现代制造技术课件.ppt
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1、现代制造技术现代制造技术 主讲:伍俏平 湖南科技大学机电工程学院 第一章 概论l1.1 制造技术发展历程l1.2 现代制造技术背景与内涵l1.3 现代制造技术体系结构l1.4先进制造技术发展趋势l1.5先进制造技术发展战略的思考 第一章 概论l1.1 制造技术发展历程l制造概念:狭义是指“产品的制造过程,凡是投入一定的原材料,使原材料在物理性质或化学性质发生变化而转化为产品的过程”。国际生产工程学会(CIRP)1990年给出的广义定义“制造是一个涉及制造工业中产品设计、物料选择、生产计划、生产过程、质量保证、经营管理、市场销售和服务的一系列相关活动和工作的总称”。而制造技术是制造业生产各种必要
2、物质(包括生产资料和消费品)所使用的一切生产工具和技术的总称。l制造业是国民经济的支柱产业,其发展水平是衡量一个国家综合国力的最重要指标。图1 制造过程示意图l制造特点:大制造、全过程、多学科 “大制造”:涉及制造相关的国民经济的大量行业,如涉及制造相关的国民经济的大量行业,如机械、电子、化工、食品、军工等等;机械、电子、化工、食品、军工等等;“全过程”:不仅包括从毛坯到成品的加工制造过程,还包括市场调研、产品设计、选材和工艺设计、生产准备、加工和制造过程、市场营销、产品销售前和售后服务、报废产品的处理和回收,以至产品全寿命过程的设计、制造和管理等。“多学科”:是指现代制造科学是微电子、计算机
3、、自动化、网络通信等信息科学、管理科学、生命科学、材料科学与工程和制造科学的交叉。l制造技术发展历程:l(1)制造技术萌芽:石器时代利用天然石料等制作工具以获得生活资料;青铜器和铁器时代,开始冶炼、锻造工具;农业社会生产时代,采用作坊式的生产方式;l(2)工业革命:18世纪70年代,蒸汽机的改进引发了第一次工业革命,产生了近代工业化生产方式,手工劳动被机器生产代替;l(3)电气化:19世纪中叶,电磁场理论的建立为发电机和电动机的产生奠定了基础,电作为新的动力源大大改变了机器结构和生产效率,迎来电气化时代,制造业进入了快速发展时期;这一阶段出现了以经验管理为主的原始机械工厂为代表的制造系统。l(
4、4)大批量生产:20世纪初,内燃机的发明引发了制造业的又一次革命,制造业进入了以汽车制造为代表的大批量生产时代,出现了流水生产线,分工日趋明确,工厂出现了泰勒管理方法为代表的科学管理方式。l(5)多品种中小批量生产:进入20世纪70年代后,随着市场竞争的加剧,大规模生产方式开始逐步向多品种、中小批量生产方式转变。同时现代化生产管理模式,如准时制生产、全面质量管理开始应用于制造业。l(6)信息化和全球化:20世纪80年代以来,计算机、信息、电子、网络等技术的发展,促进了制造业中自动化技术的成熟和完善。产品市场的全球化和用户需求的多样化,使得市场竞争日益激烈,出现了许多新的制造技术和方法。如并行工
5、程、智能制造、敏捷制造、精益生产等。l1.2 现代制造技术背景与内涵背景:20 世纪70 年代,美国许多学者提出美国已进入“后工业化”社会,出现了“制造业是夕阳产业”的观点,力图把经济发展的重心从制造业转向服务业等第三产业。导致了美国科技优势和经济竞争力的衰退。以至于工业生产下滑,出口锐减,工业品进口陡增,经济空前滑坡,物质生产基础遭到严重削弱。这一严峻形势迫使美国政府和企业界不得不重新认识和评价制造业在国民经济中的地位和作用,对存在的问题进行了深刻反省,为了加强制造业的竞争能力和促进国民经济增长而提出先进制造技术概念。概念:先进制造技术是传统制造业不断吸收机械、信息、电子、材料、能源及现代管
