《机械制造工程学》课件第八章

第八章先进制造技术8.1概述8.2先进制造工艺8.3先进生产制造模式8.1概述

8.1.1先进制造技术的内涵与特点

1.先进制造技术的内涵

先进制造技术是制造业不断吸收信息技术和现代管理技术的成果,并将其综合应用于产品设计、加工、检测、管理、销售、使用、服务乃至回收的制造全过程,以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活生产,提高对动态多变的市场的适应能力和竞争能力的制造技术的总称。

2.先进制造技术的特点

(1)系统性。

(2)集成性。

(3)动态性。8.1.2先进制造技术发展关键

1.“数”是发展的技术特征

“数”是指制造领域的数字化,这是因为先进制造技术的重要工具是计算机,而现在的计算机是要把所有信息数字化以后才能处理的。它包括以设计为中心的数字制造、以控制为中心的数字制造和以管理为中心的数字制造。

2.“精”是发展的技术标志

“精”是指加工精度及其发展。20世纪初,超精密加工的误差是10μm;20世纪70~80年代为0.01μm;现在仅为0.001μm,即1nm。

3.“极”是发展的焦点

“极”就是极端条件,是指生产特需产品的制造技术必须适应“极”的要求。例如,能在高温、高压、高湿、强冲击、强磁场、强腐蚀等条件下工作,或有高硬度、大弹性等特

点,或极大、极小、极厚、极薄、极不规则的产品等,都属于“极端”产品。

4.“绿”是发展的必然

“绿”就是“绿色”制造。人类必须从各方面促使自身的发展与自然界和谐一致,制造技术也不例外。制造业的产品从构思开始,到设计、制造、销售、使用与维修,再到回收、

再制造等各阶段,都必须充分顾及环境保护与改善。

8.2先进制造工艺

8.2.1快速原型制造

1.快速原型制造技术的原理

快速原型制造(RPM)技术是集CAD技术、数控技术、材料科学、机械工程、电子技术和激光技术等于一体的综合技术,是实现从零件设计到三维实体原型制造的一体化系统技术。

RPM技术的具体原理是：首先由设计人员应用各种三维CAD造型系统进行三维实体造型,三维造型系统输出时先将零件CAD数据模型转换成可被快速成型系统所能接受的数据文件；然后根据工艺要求,将其按一定厚度进行分层,把原来的三维电子模型沿给定的方向切成一个个二维平面(薄片)信息(截面信息)。

2.RPM技术的主要方法

1)光固化法

如图8-1所示,在槽内盛有液态的光敏树脂,在紫外光照射下产生固化,工作平台位于液面之下，成形作业时,将激光聚集到液态光固化材料表面,按计算机指令由点到线、由线到面地逐点扫描,扫描到的地方光敏树脂被固化,未被扫描的地方仍然是液态树脂,完成一个层面的建造后,升降台下降一个层片厚度的距离,重新覆盖一层液态材料,再建造一个层面,由此层层叠加成为一个三维实体。图8-1SL工艺原理图

2)叠层制造

如图8-2所示,单面涂有热熔胶的纸卷套在纸辊上,并跨过支撑辊缠绕在收纸辊上。伺服电动机带动收纸辊转动,使纸卷移动一定距离,工作台上升至与纸面接触,热压辊沿纸面自右向左滚压,加热背面的热熔胶,并使这一层纸与基板上的前一层纸黏合。CO2激光器发射的激光束跟踪零件的二维截面轮廓数据并进行切割,再将轮廓外的废纸余料切割出方形小格,以便于成形过程完成后的剥离。图8-2LOM工艺原理图

3)激光选区烧结法(SelectiveLaserSintering,SLS)

激光选区烧结法是指对于由粉末铺成的具有一定密实度和平整度的层面,有选择地直接或间接将粉末熔化或黏结,形成一个整体层面,再铺粉压实,再熔结或黏结成另一个层面，并与原层面熔结或黏结,如此层层叠加为一个三维实体。所谓直接熔结，是将粉末直接熔化而连接;间接熔结是指仅熔化粉末表面的黏结涂层,以达到互相黏结的目的。图8-3所示为SLS工艺原理图。图8-3SLS工艺原理图

