先进制造技术概述203.ppt

PPT PPT文档演模板 文档演模板 Office Office PPT PPT17 五月 2023先进制造技术概述203PPT PPT文档演模板 文档演模板 Office Office PPT PPT1.2 制造技术的发展过程19世纪：手工制造20世纪初：批量生产20世纪30年代：刚性自动化20世纪6080年代：CAD/CAM/CAE、FMS、JIT20世纪80年代：集成制造、并行工程20世纪90年代：敏捷制造、虚拟制造、智能制造、绿色制造 2 2PPT PPT文档演模板 文档演模板 Office Office PPT PPT1.3 先进制造技术 1.3.1先进制造技术的主要领域（5大领域）u 1.系统总体技术 柔性制造（FMS）、计算机集成制造（CIMS）、敏捷制造(AM）、智能制造（IM）。u 2.设计制造一体化技术 CAD/CAM/CAE、数控技术（NC）、并行工程（CE）、虚拟制造（VM）。u 3.制造工艺与装备 材料生产工艺与装备、热加工工艺与装备、高速切削工艺与装备、精密/超精密与纳米加工工艺与装备、特种加工工艺与装备。3 3PPT PPT文档演模板 文档演模板 Office Office PPT PPT 4.管理技术 计算机辅助生产管理、物料需求计划、制造资源规划、企业资源规划、供应链管理、质量管理、准时生产（JIT）、精益生产（LP）、企业业务流程再造等。5.支撑技术 标准化技术、计算机技术、软件工程、数据库技术、通讯技术、人工智能、多媒体、虚拟现实、人机工程学、环境科学。4 4PPT PPT文档演模板 文档演模板 Office Office PPT PPT1.3.2 先进制造技术分类 先进制造技术涉及范围广、技术领域复杂，为了便于掌握其基本体系和主要内容，从制造技术的功能的角度，分成5大类：u 1.现代设计技术 现代设计技术是先进制造技术的基础。随着微电子技术、信息技术、材料科学、机械制造、优化理论、人机工程等学科的发展，现代设计技术的深度、广度大大拓展，出现了优化设计、有限元分析、CAD、CAPP、CAA（计算机辅助装配）、计算机辅助夹具设计、反求工程、产品生命全周期设计、基于网络的异地设计、智能设计、虚拟设计、绿色设计。5 5PPT PPT文档演模板 文档演模板 Office Office PPT PPT 2.现代加工技术 先进切削加工技术、成形加工技术、表面工程技术、特种加工技术和快速原型制造技术。3.自动化技术 数控加工技术、工业机器人技术、FMS、CIMS。4.制造管理技术 成组技术（group technology GT）、全面质量管理（total quality management TQM）、物料需求规划(material requirement planning MRP)、即时生产（JIT）、企业资源规划（ERP）等管理方法。5.先进制造技术 CIMS、并行工程（CE）、精益生产（LP）、敏捷制造（AM）、虚拟制造（VM）、绿色制造（GM），是制造技术、计算机技术、通信技术、自动化技术和管理科学的各学科交叉。正朝着柔性化、集成化、网络化、虚拟化和清洁化的方向发展。6 6PPT PPT文档演模板 文档演模板 Office Office PPT PPT第二章 现代设计技术大连理工大学现代制造研究所赵福令 教授 7 7PPT PPT文档演模板 文档演模板 Office Office PPT PPT2.1 概述 2.1.1 现代设计技术的概念 是根据产品功能要求及市场竞争要素（质量、成本、服务、环保）的要求，综合现代科学技术，通过设计人员科学、规范和创造性的工作产生载有相应文字、数据、图形等信息的技术条件，制定用于产品制造的设计方案。现代设计技术使产品设计开发建立在科学技术基础之上。随着微电子信息、材料、系统科学的发展，现代设计技术日新月异，新的设计理念不断涌现、新设计方法不断诞生。8 8PPT PPT文档演模板 文档演模板 Office Office PPT PPT 特点：1.从单一目标规划向多目标规划转变 目标 2.从传统的手工设计向计算机辅助设计过渡 手段 3.从传统的顺序设计 并行设计 组织方式 4.从单纯的产品设计 全生命周期设计 环节 5.异地设计 地域 6.可持续发展的绿色设计 功能 9 9PPT PPT文档演模板 文档演模板 Office Office PPT PPT 现代设计技术十分重要。