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    第六章先进制造技术优秀PPT.ppt

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    第六章先进制造技术优秀PPT.ppt

    第六章先进制造技术第一页,本课件共有55页一、现代一、现代制造技术的发展制造技术的发展第二页,本课件共有55页 表1-1 三种自动化形式比较比较项目刚性自动化柔性自动化综合自动化实现目标 减轻工人劳动强度,节省劳动力,保证加工质量,降低生产成本 减轻工人劳动强度,节省劳动力,保证加工质量,降低生产成本,缩短产品制造周期 除左外,提高设计工作与管理工作效率和质量,提高对市场的响应能力控制对象物流物流物流,信息流特点 通过机、电、液气等硬件控制方式实现,因而是刚性的,变动困难 以硬件为基础,以软件为支持,改变程序即可实现所需的转变,因而是柔性的 不仅针对具体操作和工人的体力劳动,而且涉及脑力劳动以及设计、经营管理等各方面典型系统与装备 自动机床、组合机床,机械手,自动生产线 NC机床,加工中心,工业机器人,DNC,FMC,FMS CAD/CAM系统,MRP,CIMS应用范围大批大量生产多品种、中小批量生产各种生产类型关键技术 继电器程序控制技术,经典控制论 数控技术,计算机控制,GT,现代控制论 系统工程,信息技术,计算机技术,管理技术第三页,本课件共有55页 图7-1 汽车后桥齿轮箱加工自动线刚性自动化20年代第四页,本课件共有55页制造自动化技术的主要形式制造自动化技术的主要形式 柔性自动化50年代图7-2 焊接机器人综合自动化70年代图7-3 综合自动化第五页,本课件共有55页本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)q 柔性制造系统的组成 图7-4 FMS的组成自动仓库工厂计算机中央计算机物流控制计算机运输小车加工单元1加工单元2加工单元n信 息 传 输 网 络工夹具站第六页,本课件共有55页q 加工单元CNC(MC)机床工作台架(暂存工件)机器人或托盘交换装置检测、监控装置设备运行状态监控与检测(图7-5)传感器群信号采集预处理特征提取状态识别诊断决策预维修决策监控检测报告正常状态模式预诊断知识库预维修知识库学习训练匹配状态异常报警预知故障报警输出图7-5 设备运行状态监控与检测框图第七页,本课件共有55页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。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。钻头破损检测器图7-6 声发射钻头破损检测装置系统图交换机床控制器工件折断工作台声发射传感器破损信号第八页,本课件共有55页q 物料传输系统又称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)图7-7 自动仓库运输小车出入库装卸站堆垛机料架第九页,本课件共有55页 传输装置 滚式链式(传送带由于柔性差,目前较少使用)带式有轨无轨(AGV)固定路线随机路线电磁式(图7-8)光电式(图7-9)传送带运输小车机器人固定式机器人行走式机器人第十页,本课件共有55页转向舵比较放大电路信号拾取线圈引导电缆图7-8 电磁引导原理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)第十一页,本课件共有55页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)信号孔感光元件光道光源反光带图7-9 光学引导原理第十二页,本课件共有55页 切屑处理系统断屑 加工部位封闭排屑 机床、工夹具设计要便于排屑 冷却液冲,或压缩空气吹切屑输送(通常采用地下输送管道)切屑再处理(打包)第十三页,本课件共有55页 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:在控制计算机与单元控制器之间进行信 息传递。