先进制造工艺、方法、装备

S-863先进制造工艺、方法与装备主题CIMS系列讲座•选题准则–对国民经济持续发展的意义–对技术发展的意义–对产业发展的意义–实施的可行性•领域布局先进制造与自动化技术领域（图1）S-863先进制造与自动化领域背景S-863先进制造工艺、方法与装备主题项目建议•引言•现状与趋势•主题布局•目标•立题原则•措施•经费•预期效果引言•制造业是国民经济的基础，工艺与装备是制造业的基础。•工业发达国家极为重视工艺与装备问题美国的装备制造业也呈现衰退若干年(图2），但几年前，美国人就醒悟了，他们已把制造业、把工艺与装备视为与基础科学、国家安全、健康、社会福利（美国历来极为重视的领域）一样重要。•21世纪中装备制造应是中国与发达国家竞争的主要领域之一。Figure1--DeclineofU.S.MachineToolIndustryfrom“OverviewofResearchandTechnologyDevelopmentofMachineToolSystemintheUnitedStates”(JayLeeandBruceKramer)Percentofworldproduction197619781980198219841986198819901992302520151050JapanGermanyU.S.ItalyU.S.isnumber1U.S.isdistant4th美国人的认识（from“UnitManufacturingProcess”）•我们（指美国）在相对生产率增长方面的衰退可以追溯至我们对制造领域中人力、研究及研究成果的转化等方面的投入不足。没有任何事情比改造制造能力对我们的生活水准产生更大的长期影响。除非，我们作为一个国家，把制造视为与基础科学、健康、社会福利、国家安全等一样重要，否则我们不能获得足够的资源以提高我们的生活水准。美国人的认识（from“UnitManufacturingProcess”）•一个国家如果不能生产好的东西，最终其公民会失去很多就业机会，而且其公民会发现他们工作的质量和生活水平水准都会随之下降。•工艺装备工业在经济中扮演独一无二的角色。它为经济中的所有其它制造业提供工具，即使劳动者的教育、运筹管理、交通、通讯等都使生产力增长，但归根结底，好的工艺装备业的影响差不多肯定超过所有这些因素的影响。多项研究（如NationalResearchCouncil）把工艺与装备置于工业研究最重要领域的前列。引言•相对于发达国家，我国的装备业在进一步衰退，我国的工艺水平在相对下降。中国可不能听任装备制造业衰退若干年。中国不能重蹈东南亚某些国家的覆辙。•中国作为一个大国不能没有自己的装备制造业，不能没有良好的工艺水平。中国在工艺与装备方面不能再贻误时机。•中国不能听任发达国家仅把一些劳动密集型的、易污染环境的制造业转移到中国。引言•中国是一个人口巨型国家。如果我们的装备制造业继续下滑，非但影响国民经济和人民生活水平，而且由此而导致的大批失业将会成为严重的社会问题。•我们要有所为有所不为，而工艺与装备恰恰是不能不为的领域。绝不是危言耸听！现状与趋势•国外现状–宏观计划–技术与研究现状•美国研究现状一瞥•技术现状举例•国内现状–工艺与装备现状–R&D现状•R&D趋势与特点宏观计划•NGM，由美国NSF、NIST、DOD、DOE组织，1995年开始，1997年完成。有100多人参与，包括工业界、学术界、政府机构的专家人士。计划包含10个方面，特别强调下一代的制造工艺及装备（Next-generationManufacturingProcessesandEquipment）为十大关键技术之一，指出下一代制造工艺及装备应该是用制造科学为知识基础的可重组、规模可变化及经济合理的制造工艺与装备。宏观计划•UnitManufacturingProcess，由ResearchCommitteeNationalResearchCouncil组织，有15人参与，从1991年开始，1993年完成。•德国制造2000计划•日本的智能制造技术计划（IMS）•韩国的高级先进技术国家计划（G-7计划）技术与研究现状—美国研究现状一瞥•MTAMRI（MachineToolAgileManufacturingResearchInstitute）是一个跨大学的从事工艺与装备的合作研究组织，主要目的在于促进合作研究、技术集成、技术转移、与工业界及政府的对话等。MTAMRI得到了美国NSF的有力支持。•佛罗里达大学Tlusty为首的MachineToolResearchCenter•NACMATT(NationalCoalitionforMachine–ToolTechnology)包括23个工业界成员、大学、国家实验室等，是以UniversityofIllinoisatUrbana–Champaign为首，94年建立。•MachiningResearchProgramatUniversityofKentucky,ledbyProf.JawahirTobecomealeadingresearchgroup,provideastrongscientificfoundationforthegenerationandapplicationofnewknowledgeinmachiningprocesses.技术与研究现状—美国研究现状一瞥技术与研究现状—美国研究现状一瞥•CenterforGrindingResearch&Development(UniversityofConnecticut)•加州伯克利大学MOSAIC（Machine–ToolOpenSystemAdvancedController）–sensorfeedback–computer-aidedset-up–touch-triggerprobe–automaticcompensation技术与研究现状—美国研究现状一瞥•MIT–实时监控铸造中凝固现象，J.H.Chun用X射线CT系统产生二维image，其成像乃物体的密度映射。