机械工程：第8章 先进制造技术

第8章先进制造技术本章内容★先进成形加工技术★数控加工技术（NCMACHINE）★柔性制造系统（FMS）★计算机集成制造系统（CMIS）8.1先进成形加工技术加工时遇到的难点

对硬质合金等难切削材料的加工

对模具上的复杂型面的加工；

对细长件\薄壁等特殊结构件的加工。

先进成形加工的特点

加工不受材料机械性能的限制；

易于加工复杂型面\微细表面及柔性零件；

能获得良好的表面质量；

易复合形成新的工艺技术特种加工：是直接借助电能、热能、声能、光能、化学能等常规机械能以外的各种能量实现材料去除的工艺方法的总称。加工方法的分类

（按能量形式和作用原理）

(1)电能与热能作用方式有：电火花成形与穿孔加工(EDM)、电火花线切割加工(EDM)、电子束加工(EBM)和等离子体加工(PAM)。

(2)电能与化学能作用方式有：电解加工(ECM)、电铸加工(ECM)和刷镀加工。

(3)电化学能与机械能作用方式有：电解磨削(CCG)、电解珩磨(ECH)。(4)声能与机械能作用方式有：超声波加工(USM)(5)光能与热能作用方式有：激光加工(LBM)

(6)电能与机械能作用方式有：离子束加工(IM)

(7)液流能与机械能作用方式有：挤压珩摩(AFH)和水射流切割(WJC)。特种加工方法的分类（续）基本原理电火花加工又称放电加工（ElectricalDischargeMachining简称EDM）。它是在加工过程中，使工具和工件之间不断产生脉冲性的火花放电，靠放电时产生局部、瞬时的高温将金属蚀除下来。这种利用火花放电时产生的腐蚀现象对金属材料进行尺寸加工的方法叫电火花加工。

8.1.1电火花加工EDM电火花-电蚀加工过程电火花加工的三个必要条件(1)必须采用脉冲电源，以形成瞬时的脉冲式放电。每次脉冲放电延续一段时间(10-7一10-3s)后，需停歇一段时间，这样才能使能量集中于微小区域，而不致扩散(2)必须采用自动进给调节装置，以保持工具电极与工件电极间微小的放电间隙。(3)火花放电必须在具有一定绝缘强度(103一107Ω.m)的液体介质中进行,煤油、皂化液和去离子水等电火花加工的应用范围成型加工穿孔加工8.1.2线切割加工加工原理和电火花加工基本相同，按程序控制的轨迹来移动一根很细、很长的金属丝（钼丝、铜丝等）作为电极（阴极），与工件（阳极）之间产生火花放电，从而将金属蚀除下来，实现轮廓切割。

线切割工艺国内用快走丝线切割较多，国外以慢走丝线切割较普遍。快走丝时，线电极是直径为0.02—0.3mm的高强度铜丝。钢丝往复运动的速度为8一l0m／s。低速走丝时，多采用钢丝，线电极以小于0.2mm／s的速度作单向低速移动。线切割时，电极丝不断移动，其损耗很小，因而加工精度较高。其平均加工精度可达0．01mm，大大高于电火花成形加工。表面粗糙度Ra值可达1．6μm或更小。线切割时，电极丝不断移动，其损耗很小，因而加工精度较高。其平均加工精度可达0．01mm，大大高于电火花成形加工。表面粗糙度Ra值可达1．6μm或更小。学生线切割作品适合于加工轮廓形状复杂和尺寸精密的模具和其他零件，加工精度可以控制在0.01mm左右，Ra<2.58.1.3激光加工LBM①功率密度高，几乎能加工所有材料。如高温合金、石英、金刚石、橡胶等.②适合于精微加工,特别是小深孔(L/D可达50～100)及异形孔加工.③加工速度快\变形小且工具无损耗.④可透过玻璃等透明介质对工件进行加工.应用①激光打孔:孔径0.01～1mm.②激光切割:厚度大,割缝宽度仅为0.1～0.2mm..特点激光加工应用范围1．激光表面热处理2．激光焊接3．激光切割4．激光打孔8.1.4超声波加工USM利用工具端面作超声频（16～25kHz)振动使介质中的悬浮磨粒对工件表面撞击抛磨来实现加工。（2）特点①适合于加工各种硬脆材料，特别是不导电的非金属材料，如玻璃、宝石、陶石及各种半导体材料。②工件受力小，变形小。精度可达0.01—0.05mm，表面粗糙度可达Ra0.1—0.8。③机床结构简单、但生产率较低。（3）应用①不导电硬脆材料、也可加工各种高硬度与高强度的金属材料。②要求较高的模具的抛磨精加工。超声波加工应用实例加工硬脆材料的圆孔、异形孔和各种型腔电子元件的切割加工锗、硅等半导体材料又硬又脆，用机械切割非常困难，采用超声波切割则十分有效超声波焊接8.1.5离子束加工

