第9章 現(xiàn)代制造技術(shù)

1、第九章現(xiàn)代制造技術(shù)第一節(jié)精密加工與細(xì)微加工第二節(jié)高 速 加 工第三節(jié)特 種 加 工第四節(jié)數(shù)字化制造技術(shù)第五節(jié)綠色制造技術(shù)第一節(jié)精密加工與細(xì)微加工一、精密與超精密加工二、微細(xì)加工與納米技術(shù)一、精密與超精密加工(一)精密與超精密加工的概念(二)精密與超精密加工的特點(diǎn)(三)精密與超精密加工方法(二)精密與超精密加工的特點(diǎn)(1) “進(jìn)化”加工原理一般加工時機(jī)床的精度總是高于被加工零件的精度，這一規(guī)律稱為“蛻化”原理。(2)微量切削機(jī)理與傳統(tǒng)切削機(jī)理不同，精密與超精密加工中，背吃刀量一般小于晶粒大小，切削在晶粒內(nèi)進(jìn)行，必須克服分子與原子之間的結(jié)合力，才能形成微量或超微量切屑。(3)綜合制造工藝精密與超精

2、密加工中，要達(dá)到加工要求，需要綜合考慮加工方法、加工設(shè)備與工具、檢測手段、工作環(huán)境等多種因素。(4)自動化在精密與超精密加工中，廣泛采用計算機(jī)控制、自適應(yīng)控制、在線自動檢測與誤差補(bǔ)償技術(shù)，以減少人為影響因素，保證加工質(zhì)量。(5)精密測量精密測量是精密與超精密加工的必要條件，常成為精密與超精密加工的關(guān)鍵。(6)特種加工與復(fù)合加工傳統(tǒng)切削與磨削方法，加工精度有限，精密與超精密加工常采用特種加工與復(fù)合加工等新的加工方法。(三)精密與超精密加工方法1.金剛石刀具超精密切削2.精密磨削3.超硬磨料砂輪精密與超精密磨削4.精密和超精密砂帶磨削5.研磨、拋光精密和超精密加工3.超硬磨料砂輪精密與超精密磨削圖

3、9-2電解修銳法1工件2切削液噴嘴3超硬磨料砂輪4電刷5支架6負(fù)電極7電解液噴嘴3.超硬磨料砂輪精密與超精密磨削圖9-3砂帶磨削方式a)閉式砂帶磨削b)開式砂帶磨削5.研磨、拋光精密和超精密加工圖9-4磁性研磨原理5.研磨、拋光精密和超精密加工圖9-5機(jī)械化學(xué)拋光原理1拋光工具2間隙3工件4活性拋光液二、微細(xì)加工與納米技術(shù)(一)微細(xì)加工(二)納米技術(shù)與納米加工(一)微細(xì)加工1.微細(xì)機(jī)械加工2.微細(xì)電加工3.光刻加工(一)微細(xì)加工圖9-6單晶金剛石銑刀刀頭圖9-7線放電磨削原理1工件2金屬絲3導(dǎo)絲器(一)微細(xì)加工圖9-8線放電磨削加工的各種工件(一)微細(xì)加工圖9-9光刻加工過程a)涂膠b)曝光c

4、)顯影d)刻蝕e)剝膜1基片2氧化膜3光致抗蝕劑4光源(電子束)5掩膜6窗口7離子束(一)微細(xì)加工(二)納米技術(shù)與納米加工1.納米測量技術(shù)2.納米加工技術(shù)1.納米測量技術(shù)圖9-10STM 工作原理a)等高測量法b)恒電流測量法2.納米加工技術(shù)圖9-11納米汽車第二節(jié)高 速 加 工一、概述二、高速切削刀具三、高速主軸四、高速進(jìn)給機(jī)構(gòu)一、概述.高速加工的特點(diǎn). 高速加工的應(yīng)用.高速加工的關(guān)鍵技術(shù)一、概述圖9-12高速與超高速加工切削速度范圍1高速切削2超高速切削.高速加工的特點(diǎn)(1)加工效率高進(jìn)給率較常規(guī)切削提高510倍，材料去除率可提高36倍。(2)切削力小較常規(guī)切削至少降低30，徑向切削力降低

