《《机械制造技术基础（3d版）》李凯岭13机械制造技术基础（3d）第13章制造模式与制造技术》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《机械制造技术基础（3d版）》李凯岭13机械制造技术基础（3d）第13章制造模式与制造技术（138页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、,第13章 制造模式与制造技术,主要内容,现代科学技术的发展与交叉融合，给制造技术提出了新的要求，也给予了强大支持。因此，涌现了许多先进制造技术。超高速切削、超精密加工、微机械制造等技术近年来有了长足的发展。,快速响应制造技术主要包括产品的快速设计、快速开发、快速制造及生产系统的快速组成。先进制造技术的许多重要概念都与快速响应密切相关。其中主要有快速成形制造（RP&M，Rapid Prototyping & Manufacturing），并行工程、虚拟制造、CIMS、敏捷制造、智能制造、动态联盟与虚拟公司等。,可持续发展战略以高技术努力降低自然资源消耗，把环境保护与自然资源统筹考虑地发展。,制
2、造模式与制造技术,13.1 先进制造工艺技术,制造模式与制造技术,现代机械工业之所以要致力于提高加工精度，其主要原因在于：提高产品的性能和质量，提高其稳定性和可靠性，促进产品的小型化，增强零件的互换性，提高装配生产率，并促进自动化装配。 精密、超精密加工技术的提高，有力地推动了各种新技术的发展。,13.1.1 超精密加工,超精密加工是尖端技术产品发展中不可缺少的关键加工手段。,制造模式与制造技术,在高精度加工范围内，根据加工精度水平的不同，可进一步划分为精密加工、超精密加工和纳米加工三个档次。 加工公差为10.00.1m，表面粗糙度Ra0.300.03m的加工称为精密加工； 加工公差为0.10
3、.01m、表面粗糙度Ra0.030.005m的加工称为超精密加工； 加工公差小于0.01m、表面粗糙度Ra小于0.005m的加工称为纳米加工。,制造模式与制造技术,精密和超精密加工目前包含三个领域,超精密切削。如超精密金刚石切削，可加工各种镜面，它成功地解决了高精度大型抛物面镜的加工，用于激光光核聚变系统和天体望远镜。 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。 精密特种加工。如电子束、离子束加工，使美国超大规模集成电路线宽达0.1m(八十年代水平)。,制造模式与制造技术,加工方法所能达到的加工精度等级取决于其能切除的最小背吃刀量apmin，如纳米级加工方法
4、的apmin必须小于1nm。影响微量切除能力的主要因素有： 1）切削工具的刃口锋利程度 切削工具的刃口锋利程度一般用刃口钝圆半径进行评定，钝圆半径值越小，刃口越锋利。 2）机床加工系统的刚度 主要是机床主轴系统和刀架进给系统的刚度。刚度越大，超精加工越易实现。 3）机床进给系统的分辨率 为实现微量切除，数控系统的脉冲当量值要小，数控系统的脉冲当量值一般应为apmin的1/51/10。,1. 超精密加工基本原理,（1）微量切除原理,制造模式与制造技术,制造模式与制造技术,（2）精密切除条件,具有微量切除能力只是实现超精密加工的必要条件，还必须具有能进行精密切除的设备和环境条件。 实现精密切削总的
5、要求是：由机床加工系统不准确引起的静态误差，连同由于力作用、热作用和外界环境干扰引起的动误差，必须小于超精密加工规定的制造公差要求。,制造模式与制造技术,2. 纳米级加工技术,纳米技术是一个涉及范围非常广泛的术语，它包括纳米材料、纳米摩擦、纳米电子、纳米光学、纳米生物、纳米机械等，这里只讨论与纳米加工有关的问题。 纳米级加工方法种类很多，此处仅以扫描隧道显微加工为例，介绍纳米加工原理和方法，并用以展示近年来人们在研究发展纳米级加工方面所达到的水平。,制造模式与制造技术,扫描隧道显微镜(STM)可用于测量三维微观表面形貌，也可用作纳米加工。STM的工作原理主要基于量子力学的隧道效应。图13-2所
6、示： 当一个具有原子尺度的探针针尖足够接近被加工表面某一原子A时，探针针尖原子与A原子并未接触，也会有隧道电流在探针与被加工材料间通过。 在外加电场作用下A原子受到两个方面力的作用，一方面是探针针尖原子对原子A的吸引力，包括范德华(Van Der Wall)力和静电力；另一方面是被加工工件上其他原子对A的结合力；当探针针尖原子与A原子的距离小到某一极限距离时，探针针尖原子对A原子的吸引力将大于工件上其他原子对A原子的结合力，探针针尖就能拖动A原子在加工表面上移动，实现原子搬迁。 控制探针针尖与被移动原子之间的偏压和距离是实现原子搬迁的两个关键参数。,2. 纳米级加工技术,制造模式与制造技术,扫
