《现代制造技术》教案.docx

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《现代制造技术》教案

《现代制造技术》

第一章绪论

教学目的与要求：

1、掌握现代制造技术内涵及技术构成

2、熟悉现代制造技术体系的结构

3、熟练对现代制造技术进行分类

4、了解现代制造技术的发展趋势

教学重难点：

1、现代制造技术的内涵

2、现代制造技术包含的几个技术方面

3、传统制造业的技术及缺陷，以及现代制造技术的特点

教学内容：

一、生产过程系统

在生产中将原料通过许多专业化工厂，利用科学知识及技术（技能），利用客观物质工具将之加工成人们所需要的、要求的产品过程——生产过程。

在生产过程中：

物料、能源、资源、设备、工具、设计、加工、装配、储运等与技术情报分析与市场环境动态分析、经营管理、劳动力的调配。

资源、能源的开发与利用、国家政策及国际影响，使得现代制造加工构成一个原料、设备、工件的一个闭环系统——生产过程系统。

一般来说：

生产过程系统主要由决策层、经营管理层、生产技术层以及发展谋划（developmentplans）等层次构成。

二、生产制造技术（ManchiningTechnology）

1、传统机制发展

A、19世纪末20世纪初的英国工业革命—→机器工业。

B、20世纪中叶，HenleyFord1903年建立世界上第一个汽车巨头Ford公司；1913年以互换性技术（interchangeabilitytechnology）来装备汽车，到20世纪50年代—→大工业体系的形成。

C、柔性化、集成化、智能化及网络化的现代制造技术（ModrenMachiningTechnology）

20世纪80年代随着技术更新、产品精密加工要求以传统加工缺陷。

计算机发展而逐步地不断的发展至今。

2、传统机制特点

A、个人技巧+amountof刚性生产线.AND细密专业分工+一体化

B、技术界限明显AND专业独立

C、仅为生产系统中的某一环节

D、不能有效地进行信息流控制

E、生产的管理与技术分离—→人力资源浪费及分配离散和不公正

3、现代制造技术

社会发展，科技进步及市场经济的刺激，为响应市场刺激，使产品质量更高，企业更具生命力及创造力。

A、品种多，批量更换容易

B、信息控制自由+知识密集型

C、柔性自动线+智能自动化

D、CAD—CAM—CAPP—CAT—CAEAND

NC—CNCAND

FMC—CIMS—MISMS（管理信息系统）

E、先进的管理模式

工业工程+并行工程（CEconcurrentengineering）AND、信息流+物料流+能源流（handling）控制。

4、现代制造技术内涵及技术构成

以优质、高效、低耗及无污染的基础技术，以适应市场需求而产生的单元技术，从而进行高效率、高质量、高利益的集成技术完成产品的加工、设计、优化及评测，以适应现代工业生产需求。

三、体系结构及分类

1、结构

在良好优质的环境下（制造技术环境），通过先进、高效类的支撑技术群，完成产品的生产（主技术群）。

2、分类

①现代设计技术

计算机技术+基础优良设计技术+优势竞争环境创建技术+产品生命周期设计技术+可持续发展（sustainabledevelopment）设计+可靠性、仿真性、虚拟性实验。

