第9章 现代制造技术

1、第九章现代制造技术第一节精密加工与细微加工第二节高 速 加 工第三节特 种 加 工第四节数字化制造技术第五节绿色制造技术第一节精密加工与细微加工一、精密与超精密加工二、微细加工与纳米技术一、精密与超精密加工(一)精密与超精密加工的概念(二)精密与超精密加工的特点(三)精密与超精密加工方法(二)精密与超精密加工的特点(1) “进化”加工原理一般加工时机床的精度总是高于被加工零件的精度，这一规律称为“蜕化”原理。(2)微量切削机理与传统切削机理不同，精密与超精密加工中，背吃刀量一般小于晶粒大小，切削在晶粒内进行，必须克服分子与原子之间的结合力，才能形成微量或超微量切屑。(3)综合制造工艺精密与超精

2、密加工中，要达到加工要求，需要综合考虑加工方法、加工设备与工具、检测手段、工作环境等多种因素。(4)自动化在精密与超精密加工中，广泛采用计算机控制、自适应控制、在线自动检测与误差补偿技术，以减少人为影响因素，保证加工质量。(5)精密测量精密测量是精密与超精密加工的必要条件，常成为精密与超精密加工的关键。(6)特种加工与复合加工传统切削与磨削方法，加工精度有限，精密与超精密加工常采用特种加工与复合加工等新的加工方法。(三)精密与超精密加工方法1.金刚石刀具超精密切削2.精密磨削3.超硬磨料砂轮精密与超精密磨削4.精密和超精密砂带磨削5.研磨、抛光精密和超精密加工3.超硬磨料砂轮精密与超精密磨削图

3、9-2电解修锐法1工件2切削液喷嘴3超硬磨料砂轮4电刷5支架6负电极7电解液喷嘴3.超硬磨料砂轮精密与超精密磨削图9-3砂带磨削方式a)闭式砂带磨削b)开式砂带磨削5.研磨、抛光精密和超精密加工图9-4磁性研磨原理5.研磨、抛光精密和超精密加工图9-5机械化学抛光原理1抛光工具2间隙3工件4活性抛光液二、微细加工与纳米技术(一)微细加工(二)纳米技术与纳米加工(一)微细加工1.微细机械加工2.微细电加工3.光刻加工(一)微细加工图9-6单晶金刚石铣刀刀头图9-7线放电磨削原理1工件2金属丝3导丝器(一)微细加工图9-8线放电磨削加工的各种工件(一)微细加工图9-9光刻加工过程a)涂胶b)曝光c

4、)显影d)刻蚀e)剥膜1基片2氧化膜3光致抗蚀剂4光源(电子束)5掩膜6窗口7离子束(一)微细加工(二)纳米技术与纳米加工1.纳米测量技术2.纳米加工技术1.纳米测量技术图9-10STM 工作原理a)等高测量法b)恒电流测量法2.纳米加工技术图9-11纳米汽车第二节高 速 加 工一、概述二、高速切削刀具三、高速主轴四、高速进给机构一、概述.高速加工的特点. 高速加工的应用.高速加工的关键技术一、概述图9-12高速与超高速加工切削速度范围1高速切削2超高速切削.高速加工的特点(1)加工效率高进给率较常规切削提高510倍，材料去除率可提高36倍。(2)切削力小较常规切削至少降低30，径向切削力降低

5、更明显，这样更有利于减小工件受力变形，适于加工薄壁件和细长件。(3)切削热少加工过程迅速，95以上的切削热被切屑带走，工件积聚热量少、温升低，适合于加工熔点低、易氧化和易于产生热变形的零件。(4)加工精度高高速加工刀具激振频率远离工艺系统固有频率，不易产生振动；由于切削力小，热变形小，残余应力小，易于保证加工精度和表面质量。(5) 工序集中利用同一设备既可对工件进行高速粗加工，也可进行高速精加工，实现工序集中。.高速加工的关键技术1)高速加工刀具、磨具材料与制造技术。2)高速主轴单元与高速进给单元制造技术。3)高速加工在线检测与控制技术。4)其他技术，如高速加工毛坯制造技术、干切技术、排屑技术

6、、安全防护技术等。二、高速切削刀具.高速切削刀具材料的发展.金刚石.聚晶立方氮化硼.高速切削刀具材料的发展图9-13刀具材料的发展与切削加工高速化的关系.聚晶立方氮化硼(1)较高的硬度和耐磨性晶体结构与金刚石相似，化学键类型相同，晶格常数相近，粉末硬度为8000HV。(2)高的热稳定性的热稳定性明显优于金刚石刀具。(3)良好的化学稳定性在12001300时不与铁系材料发生化学反应。(4)良好的导热性的导热性仅次于金刚石，是硬质合金的20倍，且随温度升高而增加。(5)较低的摩擦系数与不同材间的摩擦系数为0.10.3(硬质合金为0.6)，且随切削速的提高而减小。三、高速主轴图9-14电主轴原理结构

