先进制造工艺特种加工

第3章先进制造工艺本章要点超精密加工技术特种加工技术的特点快速原型制造技术

高速加工关键技术绿色加工技术及其应用1第3章

先进制造工艺AdvancedManufacturingProcess3.5现代特种加工技术ModernNontraditionalmachiningTechnology23.5.1特种加工技术概述3.5.2几种代表性特种加工方法3

非传统加工又称特种加工，通常被理解为别于传统切削与磨削加工方法的总称。非传统加工方法产生于二次大战后。两方面问题传统机械加工方法难于解决：1）难加工材料的加工问题。宇航工业等对材料高强度、高硬度、高韧性、耐高温、耐高压、耐低温等的要求，使新材料不断涌现。2）复杂形面、薄壁、小孔、窄缝等特殊工件加工问题。为解决上面两方面问题，出现了非传统加工方法。

非传统加工方法将电、磁、声、光等物理量及化学能量或其组合直接施加在工件被加工的部位上，从而使材料被去除、累加、变形或改变性能等。3.5.1特种加工技术概述4非传统加工方法主要不是依靠机械能，而是用其它能量（如电能、光能、声能、热能、化学能等）去除材料。非传统加工方法由于工具不受显著切削力的作用，对工具和工件的强度、硬度和刚度均没有严格要求。一般不会产生加工硬化现象。且工件加工部位变形小，发热少，或发热仅局限于工件表层加工部位很小区域内，工件热变形小，加工应力也小，易于获得好的加工质量。加工中能量易于转换和控制，有利于保证加工精度和提高加工效率。非传统加工方法的材料去除速度，一般低于常规加工方法，这也是目前常规加工方法仍占主导地位的主要原因。非传统加工方法特点5

机械过程利用机械力，使材料产生剪切、断裂，以去除材料。如超声波加工、水喷射加工、磨料流加工等。非传统加工方法分类（按加工机理和采用的能源划分）

热学过程通过电、光、化学能等产生瞬时高温，熔化并去除材料，如电火花加工、高能束加工、热力去毛刺等。

电化学过程利用电能转换为化学能对材料进行加工，如电解加工、电铸加工（金属离子沉积）等。

化学过程利用化学溶剂对材料的腐蚀、溶解，去除材料，如化学蚀刻、化学铣削等。6

复合过程利用机械、热、化学、电化学的复合作用，去除材料。常见的复合形式有：◎机械化学复合——如机械化学抛光、电解磨削、电镀珩磨等。◎机械热能复合——如加热切削、低温切削等。◎热能化学能复合——如电解电火花加工等。◎其它复合过程——如超声切削、超声电解磨削、磁力抛光（图7-61）等。工件（陶瓷滚柱）磁性材料磁极振动运动图7-61磁力抛光示意图NS7拓宽现有非传统加工方法的应用领域。探索新的加工方法，研究和开发新的元器件。优化工艺参数，完善现有的加工工艺。向微型化、精密化发展。采用数控、自适应控制、CAD/CAM、专家系统等技术，提高加工过程自动化、柔性化程度。发展趋势图7-62EI收录文章数比较70年代80年代90年代20841104232142244424214441321252353316激光加工电火花加工超声加工电化学加工★

图7-62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。8工作原理：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，已经熔化、气化的材料就从工件的表面迅速被除去（图7-63）。

◆

4个阶段：1）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；3）抛出蚀除物；4）间隙介质消电离（恢复绝缘状态）。

