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1、1,第7章 机械制造技术的发展,本章要点,制造自动化技术的发展,精密加工与超精密加工,非传统加工方法,先进制造技术,2,机械制造技术基础,第7章 制造技术的发展Development of Manufacturing Technology,3,7.1.1 制造自动化技术的主要形式,4,7.1.1 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,5,7.1.1 制造自动化技术的主要形式,6,7.1.1 制造自动化技术的主要形式,（7-1）,式中 TTLC 生产某种产品所需总时间； B 批数； Q 批量； T1 单件工时； T2 每批产品所需生产准备时间（包括原材料订 货时间，制定生
2、产计划时间，工艺装备调整 时间 ）； T3 每种产品所需设计及生产准备时间（产品设 计，工艺设计，工艺装备设计与制造）。,Groover产品寿命周期模型,7,7.1.1 制造自动化技术的主要形式,（7-2）,式中 TLC 生产每件产品所需平均时间 式（1-2）即为 Groover 产品寿命周期模型 TLC 是一个综合指标，减小 TLC 常被作为生产活动追求的目标,式（1-1）两边除以 BQ ，得到：, 刚性自动化：着眼降低 T1 柔性自动化：着眼降低 T1 和T2（部分） 综合自动化：同时减小 T1、T2 、T3，特别是 T2 和 T3 ，因而在多品种、中小批量生产中具有重要意义,8,7.1.
3、2 自动化加工技术,本节仅讨论中小批量生产中广泛使用的柔性制造系统（Flexible Manufacturing SystemFMS）,柔性制造系统的组成,9,7.1.2 自动化加工技术,加工单元,设备运行状态监控与检测（图7-5）,10,钻头破损检测器内存有以往采集的钻头破损的信号或钻头破损模拟信号，与检测信号进行比较。当钻头破损被确认后，发出换刀信号。,7.1.2 自动化加工技术, 加工过程监控与检测重点是刀具磨损、破损监控与检测。图7-6为声发射钻头破损检测装置示意图。加工过程中，一旦钻头破损，声发射传感器检测到钻头破损信号，将其送至钻头破损检测器进行处理。,11,7.1.2 自动化加工
4、技术,物料传输系统,又称立体仓库或自动化仓库系统（Automated Storage and Retrieva1 System一ASRS），由高层料架 、堆垛机、控制计算机和物料识别装置等组成。具有自动化程度高、料位空间尺寸和额定存放重量大、料位总数可根据实际需求扩展、占地面积小等优点。, 自动仓库（图7-7）,12,7.1.2 自动化加工技术, 传输装置,13,7.1.2 自动化加工技术,在地面上埋设引导电缆，并通以510kHz的低压电流。小车上装有对称的一组信号拾取线圈。当小车偏向右方时，右方的感应信号减弱，左方的增强，控制器根据这些信号的强弱，控制小车的舵轮。,电磁导向方式原理（图7-8
5、）,14,7.1.2 自动化加工技术,沿小车预定路径在地面上粘贴易反光的反光带（铝带或尼龙带），小车上装有发光器和受光器。发出的光经反光带反射后由受光器接受，并将该光信号转换成电信号控制小车的舵轮。,光学引导方式原理（图7-9）,15,7.1.2 自动化加工技术, 切屑处理系统,16,7.1.2 自动化加工技术, 工厂计算机：制定、修改、更新生产（作业）计划； 对中央计算机和物流计算机进行控制。, 单元控制器：监视与控制机床加工、检测、上下料 , 物流计算机：根据工厂计算机制定的作业计划对自动仓 库、堆垛机、缓冲站、运输小车等进行监 视与控制。, 中央计算机：根据工厂计算机制定的作业计划对各加
6、工 单元进行监视与控制。, 信息传输网络：在控制计算机与单元控制器之间进行信 息传递。,计算机控制系统,17,7.1.2 自动化加工技术, JCS-FMS-1控制级结构,18,7.1.2 自动化加工技术,FMS特点,以GT为基础 ,具有较大柔性 ,高度自动化 ,控制与管理相结合可自动实现系统内的计划、调度,19,7.1.2 自动化加工技术,FMS应用,20,7.1.2 自动化加工技术,FMS实例（1）,21,7.1.2 自动化加工技术,22,十分之一原则：测量不准确度工件容差的1/10三分之一原则：测量精密度工件许用精密度的1/3（用标准差表示）,7.1.3 自动检测技术,自动化传送和装卸被测
7、件；自动完成检测过程；传送/装卸与检测过程全部自动化。,自动检测内容,多采用传感器/计算机反馈控制系统,自动检测系统,接触式传感器：检测尺寸、形状、相互位置非接触式传感器（光学、非光学）：无接触变形，速度快,自动检测传感技术,“十分之一” 与“三分之一”原则,23,7.1.3 自动检测技术,离线检测：过程稳定，超差风险小,图7-14 三类检测,离线与在线检测,在线/过程中检测：实时，瓶颈工序,在线/过程后检测：滞后时间短，应用较多,24,7.1.3 自动检测技术,坐标测量机,a） b） c） d）图7-15 坐标测量机的结构形式,结构形式,25,7.1.3 自动检测技术,操作控制,编程方法,2