q 计算机控制系统第十四页,本课件共有55页q FMS特点除毛坯准备与毛坯安装外全部自动化可在不停机的条件下实现加工工件的自动转换24小时运行,只一班有人以以GTGT为基础为基础 生产零件的品种由4至100种不等(2030种居多)生产零件的批量由40至2000件不等(50200件居多)大部分加工对象为相似零件(个别例外)具有较大柔性具有较大柔性 可加工多种零件没有固定的生产节拍故障可容(一台机床出现故障,其它机床可进行拟补)高度自动化高度自动化 控制与管理相结合控制与管理相结合可自动实现系统内的计划、调度第十五页,本课件共有55页q FMS应用品种图7-11 零件品种、批量与自动化加工方式010 100 1000 批量10,000 1000 100 10FMLFMCFMS数控机床通用机床刚性线生产柔性产量第十六页,本课件共有55页图7-12 飞机零件加工FMS(Cincinnati)1装卸站 2运输小车 3MC 4切屑处理站 5清洗站 6检测站 7手工检测站 8计算机室 9 小车维修站 10 包装站q FMS实例(1)第十七页,本课件共有55页q 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悬臂式结构:测头易于接近工件,刚性差悬臂式结构:测头易于接近工件,刚性差桥式结构:刚性好,应用广泛桥式结构:刚性好,应用广泛立柱式结构:结构与立车相似立柱式结构:结构与立车相似门架式结构:结构与门式起重机相似,用于大件测量门架式结构:结构与门式起重机相似,用于大件测量第十八页,本课件共有55页 实物照片 第十九页,本课件共有55页 可完成测量项目 表7-2 坐标测量机可完成的测量项目可完成的测量项目测量原理尺寸孔径与孔中心线坐标圆柱体轴心线与直径球心坐标与球面半径平面度两平面夹角两平面的平行度两条线的交点与交角由两个给定面坐标的差值确定尺寸测量孔上3点,计算确定孔径与孔中心线坐标测量圆柱面上3点,计算确定轴心线与直径测量球面上4点,计算确定球心坐标与球面半径用3点接触法测定,与理想平面比较确定平面度按平面上3个触点最小值规定平面,再计算夹角根据两平面交角确定平行度先确定两线夹角,再测定交点第二十页,本课件共有55页二、现代制造工艺技术二、现代制造工艺技术第二十一页,本课件共有55页精密加工 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。概述瓦特改进蒸汽机 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 超微细加工 微小尺寸的超精密加工第二十二页,本课件共有55页 零件 加 工 精 度 表面粗糙度 激光光学零件 形状误差 0.1m Ra 0.010.05m 多面镜 平面度误差 0.04m Ra 0.02m 磁头 平面度误差 0.04m Ra 0.02m 磁盘 波度 0.01 0.02m Ra 0.02m 雷达导波管 平面度垂直度误差 0.1m Ra 0.02m 卫星仪表轴承 圆柱度误差 0.01m Ra 0.002m 天体望远镜 形状误差 0.03m Ra 0.01m 表7-3 几种典型精密零件的加工精度 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)第二十三页,本课件共有55页图7-17 精密加工与超精密加工的发展(Taniguchi,1983)普通加工精密加工超精密加工超高精密磨床超精密研磨机离子束加工分子对位加工车床,铣床卡尺加工设备测量仪器精密车床磨床百分尺比较仪坐标镗床坐标磨床气动测微仪光学比较仪金刚石车床精密磨床光学磁尺电子比较仪超精密磨床精密研磨机激光测长仪圆度仪轮廓仪激光高精度测长仪扫描电镜电子线分析仪加工误差(m)10010110210-210-110-3190019201940196019802000年份第二十四页,本课件共有55页 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1m,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q 精密与超精密加工地位第二十五页,本课件共有55页结合加工 分类 加工机理 加工方法示例去除加工电物理加工 电火花加工(电火花成形,电火花线切割)电化学加工 电解加工、蚀刻、化学机械抛光力学加工 切削、磨削、研磨、抛光、超声加工、喷射加工热蒸发(扩散、溶解)电子束加工、激光加工附着加工注入加工化学 化学镀、化学气相沉积电化学 电镀、电铸热熔化 真空蒸镀、熔化镀化学 氧化、氮化、活性化学反映电化学 阳极氧化热熔化 掺杂、渗碳、烧结、晶体生长力物理 离子注入、离子束外延连续加工热物理 激光焊接、快速成形化学 化学粘接变形加工热流动 精密锻造、电子束流动加工、激光流动加工粘滞流动 精密铸造、压铸、注塑分子定向 液晶定向表7-4 精密与超精密加工分类第二十六页,本课件共有55页 直直接接式式进进化化加加工工:利利用用低低于于工工件件精精度度的的设设备备、工工具具,通通过过工工艺艺手手段段和和特特殊殊工工艺艺装装备备,加加工工出出所所需需工工件件。