07机械制造与夹具教案

第7章现代制造技术教学目标与要求◆了解现代制造技术的发展水平与趋势◆了解特种加工技术的原理、特点及应用◆了解现代制造生产模式及其发展趋势教学重点◆现代制造技术的发展水平与趋势◆特种加工技术的原理、特点及应用7.1现代制造技术概述与传统制造技术比较，现代制造技术具有如下特征。（1）系统性由于计算机技术、信息技术、传感技术、自动化技术和先进管理等技术的引入，并与传统制造技术的结合，现代制造技术成为一个能够驾驭生产过程中的物质流、信息流和能量流的系统工程；而传统制造技术一般只能驾驭生产过程中的物质流和能量流。（2）广泛性传统制造技术通常只是指将原材料变为成品的各种加工工艺；而现代制造技术则贯穿了从产品设计、加工制造到产品销售及使用维护的整个过程，成为“市场—设计开发—加工制造—市场”的大系统。（3）集成性传统制造技术的学科专业单一、独立，相互间界限分明；而现代制造技术由于专业和学科间的不断渗透、交叉、融合，其界限逐渐淡化甚至消失，技术趋于系统化、集成化，已发展成为集机械、电子、信息、材料和管理技术为一体的新型交叉学科—制造系统工程。（4）动态性现代制造技术是针对一定的应用目标，不断吸收各种高新技术而逐渐形成和发展起来的第7章现代制造技术–187–新技术，因而其内涵不是绝对的和一成不变的。反映在不同的时期、不同的国家和地区，现代制造技术有其自身不同的特点、重点、目标和内容。（5）实用性现代制造技术的发展是针对某一具体的制造需求而发展起来的先进、实用的技术，有着明确的需求导向。现代制造技术不是以追求技术的高新度为目的，而是注重产生最好的实践效果，以促进国家经济的快速增长和提高企业的综合竞争力。7.2现代制造工艺技术7.2.1现代制造工艺现代制造工艺的发展主要表现在如下几个方面。（1）制造加工精度不断提高随着制造工艺技术的进步与发展，机械制造加工精度得到不断提高。18世纪，加工第1台蒸汽机所用的汽缸镗床，其加工精度为1mm；19世纪末，机械制造精度也仅为0.05mm；20世纪初，由于能够测量0.001mm千分尺和光学比较仪的问世，加工精度向微米级过渡，成为机械加工精度发展的转折点；到了20世纪50年代末，实现了微米级的加工精度；在最近的一二十年内，机械制造加工精度提高了1～2个数量级，有了较快的发展，达到10nm的技术水平。现在测量超大规模集成电路所用的电子探针，其测量精度已达到0.25nm。预计在不远的将来，可实现原子级的加工和测量。（2）切削加工速度迅速提高随着刀具材料的发展和变革，在近一个世纪时期内，切削加工速度提高了一百至数百倍。20世纪前，切削刀具是以碳素钢作为刀具材料，由于其耐热温度低于200℃，所允许的切削速度不超过10m/min；20世纪初，出现了高速钢，其耐热温度为500～600℃，可允许的切削速度为30～40m/min；到了20世纪30年代，硬质合金开始得到使用，刀具的耐热温度达到800～1000℃，切削速度很快提高到每分钟数百米。随后，相继使用了陶瓷刀具、金刚石刀具和立方氮化硼刀具，而陶瓷刀具和立方氮化硼刀具，切削速度达到每分钟一千米至数千米。（3）新型工程材料的应用推动了制造工艺的进步和变革超硬材料、超塑材料、高分子材料、复合材料、工程陶瓷、非晶与微晶合金、功能材料等新型材料的发展与应用，对制造工艺提出了新的挑战：一方面迫使在通常机械加工工艺方法中要不断改善刀具材料的切削性能，改进机械加工制造设备，使之满足新材料的机械加工要求；另一方面探求应用更多的物理、化学、材料科学的现代知识来开发新型的制造工艺，以便更有效地适应新型工程材料的加工。（4）自动化和数字化工艺装备的发展提高了机械加工的效率由于微电子、计算机、自动检测和控制技术与制造工艺装备相结合，使工艺装备实现了从单机到系统、从刚性到柔性、从简单到复杂等不同档次的多种自动化转变，使工艺过程的检测和控制方式和手段发生了质的变化，可以使整个工艺过程和工艺参数得到实时的优化，大大提高了加工制造的效率和质量。