智能制造概论-3 智能制造工艺

3智能制造工艺2023/6/191主要内容2023/6/192经典制造工艺简述经典制造工艺是指常规机械制造领域中使用的一般制造工艺。这些工艺都是经过长期的生产实践形成的基本制造工艺，主要包括车削、铣削、钻削、镗削、刨削及磨削。2023/6/193特种加工2023/6/194解决各种难切削材料的加工问题如硬质合金、钦合金、耐热钢、不锈钢、淬硬钢、金刚石、宝石、石英以及钨、硅等各种高硬度、高强度、高韧性、高脆性的金属及非金属材料的加工。解决各种特殊复杂表面的加工问题如喷气涡轮机叶片、整体涡轮、冷拔模上特殊断面的型孔．炮管内膛线，喷油嘴．喷丝头上的小孔、窄缝等的加工。解决各种超精、光整或具有特殊要求的零件的加工问题如对表面质量和精度要求很高的航天航空陀螺仪、伺服阀，以及细长轴、薄壁零件、弹性元件等低刚度零件的加工。2023/6/195特种加工特种加工的特点利用能源：电能、电化学能、光能及声能等；工具材料：硬度可以比工件材料的硬度低；切削力：加工时一般没有明显的切削力；切削速度：加工去除工件材料速度比切削加工低。机械切削加工的本质和特点：一是靠刀具材料比工件更硬，二是靠机械能把工件上多余的材料切除。特种加工2023/6/196（一）电火花加工基本原理特点及应用

电火花加工又称放电加工、电蚀加工，是一种基于工具和工件之间不断脉冲放电产生的局部、瞬时的高温将金属蚀除掉的加工方法。2023/6/197电火花加工

（一）电火花加工基本原理特点及应用1.基本原理当脉冲电压加到两极之间，便在当时条件下某一间隙最小处或绝缘强度最低处击穿介质，产生火花放电，瞬时高温使工具和工件表面都蚀除掉一小部分金属，形成一个小凹坑。2023/6/198电火花加工

（一）电火花加工基本原理特点及应用2.电火花加工条件工具电极和工件电极之间必须始终保持一定的放电间隙，这一间隙随加工条件而定，通常约为几微米至几百微米；火花放电必须是瞬时的脉冲性放电，放电延续一段时间（一般为10-7~10-3s）后，需停歇一段时间；火花放电必须在有一定绝缘性能的液体介质中进行。2023/6/199电火花加工

（一）电火花加工基本原理特点及应用3.电火花加工的过程电火花腐蚀是一个物理微观过程，是电场力、磁力、热力、液体动力、电化学和胶体化学等综合作用的过程；这一过程大致分为四个连续的阶段：极间介质的电离、击穿，形成放电通道；介质热分解、电极材料熔化、气化热膨胀；电极材料的抛出。2023/6/1910电火花加工

（一）电火花加工基本原理特点及应用4.电火花加工特点优点：适合于任何难切削材料的加工；可以加工特殊及复杂形状的零件；没有机械切削力，工件不会产生受力变形；加工表面微观形貌圆滑、无刀痕沟纹等缺陷；工艺适应面宽、灵活性大，可与其他工艺结合；直接利用电能加工，便于实现自动化控制。局限性：加工速度较慢；存在电极损耗和二次放电；主要加工金属等导电材料；放电必须在有一定绝缘性能的液体介质中进行。2023/6/1911电火花加工

（二）电火花加工工艺方法电火花成型；电火花线切割；电火花高速小孔加工；其他工艺：电火花表面强化与刻字；电火花磨削与镗削；电火花同步共轭回转加工等。2023/6/1912电火花加工（EDM）电火花加工（EDM）（二）电火花加工工艺方法

1.电火花成型加工工作原理：利用工具电极的不断进给，靠脉冲火花放电，将工具的形状逐渐复制在工件上。2023/6/1913电火花加工

（二）电火花加工工艺方法1.电火花成型加工穿孔加工：电火花成型加工能够加工各种小孔(Φ0.1～1mm)、型孔(如圆孔、方孔、多边形孔、异形孔等）。2023/6/1914电火花加工

（二）电火花加工工艺方法1.电火花成型加工型腔加工：电火花成型加工能够加工锻模、压铸模、塑料模等型腔以及整体叶轮、叶片等曲面零件。2023/6/1915电火花加工

（二）电火花加工工艺方法2.电火花线切割工作原理：利用移动的细金属导线（钼丝或铜丝）作电极，靠脉冲火花放电对工件进行切割。2023/6/1916储丝筒导轮电极丝工件电火花线切割原理图XY电火花加工

（二）电火花加工工艺方法2.电火花线切割加工设备：高速走丝电火花线切割机床低速走丝电火花线切割机床

2023/6/1917电火花加工

（二）电火花加工工艺方法2.电火花线切割特点：由于电极丝比较细，可以加工微细异形孔、窄缝和复杂形状的工件；由于采用移动的长电极丝进行加工，单位长度电极丝的损耗少，从而对加工精度的影响较小；采用水或水基工作液不会引燃起火，容易实现安全无人运转；在实体部分开始切割时，需加工穿丝用的预孔。2023/6/1918电火花加工

（二）电火花加工工艺方法2.电火花线切割穿丝孔：穿丝孔直径大小的选择，应便于钻孔或镗孔加工，不宜过大或过小，一般在3-10mm范围内选择，并取整数直径。由于穿丝孔常用作加工基准，因此，穿丝孔的加工一般在具有较高精度的机床上进行，也可采用电火花穿孔，以保证穿丝孔的位置、尺寸精度。2023/6/1919电火花加工

