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1、第 七 章 机械制造技术的新发展,机械制造技术基础,7.1机械制造技术的发展趋势,推动现代机械制造技术产生的主要因素：,7.1.1 现代机械制造技术的产生和发展,1）机械产品更新换代加快 2）市场竞争加剧 3）新技术革命的推动,现代机械制造技术是从传统的机械制造技术发展起来，不断吸收高新技术成果，或与高新技术实现了局部或系统集成而产生的。,现代机械制造技术产生方式：,7.1机械制造技术的发展趋势,7.1.1 现代机械制造技术的产生和发展,常规制造过程优化：形成现代机械制造技术的重要方式。它是在保持原有制造原理不变的前提下，通过变更制造工艺条件，优化制造工艺参数；或是通过以制造方法为中心，实现制
2、造设备、辅助工艺和材料、检测控制系统技术的集成和改进，从而实现优质、高效、低耗、洁净、灵活等目标。 与高新技术相结合：高新技术的发展对新型制造技术的出现有重大影响。新能源、新材料、微电子、计算机等高新技术在机械制造领域的不断引入、渗透和融合，为新型制造技术的出现奠定了基础。,7.1机械制造技术的发展趋势,7.1.2 现代机械制造技术的特点,先进性：主要表现在优质、高效、低耗、洁净、灵活（柔性）五个方面 实用性：它内涵极其丰富，同时又是动态发展的，具有多种不同的模式和层次，可以应用于各种类型的机械工厂 前沿性：它是信息技术和其它高新技术与传统制造技术相结合的产物，是制造技术研究最为活跃的前沿领域
3、,制造自动化技术的主要形式,制造自动化技术的主要形式,图7-1 汽车后桥齿轮箱加工自动线,制造自动化技术的主要形式,质量、成本和效率是推动现代机械制造技术发展的三个永恒主题，同时，环保和服务业渐渐成为人们关注的目标。为实现这些目标，现代机械制造技术的总趋势是向自动化、最优化、柔性化、集成化、精密化、高速化、清洁化和智能化方向发展。,7.1机械制造技术的发展趋势,7.1.3现代机械制造技术的发展趋势,7.1机械制造技术的发展趋势,7.1.3现代机械制造技术的发展趋势,当前，机械制造技术的发展主要方向： 适应发展现代高、精、尖军品和民品生产的需要，发展精密与超精密加工技术，发展纳米加工技术和微机电
4、系统制造技术； 以提高生产效率和加工质量为主要目标，发展多品种、中小批量生产机械制造自动化技术； 适应市场快速多变的需求，发展快速响应制造技术； 适应建设资源节约型社会发展循环经济的需求，发展以绿色制造为主要内容的可持续发展技术。,7.1机械制造技术的发展趋势,7.1.3现代机械制造技术的发展趋势,机械制造技术进展主要表现在以下几个方面：,采用自动化技术，实现制造过程及制造系统自动化。 利用计算机技术，实现适应于多品种、小批量的柔性制造。 加工与设计之间的界限逐渐淡化，并趋向集成及一体化。 机械加工向超精密、超高速方向发展。 工艺技术与信息技术、管理技术紧密结合，先进制造生产模式不断出现并获得
5、发展。 计算机的广泛应用，取代、加强和延伸了人的部分脑力劳动，使机械制造向最优化和智能化方向发展。,7.2 精密制造技术 Precision Manufacturing Technology,机械制造技术基础,7.2.1 精密与超精密加工技术,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。 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。,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
6、微小尺寸的精密加工 超微细加工微小尺寸的超精密加工, 几种典型精密零件的加工精度, 精密加工与超精密加工的发展（图7-17）,7.2.1 精密与超精密加工技术,7.2.1 精密与超精密加工技术,精密与超精密加工技术是一个国家制造业水平重要标志 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先进制造技术基础和关键 例：美国陀螺仪球圆度0.1m，粗糙度Ra0.01m，导弹命中精度控制在50m范围内；英国飞机发电机转子叶片加工误差从60m降至12m，发电机压缩效率从89%提高到94%；齿形误差从3-4m减小1m，
7、单位重量齿轮箱扭矩可提高一倍,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,精密与超精密加工地位,7.2.1 精密与超精密加工技术,精密与超精密加工特点,7.2.1 精密与超精密加工技术,7.2.1 精密与超精密加工技术,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,7.2.1 精密与超精密加工技术,金刚石车床,加工4
8、.5mm陶瓷球,7.2.1 精密与超精密加工技术,图7-23 金刚石车床及其加工照片,7.2.1 精密与超精密加工技术, ELID（Electrolytic In-Process Dressing）,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（图7-25）和闭式两种形式，可磨削平面、内外圆表面、曲面等（图7-27）。, 精密与超精密砂带磨削,7.2.1 精密与超精密加工技术,图7-26 用于磨削管件的砂带磨床（带有行星系统）,7.2.1 精密与超精密加工技术,机理：微切削被加工材料的微塑性流动作用, 弹性发射加工, 游
