機(jī)械工程：第8章 先進(jìn)制造技術(shù)

第8章先進(jìn)制造技術(shù)本章內(nèi)容★先進(jìn)成形加工技術(shù)★數(shù)控加工技術(shù)（NCMACHINE）★柔性制造系統(tǒng)（FMS）★計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CMIS）8.1先進(jìn)成形加工技術(shù)加工時(shí)遇到的難點(diǎn)

對(duì)硬質(zhì)合金等難切削材料的加工

對(duì)模具上的復(fù)雜型面的加工；

對(duì)細(xì)長件\薄壁等特殊結(jié)構(gòu)件的加工。

先進(jìn)成形加工的特點(diǎn)

加工不受材料機(jī)械性能的限制；

易于加工復(fù)雜型面\微細(xì)表面及柔性零件；

能獲得良好的表面質(zhì)量；

易復(fù)合形成新的工藝技術(shù)特種加工：是直接借助電能、熱能、聲能、光能、化學(xué)能等常規(guī)機(jī)械能以外的各種能量實(shí)現(xiàn)材料去除的工藝方法的總稱。加工方法的分類

（按能量形式和作用原理）

(1)電能與熱能作用方式有：電火花成形與穿孔加工(EDM)、電火花線切割加工(EDM)、電子束加工(EBM)和等離子體加工(PAM)。

(2)電能與化學(xué)能作用方式有：電解加工(ECM)、電鑄加工(ECM)和刷鍍加工。

(3)電化學(xué)能與機(jī)械能作用方式有：電解磨削(CCG)、電解珩磨(ECH)。(4)聲能與機(jī)械能作用方式有：超聲波加工(USM)(5)光能與熱能作用方式有：激光加工(LBM)

(6)電能與機(jī)械能作用方式有：離子束加工(IM)

(7)液流能與機(jī)械能作用方式有：擠壓珩摩(AFH)和水射流切割(WJC)。特種加工方法的分類（續(xù)）基本原理電火花加工又稱放電加工（ElectricalDischargeMachining簡稱EDM）。它是在加工過程中，使工具和工件之間不斷產(chǎn)生脈沖性的火花放電，靠放電時(shí)產(chǎn)生局部、瞬時(shí)的高溫將金屬蝕除下來。這種利用火花放電時(shí)產(chǎn)生的腐蝕現(xiàn)象對(duì)金屬材料進(jìn)行尺寸加工的方法叫電火花加工。

8.1.1電火花加工EDM電火花-電蝕加工過程電火花加工的三個(gè)必要條件(1)必須采用脈沖電源，以形成瞬時(shí)的脈沖式放電。每次脈沖放電延續(xù)一段時(shí)間(10-7一10-3s)后，需停歇一段時(shí)間，這樣才能使能量集中于微小區(qū)域，而不致擴(kuò)散(2)必須采用自動(dòng)進(jìn)給調(diào)節(jié)裝置，以保持工具電極與工件電極間微小的放電間隙。(3)火花放電必須在具有一定絕緣強(qiáng)度(103一107Ω.m)的液體介質(zhì)中進(jìn)行,煤油、皂化液和去離子水等電火花加工的應(yīng)用范圍成型加工穿孔加工8.1.2線切割加工加工原理和電火花加工基本相同，按程序控制的軌跡來移動(dòng)一根很細(xì)、很長的金屬絲（鉬絲、銅絲等）作為電極（陰極），與工件（陽極）之間產(chǎn)生火花放電，從而將金屬蝕除下來，實(shí)現(xiàn)輪廓切割。

