机械制造技术的发展.ppt

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1、1,第7章 机械制造技术的发展,本章要点,制造自动化技术的发展,精密加工与超精密加工,非传统加工方法,先进制造技术,2,机械制造技术基础,第7章 制造技术的发展Development of Manufacturing Technology,3,7.1.1 制造自动化技术的主要形式,4,7.1.1 制造自动化技术的主要形式,图7-1 汽车后桥齿轮箱加工自动线,5,7.1.1 制造自动化技术的主要形式,6,7.1.1 制造自动化技术的主要形式,（7-1）,式中 TTLC 生产某种产品所需总时间；B 批数；Q 批量；T1 单件工时；T2 每批产品所需生产准备时间（包括原材料订 货时间，制定生产计划时

2、间，工艺装备调整 时间）；T3 每种产品所需设计及生产准备时间（产品设 计，工艺设计，工艺装备设计与制造）。,Groover产品寿命周期模型,7,7.1.1 制造自动化技术的主要形式,（7-2）,式中 TLC 生产每件产品所需平均时间 式（1-2）即为 Groover 产品寿命周期模型 TLC 是一个综合指标，减小 TLC 常被作为生产活动追求的目标,式（1-1）两边除以 BQ，得到：,刚性自动化：着眼降低 T1 柔性自动化：着眼降低 T1 和T2（部分）综合自动化：同时减小 T1、T2、T3，特别是 T2 和 T3，因而在多品种、中小批量生产中具有重要意义,8,7.1.2 自动化加工技术,本

3、节仅讨论中小批量生产中广泛使用的柔性制造系统（Flexible Manufacturing SystemFMS）,柔性制造系统的组成,9,7.1.2 自动化加工技术,加工单元,设备运行状态监控与检测（图7-5）,10,钻头破损检测器内存有以往采集的钻头破损的信号或钻头破损模拟信号，与检测信号进行比较。当钻头破损被确认后，发出换刀信号。,7.1.2 自动化加工技术,加工过程监控与检测重点是刀具磨损、破损监控与检测。图7-6为声发射钻头破损检测装置示意图。加工过程中，一旦钻头破损，声发射传感器检测到钻头破损信号，将其送至钻头破损检测器进行处理。,11,7.1.2 自动化加工技术,物料传输系统,又称

4、立体仓库或自动化仓库系统（Automated Storage and Retrieva1 System一ASRS），由高层料架、堆垛机、控制计算机和物料识别装置等组成。具有自动化程度高、料位空间尺寸和额定存放重量大、料位总数可根据实际需求扩展、占地面积小等优点。,自动仓库（图7-7）,12,7.1.2 自动化加工技术,传输装置,13,7.1.2 自动化加工技术,在地面上埋设引导电缆，并通以510kHz的低压电流。小车上装有对称的一组信号拾取线圈。当小车偏向右方时，右方的感应信号减弱，左方的增强，控制器根据这些信号的强弱，控制小车的舵轮。,电磁导向方式原理（图7-8）,14,7.1.2 自动化加

5、工技术,沿小车预定路径在地面上粘贴易反光的反光带（铝带或尼龙带），小车上装有发光器和受光器。发出的光经反光带反射后由受光器接受，并将该光信号转换成电信号控制小车的舵轮。,光学引导方式原理（图7-9）,15,7.1.2 自动化加工技术,切屑处理系统,16,7.1.2 自动化加工技术,工厂计算机：制定、修改、更新生产（作业）计划；对中央计算机和物流计算机进行控制。,单元控制器：监视与控制机床加工、检测、上下料,物流计算机：根据工厂计算机制定的作业计划对自动仓 库、堆垛机、缓冲站、运输小车等进行监 视与控制。,中央计算机：根据工厂计算机制定的作业计划对各加工 单元进行监视与控制。,信息传输网络：在控

6、制计算机与单元控制器之间进行信 息传递。,计算机控制系统,17,7.1.2 自动化加工技术,JCS-FMS-1控制级结构,18,7.1.2 自动化加工技术,FMS特点,以GT为基础,具有较大柔性,高度自动化,控制与管理相结合可自动实现系统内的计划、调度,19,7.1.2 自动化加工技术,FMS应用,20,7.1.2 自动化加工技术,FMS实例（1）,21,7.1.2 自动化加工技术,22,十分之一原则：测量不准确度工件容差的1/10三分之一原则：测量精密度工件许用精密度的1/3（用标准差表示）,7.1.3 自动检测技术,自动化传送和装卸被测件；自动完成检测过程；传送/装卸与检测过程全部自动化。

