先进制造技术.ppt

1、先进制造技术,先进制造技术 目录,第一章 绪论 第二章 先进设计技术 第三章 先进制造工艺技术 第四章 制造自动化技术 第五章 先进制造模式 第六章 先进管理技术,课程总体简介,本书是根据现阶段模具、数控专业培养方案的指导思想和最新的教学计划编写的。 全书共6章，包括绪论、先进设计技术、先进制造工艺技术、制造自动化技术、先进制造模式以及先进管理技术等，本书侧重阐述适用的先进制造技术的基本概念、应用领域和关键技术。 本书既可作为中等职业学校模具制造专业、数控技术应用专业及相关专业的教学用书，也可作为高等职业学校机电类专业的教材或相关岗位培训教材。,课程简介,本书是根据现阶段模具、数控专业培养方案

2、的指导思想和最新的教学计划编写的。主要以中等职业学校模具设计与制造专业、数控技术应用专业应用型人才培养为对象，从先进设计技术、先进制造工艺技术、制造自动化技术、先进制造模式以及先进管理技术等方面，系统介绍各类先进的适用技术，阐述每项技术的基本概念、应用领域和关键技术，拓宽学生的知识面，了解各类制造技术的发展现状和趋势，以增强对学生创新能力的培养。 本书内容新颖、实用，突出中职教育的实用性和应用性，力求做到深入浅出、图文并茂，知识性与通俗性的统一。 本书具有以下主要特点： 1）注重系统性和完整性，章节之间既有联系，又独立成章，方便教学。 2）注重工程实用，介绍典型先进制造技术。,前 言,3）配以

3、典型应用案例，加强实用性与参考性。 4）链接相关背景知识，拓宽知识面。 本课程教学共需38学时左右，学时分配可参考表0-1,第一章 绪论,学习目标：通过本章的学习，应对制造业的发展进程有一个初步的了解。 对先进制造技术的特点、发展历程、现状及其今后的发展趋势有所认识。,第一节 制造业的发展概况,一、概念 （1）制造(Manufacturing) 制造是一种将物料、能量、资金、人力资源、信息等有关资源，按照社会的需求转变为新的、有更高应用价值的有形物质产品和无形软件、服务等产品资源的行为和过程。 国际生产工程研究学会(CIRP)的定义：“制造是一个涉及制造工业中产品设计、物料选择、生产计划、生产

4、过程、质量保证、经营管理、市场销售和服务的一系列相关活动和工作的总称”。 （2）制造系统(Manufacturing System) 制造过程及其所涉及的硬件（包括人员、生产设备、材料、能源和各种辅助装置）以及有关的软件（包括制造理论、制造工艺、制造方法和制造信息等)，组成了一个具有特定功能的有机整体，称为制造系统。,CIRP的定义：“制造系统是制造业中形成制造生产的有机整体，在机电工程生产中，制造系统具有设计、生产、发运和销售的一体化功能”。 （3）制造技术(Manufacturing Technology) 制造技术则是按照人们所需的目的，运用知识和技能，利用客观物质工具，使原材料转变为产

5、品的技术总称。也可以说是完成制造活动所需的一切手段的总和。 （4）制造业(Manufactury) 制造业是所有与制造活动有关的实体或企业机构的总称。,二、制造业的发展 社会的进步和发展，是伴随着制造业的革新和发展而进行的。科技的进步和制造业的发展，是推动社会发展的主要动力。每一个社会发展阶段，都会出现与之相匹配的加工制造技术。社会各个时期制造业的发展进程，见表1-1。,表1-1 社会时期的制造发展,制造模式的变迁，如图1-1所示。,制造发展的概况，如图1-2所示。,各年代达到的加工精度，如图1-3所示。,制造业在近代的发展，主要经历了三个发展阶段：,1用机器代替手工，从作坊形成工厂 20世纪

6、初，各种金属切削加工工艺方法逐渐形成，近代制造技术已成体系。但是机器(包括汽车)的生产方式是作坊式的单件生产，它产生于英国，在19世纪先后传到法国、德国和美国，并在美国首先形成了小型的机械加工厂。 2从单件生产方式发展成大量生产方式 推动这种根本变革的是两位美国人：弗雷德里克泰勒(Frederick W Taylor)和亨利福特（Henry ford）。 泰勒首先提出了以劳动分工和计件工资制为基础的科学管理，成为制造工程科学的奠基人。 福特首先推行零件互换技术，1913年建立了具有划时代意义的汽车装配生产线，实现了以刚性自动化为特征的大量生产方式，它对社会结构、劳动分工、教育制度和经济发展，都

7、产生了重大的作用。零件互换技术20世纪50年代发展到了顶峰，产生了工业技术的革命和创新，传统制造业及其大工业体系也,随之建立和逐渐成熟。 3柔性化、集成化、智能化和网络化的现代制造技术 20世纪80年代以来，现代制造技术逐步成为加工制造业的主要方法。随着现代加工技术的不断完善，其应用体系与技术也正日益成熟，其中主要的发展方向有： 1）对传统制造技术的不断革新与拓展。 2）对非传统加工方法的应用。 3）朝精密化工程发展。 4）制造系统朝柔性化、集成化、智能化和网络化方向发展。 其中，制造业各阶段的具体生产模式和经营策略，见表1-2。,表1-2 制造业各主要发展阶段的生产模式和经营策略,制造型企业

8、运行模型，如图1-4所示。,三、 制造业的发展趋势及特点 随着计算机、微电子、信息和自动化技术的迅速发展，给制造业在产品设计、工艺与装备、生产管理和企业经营带来了重大变革，先后诞生了一系列新制造技术和新制造模式,见表1-3。 而在新材料方面，随着高强质轻合金、工程塑料、复合材料、陶瓷材料、新型合金等材料的应用，使产品用材有了显著变化，又促进了新的加工工艺和成形方法的发展。出现了多种精密加工、复合加工、特种加工、材料改性等新工艺，提高了加工质量和效率。加工装备走向一机多能、粗精加工一体化、加工检测集成、人机一体化，出现了智能化加工单元。 专家预测，社会趋势将相继是纳米时代和生物时代，以分子、原子

