大学精品课件:现代制造系统(v3)7-1先进技术(高精特种).ppt
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1、现代制造系统,第7章 先进制造技术(1) 东北大学秦皇岛分校 黄亮 n-xyz,引言,先进制造技术通常指机械工程技术、电子技术、自动化技术、信息技术等多种技术为一体所产生的技术、设备和系统的总称。,“先进”本意上是比传统的方法更好,但人们更多关注是否比传统的方法更新。创新的层次分为: 老问题老方法, 老问题新方法, 新问题老方法, 新方法新问题。,第7章 先进制造技术 7.1 先进加工技术 7.1.1 精密与高速加工 7.1.2 特种加工与快速成型 7.1.3 仿生学与机器人 7.1.4 可持续与绿色制造 7.2 先进设计技术,老问题老方法:追求完美就是创新。 创新虽令人向往,但不断改进才是工
2、作的主体。 案例,坦克装甲形式的演变: 早期坦克的正面装甲往往是垂直于地面。 例如前苏联1941年开始服役的kv-2型坦克的炮塔。,案例,坦克装甲形式的演变: 后来,经过实战发现倾斜装甲能够在不改变装甲实际厚度的情况下有效提高装甲的防护能力,因此各种倾斜装甲设计方案被提出来。,1945年出现的IS-3型坦克采用了矛型前装甲和盔装炮塔,将倾斜装甲的理念进行充分地发挥。,战争的需求促进了钢板焊接技术和浇筑技术的发展。 同理,为了应对汽车越来越趋向于流线型的外观设计,还要在减轻重量的同时保障外壳的强度, 差厚钢板的轧制技术成为目前研究的一个热点。,7.1.1 精密与高速加工,比原来做得更好就是先进方
3、法。 做得更好体现在 加工的精度更高,即 (1)超精密加工和(2)纳米技术; 可加工的零件尺寸更小,即 (3)微细加工与超细微加工; 加工速度更快,即 (4)高速加工。,被加工零件的尺寸精度高于0.1m, 表面粗糙度Ra0.1-0.025m之间, 以及所用机床定位精度的分辨率和重复性高于0.01m的加工技术。 目前,超精密加工技术亦称之为亚微米级加工技术,正在向纳米级加工技术发展。 注:1000m(微米)=1mm(毫米); 1000nm(纳米)=1m(微米); 1000pm(皮米)=1nm(纳米)。,(1)超精密加工,(1.1)金刚石加工, 指刀具采用金刚石刀头,包括天然金刚石,人造单晶金刚石
4、等。 适合铜、铝及其合金的精密切削(不适合切铁金属,由于亲合作用,易产生“碳化磨损”,影响刀具寿命和加工质量);适合加工各种红外光学材料如锗、硅等,以及有机玻璃和各种塑料。 典型产品包括光学反射镜、射电望远镜主镜面、大型投影电视屏幕、照像机塑料镜片、树脂隐形眼镜镜片等。,金刚石的加工的特点: 切削在晶粒内进行,切削力原子结合力(剪切应力达 13000 N/ mm2)。刀尖处温度极高,应力极大,普通刀具难以承受。 高速切削(与传统精密切削相反),工件变形小,表层高温不会波及工件内层,可获得高精度和好表面质量。,金刚石车床, 参考视频: “金刚石加工铜工件“。,(1.2)超硬磨料加工, 其主要刀具
5、材料有: 金刚石,立方氮化硼(CBN)。 其加工特点为: 可加工各种高硬度、高脆性金属及非金属材料(铁金属用CBN)。 耐磨性好,耐用度高,磨削能力强,磨削效率高,磨削力小,磨削温度低,加工表面好。,超硬磨料加工的常见形式砂轮加工:,超硬磨料加工的常见形式砂带加工:,用于磨削管件的砂带磨床:,(1.3)激光测距,,双频激光测量系统:,通常指纳米级(0.1nm100nm)的材料、设计、制造、测量和控制技术。 在达到纳米层次后,决非几何上的“相似缩小”,而出现一系列新现象和规律。量子效应、波动特性、微观涨落等不可忽略,甚至成为主导因素。 主要内容包括: 纳米级测量;纳米级加工; 纳米材料;纳米级传
6、感与控制技术; 微型与超微型机械。,(2)纳米技术,(2.1)扫描隧道显微测量(scanning tunneling microscope,STM), 1981年由IBM瑞士苏黎世实验室的G. Binning和H. Rohrer发明,获1986年诺贝尔奖。,G. Binning H. Rohrer,基于量子力学的隧道效应。当两电极之间距离缩小到1nm时,由于粒子波动性,电流会在外加电场作用下,穿过绝缘势垒,从一个电极流向另一个电极。当一个电极为非常尖锐的探针时,由于尖端放电使隧道电流加大。,STM,STM工作过程演示,STM实物照片,参考视频: “扫描隧道显微镜“。,STM实物照片,(左上图)
7、通过扫描隧道显微镜操纵氙原子用35个原子排出的“IBM”字样,(右下图) 石墨三维图像,STM的关键技术: STM探针(纳米级);隧道电流反馈控制; 纳米级扫描运动(压电陶瓷扫描管); 信号采集与数据处理(软件系统)。,压电陶瓷扫描管结构及工作原理,STM针尖,(2.2)原子力显微镜 (atomic force microscope,AFM) AFM探针被微力弹簧片压向试件表面,原子排斥力将探针微微抬起,达到力平衡。 在簧片上方安装STM探针,STM探针与簧片间产生隧道电流,若控制电流不变,则STM探针与AFM探针(微力簧片)同步位移,于是可测出试件表面微观形貌。,扫描探针,磁盘图像,AFM实
