能、切削力进行加工，可用软的工具或不用工具加工硬工，可用软的工具或不用工具加工硬的工件。的工件。可用来加工各种难加工材料、复杂表面或可用来加工各种难加工材料、复杂表面或有某些特殊要求的零件。有某些特殊要求的零件。4.2.2 4.2.2 特种加工技术特种加工技术产生？产生？n随科学技术向高精度、高速度、高温、高压、大功率、小型化方向的发展；n对机械制造部门提出了新要求： 难切削材料的加工 特殊复杂表面的加工

14、 超精、光整或具有特殊要求的零件的加工仅依靠传统的切削加工方法很难实现，同时前苏联科学家仅依靠传统的切削加工方法很难实现，同时前苏联科学家拉扎连柯夫妇研究发现电火花的瞬时高温可使局部的金属拉扎连柯夫妇研究发现电火花的瞬时高温可使局部的金属熔化、气化而被腐蚀掉，开创和发明了电火花加工，特种熔化、气化而被腐蚀掉，开创和发明了电火花加工，特种加工因此而产生。加工因此而产生。4.2.2 4.2.2 特种加工技术特种加工技术特种加工与传统切削加工的不同特种加工与传统切削加工的不同u依靠机械能以外的能量去除材料，多数属于依靠机械能以外的能量去除材料，多数属于“熔溶加工熔溶加工”的范畴。的范畴。u工具硬度可

15、以低于被加工材料的硬度，即能做工具硬度可以低于被加工材料的硬度，即能做到到“以柔克刚以柔克刚”。u加工过程中工具和工件之间不存在显著的机械加工过程中工具和工件之间不存在显著的机械切削力。切削力。u主运动的速度一般都较低。主运动的速度一般都较低。u加工后的表面边缘无毛刺，微观形貌加工后的表面边缘无毛刺，微观形貌“圆滑圆滑”。4.2.2 4.2.2 特种加工技术特种加工技术特种加工的分类特种加工的分类4.2.2 4.2.2 特种加工技术特种加工技术1、电火花加工、电火花加工(E1ectroDischarge Machining，EDM)是利用浸在是利用浸在工作液中的两极工作液中的两极间脉冲放电时产

16、间脉冲放电时产生的生的电蚀作用电蚀作用蚀蚀除导电材料的特除导电材料的特种加工方法，又种加工方法，又称放电加工或电称放电加工或电蚀加工。蚀加工。1 1、电火花加工、电火花加工（1）电火花加工的）电火花加工的条件条件1 1、电火花加工、电火花加工（2）电火花加工的应用及实例）电火花加工的应用及实例1 1、电火花加工、电火花加工进给方向进给方向进给方向进给方向工作液工作液工具电工具电极极工件工件工具电极工具电极工件工件电火花型腔加工1 1、电火花加工、电火花加工其他电火花加工其他电火花加工电火花铣削外形电火花铣削外形电火花铣削内形电火花铣削内形电火花铣削螺旋槽电火花铣削螺旋槽1 1、电火花加工、电火

17、花加工（3）电火花加工的机床）电火花加工的机床数控电火花成型加工机床4.2.2 4.2.2 特种加工技术特种加工技术2、电解加工、电解加工工件接阳极，工具接阴极，工件接阳极，工具接阴极，两极间加直流电压两极间加直流电压,极间保极间保持持0.11mm间隙。在间隙处间隙。在间隙处通高速流动的电解液，形通高速流动的电解液，形成极间导电通路，工件表成极间导电通路，工件表面材料不断溶解，其溶解面材料不断溶解，其溶解物及时被电解液冲走。工物及时被电解液冲走。工具阴极不断进给，保持极具阴极不断进给，保持极间间隙。间间隙。 2 2、电解加工、电解加工电解加工的应用及实例：电解加工的应用及实例：u穿孔：穿孔：2

18、 2、电解加工、电解加工u型腔：型腔：2 2、电解加工、电解加工u电解磨削：电解磨削：电解磨削过程中，金属主要电解磨削过程中，金属主要是靠电化学作用腐蚀下来，是靠电化学作用腐蚀下来，砂轮起磨去电解产物阳极钝砂轮起磨去电解产物阳极钝化膜和整平工件表面的作用。化膜和整平工件表面的作用。4.2.2 4.2.2 特种加工技术特种加工技术3、激光加工、激光加工（1）工作原理）工作原理（2）功能）功能3 3、激光加工、激光加工（3）实例）实例3 3、激光加工、激光加工4.2.2 4.2.2 特种加工技术特种加工技术4、电子束加工、电子束加工（1）工作原理）工作原理4 4、电子束加工、电子束加工（2）实例）

