简介机械制造技术的发展

《简介机械制造技术的发展》由会员分享，可在线阅读，更多相关《简介机械制造技术的发展（16页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、1简介机械制造技术的发展简介机械制造技术的发展第一节 精密加工与细微加工 一、精密与超精密加工 (一)精密与超精密加工的概念 精密加工是指在一定的发展时期，加工精度和表面质量达到较高程度的加工工艺。现阶段精密加工的 误差范围达到 0.11，表面粗糙度a0.1，称为亚微米加工；超精密加工则是指在一定的发 展时期，加工精度和表面质量达到最高程度的加工工艺，现阶段超精密加工的误差可以控制到小于0.1，表面粗糙度a0.01，已发展到纳米加工的水平。 1983 年，日本的田口教授在考察了许多精密与超精密加工实例的基础上，对精密与超精密加工的现状 进行了总结，并对其发展趋势进行了预测，如图 9-1 所示。

2、20 多年后的今天重新审视这张图，仍然较 准确地把握了精密与超精密加工的过去、现状和未来。 精密与超精密加工属于机械制造中的尖端技术，是发展其他高新技术的基础和关键。例如，为了提高 导弹的命中精度，导航陀螺仪球的圆度误差要求控制在 0.1之内，表面粗糙度要求a0.01； 喷气发动机转子的加工误差从 60降到 12，可使发动机的压缩效率从 89提高到 94；磁盘 记录的密度也在很大程度上取决于磁盘基片加工的平面度水平。因而精密与超精密加工技术的高低是 衡量一个国家制造业水平的重要标志。 精密与超精密加工技术涉及到许多基础学科(如物理学、化学、力学、电磁学、光学等)和多种新兴技术 (如材料科学、计

3、算机技术、自动控制技术、精密测量技术、现代管理科学等)。精密与超精密加工技术 的发展，既有赖于这些学科和技术的发展，又会带动和促进相关科学技术的发展，精密与超精密加工 技术已经构成高新技术的一个重要生长点。 (二)精密与超精密加工的特点 (1) “进化”加工原理 一般加工时机床的精度总是高于被加工零件的精度，这一规律称为“蜕化”原理。 (2)微量切削机理 与传统切削机理不同，精密与超精密加工中，背吃刀量一般小于晶粒大小，切削在 晶粒内进行，必须克服分子与原子之间的结合力，才能形成微量或超微量切屑。 (3)综合制造工艺 精密与超精密加工中，要达到加工要求，需要综合考虑加工方法、加工设备与工具、

4、检测手段、工作环境等多种因素。 (4)自动化 在精密与超精密加工中，广泛采用计算机控制、自适应控制、在线自动检测与误差补偿技 术，以减少人为影响因素，保证加工质量。 (5)精密测量 精密测量是精密与超精密加工的必要条件，常成为精密与超精密加工的关键。 (6)特种加工与复合加工 传统切削与磨削方法，加工精度有限，精密与超精密加工常采用特种加工与 复合加工等新的加工方法。(三)精密与超精密加工方法 1.金刚石刀具超精密切削 金刚石刀具超精密切削是微量切削，故其机理与一般切削有较大的差别。金刚石刀具超精密切削时， 其背吃刀量可能小于晶粒的大小，切削在晶粒内进行，切削力一定要超过晶体内部原子、分子结合

5、力，2刀刃上所承受的应力就急剧增加。切削低碳钢时，其应力值接近抗剪强度。因此刀刃会受到很大的应 力，同时产生很大的热量，刀刃切削处的温度将极高，要求刀具材料应有很高的高温强度和红硬性。 金刚石刀具不仅具有很高的高温强度和红硬性，而且由于金刚石材料质地细密，经精细研磨，切削刃 钝圆半径可达 0.020.005，表面粗糙度值可以很小，因此能够进行a 为 0.050.008的镜面 切削。 一般精密与超精密切削通常都是在低速、低压、低温下进行，切削力小，切削温度低，工件被加工表 面塑性变形小，加工精度高，表面粗糙度值小，尺寸稳定性好。金刚石刀具超精密切削是在高速、小 背吃刀量、小进给量下进行，是高应力

