先进制造技术概述(一)

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大连理工大学现代制造研究所赵福令教授

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。

现现代设设计方方法1.优优化化设计计方法法用数学学方法法和系系统工工程方方法对对产品品结构构和性性能进进行分分析、、决策策，以以获取取最优优解的的方法法。近近年来来优化化设计计与可可靠性性设计计、模模糊设设计等等方法法相结结合形形成了了新的的优化化设计计方法法。2.有有限限元分分析方方法将零件件看成成是由由有限限个元元素组组成，，通过过对每每一个个元素素求解解（位位移、、应力力）来来获取取零件件整体体的解解。广广泛用用于零零件和和结构构的分分析和和计算算中。。3.计计算算机机辅辅助助设设计计运用用计计算算机机强强大大的的数数据据计计算算及及信信息息处处理理功功能能来来完完成成设设计计工工作作，，应应用用最最广广泛泛。。4.面面向向产产品品全全生生命命周周期期的的设设计计将并并行行工工程程思思想想用用于于产产品品设设计计中中，，在在设设计计阶阶段段便便综综合合考考虑虑产产品品的的整整个个生生命命周周期期中中的的设设计计、、加加工工、、装装配配、、测测试试、、维维修修、、销销售售及及报报废废回回收收环环节节的的影影响响因因素素，，全全面面评评价价产产品品设设计计，，达达到到开开发发周周期期短短、、成成本本低低、、质质量量高高的的目目的的。。5.网网络络化化异异地地设设计计随着着网网络络和和通通讯讯技技术术的的发发展展，，实实现现远远程程、、异异地地的的设设计计开开发发资资源源的的共共享享与与整整合合，，极极大大地地拓拓展展了了设设计计工工作作的的时时空空维维度度。。6.反反求求工工程程以先先进进产产品品的的实实物物或或软软件件（（程程序序、、图图样样、、文文件件资资料料））作作为为研研究究对对象象，，综综合合运运用用现现代代工工程程设设计计的的相相关关理理论论与与方方法法，，进进行行解解剖剖、、分分析析和和研研究究，，进进而而开开发发出出同同类类产产品品。。7.绿绿色色设设计计将产产品品和和环环境境作作为为一一个个系系统统，，充充分分考考虑虑产产品品及及其其制制造造系系统统与与环环境境相相容容性性，，做做到到对对环环境境影影响响最最小小。。2.2计计算算机机辅辅助助设设计计（（CAD））概概述述1.CAD的的发发展展过过程程1950年年MIT研研制制出出Whir/WindⅠⅠ可可以以显显示示简简单单的的图图形形。。1958年年美美国国Calcomp公公司司研研制制滚滚筒筒式式绘绘图图仪仪，，Gerber公公司司平平板板绘绘图图仪仪。。1962年年MIT的的Sutherland提提出出了了计计算算机机图图形形学学、、交交互互技技术术、、分分层层存存储储符符号号的的数数据据结结构构，，为为CAD技技术术发发展展打打下下了了理理论论基基础础。。1970年年美美国国Applicon公公司司推推出出完完整整的的CAD系系统统。。上世纪80年代CAD/CAM技术用用于工程设设计，图形形接口、图图形功能日日趋标准化化，出现了了由CAD/CAM/CAE构成的CIMS，，提高了设设计自动化化。2.CAD的功能能工程与产品品设计借借助于于计算机辅辅助技术，，工程技术术人员可以以方便的完完成某一工工程或产品品的方案选选型、评估估、详细设设计、优化化等工作，，实现从零零件图到装装配图、总总装图、平平面布置图图、管道布布置图的自自动绘制。。仿真模拟高性能的CAD系统统可以真实实地模拟产产品的实际际运动和变变化过程，，如机构的的运动、零零件的加工工、柔性制制造系统的的运行，汽汽车、飞机机的行驶过过程等。帮帮助设计人人员正确地地进行方案案论证、产产品选型、、性能评估估等。事务管理实现设计文文档的计算算机管理，，有利于产产品设计的的成组化、、标准化和和系列化，，减少了设设计人员的的重复工作作量。2.2.2通常CAD的工工作1.信息息管理提供丰富的的设计需要要的信息。。可以为设设计人员提提供有关客客户的需求求和改进意意见、组织织生产特定定结构零件件的成本核核算、外购购件的成本本、原材料料信息、生生产装备、、生产状况况等，有利利于更好的的设计零件件和产品。。2.智能能CAD计算机辅助助设计技术术与人工智智能相结合合，用于产产品概念设设计，帮助助设计人员员进行决策策、分析和和推理，更更高效地进进行方案设设计。3.计算算机图形显显示与几何何造型利用CAD系统丰富富多样的交交互方法与与造型工具具，通过人人机对话进进行方案的的构思与总总体设计。。在计算机机系统中建建立产品的的几何模型型，在显示示器上展示示产品的形形状。4.分析析计算对模型进行行分析计算算，包括工工程计算、、力学动态态性能分析析及物理特特性分析，，确定产品品的几何、、力学、物物理等参数数，评价设设计的优劣劣，并迅速速修改和完完善，达到到最佳效果果。5.自动动绘图自动绘制工工程图纸（（效率高、、质量好））。6.工程程数据管理理管理产品设设计过程中中产生和使使用的各种种数据、文文字和图形形，保持其其良好的数数据独立性性、