9、等为对象的纳米制造和以基因技术为核心的生物制药闪亮登场，制造的主要对象将扩大到基因资源和微观领域的各种资源。预言称：将用纳米科技“营造自然界尚不存在的新的物质体系”；将用基因技术“重塑世界”。,表1-3 制造新技术和新模式名称代号,总之，现代制造将以先进制造技术为主要支撑，以资源和资源转换为对象，以现代制造科学与技术为基础，以制造系统为载体，以信息化、网络化、生态化和全球化为环境和背景，追求社会经济的持续快速发展。基于因特网Internet的供应链制造系统模型，如图1-5所示。,人物介绍,1泰勒 弗雷德里克泰勒(Frederick W .Taylor，18561915)是美国古 典管理学家、科

10、学管理的主要倡导 人，被人称为“科学管理之父”。 “泰勒（Taylor）制”的工程哲 理：即将产品的开发的过程尽可能 细地划分为一系列串联的工作步 骤，由不同的部门承担，依次执 行。实质上是“串行工程” (严格制定操作规程、动作、频率 等，计算在规定时间内的劳动量 进行管理）,2福特 亨利福特（Henry ford， 18631947）世界著名的“汽车大 王”，终生致力于汽车的研究和制 造，使汽车成为人人买得起的商品。福 特首先推行了零件互换技术、建立汽车 装配生产线、实现大量生产方式等，它 对社会结构、劳动分工、教育制度和经 济发展，都产生了重大的影响。 一个人可以轻易地失败，但只有他 付出

11、所有的一切和所能做的一切时，他 才有可能成功。正因为这一点，才使得 成功如此艰难和宝贵。 亨利福特,第二节 先进制造技术概述,一、概念 先进制造技术(Advanced Manufacturing Technology，AMT)是传统制造技术、信息技术、计算机技术、自动化技术与管理科学等多学科先进技术的综合，并应用于制造工程之中所形成的一个学科体系。 AMT是在传统制造技术基础上不断吸收机械、电子、信息、材料、能源和现代管理等方面的成果，并将其综合应用于产品设计、制造、检测、管理、销售、使用、服务的制造全过程，能实现优质、高效、低耗、清洁、灵活的生产，提高市场的适应能力和竞争能力，以期取得理想的

12、技术经济效果。因此，AMT呈现出精密化、柔性化、网络化、虚拟化、智能化、清洁化、集成化、全球化等特点。 在以知识为基础、以创新为动力的新经济体系中，制造业正面临着严峻的挑战与机遇。因此，研究和推广应用先进制造技术无疑是十分重要的。,二、体系结构 1994年初，美国联邦科学、工程和技术协调委员会(FCCSET)下属的工业和技术委员会先进制造技术工作组提出将先进制造技术分为三个技术群： 主体技术群，包括面向制造的设计技术群和制造工艺技术群； 支撑技术群； 制造基础设施(制造技术环境)。 FCCSET提出的先进制造技术的体系结构及主要内容，见表1-4所示。 三、特点与作用 1特点 先进制造技术除具有

13、精密化、柔性化、网络化、虚拟化、智能化、清洁化、集成化、全球化等特点之外，还具备以下特征：,表1-4 先进制造技术的体系结构,（1）集合多学科成果形成一个完整的制造体系 先进制造技术是多种科学及方法的整合。但它决不是若干独立学科先进技术的简单累加，而是按照新的生产组织和管理哲理建立起的体系，先进制造体系要实现自身的先进性，保证“时、空、人、物、信息、处理及决策”的正确性，就离不开先进的信息技术、自动化技术和先进的管理科学，并且要将这些技术和科学应用于制造工程之中，形成一个有机的完整体系。 （2）先进制造技术的发展是一个动态过程 由于先进制造技术本身是在针对一定的应用目标，不断地吸收各种高新技术

14、逐渐形成、不断发展的新技术，因而其内涵不是绝对的和一成不变的。具体反映在不同的时期，先进制造技术有其自身阶段性的特点；反映在不同的国家和地区，先进制造技术也有其本身侧重发展的目标和内容。 （3）先进制造技术的重要支撑是信息技术 信息技术正在向制造技术注入和融合，促进着制造技术的不断发展，使传统制造技术发生着质的变化。目前，信息技术对制造技术发展的作用已占第一位。,信息技术促进着设计技术的现代化，加工制造的精密化、快速化，自动化技术的柔性化、智能化，整个制造过程的网络化、全球化。各种先进生产模式的发展，如：计算机集成制造系统、并行工程、敏捷制造、虚拟企业与虚拟制造，也无不以信息技术的发展为支撑。

15、 2作用 统计表明，制造业为工业化国家创造了6080的社会财富，是国际贸易中主要交易物品的源泉。综观世界各国的发展历程，可以发现：如果一个国家的制造业发达，它的经济必然强大，国家的综合实力也得以提升。人类社会的发展史，特别是近几十年世界经济的发展状况就是有力的证明。 高质量、高水平的制造业必然要以先进的制造技术做后盾。世界上各个工业化国家经济上的竞争主要是制造技术的竞争。在各个国家的企业生产力的构成中，制造技术的作用一般占5565。亚洲部分国家（如日本、韩国等）的发展在很大程度上就是因其重视制造技术，通过制造技术形成产品，依靠产品占领世界市场，从而实现经济乃至国力的迅速崛起、腾飞。,第三节 先

