机械制造技术的发展

1、1本章主要内容：本章主要内容： 机械制造技术的发展趋势、精密加工与机械制造技术的发展趋势、精密加工与超精密加工、非传统加工方法。超精密加工、非传统加工方法。23 4 AMTAMT首先由美国于首先由美国于2020世纪世纪8080年代末提出。年代末提出。长期以来，美国政府只对基础研究、卫生健康、长期以来，美国政府只对基础研究、卫生健康、国防技术等给予经费支持，而对产业技术不予支国防技术等给予经费支持，而对产业技术不予支持，主张产业技术通过市场竞争，由企业自主发持，主张产业技术通过市场竞争，由企业自主发展展2020世纪世纪7070年代，一批美国学者不断鼓吹美国已年代，一批美国学者不断鼓吹美国已进入进

2、入“后工业化社会后工业化社会”，认为制造业是，认为制造业是“夕阳工夕阳工业业”，主张经济重心由制造业转向高科技产业和，主张经济重心由制造业转向高科技产业和第三产业第三产业5结果：导致美国在经济上的竞争力下降，贸易逆差结果：导致美国在经济上的竞争力下降，贸易逆差巨增，日本家电、汽车大量涌入并占领了美国市场。巨增，日本家电、汽车大量涌入并占领了美国市场。（2020世纪世纪6060年代美国汽车产量占世界汽车总产量的年代美国汽车产量占世界汽车总产量的2/32/3，而到了，而到了8080年代下降到不足年代下降到不足1/31/3）。）。2020世纪世纪8080年代年代, ,美国政府开始认识到问题的严重性。

3、美国政府开始认识到问题的严重性。 白宫一份报告称白宫一份报告称“美国经济衰退已威胁到国家安全美国经济衰退已威胁到国家安全” MIT MIT 的一份报告写到的一份报告写到“经济竞争归根结底是制造技经济竞争归根结底是制造技术和制造能力的竞争术和制造能力的竞争”，“一个国家要生活好，必须一个国家要生活好，必须生产好生产好”，表明美国知识界与政府之间取得了共识。，表明美国知识界与政府之间取得了共识。6 19881988年年, ,美国政府投资进行大规模美国政府投资进行大规模“2121世纪制造企世纪制造企业战略业战略”研究研究, ,并于其后不久提出了并于其后不久提出了“先进制造技术先进制造技术”发展目标，

4、制定并实施了发展目标，制定并实施了“先进制造技术计划（先进制造技术计划（ATPATP）”和和“制造技术中心计划（制造技术中心计划（MTCMTC）”19911991年，白宫科学技术政策办公室发表年，白宫科学技术政策办公室发表“美国国美国国家关键技术家关键技术”报告，重新确立了制造业的地位报告，重新确立了制造业的地位19931993年，克林顿在硅谷发表题为年，克林顿在硅谷发表题为“促进美国经济促进美国经济增长的技术增长的技术 增强经济实力的新方向增强经济实力的新方向”的演说，的演说，对制造业给予了实质性强有力的支持。对制造业给予了实质性强有力的支持。7 “制造业仍是美国的经济基础，美国曾多年是制制

5、造业仍是美国的经济基础，美国曾多年是制造业的世界领袖，不受挑战。但近十年我们的实力造业的世界领袖，不受挑战。但近十年我们的实力每况愈下每况愈下 美国企业和政府对制造技术投资不足，与其它美国企业和政府对制造技术投资不足，与其它外国竞争者相比，美国公司在整个研究开发计划中外国竞争者相比，美国公司在整个研究开发计划中忽视了与工艺有关的研究开发忽视了与工艺有关的研究开发忽视了现有技术和忽视了现有技术和诀窍的传播诀窍的传播” 随着美国在随着美国在“先进制造技术计划（先进制造技术计划（ATP）”和和“制造技术中心计划（制造技术中心计划（MTC）”的实施和推行，从的实施和推行，从而取得了明显的效果。而取得了

