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第六章先进制造技术6。1制造技术的新发展6。1。1超精密加工精密与超精密加工和制造自动化是先进制造技术的两大领域，精密与超精密加工要靠自动化技术的支持，而制造自动化有赖于精密加工才能得以实现。精密与超精密是相对而言的，在不同的时期有各不同的理解，这与科学技术水平有关。加工精度在0.1~1μm，加工表面粗糙度Ra在0.02~0.1μm之间的加工方法称为精密加工;而将加工精度高于0.1μm，加工表面粗糙度Ra小于0.01μm的加工方法称为超精密加工。现代机械工业之所以要致力于提高加工精度其主要原因：提高产品的性能和质量，提高其稳定性和可靠性，促进产品的小型化，增加零件的互换性，提高装配生产率，并促进自动化装配。超精密加工是尖端技术产品发展中不可缺少的关键加工手段。飞行高度----磁头与磁盘之间的距离。超精密加工担负着支持最新科学技术进步的重要使命。各国政府和军方对超精密加工技术都十分重视，并投入大量的资金和人力来开发这项技术。一。超精密加工的领域1。超精密切削2。精密和超精密磨削研磨3。精密特种加工二。超精密加工的难点1。工具和工件表面微观的弹性变形和塑性变形是随机的，精度难以控制。2。工艺系统的刚度和热变形对加工精度有很大影响。3。去除层越薄，被加工表面所受的切削应力越大，材料就越不容易被去除。三。超精密加工的方法1。切削加工2。磨料加工(分固结磨料和游离磨料加工)3。特种加工4。复合加工刀具切削加工传统加工固结磨料加工游离磨料加工非传统加工：利用电能、磁能、声能、光能、化学能、核能等对材料进行加工和处理。复合加工：多种加工方法的复合。超精密加工四。超精密加工的实现条件1)超精密加工的机理与工艺方法2)超精密加工工艺装备3)超精密加工工具4)超精密加工中的工件材料5)精密测量与误差补偿技术6)超精密加工工作环境、条件等在超精密加工的实施过程中，必须综合考虑上述因素，才能取得满意的效果。五。超精密加工的典型工艺1。金刚石镜面切削金刚石具有无与伦比的硬度，是最佳的切削工具材料，金刚石结晶原子间的结合力非常坚固，最强结晶位置是111面。2。精密超精密镜面磨削镜面磨削比研磨抛光的生产率高，形状精度高，特别是对脆硬材料的镜面磨削，具有精度高特点。3。研磨与抛光利用研磨剂使工件与研具进行单纯的对研而获得高质量、高精度的加工方法。在实现超精密切削加工中刀具、磨具是十分重要的。理想的刀具材料是天然金刚石。采用金刚石刀具切削有色金属材料，并使用适宜的切削液，则可以不产生刀痕。砂轮的材质十分重要，要求砂轮锐利、耐磨、颗粒大小均匀、结合均匀。研具材料可用铸铁、锡、工程塑料和玻璃等材料。铸铁研具用于金属零件的加工，沥青研具用于光学加工，玻璃研具用于高平面度平晶加工中。超精密加工机床是超精密加工中最重要、最基本的加工设备。在结构原理、精度要求、热平衡及抗振性能方面与普通机床相比有许多特殊要求：1)高精度2)高刚度3)高稳定性4)高自动化6。1。2微机械制造在机械装置的小型化过程中出现两类机械，即小型机械和微型机械。划分如下：10~1mm为小型机械，用精密加工方法可以制造出来;1mm~1μm为微型机械，需要用硅微加工技术或LIGA技术等微细加工方法才能制造出来;1μm~1nm为纳米机械，是分子级的零件，需采用生物工程的方法制造。小型机械是传统机械的小型化，在工作原理、材料结构和设计理论等方面可以借鉴传统机械学。微型机械在尺寸、构造、材料、制造方法和工作原理等方面，都与传统机械截然不同，其学科基础、研究手段和研究内容也与传统机械学不同。微型机械不是传统机械的简单微型化，而是指集微型机构、微型传动器以及信号处理和控制电路，甚至外围接口电路、通信电路和电源等于一体的微型机电系统。微型机械远远超出了传统机械的概念和范畴，是基于现代科学技术，用崭新的思维方法指导的产物。