先进制造技术.ppt

1、2020/6/19,1,先进制造技术,主讲人：母德强:(0431)-85716611(O):mudq,2020/6/19,2,主要内容,机械制造业的变革及挑战先进制造技术现代设计技术先进机械制造工艺技术机械制造系统的自动化技术非传统加工技术先进制造生产模式,2020/6/19,3,生产规模:小批量少品种大批量多品种变批量生产方式:手工机械化单机自动化刚性自动化柔性自动化智能自动化经营策略:60年代规模效益第一70年代价格第一80年代质量第一90年代市场响应速度第一21世纪将是技术创新第一挑战:产品生命周期缩短；用户需求多样化；大市场和大竞争；交货期成为竞争的第一要素；信息化和智能化；人的知识、

2、素质和需求的变化；环境保护意识的增强与可持续发展。,部分：机械制造业的变革及挑战,变革,2020/6/19,4,定义:制造业不断吸收机械、电子、（计算机与通信、控制理论、人工智能）、能源及现代系统管理等方面的成果并将其综合应用于产品设计、制造、检测、管理、销售、使用、服务乃至回收的全过程，以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活生产，提高对动态多变量的产品市场的适应能力和竞争能力的制造技术的总称。特点:先进性；适用性；高效率；高精度；综合性；动态性。,部分：先进制造技术,2-1概述,2020/6/19,5,基本构成:基础技术、新型单元技术、集成技术。,主要内容:现代设计技术；先进制造工艺技术；自动化

3、技术；系统管理技术。,发展趋势:自动化；精密化；柔性化；智能化；集成化；全球化。,2020/6/19,6,2-2现代设计技术,现代设计技术核心因素:质量时间成本绿色环保法规,现代设计技术特点:设计范畴的扩展化设计手段的数字化和虚拟化设计过程的并行化和智能化分析手段的精确化强调产品宜人性和绿色性,2020/6/19,7,现代设计技术主要方法：,并行设计(ConcurrentDesign)集成地、平行地处理产品设计制造及其相关过程的系统方法。,优化设计方案优化设计：有时称为智能优化设计。参数优化设计：利用优化方法确定最佳设计参数的组合。,工业设计是从人造物与人的关系出发，尤其是从人的需求、市场需求

4、、从人的生活和工作方式与质量的角度出发，全面进行高质量产品设计。它从工业产品美学的角度来考虑产品的宜人性，它主要解决人造物与人之间的关系问题。优点：工业设计能够产生独特的设计风格，比如：美国设计的大方、日本设计的精巧、德国设计的严谨、意大利设计的浪漫和北欧设计的自然等等。,2020/6/19,8,可靠性设计（ReliabilityDesign)可靠性：产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。,绿色产品设计在产品设计过程中，要充分考虑产品符合的定的环保要求，对生态环无害或危害极小，对资源利用最高，能源消耗最低的要求。内涵：优良的环境友好性；最大限度地利用材料资源；最大限度地节约能源

5、。,其它设计技术和方法全寿命周期设计;满负荷设计；动态设计；摩擦学设计等。,2020/6/19,9,2-3.1精密与超精密加工技术加工精度的划分：一般加工（普通加工）加工精度：10um;Ra=0.30.8um；主要方法：车、铣、刨、磨、镗、铰等；适用于：汽车、拖拉机和机床等。精密加工加工精度：0.110um;Ra=0.030.3um；方法：金刚车、研磨、珩磨、金刚镗、超精加工、镜面磨削等；适用于：精密机床、精密测量仪器中的关键零件，如精密齿轮、精密丝杠等。超精密加工加工精度：0.010.1um;Ra=0.030.05um；方法：金刚石刀具超精密切削、超精密磨料加工、超精加工特种加工和复合加工等

6、。适用于：光学玻璃镜基片、陀螺仪超精密轴承、磁盘路基底、非球面反射镜。纳米加工加工精度：1nm(1nm=10-9m);Ra0.05um；方法：非传统加工；适用于：微型机械等。预计:21世纪初，一般加工可分别达到1um、精密加工0.01um、超精密加工精度0.001um的水平。,2-3先进制造工艺技术,2020/6/19,10,超精密加工技术所涉及的关键技术问题超精密加工方法与机理超精密加工刀具、磨具材料及刃磨技术金刚石车刀的晶面选择、刃口的研磨半径；立方氮化硼或金刚石砂轮的修整问题超精密加工装备技术要求设备：高精度、高刚度、高稳定性和高自动化。基础元部件：精密空气静压轴承回转精度0.020.1