5、更明顯，這樣更有利于減小工件受力變形，適于加工薄壁件和細(xì)長件。(3)切削熱少加工過程迅速，95以上的切削熱被切屑帶走，工件積聚熱量少、溫升低，適合于加工熔點(diǎn)低、易氧化和易于產(chǎn)生熱變形的零件。(4)加工精度高高速加工刀具激振頻率遠(yuǎn)離工藝系統(tǒng)固有頻率，不易產(chǎn)生振動；由于切削力小，熱變形小，殘余應(yīng)力小，易于保證加工精度和表面質(zhì)量。(5) 工序集中利用同一設(shè)備既可對工件進(jìn)行高速粗加工，也可進(jìn)行高速精加工，實(shí)現(xiàn)工序集中。.高速加工的關(guān)鍵技術(shù)1)高速加工刀具、磨具材料與制造技術(shù)。2)高速主軸單元與高速進(jìn)給單元制造技術(shù)。3)高速加工在線檢測與控制技術(shù)。4)其他技術(shù)，如高速加工毛坯制造技術(shù)、干切技術(shù)、排屑技術(shù)

6、、安全防護(hù)技術(shù)等。二、高速切削刀具.高速切削刀具材料的發(fā)展.金剛石.聚晶立方氮化硼.高速切削刀具材料的發(fā)展圖9-13刀具材料的發(fā)展與切削加工高速化的關(guān)系.聚晶立方氮化硼(1)較高的硬度和耐磨性晶體結(jié)構(gòu)與金剛石相似，化學(xué)鍵類型相同，晶格常數(shù)相近，粉末硬度為8000HV。(2)高的熱穩(wěn)定性的熱穩(wěn)定性明顯優(yōu)于金剛石刀具。(3)良好的化學(xué)穩(wěn)定性在12001300時不與鐵系材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。(4)良好的導(dǎo)熱性的導(dǎo)熱性僅次于金剛石，是硬質(zhì)合金的20倍，且隨溫度升高而增加。(5)較低的摩擦系數(shù)與不同材間的摩擦系數(shù)為0.10.3(硬質(zhì)合金為0.6)，且隨切削速的提高而減小。三、高速主軸圖9-14電主軸原理結(jié)構(gòu)

7、1刀柄2軸承3主軸4定子5冷卻油出口6冷卻油進(jìn)口四、高速進(jìn)給機(jī)構(gòu)(1)采用新型直線滾動導(dǎo)軌直線滾動導(dǎo)軌中球軸承與鋼導(dǎo)軌之間接觸面積小，摩擦系統(tǒng)小，可大大減小進(jìn)給“爬行”現(xiàn)象。(2)采用滾珠絲杠采用小螺距、大尺寸、高質(zhì)量滾珠式絲杠或大螺距多頭滾珠絲杠可以在不降低精度的前提下獲得較高的進(jìn)給速度和進(jìn)給加、減速度。(3)采用數(shù)字化、智能化和軟件化高速切削機(jī)床已開始采用全數(shù)字交流伺服電動機(jī)和智能化、軟件化控制技術(shù)。(4)采用復(fù)合材料高速進(jìn)給機(jī)構(gòu)通常采用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，不但可減輕工作臺重量，又不損失其剛度，還可提高其動態(tài)特性。(5)采用直線電動機(jī)為提高進(jìn)給速度，先進(jìn)、高速的直線電動機(jī)已在進(jìn)給機(jī)構(gòu)中使用

