先进制造工艺技术

4
第一节 概 述
一、机械制造工艺的定义和内涵
机械制造工艺： 将各种原材料通过改变其形状、尺寸、性能或相 对位置，使之成为产品或半成品的方法和过程。
2020/6/24
5
粉末冶金
铸造 金 属 锻压 材 料 焊接
毛 坯
热 处 理
切 削 零 装机 加 件 配器
工
➢ 毛坯和零件成形——铸造、锻压、冲压、焊接 、压制、烧结、注塑、压
2020/6/24
16
第二节 精密洁净铸造工艺
本节要点
1.定义 2.近代化学硬化砂铸造工艺 3.高效金属型铸造工艺及设备 •压力铸造 •挤压铸造 •消失模铸造
2020/6/24
17
2020/6/24
18
2020/6/24
19
2020/6/24
20
精密、洁净、高效
2020/6/24
21
2020/6/24
2020/6/24
78
常用精密加工和超精密加工方法
分类
刀具切 切 削加工 削
加工方法 精密、超精密车削 精密、超精密铣削
精密、超精密镗削
加工刀具
精度 /μm
天然单晶金刚石刀具、人 造聚晶金刚石刀具、立方 氮化硼刀具、陶瓷刀具、 硬质合金刀具
1～0.1
微孔钻削
硬质合金钻头，高速钢钻 头
20～10
磨 削
磨料加
工
研
磨
精密、超精密砂轮 磨削 精密、超精密砂带 磨
精密、超精密研磨
油石研磨 磁性研磨 滚动研磨
砂
氧化铝、碳化硅、 轮
立方氮化硼、金刚
石等磨料
砂
带
5～0.5
铸铁、硬木、塑料等研具，
氧化铝、碳化硅、金刚石
等磨料
1～0.1
氧化铝油石、玛瑙油石、 电铸金刚石油石
磁性磨料
固结磨料、游离磨料、化 学或电解作用液体
按加工精度划分，可将机械加工分为普通加工、精密加工、 超精密加工三个阶段。
加工阶段 加工精度
表面粗糙度
加工方法
普通加工 精密加工
低于1µm 0.1～1µm
超精密加工 高于0.1µm
Ra0.1µm以上 Ra0.01～0.1µm
小于Ra0.01µm
车、铣等
金刚车、金刚镗、研磨、 砂带磨削、超精加工
金刚石刀具超精密切削、 超精密磨削加工、超精 密特种加工
外圆、孔、平面
平面、外圆磁盘、 磁头
0.025～0.008
黑色金属、 硬脆材料、 非金属材 料
外圆、孔、平面 平面
0.01
黑色金属
黑色金属 等
外圆 去毛刺 型腔
抛 光
精密、超精密抛光
2020/6/24
抛光器 氧化铝、氧化铬 等磨料
1～0.1
0.025～0.008
黑色金属、 铝合金
外圆、孔、平面
79
超精 加工
电子比较仪
超精密加工
超精密磨床 激光测长仪 精密研磨机 圆度仪轮廓仪
超高精密磨床 激光高精度 超精密研磨机 测长仪
1920 1940
1960 1980
离子束加工 扫描电镜
分子对位加工 电子线分析
2000
年份
仪
精密加工与超精密加工的发展（Taniguchi，1983）
77
1. 精密和超精密加工的划分
当代的精密工程、微细工程和纳米技术是现代技术的 前沿，是明天制造技术的基础。
超精密加工 — 在一定的发展时期，加工精度和表面 质量达到最高程度的加工工艺。
2020/6/24
75
◆ 几种典型精密零件的加工精度（见下表）
几种典型精密零件的加工精度
零件 激光光学零件
多面镜 磁头 磁盘 雷达导波管 卫星仪表轴承 天体望远镜
10～1
表面粗糙度 Ra/μm
0.05～0.008
0.2 0.05～0.008
被加工材 料
金刚石刀 具、有色 金属及其 合金等软 材料，其 他材料刀 具，各种 材料
低碳钢、 铜、铝、 石墨、塑 料
应用 球、磁盘、反射 镜 多面棱体
活塞销孔
印刷线路板、石 墨模具、喷嘴
黑色金属、 硬脆材料、 非金属材 料
工艺技术相结合，多种自动化。
单机自动化 → 系统自动化 刚性自动化 → 柔性自动化 → 综合自动化 工艺过程和工艺参数得到实时优化，提高加工制 造效率和质量。
2020/6/24
14
（5）零件毛坯成形在向少无余量发展
使毛坯从接近零件形状向直接制成工件精密成 形或称净成形的方向发展
毛坯接近或达到零件最终形状。
超硬材料、超塑材料、高分子材料、复合材料、 工程陶瓷、非晶与微晶合金、功能材料。
手段：
改善刀具材料的切削性能，改进设备； 新型的制造工艺，电火花、电解、超声波、电 子束、离子束加工。
