先进制造技术10

第一章绪论

1.1制造业与制造技术

制造业是现代社会经济的支柱产业，包括机械装备制造、电子产品制造、非金属制品制造、服装、食品、玩具等等。制造业是将有关的制造资源（原材料、设备、工具、能源、资金、人才、技术以及信息）转化为有价值的、可供人们利用和消费的产品与服务的行业。制造业的水平反映了一个国家的经济实力、科技和生活水平。工业化国家60％－80％的社会财富靠制造业制造，制造业占国际贸易总额75％。所以制造业的水平代表一个国家的综合实力。制造的定义：制造企业中所涉及产品设计、物料选择、生产计划、生产质量保证、经营管理、市场营销和服务等一系列相关活动的总称。制造技术：与制造业相关的一系列技术的总和。先进制造技术是在传统制造技术的基础上发展起来的。分界线大体可划在20世纪50年代。主要标志：电子计算机、数控机床、工业机器人的出现。1.2制造技术的发展过程19世纪：手工制造20世纪初：批量生产20世纪30年代：刚性自动化20世纪60－80年代：CAD/CAM/CAE、FMS、JIT20世纪80年代：集成制造、并行工程20世纪90年代：敏捷制造、虚拟制造、智能制造、绿色制造1.3先进制造技术

先进制造技术的主要领域（5大领域）1.

系统总体技术柔性制造（FMS）、计算机集成制造（CIMS）、敏捷制造(AM）、智能制造（IM）。2.

设计制造一体化技术

CAD/CAM/CAE、数控技术（NC）、并行工程（CE）、虚拟制造（VM）。3.

制造工艺与装备材料生产工艺与装备、热加工工艺与装备、高速切削工艺与装备、精密/超精密与纳米加工工艺与装备、特种加工工艺与装备。

4.

管理技术计算机辅助生产管理、物料需求计划、制造资源规划、企业资源规划、供应链管理、质量管理、准时生产（JIT）、精益生产（LP）、企业业务流程再造等。5.

支撑技术标准化技术、计算机技术、软件工程、数据库技术、通讯技术、人工智能、多媒体、虚拟现实、人机工程学、环境科学。1.3.2先进制造技术分类

先进制造技术涉及范围广、技术领域复杂，为了便于掌握其基本体系和主要内容，从制造技术的功能的角度，分成5大类：1.现代设计技术现代设计技术是先进制造技术的基础。随着微电子技术、信息技术、材料科学、机械制造、优化理论、人机工程等学科的发展，现代设计技术的深度、广度大大拓展，出现了优化设计、有限元分析、CAD、CAPP、CAA（计算机辅助装配）、计算机辅助夹具设计、反求工程、产品生命全周期设计、基于网络的异地设计、智能设计、虚拟设计、绿色设计。2.现代加工技术先进切削加工技术、成形加工技术、表面工程技术、特种加工技术和快速原型制造技术。3.自动化技术数控加工技术、工业机器人技术、FMS、CIMS。4.制造管理技术成组技术（grouptechnologyGT）、全面质量管理（totalqualitymanagementTQM）、物料需求规划(materialrequirementplanningMRP)、即时生产（JIT）、企业资源规划（ERP）等管理方法。5.先进制造技术

CIMS、并行工程（CE）、精益生产（LP）、敏捷制造（AM）、虚拟制造（VM）、绿色制造（GM），是制造技术、计算机技术、通信技术、自动化技术和管理科学的各学科交叉。正朝着柔性化、集成化、网络化、虚拟化和清洁化的方向发展。第二章现代设计技术

2.1概述

2.1.1现代设计技术的概念

是根据产品功能要求及市场竞争要素（质量、成本、服务、环保）的要求，综合现代科学技术，通过设计人员科学、规范和创造性的工作产生载有相应文字、数据、图形等信息的技术条件，制定用于产品制造的设计方案。

现代设计技术使产品设计开发建立在科学技术基础之上。随着微电子信息、材料、系统科学的发展，现代设计技术日新月异，新的设计理念不断涌现、新设计方法不断诞生。

特点：

1.从单一目标规划向多目标规划转变目标

2.从传统的手工设计向计算机辅助设计过渡手段

3.从传统的顺序设计并行设计组织方式

4.从单纯的产品设计全生命周期设计环节

5.异地设计地域

6.可持续发展的绿色设计功能

现代设计技术十分重要。产品设计成本占产品成本的15％－20％，但决定了产品成本的70％到80％。设计水平是衡量一个国家创新能力和竞争力的主要因素。

现代设计计方法1.优化设计计方法用数学方方法和系系统工程程方法对对产品结结构和性性能进行行分析、、决策，，以获取取最优解解的方法法。近年年来优化化设计与与可靠性性设计、、模糊设设计等方方法相结结合形成成了新的的优化设设计方法法。2.有限元分分析方法法将零件看看成是由由有限个个元素组组成，通通过对每每一个元元素求解解（位移移、应力力）来获获取零件件整体的的解。广广泛用于于零件和和结构的的分析和和计算中中。3.计算机辅辅助设计计运用计算算机强大大的数据据计算及及信息处处理功能能来完成成设计工工作，应应用最广广泛。4.面向产品品全生命命周期的的设计将并行工工程思想想用于产产品设计计中，在在设计阶阶段便综综合考虑虑产品的的整个生生命周期期中的设设计、加加工、装装配、测测试、维维修、销销售及报报废回收收环节的的影响因因素，全全面评价价产品设设计，达达到开发发周期短短、成本本低、质质量高的的目的。。5.网络化异异地设计计随着网络络和通讯讯技术的的发展，，实现远远程、异异地的设设计开发发资源的的共享与与整合，，极大地地

