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1、第八章 先进机械制造技术 第一节 概述 第二节 现代制造工艺技术 第三节 环境保护与安全生产,第一节 概述 现代制造技术=传统制造技术的发展+信息技术+现代管理技术 一、先进制造技术的形成和特征 1先进制造技术的实用性 2先进制造技术应用的广泛性 3先进制造技术的动态特征 4先进制造技术的集成性 5先进制造技术的系统性 6先进制造技术强调的是实现优质、高效、低耗、清洁、灵活的生产 7先进制造技术的环保性 8先进制造技术最终的目标是要提高对动态多变的产品市场的适应能力和竞争能力,二、先进制造技术的分类 先进制造技术可分为现代设计技术、现代制造工艺技术、制造自动化技术、以及以现代管理理论和方法为基
2、础的先进制造生产管理模式等4大类。 1现代设计技术 包括现代设计理论与设计方法学、计算机辅助设计CAD、计算机辅助工程分析CAE、计算机辅助工艺规程设计CAPP、设计过程管理与设计数据库、性能优良设计、反求工程技术、快速响应设计、智能设计、模块化设计、并行工程CE设计、仿真与虚拟设计、绿色设计等。,2.现代制造工艺技术 包括精密铸造、精密锻压、精密焊接、优质低耗热处理、精密切割、超精密加工、超高速加工、微米/纳米加工技术、复杂型面数控加工、特种加工工艺、快速成形制造、少无污染制造、虚拟制造与成型加工技术等。 3.制造自动化技术 包括数控技术、工业机器人、柔性制造系统、计算机集成制造技术、自动检
3、测及信号识别技术、过程设备工况监测与控制等。 4.先进制造生产管理模式 包括敏捷制造、精益生产、并行工程、智能制造、绿色制造、虚拟制造等。,第二节 现代制造工艺技术 一、特种加工技术 目前所遇到的材料加工困难可以归纳为以下三个方面： （1）难加工材料的加工，如硬质合金、钛合金、耐热钢、不锈钢、宝石及其他各种高硬度、高强度、高韧性、高脆性的金属及非金属材料的加工。 （2）特殊复杂表面的加工，如各种异形孔、微型孔和窄缝等的加工。 （3）特殊要求零件的加工，如细长零件、薄壁零件、弹性元件、微型机械和机器人零件等低刚度零件的加工。,非常规加工（NTM）是指利用化学的、物理的（电、声、光、热、磁、水）、
4、电化学的方法对材料进行加工的工艺方法。其主要特点为： （1）加工范围不受材料物理力学性能的限制，具有“以柔克刚”的特点。 （2）加工过程中，工具与工件间不存在显著的切削力。 （3）非常规加工方法获得的零件的精度及表面质量有其严格的、确定的规律性。,1电火花加工 电火花加工是利用工具和工件（正、负电极）之间脉冲放电时的电腐蚀现象对材料进行加工的方法。 （1）电火花加工原理,图8-1 电火花加工示意图,1脉冲电源 2工件 3自动进给调节装置 4工具电极 5工作液 6过滤器 7工作液泵,(2）电火花加工的工艺特点和应用 1）电火花加工的工艺特点 电火花加工能加工传统切削加工方法难以切削的材料和具有复
5、杂形状的工件；加工时无切削力；不产生毛刺和刀痕沟纹等缺陷；工具电极材料无须比工件材料硬；直接使用电能加工，便于实现自动化；加工后表面产生变质层，在某些应用中须进一步去除；加工速度慢，生产率低；工作液的净化和加工中产生的烟雾污染处理比较麻烦。 2）电火花加工的应用 电火花加工主要用于加工具有复杂形状的型孔和型腔的模具；加工各种硬、脆材料，如硬质合金和淬火钢等；加工深细孔、异形孔、深槽、窄缝和切割薄片等；加工各种成形刀具、样板和螺纹环规等工具和量具。,电火花加工动画,（3）电火花线切割加工 1）电火花线切割的加工原理 电火花线切割加工是在电火花加工基础上发展起来的一种工艺方法，该方法是采用线状电极