电火花加工3.5.2几种代表性特种加工方法图7-63电火花加工原理图进给系统放电间隙工具电极工件电极直流脉冲电源工作液Real9图7-64电火花加工机床10电极极材材料料————要要求求导导电电，，损损耗耗小小，，易易加加工工；；常常用用材材料料：：紫紫铜铜、、石石墨墨、、铸铸铁铁、、钢钢、、黄黄铜铜等等，，其其中中石石墨墨最最常常用用。。工作作液液————主主要要功功能能压压缩缩放放电电通通道道区区域域，，提提高高放放电电能能量量密密度度，，加加速速蚀蚀物物排排出出；；常常用用工工作作液液有有煤煤油油、、机机油油、、去去离离子子水水、、乳乳化化液液等等。。放电电间间隙隙————合合理理的的间间隙隙是是保保证证火火花花放放电电的的必必要要条条件件。。为为保保持持适适当当的的放放电电间间隙隙，，在在加加工工过过程程中中，，需需采采用用自自动动调调节节器器控控制制机机床床进进给给系系统统，，并并带带动动工工具具电电极极缓缓慢慢向向工工件件进进给给。。工作作要要素素脉冲冲宽宽度度与与间间隔隔————影响响加加工工速速度度、、表表面面粗粗糙糙度度、、电电极极消消耗耗和和表表面面组组织织等等。。脉冲冲频频率率高高、、持持续续时时间间短短，，则则每每个个脉脉冲冲去去除除金金属属量量少少，，表表面面粗粗糙糙度度值值小小，，但但加加工工速速度度低低。。通常常放电电持持续续时时间间在在2μμs至至2ms范范围围内内，，各各个个脉脉冲冲的的能能量量2mJ到到20J（（电电流流为为400A时时））之之间间。。11电火火花花线线切切割割加加工工：：用用连连续续移移动动的的钼钼丝丝（（或或铜铜丝丝））作作工工具具阴阴极极，，工工件件为为阳阳极极。。机机床床工工作作台台带带动动工工件件在在水水平平面面内内作作两两个个方方向向移移动动，，可可切切割割出出二二维维图图形形（（图图7-65））。。同同时时，，丝丝架架可可作作小小角角度度摆摆动动，，可可切切割割出出斜斜面面。。电火火花花加加工工类类型型图7-65电火花线切割原理图XY储丝筒导轮电极丝工件Real电火花成形加工：主要指孔加工，型腔加工等RealReal12电火花线切割机床图7-66电火花线切割加工加工过程显示13不受受加加工工材材料料硬硬度度限限制制，，可可加加工工任任何何硬硬、、脆脆、、韧韧、、软软的的导导电电材材料料。。加工工时时无无显显著著切切削削力力，，发发热热小小，，适适于于加加工工小小孔孔、、薄薄壁壁、、窄窄槽槽、、形形面面、、型型腔腔及及曲曲线线孔孔等等，，且且加加工工质质量量较较好好。。脉冲冲参参数数调调整整方方便便，，可可一一次次装装夹夹完完成成粗粗、、精精加加工工。。易于于实实现现数数控控加加工工。。电火火花花加加工工特特点点电火火花花加加工工应应用用电火火花花成成形形加加工工：：电电火火花花打打孔孔常常用用于于加加工工冷冷冲冲模模、、拉拉丝丝模模、、喷喷嘴嘴、、喷喷丝丝孔孔等等。。型型腔腔加加工工包包括括锻锻模模、、压压铸铸模模、、挤挤压压模模、、塑塑料料模模等等型型腔腔加加工工，，以以及及叶叶轮轮、、叶叶片片等等曲曲面面加加工工。。电火火花花线线切切割割：：广广泛泛用用于于加加工工各各种种硬硬质质合合金金和和淬淬硬硬钢钢的的冲冲模模、、样样板板、、各各种种形形状状复复杂杂的的板板类类零零件件、、窄窄缝缝、、栅栅网网等等。。14工作作原原理理：：工件件接接阳阳极极，，工工具具（（铜铜或或不不锈锈钢钢））接接阴阴极极，，两两极极间间加加直直流流电电压压6～～24V，，极极间间保保持持0.1～～1mm间间隙隙。。在在间间隙隙处处通通以以6～～60m/S高高速速流流动动电电解解液液，，形形成成极极间间导导电电通通路路，，工工件件表表面面材材料料不不断断溶溶解解，，溶溶解解物物及及时时被被电电解解液液冲冲走走。。工工具具阴阴极极不不断断进进给给，，保保持持极极间间间间隙隙。。图7-67电解加工原理图电解液直流电源泵工件阳极阴极进给工具阴极电解加工15不受受材材料料硬硬度度的的限限制制，，能能加加工工任任何何高高硬硬度度、、高高韧韧性性的的导导电电材材料料，，并并能能以以简简单单的的进进给给运运动动一一次次加加工工出出形形状状复复杂杂的的形形面面和和型型腔腔。。加工工形形面面、、型型腔腔生生产产率率高高（（与与电电火火花花加加工工比比高高5～～10倍倍））。。采采用用振振动动进进给给和和脉脉冲冲电电流流等等新新技技术术，，可可进进一一步步提提高高生生产产效效率率和和加加工工精精度度。。阴极极在在加加工工中中损损耗耗小小。。加工工表表面面质质量量好好，，无无毛毛刺刺、、残残余余应应力力和和变变形形层层。。设备备投投资资大大，，有有污污染染，，需需防防护护。。模具具型型腔腔、、枪枪炮炮膛膛线线、、发发电电机机叶叶片片、、花花键键孔孔、、内内齿齿轮轮、、小小而而深深的的孔孔加加工工，，电电解解抛抛光光、、倒倒棱棱、、去去毛毛刺刺等等。。电解解加加工工特特点点电解解加加工工应应用用16工件件与与磨磨轮轮保保持持一一定定接接触触压压力力，，突突出出的的磨磨料料使使磨磨轮轮导导电电基基体体与与工工件件之之间间形形成成一一定定间间隙隙。。电电解解液液从从中中流流过过时时，，工工件件产产生生阳阳极极溶溶解解，，表表面面生生成成一一层层氧氧化化膜膜，，其其硬硬度度远远比比金金属属本本身身低低，，易易被被刮刮除除，，露露出出新新金金属属表表面面，，继继续续进进行行电电解解。。