机械制造技术的发展教学课件PPT.ppt

1,第7章 制造技术的发展Development of Manufacturing Technology,本章主要内容：,机械制造技术的发展趋势、精密加工与超精密加工、非传统加工方法。,2,3,7.1.1 现代机械制造技术的特点,现代制造技术即用先进的制造技术(Advanced Manufacturing Technology，AMT)来代替传统的制造技术。先进制造技术（AMT）是一种以优质、高效、低能耗、洁净和灵活性为典型特征的新的机械制造技术。重视、发展和应用这种先进的制造技术对于一个国家国民经济水平的发展有着重大的意义。,4,一、AMT的产生背景,AMT首先由美国于20世纪80年代末提出。长期以来，美国政府只对基础研究、卫生健康、国防技术等给予经费支持，而对产业技术不予支持，主张产业技术通过市场竞争，由企业自主发展 20世纪70年代，一批美国学者不断鼓吹美国已进入“后工业化社会”，认为制造业是“夕阳工业”，主张经济重心由制造业转向高科技产业和第三产业,5,结果：导致美国在经济上的竞争力下降，贸易逆差巨增，日本家电、汽车大量涌入并占领了美国市场。（20世纪60年代美国汽车产量占世界汽车总产量的2/3，而到了80年代下降到不足1/3）。,20世纪80年代,美国政府开始认识到问题的严重性。白宫一份报告称“美国经济衰退已威胁到国家安全”MIT 的一份报告写到“经济竞争归根结底是制造技术和制造能力的竞争”，“一个国家要生活好，必须生产好”，表明美国知识界与政府之间取得了共识。,6,1988年,美国政府投资进行大规模“21世纪制造企业战略”研究,并于其后不久提出了“先进制造技术”发展目标，制定并实施了“先进制造技术计划（ATP）”和“制造技术中心计划（MTC）”1991年，白宫科学技术政策办公室发表“美国国家关键技术”报告，重新确立了制造业的地位,1993年，克林顿在硅谷发表题为“促进美国经济增长的技术 增强经济实力的新方向”的演说，对制造业给予了实质性强有力的支持。,7,“制造业仍是美国的经济基础，美国曾多年是制造业的世界领袖，不受挑战。但近十年我们的实力每况愈下,美国企业和政府对制造技术投资不足，与其它外国竞争者相比，美国公司在整个研究开发计划中忽视了与工艺有关的研究开发忽视了现有技术和诀窍的传播”,随着美国在“先进制造技术计划（ATP）”和“制造技术中心计划（MTC）”的实施和推行，从而取得了明显的效果。,8,汽车 2mm 工程，使轿车车身精度达到丰田水平。1994 年，美国汽车产量重新超过日本，重新占领欧、美市场美国Inter公司成为世界最大的芯片制造商（在此之前芯片生产也不敌日本，包括海湾战争中大出风头的“爱国者”导弹上使用的芯片也是日本制造的）20世纪90年代，经济持续增长，失业率降低到历史最低水平提出了一系列的先进制造技术的新理论、新思想，如：CE，LP，AM，,9,对AMT而言，至今尚无明确的和一致公认的定义，通过对其特征的分析和多年的实践总结，可以认为：AMT是制造业不断吸收信息技术和现代管理技术的成果，将其综合应用于产品设计、加工、检测、管理、销售、使用、服务乃至回收的制造全过程，以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活生产，提高对动态多变市场的适应能力和竞争力的制造技术的总称。,二、AMT的定义、要点和特征,10,提高制造企业对市场的适应能力和竞争力；强调信息技术、现代管理技术与制造技术的有机结合 信息技术、现代管理技术在整个制造过程中综合应用,AMT 是一项综合性技术 AMT不是一项具体的技术，而是利用系统工程思想和方法将各种相关技术集合成一个整体的，特别强调计算机技术、信息技术等的综合应用以及人、技术、管理的有机结合。,11,AMT 是一项动态技术 AMT 没有一个固定的模式，它要与企业的具体情况相结合。同时AMT 也不是一成不变的，而是动态发展的，它要不断地吸收和利用各种高新技术成果，并将其渗透到制造系统的各个部分和整个过程，使其不断趋于完善。,AMT 是面向工业应用的技术 AMT 有明显的需求导向特征，不以追求技术高新度为目的，重在实际效果。,12,AMT是面向21世纪的技术 AMT是制造技术发展的新阶段，它保留了传统制造技术中有效要素，吸收并充分利用了一切高新技术，使其产生了质的飞跃。