工技学第十讲-现代制造技术的发展与前沿

工技学第十讲—现代制造技术的发展与前沿本章提要机械制造业的发展过程，是一个不断提高机械制造产品的加工精度和表面质量、不断提高和完善制造过程的自动化水平和不断降低制造成本的过程。制造技术的一个基本出发点就是：在充分利用现有的科学技术最新成果的基础上，优质、高产、低消耗地生产出所需的产品来。从系统的观点出发、以计算机作为工具，现代机械制造工艺走向系统化、柔性化和高度自动化。概述难加工材料的特种加工超精密加工技术机械制造系统的自动化与计算机辅助制造技术内容提纲8.1概述8.1.1现代制造技术的发展过程20世纪60年代，随着市场竞争的日益加剧，大规模生产方式面临着新的挑战。这个时期诞生的制造技术与制造装备主要有计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工艺设计（CAPP）、计算机辅助工程（CAE）、计算机辅助制造（CAM）、现代数控机床、柔性制造系统（FMS）、即时生产（JIT）等。20世纪80年代，出现了制造资源规划（MRPⅡ）、企业资源规划（ERP）、计算机集成制造系统（CIMS）、并行工程（CE）、精益生产（LP）等。20世纪90年代以来，以互联网为代表的信息技术革命给世界带来了巨大的变化，经济全球化进程也打破了传统的地域经济发展模式，市场变得更为广阔。在这样的背景下，提高制造企业的快速响应能力以适应瞬息万变的市场需求，成为制造企业应得市场竞争的关键。围绕着这一个目标，出现了许多的先进制造系统模式，如敏捷制造、虚拟制造、智能制造及绿色制造等。8.1概述8.1.2现代制造技术的产生及特点1．现代制造技术的产生19世纪末，自然科学和工业技术进入了鼎盛发展时期，出现了许多划时代的科学发展和新技术发明，并相应建立了新的自然科学理论和新的学科体系，为能量驱动型的传统制造向信息驱动型的现代制造发展奠定了理论基础，创造了技术条件，这些科学和技术进展可归纳如下。（1）19世纪末自然科学的全面发展。19世纪末，自然科学领域进入了一个全面发展的时期，不断产生新的重大发现和创立新的科学理论体系。（2）新技术的产生。自然科学的全面进步，促进了新技术的发明和创造，产生了新兴材料技术、新切削加工技术、大型发电和传输技术、核能技术、微电子技术自动化技术、激光技术、生物技术和系统工程技术。（3）社会发展对制造技术提出了需求。人类社会跨入20世纪后，社会发展对经济支撑行业——制造业及其技术体系提出了更高的需求，要求制造业具有更加快速和灵活的市场响应、更高的产品质量、更低的成本和能源消耗，以及良好的环保特性。这一需求促使传统制造在20世纪开始了又一次新的革命性的变化和进步，传统制造开始向现代制造发展。8.1概述8.1.2现代制造技术的产生及特点2．现代制造技术的特点现代制造技术的最大特点是计算机技术、信息技术、管理等科学与制造科学的交叉融合。与传统制造技术相比，现代制造技术具有以下特点：（1）现代制造技术的覆盖范围更加广泛。现代制造技术覆盖了从产品设计、加工制造到产品销售、使用、维修和回收的整个生命周期。（2）现代制造过程呈多学科、多技术交叉及系统优化集成的发展态势。（3）现代制造技术的基础是优质、高效、低耗、无污染或少污染的加工工艺，在此基础上形成了新的先进加工工艺与技术。（4）现代制造技术从单一目标向多元目标转变，强调优化制造系统的产品上市时间、质量、成本、服务、环保等要素，以满足日益激烈的市场竞争的要求。（5）现代制造技术正在从以物质流和能源流为要素的传统制造观向着信息流、物质流及能量流为要素的现代制造观转变，信息流在制造系统中的地位已经超越了物质流和能量流。