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机械制造技术

机械制造技术. Mechanical Manufacturing Technology ( 原 《 切削原理与刀具 》) 左 敦 稳 办公室： 15#B318 室，电话： 025-84890779 邮箱： dzuo@jlonline.com. 052 系介绍. 前身： 502 教研室与 505 教研室 国家级重点学科之一 全国首批硕士、博士学位授予权学科 全国首批博士后建站学科 主要研究领域 先进切削加工（难加工材料切削加工、高速铣削加工） 表面改性与抗疲劳加工 电加工（电解、电铸、电化学） 激光加工（切割、焊接、快速原型） 超硬膜与先进刀具、工具

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  1. 机械制造技术 Mechanical Manufacturing Technology (原《切削原理与刀具》) 左 敦 稳 办公室：15#B318室，电话：025-84890779 邮箱：dzuo@jlonline.com

  2. 052系介绍 • 前身：502教研室与505教研室 • 国家级重点学科之一 • 全国首批硕士、博士学位授予权学科 • 全国首批博士后建站学科 • 主要研究领域 • 先进切削加工（难加工材料切削加工、高速铣削加工） • 表面改性与抗疲劳加工 • 电加工（电解、电铸、电化学） • 激光加工（切割、焊接、快速原型） • 超硬膜与先进刀具、工具 • 智能加工（数控、监测、数据库、专家系统）

  3. 绪 论 机械制造技术 • 第一章 加工技术及其发展 -----2学时 • 第二章 切削加工技术 -----6学时 • 第三章 磨削加工技术 -----6学时 • 第四章 光整加工技术 -----4学时 • 第五章 电加工技术 -----5学时 • 第六章 高能束流加工技术 -----6学时 • 第七章 难加工材料与结构的加工技术 -----4学时 • 第八章 加工参数优化技术 -----5学时 • 第九章 绿色加工技术 -----4学时 • 实验课 -----6学时

  4. 总体计划及要求 • 教材及参考书 • 教 材：左敦稳主编，《现代加工技术》（十五规划教材） • 参考书：《金属切削原理与刀具》、《特种加工技术》 • 学习方法 • 定性分析与变化趋势 • 工程问题意识 • 解决实际工程问题 • 纪律要求 • 点名与签名相结合 • 上课时间不得接听手机 • 平时作业（含实验报告）占20~30%的成绩 • 无故旷课3次，取消考试资格 • 不做实验者，无考试资格

  5. 课程的目标 • 理解掌握现代加工技术中的基本概念 • 理解掌握加工过程的一般现象和规律 • 了解加工技术发展的趋势 • 掌握切削加工试验的方法和基本技能 • 了解机械加工性能评价与工件的可加工性评价方法 • 了解特种加工原理及其应用 • 了解绿色加工技术

  6. 第一章 加工技术及其发展 • 制造业为人类的文明创造着辉煌的物质文明。 • 国民经济的支柱产业，国民经济总收入的60%以上来自制造业，世界发达国家无不具有强大的制造业。 • 美国：约1/4人口直接从事制造业，其余人口中又有约半数人所做工作与制造业有关。 第一节 加工技术的地位与作用

  7. 冶金机械 动力机械 纺织机械 建筑机械 家用电器 交通工具 通讯设备 制 造 业 环保设备 出版印刷 军事装备 网络媒体 医疗设备 文化娱乐 机器制造 农业机械 化工设备 图1-1 当今制造业的社会功能

  8. 第一节 加工技术的地位与作用 • 日本由于重视制造业，二次大战后30年时间，发展成为世界经济大国。 • 与此相反，美国在一段相当长时间内忽视了制造技术的发展，结果导致经济衰退，竞争力下降，出现在家电、汽车等行业不敌日本的局面。直至上世纪80年代初，美国才开始清醒，重新关注制造业的发展，至1994年美国汽车产量重新超过日本。

  9. 第一节 加工技术的地位与作用 • 1991年，在美国白宫科学技术政策办公室发表的“美国国家关键技术”报告中，重新确立了制造工业在国民经济中的地位。 • 如今，制造科学在世界上已广泛被认为与信息科学、材料科学、生物科学并列为当今时代的四大支柱学科。