16、进制造技术发展趋势,一、先进制造技术向超精微细领域扩展 微型机械、纳米量测、微米纳米加工制造的发展使制造工程科学的内容和范围进一步扩大，要求用更新、更广的知识来解决这一领域的新课题。 二、制造过程的集成化 产品的加工、检测、物流、装配过程走向一体化。计算机辅助设计、计算机辅助工程、计算机辅助制造的出现，使设计、制造成为一体；精密成形技术的发展，使热加工可直接提供接近最终形状、尺寸的零件，它与磨削加工相结合，有可能覆盖大部分零件的加工，淡化了冷热加工的界限；机器人加工工作站及柔性制造系统的出现，使加工过程、检测过程、物流过程融为一体；现代制造系统使得自动化技术与传统工艺密不可分；很多新型材料的配

17、制与成形是同时完成的，很难划清材料应用与制造技术的界限。这种趋势表现在生产上是专业车间的概念逐渐淡化，将多种不同专业的技术集成在一台设备、一条生产线、一个工段或车间,三、制造科学与制造技术、生产管理的融合 制造科学是对制造系统和制造过程知识的系统描述。它包括制造系统和制造过程的数学描述、仿真和优化，设计理论与方法以及相关的机构运动学和动力学、结构强度、摩擦学等。事实证明，技术和管理是制造系统的两个轮子，由生产模式结合在一起，推动着制造系统向前运动。在计算机集成制造系统、敏捷制造、虚拟制造等模式中，管理策略和方法是这些新生产模式的灵魂。 四、绿色制造将成为制造业的重要特征 绿色制造是一种现代制造

18、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生命周期中，对环境的负面影响最小、资源利用率最高，并使企业经济效益和社会效益最高。环境与资源的约束，使绿色制造业显得越来越重要，它是21世纪制造业的重要特征，并将获得快速的发展。主要体现在绿色产品设计技术、绿色制造技术、产品的回收和循环再制造。,五、虚拟现实技术在制造业中获得越来越多的应用 虚拟现实技术主要包括虚拟制造技术和虚拟企业两个部分。虚拟制造技术将从根本上改变了设计、试制、修改设计、组织生产的传统制造模式。在虚拟制造环境中可以用虚拟的产品原型代替真实样品进行试验，对其性能和可制造性进行预测和评价，从而缩短产品的设计与制造

19、周期，降低产品的开发成本，提高系统快速响应市场变化的能力。 虚拟企业则是为了快速响应某一市场需求，通过信息高速公路，将产品涉及到的不同企业临时组建成为一个没有围墙、超越空间约束、靠计算机网络联系、统一指挥的合作经济实体。 六、制造全球化 先进制造技术的竞争正在导致制造业在全球范围内的重新分布和组合，新的制造模式将不断出现，更加强调实现优质、高效、低耗、清洁、灵活的生产。随着制造产品、市场的国际化及全球通信网络的建立，国际竞争与协作氛围的形成，2l世纪制造国际化是发展的必然趋势。,思考题,1-1 什么是制造、制造系统、制造技术及制造业？ 1-2 简述制造业的发展阶段及其特点？ 1-3 简述制造业

20、的发展趋势？结合自己的认识，谈谈对制造业发展的展望？ 1-4 什么是先进制造技术？其特点有哪些？ 1-5 先进制造技术的发展趋势是什么？先进制造技术的出现与发展，对社会进步有哪些积极影响？,第一节 先进设计技术概述 新产品的开发是一个技术创新和价值实现的过程，是一个复杂的智力劳动的 结晶。产品设计阶段的工作产量约占产品全生命周期的20，但却决定了产品 制造成本的80。因此，产品开发和工程设计的能力是企业的核心。 一、概念 （1）新产品 是采用新技术原理、新技术构思研究生产的全新型产品，在结 构、材质、工艺等任一方面，比老产品有重大改进或显著提高了产品性能、扩 大了使用功能的改进型产品。 （2）

21、新产品开发 是一个技术创新和价值实现的过程，大致可分为市场分 析、 产品设计、产品制造和市场营销四个阶段。 （3）先进设计技术 是指以满足市场产品的质量、性能、时间、成本等综合 效益最优为目的，以计算机辅助设计技术为主体，以知识为依托，以多种科学方 法和技术为手段，研究、改进、创造产品活动过程所用到的技术群体的总称。,第二章 先进设计技术,学习目标：通过学习，对先进的设计技术与设计方法有一个概括性的了解。,二、先进设计技术的分类 先进设计技术内容广泛，分支学科繁多，具体可分为成以下四个层次： （1）基础技术 是指传统的设计理论与方法，特别是运动学、静力学与动力学、材料力学、结构力学、热力学、电

22、磁学、工程数学的基本原理与方法等。 （2）主体技术 是指计算机辅助设计、智能CAD、优化设计、有限元分 析程序、模拟仿真、虚拟设计和工程数据库等。 （3）支撑技术 包含设计方法学、可信性设计技术及试验设计技术。 （4）应用技术 是针对实用目的解决各类具体产品设计领域的技术，如 机床、汽车、工程机械的设计等。,三、先进设计技术的特点 先进设计技术是在多种设计、制造技术的基础上融合而成的一种具有鲜明优势的设计方法。其特点为： 1）是多学科交叉融合的产物，是传统设计技术的继承、延伸和发展。 2）正在向集成化、智能化、并行化、网络化、虚拟化、微型化和生态化方向发展。 3）逐步成为相对独立、平台共享的新

23、型产业，为现代制造的发展提供新的基础和支撑。,先进设计方法学主要是指并行设计、系统设计、功能设计、模块化设计、价值工程、质量功能配置、模糊设计、工业造型设计、绿色设计、面向对象的设计、反求工程等。这里只介绍：质量功能配置、工业造型设计、面向对象的设计及反求工程技术。,第二节 先进设计方法学,先进设计方法学 : 主要是指并行设计、系统设计、功能设计、 模块化设计、价值工程、质量功能配置、模糊设计、工业造型设计、绿色设计、面向对象的设计、反求工程等。,一、质量功能配置 （1）质量功能配置(Quality Function Deployment，QFD) 它是一种面向市场顾客的包括产品开发工作中的管