（6）现代制造技术特别强调以人为本，强调组织、技术与管理的集成，制造技术与生产管理相互融合、相互促进。8.1概述8.1.3现代制造技术的内容1．现代设计技术现代设计技术是现代制造技术的基础。出现了优化设计、计算机辅助装配工艺设计、计算机辅助夹具设计、反求工程、面向产品全生命周期的设计、基于网络技术的异地设计、智能设计、虚拟设计、绿色设计等。2．现代加工技术制造工艺与加工方法是制造技术的核心和基础。现代加工技术主要涉及先进切削加工技术、成型加工技术、变形加工技术、表面工程技术以及特种加工技术等。3．自动化技术制造自动化可以说是现代制造技术最显著的特征。制造自动化技术经历了一个长期的发展过程，从早期的刚性自动化、数控加工等阶段，发展到柔性制造、计算机集成制造等阶段。4．制造管理技术制造系统是由加工对象、制造装备以及人员组织等构成的一个有机整体。其中，企业的战略决策、组织构架、人力资源、信息流、物流等的管理与控制，也是非常重要的方面。5．先进制造技术先进制造技术是制造技术、计算机技术、通信技术、自动化技术以及管理科学等多学科技术综合运用于制造工程而形成的一个学科体系。8.2难加工材料的特种加工8.2.1基本概念特种加工是指直接利用电能、光能、声能、化学能及电化学能去除材料的加工方法。其共同的特点是：加工时工具与工件不直接接触，没有显著的机械力，工具的硬度可以比工件低，因此可以加工用传统机械加工方法难以加工或无法加工的高硬度、高强度、高脆性材料或具有细微小孔、深孔、窄缝、型腔以及低刚度、薄壁等零件。可解决以下难题：（1）新型材料及传统的难加工材料的加工。（2）各种特殊复杂表面的加工。（3）各种超精、光整或具有特殊要求的零件的加工。8.2难加工材料的特种加工8.2.1基本概念特种加工方法加工所用能量可加工材料主要适用范围电火花加工电热能任何导电的金属材，如硬质合金、耐热钢、不锈钢、淬火钢等各种冲、压、锻模及三维成型曲面的加工电火花线切割电热能各种冲模及二维曲面的成型截割电化学加工电、化学能锻模及各种二维、三维成型表面加工电化学机械复合加工电、化、机械能硬质合金等难加工材料的磨削超声加工声、机械能任何脆硬的金属及非金属材料石英、玻璃、锗、硅、硬质合金等脆硬材料的加工、研磨快速成型光、热、化学树脂、塑料、陶瓷、金属、纸张、ABS制造各种模型激光加工光、热能任何材料加工精密小孔、小缝及薄板材成型切割、刻蚀电子束加工电、热能离于束加工电、热能表面超精、超微量加工、抛光、刻蚀、材料改性、镀覆常见特种加工方法8.2难加工材料的特种加工8.2.2电火花加工1-直流脉冲电源；2-工件；3-工作液；4-工具电极；5-自动进给调节装电火花加工又称放电加工、电蚀加工（Electro-DischargeMachining，EDM），是利用工具电极和工件电极间瞬时火花放电所产生的高温来熔蚀工件的表面材料，达到加工目的的一种加工方法。8.2难加工材料的特种加工8.2.2电火花加工1-直流脉冲电源；2-工件；3-工作液；4-工具电极；5-自动进给调节装1）电火花加工的优点（1）适用于难切削材料的加工。（2）可以加工特殊及复杂形状的零件。（3）主要用于加工金属等导电材料，在一定条件下也可以加工半导体和非导体材料。（4）加工表面微观形貌圆滑，工件的棱边、尖角处无毛刺、塌边。（5）工艺灵活性大，还可与其他工艺结合，形成复合加工。2）电火花加工的局限性（1）一般加工速度较慢。（2）存在电极损耗和二次放电。（3）最小角部半径有限制。8.2难加工材料的特种加工8.2.3电解加工4—工件；5—电解液泵；6—电解液