产品设计成本占产品成本的1520，但决定了产品成本的70到80。设计水平是衡量一个国家创新能力和竞争力的主要因素。10 10PPT PPT文档演模板 文档演模板 Office Office PPT PPT 2.1.2 现代设计方法 1.优化设计方法 用数学方法和系统工程方法对产品结构和性能进行分析、决策，以获取最优解的方法。近年来优化设计与可靠性设计、模糊设计等方法相结合形成了新的优化设计方法。11 11PPT PPT文档演模板 文档演模板 Office Office PPT PPT 2.有限元分析方法 将零件看成是由有限个元素组成，通过对每一个元素求解（位移、应力）来获取零件整体的解。广泛用于零件和结构的分析和计算中。12 12PPT PPT文档演模板 文档演模板 Office Office PPT PPT 3.计算机辅助设计 运用计算机强大的数据计算及信息处理功能来完成设计工作，应用最广泛。4.面向产品全生命周期的设计 将并行工程思想用于产品设计中，在设计阶段便综合考虑产品的整个生命周期中的设计、加工、装配、测试、维修、销售及报废回收环节的影响因素，全面评价产品设计，达到开发周期短、成本低、质量高的目的。13 13PPT PPT文档演模板 文档演模板 Office Office PPT PPT 5.网络化异地设计 随着网络和通讯技术的发展，实现远程、异地的设计开发资源的共享与整合，极大地拓展了设计工作的时空维度。6.反求工程 以先进产品的实物或软件（程序、图样、文件资料）作为研究对象，综合运用现代工程设计的相关理论与方法，进行解剖、分析和研究，进而开发出同类产品。7.绿色设计 将产品和环境作为一个系统，充分考虑产品及其制造系统与环境相容性，做到对环境影响最小。14 14PPT PPT文档演模板 文档演模板 Office Office PPT PPT2.2 计算机辅助设计（CAD）2.2.1 概述1.CAD的发展过程u 1950年MIT研制出Whir/Wind 可以显示简单的图形。u 1958年美国Calcomp公司研制滚筒式绘图仪，Gerber公司平板绘图仪。u 1962年MIT的Sutherland提出了计算机图形学、交互技术、分层存储符号的数据结构，为CAD技术发展打下了理论基础。u 1970年美国Applicon公司推出完整的CAD系统。u 上世纪80年代CAD/CAM技术用于工程设计，图形接口、图形功能日趋标准化，出现了由CAD/CAM/CAE构成的CIMS，提高了设计自动化。15 15PPT PPT文档演模板 文档演模板 Office Office PPT PPT2.CAD的功能 工程与产品设计 借助于计算机辅助技术，工程技术人员可以方便的完成某一工程或产品的方案选型、评估、详细设计、优化等工作，实现从零件图到装配图、总装图、平面布置图、管道布置图的自动绘制。16 16PPT PPT文档演模板 文档演模板 Office Office PPT PPT 仿真模拟 高性能的CAD系统可以真实地模拟产品的实际运动和变化过程，如机构的运动、零件的加工、柔性制造系统的运行，汽车、飞机的行驶过程等。帮助设计人员正确地进行方案论证、产品选型、性能评估等。17 17PPT PPT文档演模板 文档演模板 Office Office PPT PPT 事务管理 实现设计文档的计算机管理，有利于产品设计的成组化、标准化和系列化，减少了设计人员的重复工作量。18 18PPT PPT文档演模板 文档演模板 Office Office PPT PPT 2.2.2 通常CAD的工作 1.信息管理 提供丰富的设计需要的信息。可以为设计人员提供有关客户的需求和改进意见、组织生产特定结构零件的成本核算、外购件的成本、原材料信息、生产装备、生产状况等，有利于更好的设计零件和产品。19 19PPT PPT文档演模板 文档演模板 Office Office PPT PPT 2.智能CAD 计算机辅助设计技术与人工智能相结合，用于产品概念设计，帮助设计人员进行决策、分析和推理，更高效地进行方案设计。20 20PPT PPT文档演模板 文档演模板 Office Office PPT PPT 3.计算机图形显示与几何造型 利用CAD系统丰富多样的交互方法与造型工具，通过人机对话进行方案的构思与总体设计。在计算机系统中建立产品的几何模型，在显示器上展示产品的形状。21 21PPT PPT文档演模板 文档演模板 Office Office PPT PPT 4.