機械制造技術基礎(第7章完成)課件

1、2022/7/24河南科技大學機電工程學院1第7章 先進制造技術簡介7.1 概述7.2 先進加工技術2022/7/24河南科技大學機電工程學院27.1 概述7.1.1 先進制造技術及其特點1. 先進制造技術是一項綜合性技術，它將各種與制造相關的技術集合成一體，并貫穿到從市場分析、產品設計、加工制造、生產管理、市場營銷、維修服務直至產品報廢處理、回收再生的生產全過程。 2.先進制造技術是一個動態(tài)技術，它不斷地吸收和利用各種高新技術成果，并將其滲透到制造系統(tǒng)的各個部分和制造活動的整個過程，使其不斷趨于完善。3. 先進制造技術特別強調計算機技術、信息技術和先進管理技術在制造中的綜合應用，特別強調人的

2、主體作用，強調人、技術、管理三者的有機結合。4.先進制造技術是多學科、多種技術交叉的產物，專業(yè)界限逐漸淡化甚至消失。5.先進制造技術向超精密、微細加工領域以及綜合自動化方向發(fā)展。2022/7/24河南科技大學機電工程學院37.1 概述7.1.2 先進制造技術的發(fā)展趨勢1. 精密化精密化是指對產品、零件的加工精度要求越來越高，加工的極限精度正向納米級、亞納米級精度發(fā)展。 2.集成化集成化的發(fā)展將使制造企業(yè)各部門之間以及制造活動各階段之間的界限逐漸淡化，并最終向一體化的目標邁進。 3. 柔性化制造柔性化是制造企業(yè)對市場需求多樣化的快速響應能力，也即制造系統(tǒng)能夠根據顧客的需求快速生產多樣化新產品的能

3、力。模塊化技術是提高制造自動化系統(tǒng)柔性的重要策略和方法。隨著并行工程（CE）和大規(guī)模定制生產（Mass Customization，MC）的出現(xiàn)，為制造系統(tǒng)柔性化提供了新的發(fā)展空間。4.網絡化 Internet和Intranet的出現(xiàn)，使企業(yè)之間的信息傳輸與信息集成以及異地制造成為可能。 2022/7/24河南科技大學機電工程學院47.1 先進制造技術概述7.1.2 先進制造技術的發(fā)展趨勢5. 虛擬化虛擬制造技術可以縮短產品設計與制造周期，提高產品設計成功率，降低產品開發(fā)成本，提高系統(tǒng)快速響應市場變化的能力。 6.智能化智能制造技術是指在制造系統(tǒng)和制造過程的各個環(huán)節(jié)，通過計算機來實現(xiàn)人類專家的

4、制造智能活動的各種制造技術的總稱。智能制造系統(tǒng)要求在整個制造過程中貫徹智力活動，使系統(tǒng)以柔性的方式集成起來，以在多品種、中小批量生產條件下，實現(xiàn)“完善生產”。 7.綠色化綠色制造目標是使產品從設計、制造、包裝、運輸、使用到報廢的整個壽命周期內對環(huán)境的負面影響最小，資源綜合利用率最高。7.管理技術先進化 2022/7/24河南科技大學機電工程學院57.2 先進制造工藝技術7.2.1 超精密加工技術1. 概述精密加工 在一定的發(fā)展時期，加工精度和表面質量達到較高程度的加工工藝。 超精密加工 在一定的發(fā)展時期，加工精度和表面質量達到最高程度的加工工藝。2. 超精密加工關鍵技術超精密加工機床技術精密主

5、軸。 超精密導軌。 傳動系統(tǒng)。表7-1 加工精度的劃分級別普通加工精密加工高精密加工超精密加工極超精密加工加工誤差/m1001010330.10.10.0050.0052022/7/24河南科技大學機電工程學院67.2 先進制造工藝技術2. 超精密加工關鍵技術超精密刀具天然或人造單晶金剛石刀具是目前最主要的超精密切削工具。 金剛石刀具刃磨技術是超精密切削中的一個重要問題。 刀具的刃口鈍圓半徑是一個關鍵參數(shù)，若極薄切削厚度欲達10nm，則刃口鈍圓半徑應為2nm。超精密測量技術 近年來超精密加工領域越來越多地選用光柵作為測量工具。從分辨率上看，光柵系統(tǒng)分辨率可達0.1nm，測量范圍100mm，精度