1-直流电源；2-进给机构；3-工具；4-工件；5-电解液泵；6-电解液电解加工是利用金属在电解液中产生阳极溶解的化学原理来加工工件的。工件接直流电源的正极，工具接负极，两极间保持一定间隙（～）。电解液以一定的压力（～2MPa）和速度（5～50m/s）从间隙间流过。当接通直流电源时（电压为5～20V，电流密度为10～100A/cm2），工件与阴极接近的表面金属开始电解。工具以一定的速度（～3mm/min）向工件进给，逐渐使工具的形状复印到工件上，得到所需要的加工形状。8.2难加工材料的特种加工8.2.4超声加工1—超声发生器；2—换能器；3－振幅扩大棒；4－工作液；5－工件；6－工具超声加工是利用超声频振动（16kHz以上）的工具冲击磨料，使工作液中的悬浮磨粒对工件撞击、抛磨来实现加工的一种方法。超声发生器将工频交流电能转变为有一定功率输出的超声频电振荡，通过换能器将超声频电振荡转变为超声机械振动，其振幅一般只有5～10μm，再通过一个上粗下细的振幅扩大棒，使振幅扩大到10～100μm，固定在振幅扩大棒端头的工具即产生超声振动。8.2难加工材料的特种加工8.2.5激光加工激光是一种经受激辐射产生的加强光。光的强度高，方向性、相干性和单色性好。通过光学系统可将激光束聚焦成直径为几十微米到几微米的极小光斑，从而获得极高的能量密度（108～1010W/cm2）。当激光照射到工件表面，光能被工件吸收并迅速转化为热能，光斑区域的温度可达1万度以上，使材料熔化甚至气化，达到加工的目的。8.2难加工材料的特种加工8.2.6电子束加工在真空条件下，利用电流加热阴极发射电子束，经控制栅极初步聚焦后，由加速阳极加速，并通过电磁透镜聚焦装置进一步聚焦，使能量集中到直径Φ5～10µm的斑点内。高速而能量密集的电子束冲击到工件上，使被冲击部分的材料温度在几分之一微秒内升高到几千摄氏度以上，这时热量还来不及向周围扩散就可以把局部区域的材料瞬时熔化、气化甚至蒸发而去除。8.2难加工材料的特种加工离子束加工离子束加工的加工原理与电子束加工原理基本类似，也是在真空条件下，将离子源产生的离子束经过加速、聚焦后投射到工件表面的加工部位以实现加工的。所不同的是离子带正电荷，其质量比电子大数千倍甚至数万倍，故在电场中加速较慢，但一旦加至较高速度，就比电子束具有更大的撞击动能。离子束加工的物理基础是离子束射到材料表面时所发生的撞击效应、溅射效应和注入效应。离子束加工是目前特种加工中最精密、最微细的加工，是纳米加工工艺的基础。8.3超精密加工技术8.3.1概述精密加工和超精密加工代表了加工精度发展的不同阶段，从一般加工发展到精密加工，再到超精密加工。由于生产技术的不断发展，划分的界限将随着发展进程而逐渐向前推移，因此划分是相对的，很难用数值来表示。现在，精密加工是指加工精度为1～、表面粗糙度小于Ra～的加工技术；超精密加工是指加工精度高于、表面粗糙度小于Ra的加工技术。当前，超精密加工的水平已达到了纳米级，形成了纳米技术，而且正在向更高水平和更大广度发展。精密加工和超精密加工是由日本提出的。在欧洲和美国，通常将精密加工技术和超精密加工技术统称为精密工程。8.3超精密加工技术8.3.2精密和超精密加工方法根据加工方法的机理和特点，精密加工和超精密加工方法可分为刀具切削加工、磨料加工、特种加工和复合加工等。主要有：1．金刚石刀具超精密切削2．精密磨削3．超硬磨料砂轮精密和超精密磨削4．精密和超精密砂带磨削5．精密研磨抛光方法8.3超精密加工技术8.3.3微细加工技术微细加工技术是指制造微小尺寸零件的生产加工技术。