课题15先进加工方法ppt课件.ppt

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1、【重点掌握】,1.先进加工方法的概述2.数控加工3.精密加工与高速加工4.柔性制造系统（FMS）5.计算机集成制造系统（CMS）6.其他新的加工方法,【主要内容】,1. 先进加工方法概述 先进的加工方法是指根据产品的目的需求，利用先进的加工工具和方法，使原材料变成产品的技术总称。如陀螺仪的加工，导弹系统的陀螺仪质量直接影响其命中率，1kg的陀螺转子，其质量中心偏离其对称轴0.5nm，则会引起100m以上的弹着误差。,先进加工方法具有下列特征：（1）计算机技术、传感技术、自动化技术、新材料技术以及管理技术等诸技术的引入，与传统的加工方法相结合，能够实现高效、精密、自动化、绿色化生产并取得理想的技

2、术经济效果。（2）先进加工方法已不是一般单指加工过程的工艺方法，而涉及到设计、工艺、加工自动化、管理以及特种加工等多个领域。,先进加工方法的发展的总趋势如以下几个方面：1）信息技术对先进加工方法的发展起着越来越重要的作用。信息技术不断地向加工技术注入和融合，促进着加工技术的不断发展。同时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，整个加工分工过程的全球化等。2）设计技术不断现代化。产品设计是制造业的灵魂。现代设计技术的主要发展趋势是：设计手段的计算机化；新的设计思想和方法不断出现；向全寿命周期设计发展；设计过程由单纯考虑技术因素转向综合考虑技术、经济和

3、社会因素。工艺设计采用工艺模拟技术，优化工艺设计等。 3）成形及改性技术向精密、精确、少能耗、无“缺陷”、无污染方向发展。成形制造技术是铸造、塑性加工、粉末冶金等单元技术的总称。主要发展趋势是通过各种新型精密热处理和复合处理达到零件组织性能精确、形状尺寸精密以及获得各种特殊性能要求的表面(涂)层，同时大大减少能耗及完全消除对环境的污染。,4）加工方法向着超精密、超高速以及发展新一代加工装备的方向发展 超精密加工技术。目前加工精度达0025m，表面粗糙度达00045m，已进入纳米级加工时代。超精切削厚度由目前的红外波段向可见光波段甚至更短波段趋近；超精加工机床向多功能模块化方向发展；超精加工材料

4、由金属扩大到非金属。超高速切削。目前铝合金超高速切削的速度已超过1600mmin，铸铁为1500mmin，超耐热镍合金为300mmin，钛合金为200mmin。超高速切削的发展已应用到一些难加工材料的切削加工，并且被广泛应用于航空航天及国防装备等制造领域。新一代制造装备的发展，市场竞争和新产品、新技术、新材料的发展推动着新型加工设备的研究与开发。5）绿色加工将成为21世纪制造业的重要特征。主要体现在：绿色产品设计技术。使产品得到环保、健康、低能耗的要求。绿色加工方法主要包含了绿色资源、绿色生产过程和绿色产品三方面的内容。产品的回收和循环再加工利用等。,2. 数控加工（1）数控加工机床 数控加工

5、机床简称为数控机床(NC机床)，数控就是指把控制机床或其他设备的操作指令(或程序)，以数字形式给定的一种控制方式。利用这种控制方式，按照给定程序自动地进行加工的机床称为数控机床。数控机床的种类有数控车床、数控铣床、数控磨床、加工中心等。 数控车床不仅能够完成普通的车削加工，而且也能利用数控系统和进给伺服系统完成复杂曲线组成回转表面,数控机床,数控机床,数控车床,立式数控机床,立式数控车,数控铣床： 数控铣床的机械部分与普通铣床基本相同，工作台可以做横向、纵向和垂直方向的运动，因此普通铣床所能加工的工艺内容，数控铣床都能完成，此外其数控系统通过伺服系统可同时控制两个或三个轴同时运动，加工出复杂的