7、um；导轨（液体或空气静压导轨）0.02um/100mm(0.020.2um/100mm)；微进给机构采用磁致伸缩等；支承件多采用人造花岗岩.,2020/6/19,11,超精密加工测量技术和误差补偿技术（爬行问题）测量装置的测量精度要比加工精度高一级.减少加工误差的策略：预防策略、补偿策略.超精密加工工作环境建造技术空气环境的净化、温度和湿度的控制、防振与隔振（气动垫脚、防振联轴器）.工件的定位与夹紧;人的技艺,超精密加工的常用方法金刚石刀具镜面切削金刚石硬度高、还有很好的韧性、最强的结晶位置是（111）面，抛光后的抗拉强度4001000kg/mm2,热传导率大，而摩擦系数小。超精密磨削影响因

8、素：磨料、粒度、结合剂、砂轮修整、磨削用量和冷却润滑液等超精密研磨、抛光,2020/6/19,12,2-3.2超高速加工技术历史背景：20世纪5080年代，NC-FMS-切削时间成为主要矛盾。,目前，磨削速度150250m/s，实验室中400m/s,我国实验室内曾达到250m/s.,机理,Salomon铣削速度与温度曲线（1931）,2020/6/19,13,1950T.Vonkarman和P.Ouwez提出“塑性波临界冲击速度”假说，在V切材料的塑性变形应力波速度（钢515m/s）时，材料破坏可能不再产生塑性变形而直接脆性破坏。,优点：加工效率高；切削力小；提高刀具寿命；加工精度高、质量好；

9、改善加工表面完整性。,超高速切削概念示意图,2020/6/19,14,超高速加工的关键技术问题,刀具材料及结构车刀：要求刀具材料与被加工材料的化学亲和力要小、并且具有优异的机械性能、热稳定性、抗冲击性和耐磨性。如涂层刀具、金属陶瓷刀具、陶瓷刀具、立方氮化硼和聚晶金刚石刀具等。还要有合理的刀具几何角度。砂轮：应具有强度高、抗冲击强度高、耐热性好、微破碎性好、杂质含量低等优点。主要有Al2O3、SiC、CBN和金刚石磨料。,超高速砂轮结构形式,普通电镀砂轮和MSL砂轮,2020/6/19,15,机床结构主轴系统,超高速切削-零传动的电主轴结构油（液体、气体）动静压轴承、陶瓷混合球轴承、磁力轴承.目

10、前切削主轴：普通1000015000r/min;4200060000r/min,2020/6/19,16,机床进给系统,进给系统直线电机直接驱动系统,2020/6/19,17,超高速加工机床的支承直线运动部件多采用钛合金、铝合和纤维强化复合材料等金。,冷却-切削液和磨削液,砂轮内冷却结构,2020/6/19,18,安全技术主要是刀具系统的动平衡，尤其是砂轮的动平衡，一直是在研究的课题。其它在线测试技术，夹具等,2020/6/19,19,2-4机械制造系统的自动化技术,2-4.1制造系统自动化的定义与发展历程定义：利用机器（包括计算机）代替人的体力或脑力劳动.发展历程刚性自动化阶段:组合机床、刚

11、性自动线数控加工阶段:NC-NumericalControl;CNC-ComputerNumericalControl柔性制造阶段:成组技术(GT);DNC-Directed(orDistributed)NumericalControl;FMC;FMSFML计算机集成及新的制造自动模式阶段:CIM;CIMS；敏捷制造；网络制造等,2020/6/19,20,2-4.2现代化机械制造系统自动化的关键技术数控技术数控机床1952年第一台三坐标数控铣床问世（美国帕麦斯公司和MIT合作研制）1955年进入实用阶段。NCCNCDNC高速高精度化复合化高柔性化模块化Hexapod（orVirtualAxis

