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1、先进制造工艺技术,机械制造工艺的基本概念,机械制造工艺是将各种原材料通过改变其形状、尺寸、性能或相对位置，使之成为成品或半成品的方法和过程 机械制造工艺流程是由原材料和能源的提供、毛坯和零件成形、机械加工、材料改性与处理、装配与包装、质量检测与控制等多个工艺环节组成,机械制造工艺的基本概念,按其功能的不同，可将机械制造工艺分为如下三个阶段： 零件毛坯的成形准备阶段，包括原材料切割、焊接、铸造、锻压加工成形等 机械切削加工阶段，包括车削、钻削、铣削、刨削、镗削、磨削加工等 表面改性处理阶段，包括热处理、电镀、化学镀、热喷涂、涂装等,先进制造工艺的产生和发展,制造加工精度不断提高 18世纪，加工第
2、一台蒸汽机所用的汽缸镗床，其加工精度为1 mm 19世纪末，机械制造精度也仅为0.05mm 到了20世纪50年代末，实现了m 级的加工精度 在最近的一二十年时间内，机械制造加工精度提高了12个数量级，达到lOnm的精度水平,先进制造工艺的产生和发展,切削加工速度迅速提高 在20世纪前，切削刀具是以碳素钢作为刀具材料，由于其耐热温度低于200，所允许的切削速度不超过lOmmin 20世纪初，出现了高速钢，其耐热温度为500600，可允许的切削速度为3040mmin 到了20世纪30年代，硬质合金开始得到使用，刀具的耐热温度达到8001000，切削速度很快提高到每分钟数百米 随后，相继使用了陶瓷刀
3、具、金刚石刀具和立方氮化硼刀具，其耐热温度均在1000以上，切削速度可达每分钟一千至数千米,先进制造工艺的产生和发展,新型工程材料的应用推动了制造工艺的进步和变革 超硬材料、超塑材料、高分子材料、复合材料、工程陶瓷、非晶与微晶合金、功能材料等新型材料的发展与应用，对制造工艺提出了新的挑战 近几十年来发展了一系列特种加工工艺方法，如：电火花加工、电解加工、超声波加工、电子束加工、离子束加工和激光加工等,先进制造工艺的产生和发展,自动化和数字化工艺装备的发展提高了机械加工的效率 由于微电子、计算机、自动检测和控制技术与制造工艺装备相结合，使工艺装备实现了从单机到系统、从刚性到柔性、从简单到复杂等不
4、同档次的多种自动化转变，使工艺过程的检测和控制方式和手段发生了质的变化，可以使整个工艺过程和工艺参数得到实时的优化，大大提高了加工制造的效率和质量,先进制造工艺的产生和发展,零件毛坯成形在向少无余量发展 零件毛坯成形是机械制造的第一道工序，有铸造、锻造、冲裁、焊接和轧制等常用工艺 随着人们对人类生存资源的节省和保护意识的提高，要求零件毛坯成形精度向少、无余量方向发展，使成形的毛坯接近或达到零件的最终形状和尺寸，磨削后即可参与装配 出现了熔模精密铸造、精密锻造、精密冲裁、冷温挤压、精密焊接和精密切割等新工艺,先进制造工艺的产生和发展,优质清洁表面工程技术的形成和发展 表面工程技术是通过表面涂覆、
5、表面改性、表面加工及表面的复合处理，来改变零件表面的形态、化学成分和组织结构，以获取与基体材料不同性能要求的一项应用技术 近几十年来，出现了如电刷镀、化学镀、物理气相沉积、化学气象沉积、热喷涂、化学热处理、激光表面处理、离子注入等一系列先进表面处理技术,先进制造工艺的特点,优质 以先进制造工艺加工制造出的产品质量高、性能好、尺寸精确、表面光洁、组织致密、无缺陷杂质、使用性能好、使用寿命和可靠性高 高效 与传统制造工艺相比，先进制造工艺可极大地提高劳动生产率，大大降低了操作者的劳动强度和生产成本,低耗 先进制造工艺可大大节省原材料消耗，降低能源的消耗，提高了对日益枯竭的自然资源的利用率 洁净 应
