先进制造工艺技术讲座0706A

先进制造工艺技术郑华林教授、博导2内容•先进制造技术及其体系结构•先进制造工艺技术及其发展趋势•高速切削加工技术•精密与超精密加工技术•特种加工技术•快速原型制造技术3经济和社会的发展以信息技术为主导的高技术的发展全球化制造TQCSEK从传统的简单、相对稳定的市场到复杂、动态多变的全球市场制造业的新变化4是制造大国，不是制造强国发电设备、机床、汽车、电子制造等产品产量居世界前列，却没有一家装备制造企业能跻身世界500强关键装备大多依赖进口–光电子制造设备的100%–IC制造装备的85%–高档数控机床的70%我国制造科学发展现状原创性的技术和成果缺乏，企业的核心竞争力不足，制造科学基础研究相对薄弱5国别/地区科技计划美国先进制造技术计划关键技术(制造)计划敏捷制造使能技术计划日本智能制造技术国际合作计划欧共体尤里卡计划信息技术研究发展战略计划德国制造2000年计划韩国高级先进技术国家计划(G-7)国外制造科学发展现状•先进制造技术（AMT）是工业发达国家的国家级关键技术和优先发展领域6AMT内涵与体系结构至今尚无明确的和一致公认的定义，可以认为：◆AMT是制造业不断吸收信息技术和现代管理技术的成果，将其综合应用于产品设计、加工、检测、管理、销售、使用、服务乃至回收的制造全过程，以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活生产，提高对动态多变市场的适应能力和竞争力的制造技术的总称。◆要点：AMT定义目标提高制造企业对市场的适应能力和竞争力强调信息技术、现代管理技术与制造技术的有机结合关注信息技术、现代管理技术在整个制造过程中综合应用7AMT轮图AMT内涵与体系结构TQCSE基础制造技术CADCAMNC技术ROBOTFMC清洁生产技术质量与可靠性CE系统管理技术MRPⅡCIMSIMSAM集成技术新型产业及市场需求带动（重大装备、高新技术产业、社会协调发展）系统工程及管理科学信息技术先进制造技术体系图新材料技术新能源技术◆第二个层次是新型的制造单元技术。如制造业自动化单元技术、极限加工技术、质量与可靠性技术、系统管理技术、CAD／CAM、清洁生产技术、新材料成形加工技术、激光与高密度能源加工技术、工艺模拟及工艺设计优化技术等。◆第一个层次是优质、高效、低耗、清洁基础制造技术。包括精密下料、精密塑性成形、精密铸造、精密加工、精密测量、毛坯强韧化、精密热处理、优质高效连接技术、功能性防护涂层及各种与设计有关的基础技术、各种现代管理技术。◆第三个层次是先进制造集成技术。这是应用信息技术和系统管理技术，通过网络与数据库对上述两个层次的技术集成而形成的，如FMS、CIMS、IMS以及虚拟制造技术等。管理数字化设计数字化生产过程数字化加工装备数字化企业数字化先进制造技术以三维CAD为代表的产品创新设计管路设计强度分析结构分析数字预装配CAM装配过程仿真装配过程仿真通过产品设计手段与设计过程的数字化，缩短新产品开发周期，提高企业的产品创新能力。工艺规划先进制造技术以ERP为代表的企业现代管理制造ERPPDMCRMERPPDMSCMERPSCMWCSERPWCSCRM工程供应商用户通过企业内外部管理的数字化，实现制造资源的最优化配置先进制造技术以数控机床为代表的数字化装备通过加工装备的数字化、自动化和精密化，提高产品的加工精度和生产效率。精密工具数控设备柔性生产线先进制造技术12内容•先进制造技术及其体系结构•先进制造工艺技术及其发展趋势•高速切削加工技术•精密与超精密加工技术•特种加工技术•快速原型制造技术13先进制造工艺技术•先进制造工艺技术是在机械制造工艺不断变化与发展后所形成的制造工艺技术，包括：常规工艺经优化后的工艺、不断发展的新型加工方法。•其主要技术体系由先进成形加工技术、现代表面工程技术、先进制造加工技术等构成。•先进制造工艺技术是AMT的核心和基础，任何高级的自动控制系统都无法取代先进制造工艺技术的作用，它反应了制造业的水平14先进制造工艺的特点•1.