第4章制造自动化技术pptConvertor.docx

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第3章先进制造工艺

本章要点

超精密加工技术

特种加工技术的特点

几种快速原型制造技术

高速加工关键技术

绿色加工技术及其应用

第3章先进制造工艺

AdvancedManufacturingProcess

河南省精品课程“先进制造技术”

3.1.1概述

◆定义先进制造工艺技术是指研究与物料处理过程和物料直接相关的各项技术，要求实现优质、高效、低耗、清洁和灵活。

◆特点

优质

高效

低耗

清洁

灵活

3.1.1概述

◆先进制造工艺技术的内容

精密、超精密加工技术。

它是指对工件表面材料进行去除，使工件的尺寸、表面性能达到产品要求所采取的技术措旌。

当前，纳米（nm）加工技术代表了制造技术的最高精度水平。

超精加工材料由金属扩大到非金属。

根据加工的尺寸精度和表面粗糙度，可大致分为三个不同的档次，如表3-1所示。

表3-1精密加工的尺寸精度和表面粗糙度

尺寸精度/μm

表面粗糙度/μm

精密加工

3～0.3

0.3～0.03

超精密加工（亚微米加工）

0.3～0.03

0.3～0.005

纳米加工

＜0.03

＜0.005

3.1.1概述

精密成形制造技术。

它是指工件成形后只需少量加工或无须加工就可用作零件的成形技术。

它是多种高新技术与传统的毛坯成形技术融为一体的综合技术。

它正在从近净成形工艺（NearNetShapeProcess）向净成形工艺（NetShapeProcess）的方向发展。

特种加工技术。

它是指那些不属于常规加工范畴的加工。

例如，高能束流（电子束、离子束、激光束）加工、电加工（电解和电火花加工）、超声波加工、高压水射流加工以及多种能源的组合加工。

表面工程技术。

它是指采用物理、化学、金属学、高分子化学、电学、光学和机械学等技术及其组合，提高产品表面耐磨、耐蚀、耐热、耐辐射、抗疲劳等性能的各项技术。

它主要包括热处理、表面改性、制膜和涂层等技术。

第3章先进制造工艺

AdvancedManufacturingProcess

河南省精品课程“先进制造技术”

3.2.1概述

◆超精密加工技术是指被加工零件的尺寸精度高于0.1μm，表面粗糙度Ra在0.1~0.025μm之间，以及所用机床定位精度的分辨率和重复性高于0.01μm的加工技术，亦称之为亚微米级加工技术，且正在向纳米级加工技术发展。

目前，超精密加工从单一的金刚石车削，到现代的超精密磨削、研磨、抛光等多种方法的综合运用，已成为现代制造技术中的一个重要组成部分。

超精密加工技术主要包括:

超精密加工的机理，超精密加工的设备制造技术，超精密加工工具及刃磨技术，超精密测量技术和误差补偿技术，超精密加工工作环境等。

3.2.1概述

3.2.1概述

精密与超精密加工特点

3.2.1概述

3.2.1概述

切削在晶粒内进行

切削力＞原子结合力（剪切应力达13000N/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

◆机理、特点

3.2.2金刚石超精密加工技术

★加工设备

要求高精度、高刚度、良好稳定性、抗振性及数控功能等。

◆关键技术

3.2.2金刚石超精密加工技术

车床主轴装在横向滑台（X轴）上，刀架装在纵向滑台（Z轴）上。

可解决两滑台的相互影响问题，而且纵、横两移动轴的垂直度可以通过装配调整保证，生产成本较低，已成为当前金刚石车床的主流布局。

T形布局（图7-19）

3.2.2金刚石超精密加工技术

金刚石车床主要性能指标（表7-5）

3.2.2金刚石超精密加工技术

◆金刚石刀具

超精切削刀具材料：

天然金刚石，人造单晶金刚石

金刚石的晶体结构：

规整的单晶金刚石晶体有八面体、十二面体和六面体，有三根4次对称轴，四根3次对称轴和六根2次对称轴（图7-20）。

3.2.2金刚石超精密加工技术

金刚石晶体的面网距和解理现象

◎金刚石晶体的（111）晶面面网密度最大，耐磨性最好。

◎（100）与（110）面网的面间距分布均匀；（111）面网的面间距一宽一窄（图7-21）

◎在距离大的（111）面之间，只需击破一个共价键就可以劈开，而在距离小的（111）面之间，则需击破三个共价键才能劈开。

◎在两个相邻的加强（111）面之间劈开，可得到很平的劈开面，称之为“解理”。

3.2.2金刚石超精密加工技术

金刚石刀具刃磨—通常在铸铁研磨盘上进行研磨

—晶向选择应使晶向与主切削刃平行

—圆角半径越小越好（理论可达到1nm）

金刚石刀具角度（图7-22）

3.2.2金刚石超精密加工技术

金刚石车床

加工4.5mm陶瓷球

图3-2金刚石车床及其加工照片

3.2.2金刚石超精密加工技术

◆砂轮材料：

金刚石，立方氮化硼（CBN）

3.2.3超硬磨料砂轮超精密磨削

◆ELID（ElectrolyticIn-ProcessDressing）

使用ELID磨削，冷却液为一种特殊电解液。

通电后，砂轮结合剂发生氧化，氧化层阻止电解进一步进行。

在切削力作用下，氧化层脱落，露出了新的锋利磨粒。

由于电解修锐连续进行，砂轮在整个磨削过程保持同一锋利状态。

3.2.3超硬磨料砂轮超精密磨削

◆塑性（延性）磨削

磨削脆性材料时，在一定工艺条件下，切屑形成与塑性材料相似，即通过剪切形式被磨粒从基体上切除下来。

磨削后工件表面呈有规则纹理，无脆性断裂凹凸不平，也无裂纹。

塑性磨削工艺条件：

（1）切削深度小于临界切削深度，它与工件材料特性和磨粒的几何形状有关。

一般临界切削深度＜1μm。

为此对机床要求：

①高的定位精度和运动精度。

以免因磨粒切削深度超过1μm时，导致转变为脆性磨削。

②高的刚性。

因为塑性磨削切削力远超过脆性磨削的水平，机床刚性低，会因切削力引起的变形而破坏塑性切屑形成的条件。

（2）磨粒与工件的接触点的温度高到一定程度时，工件材料的局部物理特性会发生变化，导致切屑形成机理的变化（已有试验作支持）。

3.2.3超硬磨料砂轮超精密磨削

砂带：

