机械制造工程学第2版 谭豫之 李伟第8章 先进制造技术简介

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1、Mechanical Manufacturing Engineering,机 械 制 造 工 程 学,2019年5月18日,第一节 概述 第二节 超精密加工技术 第三节 超高速加工技术 第四节 增材制造技术 第五节 生物制造技术 第六节 特种加工方法,第8章 先进制造技术简介,第一节 概述,一、产生背景,第一节 概述,二、定义（制造领域的“奥林匹克精神”）,先进+制造技术 字面：比“以前”好的制造技术？ “好”更高效、更环保、成本更合理、更好的系统适应性、更好的可靠性,第一节 概述,二、定义（制造领域的“奥林匹克精神”）,先进制造技术是制造业不断吸收机械、电子、信息（计算机与通信、控制理论、人

2、工智能等）、能源及现代系统管理等方面的成果，并将其综合应用于产品设计、制造、检测、管理、销售、使用、服务乃至回收的全过程，以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活生产，提高对动态多变的产品市场的适应能力和竞争能力的制造技术的总称。,第一节 概述,三、先进制造技术组成 广义,狭义,第一节 概述,四、先进制造技术的特点,先进性 广泛性 实用性 系统集成性 动态性,第一节 概述,五、先进制造技术发展趋势,超精密加工技术是适应现代技术发展的一种机械加工新工艺，综合应用了机械技术发展的新成果及现代电子技术、测量技术和计算机技术中先进的控制、测试手段等，使机械加工的精度得到进一步提高，使加工的极限精度向纳米和亚

3、纳米精度发展。,第二节 超精密加工技术,一、超精密加工特征,不同类型加工的精度特征 精密加工 精度为：101m， 表面粗糙度值为：Ra03003m； 超精密加工 精度为：01001 m， 表面粗糙度值为 Ra003 0005m， 又称亚微米加工；（1微米=0.001mm） 纳米加工 精度高于003 m， 表面粗糙度值小于 Ra 0.005 m。,第二节 超精密加工技术,一、超精密加工特征,超精密加工机床一般采用高精度空气静压轴承支撑主轴系统；空气静压导轨支撑进给系统的结构模式。 要实现超微量的切削，必须配有微量移动工作台的微进给驱动装置（摩擦驱动方式）和满足刀具角度微调的微量进给机构，并实现数

4、字控制。,第二节 超精密加工技术,二、超精密加工的设备,液体静压轴承,空气静压轴承,磁悬浮轴承,第二节 超精密加工技术,金刚石车床,加工4.5mm陶瓷球,金刚石车床及其加工照片,三、超精密加工的刀具,超精密加工要求刀具能均匀地去除不大于工件加工精度且厚度极薄的金属层或非金属层。 超精密切削中的加工刀具，一般指天然单晶金刚石刀具。超精密切削中必须保证金刚石刀具的刀面与刃口质量。 超精密磨削的加工刀具砂轮的磨料品级与力度均匀性在加工中十分重要。,第二节 超精密加工技术,第二节 超精密加工技术,金刚石刀刃形状,四、纳米加工技术,纳米(Nanometer)技术是在纳米尺度范畴内对原子、分子等进行操纵和

5、加工的技术。主要内容包括：纳米级精度和表面形貌的测量；纳米级表层物理、化学、力学性能的检测；纳米级精度的加工和纳米级表层的加工原子和分子的去除、搬迁和重组；纳米材料；纳米级微传感器和控制技术；微型和超微型机械；微型和超微型机电系统和其他综合系统；纳米生物学等。,第二节 超精密加工技术,对不同的加工对象，纳米加工精度划分如下： 纳米级尺寸精度； 纳米级几何形状精度； 纳米级表面质量；,四、纳米加工技术,第二节 超精密加工技术,LIGA技术：,四、纳米加工技术,第二节 超精密加工技术,LIGA技术：,四、纳米加工技术,第二节 超精密加工技术,第三节 超高速加工技术,一、超高速加工概述,一般认为超高

6、速加工是指采用超硬材料的刀具，通过极大地提高切削速度和进给速度，来提高材料切除率、加工精度和加工表面质量的现代加工技术。 由于不同的工件材料、不同的加工方式有着不同的切削速度范围，因而很难就超高速加工的切削速度范围给定一个确切的数值。,目前，对于各种不同加工工艺和不同加工材料，超高速加工的切削速度范围分别如下表所示。,第三节 超高速加工技术,第三节 超高速加工技术,二、超高速加工原理,第三节 超高速加工技术,三、超高速加工优越性,超高速切削加工的优越性 加工效率高 切削力小 热变形小 加工精度高、加工质量好 加工过程稳定 良好的技术经济效益,第三节 超高速加工技术,三、超高速加工优越性,超高速

7、磨削加工的优越性 可以大幅提高磨削效率 磨削力小，零件加工精度高 可以获得低的表面粗糙度值 可以大幅度延长砂轮寿命，有助于实现磨削加工的自动化 可以改善加工表面完整性,第三节 超高速加工技术,四、超高速切削机床,1. 超高速切削主轴系统,高速主轴性能要求： 要求结构紧凑、重量轻、惯性小、可避免振动和噪音和良好的起、停性能 足够的刚性和高的回转精度 良好的热稳定性 大功率 先进的润滑和冷却系统 可靠的主轴监测系统,主轴电机和主轴合二为一，制成电主轴,第三节 超高速加工技术,四、超高速切削机床,1. 超高速切削主轴系统,第三节 超高速加工技术,四、超高速切削机床,2. 超高速轴承技术,液体静压轴承