机械制造工艺与夹具–188–（5）零件毛坯成型在向少、无余量方向发展零件毛坯成型是机械制造的第1道工序，有铸造、锻造、冲裁、焊接和轧制等常用工艺。随着人们对人类生存资源的节省和保护意识的提高，要求零件毛坯成型精度向少、无余量方向发展，使成型的毛坯接近或达到零件的最终形状和尺寸，磨削后即可参与装配。因而，出现了熔模精密铸造、精密锻造、精密冲裁、冷温挤压、精密焊接和精密切割等新工艺。（6）优质清洁表面工程技术的形成和发展表面工程技术是通过表面涂覆、表面改性、表面加工及表面的复合处理，来改变零件表面的形态、化学成分和组织结构，以获取与基体材料不同性能要求的一项应用技术。虽然人们使用表面技术已有悠久的历史，然而形成一门表面工程独立学科只是近20年的事。7.2.2超精密加工技术超精密加工是指加工精度和表面质量达到极高程度的精密加工工艺，从概念上讲具有相对性，随着加工技术的不断发展，超精密加工的技术指标也是不断变化的。目前，一般加工、精密加工、超精密加工以及纳米加工可以划分如下。（1）一般加工加工精度在10m左右、表面粗糙度Ra值在0.3～0.8m的加工技术，如车、铣、刨、磨、镗、铰等。一般加工适用于汽车、拖拉机和机床等产品的制造。（2）精密加工加工精度在10～0.1m、表面粗糙度Ra值在0.3～0.03m的加工技术，如金刚车、金刚镗、研磨、珩磨、超精加工、砂带磨削、镜面磨削和冷压加工等。精密加工适用于精密机床、精密测量仪器等产品中的关键零件的加工，如精密丝杠、精密齿轮、精密蜗轮、精密导轨、精密轴承等。（3）超精密加工加工精度在0.1～0.01m、表面粗糙度Ra值在0.03～0.05m的加工技术，如金刚石刀具超精密切削、超精密磨料加工、超精密特种加工和复合加工等。超精密加工适用于精密元件、计量标准元件、大规模和超大规模集成电路的制造。目前，超精密加工的精度正处在亚纳米级工艺，正在向纳米级工艺发展。（4）纳米加工加工精度高于10-3m（纳米，1nm=103m）、表面粗糙度Ra值小于0.005m的加工技术，其加工方法大多已不是传统的机械加工方法，而是诸如原子、分子单位加工等方法。1．超精密切削加工技术（1）超精密切削对刀具的要求为实现超精密切削，刀具应具有如下的性能。①极高的硬度、耐用度和弹性模量，以保证刀具有很长的寿命和很高的尺寸耐用度。②刃口能磨得极其锋锐，刃口半径值极小，能实现超薄的切削厚度。③刀刃无缺陷，因切削时刃形将复印在加工表面上，而不能得到超光滑的镜面。④与工件材料的抗黏结性好、化学亲和性小、摩擦系数低，能得到极好的加工表面完整性。第7章现代制造技术–189–（2）金刚石刀具的性能特征目前超精密切削刀具用的金刚石为大颗粒（0.5～1.5克拉，1克拉=200mg）、无杂质、无缺陷、浅色透明的优质天然单晶金刚石，它具有如下的性能特征。①具有极高的硬度，其硬度达到6000～10000HV；而TiC仅为3200HV；WC为2400HV。②能磨出极其锋锐的刃口，且切削刃没有缺口、崩刃等现象。普通切削刀具的刃口圆弧半径只能磨到5～30m，而天然单晶金刚石刃口圆弧半径可小到数纳米，没有其他任何材料可以磨到如此锋利的程度。③热化学性能优越，具有导热性能好、与有色金属间的摩擦因数低、亲和力小的特征。④耐磨性好，刀刃强度高。金刚石摩擦系数小，与铝之间的摩擦系数仅为0.06～0.13，如切削条件正常，刀具磨损极慢，刀具耐用度极高。因此，天然单晶金刚石虽然昂贵，但被一致公认为是理想的、不能代替的超精密切削的刀具材料。（3）超精密切削时的最小切削厚度超精密切削实际能达到的最小切削厚度与金刚石刀具的锋锐度、使用的超精密机床的性能状态、切削时的环境条件等直接有关。极限最小切削厚度hDmin与刀具刀刃锋锐度（即刃口半径）关系如图7-1所示。图中A为极限临界点，在A点以上被加工材料将堆积起来形成切屑，而在A点以下，加工材料经弹性变形形成加工表面。