12、)MachineTool（六腿、虚拟轴机床）1949年Gough第一台测量轮胎的六自由度并联机构。1993年德州自动化与机器人研究院研制出可完成铣、磨、钻、镗、抛光等多种加工的并联机械手。国内天大、哈工大相继也研制出该设备。Hexapod机床的基本结构及工作原理(nextpage),2020/6/19,21,Hexaglide六滑台示意图,Mikromat6X型机床示意图,2020/6/19,22,M-850六轴精密定位系统,Linapod三条腿机床示意图,2020/6/19,23,Hexapod机床的优缺点优点：结构简单、刚性好；运动和定位精度高，无导轨；运动质量小，可高速运动。缺点：测量控

13、制的计算量大；与同尺寸普通机床相比，工作空间较小；目前价格很高。,2020/6/19,24,工业机器人定义：一种可以搬运物料、零件、工具或完成多种操作功能的专用机械装置。组成：由本体（或操作机，由手臂、腕部、臂部、机座和行走机构等组成）、驱动系统（移动器）、控制系统。,工业机器人的结构,2020/6/19,25,发展历史1954年美国George.C.Devol发明一种可称为可编程序的关节型搬运装置，并首先提出工业机器人和示教再现的概念。1958年美国联合控制公司(ConsolidatedControl)研制出第一台数控工业机器人原型机，揭开了研制机器人的序幕。机器人的分类专用机器人：动作少，

14、工作对象单一。通用机器人：动作灵活多样，通过改变程序完成多种作用。示教再现机器人：具有记忆功能，能完成复杂动作；由人示教后，能按示教的信息反复重现示教作业。智能机器人：据有的中感觉和识别功能，能做出决策自动进行反馈纠正。机器人技术度学科前沿操作机:轻质化、高刚度、快速、准确、灵活柔顺以及微型化。动力源和驱动:动力源轻、小、出力大；新型驱动器，人工肌肉、仿生机构等。移动技术：新型移动机构；三维视觉、触觉和接近觉等行走传感技术等；智能控制与人工智能及示教技术:智能平衡技术；最佳路径、动作方案及语言等。,2020/6/19,26,工业机器人的应用,FMC中的机器人,2020/6/19,27,FMS中

15、的机器人,2020/6/19,28,装配系统中的双臂机器人,2020/6/19,29,检测与监控技术作用：保证自动化加工系统可靠正常运行及其加工质量,检测与监控系统的基本构成：,检测与监控系统的基本构成,2020/6/19,30,检测与监控系统的基本工作原理：信号采集特征提取状态识别故障诊断和预报决策与控制,主要掌握的相关知识：传感器与测控技术；信号分析与处理技术等,2020/6/19,31,柔性制造系统和计算机集成制造系统柔性制造系统FMSFlexibleManufacturingSystem:组成：多工位数控加工系统、自动化的物料储运系统和计算机控制的信息系统。1968年英国Molins公

16、司建造首条FMS;1970年美国K集成化生产管理信息系统(CAPMorMIS)；柔性制造系统(FMS/FMC)；数据库与网络(DBandNW)。CIMS包含:设计、制造、质量控制、经营管理四种主要功能。,2020/6/19,34,3-1种类与特点：3-1.1种类1.放电加工；2.电化学加工；3.激光加工；4.超声波加工；5.电子束和离子束加工；6.超高压水射流加工；7.堆积加工-快速原型制造技术（RPM)8.其他特种加工技术。,部分：非传统加工技术(NTMNon-TraditionalMachining),2020/6/19,35,3-1.2特点1.不主要依靠机械能、而是利用光、声、热、化学、

17、磁和原子能等；2.工具的硬度可以比工件的低，也可以没有工具；3.加工过程中，刀具和工件之间不存在显著的切削力。,2020/6/19,36,3-2放电加工（电火花加工）ElectricalDischargeMachining-EDM,3-2.1加工原理与种类,加工原理：基于正负电极间脉冲放电时的电腐蚀现象对材料进行加工,图a1-工件2脉冲电源3-自动仅给调节装置4-工具5-工作液6过滤器7-工作液泵,图b1-凹坑2凸坑,b,a,2020/6/19,37,种类：电火花成型加工、电火花线切割、电火花磨削等。,1-坐标工作台2-夹具3-工件4脉冲电源3-自动仅给调节装置4-工具5-导轮6电极丝7-丝架