6、明显的效果。8 9 对对AMTAMT而言，至今尚无明确的和一致公认的定义，而言，至今尚无明确的和一致公认的定义，通过对其特征的分析和多年的实践总结，可以认为：通过对其特征的分析和多年的实践总结，可以认为： AMTAMT是制造业不断吸收信息技术和现代管理技术的是制造业不断吸收信息技术和现代管理技术的成果，将其综合应用于产品设计、加工、检测、管理成果，将其综合应用于产品设计、加工、检测、管理、销售、使用、服务乃至回收的制造全过程，以实现、销售、使用、服务乃至回收的制造全过程，以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活生产，提高对动态多优质、高效、低耗、清洁、灵活生产，提高对动态多变市场的适应能力和竞争力的

7、制造技术的总称。变市场的适应能力和竞争力的制造技术的总称。10 AMT 是一项综合性技术是一项综合性技术 AMTAMT不是一项具体的技术，而是利用系统工程思想和不是一项具体的技术，而是利用系统工程思想和方法将各种相关技术集合成一个整体的，特别强调计方法将各种相关技术集合成一个整体的，特别强调计算机技术、信息技术等的综合应用以及人、技术、管算机技术、信息技术等的综合应用以及人、技术、管理的有机结合。理的有机结合。11 AMT 是一项动态技术是一项动态技术 AMT 没有一个固定的模式，它要与企业的具体情没有一个固定的模式，它要与企业的具体情况相结合。同时况相结合。同时AMT 也不是一成不变的，而是

8、动态也不是一成不变的，而是动态发展的，它要不断地吸收和利用各种高新技术成果，发展的，它要不断地吸收和利用各种高新技术成果，并将其渗透到制造系统的各个部分和整个过程，使其并将其渗透到制造系统的各个部分和整个过程，使其不断趋于完善。不断趋于完善。 AMT 是面向工业应用的技术是面向工业应用的技术 AMT 有明显的需求导向特征，不以追求技术高新有明显的需求导向特征，不以追求技术高新度为目的，重在实际效果。度为目的，重在实际效果。12 AMTAMT是面向是面向2121世纪的技术世纪的技术 AMTAMT是制造技术发展的新阶段，它保留了传统制造是制造技术发展的新阶段，它保留了传统制造技术中有效要素，吸收并

9、充分利用了一切高新技术，技术中有效要素，吸收并充分利用了一切高新技术，使其产生了质的飞跃。使其产生了质的飞跃。 AMTAMT强调环保技术，符合可持续发展的战略。强调环保技术，符合可持续发展的战略。 AMT是面向全球竞争的技术是面向全球竞争的技术 通过提高企业综合效益和对市场的快速反应能力，通过提高企业综合效益和对市场的快速反应能力，达到提高竞争力的目标。达到提高竞争力的目标。13 信息技术对信息技术对AMT发展起着越来越重要的发展起着越来越重要的作用作用 信息技术是各种先进制造技术的重要支撑，信息信息技术是各种先进制造技术的重要支撑，信息技术向制造技术的注入与融合，必将促进技术向制造技术的注入

10、与融合，必将促进AMTAMT的不的不断发展。断发展。 现代设计技术将迅速发展和不断完善现代设计技术将迅速发展和不断完善 包括包括CADCAD，CAECAE，DFXDFX，健壮设计，优化设计，智，健壮设计，优化设计，智能设计，反求工程，面向全生命周期的设计等。能设计，反求工程，面向全生命周期的设计等。14 材料成形向精密、低耗、清洁方向发展材料成形向精密、低耗、清洁方向发展 材料成形技术将使毛坯从接近零件形状向直接制材料成形技术将使毛坯从接近零件形状向直接制成工件精密成形或称净成形的方向发展。据国际机械成工件精密成形或称净成形的方向发展。据国际机械加工技术协会预测，本世纪初，塑性成形与磨削加工加