拓展展了设计计工作的的时空维维度。6.反求工程程以先进产产品的实实物或软软件（程程序、图图样、文文件资料料）作为为研究对对象，综综合运用用现代工工程设设计的相相关理论论与方法法，进行行解剖、、分析和和研究，，进而开开发出同同类产品品。7.绿色设计计将产品和和环境作作为一个个系统，，充分考考虑产品品及其制制造系统统与环境境相容性性，做到到对环境境影响响最小。。2.2计算机辅辅助设计计（CAD）概述1.CAD的发展过过程1950年MIT研制出Whir/WindⅠⅠ可以显示示简单的的图形。。1958年美国Calcomp公司研制制滚筒式式绘图仪仪，Gerber公司平板板绘图仪仪。1962年MIT的Sutherland提出了计计算机图图形学、、交互技技术、分分层存储储符号的的数据结结构，为为CAD技术发展展打下了了理论基基础。1970年美国Applicon公司推出出完整的的CAD系统。上世纪80年代CAD/CAM技术用于于工程设设计，图图形接口口、图形形功能日日趋标准准化，出出现了由由CAD/CAM/CAE构成的CIMS，提高了了设计自自动化。。2.CAD的功能工程与产产品设计计借借助助于计算算机辅助助技术，，工程技技术人员员可以方方便的完完成某一一工程或或产品的的方案选选型、评评估、详详细设计计、优化化等工作作，实现现从零件件图到装装配图、、总装图图、平面面布置图图、管道道布置图图的自动动绘制。。仿真模拟拟高性能的的CAD系统可以以真实地地模拟产产品的实实际运动动和变化化过程，，如机构构的运动动、零件件的加工工、柔性性制造系系统的运运行，汽汽车、飞飞机的行行驶过程程等。帮帮助设计计人员正正确地进进行方案案论证、、产品选选型、性性能评估估等。事务管理理实现设计计文档的的计算机机管理，，有利于于产品设设计的成成组化、、标准化化和系列列化，减减少了设设计人员员的重复复工作量量。通常CAD的工作1.信息管理理提供丰富富的设计计需要的的信息。。可以为为设计人人员提供供有关客客户的需需求和改改进意见见、组织织生产特特定结构构零件的的成本核核算、外外购件的的成本、、原材料料信息、、生产装装备、生生产状况况等，有有利于更更好的设设计零件件和产品品。2.智能CAD计算机辅辅助设计计技术与与人工智智能相结结合，用用于产品品概念设设计，帮帮助设计计人员进进行决策策、分析析和推理理，更高高效地进进行方案案设计。。3.计算机图图形显示示与几何何造型利用CAD系统丰富富多样的的交互方方法与造造型工具具，通过过人机对对话进行行方案的的构思与与总体设设计。在在计算机机系统中中建立产产品的几几何模型型，在显显示器上上展示产产品的形形状。4.分析计算算对模型进进行分析析计算，，包括工工程计算算、力学学动态性性能分析析及物理理特性分分析，确确定产品品的几何何、力学学、物理理等参数数，评价价设计的的优劣，，并迅速速修改和和完善，，达到最最佳效果果。5.自动绘图图自动绘制制工程图图纸（效效率高、、质量好好）。6.工程数据据管理管理产品品设计过过程中产产生和使使用的各各种数据据、文字字和图形形，保持持其良好好的数据据独立性性、一一致性和和完整性性，并提提供标准准化的数数据转换换接口。。概念设计计CAD概念设计计是产品品设计过过程中最最具创造造性的工工作，根根据市场场和用户户的需求求，完成成设计方方案的制制定、分分析和选选择，需需要设计计人员凭凭借丰富富的专业业知识和和经验进进行构思思、推理理和判断断。采用用专家系系统来进进行。在在概念念设计阶阶段，专专家系统统主要协协助设计计人员进进行评价价、选择择和决策策，自动动生成设设计方案案。下图图是专家家系统CAD求解设计计方案的的一般过过程。此过程是是一个“设计——评价——再设计”过程。由由于设计计的需求求是多方方面的、、模糊的的，有时时是矛盾盾的可行行性方案案。一般般有一定定的范围围，需要要评价和和选择，，有时需需要人工工判断。。开始确定设计计要求指定设计计方案分析设计计方案评价设计计方案决策结束修改设计计要求再设计NY详细设计计CAD1.二维设计计在机械制制造中通通常用一一组工程程图来表表达产品品的形状状和尺寸寸，每个个视图都都是物体体在某一一平面上上的投影影，反映映产品几几何形状状的一个个侧面。。因此需需要二维维设计，，产生产产品二维维的几何何轮廓。。2.三维设计计二维视图图需要人人们通过过思维才才能推测测出视图图与物体体真实形形象之间间的关系系，很不不直观，，因此需需根据二二维信息息构造三三维形体体。技术的发发展随着CAD自身和相相关技术术的发展展，CAD技术正朝朝着集成成化、网网络化、、智能化化和可视视化的方方向发展展。1.CAD系统的集集成化CAD技术是CIMS的核心技技术，而而CIMS的概念是是把设计计、制造造、生产产和管理理连成一一

