机械制造工艺发展趋势

机械制造工艺学

7.1

制造自动化技术的发展1

表1-1三种自动化形式比较比较项目刚性自动化柔性自动化综合自动化实现目标减轻工人劳动强度，节省劳动力，保证加工质量，降低生产成本减轻工人劳动强度，节省劳动力，保证加工质量，降低生产成本，缩短产品制造周期除左外，提高设计工作与管理工作效率和质量，提高对市场的响应能力控制对象物流物流物流，信息流特点通过机、电、液气等硬件控制方式实现，因而是刚性的，变动困难以硬件为基础，以软件为支持，改变程序即可实现所需的转变，因而是柔性的不仅针对具体操作和工人的体力劳动，而且涉及脑力劳动以及设计、经营管理等各方面典型系统与装备自动机床、组合机床，机械手，自动生产线NC机床，加工中心，工业机器人，DNC，FMC，FMSCAD/CAM系统，MRPⅡ，CIMS应用范围大批大量生产多品种、中小批量生产各种生产类型关键技术继电器程序控制技术，经典控制论数控技术，计算机控制，GT，现代控制论系统工程，信息技术，计算机技术，管理技术2图7-1汽车后桥齿轮箱加工自动线刚性自动化20年代3柔性自动化50年代图7-2焊接机器人综合自动化70年代图7-3综合自动化4本节仅讨论中小批量生产中广泛使用的柔性制造系统〔FlexibleManufacturingSystem——FMS〕

柔性制造系统的组成

图7-4FMS的组成自动仓库工厂计算机中央计算机物流控制计算机运输小车加工单元1加工单元2加工单元n信息传输网络工夹具站5

加工单元CNC（MC）机床工作台架（暂存工件）机器人或托盘交换装置检测、监控装置◆设备运行状态监控与检测〔图7-5〕传感器群信号采集预处理特征提取状态识别诊断决策预维修决策监控检测报告正常状态模式预诊断知识库预维修知识库学习训练匹配状态异常报警预知故障报警输出图7-5设备运行状态监控与检测框图6钻头破损检测器内存有以往采集的钻头破损的信号或钻头破损模拟信号，与检测信号进行比较。当钻头破损被确认后，发出换刀信号。◆加工过程监控与检测重点是刀具磨损、破损监控与检测。加工过程中，一旦钻头破损，声发射传感器检测到钻头破损信号，将其送至钻头破损检测器进行处理。钻头破损检测器图7-6声发射钻头破损检测装置系统图交换机床控制器工件折断工作台声发射传感器破损信号7

物料传输系统又称立体仓库或自动化仓库系统〔AutomatedStorageandRetrieva1System一AS／RS〕，由高层料架、堆垛机、控制计算机和物料识别装置等组成。具有自动化程度高、料位空间尺寸和额定存放重量大、料位总数可根据实际需求扩展、占地面积小等优点。◆自动仓库〔图7-7〕图7-7自动仓库运输小车出入库装卸站堆垛机料架8◆

传输装置滚式链式（传送带由于柔性差，目前较少使用）带式有轨无轨（AGV）固定路线随机路线电磁式（图7-8）光电式（图7-9）……传送带运输小车机器人固定式机器人行走式机器人9转向舵比较放大电路信号拾取线圈引导电缆图7-8电磁引导原理在地面上埋设引导电缆，并通以5～10kHz的低压电流。小车上装有对称的一组信号拾取线圈。当小车偏向右方时，右方的感应信号减弱，左方的增强，控制器根据这些信号的强弱，控制小车的舵轮。◎电磁导向方式原理〔图7-8〕10沿小车预定路径在地面上粘贴易反光的反光带〔铝带或尼龙带〕，小车上装有发光器和受光器。发出的光经反光带反射后由受光器接受，并将该光信号转换成电信号控制小车的舵轮。◎光学引导方式原理〔图7-9〕信号孔感光元件光道光源反光带图7-9光学引导原理11◆

JCS-FMS-1控制级结构中央管理计算机FM-11AD2+物流控制计算机局域网络LAN文件库自动编程机单元控制机CNC车床CNC磨床单元控制机立式MC卧式MC单元控制机CNC车床管理级单元级设备级图7-10JCS-FMS-1控制级结构12

FMS特点 除毛坯准备与毛坯安装外全部自动化 可在不停机的条件下实现加工工件的自动转换 24小时运行，只一班有人◆以GT为根底——生产零件的品种由4至100种不等（20～30种居多）生产零件的批量由40至2000件不等（50～200件居多）大部分加工对象为相似零件（个别例外）◆具有较大柔性——可加工多种零件没有固定的生产节拍故障可容（一台机床出现故障，其它机床可进行拟补）◆高度自动化——◆控制与管理相结合——可自动实现系统内的方案、调度13