6、利用火花放电对工件进行切割，故称线切割。,图8-2 电火花线切割加工原理图,1脉冲直流电源 2工件 3电极丝 4导轮 5储丝筒,2）电火花线切割的特点 不需要制造成形工具电极；能够方便快捷地加工细微的异形孔、窄缝及复杂表面；在相同的电参数下，比穿孔加工生产效率高，自动化程度高，操作使用方便；工作液采用水基乳化液，不易引燃起火，容易实现安全无人操作运行；不能加工盲孔类零件表面和阶梯成形表面。 3）电火花线切割的应用 电火花线切割的应用十分广泛。例如，加工各种硬质合金和淬硬钢的冲模、拉丝模、冷拔模、弯曲模、挤压模等；加工带锥度型腔的电极、微细复杂形状的电极和各种样板、成形刀具等；加工各种形状复杂的
7、零件、直纹曲面、窄缝和栅网等；加工各种稀有、贵重金属和难加工材料。还可将许多相同零件叠起来加工，并获得一致的尺寸。,电火花线切割动画,2电解加工 电解加工属电化学加工方法，是继电火花加工之后，发展较快、应用比较广泛的一种非常规加工方法。 （1）电解加工原理 电解加工是利用金属在电解液中产生“阳极溶解”的原理去除工件上多余材料的。其加工原理如图8-3所示。加工时，在工件和工具电极之间接直流电源（20V左右），工件接阳极，工具接阴极，工具相对工件慢速进给，使两极之间始终保持较小的间隙（通常为0.11mm)，并且在两极较小的间隙中通以高（550m/s）流动的电解液。在电解加工过程中，工具不断地匀速进
8、给，电解液高速流动，工件表面的金属不断地被溶解，溶解的电解产物被高速流动的电解液带走，直到获得所要求的零件形状和尺寸为止。,图8-3 电解加工示意图,1直流电源 2工具阴极 3工件阳极 4调压阀 5电解液泵 6过滤器 7电解液,图8-4 电解加工成形原理图,（2）电解加工的工艺特点 与传统的切削加工相比，电解加工具有以下优点： 1）加工范围广泛，可以加工各种难切削金属材料。 2）电解加工生产率较高，约为电火花加工的5-10倍。有时比切削加工的生产率还高。 3）表面质量好，表面粗糙度为Ra1.25-0.2m,加工中无切削力和切削热的作用，不会产生由此而引起的变形和残余应力、冷作硬化、金相组织变化
9、，以及毛刺、刀痕和飞边等。 4）工具阴极在加工过程中基本上无损耗，可以长期使用。 但电解加工也存在一些缺点和局限性，主要是： 1）加工精度不高，一般为士0. lmm,最高精度不超过士0. 03mm,而且加工稳定性不高。 2）难以加工具有很细的窄缝、小孔及尖棱、尖角的工件。 3）电解液对环境和设备有腐蚀作用。 4）加工复杂型面的工具电极，设计和制造都比较困难。,（3）电解加工的应用 电解加工主要应用于批量生产条件下难切削材料和复杂型面、型腔、薄壁零件以及异形孔的加工，还可用于去毛刺，刻印、磨削、表面光整加工等方面，电解加工已经成为机械加工中一种必不可少的补充手段。 （4）电解磨削 电解磨削是由电
10、解腐蚀作用和机械磨削相结合的一种复合加工方法，比电解加工具有较高的加工精度和较小的表面粗糙度值，比机械磨削的生产率高。,电解加工动画,3激光加工 激光加工是利用激光的能量进行加工的一种工艺方法。 （1）激光加工的基本原理 激光是一种经受激辐射产生的加强光，它除了具有一般普通光源的共性外，还具有亮度高、单色性好、相干性好、方向性好等特点。 激光加工的原理可用图8-6所示的固体激光器打孔简图来说明。激光工作介质2是一种发光材料，可以是固体，如红宝石、钕玻璃等，也可以是气体，如二氧化碳。激励能源主体是一个光泵7，即激励脉冲氙灯，其作用是给激光工作介质提供能量，使其粒子由低能级激发到高能级，产生受激辐
11、射。当工作介质被激发后，在一定的条件下可使光得到放大，并通过1和3组成的光谐振腔的作用产生光的振荡，通过光谐振腔的部分反射镜3输出激光。由激光器发射的激光再通过透镜4聚焦到工件5的待加工表面，对工件进行预定的加工。,图8-6 固体激光器结构示意图,（2）激光加工的工艺特点 1）几乎能够加工各种材料，对材料的适应性强。 2）打孔速度极快，热影响区小。工件热变形很小，易于实现自动化和流水作业。 3）非接触加工。加工时工件不受力的影响，无变形，因此，能对刚性很差的零件（如飞机薄板等）实现高精度加工。 4）可进行微细加工，可实现直径0.0lmm的小孔加工和窄缝切割。 5）可穿越介质进行加工。如可以通过