線切割工藝國內(nèi)用快走絲線切割較多，國外以慢走絲線切割較普遍。快走絲時(shí)，線電極是直徑為0.02—0.3mm的高強(qiáng)度銅絲。鋼絲往復(fù)運(yùn)動(dòng)的速度為8一l0m／s。低速走絲時(shí)，多采用鋼絲，線電極以小于0.2mm／s的速度作單向低速移動(dòng)。線切割時(shí)，電極絲不斷移動(dòng)，其損耗很小，因而加工精度較高。其平均加工精度可達(dá)0．01mm，大大高于電火花成形加工。表面粗糙度Ra值可達(dá)1．6μm或更小。線切割時(shí)，電極絲不斷移動(dòng)，其損耗很小，因而加工精度較高。其平均加工精度可達(dá)0．01mm，大大高于電火花成形加工。表面粗糙度Ra值可達(dá)1．6μm或更小。學(xué)生線切割作品適合于加工輪廓形狀復(fù)雜和尺寸精密的模具和其他零件，加工精度可以控制在0.01mm左右，Ra<2.58.1.3激光加工LBM①功率密度高，幾乎能加工所有材料。如高溫合金、石英、金剛石、橡膠等.②適合于精微加工,特別是小深孔(L/D可達(dá)50～100)及異形孔加工.③加工速度快\變形小且工具無損耗.④可透過玻璃等透明介質(zhì)對(duì)工件進(jìn)行加工.應(yīng)用①激光打孔:孔徑0.01～1mm.②激光切割:厚度大,割縫寬度僅為0.1～0.2mm..特點(diǎn)激光加工應(yīng)用范圍1．激光表面熱處理2．激光焊接3．激光切割4．激光打孔8.1.4超聲波加工USM利用工具端面作超聲頻（16～25kHz)振動(dòng)使介質(zhì)中的懸浮磨粒對(duì)工件表面撞擊拋磨來實(shí)現(xiàn)加工。（2）特點(diǎn)①適合于加工各種硬脆材料，特別是不導(dǎo)電的非金屬材料，如玻璃、寶石、陶石及各種半導(dǎo)體材料。②工件受力小，變形小。精度可達(dá)0.01—0.05mm，表面粗糙度可達(dá)Ra0.1—0.8。③機(jī)床結(jié)構(gòu)簡單、但生產(chǎn)率較低。（3）應(yīng)用①不導(dǎo)電硬脆材料、也可加工各種高硬度與高強(qiáng)度的金屬材料。②要求較高的模具的拋磨精加工。超聲波加工應(yīng)用實(shí)例加工硬脆材料的圓孔、異形孔和各種型腔電子元件的切割加工鍺、硅等半導(dǎo)體材料又硬又脆，用機(jī)械切割非常困難，采用超聲波切割則十分有效超聲波焊接8.1.5離子束加工

離子束加工是在真空條件下，把氬、氪、氙等惰性氣體通過離子源產(chǎn)生離子束，經(jīng)過加速、集速和聚焦后，投射到工件表面的加工部位，以達(dá)到加工處理的目的。離子帶正電荷，其質(zhì)量比電子的質(zhì)量大千萬倍，故離子束加速轟擊工件表面，將比電子束具有更大的能量。8.1.5電解加工ECM(電化學(xué)加工)

電解加工是利用金屬在電解液中產(chǎn)生電化學(xué)陽極溶解原理將工件加工成形的.1.直流電源2.送給機(jī)構(gòu)3.工具電極4.工件5.電解液泵6.電解液⑵特點(diǎn)

①能加工各種硬度與強(qiáng)度的金屬材料

②生產(chǎn)率高(約為電火花加工的5~10倍以上)

③工具陰極不會(huì)損耗,壽命長.

④精度難以嚴(yán)格控制,精度為±0.1mm,但表面好,Ra=1.25～0.2.

⑤電解液對(duì)設(shè)備有腐蝕作用,電解產(chǎn)物需妥善處理。

⑶應(yīng)用

①能加工各種深孔\型孔\型腔和復(fù)雜成型表面.如炮管膛線、葉片型面、模具型腔與花鍵、異型孔及復(fù)雜零件的薄壁結(jié)構(gòu)等。

②電解去毛刺

③電解刻字應(yīng)用例一：葉片的加工葉片是噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、汽輪機(jī)戶的關(guān)鍵零件，它的形狀復(fù)雜，精度要求高，生產(chǎn)批量大。采用電解加工，不受材料硬度和韌性的限制，在一次行程中可加工出復(fù)雜的葉片型面，比機(jī)械加工有明顯的優(yōu)越性。應(yīng)用例二：電解去齒輪毛刺8.1.6快速成型法RapidPrototyping快速成形技術(shù)是綜合利用CAD技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、激光加工技術(shù)和材料技術(shù)實(shí)現(xiàn)從零件設(shè)計(jì)到三維實(shí)體原型制造一體化的系統(tǒng)技術(shù)。它采用軟件離散一材料堆積的原理實(shí)現(xiàn)零件的成形。分層實(shí)體制造（LaminatedObjectManufacturing