体，，不仅在在设计和和制造过过程中用用计算机机辅助技技术，而而且在库库存管理理、生产产计划、、财务管管理、销销售等方方面也使使用计算算机完成成，通过过计算机机通信，，控制实实现信息息共享和和交换，，使各部部门协调调一致，，成为一一个整体体。2.CAD系统的网网络化基于网络络技术的的CAD系统技术术迅速发发展，开开放式、、分布式式计算机机环境可可以实现现远程资资源共享享。网络络化CAD系统可以以全面统统一考虑虑各个工工作站的的具体配配置，从从而用最最低的成成本获得得最好的的效果。。例如，，可以只只在个别别工作站站上配备备某些昂昂贵的软软硬件，，其它工工作站可可以通过过网络调调用，不不需要每每个工作作站上都都具备齐齐全的资资源。3.CAD系统的可视化化可视化技术将将科学计算过过程中以及计计算结束后的的数据和计算算结果，借助助计算机图形形学和图像处处理技术，以以图形图像的的形式表达出出来，并进行行交互处理。。利用可视化化技术可以处处理大量复杂杂的数据，控控制和干涉计计算分析过程程和设计过程程。它与多媒媒体技术结合合，能便捷、、高效地处理理信息。4.CAD系统的智能化化传统的CAD系统缺乏综合合和选择能力力，用户使用用时，需要具具备较高的专专业知识和丰丰富的经验，，为此人们研研制了人工智智能专家系统统。利用专家家系统辅助设设计，可以使使知识信息处处理与一般数数值信息结合合起来，利用用专家知识来来求解专门的的问题，机器器的智能可以以通过知识的的积累、存储储、联想、类类比、分析、、计算、论证证、比较、优优化等信息处处理过程，求求得问题的解解答。智能CAD系统还不成熟熟。2.3计算机辅助工工艺规程（CAPP）通过计算机辅辅助技术，工工艺人员采用用系统化、标标准化的方法法确定零件或或产品从毛坯坯到成品的制制造方法的技技术叫计算机机辅助工艺规规程设计（computeraidedprocessplanningCAPP）。CAPP的一般过程是是通过向计算算机输入被加加工零件的几几何信息（形形状、尺寸等等）和工艺信信息（材料、、热处理、批批量等），由由计算机自动动输出零件的的工艺路线和和工序内容等等工艺文件。。1.CAPP系统的主要功功能（1）接收或生成成零件图上的的几何及拓扑扑信息、工艺艺信息和测量信息；（2）检索标准工工艺文件；（3）选择加工方方法；（4）安排加工路路线；（5）选择机床、、刀具及夹具具；（6）选择切削用用量；（7）计算切削参参数、加工时时间和加工费费用；（8）进行工艺流流程的优化及及多工序、单单工序切削用用量的优化；（9）确定工序尺尺寸和公差，，选择毛坯；；绘制工序；；（10）产生刀具运运动轨迹，自自动进行数控控加工编程；；（11）模拟加工过过程、显示刀刀具运动轨迹迹。2.CAPP系统的类型①．变异式方法法变异式方法的的工作原理建建立成组技术术（GT）基础上，利利用零件的相相似性，建立立具有相似的的工艺规程的的一组零件的的标准工艺，，采用以成组组技术（GT）为基础的编编码系统，标标准工艺规程程存储在计算算机内，一个个新零件的工工艺规程是通通过GT码检索系统中中已有的相似似零件的标准准工艺规程加加以筛选、编编辑而成。变异方法工作作原理图输入零件GT编码及辅助信信息零件族搜索和和识别检索、编辑标标准工艺路线线检索、编辑标标准加工路线线输出工艺规程程工艺过程结果果信息的存储储零件族矩阵文文件工艺路线文件件加工工序文件件其它应用程序序②．创成式方法法依靠自身的决决策逻辑以及及相关的产品品数据进行加加工工艺规划划，通过向计计算机输入描描述零件信息息，计算机系系统依据其知知识决策规则则自动进行工工艺过程规划划。创成式方法工工作原理图输入零件形状状及其它信息息零件特征分析析分解工艺设计、分分析和逻辑决决策工艺设计结果果的信息存储储输出工艺规程程数据库其它应用程序序③．人工智能应用人工智能能技术形成的的CAPP专家系统。CAPP专家系统由知知识库、推理理机和用户输输入3部分构成。它它根据输入的的零件信息去去访问知识库库，并通过推推理机中的控控制策略从知知识库中搜索索能够处理零零件当前状态态的规则，然然后去执行这这条规则，并并按照每一次次执行规则得得到的结论按按先后次序记记录下来，直直到零件加工工到终结状态态，从而形成成工艺规程。。专家系统方法法代表发展趋趋势，但需完完善。专家系统方法法工作原理图图用户系统用户界面面解释与推理系系统推理机推理控制专家知识采集系统统知识库规则事实2.4．全生命周期期设计1．全生命周期期设计全生命周期设设计技术是现现代设计技术术的重要内容容。产品设计计不仅进行产产品的功能和和结构设计，，而且对产品品的全生命周周期，包括产产品的规划、、设计、制造造、销售、使使用、维修直直至报废、回回收处理的全全过程，进行行系统的设计计。这意味着着在设计阶段段就要考虑到到产品生命历历程的所有环环节，以求产产品全生命周周期设计的综综合优化。2．全生命周期期设计的特点点①集成性：全全生命周期设设计依赖于各各环节、各部分的设计人人员分工协作作。②开放性：全全生命周期设设计涉及的人人和领域复杂，因此设计计方案建立在在开放的基础上。③前瞻性：为为了保证制造造的产品一次次成功，在设计过程中，，不仅考虑产产品的功能、造型的复复杂性，而且且要考虑产品的可靠性。。④分布式环境：：由于工作地地点的分散性性，每个设计计人员都有自己己的终端，所所以为了保证设计工作的的快速协作完完成，必须有完善网络环环境和分布式式知识库来保证设计人员员彼此之间的的信息传递和资源共享。。⑤标准数据管管理：为保证证数据的一致致性和共享性性，在产品数据交交换标准（Standardfortheexchangeofproductmodeldata，STEP）的支持下实现集成的并并行的开发工工作。2.并行设计①并行设计的的提出传统的产品开开发过程是：：市场调研产品计划产品设计试制样机修改设计工艺准备正式投产缺点：设计阶段不能能及早发现制制造过程中和和后续环节的的问题，一旦旦出现问题，，需要重新修修改设计，后后续阶段和与与设计相关的的环节也要随随之改变。这这种模式周期期长，导致产产品成本增加加。随着产品种类类和质量的提提高，要求产产品研发周期期短，因而提提出了并行设设计。②并行设计并行设计是集集成的并行的的产品设计方方法，强调在在产品开发的的初期阶段就就全面考虑产产品生命周期期的各个阶段段对产品设计计的综合影响响，从而实现现产品全生命命周期的优化化设计。在并并行设计中，，产品开发的的各项活动尽尽可能在时间间上平行进行行。要实现这这一目标，必必须依靠先进进的组织形式式和管理方法法。在组织上上，并行设计计需要建立由由各阶段专家家组成的多功功能设计小组组，并采用全全过程协调技技术。并并行设计通过过及时改进产产品设计方案案，可使早期期生产中工程程变动次数减减少50％以上，产品品开发周期缩缩短40％～60％，成本降低低30％～40％。2.5．绿色设计1．绿色设计的的主要内容（1）材料选择：：不仅考虑产产品的使用和和性能，而且且考虑其对环环境的影响。。选用无毒、、无污染和易易回收、可重重用、易降解解材料。（2）产品可拆卸卸性设计：设设计的结构易易于拆卸，因因而维护方便便，在产品报报废以后可重重用部分能有有效地回收和和重复使用，，达到节约资资源和能源的的目的。（3）产品可回收收性设计：设设计初期充分分考虑零件材材料回收的可可能性。回收收价值大小，，回收处理方方法和相关问问题，实现材材料资源和能能源利用的最最大化和对环环境污染最小小。（4）绿色产品的的成本分析：：绿色产品的的成本分析和和传统产品成成本分析不同同，由于产品品设计初期考考虑了产品的的回收、再利利用和环保问问题，因而降降低了环保费费用。（5）绿色产品设设计数据库：：数据库主要要内容包括产产品生命周期期中与环境、、经济等有关关的数据，还还包含产品制制造、装配、、销售、使用用过程中所生生产的附加物物数量及对环环境的影响值值，以及对环环境评估准则则所需的各种种判断准则。。2．绿色设计的的关键技术①面向材料的的设计技术传统设计：选选择材料时较较少考虑对环环境的影响，，包括材料本本身对环境的的影响。材料料加工过程对对环境的影响响，材料报废废对环境环境境的影响。绿色设计：在在产品的整个个生命周期，，以材料对环环境的影响为为控制目标，，在实现产品品功能要求同同时，使材料料对环境污染染最小，能源源消耗最少。。（1）面向材料设设计技术的主主要内容产品计划阶段段：采用产品品的技术性、、经济性和环环保性三维指指标进行产品品设计的可行行性分析，确确定与环境协协调的方案。。方案设计阶段段：对产品各各种可行性方方案评定时，，除了考虑产产品性能和经经济性之外，，还要评定材材料的环境。。结构设计阶段段：结构具有有应用的功能能，良好的工工艺性，同时时满足易于拆拆卸和回收。。详细设计阶段段：对产品所所用的材料及及其拆卸、回回收性能和可可重复利用性性能进行统计计建库。（2）对材料选择择的要求对材料提出更更高的要求：：不仅满足产产品的基本性性能要求，还还应有利于环环保。减少产品所用用材料种类选用废弃后能能自然分解并并为自然吸收收选用不加涂镀镀的原材料，，便于回收选用再生材料料，便于循环环利用（3）面向材料的的设计技术发发展趋势建立系统的面面向材料设计计技术的基础础理论和方法法搜索、整理面面向材料设计计所需的数据据资料，进而而指导设计建立绿色材料料的评价体系系，评价模型型和评价标准准建立适合绿色色设计的材料料管理方法和和数据库开发基于绿色色设计的材料料选择专家系系统②面向能源的的设计技术术采用对环境境影响最小小和资源消消耗最少的的能源供给给方式支持持产品的整整个生命周周期。（1）基本要求求：在设计理念念上采用合合适的能源源供给方式式在满足功能能的前提下下，尽量减减小能量消消耗充分预见各各环节的能能量消耗形形式，寻求求合理、高高效、经济济的回收和和再利用方方法使产品加工工过程能量量消耗最少少（2）发展趋势势对可用的新新能源建立立与设计相相结合的技技术规范和和标准。建立面向能能源设计的的数据库、、模型库和和运行环境境标准。寻求合理的的设计参数数，控制材材料应用和和环境影响响方面的变变化，从而而达到设计计的绿色化化。③面向拆卸的的设计技术术（designfordisassembly，DFD）在设计过程程中，将可可拆卸性作作为设计目目标之一，，使产品的的结构不仅仅便于制造造，而且便便于装配、、拆卸、维维修和回收收。其基本本准则：（1）拆卸工作作量少包包括零零件合并原原则，减少少零件所用用种类，材材料相容性性原则和有有害材料集集成原则。。（2）结构可拆拆卸采采用易于于拆卸和未未破坏的联联结方法，，紧固件少少原则，简简化拆卸运运动原则，，装配及拆拆卸可达性性原则。（3）拆卸易操操作（4）易于分离离包括一次表表面原则，，便于识别别零部件标标准化，模模块化原则则。（5）产品结构构的可预估估性。避避免将将易老化、、易腐蚀的的材料与需需要拆卸、、回收的材材料零件组组合，防止止要拆卸回回收的零件件被腐蚀。。④面向回收的的设计技术术（designforrecovering&recycling，DFRR）（1）重用（（2）再加工（（3）高级回收收：重新处处理以后被被用于更高高价值的产品中（（4）次级回收收：回收零零件用于低低价值产品品中