一致致性和完整整性，并提提供标准化化的数据转转换接口。。2.2.3概念设设计CAD概念设计是是产品设计计过程中最最具创造性性的工作，，根据市场场和用户的的需求，完完成设计方方案的制定定、分析和和选择，需需要设计人人员凭借丰丰富的专业业知识和经经验进行构构思、推理理和判断。。采用专家家系统来进进行。在在概念念设计阶段段，专家系系统主要协协助设计人人员进行评评价、选择择和决策，，自动生成成设计方案案。下图是是专家系统统CAD求求解设计方方案的一般般过程。此过程是一一个“设计——评价价——再设设计”过程程。由于设设计的需求求是多方面面的、模糊糊的，有时时是矛盾的的可行性方方案。一般般有一定的的范围，需需要评价和和选择，有有时需要人人工判断。。开始确定设计要要求指定设计方方案分析设计方方案评价设计方方案决策结束修改设计要要求再设计NY2.2.4详细设设计CAD1.二维维设计在机械制造造中通常用用一组工程程图来表达达产品的形形状和尺寸寸，每个视视图都是物物体在某一一平面上的的投影，反反映产品几几何形状的的一个侧面面。因此需需要二维设设计，产生生产品二维维的几何轮轮廓。2.三维维设计二维视图需需要人们通通过思维才才能推测出出视图与物物体真实形形象之间的的关系，很很不直观，，因此需根根据二维信信息构造三三维形体。。2.2.5CAD技术的发发展随着CAD自身和相相关技术的的发展，CAD技术术正朝着集集成化、网网络化、智智能化和可可视化的方方向发展。。1.CAD系统的的集成化CAD技术术是CIMS的核心心技术，而而CIMS的概念是是把设计、、制造、生生产和管理理连成一体体，不仅仅在设计和和制造过程程中用计算算机辅助技技术，而且且在库存管管理、生产产计划、财财务管理、、销售等方方面也使用用计算机完完成，通过过计算机通通信，控制制实现信息息共享和交交换，使各各部门协调调一致，成成为一个整整体。2.CAD系统的网网络化基于网络技技术的CAD系统技技术迅速发发展，开放放式、分布布式计算机机环境可以以实现远程程资源共享享。网络化化CAD系系统可以全全面统一考考虑各个工工作站的具具体配置，，从而用最最低的成本本获得最好好的效果。。例如，可可以只在个个别工作站站上配备某某些昂贵的的软硬件，，其它工作作站可以通通过网络调调用，不需需要每个工工作站上都都具备齐全全的资源。。3.CAD系统的可可视化可视化技术术将科学计计算过程中中以及计算算结束后的的数据和计计算结果，，借助计算算机图形学学和图像处处理技术，，以图形图图像的形式式表达出来来，并进行行交互处理理。利用可可视化技术术可以处理理大量复杂杂的数据，，控制和干干涉计算分分析过程和和设计过程程。它与多多媒体技术术结合，能能便捷、高高效地处理理信息。4.CAD系统的智智能化传统的CAD系统缺缺乏综合和和选择能力力，用户使使用时，需需要具备较较高的专业业知识和丰丰富的经验验，为此人人们研制了了人工智能能专家系统统。利用专专家系统辅辅助设计，，可以使知知识信息处处理与一般般数值信息息结合起来来，利用专专家知识来来求解专门门的问题，，机器的智智能可以通通过知识的的积累、存存储、联想想、类比、、分析、计计算、论证证、比较、、优化等信信息处理过过程，求得得问题的解解答。智能能CAD系系统还不成成熟。2.3计计算算机机辅辅助助工工艺艺规规程程（（CAPP））通过过计计算算机机辅辅助助技技术术，，工工艺艺人人员员采采用用系系统统化化、、标标准准化化的的方方法法确确定定零零件件或或产产品品从从毛毛坯坯到到成成品品的的制制造造方方法法的的技技术术叫叫计计算算机机辅辅助助工工艺艺规规程程设设计计（（computeraidedprocessplanningCAPP））。。CAPP的的一一般般过过程程是是通通过过向向计计算算机机输输入入被被加加工工零零件件的的几几何何信信息息（（形形状状、、尺尺寸寸等等））和和工工艺艺信信息息（（材材料料、、热热处处理理、、批批量量等等）），，由由计计算算机机自自动动输输出出零零件件的的工工艺艺路路线线和和工工序序内内容容等等工工艺艺文文件件。。