带基材料为聚碳酸脂薄膜，其上植有细微砂粒。

砂带在一定工作压力下与工件接触并作相对运动，进行磨削或抛光。

有开式（图7-25）和闭式两种形式，可磨削平面、内外圆表面、曲面等（图7-27）。

◆精密与超精密砂带磨削

3.2.3超硬磨料砂轮超精密磨削

图7-26用于磨削管件的砂带磨床（带有行星系统）

3.2.3超硬磨料砂轮超精密磨削

几种常见砂带磨削方式（图7-27）

3.2.3超硬磨料砂轮超精密磨削

砂带磨削特点

1）砂带与工件柔性接触，磨粒载荷小，且均匀，工件受力、热作用小，加工质量好（Ra值可达0.02μm）。

3）强力砂带磨削，磨削比（切除工件重量与砂轮磨耗重量之比）高，有“高效磨削”之称。

4）制作简单，价格低廉，使用方便。

5）可用于内外表面及成形表面加工。

2）静电植砂，磨粒有方向性，尖端向上（图7-28），摩擦生热小，磨屑不易堵塞砂轮，磨削性能好。

3.2.3超硬磨料砂轮超精密磨削

机理：

微切削＋被加工材料的微塑性流动作用

★弹性发射加工

◆游离磨料加工

抛光轮：

由聚氨基甲酸（乙）酯制成，磨料直径0.1～0.01μm

3.2.3超硬磨料砂轮超精密磨削

工作原理（图7-30）

抛光工具上开有锯齿槽，靠楔形挤压和抛光液的反弹，增加微切削作用。

机理：

微切削作用。

工作原理（图7-31）

活性抛光液和磨粒与工件表面产生固相反应，形成软粒子，使其便于加工。

机理：

机械+化学作用，称为“增压活化”。

★液体动力抛光

★机械化学抛光

3.2.3超硬磨料砂轮超精密磨削

激光由于其优良的特性（强度高，亮度大，单色性、相干性、方向性好等）在精密测量中得到广泛应用。

可以测量长度，小角度，直线度，平面度，垂直度等；

也可以测量位移，速度，振动，微观表面形貌等；

还可以实现动态测量，在线测量，并易于实现测量自动化。

激光测量精度目前可达0.01μm。

激光测量

3.2.4激光测量

激光高速扫描尺寸计量系统（图7-32）

3.2.4激光测量

双频激光测量（图7-33）

经分光镜，折射一小部分，经干涉测量仪获得拍频Δf（=f1－f2）的参考信号。

大部分激光到偏振分光镜：

垂直线偏振光f1被反射，再经固定反射棱镜反射回来；水平线偏振光f2全部透射，再经移动反射棱镜反射回来。

该信号与参考信号比较，获得±Δf2的具有长度单位当量的电信号。

由于使用频率差Δf进行测量，使其不受环境变化影响，可获得高的测量精度和测量稳定性。

氦氖激光器发出的激光，在轴向强磁场作用下，产生频率f1和f2旋向相反的圆偏振光，经1/4波片形成频率f1的垂直线偏振光和频率f2的水平线偏振光。

经透镜组成平行光束。

3.2.4激光测量

3.2.4激光测量

◆恒温——要求：

±1℃～±0.01℃

实现方法：

大、小恒温间+局部恒温（恒温罩，恒温油喷淋）

◆恒湿——要求：

相对湿度35%～45%，波动±10%～±1%实现方法：

采用空气调节系统

◆净化——要求：

10000～100级（100级系指每立方英尺空气中所含大于0.5μm尘埃个数不超过100）

实现方法：

采用空气过滤器，送入洁净空气

◆隔振——要求：

消除内部、隔绝外部振动干扰

实现方法：

隔振地基，隔振垫层，空气弹簧隔振器

精密与超精密加工环境

3.2.5超精密加工环境

第3章先进制造工艺

AdvancedManufacturingProcess

河南省精品课程“先进制造技术”