8、。第三節(jié)特 種 加 工一、特種加工基本概念二、電火花成形加工三、電火花線切割加工四、其他特種加工方法一、特種加工基本概念.特種加工的特點(diǎn).特種加工的方法.特種加工的特點(diǎn)1)特種加工不是依靠刀具和磨料來進(jìn)行加工，而是利用電能、熱能、光能、聲能、化學(xué)能來去除金屬或非金屬材料，工件和工具之間無明顯的機(jī)械作用力，因此加工時工件變形小，加工精度高。2)特種加工的方法包括去除加工和結(jié)合加工。3)特種加工時，工具的強(qiáng)度和硬度可以低于工件的強(qiáng)度和硬度，同時工具的損耗很小，甚至無損耗，如激光加工、電子束加工等。4)特種加工中能量易于轉(zhuǎn)換和控制，工件一次裝夾中可以實(shí)現(xiàn)粗、精加工，有利于保證加工精度，提高生產(chǎn)率。.

9、特種加工的方法(1)力學(xué)加工應(yīng)用機(jī)械能進(jìn)行加工，如超聲波加工、噴射加工等。(2)電物理加工利用電能轉(zhuǎn)換成熱能、光能等進(jìn)行加工，如電火花成形加工、電火花線切割加工、電子束加工、離子束加工等。(3)電化學(xué)加工利用電能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能進(jìn)行加工，如電解加工、電鍍加工等。(4)激光加工利用激光光能轉(zhuǎn)換為熱能進(jìn)行加工。(5)化學(xué)加工利用化學(xué)能或光能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能進(jìn)行加工，如化學(xué)腐蝕加工(化學(xué)銑削)、化學(xué)刻蝕(光刻加工)等。(6)復(fù)合加工將機(jī)械加工和特種加工疊加在一起形成復(fù)合加工，如電解磨削等。二、電火花成形加工(一)電火花加工原理(二)電火花加工的特點(diǎn)及應(yīng)用(三)影響電火花加工的主要工藝因素(一)電火花加工原理

10、1)接在不同極性上的工具和工件之間，必須保持一定的距離以形成放電間隙。2)放電必須在具有一定絕緣性能的液體介質(zhì)中進(jìn)行。3)脈沖波形是單向的，如圖9-15所示。4)具有足夠的脈沖放電能量，以保證放電部位的金屬熔化或氣化，保證電解加工的生產(chǎn)效率。圖9-15脈沖電流波形脈沖寬度脈沖間隔T脈沖周期電流峰值(一)電火花加工原理圖9-16電火花加工原理1工件2脈沖電源3自動進(jìn)給裝置4工具電極5工作液6過濾器7泵(一)電火花加工原理(二)電火花加工的特點(diǎn)及應(yīng)用1)電火花加工可以加工任何導(dǎo)電材料，不論其硬度、脆性、熔點(diǎn)如何。2)電極和工件在加工過程中不接觸，兩者間的宏觀作用力很小，所以便于加工小孔、深孔、窄縫

11、等零件，而不受電極和工件強(qiáng)度、剛度的限制。3)電極材料不要求比工件材料硬。4)直接利用電、熱能加工，便于實(shí)現(xiàn)加工過程的自動控制。(三)影響電火花加工的主要工藝因素1.影響加工精度的因素2.影響表面質(zhì)量的因素三、電火花線切割加工圖9-17電火花線切割加工示意圖a)切割工件b)加工示意圖1工作臺2夾具3工件4脈沖電源5絲架6電極絲7工作液箱8卷絲筒9導(dǎo)絲輪四、其他特種加工方法.電解加工.超聲波加工.激光加工四、其他特種加工方法圖9-18電解加工示意圖.電解加工1)加工型面、型腔生產(chǎn)效率高，比電火花加工高510倍。2)工具電極損耗小，加工表面質(zhì)量好，表面無毛刺。3)局部棱角、小圓角很難加工，加工精度