电电解解作作用用与与磨磨削削作作用用交交替替进进行行，，实实现现加加工工。。电解解磨磨削削效效率率比比机机械械磨磨削削高高，，且且磨磨轮轮损损耗耗远远比比机机械械磨磨削削小小，，特特别别是是磨磨削削硬硬质质合合金金时时，，效效果果更更明明显显。。导电磨轮电解液电刷工作台工件绝缘板导电基体磨料阳极膜电解解磨磨削削（图图7-68））17真空空条条件件下下，，利利用用电电流流加加热热阴阴极极发发射射电电子子束束，，经经控控制制栅栅极极初初步步聚聚焦焦后后，，由由加加速速阳阳极极加加速速，，通通过过透透镜镜聚聚焦焦系系统统进进一一步步聚聚焦焦，，使使能能量量密密度度集集中中在在直直径径5～～10μμm斑点点内内。。高速速而而能能量量密密集集的的电电子子束束冲冲击击到到工工件件上上，，被被冲冲击击点点处处形形成成瞬瞬时时高高温温（（几几分分之之一一微微秒秒时时间间内内升升高高至至几几千千摄摄氏氏度度）），，工工件件表表面面局局部部熔熔化化、、气气化化直直至至被被蒸蒸发发去去除除。。图7-69电子束加工原理图控制栅极加速阳极电子束斑点旁热阴极聚焦系统工件工作台电子束加工工作作原原理理（（图图7-69））18电子子束束束束径径小小（（最最小小直直径径可可达达0.01～～0.05mm）），，而而电电子子束束长长度度可可达达束束径径几几十十倍倍，，故故可可加加工工微微细细深深孔孔、、窄窄缝缝。。材料料适适应应性性广广（（原原则则上上各各种种材材料料均均能能加加工工）），，特特别别适适用用于于加加工工特特硬硬、、难难熔熔金金属属和和非非金金属属材材料料。。非接接触触加加工工，，无无工工具具损损耗耗；；无无切切削削力力，，加加工工时时间间极极短短，，工工件件无无变变形形。。加工工速速度度高高，，切切割割1mm厚厚钢钢板板，，速速度度可可达达240mm/min。。在真真空空中中加加工工，，无无氧氧化化，，特特别别适适于于加加工工高高纯纯度度半半导导体体材材料料和和易易氧氧化化的的金金属属及及合合金金。。加工工设设备备较较复复杂杂，，投投资资较较大大。。多多用用于于微微细细加加工工。。特点点及及应应用用19激光光是是一一种种受受激激辐辐射射而而得得到到的的加加强强光光。。其其基基本本特特征征：：◎强度度高高，，亮亮度度大大◎波长长频频率率确确定定，，单单色色性性好好◎相干干性性好好，，相相干干长长度度长长◎方向向性性好好，，几几乎乎是是一一束束平平行行光光工作作原原理理（图图7-70））激光光加加工工当激光束照射到工件表面时，光能被吸收，转化成热能，使照射斑点处温度迅速升高、熔化、气化而形成小坑，由于热扩散，使斑点周围金属熔化，小坑内金属蒸气迅速膨胀，产生微型爆炸，将熔融物高速喷出并产生一个方向性很强的反冲击波，于是在被加工表面上打出一个上大下小的孔。激光器工件工作台图7-70激光加工原理图光阑反射镜聚焦镜电源Real20固体体激激光光器器◎YAG（结结晶晶母母材材由由钇钇、、铝铝和和石石榴榴石石构构成成））激激光光器器◎红宝宝石石激激光光器器◎混合合气气体体：：氦氦约约80%，，氮氮约约15%，，CO2约5%◎通过过高高压压直直流流放放电电进进行行激激励励◎波长长10.6μμm，，为为不不可可见见光光◎能量量效效率率5%～～15%反射凹镜反射平镜电极放电管CO2气体冷却水进口冷却水出口激光高压直流电源图7-71CO2激光器示意图气体体激激光光器器————CO2激光光器器（（图图7-71））激光器21加工材料料范围广广，适用用于加工工各种金金属材料料和非金金属材料料，特别别适用于于加工高高熔点材材料，耐耐热合金金及陶瓷瓷、宝石石、金刚刚石等硬硬脆材料料。加工性能能好，工工件可离离开加工工机进行行加工，，可透过过透明材材料加工工，可在在其他加加工方法法不易达达到的狭狭小空间间进行加加工。非接触加加工方式式，热变变形小，，加工精精度较高高。可进行微微细加工工。激光光聚焦后后焦点直直径理论论上可小小至1μμ以下，，实际上上可实现现φ0.01mm的小小孔加工工和窄缝缝切割。。加工速度度快，效效率高。。激光加工工不仅可可以进行行打孔和和切割，，也可进进行焊接接、热处处理等工工作。激光加工工可控性性好，易易于实现现自动控控制。加加工设备备昂贵。。激光加工工特点22激光打孔孔◎广泛应用用于金刚刚石拉丝丝模、钟钟表宝石石轴承、、陶瓷、、玻璃等等非金属属材料，，和硬质质合金、、不锈钢钢等金属属材料的的小孔加加工。◎激光打孔孔具有高高效率、、低成本本的特点点，特别别适合微微小群孔孔加工。。◎焦点位置置对孔的的质量影影响：若若焦点与与加工表表面之间间距离很很大，则则激光能能量密度度显著减减小，不不能进行行加工。。如果焦焦点位置置偏离加加工表面面1mm，可以以进行加加工，此此时加工工出孔的的断面形形状随焦焦点位置置不同而而发生变变化（图图7-72）。激光加工工应用图7-72焦点位置对孔形状影响Real23激光热处处理◎原理：照照射到金金属表面面上的激激光使表表面原子子迅速蒸蒸发，由由此产生生微冲击击波会导导致大量量晶格缺缺陷形成成，达到到硬化。。◎优点：快快速、不不需淬火火介质、、硬化均均匀、变变形小、、硬化深深度可精精确控制制。激光焊接

