《汽车智能制造概论》教案第7课数控加工技术和精密与超精密加工技术.docx

课题数控加工技术和精密与超精密加工技术课时2课时(90min)教学目标知识目标：(1)认识蜂加工技术(2)熟悉数控加工技术的流程和特点，数控机床的组成和特点，以及数控加工技术在汽车智能制造中的应用(3)了解精密与超精密加工技术的原理和影响因素(4)熟悉精密与超精密加工技术的应用技能目标：能总结出不同加工技术在汽车智能制造中的应用素质目标：培养勤奋刻苦的奋斗精神教学重难点教学重点：数控加工技术的组成和精密与超精密加工技术的原理教学难点：数控加工技术的流程和精密与超精密加工技术的原理教学方法案例分析法、问答法、讨论法、讲授法教学用具电脑、投影仪、多媒体课件、教材教学过程主要教学内容及步骤课前任务【教师】布省课前任务，和学生负责人取得联系，让其提醒同学通过APP或其他学习软件，观看有关数控机床背后的故事，并让学生在学习平台上留言讨论数控机床的初始设想，1952年美国麻省理工学院研制出三坐标雌铳床。5()年代中期这种数控铳床已用于加工飞机零件。60年代，数控系统和程序编制工作日益成熟和完善，数控机床已被用于各个工业部门，但航空航天工业始终是数控机床的最大用户。一些大的航空工厂配有数百台数控机床，其中以切削机床为主。数控加工的零件有飞机和火箭的整体壁板、大梁、蒙皮、隔框、螺旋桨以及航空发动机的机匣、轴、盘、叶片的模具型腔和液体火箭发动机燃烧室的特型腔面等。数控机床发展的初期是以连续轨迹的数控机床为主，连续轨迹控制。【学生】登录学习平台观看材料，思考并留言讨论考勤【教师】使用APP进行签到【学生】按照老师要求签到问题导入【教师】随机邀请学生回答以下问题：如何用数控机床加工汽车零件？该技术与上节课所学的3D打印技术相比有何优势或不足？【学生】聆听、思考、回答【教师】总结学生的回答，导入本节课课题：数控加工技术和精密与超精密加工技术传授新知【教师】讲解数控加工技术的流程、特点、组成和应用学习情境一数控加工技术一、数控加工技术概述数控又称为计算机数控(CNC),在机床领域指用通用或专用计算机对机床的运动及加工过程进行控制的一种自动化技术。其控制对象一般是位置、角度和速度等机械量，但也有温度、流量和压力等物壬里量。【师生互动】【教师】随机邀请学生回答以下问题：数控加工技术中可以用嵌入式主控芯片对上述机械量或物理量进行控制吗？【学生】聆听、思考、回答【教师】结合学生的回答进行讲解期机床是一种通过螃系统(即计算机)来实现自动加工的机床，或者说是装备了雌系统的机床。它是一种技术密集度及自动化程度很高的机电一体化加工设备，是数控技术与机床相结合的产物。雌加工技术是指在雌机床上自动加工零件的一种工艺方法。使用雌机床加工零件时，先将编好的程序输入到数控系统中，再由数控系统控制机床主运动的变速、启停，进给运动的方向、速度和位移大小，以及刀具的选择与安装、工件的夹紧与松开、冷却润滑液的启停等.最后使刀具、工件及其他辅助装置严格地按照数控系统规定的JI砺、路径和参数进行工作，从而加工出形状、尺寸与精度均符合要求的零件。1.数控加工技术的流程一般来说，数控加工技术的流程主要包括以下内容，如图4-16所示(详见教材)(I)选择并确定要数控加工的零件。(2)对零件图样进行数控加工的工艺分析。(3)设计数控加工工艺。(4)编写数控加工程序。编程时，需对零件图样进行数学处理。【师生互动】【教师】随机邀请学生回答以下问题：编写数控加工程序的方法有哪些？【学生】聆听、思考、回答【教师】总结学生回答并详细讲解雌加工程序编制方法有手工(AI)编程和自动编程之分。手工编程，程序的全部内容是由人工按雌系统所规定的指令格式编写的。自动编程即计算机编程，可分为以语言和绘画为基础的自动编程方法。但是，无论是采用何种自动编程方法，都需要有相应配套的硬件和软件。可见，实现数控加工编程是关键。(5)将数控加工程序导入数控系统。(6)数控加工程序的校验与修改。(7)首件试加工与现场问题处理。(8)数控加工技术文件的定型与归档。2.数控加工技术的特点1 )工艺的内容十分具体2)工艺的设计要求严密3)工序相对集中4)适合多品种、小批量或中批量生产(详见教材)【师生互动】扩展讲解大批量生产的生产线对于占机械加工总量20%30%的大批量生产，适合采用专用多工位组合机床或自动机床形成的生产线。