6、三维型面。数控铣床还可以作为数控钻床或数控镗床，加工具有一定尺寸精度要求和一定位置精度要求的孔。 在数控铣床的基础上增加刀具库和自动换刀系统就构成了加工中心。加工中心的刀具库可以存放十几把甚至更多的刀具，由程序控制换刀机构自动调用与更换，这样就可以一次完成多种工艺加工。,动画演示,数控铣床,数控铣床,卧式加工中心,与普通机床相比，数控机床的主要优点有：1）自动化程度高、生产率高 2）加工精度高、产品质量稳定 数控机床具有很高的控制精度，可以保证很高的定位精度和重复定位精度，所以其加工零件的精度高，能达到0.1m，而且产品尺寸一致性好，且质量稳定。同时数控机床的自动加工方式还可以避免生产者的人为

7、操作误差，保证了产品质量。3）控制灵活、适应性强 数控机床上只要改变控制程序，即可以完成对不同工件的加工，这就为单件、小批量生产创造了便利条件，非常适合于模具零件的加工。,（2 ）数控机床编程与加工 在数控机床上加工零件，要把待加工零件的全部工艺过程、工艺参数等加工信息以代码的形式记录在控制介质上，通过控制介质上的信息来控制机床，自动实现零件的全部加工过程。从分析零件图样到数控机床获得所需控制介质上的信息的全过程称为编程。,数控机床编程与加工,数控机床编程与加工,数控编程的一般步骤如下：（1）分析零件图、确定工艺过程 对需要在数控机床加工的零件，要根据零件图分析其特点，选择合适的数控机床，确定

8、加工工艺路线，选择合适的刀具和切削用量，充分发挥机床的效能。（2）数值计算 根据零件的几何尺寸和所确定的加工路线及设定的坐标系，计算出数控机床所需输入的数据。数值计算的复杂程度，取决于零件的复杂程度和数控系统的功能。（3）编写加工程序 根据计算出的加工路线数据和已确定的工艺参数，按照数控系统规定的功能，指令代码和程序段格式编写零件加工程序。（4）程序输入 将编写好的加工程序采用手动数据输入或介质(穿孔带、磁盘等)输入数控机床。（5）校对检查程序、通信输入等方式 校对机床的运动轨迹是否正确，检查更正由于计算和编写程序所造成的错误。（6）试加工 程序校验结束后，必须在机床上试加工，试加工零件检验合

9、格后，数控编程工作完成。,数控编程一般分为手工编程和自动编程手工编程：从分析零件图、确定工艺过程到程序输入和校对检查都是由人工完成。对于加工形状简单、计算量小、程序不多的零件，采用人工编程较容易，方便快捷且成本低。自动编程：利用计算机专用软件来编制数控加工程序，编程人员只需根据零件图样的要求，使用数控语言，由计算机自动地进行数值计算及处理，编写出加工程序。,精密（超精密）与高速（超高速）加工（1）精密（超精密）加工 目前，在工业发达国家中，一般工厂能稳定掌握的加工精度是1m，与此相应，通常将加工精度在0.11m加工表面粗糙度Ra0.020.1m之间的加工方法称为精密加工，而将加工精度高于0.1

10、m、加工表面粗糙度小于Ra0.01m的加工方法称为超精密加工。,精密加工件,精密加工件,铝合金精密加工件,高速数控车床,高速数控车床,三轴数控超高速加工中心,超高速CBN随动数控磨床,动画演示,（2）超精密（超精密）加工的实现1）工艺方法 超精密切削：通常采用金刚石刀具来实现,超精密单点金刚石车削,自由曲面超精密加工,精密和超精 密磨削研磨：可以解决大规模集成电路基片的加工和高精度硬磁盘的加工等。,坐标磨加工,精密特种加工：如采用电子束、离子束刻蚀的方法进行加工，是一种精度极高的加工方法，用于大规模集成电路芯片的加工，线宽可达0.1m。,2）超精密机床 超精密机床是实现超精密切削的首要条件，它