2020/6/24
13
（4）自动化和数字化工艺装备的发展提高了机械 加工的效率
微电子、计算机、自动检测和控制技术与制造
25
2020/6/24
26
金属型高压铸造
2020/6/24
27
金属型低压铸造
2020/6/24
28
2020/6/24
29
金属型离心铸
2020/6/24
30
2020/6/24
31
1.压力铸造技术
2020/6/24
32
2020/6/24
33
（6）压铸设备简介
压铸机一般分为热压室压铸机和冷压室压铸机 两大类，而冷压室压铸机按其压室所处的位置 分为立式、卧式、全立式三种。
2020/6/24
34
点合金
2020/6/24
35
3.挤压铸造技术
1937年，苏联，《液态金属模压》，英文译为 《Extrusion Casting》，
实质：浇入金属型中的液态金属，在通过冲头传 递的压力作用下，进行充填、成形和凝固结晶， 从而获得铸件。
2020/6/24
36
2020/6/24
2
第三章 先进制造工艺技术
第七节 超高速加工技术 第八节 超精密加工技术 第九节 微型机械加工技术 第十节 非传统加工技术 第十一节 快速原型制造技术 第十二节 虚拟成形与加工技术
2020/6/24
3
第一节 概 述
本节要点
机械制造工艺的定义和内涵 先进制造工艺的产生、发展和 特点
2020/6/24
塑…
➢ 机械加工——切削、磨削、特种加工
➢ 材料改性与处理——热处理、电镀、转化膜、涂装、热喷涂 …
➢ 机械装配——把零件按一定的关系和要求连接在一起，组合成部件和整台 机械产品，包括零件的固定、连接、调整、平衡、检验和试验等工作
2020/6/24
6
机械制造工艺方法与分类
机械制造工艺方法类别划分及代码（JB/T5992-92）
成形方法有：
传统方法：铸造、锻造、冲裁、焊接和轧制。 先进方法：熔模精密铸造、精密锻造、精密冲 裁、精密焊接和精密切割。
2020/6/24
15
（6）优质清洁表面工程技术的形成和发展
表面工程技术：表面涂覆、表面改性、表面加工 等，来改变形态、化学成分和组织结构。
电刷镀、热喷涂、化学热处理、激光表面处理。 提高产品性能、延长产品使用寿命、装饰环境。
复合加 工
电镀 化学镀 真空 沉积 热侵镀 转化膜 热喷涂
涂装
其他 其他
7
8 装配包装 9 其他
装配 试验与检验
粉末冶金
冷作
非金属成 表面
形
处理
包装 防锈
缠绕
编织
其他
2020/6/24
7
零件成形方法
• 受迫成形 在特定边界和外力约束下 成形，如铸造、锻压、粉末冶金和注射
成形等；
• 去除成形 将材料从基体中分离出 Nhomakorabea 成形，如车、铣、刨、磨、电火花、激
（3）挤压铸造工艺的发展趋势
•用挤压铸造法将液态金属压渗到陶瓷纤维增 强材料中，制成局部增强金属基复合材料，将 成为廉价、便捷的批量生产先进金属基复合材 料的良好方法。 •扩大应用，提高质量，使铸件向更优质、高 性能、大型化、复杂化的方向发展。 •改造原有挤压铸造设备，发展新的挤压铸造 机系列。
2020/6/24
45
4.消失模铸造技术
2020/6/24
46
2020/6/24
47
2020/6/24
48
2020/6/24
49
2020/6/24
50
2020/6/24
51
2020/6/24
52
2020/6/24
53
2020/6/24
54
2020/6/24
55
2020/6/24
56
2020/6/24
70
2020/6/24
71
2020/6/24
72
2020/6/24
73
第三节 超精密加工技术
本节要点
精密和超精密加工的划分 精密和超精密加工主要研究内容 超精密切削加工 超精密磨削和磨料加工
2020/6/24
74
一、概述
发展尖端技术、国防工业、微电子工业都需要精密和 超精密加工出来的仪器设备。
加工精度 形状误差 0.1μm 平面度误差 0.04μm 平面度误差 0.04μm 波度 0.01 ～0.02μm 平面度垂直度误差 ＜ 0.1μm 圆柱度误差 ＜0.01μm 形状误差 ＜ 0.03μm
表面粗糙度