11、工技术协会预测，本世纪初，塑性成形与磨削加工相结合，将取代大部分中小零件的切削加工。运用改相结合，将取代大部分中小零件的切削加工。运用改性技术，将获得各种特殊性能要求的表面（涂）层，性技术，将获得各种特殊性能要求的表面（涂）层，同时减少能耗并消除污染。同时减少能耗并消除污染。 加工技术向超精密、超高速方向发展加工技术向超精密、超高速方向发展15 绿色制造将成为绿色制造将成为21世纪制造业重要特征世纪制造业重要特征 包括：包括：（产品在全生命周期符合（产品在全生命周期符合环保、人类健康、能耗低、资源利用率高的要求）；环保、人类健康、能耗低、资源利用率高的要求）；（在整个制造过程，对环境负面影响最

12、（在整个制造过程，对环境负面影响最小，废弃物和有害物质的排放最小，资源利用效率最小，废弃物和有害物质的排放最小，资源利用效率最高）；高）；（例如，汽车等产品（例如，汽车等产品的拆卸和回收技术，以及生态工厂的循环式制造技术的拆卸和回收技术，以及生态工厂的循环式制造技术等）。等）。虚拟制造将获得广泛应用虚拟制造将获得广泛应用 用虚拟制造环境中生成的软产品原型代替传统的硬用虚拟制造环境中生成的软产品原型代替传统的硬样品进行试验，从而缩短产品的设计与制造周期，降样品进行试验，从而缩短产品的设计与制造周期，降低成本，提高系统快速响应市场变化的能力。低成本，提高系统快速响应市场变化的能力。 1617精密加

13、工精密加工：在一定的发展时期，加工精度和表面：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。质量达到较高程度的加工工艺。超精密加工超精密加工：在一定的发展时期，加工精度和表：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。面质量达到最高程度的加工工艺。18瓦特改进蒸汽机瓦特改进蒸汽机 镗孔精度镗孔精度 1mm 20 世纪世纪 40 年代年代 最高精度最高精度 1m 20 世纪世纪 末末 精密加工：精密加工：0.1m，Ra 0.01m（亚微米加工）（亚微米加工） 超精密加工：超精密加工： 0.01m ，Ra 0.001m（纳米加（纳米加工）工）微细加工微细加工 微小尺寸

14、的精密加工微小尺寸的精密加工 超微细加工超微细加工 微小尺寸的超精密加工微小尺寸的超精密加工19图7-3 达到的加工精度和年代的关系普通加工精密加工超精密加工超高精密磨床超精密研磨机离子束加工分子对位加工车床,铣床卡尺加工设备测量仪器精密车床磨床百分尺比较仪坐标镗床坐标磨床气动测微仪光学比较仪金刚石车床精密磨床光学磁尺电子比较仪超精密磨床精密研磨机激光测长仪圆度仪轮廓仪激光高精度测长仪扫描电镜电子线分析仪加工误差（m）10010110210-210-110-3190019201940196019802000年份20精密与超精密加工技术是一个国家制造业水平的重精密与超精密加工技术是一个国家制造业

15、水平的重要标志。要标志。例：美国哈勃望远镜形状精度例：美国哈勃望远镜形状精度0.01m；超大规模集；超大规模集成电路最小线宽成电路最小线宽0.1m，日本金刚石刀具刃口钝圆半，日本金刚石刀具刃口钝圆半径达径达2nm 精密加工与超精密加工技术是新技术的生长点。精密加工与超精密加工技术是新技术的生长点。精密与超精密加工技术涉及多种基础学科和多种新兴精密与超精密加工技术涉及多种基础学科和多种新兴技术，其发展无疑会带动和促进这些相关科学技术的技术，其发展无疑会带动和促进这些相关科学技术的发展。发展。21精密加工与超精密加工技术是先进制造技术的基础精密加工与超精密加工技术是先进制造技术的基础和关键。和关键