◎与打孔相比，激光焊接所需能量密度较低，因不需将材料气化蚀除，而只要将工件的加工区烧熔使其粘合在一起。

◎优点：没有焊渣，不需去除工件氧化膜，可实现不同材料之间的焊接，特别适宜微型机械和精密焊接。Real激光切割

◎激光切割具有切缝窄、速度快、热影响区小、省材料、成本低等优点，并可以在任何方向上切割，包括内尖角。

◎可以切割钢板、不锈钢、钛、钽、镍等金属材料，以及布匹、木材、纸张、塑料等非金属材料。Real24图7-74激光焊接车身图7-73激光切割25利用工具具端面作作超声（（16～～25kHz））振动，，使工作作液中的的悬浮磨磨粒对工工件表面面撞击抛抛磨来实实现加工工。超声波发发生器将将工频交交流电能能转变为为有一定定功率输输出的超超声频电电振荡，，通过换换能器将将超声频频电振荡荡转变为为超声机机械振动动，此时时振幅一一般很小小，再通通过振幅幅扩大棒棒（变幅幅杆）使使固定在在变幅杆杆端部的的工具振振幅增大大到0.01～～0.15mm。工作原理理（图7-75）变幅杆超声波发生器图7-75超声波加工原理图振动方向工具换能器工作液喷嘴工件Real超声波加工26图7-76超超声波加加工机床床图7-77超声波加加工样件件27适用于加加工各种种脆性金金属材料料和非金金属材料料，如玻玻璃、陶陶瓷、半半导体、、宝石、、金刚石石等。。可加工各各种复杂杂形状的的型孔、、型腔、、形面。。工具与工工件不需需作复杂杂的相对对运动，，机床结结构简单单。被加工表表面无残残余应力力，无破破坏层，，加工精精度较高高，尺寸寸精度可可达0.01～～0.05mm。加工过程程受力小小，热影影响小，，可加工工薄壁、、薄片等等易变形形零件。。生产效率率较低。。采用超超声复合合加工（（如超声声车削，，超声磨磨削，超超声电解解加工，，超声线线切割等等）可提提高加工工效率。。超声波加加工特点点及应用用28工作原理理：加工装置置（图7-78）喷嘴材料料及工作作条件（表7-11）项目材料孔径/mm至工件距离/mm喷射角度/°参数金刚石，蓝宝石，淬火钢0.075～0.42.5～500～30表7-11喷嘴材料及工作条件图7-78水喷射加工装置示意图喷嘴阀控制器蓄能器供水器过滤器泵增压器液压装置排水器工件射流d水喷射加工利用超高高压水（（或水与与磨料的的混合液液）对工工件进行行切割（（或打孔孔），又又称高压压水切割割，或“水刀”。29工艺参数数（表7-12，表7-13）

表7-12水喷射加工常用工艺参数

工艺参数常用值工艺参数常用值压力/MPa70～450喷射力/N45～135流速/m/s300～900功率/kW10～40流量/L/s2.5～7.5磨料耗量/kg/min0.1～0.3工艺参数、效率、精度石材玻璃ABS塑料皮革工件厚度/mm25122.84.45喷嘴孔径/mm0.30.30.10.1流体压力/MPa400400258300切割速度/m/min0.10.10.850.55切缝宽度/mm0.50.50.20.2切割精度/mm±0.05±0.05——表面粗糙度/μmRa12.5Ra12.5——表7-13几种材料高压水切割参数30第3章先进制造造工艺AdvancedManufacturingProcess3.6可持续制造技术Sustainable

ManufacturingTechnology313.6.1概概述述3.6.2再再制制造技术术3.6.3绿绿色色加工技技术323.6.1概概述述对工业生产发展的要求◆19世纪纪是蒸汽汽时代；；◆20世纪纪自动化化时代；；◆21世纪纪是可持持续发展展时代。。随人口、资资源、环环境三大世界界性问题题的日益益尖锐，，要求人人们研究究并应用用高效率率的可持持续发展展的生产产、制造造模式。。制造业业是国民民经济的的支柱产产业，它它既为人人类创造造新的物物质文明明，同时时又是消耗资源源的大户户，是产生生环境污染染的源头头产业，并正在在对人类类的生存存与发展展造成严严重威胁胁。因此此，全球球性的产产业结构构调整呈呈现出一一种集资资源优化化利用与与环境保保护治理理于一体体化的新新的制造造模式————绿绿色制造造GMGreen-Manufacture，这就就是向资源利用用合理化化，废弃弃物生产产少量化化，对环环境无污污染、少少污染的方向发发展的绿绿色战略略趋势。。33我国制造业本身和国内条件面临的挑战

制造业技技术及管管理水平平与发达达国家具具有较大大差距；；产品结结构档次次低，技技术结构构落后；；市场场快速反反应能力力差；制制造业不不能满足足国内需需求的情情况比较较严重；；主导产产品的技技术来源源大多依依赖外国国。◆面临绿色色挑战。。我国制制造业如如果不能能实施绿色制造造，我国的的制造业业产品将将很难适适应国际际环保管管理标准准，很难难在国际际市场上上具有竞竞争力；；◆面临WTO的挑挑战；◆面临未来来制造模模式的挑挑战。未未来制造造模式的的特点是是：以技技术为中中心向以以人为中中心转变变；多层层管理向向扁平网网络转变变；固定定制造组组织向动动态组织织转变；；质量符符合观向向全面满满意观转转变；集集中制造造向分散散网络化化制造转转变。而而我国的的制造业业大多处处于转变变的前一一阶段。。34可持续制造的定义是一种符符合可持持续发展展策略的的制造技技术，是是基于现现代的多多学科的的先进科科技成果果的综合合技术，，是一种种与环境友友好的、、洁净的的、节省省资源的先进制制造技术术。可持续制制造技术术关键是是看产品品制造的的整个过过程是否否符合可可持续发发展策略略。如传传统的车车削和磨磨削由于于采用了了新的工工艺，整整个加工工过程都都未使用用冷却液液，则这这种干切削就就可称为为可持续续制造技技术。35概述

