精密与超精密加工技术课件

15-1 概述概述l1.1.先进制造技术的概念先进制造技术的概念l先进制造技术是相对于传统制造技术而言的，由先进制造技术是相对于传统制造技术而言的，由于技术的连续渐进式发展，因此很难确切划定于技术的连续渐进式发展，因此很难确切划定传传统制造技术和先进制造技术的分界线统制造技术和先进制造技术的分界线。第第5 5章章 先进制造技术先进制造技术 Advanced manufacturing technology重点：重点：精密与超精密加工技术精密与超精密加工技术、特种加工技术、特种加工技术、现代机械制造系、现代机械制造系统统 难点：难点：绿色制造技术绿色制造技术2l就目前的发展来说就目前的发展来说,先进制造技术先进制造技术可以定义为：可以定义为：l 制造业不断吸收制造业不断吸收机械机械、电子电子、信息信息(计算机与通讯、计算机与通讯、控制理论、人工智能等控制理论、人工智能等)、能源能源及及现代系统管理现代系统管理等方面等方面的成果的成果,并将其综合应用于并将其综合应用于产品设计产品设计、制造制造、检测检测、管管理理、销售销售、使用使用、服务服务乃至乃至回收回收的制造全过程的制造全过程,以实现以实现优质优质、高效高效、低耗低耗、清洁清洁、灵活灵活生产，提高对动态多生产，提高对动态多变的产品市场的适应能力和竞争能力的制造技术的总变的产品市场的适应能力和竞争能力的制造技术的总称。称。3l2.先进制造技术的形成和发展先进制造技术的形成和发展l20世纪世纪80年代末，年代末，美国美国根据本国制造业面临的挑战和机遇，为增强制根据本国制造业面临的挑战和机遇，为增强制造业的竞争力和促进国家经济增长，首先提出了先进制造技术造业的竞争力和促进国家经济增长，首先提出了先进制造技术（Advanced Manufacturing Technology）的概念。并于）的概念。并于1993年批准年批准了由联邦科学、工程与技术协调委员会（了由联邦科学、工程与技术协调委员会（FCCSET）主持实施的先）主持实施的先进制造技术计划。进制造技术计划。l此后，此后，欧洲各国欧洲各国、日本日本以及以及亚洲新兴工业化国家如韩国亚洲新兴工业化国家如韩国等也相继作出等也相继作出响应。进入响应。进入21世纪世纪,先进制造技术发展迅猛，并以其先进性、广泛性、先进制造技术发展迅猛，并以其先进性、广泛性、实用性和集成性等特点交叉渗透到各个学科和专业，逐步形成了一实用性和集成性等特点交叉渗透到各个学科和专业，逐步形成了一个完整的学科技术群。个完整的学科技术群。4l3.先进制造技术的内容体系先进制造技术的内容体系l主要分为主要分为主体技术群主体技术群和和支撑技术群支撑技术群。l1)主体技术群主体技术群l主体技术群包含两个部分：主体技术群包含两个部分：l(1)面向制造的设计技术群面向制造的设计技术群，指用于生产准备（制造准备）的工具群和技术群，指用于生产准备（制造准备）的工具群和技术群，如计算机辅助设计（如计算机辅助设计（CAD）以及工艺过程建模和仿真等。）以及工艺过程建模和仿真等。l(2)制造工艺技术群制造工艺技术群（加工和装配技术群），指用于物质产品（物理实体产品）（加工和装配技术群），指用于物质产品（物理实体产品）生产的过程及设备，不仅涉及机械加工，而且还包括先进热加工工艺（如铸、生产的过程及设备，不仅涉及机械加工，而且还包括先进热加工工艺（如铸、锻、焊）、新型材料（如复合材料、超硬材料、工程陶瓷等）的成形技术以锻、焊）、新型材料（如复合材料、超硬材料、工程陶瓷等）的成形技术以及非常规加工方法（如激光、电磁加工、超塑加工）等诸多领域。