（5）三级回收收：化合分分解，生产产新材料（（6）四级回收收：燃烧回回收，用作作燃料发电电

（7）处理（disposal）（（填填埋）第三章现现代加工工技术1.现代加工技技术(1）.定义及内容容各种加工方方法和制造造工艺的总总称。包括先进切削削加工技术术、成形加加工技术、、变形加工技术术、联接加加工技术、、材料性能能调整技术和特特种加工技技术。切削加工内内容切削加工技技术：（包包括车、铣铣、刨、钻钻、磨、拉拉等）效率高、成成本低是精精加工和最最后成形的的重要手段段。成形加工：：铸造、粉粉末冶金、、塑料成型型。变形加工：：锻造、钣钣金、轧制制、挤压、、拉拔联接加工：：机械联接接（螺钉，，螺栓）、、焊接、粘粘接和装配材料性能调调整：热处处理和其它它表面处理理技术特种加工：：化学、电电化学、电电火花、超超声、激光光、RP等（2）现代加工工技术的特特点：加工精度高高：尺寸精度、、形状精度度和表面粗粗糙度均达达到纳米级级加工效率高高：超高速切削削、磨削技技术使效率率大大提高高加工材料范范围广：超硬材料、、超塑材料料、高分子子材料、复复合材料、、工程陶瓷瓷等加工设备先先进：采用CAD/CAM技术、柔性性好、可加加工复杂形形状切削加工低低能耗：切削力为原原来的1/3，能耗低。。2.超高速加工工技术（1）定义指采用超硬硬材料刀具具、磨具和和高速运动动的设备加加工零件的的现代加工工技术。通通过极大的的提高切削削、磨削速速度，提高高加工质量量、加工精精度和降低低成本。超高速加工工的切削速速度为普通通的切削的的10倍。

