先進加工工藝和工藝裝備

第 10章 先進加工工藝和工藝裝備 本章要點 先進加工工藝 可調(diào)夾具、組合夾具 數(shù)控機床夾具 先進加工工藝技術(shù)是指將原材料轉(zhuǎn)化成 具有一定幾何形狀、一定材料性能和精度要求的 可用零件的一切過程和方法的總稱?，F(xiàn)代社會， 機器和儀器在結(jié)構(gòu)上所表現(xiàn)出的多樣性 是機械制造中采用多種工藝的產(chǎn)物。 當(dāng)代機械制造中采用幾千種工藝規(guī)程， 從簡單的毛坯車削到電子焊接、零件表面層 注入新材料、自動化裝配等。 機械制造工藝可以歸結(jié)為兩大類： 電子工藝和通用機械制造工藝。 第 10章 先進加工工藝和工藝裝備 10.1.1 先進加工工藝概述 第 10章 先進加工工藝和工藝裝備 10.1.1 先進加工工藝概述 材料改性工藝及表面處理工藝 聯(lián)接工藝 成形工藝 變形工藝 切削工藝 成形工藝主要指將不定形的原材料 （塊狀、顆粒狀、液態(tài)或固態(tài)）轉(zhuǎn)化 成所需要形狀的工藝 變形工藝主要包括使工件的原始幾何形狀 從一種狀態(tài)改變?yōu)榱硪环N狀態(tài)， 如鍛造、沖壓、軋制、擠壓、拉拔等。 切削和磨削是傳統(tǒng)的機械加工方法， 材料的切削是制造過程的主要內(nèi)容， 幾乎占全部工藝勞動量的 1/3以上。 主要指將單個工件聯(lián)接成組件或最終產(chǎn)品， 如機械聯(lián)接、焊接、粘接和裝配等工藝。 是指不改變幾何形狀、僅改變工件材料性能， 從而獲得所希望指標(biāo)的工藝， 如材料熱處理工藝等。 非金屬材料 成形 聚合及橡膠材料 成形 陶瓷材料成形 鑄 造 復(fù)合材料成形 普通型砂鑄 造 特種鑄造 壓力鑄造 金屬型鑄造 熔模鑄造 離心鑄造 陶瓷型鑄造 粉末冶金 成形工藝 圖 10.1 成形工藝的分類 第 10章 先進加工工藝和工藝裝備 退 火 重結(jié)晶退火 （ 完全退火 、 擴散退 火 、 球化退火 ） 低溫退火 （ 再結(jié)晶退火 、 去應(yīng)力 退火 ） 正火 、 淬火和 回火 表面淬火 （ 感應(yīng)加熱 、 火焰 加熱 ） 化學(xué)熱處理 （ 滲碳 、 氮化 、 碳氮共滲等 ） 熱處 理 研磨 、 清洗 、 腐蝕 、 電鍍 、 化學(xué) 鍍層 、 熱滲透真空鍍膜 、 氣相沉 積 、 陽極氧化 、 化學(xué)沉積 、 生成 處理 、 著色 、 噴涂 、 涂覆 、 涂層 等 其他 表 面處 理 材料改性 工藝 表面處理 工藝 圖 10.2 常用材料改性工藝及表面處理工藝方 法 第 10章 先進加工工藝和工藝裝備 第 10章 先進加工工藝和工藝裝備 10.1.2 特種加工技術(shù) 特種加工技術(shù) 是指區(qū) 別于傳統(tǒng)切削加工方法， 利用化學(xué)、物理（電、聲、 光、熱、磁）或電化學(xué)方 法對工件材料進行加工的 一系列加工方法的總稱。 化學(xué)加工（ CHM）、電化學(xué)加工（ ECM）、 電化學(xué)機械加工（ ECMM）、電火花加工（ EDM）、 電接觸加工（ RHM）、超聲波加工（ USM）、 激光加工（ LBM）、離子束加工（ IBM）、 電子束加工（ EBM）、等離子體加工（ PAM）、 電液加工（ EHM）、磨料流加工（ AFM）、 磨料噴射加工（ AJM）、 液體噴射加工（ HDM）及各類復(fù)合加工等。 第 10章 先進加工工藝和工藝裝備 特種加工工藝主要用于各種高硬難 熔及具有特殊物理機械性能的材料 和精密細小、形狀復(fù)雜、難以用傳 統(tǒng)切削加工工藝加工的零件。 特種加工的特點： 1）不用機械能，與加工對象的機械性能無關(guān)，有些加工方法，如激光加工、電火花加工、等離子弧加工、電化學(xué)加工等， 是利用熱能、化學(xué)能、電化學(xué)能等，這些加工方法與工件的硬度強度等機械性能無關(guān)， 故可加工各種硬、軟、脆、熱敏、耐腐蝕、高熔點、高強度、特殊性能的金屬和非金屬材料。 