  10. 1.2.2 制造业在国民经济中的地位 美日两国汽车产量在世界市场所占份额 1963年 1983年 美日两国汽车产量变化

  11. 设计技术 制 造 技 术 加工技术 基础设施 • 加工的的目： • 表面几何形状， • 几何精度， • 已加工表面物理性能 支撑技术 第一节 加工技术的地位与作用 采用工具或能量流通过变形、去除、连接、改性或增加材料等方式将工件材料制成满足一定设计要求的半成品或成品的过程技术的总称。

  12. 第一节 加工技术的地位与作用 现代加工技术的则是指满足“高速、高效、精密、微细、自动化、绿色化”特征中一种以上特征的加工技术。

  13. 神州5号

  14. 第二节 加工技术的分类

  15. 加工技术类别 工件外形 工件体积 去除（或减材）加工 变化 减小 增材加工 变化 增大 变形加工 变化 不变 表面加工 不变 不变 第二节 加工技术的分类 • 新的分类方法 不同加工技术的加工特征

  16. 第三节 去除加工技术的发展1. 中国古代切削加工的发展 在周口店北京猿人遗址出土的砍砸器、刮削器 南京北阴阳营及江苏淮安青莲岗出土的新石器时代的石刀和石斧

  17. 青铜器时代－金属切削加工的萌芽 河南汲县山彪镇出土的春秋时代青铜刀、锯、锉 郑州二里冈出土的商代青铜钻

  18. 铁器时代－金属切削加工的起源 河北满城一号汉墓出土的西汉时代五株钱、青铜弩机和箭头

  19. 铣削 磨削 划线和检测 铣刀的刃磨 明代天文仪器上大铜环的加工

  20. 2. 近代切削加工技术的发展 • 机械工程和切削加工的发展, 是在从英国开始的工业革命的浪涛声中取得的 1750年，法国人西奥在车床上安装一个刀架，用丝杠驱动纵向进给，替代从前人们用手握车刀进给的方式，

  21. 英国有一位叫雷诺兹(Reynolds R) 的工程师制造一台矿井中抽水用的蒸汽机, 它的铸铜汽缸。 • 重1.52吨，长3m , 内孔直径为0.933m 1760 年英国加工汽缸内孔的情形

  22. 3. 现代制造技术的发展 • 从18世纪50年代到19世纪末在加工技术领域的主要进展 • 1775年英国人威尔金森制造成功炮管钻孔机，可加工直径达72mm的内孔，并使误差不超过1mm。其刀杆有5m长，改装成为卧式镗床，可加工蒸汽机汽缸并满足精度要求。 • 1776年英国人瓦特发明的蒸汽机成功地进入厂矿使用，汽缸加工难题被攻克。 • 1865年在巴黎举行的国际博览会上，展出了各种各样品种齐全的金属切削加工机床，标志着金属切削加工技术已经发展到一新阶段。 • 1870年俄国人基麦曾解释过切削形成过程。 • 1881年英国人马洛克指出，切削过程基本上是在刀具推挤下使工件材料发生剪切而成为切屑的过程，还强调刀具前刀面上摩擦作用的重要性。

  23. 第三节 去除加工技术的发展 • 进入第一次世界大战（1914-1918）以后，车削、镗削和铣削等加工技术已经比较广泛地应用于机械制造中，机械化、半自动化装备开始进入生产车间，机械制造实现了工业化规模生产。 • 1929年，德国人萨洛蒙进行了高速切削模拟试验，并于1931年发表了著名的高速切削理论，为高速切削技术的发展奠定了基础。 • 1929年，德国人发明了电解加工。 • 1931年，法国人发明了电解磨削加工。 • 1941年，美国人厄恩斯特和麦钦特进行了大量的基础研究工作，发表了关于金属切削过程力学的重要论文，提出了著名的麦钦特方程。 • 1943年，前苏联人发明了放电加工、电火花加工。

  24. 第三节 去除加工技术的发展 • 1950年，德国人发明了电子束加工；美国人发明了超声加工和等离子加工。 • 1952年，在美国麻省理工学院诞生了第一台数控立式铣床，开创了数控加工的新纪元。 • 1958年，美国德州仪器公司和仙童公司各自发明了半导体集成电路，加工技术迈入超精密和微细时代。 • 1959年，诺贝尔奖获得者、量子物理学家理查德·费曼倡导从原子加工零件产品的可能性，纳米加工技术的萌芽开始孕育。 • 同年，美国卡耐·特雷克公司开发成功带有刀具库和自动换刀装置的数控加工中心，实现了工件的一次性装卡多工序加工。