钢为为600m/min，铸铁900m/min－5000m/min，铝合金2000m/min－7500m/min，钛合金150m/min－1000m/min，纤维增强强材料2000m/min－9000m/min各种加工工工序的切削削速度的范范围：车车削：700m/min－7000m/min，铣削300m/min－6000m/min，磨削150m/s以上，钻削削200m/min－1100m/min主轴转速日日本FANVC5500r/min，意大利FIDIA7500r/min定位精度达达到0.5um－0.05um快进速度40－60m/min国内水平，，主轴转速速10000r/min，快进速度度30m/min（2）超高速加加工的应用用领域大批量生产产如汽车车刚度较小的的元件如如薄壁（厚厚度1mm）零件（航航空航天））复杂曲面磨磨具超精密加工工超硬材料，，超塑材料料（3）使用刀具具PCD、CBN、SiN（氮化硅））、涂层刀刀具、TiN、TiAlN（氮化铝钛钛）（4）超高速加加工单元制制造技术①、超高速主主轴单元制制造技术超高速主轴轴单元是超超高速加工工机床的关关键部件。包括括主轴动力力源、主轴轴轴承和机机架四个部分。涉及及的研究内内容有：主主轴材料、、结构、轴承、超高高速主轴系系统动态特特性及热态态特性。柔性主轴及及其轴承的的弹性支撑撑技术，润润滑与冷却却。电主轴部件件电主轴由转转子、轴承承、外壳、、电机组件件和测角系系统组成。。并配备冷冷却系统、、润滑系统统和变频驱驱动电气装装置，形成成一个独立立的单元，，可以直接接装配到各各种加工中中心和超高高速磨床上上，实现无无中间环节节的直接传传动。电动机一般般为感应式式集成主轴轴电机。目目前开发出出一种使用用铌的永磁磁电机，其其效率高，，功率大，，扭矩大，，易于对使使用中产生生的温升在在线控制，，冷却简单单，体积小小，结构紧紧凑，所以以有可能取取代感应式式集成主轴轴电动机。。滚珠轴承高高速主轴（（转速达90000r/min）高速切削机机床上的主主轴多数为为滚珠轴承承电动主轴轴，压力角角为15°或25°的角接触滚滚珠轴承，，精度为C级或B级。润滑方方式为油脂脂润滑、油油雾润滑、、喷油润滑滑。主轴精精度取决于于轴承。目目前，市场场上高速主主轴的回转转精度可达达0.5um。液体静压轴轴承高速主主轴（转速速达30000r/min）与滚珠轴承承相比，径径向刚度较较低，轴向向刚度高，，宜于轴向向切削力较较大的场合合。此外，，液体静压压轴承的油油膜阻尼大大，动态刚刚度高，适适合于铣削削的断续切切削过程。。特点：运运动精度高高，回转误误差小于0.2um，因而可以以提高刀具具使用寿命命、加工精精度和降低低表面粗糙糙度。空气静压轴轴承高速主主轴进一步提高高主轴转速速和回转精精度。转速速达100000r/min，回转精度度50nm，可采用金金刚石刀具具进行镜面面铣削，加加工工件形形状精度和和表面粗糙糙度要求高高的场合。。缺点：承载载能力低，，维护费用用高磁悬浮高速速主轴磁浮主轴的的转子由两两个径向和和两个轴向向轴承支撑撑，转子与与支撑间隙隙一般在0.1mm左右。磁浮浮主轴可采采用较大轴轴径，因而而刚性较大大，承载能能力强。回回转精度可可达0.2um。（回转精精度取决于于主轴内的的位移传感感器的精度度和灵敏度度及控制电电路的控制制精度）优点：精度度高，转速速高，刚性性好缺点：机械械结构复杂杂，需要一一套传感器器和控制电路，所以以价格高，，必须有很很好的冷却却系统。②超高速加工工进给单元元制造技术术关键技术超超高高速加工进进给单元是是超高速加加工机床的的重要组成成部分。包包括：伺服服驱动技术术、滚动元元件技术、、检测单元元技术和诸诸如：防尘尘、防噪声声、冷却润润滑、安全全等周边技技术。要求求能达到高高速和瞬间间加速及瞬瞬时准停性性。关关键技术术：高速位位置环芯片片的研制，，高速精密密交流伺服服系统及电电机的研究究，直线伺伺服电机的的研制，加加减速控制制技术，超超高速进给给系统的优优化设计、、虚拟设计计，高精度度滚珠丝杠杠副及大导导程滚珠丝丝杠副的研研制，高精精度导轨，，新型导轨轨摩擦副的的研究等。。超高高速速进进给给单单元元的的技技术术指指标标滑台台驱驱动动系系统统：：进进给给速速度度达达60m/min直线线电电机机驱驱动动：：进进给给速速度度达达200m/min由于于直直线线电电机机与与滑滑台台连连在在一一起起，，无无间间隙隙，，惯性性小小，，刚刚度度大大而而无无磨磨损损。。通通过过控控制制电电路路可可以实实现现高高速速和和高高精精度度驱驱动动。。直线线电电机机的的特特点点（a）高高速速响响应应（（系系统统中中取取消消了了一一些些惯惯性性大大的的机机械械传传动动件件））（（b）定定位位精精度度高高（（取取消消了了由由于于丝丝杠杠等等机机构构间间隙隙和和误误差差））（（c）传传动动刚刚度度高高（（由由于于“直接接驱驱动动”，避避免免了了启启动动、、变变速速和换换向向时时系系统统的的弹弹性性变变形形、、摩摩擦擦磨磨损损和和反反向向间间隙隙造造成的的运运动动滞滞后后））（（d）速速度度快快、、加加减减速速过过程程短短：：直直线线电电机机最最早早用用于于磁磁悬悬浮列列车车（（时时速速500km/h）可可获获得得高高的的加加速速度度，，一一般可可达达2g－10g。一一般般滚滚珠珠丝丝杠杠最最大大加加速速度度只只有有0.1g－0.5g。（（e）行行程程长长度度不不受受限限制制（（f）噪噪声声低低（（取取消消了了丝丝杠杠等等传传动动））（（g）效效率率高高（（无无中中间间传传动动环环节节））③超高高速速加加工工刀刀具具和和磨磨具具PCD、CBN、Si3N4、涂涂层层刀刀具具、、TiN、TiAlN等3.超精精密密加加工工技技术术（1）概述述超精精密密加加工工指指尺尺寸寸精精度度0.1um～0.01um，Ra：0.025um～0.01um，包包括括：：金金刚刚石石刀刀具具超超精精密密车车削削、、超超精精密密磨磨料料加加工工、、超超精精密密特特种种加加工工和和复复合合加加工工、、超超精精密密测测量量。。目目前前，，正正在在朝朝纳纳米米级级工工艺艺水水平平发发展展。。加工对象：激激光聚焦腔、、高密度磁盘盘、磁鼓、雷达、陀螺、、IC相关技术加工技术：方方法和机理材料技术：工工具材料和工工件材料加工设备：精精度、刚度、、稳定性、自自动化测量及误差补补偿技术：环境：温度1℃～0.02℃甚至0.0005℃湿度55～60％，洁净度1000级～100级100指每立方英尺尺空气中大于于0.5um的尘埃≤100个（2）超精密切削削加工超精密铣床关键部件：高高精度主轴、、低摩擦高平平稳性滑台。。主轴采用气气体静压支撑撑，滑台采用用气体静压系系统支撑超精密金刚石石车床主轴采用气体体静压轴承，，轴向和径向向运动误差≤50nm，滑台采用高高刚性、高阻阻尼和高稳定定性的液体静静压支撑。（3）超精密磨削削和磨料加工工超精密砂轮磨磨削技术：加加工精度0.1um，表面粗糙度度Ra0.025um砂轮，CBN磨料，砂轮线线速度60m/s以上，工件件进给速度5m/min以上超精密砂带磨磨削技术：切切削速度35m/min，表面粗糙度度Ra0.043um双端面精密磨磨削技术：为为平面磨削削，工件既公公转又自传，，磨料粒度3000～8000，用于磁盘基基片等零件的的超精密加工。电泳磨削技术术电泳：带电粒粒子在电场中中向与自身带带电相反的电电极运动的现现象。机理：在加工工过程中，磨磨粒在电场力力的作用下向向磨具表面运运动，并在磨磨具表面沉积积形成一层细细磨粒吸附层层，利用该吸吸附层对工件件进行磨削加加工，同时新新的磨粒又不不断补充，使使磨粒微刃保保持锋利。如如果磨粒表面面凹凸不平，，凹陷处电流流大，新磨粒粒更容易在凹凹陷处沉积，，从而保证沉沉积层平整。。超精密研磨与与抛光技术（a）超精密研磨磨技术精精度0.1um，Ra≤0.02um用于：块规、、球面空气轴轴承、半导体体硅片、光学镜头头。