7、,自动检测内容,多采用传感器/计算机反馈控制系统,自动检测系统,接触式传感器：检测尺寸、形状、相互位置非接触式传感器（光学、非光学）：无接触变形，速度快,自动检测传感技术,“十分之一”与“三分之一”原则,23,7.1.3 自动检测技术,离线检测：过程稳定，超差风险小,图7-14 三类检测,离线与在线检测,在线/过程中检测：实时，瓶颈工序,在线/过程后检测：滞后时间短，应用较多,24,7.1.3 自动检测技术,坐标测量机,a）b）c）d）图7-15 坐标测量机的结构形式,结构形式,25,7.1.3 自动检测技术,操作控制,编程方法,26,7.1.3 自动检测技术,可完成测量项目,表7-2 坐标测

8、量机可完成的测量项目,27,7.1.3 自动检测技术,实物照片,28,机械制造技术基础,第7章 制造技术的发展Development of Manufacturing Technology,29,7.2.1 精密与超精密加工技术,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。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。,瓦特改进蒸汽机 镗孔精度 1mm 20 世纪 40 年代 最高精度 1m 20 世纪 末 精密加工：0.1m，Ra 0.01m（亚微米加工）超精密加工：0.01m，Ra 0.001m（纳米加工）,微细加工 微小尺寸的精密加工

9、超微细加工 微小尺寸的超精密加工,30,几种典型精密零件的加工精度（表7-3）,精密加工与超精密加工的发展（图7-17）,7.2.1 精密与超精密加工技术,31,7.2.1 精密与超精密加工技术,32,精密与超精密加工技术是一个国家制造业水平重要标志例：美国哈勃望远镜形状精度0.01m；超大规模集成电路最小线宽0.1m，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先进制造技术基础和关键例：美国陀螺仪球圆度0.1m，粗糙度Ra0.01m，导弹命中精度控制在50m范围内；英国飞机发电机转子叶片加工误差从60m降至12m，发电机压缩效率从89%提高到94%；齿形误差从3-4m减小1

10、m，单位重量齿轮箱扭矩可提高一倍,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,精密与超精密加工地位,7.2.1 精密与超精密加工技术,33,7.2.1 精密与超精密加工技术,34,精密与超精密加工特点,7.2.1 精密与超精密加工技术,35,7.2.1 精密与超精密加工技术,36,切削在晶粒内进行 切削力原子结合力（剪切应力达 13000 N/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,

11、7.2.1 精密与超精密加工技术,37,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。,关键技术,7.2.1 精密与超精密加工技术,38,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。,图7-19 T形布局的金刚石车床,T形布局（图7-19）,7.2.1 精密与超精密加工技术,39,金刚石车床主要性能指标（表7-5）,7.2.1 精密与超精密加工技术,40,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

12、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（图7-20）。,7.2.1 精密与超精密加工技术,41,金刚石晶体的面网距和解理现象,金刚石晶体的（111）晶面面网密度最大，耐磨性最好。（100）与（110）面网的面间距分布均匀；（111）面网的面间距一宽一窄（图7-21）,在距离大的（111）面之间，只需击破一个共价键就可以劈开，而在距离小的（111）面之间，则需击破三个共价键才能劈开。,在两个相邻的加强（111）面之间劈开，可得到很平的劈开面，称之为“解理”。,7.2.1 精密与超精密加工技术,42,金刚石刀具刃磨 通常在铸铁研磨盘上进行研磨 晶向选择

13、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）,7.2.1 精密与超精密加工技术,金刚石刀具角度（图7-22）,43,金刚石车床,加工4.5mm陶瓷球,7.2.1 精密与超精密加工技术,图7-23 金刚石车床及其加工照片,44,砂轮材料：金刚石，立方氮化硼（CBN）,7.2.1 精密与超精密加工技术,45,ELID（Electrolytic In-Process Dressing）,使用ELID磨削，冷却液为一种特殊电解液。通电后，砂轮结合剂发生氧化，氧化层阻止电解进一步进行。在切削力作用下，氧化层脱落，露出了新的锋利磨粒。由于电解修锐连续进行，砂轮在整个磨削过程保持同一锋利状态

14、。,7.2.1 精密与超精密加工技术,46,塑性（延性）磨削,磨削脆性材料时，在一定工艺条件下，切屑形成与塑性材料相似，即通过剪切形式被磨粒从基体上切除下来。磨削后工件表面呈有规则纹理，无脆性断裂凹凸不平，也无裂纹。塑性磨削工艺条件：（1）切削深度小于临界切削深度，它与工件材料特性和磨粒的几何形状有关。一般临界切削深度1m。为此对机床要求：高的定位精度和运动精度。以免因磨粒切削深度超过1m时，导致转变为脆性磨削。高的刚性。因为塑性磨削切削力远超过脆性磨削的水平，机床刚性低，会因切削力引起的变形而破坏塑性切屑形成的条件。（2）磨粒与工件的接触点的温度高到一定程度时，工件材料的局部物理特性会发生变