7、1刀柄2轴承3主轴4定子5冷却油出口6冷却油进口四、高速进给机构(1)采用新型直线滚动导轨直线滚动导轨中球轴承与钢导轨之间接触面积小，摩擦系统小，可大大减小进给“爬行”现象。(2)采用滚珠丝杠采用小螺距、大尺寸、高质量滚珠式丝杠或大螺距多头滚珠丝杠可以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。(3)采用数字化、智能化和软件化高速切削机床已开始采用全数字交流伺服电动机和智能化、软件化控制技术。(4)采用复合材料高速进给机构通常采用碳纤维增强复合材料，不但可减轻工作台重量，又不损失其刚度，还可提高其动态特性。(5)采用直线电动机为提高进给速度，先进、高速的直线电动机已在进给机构中使用

8、。第三节特 种 加 工一、特种加工基本概念二、电火花成形加工三、电火花线切割加工四、其他特种加工方法一、特种加工基本概念.特种加工的特点.特种加工的方法.特种加工的特点1)特种加工不是依靠刀具和磨料来进行加工，而是利用电能、热能、光能、声能、化学能来去除金属或非金属材料，工件和工具之间无明显的机械作用力，因此加工时工件变形小，加工精度高。2)特种加工的方法包括去除加工和结合加工。3)特种加工时，工具的强度和硬度可以低于工件的强度和硬度，同时工具的损耗很小，甚至无损耗，如激光加工、电子束加工等。4)特种加工中能量易于转换和控制，工件一次装夹中可以实现粗、精加工，有利于保证加工精度，提高生产率。.

9、特种加工的方法(1)力学加工应用机械能进行加工，如超声波加工、喷射加工等。(2)电物理加工利用电能转换成热能、光能等进行加工，如电火花成形加工、电火花线切割加工、电子束加工、离子束加工等。(3)电化学加工利用电能转换为化学能进行加工，如电解加工、电镀加工等。(4)激光加工利用激光光能转换为热能进行加工。(5)化学加工利用化学能或光能转换为化学能进行加工，如化学腐蚀加工(化学铣削)、化学刻蚀(光刻加工)等。(6)复合加工将机械加工和特种加工叠加在一起形成复合加工，如电解磨削等。二、电火花成形加工(一)电火花加工原理(二)电火花加工的特点及应用(三)影响电火花加工的主要工艺因素(一)电火花加工原理

10、1)接在不同极性上的工具和工件之间，必须保持一定的距离以形成放电间隙。2)放电必须在具有一定绝缘性能的液体介质中进行。3)脉冲波形是单向的，如图9-15所示。4)具有足够的脉冲放电能量，以保证放电部位的金属熔化或气化，保证电解加工的生产效率。图9-15脉冲电流波形脉冲宽度脉冲间隔T脉冲周期电流峰值(一)电火花加工原理图9-16电火花加工原理1工件2脉冲电源3自动进给装置4工具电极5工作液6过滤器7泵(一)电火花加工原理(二)电火花加工的特点及应用1)电火花加工可以加工任何导电材料，不论其硬度、脆性、熔点如何。2)电极和工件在加工过程中不接触，两者间的宏观作用力很小，所以便于加工小孔、深孔、窄缝

11、等零件，而不受电极和工件强度、刚度的限制。3)电极材料不要求比工件材料硬。4)直接利用电、热能加工，便于实现加工过程的自动控制。(三)影响电火花加工的主要工艺因素1.影响加工精度的因素2.影响表面质量的因素三、电火花线切割加工图9-17电火花线切割加工示意图a)切割工件b)加工示意图1工作台2夹具3工件4脉冲电源5丝架6电极丝7工作液箱8卷丝筒9导丝轮四、其他特种加工方法.电解加工.超声波加工.激光加工四、其他特种加工方法图9-18电解加工示意图.电解加工1)加工型面、型腔生产效率高，比电火花加工高510倍。2)工具电极损耗小，加工表面质量好，表面无毛刺。3)局部棱角、小圆角很难加工，加工精度

12、不及电火花加工。4)设备要求防腐蚀、防污染，需配置污水处理系统。图9-19超声波加工原理图1超声波发生器2冷却水入口3换能器4外罩5循环冷却水6变幅杆7冷却水出口8工具9磨料悬浮液10工件11工作槽.电解加工.超声波加工1)适于加工各种硬脆金属材料和非金属材料，如硬质合金、淬火钢、陶瓷等。2)加工过程受力小，热影响小，可加工薄壁、薄片等易变形零件。3)被加工表面无残余应力，无破坏层，加工精度较高，表面质量较好。4)可加工各种复杂形状的型孔、型腔和型面。5)生产效率较低。.激光加工1)加工精度高。2)加工材料范围广。3)加工性能好。4)不仅可进行打孔、切割，也可进行表面改性、焊接、热处理等多种加

