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1、1,第7章 机械制造工艺理论和技术的发展,本章要点,先进制造工艺理论与方法,现代制造工艺方法,先进制造模式,智能制造,制造系统自动化,2,机械制造技术基础,第7章 机械制造工艺理论和技术的发展 Development of Mechanical Manufacturing Theory and Technology,7.1 现代制造工艺理论和技术 Modern Manufacturing Theory and Technology,3,7.1.1 制造工艺的重要性,工艺是设计和制造的桥梁 设计的可行性往往会受到工艺的制约 应该用广义制造的概念将“设计”和“工艺”统一起来,例如：在用金刚石车刀进
2、行超精密切削时，其刃口钝圆半径的大小与切削性能关系十分密切，它影响了极薄切削的切屑厚度，反映了一个国家在超精密切削技术方面的水平。通常，刃口是在专用的金刚石研磨机上研磨出来的，国外加工出的刃口钝圆半径可达2nm，而我国现在还达不到这个水平，这个例子生动地说明了有些制造技术问题的关键不在设计上，而是在工艺上。,4,7.1.1 制造工艺的重要性,同样的设计可以通过不同的工艺方法来实现，在效率、成本、环保等方面会有很大差别，工艺是生产中最活跃的因素。 加工技术的发展往往是从工艺突破的。如电加工及其他特种加工技术的出现使许多传统方法无法加工的工作得以实现。 产品质量是一个综合性问题，与设计、工艺技术、
3、管理和人员素质等多个因素有关，但与工艺技术的关系最为密切。 世界各工业强国都非常重视工艺,5,7.1.2现代制造工艺理论和技术的发展,工艺技术的发展缓慢和工艺问题的不被重视有密切相关 传统上，认为工艺是手艺和技艺 上世纪50年代，原苏联的许多学者在德国学者研究的基础上，出版了机械制造工艺学、机械制造工艺原理等著作，将工艺提高到理论高度。 上世纪70年代，又形成了机械制造系统和机械制造工艺系统，工艺技术已形成一门科学。 近年来新材料、新产品的出现开辟了许多制造工艺的新领域和新方法工艺理论、加工方法、制造模式、制造技术和系统等,6,7.2.1 加工成形机理,分离加工的一种，又称套料加工 可大的减少
4、材料消耗,7,7.2.1 加工成形机理,出现了硬质合金、人造金刚石、立方氮化硼、陶瓷等系列，以及涂层、多元共渗、气相沉积等工艺，同时从湿切削发展到无冷却液的干切削(环保切削)和硬(齿)表面切削等,从金属发展到非金属、高分子材料、半导体、陶瓷和石材等。从而发展了半导体、陶瓷和石材等多种加工工艺学,零件成形使用的能源上有力、电、声、化学、电子、离子、激光等，十分丰富，从而发展了电火花加工、超声波加工、化学加工、电子束加工、离子束加工、激光束加工等,8,7.2.2 精度原理,继承性原则又称“母性”原则、循序渐近原则或“蜕化”原则, 指加工用机床（工作母机）精度高于加工工件的精度 创造性原则又称“进化
5、”原则，可分为直接创造性原则和间接创造性原则,直接创造性原则利用精度低于工件精度要求的机床，借助于工艺手段和特殊工具，直按加工出精度高于“工作母机”的工件，如 “以粗干精”、“以小干大” 间接创造性原则用较低精度机床和工具，制造出加工精度能满足工件要求的高精度机床和工具，再用这些机床和工具去加工工件,9,7.2.3 相似性原理和成组技术,相似性原理是成组技术的基础 成组技术是一种制造哲理，是先进制造技术的专用理论基础之一 成组技术的核心,零件及产品分类编码 划分零件组,10,7.2.4 工艺决策原理,数学模型决策以建立数学模型并求解作为主要的决策方式。数学模型泛指公式、方程式和由公式系列构成的