4)熔融挤压成形法

熔融挤压成形法(FusedDepositionModeling,FDM)是指将热熔性材料(ABS、尼龙或蜡)通过加热器熔化,挤压喷出并堆积成一个层面,然后将第二个层面用同样的方法建造出来,并与前一个层面熔结在一起,如此层层堆积而获得一个三维实体。其原理图如图8-4所示。图8-4熔融挤压成形法原理图8.2.2RPM技术的应用

RPM在国民经济极为广阔的领域得到了应用,并且还在向新的领域发展,如图8-5所示。从广义上讲,这些应用均属“产品开发范畴”。图8-5RPM应用领域

1.产品设计中的应用——快速产品开发(RPD)

RPM在RPD方面的应用如图8-6所示。

RPM在产品开发中的关键作用和重要意义是很明显的,它不受复杂形状的任何限制,可迅速地将显示于计算机屏幕上的设计变为可进一步评估的实物。图8-6RPM在RPD方面的应用根据原形可对设计的正确性、造型的合理性、零部件的可装配性和是否发生干涉进行具体检验。对形状较复杂且贵重的零件(如模具),如直接依据CAD模型不经原型阶段就进行加工制造,则风险极大,往往需要多次反复才能成功,不仅延误开发进度,而且往往需花费更多的资金。

2.快速工具

快速工具(RapidTooling)是快速原型制造技术应用的重要方面。原型的快速设计和自动制造保证了工具的快速制造。无需数据铣削,无需电火花加工,无需任何专用工装和工具,直接根据原型而将复杂的工具和型腔制造出来是当今快速工具的最大优势。一般来说,采用RPM技术，工具的制造时间和成本均为传统技术的1/3。8.2.3微细加工技术

1.微机械及其特征

例如,光通信机械中激光二极管模块所需的微小非球面透镜制造用模具仅有0.1~1mm,医疗机械和管道自动监测装置等都需要微型齿轮、电机、传感器和控制电路。因而以本身形状尺寸微小或操作尺度极小为特征的微机械,已成为人们在微观领域认识和改造客观世界的一项高新技术。微机械也叫微型机电系统，在美国常被称为微型电子机械系统(MicroElectroMechanicalSystem,MEMS),在日本被称做微机器(Micromachine)，在欧洲被称做微系统(MicroSystem)。微机械按外形尺寸特征可分为1~10mm的微小型机械,1μm~1mm的微型机械和1nm~1μm的纳米机械。

2.微细加工的机床结构

微细加工的机床结构应具有下列功能:

(1)为达到很小的单位去除率(UR),需要各轴能实现足够小的微量移动。对于微细的机械加工和电加工工艺,微量移动可小至几十个纳米。

(2)高灵敏的伺服进给系统。它要求有摩擦阻力小的传动系统和导轨支承系统以及具有高精度跟踪性能的伺服进给系统。

(3)高的定位精度和重复定位精度。

(4)高的主轴转速及极低的动不平衡。

(5)低热变形结构设计、稳固的床身构件以隔绝外界的振动干扰。

(6)刀具的稳固夹持和高的重复夹持精度。图8-7为日本FANUC公司开发的能进行车、铣、磨和电火花加工的多功能微型超精密加工机床的结构示意图。该机床有X、Z、C、B四轴,在B轴回转工作台上增加A轴工作台后可实现5轴控制,数控系统的最小设定单位为1nm。图8-7微型超精密加工机床该机床的旋转轴采用编码器半闭环控制,直线轴采用激光全息式全闭环控制。反馈指令的大小直接影响伺服跟踪误差。编码器与电机直联具有每周6400万个脉冲的分辨

