第3章-先进制造工艺

11第三章第三章先进制造工艺先进制造工艺机电工程学院机电工程学院工业工程系工业工程系2本章主要内容本章主要内容先进制造工艺技术概述先进制造工艺技术概述超高速加工技术超高速加工技术222111444精密、超精密加工技术精密、超精密加工技术555333微型机械加工技术微型机械加工技术快速原型制造技术快速原型制造技术3机械制造工艺机械制造工艺::指指在生产过程中，改变生产在生产过程中，改变生产对象的形状、尺寸、性能及相互位置关系的方对象的形状、尺寸、性能及相互位置关系的方法和过程，也称机械制造工艺过程。法和过程，也称机械制造工艺过程。先进制造工艺技术概述先进制造工艺技术概述111一、机械制造工艺的一、机械制造工艺的定义定义及内涵及内涵41.1.机械制造工艺的定义及机械制造工艺的定义及内涵内涵51.1.机械制造工艺的定义及机械制造工艺的定义及内涵内涵¾¾材料准备材料准备————根据后续工艺要求准备相应原材料。根据后续工艺要求准备相应原材料。¾¾机械加工机械加工————将各类原材料加工成半成品和成品。将各类原材料加工成半成品和成品。¾¾热处理热处理及表面处理及表面处理————通过改变材料整体或表面的通过改变材料整体或表面的成分和组织，对材料进行改性处理。成分和组织，对材料进行改性处理。¾¾机械机械装配装配————把零件按一定的关系和要求连接在一把零件按一定的关系和要求连接在一起起，组成，组成部件和整台机械产品，包括零件的固定、部件和整台机械产品，包括零件的固定、连接、调整、平衡、检验和试验等工作。连接、调整、平衡、检验和试验等工作。6机械加工方法按成型机械加工方法按成型原理分原理分：：••受迫成形受迫成形在特定边界和外力在特定边界和外力约束下约束下成形，如铸造、锻压、粉末冶金和成形，如铸造、锻压、粉末冶金和注射成形等；注射成形等；••去除成形去除成形将将材料材料从基体中从基体中分离分离出去出去成形，如车、铣、刨、磨、电火花成形，如车、铣、刨、磨、电火花、激光切割；、激光切割；••堆积成形堆积成形将材料有序地将材料有序地合并堆积合并堆积成成形，如快速原形制造、焊接等。形，如快速原形制造、焊接等。••生长成型生长成型利用利用材料材料的的活性活性进行成型进行成型的方法。如生物个体的发育。的方法。如生物个体的发育。27去除成形去除成形堆积成形堆积成形生成成形生成成形受迫成形受迫成形8先进制造工艺技术是传统机械制造工艺不断优化先进制造工艺技术是传统机械制造工艺不断优化和发展后所形成的，包括常规工艺经优化后的工艺，和发展后所形成的，包括常规工艺经优化后的工艺，以及不断出现和发展的新型加工方法。以及不断出现和发展的新型加工方法。二、先进制造工艺的技术体系二、先进制造工艺的技术体系概述概述111主体技术主体技术先进成型技术先进成型技术精密、超精密加工技术精密、超精密加工技术超高速加工技术超高速加工技术微细加工技术微细加工技术特种加工技术特种加工技术快速原型制造技术快速原型制造技术表面工程技术等表面工程技术等9¾¾采用模拟技术，优化工艺设计采用模拟技术，优化工艺设计三、先进制造工艺技术的发展方向三、先进制造工艺技术的发展方向¾¾毛坯成型向近无余量及近无毛坯成型向近无余量及近无““缺陷缺陷””的方向发展的方向发展应用模拟技术应用模拟技术，在，在计算机上虚拟显示材料热加工工艺过计算机上虚拟显示材料热加工工艺过程，预测工艺结果，并可以对参数进行优选，提高制造质程，预测工艺结果，并可以对参数进行优选，提高制造质量和效率。量和效率。毛坯毛坯成型从接近零件形状向直接制成工件的成型从接近零件形状向直接制成工件的精密成形精密成形或称或称净成形净成形（无余量）的方向发展。（无余量）的方向发展。••成形方法成形方法：：––传统方法：传统方法：铸造、锻造、冲裁、焊接和轧制。铸造、锻造、冲裁、焊接和轧制。––先进方法：先进方法：熔模精密铸造、精密锻造、精密冲熔模精密铸造、精密锻造、精密冲裁、精密焊接和精密切割等。