机械制造工艺学(13)-7

MMT1第7章机械制造工艺理论和技术的发展本章要点先进制造工艺理论与方法现代制造工艺方法先进制造模式智能制造制造系统自动化MMT2第7章机械制造工艺理论和技术的发展本章首先对现代制造工艺理论与技术作概括介绍；然后重点对先进制造技术中与本课程直接有关的内容，即现代制造技术发展的三个重要方面——机械制造自动化技术、精密加工与超精密加工技术和非传统加工技术进行讨论；最后对几种先进制造模式和迅速发展的智能制造技术进行简要说明。学习本章内容，应全面了解先进制造技术的内涵、特点和现代制造技术的主要研究领域及最新发展，并注意把握机械制造技术的发展方向。学习本章目的之一是扩大学习者的思路和视野，因此在内容安排上具有涉及面广、信息量大的特点，讲授时可根据具体情况进行取舍。如有条件可安排参观、调研、报告、观看录像等活动，以增进学习者学习热情和效果。本章建议课上学时4～8。学习指南MMT3机械制造技术基础第7章机械制造工艺理论和技术的发展DevelopmentofMechanicalManufacturingTheoryandTechnology7.1概述IntrductionMMT47.1.1制造工艺的重要性工艺是连接设计和制造的桥梁。设计的可行性往往会受到工艺的制约。应该用广义制造的概念将“设计”和“工艺”统一起来。工艺是制造技术的灵魂、核心和关键工艺是生产中最活跃的因素同样的设计可以通过不同的工艺方法来实现，在效率、成本、环保等方面会有很大差别，工艺是生产中最活跃的因素。加工技术的发展往往是从工艺突破的。如电加工及其他特种加工技术的出现使许多传统方法无法加工的工作得以实现。产品质量是一个综合性问题，与设计、工艺技术、管理和人员素质等多个因素有关，但与工艺技术的关系最为密切。世界各工业强国都非常重视制造工艺。MMT57.1.2现代制造工艺理论和技术的发展工艺技术的发展缓慢和工艺问题的不被重视密切相关。传统上，认为工艺是手艺和技艺。20世纪50年代，原苏联的许多学者在德国学者研究的基础上，出版了《机械制造工艺学》、《机械制造工艺原理》等著作，将工艺提高到理论高度。20世纪70年代，又形成了机械制造系统和机械制造工艺系统，工艺技术已形成一门科学。近年来新材料、新产品的出现开辟了许多制造工艺的新领域和新方法——工艺理论、加工方法、制造模式、制造技术和系统等。MMT6机械制造技术基础第7章机械制造工艺理论和技术的发展DevelopmentofMechanicalManufacturingTheoryandTechnology7.2机械制造工艺理论MechanicalManufacturingTheoryMMT77.2.1加工成形机理零件成形方法：分离（去除）加工；结合（堆积、分层）加工；变形（流动）加工。分层加工分层加工：将零件按一定层厚分为若干薄层，逐一加工这些薄层，并在加工的同时将这些薄层依次堆积起来，即可成形。分层加工a）平面分层b）曲面分层c）卷绕分层分类：平面分层；曲面分层；卷绕分层。MMT87.2.1加工成形机理分离加工的一种，又称套料加工。可显著减少材料消耗。内加工分离加工的内切削方式a）激光内切削b）内切削后切开形成上下模激光光束工件（球）被加工工件（透明塑料）上模工件下模MMT97.2.1加工成形机理出现了硬质合金、人造金刚石、立方氮化硼、陶瓷等系列，以及涂层、多元共渗、气相沉积等工艺，同时从湿切削发展到无冷却液的干切削（环保切削）和硬（齿）表面切削等。从金属材料发展到非金属、高分子材料、半导体、陶瓷和石材等。从而发展了半导体、陶瓷和石材等多种加工工艺学。零件成形使用的能源上有力、电、声、化学、电子、离子、激光等，十分丰富，从而发展了电火花加工、超声波加工、化学加工、电子束加工、离子束加工、激光束加工等。刀具材料工件材料使用能源MMT107.2.2精度原理继承性原则——又称“母性”原则、循序渐近原则或“蜕化”原则，指加工用机床（工作母机）精度高于加工工件的精度。