6、算法等，可分为系统性数学模型、随机性数学模型和模糊性数学模型三类。,式中 a、k 为常数，且 0k 1。其边际生产率分别为：,【例】输入劳动力 L 与资本 K 同输出产品 P 的Cobb-Douglas函数：,上式对确定投资方向具有参考意义。,11,7.2.4 工艺决策原理,逻辑性决策常用决策树与决策表形式,决策树由树根、节点、分支构成；分支上方给出向一种状态转换的可能性或条件（确定性条件）,分支终点列出应采取的行动（决策行动）,12,7.2.4 工艺决策原理,决策表 用表格形式描述事件之间逻辑依存关系。 表格分为4个区域，左上角为条件项目，右上角为条件组合，各条件之间为“与”的关系，左下角列
7、出决策项目，右下角为各列对应的决策行动，决策行动之间也是“与”的关系。 决策表的每一列均可视为一条决策规则。,13,7.2.4 工艺决策原理,智能思维决策,依赖工艺技术人员的经验和智能思维能力来决策，即要应用人工智能。 智能是运用知识来解决问题的能力，学习、推理和联想是智能的三大重要因素。 智能思维决策的主要方法有：专家系统、模糊逻辑、人工神经网络和遗传算法等。,14,7.2.4 工艺决策原理,机械制造工艺设计中的决策方法,15,7.2.5 优化原理,优化原理将已有优化方法应用到工艺问题 优化目标在保证质量前提下，达到最高生产率、最低成本或最大利润率 核心问题建立和求解优化问题数学模型,16,
8、机械制造技术基础,第7章 机械制造工艺理论和技术的发展 Development of Mechanical Manufacturing Theory and Technology,7.3 现代制造工艺方法 Modern Manufacturing Methods,17,7.3.1 特种加工技术,特种加工领域特种加工又称为非传统性加工（Non-Traditional Manufacturing-NTM）。特种加工的概念是相对的，其内容将随着加工技术的发展而变化。 特种加工方法种类 根据加工机理和所采用能源，可分为： 1）力学加工：应用机械能来进行加工，如超声波加工、喷射加工、喷水加工等。 2）电
9、物理加工：利用电能转换为热能、机械能和光能等进行加工，如电火花成形加工、电火花线切割加工、电子束加工、粒子束加工等。 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、刷镀、镀膜和电铸加工等。 4）激光加工：利用激光光能转化为热能进行加工。 5）化学加工：利用化学能或光能转换为化学能来进行加工，如化学铣削和化学刻蚀（即光刻加工）等。 6）复合加工,18,7.3.1 特种加工技术,特种加工特点,特种加工方法主要不是依靠机械能，而是用其它能量（如电能、光能、声能、热能、化学能等）去除材料。 特种加工方法由于工具不受显著切削力的作用，对工具和工件的强度、硬度和刚度均没有严格要求。 一般
10、不会产生加工硬化现象。且工件加工部位变形小，发热少，或发热仅局限于工件表层加工部位很小区域内，工件热变形小，加工应力也小，易于获得好的加工质量。 加工中能量易于转换和控制，有利于保证加工精度和提高加工效率。 特种加工方法的材料去除速度，一般低于常规加工方法，这也是目前常规加工方法仍占主导地位的主要原因。,19,7.3.1 特种加工技术,电火花加工,工作原理： 利用工具电极与工件电极之间脉冲性火花放电，产生瞬时高温，工件材料被熔化和气化。同时，该处绝缘液体也被局部加热，急速气化，体积发生膨胀，随之产生很高的压力。在这种高压作用下，已经熔化、气化的材料就从工件的表面迅速被除去。,4个阶段： 1）介
11、质电离、击穿，形成放电通道； 2）火花放电产生熔化、气化、热膨胀； 3）抛出蚀除物； 4）间隙介质消电离（恢复绝缘状态）。,20,7.3.1 特种加工技术,电火花加工机床,21,7.3.1 特种加工技术,电极材料要求导电，损耗小，易加工；常用材料：紫铜、石墨、铸铁、钢、黄铜等，其中石墨最常用。 工作液主要功能压缩放电通道区域，提高放电能量密度，加速蚀物排出；常用工作液有煤油、机油、去离子水、乳化液等。 放电间隙合理的间隙是保证火花放电的必要条件。为保持适当的放电间隙，在加工过程中，需采用自动调节器控制机床进给系统，并带动工具电极缓慢向工件进给。,工作要素,脉冲宽度与间隔影响加工速度、表面粗糙度