分析计算 对模型进行分析计算，包括工程计算、力学动态性能分析及物理特性分析，确定产品的几何、力学、物理等参数，评价设计的优劣，并迅速修改和完善，达到最佳效果。22 22PPT PPT文档演模板 文档演模板 Office Office PPT PPT 5.自动绘图 自动绘制工程图纸（效率高、质量好）。6.工程数据管理 管理产品设计过程中产生和使用的各种数据、文字和图形，保持其良好的数据独立性、一致性和完整性，并提供标准化的数据转换接口。23 23PPT PPT文档演模板 文档演模板 Office Office PPT PPT2.2.3 概念设计CAD 概念设计是产品设计过程中最具创造性的工作，根据市场和用户的需求，完成设计方案的制定、分析和选择，需要设计人员凭借丰富的专业知识和经验进行构思、推理和判断。采用专家系统来进行。在概念设计阶段，专家系统主要协助设计人员进行评价、选择和决策，自动生成设计方案。下图是专家系统CAD求解设计方案的一般过程。24 24PPT PPT文档演模板 文档演模板 Office Office PPT PPT 此过程是一个“设 计评价再设计”过程。由于设计的需求是多方面的、模糊的，有时是矛盾的可行性方案。一般有一定的范围，需要评价和选择，有时需要人工判断。开始确定设计要求指定设计方案分析设计方案评价设计方案决策结束修改设计要求再设计NY 25 25PPT PPT文档演模板 文档演模板 Office Office PPT PPT 2.2.4 详细设计CAD 1.二维设计 在机械制造中通常用一组工程图来表达产品的形状和尺寸，每个视图都是物体在某一平面上的投影，反映产品几何形状的一个侧面。因此需要二维设计，产生产品二维的几何轮廓。26 26PPT PPT文档演模板 文档演模板 Office Office PPT PPT2.三维设计 二维视图需要人们通过思维才能推测出视图与物体真实形象之间的关系，很不直观，因此需根据二维信息构造三维形体。27 27PPT PPT文档演模板 文档演模板 Office Office PPT PPT 2.2.5 CAD技术的发展 随着CAD自身和相关技术的发展，CAD技术正朝着集成化、网络化、智能化和可视化的方向发展。1.CAD系统的集成化 CAD技术是CIMS的核心技术，而CIMS的概念是把设计、制造、生产和管理连成一体，不仅在设计和制造过程中用计算机辅助技术，而且在库存管理、生产计划、财务管理、销售等方面也使用计算机完成，通过计算机通信，控制实现信息共享和交换，使各部门协调一致，成为一个整体。28 28PPT PPT文档演模板 文档演模板 Office Office PPT PPT 2.CAD系统的网络化 基于网络技术的CAD系统技术迅速发展，开放式、分布式计算机环境可以实现远程资源共享。网络化CAD系统可以全面统一考虑各个工作站的具体配置，从而用最低的成本获得最好的效果。例如，可以只在个别工作站上配备某些昂贵的软硬件，其它工作站可以通过网络调用，不需要每个工作站上都具备齐全的资源。29 29PPT PPT文档演模板 文档演模板 Office Office PPT PPT 3.CAD系统的可视化 可视化技术将科学计算过程中以及计算结束后的数据和计算结果，借助计算机图形学和图像处理技术，以图形图像的形式表达出来，并进行交互处理。利用可视化技术可以处理大量复杂的数据，控制和干涉计算分析过程和设计过程。它与多媒体技术结合，能便捷、高效地处理信息。30 30PPT PPT文档演模板 文档演模板 Office Office PPT PPT 4.CAD系统的智能化 传统的CAD系统缺乏综合和选择能力，用户使用时，需要具备较高的专业知识和丰富的经验，为此人们研制了人工智能专家系统。利用专家系统辅助设计，可以使知识信息处理与一般数值信息结合起来，利用专家知识来求解专门的问题，机器的智能可以通过知识的积累、存储、联想、类比、分析、计算、论证、比较、优化等信息处理过程，求得问题的解答。智能CAD系统还不成熟。31 31PPT PPT文档演模板 文档演模板 Office Office PPT PPT2.3 计算机辅助工艺规程（CAPP）通过计算机辅助技术，工艺人员采用系统化、标准化的方法确定零件或产品从毛坯到成品的制造方法的技术叫计算机辅助工艺规程设计（computer aided process planning CAPP）。