（b）电解研磨（（电化学机械械）（4）超精密特种种加工激光、电子束束、离子束（（三束）、微细EDM，用于IC芯片刻线，0.1um线芯。Ⅰ电化学加工技技术a.原理－阳极溶溶解原理NaCl＝Na＋＋Cl－H2O＝H++OH－阳极可能发生生的电化学反反应若阳极为Fe，在外电源的的作用下放出3个（或2个）电子，形形成三价或二价的铁离离子Fe-2eFe2＋E=-0.59V

Fe-3eFe3＋E=-0.323V4OH－－4e＝O2E=0.867V2Cl－－2e＝Cl2E=1.334V根据电极反应应的基本原理理，电极电位位最负的物质质首先在阳极极反应。因此此，在阳极首首先Fe2＋溶解，最大可可能出现Fe3＋。Fe2＋与OH－化合形成氧化化亚铁（绿色色絮状物）Fe2＋＋2OH－＝Fe(OH)2Fe(OH)2被空气中的O2氧化成氢氧化化铁黄褐色沉沉淀物4Fe(OH)2＋2H2O＋O2＝4Fe(OH)3阴极上可能发发生的反应2H＋＋2eH2E=-0.42V

Na＋＋eNaE=-2.69V据电极反应原原理，在阴极极上电极电位位最高的物质质先反应，因因此，在阴极极上全析出氢氢气。电化学加工原原理图b.电化学加工设设备示意图1－直流电源9－24V2－工具阴极3－工具阳极4－电解液泵5－电解液c.应用枪炮的来复线线飞机发动机叶叶片d.电化学抛光原理：阳极溶溶解用途：表面光光整加工电极与工件距距离几十到几几百毫米，电电流密度小，，表面微观不不平引起电场场畸变，凸凹凹处电力线密密度大场强大大首先溶解，，达到表面平平整的目的。。关键：电解液液的配方，电电参数，温度度。e.电化学机械光光整加工原理：阳极溶溶解＋机械切切削使用钝性电解解液NaNO3阳极溶解后会会在工件上形形成钝化膜，阻阻止进一步溶溶解砂条用机械械力刮掉钝化化膜，露出新鲜鲜金属，促使使进一步阳极溶溶解。电化学机械抛抛光轧辊f.ELID磨削砂砂轮在线修修整工艺Ⅱ超声波加工a.原理利用工具端面面做超声振动动，通过磨料料悬浮工作液液加工硬脆材材料超声波1.6KHz左右，纵波。。

