1、2022-8-3河南科技大学机电工程学院1第第7章章 先进先进制造技术制造技术简介简介n7.1 概述概述n7.2 先进加工先进加工技术技术2022-8-3河南科技大学机电工程学院27.1 概述概述n7.1.1 先进制造技术及其特点先进制造技术及其特点n1.先进制造技术是一项综合性技术，它将各种与制造相先进制造技术是一项综合性技术，它将各种与制造相关的技术集合成一体，并贯穿到从市场分析、产品设计、关的技术集合成一体，并贯穿到从市场分析、产品设计、加工制造、生产管理、市场营销、维修服务直至产品报加工制造、生产管理、市场营销、维修服务直至产品报废处理、回收再生的生产全过程。废处理、回收再生的生产全过
2、程。n2.先进制造技术是一个动态技术，它不断地吸收和利用各先进制造技术是一个动态技术，它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种高新技术成果，并将其渗透到制造系统的各个部分和制造活动的整个过程，使其不断趋于完善。制造活动的整个过程，使其不断趋于完善。n3.先进制造技术特别强调计算机技术、信息技术和先进先进制造技术特别强调计算机技术、信息技术和先进管理技术在制造中的综合应用，特别强调人的主体作用，管理技术在制造中的综合应用，特别强调人的主体作用，强调人、技术、管理三者的有机结合。强调人、技术、管理三者的有机结合。n4.先进制造技术是多学科、多种技术交叉的产物，专业界先
3、进制造技术是多学科、多种技术交叉的产物，专业界限逐渐淡化甚至消失。限逐渐淡化甚至消失。n5.先进制造技术向超精密、微细加工领域以及综合自动化先进制造技术向超精密、微细加工领域以及综合自动化方向发展方向发展。2022-8-3河南科技大学机电工程学院37.1 概述概述n7.1.2 先进制造技术的发展趋势先进制造技术的发展趋势n1.精密化精密化n精密化是指对产品、零件的加工精度要求越来越高，加工的极限精度正向纳米级、亚纳米级精度发展。n2.集成化集成化n集成化的发展将使制造企业各部门之间以及制造活动各阶段之间的界限逐渐淡化，并最终向一体化的目标迈进。n3.柔性化柔性化n制造柔性化是制造企业对市场需求
4、多样化的快速响应能力，也即制造系统能够根据顾客的需求快速生产多样化新产品的能力。n模块化技术是提高制造自动化系统柔性的重要策略和方法。n随着并行工程（CE）和大规模定制生产（Mass Customization，MC）的出现，为制造系统柔性化提供了新的发展空间。n4.网络化网络化n Internet和Intranet的出现，使企业之间的信息传输与信息集成以及异地制造成为可能。2022-8-3河南科技大学机电工程学院47.1 先进制造技术概述先进制造技术概述n7.1.2 先进制造技术的发展趋势先进制造技术的发展趋势n5.虚拟化虚拟化n虚拟制造技术可以缩短产品设计与制造周期，提高产品设计成功率，降
5、低产品开发成本，提高系统快速响应市场变化的能力。n6.智能化智能化n智能制造技术是指在制造系统和制造过程的各个环节，通过计算机来实现人类专家的制造智能活动的各种制造技术的总称。n智能制造系统要求在整个制造过程中贯彻智力活动，使系统以柔性的方式集成起来，以在多品种、中小批量生产条件下，实现“完善生产”。n7.绿色化绿色化n绿色制造目标是使产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废的整个寿命周期内对环境的负面影响最小，资源综合利用率最高。n7.管理技术先进化管理技术先进化 2022-8-3河南科技大学机电工程学院57.2 先进制造先进制造工艺工艺技术技术n7.2.1 超精密加工技术超精密加工技术n1
6、.概述概述n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。n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。n2.超精密加工关键技术超精密加工关键技术n超精密加工机床技术n精密主轴。n超精密导轨。n传动系统。表7-1 加工精度的划分级别普通加工精密加工高精密加工超精密加工极超精密加工加工误差/m1001010330.10.10.0050.0052022-8-3河南科技大学机电工程学院67.2 先进制造先进制造工艺工艺技术技术n2.超精密加工关键技术超精密加工关键技术n超精密刀具n天然或人造单晶金刚石刀具是目前最主要的超精密切削工具。n金刚石刀具刃