②现代制造技术

精密、超紧密技术+特种加工（nonterditionalmachining）

③制造自动化技术

数控+工业机器人+FMS+CAT+CAE

④MachiningsystemANDMachiningmodrel

CIMS+AMS（敏捷制造）+IMS+LP（精良生产）+CEAND

CE+MRP（制造资源计划）+JIT（准时生产）+ABCAND

VT（viruateachnology）等。

四、现代制造技术发展（了解）

第二章特种加工（nontraditionalmachining）

教学目的与要求：

1、掌握特种加工分类、特点及适用范围

2、掌握电火花加工的原理、规律及基本设备应用

3、掌握电解加工的原理、规律、应用

4、熟悉超声波及激光加工的原理及应用

5、了解电子束、等离子、电铸等加工的原理和应用

教学重难点：

1、特种加工的范围

2、电火花及电解加工原理、规律

3、电解磨削的原理、特点

4、激光及超声波加工应用

教学内容：

§2.1特种加工的概念

利用电能、光能、声能、热能及化学能来去除金属及非金属材料的非传统的加工方法。

一、分类

1、力学加工——机械能，如：

超声波、喷射、水流加工等。

2、电物理加工——电能—→热能、机械能及光能，如：

电火花成形、电火花线切割、电子束、离子束加工等。

3、电化学加工——电能—→化学能，如：

电解加工、电镀、刷镀、镀膜机电铸加工等。

4、激光加工——激光光能—→热能。

5、化学加工——化学能或光能转化为化学能，如：

化学铣削、化学刻蚀（即光刻）加工等。

6、复合加工——机械加工+特种加工，如：

电解磨削、超声电解磨削及超声电火花电解磨削等。

二、特点及运动应用范围

1、工件与工具间无明显切削力，仅存在微作用力。

2、包括去除与结合加工

去除加工，即为分离加工，去除材料

结合：

附着——在被加工面上覆盖—→镀膜等。

注入——将元素离子注入工件表层—→离子注入、化学镀、氧化等。

结合——工件或两种材料结合成一体—→激光焊接、化学粘结等。

3、工件硬度、强度可低于工件硬度与强度，工具损耗微小。

4、能量易于转换与控制。

5、加工精度易于保证，生产率等。

§2.2电火花加工（ElectricalDissolveMachining，EDM）

一、加工原理

利用脉冲放电对导电材料的磨蚀来去除材料，从而满足一定的形状与尺寸要求的加工方法。

参阅P16图2—1

①充满液体介质的工具及电极之间存在一小间隙0.01～0.02mm

②脉冲电压施加：

间隙中产生极强的脉冲电压，于是两极间的液体介质随脉冲电压频率不断放电电离击穿—→脉冲放电。

③放电持续时间为10-8—10-5s，由于其放电压区域面积极小，所以能量高度集中，在放电压产生10000～12000oC的高温。

④放电小区域部分的金属材料被熔化与汽化。

这里由于速度非常快，固有爆炸性质。

⑤爆炸力将熔化的微小的金属颗粒抛出，被液体介质冷却、凝固，并带出间隙—→主要表现为冲走，工件表面出现圆形凹坑。

⑥重复放电过程，随着工具电极不断进给，材料不断被蚀除

⑦直至工具电极轮廓形状精确复印至工件上，为下一次做准备。

二、加工设备简介

1、电火花加工必须要使用脉冲电源，将200V或380V、50Hz交流电源—→频率较高的脉冲电源—→加工提供电能量。

2、在每次脉冲放电间隔内：

电极冷却，工作液恢复绝缘状态

下一次放电在二极间另一凸点进行。

三、规律

1、影响因素

（1）极间效应