19、实例4.2.2 4.2.2 特种加工技术特种加工技术5、离子束加工、离子束加工工作原理：工作原理：不同的是离子带正电荷，其质量比电子大数千、数不同的是离子带正电荷，其质量比电子大数千、数万倍，所以一旦离子加速到较高速度时，离子束比万倍，所以一旦离子加速到较高速度时，离子束比电子束具有更大的撞击动能。它是靠微观的机械撞电子束具有更大的撞击动能。它是靠微观的机械撞击能量，而不是靠动能转化为热能来加工的。击能量，而不是靠动能转化为热能来加工的。4.2.2 4.2.2 特种加工技术特种加工技术6、超声加工、超声加工（Ultra Sonic Machining）工作原理：工作原理：超声波超声波发生器发生

20、器冷却水换能器变幅杆工具头泵液体磨料工件6 6、超声加工、超声加工超声波加工机床超声波加工样件4.2.2 4.2.2 特种加工技术特种加工技术7、水射流加工水刀、水射流加工水刀工作原理：工作原理：7 7、水射流加工、水射流加工水刀切割机器零件：水刀切割机器零件：铣铣削型腔削型腔切割切割金金属属零件零件切割切割非金非金属属零件零件7 7、水射流加工、水射流加工水刀雕刻木材：水刀雕刻木材：7 7、水射流加工、水射流加工水刀切割食品：水刀切割食品：7 7、水射流加工、水射流加工水刀切割在石材及陶瓷业应用水刀切割在石材及陶瓷业应用4.2.2 4.2.2 特种加工技术特种加工技术8、快速原型制造技术快速

21、原型制造技术工作原理：工作原理：p将计算机内的三维数据模型进行分层切片得到将计算机内的三维数据模型进行分层切片得到各层截面的轮廓数据各层截面的轮廓数据；p计算机据此信息控制激光器（或喷嘴）有选择计算机据此信息控制激光器（或喷嘴）有选择性地烧结一层接一层的粉末材料形成一系列具性地烧结一层接一层的粉末材料形成一系列具有一个微小厚度的片状实体有一个微小厚度的片状实体；p再采用熔结、聚合、粘结等手段使其逐层堆积再采用熔结、聚合、粘结等手段使其逐层堆积成一体，制造出新产品样件、模型或模具。成一体，制造出新产品样件、模型或模具。8 8、快速原型制造技术快速原型制造技术光固化成型光固化成型:l光固化光固化工

22、艺是基于液态光敏树脂的光聚合原理工艺是基于液态光敏树脂的光聚合原理8 8、快速原型制造技术快速原型制造技术选择性激光烧结（选择性激光烧结（SLS）:8 8、快速原型制造技术快速原型制造技术叠层实体制造叠层实体制造（LOM）:8 8、快速原型制造技术快速原型制造技术熔融堆积成形熔融堆积成形（FDM）:8 8、快速原型制造技术快速原型制造技术FDM partsSLS 选择性激光烧结快速成型3D Rapid Prototyping Character By SLA Laser & CNC Milling4.2.3 4.2.3 精密及超精密加工技术精密及超精密加工技术适用于精密机床、精密测量仪器等产品

23、中适用于精密机床、精密测量仪器等产品中关键零件的加工，关键零件的加工，精密加工精密加工被加工零件的加工精度为被加工零件的加工精度为1-1-0.1m0.1m，表面粗糙度为，表面粗糙度为Ra0.2-0.025mRa0.2-0.025m的加工技术。的加工技术。4.2.3 4.2.3 精密及超精密加工技术精密及超精密加工技术适合于精密元件、计量标准元件、大规模适合于精密元件、计量标准元件、大规模和超大规模集成电路的制造。和超大规模集成电路的制造。超精密加工超精密加工被加工零件的尺寸精度在被加工零件的尺寸精度在0.1m-0.01m 0.1m-0.01m ，表面粗，表面粗糙度糙度Ra0.025mRa0.0

24、25m，以及所，以及所用机床定位精度的分辩用机床定位精度的分辩率和重复性高于率和重复性高于0.01m0.01m的加工技术。的加工技术。4.2.3 4.2.3 精密及超精密加工技术精密及超精密加工技术目前超精密加工精度正处于向目前超精密加工精度正处于向纳米级纳米级（1010-2-2- -1010-3-3m m，1nm=101nm=10-3-3m m）的加工技术发展。的加工技术发展。精密加工和超精密加工方法可分为：精密加工和超精密加工方法可分为：1、刀具切削加工、刀具切削加工精密及超精密车削、超精密铣削、精密及精密及超精密车削、超精密铣削、精密及超精密镗削和微孔钻削。超精密镗削和微孔钻削。4.2.