6、理等方面的最新技术成果,并将这些技术优化、集成,综合应用于产品开发与设计、制造、检测、管理及售后服务的制造全过程,实现优质、高效、低耗、清洁制造,取得理想技术经济效果和社会效益的前沿制造技术的总称。l先进制造技术的特点:(1)现代制造技术贯穿了从市场预测、产品设计、生产经营管理、制造装配、质量保证、售后服务、报废处理、回收在利用等整个制造过程;(2)现代制造技术注重技术、管理、人员三者的集成,是多学科交叉融合的产物,核心是信息技术、现代管理技术和制造技术的有机结合;(3)现代制造技术的主要目标是提高制造业对市场的适应能力和竞争力;(4)现代制造技术重视环境保护和资源的合理利用。1.3 现代制造
7、技术体系结构l1994年,美国联邦科学、工程和技术协调委员会下属的工业和技术委员会先进制造技术工作组提出将先进制造技术分为三个技术群:l(1)主体技术群l(2)支撑技术群l(3)制造技术环境 这三个技术群相互联系、相互促进,组成一个完整的体系,每个部分均不可缺少,否则就很难发挥预期的整体功能效益。1.4先进制造技术发展趋势先进制造技术的总趋势是:精密化、柔性化、网络化、虚拟化、智能化、清洁化、集成化、全球化。中科院院士杨叔子教授2004年3月论先进制造技术及其发展趋势,可以概括为以下八个方面:“数”是发展的核心;“精”是发展的关键;“极”是发展的焦点;“自”是发展的条件;“集”是发展的方法;“
8、网”是发展的道路;“智”是发展的前景;“绿”是发展的必然。l具体表现在:(1)设计技术不断现代化;(2)专业、学科、技术的界限逐渐淡化,集成化是发展的方向;(3)制造技术的网络化是先进制造技术发展的必由之路;(4)制造技术的智能化是制造技术发展的前景;(5)自动化成为先进制造技术发展的前提条件;(6)虚拟现实技术在制造业中获得广泛的应用;(7)绿色制造成为先进制造技术的重要特征。1.5先进制造技术发展战略的思考 1、我国制造业存在的主要差距 由于我国工业化进程起步较晚,与国际先进水平相比,我国的制造业和制造技术还存在着阶段性差距。主要表现在以下几个方面:(1)产品创新能力较差,开发周期较长。(
9、2)制造工艺装备落后,成套能力不强。(3)生产自动化和优化水平不高,资源综合利用率低。(4)企业管理粗放,协作能力较差,国际市场开拓能力弱。(5)具有竞争力的核心技术的开发相对薄弱。2、我国先进制造的发展战略(1)提高认识、全面规划,促进先进制造技术的发展;(2)深化科技体制改革,推动技术创新体系的建设;(3)将引进、消化国外先进制造技术与自主开发创新相结合;(4)大力发展先进高新制造技术及其企业;(5)积极培养创造性人才,努力提高制造业的全员素质。第二章 高速切削技术l2.1概述l概念:高速切削是指在比常规切削速度高出很多的情况下进行的切削加工。l主要特点:高切削速度、高进给速度、高加工精度
10、和优良的加工表面质量,具有不同于传统切削加工技术的加工机理和应用优势。应用领域:航空航天、模具制造、汽车制造等行业,加工对象包括:钛合金、铝镁合金、钢、铸铁、碳纤维增强塑料等材料。l2.1.1:高速切削技术发展历程 完成一个零件机械加工所需要的时间,包括切削时间和非切削时间。切削时间是直接改变工件尺寸和形状所需的时间,非切削时间包括辅助时间、服务时间和休息时间。595调整、装夹、对刀、检测等切削3070加工时间运输与等待时间制造周期加工时间生产的时间分配30年来切削时间的变化情况 随着数控机床和数控加工中心的普及,解决了自动换刀、装卸工件等问题,大大降低了辅助时间在总工序时间中所占的比例。以缩