适适用用于单件、小批生产。于单件、小批生产。间间接接式式进进化化加加工工:借借助助于于直直接接式式“进进化化”加加工工原原则则,生生产产出出第第二二代代工工作作母母机机,再再用用此此工工作作母母机机加加工工工工件件。适适用于批量生产用于批量生产。“进化”加工原则背吃刀量小于晶粒大小,切削在晶粒内进行,与传统切削机理完全不同。微量切削机理 特种加工与复合加工方法应用越来越多传统切削与磨削方法存在加工精度极限,超越极限需采用新的方法。q 精密与超精密加工特点第二十七页,本课件共有55页要达到加工要求,需综合考虑工件材料、加工方法、加工设备与工具、测试手段、工作环境等诸多因素,是一项复杂的系统工程,难度较大。形成综合制造工艺广泛采用计算机控制、适应控制、再线检测与误差补偿技术,以减小人的因素影响,保证加工质量。与自动化技术联系紧密精密与超精密加工设备造价高,难成系列。常常针对某一特定产品设计(如加工直径3m射电天文望远镜的超精密车床,加工尺寸小于1mm微型零件的激光加工设备)。与高新技术产品紧密结合 加工与检测一体化精密检测是精密与超精密加工的必要条件,并常常成为精密与超精密加工的关键。第二十八页,本课件共有55页三、特种加工三、特种加工第二十九页,本课件共有55页 非非传传统统加加工工又又称称特特种种加加工工,通通常常被被理理解解为为别别于于传传统统切切削削与磨削加工方法的总称。与磨削加工方法的总称。非非传传统统加加工工方方法法 产产生生于于二二次次大大战战后后。两两方方面面问问题题传传统统机械加工方法难于解决:机械加工方法难于解决:1 1)难难加加工工材材料料的的加加工工问问题题。宇宇航航工工业业等等对对材材料料高高强强度度、高高硬硬度度、高高韧韧性性、耐耐高高温温、耐耐高高压压、耐耐低低温温等等的的要要求求,使新材料不断涌现。使新材料不断涌现。2 2)复杂形面、薄壁、小孔、窄缝等特殊工件加工问题。)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,出现了非传统加工方法。为解决上面两方面问题,出现了非传统加工方法。非非传传统统加加工工方方法法将将电电、磁磁、声声、光光等等物物理理量量及及化化学学能能量量或或其其组组合合直直接接施施加加在在工工件件被被加加工工的的部部位位上上,从从而而使使材材料料被被去去除、累加、变形或改变性能等。除、累加、变形或改变性能等。第三十页,本课件共有55页 非非传传统统加加工工方方法法主主要要不不是是依依靠靠机机械械能能,而而是是用用其其它它能能量量(如如电能、光能、声能、热能、化学能等)去除材料。电能、光能、声能、热能、化学能等)去除材料。非非传传统统加加工工方方法法由由于于工工具具不不受受显显著著切切削削力力的的作作用用,对对工工具具和和工件的强度、硬度和刚度均没有严格要求。工件的强度、硬度和刚度均没有严格要求。一一般般不不会会产产生生加加工工硬硬化化现现象象。且且工工件件加加工工部部位位变变形形小小,发发热热少少,或或发发热热仅仅局局限限于于工工件件表表层层加加工工部部位位很很小小区区域域内内,工工件件热热变变形形小小,加工应力也小,易于获得好的加工质量。加工应力也小,易于获得好的加工质量。加加工工中中能能量量易易于于转转换换和和控控制制,有有利利于于保保证证加加工工精精度度和和提提高高加加工效率。工效率。非非传传统统加加工工方方法法的的材材料料去去除除速速度度,一一般般低低于于常常规规加加工工方方法,这也是目前常规加工方法仍占主导地位的主要原因。法,这也是目前常规加工方法仍占主导地位的主要原因。q 非传统加工方法特点第三十一页,本课件共有55页 机械过程 利利用用机机械械力力,使使材材料料产产生生剪剪切切、断断裂裂,以以去去除除材材料料。