及非常规加工方法（如激光、电磁加工、超塑加工）等诸多领域。l2)支撑技术群支撑技术群l支撑技术群是指支持设计和制造工艺两方面取得进步的基础性的核心技术。支撑技术群是指支持设计和制造工艺两方面取得进步的基础性的核心技术。诸如：测试和检验、物料搬运、生产（作业）计划的控制以及包装等。它们诸如：测试和检验、物料搬运、生产（作业）计划的控制以及包装等。它们也是用于保证和改善主体技术群的协调运行所需的技术，是工具、手段和系也是用于保证和改善主体技术群的协调运行所需的技术，是工具、手段和系统集成的基础技术统集成的基础技术。5l本书仅讨论与本书仅讨论与船舶机械制造相关的先进制造技术船舶机械制造相关的先进制造技术。主要包。主要包含两个大的方面：含两个大的方面：l(1)(1)制造系统自动化制造系统自动化l这一领域涉及的技术主要有数控（这一领域涉及的技术主要有数控（NCNC）、计算机辅助工程）、计算机辅助工程（CAECAE）、计算机集成制造系统（）、计算机集成制造系统（CIMSCIMS）、智能制造）、智能制造（IMSIMS）、生产模式技术（如绿色制造（）、生产模式技术（如绿色制造（GMGM）、敏捷制造）、敏捷制造（AMAM）、并行工程（）、并行工程（CECE）、反求工程（）、反求工程（RERE）、快速成型技）、快速成型技术（术（RPRP）、虚拟制造技术（）、虚拟制造技术（VMVM）、网络化制造技术等。）、网络化制造技术等。l(2)(2)先进制造工艺先进制造工艺l如精密加工、特种加工技术、快速成形制造、表面处理技如精密加工、特种加工技术、快速成形制造、表面处理技术、高能密度加工技术等方面。术、高能密度加工技术等方面。6l5.2 5.2 精密与超精密加工技术精密与超精密加工技术 l5.2.1 概述概述l1.1.精密与超精密加工的概念精密与超精密加工的概念l现在，一般将加工精度在现在，一般将加工精度在10m左右，表面粗糙度值为左右，表面粗糙度值为Ra 0.20.8m的加工方法划分为的加工方法划分为一般加工一般加工；l加工精度为加工精度为0.110m，表面粗糙度值为，表面粗糙度值为Ra 0.010.1m的的加工方法划分为加工方法划分为精密加工精密加工；l加工精度高于加工精度高于0.1m，表面粗糙度值小于，表面粗糙度值小于Ra 0.025m的加的加工方法划分为工方法划分为超精密加工超精密加工。l目前超精密加工的水平已达到纳米级，甚至向更高水平发目前超精密加工的水平已达到纳米级，甚至向更高水平发展。展。7l2.2.精密与超精密加工的特点精密与超精密加工的特点l精密加工与超精密加工的主要特点是机床精度高、刚性好，精密加工与超精密加工的主要特点是机床精度高、刚性好，机床具有精确的微量进给装置，机床工作台低速运动稳定机床具有精确的微量进给装置，机床工作台低速运动稳定性好以及工艺系统抗振性好，除此以外，一般还具有如下性好以及工艺系统抗振性好，除此以外，一般还具有如下特点：特点：l1)1)“进化进化”加工原则加工原则l2)2)微量切除微量切除l3)3)系统化系统化l4)4)自动化自动化 l5)5)特种加工方法和复合加工方法特种加工方法和复合加工方法 l6)6)加工检测一体化加工检测一体化 8l5.2.2 金刚石刀具超精密切削金刚石刀具超精密切削l1.金刚石刀具超精密切削机理金刚石刀具超精密切削机理l金刚石刀具超精密切削是金刚石刀具超精密切削是微细切削，切深一般小于晶格的尺寸，切削微细切削，切深一般小于晶格的尺寸，切削就在晶格内进行就在晶格内进行。