率,每个脉冲相当于坐标轴移动0.2nm。编码器反馈单位为1/3nm,故跟踪误差在±1/3nm以内。直线尺的分辨率为1nm,跟踪误差约在±3nm以内。为了消除电机编码器和直线检测元件本身的误差对反馈的影响,还采用高精度螺距误差补偿技术,开发了有50万点的高密度误差值自动设置的补偿方法。螺距误差补偿值可用0.3nm分辨率的激光干涉仪测出。为了降低伺服系统的摩擦,对导轨、丝杠螺母副以及丝杠与伺服电机转子的推力轴承和径向轴承均采用气体静压支承结构,如图8-8所示。伺服电机的转子和定子用空气冷却,使运行时由发热引起的温升控制在0.1℃以下。图8-8低摩擦伺服进给系统简图为了防止丝杠转动时的偏摆影响滑鞍运动的平稳性,所用的空气静压螺母不直接固定在滑鞍上，而是通过其两端的与床鞍桥板连接的叉形气垫支承块来传递轴向运动,其他方向均无约束,这样就消除了丝杠偏摆的影响。螺母及两个叉形气垫支承块均由气体静压支承在导轨上引导作轴向运动,如图8-9所示。图8-9保持轴向运动平稳性的气垫式螺母连接结构8.2.4微细加工工艺

1.微细机械加工和电加工

1)微细机械加工工艺

凸形(外)表面的微细切削大多采用单晶金刚石车刀或铣刀。刀尖半径约为100μm。图8-10为单晶金刚石铣刀的刀头形状。图8-10单晶金刚石铣刀的刀头形状(刀尖偏移回转轴线5μm,刀尖半径为100μm)当刀具回转时,金刚石刀片形成一个45°圆锥的切削面。进行凹形(内)表面的微细切削时,最小的可加工尺寸会受到刀具尺寸的限制,如钻孔用麻花钻可加工小至50μm的孔,若要加工更小的孔,则麻花钻无能为力,可采用扁钻。

2)微细电加工工艺

图8-11所示的微型轴和异形截面杆可采用线放电磨削法(WEDG)加工。该法独特的放电回路使放电能量仅为一般电火花加工的1/100。图8-12为WEDG加工微型轴的原理。电极丝沿着导丝器中的槽以5～10mm/min的速度低速滑动,就能加工出圆柱形的轴。如果导丝器通过数字控制作相应的运动,则能加工出如图8-11所示的各种形状的杆件。图8-11用WEDG法可加工的各种微型轴和异形截面杆图8-12WEDG加工系统及其工作原理微细电火花加工(MEDM)常用的机床为日本松下电气产业公司的MG-ED71,它的定位控制的分辨率为0.1μm,最小加工孔径达5μm,表面粗糙度达0.1μm。加工节径300

μm、厚100μm的9齿不锈钢齿轮时,先用f24μm的电极连续打孔加工出粗轮廓,再用f31mm的电极按齿形曲线扫描出轮廓,精度达±3μm。也可用它加工微型阶梯轴,最小直

径为30μm,加工的键槽截面为10μm×10μm。加工微小零件的电极应在同一台电加工机床上制作,

否则由于电极的连接和安装误差,很难加工出直径小于

100μm微型孔。例如，在微细电火花机床上加工电极或超声加工工具,可加工出直径为5～10μm的微型孔。图

8-13所示为在一台冲模机上用WEDG法制作出电火花加工所用的电极,以此做出凹模,并采用与做电极相似的方法做出凸模,这样就成为一套冲模,即可生产出所需的微型零件。图8-13电极和冲模在同一台机床上集成制作的微细冲压系统

2.光刻加工

光刻加工是对薄膜表面及金属板表面进行精密、微小和复杂图形加工的技术,用它制造的零件有刻线尺、微电机转子、电路印刷板、细孔金属网板和摄像管的帘栅网等。

其原理是:利用光致抗蚀剂的化学反应特点,在紫外线或激光的照射下,将照相制板(掩膜板)上的图形精确地印制在涂有光致抗蚀剂的工件表面,再利用光致抗蚀剂的耐腐蚀特性,对工件表面进行腐蚀,从而获得极为复杂的精细图形。8.2.5高速切削加工

1.高速切削加工的概念与特征

(1)切削力低。由于加工速度高,剪切变形区变窄,剪切角增大,变形系数减小,切屑流出速度加快,因而使切削变形减小,切削力比常规切削降低30%~90%,刀具耐用度提高70%,特别适合于加工薄壁类刚性较差的零件。