（得到NSF资助后，使他们又获得了工业界的资助）–高精度、磁悬浮定位系统（轴承定位）轴向：15nm,横向：3nm–自补偿线性静压轴承技术与研究现状—技术现状举例•工艺–精密成型–高速切削–硬切削•装备–刀具–机床•控制–过程控制–数控系统工艺—精密成型•日本等工业发达国家采用温精锻技术生产形状极为复杂且精度要求又高的轿车等速万向节壳体及星形套等关键零件，有的部分直接达到最终尺寸精度及表面光洁度要求。工艺—高速切削•机床主轴最高转速可达40,000r/min，最大输出功率为45kW。进给系统采用滚珠丝杠：快速进给达40～60m/min直线电机：快速进给达76m/min•美国Cincinnati,美国Ingersoll，日本的牧野、意大利Rambaudi等公司之：–标准主轴转速配置可以达到8000～10000r/min–可选20,000r/min以下的主轴单元已商品化工艺—高速切削•美国Ingersoll的HVM800高速加工中心–采用了液体动、静压轴承，主轴转速达20,000r/min–在X、Y、Z轴上使用永磁式直线电机，进给最高速度达到76.2m/min。•瑞士Mikron的HSM700高速铣床–主轴转速42,000r/min，快速进给40m/min工艺—高速切削•意大利Vigolzone的高速卧式加工中心–三轴采用直线电机，进给速度三轴均达70m/min，加速度达1g。•NCMT公司的BIG+PLUSspindleholdingssystem,主轴转速达40,000rev/min。•IBAG公司高速主轴使粗铣比普通快5倍，最高速可达200,000rpm。工艺—高速切削•模具制造领域中，–高速切削减少了加工工序，将切削速度提高5-10倍，并改善铣削复合表面的表面质量。–大的轴加速度确保轨迹精度，高速切削必须有相应的进给量。–硬度在46-60HRC之间工件,以铣削代电火花加工。工艺—高速切削•快速移动几年前不足10m/min,现已达40m/min。–主轴速度10,000~12,000rpm已成为标准–在高速和低速情况下都能传递大的扭矩•德国WZL/RWTH的Dyna-M型3轴铣床–主轴转速19,000r/min，电机15KW–进给速度90m/min，加速度1.5g工艺—硬切削•硬车削是把淬硬钢（HRC55）的车削作为最终加工或精加工的加工方法。以车代磨，加工效率比磨削加工高3～4倍。•硬车削中产生的大部分热量被切屑带走，从而使零件获得良好的整体加工精度。•硬车削设备投资少，适合柔性生产需求。车床投资是磨床的1/3～1/2。硬切削不需特殊设备。装备—刀具•SGS公司的高速铣削刀（镀层Ti-Namite），线速度可达400m/min，加工硬度达HRC60，甚至可以在干切削条件下进行切削。•HornGmbH之Superminiboringtoolinsert,可镗2mm直径孔。•Stocdon陶瓷刀片可在100~200m/min和0.5~0.7mm/rev的条件下加工镍基合金，此种速度比通常硬质合金快5倍，进给量大2倍。装备—刀具•可转位的涂层刀片（镀层为TiC,TiN,CrC,CrN,Al2O3）,提高了刀具的耐磨性和韧性，可提高刀具寿命6~10倍。–美国肯纳公司的KC990刀片–日本三菱公司的UC6010刀片•德国的HSK和美国的KM工具系统使用短锥空心刀柄，接触刚性好，夹紧可靠，传递转矩大，重复定位精度高达0.001mm~0.0025mm。装备—刀具•SandvikCoromant的U钻钻削的孔深达4~5倍孔径，将钻削生产率提高了300%。–Coromant刀具的寿命大约300~500零件/刃–用可转位刀片进行高速镗削，不仅缩短加工时间，并能获得更好的工件质量。•日本九州大学工程部智能机械工程系开发了激光引导式深孔加工方法–用于深径比：1000~2000的深孔高精度加工装备—刀具•德国维克高精度静压膨胀式刀具夹头–用于深孔钻–减少刀具磨损、换刀次数和废品率–刀具寿命延长2倍•聚晶立方氮化硼（PCBN）刀具用于先进切削工艺研究–PCBN刀具材料具有很高的硬度、耐磨性（比硬质合金和陶瓷更高）、热稳定性、高温硬度、低的摩擦系数等。装备—刀具–PCBN刀具用于先进切削工艺•最适合于铸铁、淬硬钢等材料的高速切削加工，高速下刀具的寿命反而越高。•用于硬态切削–以车代磨，对淬硬件（55HRC以上）精加工,可提高加工柔性无须加切削液。–当工件硬度高于40HRC后，刀具寿命随工件硬度增加而增加。•用于干切削•用于自动化及难加工材料的加工装备—机床•高速–降低非切削时间（快速定位，quickchip-to-chiptoolchange，降低托盘交换时间）–增加金属除去率（高速主轴，新刀具设计，coating材料）。现在，金属除去率已比几年前提高了2~10倍。•柔性–法国Renault的超高速切削加工中心（HSC）易集成到自动化加工线中。装备—机床•Reliable,unattendedmachining,高切削率（coolant,flowandchopremoval）–机床检测系统的精度、可靠性•国外系统中多选用双频激光干涉仪作为检测元件–提高机床效率的雷尼绍测头•序前、序中、序后•自动补偿•Powerful,anduserfriendlycontrols装备—机床•功能部件–轴承与主轴单元•瑞士Ibag制造的采用磁悬浮轴承的主轴单元，其主轴转速可到20,000～40,000r/min。•德国KAPP公司采用的磁浮轴承砂轮主轴的转速达到60,000r/min。•气浮轴承的主轴单元的主轴转速最高可达150,000r/min以上，但输出扭矩和输出功率较小，主要用于零件的光整加工。装备—机床•功能部件–直线电机（linemotor）在机床上的应用•直线电机与滚珠丝杠相比，其加速度约为滚珠丝杠的10～20倍，速度为滚珠丝杠的3～4倍。•德国西门子（IFNI）的直线