第9章机械制造技术的发展趋势

第9章机械制造技术的发展机械制造技术的发展趋势9.1精密加工与超精密加工9.2非传统加工方法9.3【学习目标】1．了解机械制造技术的发展趋势2．了解精密加工与超精密加工概念、加工环境、分类及加工方法3．非传统加工方法（电火花、电解、超声波、激光）加工及其工作原理9.1机械制造技术的发展趋势9.1.1机械制造技术的地位与发展作为国民经济支柱产业的制造业是全面建设小康社会的第一位支柱产业，是国家高技术产业的基础和国家安全的重要保障。个性化的需求及制造的全球化、信息化，对传统的观念和生产组织方式也面临着重大的挑战，即新技术革命的挑战、信息时代的挑战、有限资源与日益增长的环保压力的挑战、制造全球化和贸易自由化、消费观念的挑战。现代机械制造技术是传统制造技术、电器自动化技术、信息技术、管理技术的综合应用，信息技术促进着设计技术的现代化，加工制造的精密化、快速化，自动化技术的柔性化、智能化，整个制造过程的网络化、全球化。各种机械生产模式如柔性制造系统（FlexibleManufacturingSystem，FMS）、计算机集成制造系统（ComputerIntegratedManufacturingSystem，CIMS）、并行工程（ConcurrentEngineering，CE）、精良生产（LeanProduction，LP）、敏捷制造（AgileManufacturing，AM）和及时生产（JustInTime，JIT）等是当前制造系统的新概念，最近又提倡面向制造的设计（DesignForManufacturing，DFM）、面向装配的设计（DesignForAssembly，DFA）甚至面向价值的设计（DesignForValue，DFV）等。9.1机械制造技术的发展趋势9.1.1机械制造技术的地位与发展在工业发达国家都把机械制造技术作为国家级关键技术和优先发展的领域。尽管决定国家综合竞争力的因素有多种，但制造业的基础地位不能忽视。20世纪90年代以来，各发达国家和地区，如美国、日本、欧共体等都针对机械制造技术的研发提出了国家级发展计划，旨在提高本国制造业的国际竞争能力。目前我国已成为一个制造大国，但还不是制造强国。这表现在许多现代制造基础技术尚未掌握，许多重大装备不能自主制造，缺乏自主创新能力。据统计，我国发电设备、机床和汽车等产品的产量居世界前列，却没有一家装备制造企业能跻身世界500强；我国汽车年产量已达300万辆，可具有自主知识产权的设计极少；我国光电子制造设备的90%、IC制造装备的85%、高档数控机床的70%都需进口。9.1机械制造技术的发展趋势9.1.2机械制造技术发展展望机械制造技术的发展将具有以下3个特点。1．制造科学理论体系不断完善现代制造正从技艺、技术走向科学。“数字化”将是建立制造科学理论体系的关键，它将贯穿设计、制造和控制等整个制造过程，如制造中从几何量、控制量的数字化到物理量、知识、经验的数字化等；“虚拟化”将在产品制造、制造系统运行全过程中广泛应用，是使预测和评价科学化的重要手段；“集成化”将使制造技术和管理更加深入和广泛地融合，其本质是知识与信息的集成；“网络化”可为制造企业设计、生产、管理与营销等提供跨地域的运行环境，使制造业走向全球化、整体化和有序化；“智能化”将显著提高制造企业、系统和单元（装备）适应环境的能力，提高对海量和不完整信息的处理能力以及相互间主动协调和协同能力。运作的自律性、组织结构的柔性、响应的敏捷性是智能化典型特征，也是制造科学理论重要特色。加工精度的“精密化”、加工尺度“细微化”、加工要求和条件的“极限化”都是当今制造科学与技术发展研究的焦点。9.1机械制造技术的发展趋势6.1.2机械制造技术发展展望2．机械制造技术的内涵与外延将在与其他相关科学的交叉融合中不断丰富和发展下一代航天、航空产品的制造将与材料科学、空间物理学等紧密结合；制造科学与生命科学、生物学交叉的生物制造、仿生制造将得到较大的发展；精微制造的机理和控制技术将得益于与量子力学、材料科学、微电子科学等的深度融合；数字制造、智能制造的发展将更加依赖于与现代数学、系统科学、管理科学的综合。