第4章 機(jī)械制造與先進(jìn)制造技術(shù)(上課課件)

機(jī)械工程導(dǎo)論

第4章機(jī)械制造與先進(jìn)制造技術(shù)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化張彩麗2015.03第4章機(jī)械制造與先進(jìn)制造技術(shù)4.1制造技術(shù)與制造系統(tǒng)4.2先進(jìn)制造技術(shù)4.3先進(jìn)制造生產(chǎn)模式4.1制造技術(shù)與制造系統(tǒng)4.1.1中國(guó)制造業(yè)的現(xiàn)狀是制造業(yè)大國(guó)，但不是制造業(yè)強(qiáng)國(guó)。企業(yè)組織結(jié)構(gòu)小而散，產(chǎn)業(yè)集中度低，規(guī)模效益差。低端產(chǎn)品生產(chǎn)擴(kuò)張過度，高附加值產(chǎn)品依賴進(jìn)口。資源利用率和經(jīng)濟(jì)效率較低。缺乏管理技能和全球營(yíng)銷技巧，價(jià)格戰(zhàn)成為主要的競(jìng)爭(zhēng)手段。4.1制造技術(shù)與制造系統(tǒng)4.1.2中國(guó)制造業(yè)的地位

4.1制造技術(shù)與制造系統(tǒng)4.1.3制造的概念制造人類按照市場(chǎng)需求，運(yùn)用主觀掌握的知識(shí)和技能，借助于手工或可利用的客觀物質(zhì)工具，采用有效的工藝方法和必要的能源，將原材料轉(zhuǎn)化為最終物質(zhì)產(chǎn)品并投放市場(chǎng)的全過程。制造的概念有廣義和狹義之分：狹義制造：廣義制造：4.1.3制造的概念制造技術(shù)——為有效完成制造活動(dòng)所施行的一切手段包括：運(yùn)用一定的知識(shí)、技能，操縱可利用的物質(zhì)、工具，采取各種有效的策略、方法等。制造業(yè)——將制造資源通過制造過程轉(zhuǎn)化為可供人們使用和消費(fèi)的產(chǎn)品的行業(yè)。4.1.3制造的概念制造系統(tǒng)——由制造過程及其所涉及的硬件、有關(guān)軟件、和制造信息等組成了一個(gè)具有特定功能的有機(jī)整體。

4.1.4常規(guī)加工方法及其機(jī)床1、車削加工及車床車削——工件旋轉(zhuǎn)作主運(yùn)動(dòng)，車刀移動(dòng)作進(jìn)

給運(yùn)動(dòng)的切削加工方法。車削加工適宜于加工各種回轉(zhuǎn)體表面。4.1制造技術(shù)與制造系統(tǒng)4.1制造技術(shù)與制造系統(tǒng)4.1.4常規(guī)加工方法及其機(jī)床4.1.4常規(guī)加工方法及其機(jī)床2、磨削加工及磨床

用于零件的精加工，尤其是淬硬鋼件和高硬度特殊材料的精加工。用于：內(nèi)外圓柱表面圓錐表面平面螺旋面齒輪的輪齒表面各種成形表面磨削加工及磨床內(nèi)圓磨床砂輪架頭架往復(fù)工作臺(tái)普通外圓磨床平面磨床萬能外圓磨床磨削加工及磨床無心外圓磨床磨床的主要加工范圍及方法磨削加工及磨床4.1.4常規(guī)加工方法及其機(jī)床3、鉆削加工及機(jī)床

鉆孔是采用鉆頭在實(shí)心材料上加工孔的一種方法。

對(duì)于精度要求不高的孔，如螺栓的貫穿孔、油孔以及螺紋底孔，可直接采用鉆孔。臺(tái)式鉆床底座工作臺(tái)主軸箱立柱手柄立式鉆床外立柱內(nèi)立柱搖臂主軸箱底座搖臂鉆床鉆床上經(jīng)常使用的加工方法鉆削加工及機(jī)床4.1.4常規(guī)加工方法及其機(jī)床4、銑削加工及機(jī)床銑削——用旋轉(zhuǎn)的銑刀在工件上切削各種表面或溝槽的加工方法。銑削加工的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)：

銑刀旋轉(zhuǎn)為主運(yùn)動(dòng)，工件或銑刀移動(dòng)為進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。銑削加工的應(yīng)用