这时，切削力一定要超过晶体内部非常大的原子、。这时，切削力一定要超过晶体内部非常大的原子、分子结合力，刀刃上所承受的剪切应力也急速地增加并变得非常大，分子结合力，刀刃上所承受的剪切应力也急速地增加并变得非常大，产生很大的热量，导致刀刃切削处的温度极高，因此要求刀具材料不产生很大的热量，导致刀刃切削处的温度极高，因此要求刀具材料不但具有高温强度和高温硬度（但具有高温强度和高温硬度（10000HV）性能，而且本身质地细密，）性能，而且本身质地细密，经过精细研磨，切削刃钝圆半径可达经过精细研磨，切削刃钝圆半径可达0.020.002 m，表面粗糙度可以，表面粗糙度可以很低，能够进行很低，能够进行Ra 0.050.008 m的镜面切削，达到比较理想的效果。的镜面切削，达到比较理想的效果。l金刚石刀具超精密切削是在高速、小切深、小进给量下，以及高应力金刚石刀具超精密切削是在高速、小切深、小进给量下，以及高应力和高温度下进行。由于切屑极薄，切速高，不会波及工件内层，因此和高温度下进行。由于切屑极薄，切速高，不会波及工件内层，因此塑性变形小，同样可以获得高精度、低表面粗糙度的加工表面。塑性变形小，同样可以获得高精度、低表面粗糙度的加工表面。9l 2.金刚石刀具超精密切削的工作要素金刚石刀具超精密切削的工作要素 l金刚石刀具超精密切削的工作要素主要包括金刚石刀具超精密切削的工作要素主要包括刀具、机床、被加工材料、刀具、机床、被加工材料、装夹技术和环境因素装夹技术和环境因素等。等。l(1)金刚石刀具金刚石刀具。金刚石刀具的材质、几何形状、刃磨质量及安装调。金刚石刀具的材质、几何形状、刃磨质量及安装调整对加工质量有直接影响。整对加工质量有直接影响。l(2)机床机床。金刚石刀具超精密切削机床的强度、刚度、稳定性、抗振。金刚石刀具超精密切削机床的强度、刚度、稳定性、抗振性等直接影响加工质量，性等直接影响加工质量，l(3)被加工材料被加工材料。金刚石刀具性脆，抗振、抗冲击性能差。对被加工。金刚石刀具性脆，抗振、抗冲击性能差。对被加工材料的均匀性和微观缺陷应有很高要求。材料的均匀性和微观缺陷应有很高要求。l(4)工件的定位和夹紧工件的定位和夹紧。应持续发展橡胶膨胀芯轴、真空夹具、粘接。应持续发展橡胶膨胀芯轴、真空夹具、粘接法装夹等新的装夹技术。法装夹等新的装夹技术。l(5)工作环境工作环境。精密加工与超精密加工应有恒温、恒湿、净化和抗振。精密加工与超精密加工应有恒温、恒湿、净化和抗振条件，才能保证加工质量。条件，才能保证加工质量。10l 3.金刚石超精密切削的应用金刚石超精密切削的应用l在航空航天上主要用于陀螺仪的内外支在航空航天上主要用于陀螺仪的内外支撑面、反射镜等需要高精度的场合，可撑面、反射镜等需要高精度的场合，可以达到表面粗糙度以达到表面粗糙度0.01m。在可加工材。在可加工材料上，包括塑性材料、有色金属、有机料上，包括塑性材料、有色金属、有机玻璃、各种塑料制品、脆性材料，如硅、玻璃、各种塑料制品、脆性材料，如硅、锗、红外光学晶体。锗、红外光学晶体。l金刚石超精密切削的一个典型代表是由金刚石超精密切削的一个典型代表是由美国国防部高等研究计划局美国国防部高等研究计划局（DARPA）投资，）投资，LLL实验室和空军实验室和空军Wright航空研究所航空研究所等单位合作研制的等单位合作研制的LODTM-大型光学金刚石车床大型光学金刚石车床。该机床。