AMT强调环保技术，符合可持续发展的战略。,AMT是面向全球竞争的技术 通过提高企业综合效益和对市场的快速反应能力，达到提高竞争力的目标。,13,7.1.2 现代机械制造技术的发展趋势,信息技术对AMT发展起着越来越重要的作用 信息技术是各种先进制造技术的重要支撑，信息技术向制造技术的注入与融合，必将促进AMT的不断发展。现代设计技术将迅速发展和不断完善 包括CAD，CAE，DFX，健壮设计，优化设计，智能设计，反求工程，面向全生命周期的设计等。,14,材料成形向精密、低耗、清洁方向发展 材料成形技术将使毛坯从接近零件形状向直接制成工件精密成形或称净成形的方向发展。据国际机械加工技术协会预测，本世纪初，塑性成形与磨削加工相结合，将取代大部分中小零件的切削加工。运用改性技术，将获得各种特殊性能要求的表面（涂）层，同时减少能耗并消除污染。,加工技术向超精密、超高速方向发展,15,绿色制造将成为21世纪制造业重要特征 包括：绿色产品设计技术（产品在全生命周期符合环保、人类健康、能耗低、资源利用率高的要求）；绿色制造技术（在整个制造过程，对环境负面影响最小，废弃物和有害物质的排放最小，资源利用效率最高）；产品的回收和循环再制造（例如，汽车等产品的拆卸和回收技术，以及生态工厂的循环式制造技术等）。虚拟制造将获得广泛应用 用虚拟制造环境中生成的软产品原型代替传统的硬样品进行试验，从而缩短产品的设计与制造周期，降低成本，提高系统快速响应市场变化的能力。,16,17,7.2.1 概 述,精密加工：在一定的发展时期，加工精度和表面质量达到较高程度的加工工艺。,一、定 义,超精密加工：在一定的发展时期，加工精度和表面质量达到最高程度的加工工艺。,18,瓦特改进蒸汽机 镗孔精度 1mm 20 世纪 40 年代 最高精度 1m 20 世纪 末 精密加工：0.1m，Ra 0.01m（亚微米加工）超精密加工：0.01m，Ra 0.001m（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,二、加工精度的发展,19,20,三、精密与超精密加工的意义,精密与超精密加工技术是一个国家制造业水平的重要标志。例：美国哈勃望远镜形状精度0.01m；超大规模集成电路最小线宽0.1m，日本金刚石刀具刃口钝圆半径达2nm,精密加工与超精密加工技术是新技术的生长点。精密与超精密加工技术涉及多种基础学科和多种新兴技术，其发展无疑会带动和促进这些相关科学技术的发展。,21,精密加工与超精密加工技术是先进制造技术的基础和关键。例：美国陀螺仪球圆度提高一个数量级，使制造精度达到0.1m，粗糙度Ra0.01m，从而使洲际导弹的命中精度从500m控制在50150m范围内；英国飞机发电机转子叶片加工误差从60m降至12m，使发电机压缩效率从89%提高到94%；若能齿形误差从3-4m减小1m，则单位齿轮箱重量所能传递的扭矩可提高一倍,22,四、精密与超精密加工的特点,23,特种加工与复合加工方法应用越来越多,24,加工与检测一体化,25,7.2.2 精密加工与超精密加工的方法,一、金刚石超精密加工技术,切削在晶粒内进行 切削力原子结合力（剪切应力达 13000 N/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，表层高温不会波及工件内层，可获得高精度和好表面质量,机理、特点,26,关键技术：加工设备和刀具,27,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。,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0.1m；液体静压导轨，直线度达 0.05/100mm；数控系统分辨率0.01。,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，生产成本较低，已成为当前金刚石车床的主流布局。,T形布局,28,金刚石车床主要性能指标,29,金刚石刀具,超精切削刀具材料：天然金刚石，人造单晶金刚石 金刚石的晶体结构：规整的单晶金刚石晶体有八面体、十二面体和六面体，有三根4次对称轴，四根3次对称轴和六根2次对称轴。,30,金刚石刀具刃磨：通常在铸铁研磨盘上进行研磨；晶向选择应使晶向与主切削刃平行；圆角半径越小越好（理论可达到1nm）。