1.CAPP系系统统的的主主要要功功能能（1））接接收收或或生生成成零零件件图图上上的的几几何何及及拓拓扑扑信信息息、、工工艺艺信信息息和和测量量信信息息；；（2））检检索索标标准准工工艺艺文文件件；；（3））选选择择加加工工方方法法；；（4））安安排排加加工工路路线线；；（5））选选择择机机床床、、刀刀具具及及夹夹具具；；（6））选选择择切切削削用用量量；；（7））计计算算切切削削参参数数、、加加工工时时间间和和加加工工费费用用；；（8））进进行行工工艺艺流流程程的的优优化化及及多多工工序序、、单单工工序序切切削削用用量量的的优优化；；（9））确确定定工工序序尺尺寸寸和和公公差差，，选选择择毛毛坯坯；；绘绘制制工工序序；；（10））产产生生刀刀具具运运动动轨轨迹迹，，自自动动进进行行数数控控加加工工编编程程；；（11））模模拟拟加加工工过过程程、、显显示示刀刀具具运运动动轨轨迹迹。。2.CAPP系系统统的的类类型型①．．变变异异式式方方法法变异异式式方方法法的的工工作作原原理理建建立立成成组组技技术术（（GT））基基础础上上，，利利用用零零件件的的相相似似性性，，建建立立具具有有相相似似的的工工艺艺规规程程的的一一组组零零件件的的标标准准工工艺艺，，采采用用以以成成组组技技术术（（GT））为为基基础础的的编编码码系系统统，，标标准准工工艺艺规规程程存存储储在在计计算算机机内内，，一一个个新新零零件件的的工工艺艺规规程程是是通通过过GT码码检检索索系系统统中中已已有有的的相相似似零零件件的的标标准准工工艺艺规规程程加加以以筛筛选选、、编编辑辑而而成成。。变异方方法工工作原原理图图输入零零件GT编编码及及辅助助信息息零件族族搜索索和识识别检索、、编辑辑标准准工艺艺路线线检索、、编辑辑标准准加工工路线线输出工工艺规规程工艺过过程结结果信信息的的存储储零件族族矩阵阵文件件工艺路路线文文件加工工工序文文件其它应应用程程序②．创创成式式方法法依靠自自身的的决策策逻辑辑以及及相关关的产产品数数据进进行加加工工工艺规规划，，通过过向计计算机机输入入描述述零件件信息息，计计算机机系统统依据据其知知识决决策规规则自自动进进行工工艺过过程规规划。。创成式式方法法工作作原理理图输入零零件形形状及及其它它信息息零件特特征分分析分分解工艺设设计、、分析析和逻逻辑决决策工艺设设计结结果的的信息息存储储输出工工艺规规程数据库库③．人工工智能能应用人人工智智能技技术形形成的的CAPP专家家系统统。CAPP专专家系系统由由知识识库、、推理理机和和用户户输入入3部部分构构成。。它根根据输输入的的零件件信息息去访访问知知识库库，并并通过过推理理机中中的控控制策策略从从知识识库中中搜索索能够够处理理零件件当前前状态态的规规则，，然后后去执执行这这条规规则，，并按按照每每一次次执行行规则则得到到的结结论按按先后后次序序记录录下来来，直直到零零件加加工到到终结结状态态，从从而形形成工工艺规规程。。专家系系统方方法代代表发发展趋趋势，，但需需完善善。专家系系统方方法工工作原原理图图用户系统用用户界界面解释与与推理理系统统推理机机推理控制专家知识采采集系系统知识库库规则事实2.4．全全生命命周期期设计计1．全全生命命周期期设计计全生命命周期期设计计技术术是现现代设设计技技术的的重要要内容容。产产品设设计不不仅进进行产产品的的功能能和结结构设设计，，而且且对产产品的的全生生命周周期，，包括括产品品的规规划、、设计计、制制造、、销售售、使使用、、维修修直至至报废废、回回收处处理的的全过过程，，进行行系统统的设设计。。这意意味着着在设设计阶阶段就就要考考虑到到产品品生命命历程程的所所有环环节，，以求求产品品全生生命周周期设设计的的综合合优化化。2．全全生命命周期期设计计的特特点①集成成性：：全生生命周周期设设计依依赖于于各环环节、、各部分的的设计计人员员分工工协作作。②开放性性：全生生命周期期设计涉涉及的人人和领域域复杂，因此此设计方方案建立立在开放放的基础上。③前瞻性性：为了了保证制制造的产产品一次次成功，，在设计过程程中，不不仅考虑虑产品的的功能、造型型的复杂杂性，而而且要考考虑产品的可靠靠性。④分布式式环境：：由于工工作地点点的分散散性，每每个设计计人员都有有自己的的终端，，所以为为了保证设计工工作的快快速协作作完成，，必须有完善网网络环境境和分布布式知识识库来保证设计计人员彼彼此之间间的信息息传递和资源共共享。⑤标准数数据管理理：为保保证数据据的一致致性和共共享性，，在产品数数据交换换标准（（Standardfortheexchangeofproductmodeldata，STEP）的支支持下实现集成成的并行行的开发发工作。。2.并行行设计①并行设设计的提提出传统的产产品开发发过程是是：市场调研研产品计划划产品设计计试制样机机修改设计计工艺准备备正式投产产缺点：设计阶段段不能及及早发现现制造过过程中和和后续环环节的问问题，一一旦出现现问题，，需要重重新修改改设计，，后续阶阶段和与与设计相相关的环环节也要要随之改改变。