近几百年年的工艺艺发展，，资源消消耗远远远超过了了三千年年的总和和，超过过了大自自然的恢恢复能力力，打破破了农耕耕时代““收支支平衡””的循环环状态。。资源过过快开采采和过量量消耗，，造成资资源短缺缺和面临临衰竭，，环境污污染和自自然生态态破坏已已严重威威胁到人人类的生生存条件件。到2020年，，我国绝绝大多数数矿产资资源将出出现缺口口、能源源短缺，，这将严严重制约约国民经经济的可可持续发发展并危危及国家家安全。。此外，，在机械械装备的的全寿命命周期费费用中，，机械装装备的后后半生（（使用、、维修、、报废））费用占占到50%~70%。。从产品品全寿命命出发，，加强产产品后半半生的基基础理论论研究，，将“线线性结构构”制造造模式发发展为闭闭环的““循环型型结构””制造模模式，大大力发展展资源节节约型和和环境友友好型制制造，即即资源循循环型制制造和再再制造是是实现国国家可持持续发展展目标的的很重要要方向之之一。3.6.2再再制制造技术术36再制造是是以产品品全寿命命周期理理论为指指导，以以优质、、高效、、节能、、节材、、环保为为准则，，以先进进技术和和产业化化为手段段，用以以修复、、改造废废旧产品品的一系系列技术术措施或或工程活活动的总总称。图图3-所所示为为机电产产品的物物流示意意图。原材料②③初级生产商制造商再制造商用户（维修）再制造再循环再利用①②③图3-机机电电产品的的物流示示意图37◆再利用主主要是指指对经检检验合格格的废旧旧产品零零部件的的直接利利用。◆再循环是是指回收收废旧产产品中的的材料或或者能源源的过程程，主要要包括：：①原态态再循环环；②②易态再再循环。。◆再制造则则是以报报废或过过时机件件为对象象，采用用新技术术、新材材料、新新工艺，，以及严严格的质质量标准准和管理理手段组组织生产产，使再再制造产产品的质质量、性性能等同同或高于于原产品品，价格格上更具具优势。。图3-所所示为为发动机机再制造造工艺流流程图。。由图看看出，一一个完整整的再制制造过程程可以划划分为三三个阶段段：①拆拆卸阶段段；②将将已拆卸卸的零部部件进行行检查，，再制造造维修；；③将维维修好的的零部件件进行重重新组装装。38退役发动机拆解清洗检测再制造加工检测装配包装整机测试再制造发动机报废原厂新配件报废易损件可再制造件完好件合格件不合格件不可再制造件发动机再再制造拟拟采用的的工艺流流程图易损件：：主轴瓦、、橡胶管管、汽缸缸垫、油油封完好件：：进气管总总成、前前后排气气歧管、、油底壳壳、齿轮轮室可再制造造件：缸体总成成、连杆杆总成、、曲轴总总成、喷喷油泵总总成、缸缸盖总成成39废旧发动机回收进厂在拆解车间分解拆卸对零部件进行高温化学清洗利用热喷涂技术修复发动机机座利用纳米电刷镀技术修复曲面利用粘涂技术修复汽缸结合面绗磨缸套使其达到新品标准连杆加工设备使其达到新品标准再制造零部件检测后进行装配再制造发动机进行试车考核喷漆装箱，发动机再制造完成◆汽车发动动机的再再制造生生产流程程40功能资源循环型制造和再制造◆此项研究究是以机机电产品品全寿命命周期和和多寿命命周期设设计与管管理为核核心，以以循环经经济的要要求为准准则，紧紧密围绕绕4R，，即减量量化(reduce)，再利利用(reuse)，，再制造造(remanufacture)和再循循环(recycle)所涉涉及的基基础理论论和技术术而开展展的前瞻瞻性科学学研究。。41设计制造使用维修报废减量化再利用再制造再循环机电产品全寿命周期基础理论与共性技术机电产品全寿命周期评价指标体系与方法废旧机电产品循环利用决策理论及方法机电产品再循环回收和使用技术废旧机电产品再制造中的科学技术问题循环型型制造造和再再制造造———基于于4R的基基础理理论和和共性性技术术结构构体系系42◆再制造造毛坯坯快速速成形形技术术；◆先进表表面技技术；；◆纳米复复合及及原位位自愈愈合生生产技技术；；◆修复热热处理理技术术；；◆再制造造加工工（含含特种种加工工）技技术；；再制造的主要关键技术