所以未来10～15年将是制造科学与技术同其他相关学科交叉融合大发展时期，尤其是制造基础科学可望有一些新的突破。3．绿色制造将是机械制造技术发展的重点人类社会发展必将走向与自然界和谐，制造必须充分保护自然环境，保护社会环境、生产环境和生产者身心健康。制造必然要走“绿色”之路，这是实现国民经济可持续发展的重要条件。9.2精密加工与超精密加工6.2.1精密加工与超精密加工在国民经济中的作用就机械制造技术的技术实质性而论，主要有精密、超精密加工技术和制造自动化两大领域，前者追求加工上的精度和表面质量极限，后者包括了产品设计、制造和管理的自动化。两者不仅是快速响应市场需求、提高生产率、改善劳动条件的重要手段，而且是保证产品质量的有效举措。两者有密切关系，许多精密和超精密加工要依靠自动化技术以达到预期指标，而不少制造自动化有赖于精密加工才能准确可靠实现。两者具有全局的、决定性的作用，是机械制造技术支柱。1．精密加工与超精密加工是国家制造工业水平的重要标志精密加工与超精密加工所能达到的精度、表面粗糙度、加工尺寸范围和几何形状是一个国家制造技术水平的重要标志之一。例如：金刚石刀具切削刃钝圆半径大小是金刚石刀具超精密切削的一个关键技术参数，国外声称已达到2nm，而我国尚处于亚微米（100nm以上）水平；又如金刚石微粉砂轮超精密磨削在国外已用于生产，使制造水平有大幅度提高，突出地解决了超精密磨削磨料加工效率低的问题。9.2精密加工与超精密加工9.2.1精密加工与超精密加工在国民经济中的作用2．精密加工和超精密加工是机械制造技术的基础和关键当前，在制造自动化领域，进行了大量有关计算机辅助制造软件的开发，如计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工程分析（CAE）、计算机辅助工艺过程设计（CAPP）、计算机辅助制造（CAM）等，统称计算机辅助工程（CAX）；又如面向装配的设计（DFA）、面向制造的设计（DFM）等，统称为面向工程的设计（DFX）；又进行了计算机集成制造（CIM）技术，生产模式如精良生产、敏捷制造、虚拟制造，以及清洁生产和绿色制造等研究，这些都是十分重要和必要的，代表了当前高新制造技术的重要方面。但是，作为制造技术的主战场，作为真实产品的实际制造，必然要靠精密加工和超精密加工技术。表6-1列举了几种典型精密零件的加工精度。零件加工精度表面粗糙度激光光学零件形状误差0.1mRa0.01～0.05m多面镜平面度误差0.04mRa＜0.02m磁头平面度误差0.04mRa＜0.02m零件加工精度表面粗糙度磁盘波度0.01～0.02mRa＜0.02m雷达导波管平面度垂直度误差＜0.1mRa＜0.02m卫星仪表轴承圆柱度误差＜0.01mRa＜0.002m天体望远镜形状误差＜0.03mRa＜0.01m9.2精密加工与超精密加工9.2.2精密加工与超精密加工技术内涵及范畴现代制造业持续不断地致力于提高加工精度和加工表面质量，主要目标是提高产品性能、质量和可靠性，改善零件互换性，提高装配效率。精密加工和超精密加工技术是精加工重要手段，对尖端技术的发展起着十分重要的作用。图6-1所示为各种加工机床和测量仪器的加工精度随时代发展的情况。由图可见，普通机械加工的加工精度从过去的毫米级向微米级发展，精密加工则从10微米级向纳米级发展，超精密加工正在向纳米级工艺发展。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，从概念上讲两者是相对的，随着加工技术的不断发展，今天的超精密加工可能是明天的精密加工。9.2精密加工与超精密加工9.2.2精密加工与超精密加工技术内涵及范畴1．一般加工一般加工是指加工精度在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。