15、化，导致切屑形成机理的变化（已有试验作支持）。,7.2.1 精密与超精密加工技术,47,砂带：带基材料为聚碳酸脂薄膜，其上植有细微砂粒。砂带在一定工作压力下与工件接触并作相对运动，进行磨削或抛光。有开式（图7-25）和闭式两种形式，可磨削平面、内外圆表面、曲面等（图7-27）。,精密与超精密砂带磨削,7.2.1 精密与超精密加工技术,48,图7-26 用于磨削管件的砂带磨床（带有行星系统）,7.2.1 精密与超精密加工技术,49,几种常见砂带磨削方式（图7-27）,7.2.1 精密与超精密加工技术,50,砂带磨削特点,1）砂带与工件柔性接触，磨粒载荷小，且均匀，工件受力、热作用小，加工质量好（

16、Ra 值可达 0.02m）。,3）强力砂带磨削，磨削比（切除工件重量与砂轮磨耗重量之比）高，有“高效磨削”之称。4）制作简单，价格低廉，使用方便。5）可用于内外表面及成形表面加工。,2）静电植砂，磨粒有方向性，尖端向上（图7-28），摩擦生热小，磨屑不易堵塞砂轮，磨削性能好。,7.2.1 精密与超精密加工技术,51,机理：微切削被加工材料的微塑性流动作用,弹性发射加工,游离磨料加工,抛光轮：由聚氨基甲酸（乙）酯制成，磨料直径 0.10.01m,7.2.1 精密与超精密加工技术,52,工作原理（图7-30）抛光工具上开有锯齿槽，靠楔形挤压和抛光液的反弹，增加微切削作用。机理：微切削作用。,工作原

17、理（图7-31）活性抛光液和磨粒与工件表面产生固相反应，形成软粒子，使其便于加工。机理：机械+化学作用，称为“增压活化”。,液体动力抛光,机械化学抛光,7.2.1 精密与超精密加工技术,53,激光由于其优良的特性（强度高，亮度大，单色性、相干性、方向性好等）在精密测量中得到广泛应用。可以测量长度，小角度，直线度，平面度，垂直度等；也可以测量位移，速度，振动，微观表面形貌等；还可以实现动态测量，在线测量，并易于实现测量自动化。激光测量精度目前可达0.01m。,激光测量,7.2.1 精密与超精密加工技术,54,激光高速扫描尺寸计量系统（图7-32）,7.2.1 精密与超精密加工技术,55,双频激光

18、测量（图7-33）,7.2.1 精密与超精密加工技术,经分光镜，折射一小部分，经干涉测量仪获得拍频f（=f1 f2）的参考信号。大部分激光到偏振分光镜：垂直线偏振光f1被反射，再经固定反射棱镜反射回来；水平线偏振光 f2全部透射，再经移动反射棱镜反射回来。,该信号与参考信号比较，获得f2 的具有长度单位当量的电信号。由于使用频率差f 进行测量，使其不受环境变化影响，可获得高的测量精度和测量稳定性。,氦氖激光器发出的激光，在轴向强磁场作用下，产生频率 f1和f2旋向相反的圆偏振光，经1/4波片形成频率f1的垂直线偏振光和频率f2的水平线偏振光。经透镜组成平行光束。,56,图7-34 双频激光测量

19、系统,7.2.1 精密与超精密加工技术,57,恒温要求：1 0.01 实现方法：大、小恒温间+局部恒温（恒温罩，恒温油喷淋）,恒湿要求：相对湿度35%45%，波动10%1%实现方法：采用空气调节系统,净化要求：10000100级（100级系指每立方英尺空气中所含大于0.5m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,隔振要求：消除内部、隔绝外部振动干扰 实现方法：隔振地基，隔振垫层，空气弹簧隔振器,精密与超精密加工环境,7.2.1 精密与超精密加工技术,58,微细加工 通常指1mm以下微细尺寸零件的加工，其加工误差为0.1m 10m。超微细加工 通常指1m以下超微细尺寸零件的