离子束加工是在真空条件下，把氩、氪、氙等惰性气体通过离子源产生离子束，经过加速、集速和聚焦后，投射到工件表面的加工部位，以达到加工处理的目的。离子带正电荷，其质量比电子的质量大千万倍，故离子束加速轰击工件表面，将比电子束具有更大的能量。8.1.5电解加工ECM(电化学加工)

电解加工是利用金属在电解液中产生电化学阳极溶解原理将工件加工成形的.1.直流电源2.送给机构3.工具电极4.工件5.电解液泵6.电解液⑵特点

①能加工各种硬度与强度的金属材料

②生产率高(约为电火花加工的5~10倍以上)

③工具阴极不会损耗,寿命长.

④精度难以严格控制,精度为±0.1mm,但表面好,Ra=1.25～0.2.

⑤电解液对设备有腐蚀作用,电解产物需妥善处理。

⑶应用

①能加工各种深孔\型孔\型腔和复杂成型表面.如炮管膛线、叶片型面、模具型腔与花键、异型孔及复杂零件的薄壁结构等。

②电解去毛刺

③电解刻字应用例一：叶片的加工叶片是喷气发动机、汽轮机户的关键零件，它的形状复杂，精度要求高，生产批量大。采用电解加工，不受材料硬度和韧性的限制，在一次行程中可加工出复杂的叶片型面，比机械加工有明显的优越性。应用例二：电解去齿轮毛刺8.1.6快速成型法RapidPrototyping快速成形技术是综合利用CAD技术、数控技术、激光加工技术和材料技术实现从零件设计到三维实体原型制造一体化的系统技术。它采用软件离散一材料堆积的原理实现零件的成形。分层实体制造（LaminatedObjectManufacturing

LOM）RP与反求工程用数字化信号对机床运动及其加工过程进行控制的一种加工。数控机床数控编程数控加工10.2数控加工10.2.1数控机床介绍数控机床用零件的加工程序（软件）代替了普通机床中大量的凸轮、挡块、限位开关等硬件。编制零件的程序比制造大量的硬件容易得多。数控机床分为普通数控机床（NC）和计算机数控机床（CNC）。现代的数控机床多是CNC机床。CNC机床就是将零件加工过程中的各种操作，以及刀具与工件之间的相对位移，由预先编制的程厅输入到数控装置，数控装量发出各种指令控制机床，使机床自动加工出所需要的工件---CNC机床。1.CNC机床和普通机床区别（1）CNC机床一般具有手动加工(用电手轮)、机动加工和控制程序自动加工功能，加工过程一般不需要人工干预。普通机床只具有手动加工和机动加工功能，加工过程全部由人工干预。（2）CNC机床具有CRT屏幕显示功能，还具有自动报警显示功能，根据报警信号或报警提示，可以迅速地寻找机床故障。普通机床不具备上述功能。CNC机床和普通机床区别（3）CNC机床的主传动和进给传动采用直流或交流无级调速伺服电功机。一般设有主轴变速箱和进给变速箱，传动链短。而普通机床主传动和进给传动一般采用三相交流异步电动机，由变速箱实现多级变速以满足工艺要求，机床传动链长。（4）CNC机床一般具有工件测量系统。加工过程中一般不需要进行工件尺寸的人工测量。而普通机床在加工过程中，必须由人工不断地进行测量，以保证工件的加工精度。加工流程的区别2.CNC机床工作原理闭环控制系统开环控制系统半闭环控制系统数控机床的基本组成硬件计算机伺服机构机床软件部分加工数据操作系统3.数控机床分类（1）按工艺用途分（2）按运动方式分（3）按控制方式（开环、闭环）4.数控机床加工特点（1）应变能力强，适合多品种、单件小批零件的加工（2）加工精度高，多轴联动可实现复杂轮廓的插补运动，适于高精度、形状复杂零件的加工（3）大大减轻工人的体力劳动，适于工序较多而又集中的零件加工（4）具有较高的加工生产率和较低的加工成本（5）有利于实现机械加工的现代化管理10.2.2数控加工编程编程几何基础编程一般方法和步骤程序结构和格式手工编程和CAM自动编程1.编程几何基础机床坐标系刀具相对于静止的零件而运动的原则