6、、高温切削，由于切屑极薄，切削速度高，不会波及工件内层， 因此塑性变形小，可以获得高精度、低表面粗糙度值的加工表面。 金刚石刀具切削含碳铁金属材料时，因产生碳铁亲和作用而产生碳化磨损(扩散磨损)，不仅易使刀具磨 损，而且影响加工质量。目前金刚石刀具主要用于切削铜、铝及其合金。2.精密磨削 1)微刃的微切削作用。 2)微刃的等高切削作用。 3)微刃的滑挤、磨擦、抛光作用。 3.超硬磨料砂轮精密与超精密磨削(1)车削法 用单点、聚晶金刚石笔修整，修整精度和效率较高，但砂 轮切削能力较低。 (2)磨削法 用碳化硅砂轮修整，修整质量好，效率较高，是目前最广泛采用的方法。 (3)电加工法 电解加工法有电

7、解修锐法、电火花修整法，用于金属结合剂砂轮修整，效果较好。 4.精密和超精密砂带磨削因此砂带与工件柔性接触，磨粒载荷小而均匀，具有抛光作用，加工表面粗糙度值小。 2)砂带磨粒用静电植砂法制作，磨粒具有方向性，尖端向上，同时磨粒的切削间隔时间长，摩擦热少， 散热时间长，热作用小，切屑不易堵塞，有较好的切削性，有效地减少了工件变形和表面烧伤。 3)采用强力砂带磨削，其效率可与铣削、砂轮磨削媲美。 4) 砂带制作比较简单，易于批量生产，价格便宜，使用方便，砂带磨削是一种“廉价”磨削。 5)砂带磨削可加工各种金属和非金属材料的外圆、内圆、平面和成型表面，适应性广。 5.研磨、抛光精密和超精密加工3二、

8、微细加工与纳米技术 (一)微细加工 1.微细机械加工2.微细电加工对于一些刚度小的工件和特别微小的工件，用机械加工很难实现，必须使用电加工、 光刻化学加工或生物加工的方法，如线放电磨削或线电化磨削。图 9-7 所示为线放电磨削加工微型 轴的原理图。图 9-7 中用作加工工具的电极丝在导丝器导向槽的夹持下靠近工件，在工件和电极丝 之间加有放电介质。加工时工件作旋转和直线进给运动，去除工件的加工余量。利用数字控制导 丝器和工件之间的相对运动，可以加工出不同的工件形状，如图 9-8 所示。微细加工所用的脉冲电 源的放电量只是一般电火花加工的 1。线电化磨削与线放电磨削的加工机床和工艺基本相似，只 是

9、在工件和电极丝之间浸入电解液，并采用低压直流电源。 3.光刻加工(1)涂胶 把光致抗蚀剂涂敷在已镀有氧化膜的半导体基片上。 (2)曝光 曝光方法有两种，一种是由光源发出的光束经掩膜在光致抗蚀剂涂层上成像，称为投影曝光； 另一种是将光束聚焦成细小束斑，通过扫描在光致抗蚀剂涂层上绘制图形，称为扫描曝光。 (3)显影与烘片 曝光后的光致抗蚀剂在一定的溶剂中将曝光图形显示出来，称为显影。4(4)刻蚀 利用化学和物理方法，将没有光致抗蚀剂部分的氧化膜除去并形成沟槽，称为刻蚀。 (5)剥膜(去胶) 用剥膜液去除光致抗蚀剂，然后进行水洗和烘干处理。(二)纳米技术与纳米加工1.纳米测量技术2.纳米加工技术 扫

10、描隧道显微镜不仅可用于测量，也可用来直接移动原子或分子，实现纳米加工。当 STM 探针尖端的 原子距离工件的某个原子极小时，其引力可以克服工件其它原子对该原子的结合力，使被探针吸引的 原子随针尖移动而又不脱离工件表面，从而实现工件表面原子的搬迁。最早实现原子搬迁的是 IBM 实 验室研究人员，他们于 1990 年用 STM 将i(110)表面吸附的e 原子逐一搬迁，最终以 35 个e 原子 排列成“IBM” 三个字母。1995 年中国真空物理研究所的研究员在高真空、高温状态下，借助于原子搬 迁在i(111)表面上加工出了“”图案。 除了在 STM 上用原子搬迁法进行纳米级加工外，还可以应用化学

11、沉积、电流曝光以及光刻电铸等方法 进行纳米级加工。 一、概述5第二节高 速 加 工 高速加工的特点：(1)加工效率高 进给率较常规切削提高 510 倍，材料去除率可提高 36 倍。 (2)切削力小 较常规切削至少降低 30，径向切削力降低更明显，这样更有利于减小工件受 力变形，适于加工薄壁件和细长件。 (3)切削热少 加工过程迅速，95以上的切削热被切屑带走，工件积聚热量少、温升低，适 合于加工熔点低、易氧化和易于产生热变形的零件。 (4)加工精度高 高速加工刀具激振频率远离工艺系统固有频率，不易产生振动；由于切削力 小，热变形小，残余应力小，易于保证加工精度和表面质量。 (5) 工序集中 利