单位时间内蚀除金属材料的体积或重量——蚀除量（速度）

由于正负极性接法不同—→蚀除量不同—→极性效应

短脉宽——<50us

电子质量轻，惯性小—→极易获得高速度轰击阳极阳极蚀除量大，用于正极性的精加工。

长脉宽——>300us

放电时间长，离子获得高速度，又因离子质量大，轰击阳极动能大阴极蚀除量大，用于负极性的半精加工及粗加工。

（2）工作液

煤油、去离子水及乳化液等。

详见P19表2—3

（3）电极材料

紫铜、石墨、铸铁、钢、黄铜

首先要导电，其次是加工损耗小，稳定，再次机械加工性能好。

四、应用

1、成型加工

穿孔加工——加工冲模，型孔及小孔（φ0.05～φ2mm）

型腔加工——型腔模及型腔零件，相当于加工成型盲孔

2、电火花线切割

A、用于连续移动的钼丝或铜丝作为工具阳极，工件为阳极。

B、工作台可在水平面作进给运动—→三维图形。

C、在B状态下，丝架绕工作台X轴小角度摆动+丝架上下臂对Y轴移动—→带斜面的平面及二次曲线型体。

D、高速走丝与低速走丝。

a）高速走丝：

V=10m/s上下，往复走丝；

b）低速走丝：

用成卷铜丝在无绢丝筒（导丝轮呈锯齿状）的情况下，V=0.01～0.1m/s，单向走丝，其平稳无振动，损耗小，加工精度高，为发展的主要方向。

（应用：

型孔、型腔、线切割回转共轭）

五、特点

可加工任何导电材料，适用精密微细刚性差工件。

其加工精度等见P14表2—1

六、可完成的加工

1、穿孔——型孔、曲线孔（弯螺纹）、小微孔

2、穿腔——锻、压、铸、挤压模加工及整体式叶轮、叶片曲面

3、线切割——切断、开槽、窄逢

4、回转共轭——同模数内外齿轮及同螺距、牙型的内外螺纹

5、电火花回转——类似铣削及磨削

6、金属表面强化，打印，仿形刻字

作业：

P521、说明特种加工的工艺特点。

2、电火花成形加工原理及极性效应

3、快、慢走丝电火花线切割加工优缺点

课时：

2学时

§2.3电解加工（ElectrictonMachining，ECM）

一、加工基本原理

利用金属在电解液中可以产生阳极溶解的电化学原理来进行的成形加工方法。

例如：

Nacl水溶液加工Fe

电离方程式：

Nacl→Na++cl-

H2O

H++OH-

通电后，阳极（工件）表面Fe

Fe2+,进入电解液中与OH-，cl-发生氧化反应→Fe（OH）2及Fecl2。

Fe–2e→Fe2+实现：

间隙→法拉第电解定律

Fe2++2（OH-）→Fe（OH）2↓原理→冲刷→加工区

Fe2++2cl-

Fecl2电流密度平衡，停止加工

此时：

①、Fe（OH）2为易氧化绿色沉淀物，在水溶液中溶解度极小，与溶液中O2产生黄褐色Fe（OH）3沉淀，即：

4Fe（OH）2+2H2O+O2→4Fe（OH）3

②、阴极上有大量剩余电子，带正电的游离H+被吸，遇电还原成H2从阴极析出：

2H++2e→H2↑

结论：

a、阳极→Fe不断被溶解，生产Fe（OH）2↓。

b、阴极→析出氢气，本身不变化。

c、电解液中水不断被消耗，cl-、Na+无损耗（主要起导电作用）。

d、随电解不断进行，电解液浓度愈来愈高，沉淀愈来愈多。

e、加工过程中：

加水

过滤

工作原理即成形原理：

①、二极间的间隙0.1～1mm，压力为0.5～2MPa，高速（5～50m/s），电解液从间隙流过。

②、由法拉第电解定律：

（FaradayelectrolyticTheorem）

W=θ·K=KIt（g）