A点的位置可由切削变形剪切角确定，剪切角又与刀具材料的摩擦系数有关：当μ=0.12时，可得hDmin=0.322；当μ=0.26时，可得hDmin=0.249。由最小切削厚度hDmin与刃口半径的关系式可知，若能正常切削hDmin=1nm，要求所用金刚石刀具的刃口半径应为3～4nm。国外报道研磨质量最好的金刚石刀具，刃口半径可以小到数个纳米的水平；而国内生产中使用的金刚石刀具，刃口半径=0.2～0.5m，特殊精心研磨可以达到=0.1m。2．超精密磨削加工技术所谓超精密磨削加工，是指加工精度达到或高于0.1m、表面粗糙度Ra值低于0.025m的一种亚微米级并正向纳米级发展的加工方法。超精密磨削的关键在于砂轮的选择、砂轮的修整、磨削用量和高精度的磨削机床。（1）超精密磨削砂轮在超精密磨削中所使用的砂轮，其材料多为金刚石、立方氮化硼磨料，因其硬度极高，故一般称为超硬磨料砂轮。金刚石砂轮有较强的磨削能力和较高的磨削效率，在加工非金属硬脆材料、硬质合金、有色金属及其合金时有较大的优势。由于金刚石易于与铁族元素产生化学反应和亲和作用，故对于硬而韧的、高温高硬度、热导率低的钢铁材料，则用立方氮化硼砂轮磨削较好。立方氮化硼比金刚石有较好的热稳定性和较强的化学惰性，其热稳定性可达1250～1350℃，而金刚石磨料只有700～800℃。虽然当前立方氮化硼磨料的应用不如金刚石磨料广，且价格也比较高，但它是一种很有发展前途的磨具磨料。（2）超精密磨削砂轮的修整图7-1极限切削厚度与刃口半径的关系机械制造工艺与夹具–190–砂轮的修整是超硬磨料砂轮使用中的一个技术难题，它直接影响被磨工件的加工质量、生产效率和生产成本。砂轮修整通常包括修形和修锐两个过程。所谓修形，是使砂轮达到一定精度要求的几何形状；所谓修锐，是指去除磨粒间的结合剂，使磨粒凸出结合剂一定高度，形成足够的切削刃和容屑空间。如金刚石和立方氮化硼都比较坚硬，很难用别的磨料磨削以形成新的切削刃，故通过去除磨粒间的结合剂方法，可使磨粒凸出结合剂一定高度，形成新的磨粒。超硬磨料砂轮修整的方法很多，可归纳为以下几类。①车削法用单点、聚晶金刚石笔、修整片等车削金刚石砂轮以达到修整的目的。这种方法的修整精度和效率都比较高，但修整后的砂轮表面平滑，切削能力低，同时修整成本也高。②磨削法用普通磨料砂轮或砂块与超硬磨料砂轮进行对磨修整。普通砂轮磨料如碳化硅、刚玉等磨粒被破碎，对超硬磨料砂轮结合剂起到切削作用，失去结合剂后磨粒就会脱落，从而达到修整的目的。这种方法的效率和质量都较好，是目前较常用的修整方法，但普通砂轮的磨损消耗量较大。③喷射法将碳化硅、刚玉磨粒从高速喷嘴喷射到转动的砂轮表面，从而去除部分结合剂，使超硬磨粒凸出，这种方法主要用于修锐。④电解在线修锐法该法适用于以铸铁纤维为结合剂的金刚石砂轮，应用电解加工原理完成砂轮的修锐过程。如图7-2所示，将超硬磨料砂轮接电源正极，石墨电极接电源负极，在砂轮与电极之间通以电解液，通过电解腐蚀作用去除超硬磨料砂轮的结合剂，从而达到修锐效果。在这种电解修锐过程中，被腐蚀的砂轮铸铁结合剂表面逐渐形成钝化膜，这种不导电的钝化膜将阻止电解的进一步进行，只有当凸出的磨粒磨损后，钝化膜被破坏，电解修锐作用才会继续进行，这样可使金刚石砂轮能够保持长时间的切削能力。⑤电火花修整法如图7-3所示，将电源的正、负极分别接于被修整超硬磨料砂轮和修整器（石墨电极），其原理是电火花放电加工。这种方法适用于各种金属结合剂砂轮，既可修形又可修锐，效率较高；若在结合剂中加入石墨粉，也可用于树脂、陶瓷结合剂砂轮的修整。图7-2电解在线修锐法图7-3电火花修整法第7章现代制造技术–191–此外，尚有超声波修整法、激光修整法等，有待进一步研究开发。（3）磨削速度和磨削液金刚石砂轮磨削速度一般不能很高，根据磨削方式、砂轮结合剂和冷却情况的不同，其磨削速度为12～30m/s（它的热稳定性只有700～800℃）。一般陶瓷结合剂、树脂结合剂的金刚石砂轮其磨削速度可选得高些，金