机械制造工艺理论和技术的发展

机械制造工艺设计中的决策方法
加工工艺
制造工艺设计项目
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
决策方式
数学模型 逻辑推理
○
○
○
○
智能思维 ○
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
○ ○
工厂布局设计车间 工厂、车间设计 工段设计
A5—铣
E3（螺孔）
A6—钻孔/攻丝
加工方法选择决策树
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7.2.4 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。
3
7.1.2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有密切相关 ➢ 传统上，认为工艺是手艺和技艺 ➢ 上世纪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。 ➢ 上世纪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
工艺是制造技术的灵魂、核心和关键
➢ 工艺是设计和制造的桥梁 ➢ 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
例如：在用金刚石车刀进行超精密切削时，其刃口钝圆半径的 大小与切削性能关系十分密切，它影响了极薄切削的切屑厚度， 反映了一个国家在超精密切削技术方面的水平。通常，刃口是在 专用的金刚石研磨机上研磨出来的，国外加工出的刃口钝圆半径 可达2nm，而我国现在还达不到这个水平，这个例子生动地说明了 有些制造技术问题的关键不在设计上，而是在工艺上。
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7.3.1 特种加工技术
慢走丝：走丝作单方向运动，多用铜丝，为一次性使用，走丝速
度一般低于0.2m/min，电极丝走丝平稳无震动，损耗小，因此加工精 度高，表面粗糙度值低，但其导向、張紧机构比较复杂。
慢走丝电火花线切割机床的结构原理图
1-溜板 2-绝缘垫块 3、13-伺服电机 4-工作台 5-放丝卷筒 6、11-导丝轮和旅紧机构 7-导 向装置 8-工作液喷嘴 9-工件 10-脉冲电源 12-收丝卷筒 14-数控装置 15-伺服电机电源
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， 如电火花成形加工、电火花线切割加工、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
已经熔化、气化的材料就从工件的表面迅速被除去。
➢ 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）。
工具电极
直流 脉冲 电源
进给 系统
放电间隙 工件电极
工作液
电火花加工原理图
Real
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7.3.1 特种加工技术
分支终点列出应采取的行动（决策行动）
E4（位置度公差≤0.05）
A1—坐标镗
E1（孔） E5（0.05 ＜位置度公差＜0.25）
加工
E7（直径公差≤ 0.05）
A2—精镗
表面
E6 （位置度公差≥0.25）
E2（槽）
E8（0.05 ＜直径公差＜ 0.25）A3—半精镗
E9（直径公差≥ 0.25）
A4—粗镗
快走丝与慢走丝 快走丝：电极丝多用钼丝，做往复运动，走丝速度一般 为2.5m/s~10m/s左右
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
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
➢ 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。
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7.3.1 特种加工技术
特种加工方法
电火花加工
➢ 工作原理：
利用工具电极与工件电极之间脉冲性火花放电，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，随之产生很高的压力。在这种高压作用下，
工件材料
从金属发展到非金属、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
使用能源
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
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7.2.2 精度原理
机械加工原则
4
7.2.1 加工成形机理
内切削加工
➢ 分离加工的一种，又称套料加工 ➢ 可大的减少材料消耗
激光光束
被加工工件 工具－球 （透明塑料）
a）
b）
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
上模 工件 下模
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7.2.1 加工成形机理
刀具材料
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
加工方法选择决策表
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7.2.4 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。
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7.2.4 工艺决策原理
决策表的每一列均可视 为一条决策规则。
螺孔 槽 孔 位置度公差≤0.05 0.05＜位置公差＜0.25 位置度公差≥0.25 直径公差≤0.05 0.05＜直径公差＜0.25 直径公差≥0.25 粗镗 半精镗 精镗 坐标镗 铣 钻孔，攻丝
√ √
√√√√√ √
√ √√√
√ √
√ ××××× ××××
×× × × ×
2
7.1.1 制造工艺的重要性
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工艺
P a k Lk1 K 1k k P
L
L
P a (1 k) Lk K k (1 k) P
K
K
上式对确定投资方向具有参考意义。
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7.2.4 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”
电火花线切割加工：
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。
储丝筒
导轮 X
电极丝
电火花线切割原理图
Real Real
Y
工件
Real Real
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7.3.1 特种加工技术
电火花加工机床ຫໍສະໝຸດ 197.3.1 特种加工技术
➢ 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——主要功能压缩放电通道区域，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。
工作地设计
○
○
○
材料供应计划
○
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
○
○
材料成本计算
○
生产成本
设备成本计算 加工维持费用计算
○ ○
劳动工资计算
○
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7.2.5 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
Methods
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7.3.1 特种加工技术
特种加工概念
特种加工领域——特种加工又称为非传统性加工（NonTraditional Manufacturing-NTM）。特种加工的概念是相对 的，其内容将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：
1）力学加工：应用机械能来进行加工，如超声波加工、喷射加工、 喷水加工等。
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。
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7.3.1 特种加工技术
➢ 电火花加工类型
电火花成形加工：主要指孔加工，型腔加工等
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7.3.1 特种加工技术
特种加工特点 ➢ 特种加工方法主要不是依靠机械能，而是用其它能量 （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。
数学模型决策——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。
【例】输入劳动力 L 与资本 K 同输出产品 P 的Cobb-Douglas函数：
P a Lk K1k
式中 a、k 为常数，且 0＜k ＜1。其边际生产率分别为：
单件加工成本C
单件加工成本C
vc 切削速度 v
单参数优化问题
vc
fc
切削速度 v
进给 f
两参数优化问题
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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
Development of Mechanical Manufacturing Theory and Technology
7.3 现代制造工艺方法 Modern Manufacturing
定位原理
尺寸链原理
质量统计分析原理
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7.2.3 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，是先进制造技术的专用理论 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
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7.2.4 工艺决策原理
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7.3.1 特种加工技术
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
Development of Mechanical Manufacturing Theory and Technology
7.1 现代制造工艺理论和技术 Modern Manufacturing Theory
and Technology
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7.1.1 制造工艺的重要性