6、用先进制造工艺可做到零排放或少排放，生产过程不污染环境，符合日益增长的环境保护要求,超高速加工技术,超高速加工技术的研究背景,1931年4月德国切削物理学家萨洛蒙(Carl Salomon)曾根据一些实验曲线，即人们常提及的著名的“萨洛蒙曲线” ，提出了超高速切削的理论,Salomon提出的切削速度与切削温度曲线,超高速切削概念示意图,超高速加工技术的定义与特征,超高速加工技术是指采用超硬材料刀具和磨具，利用能可靠地实现高速运动的高精度、高自动化和高柔性的制造设备，以提高切削速度来达到提高材料切除率、加工精度和加工质量的先进加工技术,不同加工工艺的切削速度范围,各种材料的切削速度范围,超高速加
7、工技术的定义与特征,超高速加工技术的定义与特征,超高速加工技术经济效益指标是：在保证加工精度和加工质量的前提下，将通常切削速度加工的加工时间减少90，同时将加工费用减少50，以此衡量高切削速度的合理性,超高速加工技术的定义与特征,超高速加工技术主要包括 超高速切削与磨削机理研究 超高速主轴单元制造技术 超高速进给单元制造技术 超高速加工用刀具与磨具制造技术 超高速加工在线自动检测与控制技术等,超高速加工技术的定义与特征,超高速加工技术的特征 切削力低 热变形小 材料切除率高 高精度 减少工序,超高速加工技术的发展与应用,超高速加工技术的发展 自从德国Salomon博士提出高速切削概念以来，高速
8、切削加工技术的发展经历了高速切削的理论探索、应用探索、初步应用、较成熟的应用四个发展阶段 特别是20世纪80年代以来，各工业国家相继投人大量的人力和财力进行高速加工及其相关技术方面的研究开发，在大功率高速主轴单元、高加减速进给系统、超硬耐磨长寿命刀具材料、切屑处理和冷却系统、安全装置以及高性能CNC控制系统和测试技术等方面均取得了重大的突破，为高速切削加工技术的推广和应用提供了基本条件,超高速加工技术的发展与应用,超高速加工技术的应用 高速切削加工目前主要用于汽车工业大批生产、难加工材料、超精密微细切削、复杂曲面加工等不同的领域 航空工业是高速加工的主要应用行业，飞机制造通常需切削加工长铝合金
9、零件、薄层腹板件等，直接采用毛坯高速切削加工，可不再采用铆接工艺，从而降低飞机重量 模具制造是高速加工技术的主要收益者。当采用高转速、高进给、低切削深度的加工方法时，对淬硬钢模具型腔加工可获得较佳的表面质量，可省去后续的电加工和手工研磨等工序,超高速切削加工的特点,通常把切削速度比常规高510倍以上的切削叫做超高速切削 超高速切削加工的优越性有以下几点： 加工效率高。高速切削加工比常规切削加工的切削速度高510倍 切削力小。高速切削加工切削力至少可降低30 热变形小 加工精度高、加工质量好 加工过程稳定 减少后续加工工序 良好的技术经济效益,超高速切削的关键技术,超高速切削机床 超高速切削机床
10、是实现高速、超高速切削的必不可少的设备。超高速机床有以下五项基本要求： 超高速的主轴部件 快速响应的数控系统 快速的进给部件 动、静、热刚度好的机床支承部件 高压大流量喷射的冷却系统和安全装置,超高速切削的关键技术,超高速的主轴部件 在超高速数控机床中，几乎无一例外地采用了主轴电机与机床主轴合二为一的结构形式。即采用无外壳电机，将其空心转子直接套装在机床主轴上，带有冷却套的定子则安装在主轴单元的壳体内，形成内装式电机主轴，简称电主轴 超高速主轴单元包括主轴动力源、主轴、轴承和机架四个主要部分，这四个部分构成一个动力学性能和稳定性良好的系统,超高速电主轴结构,超高速切削的关键技术,超高速的主轴部
11、件 这种电主轴和以前用于内圆磨床的内装式电机主轴有很大的区别，主要表现在：有很大的驱动功率和扭矩 ；有较宽的调速范围 ；有一系列监控主轴振动、轴承和电机温升等运行参数的传感器、测试控制和报警系统，以确保主轴超高速运转的可靠性与安全性 超高速主轴采用的轴承有滚动轴承、气浮轴承、液体静压轴承和磁浮轴承几种形式,超高速切削的关键技术,超高速机床的数控系统 超高速切削对数控系统的要求不断提高，最基本的要求是保证高精度、高速度 为了适应高速，要求单个程序段处理时间短 为了在高速下保证加工精度，要有前馈和大量的超前程序段处理功能 要求快速形成刀具路径，此路径应尽可能圆滑，走样条曲线而不是逐点跟踪，少转折点