特点：1)体积小、精度高、重量轻2)性能稳定，可靠性高3)能耗低、灵敏性和工作效率高4)多功能和智能化5)适于大批量生产，制造成本低廉具有一般机械所不能及的优势：1)表现在活动空间上、操作对象和工作环境上2)与一般机械相比，微型机械所表现出来的智能化程度更高，实现的功能更趋于多样化。6。1。3超高速切削超高速切削----比常规高5~10倍以上的切削。切削温度通常随切削速度升高而升高，但超过一定温度后，切削温度反而随切削速度的升高而下降。超高速切削可以提高加工质量和生产率，节约能耗，是一项有综合效益的机械加工技术。超高速切削目前主要用于飞机、汽车及模具工业。超高速切削希望刀具强度高，耐热性能好。刀具材料一般根据工件材料来选择。常用的刀具材料有：带涂层的硬质合金刀具、陶瓷刀具、立方氮化硼或聚晶金刚石刀具。在同等情况下，其寿命往往比常规速度下的刀具寿命还要长。超高速切削对机床的主要要求：1)要有一个适应于超高速运转的主轴部件及其驱动系统。2)要有一个快速反应的数控伺服系统和进给部件。超高速机床必须是精密的数控机床。3)高压大流量喷射冷却系统。4)要有一个“三刚”(静刚度、动刚度、热刚度)特性都很好的机床支承件。超高速加工技术的发展趋势：前提：刀具技术关键设备：数控机床、加工中心1)有必要实现干切削或准干切削状态的绿色超高速加工。2)有必要在重切削工艺中引入超高速切削加工3)有必要开发和完善各种超高速加工工艺方法4)如何有效地采用超高速加工机床来加工难加工材料，是一个有待解决的问题。5)有必要监控加工工况。监控内容主要有加工质量、加工过程稳定性和安全性。6。2制造哲理与生产模式6。2。1制造哲理在大批量制造模式下，提高工序效率可以显著提高生产率，制造技术的许多研究都致力于切削速度的提高。在大批量生产情况下，生产准备终结时间占的比例很少，加工辅助时间也经过精确的设计，因而基本时间占的比例较大。提高切削速度，加大吃刀量，这些单工序优化措施取得了良好的效率。近年来在欧、美、日的制造业中，产品的70%~75%己按多品种、小批量的生产方式组织。二十世纪初叶至中期，以Ford生产方式为代表的典型大批量生产模式占主导地位。由HenryFord在汽车生产中开创了机械自动流水线生产之先河，出现了“少品种大批量生产”的模式(又称为底特律式自动化)，成为各国纷纷仿效的制造生产模式。在这种生产模式中，专用设备、刚性生产线、以互换性和质量统计分析为主的质量保证体系代表了其结构特征，大大提高了生产效率，从而降低了产品的成本。但这是以损失产品的多样性为代价的。然而在多品种、小批量生产类型中，Ford生产方式中所采取的措施就不再是那么显著，因为辅助时间占了较大的比重，如何缩短辅助时间才是至关重要的。管理专家注意两个现象：1)企业的在制品相当多，在制品放在机床上进行切削加工的时间占全部通过时间(从购进材料到产品销售)的比少于5%。2)机床开动加工的时间利用率也仅占5%~10%在制品通过时间，直接影响企业流动资金的利用率，而设备利用率则关系到固定资产的利用率。在分析在制品滞留时间，发现存在如下问题：1)批量制造中，为防止质量事故、设备故障等因素的超量投料。2)工序进度不平衡，设备有闲置时间。3)生产准备时间长。如消化图样、准备工装卡具、编制及输入数控程序、对刀等。4)工件装夹时间5)工件在机床工序间的运输时间6)工件检测时间。采用计算机数控机床(CNC)，可以减少对刀及消化图样时间。采用加工中心，实行工序集中，可以减少生产准备时间。采用柔性制造系统在统一调度、物流控制及CNC程序的存储与输入等项均有节省，取得效益。柔性制造系统的另一个优势是，一次投资，长期受益。扩大了设备对市场变化的适应性。计算机集成制造系统(CIMS)更是将制造中的信息(技术、管理、控制等)集成，保证了统一的计划与调度，进一步缩短了在制品通过时间和设备利用率。统计表明：制造业采用CIMS的实际效益与期望值尚有距离。