24、理、方案设计、 零部件设计、制造工艺计划以及生产组织等一系列过程有机协调的系统 化方法，是现代管理和质量工程的核心技术之一。 （2）QFD的基本思想 是面向市场顾客，把市场顾客的需求尽可能准确地反映在产品开发的管理组织、方案设计、制造工艺计划、生产组织的各个环节，而产品 开发各阶段的进展和协调则由市场顾客的需求驱动，以此来尽可能地保 证满足市场需求。最大限度地满足用户需求。这种系统化的方法较充分 地体现了顾客需求至上的原则。,二、工业造型设计 是以科技的手段，用艺术的表现，对工业产品在材料、结构、工 艺、形态、表面处理及装饰等方面进行综合处理，使其具有实用、经 济、美观的优良品质的一种设计方法

25、。它是科学技术、艺术、经济、 社会诸因素的有机结合，涉及到应用物理、工艺学、价值工程学、系 统工程学、销售学、生理学、心理学、人机工程学、行为学、生物 学、美学、社会学以及历史文化研究等多种学科。 三、面向对象的设计 基本原则：面向对象的设计(0bject Oriented Design,OOD) 传统的结构分析方法往往使分析与数据之间产生分歧，难以统 一，给问题的解决带来了很大困难。为解决这一问题而出现了面向对 象方法(Object Oriented Paradigm，简称O-O方法)。 主要是利用面向对象的技术建立能够集成产品设计和制造信息的 产品定义模型，即面向对象的产品定义模型，在该模

26、型的基础上实现 系统的设计。,四、反求工程技术 反求工程技术是消化吸收并改进国内外先进技术的一系列工作方法和技术的总和。随着科技的快速发展，新的科技成果层出不穷，充分地、合理地利用这些科技成果，可以获得最佳的技术成果和经济效益。 1阶段划分 （1）应用阶段 一般只考虑购买国外先进的机器设备，在这一阶段，引进工作的主要目的是利用这些设备在生产过程中发挥作用。 （2）消化阶段 在引进国外先进的机器设备或产品时对引进设备或产品进行深入的分析研究，以科学的理论和先进的测试设备对其性能进行研究，这一阶段的主要目的是仿制引进的先进设备或产品。 （3）创新阶段 在综合消化引进技术的基础上，利用各种设计制造手

27、段，对原有技术进行改进创新，以求设计制造出在技术、性能等方面更好、市场竞争能力更强的产品。,面向X的设计(Design For X，DFX) DFX中的X可代表产品生命周期中的各种活动，包括制造、装配、拆 卸、检测、维护、服务等。 （1）面向装配的设计（Design For Assembly，DFA） 其主要作用是制定装配工艺规划，考虑装配的可行性；优化装配路 径；在结构设计过程中，通过装配过程仿真避免装配干涉。 （2）面向加工的设计（Design For Manufacturing，DFM） 其主要思想是在产品设计时不但要考虑功能和性能的要求，而且要 同时考虑 制造的可能性、高效性和经济性，

28、即产品的可制造性。其目 标是在保证功能和性能的前提下使制造成本最低。,反求工程的设计程序,1.反求工程的内涵 反求工程技术是消化吸收并改进国内外先进技术的一系列工作方法和技术的总和。随着科技的快速发展，新的科技成果层出不穷，充分地、合理地利用这些科技成果，可以获得最佳的技术成果和经济效益。 2研究对象 （1）实物类 主要是指先进产品设备的实物本身。 （2）软件类 包括先进产品设备的图样、程序、技术文件等。 （3）影像类 包括先进产品设备的图片、照片或以影像形式出现的资料。,3研究内容 包括对所引进产品设备设计理论、生产制造工程、管理工程等诸多方面的研究。从设计角度而言，反求工程技术的研究内容主

29、要包括对引进产品的设计指导思想、功能和原理方案、结构、形体尺寸、精度、材料、工作性能、造型设计、工艺、使用和维修、包装技术等分析。,5应用典范 第二次世界大战后日本制定了“吸收性战略”的基本国策，应用反求工程技术消化、吸收、创新其引进技术，给战后的日本国民经济注入了活力，推动了日本经济的高速发展，使日本国民经济从20世纪50年代落后先进国家二三十年，到70、80年代迅速成为世界第二号经济强国。,一、基本概念 可信性是产品质量特性的重要内涵。按照国家标准GBT 318794的定义，可信性是描述可用性和它的影响因素：可靠性、维修性及维修保障性的集合性术语。它一般用于非定量描述的场合。 可信性是广义

30、可靠性概念的新发展。,第三节 可信性设计技术,可信性的重要性,可信性技术已成为现代企业在竞争中获取市场份额的有力工具。美国一些人士认为，今后能通过竞争留存于市场上的只是那些能掌握住自己产品的可信性的企业。日本的一些人士也认为今后世界市场上竞争的焦点是可信性。 社会和政府的干预也有力地推动了可信性技术的发展。社会对服务(如运输、电力、通信和信息服务)的依赖日益增加，导致了用户对服务质量有更高的要求和期望。 资源的缺乏，对安全和环境的关注，以及对产品寿命周期费用的高度重视，都需强调可信性要求及其保证。,二、可信性设计技术的内容 面对国内外剧烈的市场竞争，机械工业的企业界必须认真对待用户的可信性要求