7、磨技术是超精密切削中的一个重要问题。n刀具的刃口钝圆半径是一个关键参数，若极薄切削厚度欲达10nm，则刃口钝圆半径应为2nm。n超精密测量技术 近年来超精密加工领域越来越多地选用光栅作为测量工具。从分辨率上看，光栅系统分辨率可达0.1nm，测量范围100mm，精度0.1m。而且光栅对环境的要求相对较低，可以满足超精密加工的使用要求，是很有前途的超精密测量工具。n环境控制技术n恒温。目前已达(200.5)，而切削部件在恒温液的喷淋下最高可达(200.05)。n防振n净化的环境，其最高要求为lm3空气内大于0.01m的尘埃数目小于10个。2022-8-3河南科技大学机电工程学院77.2 先进制造先
8、进制造工艺工艺技术技术n3.金刚石超精密车削金刚石超精密车削n用途n为适应计算机用的磁盘、录像机中的磁鼓、各种精密光学反射镜、射电望远镜主镜面、照像机塑料镜片、树脂隐形眼镜镜片等精密零件的加工而发展起来的一种精密加工方法。n主要用于加工铝、铜等非铁系金属及其合金，以及光学玻璃、大理石和碳素纤维等非金属材料。n关键技术n金刚石刀具及其刃磨n金刚石车床。要求高精度、高刚度、良好稳定性、抗振性及数控功能等。2022-8-3河南科技大学机电工程学院87.2 先进制造先进制造工艺工艺技术技术n4.超精密磨削加工超精密磨削加工n定义n超精密磨削技术是在一般精密磨削基础上发展起来的一种亚微米级加工技术。它的
9、加工精度达到或高于0.1m，表面粗糙度Ra低于0.025m，并正在向纳米级加工方向发展。n 超硬磨料微粉砂轮磨削技术n金刚石微粉砂轮超精密磨削时，主要是微切削作用。这是由于磨粒具有很大的负前角和切削刃钝圆半径；又由于是微粉磨粒，因此具有微刃性；同时，又由于砂轮经过精细修整，磨粒在砂轮表面上具有很好的等高性，因此其切削机理比较复杂。n超精密砂带磨削技术n从加工机理来看，砂带磨削兼有磨削、研磨和抛光的综合作用，是一种复合加工。n材料的塑性变形和摩擦力减小，力和热的作用降低，工件温度降低。使加工表面能得到很高的表面质量，但难以提高工件的几何精度。2022-8-3河南科技大学机电工程学院97.2 先进
10、制造先进制造工艺工艺技术技术n7.2.2 微细微细/纳米加工技术纳米加工技术n1.概述概述n微细加工是指加工尺度为微米级范围的加工方式。n纳米技术（Nnao Technology，NT）是在纳米尺度范围（0.1nm-100nm）内对原子、分子等进行操纵和加工的技术。n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。n“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。n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。n2.微细加工技术微细加工技术n微细切削加工n主要采用铣、
11、钻和车三种形式，可加工平面、内腔、孔和外圆表面。n主要困难在于微型刀具的制造、安装以及加工基准的转换定位。2022-8-3河南科技大学机电工程学院107.2 先进制造先进制造工艺工艺技术技术n2.微细加工技术微细加工技术n微细特种加工n微细电火花加工。微小工具电极的制作是关键技术之一。利用微小圆轴电极，在厚度为0.2mm的不锈钢片上可加工出直径为40微米的微孔。n复合加工。复合加工是指电火花与激光复合精密微细加工。针对市场上急需的精密电子零件模具与高压喷嘴等使用的超微硬质合金和聚晶金刚石烧结体的加工要求，特别是长径比很大的深孔加工要求，开发出一种高效率的微细加工系统，它采用了电火花加工与激光加
12、工的复合工艺。n光刻加工n光刻加工是利用光致抗蚀剂（感光胶）的光化学反应特点，在紫外线照射下，将照相制版上的图形精确地印制在有光致抗蚀剂的工件表面，再利用光致抗蚀剂的耐腐蚀特性，对工件表面进行腐蚀，从而获得极为复杂的精细图形。2022-8-3河南科技大学机电工程学院117.2 先进制造先进制造工艺工艺技术技术光刻加工（电子束光刻大规模集成电路）1.涂胶（光致抗蚀剂）氧化膜光致抗蚀剂基片2.曝光（投影或扫描）掩膜电子束3.显影、烘片（形成窗口）窗口离子束4.刻蚀（形成沟槽）5.沉积（形成电路）6.剥膜（去除光致抗蚀剂）图7-1 电子束光刻大规模集成电路加工过程2022-8-3河南科技大学机电工程