LOM）RP與反求工程用數(shù)字化信號(hào)對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)及其加工過程進(jìn)行控制的一種加工。數(shù)控機(jī)床數(shù)控編程數(shù)控加工10.2數(shù)控加工10.2.1數(shù)控機(jī)床介紹數(shù)控機(jī)床用零件的加工程序（軟件）代替了普通機(jī)床中大量的凸輪、擋塊、限位開關(guān)等硬件。編制零件的程序比制造大量的硬件容易得多。數(shù)控機(jī)床分為普通數(shù)控機(jī)床（NC）和計(jì)算機(jī)數(shù)控機(jī)床（CNC）?，F(xiàn)代的數(shù)控機(jī)床多是CNC機(jī)床。CNC機(jī)床就是將零件加工過程中的各種操作，以及刀具與工件之間的相對(duì)位移，由預(yù)先編制的程廳輸入到數(shù)控裝置，數(shù)控裝量發(fā)出各種指令控制機(jī)床，使機(jī)床自動(dòng)加工出所需要的工件---CNC機(jī)床。1.CNC機(jī)床和普通機(jī)床區(qū)別（1）CNC機(jī)床一般具有手動(dòng)加工(用電手輪)、機(jī)動(dòng)加工和控制程序自動(dòng)加工功能，加工過程一般不需要人工干預(yù)。普通機(jī)床只具有手動(dòng)加工和機(jī)動(dòng)加工功能，加工過程全部由人工干預(yù)。（2）CNC機(jī)床具有CRT屏幕顯示功能，還具有自動(dòng)報(bào)警顯示功能，根據(jù)報(bào)警信號(hào)或報(bào)警提示，可以迅速地尋找機(jī)床故障。普通機(jī)床不具備上述功能。CNC機(jī)床和普通機(jī)床區(qū)別（3）CNC機(jī)床的主傳動(dòng)和進(jìn)給傳動(dòng)采用直流或交流無級(jí)調(diào)速伺服電功機(jī)。一般設(shè)有主軸變速箱和進(jìn)給變速箱，傳動(dòng)鏈短。而普通機(jī)床主傳動(dòng)和進(jìn)給傳動(dòng)一般采用三相交流異步電動(dòng)機(jī)，由變速箱實(shí)現(xiàn)多級(jí)變速以滿足工藝要求，機(jī)床傳動(dòng)鏈長。（4）CNC機(jī)床一般具有工件測量系統(tǒng)。加工過程中一般不需要進(jìn)行工件尺寸的人工測量。而普通機(jī)床在加工過程中，必須由人工不斷地進(jìn)行測量，以保證工件的加工精度。加工流程的區(qū)別2.CNC機(jī)床工作原理閉環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)半閉環(huán)控制系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的基本組成硬件計(jì)算機(jī)伺服機(jī)構(gòu)機(jī)床軟件部分加工數(shù)據(jù)操作系統(tǒng)3.數(shù)控機(jī)床分類（1）按工藝用途分（2）按運(yùn)動(dòng)方式分（3）按控制方式（開環(huán)、閉環(huán)）4.數(shù)控機(jī)床加工特點(diǎn)（1）應(yīng)變能力強(qiáng)，適合多品種、單件小批零件的加工（2）加工精度高，多軸聯(lián)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜輪廓的插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，適于高精度、形狀復(fù)雜零件的加工（3）大大減輕工人的體力勞動(dòng)，適于工序較多而又集中的零件加工（4）具有較高的加工生產(chǎn)率和較低的加工成本（5）有利于實(shí)現(xiàn)機(jī)械加工的現(xiàn)代化管理10.2.2數(shù)控加工編程編程幾何基礎(chǔ)編程一般方法和步驟程序結(jié)構(gòu)和格式手工編程和CAM自動(dòng)編程1.編程幾何基礎(chǔ)機(jī)床坐標(biāo)系刀具相對(duì)于靜止的零件而運(yùn)動(dòng)的原則