12、不及電火花加工。4)設(shè)備要求防腐蝕、防污染，需配置污水處理系統(tǒng)。圖9-19超聲波加工原理圖1超聲波發(fā)生器2冷卻水入口3換能器4外罩5循環(huán)冷卻水6變幅桿7冷卻水出口8工具9磨料懸浮液10工件11工作槽.電解加工.超聲波加工1)適于加工各種硬脆金屬材料和非金屬材料，如硬質(zhì)合金、淬火鋼、陶瓷等。2)加工過程受力小，熱影響小，可加工薄壁、薄片等易變形零件。3)被加工表面無殘余應(yīng)力，無破壞層，加工精度較高，表面質(zhì)量較好。4)可加工各種復(fù)雜形狀的型孔、型腔和型面。5)生產(chǎn)效率較低。.激光加工1)加工精度高。2)加工材料范圍廣。3)加工性能好。4)不僅可進(jìn)行打孔、切割，也可進(jìn)行表面改性、焊接、熱處理等多種加

13、工。5)加工速度快、效率高。6)加工設(shè)備價格昂貴，加工成本高。.激光加工圖9-20激光加工原理圖1激光器2光闌3反射鏡4聚焦鏡5工件6工作臺7控制器第四節(jié)數(shù)字化制造技術(shù)一、計算機(jī)輔助設(shè)計與制造二、柔性制造系統(tǒng)三、計算機(jī)集成制造系統(tǒng)四、快速原形制造一、計算機(jī)輔助設(shè)計與制造.數(shù)控編程的方法.數(shù)控編程的內(nèi)容與步驟.數(shù)控編程的內(nèi)容與步驟(1)工藝處理分析所加工的零件圖樣、確定加工方法、加工工藝路線和工藝參數(shù)等。(2)數(shù)學(xué)處理根據(jù)各工藝參數(shù)計算刀具中心運(yùn)動軌跡，獲得刀位數(shù)據(jù)。(3)編寫數(shù)控程序根據(jù)數(shù)控機(jī)床所采用的數(shù)控指令代碼，在數(shù)控程序格式的指導(dǎo)下，將工件尺寸、刀具中心運(yùn)動軌跡、位移量、切削參數(shù)及主軸正

14、反轉(zhuǎn)等其他輔助功能編制成數(shù)控加工程序。(4)制備控制介質(zhì)不同的數(shù)控編程系統(tǒng)采用的控制介質(zhì)不盡相同。(5)校核加工程序通過動態(tài)模擬加工或首件試切校核數(shù)控加工程序，并反饋檢驗(yàn)結(jié)果。.數(shù)控編程的內(nèi)容與步驟圖9-21數(shù)控編程的步驟二、柔性制造系統(tǒng)1)提高中小批量零件制造時的生產(chǎn)率。2)縮短新產(chǎn)品試制的準(zhǔn)備時間。3)減少工廠的零件庫存。4)節(jié)約生產(chǎn)勞動成本。5)提高產(chǎn)品質(zhì)量。6)改善制造加工的工作條件。7)保證操作人員的安全。.柔性制造單元().柔性制造系統(tǒng)().柔性制造單元()(1)托盤搬運(yùn)式托盤是固定工件的器具，在加工過程中它與工件一起流動(類似通常的隨行夾具)。(2)機(jī)器人搬運(yùn)式圖9-23所示的是

15、由加工中心4、車削中心1、機(jī)器人2及兩個回轉(zhuǎn)工作臺3組成。圖9-22托盤搬運(yùn)式FMC1環(huán)形交換工作臺2托盤座3托盤4加工中心5托盤交換裝置.柔性制造單元()圖9-23機(jī)器人搬運(yùn)式FMC1車削中心2機(jī)器人3回轉(zhuǎn)工作臺4加工中心.柔性制造單元().柔性制造系統(tǒng)()(1)加工系統(tǒng)根據(jù)生產(chǎn)綱領(lǐng)及零件工藝分析，確定由臺數(shù)控機(jī)床組成。(2)物流系統(tǒng)機(jī)床的托盤站與倉庫之間采用一臺電纜感應(yīng)式自動引導(dǎo)小車進(jìn)行工件的運(yùn)輸。(3)信息系統(tǒng)信息系統(tǒng)由中央計算機(jī)承擔(dān)整個系統(tǒng)的生產(chǎn)計劃與作業(yè)調(diào)度、集中監(jiān)控以及加工程序管理。圖9-24JCS-FMS組成框圖.柔性制造系統(tǒng)()三、計算機(jī)集成制造系統(tǒng).的構(gòu)成. CIMS的發(fā)展與