2）非接觸加工，不一定需要工具，有的雖使用工具，但與工件不接觸， 因此，工件不承受大的作用力，工具硬度可低于工件硬度， 故使剛性極低元件及彈性元件得以加工。 3）微細加工，工件表面質(zhì)量高，有些特種加工，如超聲、電化學(xué)、水噴射、磨料流等， 加工余量都是微細進行，故不僅可加工尺寸微小的孔或狹縫， 還能獲得高精度、極低粗糙度的加工表面。 4）不存在加工中的機械應(yīng)變或大面積的熱應(yīng)變，可獲得較低的表面粗糙度， 其熱應(yīng)力、殘余應(yīng)力、冷作硬化等均比較小，尺寸穩(wěn)定性好。 5）兩種或兩種以上的不同類型的能量可相互組合形成新的復(fù)合加工， 其綜合加工效果明顯，且便于推廣使用。 6）特種加工對簡化加工工藝、變革新產(chǎn)品的設(shè)計及零件結(jié)構(gòu)工藝性等產(chǎn)生積極的影響。 第 10章 先進加工工藝和工藝裝備 加工方法 可加工材料 尺寸精度 /mm （平均 /最高） 表面粗糙度 Ra/m （平均 /最高） 主要適用范圍 電火花加工 任何導(dǎo)電的金 屬材料， 如硬質(zhì) 合金、 不銹鋼、 淬火鋼、 鈦合金 0.03/0.003 10/0.04 從數(shù)微米的孔、槽到數(shù)米的超大型模具、工件等，如圓 孔、方孔、異形孔、微孔、彎孔、深孔及各種模具； 還可以刻字、表面強化、涂覆加工 電火花線 切割加工 0.02/0.002 5/0.32 切割各種模具及零件，各種樣板等；也常用于鉬、鎢、 半導(dǎo)體材料或貴重金屬的切割 電解加工 0.1/0.01 1.25/0.16 從細小零件到上噸重的超大型工件及模具，如儀表微型 軸、蝸輪葉片、炮管膛線等 電解磨削 0.02/0.001 1.25/0.04 硬質(zhì)合金等難加工材料的磨削以及超精光整研磨、珩磨 超聲波加工 任何脆性材料 0.03/0.005 0.63/0.16 加工、切割脆硬材料，如玻璃、石英、寶石、金剛石、 半導(dǎo)體等 激光加工 任何材料 0.01/0.001 10/1.25 精密加工小孔、窄縫及成形加工、蝕刻；還可焊接、熱 處理 電子束加工 0.01/0.001 10/1.25 在各種難加工材料上打微孔、切縫、蝕刻、焊接等，常 用于中、大規(guī)模集成電路微電子器件 離子束加工 /0.01 /0.01 對零件表面進行超精密加工、超微量加工、拋光、蝕刻、 鍍覆等 常用特種加工方法的性能與適用范圍 10.1.3 微米 /納米技術(shù) 第 10章 先進加工工藝和工藝裝備 微米技術(shù)是指在微米級（ 0.1 100m）的材料、設(shè)計、 制造、測量、控制和應(yīng)用技術(shù)。 從微米 /納米技術(shù)研究的技術(shù)途徑亦可分為兩類：一種是 分子、原子組裝技術(shù)的辦法，即把具有特定理化性質(zhì)的 功能分子、原子、借助分子、原子內(nèi)的作用力，精細地 組成納米尺度的分子線、膜和其他結(jié)構(gòu)，再由納米結(jié)構(gòu) 與功能單元進而集成為微米系統(tǒng)，這種方法稱為由小到 大的方法；另一種是用刻蝕等微細加工方法，將大的材 料割小，或?qū)F(xiàn)有的系統(tǒng)采用大規(guī)模集成電路中應(yīng)用的 制造技術(shù)，實現(xiàn)系統(tǒng)微型化，這種方法亦稱為由大到小 的方法。從目前的技術(shù)基礎(chǔ)分析，由大到小的方法可能 是我們主要應(yīng)用的方法。 10.1.4 快速成形工藝 第 10章 先進加工工藝和工藝裝備 是直接根據(jù)產(chǎn)品 CAD的三維實體模型數(shù)據(jù)，經(jīng)計算機處理后， 將三維模型轉(zhuǎn)化為許多平面模型的迭加， 再通過計算機控制、制造一系列平面模型并加以聯(lián)結(jié)， 形成復(fù)雜的三維實體零件。 