组成：（（1）电源：提供供高变电压的的能量（（2）换能器：将将交变电压变变换成机械振振动（（3）变幅杆：将将换能器输出出的振动放大大到振幅，振幅0.05－0.1mm（4）工具：钛合合金（（5）磨粒悬浮工工作液（（6）工件：硬脆脆材料，玻璃璃陶瓷等超声波机床b.关键技术：变幅杆c.用途不导电的硬脆脆材料加工，，微细加工超声波焊接，，食品，医药药，塑料制品品超声波复合加加工：超声波波车削、磨削削、挤压，超声波波电火花Ⅲ激光加工a.激光的产生：：处于基态E1的钕离子吸收收氙灯的很高高范围的光谱谱而被激发到到E4能级，在E4能级的寿命很很短。通过无无辐射跃迁到到E3能级，E3能级寿命较长长达到3x10－4s，形成了E3和E2能级的粒子数数反转，当E3能级粒子回到到E2能级时发出波波长为1.06um的红外激光。。此此红外外线照射工作作物质又是更更多的E3能级的粒子跃跃迁到E2。b.应用打孔切割焊接热处理Ⅳ电子束加工a.电子枪系统获得电子束包包括发射阴极极，控制栅极极和加速阳极极b．真空系统维持1.33x10－2～1.33x10－4Pac.控制系统和电电源控制系统包括括：束流聚焦控制制——提高电子束的的能量（电磁磁透镜）束束流流位置——改变电子束方方向（磁偏转转）束束流强强度工工作台台移动d.应用打孔，加工玻玻璃、陶瓷、、宝石喷丝头异形孔孔（直径0.03～0.07mm）光刻弯孔Ⅴ离子束加工灼热的灯丝发发射电子，在在阳极的作用用下向下运动动。同时受到到电磁线圈的的作用，变成成螺旋运动。。氩气从上口口注入电离室室，在电子的的作用下被电电离成等离子子体。阴极和和引出板各有有数百个0.3mm的小孔，上下下对齐，在引引出电板的作作用下形成数数百条准直离离子束打到工工件上。应用刻蚀粒子注入加工工4．快速成型制制造技术（RP）（1）概述RP技术是制造技技术领域的革革命性进展，，可以与数控控技术相比，，RP综合运用了计计算机技术、、CAD技术、数控技技术、激光技技术和材料技技术，可以自自动、直接、、快速精确低低将设计思想想物化为具有有一定功能的的原型或零件件。原理：采用离离散/堆积成形原理理过程：由3DCAD软件设计零件件的3D实体模型型，然后根根据工艺要求求，将3D实体模型按一一定的厚度分分层，将3D模型转化为2D信息，再将分分层后的分层层信息进行处处理，产生数数控代码；数数控系统以平平面加工的方方式，有序地地连续加工出出每个薄层，，并将它们连连接起来。RP原理图设计方案3DCAD3D模型模型处理快速成型机三维实体3D扫描产品原型（2）RP工艺光刻工艺SLA（stereolithographyapparatus）分层实体制造造工艺LOM（laminatedobjectmanufacturing）：熔融沉积工艺艺FDM（fuseddepositionmodeling）选择性激光烧烧结工艺SLS（selectlasersintering）与SLA相似，区别在在于SLA材料是液态的的紫外光敏可可凝固树脂，，而SLS使用粉末材料料。3D打印粘结工艺艺3DP（three－dimensionalprinting）5.电火花加工技技术第四章制造自动化技技术制造自动化技技术4.1概述4.2数控加工技术术4.3工业机器人4.4柔性制造系统统4.5计算机集成制制造系统CIMS主要内容:§4.1概述制造自动化技技术是先进制制造技术中重重要的组成部部分。制造自动化的的任务是研究究对制造过程程的规划、管管理、组织、、控制与协调调优化等环节节的自动化，，以实现制造造过程的高效效优质低耗和和洁净的目标标。§4.1概述主要内容:制造自动化的的内涵制造自动化技技术的发展趋趋势制造自动化的的内涵①形式:通过制造系统统代替人的体力力劳动代替或辅助人人的脑力劳动动实现人、机器器及整个系统统的协调调、管理、、控制和优化化制造自动化的的内涵T(time):通过自动化技技术，提高市市场响应能力力缩短产品生生产周期Q(quality):通过自动化技技术，提高产产品质量C(cost):通过自动化技技术，降低成成本S(service):通过自动化技技术，做好好客户服务，，减轻体力、、脑力劳动②功能:可通过T、Q、C、S、E等功能目标描描述功能目标包括括:制造自动化的的内涵产品研发自动动化:CAD/CAPP/CAM一体化技术、、并行工程、、虚拟现实等等生产过程自动动化:数控加工技术术、工业机器器人、FMS、CIMS③范围:制造自动化技技术的发展趋趋势敏捷化网络化虚拟化化智能化化全球化化绿色化化主要包包括一一下几几个方方面:制造自自动化化技术术的发发展趋趋势指产品品的整整个制制造周周期具具备敏敏捷性性和主主动的的综合合应变变能力力。①敏捷化化:柔性:机械柔柔性、、工艺艺柔性性、运运行柔柔性、、扩扩展(柔性)功能、、劳动动柔性性。(主要靠靠数数控技技术)重构能能力:产品模模块化化实实现快快速重重组重重构增增强强对新新产品品开发发的快快速响响应能能力集成制制造工工艺制造自自动化化技术术的发发展趋趋势制造环环境内内部的的网络络化、、实现现制造造过程程的集集成(车间)制造环环境与与制造造企业业的网网络化化实实现企企业中中工程程设计计、管管理信信息系系统等等各子子系统统的集集成(企业)企业之之间的的网络络化实实现企企业之之间的的资源源共享享、组组合与与优化化利用用；通通过网网络实实现异异地制制造②网络化化:制造自自动化化技术术的发发展趋趋势③虚拟化化:基于数数字化化技术术主要包包括:虚拟现现实、、虚拟拟产品品开发发虚虚拟拟制造造、虚虚拟企企业制造虚虚拟化化以制制造技技术和和计算算机技技术支支持的的系统统建模模技术术和仿仿真技技术为为基础础集现现代制制造工工艺、、计算算机图图形学学、并并行工工程、、人工工智能能、虚虚拟现现实技技术和和多媒媒体技技术为为一体体，由由多学学科知知识形形成的的一种种综合合系统统技术术。