16、應(yīng)用.的構(gòu)成(1)功能構(gòu)成包含了工廠設(shè)計、制造和經(jīng)營管理三種主要功能，在分布式數(shù)據(jù)庫、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和指導(dǎo)集成運(yùn)行的系統(tǒng)技術(shù)等所形成的支持環(huán)境下將三者集成起來，如圖9-25所示。(2)層次結(jié)構(gòu)任何企業(yè)都存在層次結(jié)構(gòu)，但各層次的職能及信息特點(diǎn)可能不同。(3)學(xué)科構(gòu)成是系統(tǒng)科學(xué)、計算機(jī)科學(xué)和技術(shù)、制造技術(shù)等交互滲透結(jié)合產(chǎn)生的集成方法和技術(shù)，并將此技術(shù)應(yīng)用到制造環(huán)境中，如圖9-26所示。.的構(gòu)成圖9-25CIMS的功能塊組成圖9-26CIMS的學(xué)科構(gòu)成.的構(gòu)成圖9-27國家CIMS工程研究中心的CIMS結(jié)構(gòu)示意圖.的構(gòu)成四、快速原形制造(一)快速原形制造技術(shù)的概念(二)快速原形制造工藝(三)快速原形技術(shù)

17、的特點(diǎn)及應(yīng)用(一)快速原形制造技術(shù)的概念圖9-28RPM 基本過程(二)快速原形制造工藝1.立體光刻工藝2.分層實(shí)體制造工藝3.選擇性激光燒結(jié)工藝4.熔融沉積成形工藝5.立體噴墨印刷工藝6.三維打印粘接工藝1.立體光刻工藝圖9-29SLA工藝過程示意圖1激光束2平面掃描頭3Z軸升降4樹脂槽5托盤6樹脂7零件原型2.分層實(shí)體制造工藝圖9-30LOM工藝過程4.熔融沉積成形工藝圖9-31FDM工藝過程1絲料2加熱原件3零件原形6.三維打印粘接工藝圖9-323DP工藝過程(三)快速原形技術(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)用1. M技術(shù)的特點(diǎn)2. M技術(shù)的應(yīng)用第五節(jié)綠色制造技術(shù)一、概述二、綠色制造過程三、綠色產(chǎn)品一、概述.綠色制造技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展.綠色制造技術(shù)的內(nèi)容.綠色制造的原則.綠色制造的原則(1) “不斷運(yùn)用”原則綠色制造技術(shù)持續(xù)不斷運(yùn)用到社會生產(chǎn)的全部領(lǐng)域和社會持續(xù)發(fā)展的整個過程；(2)預(yù)防性原則(3)一體化原則將空氣、水、土地等環(huán)境因素作為一個整體考慮，避免污染物在不同介質(zhì)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)移。.綠色制造的原則圖9-33綠色制造的內(nèi)容二、綠色制造過程.節(jié)省資源的制造技術(shù).環(huán)保型制造技術(shù).再制造技術(shù).節(jié)省資源的制造技術(shù)(1)減少制造過程中的能源消耗制造過程中消耗掉的能量一部分轉(zhuǎn)化為有用功之外，大部分能量都轉(zhuǎn)化為其他能量而浪費(fèi)。(2)減少原材料消耗產(chǎn)品制造過程中使用原材料越多，消耗的有限資源越多，并會