FMS应用品种图7-11零件品种、批量与自动化加工方式0101001000

批量10,000100010010FMLFMCFMS数控机床通用机床刚性线生产柔性产量14图7-12飞机零件加工FMS（Cincinnati）1—装卸站2—运输小车3—MC4—切屑处理站5—清洗站6—检测站7—手工检测站8—计算机室9—小车维修站10—包装站FMS实例〔1〕15冲床图7-13冲压FMS

FMS实例（2）16十分之一原那么：测量不准确度≤工件容差的1/10三分之一原那么：测量精密度≤工件许用精密度的1/3〔用标准差σ表示〕自动化传送和装卸被测件；自动完成检测过程；传送/装卸与检测过程全部自动化。自动检测内容多采用传感器/计算机反响控制系统自动检测系统接触式传感器：检测尺寸、形状、相互位置非接触式传感器〔光学、非光学〕：无接触变形，速度快“十分之一〞与“三分之一〞原那么17离线检测：过程稳定，超差风险小PROCAUTPROCAUTPROCAUTINSPMAN抽样离线检测PROCAUTINSPMAN在线/过程中检测反馈信号在线/过程后检测PROCAUTINSPMANSORTAUT分类指令成品废品图7-14三类检测离线与在线检测在线/过程中检测：实时，瓶颈工序在线/过程后检测：滞后时间短，应用较多18坐标测量机a）b）c）d）图7-15坐标测量机的结构形式结构形式悬臂式结构：测头易于接近工件，刚性差桥式结构：刚性好，应用广泛立柱式结构：结构与立车相似门架式结构：结构与门式起重机相似，用于大件测量19操作控制手动控制：人工完成计算机辅助手动控制：计算机完成数据处理和相关计算计算机辅助电动控制：电机驱动测头，计算机完成数据处理和相关计算直接计算机控制：同CNC编程方法

示教再现编程：似机器人编程数控编程：离线20可完成测量工程表7-2坐标测量机可完成的测量工程可完成的测量项目测量原理尺寸孔径与孔中心线坐标圆柱体轴心线与直径球心坐标与球面半径平面度两平面夹角两平面的平行度两条线的交点与交角由两个给定面坐标的差值确定尺寸测量孔上3点，计算确定孔径与孔中心线坐标测量圆柱面上3点，计算确定轴心线与直径测量球面上4点，计算确定球心坐标与球面半径用3点接触法测定，与理想平面比较确定平面度按平面上3个触点最小值规定平面，再计算夹角根据两平面交角确定平行度先确定两线夹角，再测定交点21

实物照片

22机械制造工艺学

7.2精密制造技术23◆精密加工——在一定的开展时期，加工精度和外表质量到达较高程度的加工工艺。超精密加工——在一定的开展时期，加工精度和外表质量到达最高程度的加工工艺。概述◆瓦特改进蒸汽机——镗孔精度1mm20世纪40年代——最高精度1μm20世纪末——精密加工：≤0.1μm，Ra≤0.01μm〔亚微米加工〕超精密加工：≤0.01μm，Ra≤0.001μm〔纳米加工〕◆微细加工——微小尺寸的精密加工超微细加工——微小尺寸的超精密加工24零件加工精度表面粗糙度激光光学零件形状误差0.1μmRa0.01～0.05μm