如如超超声波加工、水喷射加工、磨料流加工等。声波加工、水喷射加工、磨料流加工等。q 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 通通过过电电、光光、化化学学能能等等产产生生瞬瞬时时高高温温,熔熔化化并并去去除除材材料料,如电火花加工、高能束加工、热力去毛刺等。如电火花加工、高能束加工、热力去毛刺等。电化学过程 利利用用电电能能转转换换为为化化学学能能对对材材料料进进行行加加工工,如如电电解解加加工工、电电铸铸加加工工(金属离子沉积)(金属离子沉积)等。等。化学过程 利利用用化化学学溶溶剂剂对对材材料料的的腐腐蚀蚀、溶溶解解,去去除除材材料料,如如化化学学蚀蚀刻刻、化学铣削等。化学铣削等。第三十二页,本课件共有55页 复合过程 利利用用机机械械、热热、化化学学、电电化化学学的的复复合合作作用用,去去除除材材料料。常常见见的的复复合形式有:合形式有:机械化学复合机械化学复合如机械化学抛光、电解磨削、电镀珩磨等。如机械化学抛光、电解磨削、电镀珩磨等。机机械械热热能能复复合合如如加加热热切削、低温切削等。切削、低温切削等。热热能能化化学学能能复复合合如如电解电火花加工等。电解电火花加工等。其其它它复复合合过过程程如如超超声声切切削削、超超声声电电解解磨磨削削、磁磁力抛光力抛光(图(图7-617-61)等。等。工件(陶瓷滚柱)磁性材料磁极振动运动图7-61 磁力抛光示意图NS第三十三页,本课件共有55页 拓宽现有非传统加工方法的应用领域。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。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。优化工艺参数,完善现有的加工工艺。向微型化、精密化发展。向微型化、精密化发展。采采用用数数控控、自自适适应应控控制制、CAD/CAMCAD/CAM、专专家家系系统统等等技技术术,提提高高加加工工过过程程自自动动化化、柔柔性性化化程程度。度。q 发展趋势图7-62 EI 收录文章数比较70年代80年代90年代20841104232142244424214441321252353316激光加工 电火花加工 超声加工 电化学加工 图7-62反映了学术界和工程界对几种非传统加工方法的关注程度。第三十四页,本课件共有55页q 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)。电火花加工图7-63 电火花加工原理图进给系统放电间隙工具电极工件电极直流脉冲电源工作液Real第三十五页,本课件共有55页图7-64 电火花加工机床第三十六页,本课件共有55页 电电极极材材料料要要求求导导电电,损损耗耗小小,易易加加工工;常常用用材材料料:紫铜、石墨、铸铁、钢、黄铜等,其中石墨最常用。紫铜、石墨、铸铁、钢、黄铜等,其中石墨最常用。工工作作液液主主要要功功能能压压缩缩放放电电通通道道区区域域,提提高高放放电电能能量量密密度度,加加速速蚀蚀物物排排出出;常常用用工工作作液液有有煤煤油油、机机油油、去去离离子子水水、乳乳化化液液等。等。放放电电间间隙隙合合理理的的间间隙隙是是保保证证火火花花放放电电的的必必要要条条件件。为为保保持持适适当当的的放放电电间间隙隙,在在加加工工过过程程中中,需需采采用用自自动动调调节节器器控控制制机机床进给系统,并带动工具电极缓慢向工件进给。床进给系统,并带动工具电极缓慢向工件进给。q 工作要素 脉脉冲冲宽宽度度与与间间隔隔影影响响加加工工速速度度、表表面面粗粗糙糙度度、电电极极消消耗耗和和表表面面组组织织等等。脉脉冲冲频频率率高高、持持续续时时间间短短,则则每每个个脉脉冲冲去去除除金金属量少,表面粗糙度值小,但加工速度低。属量少,表面粗糙度值小,但加工速度低。通通常常放放电电持持续续时时间间在在2s2s至至2ms2ms范范围围内内,各各个个脉脉冲冲的的能能量量2mJ2mJ到到20J20J(电流为(电流为400A400A时)之间。时)之间。第三十七页,本课件共有55页电电火火花花线线切切割割加加工工:用用连连续续移移动动的的钼钼丝丝(或或铜铜丝丝)作作工工具具阴阴极极,工工件件为为阳阳极极。机机床床工工作作台台带带动动工工件件在在水水平平面面内内作作两两个个方方向向移移动动,可可切切割割出出二二维维图图形形(图图7-7-6565)。