课题15--先进加工方法

《机械基础》主编康一课题15先进的加工方法【重点掌握】1.先进加工方法的概述2.数控加工3.精密加工与高速加工4.柔性制造系统（FMS）5.计算机集成制造系统（CMS）6.其他新的加工方法数控机床的编程与加工【主要内容】《机械基础》主编康一课题15先进的加工方法1.先进加工方法概述先进的加工方法是指根据产品的目的需求，利用先进的加工工具和方法，使原材料变成产品的技术总称。如陀螺仪的加工，导弹系统的陀螺仪质量直接影响其命中率，1kg的陀螺转子，其质量中心偏离其对称轴0.5nm，则会引起100m以上的弹着误差。先进加工方法具有下列特征：（1）计算机技术、传感技术、自动化技术、新材料技术以及管理技术等诸技术的引入，与传统的加工方法相结合，能够实现高效、精密、自动化、绿色化生产并取得理想的技术经济效果。（2）先进加工方法已不是一般单指加工过程的工艺方法，而涉及到设计、工艺、加工自动化、管理以及特种加工等多个领域。《机械基础》主编康一课题15先进的加工方法先进加工方法的发展的总趋势如以下几个方面：1）信息技术对先进加工方法的发展起着越来越重要的作用。信息技术不断地向加工技术注入和融合，促进着加工技术的不断发展。同时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，整个加工分工过程的全球化等。2）设计技术不断现代化。产品设计是制造业的灵魂。现代设计技术的主要发展趋势是：①设计手段的计算机化；②新的设计思想和方法不断出现；③向全寿命周期设计发展；④设计过程由单纯考虑技术因素转向综合考虑技术、经济和社会因素。⑤工艺设计采用工艺模拟技术，优化工艺设计等。3）成形及改性技术向精密、精确、少能耗、无“缺陷”、无污染方向发展。成形制造技术是铸造、塑性加工、粉末冶金等单元技术的总称。主要发展趋势是通过各种新型精密热处理和复合处理达到零件组织性能精确、形状尺寸精密以及获得各种特殊性能要求的表面(涂)层，同时大大减少能耗及完全消除对环境的污染。《机械基础》主编康一课题15先进的加工方法4）加工方法向着超精密、超高速以及发展新一代加工装备的方向发展①超精密加工技术。目前加工精度达0．025μm，表面粗糙度达0．0045μm，已进入纳米级加工时代。超精切削厚度由目前的红外波段向可见光波段甚至更短波段趋近；超精加工机床向多功能模块化方向发展；超精加工材料由金属扩大到非金属。②超高速切削。目前铝合金超高速切削的速度已超过1600m／min，铸铁为1500m／min，超耐热镍合金为300m／min，钛合金为200m／min。超高速切削的发展已应用到一些难加工材料的切削加工，并且被广泛应用于航空航天及国防装备等制造领域。③新一代制造装备的发展，市场竞争和新产品、新技术、新材料的发展推动着新型加工设备的研究与开发。5）绿色加工将成为21世纪制造业的重要特征。主要体现在：①绿色产品设计技术。使产品得到环保、健康、低能耗的要求。②绿色加工方法主要包含了绿色资源、绿色生产过程和绿色产品三方面的内容。③产品的回收和循环再加工利用等。《机械基础》主编康一课题15先进的加工方法2.数控加工（1）数控加工机床数控加工机床简称为数控机床(NC机床)，数控就是指把控制机床或其他设备的操作指令(或程序)，以数字形式给定的一种控制方式。利用这种控制方式，按照给定程序自动地进行加工的机床称为数控机床。数控机床的种类有数控车床、数控铣床、数控磨床、加工中心等。数控车床不仅能够完成普通的车削加工，而且也能利用数控系统和进给伺服系统完成复杂曲线组成回转表面数控机床《机械基础》主编康一课题15先进的加工方法数控机床《机械基础》主编康一课题15先进的加工方法数控车床《机械基础》主编康一课题15先进的加工方法立式数控机床《机械基础》主编康一课题15先进的加工方法立式数控车《机械基础》主编康一课题15先进的加工方法数控铣床：数控铣床的机械部分与普通铣床基本相同，工作台可以做横向、纵向和垂直方向的运动，因此普通铣床所能加工的工艺内容，数控铣床都能完成，此外其数控系统通过伺服系统可同时控制两个或三个轴同时运动，加工出复杂的三维型面。