这这种模式式周期长长，导致致产品成成本增加加。随着产品品种类和和质量的的提高，，要求产产品研发发周期短短，因而而提出了了并行设设计。②并行设设计并行设计计是集成成的并行行的产品品设计方方法，强强调在产产品开发发的初期期阶段就就全面考考虑产品品生命周周期的各各个阶段段对产品品设计的的综合影影响，从从而实现现产品全全生命周周期的优优化设计计。在并并行设计计中，产产品开发发的各项项活动尽尽可能在在时间上上平行进进行。要要实现这这一目标标，必须须依靠先先进的组组织形式式和管理理方法。。在组织织上，并并行设计计需要建建立由各各阶段专专家组成成的多功功能设计计小组，，并采用用全过程程协调技技术。并并行设设计通过过及时改改进产品品设计方方案，可可使早期期生产中中工程变变动次数数减少50％以以上，产产品开发发周期缩缩短40％～60％，，成本降降低30％～40％。。2.5．．绿色设设计1．绿色色设计的的主要内内容（1）材材料选择择：不仅仅考虑产产品的使使用和性性能，而而且考虑虑其对环环境的影影响。选选用无毒毒、无污污染和易易回收、、可重用用、易降降解材料料。（2）产产品可拆拆卸性设设计：设设计的结结构易于于拆卸，，因而维维护方便便，在产产品报废废以后可可重用部部分能有有效地回回收和重重复使用用，达到到节约资资源和能能源的目目的。（3）产产品可回回收性设设计：设设计初期期充分考考虑零件件材料回回收的可可能性。。回收价价值大小小，回收收处理方方法和相相关问题题，实现现材料资资源和能能源利用用的最大大化和对对环境污污染最小小。（4）绿绿色产品品的成本本分析：：绿色产产品的成成本分析析和传统统产品成成本分析析不同，，由于产产品设计计初期考考虑了产产品的回回收、再再利用和和环保问问题，因因而降低低了环保保费用。。（5）绿绿色产品品设计数数据库：：数据库库主要内内容包括括产品生生命周期期中与环环境、经经济等有有关的数数据，还还包含产产品制造造、装配配、销售售、使用用过程中中所生产产的附加加物数量量及对环环境的影影响值，，以及对对环境评评估准则则所需的的各种判判断准则则。2．绿色色设计的的关键技技术①面向材材料的设设计技术术传统设计计：选择择材料时时较少考考虑对环环境的影影响，包包括材料料本身对对环境的的影响。。材料加加工过程程对环境境的影响响，材料料报废对对环境环环境的影影响。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）面向材材料设计技术术的主要内容容产品计划阶段段：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）对材料料选择的要求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）面向材材料的设计技技术发展趋势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采用对环境影影响最小和资资源消耗最少少的能源供给给方式支持产产品的整个生生命周期。（1）基本要要求：在设计理念上上采用合适的的能源供给方方式在满足功能的的前提下，尽尽量减小能量量消耗充分预见各环环节的能量消消耗形式，寻寻求合理、高高效、经济的的回收和再利利用方法使产品加工过过程能量消耗耗最少（2）发展趋趋势对可用的新能能源建立与设设计相结合的的技术规范和和标准。建立面向能源源设计的数据据库、模型库库和运行环境境标准。寻求合理的设设计参数，控控制材料应用用和环境影响响方面的变化化，从而达到到设计的绿色色化。③面向拆卸的的设计技术（（designfordisassembly，DFD）在设计过程中中，将可拆卸卸性作为设计计目标之一，，使产品的结结构不仅便于于制造，而且且便于装配、、拆卸、维修修和回收。其其基本准则：：（1）拆卸工工作量少包包括零件合合并原则，减减少零件所用用种类，材料料相容性原则则和有害材料料集成原则。。（2）结构可可拆卸采采用易于拆卸卸和未破坏的的联结方法，，紧固件少原原则，简化拆拆卸运动原则则，装配及拆拆卸可达性原原则。（3）拆卸易易操作（4）易于分分离包括一次表面面原则，便于于识别零部件件标准化，模模块化原则。。（5）产品结结构的可预估估性。避避免将易老化化、易腐蚀的的材料与需要要拆卸、回收收的材料零件件组合，防止止要拆卸回收收的零件被腐腐蚀。④面向回收的的设计技术（（designforrecovering&recycling，DFRR）（1）重用（（2）再加加工