8、物照片:,以X射线作为曝光光源,在厚度达0.5mm的光致抗蚀剂上生成曝光图形的三维实体; 用曝光蚀刻图形实体作电铸模具,生成铸型; 以生成的铸型作为模具,加工出所需微型零件。,(2.3)光刻电铸注塑 (lithographic galuanoformung abformung, LIGA)(德文),LIGA工作现场,微细加工(micro machining), 通常指1mm以下微细尺寸零件的加工,其加工误差为0.1m 10m。 超微细加工(super-micro machining), 通常指1m以下超微细尺寸零件的加工,其加工误差为0.01m 0.1m。 加工方法包括细微机械加工和细微电加工
9、。,(3)微细与超微细加工,FANUC 微型超精密加工机床,(3.1)细微机械加工,直线电机驱动定位平台(YOKOGAWA公司),(3.2)细微电加工 (3.2.1)线放电磨削法(wire electro-discharge grinding,WEDG),应用放电腐蚀原理, 能够将工件加工成与刀具相应的形状 。,(3.2)细微电加工 (3.2.2)光刻加工(photo etching), 通过电子束光刻大规模集成电路。,电子束光刻大规模集成电路加工过程,(3.2)细微电加工 (3.2.3)离子束加工(ion beam machining), 包括4种模式: 离子束溅射去除加工,离子束溅射镀膜加
10、工, 离子束溅射注入加工,离子束曝光。,离子束溅射去除加工与离子束溅射镀膜加工:,1978年,CIRP(国际生产工程协会)提出以线速度为500-7000m/min的切削为高速切削。 ISO1940标准规定,主轴转速高于8000rev/min为高速切削。 德国Darmstadt工业大学提出以高于5-10倍普通切削速度的切削定义为高速切削。,(4)高速加工,对于不同的工件材料,其高速切削的速度范围是不同的。考虑到目前的生产实际,不同工件材料切削速度范围的划分如图所示。,高速加工的特点: 加工效率高, 常规切削加工的切削速度高5-10倍, 单位时间材料切除率可提高3-6倍; 切削力小,切削温度低,
11、效率提高可相应地减少刀具进给量, 通常加工切削力至少可降低30, 通常刀具寿命可提高约70; 工件热变形减少, 95以上的切削热来不及传给工件。,高速切削的应用领域: 航空航天工业, 汽车工业, 模具工具制造, 难加工材料, 超精密和微细切削加工领域。,铝制磁通补偿器,尺寸: 80 x 100 x 40mm,高速加工的预算: 粗铣:8min, 精铣:11min, 铣方孔:3min 攻丝:1min, 总时间:23min, 总费用:约60US$。 铸模法的预算: 铸模5000US$, 铸造20US$, 加工10US$。,结论:小批量生产时高速加工的成本比铸模法低。,高速加工的关键技术: 高速主轴单
12、元, 需考虑零件材料、精度、冷却技术和动平衡要求。,高速加工的关键技术: 高速机床床身设计, 要求大质量,热稳定性好,吸收振动性能好。,第一代 龙门结构 铸铁床身,第二代 O形结构 人造大理石床身,高速加工的关键技术: 高速直线电机进给系统, 包括伺服电机及相应的控制系统, 以及气浮、液压或磁悬浮轴承。,高速加工的关键技术: 高速数控系统, 要求具有很高的控制精度和动态响应特性, 并且能够优化刀具行进路径。,高速加工的关键技术: 高速切削刀具技术, 刀具材料要适合高速加工,主要有 陶瓷刀、立方氮化硼、金刚石和涂层刀具; 刀柄要求夹紧力大,精度高。,第7章 先进制造技术 7.1 先进加工技术 7
13、.1.1 精密与高速加工 7.1.2 特种加工与快速成型 7.1.3 仿生学与机器人 7.1.4 可持续与绿色制造 7.2 先进设计技术,老问题新方法:如何找到新的方法? 首先可以换个角度思考问题。 例如,如何实现高速摄像? 胶片切换时间是约束, 某种超高速摄像技术使胶片不动, 而是通过棱镜旋转将图像折射到不同胶片。,发掘新方法有时要不吝采用看上去更麻烦的办法。 案例,难加工材料的螺旋铣削进步钻孔加工。 铣削成本通常大于钻孔,因此用铣削代替钻孔传统被认为是不划算的方式,并且很难控制。 但对于某些合金、陶瓷、复合材料,铣削成孔可以减少轴向形变,并且可以做出大尺寸或者复杂结构的孔,成为一种独辟蹊径
14、的新方法。,发掘新方法不能忽视实验中产生的副产品。 案例,工程陶瓷的引弧微爆加工。 北京装甲兵工程学院的田欣利教授在验证国外文献报道的电子束加工工程陶瓷材料的实验时,发现结果并不理想。 但实验的陶瓷材料上却意外出现了一些小坑。,案例,工程陶瓷的引弧微爆加工。 经分析这些小坑是在刚产生电子束时刻,瞬间出现的电弧轰击材料表面造成的高压产生的。 利用这个原理,田欣利教授研制了专门产生脉冲电弧的设备,形成一种低成本的工程陶瓷材料的粗加工技术,称作引弧微爆加工技术,并申请了专利。,加工的本质是使物料变形, 而物料的变形方法有很多, (1)去除成形(刀具切削,特种加工); (2)压迫成形(锻造、冲压);
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