（二）电火花加工工艺方法2.电火花线切割应用范围：加工各类模具；各类材料的切断；试制新产品；加工薄片零件、特殊难加工材料零件；加工电火花成型加工用的电极。2023/6/1920电火花加工（EDM）电火花加工

（二）电火花加工工艺方法3.电火花高速小孔加工管状电极回转并沿轴向进给，1～5MPa高压工作液（去离子水、乳化液等）排屑,加工速度达60mm/min左右，孔深径比可超过100。电火花加工

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在阴、阳电极表面发生得失电子的化学反应称之为电化学反应。

利用这种电化学作用对金属进行加工（包括电解和镀覆）的方法即电化学加工（electrochemicalmachining）。2023/6/1922电解加工（一）基本原理利用电极在电解液中发生的电化学作用对金属材料进行成形加工的一种工艺。当两金属片接上电源并插入任何导电的溶液（如水中加入少许CuCl2）中，即形成通路，导线和溶液中均有电流流过。如果所接的是直流电源，则溶液中的离子将作定向移动，正离子移向阴极，在阴极上得到正离子而进行还原反应。负离子移向阳极，在阳极表面失掉正离子而进行氧化反应。2023/6/1923电解加工（一）基本原理

利用金属在电解液中的电化学阳极溶解将工件加工成形。

加工开始时，阴极与阳极之间距离越近的地方通过的电流密度越大，电解液的流速越高，阳极溶解的速度也越快。阴极工具不断向工件进给，阳极工件表面不断被电解，直至工件表面形状与阴极工作表面形状相似为止.2023/6/1924电解加工（二）电解加工的分类利用阳极金属的溶解作用去除金属材料：

主要有电解加工、电解抛光、电解研磨、电解倒棱、电解去毛刺等。利用阴极金属的沉积作用进行镀覆加工：

主要有电铸、电镀、电刷镀、涂镀、复合电镀等；电解加工与其他加工方法结合完成的电化学复合加工：主要有电解磨削、电解电火花复合加工、电化学阳极机械加工等。2023/6/1925

电解加工（二）电解加工的特点

优点：适应范围广：凡是能够导电的材料都可以加工，并且不受材料力学性能的限制；加工质量高：在加工过程中没有机械切削力的存在，工件表面无变质层、无残余应力，也无毛刺及棱角；可以达到较好的表面粗糙度和±0.1mm左右的平均加工精度；生产效率高：加工过程不需要划分阶段，可以同时进行大面积加工；阴极工具在理论上不会耗损。

2023/6/1926电解加工（二）电解加工的特点

局限性：不易达到较高的加工精度，加工稳定性也较差；附属设备多，占地面积大，机床要抗腐蚀，造价高；加工复杂型腔和型面时，工具电极的设计和修正比较麻烦；电解产物易造成环境污染。2023/6/1927电解加工（三）电解加工的应用

选用电解加工工艺的三原则：用于难加工材料；用于相对复杂形状的零件；用于加工批量大的零件；2023/6/1928电解加工电解加工（三）电解加工的应用

深孔扩孔加工；型孔加工，型腔加工；套料加工；叶片加工；电解抛光，电解倒棱去毛刺；电解蚀刻；数控电解加工；2023/6/1929电解整体叶轮齿轮电解去毛刺电解加工（三）电化学机械复合加工

1.基本原理由电化学阳极溶解作用和机械加工作用结合起来对金属工件表面进行加工的复合工艺技术；主要是靠电化学的作用来去除金属，机械作用只是为了更好地加速这一过程；包括电解磨削、电解珩磨、电解研磨、电化学机械抛光、电化学机械加工等加工工艺。

2023/6/1930电解加工（三）电化学机械复合加工

2.电解磨削

中极法电解磨削：附加一个中间电极，工件接正极，砂轮不导电，只起刮除钝化膜的作用，电解作用在中间电极和工件之间进行，从而大大增加导电面积由电化学阳极溶解作用和机械加工作用结合起来对金属工件表面进行加工的复合工艺技术；

2023/6/1931中极法电解磨削电解加工（三）电化学机械复合加工

2.电解磨削

电解珩磨：对于高硬、脆性、韧性材料的内孔、深孔、薄壁套筒，可以采用电解珩磨工艺方法，进行珩磨或抛光。

2023/6/1932电解加工（三）电化学机械复合加工

2.电解磨削

电解研磨：对于不锈钢、钛合金等难加工材料的大平面精密磨削和抛光，可采用电解研磨方案。磨料既可固定于研磨材料（无纺布、羊毛毡）上，也可游离于研磨材料与加工表面之间，在阴极的带动下，磨粒在工件表面运动，去除钝化膜，同时形成网纹，达到较低的表面粗糙度。

2023/6/1933电解加工电解加工（一）超声波的特性频率超过16000Hz的声波称为超声波；超声波能传递很强的能量；当超声波经过液体介质传播时，将以极高的频率压迫液体质点振动，在液体介质中连续地形成压缩和稀疏区域，由于液体基本上不可压缩，由此产生压力正、负交变的液压冲击和空化现象，从而引起固体物质分散、破碎等效应；通过不同介质时，在界面上发生波速突变，产生波的反射和折射现象；2023/6/1934超声波加工（一）超声波的特性