11、在结构原理、精度要求、热平衡及机床抗振性能方面与普通机床相比有许多特殊要求：（1）精密轴承（2）微量进给装置（3）提高直线运动精度 （4）采用反馈控制技术（5）性能优越的支承件,3）检测和误差补偿 4）超稳定的加工环境条件,动画演示,动画演示,日本超精密加工获奖作品,（3）高速加工1）高速（超高速）切削加工 通常把切削速度比常规高510倍以上的切削叫做高速切削或超高速切削。工作平稳，工件非常精密、光洁，工件表面的残留应力也小，直接达到精加工的要求。超高速切削可以提高加工质量和生产率，节约能耗，是一项有综合效益的机械加工技术。超高速切削目前主要用于航空航天、武器装备、汽车及模具工业。,图15-4

12、 超高速切削区概念,卧式加工中心加工大型航空件,2）高速磨削加工 高速磨削加工的关键技术：对砂轮的要求 高速磨削砂轮必须满足下列要求：砂轮的机械强度必须能承受高速磨削时的切削力；高速磨削时的安全可靠性；外观锋利；结合剂必须具有很高的耐磨性以减少砂轮的磨损。 对机床的要求 高速主轴及其轴承 高速磨床结构：高动态精度、高阻尼、高抗振性和热稳定性；高度自动化和可靠的磨削过程。,动画演示,4. 柔性制造系统FMS（1 ）柔性制造系统的概念柔性制造系统：指具有柔性且自动化程度高的制造系统。它是集数控技术、计算机技术、机器人技术及现代生产管理技术为一体的现代制造技术。在我国的有关标准中，FMS被定义为：“

13、柔性制造系统是由数控加工设备、物料运储装置和计算机控制系统等组成的自动化制造系统。它包括多个柔性制造单元，能根据制造任务或生产环境的变化迅速进行调整，以适应多品种、中小批量生产”。,FMS有两个主要特点，即柔性和自动化。一个理想的FMS应具备八种柔性：设备柔性，指系统中的加工设备具有适应加工对象变化的能力；工艺柔性，指系统能以多种方法加工某一族工件的能力；产品柔性，指系统能够经济而迅速地转换到生产一族新产品的能力；工序柔性，指系统改变每种工件加工工序先后顺序的能力；运行柔性，指系统处理其局部故障，并维持继续生产原定工件族的能力；批量柔性，指系统在成本核算上能适应不同批量的能力；扩展柔性，指系统

14、能根据生产需要方便地模块化进行组建和扩展的能力；生产柔性，指系统适应生产对象变换的范围和综合能力。,（2）柔性制造系统的构成1）加工系统 由两台以上的数控机床、加工中心或柔性制造单元(FMC)、工业机器人以及其他的加工设备所组成 2）运储系统3.计算机控制系统 4.系统软件,FMS的组成：,FMS另一种组成及平面布局,（3）柔性制造系统的分类按FMS的规模级别大小可分为如下4类：1）柔性制造单元(FMC),FMS钻铣中心柔性制造单元,RLS柔性自动加工单元,柔性加工单元,柔性加工系统,半导体激光机器人柔性加工装配图片,2）柔性制造系统(FMS),通常包括4台或更多台全自动数控机床(加工中心与车

15、削中心等)，由集中的控制系统及物料搬运系统连接起来，可在不停机的情况下实现多品种、中小批量的加工及管理。,创新的柔性加工单元,3）柔性制造线(FML),柔性加工生产线,4）柔性制造工厂 (FMF),银星能源责任有限公司柔性加工车间,PMS柔性加工设备（日本）,高柔性的五轴 加工中心,（4）柔性制造系统的优点1）有很强的柔性制造能力2）提高设备利用率3）减少设备成本与占地面积4）减少直接生产工人，提高劳动生产率5）减少在制品的数量，提高对市场的反应能力6）产品质量提高7）FMS可以逐步地实现实施计划,5.计算机集成制造系统（CIMS）（1）计算机集成制造（CIM）与计算机集成制造系统 （CIMS