銑削加工及機(jī)床4.1.4常規(guī)加工方法及其機(jī)床5、鏜孔及鏜床臥式鏜床的工藝范圍鏜孔及鏜床4.1.4常規(guī)加工方法及其機(jī)床6、刨削加工及刨床刨削：在刨床上用刨刀加工工件的過程。

刨床主要用于加工各種平面和溝槽，也可以加工一些直線成形面。刨削加工及刨床插床4.1.4常規(guī)加工方法及其機(jī)床7、拉削加工及拉床拉削：在拉床上用拉刀加工工件的方法。拉削時(shí)，拉刀做直線移動(dòng)，加工余量是借助于拉刀上各刀齒的齒升量分層切除的，所以拉刀一次通過工件即可加工完畢。由于一把拉刀只能加工一種尺寸的特定工件表面，且拉刀較昂貴，故拉削加工主要用于大批大量生產(chǎn)。拉削加工及拉床拉削加工及拉床4.2先進(jìn)制造技術(shù)4.2.1高速切削技術(shù)——以比常規(guī)高數(shù)倍的切削速度對(duì)零件進(jìn)行切削加工的一項(xiàng)先進(jìn)制造技術(shù)。德國(guó)物理學(xué)家Salomom在“高速切削原理”一文中給出了著名的“Salomom曲線”：對(duì)應(yīng)于一定的工件材料存在一個(gè)臨界切削速度，此點(diǎn)切削溫度最高，超過該臨界值，切削速度增加，切削溫度反而下降。4.2.1高速切削技術(shù)1、高速切削的特點(diǎn)：切削加工時(shí)間減少，切削效率提高3～5倍，加工成本可降低20％-40％。在高速切削加工范圍，隨切削速度提高，切削力可減少30%以上，減少工件變形。高速切削可加工硬度HRC45～65的淬硬鋼鐵件。4.2.1高速切削技術(shù)有利于減少加工零件的內(nèi)應(yīng)力和熱變形，提高加工精度，適合于熱敏感材料的加工。轉(zhuǎn)速的提高，使切削系統(tǒng)的工作頻率遠(yuǎn)離機(jī)床的低階固有頻率，加工中鱗刺、積屑瘤、加工硬化、殘余應(yīng)力等也受到抑制。因此，高速切削加工可大大降低加工表面粗糙度，加工表面質(zhì)量可提高1～2等級(jí)。4.2.1高速切削技術(shù)2、高速切削的應(yīng)用優(yōu)點(diǎn):具有高生產(chǎn)效率;減少切削力，提高加工精度和表面質(zhì)量;降低生產(chǎn)成本;可加工高硬材料。應(yīng)用：汽車和摩托車制造業(yè)、模具業(yè)、軸承業(yè)、航空航天業(yè)、機(jī)床業(yè)、工程機(jī)械、石墨電極等行業(yè)中廣泛應(yīng)用。4.2.1高速切削技術(shù)3、高速切削加工的關(guān)鍵技術(shù)

（1）高速主軸系統(tǒng)由于轉(zhuǎn)速極高，主軸零件在離心力作用下產(chǎn)生振動(dòng)和變形，高速運(yùn)轉(zhuǎn)摩擦?xí)馃嶙冃魏透邷?。為此提出?1)要求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、慣性小、可避免振動(dòng)、噪音和良好的起、停性能；(2)足夠的剛性和高的回轉(zhuǎn)精度；(3)良好的熱穩(wěn)定性；(4)大功率；(5)先進(jìn)的潤(rùn)滑和冷卻系統(tǒng)；(6)可靠的主軸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