,金刚石车刀结构和刀具角度如图所示,31,二、超硬磨料砂轮精密与超精密磨削,砂轮材料：金刚石，立方氮化硼（CBN）,32,ELID（Electrolytic In-Process Dressing）由日本东京大学理化研究所发明的电解在线修锐法的砂轮修锐效果为最好。,33,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。,34,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。有开式和闭式两种形式，可磨削平面、内外圆表面、曲面等。,精密与超精密砂带磨削,35,36,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 0.02m）。,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）可用于内外表面及成形表面加工。,2）静电植砂，磨粒有方向性，尖端向上，摩擦生热小，磨屑不易堵塞砂轮，磨削性能好。,37,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0.1m 10m。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。,7.2.3 微细加工技术,38,39,主要采用铣、钻和车三种形式，可加工平面、内腔、孔和外圆表面。刀具：多用单晶金刚石车刀、铣刀。铣刀的回转半径（可小到5m）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。,40,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。,微细机械加工设备,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。,41,FANUC ROBO nano Ui 型微型超精密加工机床：,机床有X、Z、C、B四个轴，在B 轴回转工作台上增加A轴转台后，可实现5轴控制，数控系统的最小设定单位为1nm。可进行车、铣、磨和电火花加工。,旋转轴采用编码器半闭环控制，直线轴则采用激光全息式全闭环控制。为了降低伺服系统的摩擦，导轨、丝杠螺母副以及伺服电机转子的推力轴承和径向轴承均采用气体静压结构。,42,图7-36 FANUC 微型超精密加工机床,43,电极线沿着导丝器中的槽以510mm/min的低速滑动，可加工圆柱形的轴。如导丝器通过数字控制作相应的运动，还可加工出各种形状的杆件。,线放电磨削法（WEDG）,44,图7-41 电子束光刻大规模集成电路加工过程,光刻加工（电子束光刻大规模集成电路）,45,要求：定位精度 0.1m，重复定位精度 0.01m导轨：硬质合金滚动体导轨，或液（气）静压导轨工作台：粗动 伺服电机+滚珠丝杠 微动 压电晶体电致伸缩机构,工作台微动的形成：X运动：Py1 Py2 Px长度变化Y运动：Py1 Py2 Py1长度变化Z转动：Py1 Py2,加工设备（电子束光刻大规模集成电路）,46,47,7.3.1 概 述,特种加工又称非传统加工，通常被理解为别于传统切削与磨削加工方法的总称。,非传统加工方法产生于二次大战后，由于以下有两方面的问题传统机械加工方法难于解决：1）难加工材料的加工问题。宇航工业等对材料高强度、高硬度、高韧性、耐高温、耐高压、耐低温等的要求，使新材料不断涌现。2）复杂形面、薄壁、小孔、窄缝等特殊工件加工问题。,48,为解决上面两方面问题，出现了非传统加工方法。,非传统加工方法将电、磁、声、光等物理量及化学能量或其组合直接施加在工件被加工的部位上，从而使材料被去除、累加、变形或改变性能等。,非传统加工方法特点：,非传统加工方法主要不是依靠机械能，而是用其它能量（如电能、光能、声能、热能、化学能等）去除材料。非传统加工方法由于工具不受显著切削力的作用，对工具和工件的强度、硬度和刚度均没有严格要求。,49,一般不会产生加工硬化现象。且工件加工部位变形小，发热少，或发热仅局限于工件表层加工部位很小区域内，工件热变形小，加工应力也小，易于获得好的加工质量。加工中能量易于转换和控制，有利于保证加工精度和提高加工效率。非传统加工方法的材料去除速度，一般低于常规加工方法，这也是目前常规加工方法仍占主导地位的主要原因。