它它将现现实制制造环环境及及其制制造过过程通通过建建立系系统模模型映映射到到计算算机及及其相相关技技术所所支撑撑的虚虚拟制制造全全过程程，并并对产产品制制造及及制造造系统统的行行为进进行预预测和和评价价。虚虚拟拟制造造是实实现敏敏捷制制造的的重要要关键键技术术。制造自自动化化技术术的发发展趋趋势④智能化化:智能化化是制制造系系统在在柔性性化和和集成成化基基础上上的发发展和和延伸伸，宗宗旨在在于通通过人人与智智能机机器的的合作作去扩扩大、、延伸伸和部部分取取代人人类专专家在在制造造过程程中的的脑力力劳动动，实实现制制造过过程的的优化化。制造自自动化化技术术的发发展趋趋势⑤全球化化:市场国国际化化形成成全球球产品品销售售网络络产品开开发、、设计计的国国际合合作及及产品品制造造跨国国化制造企企业在在世界界范围围内重重组与与集成成(如企业业动态态联盟盟)资源的的跨地地区、、跨国国家的的协调调、共共享、、优化化和利用逐渐形形成全全球制制造的的体系系结构构制造自自动化化技术术的发发展趋趋势⑥绿色化化:在整个个过程程中最最有效效地利利用资资源源和最最低限限度地地生产产废物物包括:绿色资资源、、绿色色生产产过程程、绿绿色产产品绿色制制造是是一个个综合合考虑虑环境境影响响和资资源效效率的的现代代制造造模式式，目目标是是使产产品从从设计计、制制造、、包装装、运运输、、使用用到报报废处处理的的整个个过程程生命命周期期内，，对环环境的的影响响最小小，资资源利利用率率最好好。绿绿色色制造造是全全球可可持续续发展展战略略对制制造业业地具具体要要求和和体现现。§4.2数控加工工技术数控加工工技术是是指高效效、优质质地实现现产品特特别是复复杂形状状零件加加工的有有关理论论、方法法与实现现技术。。它是自自动化、、柔性化化、敏捷捷化和数数字化制制造加工工的基础础与关键键技术。。特点是:具有复杂杂形状的的加工能能力高质量高效率高柔性§4.2数控加工工技术数控加工工技术主主要内容容:数控技术术数控机床床数控技术术数控技术术是制造造自动化化和柔性性化的一一项重要要基础技技术，广广泛用于于各类数数控机床床。目前前的数控控技术采采用开放放式结构构，建立立在统一一标准的的系统平平台上，，具有模模块化、、可重新新配置的的特点，，可运行行在各种种不同的的系统平平台上，，可根据据用户的的特殊需需要进行行配置。。数控机床床的分类类数控机床床、数控控铣床、、数控钻钻床、数数控磨床床等，加加工中心心数控冲床床、弯管管机等控电火花花加工机机床、数数控线切切割、激激光、水水刀等①按工艺分分:数控机床床的分类类点位控制制系统:只控制刀刀具相对对于工件件空位点点的坐标标，对轨轨迹无要要求，仅仅要求空空位准确确，例如如:数控钻、、镗、冲冲、激光光。直线控制制系统:除空位要要求之外外，还要要求进给给运动沿沿平行于于坐标方方向直线线移动进进行切削削加工，，或控制制两个坐坐标轴以以同样速速度同时时运动，，沿45°斜线进行行加工，，例如:数控车、、铣、镗镗、加工工中心等等轮廓控制制系统:能同时控控制两个个或两个个以上坐坐标轴联联动，使使刀具和和工件按按任意直直线、平平面曲线线或空间间曲面轮轮廓运动动，加工工任意形形状地复复杂零件件。②按运动形形式分:数控机床床的分类类③按伺服控控制系统统分:A开环控制制系统B闭环或半半闭环控控制系统统数控机床床的分类类A开环控制制系统的的原理图图:数控系统统控制电路路步进电机机工作台传动系统统输入信号号数控机床床的分类类A开环控制制系统的的特点:无反馈。。数控系统统根据要要求的进进给速度度和位置置输出一一定的指指令，经经过驱动动电路放放大，经经传动系系统驱动动工作台台运动。。缺点:精度低、、响应速速度慢、、功率小小。优点:结构简单单、运动动稳定、、成本低低、使用用维护方方便，用用于经济济性数控控机床上上。数控机床床的分类类B闭环控制制和半闭闭环控制制系统原原理图:数控系统统控制电路路步进电机机工作台速度检测测元件位置检测测元件输入信号号信号路径径半半闭环环反馈闭闭环反馈馈数控机床床的分类类B闭环控制制和半闭闭环控制制:具有位置置和速度度检测元元件，数数控系统统将位移移指令与与位置检检测元件件检测的的实际位位置进行行实时比比较，其其差值与与给定指指令速度度按一定定关系转转换得到到伺服驱驱动的速速度指令令。同时时，速度度检测元元件测得得的实际际速度的的反馈信信号与速速度指令令比较，，并对电电机的转转速进行行实时校校正。利利用这种种位置和和速度控控制的双双回路控控制，可可以获得得比开环环控制系系统精度度高、响响应更快快、驱动动功率更更大的特特性。数控机床床的分类类闭环环:直接测量量移动部部件输出出的被控控量作为为反馈量量。例例如如:光栅尺测测量直线线位移。。半闭环:采用间接接测量被被控量作作为反馈馈量。例例如:测量电机机或丝杠杠的角位位移。B闭环和半半闭环控控制系统统的区别别:由于角位位移和直直线位移移之间有有一个机机械传动动环节，，因而半半闭环比比闭环控控制精度度低，但但是位移移检测元元件结构构简单，，安装方方便，稳稳定性好好，价格格低，易易调整，，因而广广泛被应应用。数控机床床的组成数控机床床的主要要组成部部分:数控机床床主体:包括:床身、主主轴及进进给机构构。根据据数控机机床技术术的要求求机床主主体较传传统机床床由很大大变化。。控制系统统(CNC):数控机床床的核心心数控机床床的组成成控制系统统原理图图位置控制制单元位置控制制单元PLC附加装置置机床主轴轴通信接口其他外设接口CPUROM/RAM键盘/显示器接接口键盘盘显示器伺服电机机bus数控机床床的组成成控制系统统各部分分介绍CPU由运算器器和控制制器组成成，实现现数据的的算术运运算、逻逻辑运算算和指令令的操作作控制，，控制数数控机床床坐标轴轴的运动动。BUS由数据总总线、地地址总线线、和控控制总线线组成，，实现计计算机各各部分之之间信号号的传递递。A微处理器器及总线线:(CPU)和(BUS)是CNC的核心数控机