在液体介质中传播时，在界面上产生液压冲击和空化现象。2023/6/1935形成真空，产生气泡空泡闭合，形成压力高频上下运动：f

＞16kHz（二）超声波加工原理

利用工具作超声高频振动时，磨料对工件机械撞击和抛磨作用、空化作用使工件成形。加工时，超声发生器产生超声高频振荡信号，通过换能器转换成振幅很小的高频机械振动，振幅扩大棒将机械振动的振幅放大并带动工具高频机械振动，迫使悬浮磨料以很高的速度不断撞击工件加工表面，使工件局部材料破碎。另外，磨料悬浮液受到工具端部的超声高频振动作用而产生液压冲击和空化现象。加速机械破碎，工具逐步深入到工件材料中，工具形状便“复制”到工件上。2023/6/1936超声波加工（三）超声波加工装置超声加工设备包括：超声发生器；超声振动系统；机床本体；磨料；工作液循环系统。2023/6/1937超声波加工（三）超声波加工装置超声波发生器发生器：

作用：将工频交流电转变为有一定功率输出的超声频电振荡，以提供工具端面往复振动和去除被加工材料的能量；基本要求：输出功率和频率在一定范围内连续可调，最好能具有对共振频率自动跟踪和自动微调的功能；还要求结构简单、工作可靠、价格便宜、体积小等；分类：

电子管式和晶体管式。2023/6/1938超声波加工（四）超声波加工特点：适合加工各种硬脆材料，特别是不导电的非金属材料；工具可用软材料；工具和工件无需复杂的相对运动，超声加工机床结构简单；工件表面宏观切削力很小，切削应力、切削热很小，不会引起变形和烧伤。适合加工薄壁或刚性差的工件。加工精度高，表面粗糙度低。超声波加工的尺寸精度一般可达到0.01～0.05mm，表面粗糙度值Ra可达到0.4～0.1μm。生产率较低。容易加工出复杂型面、型孔和型腔。2023/6/1939超声波加工（四）超声波加工应用：加工型孔、型腔：主要用于对脆硬材料加工圆孔、型孔、型腔、套料、微细孔等。2023/6/1940加工圆孔加工型腔加工异形孔套料加工加工微细孔超声波加工（四）超声波加工应用：切割加工：用普通机械加工切割脆硬的半导体材料很困难，采用超声切割较为有效。2023/6/1941成批切槽刀具切割成的陶瓷模块超声波加工超声波加工（四）超声波加工应用：复合加工：用超声加工与其它加工方法相结合进行复合加工，以提高加工速度和表面质量。2023/6/1942超声电解复合加工小孔电解超声复合抛光超声振动切削加工超声波加工（四）超声波加工应用：超声波焊接：利用高频振动产生的撞击能量，去除工件表面的氧化膜杂质，露出新鲜的本体，在两个被焊工件表面分子的撞击下，亲和、熔化并粘接在一起。焊尼龙、塑料制品，表面易产生氧化层的难焊接金属材料，如铝制品等；利用超声波化学镀工艺还可以在陶瓷等金属表面挂锡、挂银及涂覆熔化的金属薄层2023/6/1943超声波加工（四）超声波加工应用：超声波清洗：主要基于超声振动在液体中产生的交变冲击波和空化作用。清洗喷油嘴、喷丝板、微型轴承、仪表齿轮、手表机芯、印刷电路板、集成电路微电子器件等；2023/6/1944超声清洗装置超声波加工超声波加工（一）激光加工1.激光特性激光除了具有普通光的共性(反射性、折射性、绕射性、干涉性)以外，还具有亮度高、方向性好、单色性好、相干性好等优点。由于激光的方向性和单色性好，在理论上可以聚焦成直径仅为1μm的小光点上，其焦点处的功率密度可达108

～1010W/cm2，温度高达10000℃左右。在如此高的温度下，任何坚硬的材料都将在瞬间(<0.01s)熔化和气化，并产生强烈的冲击波，使熔融物以爆炸的形式喷射出去。激光加工就是利用高温熔融和冲击波作用对工件进行加工的。2023/6/1945高能束加工（一）激光加工2.固体激光器基本原理固体激光器将电能转换成光能(激光)。工作物质是激光器核心，主要有红宝石、钕玻璃和钇铝石榴石3种。激光在全反射镜和部分反射镜之间多次来回反射，相互激发，迅速反馈放大，并通过部分反射镜、光阑、分色镜和聚焦透镜后，聚焦成一个小光点照射在工件上，控制激光器使聚焦点相对工件作上下移动，就可进行激光打孔。聚焦点相对于工件作平移，就可进行激光切割。2023/6/1946固体激光器的加工原理高能束加工（一）激光加工3.激光加工特点功率密度高达108—1010W/cm2，几乎可加工任何材料；激光光斑可聚焦到微米级，输出功率可调节，可用于精密微细加工；所用工具为激光束，是非接触加工，所以没有明显的机械力，没有工具损耗；加工速度快，热影响区小；加工装置简单，不需要复杂的真空装置；还可进行焊接、热处理、表面强化或涂覆。2023/6/1947高能束加工（一）激光加工4.激光加工应用激光打孔：利用激光几乎可在任何材料上打微型小孔，目前已应用于火箭发动机和柴油机的燃料喷嘴加工、化学纤维喷丝扳打孔、钟表及仪表中的宝石轴承打孔、金刚石拉丝模加工等；激光打孔适合于自动化连续打孔激光打孔由于能量在时空内高度集中，加工能力强、效率高，几乎可用于所有材料打孔；打孔孔径范围大，还可打斜孔，且不需抽真空。2023/6/1948高能束加工（一）激光加工4.激光加工应用激光切割：激光切割可切割各种二维图形的工件。激光切割可用于切割各种各样的材料，如，金属，非金属；无机物，皮革；激光对被切割材料几乎不产生机械冲击和压力，适宜于切割玻璃、陶瓷和半导体等既硬脆的材料。激光光斑小、切缝窄，便于自动控制，所以更适宜于对细小部件作各种精密切割。2023/6/1949高能束加工（一）激光加工4.激光加工应用激光切割特点：切割速度快，热影响区小，因而热变形小；割缝窄，质量好；切口边缘平滑，无塌边、无切割残渣；切边无机械应力，工件变形极小；无刀具磨损，没有接触能量损耗，也不需要更换刀具，切割过程易于实现自动控制；激光束聚集后功率密度高，能切割各种材料；可在大气层中或任何气体环境中进行切割，无需真空装置。2023/6/1950高能束加工（一）激光加工4.激光加工应用激光焊接2023/6/1951高能束加工（二）电子束加工1.加工原理在真空条件下，利用聚集后能量密度极高的电子束，以极高的速度（当加速电压为50V时，电子速度可达1.6×105km/s）冲击到工件表面极小的面积上，在极短的时间（10-6s）内，其能量的大部分转换为热能，使被冲击部分的工件材料达到几千摄氏度以上的高温，从而引起材料的局部熔化和汽化，以实现加工目的。2023/6/1952高能束加工（二）电子束加工2.电子束加工特点能够极其细微地聚焦电子束能量密度很高在极微细束斑上能达到106~109W/cm2