（3））高级回收：：重新处理以以后被用于更更高价值的产品中（（4）次级回回收：回收零零件用于低价价值产品中（（5）三级级回收：化合合分解，生产产新材料（（6）四级回回收：燃烧回回收，用作燃燃料发电（（7）处理（（disposal）（（填埋）第三章现现代加工技术术大连理工大学学现代制造研研究所赵福令教教授1.现代加工工技术(1）.定义及及内容各种加工方法法和制造工艺艺的总称。包包括先进切削加加工技术、成成形加工技术术、变形加工技术、、联接加工技技术、材料性性能调整技术和特种种加工技术。。切削加工内容容切削加工技术术：（包括车车、铣、刨、、钻、磨、拉拉等）效率高、成本本低是精加工工和最后成形形的重要手段段。成形加工：铸铸造、粉末冶冶金、塑料成成型。变形加工：锻锻造、钣金、、轧制、挤压压、拉拔联接加工：机机械联接（螺螺钉，螺栓））、焊接、粘粘接和装配材料性能调整整：热处理和和其它表面处处理技术特种加工：化化学、电化学学、电火花、、超声、激光光、RP等（2）现代加加工技术的特特点：加工精度高：：尺寸精度、形形状精度和表表面粗糙度均均达到纳米级级加工效率高：：超高速切削、、磨削技术使使效率大大提提高加工材料范围围广：超硬材料、超超塑材料、高高分子材料、、复合材料、、工程陶瓷等等加工设备先进进：采用CAD/CAM技术术、柔性好、、可加工复杂杂形状切削加工低能能耗：切削力为原来来的1/3，，能耗低。2.超高速加工工技术（1）定义指采用超硬材材料刀具、磨磨具和高速运运动的设备加加工零件的现现代加工技术术。通过极大大的提高切削削、磨削速度度，提高加工工质量、加工工精度和降低低成本。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600m/min，，铸铁900m/min－－5000m/min，铝合金2000m/min－7500m/min，钛钛合金150m/min－－1000m/min，纤维维增强材料料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，铣铣削300m/min－6000m/min，磨削削150m/s以上上，钻削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快快进速速度40－－60m/min国内水平，，主轴转速速10000r/min，快快进速度30m/min（2）超高速速加工的应用用领域大批量生产如如汽车刚度较小的元元件如薄壁壁（厚度1mm）零件（（航空航天））复杂曲面磨磨具超精密加工超硬材料，超超塑材料（3）使用刀刀具PCD、CBN、SiN（氮化硅））、涂层刀具具、TiN、、TiAlN（（氮化铝钛））（4）超高速速加工单元制制造技术①、超高速主主轴单元制造造技术超高速主轴单单元是超高速速加工机床的的关键部件。包括主主轴动力源、、主轴轴承和和机架四个部分。涉及的的研究内容有有：主轴材料料、结构、轴承、超高速速主轴系统动动态特性及热热态特性。柔性主轴及其其轴承的弹性性支撑技术，，润滑与冷却却。电主轴部件电主轴由转子子、轴承、外外壳、电机组组件和测角系系统组成。并并配备冷却系系统、润滑系系统和变频驱驱动电气装置置，形成一个个独立的单元元，可以直接接装配到各种种加工中心和和超高速磨床床上，实现无无中间环节的的直接传动。。电动机一般为为感应式集成成主轴电机。。目前开发出出一种使用铌铌的永磁电机机，其效率高高，功率大，，扭矩大，易易于对使用中中产生的温升升在线控制，，冷却简单，，体积小，结结构紧凑，所所以有可能取取代感应式集集成主轴电动动机。滚珠轴承高速速主轴（转速速达90000r/min）高速切削机床床上的主轴多多数为滚珠轴轴承电动主轴轴，压力角为为15°或25°的角接接触滚珠轴承承，精度为C级或B级。。润滑方式为为油脂润滑、、油雾润滑、、喷油润滑。。主轴精度取取决于轴承。。目前，市场场上高速主轴轴的回转精度度可达0.5um。液体静压轴承承高速主轴（（转速达30000r/min）与滚珠轴承相相比，径向刚刚度较低，轴轴向刚度高，，宜于轴向切切削力较大的的场合。此外外，液体静压压轴承的油膜膜阻尼大，动动态刚度高，，适合于铣削削的断续切削削过程。特点点：运动精度度高，回转误误差小于0.2um，因因而可以提高高刀具使用寿寿命、加工精精度和降低表表面粗糙度。。空气静压轴承承高速主轴进一步提高主主轴转速和回回转精度。转转速达100000r/min，回回转精度50nm，可采采用金刚石刀刀具进行镜面面铣削，加工工工件形状精精度和表面粗粗糙度要求高高的场合。缺点：承载能能力低，维护护费用高磁悬浮高速主主轴磁浮主轴的转转子由两个径径向和两个轴轴向轴承支撑撑，转子与支支撑间隙一般般在0.1mm左右。磁磁浮主轴可采采用较大轴径径，因而刚性性较大，承载载能力强。回回转精度可达达0.2um。