8、 空气静压轴承 磁悬浮轴承 陶瓷轴承,第三节 超高速加工技术,四、超高速切削机床,3. 超高速切削机床进给系统,为了适应进给运动高速化的要求： 采用新型直线滚动导轨； 采用的是小螺距大尺寸高质量滚珠丝杠； 采用全数字交流伺服电机和控制技术； 高速进给机构采用碳纤维增强复合材料； 采用先进、高速的直线电机。,滚珠丝杠传动和直线电机直接驱动的性能对比,第三节 超高速加工技术,五、超高速切削刀具技术,高速切削刀具材料的合理选择,第四节 增材制造技术,一、增材制造技术概述,增材制造（Additive Manufacturing，AM）技术，是采用材料逐渐累加的方法制造实体零件的技术，相对于传统的材料去

9、除切削加工技术，是一种“自下而上”的制造方法。增材制造技术是指基于离散-堆积原理，由零件三维数据驱动直接制造零件的科学技术体系。基于不同的分类原则和理解方式，增材制造技术还有快速原型、快速成形、快速制造、3D打印等多种称谓，其内涵仍在不断深化，外延也不断扩展，本书所指的“增材制造”包含“快速原型”、“3D打印”。这种成形制造技术誉为将带来“第三次工业革命”的新技术。,第四节 增材制造技术,一、增材制造技术概述,第四节 增材制造技术,一、增材制造技术概述,增材制造技术特点 高度柔性； 成形的快速性； 全数字化的制造技术； 无切割、噪音和震动等，有利于环保； 应用范围广。,第四节 增材制造技术,二

10、、增材制造技术原理与流程,第四节 增材制造技术,三、典型增材制造技术方法,第五节 生物制造技术,一、生物制造技术基本概念,生物制造（Biomanufacturing）是直接制造活性/活体材料与器件以及利用生物活性/活体制造新型结构、材料、器件的生物形式制造方法。 生物制造包括利用生物形体和机能进行制造及制造类生物或生物体,按照应用对象和功能可以将生物制造划分为生物体制造（生物组织工程）和生物加工成形两个方面 生物制造技术特点： 具有生物学特性； 生产的个性化、及时化、高度柔性； 跨尺度功能制造； 工艺复杂性。,第五节 生物制造技术,二、生物制造技术应用,1. 生物加工成形在制造机械功能产品方面

11、,第五节 生物制造技术,二、生物制造技术应用,2. 生物体制造在体外再造人体器官方面,第五节 生物制造技术,三、生物制造技术发展趋势,与微纳米制造、增材制造等技术有机结合，实现高性能传感器和微系统的节能环保制造。 复杂人体和器官组织结构仿生模型的构建，非均质体三维计算机模型，个性化组织结构及替代医疗装置的设计及与制造工艺，材料及形态的集成。 单细胞、多种细胞及细胞团簇的受控三维空间输送、精确定位、排列和组装,减小生物制造工艺对细胞损伤及生物性能的影响。,第六节 特种加工方法,一、电火花加工,电火花加工又称放电加工、电蚀加工，在加工过程中，使工具和工件之间不断产生脉冲性的火花放电，靠放电时局部、

12、瞬时产生的高温使金属熔化、气化而被去除而达到加工成形的目的。因加工时放电过程中可见到火花，故称之为电火花加工。,电火花加工特点 适合于任何难切削材料的加工； 可以加工特殊及复杂形状的表面和零件； 可以在同一机床上连续进行粗、半精和精加工；,第六节 特种加工方法,二、电化学加工,电化学加工是利用电化学作用对金属进行加工的方法，按其作用可分为三类：一类是利用电化学阳极溶解来进行加工，如电解加工、电解抛光等；第二类是利用电化学阴极镀覆进行加工，如电铸、电镀等；第三类是电化学加工和其他加工方法相结合的电化学复合加工。 电化学加工也是非接触加工，工具电极和工件之间存在着工作液，加工过程无宏观切削力，为无

13、应力加工。,第六节 特种加工方法,三、超声波加工,超声波是指频率超过一般人耳的听见上限20000Hz的声波，具有频率高、波长短、能量大、能力密度高的特点。超声波加工是利用工具端面做超声频振动，通过磨料悬浮液加工脆硬材料的一种成形方法。,超声波加工特点 适合于加工各种硬脆材料，特别是不导电的非金属材料； 超声加工机床的结构比较简单，操作、维修方便； 工具对工件加工表面宏观作用力小，热影响小，不会引起变形和烧伤。表面粗糙度可达Ra10.1um或更低，加工精度可达0.010.02mm，而且可以加工薄壁、窄缝、低刚度的工件。,第六节 特种加工方法,四、激光加工,激光加工特点 加工材料范围广； 可用于精

14、密微细加工； 非接触加工，无明显的机械力，没有工具损耗问题； 加工速度快、热影响区小，容易实现加工过程自动化； 能通过透明体进行加工； 加工装置相对简单。,第六节 特种加工方法,五、电子束加工,激光加工特点 由于电子束能够极其微细地聚焦，甚至能聚焦到，所以加工面积可以很小，是一种精密微细的加工方法； 电子束能量密度很高，加工效率高； 非接触式加工，工件不受机械力作用，不产生宏观应力和变形。加工材料范围广； 污染少，加工表面不氧化； 加工过程便于实现自动化。,第六节 特种加工方法,六、离子束加工,离子束加工是利用离子束对材料进行成形或表面改性的加工方法。在真空条件下，将由离子源产生的离子经过电场加速，获得具有一定速度的离子投射到材料表面，产生溅射效应和注入效应。 离子束加工特点 加工精度高，易精确控制 污染少 加工应力、变形极小,第六节 特种加工方法,七、水射流加工,水射流加工特点 切割品质优异 水射流是一种冷加工方式，“水刀”不磨损且半径很小，能加工具有锐边轮廓的小圆弧； 几乎没有材料和厚度的限制； 节约成本； 清洁环保无污染。,