標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系采用右手直角笛卡爾坐標(biāo)系

圖3.2右手直角笛卡爾坐標(biāo)系圖3.3立式銑床坐標(biāo)系機(jī)床坐標(biāo)系原點(diǎn)立式銑床機(jī)床原點(diǎn)工件坐標(biāo)系與程序原點(diǎn)程序原點(diǎn)是編程員在數(shù)控編程過程中定義在工件上的幾何基準(zhǔn)點(diǎn)，有時(shí)也稱為工件原點(diǎn)工件坐標(biāo)系與程序原點(diǎn)絕對(duì)尺寸與增量尺寸2.編程的一般方法和步驟3.程序結(jié)構(gòu)和格式4.刀具半徑補(bǔ)償?shù)哪康?/p>

a)外輪廓加工b)內(nèi)輪廓加工10.2.3數(shù)控加工工藝數(shù)控機(jī)床的基本生產(chǎn)過程編制被加工零件程序毛坯零件的裝夾及找正坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)置刀具準(zhǔn)備機(jī)床自動(dòng)加工加工工件的選擇不同類型的零件應(yīng)在不同的機(jī)床上加工2.工件加工工序的劃分刀具集中分序法粗、精加工分序法按加工部位分序法3.工件的裝卡方式4.加工路線的確定應(yīng)盡量減少進(jìn)、退刀時(shí)間和其它輔助時(shí)間在銑削加工零件輪廓時(shí)、要考慮盡量采用順銑加工方式，這樣可以提高零件表面粗糙度和加工精度，減少機(jī)床“顫振”。選樣合理的進(jìn)、退刀位置，盡量避免沿零件輪廓法向切入和進(jìn)給中途停頓。進(jìn)、退刀位置應(yīng)選在不太重要的位置。加工路線一般先加工外輪廓，再加工內(nèi)輪廓。5.切削用量的選擇考慮機(jī)床、刀具、工件三者綜合因素，正確使用冷卻液6.手工編程與CAM自動(dòng)編程(1)手工編程（通用加工指令）目前大多數(shù)系統(tǒng)使用國際通用的ISO格式，分成G指令、M指令、F指令、S指令和T指令一個(gè)完整的程序由程序號(hào)、程序內(nèi)容和程序結(jié)束三部分組成。程序結(jié)構(gòu)例如如下：O0001程序號(hào)N1G90G54G00X0Y0S1000M03；第一程序段N2Z100.0；第二程序段N3G41X20.0Y10.0D01；……………

………….…………..N10G00Z100.0；N11G40X0Y0M05；N12M30；程序結(jié)束(2)CAM自動(dòng)編程【零件信息】→【CAD系統(tǒng)造型】→【CAM系統(tǒng)生成加工代碼】→【數(shù)控機(jī)床】→【零件】標(biāo)準(zhǔn)二軸、三軸（線性軸）加工，應(yīng)用流程框圖加工中心簡介1.工序高度集中2.自動(dòng)換刀3.避免多次裝卡4.特別適合加工位置精度高，形狀復(fù)雜，工序多，的模具和箱體類零件計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)/制造/工藝設(shè)計(jì)CAD/CAM/CAPP計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）柔性制造系統(tǒng)（FMS）和柔性制造單元（FMC）成組技術(shù)（GT）敏捷制造（AgileManufacture)并行工程10.3機(jī)械制造現(xiàn)代化計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)/制造（CAD/CAM)CAD/CAM系統(tǒng)的組成是由計(jì)算機(jī)硬件和軟件構(gòu)成的。設(shè)計(jì)人員通過人機(jī)交互或批處理的方式來控制和操縱運(yùn)行過程，可以完成如產(chǎn)品模型設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)計(jì)算、工程分析、繪圖、仿真和編制數(shù)控加工程序等。計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）將各部門如計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD)、計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)