6、0.1m。而且光柵對環(huán)境的要求相對較低，可以滿足超精密加工的使用要求，是很有前途的超精密測量工具。環(huán)境控制技術恒溫。目前已達 (200.5) ，而切削部件在恒溫液的噴淋下最高可達 (200.05) 。防振凈化的環(huán)境，其最高要求為lm3空氣內大于0.01m的塵埃數(shù)目小于10個。2022/7/24河南科技大學機電工程學院77.2 先進制造工藝技術3. 金剛石超精密車削用途為適應計算機用的磁盤、錄像機中的磁鼓、各種精密光學反射鏡、射電望遠鏡主鏡面、照像機塑料鏡片、樹脂隱形眼鏡鏡片等精密零件的加工而發(fā)展起來的一種精密加工方法。 主要用于加工鋁、銅等非鐵系金屬及其合金，以及光學玻璃、大理石和碳素纖維等非

7、金屬材料。 關鍵技術金剛石刀具及其刃磨 通常在鑄鐵研磨盤上進行研磨 ； 晶向選擇應使晶向與主切削刃平行； 圓角半徑越小越好（理論可達到1nm）金剛石車床。要求高精度、高剛度、良好穩(wěn)定性、抗振性及數(shù)控功能等。2022/7/24河南科技大學機電工程學院87.2 先進制造工藝技術4. 超精密磨削加工定義超精密磨削技術是在一般精密磨削基礎上發(fā)展起來的一種亞微米級加工技術。它的加工精度達到或高于0.1m，表面粗糙度Ra低于0.025m，并正在向納米級加工方向發(fā)展。 超硬磨料微粉砂輪磨削技術金剛石微粉砂輪超精密磨削時，主要是微切削作用。這是由于磨粒具有很大的負前角和切削刃鈍圓半徑；又由于是微粉磨粒，因此具

8、有微刃性；同時，又由于砂輪經過精細修整，磨粒在砂輪表面上具有很好的等高性，因此其切削機理比較復雜。超精密砂帶磨削技術從加工機理來看，砂帶磨削兼有磨削、研磨和拋光的綜合作用，是一種復合加工。材料的塑性變形和摩擦力減小，力和熱的作用降低，工件溫度降低。使加工表面能得到很高的表面質量，但難以提高工件的幾何精度。2022/7/24河南科技大學機電工程學院97.2 先進制造工藝技術7.2.2 微細/納米加工技術1. 概述微細加工是指加工尺度為微米級范圍的加工方式。 納米技術（Nnao Technology，NT）是在納米尺度范圍（0.1nm-100nm）內對原子、分子等進行操縱和加工的技術。精度表示方法

9、一般尺寸加工，其精度用誤差尺寸與加工尺寸比值表示；微細加工，其精度用誤差尺寸絕對值表示?！凹庸挝弧?去除一塊材料的大小，對于微細加工，加工單位可以到分子級或原子級。微切削機理切削在晶粒內進行，切削力要超過晶體內分子、原子間的結合力，單位面積切削阻力急劇增大。2.微細加工技術微細切削加工主要采用銑、鉆和車三種形式，可加工平面、內腔、孔和外圓表面。 主要困難在于微型刀具的制造、安裝以及加工基準的轉換定位。 2022/7/24河南科技大學機電工程學院107.2 先進制造工藝技術2.微細加工技術微細特種加工微細電火花加工。微小工具電極的制作是關鍵技術之一。利用微小圓軸電極，在厚度為0.2mm的不銹鋼