该机床可以加工直径可以加工直径1635 mm500 mm，重，重1360 kg的大型反射镜，如图的大型反射镜，如图5-1所示所示。图图5-1 美国美国LLL实验室的大型光学金刚石车实验室的大型光学金刚石车床（床（LODTM）11l 5.2.4 精密与超精密磨削精密与超精密磨削l利用很细的磨粒或微粉对黑色金属、硬脆材料进行加工，其机理主要利用很细的磨粒或微粉对黑色金属、硬脆材料进行加工，其机理主要是靠砂轮工作面上具有微刃性、等高性的磨粒来实现是靠砂轮工作面上具有微刃性、等高性的磨粒来实现。l精密磨削精密磨削的加工精度一般在的加工精度一般在10.1m，粗糙度则在，粗糙度则在Ra 0.20.025m。超精密磨削超精密磨削是一种亚微米级的加工方法，并正向纳米级发展，它的加是一种亚微米级的加工方法，并正向纳米级发展，它的加工精度一般可以达到或高于工精度一般可以达到或高于0.1m，粗糙度则可以低于，粗糙度则可以低于Ra 0.025m，特别是镜面磨削，其粗糙度可以可以达到特别是镜面磨削，其粗糙度可以可以达到Ra 0.01m。l1超硬砂轮精密与超精密磨削超硬砂轮精密与超精密磨削l超硬砂轮超硬砂轮一般指以金刚石和立方氮化硼（一般指以金刚石和立方氮化硼（CBN）为磨粒的砂轮。采用）为磨粒的砂轮。采用超硬砂轮进行精密与超精密磨削具有以下特点：超硬砂轮进行精密与超精密磨削具有以下特点：l1)可加工各种高硬度、高脆性金属及非金属材料，加工铁金属时则须可加工各种高硬度、高脆性金属及非金属材料，加工铁金属时则须用用CBN；l2)砂轮耐磨性好、耐用度高、磨削能力强、磨削效率高；砂轮耐磨性好、耐用度高、磨削能力强、磨削效率高；l3)磨削力较小、磨削温度低、加工表面质量好。磨削力较小、磨削温度低、加工表面质量好。12l 2 2塑性磨削塑性磨削l在在定工艺条件下，磨削脆性材料时，切屑的形成与塑性定工艺条件下，磨削脆性材料时，切屑的形成与塑性材料相似，即通过剪切的形式被磨粒从基体上切除下来，材料相似，即通过剪切的形式被磨粒从基体上切除下来，这种磨削方式称为这种磨削方式称为塑性磨削塑性磨削（又称延性磨削）。塑性磨（又称延性磨削）。塑性磨削后的工件表面里有规则纹理，无脆性断裂凹凸不平，削后的工件表面里有规则纹理，无脆性断裂凹凸不平，也无裂纹。也无裂纹。l塑性磨削须要注意以下工艺条件。塑性磨削须要注意以下工艺条件。l1)1)切削深度小于临界切削深度，它与工件材料特性和磨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。粒的几何形状有关。l2)2)磨粒与工件的接触点的温度高到一定程度时，工件材磨粒与工件的接触点的温度高到一定程度时，工件材料表面的局部物理特性会发生变化，导致切屑形成机理料表面的局部物理特性会发生变化，导致切屑形成机理的变化。的变化。13l 3.3.精密与超精密砂带磨削精密与超精密砂带磨削l砂带磨削砂带磨削的工作原理如图的工作原理如图5-3所示。所示。砂带是在带基上（带基材料多采用砂带是在带基上（带基材料多采用聚碳酸酯薄膜）粘接细微砂粒（称聚碳酸酯薄膜）粘接细微砂粒（称为为“植砂植砂”）构成的。砂带在一定）构成的。砂带在一定工作压力下与工件接触并做相对运工作压力下与工件接触并做相对运动，工件旋转或移动加工平面，砂动，工件旋转或移动加工平面，砂带头架或工作台作纵向或横向进给，带头架或工作台作纵向或横向进给，从而对工件进行磨削。由于砂带在从而对工件进行磨削。