,50,机械过程 利用机械力，使材料产生剪切、断裂，以去除材料。如超声波加工、水喷射加工、磨料流加工等。,非传统加工方法分类（按加工机理和采用的能源划分）：,热学过程 通过电、光、化学能等产生瞬时高温，熔化并去除材料，如电火花加工、高能束加工、热力去毛刺等。,51,电化学过程 利用电能转换为化学能对材料进行加工，如电解加工、电铸加工（金属离子沉积）等。,化学过程 利用化学溶剂对材料的腐蚀、溶解，去除材料，如化学蚀刻、化学铣削等。,复合过程 利用机械、热、化学、电化学的复合作用，去除材料。常见的复合形式有：机械化学复合如机械化学抛光、电解磨削、电镀珩磨等。,52,机械热能复合如加热切削、低温切削等。热能化学能复合如电解电火花加工等。其它复合过程如超声切削、超声电解磨削、磁力抛光（下图示）等。,53,拓宽现有非传统加工方法的应用领域。探索新的加工方法，研究和开发新的元器件。优化工艺参数，完善现有的加工工艺。向微型化、精密化发展。,发展趋势,采用数控、自适应控制、CAD/CAM、专家系统等技术，提高加工过程自动化、柔性化程度。,54,下图反映了学术界和工程界对几种非传统加工方法的关注程度。,55,工作原理：利用工具电极与工件电极之间脉冲性火花放电，产生瞬时高温，工件材料被熔化和气化。同时，该处绝缘液体也被局部加热，急速气化，体积发生膨胀，随之产生很高的压力。在这种高压作用下，已经熔化、气化的材料就从工件的表面迅速被除去。,4个阶段：1）介质电离、击穿，形成放电通道；2）火花放电产生熔化、气化、热膨胀；3）抛出蚀除物；4）间隙介质消电离（恢复绝缘状态）。,7.3.2 电火花加工,56,电极材料要求导电，损耗小，易加工；常用材料：紫铜、石墨、铸铁、钢、黄铜等，其中石墨最常用。工作液主要功能压缩放电通道区域，提高放电能量密度，加速蚀物排出；常用工作液有煤油、机油、去离子水、乳化液等。放电间隙合理的间隙是保证火花放电的必要条件。为保持适当的放电间隙，在加工过程中，需采用自动调节器控制机床进给系统，并带动工具电极缓慢向工件进给。,工作要素,57,脉冲宽度与间隔影响加工速度、表面粗糙度、电极消耗和表面组织等。脉冲频率高、持续时间短，则每个脉冲去除金属量少，表面粗糙度值小，但加工速度低。通常放电持续时间在2s至2ms范围内，各个脉冲的能量2mJ到20J（电流为400A时）之间。,电火花加工类型,电火花线切割加工：用连续移动的钼丝（或铜丝）作工具阴极，工件为阳极。机床工作台带动工件在水平面内作两个方向移动，可切割出二维图形。同时，丝架作小角度摆动，可切割出斜面。,58,连续移动的钼丝（或铜丝）作工具阴极，工件为阳极。机床工作台带动工件在水平面内作两个方向移动，切割出二维图形。,59,电火花线切割加工,加工过程显示,60,电火花线切割机床,61,不受加工材料硬度限制，可加工任何硬、脆、韧、软的导电材料。加工时无显著切削力，发热小，适于加工小孔、薄壁、窄槽、形面、型腔及曲线孔等，且加工质量较好。脉冲参数调整方便，可一次装夹完成粗、精加工。易于实现数控加工。,电火花加工特点,62,电火花加工应用,电火花成形加工：电火花打孔常用于加工冷冲模、拉丝模、喷嘴、喷丝孔等。型腔加工包括锻模、压铸模、挤压模、塑料模等型腔加工，以及叶轮、叶片等曲面加工。电火花线切割：广泛用于加工各种硬质合金和淬硬钢的冲模、样板、各种形状复杂的板类零件、窄缝、栅网等。,63,工作原理：工件接阳极，工具（铜或不锈钢）接阴极，两极间加直流电压624V，极间保持0.11mm间隙。在间隙处通以 660m/S高速流动电解液，形成极间导电通路，工件表面材料不断溶解，溶解物及时被电解液冲走。工具阴极不断进给，保持极间间隙。,7.3.3 电解加工,64,不受材料硬度的限制，能加工任何高硬度、高韧性的导电材料，并能以简单的进给运动一次加工出形状复杂的形面和型腔。加工形面、型腔生产率高（与电火花加工比高510倍）。采用振动进给和脉冲电流等新技术，可进一步提高生产效率和加工精度。阴极在加工中损耗小。加工表面质量好，无毛刺、残余应力和变形层。设备投资大，有污染，需防护。,电解加工特点,65,模具型腔、枪炮膛线、发电机叶片、花键孔、内齿轮、小而深的孔加工，电解抛光、倒棱、去毛刺等。,电解加工应用,工件与磨轮保持一定接触压力，突出的磨料使磨轮导电基体与工件之间形成一定间隙。