创造性原则——又称“进化”原则，可分为直接创造性原则和间接创造性原则。直接创造性原则：利用精度低于工件精度要求的机床，借助于工艺手段和特殊工具，直按加工出精度高于“工作母机”的工件，如“以粗干精”、“以小干大”。间接创造性原则：用较低精度机床和工具，制造出加工精度能满足工件要求的高精度机床和工具，再用这些机床和工具去加工工件。机械加工原则定位原理（1.4节）尺寸链原理（2.4节）质量统计分析原理（4.5节）MMT117.2.3相似性原理和成组技术相似性原理是成组技术的基础。成组技术是一种制造哲理，是先进制造技术的重要理论基础之一。成组技术的核心零件及产品分类编码划分零件组关键机床法顺序分枝法聚类分析法编码分类法势函数法……MMT127.2.4工艺决策原理数学模型决策式中a、k为常数，且0＜k＜1。其边际生产率分别为：例：输入劳动力L与资本K同输出产品P的Cobb-Douglas函数1kkPaLKKPkKLkaKPLPkKLkaLPkkkk)1()1(11上式对确定投资方向具有参考意义。以建立数学模型并求解作为主要的决策方式。数学模型泛指公式、方程式和由公式系列构成的算法等，可分为系统性数学模型、随机性数学模型和模糊性数学模型三类。MMT137.2.4工艺决策原理逻辑性决策——常用决策树与决策表形式决策树——由树根、节点、分支构成；分支上方给出向一种状态转换的可能性或条件（确定性条件）。条件满足，继续沿分支前进，实现逻辑“与”。条件不满足，回出发节点并转向另一分支，实现逻辑“或”。分支终点列出应采取的行动（决策行动）。直径公差≤0.050.05＜直径公差≤0.250.25＜直径公差钻、扩沟槽插、拉铣钻、攻螺纹加工表面加工方法选择决策树钻、扩、铰钻孔5.0＜直径≤12.0内孔外圆内螺纹根节点分支中间节点终节点MMT147.2.4工艺决策原理决策表用表格形式描述事件之间逻辑依存关系。表格分为4个区域，左上角为条件项目，右上角为条件组合，各条件之间为“与”的关系，左下角列出决策项目，右下角为各列对应的决策行动，决策行动之间也是“与”的关系。决策表的每一列均可视为一条决策规则。加工方法选择决策表孔5.0＜直径≤12.0直径公差≤0.050.05＜直径公差≤0.250.25＜直径公差沟槽内孔外圆内螺纹钻扩铰插、拉铣攻螺纹TTTFFFTFFFFFFTFFFFFFTFFFFFFTTFFFFTFFFFFFTFFFFFFT111223111条件条件组合动作决策动作MMT157.2.4工艺决策原理智能思维决策依赖工艺技术人员的经验和智能思维能力来决策，即要应用人工智能。智能是运用知识来解决问题的能力，学习、推理和联想是智能的三大重要因素。智能思维决策的主要方法有：专家系统、模糊逻辑、人工神经网络和遗传算法等。MMT16机械制造工艺设计中的决策方法制造工艺设计项目决策方式数学模型逻辑推理智能思维加工工艺结构工艺性检查定位基准选择工艺路线设计工艺方法确定余量及工序间尺寸计算○○○○○工艺装备通用机床、刀具、夹具、量具选择专用机床、刀具、夹具、量具、辅具设计○○时间定额工时分析研究工时定额计算○○工厂、车间设计工厂布局设计车间工段设计工作地设计○○○供应计划材料供应计划生产设备供应计划工艺装备供应计划劳动力需求计划○○○○生产周期生产周期设计节拍（时间）设计○○生产成本材料成本计算设备成本计算加工维持费用计算劳动工资计算○○○○MMT177.2.5优化原理优化原理——将已有优化方法应用到工艺问题。优化目标——在保证质量前提下，达到最高生产率、最低成本或最大利润率。核心问题——建立和求解优化问题数学模型。