(2)热变形小。切削时工件温度的上升不会超过3℃,90%以上的切削热来不及传递给工件就被高速流出的切屑带走,特别适合于加工细长、易热变形的零件和薄壁零件。

(3)材料切除率高。在高速切削时其进给速度可随切削速度的提高相应提高5~10倍，这样在单位时间内的材料切除率可提高3~5倍,适用于材料切除率要求高的场合,如汽车、

模具和航天航空等制造领域。

2.高速切削加工的技术关键

(1)滚珠轴承高速主轴。当前高速切削铣床上装备的主轴多数为滚珠轴承高速主轴。高速主轴由转子、轴承、外壳、电机组件和测角系统组成。除此之外,主轴运转时,还必须配备冷却系统、润滑系统和变频驱动电气装置。其转速特征值受轴承结构及润滑方式的影响。表8-1是各种轴承在不同润滑条件下所达到的特征值。

(2)液体静压轴承高速主轴。液体静压轴承高速主轴的转速特征值可达1×106,其最大特点是运动精度很高,回转误差一般在0.2μm以下，因而不但可以提高刀具的使用寿命,而且可以达到很高的加工精度和较低的表面粗糙度。

(3)空气静压轴承高速主轴。它可以进一步提高主轴的转速和回转精度。它的转速特征值可达2.7×106,回转误差在50nm以下。空气静压轴承高速主轴的优点在于高回转精度、高转速和低温升,因而主要适合于工件形状精度和表面粗糙度要求较高的场合。它的缺点是承载能力较低,不适合于材料切除量较大的应用场合。

(4)磁浮轴承高速主轴。它可以达到更高的主轴转速。它的转速特征值可达4×106,是滚珠轴承高速主轴的两倍以上。磁浮轴承高速主轴的转子由两个径向和两个轴向轴承支承,转子与支承间隙一般在0.1mm左右,由于空气间隙的摩擦热量很小,因此如果主轴的最高转速相同,则磁浮轴承高速主轴可采用较大的轴径,有较高的刚性(约为滚珠轴承高速主轴的10倍)和较大的承载能力。

8.3先进生产制造模式

8.3.1CIMS

1.CIMS的体系结构

(1)面向CIMS系统功能构成和控制结构的体系结构。人们希望CIMS系统的各组成部门在空间上能够有效地集成起来,以取得最优的总体效益。

(2)面向CIMS系统生命周期的体系结构。希望CIMS系统有尽可能长的生命周期。

(3)面向CIMS系统集成平台的体系结构。随着信息技术的飞跃发展,成千上万个应用软件问世,这些应用软件间集成的接口问题以及应用软件与系统软件集成的接口问题变得非常棘手。于是人们改变了过去那种一个软件一个软件地、一一对应地开发其相互接口的方法,转向开发一种标准化的统一平台。面向CIMS系统功能构成和控制结构的体系结构,其主要特点是把CIMS这样复杂的大系统分解为多层次的递阶控制结构,以降低全局控制的难度和系统开发的难度。这是体系结构当今的主流方向,也是企业CIMS设计师们和研究开发人员最感兴趣的问题。因为在他们研究开发系统原型和目标产品时,都必定要首先研究并确定系统的功能体系结构,并希望其局部结构能与全局结构相兼容,以实现其可集成性。

CIMS一般由四个功能分系统和两个支撑分系统构成。图8-14所示为六个系统的框图及其与外部信息的联系。图8-14中,四个功能分系统分别是管理信息分系统、工程设计自动化分系统、制造自动化(柔性制造)分系统、质量保证分系统;两个支撑分系统为计算机网络分系统和数据库分系统。企业在实施CIMS时,应根据自身的需求和条件,分步或局部实施。图8-14CIMS的构成

2.CIMS的实施效果与问题

CIMS工程的根本目标是提高企业的效益,因此在制定CIMS战略时,不应求全和统一,况且CIMS也没有统一的模式。实施CIMS的企业中,还应继续注重基础技术改造,这是CIMS的重要基础之一。8.3.2精益生产

1.精益生产的提出

精益生产(LeanProduction)是起源于日本丰田汽车公司的一种生产管理方法。其核心是追求消灭包括库存在内的一切“浪费”,并围绕此目标发展了一系列具体方法,逐渐形成了一套独具特色的生产经营管理体系。以丰田的大野耐一等人为代表的“精益生产”的创始者们,在分析大批量生产方式后,得出以下结论:

(1)采用大批量生产方式以大规模降低成本,仍有进一步改进的余地。

(2)应考虑一种更能适应市场需求的生产组织策略。在丰田公司提出精益生产的同时,日本独特的文化氛围也促进精益生产的产生。日本文化是一种典型的东方文化,强调集体与协作,这为精益生产的人力管理提供了一个全新的思维角度。因此在当时的环境下,丰田汽车公司在不可能、也不必要走大批量生产方式道路的情况下,根据自身的特点,逐步创立了一种独特的多品种、小批量、高质量和低消耗的生产方式。

2.精益生产与大批量生产方式管理思想的比较

(1)优化范围不同。

大批量生产方式源于美国,基于美国的企业之间的关系,强调市场导向,优化资源配置,每个企业以财务关系为界限,优化自身的内部管理,而相关企业,无论是供应商还是经销商,

都以对手相对待。

(2)对待库存的态度不同。

大批量生产方式的库存管理是一种风险管理,它面对的是生产中的不确定因素(主要包括设备与供应的不确定因素)。因此,适当的库存是用以缓冲各个生产环节之间的矛盾、避免风险和保证生产连续进行的必要条件。这种传统生产方式的库存管理与优化是基于外界风险而固有的(从统计资料获得)，它追求物流子系统的最优化。精益生产方式则将生产中的一切库存视为“浪费”,出发点是整个生产系统,而不是简单地将“风险”看做外界的必然条件,并认为库存掩盖了生产系统中的缺陷。它一方面强调

供应对生产的保证,另一方面强调对零库存的要求,从而不断暴露生产中基本环节的矛盾并加以改进,不断降低库存以消灭库存产生的“浪费”。基于此,精益生产提出了“消灭一切

浪费”的口号。

(3)业务控制观的不同。

传统的大批量生产方式的用人制度基于双方的“雇佣”关系,业务管理中强调达到个人工作高效的分工原则,并以严格的业务稽核来促进与保证,同时稽核工作还可防止个人工作对企业产生负效应。

精益生产源于日本,深受东方文化的影响,在专业分工时强调相互协作及业务流程的精简(包括不必要的核实工作)，即消灭业务中的“浪费”。

(4)质量观的不同。

传统的生产方式将一定量的次品看成生产中的必然结果，这是因为通常是在保证生产连续的基础上,通过对检验成本与质量次品所造成的浪费之间的权衡来优化质量检测控制点的。

精益生产基于组织的分权与人的协作观点,认为让生产者自身保证产品质量的绝对可靠是可行的,且不牺牲生产的连续性。

(5)对人的态度不同。

大批量生产方式强调管理中的严格层次关系，对员工的要求在于严格完成上级下达的任务,人被看做附属于岗位的“设备”。

精益生产则强调个人对生产过程的干预,尽力发挥人的能动性,同时强调协调,对员工个人的评价也是基于长期的

表现。

3.精益生产的特点

(1)拉动式准时化生产。

①以最终用户的需求为生产起点。

②强调物流平衡,追求零库存,要求上一道工序加工完的零件立即进入下一道工序。

③组织生产线依靠一种称为看板(Kanban)的形式,即由看板传递下道工序向上道工序需求的信息(看板的形式不限,关键在于能够传递信息)。④生产中的节拍可由人工干预、控制,但重在保证生产中的物流平衡(对于每一道工序来说,为保证对后道工序供应的准时化)。

⑤由于采用拉动式生产,因此生产中的计划与调度实质上是由各个生产单元自己完成的,在形式上不采用集中计划,但操作过程中生产单元之间的协调则极为必要。

(2)全面质量管理。

①强调质量是生产出来的,而非检验出来的,由生产中的质量管理来保证最终的质量。

②生产过程中对质量的检验与控制在每一道工序都进行。重在培养每位员工的质量意识。在进行每一道工序时注意质量的检测与控制,保证及时发现质量问题。③如果在生产过程中发现质量问题,则根据情况,可以立即停止生产,直至解决问题,从而保证了不出现对不合格品的无效加工。