10、片上可加工出直徑為40微米的微孔。 復合加工。復合加工是指電火花與激光復合精密微細加工。針對市場上急需的精密電子零件模具與高壓噴嘴等使用的超微硬質合金和聚晶金剛石燒結體的加工要求，特別是長徑比很大的深孔加工要求，開發(fā)出一種高效率的微細加工系統(tǒng)，它采用了電火花加工與激光加工的復合工藝。光刻加工光刻加工是利用光致抗蝕劑（感光膠）的光化學反應特點，在紫外線照射下，將照相制版上的圖形精確地印制在有光致抗蝕劑的工件表面，再利用光致抗蝕劑的耐腐蝕特性，對工件表面進行腐蝕，從而獲得極為復雜的精細圖形。2022/7/24河南科技大學機電工程學院117.2 先進制造工藝技術 光刻加工（電子束光刻大規(guī)模集成電路）

11、1. 涂膠（光致抗蝕劑）氧化膜光致抗蝕劑基片2. 曝光（投影或掃描）掩膜電子束3. 顯影、烘片（形成窗口）窗口離子束4. 刻蝕（形成溝槽）5. 沉積（形成電路）6. 剝膜（去除光致抗蝕劑）圖7-1 電子束光刻大規(guī)模集成電路加工過程2022/7/24河南科技大學機電工程學院127.2 先進制造工藝技術7.2.2 微細/納米加工技術3. 納米加工技術掃描隧道顯微測量（STM） 掃描隧道顯微鏡1971年由在IBM瑞士蘇黎世實驗室工作的G.Binning 和 H.Rohrer 發(fā)明，可用于觀察物體 級的表面形貌。被列為20世紀70年度世界十大科技成果之一，1976年因此獲諾貝爾物理學獎。 STM工作原

12、理基于量子力學的隧道效應。當兩電極之間距離縮小到1nm時，由于粒子波動性，電流會在外加電場作用下，穿過絕緣勢壘，從一個電極流向另一個電極。當一個電極為非常尖銳的探針時，由于尖端放電使隧道電流加大。G.Binning H.Rohrer2022/7/24河南科技大學機電工程學院137.2 先進制造工藝技術圖7- 2 STM實物照片 圖7-3 用STM移動分子組成的IBM字樣2022/7/24河南科技大學機電工程學院147.2 先進制造工藝技術3. 納米加工技術LIGA技術（X射線刻蝕電鑄模法） LIGA由深層同步X射線光刻、電鑄成形、塑注成形組合而成。包括三個主要工序（圖7-4）： 1）以同步加速

13、器放射的短波長（1nm）X射線作為曝光光源，在厚度達0.5mm的光致抗蝕劑上生成曝光圖形的三維實體； 2）用曝光蝕刻圖形實體作電鑄模具，生成鑄型； 3）以生成的鑄型作為模具，加工出所需微型零件。X射線曝光腐蝕溶解抗蝕劑電鑄鑄型注射成形零件圖7-4LIGA制作零件過程2022/7/24河南科技大學機電工程學院157.2 先進制造工藝技術7.2.3 高速加工技術1. 概述高速加工技術是指采用超硬材料刀具和磨具，利用高速、高精度、高自動化和高柔性的制造設備，以提高切削速度來達到提高材料切除率、加工質量的先進加工技術。 1931年德國切削物理學家C.J.Salomom在“高速切削原理”一文中給出了著名

14、的“Salomom曲線” 。 Salomom的理論與實驗結果，引發(fā)了人們極大的興趣，并由此產生了“高速切削（HSC）”的概念。2.高速加工定義ISO1940標準規(guī)定，主軸轉速高于7000rev/min為高速切削。德國Darmstadt工業(yè)大學提出以高于510倍普通切削速度的切削定義為高速切削。 主軸軸承孔直徑與主軸最大轉速乘積達(52000)105mmrev/min 時為高速切削。2022/7/24河南科技大學機電工程學院167.2 先進制造工藝技術圖7-5 Salomon切削溫度與切削速度曲線切削適應區(qū)軟鋁切削速度v/(m/min)切削不適應區(qū)0 600 1200 1700 2400 300