微细加工——通常指1mm以下微细尺寸零件的加工，其加工误差为0.1μm～10μm。

超微细加工——通常指1μm以下超微细尺寸零件的加工，其加工误差为0.01μm～0.1μm。

精度表示方法——一般尺寸加工，其精度用误差尺寸与加工尺寸比值表示；微细加工，其精度用误差尺寸绝对值表示。

“加工单位”——去除一块材料的大小，对于微细加工，加工单位可以到分子级或原子级。

微切削机理——切削在晶粒内进行，切削力要超过晶体内分子、原子间的结合力，单位面积切削阻力急剧增大。

3.3.1微细与超微细加工技术

3.3.1微细与超微细加工技术

◆主要采用铣、钻和车三种形式，可加工平面、内腔、孔和外圆表面。

◆刀具：

多用单晶金刚石车刀、铣刀（图3-35）。

铣刀的回转半径（可小到5μm）靠刀尖相对于回转轴线的偏移来得到。

当刀具回转时，刀具的切削刃形成一个圆锥形的切削面。

3.3.1微细与超微细加工技术

微小位移机构，微量移动应可小至几十个纳米。

高灵敏的伺服进给系统。

要求低摩擦的传动系统和导轨支承系统，以及高跟踪精度的伺服系统。

高的定位精度和重复定位精度，高平稳性的进给运动。

低热变形结构设计。

刀具的稳固夹持和高的安装精度。

高的主轴转速及动平衡。

稳固的床身构件并隔绝外界的振动干扰。

具有刀具破损检测的监控系统。

◆微细机械加工设备

◆FANUCROBOnanoUi型微型超精密加工机床（图3-36）

3.3.1微细与超微细加工技术

机床有X、Z、C、B四个轴，在B轴回转工作台上增加A轴转台后，可实现5轴控制，数控系统的最小设定单位为1nm。

可进行车、铣、磨和电火花加工。

旋转轴采用编码器半闭环控制，直线轴则采用激光全息式全闭环控制。

为了降低伺服系统的摩擦，导轨、丝杠螺母副以及伺服电机转子的推力轴承和径向轴承均采用气体静压结构。

3.3.1微细与超微细加工技术

载流导体：

◎逆压电材料（如压电陶瓷PZT）——电场作用引起晶体内正负电荷重心位移（极化位移），导致晶体发生形变。

◎磁致伸缩材料（如某些强磁材料）——磁场作用引起晶体发生应变。

◆直接线性驱动（直线电机驱动）

工作原理：

载流导体在电场（或磁场）作用下产生微小形变，并转化为微位移（图3-37）。

3.3.1微细与超微细加工技术

图3-37电磁驱动装置（直线电机）工作原理

3.3.1微细与超微细加工技术

3.3.1微细与超微细加工技术

直线驱动与伺服电机驱动比较（表3-7）

3.3.1微细与超微细加工技术

电极线沿着导丝器中的槽以5～10mm/min的低速滑动，可加工圆柱形的轴（图3-39）。

如导丝器通过数字控制作相应的运动，还可加工出各种形状的杆件（图3-40）。

◆线放电磨削法（WEDG）

3.3.1微细与超微细加工技术

图3-41电子束光刻大规模集成电路加工过程

◆光刻加工（电子束光刻大规模集成电路）

3.3.1微细与超微细加工技术

要求：

定位精度0.1μm，重复定位精度0.01μm

导轨：

硬质合金滚动体导轨，或液（气）静压导轨

工作台：

粗动—伺服电机+滚珠丝杠

微动—压电晶体电致伸缩机构

工作台微动的形成：

X运动：

Py1＝Py2

Px长度变化

Y运动：

Py1＝Py2

Py1长度变化

Z转动：

Py1≠Py2

◆加工设备（电子束光刻大规模集成电路）

3.3.1微细与超微细加工技术

利用氩（Ar）离子或其它带有10keV数量级动能的惰性气体离子，在电场中加速，以极高速度“轰击”工件表面，进行“溅射”加工。

3.3.1微细与超微细加工技术

◎将被加速的离子聚焦成细束，射到被加工表面上。

被加工表面受“轰击”后，打出原子或分子，实现分子级去除加工。

离子束溅射去除加工

◆四种工作方式

3.3.1微细与超微细加工技术

◎离子束溅射去除加工可用于非球面透镜成形（需要5坐标运动），金刚石刀具和冲头的刃磨（图3-45），大规模集成电路芯片刻蚀等。

◎离子束溅射去除加工可加工金属和非金属材料。

3.3.1微细与超微细加工技术

离子束溅射镀膜加工

◎用加速的离子从靶材上打出原子或分子，并将这些原子或分子附着到工件上，形成“镀膜”。

又被称为“干式镀”（图7-46）

◎离子镀氮化钛，即美观，又耐磨。

应用在刀具上可提高寿命1-2倍。

◎溅射镀膜可镀金属，也可镀非金属。

◎由于溅射出来的原子和分子有相当大的动能，故镀膜附着力极强（与蒸镀、电镀相比）。

3.3.1微细与超微细加工技术

◎用高能离子（数十万KeV）轰击工件表面，离子打入工件表层，其电荷被中和，并留在工件中（置换原子或填隙原子），从而改变工件材料和性质。

◎可用于半导体掺杂（在单晶硅内注入磷或硼等杂质，用于晶体管、集成电路、太阳能电池制作），金属材料改性（提高刀具刃口硬度）等方面。