下面介介绍两两种再再制造造技术术◆误差补补偿技技术误差补补偿的的实现现，需需综合合应用用传感感技术术、信信号处处理技技术、、多传传感器器信息息融合合策略略、运运动合合成机机构/系统统等多多学科科基础础。误误差补补偿系系统至至少具具备3个功功能装装置，，如图图3-所所示。。43◆误差信信号发发生装装置产产生出出被补补偿对对象固固有误误差的的误差差图，，作为为补偿偿系统统中附附加误误差的的依据据；◆信号同同步反反向装装置保保证附附加的的误差差输入入与补补偿对对象的的固有有误差差同步步反向向，即即在任任一时时刻，，这两两个误误差在在理论论上大大小相相等而而相位位相差差180度度。◆运动合成装装置实现附附加误差运运动与系统统固有误差差运动的合合成，而输输出为两个个误差抵消消后的结果果。44误差源e1e2...en现有系统被补偿对象运动合成误差信号发生同步反向输出误差预防误差补偿(静态&动态)加工精度误差源加工过程加工误差检测误差信号建模与预报补偿+_45◆热喷涂技术术所谓热喷涂涂技术，就就是利用某某种热源将将粉状或丝丝状之类的的工程材料料加热大溶溶融或软化化状态，以以高速喷射射到工件表表面易堆积积成形的方方法。热喷喷涂原理如如图3-所所示。当当被喷涂的的材料经喷喷嘴以粒子子流形式高高速喷射到到基体表面面而涂敷到到表面上，，颗粒间的的结合大部部分是机械械结合，存存在一定数数量的孔隙隙。图3-热热喷涂原原理46改善热喷涂涂涂层质量量的途径：：◆热源不用氧氧—乙炔火火焰，而用用电热。一一般氧—乙乙炔火焰喷喷涂(亚音音速)，热热源温度最最高达3100℃；；改用电弧弧喷涂，热热源为电弧弧，温度可可达5000℃；而而等离子喷喷涂，由于于利用了压压缩电弧，，形成等离离子体，进进一步发展展高能等离离子体，热热源温度最最高可达18000℃。◆热源仍用氧氧—乙炔火火焰，但采采用爆炸或或超音速技技术(拉阀阀尔管、爆爆震)。爆爆炸波令粒粒子飞行速速度最高达达1500m/s，超音速速喷涂可使使粒子飞行行速度最高高达1770m/s，涂层层致密度及及结合力可可大大提高高。影响涂层与与基体结合合强度的因因素很多，，最主要的的是基体前前处理的质质量和适宜宜喷涂工艺艺参数的选选择。47热喷涂技术术的应用◆防腐蚀；应应用火焰金金属线材喷喷涂铝或锌锌，在涂层层保护作用用下，工件件可保证19年不损损坏。◆防磨损；通通过火焰金金属线材喷喷涂、火焰焰粉末喷涂涂或喷熔，，等离子喷喷涂，使已已磨损零件件得以修复复，修复后后的零件远远远超过新新产品寿命命。如高炉炉热风支管管、汽车曲曲轴、柴油油机缸套。。◆特殊功能层层；航空航航天、原子子能等领域域，对耐高高温、隔热热、导电绝绝缘、防辐辐射等有特特殊要求，，整体制造造这些材料料成本极高高也不必要要，而热喷喷涂技术可可以达到此此项要求。。◆其他应用；如钛合金金表面等离离子喷涂制制造生物相相容性良好好的人造骨骨骼及关节节；火焰喷喷射成形复复制复杂零零件；金属属线材喷涂涂制造塑料料模具等。。48绿色加工是是指在不牺牺牲产品的的质量、成成本、可靠靠性、功能能和能量利利用率的前前提下，充充分利用资资源，尽量量减轻加工工过程对环环境产生有有害影响的的加工过程程，其内涵涵是指在加加工过程中中实现优质质、低耗、、高效及清清洁化。绿绿色加工可可分为节约约资源（含含能源）的的加工技术术和环保型型加工技术术。绿色加工概述

3.6.3绿色色加工技术术◆环境意识制制造(EnvironmentallyConsciousManufacturing)；；◆面向环境的的制造(ManufacturingForEnvironment)；；◆绿色制造(GreenManufacturing)。49绿色制造的的体系结构构50绿色加工工工艺技术51绿色加工技技术主要从从选材、生生产加工方方法、加工工设备三个个方面来实实现，绿色色加工的关关键技术如如图3-26所示。。绿色加工的关键技术

