第7章机械制造技术的发展

1第7章制造技术的发展DevelopmentofManufacturingTechnology本章主要内容：机械制造技术的发展趋势、精密加工与超精密加工、非传统加工方法。27.1先进制造技术及发展AdvancedManufacturingTechnologyandDevelopment37.1.1现代机械制造技术的特点现代制造技术即用先进的制造技术(AdvancedManufacturingTechnology，AMT)来代替传统的制造技术。先进制造技术（AMT）是一种以优质、高效、低能耗、洁净和灵活性为典型特征的新的机械制造技术。重视、发展和应用这种先进的制造技术对于一个国家国民经济水平的发展有着重大的意义。4一、AMT的产生背景AMT首先由美国于20世纪80年代末提出。长期以来，美国政府只对基础研究、卫生健康、国防技术等给予经费支持，而对产业技术不予支持，主张产业技术通过市场竞争，由企业自主发展20世纪70年代，一批美国学者不断鼓吹美国已进入“后工业化社会”，认为制造业是“夕阳工业”，主张经济重心由制造业转向高科技产业和第三产业5结果：导致美国在经济上的竞争力下降，贸易逆差巨增，日本家电、汽车大量涌入并占领了美国市场。（20世纪60年代美国汽车产量占世界汽车总产量的2/3，而到了80年代下降到不足1/3）。20世纪80年代,美国政府开始认识到问题的严重性。白宫一份报告称“美国经济衰退已威胁到国家安全”MIT的一份报告写到“经济竞争归根结底是制造技术和制造能力的竞争”，“一个国家要生活好，必须生产好”，表明美国知识界与政府之间取得了共识。61988年,美国政府投资进行大规模“21世纪制造企业战略”研究,并于其后不久提出了“先进制造技术”发展目标，制定并实施了“先进制造技术计划（ATP）”和“制造技术中心计划（MTC）”1991年，白宫科学技术政策办公室发表“美国国家关键技术”报告，重新确立了制造业的地位1993年，克林顿在硅谷发表题为“促进美国经济增长的技术——增强经济实力的新方向”的演说，对制造业给予了实质性强有力的支持。7“制造业仍是美国的经济基础，美国曾多年是制造业的世界领袖，不受挑战。但近十年我们的实力每况愈下…美国企业和政府对制造技术投资不足，与其它外国竞争者相比，美国公司在整个研究开发计划中忽视了与工艺有关的研究开发…忽视了现有技术和诀窍的传播…”随着美国在“先进制造技术计划（ATP）”和“制造技术中心计划（MTC）”的实施和推行，从而取得了明显的效果。8汽车2mm工程，使轿车车身精度达到丰田水平。1994年，美国汽车产量重新超过日本，重新占领欧、美市场美国Inter公司成为世界最大的芯片制造商（在此之前芯片生产也不敌日本，包括海湾战争中大出风头的“爱国者”导弹上使用的芯片也是日本制造的）20世纪90年代，经济持续增长，失业率降低到历史最低水平提出了一系列的先进制造技术的新理论、新思想，如：CE，LP，AM，…9对AMT而言，至今尚无明确的和一致公认的定义，通过对其特征的分析和多年的实践总结，可以认为：◆AMT是制造业不断吸收信息技术和现代管理技术的成果，将其综合应用于产品设计、加工、检测、管理、销售、使用、服务乃至回收的制造全过程，以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活生产，提高对动态多变市场的适应能力和竞争力的制造技术的总称。二、AMT的定义、要点和特征AMT的定义10提高制造企业对市场的适应能力和竞争力；强调信息技术、现代管理技术与制造技术的有机结合信息技术、现代管理技术在整个制造过程中综合应用AMT要点AMT特征◆AMT是一项综合性技术AMT不是一项具体的技术，而是利用系统工程思想和方法将各种相关技术集合成一个整体的，特别强调计算机技术、信息技术等的综合应用以及人、技术、管理的有机结合。11◆AMT是一项动态技术AMT没有一个固定的模式，它要与企业的具体情况相结合。