由于砂带在磨削过程中的连续缓慢移动，切削磨削过程中的连续缓慢移动，切削区域不断出现新砂粒，旧砂粒不断区域不断出现新砂粒，旧砂粒不断退出，因此磨削工作状态稳定。退出，因此磨削工作状态稳定。图图5-3 砂带磨削示意图砂带磨削示意图1硬磁盘；硬磁盘；2砂带轮；砂带轮；3砂带；砂带；4接触轮；接触轮；5卷带轮卷带轮14l 5.3 特种加工技术特种加工技术l5.3.1 概述概述l1.特种加工的概念特种加工的概念l特种加工实质上是指直接利用电能、光能、声能、化学能、电化学能、特种加工实质上是指直接利用电能、光能、声能、化学能、电化学能、热能等对材料进行加工的总称。如电火花、电解和电解磨削、激光、热能等对材料进行加工的总称。如电火花、电解和电解磨削、激光、超声波加工等，这些新工艺被统称为超声波加工等，这些新工艺被统称为“特种加工特种加工”。l2.2.特种加工的特点特种加工的特点 l1)1)特种加工方法主要不是依靠机械能，而是用其他能量（如电能、特种加工方法主要不是依靠机械能，而是用其他能量（如电能、光能、声能、热能、化学能等）去除材料。光能、声能、热能、化学能等）去除材料。l2)2)对工具和工件的强度、硬度和刚度均没有严格要求，某些特种加对工具和工件的强度、硬度和刚度均没有严格要求，某些特种加工工艺如激光加工、离子束加工等都不需要任何工具。工工艺如激光加工、离子束加工等都不需要任何工具。l3)3)一般不会产生加工硬化现象，同时工件加工部位变形小，发热少。一般不会产生加工硬化现象，同时工件加工部位变形小，发热少。l4)4)加工中其驱动能量易于转换和控制。加工中其驱动能量易于转换和控制。l5)5)加工速度一般低于常规加工方法。加工速度一般低于常规加工方法。15l 5.3.2 电火花加工电火花加工l1.电火花加工基本原理电火花加工基本原理l 电火花加工（电火花加工（Electrical Discharge Machining，简称，简称EDM），是利用两电极），是利用两电极间脉冲放电时产生的电腐蚀现象，对材料间脉冲放电时产生的电腐蚀现象，对材料进行加工的方法，见图进行加工的方法，见图5-5所示所示 。l2电火花加工的工作要素电火花加工的工作要素l包括包括电极材料、工作液、放电间隙、脉冲电极材料、工作液、放电间隙、脉冲宽度与间隔宽度与间隔等。等。l电极电极要损耗小、导电性好、易加工。常用要损耗小、导电性好、易加工。常用的材料有紫铜、石墨等。的材料有紫铜、石墨等。工作液工作液（煤油、（煤油、机油等）主要功用是压缩放电通过区域，机油等）主要功用是压缩放电通过区域，提高放电能量密度和加速蚀除物的排出。提高放电能量密度和加速蚀除物的排出。合理的合理的间隙间隙是保证是保证火花放电的必要条件。火花放电的必要条件。图图5-5 电火花加工的基本原理电火花加工的基本原理16l 3 3电火花加工的特点电火花加工的特点l1)1)火花放电时产生的高温足以熔化、气化任何材料，能火花放电时产生的高温足以熔化、气化任何材料，能加工传统切加工传统切削加工方法难于加工或无法加工的硬、软、韧、脆、高熔点的材料。削加工方法难于加工或无法加工的硬、软、韧、脆、高熔点的材料。l2)2)被加工件表面的尺寸、形状基本上是工具电极尺寸、形状的复制。被加工件表面的尺寸、形状基本上是工具电极尺寸、形状的复制。l3)3)脉冲放电的持续时间极短，放电时产生的热量传导扩散范围小，脉冲放电的持续时间极短，放电时产生的热量传导扩散范围小，l4)4)电火花加工机床没有复杂的传动运动链，其结构比金属切削机床电火花加工机床没有复杂的传动运动链，其结构比金属切削机床简单，简单，易于实现自动化易于实现自动化。