20、加工，其加工误差为0.01m 0.1m。精度表示方法一般尺寸加工，其精度用误差尺寸与加工尺寸比值表示；微细加工，其精度用误差尺寸绝对值表示。“加工单位”去除一块材料的大小，对于微细加工，加工单位可以到分子级或原子级。微切削机理切削在晶粒内进行，切削力要超过晶体内分子、原子间的结合力，单位面积切削阻力急剧增大。,7.2.2 微细与超微细加工技术,59,7.2.2 微细与超微细加工技术,60,主要采用铣、钻和车三种形式，可加工平面、内腔、孔和外圆表面。刀具：多用单晶金刚石车刀、铣刀（图7-35）。铣刀的回转半径（可小到5m）靠刀尖相对于回转轴线的偏移来得到。当刀具回转时，刀具的切削刃形成一个圆锥形

21、的切削面。,7.2.2 微细与超微细加工技术,61,微小位移机构，微量移动应可小至几十个纳米。高灵敏的伺服进给系统。要求低摩擦的传动系统和导轨支承系统，以及高跟踪精度的伺服系统。高的定位精度和重复定位精度，高平稳性的进给运动。低热变形结构设计。刀具的稳固夹持和高的安装精度。高的主轴转速及动平衡。稳固的床身构件并隔绝外界的振动干扰。具有刀具破损检测的监控系统。,微细机械加工设备,FANUC ROBO nano Ui 型微型超精密加工机床（图7-36）,7.2.2 微细与超微细加工技术,62,机床有X、Z、C、B四个轴，在B 轴回转工作台上增加A轴转台后，可实现5轴控制，数控系统的最小设定单位为1

22、nm。可进行车、铣、磨和电火花加工。旋转轴采用编码器半闭环控制，直线轴则采用激光全息式全闭环控制。为了降低伺服系统的摩擦，导轨、丝杠螺母副以及伺服电机转子的推力轴承和径向轴承均采用气体静压结构。,图7-36 FANUC 微型超精密加工机床,7.2.2 微细与超微细加工技术,63,载流导体：逆压电材料（如压电陶瓷PZT）电场作用引起晶体内正负电荷重心位移（极化位移），导致晶体发生形变。磁致伸缩材料（如某些强磁材料）磁场作用引起晶体发生应变。,直接线性驱动（直线电机驱动）,7.2.2 微细与超微细加工技术,64,图7-37 电磁驱动装置（直线电机）工作原理,7.2.2 微细与超微细加工技术,65,

23、图7-38 直线电机驱动定位平台(YOKOGAWA公司）,7.2.2 微细与超微细加工技术,66,直线驱动与伺服电机驱动比较（表7-7）,7.2.2 微细与超微细加工技术,67,电极线沿着导丝器中的槽以510mm/min的低速滑动，可加工圆柱形的轴（图7-39）。如导丝器通过数字控制作相应的运动，还可加工出各种形状的杆件（图7-40）。,线放电磨削法（WEDG）,7.2.2 微细与超微细加工技术,68,图7-41 电子束光刻大规模集成电路加工过程,光刻加工（电子束光刻大规模集成电路）,7.2.2 微细与超微细加工技术,69,要求：定位精度 0.1m，重复定位精度 0.01m导轨：硬质合金滚动体

24、导轨，或液（气）静压导轨工作台：粗动 伺服电机+滚珠丝杠 微动 压电晶体电致伸缩机构,工作台微动的形成：X运动：Py1 Py2 Px长度变化Y运动：Py1 Py2 Py1长度变化Z转动：Py1 Py2,加工设备（电子束光刻大规模集成电路）,7.2.2 微细与超微细加工技术,70,利用氩（Ar）离子或其它带有 10keV 数量级动能的惰性气体离子，在电场中加速，以极高速度“轰击”工件表面，进行“溅射”加工。,7.2.2 微细与超微细加工技术,71,将被加速的离子聚焦成细束，射到被加工表面上。被加工表面受“轰击”后，打出原子或分子，实现分子级去除加工。,离子束溅射去除加工,四种工作方式,7.2.2

25、 微细与超微细加工技术,72,离子束溅射去除加工可用于非球面透镜成形（需要5坐标运动），金刚石刀具和冲头的刃磨（图7-45），大规模集成电路芯片刻蚀等。,离子束溅射去除加工可加工金属和非金属材料。,7.2.2 微细与超微细加工技术,73,离子束溅射镀膜加工,用加速的离子从靶材上打出原子或分子，并将这些原子或分子附着到工件上，形成“镀膜”。又被称为“干式镀”（图7-46）,离子镀氮化钛，即美观，又耐磨。应用在刀具上可提高寿命1-2倍。,溅射镀膜可镀金属，也可镀非金属。由于溅射出来的原子和分子有相当大的动能，故镀膜附着力极强（与蒸镀、电镀相比）。,7.2.2 微细与超微细加工技术,74,用高能离子