31、。虽然可信性本身没有定量的指标。但组成可信性概念的可用性、可靠性、维修性和维修保障性都有具体的内涵和定量指标。 可信性设计技术主要指可靠性与安全性设计、动态分析与设计、防断裂设计、抗疲劳设计、耐腐蚀设计、减摩和耐磨损设计、健壮设计、耐环境设计、维修性设计、人机工程设计等。,一、概念 新产品出厂投入使用之前，必须经产品性能试验，以检查其各方面 的性能是否达到设计要求。如功能试验、强度试验、可靠性试验、耐腐 蚀、耐磨损、振动噪声、温度压力、环保性能试验、人机工程试验等。 用来检查产品质量，为设计人员提供修改设计依据的手段，是降低 新产品试制成本，提高设计一次成功率的得力措施。 二、产品试验的种类

32、产品试验大致可分为以下五类。 （1）原型试验 是对产品实物的鉴定、验收等。 （2）仿真试验 是对实物模型或数字模型进行仿真，进而评价产品性能的一种试验方法。 （3）虚拟试验 借助于虚拟现实技术，以虚拟的三维实体为对象，通过视觉、听觉、嗅觉等感官使人近似地感到处于一个“真实”的试验环境中，去操作、控制整个试验过程，并记录试验结果供今后分析之用。,第四节 设计试验技术,（4）可靠性试验 是为了分析、评价、提高或保证产品的可靠性水平而进行的试验。根据产品可靠性试验的功能侧重不同，具体又可分为可靠性测定、可靠性增长、可靠性筛选、可靠性接收、可靠性验证与鉴定试验等。,1）可靠性测定试验 产品的研制者通过

33、试验获得产品设计、鉴定所需的可靠性数据。 2）可靠性增长试验 通过试验暴露产品缺陷，改进设计并获得可靠性增长信息。 3）可靠性筛选试验 产品的制造者通过试验剔除零件中的不合格品或暴露整机缺陷，消除早期故障。,4）可靠性接收试验 产品使用者通过验证产品批次可靠性水平以保证接收的产品批次达到规定要求。 5）可靠性测定、验证、鉴定试验 是政府或行业管理部门通过试验获得基础可靠性数据，以验证、鉴定产品的可靠性。,（5）产品环保性能试验 产品环保性能不仅局限于生产 和使用过程中排放的污染物要达到规 定的标准要求，而且在包括设计、制造、流通、使用、报废、回收及处 理、处置的全寿命周期中均要减少 对环境的负

34、面影响。这种拓展的产 品 环保性能，符合绿色设计的宗旨，是 对产品“绿色”程度的全过程控制，它要求在产品寿命周期的每一环 节都要 控制环境污染和资源能源的消耗。 企业由环保的被动、消极性变为 关系到企业的形象和生存，这就要求企业必极主动地迎接市场的挑战。,第三章 先进制造工艺技术,学习目标：通过对本章的学习，应了解适用的先进制造工艺技术概貌。 侧重了解快速原型制造技术和虚拟制造技术，其他内容可作为一般性 阅读知识。 建议读者可利用多种媒体，查询收集相关资料，开拓视野。 制造活动是人类社会最基本的活动，也是创造社会物质财富的主要活动。制造技术随着社会的发展和科技的进步不断地创新，从手工制造到机器

35、制造，从切削加工到成形制造，从去除工件材料成形到堆积工件材料成形，从宏观领域的制造到微观领域的制造，从利用客观世界已存在的材料到利用人类创造的新材料,加工制造的创新方法永无止境。,一、基本概念 （1）工艺 是使各种原材料、半成品成为产品的方法和过程。 （2）机械制造工艺技术 是指将原材料、半成品加工成机械产品的一切过程和方法的总称。 （3）电子工艺 主要是指电子元器件及其电路的制造方法和过程，包括电子元件、部件和装置的制造工艺，其中最有代表性、特殊性，最有前途的是单晶生长工艺、晶片制造工艺、超大规模集成电路制造工艺、微电子器件工艺、光刻工艺、离子注入工艺、镀膜工艺、电子束焊、激光焊和贵金属钎焊

36、等。,第一节 先进制造工艺技术概述,二、通用机械制造工艺的分类,成形工艺 : 主要指将不定形的原材料(块状、颗粒状、液态或固态)转化成所需要形状的工艺，如铸造、粉末冶金、塑料成形工艺等。粉末冶金成形工艺主要用于获得毛坯或不需再加工的制品，它几乎可以应用于所有工程材料。但主要用于制备各种具有复杂外形、内腔，或因为材料高硬度、高脆性、高强度而难以用其他方法生产的毛坯或工件。,变形工艺 变形工艺主要包括使工件的原始几何形状从一种状态改变为另一种状态。如锻造、冲压、轧制、挤压、拉拔等。变形工艺适用于铁碳合金、不锈钢、耐热钢、轻有色金属、重有色金属等。其中锻造常用于一些重要毛坯(轴、齿轮等)的生产，冲压

37、制品在汽车、家用电器等行业有广泛用途。,切削工艺: 切削工艺是制造过程的主要内容，几乎占全部工艺劳动量的13以上。切削和磨削是传统的机械加工方法。由于其生产效率高，加工成本低，能量消耗少，可以加工各种不同形状、尺寸和精度要求的工件。因此，切削和磨削一直是工件精加工和最后成形的最重要手段。今后相当长的时期里，切削、磨削仍然是获得精密机械零件最主要的加工方法。根据统计，近年来美国和日本每年消耗在切削和磨削方面的费用分别高达1000亿美元和10000亿日元。,连接工艺 连接工艺主要指将单个工件连接成组件或最终产品，如机械连接、焊接、粘接和装配等工艺。机械连接包括螺栓连接、铆接和压力连接。 材料改性工