高速電主軸Z軸磁浮導(dǎo)軌支撐高速機(jī)床電主軸4.2.1高速切削技術(shù)（2）快速進(jìn)給系統(tǒng)為適應(yīng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)高速化的要求，采用措施：采用新型直線滾動(dòng)導(dǎo)軌其中球軸承與鋼導(dǎo)軌之間接觸面積很小，摩擦系數(shù)僅為槽式導(dǎo)軌的1/20左右，且“爬行”現(xiàn)象可大大降低。高速進(jìn)給機(jī)構(gòu)采用的是小螺距大尺寸高質(zhì)量滾珠絲杠，或粗螺距多頭滾珠絲杠目的是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。4.2.1高速切削技術(shù)高速進(jìn)給伺服系統(tǒng)已發(fā)展為數(shù)字化、智能化和軟件化，不會(huì)有丟失或延遲現(xiàn)象為盡量減輕工作臺(tái)重量但又不損失工作臺(tái)剛度，高速進(jìn)給機(jī)構(gòu)通常采用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料為提高進(jìn)給速度，更先進(jìn)、更高速的直線電機(jī)已經(jīng)發(fā)展起來位置測(cè)量系統(tǒng)機(jī)床滑臺(tái)初級(jí)線圈次級(jí)線圈導(dǎo)軌直線進(jìn)給電機(jī)4.2.1高速切削技術(shù)（3）高速切削對(duì)刀具材料的要求高速切削時(shí)速度和自動(dòng)化程度高，要求刀具應(yīng)具有很高的可靠性，并要求刀具的壽命高，質(zhì)量一致性好，切削刃的重復(fù)精度高高的耐熱性、抗熱沖擊性能和良好的高溫力學(xué)性能很好的斷屑、卷屑和排屑性能能適應(yīng)難加工材料和新型材料加工的需要4.2.1高速切削技術(shù)高速切削常使用的刀具材料有：硬質(zhì)合金涂層刀具立方氮化硼刀具4.2.1高速切削技術(shù)陶瓷刀具聚晶金剛石刀具4.2.2特種加工技術(shù)4.2.2特種加工技術(shù)——傳統(tǒng)切削加工以外的新的加工方法。特點(diǎn)：不依靠機(jī)械能、切削力進(jìn)行加工，可用軟的工具或不用工具加工硬的工件?？捎脕砑庸じ鞣N難加工材料、復(fù)雜表面或有某些特殊要求的零件。4.2.2特種加工技術(shù)產(chǎn)生？隨科學(xué)技術(shù)向高精度、高速度、高溫、高壓、大功率、小型化方向的發(fā)展；對(duì)機(jī)械制造部門提出了新要求：

難切削材料的加工特殊復(fù)雜表面的加工超精、光整或具有特殊要求的零件的加工僅依靠傳統(tǒng)的切削加工方法很難實(shí)現(xiàn)，同時(shí)前蘇聯(lián)科學(xué)家拉扎連柯夫婦研究發(fā)現(xiàn)電火花的瞬時(shí)高溫可使局部的金屬熔化、氣化而被腐蝕掉，開創(chuàng)和發(fā)明了電火花加工，特種加工因此而產(chǎn)生。4.2.2特種加工技術(shù)特種加工與傳統(tǒng)切削加工的不同依靠機(jī)械能以外的能量去除材料，多數(shù)屬于“熔溶加工”的范疇。工具硬度可以低于被加工材料的硬度，即能做到“以柔克剛”。加工過程中工具和工件之間不存在顯著的機(jī)械切削力。主運(yùn)動(dòng)的速度一般都較低。加工后的表面邊緣無毛刺，微觀形貌“圓滑”。4.2.2特種加工技術(shù)特種加工的分類4.2.2特種加工技術(shù)1、電火花加工(E1ectro－DischargeMachining，EDM)——是利用浸在工作液中的兩極間脈沖放電時(shí)產(chǎn)生的電蝕作用蝕除導(dǎo)電材料的特種加工方法，又稱放電加工或電蝕加工。1、電火花加工（1）電火花加工的條件電極之間始終保持確定的距離（0.02～0.1mm）。放電點(diǎn)的局部區(qū)域達(dá)到足夠高的電流密度，確保被加工材料能在局部熔化、氣化。必須是脈沖性放電，確保放電產(chǎn)生的熱量來不及傳導(dǎo)擴(kuò)散到被加工材料的其他部分而集中在局部，使局部材料產(chǎn)生熔化、氣化而被蝕除。及時(shí)排除電極間的電蝕產(chǎn)物。1、電火花加工（2）電火花加工的應(yīng)用及實(shí)例1、電火花加工進(jìn)給方向進(jìn)給方向工作液工具電極工件工具電極工件電火花型腔加工1、電火花加工其他電火花加工電火花銑削外形電火花銑削內(nèi)形電火花銑削螺旋槽1、電火花加工（3）電火花加工的機(jī)床數(shù)控電火花成型加工機(jī)床4.2.2特種加工技術(shù)2、電解加工工件接陽極，工具接陰極，兩極間加直流電壓,極間保持0.1～1mm間隙。在間隙處通高速流動(dòng)的電解液，形成極間導(dǎo)電通路，工件表面材料不斷溶解，其溶解物及時(shí)被電解液沖走。工具陰極不斷進(jìn)給，保持極間間隙。