16、）的概念计算机集成制造(CIM)是一种理念，其实质就是用信息技术对制造系统进行全局优化。其内涵是借助于以计算机为核心的信息技术，将企业中各种与制造有关的技术系统集成起来，使企业得到整体优化，从而提高企业的市场应变能力与竞争能力。,（2）CIMS的 功能构成1）管理信息系统 MIS 2）技术信息系统 TIS 3）加工自动化系 统 MAS 4）计算机辅助质量保证(CAQ)系统 5）计算机网络系 统NES 6）数据库系统 DBS,CIMS结构看图？,6.其他新的加工方法 （1） 计算机辅助制造（CAM）概述计算机辅助制造(Computer Aided Manufacturing)，简称CAM，是指计

17、算机在产品制造方面有关应用的统称。可分为广义CAM和狭义CAM。广义CAM是指应用计算机去完成与制造系统有关的生产准备和生产过程等方面的工作。如图15-7所示，它包括工艺准备、生产作业计划、物流过程的运行控制、生产控制、质量控制等工作。狭义CAM常指工艺准备或其中的某个活动应用计算机辅助工作。如编制数控程序。,广义CAM,1）CAM的直接应用 计算机通过接口与物流系统相连接，用以控制、监视和协调物流过程。物流运行控制 生产控制 质量控制,2）CAM的间接应用 计算机相对于物流系统是“离线”工作的，用以支持制造活动，并提供物流过程所需的数据与信息。计算机辅助工艺过程设计 计算机辅助数控程序编制

18、计算机辅助工装设计 计算机辅助作业计划,计算机辅助制造概述,计算机辅助制造系统 （科技展品）,3）CADCAM集成系统,（2）高能束流加工技术 高能束流加工技术是不使用具有具体形状的固体工具或刀具，而是使用光、电子、离子或水等某种形式的高密度的能量流直接对工件材料进行去除或表面处理等。 高能束流加工通常将激光加工(LBM)、电子束加工(EBM)和离子束加工(IBM)称之为高能束加工，亦称三束加工。它们的共同特点是以具有很高能量密度的束流，通过一定的装置在空间传输并在工件表面聚焦，从而去除工件材料或完成其他用途 。 难加工材料、精密微细加工、仪器仪表零件加工、微电子器件制造、微机电系统、航空航天

19、及武器装备零件制造中得到越来越广泛的应用。,动画演示,动画演示,高能束加工设备（激光焊接设备及工装）,高能束加工设备,金属粉末激光熔融 沉积技术示意图,微细加工刀具,（3）微细加工技术,微细加工产品,微细加工技术由于其加工对象尺度小到微米级，所加工的尺寸公差及几何公差小至数十纳米，表面粗糙度则低达纳米级，所以它往往兼具微小和超精密加工的特征。,（4）纳米加工技术1.概念,纳米(nm)是十亿分之一(10-9)m。 纳米技术通常就是指在纳米级上研究物质(包括原子、分子)的特性和相互作用(主要是量子特性)，以及利用这些特性的多学科交叉的科学与技术。根据纳米科技与传统学科领域的结合，可将纳米科技细分为

20、：纳米材料学、纳米电子学、纳米生物学、纳米化学、纳米机械学与纳米加工等。,微型纳米机器人,纳米金刚石,纳米切削加工典型的纳米切削工艺是采用金刚石单点刀具，结合扫描探针显微镜技术，切削速度通常在1100m/s之间。它已能够实现几十纳米尺度的切削加工。,5. 绿色加工技术绿色加工是指在不牺牲产品的质量、成本、可靠性、功能和能量利用率的前提下，充分利用资源，尽量减轻加工过程对环境产生有害影响的程度，其内涵是指在加工过程中实现优质、低耗、高效及清洁化。6. 3D打印,3D打印，即快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。,3