生产率很高控制方便，容易实现自动化功率密度高达108—1010W/cm2，几乎可加工任何材料；对环境无污染，加工表面化学纯度高加工材料范围广泛设备投资大，应用有一定的局限性2023/6/1953高能束加工（二）电子束加工3.电子束加工应用高速打孔：最小直径可达0.003mm左右；能加工小深孔（深径比>10:1）；已在航空航天、电子、化纤以及制革等工业生产中得到广泛应用。加工弯孔、型面和特殊面：加工喷丝头异型孔、复杂型面、锥孔、斜孔，甚至加工弯孔和曲面。2023/6/1954高能束加工高能束加工（三）离子束加工1.加工原理把氩（Ar）、氪（Kr）、氙（Xe）等惰性气体注入低真空（约1Pa）的电离室中，用高频放电、电弧放电、等离子放电或电子轰击等方法使其电离成等离子，接着用加速电极将离子呈束状拉出并使之加速。然后离子束进入高真空（约10-4Pa）的加速室，并利用静电透镜聚成细束向工件表面冲击，从工件表面打出原子或分子，从而达到溅射去除加工。。2023/6/1955高能束加工（三）离子束加工1.加工特点及应用离子束溅射去除加工的机理不同于电子束，它是一种无热加工。具有如下特点：高精度：离子束流密度和离子能量可以精确控制，加工精度可达纳米级，是所有特种加工方法中最精密、最微细的加工方法能够进行微细加工，并能精密的控制加工效果；离子束加工在真空中进行的，污染小，纯度高；加工应力小，工件不变形，适合于脆性、半导体和高分子材料的加工；设备费用高，生产成本也高，而且加工效率低。2023/6/1956高能束加工高能束加工（三）离子束加工加工特点及应用主要应用：精微的穿孔、蚀刻，切割、铣削、研磨和抛光。例如集成电路、声表面器件、磁泡器件、金刚石触针的成形，非球面透镜的加工等。2023/6/1957高能束加工高速切削技术2023/6/1958一、高速切削技术的含义和产生背景.高速切削技术是指采用超硬材料刀具和磨具，利用能可靠地实现高速运动的高精度、高自动化和高柔性的制造设备，以提高切削速度来达到提高材料切除率、加工精度和加工质量的先进加工技术。高速切削技术2023/6/1959

20世纪80年代，随着数控机床、加工中心和柔性制造系统在机械制造中的应用，使机床空行程动作(如自动换刀、上下料等)的速度和零件生产过程的连续性大大加快，机械加工的辅助工时大为缩短。

这使得切削工时占去了总工时的主要部分，因此，只有提高切削速度和进给速度等，才有可能在提高生产率方面出现一次新的飞跃和突破。这就是高速切削技术(HighSpeedMachining，HSM)得以迅速发展的历史背景。高速切削技术2023/6/1960一、高速切削技术的含义和产生背景.不同年代切削加工的制造时间及费用高速切削技术2023/6/1961一、高速切削技术的含义和产生背景.Salomon曲线高速切削技术2023/6/1962如能越过这个“死谷”，而在超高速区(C区)进行工作，则有可能用现有的刀具进行超高速切削，从而大幅度地减少切削工时，成倍地提高机床的生产效率。一、高速切削技术的含义和产生背景.美国于1960年前后开始进行超高速切削试验。试验指出，在超高速切削的条件下，切屑的形成过程和普通切削不同。随着切削速度的提高，塑性材料的切屑形态将从带状、片状到碎屑不断演变。单位切削力初期呈上升趋势，尔后急剧下降。这些现象说明，在超高速切削条件下，材料的切削机理将发生变化，切削过程变得比常规切速下容易和轻松。对于这种现象，有各种各样的解释，目前这项理论研究工作还在进一步深入。高速切削技术2023/6/1963一、高速切削技术的含义和产生背景

超高速加工不但成倍提高了机床的生产效率，而且进一步改善了零件的加工精度和表面质量，还能解决常规加工中某些特殊材料难以解决的加工问题。

国内外权威学者认为，如果把数控技术看成是现代制造技术的第一个里程碑，那么高速切削技术就是现代制造技术的第二个里程碑。高速超高速加工、精密超精密加工、高能束加工和自动化加工构成了当今四大先进加工技术。高速切削技术2023/6/1964一、高速切削技术的含义和产生背景.高速切削技术2023/6/1965二、高速切削技术的相关技术.高速切削技术2023/6/1966三、高速切削技术的技术体系