K为电化当量，g/c，θ—电量

说明：

a、W与电流密度呈正比；

b、距离愈小，电流密度愈大→溶解愈快；

c、当工件与工具间距一致（复制，加工完毕）→整个加工表面的电流密度相同；

d、加工电流→Imax

③、电解液的主要作用：

P27～28

二、特点与应用

1、低电压6～24V，大电流500～20000A；

2、以简单进给→加工复杂型面和型腔；

3、生产率高，为电火花5～10倍；

4、无机切力及热；

5、加工精度不高，±0.1mm左右，设备昂贵，占地面积大，有污染；

6、主要用于型孔、型腔、复杂型面、深小孔、膛线、去毛刺、刻印等；可加工淬火钢、钛合金等高硬、高韧等难切削金属材料；适用于易变形等薄壁零件的加工。

三、电解磨削简介间P31～32（ElectricCorrodegrindingmachining，ECM）

作业：

1、P524

2、电解特点与应用

§2.4超声波及激光加工

一、超声波加工（UseSound-waveMachining）

1、加工原理

利用超声频振动（16～30KHz）的工具冲击磨料或直接对工件进行加工的一种方法。

①、加工时，工具（不淬火45＃钢）以一定的静压力压在工件上。

②、加工区的磨料（碳化硼、碳化钴、氧化铝、金刚砂粉末）是悬液进入。

③、超声波发生器产生超声频震荡

超声频机械振动。

④、变幅杆→振动位移放大→驱动工具振动。

⑤、工具端部振动锤击磨料→磨料粉碎材料成细微颗粒。

⑥、磨料悬浮液流动——更新

带走微粒

⑦、最终使工具形状复现在工件上。

注：

利用超声频振动的工具冲击磨料或直接对工件进行加工的方法。

2、加工的特点及应用

①、磨料加工——各类硬材，特别非导体及半导体、玻璃、陶瓷、宝石、金刚石等（硬质合金加工效率低）。

②、加工碎除量小，加工精度0.05～0.02mm，Ra0.8～0.4um。

③、工件愈硬，加工效果愈明显，工具宜用软材。

④、加工尺寸不宜过大。

⑤、穿孔、切割及研磨等硬材加工。

3、设备简介

超声波电源+超声波振动系统+机床整体

↓

（核心为超声换能器）

铁氧体、镍钛合金在高频磁场中作周期变化→纵向超声频振动—磁致伸缩或石英、Batio3压电晶体三端面加以交变电压→工作端机械振动→压电陶瓷式。

二、激光加工（LaserBurstMachining）

激光是一种亮度高，方向性好，单色性好的相干光。

激光束具有发散角小，单色性好，亮度集中的特性。

激光束经过光学透镜聚焦，使其焦点光斑直径理论上可达1um以下，其功率密度为107～1011W/cm2，温度可高达万度左右。

1、加工原理

在激光聚焦高温下坚硬材料瞬时急剧熔化与蒸发，同时产生强烈的冲击波→熔化物质爆炸式或喷射地被去除。

①、激光工作物质受光泵（激励脉冲氙灯）激发→吸收特定波长的光。

②、一定条件下，形成工作物质中—压稳态粒子大于低能级粒子束—粒子数反转现象

③、一旦少量激发粒子受辐射跃迁→光放大，通过全反及部分反射镜反馈→振荡→激光。

④、透镜将激光束聚焦至加工表面。

⑤、激光工作物质—红宝石、钕玻璃、掺钕钇铅的石榴石等。

2、加工应用

①、打孔—φ0.1～φ1mm，深径比为500～100，IT11～IT10，Ra0.4～0.1um。

金刚石拉丝模、宝石轴承、陶瓷、玻璃、硬质合金、不锈钢小孔加工。

②、切割—高效

金属材料可达10um以上，非金属几十微米。

③、焊接—同种及不同种材料

集成电路，晶体管元件的微密精焊。

④、热处理

激光束照射金属表面→表面原子蒸发，产生微冲击波→晶格畸变→表面硬化。