15、0青銅鑄鐵鋼硬質合金970高速鋼650碳素工具鋼450Stelite合金7501600 1200700400切削溫度/切削適應區(qū)非鐵金屬2022/7/24河南科技大學機電工程學院177.2 先進制造工藝技術1. 高速切削加工的關鍵技術高速主軸系統(tǒng)電主軸。如圖7-6所示。電主軸取消了從主電動機到機床主軸之間的一切中間傳動環(huán)節(jié)，主傳動鏈的長度縮短為零，故把這種新型的驅動與傳動方式稱為“零傳動”。靜壓軸承高速主軸固定軸承移動軸承冷卻液體靜壓軸承高速主軸的最大特點是運動精度很高，回轉誤差一般在0.2m以下。因而不但可以提高刀具的使用壽命，而且可以達到很高的加工精度和低的表面粗糙度?？諝忪o壓軸承可以進一

16、步提高主軸的轉速和回轉精度，其最高轉速可達100000rmin，轉速特征值可達2.7106 mmrmin，回轉誤差在50 nm以下2022/7/24河南科技大學機電工程學院187.2 先進制造工藝技術1. 高速切削加工的關鍵技術磁浮軸承高速主軸。磁浮軸承高速主軸結構如圖7-7所示。前輔助軸承電主軸雙面軸向推力軸承前徑向軸承后徑向軸承后輔助軸承前徑向傳感器后徑向傳感器軸向傳感器圖7-7 磁浮軸承高速主軸2022/7/24河南科技大學機電工程學院197.2 先進制造工藝技術1. 高速切削加工的關鍵技術超高速切削機床的進給系統(tǒng)高速進給系統(tǒng)：高速滾珠絲杠螺母+旋轉伺服電機。 采用大導程、多頭高速滾珠絲

17、杠，并進行預拉伸，提高絲杠的剛度；采用小直徑氮化硅陶瓷球滾珠，減少其運動時的離心力和陀螺力矩；絲杠采用中空結構，并采用空心強冷卻技術以減少高速滾珠絲杠運轉時由于摩擦產生溫升而造成的絲杠熱變形；采用傳感器對螺母的預緊力進行檢測，實現(xiàn)對螺母預加載荷的自適應控制；絲杠和螺母副的制造難度較大，速度和加速度存在一定的非線性特征，全閉環(huán)時系統(tǒng)穩(wěn)定性不易得到保證。直線電機進給驅動系統(tǒng)：直線電機作為進給伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件。 電動機直接驅動機床工作臺，傳動鏈長度為零；不受離心力的影響，結構簡單、重量輕，容易實現(xiàn)很高的進給速度（70 170m/min）和加速度（210g）；動態(tài)性能好、運動精度高（0.10.01m

18、）、運動行程不影響系統(tǒng)的剛度；無機械磨損。2022/7/24河南科技大學機電工程學院207.2 先進制造工藝技術1. 高速切削加工的關鍵技術超高速軸承技術提高制造精度等級。合理選擇軸承材料，如陶瓷球軸承。改進軸承結構德國FAG軸承公司開發(fā)的HS70和HS719系列軸承，將球直徑縮小至原來的70，增加了球數(shù)，從而提高了軸承結構的剛性。高性能的CNC控制系統(tǒng)數(shù)字主軸控制系統(tǒng)和數(shù)字伺服軸驅動系統(tǒng)應該具有高速響應特性；加工精度檢測裝置應選用具有高跟蹤特性和分辨率的檢測元件。進給驅動的控制系統(tǒng)應具有很高的控制精度和動態(tài)響應特性。要求單個程序段處理時間短；要有前饋和大量的超前程序段處理功能；要求快速行程刀

19、具路徑，刀具路徑盡可能圓滑，走樣條曲線而不是逐點跟蹤，少轉折點、無尖轉點；程序算法應保證高精度；遇到干擾能迅速調整，保持合理的進給速度，避免刀具振動。2022/7/24河南科技大學機電工程學院217.2 先進制造工藝技術7.2.4 先進特種加工技術1. 激光加工激光加工原理（圖7-7）圖7-7 激光加工原理圖 激光是一種受激輻射而得到的加強光。其基本特征： 強度高，亮度大 波長頻率確定，單色性好 相干性好，相干長度長 方向性好，幾乎是一束平行光 當激光束照射到工件表面時，光能被吸收，轉化成熱能，使照射斑點處溫度迅速升高、熔化、氣化而形成小坑，由于熱擴散，使斑點周圍金屬熔化，小坑內金屬蒸氣迅速膨