图3-26绿绿色加工的的关键技术术52◆刀具技术；；干式加加工对刀具具材料要求求很高，刀刀具的几何何参数和结结构设计要要满足干切切削对断屑屑和排屑的的要求。加加工韧性材材料时尤其其要解决好好断屑问题题。◆机床技术；；机床应配配置循环冷冷却系统，，带走切削削热量，并并在结构上上有良好的的隔热措施施。实验表表明，干式式切削理想想的条件应应该是在高高速切削条条件下进行行，这样可可以减少传传到工件刀刀具和机床床上的热量量。干切削削时产生的的切屑是干干燥的，这这样可以尽尽可能的将将干切削机机床设计成成立轴和倾倾斜式床身身。工作台台上的倾斜斜盖板用绝绝热材料制制成，在机机床上配置置过滤系统统排出灰尘尘，对机床床主要部位位进行隔离离。◆辅助设备技技术；辅辅助设备包包括夹具、、量具等，，其绿色技技术主要体体现在选用用时尽量满满足低成本本、低能耗耗、少污染染、可回收收原则。53在不使用切切削液的干干切削条件件下，切削削液在加工工中的冷却却、润滑、、冲洗、防防锈等作用用将不复存存在。如何何在没有切切削液的条条件下创造造与湿切削削相同或近近似的切削削条件，这这就要求人人们去研究究干式切削削机理，从从刀具技术术、机床结结构、工件件材料和工工艺过程等等各方面采采取一系列列的措施。。干式切削与磨削干切削技术术在切削(含含磨削)加加工过程中中，不使用用冷却润滑滑液或使用用少量的冷冷却润滑MQL(小小于50ml／加加工小时)，且加工工质量和加加工时间与与湿式切削削相当或更更好的切削削技术称为为干式切削削。只有当当所有工序序都实现干干式切削后后，才称为为实用化的的干式切削削，在实用用化干式切切削条件下下，工件是是干燥的。。54干切削刀具具干式切削刀刀具必须满满足以下条条件：刀具具材料应具具有极高的的红硬性和和热韧性，，而且还必必须有良好好的耐磨性性、耐热冲冲击和抗粘粘接性；切切屑与刀具具之间的摩摩擦系数应应尽可能小小；刀具的的槽型应保保证排屑流流畅、易于于散热等。。◆采用新型刀刀具材料；；主要有有：超细硬硬质合金、、陶瓷、立立方氮化硼硼和聚晶金金刚石等超超硬度材料料。◆采用刀具涂涂层技术；；涂层刀具具分两大类类：一类是是“硬”涂涂层刀具，，如TiN、TIC和Al203等涂涂层刀具。。这类刀具具表面硬度度高，耐磨磨性好。另另一类是““软”涂层层刀具，如如：MoS2、WS等涂层刀刀具。这类类涂层刀具具也称为““自润滑刀刀具”，它它与工件材材料的摩擦擦系数很低低，只有0.01mm左右，，能有效减减少切削力力和降低切切削温度。。◆刀具几何形形状设计；；应使使刀具有较较大的前角角和刃倾角角，配以适适宜的负倒倒棱或前刀刀面加强单单元。55干切削机床床最好采用立立式布局，，至少床身身应是倾斜斜的。理想想的加工布布局是工件件在上、刀刀具在下，，并在一些些滑动导轨轨副上方设设置可伸缩缩角形盖板板，工作台台上的倾斜斜盖板可用用绝热材料料制成，并并尽可能依依靠重力排排屑。干切切削时易出出现金属悬悬浮颗粒，，故机床应应配置真空空吸尘装置置并对机床床的关键部部位进行密密封。干切切削机床的的基础大件件要采用热热对称结构构并尽量由由热膨胀系系数小的材材料制成，，必要时还还应进一步步采取热平平衡和热补补偿等措施施干切削加工工工艺干切削通常常是在大气气氛围中进进行，但在在特殊气体体氛围中（（如氮气、、冷风或采采用干式静静电冷却技技术）而不不使用切削削液进行的的切削也取取得了良好好的效果。。56◆在氮气氛围围中进行干干切削———吹氮加工工。日本企企业界曾作作过吹氮加加工和其它它方式端铣铣碳钢的对对比试验，，发现吹氮氮加工的刀刀具磨损，，特别是后后刀面磨损损比吹空气气干切削时时低得多。。◆干式静电冷冷却技术。。其基本原原理是通过过电离器将将压缩空气气离子化、、臭氧化（（所消耗的的功率不超超过25W），然后后经由喷嘴嘴送至切削削区，在切切削点周围围形成特殊殊气体氛围围。俄罗斯斯罗士技术术公司曾对对此作大量量试验，发发现在多数数情况下，，采用干式式静电冷却却技术的刀刀具寿命与与湿切削时时相当。◆冷风干切削削。其工作作原理是：：让低温冷冷风射流机机生成的干干燥低温冷冷风（-30℃～-50℃，，有时也混混入极微量量的植物油油）喷射到到切削点，，对刀具的的前、后刀刀面实施冷冷却、润滑滑和排屑以以降低切削削温度，同同时引发被被加工材料料的低温脆脆性，使切切削过程较较为容易，，并相应改改善刀具磨磨损状况。。57高速干切削削技术它是在高速速切削技术术的基础上上，结合干干切削技术术或微量切切削液的准准干切削技技术，将高高速切削与与干切削技技术有机地地融合，结结合两者的的优点，并并对它们的的不足进行行了有效补补偿的一项项新兴先进进制造技术术。切削技技术、刀具具材料和刀刀具设计技技术的发展展，使高速速干切削的的实施成为为可能。干式切削加加工的应用用◆汽车后桥的的螺旋锥齿齿轮，在6轴5联动动的CNC铣齿机上上，采用干干式铣齿，，从毛坯一一次成形锥锥齿轮，不不仅效率高高，而且加加工出的螺螺旋锥齿轮轮工件温度度却很低，，热量被切切屑带走。◆CBN刀具具比陶瓷刀刀具更适合合铸铁材料料的高速切切削。◆加工中心在在钢件上干干式钻孔，，解决排屑屑与断钻头头等问题的的措施有：：加大排屑屑槽，加大大钻头的背背锥以增大大容屑空间间，采用TiN涂层层刀具可钻钻φ65mm的孔孔。又如对对淬硬钢孔孔的精加工工，可采用用单刃铰刀刀进行铰削削以取代传传统的磨削削与珩磨。。◆加拿大McMaster大学学采用立铣铣刀以v=1000～2000m/min、、f=0.2mm/z干铣铣高温合金金（Inconel718））时，可获获得Ra=0.7μμm的表面面粗糙度。。58干式磨削的的优点：形形成的磨屑屑易回收处处理，且可可节省涉及及到磨削液液保存、回回收处理等等方面的的的装备及费费用，还不不会造成环环境污染。。但具体实现现起来比较较困难。关键问题题是如何降降低磨削热热的产生或或使产生的的磨削热很很快地散发发出去。