快速成形技術(shù)具有以下特點 1）高度柔性 2）技術(shù)的高度集成 3）設(shè)計制造一體化 4）快速性 5）自由成形制造 6）材料的廣泛性 a） b） 傳統(tǒng)加工與快速成型比較 模具 模具 設(shè)計 鑄造 焊接 鍛壓 毛坯 （大于工件） 半成品 半成品 工件 去 除 加 工 設(shè)計 模具 樣品 快 速 成 形 第 10章 先進加工工藝和工藝裝備 第 10章 先進加工工藝和工藝裝備 快速成形技術(shù)的應(yīng)用 5）直接制造金屬型 1）產(chǎn)品設(shè)計評估與功能測驗 2）快速模具制造 3）醫(yī)學(xué)上的仿生制造 4）藝術(shù)品的制造 快速成型過程 噴粘結(jié)劑 噴熱熔材料 三維產(chǎn)品（樣品 /模具） 表面處理 構(gòu)造三維模型 模型近似處理 切片處理 激光 噴射源 固化樹脂 切割箔材 燒結(jié)粉末 第 10章 先進加工工藝和工藝裝備 第 10章 先進加工工藝和工藝裝備 10.1.5 成組技術(shù) 成組技術(shù)（ Group Technology，簡稱 GT） 成組技術(shù)（ GT）的基礎(chǔ)是相似性。相似 性是指不同類型、不同層次的系統(tǒng)間存 在的某些共同的物理、化學(xué)、幾何、生 物學(xué)或功能等方面的具體屬性或特征。 “相似”是指屬性或特征相同，但在數(shù) 值上有差別的現(xiàn)象。 成為進一步發(fā)展計算機輔助設(shè)計（ Computer Aided Design，簡稱 CAD）、計算機輔助工 藝過程設(shè)計（ Computer Aided Process Planning，簡稱 CAPP）、計算機輔助制造 （ Computer Aided Manufacturing，簡稱 CAM）等方面的重要的技術(shù)基礎(chǔ)。 第 10章 先進加工工藝和工藝裝備 本章要點 先進加工工藝 可調(diào)夾具、組合夾具 數(shù)控機床夾具 10.2 可調(diào)夾具、組合夾具 第 10章 先進加工工藝和工藝裝備 10.2.1可調(diào)夾具 通用 可調(diào)夾具和成組夾具 圖 10.4 鉆軸類零件徑向孔的通用可調(diào)夾具 1 移動鉆模板 2 夾緊手柄 3 杠桿壓板 4 壓板支座 5 軸向擋板 6 V型塊 7 附加移動鉆模板 8 軸向定程螺釘 圖 10.7 成組可調(diào)鉆模 1 夾具體 2 可換盤 3 鉆模板組件 4 壓板 第 10章 先進加工工藝和工藝裝備 圖 10.6 按零件相似性分組 通用可調(diào)夾具和成組夾具 圖 10.5 萬能可調(diào)液壓虎鉗 1 傳動裝置 2 夾具體 3 鉗口 4 操縱閥 第 10章 先進加工工藝和工藝裝備 10.2.2拼拆式夾具 拼拆式夾具是將標(biāo)準化的、可互換的零部件裝在基礎(chǔ)件上 或直接裝在機床工作臺上， 并利用調(diào)整件裝配而成。 調(diào)整件有標(biāo)準的或?qū)Ｓ玫模?它是根據(jù)被加工零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計的。 當(dāng)某種零件加工完畢，即把夾具拆開， 將這些標(biāo)準零部件放入倉庫中， 以便重復(fù)用于裝配成加工另一零件的夾具。 這種夾具是通過調(diào)整其活動部分和 更換定位元件的方式重新調(diào)整的。 圖 10.8 拼裝專用夾具 1 壓緊螺釘 2、 3 鉸鏈壓板 4 U形夾具 體 5 鉆腳 6、 7 定位銷 8 浮動壓塊 圖 10.7 成組可調(diào)鉆模 1 夾具體 2 可換盤 3 鉆模板組件 4 壓板 圖 10.8所示便是一種拼裝 專用夾具，由于采用的元 件（包括夾具體）全部是 標(biāo)準元件，由專業(yè)制造廠 提供，因而夾具設(shè)計工作 只需要簡單地表示出各元 件的相互裝配位置。圖拼 拆式夾具的零部件的結(jié)構(gòu) 特點是能多次使用，零部 件有很高的通用性，當(dāng)需 要重新裝配加工某種零件 時，調(diào)整工作簡單。 第 10章 先進加工工藝和工藝裝備 第 10章 先進加工工藝和工藝裝備 10.2.3組合夾具 組合夾具是由一套預(yù)先制好的各種 不同形狀、不同規(guī)格、不同尺寸、 具有完全互換性和高耐磨性、高精 度的標(biāo)準元件及合件，按照不同工 件的工藝要求，組裝成加工所需的 夾具。