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1、机械制造技术基础 机械工程学院先进制造技术研究所2012 2013学年第一学期 2012 09 2012 12 金涛tomking 绪论 制造业是国民经济的主要支柱 引自 国家中长期科学和技术发展规划纲要一 制造业与制造技术制造业是一个国家的立国之本 民族产业和支柱产业 是反映一个国家经济实力的重要标志 是为国家创造财富的重要产业 也是保障国家安全的重要产业 如 机床业 基础行业 工欲善其事 必先利其器 家电 汽车 医疗 农业 造船业 纺织 印刷 IT制造业 航天 航空 宇航等 绪论 绪论 制造技术支撑着制造业的发展 先进的制造技术能使一个国家的制造业乃至整个国民经济处于极富竞争力的地位 忽视
2、制造技术的发展 将会使经济发展出现严重问题 如美国和日本的正反两方面教训 二 机械制造业的现状 绪论 国外 八国联军 加工对象 极大和极小 极端制造 精度和效率 精密和超精密 高速和超高速 CNC控制系统 五轴联动 六轴联动 制造技术科学的基础研究 投入巨大 制造技术研究与装备开发的手段 不断开发 不断更新 工艺 检测技术 刀具及功能部件 设计 分析与计算手段等 绪论 三维造型软件 如UG PRO E CARTIA SolidWorks等 有限元分析软件 如ANSYS Abaqus MRC Dynaform Forge等 计算分析软件 如Matlab Mathematica Maple等 现代
3、工程师应掌握这三类软件的至少一个 绪论 国内昨天 辉煌的过去四大发明 卓越的锻压和铸造技术等 武林至尊 宝刀屠龙 倚天不出 谁与争锋今天 制造大国 不是制造强国中低端产品居多 关键件 重要零部件的加工依赖进口 经常受国外的技术限制 巴统 整机装配工艺技术落后 高端的数控产品 IT制造的核心装备 光刻机 大型核电 风电 水电设备 大型发电机组 激光核聚变装置 点火工程 等 绪论 青海华鼎超重型数控卧式镗车床重大专项 最大回转直径 5m最大工件长度 25m工件重量500t双床身 双刀架布局 绪论 装备制造业 国民经济发展 国防建设 技术装备 基础产业2010年 占GDP的11 5 世界前三位 20
4、02年 9 4 世界前四位 我国是世界制造大国 但还不是制造强国 自主创新能力弱 对外依存度高 国际竞争力不强 极易受到国际经济 政治环境的制约 绪论 主要表现在以下几个方面 对制造技术中的重要基础科学问题的研究远远不够单元技术 功能部件的研究和开发落后整机的装配工艺技术落后 沈机案例 传统文化中 学而优则仕 的深远影响 绪论 造成的后果 所制造的机床 在加工精度 切削稳定性 精度保持性 可靠性等方面与国外同类产品相比 存在很大的差距 绪论 明天 YesterdayOnceMore 物质平台 国家政策支持 企业 高校人才平台 谁是主力军 三 制造技术的发展制造技术已从单工序的研究发展到制造系统
5、 物质流 信息流 资金流 的研究 如车铣 镗铣复合机床 加工中心 FMS 柔性制造系统 CIMS 计算机集成制造系统 绪论 随着制造技术的发展 制造技术不再仅仅是以力学 切削理论为主要基础的一门学科 而是涉及了机械科学 系统科学 信息科学 材料科学和控制技术的一门综合学科 绪论 四 机械制造的基本流程 零件与机器零件是机器的组成单元 装配时机器是由零件单元逐一装配而成 但在设计的时候却是从整台机器开始的 一种新产品 机器 的开发内容包括概念设计 方案设计 详细设计 样机试制与评审 工艺设计 新产品鉴定 试销 生产准备 批量生产 在方案设计阶段往往需要设计多种方案 通过性能 成本等的对比 经评审