CIMS实际上是快速按定单生产的自动化系统，其硬件设备的柔性是有限的，它只能针对某一类型的产品才保持柔性。产品市场一旦疲软，其巨额投资则可能成为企业的包袱。6。2。2生产模式一。准时生产1。准时生产的概念准时生产JIT(JustinTime)是二十世纪七十年代由日本丰田汽车制造公司创立并实施的一种现代企业生产管理模式。宗旨：使用最少量的设备、装置、物料和人力资源，在规定的时间、地点，提供必要数量的零部件，达到以最低的成本、最高的效益、最好的质量、零库存进行生产和完成交货的目的。准时生产方式在最初引起人们的注意时曾被称为“丰田生产”方式，后来随着这种生产方式的独特性以及有效性而被人们广泛地认识、研究和应用，特别是引起西方国家的广泛注意以后，人们开始把它称为JIT生产方式。2。准时生产的目标传统的生产管理方式一般是上一道工序向下一道工序供应零部件，采取增加在制品的储备量以应付生产中的失调或事故导致的需求变化。准时生产方式认为：传统的生产管理方式掩盖了生产中的矛盾，久而久之，那些不能用或不再用的在制品积压量会越来越大，导致在制品的过剩和积压，占用过多的资金，不利于降低成本，影响产品的竟争力，最终影响企业的经营效果。目标：尽量减少库存或实现零库存生产。强调：只在必要的时侯，按必要的数量，生产必要的产品(零件、部件、成品)。使生产现场实物流通处于最佳状态，做到“准时领取”，“准时运送”和“准时生产”。3。准时生产的基本思想1)由后工序向前工序领取零部件：整个生产过程的联系方式是以装配为起点，下道工序向上道工序提取零部件，而上道工序向更上道工序提取同样的在制品进行加工，以补充被下道工序提走的零部件，如此层层向上推动，把各道工序连结起来，形成一个准时生产的加工系统。2)按件传送在制品：各车间与各道工序一般都避免成批生产或成批搬运，尽可能做到必要时只生产一件，只传送一件，只储备一件，任何工序不准额外多生产，把在制品减至最低限度。3)均衡生产：即平均制造产品，使物流在各作业之间、生产线之间、工序之间，工厂之间平稳、均衡地流动。均衡化生产是杜绝浪费的前提。4)质量保证：在传统的生产系统中，都规定了可接受的废品百分数，用在制品库存来弥补不合格品和机器故障所引起的问题，以保证稳定生产。JIT生产方式认为，这不是揭露问题的本质和解决问题的方法，是治标不治本上的方法。JIT方式中强调全面质量控制(TQC)，将质量管理贯穿每一工序之中，目标是消除不合格品，消除可能引起不合格品的根源，并想办法解决问题。其做法是：(1)使设备或生产线能够自动检测出不良产品，当不合格产品或不正常情况发生时，能自动停机或停线。(2)生产第一线的设备操作人员发现产品或设备的问题时，有权自行停止生产。这样可迫使人们重视问题，调查问题的原因，进行改正活动，防止类似异常情况再发生，杜绝类似的不良产品的再产生，这与在最后一道工序对产品进行检测的质量保证方法不同。5)弹性配置作业人数：根据生产量的变动，弹性地增减各生产线的作业人数，尽量用较少的人力完成较多的生产，它与历来生产系统中的“定员制”完全不同，是一种全新的人员配置方法。6)用最后的装配工序调整和平衡全部生产过程：准时生产是以最后的装配工序作为组织生产的起点，因而装配工序实际上起着调节和平衡全部生产的作用。实现准时生产方式的具体手段是看板管理。4。看板管理准时生产是按市场的要求安排生产，生产的产品应能马上销售掉，强调准时。反之，如果没有确定的需要就不生产。把后工序看成用户，只有后工序提出要求时，前工序才允许生产，看板充当传递生产指令的角色。在生产中由看板来严格控制零部件的制造和领取，以防止过量生产和降低库存。1)看板形式看板实际上就是一种记载着生产信息的卡片。传送看板(即取货看板)看板生产看板(即定货看板)传送看板标明后一道工序向前一道工序拿取工件的种类和数量，起着取货指令的作用，生产人员接到“取货看板”后，就应该按看板上的零件种类及