多面镜平面度误差0.04μmRa＜0.02μm

磁头平面度误差0.04μmRa＜0.02μm

磁盘波度0.01～0.02μmRa＜0.02μm雷达导波管平面度垂直度误差＜0.1μmRa＜0.02μm卫星仪表轴承圆柱度误差＜0.01μmRa＜0.002μm

天体望远镜形状误差＜0.03μmRa＜0.01μm表7-3几种典型精密零件的加工精度◆几种典型精密零件的加工精度〔表7-3〕◆精密加工与超精密加工的开展〔图7-17〕25图7-17精密加工与超精密加工的发展（Taniguchi，1983）普通加工精密加工超精密加工超高精密磨床超精密研磨机离子束加工分子对位加工车床,铣床卡尺加工设备测量仪器精密车床磨床百分尺比较仪坐标镗床坐标磨床气动测微仪光学比较仪金刚石车床精密磨床光学磁尺电子比较仪超精密磨床精密研磨机激光测长仪圆度仪轮廓仪激光高精度测长仪扫描电镜电子线分析仪加工误差（μm）10010110210-210-110-3190019201940196019802000年份26精密与超精密加工地位27结合加工分类加工机理加工方法示例去除加工电物理加工电火花加工（电火花成形，电火花线切割）电化学加工电解加工、蚀刻、化学机械抛光力学加工切削、磨削、研磨、抛光、超声加工、喷射加工热蒸发（扩散、溶解）电子束加工、激光加工附着加工注入加工化学化学镀、化学气相沉积电化学电镀、电铸热熔化真空蒸镀、熔化镀化学氧化、氮化、活性化学反映电化学阳极氧化热熔化掺杂、渗碳、烧结、晶体生长力物理离子注入、离子束外延连续加工热物理激光焊接、快速成形化学化学粘接变形加工热流动精密锻造、电子束流动加工、激光流动加工粘滞流动精密铸造、压铸、注塑分子定向液晶定向表7-4精密与超精密加工分类28直接式进化加工：利用低于工件精度的设备、工具，通过工艺手段和特殊工艺装备，加工出所需工件。适用于单件、小批生产。间接式进化加工：借助于直接式“进化”加工原则，生产出第二代工作母机，再用此工作母机加工工件。适用于批量生产。◆“进化”加工原则背吃刀量小于晶粒大小，切削在晶粒内进行，与传统切削机理完全不同。◆

微量切削机理◆

特种加工与复合加工方法应用越来越多传统切削与磨削方法存在加工精度极限，超越极限需采用新的方法。精密与超精密加工特点29要达到加工要求，需综合考虑工件材料、加工方法、加工设备与工具、测试手段、工作环境等诸多因素，是一项复杂的系统工程，难度较大。◆

形成综合制造工艺广泛采用计算机控制、适应控制、再线检测与误差补偿技术，以减小人的因素影响，保证加工质量。◆

与自动化技术联系紧密精密与超精密加工设备造价高，难成系列。常常针对某一特定产品设计（如加工直径3m射电天文望远镜的超精密车床，加工尺寸小于1mm微型零件的激光加工设备）。◆

与高新技术产品紧密结合◆

加工与检测一体化精密检测是精密与超精密加工的必要条件，并常常成为精密与超精密加工的关键。30切削在晶粒内进行切削力＞原子结合力〔剪切应力达13000N/mm2〕刀尖处温度极高，应力极大，普通刀具难以承受高速切削〔与传统精密切削相反〕，工件变形小，表层高温不会涉及工件内层，可获得高精度和好外表质量金刚石超精密加工技术

用于铜、铝及其合金精密切削（切铁金属，由于亲合作用，产生“碳化磨损”，影响刀具寿命和加工质量）

加工各种红外光学材料如锗、硅、ZnS和ZnSe等

加工有机玻璃和各种塑料典型产品：光学反射镜、射电望远镜主镜面、大型投影电视屏幕、照像机塑料镜片、树脂隐形眼镜镜片等◆应用◆机理、特点31★

加工设备要求高精度、高刚度、良好稳定性、抗振性及数控功能等。图7-18Moore金刚石车床回转工作台工件刀具主轴传动带主轴电机空气垫刀具夹持器如美国Moore公司M-18AG金刚石车床，主轴采用空气静压轴承，转速5000转/分，径跳＜0.1μm；液体静压导轨，直线度达0.05μ/100mm；数控系统分辨率0.01μ。32车床主轴装在横向滑台〔X轴〕上，刀架装在纵向滑台〔Z轴〕上。可解决两滑台的相互影响问题，而且纵、横两移动轴的垂直度可以通过装配调整保证，生产本钱较低，已成为当前金刚石车床的主流布局。图7-19T形布局的金刚石车床T形布局〔图7-19〕33金刚石车床加工4.5mm陶瓷球图7-23金刚石车床及其加工照片34◆砂轮材料：金刚石，立方氮化硼〔CBN〕可加工各种高硬度、高脆性金属及非金属材料（铁金属用CBN）耐磨性好，耐用度高，磨削能力强，磨削效率高磨削力小，磨削温度低，加工表面好

◆

特点：分整形与修锐（去除结合剂，露出磨粒）两步进行常用方法—①用碳化硅砂轮（或金刚石笔）修整，获得所需形状；②电解修锐（适用于金属结合剂砂轮），效果好，并可在线修整◆