6、最后确定一种方案 绪论 在详细设计阶段 是从绘制产品 机器 的总装图开始 在完成产品的总装图设计后 再进行拆画零件图 在零件图上除标注正确的几何尺寸外 还要根据机器的性能要求标注出零件的精度要求 可见零件的精度要求来自于机器 而在制造过程中 是先加工出合格的零件 然后再通过合理的装配工艺将零件装配成满足一定功能的机器 绪论 五 本课程学习的目的能对机械制造有一个总体的 全貌的了解与把握 能掌握金属切削过程的基本规律 掌握机械加工的基本知识 能选择加工方法与机床 刀具 夹具及加工参数 具备制订工艺规程的能力和掌握机械加工精度和表面质量分析的基本理论和基本知识 初步具备分析解决现场工艺问题的能力
7、了解当今先进制造技术的发展概况 第一章机械加工方法 第一节零件的成形原理按照零件由原材料或毛坯制造成为零件的过程中 质量M的变化 可分为 M 0 M 0 M 0三种原理 不同原理采用不同的成形工艺方法 M 0 材料去除原理 如传统的切削加工方法 包括磨料磨削 特种加工等 在制造过程中通过材料逐渐被去除而获得需要的几何形状 第一章机械加工方法 M 0 材料基本不变原理 如铸造 锻造及模具成型 注塑 冲压等 工艺 在成形前后 材料主要是发生形状变化 而质量基本不变 M 0 材料累加成形原理 如上世纪80年代出现的快速原形 RapidPrototyping 技术 在成形中通过材料累加获得所需形状 第
8、一章机械加工方法 一 M 0的制造过程 M 0主要指切削加工 该加工过程是通过刀具和工件之间的相对运动及相互力的作用实现的 工件往往通过夹具安装在机床上 机床带动刀具或工件或两者同时进行运动 切削过程中 有力 热 变形 振动 磨损等现象发生 这些现象的综合作用决定了零件 第一章机械加工方法 最终获得的几何形状及表面质量 对于加工精度要求特别高的零件 需要采取精加工及超精加工工艺 其尺寸精度往往达到亚微米乃至纳米级 这些工艺在航空航天 计算机产品等领域有着广泛的应用 第一章机械加工方法 特种加工是指利用电能 光能或化学等方法完成材料的去除成形方法 这些方法主要适合于加工超硬度 易碎等常规加工方法
9、难加工的场合 如当前发展比较快的三束加工 激光束 电子束 离子束 在微细加工中有广泛的应用 另外近几年发展的高压水射流等加工方法 也有其显著的优点 第一章机械加工方法 二 M 0的制造过程 M 0的工艺内容主要属于材料成形课程的研究范畴 主要指铸造 锻压和焊接等热加工工艺 在我国 铸造工艺 锻压模具的设计和制造方面均是薄弱环节 特别是模具工业 模具制造精度要求较高 其生产方式往往是单件生产 模具的设计和制造需要CAD和CAE 第一章机械加工方法 等一系列高新技术 属于技术密集型产业 三 M 0的制造过程 M 0的工艺即材料累加法制造 MIM 工艺出现于上个世纪80年代 通过材料逐渐累加成型 这
10、一工艺又称RP技术 RapidPrototyping 其优点是 无需编程 即可以成型任意复杂形状的零件 而无需刀 夹具等生产准备活动 第一章机械加工方法 RP技术制造出来的原型可供设计评估 投标或展示之用 RP技术与快速精铸技术 QuickCasting 及快速模具制造技术 RapidTooling 等相结合 又可以为小批量或大批量生产服务 因而RP技术成为加速新产品开发及实现并行工程的有效技术 一些工业发达国家 如美 日 德等 已经全面应用这一技术来提高制造业的竞争能力 第一章机械加工方法 RP技术已形成了几种成熟的工艺方法 进入了商品化阶段 目前商业化的设备主要有光固化法 SL法 Ster
11、eolithography 叠层制造法 LOM法 LaminatedObjectManufacturing 激光选区烧结 SLS法 SelectiveLaserSintering 熔积法 FDM法 FusedDepositionModeling 第一章机械加工方法 第二节机械加工方法采用机械加工方法获得零件的形状 是通过机床利用刀具将毛坯上多余的材料切除来获得的 根据机床运动的不同 刀具的不同 可分为不同的加工方法 主要有 车削 铣削 刨削 磨削 钻削 镗削及特种加工等 第一章机械加工方法 一 车削主运动 工件的旋转运动进给运动 刀具相对于工件的运动刀具刀具的结构和形状是基本的 一尖二刃三刀面