同同时时,丝丝架架可可作作小小角角度度摆动,可切割出斜面。摆动,可切割出斜面。q 电火花加工类型图7-65 电火花线切割原理图XY储丝筒导轮电极丝工件Real电火花成形加工:主要指孔加工,型腔加工等电火花成形加工:主要指孔加工,型腔加工等RealReal第三十八页,本课件共有55页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第三十九页,本课件共有55页 不不受受加加工工材材料料硬硬度度限限制制,可可加加工工任任何何硬硬、脆脆、韧韧、软软的的导电材料。导电材料。加加工工时时无无显显著著切切削削力力,发发热热小小,适适于于加加工工小小孔孔、薄薄壁壁、窄窄槽、形面、型腔及曲线孔等,且加工质量较好。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。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。易于实现数控加工。q 电火花加工特点q 电火花加工应用 电电火火花花成成形形加加工工:电电火火花花打打孔孔常常用用于于加加工工冷冷冲冲模模、拉拉丝丝模模、喷喷嘴嘴、喷喷丝丝孔孔等等。型型腔腔加加工工包包括括锻锻模模、压压铸铸模模、挤挤压压模模、塑塑料模等型腔加工,以及叶轮、叶片等曲面加工。料模等型腔加工,以及叶轮、叶片等曲面加工。电电火火花花线线切切割割:广广泛泛用用于于加加工工各各种种硬硬质质合合金金和和淬淬硬硬钢钢的的冲冲模、样板、各种形状复杂的板类零件、窄缝、栅网等。模、样板、各种形状复杂的板类零件、窄缝、栅网等。第四十页,本课件共有55页工作原理: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。图7-67 电解加工原理图电解液直流电源泵工件阳极阴极进给工具阴极电解加工第四十一页,本课件共有55页 不不受受材材料料硬硬度度的的限限制制,能能加加工工任任何何高高硬硬度度、高高韧韧性性的的导导电电材材料料,并并能能以以简简单单的的进进给给运运动动一一次次加加工工出出形形状状复复杂杂的的形形面和型腔。面和型腔。加加工工形形面面、型型腔腔生生产产率率高高(与与电电火火花花加加工工比比高高5 51010倍倍)。采采用用振振动动进进给给和和脉脉冲冲电电流流等等新新技技术术,可可进进一一步步提提高高生生产产效效率率和和加工精度。加工精度。阴极在加工中损耗小。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。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。设备投资大,有污染,需防护。模模具具型型腔腔、枪枪炮炮膛膛线线、发发电电机机叶叶片片、花花键键孔孔、内内齿齿轮轮、小小而深的孔加工,电解抛光、倒棱、去毛刺等。而深的孔加工,电解抛光、倒棱、去毛刺等。q 电解加工特点q 电解加工应用第四十二页,本课件共有55页 工工件件与与磨磨轮轮保保持持一一定定接接触触压压力力,突突出出的的磨磨料料使使磨磨轮轮导导电电基基体体与与工工件件之之间间形形成成一一定定间间隙隙。电电解解液液从从中中流流过过时时,工工件件产产生生阳阳极极溶溶解解,表表面面生生成成一一层层氧氧化化膜膜,其其硬硬度度远远比比金金属属本本身身低低,易易被被刮刮除除,露露出出新新金金属属表表面面,继继续续进进行行电电解解。电电解解作作用用与与磨磨削削作作用用交交替进行,实现加工。替进行,实现加工。电电解解磨磨削削效效率率比比机机械械磨磨削削高高,且且磨磨轮轮损损耗耗远远比比机机械械磨磨削削小小,特特别别是是磨磨削削硬硬质质合合金金时时,效效果果更明显。更明显。导电磨轮电解液电刷工作台工件绝缘板导电基体磨料阳极膜q 电解磨削(图7-68)第四十三页,本课件共有55页真真空空条条件件下下,利利用用电电流流加加热热阴阴极极发发射射电电子子束束,经经控控制制栅栅极极初初步步聚聚焦焦后后,由由加加速速阳阳极极加加速速,通通过过透透镜镜聚聚焦焦系系统统进进一一步步聚聚焦焦,使使能能量量密密度度集集中中在在直直径径5 510m10m斑点内。斑点内。