砂轮修整：超硬磨料砂轮精密与超精密磨削35进给＋－图7-24ELID磨削原理电源金刚石砂轮（铁纤维结合剂）冷却液冷却液电刷◆ELID〔ElectrolyticIn-ProcessDressing〕使用ELID磨削，冷却液为一种特殊电解液。通电后，砂轮结合剂发生氧化，氧化层阻止电解进一步进行。在切削力作用下，氧化层脱落，露出了新的锋利磨粒。由于电解修锐连续进行，砂轮在整个磨削过程保持同一锋利状态。36◆塑性〔延性〕磨削磨削脆性材料时，在一定工艺条件下，切屑形成与塑性材料相似，即通过剪切形式被磨粒从基体上切除下来。磨削后工件外表呈有规那么纹理，无脆性断裂凹凸不平，也无裂纹。塑性磨削工艺条件：〔1〕切削深度小于临界切削深度，它与工件材料特性和磨粒的几何形状有关。一般临界切削深度＜1μm。为此对机床要求：①高的定位精度和运动精度。以免因磨粒切削深度超过1μm时，导致转变为脆性磨削。②高的刚性。因为塑性磨削切削力远超过脆性磨削的水平，机床刚性低，会因切削力引起的变形而破坏塑性切屑形成的条件。〔2〕磨粒与工件的接触点的温度高到一定程度时，工件材料的局部物理特性会发生变化，导致切屑形成机理的变化〔已有试验作支持〕。37砂带：带基材料为聚碳酸脂薄膜，其上植有细微砂粒。砂带在一定工作压力下与工件接触并作相对运动，进行磨削或抛光。有开式〔图7-25〕和闭式两种形式，可磨削平面、内外圆外表、曲面等〔图7-27〕。接触轮硬磁盘—装在主轴真空吸盘上图7-25砂带磨削示意图V砂带砂带轮卷带轮F-径向进给f-径向振动◆

精密与超精密砂带磨削38图7-26用于磨削管件的砂带磨床〔带有行星系统〕39几种常见砂带磨削方式〔图7-27〕图7-27几种砂带磨削形式a）砂带无心外圆磨削（导轮式）工件导轮接触轮主动轮砂带工件接触轮主动轮砂带b）砂带定心外圆磨削（接触轮式）c）砂带定心外圆磨削（接触轮式）工件接触轮主动轮砂带接触轮砂带工件d）砂带内圆磨削（回转式）工件支承板主动轮砂带工作台e）砂带平面磨削（支承板式）f）砂带平面磨削（支承轮式）支承轮工件砂带接触轮40

砂带磨削特点1〕砂带与工件柔性接触，磨粒载荷小，且均匀，工件受力、热作用小，加工质量好〔Ra值可达0.02μm〕。3〕强力砂带磨削，磨削比〔切除工件重量与砂轮磨耗重量之比〕高，有“高效磨削〞之称。4〕制作简单，价格低廉，使用方便。5〕可用于内外外表及成形外表加工。磨粒规格涂层粘接剂基带图7-28静电植砂砂带结构2〕静电植砂，磨粒有方向性，尖端向上〔图7-28〕，摩擦生热小，磨屑不易堵塞砂轮，磨削性能好。41工件小间隙加压抛光轮悬浮液微粉(磨粒)图7-29弹性发射加工原理抛光轮与工件表面形成小间隙，中间置抛光液，靠抛光轮高速回转造成磨料的“弹性发射”进行加工。工作原理（图7-29）机理：微切削＋被加工材料的微塑性流动作用★弹性发射加工◆

游离磨料加工抛光轮：由聚氨基甲酸〔乙〕酯制成，磨料直径0.1～0.01μm42工作原理〔图7-30〕抛光工具上开有锯齿槽，靠楔形挤压和抛光液的反弹，增加微切削作用。机理：微切削作用。抛光工具图7-30液体动力抛光小间隙工件工具运动方向抛光液磨粒工作原理〔图7-31〕活性抛光液和磨粒与工件外表产生固相反响，形成软粒子，使其便于加工。机理：机械+化学作用，称为“增压活化〞。★液体动力抛光★机械化学抛光抛光工具活性抛光液图7-31机械化学抛光小间隙工件工具运动方向加压43激光由于其优良的特性〔强度高，亮度大，单色性、相干性、方向性好等〕在精密测量中得到广泛应用。可以测量长度，小角度，直线度，平面度，垂直度等；也可以测量位移，速度，振动，微观外表形貌等；还可以实现动态测量，在线测量，并易于实现测量自动化。激光测量精度目前可达0.01μm。激光测量44受射透镜平行光管透镜边缘传感闸门电路计数器显示图震荡器伺服系统扫描镜工件测定区光检测器激光发生器★