11、短辅助时间为手段提高生产效率的意义不再明显,因此提高生产率的主要措施转移到直接减少切削时间方面。减少切削时间最直接的手段是提高切削速度。但根据传统的金属切削理论存在:随着切削速度的提高,切削热增加,刀具磨损加剧,刀具寿命缩短;同时,机床发热、振动以及动平衡等问题凸显出来。萨洛蒙曲线 图2-1 萨洛蒙曲线l高速切削假说提出后20多年无人关注和研究。l美国Lockheed飞机公司于1960年前后进行了超高速削试验。试验采用加农炮发射方式:在高速切削条件下,切屑的形成和普通切削不同。单位切削力呈上升再下降的趋势。切削机理发生变化,切削过程比常规切削速度下容易和轻松。l1977年美国在一台带有高频电主
12、轴的加工中心上进行了超高速切削实验,与传统切削相比,材料切除率提高了2-3倍,切削力减小了70%,表面质量明显提高。l20世纪80年代以来,各工业发达国家投入了大量人力、物力,研究开发了高速切削设备及相关技术。l20世纪90年代以来,刀具材料和超高速电主轴的研制成功,用于高速进给的直线电动机伺服驱动系统的应用以及高速机床其他配套技术的日益完善,为高速切削技术的应用创造了良好条件。2.1.2:高速切削速度范围(1)根据切削速度划分:通常把切削速度比常规切削高出5-10倍以上的切削加工称为高速切削。一般认为高速切削速度范围:车削700m/min-7000m/min;铣削300m/min-6000m
13、/min;钻削200m/min-1100m/min;磨削150m/s-360m/s。(2)根据机床主轴转速划分:一般按Dn值区分,Dn值是指主轴轴径和主轴能达到的最高转速的乘积。高速主轴的Dn值一般为500000mmr/min2000000mmr/min。高速切削加工不能简单地用某一具体的切削速度值来定义,必须考虑工件材料、刀具材料、工序方法和机床等因素。此外,由于技术的进步,切削速度有越来越高之势,所以高速的定义及划分也会随之变化。不同材料的大致切削速度范围图l2.1.3:高速切削优越性(1)单位时间内材料切除率增加,切削加工时间减少,生产率大幅度提高;(2)在高速切削范围内,切削力降低,减
14、少了切削变形引起的加工误差,有利于薄壁件的切削加工;(3)高速切削时,切屑以很高的速度排出,带走大量的切削热,传给工件的热量大幅度减少,有利于减少工件的内应力和热变形,提高加工精度;(4)工作平稳,振动小,零件的加工表面质量高。(5)可以加工各种难加工材料。2.1.4:高速切削关键技术(1)高速切削机理:高速切削过程和切屑形成机理的研究、高速加工基本规律、各种材料高速切削机理、高速切削数据库和虚拟技术等;(2)高速切削刀具技术:刀具材料;刀具结构;刀柄系统。(3)高速切削机床技术:包括高速主轴主轴单元、进给系统、CNC控制系统和机床整机技术(机床床身、冷却系统、安全系统等)。(4)高速切削技术
15、(5)高速加工的安全防护、测试技术与实时检控技术等。l2.2高速切削基础理论l2.2.1切屑形成l加工塑性金属,切削厚度较小,切削速度较高,刀具前角较大时,易出现带状切屑。l切削厚度较大,切削速度较低,刀具前角较小时,易出现锯齿状切屑。l进一步增大切削厚度,降低切削速度,减少刀具前角时,易出现单元切屑。l脆性材料易得到崩碎切屑带状切屑带状切屑 锯齿状切屑锯齿状切屑 单元切屑单元切屑 崩碎切屑崩碎切屑 (2)高速切削切屑特征及影响因素工件材料及性能对切屑形态起决定性作用:低硬度和高热物理性能的工件材料如铝合金、低碳钢和合金钢等,容易形成带状切屑;硬度较高和低热物理特性的工件材料如热处理钢和钛合金