CAPP的一般过程是通过向计算机输入被加工零件的几何信息（形状、尺寸等）和工艺信息（材料、热处理、批量等），由计算机自动输出零件的工艺路线和工序内容等工艺文件。32 32PPT PPT文档演模板 文档演模板 Office Office PPT PPT 1.CAPP系统的主要功能（1）接收或生成零件图上的几何及拓扑信息、工艺信息和 测量信息；（2）检索标准工艺文件；（3）选择加工方法；（4）安排加工路线；（5）选择机床、刀具及夹具；（6）选择切削用量；（7）计算切削参数、加工时间和加工费用；（8）进行工艺流程的优化及多工序、单工序切削用量的优 化；（9）确定工序尺寸和公差，选择毛坯；绘制工序；（10）产生刀具运动轨迹，自动进行数控加工编程；（11）模拟加工过程、显示刀具运动轨迹。33 33PPT PPT文档演模板 文档演模板 Office Office PPT PPT2.CAPP系统的类型变异式方法 变异式方法的工作原理建立成组技术（GT）基础上，利用零件的相似性，建立具有相似的工艺规程的一组零件的标准工艺，采用以成组技术（GT）为基础的编码系统，标准工艺规程存储在计算机内，一个新零件的工艺规程是通过GT码检索系统中已有的相似零件的标准工艺规程加以筛选、编辑而成。34 34PPT PPT文档演模板 文档演模板 Office Office PPT PPT变异方法工作原理图输入零件GT编码及辅助信息零件族搜索和识别检索、编辑标准工艺路线检索、编辑标准加工路线输出工艺规程工艺过程结果信息的存储零件族矩阵文件工艺路线文件加工工序文件其它应用程序 35 35PPT PPT文档演模板 文档演模板 Office Office PPT PPT 创成式方法 依靠自身的决策逻辑以及相关的产品数据进行加工工艺规划，通过向计算机输入描述零件信息，计算机系统依据其知识决策规则自动进行工艺过程规划。36 36PPT PPT文档演模板 文档演模板 Office Office PPT PPT创成式方法工作原理图输入零件形状及其它信息零件特征分析分解工艺设计、分析和逻辑决策工艺设计结果的信息存储输出工艺规程数据库其它应用程序 37 37PPT PPT文档演模板 文档演模板 Office Office PPT PPT 人工智能 应用人工智能技术形成的CAPP专家系统。CAPP专家系统由知识库、推理机和用户输入3部分构成。它根据输入的零件信息去访问知识库，并通过推理机中的控制策略从知识库中搜索能够处理零件当前状态的规则，然后去执行这条规则，并按照每一次执行规则得到的结论按先后次序记录下来，直到零件加工到终结状态，从而形成工艺规程。专家系统方法代表发展趋势，但需完善。38 38PPT PPT文档演模板 文档演模板 Office Office PPT PPT专家系统方法工作原理图用户 系统用户界面解释与推理系统推理机推理控制专家知识采集系统知识库规则事实 39 39PPT PPT文档演模板 文档演模板 Office Office PPT PPT2.4全生命周期设计 1全生命周期设计 全生命周期设计技术是现代设计技术的重要内容。产品设计不仅进行产品的功能和结构设计，而且对产品的全生命周期，包括产品的规划、设计、制造、销售、使用、维修直至报废、回收处理的全过程，进行系统的设计。这意味着在设计阶段就要考虑到产品生命历程的所有环节，以求产品全生命周期设计的综合优化。40 40PPT PPT文档演模板 文档演模板 Office Office PPT PPT 2全生命周期设计的特点 集成性：全生命周期设计依赖于各环节、各 部分的设计人员分工协作。开放性：全生命周期设计涉及的人和领域复 杂，因此设计方案建立在开放的基 础上。前瞻性：为了保证制造的产品一次成功，在 设计过程中，不仅考虑产品的功 能、造型的复杂性，而且要考虑产 品的可靠性。41 41PPT PPT文档演模板 文档演模板 Office Office PPT PPT分布式环境：由于工作地点的分散性，每个设计 人员都有自己的终端，所以为了保 证设计工作的快速协作完成，必须 有完善网络环境和分布式知识库来 保证设计人员彼此之间的信息传递 和资源共享。标准数据管理：为保证数据的一致性和共享性，在产品数据交换标准（Standard for the exchange of product model data，STEP）的支持下 实现集成的并行的开发工作。42 42PPT PPT文档演模板 文档演模板 Office Office PPT PPT2.