7、描隧道显微加工原理图（图13-2）,1-压电陶瓷管 2-探针 3-工件,制造模式与制造技术,高速切削加工(HSM)是近十年来迅速崛起的一项实用先进制造技术。高速切削在加工质量和加工效率两个方面实现了统一，其最突出的优点是生产效率和加工精度提高，表面质量好，生产成本低。 超高速切削通常只是相对传统切削加工而言。根据目前的生产和技术水平，国外学者提出：机床主轴转速8 00012 000 r/min为准高速切削，15 00050 000 r/min为高速切削，大于50 000 r/min为超高速切削。 国内学者则认为：超高速切削加工(USM)是一种比常规切削速度高得多(10倍左右)的速度对零件进行加
8、工的先进技术，它以高的加工速度、高的加工精度为主要特征。,13.1.2 高速切削,制造模式与制造技术,在常规的切削速度范围内，切削温度随着切削速度增加而提高，这就限制了切削加工的效率和质量。实验表明，当切削速度达到某一临界值时，切削速度进一步提高，切削温度反而下降。如果能找到这一临界值(如图13-3)，就能避开这一过渡区域B，直接进入高速切削区，不仅可以大大提高生产效率，而且可以因切削温度的降低而改善加工质量。,制造模式与制造技术,图13-4是7种材料高速切削范围实验结果示意图，图中剖面线为常规切削速度范围，网状线是高速切削速度范围。,制造模式与制造技术,(1)随着切削速度提高，进给速度也提高
9、510倍。这样，单位时间内的材料切除率增加，可达常规切削的36倍，甚至更高。切削加工时间减少，大幅度提高加工效率，降低了加工成本。 (2)在高速切削加工范围，随切削速度提高，切屑流出的速度加快，改变了切屑与刀具前刀面的摩擦，切屑流出的阻力减少，剪切区变形小，切削力减少30%以上，有利于细长杆等刚性较差和薄壁零件的切削加工。 (3)由于切削速度的提高，切屑以很高的速度排出，加工区域大约95%98%以上的切削热被切屑迅速带走。切削速度提高愈大，带走的热量愈多，工件可基本上保持冷态，适用于加工容易产生热变形以及热损伤要求较高的零件。 (4)高速切削加工过程中，随着切削速度的提高，切削力降低，使切削系
10、统的工作频率远离机床的低阶固有频率。而工件加工表面粗糙度对低阶固有频率最敏感，因此高速切削加工表面质量可达到磨削的水平，大大降低加工表面粗糙度，残留在工件表面上的应力也很小，能够加工出比较精密的零件。因而可以不划分粗加工和精加工阶段，一次以大的材料去除率获得较高质量的加工表面。 (5)高速切削可加工硬度4565HRC的淬硬钢工件。如高速切削加工淬硬后的模具可减少甚至取代电火花加工和磨削加工，满足加工质量的要求。,1. 高速切削加工的工艺特点,制造模式与制造技术,超高速切削技术是新材料技术、计算机技术、控制技术和精密制造技术等多项新技术综合应用发展的结果。因此，超高速切削加工技术是一项复杂的系统
11、工程，是诸多新技术集成的一项综合技术，主要包括以下几方面的基础理论与关键技术，即高速切削机理、高速切削刀具技术、高速切削机床技术、高速加工的测试技术等。,2. 超高速切削加工的技术基础,制造模式与制造技术,在当前的技术条件下，主要的研究手段和方法是从切削力、切削温度、切屑变形、工件表面质量等方面深入研究切削速度变化对超高速切削的加工质量带来的变化，从宏观和微观方面深入研究其作用机理，为高速切削的应用奠定理论基础。,（1）高速切削机理,制造模式与制造技术,（2）高速切削刀具,在高速切削加工中心，对不同的加工零件，必须选择相应的切削用量的刀具才能获得最佳的切削效果。 刀具的研究主要集中在三个方面：
12、高速切削刀具的材料、刀具的形状和刀具的结构。,制造模式与制造技术,（3）高速切削机床,高速机床是实现高速加工的前提和基本条件。高速机床主要包括高速主轴系统、高速进给系统、高速CNC控制系统，以及机床床身、冷却系统、安全设施、加工环境等。,1）高速主轴系统 目前已生产出的高速或超高速机床几乎全部采用电机主轴与机床主轴合二为一的电主轴结构，如图13-5所示。电机的转子就是机床的主轴，机床主轴单元的壳体就是电机座。为了满足高速、大功率运转的要求，高速电主轴的轴承通常采用陶瓷滚动轴承、磁浮轴承、液体静压轴承和空气静压轴承,制造模式与制造技术,1.陶瓷球轴承 2.密封圈 3.电主轴,4.冷却水出口 5.