同时AMT也不是一成不变的，而是动态发展的，它要不断地吸收和利用各种高新技术成果，并将其渗透到制造系统的各个部分和整个过程，使其不断趋于完善。◆AMT是面向工业应用的技术AMT有明显的需求导向特征，不以追求技术高新度为目的，重在实际效果。12◆AMT是面向21世纪的技术AMT是制造技术发展的新阶段，它保留了传统制造技术中有效要素，吸收并充分利用了一切高新技术，使其产生了质的飞跃。AMT强调环保技术，符合可持续发展的战略。◆AMT是面向全球竞争的技术通过提高企业综合效益和对市场的快速反应能力，达到提高竞争力的目标。137.1.2现代机械制造技术的发展趋势◆信息技术对AMT发展起着越来越重要的作用信息技术是各种先进制造技术的重要支撑，信息技术向制造技术的注入与融合，必将促进AMT的不断发展。◆现代设计技术将迅速发展和不断完善包括CAD，CAE，DFX，健壮设计，优化设计，智能设计，反求工程，面向全生命周期的设计等。14◆材料成形向精密、低耗、清洁方向发展材料成形技术将使毛坯从接近零件形状向直接制成工件精密成形或称净成形的方向发展。据国际机械加工技术协会预测，本世纪初，塑性成形与磨削加工相结合，将取代大部分中小零件的切削加工。运用改性技术，将获得各种特殊性能要求的表面（涂）层，同时减少能耗并消除污染。◆加工技术向超精密、超高速方向发展15◆绿色制造将成为21世纪制造业重要特征包括：绿色产品设计技术（产品在全生命周期符合环保、人类健康、能耗低、资源利用率高的要求）；绿色制造技术（在整个制造过程，对环境负面影响最小，废弃物和有害物质的排放最小，资源利用效率最高）；产品的回收和循环再制造（例如，汽车等产品的拆卸和回收技术，以及生态工厂的循环式制造技术等）。◆虚拟制造将获得广泛应用用虚拟制造环境中生成的软产品原型代替传统的硬样品进行试验，从而缩短产品的设计与制造周期，降低成本，提高系统快速响应市场变化的能力。167.2精密制造技术PrecisionManufacturingTechnology177.2.1概述◆精密加工：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艺。一、定义◆超精密加工：在一定的发展时期，加工精度和表面质量达到最高程度的加工工艺。18◆瓦特改进蒸汽机——镗孔精度1mm20世纪40年代——最高精度1μm20世纪末——精密加工：≤0.1μm，Ra≤0.01μm（亚微米加工）超精密加工：≤0.01μm，Ra≤0.001μm（纳米加工）◆微细加工——微小尺寸的精密加工超微细加工——微小尺寸的超精密加工二、加工精度的发展19图7-3达到的加工精度和年代的关系普通加工精密加工超精密加工超高精密磨床超精密研磨机离子束加工分子对位加工车床,铣床卡尺加工设备测量仪器精密车床磨床百分尺比较仪坐标镗床坐标磨床气动测微仪光学比较仪金刚石车床精密磨床光学磁尺电子比较仪超精密磨床精密研磨机激光测长仪圆度仪轮廓仪激光高精度测长仪扫描电镜电子线分析仪加工误差（μm）10010110210-210-110-3190019201940196019802000年份20三、精密与超精密加工的意义精密与超精密加工技术是一个国家制造业水平的重要标志。例：美国哈勃望远镜形状精度0.01μm；超大规模集成电路最小线宽0.1μm，日本金刚石刀具刃口钝圆半径达2nm……精密加工与超精密加工技术是新技术的生长点。精密与超精密加工技术涉及多种基础学科和多种新兴技术，其发展无疑会带动和促进这些相关科学技术的发展。21精密加工与超精密加工技术是先进制造技术的基础和关键。例：美国陀螺仪球圆度提高一个数量级，使制造精度达到0.1μm，粗糙度Ra0.01μm，从而使洲际导弹的命中精度从500m控制在50～150m范围内；英国飞机发电机转子叶片加工误差从60μm降至12μm，使发电机压缩效率从89%提高到94%；若能齿形误差从3-4μm减小1μm，则单位齿轮箱重量所能传递的扭矩可提高一倍……22四、精密与超精密加工的特点直接式进化加工：利用低于工件精度的设备、工具，通过工艺手段和特殊工艺装备，加工出所需工件。