并行设计并行设计的提出 传统的产品开发过程是：市场调研 产品计划 产品设计试制样机修改设计 工艺准备 正式投产 43 43PPT PPT文档演模板 文档演模板 Office Office PPT PPT 缺点：设计阶段不能及早发现制造过程中和后续环节的问题，一旦出现问题，需要重新修改设计，后续阶段和与设计相关的环节也要随之改变。这种模式周期长，导致产品成本增加。随着产品种类和质量的提高，要求产品研发周期短，因而提出了并行设计。44 44PPT PPT文档演模板 文档演模板 Office Office PPT PPT并行设计 并行设计是集成的并行的产品设计方法，强调在产品开发的初期阶段就全面考虑产品生命周期的各个阶段对产品设计的综合影响，从而实现产品全生命周期的优化设计。在并行设计中，产品开发的各项活动尽可能在时间上平行进行。要实现这一目标，必须依靠先进的组织形式和管理方法。在组织上，并行设计需要建立由各阶段专家组成的多功能设计小组，并采用全过程协调技术。并行设计通过及时改进产品设计方案，可使早期生产中工程变动次数减少50以上，产品开发周期缩短4060，成本降低3040。45 45PPT PPT文档演模板 文档演模板 Office Office PPT PPT2.5绿色设计 1绿色设计的主要内容（1）材料选择：不仅考虑产品的使用和性能，而且考虑其对环境的影响。选用无毒、无污染和易回收、可重用、易降解材料。（2）产品可拆卸性设计：设计的结构易于拆卸，因而维护方便，在产品报废以后可重用部分能有效地回收和重复使用，达到节约资源和能源的目的。（3）产品可回收性设计：设计初期充分考虑零件材料回收的可能性。回收价值大小，回收处理方法和相关问题，实现材料资源和能源利用的最大化和对环境污染最小。46 46PPT PPT文档演模板 文档演模板 Office Office PPT PPT（4）绿色产品的成本分析：绿色产品的成本分析和传统产品成本分析不同，由于产品设计初期考虑了产品的回收、再利用和环保问题，因而降低了环保费用。（5）绿色产品设计数据库：数据库主要内容包括产品生命周期中与环境、经济等有关的数据，还包含产品制造、装配、销售、使用过程中所生产的附加物数量及对环境的影响值，以及对环境评估准则所需的各种判断准则。47 47PPT PPT文档演模板 文档演模板 Office Office PPT PPT2绿色设计的关键技术 面向材料的设计技术 传统设计：选择材料时较少考虑对环境的影响，包括材料本身对环境的影响。材料加工过程对环境的影响，材料报废对环境环境的影响。绿色设计：在产品的整个生命周期，以材料对环境的影响为控制目标，在实现产品功能要求同时，使材料对环境污染最小，能源消耗最少。48 48PPT PPT文档演模板 文档演模板 Office Office PPT PPT（1）面向材料设计技术的主要内容 产品计划阶段：采用产品的技术性、经济性和环保性三维指标进行产品设计的可行性分析，确定与环境协调的方案。方案设计阶段：对产品各种可行性方案评定时，除了考虑产品性能和经济性之外，还要评定材料的环境。结构设计阶段：结构具有应用的功能，良好的工艺性，同时满足易于拆卸和回收。详细设计阶段：对产品所用的材料及其拆卸、回收性能和可重复利用性能进行统计建库。49 49PPT PPT文档演模板 文档演模板 Office Office PPT PPT（2）对材料选择的要求 对材料提出更高的要求：不仅满足产品的基本性能要求，还应有利于环保。u 减少产品所用材料种类u 选用废弃后能自然分解并为自然吸收u 选用不加涂镀的原材料，便于回收u 选用再生材料，便于循环利用 50 50PPT PPT文档演模板 文档演模板 Office Office PPT PPT（3）面向材料的设计技术发展趋势u 建立系统的面向材料设计技术的基础理论和方法u 搜索、整理面向材料设计所需的数据资料，进而指导设计u 建立绿色材料的评价体系，评价模型和评价标准u 建立适合绿色设计的材料管理方法和数据库u 开发基于绿色设计的材料选择专家系统 51 51PPT PPT文档演模板 文档演模板 Office Office PPT PPT 面向能源的设计技术 采用对环境影响最小和资源消耗最少的能源供给方式支持产品的整个生命周期。