16、等,容易形成锯齿状切屑;工件材料一定时,切削速度对切屑特征有主要影响:一方面切削速度的提高,应变速度加大,导致工件材料脆性的增加,易于形成锯齿状切屑;另一方面切削速度的提高,引起切屑温度的增加,致使脆性减小。因此,切削速度对形成锯齿状切屑倾向的影响结果应进行综合考虑。一般而言,高速切削时,随着切削速度的提高,切屑的锯齿化程度增大,在惯性力作用下,易于断裂形成较短的切屑形状。2.2.2切削热和切削温度高速切削时,总的切削功W消耗在以下几个方面:(1)形成已加工表面和切屑底面两个新生表面所需要的能量Wn;(2)剪切区的剪切变形功Ws;(3)前、后刀面与切屑、工件的摩擦功Wf;(4)切削层材料经过剪
17、切面时,动量改变消耗的功Wm;剪切面上产生的热量流入切屑的比例R1为:由上式可知,随着V和ac的增大,R1增加,因为V的变化范围比ac大,所以V对R1的影响比ac大。随着V的增大,剪切面上产生的热量流入切屑的比例R1增大,即切削速度增大,被切屑带走的热量越多,而切削温度升高的少。2.2.3切削力切削过程中,剪切面上发生变形所需要的力由两部分组成:一个是剪切力Fs;另一个是切削层材料沿着剪切面滑移造成动量改变所需要的作用力,即切屑惯性力Fm。分别表示为:式中:Ss为工件材料动态剪切强度;Ac为切削层截面积;为工件材料密度;0为刀具前角;为剪切角。切削速度对剪切角的影响当切削速度较低时,材料始剪切
18、面为OA,终剪切面为OM,剪切角为;当切削速度很高时,材料流动速度大于塑性变形速度,即在OA线上尚未显著变形就已流动到OA线上,终剪切面变为OM,剪切角变为,这意味着第一变形区后移()。同时,切削速度对刀具前刀面上的平均摩擦因素也有影响,切削速度增大,减小,摩擦角减小,由上式可知,剪切角增大。而剪切角的增大使剪切力降低,切屑惯性力增加。但在高速切削过程中,切屑的质量很小,切屑惯性力的增加幅度比剪切力减小幅度小的多,因此,在高速切削范围内,切削速度的提高最终导致切削力的降低。特别有利于薄壁件的精密加工。2.2.4刀具磨损与破损高速切削时,刀具的破坏形式主要是磨损和破损,起主要的破坏原因主要是切削
19、力和切削热作用下的磨粒磨损、黏结磨损、化学磨损、脆性破损等。高速切削时,应根据局加工方法和加工要求,确定合理的磨损寿命。影响高速切削刀具磨损寿命的因素较多,工件材料与刀具材料的匹配、切削方式、刀具几何形状、切削用量、冷却液、振动等对刀具磨损寿命都有显著影响。对于高速切削刀具,除了考虑静态特性外,还应该考虑动态特性。2.2.5高速切削表面质量高速切削加工表面质量的变化规律与普通切削加工有所不同。一般高速切削加工随着切削速度的增加,表面粗糙度降低,随着进给量增加,表面粗糙度增大。不同加工条件下,高速切削加工工件表面残余应力的性质与大小及加工硬化程度各不相同,需根据具体工艺而具体分析。一般而言,加工
20、工件表面出现压应力更为有利。工件材料对此也有影响,一般材料硬度越低,加工硬化程度越大。l2.3高速切削机床l2.3.1高速加工对机床的要求与普通机床相比,高速加工机床有如下要求:(1)高速主轴系统(2)高速进给系统(3)高效、快速的冷却系统(4)优良的静、动态特性和热态特性(5)安装和实时监控系统高速外圆磨床系列高速外圆磨床系列2.3.2高速主轴系统1、高速电主轴 电主轴结构2、高速主轴轴承目前,电主轴采用的轴承主要有滚动轴承、流体静压轴承和磁悬浮轴承。后两者为非接触式轴承。(1)滚动轴承电主轴一般采用适用高速且同时承受径向和轴向负荷的精密角接触球轴承。为了减少磨损和温升,可采取如下措施:适当