26、（数十万KeV）轰击工件表面，离子打入工件表层，其电荷被中和，并留在工件中（置换原子或填隙原子），从而改变工件材料和性质。可用于半导体掺杂（在单晶硅内注入磷或硼等杂质，用于晶体管、集成电路、太阳能电池制作），金属材料改性（提高刀具刃口硬度）等方面。,离子束溅射注入加工,离子束曝光,用在大规模集成电路制作中，与电子束相比有更高的灵敏度和分辨率。,7.2.2 微细与超微细加工技术,75,通常指纳米级（0.1nm100nm）的材料、设计、制造、测量和控制技术。纳米技术涉及机械、电子、材料、物理、化学、生物、医学等多个领域。在达到纳米层次后，决非几何上的“相似缩小”，而出现一系列新现象和规律。量子效应

27、、波动特性、微观涨落等不可忽略，甚至成为主导因素。,纳米技术研究的主要内容,纳米级精度和表面形貌测量及表面层物理、化学性能检测；纳米级加工；纳米材料；纳米级传感与控制技术；微型与超微型机械。,7.2.3 纳米技术,76,扫描隧道显微测量（STM）,扫描隧道显微镜1981年由在IBM瑞士苏黎世实验室工作的G.Binning 和 H.Rohrer 发明，可用于观察物体 级的表面形貌。被列为20世纪80年度世界十大科技成果之一，1986年因此获诺贝尔物理学奖。,STM工作原理基于量子力学的隧道效应。当两电极之间距离缩小到1nm时，由于粒子波动性，电流会在外加电场作用下，穿过绝缘势垒，从一个电极流向另

28、一个电极。当一个电极为非常尖锐的探针时，由于尖端放电使隧道电流加大。,7.2.3 纳米技术,G.Binning H.Rohrer,77,STM,图7-48 STM工作过程演示,图7-47 STM实物照片,7.2.3 纳米技术,78,通过扫描隧道显微镜操纵氙原子用35个原子排出的“IBM”字样,石墨三维图像,7.2.3 纳米技术,图7-49 用STM移动分子组成的IBM字样,图7-50 用STM观察石墨原子排列,79,当探针与试件表面距离达1nm时，形成隧道结（图7-51）。当偏压Ub小于势垒高度时，隧道电流密度为：,式中 h 普郎克常数；e 电子电量；ka，k0 系数。,由上式可见，探针与试件

29、表面距离 d 对隧道电流密度非常敏感，这正是STM的基础。,7.2.3 纳米技术,80,两种测量模式,7.2.3 纳米技术,81,关键技术：（1）STM探针金属丝经化学腐蚀，在腐蚀断裂瞬间切断电流，获得尖峰，曲率半径为10nm左右。,图7-53 STM针尖,7.2.3 纳米技术,82,（2）隧道电流反馈控制（图7-54）,7.2.3 纳米技术,83,（3）纳米级扫描运动压电陶瓷扫描管（图7-55）,（4）信号采集与数据处理由软件完成。,图7-55 压电陶瓷扫描管结构及工作原理,当陶瓷管内壁接地，X轴两外壁电极电压相反时，陶瓷管一侧伸长，另一侧缩短，形成X方向扫描(图7-55b)。若两外壁电极电

30、压相同，则陶瓷管伸长或缩短，形成Z方向位移。,压电陶瓷扫描管结构见图7-55 a，其工作原理见图7-55b。,7.2.3 纳米技术,84,原子力显微镜（AFM）,当两原子间距离缩小到 级时，原子间作用力显示出来，造成两原子势垒高度降低，两者之间产生吸引力。而当两原子间距离继续缩小至原子直径时，由于原子间电子云的不相容性，两者之间又产生排斥力。,AFM两种测量模式：接触式探针针尖与试件表面距离0.5nm，利用原子间的排斥力。由于分辨率高，目前采用较多。其工作原理是：保持探针与被测表面间的原子排斥力一定，探针扫描时的垂直位移即反映被测表面形貌。非接触式探针针尖与试件表面距离为0.51nm，利用原子

31、间的吸引力。,为解决非导体微观表面形貌测量，借鉴扫描隧道显微镜原理，C.Binning 于1986年发明原子力显微镜。,7.2.3 纳米技术,85,AFM探针被微力弹簧片压向试件表面，原子排斥力将探针微微抬起。达到力平衡。AFM探针扫描时，因微力簧片压力基本不变，探针随被测表面起伏。,AFM结构（图7-56）,在簧片上方安装STM探针，STM探针与簧片间产生隧道电流，若控制电流不变，则STM探针与AFM探针（微力簧片）同步位移，于是可测出试件表面微观形貌。,7.2.3 纳米技术,86,图7-57 AFM实物照片,扫描探针,磁盘图像,7.2.3 纳米技术,87,1）以同步加速器放射的短波长（1n