l电火花加工也存在电火花加工也存在些些局限性局限性，主要是，主要是工具电极的精度要比工件的工具电极的精度要比工件的精度高精度高12级级同时加工过程中损耗也大。此外还受电参数等的限制，同时加工过程中损耗也大。此外还受电参数等的限制，使得使得难于进一步提高工件的加工精度难于进一步提高工件的加工精度和和降低表面粗糙度降低表面粗糙度。17l 4 4电火花加工的设备电火花加工的设备l电火花加工设备主要由电火花加工设备主要由直流脉直流脉冲电源冲电源、自动进给和调节系统自动进给和调节系统、液体介质循环系统液体介质循环系统和和机床本体机床本体4 4个部分组成。图个部分组成。图5-75-7所示为立柱所示为立柱式电火花加工机床。式电火花加工机床。l5.5.电火花加工的应用电火花加工的应用l电火花加工的类型主要有电火花加工的类型主要有电火电火花成形加工、电火花线切割加花成形加工、电火花线切割加工、电火花回转加工、电火花工、电火花回转加工、电火花表面强化表面强化和和电火花刻字电火花刻字等。等。图5-7 立柱式电火花机床18l5.3.3 电解加工电解加工l电解加工又称电化学加工电解加工又称电化学加工（Electro-chemical Matchining，简称，简称ECM），是），是利用金属在电解液中发生阳极利用金属在电解液中发生阳极溶解的原理实现金属零件的成溶解的原理实现金属零件的成型加工。型加工。它和机械工业中早已它和机械工业中早已广泛采用的电镀、电解抛光等广泛采用的电镀、电解抛光等在基本原理上是相同的，只不在基本原理上是相同的，只不过在加工条件方面有较大差别。过在加工条件方面有较大差别。电解加工原理如图电解加工原理如图5-9所示，所示，图图5-9 电解加工原理图电解加工原理图1工具阴极；工具阴极；2工件阳极；工件阳极；3泵；泵；4电解液电解液19l2.2.电解加工的工作要素电解加工的工作要素l工作要素包括：工作要素包括：工具电极、电解液、平衡间隙工具电极、电解液、平衡间隙。对。对工具电极工具电极的的基本要求是电极的形状，以保证加工精度。基本要求是电极的形状，以保证加工精度。电解液电解液主要作用是主要作用是传递电流，使工件进行阳极溶解，并破坏阳极表面形成的极化传递电流，使工件进行阳极溶解，并破坏阳极表面形成的极化薄膜，从加工间隙中冲走电解生成物并带走加工中产生的热量。薄膜，从加工间隙中冲走电解生成物并带走加工中产生的热量。l电解加工中零件的加工形状是通过电极和工件间的电解加工中零件的加工形状是通过电极和工件间的平衡间隙平衡间隙形形成的，要设法在合适的平衡间隙下加工。成的，要设法在合适的平衡间隙下加工。l3.3.电解加工的特点电解加工的特点l(1)(1)不受材料硬度、强度、韧性的限制。不受材料硬度、强度、韧性的限制。l(2)(2)加工过程中无切削力和切削热，故加工后表面质量好。加工过程中无切削力和切削热，故加工后表面质量好。l(3)与其他加工方法比，电解加工的生产率较高，约为电火花与其他加工方法比，电解加工的生产率较高，约为电火花加工的加工的510倍倍。l(4)加工过程中加工过程中工具工具电极（阴极）基本不损耗电极（阴极）基本不损耗，可长期使用。，可长期使用。20l电解加工的主要弱点和局限性电解加工的主要弱点和局限性l(1)(1)精度比电火花加工低。精度比电火花加工低。l(2)(2)电解加工附属设备多，占地面积大，初期投资较高。电解加工附属设备多，占地面积大，初期投资较高。