  25. 第三节 去除加工技术的发展 • 1960年，美国休斯研究所的梅曼研制成功第一台世界上激光器——红宝石激光器。在1970年代迎来了激光加工技术的诞生。 • 1970年代，相继发明了离子束加工、等离子流加工、化学加工、液体喷射加工、磨料喷射加工以及挤压珩磨加工等新技术。 • 1980年代以来，随着计算机和数控技术的发展，电火花成形加工设备及工艺已实现了数控化和适应控制化。瑞士、日本等国的电火花机床生产商依靠其在精密机械制造领域的雄厚实力，通过两轴、三轴或多轴的数控系统，解决了工艺技术中的定位精度问题；通过高性能、多参数的适应控制、模糊控制，实现了电火花加工的全自动化。

  26. 第三节 去除加工技术的发展 • 1986年，美国3D SYSTEMS公司据此于1988年研制出第一台激光快速成型机。快速成型加工技术成为CAD/CAM一体化技术的应用典范，它不同于通常“减材”（去除）加工，成为“增材”加工技术代表。 • 1988年，美国政府投资开展大规模“21世纪制造企业战略”研究，提出以现代加工工艺技术为内核的“先进制造技术”发展目标，制定并实施了“先进制造技术计划”和“制造技术中心计划”。 • 1991年，美国白宫科学技术政策办公室发表“美国国家关键技术”报告，重新确立了制造工业的地位。这些举措引发了美国和欧洲、日本在制造技术上的新一轮竞争。

  27. 第三节 去除加工技术的发展 • 1996年，美国制造工程师学会（SME）发表了关于绿色制造的第一本蓝皮书《Green Manufacturing》，引发了绿色加工技术的研究热潮。 • 2000年，美国政府将纳米技术列入国家发展战略，纳米加工技术在全世界范围内成为热门研究主题。 • 走进21世纪后，0.03μm线宽的半导体加工技术已在实验室中诞生；主轴转速100000rpm的铣削加工技术已进入应用；进给精度达1nm的三坐标加工机床已被开发成功，实现了真正意义上的纳米切削加工。

  28. 4. 现代加工技术的发展趋势 • 追求更高的加工精度 • 以高速实现高品质高效加工 • 微细与纳米加工快速发展 • 追求加工智能化 • 更加注重加工的绿色化

  29. 加工精度的发展（1983年，日本谷口纪男Taniguchi N）

  30. 缩短整个生产周期 提高产品质量 降低生产成本 vc2 vc3 vc1 以高速实现高品质高效加工高速切削加工技术 • 减少切削力 • 进给速度提高 • 减少传递到工件上的热量 • 材料去除量增加

  31. 高性能加工中心 VCP/UCP 1000/1350 主轴转速：12000/15000/24000 转/分 工作行程：X轴：1000/800mm Y轴: 1000 mm Z轴: 875mm 快移速度：30 米/分 工作进给：20 米/分 刀库容量：30/46/60/92把 VCP/UCP 600 /800 主轴转速：12000/20000/42000 转/分 工作行程：X轴：600/530mm Y轴: 450 mm Z轴: 450mm 快移速度：22 米/分 工作进给：15 米/分 刀库容量：30把 VCP/UCP 710 主轴转速：12000/20000/42000 转/分 工作行程：X轴：710mm Y轴: 550 mm Z轴: 500mm 快移速度：30 米/分 工作进给：20 米/分 刀库容量：30把

  32. UCP 710 五坐标高速加工中心 主轴最高转速：18000转/分 工作行程： X轴：710mm Y轴: 550 mm Z轴: 500mm 快移速度：30 米/分 工作进给：20 米/分 刀库容量：30把 高速切削加工机床

  33. 超高速切削加工的零件 耐磨环 材料: 淬硬钢HRC 50 • 传统工艺的加工时间 • 非生产时间 2215min • 铣削 155min • 抛光 90min • 总耗时 2460 min = 41 小时 • 高速加工的时间 • 粗加工和半精加工 96min • 精加工 120min • 无需手工修模 • 总耗时 216 = 3 小时 36 分钟 尺寸 420 x 310 x 100 最大进给: 8000mm/min 最大转速: 35000U/min