25、3 4.2.3 精密及超精密加工技术精密及超精密加工技术2、精密和超精密磨料加工、精密和超精密磨料加工是利用细粒度的磨粒和微粉对黑色金是利用细粒度的磨粒和微粉对黑色金属、硬脆材料等进行加工，按具体地加工属、硬脆材料等进行加工，按具体地加工方法分为：方法分为：精密和超精密磨削精密和超精密磨削精密和超精密研磨精密和超精密研磨抛光及超精加工抛光及超精加工4.2.3 4.2.3 精密及超精密加工技术精密及超精密加工技术3、精密特种加工、精密特种加工精密电火花加工、精密电解加工、精密超声波加精密电火花加工、精密电解加工、精密超声波加工、分子束加工、电子束加工、离子束加工、原工、分子束加工、电子束加工、离

26、子束加工、原子束加工、激光加工等子束加工、激光加工等4、复合加工、复合加工复合加工是将几种加工方法叠合在一起，发挥各复合加工是将几种加工方法叠合在一起，发挥各种加工方法的长处，达到高质量、高效率。种加工方法的长处，达到高质量、高效率。4.3 4.3 先进生产模式先进生产模式（ MP ）（ LP ）减肥减肥4.3.1 精益生产精益生产4.3 4.3 先进生产模式先进生产模式(CIM)CIMS： Computer Integrated Manufacturing System4.3.2 4.3.2 计算机集成制造计算机集成制造 4.3.2 4.3.2 计算机集成制造计算机集成制造4.3.2 4.3

27、.2 计算机集成制造计算机集成制造4.3 4.3 先进生产模式先进生产模式（ERP）订货意向订货意向商务沟通商务沟通4.3.3 4.3.3 企业资源计划企业资源计划订单确认订单确认MPS计划计划MPSMPS计划计划( (主生产计划主生产计划) )Master Production Schedule：4.3.3 4.3.3 企业资源计划企业资源计划BOM物料物料清单清单BOM(Bill of Material): BOM表展表展开开4.3.3 4.3.3 企业资源计划企业资源计划共用物料共用物料缺料缺料4.3.3 4.3.3 企业资源计划企业资源计划采购询价采购询价小贩：小贩：“1个个1元元,半

28、打半打5元元,1打打9.5元。元。”妻子：妻子：“我只需要我只需要8个个,但这次但这次买买1打。打。”经济批量采购经济批量采购验收；退料验收；退料；换料；换料妻子：妻子：“这有一个坏的这有一个坏的,换一个。换一个。”4.3.3 4.3.3 企业资源计划企业资源计划工艺路线工艺路线4.3.3 4.3.3 企业资源计划企业资源计划工具、时间、人力工具、时间、人力是否满足需求是否满足需求?4.3.3 4.3.3 企业资源计划企业资源计划工作中心工作中心瓶颈工序，关瓶颈工序，关键工艺路线键工艺路线工具、时间、人力是否工具、时间、人力是否满足需求满足需求?4.3.3 4.3.3 企业资源计划企业资源计划

29、产能不足产能不足产品委外产品委外加工加工工具、时间、人力是否工具、时间、人力是否满足需求满足需求?4.3.3 4.3.3 企业资源计划企业资源计划紧急订单紧急订单下午下午4 4点，电话点，电话铃又响：铃又响：“妈妈，妈妈，晚上几个同学想晚上几个同学想来家里吃饭，你来家里吃饭，你帮准备一下。帮准备一下。”“好的，儿子，你好的，儿子，你们想吃什么，爸爸们想吃什么，爸爸晚上也有客人，你晚上也有客人，你愿意和他们一起吃愿意和他们一起吃吗？吗？”“菜你看着办吧，菜你看着办吧，但一定要有番茄炒但一定要有番茄炒鸡蛋。我们不和大鸡蛋。我们不和大人一起吃，人一起吃，6 6：3030左右回来。左右回来。”呵呵，不能呵呵，不能并单处理并单处理4.3.3 4.3.3 企业资源计划企业资源计划订单确认订单确认鸡蛋又鸡蛋又不够了，不够了，打电话打电话叫小贩叫小贩送来送来紧急采购紧急采购4.3.3 4.3.3 企业资源计划企业资源计划门铃响了，门铃响了，“李李太，这是您要的太，这是您要的烤鸭。请在单上烤鸭。请在单上签一个字。签一个字。”验收、入库、验收、入库、转应付帐款转应付帐款6 6：3030，一切准备，一切准备就绪，可烤鸭还就绪，可烤鸭还没送来，急忙打没送来，急忙打电话询问：电话询问：“我我是李太，怎么订是李太，怎么订的烤鸭还没送的烤鸭还没送来。来