32、m）X射线作为曝光光源，在厚度达0.5mm的光致抗蚀剂上生成曝光图形的三维实体；2）用曝光蚀刻图形实体作电铸模具，生成铸型；3）以生成的铸型作为模具，加工出所需微型零件。,LIGA由深层同步X射线光刻、电铸成形、塑注成形组合而成。包括三个主要工序（图7-58）：,7.2.3 纳米技术,88,图7-59 LIGA工作现场,7.2.3 纳米技术,89,LIGA特点,用材广泛，可以是金属及其合金、陶瓷、聚合物、玻璃等可以制作高度达0.10.5mm，高宽比大于200的三维微结构（图7-60），形状精度达亚微米,LIGA代表产品及应用,微传感器、微电机、微机械零件、微光学元件、微波元件、真空电子元件、微

33、型医疗器械等广泛应用于加工、测量、自动化、电子、生物、医学、化工等领域,7.2.3 纳米技术,可以实现大批量复制，成本较低,90,机械制造技术基础,第7章 制造技术的发展Development of Manufacturing Technology,91,非传统加工又称特种加工，通常被理解为别于传统切削与磨削加工方法的总称。,非传统加工方法 产生于二次大战后。两方面问题传统机械加工方法难于解决：1）难加工材料的加工问题。宇航工业等对材料高强度、高硬度、高韧性、耐高温、耐高压、耐低温等的要求，使新材料不断涌现。2）复杂形面、薄壁、小孔、窄缝等特殊工件加工问题。为解决上面两方面问题，出现了非传统加

34、工方法。,非传统加工方法将电、磁、声、光等物理量及化学能量或其组合直接施加在工件被加工的部位上，从而使材料被去除、累加、变形或改变性能等。,7.3.1 特种加工技术概述,92,非传统加工方法主要不是依靠机械能，而是用其它能量（如电能、光能、声能、热能、化学能等）去除材料。非传统加工方法由于工具不受显著切削力的作用，对工具和工件的强度、硬度和刚度均没有严格要求。一般不会产生加工硬化现象。且工件加工部位变形小，发热少，或发热仅局限于工件表层加工部位很小区域内，工件热变形小，加工应力也小，易于获得好的加工质量。加工中能量易于转换和控制，有利于保证加工精度和提高加工效率。非传统加工方法的材料去除速度，

35、一般低于常规加工方法，这也是目前常规加工方法仍占主导地位的主要原因。,非传统加工方法特点,7.3.1 特种加工技术概述,93,机械过程 利用机械力，使材料产生剪切、断裂，以去除材料。如超声波加工、水喷射加工、磨料流加工等。,非传统加工方法分类（按加工机理和采用的能源划分）,热学过程 通过电、光、化学能等产生瞬时高温，熔化并去除材料，如电火花加工、高能束加工、热力去毛刺等。,电化学过程 利用电能转换为化学能对材料进行加工，如电解加工、电铸加工（金属离子沉积）等。,化学过程 利用化学溶剂对材料的腐蚀、溶解，去除材料，如化学蚀刻、化学铣削等。,7.3.1 特种加工技术概述,94,复合过程 利用机械、

36、热、化学、电化学的复合作用，去除材料。常见的复合形式有：机械化学复合如机械化学抛光、电解磨削、电镀珩磨等。,机械热能复合如加热切削、低温切削等。热能化学能复合如电解电火花加工等。其它复合过程如超声切削、超声电解磨削、磁力抛光（图7-61）等。,7.3.1 特种加工技术概述,95,拓宽现有非传统加工方法的应用领域。探索新的加工方法，研究和开发新的元器件。优化工艺参数，完善现有的加工工艺。向微型化、精密化发展。,采用数控、自适应控制、CAD/CAM、专家系统等技术，提高加工过程自动化、柔性化程度。,发展趋势,7.3.1 特种加工技术概述,96,工作原理：利用工具电极与工件电极之间脉冲性火花放电，产

37、生瞬时高温，工件材料被熔化和气化。同时，该处绝缘液体也被局部加热，急速气化，体积发生膨胀，随之产生很高的压力。在这种高压作用下，已经熔化、气化的材料就从工件的表面迅速被除去（图7-63）。,4个阶段：1）介质电离、击穿，形成放电通道；2）火花放电产生熔化、气化、热膨胀；3）抛出蚀除物；4）间隙介质消电离（恢复绝缘状态）。,7.3.2 几种代表性特种加工方法,97,图7-64 电火花加工机床,7.3.2 几种代表性特种加工方法,98,电极材料要求导电，损耗小，易加工；常用材料：紫铜、石墨、铸铁、钢、黄铜等，其中石墨最常用。工作液主要功能压缩放电通道区域，提高放电能量密度，加速蚀物排出；常用工作液