（1）基本要求：u 在设计理念上采用合适的能源供给方式u 在满足功能的前提下，尽量减小能量消耗u 充分预见各环节的能量消耗形式，寻求合理、高效、经济的回收和再利用方法u 使产品加工过程能量消耗最少 52 52PPT PPT文档演模板 文档演模板 Office Office PPT PPT（2）发展趋势 对可用的新能源建立与设计相结合的技术规范和标准。建立面向能源设计的数据库、模型库和运行环境标准。寻求合理的设计参数，控制材料应用和环境影响方面的变化，从而达到设计的绿色化。53 53PPT PPT文档演模板 文档演模板 Office Office PPT PPT面向拆卸的设计技术（design for disassembly，DFD）在设计过程中，将可拆卸性作为设计目标之一，使产品的结构不仅便于制造，而且便于装配、拆卸、维修和回收。其基本准则：54 54PPT PPT文档演模板 文档演模板 Office Office PPT PPT（1）拆卸工作量少 包括零件合并原则，减少零件所用种类，材料相容性原则和有害材料集成原则。（2）结构可拆卸 采用易于拆卸和未破坏的联结方法，紧固件少原则，简化拆卸运动原则，装配及拆卸可达性原则。（3）拆卸易操作（4）易于分离 包括一次表面原则，便于识别零部件标准化，模块化原则。（5）产品结构的可预估性。避免将易老化、易腐蚀的材料与需要拆卸、回收的材料零件组合，防止要拆卸回收的零件被腐蚀。55 55PPT PPT文档演模板 文档演模板 Office Office PPT PPT面向回收的设计技术（design for recovering&recycling，DFRR）（1）重用（2）再加工（3）高级回收：重新处理以后被用于更高价值 的产品中（4）次级回收：回收零件用于低价值产品中（5）三级回收：化合分解，生产新材料（6）四级回收：燃烧回收，用作燃料发电（7）处理（disposal）（填埋）56 56PPT PPT文档演模板 文档演模板 Office Office PPT PPT第三章 现代加工技术 大连理工大学现代制造研究所 赵福令 教授 57 57PPT PPT文档演模板 文档演模板 Office Office PPT PPT1.现代加工技术(1）.定义及内容 各种加工方法和制造工艺的总称。包 括先进切削加工技术、成形加工技术、变 形加工技术、联接加工技术、材料性能调 整技术和特种加工技术。58 58PPT PPT文档演模板 文档演模板 Office Office PPT PPT 切削加工内容 59 59PPT PPT文档演模板 文档演模板 Office Office PPT PPTu 切削加工技术：（包括车、铣、刨、钻、磨、拉等）效率高、成本低是精加工和最后成形的重要手段。u 成形加工：铸造、粉末冶金、塑料成型。u 变形加工：锻造、钣金、轧制、挤压、拉拔u 联接加工：机械联接（螺钉，螺栓）、焊接、粘接和 装配u 材料性能调整：热处理和其它表面处理技术 u 特种加工：化学、电化学、电火花、超声、激光、RP等 60 60PPT PPT文档演模板 文档演模板 Office Office PPT PPT（2）现代加工技术的特点：加工精度高：尺寸精度、形状精度和表面粗糙度均达到纳米级 加工效率高：超高速切削、磨削技术使效率大大提高 加工材料范围广：超硬材料、超塑材料、高分子材料、复合材料、工程陶瓷等 加工设备先进：采用CAD/CAM技术、柔性好、可加工复杂形状 切削加工低能耗：切削力为原来的1/3，能耗低。61 61PPT PPT文档演模板 文档演模板 Office Office PPT PPT2.超高速加工技术（1）定义 指采用超硬材料刀具、磨具和高速运动的设备加工零件的现代加工技术。通过极大的提高切削、磨削速度，提高加工质量、加工精度和降低成本。62 62PPT PPT文档演模板 文档演模板 Office Office PPT PPT 超高速加工的切削速度为普通的切削的10倍。