16、。例：美国陀螺仪球圆度提高一个数量级，使制造精度例：美国陀螺仪球圆度提高一个数量级，使制造精度达到达到0.1m0.1m，粗糙度，粗糙度Ra0.01mRa0.01m，从而使洲际导弹的，从而使洲际导弹的命中精度从命中精度从500m500m控制在控制在5050150m150m范围内；英国飞机发范围内；英国飞机发电机转子叶片加工误差从电机转子叶片加工误差从60m60m降至降至12m12m，使发电机，使发电机压缩效率从压缩效率从89%89%提高到提高到94%94%；若能齿形误差从；若能齿形误差从3-4m3-4m减减小小1m1m，则单位齿轮箱重量所能传递的扭矩可提高一，则单位齿轮箱重量所能传递的扭矩可提高

17、一倍倍22。“进化进化”加工原则加工原则微量切削机理微量切削机理23 传统切削与磨削方法存在加工精度极限，超越极限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。需采用新的方法。特种加工与复合加工方法应用越来越多特种加工与复合加工方法应用越来越多 要达到加工要求，需综合考虑工件材料、加工方法、要达到加工要求，需综合考虑工件材料、加工方法、加工设备与工具、测试手段、工作环境等诸多因素，加工设备与工具、测试手段、工作环境等诸多因素，是一项复杂的系统工程，难度较大。是一项复杂的系统工程，难度较大。形成综合制造工艺形成综合制造工艺 广泛采用计算机控制、适应控制、再线检测与误差广泛采用计算机

18、控制、适应控制、再线检测与误差补偿技术，以减小人的因素影响，保证加工质量。补偿技术，以减小人的因素影响，保证加工质量。与自动化技术联系紧密与自动化技术联系紧密24 精密与超精密加工设备造价高，难成系列。常常精密与超精密加工设备造价高，难成系列。常常针对某一特定产品设计（如加工直径针对某一特定产品设计（如加工直径3m3m射电天文望远射电天文望远镜的超精密车床，加工尺寸小于镜的超精密车床，加工尺寸小于1mm1mm微型零件的激光微型零件的激光加工设备）。加工设备）。与高新技术产品紧密结合与高新技术产品紧密结合 精密检测是精密与超精密加工的必要条件，并精密检测是精密与超精密加工的必要条件，并常常成为精

19、密与超精密加工的关键。常常成为精密与超精密加工的关键。加工与检测一体化加工与检测一体化25 波及工件内层，可获得高精度和好表面波及工件内层，可获得高精度和好表面质量质量机理、特点机理、特点26照像机塑料镜片、树脂隐形眼镜照像机塑料镜片、树脂隐形眼镜镜片等镜片等应用应用关键技术：加工设备和刀具关键技术：加工设备和刀具27加工设备加工设备 车床主轴装在横向滑台（车床主轴装在横向滑台（X X轴）上，刀架装在纵向轴）上，刀架装在纵向滑台（滑台（Z Z轴）上。可解决两滑台的相互影响问题，而且轴）上。可解决两滑台的相互影响问题，而且纵、横两移动轴的垂直度可以通过装配调整保证，生纵、横两移动轴的垂直度可以通

20、过装配调整保证，生产成本较低，已成为当前金刚石车床的主流布局产成本较低，已成为当前金刚石车床的主流布局。 T T形布局形布局28金刚石车床主要性能指标数控系统分辩率数控系统分辩率 /m40020050001000050000. 10.010. 2/1000. 10. 11/1502/100径向1140轴向1020640720最大车削直径和长度最大车削直径和长度 /mm最高转速最高转速 r/mm最大进给速度最大进给速度mm /min重复精度重复精度(2) / m主轴径向圆跳动主轴径向圆跳动 / m滑台运动的直线度滑台运动的直线度 / m主轴前静压轴承（100mm）的刚度 /（N/m）主轴后静压轴

21、承主轴后静压轴承（80mm）的刚度的刚度 /（N/m）纵横滑台的静压支承刚度纵横滑台的静压支承刚度 /（N/m）表表7-5 金刚石车床主要性能指标金刚石车床主要性能指标主轴轴向圆跳动主轴轴向圆跳动 / m横滑台对主轴的垂直度横滑台对主轴的垂直度 / m29金刚石刀具金刚石刀具a）4 次对称轴和（100）晶面L4（100）（110）L2L3（111）b）2 次对称轴和（110）晶面c）3 次对称轴和（111）晶面八面体的晶轴和镜晶面3031砂轮材料：砂轮材料：金刚石，立方氮化硼（金刚石，立方氮化硼（CBN）特点：特点：32砂轮修整：砂轮修整：ELID（Electrolytic In-Proces