18、8-工作液箱9-备丝筒,2020/6/19,38,除孔外的异型孔径截面形状,2020/6/19,39,二维线切割和一个数控回转工作台就能实现三维直纹曲面加工。,2020/6/19,40,3-2.2电火花加工的基本要求,电极之间始终保持确定距离;放电点的局部区域达到住够高的电流密度（105106A/cm2)，以确保被加工材料能在局部熔化、气化，否则只能加热被加工材料；必须是脉冲放电（一般为单向，脉宽0.11000us，脉间不小于10us），以确保放电所产生的热量来不及传导扩散到被加工材料的其他部分而集中在局部，使局部的工材料产生熔化、气化而被蚀除；及时排除电极间的电蚀物，以确保电极间介点稳定性。

19、,2020/6/19,41,3-2.3电火花加工需注意的一些问题,极性效应由于正负极性不同引起的电蚀量不一样（单向脉冲）电控参数的合理选择脉宽、脉间、峰值电流、脉冲前沿上升率和后沿下降率等。二次放电,深孔方向长生斜度、加工棱角边变钝,2020/6/19,42,3-3电化学加工Electro-chemicalMachining-ECM,3-3.1加工原理与种类,原理：利用电极在电解液中发生的化学作用（氧化与沉积）对金属材料进行成型加工。,1-主轴2-工具3-工件4直流电源,2020/6/19,43,种类：利用阳极金属的溶解作用(氧化)去除材料。利用电极金属的沉积作用进行镀覆加工点化学加工与其他加

20、工方法结合完成的电化学复合加工,1-导电砂轮2-电解液3-工件复合法电解磨削加工过程,1-普通砂轮2-工件3-电解液喷嘴4-电解液5-中间电极中极法电解磨削加工过程,2020/6/19,44,图6-26,1-回转装置2-工件3-电解液4-研磨材料5工具电极6-主轴电解研磨加工,2020/6/19,45,1-工件2航磨头3-磨条4-电解液珩磨加工,2020/6/19,46,3-3.2影响电解加工的一些因数,电解液1）电导率要高，流动性要好2）电解质在溶液中的电离度和溶解度要大3）阳极的电解产物应是不溶性的化合物4）性能稳定，不易燃，不易爆，对环境污染和人体危害要小5）价格低廉，适应性广。间隙均匀

21、稳定电解液的流速和流向,2020/6/19,47,3-4激光加工,3-4.1激光加工原理,当工作物质（如红宝石、钕玻璃等亚稳态能级结构物质（受到光泵（激励光源）激发后，便产生手机辐射跃迁、造成光放大，通过两个反射镜（全反和部分反射）组成的谐振腔产生振荡，输出激光，再经透镜将激光束聚焦到工件的待加工表面上。,聚焦光斑直径几微米到及时微米，能量密度1081010W/cm2,温度可达10000以上，因此能在千分之几秒甚至更短的时间熔化、气化任何材料。,1-全反射镜2-光泵（激励脉冲氙灯）夹具3激光工作物质4部分反射镜5-透镜6工件,2020/6/19,48,3-4.2激光加工设备的一般组成,2020

22、/6/19,49,3-4.3激光加工的主要应用,激光打孔复制法和轮龙廓法发动机的喷油嘴,激光束切割,焊接和表面处理,2020/6/19,50,2-3.3快速原型制造技术,一、概述两种英文名称：RapidPrototyping,RP快速原型.RapidPrototype/PartManufacturing,RPM快速原型/零件制造工作原理和技术内涵：RPM是通过层层堆积的方式制造零件的实体模型（分层制造）。其流程是：CAD建模；前处理（生成STL文件、将模型分成切）；快速制作（层层堆积）；后处理（去支架、清理表面、固化处理）。RPM技术是综合CAD、NC、材料科学、机械工程、电子技术及激光技术高

23、度集成的零件设计制造的一体化系统。优点：敏捷、快速；几乎不受零件复杂程度限制.,2020/6/19,51,二、几种典型的RPM技术立体印刷（又称立体光刻、光造型）SLA-StereolithrgraphyApparatus,SLA法原理图,2020/6/19,52,分层实体制造LOM-LaminatedObjectManufacturing,LOM法原理图,2020/6/19,53,选择性激光烧结SLS-SelectiveLaserSintering,选择性激光烧结,2020/6/19,54,FDM法原理图,熔融沉积成形FDM-FusedDepositionModeling,2020/6/19