钢为600m/min，铸铁900 m/min5000m/min，铝合金2000 m/min7500m/min，钛合金150 m/min1000m/min，纤维增强材料2000 m/min9000 m/min 各种加工工序的切削速度的范围：车削：700 m/min7000 m/min，铣削300 m/min6000 m/min，磨削150m/s以上，钻削200 m/min1100m/min 主轴转速 日本 FANVC 5500r/min，意大利FIDIA 7500r/min 定位精度达到 0.5um0.05um 快进速度4060m/min 国内水平，主轴转速10000r/min，快进速度30 m/min 63 63PPT PPT文档演模板 文档演模板 Office Office PPT PPT（2）超高速加工的应用领域u 大批量生产 如汽车u 刚度较小的元件 如薄壁（厚度1mm）零件（航空航天）u 复杂曲面 磨具u 超精密加工u 超硬材料，超塑材料 64 64PPT PPT文档演模板 文档演模板 Office Office PPT PPT（3）使用刀具 PCD、CBN、SiN（氮化硅）、涂层刀具、TiN、TiAlN（氮化铝钛）65 65PPT PPT文档演模板 文档演模板 Office Office PPT PPT（4）超高速加工单元制造技术、超高速主轴单元制造技术 超高速主轴单元是超高速加工机床的关键 部件。包括主轴动力源、主轴轴承和机架四个 部分。涉及的研究内容有：主轴材料、结构、轴承、超高速主轴系统动态特性及热态特性。柔性主轴及其轴承的弹性支撑技术，润滑与冷却。66 66PPT PPT文档演模板 文档演模板 Office Office PPT PPT 电主轴部件 电主轴由转子、轴承、外壳、电机组件和测角系统组成。并配备冷却系统、润滑系统和变频驱动电气装置，形成一个独立的单元，可以直接装配到各种加工中心和超高速磨床上，实现无中间环节的直接传动。电动机一般为感应式集成主轴电机。目前开发出一种使用铌的永磁电机，其效率高，功率大，扭矩大，易于对使用中产生的温升在线控制，冷却简单，体积小，结构紧凑，所以有可能取代感应式集成主轴电动机。67 67PPT PPT文档演模板 文档演模板 Office Office PPT PPT 滚珠轴承高速主轴（转速达90000r/min）高速切削机床上的主轴多数为滚珠轴承电动主轴，压力角为15或25的角接触滚珠轴承，精度为C级或B级。润滑方式为油脂润滑、油雾润滑、喷油润滑。主轴精度取决于轴承。目前，市场上高速主轴的回转精度可达0.5um。68 68PPT PPT文档演模板 文档演模板 Office Office PPT PPTu 液体静压轴承高速主轴（转速达30000r/min）与滚珠轴承相比，径向刚度较低，轴向刚度高，宜于轴向切削力较大的场合。此外，液体静压轴承的油膜阻尼大，动态刚度高，适合于铣削的断续切削过程。特点：运动精度高，回转误差小于0.2um，因而可以提高刀具使用寿命、加工精度和降低表面粗糙度。69 69PPT PPT文档演模板 文档演模板 Office Office PPT PPT 空气静压轴承高速主轴 进一步提高主轴转速和回转精度。转速达100000r/min，回转精度50nm，可采用金刚石刀具进行镜面铣削，加工工件形状精度和表面粗糙度要求高的场合。缺点：承载能力低，维护费用高 70 70PPT PPT文档演模板 文档演模板 Office Office PPT PPT 磁悬浮高速主轴 磁浮主轴的转子由两个径向和两个轴向轴承支撑，转子与支撑间隙一般在0.1mm左右。磁浮主轴可采用较大轴径，因而刚性较大，承载能力强。回转精度可达0.2um。（回转精度取决于主轴内的位移传感器的精度和灵敏度及控制电路的控制精度）优点：精度高，转速高，刚性好 缺点：机械结构复杂，需要一套传感器和控制 电路，所以价格高，必须有很好的冷却 系统。71 71PPT PPT文档演模板 文档演模板 Office Office PPT PPT超高速加工进给单元制造技术u 关键技术 超高速加工进给单元是超高速加工机床的重要组成部分。包括：伺服驱动技术、滚动元件技术、检测单元技术和诸如：防尘、防噪声、冷却润滑、安全等周边技术。要求能达到高速和瞬间加速及瞬时准停性。关键技术：高速位置环芯片的研制，高速精密交流伺服系统及电机的研究，直线伺服电机的研制，加减速控制技术，超高速进给系统的优化设计、虚拟设计，高精度滚珠丝杠副及大导程滚珠丝杠副的研制，高精度导轨，新型导轨摩擦副的研究等。72 72PPT PPT文档演模板 文档演模板 Office Office PPT PPT 超高速进给单元的技术指标 滑台驱动系统：进给速度达60m/min 直线电机驱动：进给速度达200m/min 由于直线电机与滑台连在一起，无间隙，惯性小，刚度大而无磨损。通过控制电路可 以实现高速和高精度驱动。