在高速数控机床中，几乎无一例外地采用了主轴电机与机床主轴合二为一的结构形式。即采用无外壳电机，将其空心转子直接套装在机床主轴上，带有冷却套的定子则安装在主轴单元的壳体内，形成内装式电机主轴(build-inmotorspindle)，简称“电主轴”(electorspindle)。

这样，电机的转子就是机床的主轴，机床主轴单元的壳体就是电机座，从而实现了变频电机与机床主轴的一体化。由于它取消了从主电机到机床主轴之间的一切中间传动环节，把主传动链的长度缩短为零，因此，我们称这种新型的驱动与传动方式为“零传动”。高速切削技术2023/6/1967四、高速切削机床1高速主轴单元

在超高速运转的条件下，传统的齿轮变速和皮带传动方式已不能适应要求，代之以宽调速交流变频电机来实现数控机床主轴的变速，从而使机床主传动的机械结构大为简化，形成一种新型的功能部件——主轴单元。高速机床的“零传动”高速切削技术2023/6/1968四、高速切削机床高速切削技术2023/6/1969四、高速切削机床2高速进给系统

实现高速切削加工不仅要求有很高的主轴转速和功率，同时要求机床工作台有高的进给速度和运动加速度。直线电动机直接驱动进给系统已得到普遍应用。直线电动机直接驱动进给系统没有机械传动环节，没有机械刚性摩，几乎没有反向间隙，提供了更高的进给速度和更好的加减速特性，其进给速度可达到160m/min，加速度可达2.5g，定位精度达到0.5～0.05μm。除此之外，高速进给机构采用小螺距，大尺寸，优质滚珠丝杠或粗螺距的多头滚珠丝杠，目的是在不降低精度的情况下获得较高的进给速度和进给加减速速度。高速进给伺服系统也趋向数字化，智能化和软件化。高速切削技术2023/6/1970四、高速切削机床3新型机床结构

高速切削的高效应用要求机床系统中的部件都必须先进，主要表现在以下几个方面：机床结构刚性。要求提供高速进给的驱动器（快进速度约40m/min，3D轮廓加工速度为10m/min），能够提供0.4m/s2到10m/s2的加速度和减速度。主轴和刀柄的刚性。要求满足10000r/min到50000r/min的转速，通过主轴压缩空气或冷却系统控制刀柄和主轴间的轴向间隙不大于0.0002英寸。控制单元。要求32或64位并行处理器，具有高的数据传输率，能够自动加减速。可靠性与加工工艺。能够提高机床的利用率（6000h/y）和无人操作的可靠性，工艺模型有助于对切削条件和刀具寿命之间关系的理解。高速切削技术2023/6/1971四、高速切削机床4高速切削刀具系统

与普通切削相比，高速切削所产生的热量更多地向刀具传递，要求刀具具有良好的热稳定性。此外，由于高速切削时的离心力和振动的影响，刀具必须进行严格的动平衡。在刀具设计时必须根据高速切削的要求，综合考虑刀具材料的强度，刚度、精度以及耐磨性等因素。

高速切削技术2023/6/1972四、高速切削机床

5高性能CNC控制系统

用于高速加工的CNC控制系统必须具有高的运算速度和控制精度，以满足复杂曲面型面的高速加工要求。6高速切削加工状态的监控技术

对高速切削加工切削力、切削热、刀具状态及工件加工质量等进行监控，将高速切削加工过程中的切削力、切削热、刀具状态及工件加工质量等进行综合建模，并对刀具状态以及加工质量进行预报。7高速切削数据库

在工艺安排、刀具材料及刀具几何参数选用和切削用量选择等方面，需要较全面的实用化的高速切削数据库，需要根据机床性能、工件几何形状、工件和刀具材料性能、刀具几何参数、夹具、工件加工质量要求等建立高速切削数据库。（一）加工效率高

高速切削加工比常规切削加工的切削速度高5～10倍，进给速度随切削速度的提高也可相应提高5～10倍，这样，单位时间材料切除率可提高3～6倍，因而零件加工时间通常可缩减到原来的1/3，从而提高了加工效率和设备利用率，缩短生产周期。

高速切削技术2023/6/1973五、高速切削技术优势（二）切削力小

和常规切削加工相比，高速切削加工的切削力至少可降低30%，这对于加工刚性较差的零件(如细长轴、薄壁件)来说，可减少加工变形，提高零件加工精度。同时，采用高速切削时，单位功率材料切除率可提高40%以上，有利于延长刀具使用寿命，通常刀具寿命可提高约70%。高速切削技术2023/6/1974五、高速切削技术优势（三）热变形小

高速切削加工过程极为迅速，95%以上的切削热来不及传给工件，而被切屑迅速带走，零件不会因温升而导致弯翘或膨胀变形。因此，高速切削特别适合于加工容易发生热变形的零件。高速切削技术2023/6/1975四、高速切削技术优势（四）加工精度高、加工质量好

由于高速切削加工的切削力和切削热影响小，使刀具和工件的变形小，保持了尺寸的精确性，另外，由于切屑被飞快地切离工件，切削力和切削热影响小，因而使工件表面的残余应力小，达到较好的表面质量。高速切削技术2023/6/1976四、高速切削技术优势（五）加工过程稳定