21、的减小滚珠的直径;采用轻质材料来制造滚珠。(2)流体静压轴承流体静压轴承包括液体静压轴承和气体静压轴承。液体静压轴承具有旋转精度高、磨损小、振动小等特点,适用于加工精度允差小和表面粗糙度要求小的情况;空气静压轴承具有高旋转精度和低温升的优点,但存在刚度差、承载能力低,此外它要求高清洁度的压缩空气,维修费用高。(3)磁悬浮轴承磁悬浮轴承依靠多个在圆周上下互为180的电磁铁产生径向方向相反的磁力,将主轴悬浮在空气中,轴颈与轴承不接触。主轴在空间位置发生微弱变化,由位置传感器测出其变化值,通过电子自动控制与反馈装置,改变相应磁力值,使其迅速恢复到原来的位置。具有高精度、高转速、高刚度、无润滑和密封、
22、无振动等特点,但机械结构复杂,价格较贵。2.2.3高速进给系统高速进给系统需满足如下要求:(1)与高速主轴相匹配的高进给速度;(2)动态性能好,具有良好的快速响应特性;(3)高的定位精度;(4)高可靠性和安全性。传统的“旋转电动机+滚珠丝杠螺母副”进给系统不能满足高速加工的要求。解决的途径:(1)研制新型的高速高精度滚珠丝杠副传动系统;(2)采用直线电动机直接驱动。2、直线电动机进给驱动系统直线伺服电动机驱动的高速进给单元l优点:速度高:直线电动机直接驱动工作台,无任何中间机械传动元件,无旋转运动,不受离心力的作用,可容易地实现高速直线运动。加速度大:直线电动机的起动推力大,结构简单、重量轻,
23、运动变换时的过渡过程短,可实现灵敏的加速和减速。定位精度高:直线电动机进给系统常用光栅尺作为工作台的位置测量元件,并且采用闭环控制,通过反馈,对工作台的位移精度进行精确的控制。行程不受限制。(1)直流直线电动机进给伺服系统式中Cf为电磁力常数;I为动子绕组电流;为磁通量。直流直线电动机采用永久磁铁励磁,为常数。调节I可实现对电动机输出力的直接控制。2、交流永磁同步直线电动机进给驱动系统由于永磁励磁磁链f为常数,因此,电动机输出的电磁力F将与电流Iq成正比,因此,通过控制Iq,就可实现对交流永磁同步电动机电磁力的直接控制l(3)交流异步直线电动机进给驱动系统其定子结构基本相同,但动子结构有较大差
24、别。动子一般由硅钢片叠装或其他导磁材料构成,动子上开有凹槽,其中嵌有导条或绕组。交流异步直线电动机的定子和动子分别与机床的固定和运动部件直接连接。式中,K为电磁力常数;Lm为绕组互感;Lr为绕组自感;2为动子磁链,IT1为定子绕组电流。其中,K,Lm,Lr由电动机结构决定,一般为常数,通过合理控制,使2保持常数,则可保证电磁力F与电流IT1成正比,从而可实现对其电磁力的准确和快速的控制。l2.3.4高速机床支撑部件 支承件包括床身、立柱、横梁、底座、刀架、工作台、箱体和升降台等,它们是机床的基础部件。固定支撑件必须具有足够的强度、高的结构刚性和高水平的阻尼特性,使机床受到的激振力很快衰减。提高
25、固定支撑件抵抗振动能力的具体措施:对于床身基体等支撑部件采用非金属环氧树脂、人造花岗石、特种钢筋混凝土等材料制作。合理设计其截面形状、布置筋板结构,以提高静刚度和抗振性。尽可能采用整体铸造结构。对于刀架、升降台、工作台等运动支撑部件,设计时尽量减轻其重量,保证移动部件的高速度和高加速度。提高运动支撑件运动性能的具有措施有:采用钛铝合金和纤维增强塑料等新型轻质材料制造拖板和工作台;用有限元法优化机床移动部件的几何形状和尺寸参数等。l2.3.5高速数控系统高速加工机床CNC数控系统应满足以下基本要求:为了适应高速,要求单个程序段处理时间短;为了在高速下保证加工精度,要有前馈和大量的超前程序段处理功
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