离子束溅射注入加工

离子束曝光

◎用在大规模集成电路制作中，与电子束相比有更高的灵敏度和分辨率。

3.3.1微细与超微细加工技术

◆通常指纳米级（0.1nm～100nm）的材料、设计、制造、测量和控制技术。

纳米技术涉及机械、电子、材料、物理、化学、生物、医学等多个领域。

◆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。

◆纳米技术研究的主要内容

纳米级精度和表面形貌测量及表面层物理、化学性能检测；

纳米级加工；

纳米材料；

纳米级传感与控制技术；

微型与超微型机械。

3.3.2纳米技术

扫描隧道显微测量（STM）

STM工作原理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。

3.3.2纳米技术

图3-47STM实物照片

3.3.2纳米技术

图3-49用STM移动分子组成的IBM字样

图3-50用STM观察石墨原子排列

3.3.2纳米技术

当探针与试件表面距离达1nm时，形成隧道结（图3-51）。

当偏压Ub小于势垒高度φ时，隧道电流密度为：

式中h——普郎克常数；

e——电子电量；

ka，k0——系数。

由上式可见，探针与试件表面距离d对隧道电流密度非常敏感，这正是STM的基础。

3.3.2纳米技术

两种测量模式

3.3.2纳米技术

关键技术：

（1）STM探针——金属丝经化学腐蚀，在腐蚀断裂瞬间切断电流，获得尖峰，曲率半径为10nm左右。

3.3.2纳米技术

（2）隧道电流反馈控制（图3-54）

3.3.2纳米技术

（3）纳米级扫描运动——压电陶瓷扫描管（图3-55）

（4）信号采集与数据处理——由软件完成。

图3-55压电陶瓷扫描管结构及工作原理

当陶瓷管内壁接地，X轴两外壁电极电压相反时，陶瓷管一侧伸长，另一侧缩短，形成X方向扫描（图3-55b）。

若两外壁电极电压相同，则陶瓷管伸长或缩短，形成Z方向位移。

压电陶瓷扫描管结构见图3-55a，其工作原理见图3-55b。

3.3.2纳米技术

◆原子力显微镜（AFM）

AFM两种测量模式：

◎接触式——探针针尖与试件表面距离＜0.5nm，利用原子间的排斥力。

由于分辨率高，目前采用较多。

其工作原理是：

保持探针与被测表面间的原子排斥力一定，探针扫描时的垂直位移即反映被测表面形貌。

◎非接触式——探针针尖与试件表面距离为0.5～1nm，利用原子间的吸引力。

为解决非导体微观表面形貌测量，借鉴扫描隧道显微镜原理，C.Binning于1986年发明原子力显微镜。

3.3.2纳米技术

◎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。

AFM探针扫描时，因微力簧片压力基本不变，探针随被测表面起伏。

AFM结构（图3-56）

◎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。

3.3.2纳米技术

图3-57AFM实物照片

3.3.2纳米技术

1）以同步加速器放射的短波长（＜1nm）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；

2）用曝光蚀刻图形实体作电铸模具，生成铸型；

3）以生成的铸型作为模具，加工出所需微型零件。

LIGA由深层同步X射线光刻、电铸成形、塑注成形组合而成。

包括三个主要工序（图3-58）：

3.3.2纳米技术

JIT“拉动式”系统

看板管理生产现场物流控制系统，通过看板的传递或运动来控制物流的一种方法

看板在工序间的传递如下：

及时生产技术JIT

看板的形式和分类

形式：

卡片、标签、各种颜色的小球、电视图象等

分类：

生产看板（一般生产看板、三角看板）

取货看板（工序间取货看板、外协取货看板）

看板的使用规则

·不合格件不交后工序（及时发现不合格、暴露问题）

·后工序来取件

禁止不带看板和空容器来取件，不能领取超过看板规定的数量

领取工件时，须将看板系在装工件的容器上

·只生产后工序领取的工件数量

超过看板规定的数量不生产，按看板规定的顺序生产

·均衡化生产

·利用减少看板数量来提高管理水平

及时生产技术JIT

PDM概念

“ProductDataManagement（PDM）isamethodologyandsetoftoolsthathelpanenterprisemanagebothproductdefinitiondataandtheproductdevelopmentprocess.”