20、脹，產生微型爆炸，將熔融物高速噴出并產生一個方向性很強的反沖擊波，于是在被加工表面上打出一個上大下小的孔。2022/7/24河南科技大學機電工程學院227.2 先進制造工藝技術 激光加工特點 加工材料范圍廣，適用于加工各種金屬材料和非金屬材料，特別適用于加工高熔點材料，耐熱合金及陶瓷、寶石、金剛石等硬脆材料。 加工性能好，工件可離開加工機進行加工，可透過透明材料加工，可在其他加工方法不易達到的狹小空間進行加工。 非接觸加工方式，熱變形小，加工精度較高。 可進行微細加工。激光聚焦后焦點直徑理論上可小至1以下，實際上可實現(xiàn)0.01mm的小孔加工和窄縫切割。 加工速度快，效率高。 激光加工不僅可以進

21、行打孔和切割，也可進行焊接、熱處理等工作。 激光加工可控性好，易于實現(xiàn)自動控制。加工設備昂貴。2022/7/24河南科技大學機電工程學院237.2 先進制造工藝技術 激光加工應用 激光打孔 廣泛應用于金剛石拉絲模、鐘表寶石軸承、陶瓷、玻璃等非金屬材料，和硬質合金、不銹鋼等金屬材料的小孔加工。 激光打孔具有高效率、低成本的特點，特別適合微小群孔加工。 焦點位置對孔的質量影響：若焦點與加工表面之間距離很大，則激光能量密度顯著減小，不能進行加工。如果焦點位置偏離加工表面1mm，可以進行加工，此時加工出孔的斷面形狀隨焦點位置不同而發(fā)生變化（圖7-9）。 圖7-9 焦點位置對孔形狀影響2022/7/24

22、河南科技大學機電工程學院247.2 先進制造工藝技術 激光切割 激光切割具有切縫窄、速度快、熱影響區(qū)小、省材料、成本低等優(yōu)點，并可以在任何方向上切割，包括內尖角。 可以切割鋼板、不銹鋼、鈦、鉭、鎳等金屬材料，以及布匹、木材、紙張、塑料等非金屬材料。 激光焊接 與打孔相比，激光焊接所需能量密度較低，因不需將材料氣化蝕除，而只要將工件的加工區(qū)燒熔使其粘合在一起。 優(yōu)點：沒有焊渣，不需去除工件氧化膜，可實現(xiàn)不同材料之間的焊接，特別適宜微型機械和精密焊接。 激光熱處理 原理：照射到金屬表面上的激光使表面原子迅速蒸發(fā)，由此產生微沖擊波會導致大量晶格缺陷形成，達到硬化。 優(yōu)點：快速、不需淬火介質、硬化均勻

23、、變形小、硬化深度可精確控制。 2022/7/24河南科技大學機電工程學院257.2 先進制造工藝技術圖7-11 激光焊接車身圖7-10 激光切割2022/7/24河南科技大學機電工程學院267.2 先進制造工藝技術7.2.4 先進特種加工技術2.超聲波加工超聲波加工原理（圖7-12） 利用工具端面作超聲（1625kHz）振動，使工作液中的懸浮磨粒對工件表面撞擊拋磨來實現(xiàn)加工。 超聲波發(fā)生器將工頻交流電能轉變?yōu)橛幸欢üβ瘦敵龅某曨l電振蕩，通過換能器將超聲頻電振蕩轉變?yōu)槌暀C械振動，此時振幅一般很小，再通過振幅擴大棒（變幅桿）使固定在變幅桿端部的工具振幅增大到0.010.15mm。 變幅桿超聲