12、、电极消耗和表面组织等。脉冲频率高、持续时间短，则每个脉冲去除金属量少，表面粗糙度值小，但加工速度低。 通常放电持续时间在2s至2ms范围内，各个脉冲的能量2mJ到20J（电流为400A时）之间。,22,7.3.1 特种加工技术,电火花加工类型,电火花线切割加工：,23,7.3.1 特种加工技术,快走丝：电极丝多用钼丝，做往复运动，走丝速度一般为2.5m/s10m/s左右,快走丝与慢走丝,快走丝电火花线切割机床结构原理图 1-走丝溜板 2-卷丝筒 3-电极丝 4-丝架 5-下丝臂 6-上丝臂 7-导丝轮 8-工作液喷嘴 9-工件 10-绝缘垫块 11、16伺服电机 12-工作台 13-溜板 1
13、4-伺服电机电源 15-数控装置 16-脉冲电源,24,7.3.1 特种加工技术,慢走丝：走丝作单方向运动，多用铜丝，为一次性使用，走丝速度一般低于0.2m/min，电极丝走丝平稳无震动，损耗小，因此加工精度高，表面粗糙度值低，但其导向、張紧机构比较复杂。,慢走丝电火花线切割机床的结构原理图 1-溜板 2-绝缘垫块 3、13-伺服电机 4-工作台 5-放丝卷筒 6、11-导丝轮和旅紧机构 7-导向装置 8-工作液喷嘴 9-工件 10-脉冲电源 12-收丝卷筒 14-数控装置 15-伺服电机电源,25,7.3.1 特种加工技术,电火花线切割机床（快走丝）,电火花线切割加工,加工过程显示,26,7
14、.3.1 特种加工技术,27,7.3.1 特种加工技术,不受加工材料硬度限制，可加工任何硬、脆、韧、软的导电材料。 加工时无显著切削力，发热小，适于加工小孔、薄壁、窄槽、形面、型腔及曲线孔等，且加工质量较好。 脉冲参数调整方便，可一次装夹完成粗、精加工。 易于实现数控加工。,电火花加工特点,电火花加工应用,电火花成形加工：电火花打孔常用于加工冷冲模、拉丝模、喷嘴、喷丝孔等。型腔加工包括锻模、压铸模、挤压模、塑料模等型腔加工，以及叶轮、叶片等曲面加工 电火花线切割：广泛用于加工各种硬质合金和淬硬钢的冲模、样板、各种形状复杂的板类零件、窄缝、栅网等 电火花回转加工：加工时工具电极回转，类似钻削、铣
15、削和磨削 回转共轭加工：利用回转共轭原理，加工内外齿轮和内外螺纹 其他：金属表面强化，打印标记，仿形刻字等,28,7.3.1 特种加工技术,电火花加工产品实例 线切割加工产品实例,29,7.3.1 特种加工技术,电解加工,工作原理： 工件接阳极，工具（铜或不锈钢）接阴极，两极间加直流电压624V，极间保持0.11mm间隙。在间隙处通以 660m/S高速流动电解液，形成极间导电通路，工件表面材料不断溶解，溶解物及时被电解液冲走。工具阴极不断进给，保持极间间隙。,30,7.3.1 特种加工技术,不受材料硬度的限制，能加工任何高硬度、高韧性的导电材料，并能以简单的进给运动一次加工出形状复杂的形面和型
16、腔。 加工形面、型腔生产率高（与电火花加工比高510倍）。采用振动进给和脉冲电流等新技术，可进一步提高生产效率和加工精度。 加工表面质量好，无毛刺、残余应力和变形层。 阴极在加工中损耗小。 设备投资大，有污染，需防护。,模具型腔、枪炮膛线、发电机叶片、花键孔、内齿轮、小而深的孔加工，电解抛光、倒棱、去毛刺等,电解加工特点,电解加工应用,电解复合加工：充气电解加工、振动进给脉冲电流电解加工、中间电极法电解加工、电解磨削等,31,7.3.1 特种加工技术,电解磨削,工件与磨轮保持一定接触压力，突出的磨料使磨轮导电基体与工件之间形成一定间隙。电解液从中流过时，工件产生阳极溶解，表面生成一层氧化膜，其硬度远比金属本身低，易被刮除，露出新金属表面，继续进行电解。电解作用与磨削作用交替进行，实现加工。,电解磨削效率比机械磨削高，且磨轮损耗远比机械磨削小，特别是磨削硬质合金时，效果更明显。,32,7.