高速旋转刀具切削加工时的激振频率高，已远远超出“机床—工件—刀具”系统的固有频率范围，不会造成工艺系统振动，使加工过程平稳，有利于提高加工精度和表面质量。高速切削技术2023/6/1977五、高速切削技术优势（六）减少后续加工工序

高速切削加工获得的工件表面质量几乎可与磨削相比，因而可以直接作为最后一道精加工工序，实现高精度、低粗糙度加工。高速切削技术2023/6/1978五、高速切削技术优势（七）良好的技术经济效益

采用高速切削加工将能取得较好的技术经济效益，如缩短加工时间，提高生产率；可加工刚性差的零件；零件加工精度高、表面质量好；提高了刀具耐用度和机床利用率；节省了换刀辅助时间和刀具刃磨费用等。高速切削技术2023/6/1979五、高速切削技术优势（一）航空航天工业领域

高速加工在航空航天领域应用广泛，如大型整体结构件、薄壁类零件、微孔槽类零件和叶轮叶片等。国外许多飞机及发动机制造厂已采用高速切削加工来制造飞机大梁、肋板、舵机壳体、雷达组件、热敏感组件、钛和钛合金零件、铝或镁合金压铸件等航空零部件产品。现代飞机构件都采用整体加工技术，即直接在实体毛坯上进行高速切削，加工出高精度、高质量的铝合金或钛合金等有色轻金属及合金的构件，而不再采用铆接等工艺，从而可以提高生产效率，降低飞机重量。高速切削技术2023/6/1980六、高速切削技术的应用（二）汽车工业领域

高速加工在汽车生产领域的应用主要体现在模具和零件加工两个方面。应用高速切削加工技术可加工零件的范围相当广，其典型零件包括：伺服阀、各种泵和电机的壳体、电机转子、汽缸体和模具等。汽车零件铸模以及内饰件注塑模的制造正逐渐采用高速加工。高速切削技术2023/6/1981六、高速切削技术的应用（三）模具工具工业领域采用高速切削可以直接由淬硬材料加工模具，省去了过去机加工到电加工的几道工序，节约了工时。目前高速切削可以达到很高的表面质量(Ra≤0.4μm)，省去了电加工后表面研磨和抛光的工序。另外，切削形成的已加工表面的压应力状态还会提高模具工件表面的耐磨程度(据统计，模具寿命因此能提高3～5倍)。这样，锻模和铸模仅经高速铣削就能完成加工。复杂曲面加工、高速粗加工和淬硬后高速精加工很有发展前途，并有取代电火花加工和抛光加工的趋势。

高速切削技术2023/6/1982六、高速切削技术的应用（四）超精密微细切削加工领域

在电路板上，有许多0.5mm左右的小孔，为了提高小直径钻头的钻刃切削速度，提高效率，目前普遍采用高速切削方式。日本的FANUC公司和电气通信大学合作研制了超精密铣床，其主轴转速达55000 r/min，可用切削方法实现自由曲面的微细加工。据称，生产率和相对精度均为目前光刻技术领域中的微细加工所不及。高速切削技术2023/6/1983六、高速切削技术的应用7075铝合金零件（毛坯1818kg零件14.5kg2388*2235*82.6)主轴18000r/min，进给2.4～2.7m/min，刀具直径18～20mm。铝合金薄壁件（厚0.2mm高20mm)，速度603m/min，进给速度9600mm/min。高速切削技术2023/6/1984六、高速切削技术的应用（四）超精密微细切削加工领域高速切削的应用范围正在逐步扩大，不仅用于切削金属等硬材料，也越来越多的用于切削软材料，如橡胶、各种塑料、木头等，经高速切削后这些软材料被加工表面极为光洁，比普通切削的加工效果好得多。高速切削技术2023/6/1985六、高速切削技术的应用仿生制造2023/6/1986一、基本概念2023/6/1987仿生制造模仿生物的组织结构和运行模式的制造系统与制造过程称为“仿生制造”（BionicManufacturing）。它通过模拟生物器官的自组织、自愈、自增长与自进化等功能，以迅速响应市场需求并保护自然环境。制造过程与生命过程有很强的相似性。生物体能够通过诸如自我识别、自我发展、自我恢复和进化等功能使自己适应环境的变化来维持自己的生命并得以发展和完善。。二、仿生制造的研究内容2023/6/1988仿生制造1) 自生长成形工艺，即在制造过程中模仿生物外形结构的生长过程，使零件结构最外层各处形状随其应力值与理想状态的差距作自适应伸缩直至满意状态为止。2)仿生设计和仿生制造系统，即对先进制造系统采用生物比喻的方法进行研究，以解决先进制造系统中的一些关键技术问题。3)智能仿生机械。4)生物成形制造，如采用生物的方法制造微小复杂零件，开辟制造新工艺。三、仿生机械2023/6/1989仿生制造

仿生机械是模仿生物的形态、结构和控制原理，设计制造出的功能更集中、效率更高并具有生物特征的机械。仿生机械是以力学或机械学作为基础的，综合生物学、医学及工程学的一门边缘学科，它既把工程技术应用于医学、生物学，又把医学、生物学的知识应用于工程技术它包含着对生物现象进行力学研究，对生物的运动、动作进行工程分析，并把这些成果根据社会的要求付之实用化。三、仿生机械2023/6/1990仿生制造

仿生机械是模仿生物的形态、结构和控制原理，设计制造出的功能更集中、效率更高并具有生物特征的机械。仿生机械是以力学或机械学作为基础的，综合生物学、医学及工程学的一门边缘学科，它既把工程技术应用于医学、生物学，又把医学、生物学的知识应用于工程技术它包含着对生物现象进行力学研究，对生物的运动、动作进行工程分析，并把这些成果根据社会的要求付之实用化。三、仿生机械2023/6/1991仿生制造