电解液从中流过时，工件产生阳极溶解，表面生成一层氧化膜，其硬度远比金属本身低，易被刮除，露出新金属表面，继续进行电解。电解作用与磨削作用交替进行，实现加工。,电解磨削,66,电解磨削效率比机械磨削高，且磨轮损耗远比机械磨削小，特别是磨削硬质合金时，效果更明显。,67,真空条件下，利用电流加热阴极发射电子束，经控制栅极初步聚焦后，由加速阳极加速，通过透镜聚焦系统进一步聚焦，使能量密度集中在直径510m斑点内。高速而能量密集的电子束冲击到工件上，被冲击点处形成瞬时高温（几分之一微秒时间内升高至几千摄氏度），工件表面局部熔化、气化直至被蒸发去除。,1、电子束加工工作原理,7.3.4 高能束加工,68,电子束束径小（最小直径可达0.010.05mm），而电子束长度可达束径几十倍，故可加工微细深孔、窄缝。材料适应性广（原则上各种材料均能加工），特别适用于加工特硬、难熔金属和非金属材料。非接触加工，无工具损耗；无切削力，加工时间极短，工件无变形。加工速度高，切割1mm厚钢板，速度可达240mm/min。,特点及应用,在真空中加工，无氧化，特别适于加工高纯度半导体材料和易氧化的金属及合金。加工设备较复杂，投资较大。多用于微细加工。,69,2、激光加工工作原理,激光是一种受激辐射而得到的加强光。其基本特征：强度高，亮度大 波长频率确定，单色性好 相干性好，相干长度长 方向性好，几乎是一束平行光,当激光束照射到工件表面时，光能被吸收，转化成热能，使照射斑点处温度迅速升高、熔化、气化而形成小坑，由于热扩散，使斑点周围金属熔化，小坑内金属蒸气迅速膨胀，产生微型爆炸，将熔融物高速喷出并产生一个方向性很强的反冲击波，于是在被加工表面上打出一个上大下小的孔。,70,加工材料范围广，适用于加工各种金属材料和非金属材料，特别适用于加工高熔点材料，耐热合金及陶瓷、宝石、金刚石等硬脆材料。加工性能好，工件可离开加工机进行加工，可透过透明材料加工，可在其他加工方法不易达到的狭小空间进行加工。非接触加工方式，热变形小，加工精度较高。可进行微细加工。激光聚焦后焦点直径理论上可小至1以下，实际上可实现0.01mm的小孔加工和窄缝切割。,激光加工特点,71,加工速度快，效率高。激光加工不仅可以进行打孔和切割，也可进行焊接、热处理等工作。激光加工可控性好，易于实现自动控制。加工设备昂贵。,激光加工应用,激光打孔 广泛应用于金刚石拉丝模、钟表宝石轴承、陶瓷、玻璃等非金属材料，和硬质合金、不锈钢等金属材料的小孔加工。,72,激光打孔具有高效率、低成本的特点，特别适合微小群孔加工。焦点位置对孔的质量影响：若焦点与加工表面之间距离很大，则激光能量密度显著减小，不能进行加工。如果焦点位置偏离加工表面1mm，可以进行加工，此时加工出孔的断面形状随焦点位置不同而发生变化。,73,74,激光热处理 原理：照射到金属表面上的激光使表面原子迅速蒸发，由此产生微冲击波会导致大量晶格缺陷形成，达到硬化。优点：快速、不需淬火介质、硬化均匀、变形小、硬化深度可精确控制。,7.3.5 超声波加工,工作原理,利用工具端面作超声（1625kHz）振动，使工作液中的悬浮磨粒对工件表面撞击抛磨来实现加工。,75,超声波发生器将工频交流电能转变为有一定功率输出的超声频电振荡，通过换能器将超声频电振荡转变为超声机械振动，此时振幅一般很小，再通过振幅扩大棒（变幅杆）使固定在变幅杆端部的工具振幅增大到0.010.15mm。,76,超声波加工机床,超声波加工样件,77,适用于加工各种脆性金属材料和非金属材料，如玻璃、陶瓷、半导体、宝石、金刚石等。可加工各种复杂形状的型孔、型腔、形面。工具与工件不需作复杂的相对运动，机床结构简单。被加工表面无残余应力，无破坏层，加工精度较高，尺寸精度可达0.010.05mm。加工过程受力小，热影响小，可加工薄壁、薄片等易变形零件。生产效率较低。采用超声复合加工（如超声车削，超声磨削，超声电解加工，超声线切割等）可提高加工效率。,超声波加工特点及应用,谢 谢！,本 章 结 束,79,爱国者导弹,先进制造技术,80,81,T形布局的金刚石车床,82,金刚石车刀结构和刀具角度,83,金刚石车床加工4.5mm陶瓷球,金刚石车床及其加工照片,84,85,用于磨削管件的砂带磨床（带有行星系统）,86,砂带磨削结构,87,单晶金刚石铣刀刀头形状,88,89,电火花加工机床,90,91,92,激光加工原理,93,激光焊接车身,94,激光切割,