裁、精密焊接和精密切割等。10¾¾机械加工向超精密、超高速方向发展机械加工向超精密、超高速方向发展————以超精密、超以超精密、超高速加工为代表高速加工为代表¾¾特种加工方法和应用领域不断拓展特种加工方法和应用领域不断拓展————以激光加工技术以激光加工技术为代表为代表••加工精度进入纳米加工时代加工精度进入纳米加工时代••加工速度成为克服难加工材料加工困难的一条途径加工速度成为克服难加工材料加工困难的一条途径••加工工艺加工工艺————将电、热、光、声、磁作为能源施加到将电、热、光、声、磁作为能源施加到被加工部位，形成特种加工工艺。被加工部位，形成特种加工工艺。••加工对象加工对象————超硬材料、超塑材料、高分子材料等的超硬材料、超塑材料、高分子材料等的加工。加工。••加工方法加工方法————激光、电子束、离子束、高压水射流等激光、电子束、离子束、高压水射流等新方法。新方法。三、先进制造工艺技术的发展方向三、先进制造工艺技术的发展方向11¾¾采用自动化技术，实现加工过程的优化控制采用自动化技术，实现加工过程的优化控制¾¾绿色制造工艺的研究与应用绿色制造工艺的研究与应用••单机自动化单机自动化→→系统自动化系统自动化••刚性自动化刚性自动化→→柔性自动化柔性自动化→→综合自动化综合自动化••工艺过程和工艺参数得到实时优化，提高加工效率和工艺过程和工艺参数得到实时优化，提高加工效率和质量。质量。••研究原则研究原则————在不牺牲质量、成本、可靠性、功能或在不牺牲质量、成本、可靠性、功能或能量利用率的前提下，采用能减轻对环境产生有害影能量利用率的前提下，采用能减轻对环境产生有害影响的制造过程。响的制造过程。••主要分类主要分类————节约资源的工艺技术，节省能源的工艺节约资源的工艺技术，节省能源的工艺技术，环保型的工艺技术。技术，环保型的工艺技术。三、先进制造工艺技术的发展方向三、先进制造工艺技术的发展方向12¾¾加工与设计趋于集成和一体化加工与设计趋于集成和一体化————以快速原型制以快速原型制造为代表造为代表返回返回CAD/CAMCAD/CAM、、CECE、、FMSFMS、、CIMSCIMS、快速原型制、快速原型制造造(RPM)(RPM)等的提出，淡化了设计与加工的界限，使之等的提出，淡化了设计与加工的界限，使之趋于集成和一体化。冷热加工之间、加工过程、物流趋于集成和一体化。冷热加工之间、加工过程、物流过程、检测过程、装配过程之间的界限也趋于消失。过程、检测过程、装配过程之间的界限也趋于消失。概述概述111三、先进制造工艺技术的发展方向三、先进制造工艺技术的发展方向313一、一、精密、超精密加工的概念精密、超精密加工的概念精密加工是指在一定的发展时期，加精密加工是指在一定的发展时期，加工精度和表面质量达到较高程度的加工工工精度和表面质量达到较高程度的加工工艺；超精密加工是指加工精度和表面质量艺；超精密加工是指加工精度和表面质量达到最高程度的加工工艺。达到最高程度的加工工艺。精密、超精密加工技术精密、超精密加工技术22214二、精密、超精密加工等级划分二、精密、超精密加工等级划分((当前技术条件下当前技术条件下))：：精密、超精密加工技术精密、超精密加工技术222Ra0.005Ra0.005～～0.010.01µµmm高于高于0.10.1～～0.010.01µµmm超精密加工超精密加工Ra0.005Ra0.005µµmm高于高于0.010.01µµmm纳米加工纳米加工Ra0.01Ra0.01～～0.10.1µµmm11～～0.10.1µµmm精密加工精密加工Ra0.1Ra0.1～～0.80.8µµmm低于低于11µµmm普通加工普通加工表面粗糙度表面粗糙度加工精度加工精度加工阶段加工阶段15例如，瓦特例如，瓦特改进蒸汽机时代，镗孔的最高精度改进蒸汽机时代，镗孔的最高精度为为1mm1mm，，到到了了2020世纪世纪4040年代，最高加工精度年代，最高加工精度达到达到1um1um，今天，今天看看来，这只是普通加工。