21、D打印汽车,3D打印枪械,3D打印手枪,3D打印自行车,（7）虚拟切削技术虚拟切削技术是在对零件的几何参数、材料物理性能、加工过程切削参数以及加工物理过程（受力变形、热变形等）进行全面物理建模的基础上，利用计算机仿真技术加工过程的动态情况和加工结果进行综合分析的一种综合新型技术。,【小结】,先进加工方法包括数控加工、精密（超精密）加工、高速切削加工、高速磨削技术、高能束流加工技术、微细加工技术、纳米级加工技术、绿色加工以及柔性加工系统、计算机辅助加工、计算机集成加工等。,【习题与思考题】1什么是先进加工技术？它有哪些主要特征？答：先进的加工方法是指根据产品的目的需求，利用先进的加工工具和方法，

22、使原材料变成产品的技术总称。 先进加工方法具有下列特征：（1）计算机技术、传感技术、自动化技术、新材料技术以及管理技术等诸技术的引入，与传统的加工方法相结合，能够实现高效、精密、自动化、绿色化生产并取得理想的技术经济效果。（2）先进加工方法已不是一般单指加工过程的工艺方法，是一个用现代加工方法进行了改造、充实的多学科交叉和综合的充满生命力的科学。2与普通机床相比数控机床的主要优点有哪些？答：自动化程度高、生产率高 ；加工精度高、产品质量稳定 ；控制灵活、适应性强 。3超精密加工的工艺方法有哪些？答：超精密切削 ；精密和超精密磨削研磨 ；精密特种加工 。,4什么是超高速切削？答：超高速切削加工是

23、一种用比常规切削高于10倍以上的切削速度进行切削加工的高效新技术 。5柔性制造系统主要由哪些部分组成？答：柔性制造系统主要由加工系统、运储系统、计算机控制系统、系统软件几部分组成。6什么是计算机集成制造系统？试述CIMS的功能模块及其作用？答：就是用信息技术对制造系统进行全局优化（或机械制造系统是由经营管理、生产过程、机床设备、控制装置及工作人员所组成的有机整体。它和其他生产系统一样，是由输入、制造过程和输出组成的）。CIMS的功能模块作用如下：1.管理信息系统MIS ，用来收集、整理及分析各种管理数据，向企业和组织的管理人员提供所需要的各种管理及决策信息，必要时还可以提供决策支持；2.技术信

24、息系统TIS,，通过工程数据库和产品数据管理PDM实现内、外部的信息集成 ；3.加工自动化系统MAS ，MAS是在计算机的控制下，按照数控功能代码指令将一个毛坯加工成合格零件，再装配成部件以至产品，并将制造现场信息实时地反馈到相应部门；4.计算机辅助质量保证(CAQ)系统 ，CAQ系统负责采集、存储、评价和控制在设计和制造过程中产生的、与产品质量有关的数据，形成一系列的控制环，从而有效地保证质量；5.计算机网络系统NES ，在网络硬、软件的支持下，实现各个工作站之间，各个分系统之间的相互通信，以实现信息的共享和集成；6.数据库系统DBS ，用来存储和管理企业生产经营活动的各种信息和数据，要保证数据存储的准确一致性、及时性、安全性、完整性，以及使用和维护的方便性。,7广义和狭义计算机辅助制造是什么？答：广义CAM是指应用计算机去完成与制造系统有关的生产准备和生产过程等方面的工作。它包括工艺准备、生产作业计划、物流过程的运行控制、生产控制、质量控制等工作。狭义CAM常指工艺准备或其中的某个活动应用计算机辅助工作。如编制数控程序。8试述其他新的制造技术有哪些？ 答：高能束流加工技术；微细加工技术 ；纳米加工技术 ；绿色加工技术 ；3D打印 ；虚拟切削技术 等。,END,