12、 能加工的表面 第一章机械加工方法 车床加工的典型工序 第一章机械加工方法 内外圆柱面 端面 内外圆锥面 旋转曲面 螺纹面及偏心轴等 加工精度车削加工精度一般为IT8 IT7 表面粗糙度为Ra6 3 1 6 m 精车时 可达IT6 IT5 粗糙度可达Ra0 4 0 1 m 工艺特点生产效率较高 加工过程平稳 刀具简单 第一章机械加工方法 二 铣削主运动 铣刀的旋转运动进给运动 工件的直线运动铣削的不同型式卧铣和立铣卧铣时 平面的形成是由铣刀的外圆面上的刃形成的 立铣时 平面是由铣刀的端面刃形成的 第一章机械加工方法 铣削加工 第一章机械加工方法 顺铣和逆铣 第一章机械加工方法 顺铣和逆铣顺铣时
13、 铣削力的水平分力与工件的进给方向相同 而工作台进给丝杠与固定螺母之间一般又有间隙存在 因此切削力容易引起工件和工作台一起向前窜动 使进给量突然增大 容易引起打刀 逆铣则可以避免这一现象 因此 生产中多采用逆铣 第一章机械加工方法 在顺铣铸件或锻件等表面有硬度的工件时 铣刀齿首先接触工件的硬皮 加剧了铣刀的磨损 逆铣则无这一缺点 但逆铣时 切削厚度从零开始逐渐增大 因而刀刃开始经历了一段在切削硬化的已加工表面上挤压滑行的阶段 也会加速刀具的磨损 同时 逆铣时 铣削力具有将工件上抬的趋势 也易引起振动 这是逆铣的不利之处 第一章机械加工方法 刀具铣刀的结构较复杂 属于多刃刀具 能加工的表面平面
14、曲面 成形铣刀铣削齿轮 球头铣刀加工复杂型面 加工精度一般可达IT8 IT7 表面粗糙度为Ra6 3 0 8 m 第一章机械加工方法 工艺特点生产效率较高 铣刀的散热条件较好 切削过程有冲击和振动产生 影响表面质量 加速刀具的磨损和破损 三 刨削主运动 刨刀的直线往复运动能加工的表面 平面 第一章机械加工方法 刨削加工 第一章机械加工方法 刨床的结构形式牛头刨床和龙门刨床 牛头刨床一般只用于单件生产 加工中小型工件 龙门刨床主要用来加工大型工件 加工精度和生产率都高于牛头刨床 加工精度一般可达IT8 IT7 表面粗糙度为Ra3 2 第一章机械加工方法 1 6 m 精刨时平面度可达0 02 10
15、00 表面粗糙度可达Ra0 8 0 4 m 插床实际上可以看作立式的牛头刨床 主要用来加工键槽等内表面 插齿机的插刀与转动的工件形成范成运动 可加工出渐开线齿轮的齿面 第一章机械加工方法 四 钻削和镗削钻削主运动 钻头的旋转运动进给运动 钻头的轴向运动刀具 钻头能加工的表面 孔 第一章机械加工方法 加工精度钻削的加工精度较低 一般只能达到IT11 IT13 表面粗糙度一般为Ra12 5 0 8 m 精度高 表面质量要求高的小孔 在钻削后常常采用扩孔和铰孔来进行半精加工和精加工 第一章机械加工方法 扩孔 铰孔时 扩孔钻和铰刀均在原底孔的基础上进行加工 因此无法提高孔轴线的位置精度以及直线度 钻削
16、加工 第一章机械加工方法 2 镗削主运动 镗刀和镗杆的旋转运动刀具 镗刀 单刃或双刃 能加工的表面 孔 精加工 加工精度镗孔加工精度一般为IT10 IT8 表面粗糙度为Ra3 2 0 8 m 第一章机械加工方法 镗孔时 镗孔后的轴线是以镗杆的回转轴线决定的 因此可以校正原底孔轴线的位置精度 镗孔可在镗床上或车床上进行 镗床镗孔 车床镗孔 第一章机械加工方法 五 齿面加工根据形成齿面的方法不同 可分为两大类 成形法和展成法 又称范成法 成形法成形法加工齿面所使用的机床一般为普通铣床 刀具为成形铣刀 需要两个简单成形运动 刀具的旋转运动 主切削运动 和直线移动 进给运动 第一章机械加工方法 展成法展成法加工齿面的常用机床有滚齿机 插齿机等 在滚齿机上滚切斜齿圆柱齿轮时 一般需要两个复合成形运动 由滚刀的旋转运动B11和工件的旋转运动B12组成的展成运动 由刀架轴向移动A21和工件附加旋转运动B22组成的差动运动 第一章机械加工方法 前者产生渐开线齿形 后者产生螺旋线齿长 图示为滚齿机滚切斜齿圆柱齿轮的传动原理图 滚切斜齿圆柱齿轮的传动原理 第一章机械加工方法 六 复杂曲面加工三维曲面的切削