12、用同一设备既可对工件进行高速粗加工，也可进行高速精加工，实现工序集 中。 高速加工的应用：目前，高速加工已在航空航天、汽车、模具、仪器仪表等领域得到广泛 的应用。航空航天工业中许多带有大量薄壁、细筋的大型轻合金整体构件，采用高速加工， 材料去除率达 100180cm3/min；并可获得良好的质量。此外航空航天工业中许多镍合金、钛 合金零件，也适于采用高速加工，切削速度达 2001000m/min。 在汽车工业中，目前已出现由高速数控机床和高速加工中心组成的高速柔性生产线，可以实 现多品种、中小批量生产，以满足汽车市场不断更新换代的需要。 用高速铣削代替传统的电火花成形加工模具，可使模具制造效率

13、提高 35 倍。对于复杂型面 模具，模具精加工费用往往占到总费用的 50以上，采用高速加工，可使模具精加工费用大 大减少，从而降低模具生产成本。 在仪器仪表工业中，目前高速加工主要用于精密光学零件加工。 高速加工的关键技术： 1)高速加工刀具、磨具材料与制造技术。 2)高速主轴单元与高速进给单元制造技术。 3)高速加工在线检测与控制技术。 4)其他技术，如高速加工毛坯制造技术、干切技术、排屑技术、安全防护技术等。 二、高速切削刀具.高速切削刀具材料的发展6.金刚石.聚晶立方氮化硼(1)较高的硬度和耐磨性 晶体结构与金刚石相似，化学键类型相同， 晶格常数相近，粉末硬度为 8000HV。 (2)高

14、的热稳定性 的热稳定性明显优于金刚石刀具。 (3)良好的化学稳定性 在 12001300时不与铁系材料发生化学反应。 (4)良好的导热性 的导热性仅次于金刚石，是硬质合金的 20 倍，且随温度升高而增 加。 (5)较低的摩擦系数 与不同材间的摩擦系数为 0.10.3(硬质合金为 0.6)，且随切削 速的提高而减小。 三、高速主轴四、高速进给机构 (1)采用新型直线滚动导轨 直线滚动导轨中球轴承与钢导轨之间接触面积小，摩擦系统小， 可大大减小进给“爬行”现象。 (2)采用滚珠丝杠 采用小螺距、大尺寸、高质量滚珠式丝杠或大螺距多头滚珠丝杠可以在不 降低精度的前提下获得较高的进给速度和进给加、减速度

15、。 (3)采用数字化、智能化和软件化 高速切削机床已开始采用全数字交流伺服电动机和智能化、 软件化控制技术。 (4)采用复合材料 高速进给机构通常采用碳纤维增强复合材料，不但可减轻工作台重量，又 不损失其刚度，还可提高其动态特性。 (5)采用直线电动机 为提高进给速度，先进、高速的直线电动机已在进给机构中使用。 第三节 特 种 加 工 一、特种加工基本概念 .特种加工的特点 1)特种加工不是依靠刀具和磨料来进行加工，而是利用电能、热能、光能、 声能、化学能来去除金属或非金属材料，工件和工具之间无明显的机械作用力，因此加工时 工件变形小，加工精度高。 2)特种加工的方法包括去除加工和结合加工。

16、3)特种加工时，工具的强度和硬度可以低于工件的强度和硬度，同时工具的损耗很小，甚至无 损耗，如激光加工、电子束加工等。 4)特种加工中能量易于转换和控制，工件一次装夹中可以实现粗、精加工，有利于保证加工精 度，提高生产率。 .特种加工的方法 (1)力学加工 应用机械能进行加工，如超声波加工、喷射加工等。 (2)电物理加工 利用电能转换成热能、光能等进行加工，如电火花成形加工、电火花线切割7加工、电子束加工、离子束加工等。 (3)电化学加工 利用电能转换为化学能进行加工，如电解加工、电镀加工等。 (4)激光加工 利用激光光能转换为热能进行加工。 (5)化学加工 利用化学能或光能转换为化学能进行加工，如化学腐蚀加工(化学铣削)、化学刻 蚀(光刻加工)等。 (6)复合加工 将机械加工和特种加工叠加在一起形成复合加工，如电解磨削等。 二、电火花成形加工 (一)电火花加工原理 1)接在不同极性上的工具和工件之间，必须保持一定的距离以形成放电