13、工。5)加工速度快、效率高。6)加工设备价格昂贵，加工成本高。.激光加工图9-20激光加工原理图1激光器2光阑3反射镜4聚焦镜5工件6工作台7控制器第四节数字化制造技术一、计算机辅助设计与制造二、柔性制造系统三、计算机集成制造系统四、快速原形制造一、计算机辅助设计与制造.数控编程的方法.数控编程的内容与步骤.数控编程的内容与步骤(1)工艺处理分析所加工的零件图样、确定加工方法、加工工艺路线和工艺参数等。(2)数学处理根据各工艺参数计算刀具中心运动轨迹，获得刀位数据。(3)编写数控程序根据数控机床所采用的数控指令代码，在数控程序格式的指导下，将工件尺寸、刀具中心运动轨迹、位移量、切削参数及主轴正

14、反转等其他辅助功能编制成数控加工程序。(4)制备控制介质不同的数控编程系统采用的控制介质不尽相同。(5)校核加工程序通过动态模拟加工或首件试切校核数控加工程序，并反馈检验结果。.数控编程的内容与步骤图9-21数控编程的步骤二、柔性制造系统1)提高中小批量零件制造时的生产率。2)缩短新产品试制的准备时间。3)减少工厂的零件库存。4)节约生产劳动成本。5)提高产品质量。6)改善制造加工的工作条件。7)保证操作人员的安全。.柔性制造单元().柔性制造系统().柔性制造单元()(1)托盘搬运式托盘是固定工件的器具，在加工过程中它与工件一起流动(类似通常的随行夹具)。(2)机器人搬运式图9-23所示的是

15、由加工中心4、车削中心1、机器人2及两个回转工作台3组成。图9-22托盘搬运式FMC1环形交换工作台2托盘座3托盘4加工中心5托盘交换装置.柔性制造单元()图9-23机器人搬运式FMC1车削中心2机器人3回转工作台4加工中心.柔性制造单元().柔性制造系统()(1)加工系统根据生产纲领及零件工艺分析，确定由台数控机床组成。(2)物流系统机床的托盘站与仓库之间采用一台电缆感应式自动引导小车进行工件的运输。(3)信息系统信息系统由中央计算机承担整个系统的生产计划与作业调度、集中监控以及加工程序管理。图9-24JCS-FMS组成框图.柔性制造系统()三、计算机集成制造系统.的构成. CIMS的发展与

16、应用.的构成(1)功能构成包含了工厂设计、制造和经营管理三种主要功能，在分布式数据库、计算机网络和指导集成运行的系统技术等所形成的支持环境下将三者集成起来，如图9-25所示。(2)层次结构任何企业都存在层次结构，但各层次的职能及信息特点可能不同。(3)学科构成是系统科学、计算机科学和技术、制造技术等交互渗透结合产生的集成方法和技术，并将此技术应用到制造环境中，如图9-26所示。.的构成图9-25CIMS的功能块组成图9-26CIMS的学科构成.的构成图9-27国家CIMS工程研究中心的CIMS结构示意图.的构成四、快速原形制造(一)快速原形制造技术的概念(二)快速原形制造工艺(三)快速原形技术

17、的特点及应用(一)快速原形制造技术的概念图9-28RPM 基本过程(二)快速原形制造工艺1.立体光刻工艺2.分层实体制造工艺3.选择性激光烧结工艺4.熔融沉积成形工艺5.立体喷墨印刷工艺6.三维打印粘接工艺1.立体光刻工艺图9-29SLA工艺过程示意图1激光束2平面扫描头3Z轴升降4树脂槽5托盘6树脂7零件原型2.分层实体制造工艺图9-30LOM工艺过程4.熔融沉积成形工艺图9-31FDM工艺过程1丝料2加热原件3零件原形6.三维打印粘接工艺图9-323DP工艺过程(三)快速原形技术的特点及应用1. M技术的特点2. M技术的应用第五节绿色制造技术一、概述二、绿色制造过程三、绿色产品一、概述.绿色制造技术的产生和发展.绿色制造技术的内容.绿色制造的原则.绿色制造的原则(1) “不断运用”原则绿色制造技术持续不断运用到社会生产的全部领域和社会持续发展的整个过程；(2)预防性原则(3)一体化原则将空气、水、土地等环境因素作为一个整体考虑，避免污染物在不同介质之间进行转移。.绿色制造的原则图9-33绿色制造的内容二、绿色制造过程.节省资源的制造技术.环保型制造技术.再制造技术.节省资源的制造技术(1)减少制造过程中的能源消耗制造过程中消耗掉的能量一部分转化为有用功之外，大部分能量都转化为其他能量而浪费。(2)减少原材料消耗产品制造过程中使用原材料越多，消耗的有限资源越多，并会