【学生】聆听、思考、记忆二、数控机床1 .数控机床的组成数控机床是机电一体化的典型产品，它是以电子信息技术为基础的，集机械制造技术、计算机技术、现代控制技术、传感检测技术、信息处理技术、网络通信技术、液压气动技术和光机电一体化技术等于一体的,由数字程序实现控制的机床，如图4/7所示（详见教材）。数控机床一般由机床本体、CNC装置（或称CNC单元）、输入/输出设备、伺服单元、驱动装置（或称执行机构）、PLC（可编程逻辑控制器）、测量装置及辅助装置组成，如图4-18所示（详见教材）。其中，除机床本体之外的部分统称为CNC系统.2 ）机床本体机床本体由于精度和生产效率高，容易发热，且不能像普通机床那样由人工进行调整、补偿，因此机床本体应具有更好的抗振性和更大的刚度，且相对运动面的摩擦因数更小，进给传动部分间隙更小.所以其设计要求比普通机床更严格，需要采用增大刚度、减小热变形、提高精度等设计措施。3 ）CNC装置CNC装置是CNC系统的核心，一般指控制机床运动的微型计算机,主要包括微处理器（CPU）、存储器、局部总线、外围逻辑电路、与其他部分联系的接口等。其功能是接收输入设备输入的加工信息，进行处理与计算，并发出相应的脉冲信号送给伺服系统，通过伺服系统使机床本体按预定的轨迹运动。【师生互动】【教师】随机邀请学生回答以下问题：CNC装置的控制系统是开环控制还是闭环控制？控制系统的好坏主要取决于什么？【学生】聆听、思考、回答【教师】结合学生的回答进行讲解3）输入/输出设备加工信息（如工艺过程、工艺参数和位移数据等）要经输入设备传输给CNC装置。常见的输入设备有光电阅读机、键盘、U盘等。此外，加工信息还可以通过串行通信、IP网络通信的方式输入。CNC系统通过输出设备（如显示器）为操作人员提供必要的信息。显示的信息可以是正在编辑的程序、坐标值及报警信号等。4）伺服单元伺服单元是联系CNC装置和机床本体的装置,它可将来自CNC装置的微弱指令信号放大成控制驱动装置的大功率信号。根据接收指令信号的不同，伺服单元有脉冲式和模拟式之分，而模拟式伺服单元按电源种类不同又可分为直流伺服单元和交流伺服单元。5）驱动装置驱动装置可将放大的指令信号变为机械运动，并通过简单的机械连接部件驱动机床本体，使工作台精确定位或按规定的轨迹做严格的相对运动，最后加工出满足要求的零件。与伺服单元相对应，驱动装置也分直流伺服电动机f口交流伺服电动机等。【师生互动】【教师】随机邀请学生回答以下问即：什么是数控加工机床的伺服驱动系统？【学生】聆听、思考、回答【教师】总结学生回答并详细讲解伺服单元和驱动装置合称为伺服驱动系统，它是机床本体工作的动力装置，实施CNC装置的指令内容。数控机床功能的强弱取决于CNC装置，而数控机床性能的好坏取决于伺服驱动系统。6）PLCPLC是一种以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术等的通用型自动控制装置，专为工业环境下应用而设计，可控制各类型的机械设备或生产过程。7）测量装置测量装置也称为反馈元件,通常安装在机床本体的工作台或丝杠上,相当于普通机床的刻度盘和人的眼睛。它可将工作台的实际位移转变成电信号反馈给CNC装置，供CNC装置与指令信号比较产生误差信号，进而控制机床本体移动消除误差.此外，测量装置可以在线显示机床本体移动部件的坐标值，大大提高机床本体的工作效率和加工精度。【师生互动】【教师】随机邀请学生回答以下问题：对测量装置精度的要求有什么重要意义？【学生】聆听、思考、回答【教师】结合学生的回答进行讲解8）辅助装置辅助装置是为了充分发挥雌机床的功能所必需的配套装置。常用的辅助装置有液压装置、排屑装置、冷却装置、润滑装置、防护装置、照明装置等。2.数控机床的特点1 ）加工精度高，加工质量稳定2）生产效率高3）能减轻劳动强度，改善劳动条件4）适应性强，灵活性好5）有利于生产管理（详见教材）三、数控加工技术在汽车智能制造中的应用【教师】播放“数控加工技术究竟有何过人之处”视频（详见教材），让学生进一步了解数控加工技术2 .在汽车零件制造中的应用在汽车制造领域中，许多零件的外形均为自由曲面，如叶片曲面、螺旋桨叶曲面等，因此其形状复杂，难以加工，且对精度要求高。