适用于汽车、拖拉机和机床等产品制造。2．精密加工精密加工是指加工精度在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。适用于精密机床、精密测量仪器等产品中的关键零件加工，如精密丝杠、精密齿轮、精密蜗轮、精密导轨、精密轴承等。3．超精密加工超精密加工是指加工精度在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。其适用于精密元件、计量标准元件、大规模和超大规模集成电路制造。目前，超精密加工精度正处在亚纳米级工艺，正在向纳米级工艺发展。4．纳米加工纳米加工是指加工精度高于10−3m（纳米，1nm=10−3m），表面粗糙度Ra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。9.2精密加工与超精密加工9.2.2精密加工与超精密加工技术内涵及范畴精密与超精密加工按加工机理和加工方法来分，可分为去除加工、结合加工和变形加工，如表6-2所示。分类加工机理加工方法示例去除加工电物理加工电化学加工力学加工热蒸发（扩散、溶解）电火花加工（电火花成形，电火花线切割）电解加工、蚀刻、化学机械抛光切削、磨削、研磨、抛光、超声加工、喷射加工电子束加工、激光加工结合加工附着加工化学电化学热熔化化学镀、化学气相沉积电镀、电铸真空蒸镀、熔化镀注入加工化学电化学热熔化力物理氧化、氮化、活性化学反映阳极氧化掺杂、渗碳、烧结、晶体生长离子注入、离子束外延连续加工热物理化学激光焊接、快速成形化学粘接变形加工热流动黏滞流动分子定向精密锻造、电子束流动加工、激光流动加工精密铸造、压铸、注塑液晶定向9.2精密加工与超精密加工9.2.3精密与超精密加工环境1．恒温温度增加1℃时，100mm长的钢件就可能会产生1m的伸长。所以精密与超精密加工要求加工环境的温度保持在（20±0.06）℃之间。实现方法：大、小恒温间加局部恒温（恒温罩、恒温油喷淋）控制。2．恒湿要求加工室内相对湿度在35%～45%之间，波动为±10%～±1%。实现方法：采用空气调节系统控制。3．净化尘埃如果落在工件表面上，可能将表面拉伤；如落在测量仪器上，会造成检验者判断错误。所以生产加工的空气洁净度要求为10000～100级范围内（100级系指每立方英尺空气中所含大于0.5m尘埃个数不超过100）。实现方法：采用空气过滤器，送入洁净空气。4．防震机床震动对精密加工和超精密加工有很大的危害。为提高工艺系统的稳定性，要求消除内部干扰，隔绝外部震动干扰。实现方法：建隔震地基，垫隔震垫层、空气弹簧隔震器等。9.2精密加工与超精密加工9.2.4常用的精密加工、超精密加工和细微加工方法精密与超精密加工方法主要可分为如下两类：第一类是采用金刚石刀具对工件进行超精密的微细切削和应用磨料磨具对工件进行珩磨、研磨、抛光、精密和超精密磨削等；另一类是采用电化学加工，电子束、离子束、激光加工，微波加工，超声波加工等特种加工方法及复合加工方法对工件进行加工。另外，微细加工是指制造微小尺寸零件的生产加工技术，它的出现和发展与大规模集成电路有密切关系，其加工原理与一般尺寸加工也有区别，它是超精密加工的一个分支。这里仅介绍金刚石超精密切削、精密磨削及金刚石超精密磨削和光刻细微加工技术。9.2精密加工与超精密加工9.2.4常用的精密加工、超精密加工和细微加工方法1．金刚石超精密切削金刚石超精密切削主要是应用天然单晶金刚石车刀对铜、铝等软金属及其合金进行切削加工，以获得加工精度为0.1m数量级和表面粗糙度Ra值为0.01m数量级的一种超精密加工方法。2．精密磨削及金刚石超精密磨削精密磨削是指加工精度为1～0.1m，表面粗糙度Ra值在0.16～0.06m的磨削方法；而金刚石超精密磨削是指加工精度高于0.1m，表面粗糙度Ra值小于0.04～0.02m的磨削方法。3．细微加工技术微机械是科技发展的重要方向，如