22、s Dressing）由由日本东京大学理化研究所发明的电解在线修锐日本东京大学理化研究所发明的电解在线修锐法的砂轮修锐效果为最好。法的砂轮修锐效果为最好。33进给 ELID磨削原理电源金刚石砂轮（铁纤维结合剂）冷却液冷却液电刷34接触轮硬磁盘装在主轴真空吸盘上 砂带磨削示意图V砂带砂带轮卷带轮F-径向进给f-径向振动精密与超精密精密与超精密砂带磨削砂带磨削35 几种砂带磨削形式a）砂带无心外圆磨削（导轮式） 工件导轮接触轮 主动轮砂带工件接触轮主动轮砂带b）砂带定心外圆磨削（接触轮式）c）砂带定心外圆磨削（接触轮式）工件接触轮主动轮砂带接触轮砂带工件d）砂带内圆磨削（回转式）工件支承板主动轮砂

23、带工作台e）砂带平面磨削（支承板式）f）砂带平面磨削（支承轮式）支承轮工件砂带接触轮36砂带磨削砂带磨削特点特点1）砂带与工件柔性接触，磨粒载荷小，且均匀，工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（件受力、热作用小，加工质量好（ R Ra a 值可达值可达 0.02m0.02m）。）。 3 3）强力砂带磨削，磨削比（切除工件重量与砂轮磨）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，有耗重量之比）高，有“高效磨削高效磨削”之称。之称。 4 4）制作简单，价格低廉，使用方便。）制作简单，价格低廉，使用方便。5 5）可用于内外表面及成形表面加工。）可用于

24、内外表面及成形表面加工。2 2）静电植砂，磨粒有方向性，尖端向上，摩擦生热）静电植砂，磨粒有方向性，尖端向上，摩擦生热小，磨屑不易堵塞砂轮，磨削性能好。小，磨屑不易堵塞砂轮，磨削性能好。3738热流动加工（火焰，高频，热射线，激光）热流动加工（火焰，高频，热射线，激光）压铸，挤压，喷射，浇注压铸，挤压，喷射，浇注微离子流动加工微离子流动加工热表面流动热表面流动粘滞性流动粘滞性流动摩擦流动摩擦流动变形加变形加工工(流动流动加工加工)化学镀，气相镀（电镀，电铸）化学镀，气相镀（电镀，电铸）氧化，氮化（阳极氧化）氧化，氮化（阳极氧化）（真空）蒸镀，晶体增长，分子束外延（真空）蒸镀，晶体增长，分子束外

25、延烧结，掺杂，渗碳，（侵镀，熔化镀）烧结，掺杂，渗碳，（侵镀，熔化镀）溅射沉积，离子沉积（离子镀）溅射沉积，离子沉积（离子镀）离子溅射注入加工离子溅射注入加工化学化学(电化学电化学)附着附着化学化学(电化学电化学)结合结合热附着热附着扩散扩散(熔化熔化)结合结合物理结合物理结合注入注入结合加结合加工工(附着附着加工加工)车削，铣削，钻削，磨削车削，铣削，钻削，磨削蚀刻，化学抛光，机械化学抛光蚀刻，化学抛光，机械化学抛光电解加工，电解抛光电解加工，电解抛光电子束加工，激光加工，热射线加工电子束加工，激光加工，热射线加工扩散去除加工，熔化去除加工扩散去除加工，熔化去除加工离子束溅射去除加工，等离子