38、艺及表面处理工艺 材料改性工艺及表面处理工艺是指不改变几何形状、仅改变工件材料的显微组织结构， 使工件具有所要求的物理机械性能，从而获得所希望指标的工艺。如材料热处理工艺等。,特种加工工艺 利用化学、电化学、物理(声、光、热、磁)等方法对材料进行的加工。特种加工工艺主要用于各种高硬难熔及具有特殊物理机械性能的材料和精密细小、形状复杂、难以甚至不能用传统切削工艺加工的零件。 快速成形工艺 直接根据产品CAD的三维实体模型数据，经计算机处理后，将三维模型转化为许多平面模型的叠加，再通过计算机控制，制造一系列平面模型并加以联结，形成复杂的三维实体零件。这样，不仅可以显著缩短产品的研制周期，并且可以节

39、省大量的研制费用。,三、先进制造工艺在AMT中的地位 先进制造工艺是先进制造技术的核心和基础。因为优化的工艺过程、工艺参数、工艺程序、工艺规范决定了制造技术的固有技术水平和效率，也决定了产品制造质量和效率。如果工艺有问题，再精良的自动化系统都不可能对工艺产生本质的改善。 以优质、高效、低耗、洁净、灵活为特征的先进制造工艺较早就在工业发达国家得到发展与普遍应用，我国在这方面与工业发达国家相比，还存在较大差距。因此，必须重视和加快先进制造工艺的研究与应用。,四、先进制造工艺的特点 （1）先进性 主要表现在优质、高效、低耗、洁净、灵活(柔性)五个方面。 （2）实用性 主要表现在两个方面：一是应用普遍

40、性。它将是机械制造类企业的主要工艺。二是经济适用性。它一般投资不高，而且有不同档次，适宜企业技术改造。 （3）前沿性 主要表现在先进制造工艺可以实现高新技术的产业化或加快传统工艺的更新改造，它们是制造工艺研究最为活跃的前沿领域。,先进制造工艺的技术发展趋势,1采用模拟技术，优化工艺设计 2成形精度向无余量方向发展 3成形质量向无“缺陷”方向发展,6采用自动化技术，实现工艺过程的优化控制 7采用清洁能源及原材料，实现清洁生产,4机械加工向超精密、超高速方向发展 5采用新型能源及复合加工，解决新型材料的加工和表面改性难题,8加工与设计之间的界限逐渐淡化，并趋向集成及一体化 9工艺技术与信息技术、管

41、理技术紧密结合，先进制造生产模式获得不断发展,随着全球市场一体化的形成，制造业中新产品的开发和上市已成为市场竞争的关键。谁能在最短的时间内推出适应市场变化的新产品，谁就在竞争中赢得先机。 为了推出新产品，在进行充分时常调研的基础上，要尽快利用先进设计技术进行产品的设计，推向市场。 产品创新的速度和制造技术的柔性成为企业的核心竞争能力。,第二节 快速原形制造技术,快速原形制造(Rapid Prototyping Manufactureing，RPM) 技术，被认为是制造技术领域的一次重大突破。,RPM可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转化为具有一定功能的原形，有效地缩短了产品的研究开发周期,

42、针对工程领域而言，其广义上的定义为：通过概念性的具备基本功能的模型快速表达出设计者意图的工程方法 针对制造技术而言，其狭义上的定义为：一种根据CAD信息数据把成形材料层层叠加而制造零件的工艺过程,RP成形原理图,图3-4 光固化成形原理 1-升降台 2刮平器 3液面 4光敏树脂 5紫外激光 6成形零件,RPM零件图形处理过程 1）快速原形制造的计算机系统只有接受三维CAD模型后，才能进行切片处理（三维模型的近似处理 ） 2）三维模型的切片处理 沿成形的高度方向每隔一定的间隔进行切片处理，以获取截面的轮廓。间隔的大小根据待成型零件的精度和生产率要求选定。间隔越小，精度越高，但成形时间越长。间隔选

43、取的范围为0.050.5 mm，常用的是0.1mm左右。,快速成形过程,RP的主要成形工艺 1.基于激光或其他光源的成形技术 2.基于喷射的成形技术,RPM的应用,1. 军事领域 2. 航天领域 3.文物、考古等领域 4.医学领域,第三节 快速制模技术,模具工业是制造业的基础工业。采用模具生产零部件，具有生产效率高、质量均匀、节约能源和材料、成本低等一系列优点，而且模具业的发展水平，很大程度上决定了当代工业生产工艺的发展方向，模具技术水平已成为衡量一个国家制造水平的重要标志之一。（汽车、塑料制品、柜体板材加工等）。,快速模具制造技术,直接快速制模技术 (Direct Rapid Tooling

44、 DRT),间接快速制模技术 （1）硅橡胶模具的制作 先利用CAD三维模型直接快速制得原型，再经硅橡胶模过渡转换得到陶瓷铸型或石膏铸型，再由陶瓷铸型浇注出金属模具。,（2）快速成形石墨电极 由RP原型(阳模)直接复制出三维研具(阴模)，再在石墨电极研磨机上用研具研磨出三维整体电极(阳模)，从而加快了石墨电极的制造。,虚拟制造: （Virtual Manufactuing,VM）是产品实际制造过程在计算机上的模拟实现，利用计算机仿真与虚拟现实技术，在高性能计算机上实现产品的设计、生产以及企业的管理与控制等产品全生命周期活动。 虚拟制造的特点： （1）信息高度集成，灵活性高 （2）群组协同，分布合

45、作，效率高,第四节 虚拟制造技术,虚拟制造的三个特征,虚拟制造分类 : 按照产品在生命周期中的各类活动，可将虚拟制造分成三类： （1）以设计为中心的(design-centered)VM （2）以生产为中心的(production-centered)VM （3）以控制为中心的(control-centered)VM 以什么为中心就是在考虑全局的情况下侧重于某方面.,VM的效果,实践证明，虚拟制造技术可以为企业带来六个方面的效果： (1) 提供影响产品性能、制造成本、生产周期的相关信息，使决策者能够正确地处理产品的性能、制造成本、生产进度和风险之间的平衡关系，做出正确的设计和管理决策； (2)