Ra 0.01～0.05μm Ra ＜0.02μm Ra ＜0.02μm Ra ＜0.02μm Ra ＜0.02μm Ra ＜0.002μm Ra ＜0.01μm
先进制造技术
Advanced Manufacturing Technology
2020/6/24
1
第三章 先进制造工艺技术
第一节 概述 第二节 精密洁净铸造工艺 第三节 精确高效金属塑性成形工艺 第四节 优质高效焊接及切割技术 第五节 优质低耗洁净热处理技术 第六节 优质清洁表面工程技术
2020/6/24
22
1.近代化学硬化砂铸造工艺 （1）无机化学粘结剂型（芯）砂 （2）有机化学粘结剂型（芯）砂
2020/6/24
23
2 高效金属型铸造工艺及设备
2020/6/24
24
（3）按金属的充填方式和凝固特点分：金属型 重力铸造、金属型低压铸造、金属型离心铸、金 属型高压铸造、金属型挤压铸造
2020/6/24
20世纪初，高速刚，温度可达500～600ºC，切削速度 30～40m/min;
20世纪30年代，硬质合金，800～1000ºC，速度可达 100m/min；
陶瓷刀具、金刚石刀具、立方氮化硼刀具，耐热温度达 1000ºC以上，切削速度可达1000m/min以上。
2020/6/24
12
（3）新型工程材料的应用推动了制造工艺的进 步和变革
光切割；
• 堆积成形 将材料有序地合并堆积成 形，如快速原形制造、焊接等。
• 生成成形 是利用材料的活性进行成 形的方法。
2020/6/24
8
二、先进制造工艺的产生和发展
先进制造工艺是在传统的机械制造工艺基础上发展来的， 优化后的工艺和新型加工方法。是核心和基础。
（1）制造加工精度不断提高
18世纪，其加工精度为1mm； 19世纪末，0.05mm； 20世纪初，μm级过渡； 20世纪50年代末，实现了μm级的加工精度； 目前达到10nm的精度水平。
37
2020/6/24
38
2020/6/24
39
2020/6/24
40
2020/6/24
41
2020/6/24
42
2020/6/24
43
（2）我国挤压铸造业存在的问题 •挤压铸造设备只相当于国外70年代水平。 •生产规模小，技术含量低。 •产品质量不稳定，废品率高。
2020/6/24
44
珩磨
电火
特种 加工
花加
2020/工6/24
液体动力抛光 水合抛光 磁流体抛光
带有楔槽工作表 面的抛光器 抛光 液
聚氨酯抛光器 抛 光液
非磁性磨料 磁流 体
挤压研抛
粘弹性物质 磨料
喷射加工
磨料 液体
砂带研抛
砂带 接触轮
超精研抛 精密超精加工
研具(脱脂木材， 细毛毡)、磨料、 纯水
磨条 磨削液
精密珩磨
磨条 磨削液
大类
中类代码
代 码
名称
0
1
2
3
4
5
6
7 89
中类名称
0 铸造
砂型铸造 特种铸造
1 压力加工
锻造
轧制
冲压 挤压 旋压 拉拔
其他
2 焊接
电弧焊 电阻焊 气焊 压焊
特种焊接
钎焊
3 切削加工 4 特种加工 5 热处理 6 覆盖层
刃具 加工 磨削
钳加工
电物理加工电化学加工 化学加工
整体热处理表面热处理
化学热处 理
57
2020/6/24
58
2020/6/24
59
2020/6/24
60
2020/6/24
61
2020/6/24
62
2020/6/24
63
2020/6/24
64
2020/6/24
65
2020/6/24
66
2020/6/24
67
2020/6/24
68
2020/6/24
69
2020/6/24
手段：优化加工方法；开发和研制新型刀具材料；研
制超精密机床；对加工精度进行监控。
2020/6/24
9
21世纪的超精密加工将向分子级、原子级精度推进
2020/6/24
10
（2）切削加工速度迅速提高
刀具材料发展。
2020/6/24
11
20世纪前，碳素钢，耐热温度低于200ºC，切削速度不超 过10m/min；
2020/6/24
76
◆ 精密加工与超精密加工的发展（如下图）
加工误差（μm）
102 101 100 10-1 10-2 10-3
1900
2020/6/24
普通加工
加工设备 车床,铣床
精密车床 磨床
测量仪器 卡尺
百分尺 比较仪
精密加工
坐标镗床 坐标磨床
气动测微仪 光学比较仪
金刚石车床 光学磁尺
精密磨床