24、波發(fā)生器圖7-12 超聲波加工原理圖振動方向工具換能器工作液噴嘴工件2022/7/24河南科技大學機電工程學院277.2 先進制造工藝技術 超聲波加工特點及應用 適用于加工各種脆性金屬材料和非金屬材料，如玻璃、陶瓷、半導體、寶石、金剛石等 。 可加工各種復雜形狀的型孔、型腔、形面。 工具與工件不需作復雜的相對運動，機床結構簡單。 被加工表面無殘余應力，無破壞層，加工精度較高，尺寸精度可達0.010.05mm 。 加工過程受力小，熱影響小，可加工薄壁、薄片等易變形零件。 生產效率較低。采用超聲復合加工（如超聲車削，超聲磨削，超聲電解加工，超聲線切割等）可提高加工效率。2022/7/24河南科技大

25、學機電工程學院287.2 先進制造工藝技術7.2.5 快速原型制造技術1.快速原型制造原理 先由三維CAD軟件設計出所需要零件的計算機三維曲面或實體模型；然后根據工藝要求，將計算機內的三維數(shù)據模型進行分層切片得到各層截面的輪廓數(shù)據，計算機據此信息控制激光束有選擇性地切割一層一層的紙，或燒結一層接一層的粉末材料，或固化一層又一層的液態(tài)光敏樹脂，或用噴嘴噴射一層又一層的熱熔材料或粘合劑，形成一系列具有一個微小厚度的片狀實體；再采用熔結、聚合、粘結等手段使其逐層堆積成一體，便可以制造出所設計的新產品樣件、模型或模具。2. 特點制造過程柔性化 ；產品開發(fā)快速化 ；采用離散-堆積原理，可以制造任意復雜的

26、三維幾何實體；精度分析 ；造型的分析 ； 系列化、模塊化分析 制造過程可實現(xiàn)完全數(shù)字化 ；材料來源廣泛 ；發(fā)展的可持續(xù)性 2022/7/24河南科技大學機電工程學院297.2 先進制造工藝技術3.立體光刻立體光刻又稱光敏液相固化成形，是由Cahries Hull于1974年提出并獲美國專利，1977年美國3D Systems公司推出世界上第一臺商品化樣機SLA-250。它使用液態(tài)光敏樹脂為成形材料，采用激光器，利用光固化原理一層層掃描液態(tài)樹脂成形?？刂萍す馐辞衅浖厝〉膶用孑喞畔σ簯B(tài)光敏樹脂逐點掃描，被掃描區(qū)的液態(tài)樹脂發(fā)生聚合反應形成一薄層的固態(tài)實體。一層固化完畢后，工作臺下移一個切片

27、厚度，使新一層液態(tài)樹脂覆蓋在已固化層的上面，再進行第二層固化。重復此過程，并層層相互粘結堆積出一個三維固體制件。如圖7-13所示。特點：成形精度較高，可達0.1mm左右的制造精度，制件結構清晰且表面光滑，適合制作結構復雜和精細的制件。成型時間35h。但制件韌性較差，設備投資較大，需要支撐，液態(tài)樹脂有一定的毒性。 2022/7/24河南科技大學機電工程學院307.2 先進制造工藝技術圖7-132022/7/24河南科技大學機電工程學院317.2 先進制造工藝技術4. 分層實體制造工作原理：以單面事先涂有熱溶膠的紙、金屬箔等片材為原料，激光按切片軟件截取的分層輪廓信息切割工作臺上的片材，熱壓輥熱壓片材，使之與下面已成形的工件粘接；激光在剛粘接的新層上切割出零件截面輪廓和工件外框，并在截面輪廓與外框之間多余的區(qū)域內切割出后處理時便于剝離的網格；完成一層的截面后，工作臺帶動已成形的工件下降一個片材厚度，與帶狀片材分離；送料機構帶動料帶移動，使新層移到加工區(qū)域，熱壓輥熱壓，工件的層數(shù)增加一層，高加一度增個料厚；再在新層上進行激光切割。如此反復直至零件的所有截面粘接、切割完，得到