先进性主要表现在优质、高效、低耗、洁净、柔性五个方面。•2.实用性它是当今或不久将来机械工厂量大面广的看家工艺，一般投资不高，且有不同档次，宜于工厂根据本身的条件通过技术改造予以采纳。•3.前沿性先进制造工艺是高新技术产业化或传统工艺高新技术化的结果，它们是制造工艺研究最为活跃的前沿领域。部分先进制造工艺可能目前应用还不广泛，但是它们代表着某些发展方向，而且可望会得到越来越广泛的应用。15先进制造工艺技术发展趋势采用模拟技术，优化工艺设计•应用模拟技术，可以虚拟显示材料热加工（铸造、锻压、焊接、热处理、注塑等）的工艺过程，预测工艺结果（组织性能质量），并通过不同参数比较以优化工艺设计，确保大件一次制造成功；确保成批件一次试模成功。•模拟技术同样已开始应用于机械加工、特种加工及装配过程，并已向拟实制造成形的方向发展，成为数字化制造的技术基础。X(mm)Y(mm)212223242526012345Temperature(C)40035030025020015010050ProjectName:al380_150_082_000_020X(mm)Y(mm)20212223242526012345Temperature(C)40035030025020015010050ProjectName:al380_300_082_200_020X(mm)Y(mm)20222426012345Temperature(C)40035030025020015010050ProjectName:al380_150_248_000_020X(mm)Y(mm)222324252627012345Temperature(C)40035030025020015010050ProjectName:al380_300_082_000_020不同切削参数切屑形成及温度分布16先进制造工艺技术发展趋势采用模拟技术，优化工艺设计•应用模拟技术，可以虚拟显示材料热加工（铸造、锻压、焊接、热处理、注塑等）的工艺过程，预测工艺结果（组织性能质量），并通过不同参数比较以优化工艺设计，确保大件一次制造成功；确保成批件一次试模成功。•模拟技术同样已开始应用于机械加工、特种加工及装配过程，并已向拟实制造成形的方向发展，成为数字化制造的技术基础。X(mm)Y(mm)4561234Temperature(C)60055050045040035030025020015010050ProjectName:0_1bX(mm)Y(mm)45671234Temperature(C)60055050045040035030025020015010050ProjectName:0_3bX(mm)Y(mm)4567123Temperature(C)60055050045040035030025020015010050ProjectName:0_2b三种刀具切削仿真及切削力比较Time(s)FeedForce00.0010.0020.003-200-10001002003004005006007008004340-3b4340-2b4340-1bFeedForcevsTimeTime(s)CuttingForce00.0010.0020.0032003004005006007008009004340-3b4340-2b4340-1bCuttingForcevsTime17先进制造工艺技术发展趋势成形精度向近无余量方向发展•随着毛坯精密成形工艺的发展，零件成形的形状尺寸精度不断向净成形（NetShapeForming），即近无余量成形方向发展。•“毛坯”与“零件”的界限越来越小。有的毛坯成形后，已接近或达到零件的最终形状和尺寸，磨削后即可装配。成形质量向近无“缺陷”方向发展•近年来热加工界提出了“向近无缺陷”方向发展的目标，这个“缺陷”是指不致引起早期失效的临界缺陷概念。