数控铣床还可以作为数控钻床或数控镗床，加工具有一定尺寸精度要求和一定位置精度要求的孔。在数控铣床的基础上增加刀具库和自动换刀系统就构成了加工中心。加工中心的刀具库可以存放十几把甚至更多的刀具，由程序控制换刀机构自动调用与更换，这样就可以一次完成多种工艺加工。动画演示《机械基础》主编康一课题15先进的加工方法数控铣床数控铣床《机械基础》主编康一课题15先进的加工方法卧式加工中心《机械基础》主编康一课题15先进的加工方法与普通机床相比，数控机床的主要优点有：1）自动化程度高、生产率高2）加工精度高、产品质量稳定数控机床具有很高的控制精度，可以保证很高的定位精度和重复定位精度，所以其加工零件的精度高，能达到0.1µm，而且产品尺寸一致性好，且质量稳定。同时数控机床的自动加工方式还可以避免生产者的人为操作误差，保证了产品质量。3）控制灵活、适应性强数控机床上只要改变控制程序，即可以完成对不同工件的加工，这就为单件、小批量生产创造了便利条件，非常适合于模具零件的加工。《机械基础》主编康一课题15先进的加工方法（2）数控机床编程与加工在数控机床上加工零件，要把待加工零件的全部工艺过程、工艺参数等加工信息以代码的形式记录在控制介质上，通过控制介质上的信息来控制机床，自动实现零件的全部加工过程。从分析零件图样到数控机床获得所需控制介质上的信息的全过程称为编程。《机械基础》主编康一课题15先进的加工方法数控机床编程与加工《机械基础》主编康一课题15先进的加工方法数控机床编程与加工《机械基础》主编康一课题15先进的加工方法数控编程的一般步骤如下：（1）分析零件图、确定工艺过程对需要在数控机床加工的零件，要根据零件图分析其特点，选择合适的数控机床，确定加工工艺路线，选择合适的刀具和切削用量，充分发挥机床的效能。（2）数值计算根据零件的几何尺寸和所确定的加工路线及设定的坐标系，计算出数控机床所需输入的数据。数值计算的复杂程度，取决于零件的复杂程度和数控系统的功能。（3）编写加工程序根据计算出的加工路线数据和已确定的工艺参数，按照数控系统规定的功能，指令代码和程序段格式编写零件加工程序。（4）程序输入将编写好的加工程序采用手动数据输入或介质(穿孔带、磁盘等)输入数控机床。（5）校对检查程序、通信输入等方式校对机床的运动轨迹是否正确，检查更正由于计算和编写程序所造成的错误。（6）试加工程序校验结束后，必须在机床上试加工，试加工零件检验合格后，数控编程工作完成。《机械基础》主编康一课题15先进的加工方法数控编程一般分为手工编程和自动编程手工编程：从分析零件图、确定工艺过程到程序输入和校对检查都是由人工完成。对于加工形状简单、计算量小、程序不多的零件，采用人工编程较容易，方便快捷且成本低。自动编程：利用计算机专用软件来编制数控加工程序，编程人员只需根据零件图样的要求，使用数控语言，由计算机自动地进行数值计算及处理，编写出加工程序。《机械基础》主编康一课题15先进的加工方法3.精密（超精密）与高速（超高速）加工（1）精密（超精密）加工目前，在工业发达国家中，一般工厂能稳定掌握的加工精度是1μm，与此相应，通常将加工精度在0.1~1μm加工表面粗糙度Ra0.02~0.1μm之间的加工方法称为精密加工，而将加工精度高于0.1μm、加工表面粗糙度小于Ra0.01μm的加工方法称为超精密加工。精密加工件《机械基础》主编康一课题15先进的加工方法精密加工件铝合金精密加工件《机械基础》主编康一课题15先进的加工方法高速数控车床《机械基础》主编康一课题15先进的加工方法高速数控车床《机械基础》主编康一课题15先进的加工方法三轴数控超高速加工中心《机械基础》主编康一课题15先进的加工方法超高速CBN随动数控磨床动画演示《机械基础》主编康一课题15先进的加工方法（2）超精密（超精密）加工的实现1）工艺方法※超精密切削：通常采用金刚石刀具来实现超精密单点金刚石车削自由曲面超精密加工《机械基础》主编康一课题15先进的加工方法※精密和超精密磨削研磨：可以解决大规模集成电路基片的加工和高精度硬磁盘的加工等。