13、学院127.2 先进制造先进制造工艺工艺技术技术n7.2.2 微细微细/纳米加工技术纳米加工技术n3.纳米加工技术纳米加工技术n扫描隧道显微测量（STM）A2022-8-3河南科技大学机电工程学院137.2 先进制造先进制造工艺工艺技术技术图7-2 STM实物照片 图7-3 用STM移动分子组成的IBM字样2022-8-3河南科技大学机电工程学院147.2 先进制造先进制造工艺工艺技术技术n3.纳米加工技术纳米加工技术nLIGA技术（X射线刻蚀电铸模法）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7-4）：1）以同步加速器放射的短波长（1nm）X射线作为曝光光
14、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。X射线曝光腐蚀溶解抗蚀剂电铸铸型注射成形零件图7-4LIGA制作零件过程2022-8-3河南科技大学机电工程学院157.2 先进制造先进制造工艺工艺技术技术n7.2.3 高速加工技术高速加工技术n1.概述概述n高速加工技术是指采用超硬材料刀具和磨具，利用高速、高精度、高自动化和高柔性的制造设备，以提高切削速度来达到提高材料切除率、加工质量的先进加工技术。年德国切削物理学家C.J.Salomom在“高速切削原理”一文中给出了著名的“Salomom曲
15、线”。Salomom的理论与实验结果，引发了人们极大的兴趣，并由此产生了“高速切削（HSC）”的概念。n2.高速加工定义nISO1940标准规定，主轴转速高于7000rev/min为高速切削。n德国Darmstadt工业大学提出以高于510倍普通切削速度的切削定义为高速切削。n主轴轴承孔直径与主轴最大转速乘积达(52000)105mmrev/min 时为高速切削。2022-8-3河南科技大学机电工程学院167.2 先进制造先进制造工艺工艺技术技术图7-5 Salomon切削温度与切削速度曲线切削适应区软铝切削速度v/(m/min)切削不适应区0 600 1200 1700 2400 3000青
16、铜铸铁钢硬质合金970高速钢650碳素工具钢450Stelite合金7501600 1200700400切削温度/切削适应区非铁金属2022-8-3河南科技大学机电工程学院177.2 先进制造先进制造工艺工艺技术技术n1.高速切削加工的关键技术高速切削加工的关键技术n高速主轴系统n电主轴。如图7-6所示。电主轴取消了从主电动机到机床主轴之间的一切中间传动环节，主传动链的长度缩短为零，故把这种新型的驱动与传动方式称为“零传动”。n静压轴承高速主轴固定轴承固定轴承移动轴承移动轴承冷却冷却液体静压轴承高速主轴的最大特点是运动精度很高，回转误差一般在0.2m以下。因而不但可以提高刀具的使用寿命，而且可
17、以达到很高的加工精度和低的表面粗糙度。空气静压轴承可以进一步提高主轴的转速和回转精度，其最高转速可达100000rmin，转速特征值可达2.7106 mmrmin，回转误差在50 nm以下2022-8-3河南科技大学机电工程学院187.2 先进制造先进制造工艺工艺技术技术n1.高速切削加工的关键技术高速切削加工的关键技术n磁浮轴承高速主轴。磁浮轴承高速主轴结构如图7-7所示。前辅助轴承电主轴双面轴向推力轴承前径向轴承后径向轴承后辅助轴承前径向传感器后径向传感器轴向传感器图7-7 磁浮轴承高速主轴2022-8-3河南科技大学机电工程学院197.2 先进制造先进制造工艺工艺技术技术n1.高速切削加
18、工的关键技术高速切削加工的关键技术n超高速切削机床的进给系统n高速进给系统：高速进给系统：高速滚珠丝杠螺母+旋转伺服电机。采用大导程、多头高速滚珠丝杠，并进行预拉伸，提高丝杠的刚度；采用小直径氮化硅陶瓷球滚珠，减少其运动时的离心力和陀螺力矩；丝杠采用中空结构，并采用空心强冷却技术以减少高速滚珠丝杠运转时由于摩擦产生温升而造成的丝杠热变形；采用传感器对螺母的预紧力进行检测，实现对螺母预加载荷的自适应控制；丝杠和螺母副的制造难度较大，速度和加速度存在一定的非线性特征，全闭环时系统稳定性不易得到保证。n直线电机进给驱动系统：直线电机进给驱动系统：直线电机作为进给伺服系统的执行元件。电动机直接驱动机床
19、工作台，传动链长度为零；不受离心力的影响，结构简单、重量轻，容易实现很高的进给速度（70 170m/min）和加速度（210g）；动态性能好、运动精度高（0.10.01m）、运动行程不影响系统的刚度；无机械磨损。2022-8-3河南科技大学机电工程学院207.2 先进制造先进制造工艺工艺技术技术n1.高速切削加工的关键技术高速切削加工的关键技术n超高速轴承技术n提高制造精度等级。n合理选择轴承材料，如陶瓷球轴承。n改进轴承结构德国FAG轴承公司开发的HS70和HS719系列轴承，将球直径缩小至原来的70，增加了球数，从而提高了轴承结构的刚性。n高性能的CNC控制系统n数字主轴控制系统和数字伺服