仿生机械是模仿生物的形态、结构和控制原理，设计制造出的功能更集中、效率更高并具有生物特征的机械。仿生机械是以力学或机械学作为基础的，综合生物学、医学及工程学的一门边缘学科，它既把工程技术应用于医学、生物学，又把医学、生物学的知识应用于工程技术它包含着对生物现象进行力学研究，对生物的运动、动作进行工程分析，并把这些成果根据社会的要求付之实用化。三、仿生机械2023/6/1992仿生制造

仿生机械是模仿生物的形态、结构和控制原理，设计制造出的功能更集中、效率更高并具有生物特征的机械。仿生机械是以力学或机械学作为基础的，综合生物学、医学及工程学的一门边缘学科，它既把工程技术应用于医学、生物学，又把医学、生物学的知识应用于工程技术它包含着对生物现象进行力学研究，对生物的运动、动作进行工程分析，并把这些成果根据社会的要求付之实用化。

仿生机器人是仿生机械中的一个最为典型的应用实例。四、仿生机械实例2023/6/1993仿生制造

1仿生机器蟹2水母机器人3仿生机器鱼4水面行走机器人四、仿生机械实例2023/6/1994仿生制造

5仿生机器壁虎6

仿生机器蛇7机器狗8袋鼠机器人四、仿生机械实例2023/6/1995仿生制造

9机器苍蝇10机器雨燕在仿生机械中人们相当重视的还有就是类人机器人的研究和发展。类人机器人的最大特征就是能够用双足行走，双腿直立行走是人类特有的步行方式。类人机器人主要是外形的仿人、类人行走和完成抓取等基本操作功能，它集成了多门学科知识和多项高新科技，代表了机器人的尖端技术。2023/6/1996微机械加工

一、基本概念2023/6/1997微机械加工微机械是一种以毫米为度量单位、必须借助专用装置和仪器来观察其工作状况的、体积很小、重量很轻的机电一体化产品。微小机械按其尺度可分成3类，即

1～100mm为小型机械，

10μm～1mm为微型机械，

10nm～10μm为超微型机械。

微型机械具有体积小、重量轻、能耗低、集成度高和智能化程度高等特点。二、微机械材料2023/6/1998

微机械最主要的基础材料是单晶硅，以单晶硅作为基底，在其中进行各种平面加工或立体加工。这是由于单晶硅具有以下优点:

①它具有最适宜微细加工的结构和特性;②它有适宜于微机械要求的机械强度;③它的来源广泛，提纯和控制技术成熟，制造成本低。

由于单晶硅在高速运动时易于断裂，所以，新发展的可动微机械一般采用多晶硅制造，它仍以单晶硅为基底，再在单晶硅上淀积多晶硅，然后在多晶硅中进行各种构形加工。微机械加工三、关键技术2023/6/1999微机械加工1超微技术

超微技术须在洁净的环境下进行，其中关键在刻蚀技术。一般选用光刻，即将微型机械零件硅基板经光射照相成形，生成零件几何外形，有待后续深加工。2装配技术装配技术是把微型机械所需的微型机构、微型传感器、微型执行机构及信号处理和控制电路，及接口、通信和电源等有机结合起来，使之成为能完成一定功能的机电一体化产品。3

控制、通讯及能源制作技术这一技术把微型传感器、驱动器和控制器等有机的集中协调起来，用于微型机械的控制、通信并向其提供能源等。四、微机械的动力装置2023/6/19100

微机械加工微机械的动力装置通常采用微电动机或微驱动器。此外，还有用微泵作为执行器的，微泵研究开始较晚，但发展较快并有所应用。微电动机现已有5种类型，即静电机、超声电机、电磁电机、谐振电机和生物电机，其中应用较多的是采用静电力原理的静电机。微驱动器大多采用压电元件，例如用压电陶瓷实现步进式运动，其移动步长可在4nm～10μm之间调节;有一种叠层式静电驱动器，移动步长为0.1mm。表62所示为一些微动力装置的性能参数。五、微机械的传感器2023/6/19101

微机械加工在微机械传感器中，以微压力、微温度、微加速度、微流量、微气敏传感器的研究、应用居多。为了节省能耗，正在试验研究无源微传感器。为了节约芯片的实用面积，正在研究用一个传感器传感几个物理量;甚至将驱动器功能双重化，既可用作传感器，又能作为驱动器。国外微机械研究的新趋势是利用大规模集成电路的微细加工技术，将机构、驱动器、传感器、控制器等集成在一个多晶硅片上，它既可以将传统的无源机构变为有源机构，又可以制成一个完整的机电一体化的微机械系统，整个系统的尺寸可缩小到几毫米至几百微米。六、微机械的应用2023/6/19102

微机械加工应用领域实际应用生物、医学细胞操作、细胞融合血管、肠道内自动送药、诊断手术机器人微外科手术流体控制微阀、智能阀、微泵微流量测量和控制

微光学微光纤开关、微光学探头微光学阵列器件光扫描、调频微干涉仪VLSI制造真空微操作微定位气体精密控制信息仪器磁头打印机头扫描仪

机器人技术核电站、航天和航空器等中的维修机器人

电缆维修机器人

自行走传感器2023/6/19103智能设计智能设计是指应用现代信息技术，采用计算机模拟人类的思维活动，提高计算机的智能水平，从而使计算机能够更多、更好地承担设计过程中各种复杂任务，成为设计人员的重要辅助工具。2023/6/19104智能设计