2、電解加工電解加工的應(yīng)用及實(shí)例：穿孔：電極電極進(jìn)給絕緣層工件電解液電極電極進(jìn)給工件電解液2、電解加工型腔：2、電解加工電解磨削：電解磨削過程中，金屬主要是靠電化學(xué)作用腐蝕下來，砂輪起磨去電解產(chǎn)物陽極鈍化膜和整平工件表面的作用。4.2.2特種加工技術(shù)3、激光加工（1）工作原理——激光是受激輻射而得到的加強(qiáng)光。當(dāng)激光束照射到工件表面，光能被吸收，轉(zhuǎn)化成熱能，使溫度迅速升高、熔化、氣化形成小坑。（2）功能

切割、打孔、標(biāo)記、焊接

3、激光加工（3）實(shí)例切割打孔標(biāo)記3、激光加工焊接雕刻

4.2.2特種加工技術(shù)4、電子束加工（1）工作原理4、電子束加工（2）實(shí)例4.2.2特種加工技術(shù)5、離子束加工工作原理：和電子束加工基本類似，也是在真空條件下，將離子源產(chǎn)生的離子束經(jīng)過加速聚焦，使之撞擊到工件表面。不同的是離子帶正電荷，其質(zhì)量比電子大數(shù)千、數(shù)萬倍，所以一旦離子加速到較高速度時(shí)，離子束比電子束具有更大的撞擊動(dòng)能。它是靠微觀的機(jī)械撞擊能量，而不是靠動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能來加工的。4.2.2特種加工技術(shù)6、超聲加工（UltraSonicMachining）工作原理：超聲波發(fā)生器冷卻水換能器變幅桿工具頭泵液體磨料工件6、超聲加工超聲波加工機(jī)床超聲波加工樣件4.2.2特種加工技術(shù)7、水射流加工－水刀工作原理：7、水射流加工水刀切割機(jī)器零件：銑削型腔切割金屬零件切割非金屬零件7、水射流加工水刀雕刻木材：7、水射流加工水刀切割食品：7、水射流加工水刀切割在石材及陶瓷業(yè)應(yīng)用4.2.2特種加工技術(shù)8、快速原型制造技術(shù)工作原理：將計(jì)算機(jī)內(nèi)的三維數(shù)據(jù)模型進(jìn)行分層切片得到各層截面的輪廓數(shù)據(jù)；計(jì)算機(jī)據(jù)此信息控制激光器（或噴嘴）有選擇性地?zé)Y(jié)一層接一層的粉末材料形成一系列具有一個(gè)微小厚度的片狀實(shí)體；再采用熔結(jié)、聚合、粘結(jié)等手段使其逐層堆積成一體，制造出新產(chǎn)品樣件、模型或模具。8、快速原型制造技術(shù)光固化成型:光固化工藝是基于液態(tài)光敏樹脂的光聚合原理8、快速原型制造技術(shù)選擇性激光燒結(jié)（SLS）:8、快速原型制造技術(shù)疊層實(shí)體制造（LOM）:8、快速原型制造技術(shù)熔融堆積成形（FDM）:8、快速原型制造技術(shù)FDMpartsSLS

選擇性激光燒結(jié)快速成型

3DRapidPrototypingCharacterBySLALaser&CNCMilling

4.2.3精密及超精密加工技術(shù)適用于精密機(jī)床、精密測(cè)量?jī)x器等產(chǎn)品中關(guān)鍵零件的加工，精密加工——被加工零件的加工精度為1-0.1μm，表面粗糙度為Ra0.2-0.025μm的加工技術(shù)。4.2.3精密及超精密加工技術(shù)4.2.3精密及超精密加工技術(shù)適合于精密元件、計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)元件、大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的制造。超精密加工——被加工零件的尺寸精度在0.1μm-0.01μm，表面粗糙度Ra≤0.025μm，以及所用機(jī)床定位精度的分辯率和重復(fù)性高于0.01μm的加工技術(shù)。4.2.3精密及超精密加工技術(shù)目前超精密加工精度正處于向納米級(jí)（10-2-10-3μm，1nm=10