高高速速而而能能量量密密集集的的电电子子束束冲冲击击到到工工件件上上,被被冲冲击击点点处处形形成成瞬瞬时时高高温温(几几分分之之一一微微秒秒时时间间内内升升高高至至几几千千摄摄氏氏度度),工工件件表表面面局局部部熔化、气化直至被蒸发去除。熔化、气化直至被蒸发去除。图7-69 电子束加工原理图控制栅极加速阳极电子束斑点旁热阴极聚焦系统工件工作台电子束加工工作原理(图7-69)第四十四页,本课件共有55页 电电子子束束束束径径小小(最最小小直直径径可可达达0.010.010.05mm0.05mm),而而电电子子束束长长度度可达束径几十倍,故可加工微细深孔、窄缝。可达束径几十倍,故可加工微细深孔、窄缝。材材料料适适应应性性广广(原原则则上上各各种种材材料料均均能能加加工工),特特别别适适用用于加工特硬、难熔金属和非金属材料。于加工特硬、难熔金属和非金属材料。非非接接触触加加工工,无无工工具具损损耗耗;无无切切削削力力,加加工工时时间间极极短短,工件无变形。工件无变形。加工速度高,切割加工速度高,切割1mm1mm厚钢板,速度可达厚钢板,速度可达240mm/min240mm/min。在在真真空空中中加加工工,无无氧氧化化,特特别别适适于于加加工工高高纯纯度度半半导导体体材料和易氧化的金属及合金。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。加工设备较复杂,投资较大。多用于微细加工。q 特点及应用第四十五页,本课件共有55页 激激光光是是一一种种受受激激辐辐射射而而得得到的加强光。其基本特征:到的加强光。其基本特征:强度高,亮度大强度高,亮度大 波长频率确定,单色性好波长频率确定,单色性好 相干性好,相干长度长相干性好,相干长度长 方方向向性性好好,几几乎乎是是一一束束平平行行光光 q 工作原理(图7-70)激光加工当当激激光光束束照照射射到到工工件件表表面面时时,光光能能被被吸吸收收,转转化化成成热热能能,使使照照射射斑斑点点处处温温度度迅迅速速升升高高、熔熔化化、气气化化而而形形成成小小坑坑,由由于于热热扩扩散散,使使斑斑点点周周围围金金属属熔熔化化,小小坑坑内内金金属属蒸蒸气气迅迅速速膨膨胀胀,产产生生微微型型爆爆炸炸,将将熔熔融融物物高高速速喷喷出出并并产产生生一一个个方方向向性性很很强强的的反冲击波,于是在被加工表面上打出一个上大下小的孔。反冲击波,于是在被加工表面上打出一个上大下小的孔。激光器激光器工件工件工作台工作台图图7-7-70 70 激光加工原理图激光加工原理图光阑光阑反射镜反射镜聚焦镜聚焦镜电源Real第四十六页,本课件共有55页 固体激光器固体激光器 YAGYAG(结晶母材由钇、铝和石榴石构成)激光器结晶母材由钇、铝和石榴石构成)激光器 红宝石激光器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%反射凹镜反射平镜电极放电管CO2气体冷却水进口冷却水出口激光高压直流电源图7-71 CO2激光器示意图 气体激光器气体激光器COCO2 2激光器(图激光器(图7-7-7171)q 激光器第四十七页,本课件共有55页 加加工工材材料料范范围围广广,适适用用于于加加工工各各种种金金属属材材料料和和非非金金属属材材料料,特特别别适适用用于于加加工工高高熔熔点点材材料料,耐耐热热合合金金及及陶陶瓷瓷、宝宝石石、金金刚刚石等硬脆材料。石等硬脆材料。加加工工性性能能好好,工工件件可可离离开开加加工工机机进进行行加加工工,可可透透过过透透明明材材料料加工,可在其他加工方法不易达到的狭小空间进行加工。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。非接触加工方式,热变形小,加工精度较高。可可进进行行微微细细加加工工。激激光光聚聚焦焦后后焦焦点点直直径径理理论论上上可可小小至至11以以下下,实际上可实现实际上可实现0.01mm0.01mm的小孔加工和窄缝切割。的小孔加工和窄缝切割。加工速度快,效率高。加工速度快,效率高。激激光光加加工工不不仅仅可可以以进进行行打打孔孔和和切切割割,也也可可进进行行焊焊接接、热热处处理理等等工作。工作。激光加工可控性好,易于实现自动控制。加工设备昂贵。激光加工可控性好,易于实现自动控制。加工设备昂贵。q 激光加工特点第四十八页,本课件共有55页 激光打孔激光打孔 广泛应用于金刚石拉丝模、钟表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,和硬质合金、不锈钢等金属材料的小孔加工。