智能设计具有如下特点:以设计方法学为指导。设计方法学对设计本质、过程设计思维特征及其方法学的深入研究是智能设计模拟人工设计的基本依据。以人工智能技术为实现手段。借助专家系统技术在知识处理上的强大功能，结合人工神经网络和机器学习技术，较好地支持设计过程自动化。以传统CAD技术为数值计算和图形处理工具。提供对设计对象的优化设计、有限元分析和图形显示输出上的支持。面向集成智能化。支持设计的全过程，与CAM的集成，提供统一的数据模型和数据交换接口。提供强大的人机交互功能。使设计师对智能设计过程的干预，即与人工智能融合成为可能。2023/6/19105智能CAD

一、基本概念北京林业大学工学院2023/6/19105

智能CAD技术实际上就是人工智能技术与CAD技术结合在一起形成的新技术。从结构上来看，智能CAD技术主要可分为3个部分：基础层支撑层应用层。2023/6/19106智能CAD

一、基本概念智能CAD的功能：计算和分析功能。CAD技术能借助数字仿真模拟、有限元分析等来完成计算和分析工作，同时还能提高计算结果的准确性。图形图像处理功能。如比较常见的图形输出功能、三维几何模型制造等。数据管理和交换功能。象对数据库的管理，利用不同的CAD系统，可实现数据的及时交换和处理。文字的编辑和文档的制作等功能。CAD技术具有强大的文字处理功能，可在短时间内完成大量文档的制作处理工作。除了上述4种主要功能外，CAD技术还具备设计功能和一些网络功能。2023/6/19107智能CAD二、智能CAD系统结构基于专家系统的智能CAD系统结构示意图2023/6/19108智能CAD三、智能CAD的发展趋势1集成化2网络化3人机交互化4标准化2023/6/19109智能CAPP

计算机辅助工艺过程设计（ComputerAidedProcessPlanning，CAPP）是通过向计算机输入被加工零件的几何信息（图形）和加工工艺信息（材料、热处理、批量等），由计算机自动输出零件的工艺路线和工序内容等工艺文件的过程。

CAPP专家系统是通过推理机中的控制策略，从知识库中搜索能够处理零件当前状态的规则，然后执行这条规则，并把每一次执行规则得到的结论部分按照先后次序记录下来，直到零件加工完成，这个记录就是零件加工所要求的工艺规程。

智能工艺规划，就是将人工智能技术（AI技术）应用到CAPP系统开发中，使CAPP系统在知识获取、知识推理等方面模拟人的思维方式，解决复杂的工艺规程设计问题，使其具有人类“智能”的特性。实际上，CAPP专家系统就是一种智能CAPP，它追求的是工艺决策的自动化。一、基本概念2023/6/19110智能CAPP

二、智能CAPP的组成2023/6/19111智能CAPP

三、智能CAPP工艺决策专家系统的构成输入输出接口。负责零件信息的输入，零件特征的识别和处理以及由系统生成的零件工艺路线、工序内容等工艺文件的输出。这是系统与外界进行信息交换的通道。知识库。包括零件信息库、工艺规则库、资源库和知识库管理系统。这是系统的础，各种知识的组织和表达形式对系统的有效性起决定性的作用。推理机。是指各种工艺决策算法，包括工艺路线的生成和优化、机床刀具与工装夹具的确定、切削用量的选择等。这是系统的关键，决定着系统智能化的水平。知识获取。是指利用机器学习的方法，从工艺设计师的经验和企业的工艺文件中获取工艺知识，并将其转化为计算机能识别的工艺推理规则，从而不断更新和扩充工艺规则库。2023/6/19112智能CAPP

四、智能CAPP特点知识表示是和知识本身相分离的，所以当加工零件变化或知识更新时，相应的决策方法不会改变。这样就提高了系统的通用性和适应性。以零件的知识为基础，以工艺规则为依据，采用各种工艺决策算法，可以直接推理出最优的工艺设计结果或给出几种设计方案以供工艺设计人员选择。知识库和推理机的分离有利于系统的模块化和增加系统的可扩充性，有利于知识工程师和工艺设计师的合作，从而可以使系统的功能不断趋于完善。工艺设计的主要问题不是数值计算，而是对工艺信息和工艺知识的处理，而这正是基于知识和人工智能的智能CAPP系统所擅长的。如果系统具备自学习的功能，可以不断进行工艺经验知识的积累，那么系统的智能性就会越来越高，系统生成的工艺方案就会越来越合理。2023/6/19113智能CAPP

五、举例：基于深度学习卷积神经网络的刀具参数的智能选取模型2023/6/19114绿色设计

一、基本概念绿色设计（GreenDesign）也称生态设计（EcologicalDesign），环境设计（DesignforEnvironment），环境意识设计（EnvironmentConsciousDesign），是一种概念设计。绿色设计是指在产品整个生命周期内，要充分考虑对资源和环境的影响，在充分考虑产品的功能、质量、开发周期和成本的同时，更要优化各种相关因素，使产品及其制造过程中对环境的总体负影响减到最小，使产品的各项指标符合绿色环保的要求。2023/6/19115绿色设计

二、绿色设计的主要内容绿色产品的描述与建模。全面准确地描述绿色产品，建立系统的绿色产品评价模型是绿色设计的关链。绿色设计的材料选择与管理。选材不仅要考虑产品的使用要求和性能，还应考虑环境约束准则。产品的可拆卸性设计。绿色设计要求将可拆卸性作为产品结构设计的一项评价准则，使产品在使用报废后其零部件能够高效、不加破坏