标准坐标系采用右手直角笛卡尔坐标系

图3.2右手直角笛卡尔坐标系图3.3立式铣床坐标系机床坐标系原点立式铣床机床原点工件坐标系与程序原点程序原点是编程员在数控编程过程中定义在工件上的几何基准点，有时也称为工件原点工件坐标系与程序原点绝对尺寸与增量尺寸2.编程的一般方法和步骤3.程序结构和格式4.刀具半径补偿的目的

a)外轮廓加工b)内轮廓加工10.2.3数控加工工艺数控机床的基本生产过程编制被加工零件程序毛坯零件的装夹及找正坐标原点设置刀具准备机床自动加工加工工件的选择不同类型的零件应在不同的机床上加工2.工件加工工序的划分刀具集中分序法粗、精加工分序法按加工部位分序法3.工件的装卡方式4.加工路线的确定应尽量减少进、退刀时间和其它辅助时间在铣削加工零件轮廓时、要考虑尽量采用顺铣加工方式，这样可以提高零件表面粗糙度和加工精度，减少机床“颤振”。选样合理的进、退刀位置，尽量避免沿零件轮廓法向切入和进给中途停顿。进、退刀位置应选在不太重要的位置。加工路线一般先加工外轮廓，再加工内轮廓。5.切削用量的选择考虑机床、刀具、工件三者综合因素，正确使用冷却液6.手工编程与CAM自动编程(1)手工编程（通用加工指令）目前大多数系统使用国际通用的ISO格式，分成G指令、M指令、F指令、S指令和T指令一个完整的程序由程序号、程序内容和程序结束三部分组成。程序结构例如如下：O0001程序号N1G90G54G00X0Y0S1000M03；第一程序段N2Z100.0；第二程序段N3G41X20.0Y10.0D01；……………

………….…………..N10G00Z100.0；N11G40X0Y0M05；N12M30；程序结束(2)CAM自动编程【零件信息】→【CAD系统造型】→【CAM系统生成加工代码】→【数控机床】→【零件】标准二轴、三轴（线性轴）加工，应用流程框图加工中心简介1.工序高度集中2.自动换刀3.避免多次装卡4.特别适合加工位置精度高，形状复杂，工序多，的模具和箱体类零件计算机辅助设计/制造/工艺设计CAD/CAM/CAPP计算机集成制造系统（CIMS）柔性制造系统（FMS）和柔性制造单元（FMC）成组技术（GT）敏捷制造（AgileManufacture)并行工程10.3机械制造现代化计算机辅助设计/制造（CAD/CAM)CAD/CAM系统的组成是由计算机硬件和软件构成的。设计人员通过人机交互或批处理的方式来控制和操纵运行过程，可以完成如产品模型设计、设计计算、工程分析、绘图、仿真和编制数控加工程序等。计算机集成制造系统（CIMS）将各部门如计算机辅助设计（CAD)、计算机辅助工艺设