38、有煤油、机油、去离子水、乳化液等。放电间隙合理的间隙是保证火花放电的必要条件。为保持适当的放电间隙，在加工过程中，需采用自动调节器控制机床进给系统，并带动工具电极缓慢向工件进给。,工作要素,脉冲宽度与间隔影响加工速度、表面粗糙度、电极消耗和表面组织等。脉冲频率高、持续时间短，则每个脉冲去除金属量少，表面粗糙度值小，但加工速度低。通常放电持续时间在2s至2ms范围内，各个脉冲的能量2mJ到20J（电流为400A时）之间。,7.3.2 几种代表性特种加工方法,99,电火花线切割加工：用连续移动的钼丝（或铜丝）作工具阴极，工件为阳极。机床工作台带动工件在水平面内作两个方向移动，可切割出二维图形（图7

39、-65）。同时，丝架可作小角度摆动，可切割出斜面。,电火花加工类型,7.3.2 几种代表性特种加工方法,100,电火花线切割机床,图7-66 电火花线切割加工,加工过程显示,7.3.2 几种代表性特种加工方法,101,不受加工材料硬度限制，可加工任何硬、脆、韧、软的导电材料。加工时无显著切削力，发热小，适于加工小孔、薄壁、窄槽、形面、型腔及曲线孔等，且加工质量较好。脉冲参数调整方便，可一次装夹完成粗、精加工。易于实现数控加工。,电火花加工特点,电火花加工应用,电火花成形加工：电火花打孔常用于加工冷冲模、拉丝模、喷嘴、喷丝孔等。型腔加工包括锻模、压铸模、挤压模、塑料模等型腔加工，以及叶轮、叶片等

40、曲面加工。电火花线切割：广泛用于加工各种硬质合金和淬硬钢的冲模、样板、各种形状复杂的板类零件、窄缝、栅网等。,7.3.2 几种代表性特种加工方法,102,工作原理：工件接阳极，工具（铜或不锈钢）接阴极，两极间加直流电压624V，极间保持0.11mm间隙。在间隙处通以 660m/S高速流动电解液，形成极间导电通路，工件表面材料不断溶解，溶解物及时被电解液冲走。工具阴极不断进给，保持极间间隙。,7.3.2 几种代表性特种加工方法,103,不受材料硬度的限制，能加工任何高硬度、高韧性的导电材料，并能以简单的进给运动一次加工出形状复杂的形面和型腔。加工形面、型腔生产率高（与电火花加工比高510倍）。采

41、用振动进给和脉冲电流等新技术，可进一步提高生产效率和加工精度。阴极在加工中损耗小。加工表面质量好，无毛刺、残余应力和变形层。设备投资大，有污染，需防护。,模具型腔、枪炮膛线、发电机叶片、花键孔、内齿轮、小而深的孔加工，电解抛光、倒棱、去毛刺等。,电解加工特点,电解加工应用,7.3.2 几种代表性特种加工方法,104,工件与磨轮保持一定接触压力，突出的磨料使磨轮导电基体与工件之间形成一定间隙。电解液从中流过时，工件产生阳极溶解，表面生成一层氧化膜，其硬度远比金属本身低，易被刮除，露出新金属表面，继续进行电解。电解作用与磨削作用交替进行，实现加工。,电解磨削效率比机械磨削高，且磨轮损耗远比机械磨削

42、小，特别是磨削硬质合金时，效果更明显。,7.3.2 几种代表性特种加工方法,电解磨削（图7-68）,105,真空条件下，利用电流加热阴极发射电子束，经控制栅极初步聚焦后，由加速阳极加速，通过透镜聚焦系统进一步聚焦，使能量密度集中在直径510m斑点内。高速而能量密集的电子束冲击到工件上，被冲击点处形成瞬时高温（几分之一微秒时间内升高至几千摄氏度），工件表面局部熔化、气化直至被蒸发去除。,工作原理（图7-69）,7.3.2 几种代表性特种加工方法,106,电子束束径小（最小直径可达0.010.05mm），而电子束长度可达束径几十倍，故可加工微细深孔、窄缝。材料适应性广（原则上各种材料均能加工），特