24、,55,三、RPM的主要研究领域经济型RPM系统的研发低成本的三维激光打印机RPM的制作精度、可靠性、生产率和制作大件的能力快速成形方法和工艺的改进和创新开发性能更好的成形材料利于快速精确地加工原型；成型后强度高、刚度大、耐潮性和热稳定性好开发高性能的RPM软件反求与RPM地结合技术改造,2020/6/19,56,2-3.4微型机械及其加工技术,一、微型机械的不同名称：美国称之为MicroElectro-MechanicalSystem即MEMS；日本称之为Micromachine；欧洲称之为Microsystem.二、微型机械的划分：微小型机械:110mm(1100mm)；微机械:1um1m

25、m(10um1mm)；纳米机械:1nm1um(10nm10um)；三、微型机械的优点：在活动空间、操作对象和工作环境上，一般机械无法比拟；多功能和智能化.,2020/6/19,57,四、微型机械的关键技术微型系统的设计技术：微动力学、微流体力学、微热力学、微摩擦学、微结构学、微电子学等。微细加工技术：光刻加工、LIGA技术、牺牲层技术、高能束刻蚀技术、RPM技术等。组装和封装技术：堆装技术（冷焊、黏结、钎焊、玻璃溶接等）封装技术（玻璃搪瓷封装、有机物封装等）微系统性能的表征和测试技术：,2020/6/19,58,五、典型的微系统和部件,国内:直径为3mm的压电电机，直径为400um的多晶硅齿轮

26、；直径为2mm电磁电动机.,国外:直径100um的静电微电机；7mm7mm2mm的微型泵流量可达250ul/min；能开动的3mm大小的汽车;数厘米见方的卫星车床可加工精度达1.5um的微细轴;,直径50200um、厚度200300um的镍齿轮组、镍材料的微弹簧；,2020/6/19,59,微型硅加速度计尺寸为2mm3mm0.6mm,重量0.02g，可以在100Hz带宽内检测0.001g50g的加速度。,微型硅加速度计,2020/6/19,60,部分：先进制造生产模式,一、原因:市场波动；竞争日趋激烈；国际合作加强；市场对产品性能、质量要求更高，产品寿命缩短；技术的迅猛发展。在美日出现了一些生

27、产模式新概念，敏捷制造、并行工程等。二、特点：以技术为中心向以人为中心转变；企业的组织结构将从金字塔式的多层生产管理结构向分布扁平的网络结构转变；从传统的顺序加工工作方式向并行工作方式转变；制造系统的策略将集中在灵活组织资源，企业从按功能划分部门的固定组织形式向动态的、自主管理的小组工作形式转变；质量是企业尊严和品牌的起点，快速响应市场的竞争策略是制胜的法宝；企业从单独的竞争走向既有竞争又有结盟之路；技术创新将成为未来企业竞争的焦点。,2020/6/19,61,三、典型的先进制造模式敏捷制造（AM-AgileManufacturing)AM的产生背景：60年代，扩大生产规模；70年代，规模到成

28、本（西欧、日本）；80年代，质量（西欧、日本）；90年代，缩短产品开发周期，灵活响应快速的市场变化；1991年美国里海（LehighUniversity）在研究和总结美国制造业的现状和潜力后，发表了具有划时代意义的“21世纪制造业发展战略”报告，提出了敏捷制造和虚拟企业的新概念。这一新的制造哲理在世界产生里巨大的反响，并且已取得了引人注目的实际效果。,2020/6/19,62,AM企业的主要特征：并行工作；继续教育；顾客拉动的组织机构；动态多方合作；尊重雇员；向团队成员施权；改善环境；柔性重构；可获得与可使用的信息；具有丰富知识和适应力的雇员；开放的体系结构；一次成功的产品设计；,实施AM的主要技术：产品设计与企业并行工程；虚拟制造；制造计划与控制；智能闭环加工；企业集成。,AM的定义和AM企业的主要特征：定义：指制造系统在满足低成本和高质量的同时，对变幻莫测的市场