12、、无尖转点 程序算法应保证高精度；碰到干扰能迅速调整，保持合理的进给速度，避免刀具振动等,超高速切削的关键技术,超高速机床的进给系统 超高速切削在提高主轴速度的同时必须提高进给速度，并且要求进给运动能在瞬时达到高速和瞬时准停等 超高速切削机床的进给系统不仅要能达到很高的进给速度，还要求进给系统具有大的加速度以及高的定位精度,超高速切削的关键技术,超高速机床的进给系统 更先进、更高速的直线电动机已经发展起来，它可以取代滚珠丝杠传动，提供更高的进给速度和更好的加、减速特性 直线电机直接驱动的优点是：控制特性好、增益大、滞动小，在高速运动中保持较高位移精度；高运动速度，因为是直接驱动，最大进给速度可
13、高达100180 m/min；高加速度，由于结构简单、质量轻，可实现的最大加速度高达210g；无限运动长度；定位精度和跟踪精度高，以光栅尺为定位测量元件，采用闭环反馈控制系统，工作台的定位精度高达0.10.01；起动推力大(可达12000N)；由于无传动环节，因而无摩擦、无往返程空隙，且运动平稳,超高速切削的关键技术,超高速机床的支承部件 超高速加工机床的支承制造技术是指超高速加工机床的支承构件如床身、立柱、箱体、工作台、底座、托板、刀架等的制造技术 由于超高速加工机床同时需要高主轴转速、高进给速度、高加速度，又要求用于高精度的零部件加工，因而集“三高”(高速度、高精度、高刚度)于一身就成为超
14、高速加工机床的最主要特征,超高速切削的关键技术,超高速机床的冷却系统 超高速加工时，必然产生大量的高温热切屑，必须把它迅速从工作台上弄走，避免导致机床、工件和刀具产生热变形，以及妨碍切削加工的继续进行,超高速切削的关键技术,超高速切削的刀具系统 超高速切削加工刀具系统由刀具材料、刀具几何角度与形状、刀体结构与刀片夹紧结构、刀具与机床的联结、刀具的冷却及切屑的清除、刀具工况监控等组成 刀具系统具有如下特点 刀片在刀体上的定位夹紧牢固、安全，刀具与机床的联结可靠 超高速切削加工的切削力随着切削速度的提高而降低约30 切削温度随着切削速度的提高而缓慢提高 刀具磨损主要由切削温度、刀具切屑之间和刀具工
15、件之间的相对速度决定的 超高速切削的刀具材料,超高速切削的关键技术,超高速切削的刀具材料 超高速切削加工要求刀具材料与被加工材料的化学亲合力要小，并且具有优异的机械性能、热稳定性、抗冲击性和耐磨性 涂层刀具材料。涂层刀具通过在刀具基体上涂覆金属化合物薄膜，以获得远高于基体的表面硬度和优良的切削性能 金属陶瓷刀具材料。金属陶瓷具有较高的室温硬度、高温硬度及良好的耐磨性 陶瓷刀具材料。陶瓷刀具材料主要有氧化铝基和氮化硅基两大类 PCD刀具材料。 PCD是在高温高压条件下通过金属结合剂(如Co等)将金刚石微粉聚合而成的多晶材料 CBN刀具材料。CBN刀具具有极高的硬度及红硬性，可承受高切削速度，适用
16、于超高速加工钢铁类工件,超高速磨削的机理,超高速切削机床 磨削加工按砂轮线速度Vs的高低可分为普通磨削(Vs3040 m/s) 和高速磨削(Vs45 m/s) 两类 为了与20 世纪80 年代以前速度不超过80120 m/s 的一般高速磨削相区别, 通常将速度为普通磨削速度5 倍以上(即Vs150 m/s) 的高速磨削称为超高速磨削（Super-High Speed Grinding 或Ultra-High Speed Grinding）,超高速磨削的特点,大幅度提高磨削效率 磨削力小 降低加工工件表面粗糙度 砂轮寿命延长 改善加工表面完整性,超高速磨削的关键技术,超高速主轴 高速磨削主轴上要有连续自动动平衡系统，以便能把动不平衡引起的振动降低到最小程度,机电动平衡系统,超高速磨削的关键技术,超高速磨削砂轮 超高速磨削用砂轮应具有强度高、抗冲击强度高、耐热性好、微破碎性好、杂质含量低等优点 高速磨削砂轮的基体设计必须考虑高转速时离心力的作用，并根据应用场合进行优化,高速砂轮的结构和形状优化,超高速磨削的关键技术,超高