13、旋转变压器,图13-5 高速电主轴结构剖视图,制造模式与制造技术,2）高速进给系统 一般数控机床进给机构采用的“回转伺服电机带滚珠丝杠”的传动方式所能达到的最大直线运动和加速度难以满足高速切削加工的需要。 3）高速CNC控制系统 高速切削主轴转速、进给速度和进给加速度非常高，要求机床的控制系统必须具有超高响应特性，需要对电机的原理、结构、工作特性和相关技术进行专门研究。,（3）高速切削机床,4）切屑处理、冷却系统以及安全装置 高速切削过程会产生大量的切屑，单位时间内高的切屑切除量需要高效的切屑处理和清除装置。切削液的使用并不是对高速切削的任何场合都适用，例如，对抗热冲击性能差的刀具，在有些情况
14、下，切削液反而会降低刀具的使用寿命，这时可采用干切削，并用吹气或吸气的方法进行清理切屑的工作。,制造模式与制造技术,（4）高速加工的测试技术,高速加工的测试技术包括传感技术、信号分析和处理等技术。 近年来，在线测试技术在高速机床中使用得越来越多。 现在已经在机床使用的有：主轴发热情况测试、滚珠丝杠发热测试、刀具磨损状态测试、工件加工状态监测等。,制造模式与制造技术,3. 钛合金的超高速切削加工,（1）钛合金切削加工性分析 造成钛合金切削加工性差的主要原因是由于钛合金的化学亲和力极大及导热性极差： 1）化学亲和力大，钛合金在300以上高温下极易与刀具材料“亲和”，切削时刀具材料中的一些元素不是溶
15、于钛中，便是与钛起化学作用。 2）导热性差，钛合金导热性差，热扩散率很小，切削温度很高。钛合金的导热系数平均为工业纯钛的一半，导热系数为45钢的1/51/7，因而在相同切削条件下，钛合金的切削温度比45钢高1倍以上。 3）钛合金切削力虽然不大，约为碳钢的75%，但切屑与刀具前刀面的接触长度却比碳钢小的多，约为碳钢的一半，从而切削钛合金时刀尖所受的应力约为切削碳钢时的1.5倍。 4）钛合金加工硬化现象并不严重，约和低碳钢情况相同。,制造模式与制造技术,3. 钛合金的超高速切削加工,（2）超高速切削加工 超高速切削加工（USM）是一种用比常规加工切削速度高得多（10倍左右）的速度对零件进行加工的先
16、进技术，它以高的加工速度、高的加工精度为主要特征。 当切削速度提高10倍，进给速度提高20倍，远远超越传统的切削“禁区”后，超高速切削加工在切削原理上是对传统切削认识的突破，在切削机理上与常规切削不一样，切削加工发生了本质性的飞跃。,制造模式与制造技术,3. 钛合金的超高速切削加工,1）大幅提高生产效率 超高速加工使得单位功率的金属切除量提高了30%40%，切削振动几乎消失。 2）工件温升小，减小工件热变形 超高速切削中，产生的热量虽多，但由于切屑从工件上切离的速度快，90%以上的切削热被切屑带走，留于工件的切削热大幅度降低，传给工件的热量很小，工件积累热量极少，因而切削时，工件温度的上升不会超过3。 3）切削力低 由于切削速度高，使剪切变形区变窄、剪切角增大、变形系数减小和切屑流出速度快，从而可使切削变形减小、切削力降低（比常规切削力低30%90%），刀具的寿命提高70%，特别适合于加工薄壁类刚性差的工件。 超高速切削加工是适宜于钛合金加工，并且可大幅提高生产效率及加工质量的先进制造工艺技术。,制造模式与制造技术,4. 高