④对于出现的质量问题,一般是组织相关的技术与生产人员作为一个小组,一起协作,尽快解决。

(3)团队工作法(Teamwork)。

①每位员工在工作中不仅是要执行上级的命令,更重要的是积极地参与,起到决策与辅助决策的作用。

②组织团队的原则并不完全按行政组织来划分,而主要根据业务的关系来划分。

③团队成员强调一专多能,要求能够比较熟悉团队内其他工作人员的工作,保证工作协调的顺利进行。④团队人员工作业绩的评定受团队内部评价的影响(这与日本独特的人事制度关系较大)。

⑤团队工作的基本氛围是信任,以一种长期的监督控制为主,避免对每一步工作的稽核,提高了工作效率。

⑥团队的组织是变动的,针对不同的事物应建立不同的团队,同一个人可能属于不同的团队。

(4)并行工程(ConcurrentEngineering)。

①在产品的设计开发期间,将概念设计、结构设计、工艺设计、最终需求等结合起来,保证以最快的速度按要求的质量完成。

②各项工作由与此相关的项目小组完成。进程中,小组成员各自安排自身的工作,但可以定期或随时反馈信息并对出现的问题协调解决。③依据适当的信息系统工具,反馈与协调整个项目的进行。利用现代CIM(计算机集成制造)技术,在产品的研制与开发期间,辅助项目进程的并行化。

4.精益生产的基本理念

(1)消除一切形式的浪费(损耗)。在精益管理中列举了几种典型的浪费:废品与次品,超额生产或提前生产,由于停工待料、设备故障与计划差错造成的等待,多余的搬运,库存的积压,过剩的产品或服务功能。

(2)认定“一切不产生附加价值的活动都是无效的活动”,即浪费。

(3)连续改进,不断完善,精益求精。

(4)实施零缺陷、零库存、零故障与零调整(如10分钟换模法)。

(5)把通过激励机制调动员工的积极性与创造性放在管理工作的首位。

(6)确立“人是生产诸要素中首要因素”的理念。8.3.3绿色制造

1.绿色制造的概念

制造业在将制造资源转变为产品的制造过程中,以及产品在其使用和废弃处理过程中,都会产生废弃物。由于制造业涉及范围广泛,因而其对环境造成的影响可想而知,如图

8-15所示。图8-15制造业对环境的影响绿色制造是一个综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式,其目标是使产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个产品生命周期中,对环境的负面影响最小,资源效率最高,并使企业经济效益和社会效益协调优化。真正促使绿色制造走向市场是多种因素共同作用的结果,如图8-16所示。图8-16实施绿色制造的原动力

2.绿色制造的关键技术

1)绿色设计

对于传统的产品设计,通常主要考虑的是产品的基本属性,如功能、质量、寿命、成本等,很少考虑环境属性。按这种方式生产出来的产品在其使用寿命结束后,回收利用率低,资源浪费严重,毒性物质严重污染生态环境,会形成一个“从摇篮到坟墓”的过程。从这一点来说,绿色设计是从可持续发展的高度审视产品的整个生命周期的，它强调在产品开发阶段按照全生命周期的观点进行系统性的分析与评价,消除潜在的对环境的负面影响,力求形成“从摇篮到再现”的过程。绿色设计与传统设计的主要区别如表8-2所示。绿色设计主要可以通过生命周期设计、并行设计、模块化设计等几种方法来实现。

2)绿色材料的选择

绿色产品首先要求构成产品的材料具有绿色特性,即在产品的整个生命周期内,这类材料应有利于降低能耗,环境负荷最小。

(1)减少所用材料种类。使用较少的材料种类不仅可以简化产品结构,便于零件的生产、管理和材料的标识、分类,而且在相同的产品数量下,可以得到更多的某种回收材料。

(2)选用可回收或可再生材料。使用可回收材料不仅可以减少资源的消耗,还可以减少原材料在提炼加工过程中对环境的污染。例如，宝马(BMW)公司生产的Z1型汽车其车身全部由塑料制成,可在20分钟内从金属底盘上拆除，车门、保险杠以及前、后、侧面的操纵板都由通用公司生产的可回收利用的热塑性塑料制成。

(3)选用能自然降