来，这只是普通加工。1.1.相对性相对性2.2.不普及性、保密性不普及性、保密性3.3.属尖端技术属尖端技术4.4.与测量技术密切相关。与测量技术密切相关。精密、超精密加工技术精密、超精密加工技术222精密、超精密加工技术发展特点：精密、超精密加工技术发展特点：16精密加工与超精密加工的发展精密加工与超精密加工的发展普通加工普通加工精密加工精密加工超精密加工超精密加工超高精密磨床超高精密磨床超精密研磨机超精密研磨机离子束加工离子束加工分子对位加工分子对位加工车床车床,,铣床铣床卡尺卡尺加工设备加工设备测量仪器测量仪器精密车床精密车床磨床磨床百分尺百分尺比较仪比较仪坐标镗床坐标镗床坐标磨床坐标磨床气动测微仪气动测微仪光学比较仪光学比较仪金刚石车床金刚石车床精密磨床精密磨床光学磁尺光学磁尺电子比较仪电子比较仪超精密磨床超精密磨床精密研磨机精密研磨机激光测长仪激光测长仪圆度仪轮廓仪圆度仪轮廓仪激光高精度激光高精度测长仪测长仪扫描电镜扫描电镜电子线分析仪电子线分析仪加工误差（μ加工误差（μmm））1010001010111010221010--221010--111010--33190019001920192019401940196019601980198020002000年份年份17外圆、孔、平面黑色金属、铝合金0.01～0.0051～0.1抛光器氧化铝、氧化铬等磨料精密、超精密抛光抛光型腔黑色金属等固结磨料、游离磨料、化学或电解作用液体滚动研磨外圆去毛刺黑色金属0.0110～1磁性磨料磁性研磨平面氧化铝油石、玛瑙油石、电铸金刚石油石油石研磨外圆、孔、平面黑色金属、硬脆材料、非金属材料0.01～0.0051～0.01铸铁、硬木、塑料等研具，氧化铝、碳化硅、金刚石等磨料精密、超精密研磨研磨平面、外圆磁盘、磁头砂带精密、超精密砂带磨削外圆、孔、平面黑色金属、硬脆材料、非金属材料0.05～0.0085～0.5砂轮氧化铝、碳化硅、立方氮化硼、金刚石等磨料精密、超精密砂轮磨削磨削磨料加工印刷线路板、石墨模具、喷嘴低碳钢、铜、铝、石墨、塑料0.220～10硬质合金钻头，高速钢钻头微孔钻削活塞销孔精密、超精密镗削多面棱体精密、超精密铣削球、磁盘、反射镜金刚石刀具、有色金属及其合金等软材料，其他材料刀具，各种材料0.01～0.0051～0.01天然单晶金刚石刀具、人造聚晶金刚石刀具、立方氮化硼刀具、陶瓷刀具、硬质合金刀具精密、超精密车削切削刀具切削加工应用被加工材料表面粗糙度Ra/μm精度/μm加工刀具加工方法分类常用精密加工和超精密加工方法常用精密加工和超精密加工方法18型腔模导电金属2.5～0.0250～1成形电极，脉冲电源、煤油、去离子水电火花成形加工电火花加工特种加工孔黑色金属等0.025～0.011～0.1磨条磨削液精密珩磨珩磨外圆黑色金属等0.025～0.011～0.1磨条磨削液精密超精加工超精加工平面黑色金属、非金属材料、有色金属0.01～0.0081～0.1研具(脱脂木材，细毛毡)、磨料、纯水超精研抛外圆、孔、平面、型面黑色金属、非金属材料、有色金属0.01～0.0081～0.1砂带接触轮砂带研抛孔、型腔黑色金属等0.01～0.025磨料液体喷射加工型面、型腔去毛刺、倒棱黑色金属等0.015粘弹性物质磨料挤压研抛平面黑色金属、非金属材料、有色金属0.010.1～0.01非磁性磨料磁流体磁流体抛光平面黑色金属、非金属材料0.010.1～0.01聚氨酯抛光器抛光液水合抛光平面、圆柱面黑色金属、非金属材料、有色金属0.025～0.0080.1～0.01带有楔槽工作表面的抛光器抛光液液体动力抛光抛光磨料加工常用精密加工和超精密加工方法常用精密加工和超精密加工方法419打孔、切割、焊接、热处理任何材料6.3～01210～1激光器、加工装置(工作台)激光束加工注入、掺杂离子束结合加工镀膜0.02～0.011～0.1离子束附着加工成形表面、刃磨、蚀刻任何材料0