•采取的主要措施有：采用先进工艺，增大合金组织的致密度，为得到健全的铸件、锻件奠定基础；采用模拟技术，优化工艺设计，实现一次成形及试模成功；加强工艺过程监控及无损检测，及时发现超标零件；通过零件安全可靠性能研究及评估，确定临界缺陷量值等。18先进制造工艺技术发展趋势机械加工向超精密、超高速方向发展•超精密加工技术目前已进入纳米加工时代，加工精度达0.025μm，表面粗糙度达0.0045μm。•目前起高速切削铝合金的切削已超过1600m/min；铸铁为1500m/min；超高速切削已成为解决一些难加工材料加工问题的一条途径。采用新型能源及复合加工•激光、电子束、离子束、分子束、等离子体、微波、超声波、电液、电磁、高压水射流等新型能源或能源载体的引入，形成了崭新的特种加工及高密度能切割、焊接、熔炼、锻压、热处理、表面保护等加工工艺或复合工艺。•其中以多种形式的激光加工发展最为迅速。这些新工艺不仅提高了加工效率和质量，同时还解决了超硬材料、高分子材料、复合材料、工程陶瓷等新型材料的加工难题。19先进制造工艺技术发展趋势采用自动化技术，实现工艺过程的优化控制微电子、计算机、自动化技术与工艺设备相结合，形成了从单机到系统，从刚性到柔性，从简单到复杂等不同档次的多种自动化成形加工技术，使工艺过程控制方式发生了质的变化，采用清洁能源及原材料、实现清洁生产•机械加工过程产生大量废水、废渣、废气、噪声、振动、热辐射等，劳动条件繁重危险，已不适应当代清洁生产的要求。•近年来清洁生产成为加工过程的一个新的目标，除搞好三废治理外，重在从源头抓起，杜绝污染的产生。途径为：•一是采用清洁能源•二是采用清洁的工艺材料开发新的工艺方法•三是采用新结构，减少设备的噪声和振动•在清洁生产基础上，满足产品从设计、生产到使用乃至回收和废弃处理的整个周期都符合特定的环境要求的“绿色制造”将成为21世纪制造业的重要特征。20内容•先进制造技术及其体系结构•先进制造工艺技术及其发展趋势•高速切削加工技术•精密与超精密加工技术•特种加工技术•快速原型制造技术21高速切削技术高速切削是一个相对概念，是相对常规切削而言，用较高的切削速度对工件进行切削。一般认为应是常规切削速度的5～10倍。高速切削的速度范围与加工方法和工件材料密切相关。HSC＝High-Speed-CuttingHSM＝High-Speed-MachiningHSM＝High-Speed-MillingHSD＝High-Speed-DrillingHST＝High-Speed-TurningHSTM＝High-Speed-Turn-Milling22高速与超高速切削速度范围10100100010000切削速度V（m/min）塑料铝合金铜铸铁钢钛合金镍合金高速加工的切削速度范围高速加工切削速度范围因不同的工件材料而异◎车削：700-7000m/min◎铣削：300-6000m/min◎钻削：200-1100m/min◎磨削：50-300m/s高速加工切削速度范围随加工方法不同也有所不同高速切削技术231875190010080604020m/min80060040020010820001925195019752000切削速度vc年工具钢铸造硬质合金涂层硬质合金立方聚晶氮化錋CBN聚晶金刚石PCDSiN34金属陶瓷硬质合金氧化陶瓷高速钢20世纪80年代以来，新型刀具材料的发展为高速切削的实际应用创造了条件。高速切削技术24Al2O3基陶瓷刀具端铣调质45＃钢时的切削力高速切削加工中的切削力变化——高速切削的特点之一2000120010008006004001400070140210280350切削分力（N）切削速度（m/min）FzFxFy25高速切削试验中温度与速度的关系——高速切削的特点之二CBN刀具12000C26高速切削可提高加工效率降低加工成本——高速切削的特点之三刀具费用只占总加工成本的4%切削界公认的事实加工效率提高20%加工成本降低15%刀具价格下降20%加工成本降低0.6%刀具寿命延长一倍加工成本降低1.5%加大刀具投入，用先进刀