43、别适用于加工特硬、难熔金属和非金属材料。非接触加工，无工具损耗；无切削力，加工时间极短，工件无变形。加工速度高，切割1mm厚钢板，速度可达240mm/min。在真空中加工，无氧化，特别适于加工高纯度半导体材料和易氧化的金属及合金。加工设备较复杂，投资较大。多用于微细加工。,特点及应用,7.3.2 几种代表性特种加工方法,107,激光是一种受激辐射而得到的加强光。其基本特征：强度高，亮度大 波长频率确定，单色性好 相干性好，相干长度长 方向性好，几乎是一束平行光,工作原理（图7-70）,激光加工,7.3.2 几种代表性特种加工方法,108,固体激光器 YAG（结晶母材由钇、铝和石榴石构成）激光器

44、 红宝石激光器,混合气体：氦约80%，氮约15%，CO2 约5%通过高压直流放电进行激励波长10.6m，为不可见光能量效率5%15%,气体激光器CO2激光器（图7-71）,7.3.2 几种代表性特种加工方法,激光器,109,加工材料范围广，适用于加工各种金属材料和非金属材料，特别适用于加工高熔点材料，耐热合金及陶瓷、宝石、金刚石等硬脆材料。加工性能好，工件可离开加工机进行加工，可透过透明材料加工，可在其他加工方法不易达到的狭小空间进行加工。非接触加工方式，热变形小，加工精度较高。可进行微细加工。激光聚焦后焦点直径理论上可小至1以下，实际上可实现0.01mm的小孔加工和窄缝切割。加工速度快，效率

45、高。激光加工不仅可以进行打孔和切割，也可进行焊接、热处理等工作。激光加工可控性好，易于实现自动控制。加工设备昂贵。,激光加工特点,7.3.2 几种代表性特种加工方法,110,激光打孔 广泛应用于金刚石拉丝模、钟表宝石轴承、陶瓷、玻璃等非金属材料，和硬质合金、不锈钢等金属材料的小孔加工。激光打孔具有高效率、低成本的特点，特别适合微小群孔加工。焦点位置对孔的质量影响：若焦点与加工表面之间距离很大，则激光能量密度显著减小，不能进行加工。如果焦点位置偏离加工表面1mm，可以进行加工，此时加工出孔的断面形状随焦点位置不同而发生变化（图7-72）。,激光加工应用,7.3.2 几种代表性特种加工方法,111

46、,激光热处理 原理：照射到金属表面上的激光使表面原子迅速蒸发，由此产生微冲击波会导致大量晶格缺陷形成，达到硬化。优点：快速、不需淬火介质、硬化均匀、变形小、硬化深度可精确控制。,7.3.2 几种代表性特种加工方法,112,图7-74 激光焊接车身,图7-73 激光切割,7.3.2 几种代表性特种加工方法,113,利用工具端面作超声（1625kHz）振动，使工作液中的悬浮磨粒对工件表面撞击抛磨来实现加工。超声波发生器将工频交流电能转变为有一定功率输出的超声频电振荡，通过换能器将超声频电振荡转变为超声机械振动，此时振幅一般很小，再通过振幅扩大棒（变幅杆）使固定在变幅杆端部的工具振幅增大到0.010

47、.15mm。,工作原理（图7-75）,7.3.2 几种代表性特种加工方法,114,图7-76 超声波加工机床,图7-77 超声波加工样件,7.3.2 几种代表性特种加工方法,115,适用于加工各种脆性金属材料和非金属材料，如玻璃、陶瓷、半导体、宝石、金刚石等。可加工各种复杂形状的型孔、型腔、形面。工具与工件不需作复杂的相对运动，机床结构简单。被加工表面无残余应力，无破坏层，加工精度较高，尺寸精度可达0.010.05mm。加工过程受力小，热影响小，可加工薄壁、薄片等易变形零件。生产效率较低。采用超声复合加工（如超声车削，超声磨削，超声电解加工，超声线切割等）可提高加工效率。,超声波加工特点及应用

48、,7.3.2 几种代表性特种加工方法,116,工作原理：,加工装置（图7-78）,喷嘴材料及工作条件（表7-11）,7.3.2 几种代表性特种加工方法,利用超高压水（或水与磨料的混合液）对工件进行切割（或打孔），又称高压水切割，或“水刀”。,117,工艺参数（表7-12，表7-13）,7.3.2 几种代表性特种加工方法,118,机械制造技术基础,第7章 制造技术的发展Development of Manufacturing Technology,119,7.4.1 AMT 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

49、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 结果：导致美国在经济上竞争力下降，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）,120,7.4.1 AMT 产生背景,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，

50、必须生产好”，表明美国知识界与政府之间取得了共识 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,121,7.4.1 AMT 产生背景,“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，美国公司仍擅于作出新的突破，如IBM的高温超导发现，但往往不能很好地贯彻到底，即把技术既迅速又便宜地转化为新产品和新工艺。美国企业和政府对制造技术