现代制造技术论文(2)

现代制造技术

系统（FMS）、计算机集成制造系统（CIMS）、智能制造系统（IMS）等。

1.2 现代制造技术的体系结构及分类 1.2.1 现代制造技术的体系结构

现代制造技术所涉及的学科较多，所包含的技术内容较为广泛，1994年美国

联邦科学、工程和技术协调委员会将现代制造技术分为三个技术群：主技术群、支撑技术群和制造技术环境。这三个技术群体相互联系、相互促进，组成一个完整的体系，每个部分均不可缺少，否则就很难发挥预期的整体功能效益。

1.2.2 现代制造技术的分类

根据现代制造技术的功能和研究对象，可将现代制造技术归纳为以下几个方面。

1、现代设计技术

现代设计技术是根据产品功能要求，应用现代技术和科学知识，制定方案并使方案付诸实施的技术。现代设计技术包括：计算机辅助设计、性能优良设计基础技术、竞争优势创建技术、全寿命周期设计、可持续发展产品设计、设计试验技术等。

2、现代制造工艺技术

现代制造工艺技术包括精密和超精密加工、精密成形与特种加工技术等几个方面。

3、制造自动化技术

制造自动化是指用机电设备工具取代或放大人的体力，甚至取代和延伸人的部分智力，自动完成特定的作业，包括物料的存储、运输、加工、装配和检验等各个生产环节的自动化。制造自动化技术设计数控技术、工业机器人技术和柔性制造技术，是机械制造业最重要的基础技术之一。

4、先进生产制造模式和制造系统

先进生产制造模式和制造系统是面向企业生产全过程，是将现代信息技术与生产技术相结合的一种新思想、新哲理，其功能覆盖企业的市场预测、产品设计、加工制造、信息与资源管理直到产品销售和售后服务等各项活动，是制造业的综合自动化的新模式。

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2 特种加工

2.1 特种加工概述

特种加工（nontraditional machining）是相对于一切传统的加工方法而言的。 随着工业生产的发展和科学技术的进步，具有高熔点、高硬度、高强度、高韧性的新型材料不断涌现，而且结构复杂和工艺要求特殊的机械零件也越来越多。这样，仅仅采用传统的机械加工方法来加工这些零件，就会感到十分困难，甚至无法加工。因此，人们除进一步完善和发展传统的机械加工方法外，还借助于现代科学技术的发展，开发了一种有别于传统机械加工的新型加工方法——特种加工，也称为电加工或非传统加工。它与机械加工有本质不同，它不要求工具材料比工件材料更硬，也不需要在加工过程汇总施加明显的机械力，而是直接利用电能、化学能、光能、声能对工件进行加工，以达到一定的形状尺寸和表面粗糙度要求。特种加工的种类很多，主要包括电火花加工、电解加工、点解磨削加工、超声波加工、激光加工、离子束加工、电子束加工等。

2.2 电火花加工（EDM）

电火花加工的原理是基于工具电极与工件电极（正极与负极）质检脉冲性火花放电时的电腐蚀现象来对工件进行加工，以达到一定形状、尺寸和表面粗糙度要求。要将电腐蚀现象用于金属材料的尺寸加工，必须具备如下条件：

（1）放电点必须有足够的火花放电强度，即局部集中的电流密度须高达102～106A/cm2，以使局部金属熔化和气化。

（2）放电是短时间的脉冲放电，放电的持续时间为10-7～10-8S，由于放电持续时间短促，放电时所产生的热量将来不及传散到电极材料内部，以保证良好的加工精度和表面质量。

（3）先后两次脉冲放电之间，要有足够的停歇时间使极间介电液充分电离，恢复其介电性能，以保证每次放电不在同一重复进行，避免发生局部烧伤现象。

（4）工具与工件质检始终维持一定的间隙。

（5）极间充有一定的液体介质，并使脉冲放电产生的电蚀产物及时扩散、排出，使重复性脉冲放电顺利进行。

电火花加工时利用脉冲放电时的电腐蚀现象来进行尺寸加工的，它与机械加工相比，有如下特点：

（1）由于脉冲放电的能量密度很高，故可加工任何硬、脆、韧及高熔点的导电材料，在一定条件下还加工半导电和非导电材料，从而扩大了工程材料的选择

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范围。

（2）加工时，工具电极与工具不接触，二者质检不存在明显的宏观作用力，而且工具材料也不必比工件硬。这不仅有助于工具电极的制造，而且也有利于包括小孔、窄槽在内的各种复杂精密零件的加工，并能在淬火后进行。

（3）脉冲放电的持续时间短，放电时所产生的热量传播范围小，工件表面的热影响区也很小。

（4）脉冲参数可在一个加大范围内调节，故可以在同一台机床上连续进行粗、中、精及精微加工。精加工时的精度能控制其误差小于±0.01mm，表面粗糙度Ra0.63～1.25μm，精微加工时精度可达0.002～0.004mm，表面粗糙度为Ra0.04～0.16μm。

（5）直接利用电能进行加工，便于实现自动化。

2.3 电解加工

电解加工是利用金属在电解液中可以产生阳极溶解的电化学原理来进行尺寸加工的。这种电化学现象在机械工业中早已被用来实现电抛光和电镀，电解加工是在电抛光基础上发展起来的。