此时用多轴数控机床加工，可以很好地解决问题。多轴数控机床能同时控制4个及以上坐标轴的联动，将数控铳、数控控和数控钻等功能组合在一起。工件在一次,多轴期顺可阿孰工面进行铳、镇、噫多田加工,有效地避免由于多次的定位误差，并且能够缩短生产周期，提高加工精度。3 .在汽车装配中的应用汽车装配过程会用到多种数控设备,它们可以实现高效率、高精度的零部件装配。例如，在安装轮胎时,数控拧紧设备的控制系统能根据工艺需求自动识别判断，拧紧轮胎上的螺栓等。如图4-20所示（详见教材）为雌拧紧设备安装轮胎。【学生】聆听、理解、记忆【教师】讲解精密与超精密加工技术的原理、影响因素和应用学习情境二精密与超精密加工技术一、精密与超精密加工技术概述精密与超精密加工技术是现代箴4技产业和科学技术的发展基础，以及现代制造科学的发展方向。超精密加工技术一般不是特指某种特定的加工方法或比某一个给定的加工精度更高的加工技术，而是在机械加工领域中，一个时期内所能达到最高加工精度的各种加工方法的总称。目前的超精密加工技术，以不改变工件材料物理特性为前提，以获得极限的形状精度、尺寸精度、表面质量及表面完整性为目标.【师生互动】扩展讲解表面完整性的概念表面完整性是指表面没有或有极少的表面损伤，如微裂纹、残留应力和组织变化等。【学生】聆听、思考、记忆精密与超精密加工技术是指加工精度和表面质量达到极高程度的加工工艺。随着加工技术的发展，精密与超精密加工技术的指标也在不断变化。通常，按照加工精度可将机械加工分为一般加工、精密加工和超精密加工三个阶段。精密与超精密加工代表了加工精度发展的不同阶段。精度为0.11m、表面粗糙度Ra为0.020.1m的加工方法称为精密加工；精度为0.010.1n表面粗糙度Ra小于0.01m的加工方法称为超精密加工。【教师】播放“精密与超精密加工技术的背后是匠心的传承”视频(详见教材)，让学生体会匠心精神二、精密与超精密加工技术的影响因素1 .拗口工材料精密与超精密加工技术对被加工材料的化学成分、物理性能、工艺性能等均有严格要求。例如，被加工材料应质地均匀、性能稳定，无外部及内部微观缺陷，化学成分不含杂质，物理性能(如拉伸强度、硬度、延伸率、弹性模量、热导率和膨胀系数等)应达到一定数量级。被加工材料在冶炼、铸造、辗轧、热处理等工艺过程中，应严格控制熔渣过滤、辗轧方向、温度等，使加工后的材料能满足物理、化学等性能要求。【师生互动】【教师】随机邀请学生回答以下问题：精密与超精密加工技术对被加工材料的化学成分一般要求是什么数量级？【学生】聆听、思考、回答【教师】结合学生的回答进行讲解2 .加工设备精密与超精密加工技术对加工设备有下列要求。(1)精度高。(2)刚度高。(3H皖®(4)自动化程度高。3 .加工检测精密与超精密加工技术必须具备相应的检测方法，不仅要检验零件的表面质量精度，而且还要检验加工设备和基础元件的精度。尺寸和形位精度可用电子测微仪、电感测微仪、电容测微仪、自准直仪和激光干涉仪来测量。表面粗糙度可用电感式、压电晶体式表面形貌仪进行接触测量，或用光纤法、电容法、超声微波法和隧道显微法进行非接触测量。表面应力、表面变质层深度、表面微裂纹等缺陷，可用X光衍射法、激光干涉法等来测量。【师生互动】【教师】随机邀请学生回答以下问题：精密与超精密加工技术的检测内容包括哪些？【学生】聆听、思考、回答【教师】结合学生的回答进行讲解4 .误差预防与误差相尝误差预防和误差补偿是提高精密与超精密加工技术的重要措施。误差预防即通过提高机床加工精度、保证加工环境的条件等来减少误差源,从而消除或减小加工误差。误差补偿是指在线检测加工误差，并实时进行建模与动态分析，根据动态分析结果对误差源进行利尝，从而消除或减少误差。5 .加工环境任1可工作环境的变化都可能影响加工的精度，导致加工精度达不到要求。因此精密与超精密加工必须在超稳定的环境下进行。超稳定的环境指标主要有恒温、超净和防振三个方面。1）恒温2）超净3）防振（详见教材）6.加工工艺精密与超精密加工技术的工艺包括精密与超精密切削、磨削、研磨、抛光和微细（超微细）加工。1 ）精密与超精密切削精密与超精密切削以SPDT技术为开端，以空气轴承主轴、主动滑板等高刚性、高精度工具，以及反馈控制和环境温度控制技术为支撑，可获得纳米级表面粗糙度。