（回转精精度取决于主主轴内的位移移传感器的精精度和灵敏度度及控制电路路的控制精度度）优点：精度高高，转速高，，刚性好缺点：机械结结构复杂，需需要一套传感感器和控制电路，所以价价格高，必须须有很好的冷冷却系统。②超高速加工工进给单元制制造技术关键技术超超高速加工工进给单元是是超高速加工工机床的重要要组成部分。。包括：伺服服驱动技术、、滚动元件技技术、检测单单元技术和诸诸如：防尘、、防噪声、冷冷却润滑、安安全等周边技技术。要求能能达到高速和和瞬间加速及及瞬时准停性性。关关键键技术：高速速位置环芯片片的研制，高高速精密交流流伺服系统及及电机的研究究，直线伺服服电机的研制制，加减速控控制技术，超超高速进给系系统的优化设设计、虚拟设设计，高精度度滚珠丝杠副副及大导程滚滚珠丝杠副的的研制，高精精度导轨，新新型导轨摩擦擦副的研究等等。超高速进给单单元的技术指指标滑台驱动系统统：进给速度度达60m/min直线电机驱动动：进给速度度达200m/min由于直线电机机与滑台连在在一起，无间间隙，惯性小，刚度度大而无磨损损。通过控制制电路可以实现高速和和高精度驱动动。直线电机的特特点（a）高速响响应（系统中中取消了一些些惯性大的机机械传动件件）

（b））定位精度高高（取消了由由于丝杠等机机构间隙和误误差）

（c）传动刚度度高（由于““直接驱动””，避免了启启动、变速和换向时系统统的弹性变形形、摩擦磨损损和反向间隙隙造成的运动滞后后）

（d））速度快、加加减速过程短短：直线电机机最早用于磁磁悬浮列车（时速速500km/h）可获获得高的加速速度，一般可达2g－10g。。一般滚珠丝丝杠最大加速速度只有0.1g－0.5g。（（e）行程程长度不受限限制

（f））噪声低（（取消了丝杠杠等传动）（（g）效率率高（无中间间传动环节））③超高速加工刀刀具和磨具PCD、CBN、Si3N4、涂层层刀具、TiN、TiAlN等3.超精密加工技技术（1）概述超精密加工指指尺寸精度0.1um～～0.01um，Ra：：0.025um～0.01um，，包括：金刚刚石刀具超精精密车削、超超精密磨料加加工、超精密密特种加工和和复合加工、、超精密测量量。目前，正正在朝纳米级级工艺水平发发展。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℃甚至至0.0005℃湿湿度55～60％，，洁净度1000级～100级100指每立立方英尺空气气中大于0.5um的尘尘埃≤100个（2）超精密密切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，滑滑台采用高刚刚性、高阻尼尼和高稳定性性的液体静压压支撑。（3）超精密密磨削和磨料料加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砂砂轮，CBN磨料，砂砂轮线速度60m/s以以上，工件件进给速度5m/min以以上超精密砂带磨磨削技术：切切削速度35m/min，表面粗粗糙度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，用用于磁盘基片片等零件的超超精密加工。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）超精密密研磨技术精精度0.1um，Ra≤0.02um用用于：块规规、球面空气气轴承、半导导体硅片、光学镜头头。

（b））电解研磨（（电化学机械械）（4）超精密密特种加工激光、电子束束、离子束（（三束）、微细EDM，，用于IC芯芯片刻线，0.1um线芯。Ⅰ电化学加工工技术a.原理－阳阳极溶解原理理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，在外电源源的作用下放出3个（（或2个）电电子，形成三三价或二价的铁离离子

Fe-2e Fe2＋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=-0.42VNa＋＋eNaE=-2.69V据据电极极反应应原理理，在在阴极极上电电极电电位最最高的的物质质先反反应，，因此此，在在阴极极上全全析出出氢气气。电化学学加工工原理理图b.电电化学学加工工设备备示意意图1－直直流电电源9－－24V2－工工具阴阴极3－工工具阳阳极4－电电解液液泵5－电电解液液c.应应用用枪炮的的来复复线飞机发发动机机叶片片d.电电化化学抛抛光原理：：阳极极溶解解用途：：表面面光整整加工工电极与与工件件距离离几十十到几几百毫毫米，，电流流密度度小，，表面面微观观不平平引起起电场场畸变变，凸凸凹处处电力力线密密度大大场强强大首首先溶溶解，，达到到表面面平整整的目目的。。