26、体加工离子束溅射去除加工，等离子体加工机械去除机械去除化学分解化学分解电解电解蒸发蒸发扩散与熔化扩散与熔化溅射溅射分离加分离加工工(去除去除加工加工)加工方法加工方法加工机理加工机理 微细与超微细加工机理与加工方法微细与超微细加工机理与加工方法39主要采用铣、钻和车三种形式，可加工平面、内腔、主要采用铣、钻和车三种形式，可加工平面、内腔、孔和外圆表面。孔和外圆表面。刀具：多用刀具：多用单晶金刚石车刀、铣刀。单晶金刚石车刀、铣刀。铣刀的回转半铣刀的回转半径（可小到径（可小到5m）靠刀尖相对于回转轴线的偏移来得）靠刀尖相对于回转轴线的偏移来得到。当刀具回转时，刀具的切削刃形成一个圆锥形的到。当刀具

27、回转时，刀具的切削刃形成一个圆锥形的切削面。切削面。40微细机械微细机械加工设备加工设备41FANUC ROBO nano Ui 型微型超精密加工机床：型微型超精密加工机床：42BX导轨B轴回转工作台空气涡轮主轴刀具C轴回转工作台工件Z导轨空气油减振器C C图7-36 FANUC 微型超精密加工机床43 电极线沿着导丝器中的槽以电极线沿着导丝器中的槽以510mm/min的低速的低速滑动，可加工圆柱形的轴。如导丝器通过数字控制作滑动，可加工圆柱形的轴。如导丝器通过数字控制作相应的运动，还可加工出各种形状的杆件。相应的运动，还可加工出各种形状的杆件。线放电磨削法（线放电磨削法（WEDG） WEDG

28、 可加工的各种截形杆 WEDG工作原理工件金属丝导丝器44离子束4. 刻蚀（形成沟槽）5. 沉积（形成电路）6. 剥膜（去除光致抗蚀剂）3. 显影、烘片（形成窗口）窗口2. 曝光（投影或扫描）掩膜电子束图7-41 电子束光刻大规模集成电路加工过程光刻加工光刻加工（电子束光刻大规模集成电路）（电子束光刻大规模集成电路）1. 涂胶（光致抗蚀剂）氧化膜光致抗蚀剂基片45要求：定位精度 0.1m，重复定位精度 0.01m导轨：硬质合金滚动体导轨，或液（气）静压导轨工作台：粗动 伺服电机 + 滚珠丝杠 微动 压电晶体电致伸缩机构图7-42 电致伸缩微动工作台XY0Py1Py2Px微动工作台工作台微动的形

29、成：X运动： Py1 Py2 Px长度变化Y运动： Py1 Py2 Py1长度变化Z转动： Py1 Py2 加工设备加工设备（电子束光刻大规模集成电路）（电子束光刻大规模集成电路）464748q 非传统加工方法特点：非传统加工方法特点：4950机械过程机械过程q 非传统加工方法分类非传统加工方法分类按加工机理和采用的按加工机理和采用的能源划分）：能源划分）：热学过程热学过程51电化学过程电化学过程化学过程化学过程复合过程复合过程52工件（陶瓷滚柱）磁性材料磁极振动运动 磁力抛光示意图NS53q 发展趋势发展趋势54 EI 收录文章数比较70年代80年代90年代20841104232142244

30、424214441321252353316 激光加工 电火花加工 超声加工 电化学加工图反映了学术界和工程界对几种非传统加工方图反映了学术界和工程界对几种非传统加工方法的关注程度。法的关注程度。55q 工作原理：工作原理：利用工具电极与工件电极之间脉冲性火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，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

31、迅速被除去。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：个阶段： 1）介质电离、击穿，形成放电通道；）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；）火花放电产生熔化、气化、热膨胀； 3）抛出蚀除物；）抛出蚀除物； 4）间隙介质消电离（恢复绝缘状态）。）间隙介质消电离（恢复绝缘状态）。 56q 工作要素工作要素57q 电火花加工类型电火花加工类型58 电火花线切割原理图XY储丝筒导轮电极丝工件59 电火花线切割加工加工过程显示60电火花线切割机床61q 电火花加工特点电火花加工特点62q 电火花加工应用电火花加工应用63工作原理：工作原理：工件接阳极，工具（铜或不锈钢）接阴工件接阳极，工具（铜或不