【师生互动】【教师】随机邀请学生回答以下问题：SPDT技术采用何种机床和刀具进行切削?【学生】聆听、思考、回答【教师】结合学生的回答进行讲解2）精密与超精密磨削精密与超精密磨削是一种镜面磨削技术,加工对象主要有脆硬的金属材料、半导体材料、陶瓷、玻璃等。目前应用最多的是ELID磨削技术。【师生互动】扩展讲解ELlD磨削技术的相关知识EUD磨削技术将砂轮修整与磨削过程结合在一起，在利用金属基砂轮进行磨削加工的同时，利用电解方法对砂轮进行修整，从而实现对脆硬材料的连续超精密镜面磨削。它可以对多种不同材料零件（如钢、硬质合金、陶瓷、光学玻璃和硅片等）的平面、外圆和内孔进行磨削，达到镜面。【学生】聆听、思考、记忆3）精密与超精密研磨精密与超精密研磨可将平面粗糙度降彳琏微米以下，并去除前道工序（通常为磨削）产生的损伤层。4）精密与超精密抛光精密与超精密抛光是目前的终加工工序，通常选用粒度大小只有几纳米或几十纳米的抛光微粒面进行抛光，以达到极高的表面质量，进而获得光滑、无损伤的零件表面。目前应用广泛、技术成熟的是化学机械抛光（CMP）技术。【师生互动】【教师】随机邀请学生回答以下问题：CMP技术是如何实现的？【学生】聆听、思考、回答【教师】总结学生回答并详细讲解CMP技术是化学作用和机械作用相结合的加工技术，其过程复杂，影响因素也很多。首先工件表面与抛光液中的氧化剂、催化剂等发生化学反应，生成一层相对容易去除的软质层。然后软质层在磨料和抛光垫的机械作用下被去除，工件表面重新显现出来，再进行化学反应。这样在化学作用和机械作用的交替进行中可完成工件表面抛光。5）微细（超微细）加工微细（超微细）加工是在半导体集成电路制造技术的基础上形成并发展的。它以电子束、离子束和激光束加工为基础，采用沉积、刻蚀、溅射和蒸镀等加工手段进行各种处理。三、精密与超精密加工技术在汽车智能制造中的应用精密与超精密加工技术应用于汽车制造，可大幅度提高汽车性能、质量、服役生命和安全性，且节能效果显著，满足人们对高性能汽车的需求。1 .汽车发动机的制造精密与超精密加工技术可降低发动机零部件的表面粗糙度，提高气缸、缸盖、活塞等零件的加工精度，使发动机的效率和马力大大提高，同时减少油耗，进而节省能源。有结果表明，由加工精度的差异引起的发动机压缩比的改变对发动机的性能会产生显著影响。例如，在其他条件不改变的情况下，提高发动机的加工精度，可将发动机的功率和扭矩均提升07%左右，油耗第氐0.5%左右。【师生互动】【教师】随机邀请学生回答以下问题：当前工业发达国家的加工精度约为多少？【学生】聆听、思考、回答【教师】总结学生回答并详细讲解工业发达国家的一般工厂已能稳定掌握3m的加工精度（我国为5m）。同此，通常称低于此值的加工为普通精度加工，而高于此值的加工则称之为高精度加工。2 .汽车轴承的制造精密与超精密加工技术用于轴承的制造，可提高轴承滚动体和滚道的加工精度，进而减小传动链的传动误差，使轴承的转速大大提高。轴承转动过程中，其内部零件咬合得严密，可减少振动和噪声，使乘车人员和驾驶人员的舒适指数提高。【学生】聆听、理解、记忆视野扩展【教师】讲解有关“我们是数字时代智能制造的先行者”的材料，组织学生56人一组分组讨论"终于没有辜负大家，也没有辜负自己！"面对记者，23岁的申梓煜感慨道。在2021年12月落幕的第四届全国智能制造应用技术技能大赛决赛中，申梓煜与搭档许化龙，连续5个小时零失误完成比赛，最终拿下了精密模具智能制造系统应用技术项目冠军。这也让入职徐工集团工程机械有限公司挖掘机械事业部不到两年的申梓煜和搭档许化龙一举获得“全国技术能手”荣誉称号。两位年轻人是操作工与工艺师的组合，是徐工集团新时代"数字工匠”大军的代表。（详见教材）请同学们讨论，通过徐工集团的成功案例对我们有何启示.【学生】聆听、思考、讨论【教师】随机邀请学生回答问题【学生】阐述、聆听、记忆课堂小结【教师】简要总结本节课的要点（1）雌加工技术的流程和特点，数控机床的组成和特点，雌加工技术的应用（2）精密与超精密加工技术的原理、影响因素和应用【学生】总结回顾知识点作业布置【教师】布置课后作业完成本周的学习成果检验。【学生】完成课后任务教学反思