处理均匀，变形小，速度快，硬化深度可精确控制。

3、设备简介激光器+光学系统+电气系统+机械系统

作业：

P526、7

§2.5其它特种加工简介

一、电子束加工（ElectricBeamMachining，EBM）

1、在真空条件下，利用电子枪产生电子。

2、电子经加速、聚焦→高能、高密度电子束。

3、轰击工件→轰击部位材料熔化，蒸发

的加工方法。

照射→化学变化

4、加工特硬难熔金属及非金属。

5、穿孔孔径可小至几微米。

6、真空加工，故工件污染与氧化可有效控制。

7、主用于微细加工和焊接。

8、工作时应防止X射线逸出。

二、等离子体加工（PlasmaArcMachining，PAM）

1、利用氩（Ar）或其他带有10Kve数量级动能的惰性气体离子在电场中加工。

2、高速离子以及具有的高动能轰击工件。

3、金属表面被加热直至熔化。

4、熔化金属被高速高速运动电离气体流速吹走。

5、溅射加工，溅射镀膜及溅射注入三种应用方式。

6、为一种有效的超精密加工方法。

7、加工表面无变形，可达到0.01um的机械分辨率。

三、磨料喷射加工（AirJetMachining，AJM）

1、利用高速喷射的气体带动激励的磨料。

2、磨料具有高动能，侵蚀加工工件表面。

3、气体介质要无毒、经济、易于净化与干燥。

4、硬脆金属与非金属的清理、切割、刻蚀。

5、小型精密零件的窄槽及交叉孔。

6、成本低、功率小，但污染环境。

7、为防止无法磨蚀，故不适宜软材加工。

四、电铸成形加工（ElectricFromingMachining，EFM）

1、利用金属电解沉积，复制金属制品。

2、对金属材料，为便于脱模，故要对之进行钝化处理，以形成不牢固的钝化膜。

对非金属材料，用加热方法软化，使之脱落。

3、与电镀区别（0.02～0.05mm电镀）

①、成形以形成坚硬壳体，0.05～6mm。

②、与原模要易分离。

③、复制精度高，可达几微米。

④、可获得高纯度金属制品。

4、制做圧塑唱片模板、Ra标准样板、玩具、电加工电极、雷达及电子元件等。

注：

电铸:

利用电解沉积形成绝缘体（在金属模）模体。

五、液力加工（WaterJetMachining，WJM）

1、利用高压水束来切除材料。

2、任意工件点都可开始与终结加工，无热量、切屑等产生。

3、主用于木材、纸张、皮革及易燃物加工。

4、用间歇形式向金属工件表面喷射，可使金属表面塑变，相当于喷丸加工。

5、金属切割切边质量好，生产率较高。

六、各种特种加工设备的介绍。

见教材P41—51

作业：

1、电铸原理

2、等离子加工应用

课时：

2学时

第三章精密加工及超精密加工

教学目的与要求：

1、熟悉精密与超精密加工范畴及特点

2、掌握各种加工方法

3、掌握齿轮的加工要求与方法

4、了解国内加工动态

教学重难点：

1、加工特点

2、精密车、磨加工

3、齿轮加工

教学内容：

§3.1加工范畴

1、一般加工——相当于IT5—IT7精度，Ra0.2—0.8，如:

车、铣、刨、磨、镗等。

（粗—半—精）

在机床、模具及机床制造中选用。

2、精密加工——精度在1—0.1um，Ra0.1—0.01um，如:

金刚车、高精磨、研磨、珩磨、冷压、电火花、超声波、激光等。

（粗—半—精）

在精密丝杆、计量量值传递系统中标准元件、集成电路、磁盘等常用元件。

3、超精加工——精度在<0.1um，Ra<0.25um，如:

金刚石精切、超精磨料电子束、离子束加工，其已达到纳米（nm）级。

在精密元件、计量量值传递系统中标准元件、集成电路、磁盘等常用元件。

§3.2加工特点

1、对象

精密元件作为加工对象的生产过程系统。

2、加工环境

由于环境微小变化影响加工精度，故加工环境要超稳定——封闭系统。

①、恒温

钢制件T℃↑→L↑→热稳定。

生产中，因加工及生产条件要求恒温→多级、多层面的恒温保障。

②、防振

生产中，振动→损坏加工各系统的动态稳定性→动态稳定。

生产中，设置隔振及减振的多层面防护。

③、超净

加工区域有尘埃→刮伤表面，影响检测→净态真空。

生产中，设置超净的或真空空间一级工作保障及检测系统。

3、切削性能指标

①、总要求——极度均匀去除小于加工精度机械分辨率的金属层。

②、切削通常在晶粒间进行。

③、刀具剪切力大，产生热量高。

④、刀具具备很好的切削性质。

⑤、刀具材料要求高。

4、加工设备特征

①、机床主轴具备高的回转性能，极高的刚性及热稳定性。

②、机床进给系统具备极其精确的运动。

（静压导轨）

斜面微动，差动丝杠——机械

③、具备极高的微进给机构。

精微动—→热性

精位移——电磁及电致伸缩

超精位移——机电耦合

④、避免手工操作，使用微机控制或智能化自适应控制的控制系统。

5、工件材料特征

①、加工工艺性极好。

②、工件本身无缺陷。

③、工件组织不能有方向性纤维层。

6、测量特征

为保证高质量的加工，采用适宜的，先进的检测系统。

在线检测、在位检测，在线补偿设计多层面系统支撑。

7、方法——切削加工、磨料加工、特种加工及复合加工。

作业：

1、加工特点

2、加工方法分类

课时：

2学时

§3.3精超加工方法

一、金刚石刀具切削加工——精密切削与超精密切削

1、精密切削

用金刚石车刀加工工件表面，其尺寸与形状精度等级为0.1um，Ra=0.01um。

金刚石自身有很高的高温、强度及硬度，且刃口可以研磨的极为锋利，金刚石与有色金属的亲和力极低，摩擦系数小，故刀刃处不会有积屑瘤，故有色金属的精密切削常用该方法。

一般情况下，精密切削加工余量仅几微米，切屑异常薄，基本上在0.1um之下。

令车刀切削刃口圆角半径为r，r愈小→刃锋利→微余量切除愈好，背吃刀量为ap。

①、r

②、r>ap，刀具明显挤压工件→切屑→“犁耕”现象→切削失败。

③、r精研达微米级，以维持其锋利程度，r≈0.02mm。

2、超精密切削

切屑厚度比精密切削还小，在晶粒间进行。

要求：

①、切削力>晶间原子结合力。

②、刀刃处剪切应力异常巨大，在13000MPa以上。

③、刃间端处→巨大应力及巨高热量→高温高应力状态。

④、金刚石刃口半径r<0.02um，甚至r=1nm时，因金刚石耐高温、抗高应力，故仍保持异常锋利，且保持硬度及不软化。

⑤、同精密切削一样，r

⑥、Ra0.003um，0.2um。

3、影响因素

①、金刚石刀具材质，刃磨质量及精确对刀。

②、刀具的几何角度设计及金刚石晶体晶面选择（最好为单晶体）。

③、机床的精度、刚度、稳定性及抗震性。

④、必备的数据（微机控制+自适应控制）。

⑤、工件材料的无缺陷及材质的均匀。

⑥、工件的正确夹紧与定位。

⑦、恒温、横热、净化等。

⑧、由于金刚石高温高应力下与Fe亲和力，使之成为石墨，故超精密加工通常用于Al、Cu及其合金加工。

二、超硬磨料砂轮精密与超精密磨削

指用金刚石砂轮或立方氮化硼（CBN）砂轮来加工硬质合金、陶瓷、玻璃及半导体与石材等难加工材料。

1、尺寸公差<10um，Ra<0.1um——精密磨削。

尺寸公差<0.2um，Ra<0.05um——超精密磨削。

2、砂轮磨削特点

①、高硬、高脆材料；CBN只适于钢铁材料。

②、磨削能力强，易于实现自动化。

③、磨削力小、温度低、表面质量好。

④、效率高、成本低。

⑤、但砂轮的修整的问题目前尚未完全解决。

3、加工实现

①、砂轮工作面

等高微粒磨刃Ra↓

砂轮与工件摩擦、挤压→抛光、压光工件→Ra↑

高的表面粗糙度→镜面

②、机床回转精度高，径向跳动<1um，低速时工作台无爬行，径向进给精度<1.5um

③、砂轮V<15～30m/s

④、冷却液恒温、纯净。

作业：

1、金刚石精超加工影响因素。

2、精超磨削特点。

课时：

2学时

三、珩磨及研磨

1、珩磨

利用珩磨工具对工件内圆柱面施加压力，珩磨工具同时作旋转机直线往复高速喷→切出工件上极小加工余量。

原理如图：

①、工件不动，珩磨头作旋转及上下往复运动。

②、工件孔壁自行导向。

③、切削轨迹为交叉而不重复的网状。

④、径向加压——横向进给运动，由珩磨头调整而设，F↑→进给量愈大。

⑤、珩磨时，油石与孔壁接触面积大，参与磨削的磨粒多，由于每一个磨粒的磨削力小，故切削热小，加工表面质量好。

⑥、θ↑→切削η↑，Ra↑，为Ra与η的主要影响因素，粗珩时：

θ=40°～60°，精珩时：

θ=20°～40°。

⑦、珩磨可达加工标准：

精度IT6，圆度及圆柱度0.003～0.005mm，Ra=0.63～0.64um，高精珩磨可达Ra0.02～0.01um。

⑧、加工交叉网纹有利于加工表面润滑。

⑨、缺陷：

珩磨头沿工件孔壁自由导向，故原