适用于单件、小批生产。间接式进化加工：借助于直接式“进化”加工原则，生产出第二代工作母机，再用此工作母机加工工件。适用于批量生产。◆“进化”加工原则背吃刀量小于晶粒大小，切削在晶粒内进行，与传统切削机理完全不同。◆微量切削机理23传统切削与磨削方法存在加工精度极限，超越极限需采用新的方法。◆特种加工与复合加工方法应用越来越多要达到加工要求，需综合考虑工件材料、加工方法、加工设备与工具、测试手段、工作环境等诸多因素，是一项复杂的系统工程，难度较大。◆形成综合制造工艺广泛采用计算机控制、适应控制、再线检测与误差补偿技术，以减小人的因素影响，保证加工质量。◆与自动化技术联系紧密24精密与超精密加工设备造价高，难成系列。常常针对某一特定产品设计（如加工直径3m射电天文望远镜的超精密车床，加工尺寸小于1mm微型零件的激光加工设备）。◆与高新技术产品紧密结合精密检测是精密与超精密加工的必要条件，并常常成为精密与超精密加工的关键。◆加工与检测一体化257.2.2精密加工与超精密加工的方法一、金刚石超精密加工技术切削在晶粒内进行切削力＞原子结合力（剪切应力达13000N/mm2）。刀尖处温度极高，应力极大，普通刀具难以承受。高速切削（与传统精密切削相反），工件变形小，表层高温不会波及工件内层，可获得高精度和好表面质量◆机理、特点26用于铜、铝及其合金精密切削（切铁金属，由于亲合作用，产生“碳化磨损”，影响刀具寿命和加工质量）加工各种红外光学材料如锗、硅、ZnS和ZnSe等加工有机玻璃和各种塑料典型产品：光学反射镜、射电望远镜主镜面、大型投影电视屏幕、照像机塑料镜片、树脂隐形眼镜镜片等◆应用◆关键技术：加工设备和刀具27★加工设备要求高精度、高刚度、良好稳定性、抗振性及数控功能等。如美国Moore公司M-18AG金刚石车床，主轴采用空气静压轴承，转速5000转/分，径跳＜0.1μm；液体静压导轨，直线度达0.05μ/100mm；数控系统分辨率0.01μ。车床主轴装在横向滑台（X轴）上，刀架装在纵向滑台（Z轴）上。可解决两滑台的相互影响问题，而且纵、横两移动轴的垂直度可以通过装配调整保证，生产成本较低，已成为当前金刚石车床的主流布局。T形布局28金刚石车床主要性能指标数控系统分辩率/μm400×2005000～1000050000.1～0.01≤0.2/100≤0.1≤0.1≤1/150≤2/100径向1140轴向1020640720最大车削直径和长度/mm最高转速r/mm最大进给速度mm/min重复精度(±2σ)/μm主轴径向圆跳动/μm滑台运动的直线度/μm主轴前静压轴承（φ100mm）的刚度/（N/μm）主轴后静压轴承（φ80mm）的刚度/（N/μm）纵横滑台的静压支承刚度/（N/μm）表7-5金刚石车床主要性能指标主轴轴向圆跳动/μm横滑台对主轴的垂直度/μm29◆金刚石刀具超精切削刀具材料：天然金刚石，人造单晶金刚石金刚石的晶体结构：规整的单晶金刚石晶体有八面体、十二面体和六面体，有三根4次对称轴，四根3次对称轴和六根2次对称轴。a）4次对称轴和（100）晶面L4（100）（110）L2L3（111）b）2次对称轴和（110）晶面c）3次对称轴和（111）晶面八面体的晶轴和镜晶面30金刚石刀具刃磨：通常在铸铁研磨盘上进行研磨；晶向选择应使晶向与主切削刃平行；圆角半径越小越好（理论可达到1nm）。金刚石车刀结构和刀具角度如图所示31二、超硬磨料砂轮精密与超精密磨削◆砂轮材料：金刚石，立方氮化硼（CBN）可加工各种高硬度、高脆性金属及非金属材料（铁金属用CBN）耐磨性好，耐用度高，磨削能力强，磨削效率高磨削力小，磨削温度低，加工表面好◆特点：32分整形与修锐（去除结合剂，露出磨粒）两步进行常用方法—①用碳化硅砂轮（或金刚石笔）修整，获得所需形状；②电解修锐（适用于金属结合剂砂轮），效果好，并可在线修整。◆砂