73 73PPT PPT文档演模板 文档演模板 Office Office PPT PPT 直线电机的特点（a）高速响应（系统中取消了一些惯性大的机械传动 件）（b）定位精度高（取消了由于丝杠等机构间隙和误差）（c）传动刚度高（由于“直接驱动”，避免了启动、变速 和换向时系统的弹性变形、摩擦磨损和反向间隙造 成的运动滞后）（d）速度快、加减速过程短：直线电机最早用于磁悬 浮列车（时速500km/h）可获得高的加速度，一 般可达 2g10g。一般滚珠丝杠最大加速度只有 0.1g0.5g。（e）行程长度不受限制（f）噪声低（取消了丝杠等传动）（g）效率高（无中间传动环节）74 74PPT PPT文档演模板 文档演模板 Office Office PPT PPT超高速加工刀具和磨具 PCD、CBN、Si3N4、涂层刀具、TiN、TiAlN等 75 75PPT PPT文档演模板 文档演模板 Office Office PPT PPT3.超精密加工技术（1）概述 超精密加工指尺寸精度0.1um0.01um，Ra：0.025um0.01um，包括：金刚石刀具超精密车削、超精密磨料加工、超精密特种加工和复合加工、超精密测量。目前，正在朝纳米级工艺水平发展。76 76PPT PPT文档演模板 文档演模板 Office Office PPT PPT 加工对象：激光聚焦腔、高密度磁盘、磁鼓、雷达、陀螺、IC相关技术 加工技术：方法和机理 材料技术：工具材料和工件材料 加工设备：精度、刚度、稳定性、自动化 测量及误差补偿技术：环境：温度1 0.02 甚至0.0005 湿度5560，洁净度1000级100级 100指每立方英尺空气中大于0.5um的尘埃100个 77 77PPT PPT文档演模板 文档演模板 Office Office PPT PPT（2）超精密切削加工 超精密铣床 关键部件：高精度主轴、低摩擦高平稳性滑台。主轴采用气体静压支撑，滑台采用气体静压系统支撑 超精密金刚石车床 主轴采用气体静压轴承，轴向和径向运动误差50nm，滑台采用高刚性、高阻尼和高稳定性的液体静压支撑。78 78PPT PPT文档演模板 文档演模板 Office Office PPT PPT（3）超精密磨削和磨料加工u 超精密砂轮磨削技术：加工精度0.1um，表面粗糙度Ra0.025um砂轮，CBN磨料，砂轮线速度60m/s以上，工件 进给速度5m/min以上u 超精密砂带磨削技术：切削速度35m/min，表面粗糙度Ra0.043umu 双端面精密磨削技术：为平面磨削，工件既公转又自传，磨料粒度 30008000，用于磁盘基片等零件的超精密加 工。79 79PPT PPT文档演模板 文档演模板 Office Office PPT PPT 电泳磨削技术 电泳：带电粒子在电场中向与自身带电相反的电极运动的现象。机理：在加工过程中，磨粒在电场力的作用下向磨具表面运动，并在磨具表面沉积形成一层细磨粒吸附层，利用该吸附层对工件进行磨削加工，同时新的磨粒又不断补充，使磨粒微刃保持锋利。如果磨粒表面凹凸不平，凹陷处电流大，新磨粒更容易在凹陷处沉积，从而保证沉积层平整。80 80PPT PPT文档演模板 文档演模板 Office Office PPT PPT 超精密研磨与抛光技术（a）超精密研磨技术 精度0.1um，Ra0.02um 用于：块规、球面空气轴承、半导体硅 片、光学镜头。（b）电解研磨（电化学机械）81 81PPT PPT文档演模板 文档演模板 Office Office PPT PPT（4）超精密特种加工 激光、电子束、离子束（三束）、微细EDM，用于IC芯片刻线，0.1um 线芯。82 82PPT PPT文档演模板 文档演模板 Office Office PPT PPT电化学加工技术 a.原理阳极溶解原理 NaClNaCl H2OH+OH 阳极可能发生的电化学反应 若阳极为Fe，在外电源的作用下 放出 3个（或2个）电子，形成三价 或二价的铁离子Fe-2e Fe2 E=-0.59VFe-3e Fe3 E=-0.323V4OH4eO2 E=0.867V 2Cl2eCl2 E=1.334V 83 83PPT PPT文档演模板 文档演模板 Office Office PPT PPT 84 84PPT PPT文档演模板 文档演模板 Office Office PPT PPT 根据电极反应的基本原理，电极电位最负的物质首先在阳极反应。因此，在阳极首先Fe2溶解，最大可能出现Fe3。Fe2与OH化合形成氧化亚铁（绿色絮状物）Fe22OHFe(O