46、提高产品的设计质量，减少设计缺陷，优化产品性能； (3) 提高工艺规划和加工过程的合理性，优化制造质量； (4) 通过生产计划的仿真，可以优化资源配置和物流管理，实现柔性制造和敏捷制造，缩短制造周期，降低生产成本； (5) 通过提高产品质量，降低生产成本和缩短开发周期，以及提高企业的柔性，以适应用户的特殊要求和快速响应市场的变化，形成企业的竞争优势； (6) 通过虚拟企业的概念以及具体的实践组成的快速响应团队，能够迅速对市场作出反映。,VM的应用案例,1汽车设计 2装载机设计 3飞机设计 4地域的虚拟化 5动力机车设计,高速切削(High Speed Cutting，简称HSC)主要用于车削与

47、铣削: 高速切削与普通切削的区别如下： （1）主轴的转速高 通常情况下，高速切削时主轴转速要比普通切削时高510倍。 （2）进给速度高 高速切削时，为了保持刀具每齿进给量基本不变，随着主轴转速的提高，进给速度也必须大幅度地提高。 （3）工艺流程和工件质量 在模具制造业中，采用高速切削后可以提高进给速度，减少工时来降低制造费用。如果保持切削时间不变，减少进刀量，就可以降低表面粗糙度，省去或减少原来手工清除切削后残留的表面沟纹的加工量 。,在各个不同行业中，采用高速切削的侧重面虽有不同，但概括来讲集中于以下几个方面: 1）提高进给速度，从而提高生产率和缩短生产周期。 2）提高切削速度和进给速度以减

48、少进给量，改善工件的形状精度和表面粗糙度。 3）减少切削时间，降低机床需求和简化工艺流程，从而达到降低生产成本的目的。,第五节 高速加工,高速磨削,高速磨削(High Speed Grinding简称HSG) 是用很高的切削速度和 进给速度进行磨削加工的方法。高速磨削速度的定义在不断地进步，上个世纪60 年代以前，磨削速度在50ms时即被称为高速磨削，而90年代磨削速度最高已达 500ms，在实际应用中磨削速度在100ms以上即被称为高速磨削。 高速磨削的特点: （1）提高表面质量和加工精度 在材料切除率不变的条件下，提高切削速度可 降低单一磨粒的切削深度，从而减小磨削力，降低工件表面粗糙度，

49、且在加工刚 性较低的工件时易于保证加工精度。 （2）提高生产率 假如高速磨削时仍维持原有的切削力，则可提高进给速度， 降低加工时间，提高生产效率。 （3）简化工艺流程 以往磨削仅适用精加工，加工精度虽高但加工余量很小。 当前的高速磨削的材料切除率可与车削、铣削相比，磨削既可精加工又可粗加 工，这样可大大减少机床种类，简化了工艺流程。 （4）降低成本和提高质量 尤其对于某些以磨削为最终工序的产品而言，高速 磨削可以大幅度地降低生产成本和提高产品质量。,3磨削速度 20世纪90年代初切削速度提高到了500ms。当前生产实践中，高速磨削的切削速度一般在100200 ms。 制约磨削速度提高的因素有：

50、 （1）主轴的驱动功率 经测算当主轴转速提高时，可用于切除材料的有效功率相应减少，如果有功功率太小时，加工效率势必下降，也就丧失了高速磨削的优势。 （2）砂轮的磨损 高速磨削加剧了磨削热量的产生，从而增加了砂轮的磨损。当砂轮使用寿命太短时，就需频繁更换砂轮，使辅助时间和砂轮费用增加，无法达到降低生产成本的目的。 （3）平衡设备 提高主轴转速，必须要有相应的平衡设备，对砂轮和主轴进行实时在线平衡或在磨削过程中进行连续平衡，以便把由动不平衡所引起的振动降低到最低水平。 （4）润滑冷却 高速磨削时，发热量剧增，如无高效的润滑系统，就会加速砂轮磨损或造成工件烧伤。,第六节 优质、高效焊接技术,一、概述

51、 焊接是通过加热或加压或两者并用，使分离的两部分金属形成原子结合的一种永久性联接方法。焊接在现代工业生产中具有十分重要的作用，广泛应用于机械制造中的毛坯生产、制造各种金属结构件、修复焊补等，如高炉炉壳、建筑构架、锅炉与压力容器、汽车车身、桥梁、矿山机械、大型转子轴、缸体等。,概述: 焊接是通过加热或加压或两者并用，使分离的两部分金属形成原子结合的一种永久性联接方法。 激光焊接技术： 激光焊接技术作为高精度，高效率焊接的主要方法之一，其应用日益广泛。激光焊接是以高功率聚焦的激光束为热源，熔化材料形成焊接接头的高精度高效率焊接方法。,激光焊接有两种基本模式： （1）热导焊 激光功率密度较低(101

52、06Wcm)，工件吸收激光后，仅达到表面熔化，然后依靠热传导向工件内部传递热量形成熔池。这种焊接模式熔深浅，深宽比较小。 （2）深熔焊 激光功率密度高(106107Wcm)，工件吸收激光后，迅速熔化乃至气化，熔化的金属在蒸气压力作用下形成小孔，激光束可直照孔底，使小孔不断延伸，直至小孔内的蒸气压力与液体金属的表面张力和重力平衡为止。小孔随着激光束沿焊接方向移动时，小孔前方熔化的金属绕过小孔流向后方，凝固后形成焊缝，,激光深熔焊原理,激光焊接的工艺特点有以下几点：,1）加热范围小，焊缝和热影响区窄，接头性能优良。 2）残余应力和焊接变形小，可以实现高精度焊接。 3）可对高熔点、高热导率，热敏感材