关键：：电解解液的的配方方，电电参数数，温温度。。e.电化学学机械械光整整加工工原理：：阳极极溶解解＋机机械切切削使用钝钝性电电解液液NaNO3阳极溶溶解后后会在在工件件上形形成钝化化膜，，阻止止进一一步溶溶解砂条用机机械力刮掉掉钝化膜，露出新新鲜金属，，促使进一步阳极极溶解。电化学机械械抛光轧辊辊f.ELID磨磨削砂砂轮轮在线修整整工艺Ⅱ超声波加加工a.原理理利用工具端端面做超声声振动，通通过磨料悬悬浮工作液液加工硬脆脆材料超声波1.6KHz左右，纵纵波。组组成：（1）电源：：提供高变变电压的能能量（（2）换能器器：将交变变电压变换换成机械振振动（（3）变幅杆杆：将换能能器输出的的振动放大大到振幅，振幅0.05－－0.1mm（（4）工具：：钛合金（（5）磨磨粒悬浮工工作液（（6）工件件：硬脆材材料，玻璃璃陶瓷等超声波机床床b.关键键技术：变幅杆c.用途不导电的硬硬脆材料加加工，微细细加工超声波焊接接，食品，，医药，塑塑料制品超声波复合合加工：超超声波车削削、磨削、、挤压，超声声波电火花花Ⅲ激光加工a.激光光的产生：：处于基态E1的钕离离子吸收氙氙灯的很高高范围的光光谱而被激激发到E4能级，在在E4能级级的寿命很很短。通过过无辐射跃跃迁到E3能级，E3能级寿寿命较长达达到3x10－4s，形成了了E3和E2能级的的粒子数反反转，当E3能级粒粒子回到E2能级时时发出波长长为1.06um的的红外激光光。此此红外线线照射工作作物质又是是更多的E3能级的的粒子跃迁迁到E2。。b.应用用打孔切割焊接热处理Ⅳ电子束加工工a.电电子枪系统统获得电子束束包括发射射阴极，控控制栅极和和加速阳极极b．真空系系统维持1.33x10－2～1.33x10－4Pac.控控制系统和和电源控制系统包包括：束流聚焦控控制——提提高电子束束的能量（（电磁透镜）束束流位置置——改变变电子束方方向（磁偏偏转）束束流强度度工工作作台移动d.应用用打孔，加工工玻璃、陶陶瓷、宝石石喷丝头异形形孔（直径径0.03～0.07mm））光刻弯孔Ⅴ离子束加加工灼热的灯丝丝发射电子子，在阳极极的作用下下向下运动动。同时受受到电磁线线圈的作用用，变成螺螺旋运动。。氩气从上上口注入电电离室，在在电子的作作用下被电电离成等离离子体。阴阴极和引出出板各有数数百个0.3mm的的小孔，上上下对齐，，在引出电电板的作用用下形成数数百条准直直离子束打打到工件上上。应用刻蚀粒子注入加加工4．快速成型型制造技术术（RP））（1）概述述RP技术是是制造技术术领域的革革命性进展展，可以与与数控技术术相比，RP综合运运用了计算算机技术、、CAD技技术、数控控技术、激激光技术和和材料技术术，可以自自动、直接接、快速精精确低将设设计思想物物化为具有有一定功能能的原型或或零件。原理：采用用离散/堆堆积成形原原理过程：由3DCAD软件设设计零件的的3D实体体模型型，然后后根据工艺艺要求，将将3D实体体模型按一一定的厚度度分层，将将3D模型型转化为2D信息，，再将分层层后的分层层信息进行行处理，产产生数控代代码；数控控系统以平平面加工的的方式，有有序地连续续加工出每每个薄层，，并将它们们连接起来来。RP原理图图设计方案3DCAD3D模型模型处理快速成型机机三维实体3D扫描产品原型（2）RP工艺光刻工艺SLA（stereolithographyapparatus））分层实体制制造工艺LOM（laminatedobjectmanufacturing）：熔融沉积工工艺FDM（fuseddepositionmodeling）选择性激光光烧结工艺艺SLS（（selectlasersintering）与SLA相相似，区别别在于SLA材料是是液态的紫紫外光敏可可凝固树脂脂，而SLS使用粉粉末材料。。3D打印粘粘结工艺3DP（three－dimensionalprinting）5.电火花花加工技术术第四章制制造自动化化技术制造自动化化技术4.1概述述4.2数控控加工技术术4.3工业业机器人4.4柔性性制造系统统4.5计算算机集成制制造系统CIMS主要内容:§4.1概概述制造自动化化技术是先先进制造技技术中重要要的组成部部分。制造自动化化的任务是是研究对制制造过程的的规划、管管理、组织织、控制与与协调优化化等环节的的自动化，，以实现制制造过程的的高效优质质低耗和洁洁净的目标标。