8、6,7.1.3 自动检测技术,可完成测量项目,表7-2 坐标测量机可完成的测量项目,27,7.1.3 自动检测技术,实物照片,28,机械制造技术基础,第7章 制造技术的发展Development of Manufacturing Technology,29,7.2.1 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： 0.0
9、1m ，Ra 0.001m（纳米加工）,微细加工 微小尺寸的精密加工 超微细加工 微小尺寸的超精密加工,30, 几种典型精密零件的加工精度（表7-3）, 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,31,7.2.1 精密与超精密加工技术,32,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60
10、m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，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,33,7.2.1 精密与超精密加工技术,34,精密与超精密加工特点,7.2.1 精密与超精密加工技术,35,7.2.1 精密与超精密加工技术,36,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）
11、，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,37, 加工设备,要求高精度、高刚度、良好稳定性、抗振性及数控功能等。, 关键技术,7.2.1 精密与超精密加工技术,38,车床主轴装在横向滑台（X轴）上，刀架装在纵向滑台（Z轴）上。可解决两滑台的相互影响问题，而且纵、横两移动轴的垂直度可以通过装配调整保证，生产成本较低，已成为当前金刚石车床的主流布局。,图7-19 T形布局的金刚石车床,T形布局（图7-19）,7.2.1 精密与超精密加工技术,39,金刚石车床主要性能指标（表7-5）,7.2.1 精密与超精密加工技术,40, 金
12、刚石刀具,超精切削刀具材料：天然金刚石，人造单晶金刚石 金刚石的晶体结构：规整的单晶金刚石晶体有八面体、十二面体和六面体，有三根4次对称轴，四根3次对称轴和六根2次对称轴（图7-20）。,7.2.1 精密与超精密加工技术,41,金刚石晶体的面网距和解理现象,金刚石晶体的（111）晶面面网密度最大，耐磨性最好。（100）与（110）面网的面间距分布均匀；（111）面网的面间距一宽一窄（图7-21）,在距离大的（111）面之间，只需击破一个共价键就可以劈开，而在距离小的（111）面之间，则需击破三个共价键才能劈开。,在两个相邻的加强（111）面之间劈开，可得到很平的劈开面，称之为“解理”。,7.2
13、.1 精密与超精密加工技术,42,金刚石刀具刃磨 通常在铸铁研磨盘上进行研磨 晶向选择应使晶向与主切削刃平行 圆角半径越小越好（理论可达到1nm）,7.2.1 精密与超精密加工技术,金刚石刀具角度（图7-22）,43,金刚石车床,加工4.5mm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,44, 砂轮材料：金刚石，立方氮化硼（CBN）,7.2.1 精密与超精密加工技术,45, ELID（Electrolytic In-Process Dressing）,使用ELID磨削，冷却液为一种特殊电解液。通电后，砂轮结合剂发生氧化，氧化层阻止电解进一步进行。在切削力作用下
14、，氧化层脱落，露出了新的锋利磨粒。由于电解修锐连续进行，砂轮在整个磨削过程保持同一锋利状态。,7.2.1 精密与超精密加工技术,46, 塑性（延性）磨削,磨削脆性材料时，在一定工艺条件下，切屑形成与塑性材料相似，即通过剪切形式被磨粒从基体上切除下来。磨削后工件表面呈有规则纹理，无脆性断裂凹凸不平，也无裂纹。 塑性磨削工艺条件： （1）切削深度小于临界切削深度，它与工件材料特性和磨粒的几何形状有关。一般临界切削深度1m。 为此对机床要求：高的定位精度和运动精度。以免因磨粒切削深度超过1m时，导致转变为脆性磨削。高的刚性。因为塑性磨削切削力远超过脆性磨削的水平，机床刚性低，会因切削力引起的变形而破坏塑性切屑形成的条件。 （2）磨粒与工件的接触点的温度高到一定程度时，工件材料的局部物理特性会发生变化，导致切屑形成机理的变化（已有试验作支持）。,