单件加工成本与切削速度和进给的关系（参数优化问题）单件加工成本C切削速度v进给ffcvc单件加工成本与切削速度的关系（单参数优化问题）单件加工成本C切削速度vvcMMT18机械制造技术基础第7章机械制造工艺理论和技术的发展DevelopmentofMechanicalManufacturingTheoryandTechnology7.3现代制造工艺方法ModernManufacturingMethodsMMT197.3.1特种加工技术特种加工领域——又称为非传统性加工（Non-TraditionalManufacturing-NTM）。特种加工的概念是相对的，其内容随着加工技术的发展而变化。特种加工方法种类——根据加工机理和所采用能源，可分为：特种加工技术的概念1）力学加工：应用机械能进行加工，如超声波加工、喷射加工、喷水加工等。2）电物理加工：利用电能转换为热能、机械能和光能等进行加工，如电火花加工、电子束加工、粒子束加工等。3）电化学加工：利用电能转换为化学能进行加工，如电解加工、电镀、刷镀、镀膜和电铸加工等。4）激光加工：利用激光光能转化为热能进行加工。5）化学加工：利用化学能或光能转换为化学能来进行加工，如化学铣削和化学刻蚀（即光刻加工）等。6）复合加工MMT207.3.1特种加工技术特种加工的特点特种加工方法主要不是依靠机械能，而是用其他能量（如电能、光能、声能、热能、化学能等）去除材料。特种加工方法由于工具不受显著切削力的作用，对工具和工件的强度、硬度和刚度均没有严格要求。一般不会产生加工硬化现象。且工件加工部位变形小，发热少，或发热仅局限于工件表层加工部位很小区域内，工件热变形小，加工应力也小，易于获得好的加工质量。加工中能量易于转换和控制，有利于保证加工精度和提高加工效率。特种加工方法的材料去除速度，一般低于常规加工方法，这也是目前常规加工方法仍占主导地位的主要原因。MMT217.3.2特种加工方法工作原理：利用工具电极与工件电极之间脉冲性的火花放电，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，随之产生很高压力，使已经熔化、气化的材料从工件表面迅速被除去。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WMV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MMT227.3.2特种加工方法电火花加工机床MMT237.3.2特种加工方法工作要素电极材料——要求导电，损耗小，易加工；常用材料：紫铜、石墨、铸铁、钢、黄铜等，其中石墨最常用。工作液——主要功能是压缩放电通道的区域，提高放电能量密度，加速蚀物排出；常用工作液有煤油、机油、去离子水、乳化液等。放电间隙——合理的间隙是保证火花放电的必要条件。为保持适当的放电间隙，在加工过程中，需采用自动调节器控制机床进给系统，并带动工具电极缓慢向工件进给。脉冲宽度与间隔——影响加工速度、表面粗糙度、电极消耗和表面组织等。脉冲频率高、持续时间短，则每个脉冲去除金属量少，表面粗糙度值小，但加工速度低。通常放电持续时间在2μs至2ms范围内，各个脉冲的能量2mJ到20J（电流为400A时）之间。MMT247.3.2特种加工方法电火花加工类型电火花线切割加工：电火花成形加工：主要指孔加工，型腔加工等。WMVWMVWMV用连续移动的钼丝（或铜丝）作工具阴极，工件为阳极。机床工作台带动工件在水平面内作两个方向移动，可切割出二维图形（参见右图）。同时，丝架可作小角度摆动，可切割出斜面。电火花线切割原理图XY储丝筒导轮电极丝工件MMT257.3.2特种加工方法快走丝：电极丝多用钼丝，做往复运动，走丝速度一般为2.5~10m/s左右。快走丝与慢走丝快走丝电火花线切割机床结构原理图1－走丝溜板2－卷丝筒3－电极丝4－丝架5－下丝臂6－上丝臂7－导丝轮8－工作液喷嘴9－工件10－绝缘垫块11、16－伺服动电机12－工作台13－溜板14－伺服电机电源15－数控装置16－脉冲电源MMT267.3.2特种加工方法