l(3)(3)电解液对机床有较高的防腐性要求，电解产物需进电解液对机床有较高的防腐性要求，电解产物需进行妥善处理，否则将污染环境。行妥善处理，否则将污染环境。l4.4.电解加工的设备电解加工的设备l电解加工设备是由电解加工设备是由机床机床、直流电源直流电源和和电解液系统电解液系统三个部三个部分组成的。分组成的。l5.5.电解加工的应用电解加工的应用l电解加工主要用于电解加工主要用于切削加工困难的领域切削加工困难的领域，其类型主要有，其类型主要有电解孔加工、电解套料加工、电解型腔加工、电解成形电解孔加工、电解套料加工、电解型腔加工、电解成形加工等。加工等。21l5.3.4 其他特种加工工艺其他特种加工工艺l其他特种加工工艺包括电解磨削、激光加工、超声加工、离子束其他特种加工工艺包括电解磨削、激光加工、超声加工、离子束加工、电子束加工、化学加工等。加工、电子束加工、化学加工等。l1.电解磨削（电解磨削（Electro Chemical Grinding）l电解磨削是电解作用与机械切削作用相结合的一种复合加工方法。电解磨削是电解作用与机械切削作用相结合的一种复合加工方法。l2.激光加工（激光加工（Laser Beam Machining）l激光加工是利用光能量进行加工的一种方法，激光的强度高，把激光加工是利用光能量进行加工的一种方法，激光的强度高，把激光束聚焦成一个极小的光斑（直径仅为几微米到几十微米），激光束聚焦成一个极小的光斑（直径仅为几微米到几十微米），获得获得1051013Wcm2的能量密度以及万度以上高温，从而能在的能量密度以及万度以上高温，从而能在千分之几秒甚至更短的时间内使各种物质熔化和气化，在工件表千分之几秒甚至更短的时间内使各种物质熔化和气化，在工件表面形成凹坑，同时熔化物被气化所产生的金属蒸气压力推动，以面形成凹坑，同时熔化物被气化所产生的金属蒸气压力推动，以很高的速度喷射出来，以达到蚀除被加工工件的目的。很高的速度喷射出来，以达到蚀除被加工工件的目的。22l3.超声加工（超声加工（Ultra Sonic Machining）l超声加工是利用工超声加工是利用工具端面作超声振动，具端面作超声振动，通过磨料悬浮液加工脆硬材料的一种通过磨料悬浮液加工脆硬材料的一种成型方法成型方法。l目前，超声加工主要应用于脆硬材料目前，超声加工主要应用于脆硬材料的切割、型孔、型腔加工，金属、非的切割、型孔、型腔加工，金属、非金属的焊接，在陶瓷等非金属表面上金属的焊接，在陶瓷等非金属表面上挂锡、挂银，以及工件表面的清洗等。挂锡、挂银，以及工件表面的清洗等。此外还可以与其他方法配合进行复合此外还可以与其他方法配合进行复合加工，如超声车削、超声磨削、超声加工，如超声车削、超声磨削、超声电解加工、超声线切割等，即先采用电解加工、超声线切割等，即先采用磨削、电解加工等工艺进行粗加工和磨削、电解加工等工艺进行粗加工和半精加工，然后再用超声加工进行精半精加工，然后再用超声加工进行精加工。加工。图图5-12 超声波加工示意图超声波加工示意图23l5.4 现代机械制造系统现代机械制造系统l5.4.1 概述概述l机械制造过程是复杂且离散化的生产过程，其各个环机械制造过程是复杂且离散化的生产过程，其各个环节彼此独立但又不断地交叉和融合。随着计算机技术、节彼此独立但又不断地交叉和融合。