使用完畢后，可方便地拆散， 洗凈后將其存放，并分類保管，以 便下次組裝另一形式的夾具。如此 周而復(fù)始地循環(huán)下去，直至組合夾 具元件用到磨損極限而報廢為止。 在正常情況下，組合夾具元件能使 用 15年左右。 組合夾具把專用夾具從設(shè)計 制造 使用 報廢的單向過程， 改變?yōu)榻M裝 使用 拆卸 再組裝 再拆卸的循環(huán)過程 第 10章 先進加工工藝和工藝裝備 1）靈活多變 2）節(jié)約大量設(shè)計、制造工時及金屬材料消耗。 3）減少夾具庫存面積，改善管理工作。 4）組合夾具的不足之處為，與專用夾具相比， 一般顯得體積較大、重量較重、剛性也稍差些。 特點 圖 10.9 組合夾具組裝與分解 圖 1 基礎(chǔ)件 2 支承件 3 定 位件 4 導(dǎo)向件 5 夾緊件 6 緊固件 7 其它件 8 合件 第 10章 先進加工工藝和工藝裝備 類 別 精 度 項 目 每 100mm上精度 /mm 一 般 精 度 提 高 精 度 鉆床夾具 鉆鉸兩孔間距離誤差 0.10 0.05 鉆鉸兩孔的平行度誤差 0.10 0.03 鉆鉸兩孔的垂直度誤差 0.10 0.03 鉆鉸上、下兩孔的同軸度誤差 0.03 0.02 鉆鉸圓周孔角度誤差 5 1 鉆鉸圓周孔圓角直徑距離誤差 0.10 0.03 鉆鉸孔與底面垂直度誤差 0.10 0.03 鉆鉸斜孔的角度誤差 10 5 鏜床夾具 鏜兩孔的孔距誤差 0.10 0.02 鏜兩孔的平行度誤差 0.04 0.01 鏜兩孔的垂直度誤差 0.05 0.02 鏜前后兩孔的同軸度誤差 0.03 0.01 銑刨夾具 加工斜面與斜孔的角度誤差 8 2 加工平面的平行度誤差 0.05 0.03 磨床夾具 磨斜面的角度誤差 5 1 磨兩面的平行度誤差 0.03 0.015 磨孔與平面的垂直度誤差 0.03 0.015 磨孔與基面的距離誤差 0.02 0.01 車床夾具 加工孔與孔之間距離誤差 0.05 0.02 加工孔面與基準平面的平行度誤差 0.05 0.02 加工孔與基準平面的垂直度誤差 0.03 0.02 組 合 夾 具 可 達 到 的 加 工 精 度 第 10章 先進加工工藝和工藝裝備 組合夾具的元件 圖 10.11 組合夾具的標(biāo)準元件和組件圖 第 10章 先進加工工藝和工藝裝備 第 10章 先進加工工藝和工藝裝備 本章要點 先進加工工藝 可調(diào)夾具、組合夾具 數(shù)控機床夾具 第 10章 先進加工工藝和工藝裝備 10.3 數(shù)控機床夾具 數(shù)控機床夾具在機床上應(yīng)相對 數(shù)控機床的坐標(biāo)原點具有嚴格 的坐標(biāo)位置以保證所裝夾的工 件處于所規(guī)定的坐標(biāo)位置上。 為此數(shù)控機床夾具常采用網(wǎng)格 狀的固定基礎(chǔ)板 圖 10.12 數(shù)控機床夾具構(gòu)成簡圖 第 10章 先進加工工藝和工藝裝備 圖 10.13 數(shù)控機床夾具 1、 2 坐標(biāo)原點 3 定位支承釘 4 數(shù)控機床工作臺 5 夾具體 6 工件 7 通油孔 8 液壓缸 9 活塞 10 拉桿 11 壓板 圖 10.13所示是鏜箱體孔的數(shù)控 機床夾具。工件 6在本工序鏜削 A、 B、 C3個孔。數(shù)控機床工作 臺 4上設(shè)置坐標(biāo)原點 1，刀具或 者工作臺的運動以原點 1為起點。 夾具上也設(shè)有坐標(biāo)原點 2。夾具 在機床上安裝之后，夾具坐標(biāo) 原點 2相對工作臺坐標(biāo)原點 1的 坐標(biāo)為（）。工件 6在夾具上的 定位是通過限位表面和 3個定位 支承釘 3來完成的。工件的夾緊 是通過 2個液壓缸 8推動活塞 9， 帶動拉桿 10和壓板 11夾緊工件。 定位基準平面與夾具坐標(biāo)原點 2 的坐標(biāo)位置為 a、 b。加工孔到 定位基準平面的坐標(biāo)尺寸分別 為 c、 d、 e、 f。