  34. 超高速切削加工的零件 • 技术数据:粗铣: 8 min精铣: 11 min铣方孔: 3 min刚性攻丝:1 min总加工时间:23 min总费用: 约 60 US$采用铸模法的预算铸模费用: 5000 US$铸造费用:20 US$加工费用:10 US$ 铝制磁通补偿器 尺寸: 80 x 100 x 40mm

  35. 超高速切削加工的零件 • 技术数据: • 粗铣: 42000 rpm, 15000 mm/min • 壁厚: 最小可薄至0.05mm • 壁高: 20mm • 加工时间: 7.5 min • 最短时间内生产出薄壁螺旋片 • 能进行采用常规方法所无法实现的生产 加工铝制螺旋片 尺寸: 80 x 80 x 40 mm

  36. 超高速切削加工的零件 生产管接头用的复杂模具 • 技术数据: • 粗铣: 23000 rpm, 7500 mm/min • 精铣: 36000 rpm, 7000 mm/min • 加工时间:157 min • 用Ø1mm铣刀铣切螺纹轮廓 • 表面质量最佳,可达到镜面级 • 不再需要钳工工序 • 粗铣淬硬钢 材料: 硬度为HRC 60的Stavax材料 尺寸: 120 x 150 x 50 mm

  37. 微细与纳米加工快速发展

  38. 汽车上的微机电器件

  39. MIT研制的微型燃气涡轮发动机

  40. 新概念的微型双组元火箭发动机 能产生15N的推力，推力重量比达 1500:1，是大火箭推进器的10~100倍，反映了微系统的潜力

  41. Inkjet printers Flat panel displays Optical networks CD players Microreactors Mobile phones Lab-on-a-chip Motor management Air bags 微机电系统的应用

  42. STM针尖操纵氙原子 STM 操作 35 Xe原子组成IBM图案 Eigler and SchweizerRef, Nature 344, 524-526 (1990).

  43. STM针尖操纵氙原子

  44. 追求加工智能化 • 基于人工知识系统，自动产生零部件的加工方案和初步的加工参数 。 • 实时监测加工过程。 • 实时优化调整加工参数 。 • 人机一体化的智能交互界面。 • 具有加工经验的自我积累能力，不断获取加工知识、丰富原有的知识系统。

  45. 更加注重加工的绿色化 • 在产品的加工过程中，采用先进的少、无污染加工工艺方法，并尽可能地节省资源。 • 节能：降低去除单位体积材料所需的能量 • 低耗：节省原材料的消耗 • 无废排放：废液、废气、废渣、噪声等有危害的物质减少或消除

  46. 刀具材料的种类 • 金刚石(单晶、多晶、复合片) • CBN(单晶、多晶) • 涂层(单层、多层、复合) • 硬质合金(钨钴类、钨钴钛类、细晶粒) • 陶瓷(氧化物、碳化物、氮化物) • HSS (W-Cr、W-Mo)

  47. 年份 未涂层硬质合金 CVD涂层硬质合金 PVD涂层硬质合金 氧化铝陶瓷 氮化硅陶瓷 金属陶瓷 CBN 金刚石 金刚石涂层 刀具材料的发展：高速钢—硬质合金—陶瓷—超硬材料 1998 25 43 10 4 4 10 2 3 0.2 2005 17 38 15 4 4 11 5 5 1 超硬材料及涂层刀具

  48. 金刚石刀具及工具 化学气相沉积法使用酒精，甲烷，氢气等材料人工合成工业用金刚石薄膜 制备金刚石薄膜设备

  49. H2 CH4 进气管 钟 罩 热 丝 基 体 电 极 出气管 冷却管 ~ ~ + - EACVD法沉积金刚石装置的原理 金刚石刀具及工具 ——氢气分子 ——甲烷分子 ——原 子 氢 ——活性碳氢离子 ——活性碳氢离子 第一阶段：热解过程 第二阶段：传质过程 第三阶段：表面过程

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