20、轴驱动系统应该具有高速响应特性；加工精度检测装置应选用具有高跟踪特性和分辨率的检测元件。n进给驱动的控制系统应具有很高的控制精度和动态响应特性。n要求单个程序段处理时间短；要有前馈和大量的超前程序段处理功能；要求快速行程刀具路径，刀具路径尽可能圆滑，走样条曲线而不是逐点跟踪，少转折点、无尖转点；程序算法应保证高精度；遇到干扰能迅速调整，保持合理的进给速度，避免刀具振动。2022-8-3河南科技大学机电工程学院217.2 先进制造先进制造工艺工艺技术技术n7.2.4 先进特种加工技术先进特种加工技术n1.激光加工激光加工n激光加工原理（图7-7）图7-7 激光加工原理图2022-8-3河南科技大
21、学机电工程学院227.2 先进制造先进制造工艺工艺技术技术q 激光加工特点2022-8-3河南科技大学机电工程学院237.2 先进制造先进制造工艺工艺技术技术q 激光加工应用图7-9 焦点位置对孔形状影响2022-8-3河南科技大学机电工程学院247.2 先进制造先进制造工艺工艺技术技术2022-8-3河南科技大学机电工程学院257.2 先进制造先进制造工艺工艺技术技术图7-11 激光焊接车身图7-10 激光切割2022-8-3河南科技大学机电工程学院267.2 先进制造先进制造工艺工艺技术技术n7.2.4 先进特种加工技术先进特种加工技术n2.超声波加工超声波加工n超声波加工原理（图7-12
22、）变幅杆超声波发生器图7-12 超声波加工原理图振动方向工具换能器工作液喷嘴工件2022-8-3河南科技大学机电工程学院277.2 先进制造先进制造工艺工艺技术技术q 超声波加工特点及应用2022-8-3河南科技大学机电工程学院287.2 先进制造先进制造工艺工艺技术技术n7.2.5 快速原型制造技术快速原型制造技术n1.快速原型制造原理快速原型制造原理 先由三维CAD软件设计出所需要零件的计算机三维曲面或实体模型；然后根据工艺要求，将计算机内的三维数据模型进行分层切片得到各层截面的轮廓数据，计算机据此信息控制激光束有选择性地切割一层一层的纸，或烧结一层接一层的粉末材料，或固化一层又一层的液态
23、光敏树脂，或用喷嘴喷射一层又一层的热熔材料或粘合剂，形成一系列具有一个微小厚度的片状实体；再采用熔结、聚合、粘结等手段使其逐层堆积成一体，便可以制造出所设计的新产品样件、模型或模具。n2.特点特点 2022-8-3河南科技大学机电工程学院297.2 先进制造先进制造工艺工艺技术技术n3.立体光刻立体光刻 2022-8-3河南科技大学机电工程学院307.2 先进制造先进制造工艺工艺技术技术图7-132022-8-3河南科技大学机电工程学院317.2 先进制造先进制造工艺工艺技术技术n4.分层实体制造分层实体制造以单面事先涂有热溶胶的纸、金属箔等片材为原料，激光按切片软件截取的分层轮廓信息切割工作
24、台上的片材，热压辊热压片材，使之与下面已成形的工件粘接；激光在刚粘接的新层上切割出零件截面轮廓和工件外框，并在截面轮廓与外框之间多余的区域内切割出后处理时便于剥离的网格；完成一层的截面后，工作台带动已成形的工件下降一个片材厚度，与带状片材分离；送料机构带动料带移动，使新层移到加工区域，热压辊热压，工件的层数增加一层，高加一度增个料厚；再在新层上进行激光切割。如此反复直至零件的所有截面粘接、切割完，得到分层制造的实体零件。材料适应性强；只需切割零件轮廓线，成形厚壁零件的速度较快，易于制造大型零件；不需要支撑；工艺过程中不存在材料相变，成形后的成形无内应力，因此不易引起翅曲变形。缺点是层间结合紧密
25、型差。2022-8-3河南科技大学机电工程学院327.2 先进制造先进制造工艺工艺技术技术7-142022-8-3河南科技大学机电工程学院337.2 先进制造先进制造工艺工艺技术技术n5.选择性激光烧结选择性激光烧结2022-8-3河南科技大学机电工程学院347.2 先进制造先进制造工艺工艺技术技术图7-15 选择性激光烧结原理图1-CO2激光束；2-扫描镜；3-CO2激光器；4-粉末；5-平整滚筒2022-8-3河南科技大学机电工程学院357.2 先进制造先进制造工艺工艺技术技术n6.熔融沉积成形熔融沉积成形。2022-8-3河南科技大学机电工程学院367.2 先进制造先进制造工艺工艺技术技术图7-16谢谢 谢！谢！