从广义的角度来说，微细加工包含了各种传统精密加工方法（如切削加工、磨料加工等）及特种加工（如外延生产、光刻加工、电铸、激光束加工、离子束加工等），它属于精密加工和超精密加工范畴。从狭义的角度来说，微细加工主要指半导体集成电路制造技术，因为微细加工技术的出现和发展与大规模集成电路有密切关系，其主要技术有外延生长、氧化、光刻、选择扩展和真空镀膜等。在微细加工中，光刻加工是其主要加工方法之一，它又称光刻蚀或刻蚀加工，简称刻蚀，主要是制作由高精度微细线条所构成的高密度微细复杂图形。光刻加工可分为两个阶段：第一阶段为原版制作，生成工作原版或工作掩膜，即光刻时的模板；第二阶段为光刻。8.3超精密加工技术8.3.3微细加工技术微细加工方法树状图8.3超精密加工技术8.3.4纳米技术纳米技术是当前先进制造技术发展的热点和重点，它通常是指纳米级（～100nm）材料、产品的设计、加工、检测、控制等一系列技术。它是科技发展的一个新兴领域，不是简单的“精度提高”和“尺寸缩小”，而是从物理的宏观领域进入到微观领域，一些宏观的几何学、力学、热力学、电磁学等都不能正常描述纳米级的工程现象与规律。纳米技术主要包括：纳米材料、纳米级精度制造技术、纳米级精度和表面质量检测、纳米级微传感器和控制技术、微型机电系统和纳米生物学等。微型机电系统（MicroElectroMechanicalSystems，MEMS）是指集微型结构、微型传感器、微型执行器、信号处理、控制电路、接口、通信、电源等于一体的微型机电器件或综合体。它是美国的惯用词，日本仍习惯地称为微型机械（Micromachine），欧洲称为微型系统（Microsystem），现在大多称为微型机电系统。8.4机械制造系统的自动化与计算机辅助制造技术8.4.1机械制造系统自动化1．单一产品大批量生产的自动化产品单一、批量大时，可采用专用设备、专用流水线和自动线等刚性自动化措施来实现，一旦产品有变化，则往往不能适应。通常采用的自动化措施有以下几项：（1）通用机床的自动化改造。（2）自动机床和半自动机床。（3）组合机床。（4）自动生产线，简称自动线，在汽车、拖拉机、轴承等制造中应用十分广泛。8.4机械制造系统的自动化与计算机辅助制造技术8.4.1机械制造系统自动化2．多品种小批量生产的自动化实现多品种小批量生产自动化可以采取以下措施。1）成组技术在机械加工中，成组技术是指成组工艺和成组夹具的综合，它是根据零件的形状、尺寸等几何特征和工艺特点的相似性进行分组分类，编制成组工艺，设计成组夹具。2）数字控制技术和数控机床3）适应控制在机械加工中，在线检测加工状态，并及时修正控制参数，以实现加工过程的优化，获得预定的加工目标或效果，这种控制称为适应控制。4）柔性制造系统这是当前应用的最广泛的制造系统，一般是指可变的、自动化程度较高的制造系统，它由多台数控机床或加工中心组成，没有固定的加工顺序和节拍。5）计算机集成制造系统它又称为计算机综合制造系统，一般是由以计算机辅助设计（CAD）为核心的产品建模信息系统，以计算机辅助制造（CAM）为中心的加工、检测、装配自动化工艺系统和以计算机辅助生产管理(CAPM)为主的管理信息系统所组成的综合体。8.4机械制造系统的自动化与计算机辅助制造技术8.4.2成组技术能否把大批量生产的先进工艺和高效设备以及生产方式用于组织中、小批量产品的生产，一直是国际生产工程界广为关注的重大研究课题。成组技术（GroupTechnology，GT）便是为了解决这一矛盾应运而生的一门新的生产技术，也是针对生产中的这种需求发展起来的一种生