PDM是一个方法论和一整套帮助企业管理产品数据和产品研发过程的工具。

产品数据管理PDM

PDM的核心思想:

设计数据的有序、设计过程的优化和资源共享。

产品数据管理（ProductDataManagement，简称PDM）将计算机在产品设计、分析、制造、工艺规划和质量管理等方面的信息孤岛集成在一起，对产品整个生命周期内的数据进行统一的管理，准确的描述了企业意图的全部信息。

PDM以软件技术为基础，以产品为核心，实现对产品相关的数据、过程、资源一体化集成管理的技术。

PDM明确定位为面向制造业，以产品为管理的核心，以数据、过程和资源为管理信息的三大要素。

PDM是一门用来管理所有与产品相关信息（包括零件信息、配置、文档、CAD文件、结构、权限信息等）和所有与产品相关过程（包括过程定义和管理）的技术。

产品数据管理PDM

PDM系统中数据：

过程、资源和产品这前的关系如图1所示

图1产品、过程、数据和资源的关系图

产品数据管理PDM

从两个角度来理解PDM

产品

PDM系统帮助组织产品设计，完善产品结构，确保设计、制造所需的大量的数据和信息清楚明了，从而构筑一个信息平台对产品进行支持和维护，保证有竞争力产品的及时交付。

过程

PDM系统管理产品生命周期的整个过程，组织协调诸如开发过程中设计评审、批准、变更及产品发布等事件，并最终落实到工作流和流程管理

产品数据管理PDM

产品数据管理PDM

PDM主要功能

产品数据管理PDM

文档管理－－内容

存储控制

版本控制

检索

权限控制

浏览及圈阅

产品数据管理PDM

文档管理－－存储控制

产品数据管理PDM

产品结构管理－－内容

产品结构

部件和文档的关联

多视图管理

基线管理

有效性管理

产品数据管理PDM

产品结构管理－－产品结构

由相关的部件与文档组成

采取一种可不断扩展，结构化的形式展示

包含多层次的部件和子部件

涉及到一个部件、文档的的所有版本

代表一个产品的物理结构

产品数据管理PDM

变更管理

跟进变更

识别原因

提出解决方案

实施解决方案

描述症状

尺寸精度/μm

表面粗糙度/μm

精密加工

3～0.3

0.3～0.03

超精密加工（亚微米加工）

0.3～0.03

0.3～0.005

纳米加工

＜0.03

＜0.005

第5章先进生产管理技术

工作流程管理主要实现产品设计与修改过程的跟踪与控制

生命周期和工作流－－工作流

产品数据管理PDM

PDM软件介绍

　　1iMAN集团级PDM

　　2Willchill全面的电子商务解决方案

　　3eMatrix新一代PDM技术领导者

　　4SmartTeam易于实施

　　5XTPDM注重系统的PDM

　　6TH-P3DM提高设计效率

　　7DHPDM轻松实现产品数据管理

　　8UniversalPDM实现通用产品数据管理

　　9WorkMan本色化管理

　　10TopPDM在设计中管理

　　11CPDM基于CORBA/WEB的PDM

　　12OLEPDM企业整体信息集成与共享

　　13TH-AMS一体化企业档案管理系统

　　14IntePDM实用够用

　　15同方PDM一体化集成管理

　　16开目PDM主动灵活

　　17快速实施的产品数据管理SmarTeam