为为此可采取取以下措施施：◆选择导热性性好或能承承受较高磨磨削温度的的砂轮；◆减少同时参参加磨削的的磨粒数量量，以降低低磨削热的的产生，如如采用图3-所所示的点式式磨削。点点式磨削是是一种形式式的干式磨磨削，由德德国容克公公司首先发发展起来的的一种超硬硬磨料高效效磨削新工工艺，目前前在我国汽汽车工业中中已得到应应用。点磨磨削是利用用超高线速速度（120～250m/s）的单层层CBN薄薄砂轮（宽宽度仅几毫毫米）来实实现的。干磨削技术术59快速点磨外外圆磨床多多工序复合合磨削60◆减少砂轮圆圆周速度vs与工件圆周周速度vw间的比值，，这样可使使磨削热源源快速地在在工件表面面移动，热热量不易进进入工件内内部；◆提高砂轮的的圆周速度度，以减少少砂轮与工工件的接触触时间；◆采用强冷风风磨削。这这是日本最最近开发成成功的一项项新技术。。实施强冷冷风磨削时时最好采用用CBN砂砂轮，这是是因为CBN磨粒的的导热率是是传统砂轮轮磨粒Al2O3、SiC及及钢铁材料料的15倍倍。如果用用传统砂轮轮磨削，加加工点上产产生的热量量不易从工工件上散出出，工件的的温度会上上升到1000℃左左右；如果果用CBN砂轮磨削削，加工点点上产生的的热量可经经导热率大大的CBN磨粒传递递出去，工工件温度约约有300℃左右。。这时再对对磨削点实实行强冷风风吹冷，可可得到良好好的效果。。强冷风磨削削也为被加加工材料的的再生利用用开辟了道道路，设置置在磨削点点下方的真真空泵吸走走磨削产生生的磨屑，，这些磨屑屑粉末纯度度很高，几几乎没有混混入磨料和和粘结剂颗颗粒。61采用MQL润滑的准准干式切削削与磨削技术对于某些加加工方式和和工件材料料组合，纯纯粹的干式式切削目前前尚难于在在实际生产产中使用，，故又产生生了极微量量润滑（MinimalQuantityLubrication，，MQL））技术。MQL是将将极微量的的切削油与与具有一定定压力的压压缩空气混混合并油雾雾化，然后后一起喷向向切削区，，对刀具与与切屑、刀刀具与工件件的接触界界面进行润润滑，以减减少摩擦和和防止切屑屑粘到刀具具上，同时时也冷却了了切削区并并有利于排排屑，从而而显著地改改善切削加加工条件。。◆案例1使用涂有TiAlN+MoS2涂层的的钻头在铝铝合金材料料工件上进进行钻孔试试验。采用用纯粹的干干切削钻16个孔后后，切屑就就粘连在钻钻头的容屑屑槽，使钻钻头不能继继续使用；；当采用MQL润滑滑后，钻出出320个个合格孔后后，钻头还还没有明显显的磨损和和粘连。62◆案例2日本稻崎一一郎等人曾曾用直径10mm的的硬质合金金端铣刀，，以60m/min的切削速速度铣削碳碳钢，比较较干切削、、吹高压空空气、湿切切削（250L/h切削液））和准干式式切削（20mL/h切削油油）四种加加工方式的的刀具磨损损。尽管准准干式切削削所使用的的切削液不不及湿切削削的万分之之一，但其其铣刀后刀刀面的磨损损不仅大大大低于干切切削，且与与湿切削相相近甚至略略低。准干干式式磨磨削削就就是是在在磨磨削削过过程程中中施施加加微微量量磨磨削削液液，，并并采采取取一一定定的的措措施施，，使使这这些些磨磨削削液液全全部部消消耗耗在在磨磨削削区区并并大大部部分分被被蒸蒸发发掉掉，，没没有有多多余余磨磨削削液液污污染染环环境境。。射射流流冷冷却却磨磨削削就就是是一一种种准准干干式式磨磨削削。。它它把把冷冷却却介介质质直直接接强强行行送送入入磨磨削削区区，，用用较较少少的的冷冷却却介介质质达达到到大大量量浇浇注注的的效效果果。。射射流流冷冷却却着着重重针针对对磨磨削削区区，，射射流流的的冲冲刷刷作作用用使使磨磨削削时时产产生生的的磨磨屑屑粉粉末末不不易易粘粘附附在在砂砂轮轮上上，，有有利利于于加加工工质质量量的的提提高高。。63IPT在在德德国国亚亚琛琛对对铣铣削削传传统统铸铸造造材材料料时时所所产产生生的的粉粉尘尘进进行行了了测测量量，，结结果果表表明明每每加加工工1kg材材料料将将产产生生4.5g极极其其细细小小的的粉粉尘尘。。最最大大允允许许值值是是MAK阈阈值值6mg/m3。虽虽然然可可以以把把机机床床设设计计成成大大部部分分采采用用垂垂直直表表面面，，并并用用刷刷子子清清洁洁水水平平表表面面，，但但是是加加工工粉粉尘尘会会堆堆积积在在导导轨轨面面上上，，进进入入缝缝隙隙中中，，附附着着在在传传感感器器和和窗窗户户上上，，使使得得机机床床的的运运转转变变得得很很困困难难。。用用压压缩缩空空气气或或干干冰冰鼓鼓风风这这种种做做法法不不切切实实际际，，成成本本高高昂昂，，而而且且会会加加剧剧金金属属粉粉尘尘的的问问题题。。金金属属粉粉尘尘的的附附着着也也是是导导致致切切削削刀刀具具使使用用寿寿命命缩缩短短的的一一个个重重要要原原因因。。干式和MQL切削系统引出的问题——金属粉尘64◆例例1一德德国国汽汽车车制制造造商商在在一一条条生生产产轮轮毂毂的的生生产产线线上上使使用用机机械械手手来来装装卸卸零零件件，，并并采采用用MQL技技术术。。据据称称从从一一组组轮轮毂毂到到下下一一组组轮轮毂毂的的总总制制造造时时间间为为43秒秒。。通通过过使使用用MQL系系统统，，乳乳化化剂剂以以每每小小时时80ml的的速速率率被被输输送送贯贯穿穿至至整整个个轴轴，，而而传传统统的的切切削削加加工工每每分分钟钟需需要要300升升乳乳化化剂剂。。机机床床经经专专门门设设计计和和建建造造来来实实现现““悬悬挂挂加加工工””，，因因此此，，切切屑屑可可以以直直接接落落下下，，而而不不会会粘粘在在机机床床上上。。◆例例2在大大众众汽汽车车公公司司的的扎扎耳耳茨茨吉吉特特工工厂厂，，采采用用干干式式切切入入磨磨削削技技术术来来制制造造他他们们的的新新型型““泵泵/喷喷嘴嘴””柴柴油油机机的的锻锻压压凸凸轮轮轴轴。。凸凸轮轮轴轴的的材材料料为为16MnCr5，，所所达达到到的的公公差差必必须须小小于于5/100mm。。已已经经开开发发出出了了专专门门的的刀刀具具来来从从事事该该磨磨削削加加工工。。应用实例应注注意意：：为了了利利用用干干切切削削或或MQL切切