12、空气、惰性气体或透明介质对工件进行加工。 6）在节能、环保等方面有很大优越性。,（3）激光加工的应用 1）激光打孔 利用激光加工微型小孔，已广泛应用于金刚石拉丝模、钟表及仪表中的宝石轴承、陶瓷、玻璃等非金属材料和硬质合金、不锈钢等金属材料的小孔加工等方面。 2）激光切割 激光切割不仅具有切缝窄、速度快、热影响区小，在加工中无机械作用力、省材料、成本低等优点，而且可在任何方向上切割，可以十分方便地切割出各种曲线形状，包括内尖角。目前激光已成功地用于切割钢板、不锈钢、钛、铌、镍等金属材料，以及石英、陶瓷、塑料、木材、布匹、纸张等非金属材料，其工艺效果都较好。,3）激光焊接 激光焊接是将激光束直接辐
13、射到材料表面，通过激光与材料的相互作用，使材料局部熔化，以达到焊接的目的。 4）激光热处理 激光热处理有很多独特的优点，如工件表层加热速度极快，内部受热少，工件不产生热变形；不需淬火介质；硬化均匀，硬度高硬化深度可精确控制等。因此，激光热处理适合于复杂零件及大型零件的表面淬火。 5）激光的其他应用 用激光在普通金属表层上熔入其他元素，使之具有优良的合金性能，而成本却可大大降低。此外，激光抛光、激光冲击硬化法等也在研究之中。,激光加工动画,4电子束和离子束加工 （1）电子束加工 1）电子束加工的基本原理 电子束加工原理如图8-7所示。电子束加工是在真空条件下，利用聚焦后能量密度极高（106109
14、 W/cm2）的电子束，以极快的速度（当加速电压为50V时，电子速度可达1. 6105km/s）冲击到工件表面的极小面积上，在极短的时间（几分之一微秒）内，其能量的大部分转变为热能，使被冲击部分的工件材料达到几千摄氏度以上的高温，引起材料的局部熔化和气化，从而实现材料加工的目的。其实质是动能转变为热能，对工件进行加工。,图8-7 电子束加工原理,1工件 2电子束 3聚集系统 4电子枪 5抽真空系统 6电源及控制系统,2）电子束加工的特点 电子束加工是一种精密微细的加工方法。主要是由于电子束能够被极其微细地聚焦，甚至能聚焦到直径0.1m或更小的加工面积上。 能够加工各种材料，加工范围广。电子束加
15、工是一种非接触式加工，工件不受机械力作用，不产生宏观应力和变形，能够加工脆性、韧性、导体、非导体及半导体材料。 电子束的能量密度大，加工效率高。加工时电子束的能量密度很高，其能量利用率可达90以上。 加工过程能够实现自动化控制。可以通过磁场或电场对电子束的强度、位置、聚焦等进行直接控制，整个加工过程便于实现自动化。 真空中加工产生污染少。由于电子束加工在真空中进行，加工表面不会氧化，因而产生污染少。 设备价格昂贵。,3）电子束加工的应用 电子束加工可用于打孔、切割、光刻、蚀刻、焊接和热处理加工等。 电子束打孔 电子束打孔已在生产中得到实际应用，目前电子束打孔最小孔径可达0.001mm左右。孔径
16、在0.50.9mm时，其最大孔深已超过l0mm，即孔的深径比大于10。高速打孔还可以在工件运动中进行，如在0.lmm厚的不锈钢上加工0.2mm的孔，速度为每秒3000个孔。 加工型孔及特殊表面 电子束不仅可以加工各种直的型孔和型面，而且也可以加工弯孔和曲面。利用电子束在磁场中偏转的原理，使电子束在工件内部偏转，即可加工出斜孔。控制电子速度和磁场强度，即可控制曲率半径，加工出弯曲的孔。如果同时改变电子束和工件的相对位置，就可进行切割和开槽。,电子束光刻 电子束光刻是先利用低功率密度的电子束照射称为电致抗蚀剂的高分子材料，由入射电子与高分子相碰撞，使分子的链被切断或重新聚合而引起分子量的变化，这一过程称为电子束曝光。如果按规定图形进行电子束曝光，就会在电致抗蚀剂中留下潜像。然后将它浸人适当的溶剂中，则由于分子量不同而溶解度不一样，就会使潜像显影出来。 电子束的其他应用 用计算机控制可对陶瓷、半导体或金属进行电子束刻蚀加工；用电子束可对异种金属进行焊接；用