53、料及非金属进行焊接。 4）焊接速度快，生产率高；具有高度柔性，易于实现自动化。,激光焊接的应用,在工业发达国家，激光焊接已在许多工业部门得到应用，而汽车是其中最重要的部门。例如：车身覆盖件剪裁激光拼焊。用激光将不同厚度，不同材质，不同性能的小块拼焊起来，再冲压成形。材料利用率由4060提高到7080，而且减轻了重量，综合了性能。在这里只有采用激光焊接才能保证拼焊后表面平整，无翘曲和变形，确保车身覆盖件的质量。世界著名的汽车公司都采用了这种方法。 例如：用激光焊接技术焊接带燃料棒的核供热堆锆元件盒，外形尺寸为166.5mm166.5mm2384mm，采用2mm厚锆合金板焊接而成，最后在锆元件盒全

54、长范围内，各面及相互间的平面度、平行度、垂直尺寸公差均达到在0.20.3mm范围内，正反面焊缝表面直线度小于0.15mm，充分体现激光焊接的先进性。,第七节 精确高效塑性成形技术,一、概述 1概念 精确高效塑性成形技术是通过塑性变形方法来实现精确成形的一种先进制造技术，是建立在现代材料科学、力学、数值模拟和计算机、自动化和机器人技术、模具和润滑技术、金属塑性和成形技术等多种科学和技术基础上的一门先进科学技术。 由于市场的激烈竞争，制造企业为了降低产品生产成本、提高产品质量，要求毛坯制造业提供的成形件尺寸越来越精确，而制造企业在其基础上只需要少量切削加工或干脆不加工就能达到最终零件形状和尺寸。因

55、此，精确高效塑性成形技术有逐渐替代一般的锻压生产毛坯的趋势，成为优先选择的毛坯制造技术之一。同时这也是为什么近20多年来精确高效塑性成形技术在工业发达国家普遍受到重视，其发展逮度也普遍高于机械制造业的平均发展速度的主要原因。,2.特点 精确高效塑性成形技术具有以下特点： 1）精密成形件具有良好的内部组织与性能。 2）节省了切削加工，从而使成形件表层的细化晶粒得以保存，金属纤维的连续性也因而得以保持，从而提高了零件性能。 3）产品结构紧凑，高效率、低成本的成形技术，又成为降低产品成本参与市场竞争的制造技术。 4）成形件加工裕量小、尺寸一致性好。 3成形工艺 典型的成形工艺及其专用通用设备如下：

56、1）以压力机为主的热精锻成形。 2）以工具回转运动来实现成形的辊锻和楔横轧。 3）在冷态或相变温度以下成形的冷温成形技术。 4）以汽车覆盖件为代表的板料成形 5）在三向应力状态下的板料精冲技术 6）金属在超塑状态下的成形技术,二、精密冲裁 精密冲裁简称精冲，是一种先进制造技术，在一定条件下可取代切削加工，具有优质、高效、面广的特点，适合于组织自动化生产。 1精冲的特点 精密冲裁具有以下特点： （1）优质 精冲件的尺寸公差可达1T78级；剪切面粗糙度可达Ra2.40.4m，相当于磨削加工。 （2）高效 和切削加工相比精冲一般可提高工效10倍左右，精冲片齿轮可提高工效20倍左右，精冲凸轮提高工效4

57、0多倍。 （3）低耗 节约大量切削机床和切削加工所需电能，精冲后表面加工硬化有时可以取消后续淬火节约大量电能。 （4）面广 许多铸、锻毛坯切削加工件以及切削加工后用铆、焊联接在一起的组合件，均有精冲复合工艺生产，已广泛用于汽车、摩托车、起重机械、纺织机械、农机、电器开关、家用电器、仪器仪表、航空器等制造部门，一辆轿车就有80多种100多个精冲件。,图3-21精冲工艺过程示意图 1-压边圈 2-凸凹模 3-顶杆 4-凹模 5-反压板 6-冲孔凸模 7-工件,2精冲的基本特征 图3-21为精冲工艺过程示意图：,精冲和普通冲裁的主要区别 1)凸、凹模之间的间隙小，相当于普通冲裁间隙的110； 2)有

58、带齿形的V形环压边圈和反压板，是在压边力、反压力和冲裁力三力同时作用。 3)精冲过程中工件和条料最后分离前始终保持为一个整体，维持塑性变形状态。 为保证塑性变形的进行，采取以下措施： 1)冲裁前V形环压边圈压住材料，防止剪切变形区以外的材料在剪切过程中随凸模流动。 2)压边圈和反压板的夹持作用，再结合凸、凹模的小间隙使材料在冲裁过程中始终保持和冲裁方向垂直，避免弯曲翘起而在变形区产生拉应力，从而构成塑性剪切的条件。 3)必要时将凹模或凸模刃口倒以圆角，以便减少刃口处的应力集中，避免或者延缓裂纹的产生，改善变形区的应力状态。 4)利用压边力和反压力提高变形区材料的压应力张量，以提高材料的塑性。

59、5)材料预先进行球化处理，或采用适于精冲的特种材料。 6)采用适于不同材料的工艺润滑剂。,3精冲的基本条件 精冲模具、精冲材料、精冲润滑剂和精冲设备是完成精冲所必须的四项基本条件，其中 精冲模具是组织精冲零件生产的关键。 （1）精冲模具 精冲模的冲裁间隙小，有V形环压边圈和反压板，工件和废料都是上出料，要求精度高，刚性和导向性好。按结构特点分为： 1）活动凸模式，适合精冲小件。 2）固定凸模式，适合精冲中、大件或窄长的零件以及采用连续模。 精冲模按功能还可分为简单模（只冲外形不冲孔）、复合模（同时冲出外形和内形）、连续模（有若干个工位，用于精冲复合工艺或采用复合模结构凸凹模的强度太弱）。 （2）精冲材料 大约95的精冲件都是钢件，除铅黄铜外，多