§4.1概概述主要内容:制造自动化化的内涵制造自动化化技术的发发展趋势§4.1.1制造自自动化的内内涵①形式:通过制造系系统代替人的体体力劳动代替或辅助助人的脑力力劳动实现人、机机器及整个个系统的协协调调、管理、、控制和优优化§4.1.1制造自自动化的内内涵T(time):通过自动动化技术，，提高市场场响应能力力缩短产品品生产周期期Q(quality):通通过自动化化技术，提提高产品质质量C(cost):通过自动动化技术，，降低成本本S(service):通通过自动化化技术，做做好客户户服务，减减轻体力、、脑力劳动动②功能:可通过T、Q、C、S、E等功能目标功能目标包包括:§4.1.1制造自自动化的内内涵产品研发自自动化:CAD/CAPP/CAM一一体化技术术、并行工工程、虚拟拟现实等生产过程自自动化:数数控加工技技术、工业业机器人、、FMS、、CIMS③范围:§4.1.2制造自自动化技术术的发展趋趋势敏捷化网络化虚拟化智能化全球化绿色化主要包括一一下几个方方面:§4.1.2制造自自动化技术术的发展趋趋势指产品的整整个制造周周期具备敏敏捷性和主主动的综合合应变能力力。①敏捷化:柔性:机械械柔性、工工艺柔性、、运行柔性性、

扩展展(柔性)功能、劳劳动柔性。。(主要靠靠

数控技技术)重构能力:产品模块块化实现现快速重组组重构增增强对新产产品开发的的快速响应应能力集成制造工工艺§4.1.2制造自自动化技术术的发展趋趋势制造环境内内部的网络络化、实现现制造过程程的集成(车间)制造环境与与制造企业业的网络化化实现企企业中工程程设计、管管理信息系系统等各子子系统的集集成(企业业)企业之间的的网络化实实现企业之之间的资源源共享、组组合与优化化利用；通通过网络实实现异地制制造②网络化:§4.1.2制造自自动化技术术的发展趋趋势③虚拟化:基于数数字化技术术主要包括:虚拟现实实、虚拟产产品开发虚虚拟制制造、虚拟拟企业制造虚拟化化以制造技技术和计算算机技术支支持的系统统建模技术术和仿真技技术为基础础集现代制制造工艺、、计算机图图形学、并并行工程、、人工智能能、虚拟现现实技术和和多媒体技技术为一体体，由多学学科知识形形成的一种种综合系统统技术。它它将现实制制造环境及及其制造过过程通过建建立系统模模型映射到到计算机及及其相关技技术所支撑撑的虚拟制制造全过程程，并对产产品制造及及制造系统统的行为进进行预测和和评价。虚虚拟拟制造是实实现敏捷制制造的重要要关键技术术。§4.1.2制造自自动化技术术的发展趋趋势④智能化:智能化是制制造系统在在柔性化和和集成化基基础上的发发展和延伸伸，宗旨在在于通过人人与智能机机器的合作作去扩大、、延伸和部部分取代人人类专家§4.1.2制造自自动化技术术的发展趋趋势⑤全球化:市场国际化化形成全球球产品销售售网络产品开发、、设计的国国际合作及及产品制造造跨国化制造企业在在世界范围围内重组与与集成(如如企业动态态联盟)资源的跨地地区、跨国国家的协调调、共享、、优化和利利用逐渐形形成全全球制制造的的体系系结构构制制造自自动化化技术术的发发展趋趋势⑥绿色化化:在整整个过过程中中最有有效地地利用用资源源和和最低低限度度地生生产废废物包括:绿色色资源源、绿绿色生生产过过程、、绿色色产品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数数控加加工技技术数控加加工技技术是是指高高效、、优质质地实实现产产品特特别是是复杂杂形状状零件件加工工的有有关理理论、、方法法与实实现技技术。。它是是自动动化、、柔性性化、、敏捷捷化和和数字字化制制造加加工的的基础础与关关键技技术。。特点点是是:具有有复复杂杂形形状状的的加加工工能能力力高质质量量高效效率率高柔柔性性§4.2数数控控加加工工技技术术数控控加加工工技技术术主主要要内内容容:数控控技技术术数控控机机床床数数控控技技术术数控控技技术术是是制制造造自自动动化化和和柔柔性性化化的的一一项项重重要要基基础础技技术术，，广广泛泛用用于于各各类类数数控控机机床床。。目目前前的的数数控控技技术术采采用用开开放放式式结结构构，，建建立立在在统统一一标标准准的的系系统统平平台台上上，，具具有有模模块块化化、、可可重重新新配配置置的的特特点点，，可可运运行行在在各各种种不不同同的的系系统统平平台台上上，，可可根根据据用用户户的的特特殊殊需需要要进进行行配配置置。。数数控控机机床床的的分分类类数控控机机床床、、数数控控铣铣床床、、数数控控钻钻床床、、数数控控磨磨床床等等，，加加工工中中心心数控控冲冲床床、、弯弯管管机机等等控电电火火花花加加工工机机床床、、数数控控线线切切割割、、激激光光、、水水刀刀等等①按工艺艺分:数数控机机床的的分类类点位控控制系系统:只控控制刀刀具相相对于于工件件空位位点的的坐标标，对对轨迹迹无要要求，，仅要要求空空位准准确，，例如如:数数控钻钻、镗镗、冲冲、激激光。。直线控控制系系统:除空空位要要求之之外，，还要要求进进给运运动沿沿平行行于坐坐标方方向直直线移移动进进行切切削加加工，，或控控制两两个坐坐标轴轴以同同样速速度同同时运运动，，沿45°°斜线线进行行加工工，例例如:数控控车、、铣