采用平行光管透镜将激光准确地调整到多角形旋转扫描镜上聚焦。通过激光扫描被测工件两端，根据扫描镜旋转角、扫描镜旋转速度，透镜焦距等数据计算出被测工件的尺寸。图7-32激光扫描尺寸计量系统激光高速扫描尺寸计量系统〔图7-32〕45双频激光测量〔图7-33〕固定反射棱镜图7-33双频激光测量系统原理图干涉测量仪f2+Δf2f1氦氖激光器轴向强磁场NS1/4波片分光镜透镜组f1f2f1f2移动反射棱镜f2f2+Δf2偏振分光镜f1f1ΔfΔf

+Δf2由于移动反射棱镜随被测件移动，频率f2变成f2±Δf2。两路反射回来的光经偏振分光镜汇合一起，再经反射镜和干涉测量仪获得拍频信号，其频率为：f1－（f2±

Δf2）=Δf+Δf2

经分光镜，折射一小局部，经干预测量仪获得拍频Δf〔=f1－f2〕的参考信号。大局部激光到偏振分光镜：垂直线偏振光f1被反射，再经固定反射棱镜反射回来；水平线偏振光f2全部透射，再经移动反射棱镜反射回来。该信号与参考信号比较，获得±Δf2的具有长度单位当量的电信号。由于使用频率差Δf进行测量，使其不受环境变化影响，可获得高的测量精度和测量稳定性。46图7-34双频激光测量系统47◆恒温——要求：±1℃～±0.01℃实现方法：大、小恒温间+局部恒温〔恒温罩，恒温油喷淋〕◆恒湿——要求：相对湿度35%～45%，波动±10%～±1%实现方法：采用空气调节系统

◆净化——要求：10000～100级〔100级系指每立方英尺空气中所含大于0.5μm尘埃个数不超过100〕实现方法：采用空气过滤器，送入洁净空气◆隔振——要求：消除内部、隔绝外部振动干扰

实现方法：隔振地基，隔振垫层，空气弹簧隔振器精密与超精密加工环境48微细加工——通常指1mm以下微细尺寸零件的加工，其加工误差为0.1μm～10μm。超微细加工——通常指1μm以下超微细尺寸零件的加工，其加工误差为0.01μm～0.1μm。精度表示方法——一般尺寸加工，其精度用误差尺寸与加工尺寸比值表示；微细加工，其精度用误差尺寸绝对值表示。“加工单位〞——去除一块材料的大小，对于微细加工，加工单位可以到分子级或原子级。微切削机理——切削在晶粒内进行，切削力要超过晶体内分子、原子间的结合力，单位面积切削阻力急剧增大。概述49热流动加工（火焰，高频，热射线，激光）压铸，挤压，喷射，浇注微离子流动加工热表面流动粘滞性流动摩擦流动变形加工(流动加工)化学镀，气相镀（电镀，电铸）氧化，氮化（阳极氧化）（真空）蒸镀，晶体增长，分子束外延烧结，掺杂，渗碳，（侵镀，熔化镀）溅射沉积，离子沉积（离子镀）离子溅射注入加工化学(电化学)附着化学(电化学)结合热附着扩散(熔化)结合物理结合注入结合加工(附着加工)车削，铣削，钻削，磨削蚀刻，化学抛光，机械化学抛光电解加工，电解抛光电子束加工，激光加工，热射线加工扩散去除加工，熔化去除加工离子束溅射去除加工，等离子体加工机械去除化学分解电解蒸发扩散与熔化溅射分离加工(去除加工)加工方法加工机理表7-6微细与超微细加工机理与加工方法50◆主要采用铣、钻和车三种形式，可加工平面、内腔、孔和外圆外表。◆刀具：多用单晶金刚石车刀、铣刀〔图7-35〕。铣刀的回转半径〔可小到5μm〕靠刀尖相对于回转轴线的偏移来得到。当刀具回转时，刀具的切削刃形成一个圆锥形的切削面。微细机械加工图7-35单晶金刚石铣刀刀头形状51微小位移机构，微量移动应可小至几十个纳米。高灵敏的伺服进给系统。要求低摩擦的传动系统和导轨支承系统，以及高跟踪精度的伺服系统。高的定位精度和重复定位精度，高平稳性的进给运动。低热变形结构设计。刀具的稳固夹持和高的安装精度。高的主轴转速及动平衡。稳固的床身构件并隔绝外界的振动干扰。具有刀具破损检测的监控系统。◆

微细机械加工设备◆FANUCROBOnanoUi型微型超精密加工机床〔图7-36〕52图7-36FANUC微型超精密加工机床53载流导体：◎逆压电材料〔如压电陶瓷PZT〕——电场作