9、离磨料加工,抛光轮： 由聚氨基甲酸（乙）酯制成，磨料直径 0.10.01m,7.2.1 精密与超精密加工技术,工作原理（图7-30） 抛光工具上开有锯齿槽，靠楔形挤压和抛光液的反弹，增加微切削作用。 机理：微切削作用。,工作原理（图7-31） 活性抛光液和磨粒与工件表面产生固相反应，形成软粒子，使其便于加工。 机理：机械+化学作用，称为“增压活化”。, 液体动力抛光, 机械化学抛光,7.2.1 精密与超精密加工技术,激光由于其优良的特性（强度高，亮度大，单色性、相干性、方向性好等）在精密测量中得到广泛应用。 可以测量长度，小角度，直线度，平面度，垂直度等； 也可以测量位移，速度，振动，微观表面
10、形貌等； 还可以实现动态测量，在线测量，并易于实现测量自 动化。 激光测量精度目前可达0.01m。,激光测量,7.2.1 精密与超精密加工技术,图7-34 双频激光测量系统,7.2.1 精密与超精密加工技术,恒温要求：1 0.01 实现方法：大、小恒温间+局部恒温（恒温 罩，恒温油喷淋）,恒湿要求：相对湿度35%45%，波动10%1% 实现方法：采用空气调节系统,净化要求：10000100级（100级系指每立方英尺 空气中所含大于0.5m尘埃个数不超过100） 实现方法：采用空气过滤器，送入洁净空气,隔振要求：消除内部、隔绝外部振动干扰 实现方法：隔振地基，隔振垫层，空气弹簧 隔振器,精密与超
11、精密加工环境,7.2.1 精密与超精密加工技术,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 。 超微细加工 通常指1m以下超微细尺寸零件的加工，其加工误差为0.01m 0.1m。 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。,7.2.2 微细与超微细加工技术,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
12、刚石车刀、铣刀,7.2.2 微细与超微细加工技术,线放电磨削法（WEDG）, 通常指纳米级（0.1nm100nm）的材料、设计、制造、测量和控制技术。纳米技术涉及机械、电子、材料、物理、化学、生物、医学等多个领域。 在达到纳米层次后，决非几何上的“相似缩小”，而出现一系列新现象和规律。量子效应、波动特性、微观涨落等不可忽略，甚至成为主导因素。, 纳米技术研究的主要内容,纳米级精度和表面形貌测量及表面层物理、化学性能检测； 纳米级加工； 纳米材料； 纳米级传感与控制技术； 微型与超微型机械。,7.2.3 纳米技术,扫描隧道显微测量（STM）,扫描隧道显微镜1981年由在IBM瑞士苏黎世实验室工作
13、的C.Binning 和 H.Rohrer 发明，可用于观察物体 级的表面形貌。被列为20世纪80年度世界十大科技成果之一，1986年因此获诺贝尔物理学奖。,STM工作原理基于量子力学的隧道效应。当两电极之间距离缩小到1nm时，由于粒子波动性，电流会在外加电场作用下，穿过绝缘势垒，从一个电极流向另一个电极。当一个电极为非常尖锐的探针时，由于尖端放电使隧道电流加大。,7.2.3 纳米技术,C.Binning H.Rohrer,STM,图7- 48 STM工作过程演示,图7- 47 STM实物照片,7.2.3 纳米技术,通过扫描隧道显微镜操纵氙原子用35个原子排出的“IBM”字样,石墨三维图像,7
14、.2.3 纳米技术,图7- 49 用STM移动分子组成的IBM字样,图7- 50 用STM观察石墨原子排列,单个原子的控制与操作,7.3 先进制造技术 Advanced Manufacturing Technology,机械制造技术基础,7.3.1 AMT 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 结果：导致美国在经济上
15、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）,7.3.1 AMT 产生背景,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 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（MT
16、C）” 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,7.3.1 AMT 产生背景,“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，美国公司仍擅于作出新的突破，如IBM的高温超导发现，但往往不能很好地贯彻到底，即把技术既迅速又便宜地转化为新产品和新工艺。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。我们也忽视了现有技术和诀窍的传播，现在已有的新的制造技术和方法，只有少数美国公司开始采用，大部分公司仍是慢吞吞的。这个问题在雇有800万工人的35万家小型制造商中最为尖锐，他们往往缺乏取得这些技术的资源和能力”,19