坐标磨加工※精密特种加工：如采用电子束、离子束刻蚀的方法进行加工，是一种精度极高的加工方法，用于大规模集成电路芯片的加工，线宽可达0.1μm。《机械基础》主编康一课题15先进的加工方法2）超精密机床超精密机床是实现超精密切削的首要条件，它在结构原理、精度要求、热平衡及机床抗振性能方面与普通机床相比有许多特殊要求：（1）精密轴承（2）微量进给装置（3）提高直线运动精度（4）采用反馈控制技术（5）性能优越的支承件3）检测和误差补偿4）超稳定的加工环境条件动画演示动画演示《机械基础》主编康一课题15先进的加工方法日本超精密加工获奖作品《机械基础》主编康一课题15先进的加工方法（3）高速加工1）高速（超高速）切削加工通常把切削速度比常规高5～10倍以上的切削叫做高速切削或超高速切削。工作平稳，工件非常精密、光洁，工件表面的残留应力也小，直接达到精加工的要求。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航空航天、武器装备、汽车及模具工业。《机械基础》主编康一课题15先进的加工方法图15-4超高速切削区概念卧式加工中心加工大型航空件《机械基础》主编康一课题15先进的加工方法2）高速磨削加工高速磨削加工的关键技术：※对砂轮的要求高速磨削砂轮必须满足下列要求：①砂轮的机械强度必须能承受高速磨削时的切削力；②高速磨削时的安全可靠性；③外观锋利；④结合剂必须具有很高的耐磨性以减少砂轮的磨损。※对机床的要求①高速主轴及其轴承②高速磨床结构：高动态精度、高阻尼、高抗振性和热稳定性；高度自动化和可靠的磨削过程。动画演示《机械基础》主编康一课题15先进的加工方法4.柔性制造系统FMS（1）柔性制造系统的概念柔性制造系统：指具有柔性且自动化程度高的制造系统。它是集数控技术、计算机技术、机器人技术及现代生产管理技术为一体的现代制造技术。在我国的有关标准中，FMS被定义为：“柔性制造系统是由数控加工设备、物料运储装置和计算机控制系统等组成的自动化制造系统。它包括多个柔性制造单元，能根据制造任务或生产环境的变化迅速进行调整，以适应多品种、中小批量生产”。《机械基础》主编康一课题15先进的加工方法FMS有两个主要特点，即柔性和自动化。一个理想的FMS应具备八种柔性：①设备柔性，指系统中的加工设备具有适应加工对象变化的能力；②工艺柔性，指系统能以多种方法加工某一族工件的能力；③产品柔性，指系统能够经济而迅速地转换到生产一族新产品的能力；④工序柔性，指系统改变每种工件加工工序先后顺序的能力；⑤运行柔性，指系统处理其局部故障，并维持继续生产原定工件族的能力；⑥批量柔性，指系统在成本核算上能适应不同批量的能力；⑦扩展柔性，指系统能根据生产需要方便地模块化进行组建和扩展的能力；⑧生产柔性，指系统适应生产对象变换的范围和综合能力。《机械基础》主编康一课题15先进的加工方法（2）柔性制造系统的构成1）加工系统由两台以上的数控机床、加工中心或柔性制造单元(FMC)、工业机器人以及其他的加工设备所组成2）运储系统3.计算机控制系统4.系统软件《机械基础》主编康一课题15先进的加工方法FMS的组成：《机械基础》主编康一课题15先进的加工方法FMS另一种组成及平面布局《机械基础》主编康一课题15先进的加工方法（3）柔性制造系统的分类按FMS的规模级别大小可分为如下4类：1）柔性制造单元(FMC)FMS钻铣中心柔性制造单元《机械基础》主编康一课题15先进的加工方法RLS柔性自动加工单元柔性加工单元《机械基础》主编康一课题15先进的加工方法柔性加工系统《机械基础》主编康一课题15先进的加工方法半导体激光机器人柔性加工