料的小孔加工。激光打孔具有高效率、低成本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。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工。如果焦点位置偏离加工表面1mm1mm,可以进行加工,此时加工出,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孔的断面形状随焦点位置不同而发生变化(图生变化(图7-7-7272)。)。q 激光加工应用图7-72 焦点位置对孔形状影响Real第四十九页,本课件共有55页图7-74 激光焊接车身图7-73 激光切割第五十页,本课件共有55页 利利用用工工具具端端面面作作超超声声(161625kHz25kHz)振振动动,使使工工作作液液中中的的悬悬浮浮磨磨粒粒对对工工件件表表面面撞撞击击抛抛磨磨来来实实现加工。现加工。超超声声波波发发生生器器将将工工频频交交流流电电能能转转变变为为有有一一定定功功率率输输出出的的超超声声频频电电振振荡荡,通通过过换换能能器器将将超超声声频频电电振振荡荡转转变变为为超超声声机机械械振振动动,此此时时振振幅幅一一般般很很小小,再再通通过过振振幅幅扩扩大大棒棒(变变幅幅杆杆)使使固固定定在在变变幅幅杆杆端端部部 的的 工工 具具 振振 幅幅 增增 大大 到到 0.010.010.15mm0.15mm。q 工作原理(图7-75)变幅杆超声波发生器图7-75 超声波加工原理图振动方向工具换能器工作液喷嘴工件Real超声波加工第五十一页,本课件共有55页图7-76 超声波加工机床图7-77 超声波加工样件第五十二页,本课件共有55页 适用于加工各种脆性金属材料和非金属材料,如玻璃、陶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。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。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,尺寸精度可达精度可达0.010.010.05mm 0.05mm。加工过程受力小,热影响小,可加工薄壁、薄片等易变形加工过程受力小,热影响小,可加工薄壁、薄片等易变形零件。零件。生产效率较低。采用超声复合加工(如超声车削,超声生产效率较低。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。磨削,超声电解加工,超声线切割等)可提高加工效率。q 超声波加工特点及应用第五十三页,本课件共有55页q 工作原理:q 加工装置(图7-78)q 喷嘴材料及工作条件(表7-11)项目 材料 孔径/mm 至工件距离/mm 喷射角度/参数金刚石,蓝宝石,淬火钢0.0750.42.550030表7-11 喷嘴材料及工作条件图7-78 水喷射加工装置示意图喷嘴阀控制器蓄能器供水器过滤器泵增压器液压装置排水器工件射流d水喷射加工利用超高压水(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”。第五十四页,本课件共有55页q 工艺参数(表7-12,表7-13)表7-12 水喷射加工常用工艺参数 工艺参数 常用值 工艺参数 常用值 压力/MPa 70450 喷射力/N 45135 流速/m/s 300900 功率/kW 1040 流量/L/s 2.5 7.5 磨料耗量/kg/min 0.10.3工艺参数、效率、精度 石材 玻璃 ABS塑料 皮革 工件厚度/mm 25 12 2.8 4.45 喷嘴孔径/mm 0.3 0.3 0.1 0.1 流体压力/MPa 400 400 258 300 切割速度/m/min 0.1 0.1 0.85 0.55 切缝宽度/mm 0.5 0.5 0.2 0.2 切割精度/mm 0.05 0.05 表面粗糙度/m Ra12.5 Ra12.5 表7-13 几种材料高压水切割参数第五十五页,本课件共有55页

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