电解液时电解加工的关键因素。电解液的种类、浓度、温度、压力及流速等直接影响电解过程，从而影响生产率和加工质量。其主要作用是：

（1）作为导电介质传递电流；

（2）在电场作用下进行电化学反应，使阳极溶解能顺利而有控制地进行； （3）及时带走电解产物及热量，起更新冷却作用。 电解加工的特点如下：

（1）加工范围广。电解加工能加工各种高强度、高硬度、高韧性的导电材料，如硬质合金、淬火钢、不锈钢、耐热合金等难加工材料。

（2）生产效率高。电解加工是特种加工中材料去除速度最快的方法之一，约为电火花加工的5～10倍。

（3）加工过程中无机械切削力和切削热，没有因为力与热给工件带来的变形，可以加工刚性差的薄壁零件，加工表面无残余应力和毛刺，能获得较小的表面粗糙度和一定的加工精度。

（4）加工过程中工具电机理论上无损耗，可长期使用并保持其精度。 （5）电解加工不需要复杂的成形运动就可以加工复杂的空间曲面，而且不会向传统机械加工那样留下条纹痕迹。

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（6）对复杂加工表面的工具电极的设计和制造比较费事，不利于单件小批量生产。

（7）电解加工的加工缺陷主要有空蚀、产生亮点、加工精度低等。 电解加工主要用于切削加工困难的领域，如难加工材料、形状复杂的表面、刚性较差的薄板等。常用的有电解穿孔、电解成形、电解去毛刺、电解切割、电解刻印等。

2.4 电解磨削

电解磨削是电化学腐蚀与机械磨削作用相结合的一种复杂加工方法，比电解加工具有较高的加工精度和较小的表面粗糙度，比机械磨削有较高的生产率。

电解磨削过程中，金属主要是靠电化学阳极溶解作用腐蚀下来的，电解磨轮只起磨去电解产物阳极钝化膜和整平工件表面的作用。电解磨削用的砂轮通常有两种：一是不含磨料的导电砂轮，成形方便，可用车刀修正成各种复杂形状，但其磨削效率低，加工精度低，使用寿命短，故多用于成形磨削的粗加工。另一种是含磨料的导电砂轮，用石墨和金属粉末作导电基体，掺入刚玉和碳化硅磨料颗粒，磨料颗粒不仅可以防止磨削时发生短路，并可机械地刮出工件阳极薄膜和平整工件表面。因此，不仅生产率高，而且可达到很高的加工精度，常用于内外圆磨削和成形磨削的精加工。

与机械磨削相比较，电解磨削具有如下特点：

（1）加工范围广，加工效率高。由于它主要是电解作用，只要选择合适的电解液和加工参数，就可以用来加工任何高硬度与高韧性的金属材料，如硬质合金、耐热合金等。磨削硬质合金时，与普通的金刚石砂轮磨削相比较，加工效率要高3～5倍。

（2）磨削的加工精度和表面质量较高，电解磨削加工中机械磨削力小，磨削热少，不会产生残余应力、变形、烧伤、裂纹和毛刺等缺陷，一般表面粗糙度可达Ra0.16μm。

（3）砂轮损耗少，寿命长。与普通金刚石磨削相比较，电解磨削用的金刚石砂轮消耗速度仅为它们的1/5～1/10，可显著降低成本。

（4）加工刀具等尖锐刃口不易磨削得非常锋利。

（5）机床辅助设备较多，一次性投资较高，同时设备易腐蚀和生锈，污染环境，需采取防护措施。

电解磨削由于集中了电解加工和机械磨削的优点，因此应用范围广，可用于

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内、外圆磨削，平面磨削，工具磨削，成形磨削，用于高强度、高硬度、热敏性和磁敏性等材料。

2.5 超声波加工

超声波加工是利用工具端面做超声频振动，并通过悬浮液中的磨料加工脆硬材料的一种加工方法。超声波加工具体如下特点：

（1）适用于加工各种脆硬材料，特别是不导电的非金属材料（如陶瓷、玻璃、宝石、金刚石等），扩大了磨具材料的选用范围。

（2）工具可用较软的材料做成较为复杂的形状，不需要工具相对于工件作复杂的运动，机床结构简单，操作也方便。

（3）由于去除加工材料是靠极细小磨粒的瞬时局部的撞击作用，故工件表面的宏观作用力很小，不会引起变形和烧伤，表面粗糙度也较高，加工精度可达0.01～0.02mm，而且可以加工薄壁、窄缝、低刚度工件。

2.6 激光加工

激光加工是利用激光器发射出来的具有高方向性和高亮度的激光，通过光学系统把激光束聚焦成一个极小的光斑（直径仅有几微米或几十微米），使光斑处获得极高的能量密度（10～10W/cm）,达到上万摄氏度的高温，从而能在很短的时间内使各种物质熔化和汽化，从而达到蚀除工件材料的目的。

激光加工是一个高位过程，就其机理而言，一般认为，当能量密度极高的激光照射在被加工表面时，光能被加工表面吸收并转换成热能，使照射斑点的局部区域迅速熔化甚至汽化蒸发，并形成小凹坑，同时也开始了热扩散，结果使斑点周围金属熔化，随着激光能量的继续吸收，凹坑中金属蒸汽迅速膨胀，压力突然增加，熔融物被爆炸性地高速喷射出来。其喷射所产生的反冲压力又在工件内部形成一个方向性很强的冲击波。这样，工件材料就在高温熔融和冲击作用下，蚀除了部分物质，从而打出一个具有一定锥度的小孔。

激光加工具有如下特点：

（1）加工范围广。由于其功率密度高，几乎能加工任何金属和非金属材料，如高熔点材料、耐热合金、硬质合金、有机玻璃、陶瓷、宝石、金刚石等硬脆性材料。

（2）操作简单方便。激光加工不需要加工工具，所以不存在工具损耗的问题，也不需要特殊工作环境，可以在任意透明的环境中操作，包括空气、惰性气体、真空、甚至某些液体。

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