随着计算机技术、微电子技术和控制技术的迅速发展，由系统论、信息微电子技术和控制技术的迅速发展，由系统论、信息论和控制论所形成的系统科学与方法论，通过机械制论和控制论所形成的系统科学与方法论，通过机械制造过程中各环节之间的相互联系、相互作用、相互制造过程中各环节之间的相互联系、相互作用、相互制约的关系来分析对象，约的关系来分析对象，这种方法论与机械制造科学的这种方法论与机械制造科学的结合，形成了现代机械制造系统结合，形成了现代机械制造系统。24l物料流物料流、能量流能量流和和信息流信息流是组成制造系统的三个基本要是组成制造系统的三个基本要素。图素。图5-135-13表示了制造系统各组成部分间的相互关系。表示了制造系统各组成部分间的相互关系。加工任务加工任务 加工顺序加工顺序加工方法加工方法 物流要求物流要求信信 息息 系系 统统原材料原材料存储存储运输运输检验检验加工加工成品成品能能 源源 系系 统统能源能源能量流能量流 物料流；物料流；信息流；信息流；图图5-13 机械制造系统图机械制造系统图25l5.4.2 计算机集成制造系统计算机集成制造系统l计算机集成制造系统计算机集成制造系统CIMS（Computer Integrated Manufacturing System）的含义可以用图）的含义可以用图5-14表示。表示。计算机集成制造系统是计算机集成制造系统是一个自适一个自适应优化的反馈系统，它的输入是市场对产品的需求和设计人员对产品应优化的反馈系统，它的输入是市场对产品的需求和设计人员对产品的创造性构思，而输出则是经检验合格可交付使用的产品的创造性构思，而输出则是经检验合格可交付使用的产品。创造性（产品构思）创造性（产品构思）生产控制生产控制（反馈、监控（反馈、监控、自适应、优、自适应、优化）化）需要（市场需求）需要（市场需求）生产生产设计设计生产生产计划计划生产设备生产设备（包括各类机（包括各类机床）床）生产过程生产过程（切削、成形、（切削、成形、装配）装配）产产品品 图图5-14 计算机集成制造系统的概念模型计算机集成制造系统的概念模型26lCIMS是以是以计算机为工具，以集计算机为工具，以集成为主要特征的自动化系统成为主要特征的自动化系统。通常认为通常认为CIMS由功能分系统由功能分系统（含管理信息系统、工程设计（含管理信息系统、工程设计自动化系统、制造自动化系统、自动化系统、制造自动化系统、质量保证系统）和支撑分系统质量保证系统）和支撑分系统（含计算机网络和数据库系统）（含计算机网络和数据库系统）两大部分有机的结合。两大部分有机的结合。l图图5-15为集成制造系统的一般构为集成制造系统的一般构成框图。该图清楚地成框图。该图清楚地显示了计显示了计算机集成制造系统的各组成模算机集成制造系统的各组成模块以及这些模块之间的层次结块以及这些模块之间的层次结构关系。构关系。图图5-15 CIMS组成框图组成框图27l集成化和智能化是集成化和智能化是CIMS的目标，实现这个目标有三个关键技术：的目标，实现这个目标有三个关键技术：l1)系统内各子系统的软、硬件的兼容。系统内各子系统的软、硬件的兼容。l2)数据模型、异构分布数据管理系统及网络通迅问题。数据模型、异构分布数据管理系统及网络通迅问题。l3)系统技术和现代管理技术。系统技术和现代管理技术。lCIMS中一些对船舶机械制造来说比较重要的部分。中一些对船舶机械制造来说比较重要的部分。l1.计算机辅助设计系统（计算机辅助设计系统（CAD）l计算机辅助设计（计算机辅助设计（Computer Aided Design）就是）就是以计算机为工具，以计算机为工具，进行产品设计的生成、修改、分析、优化和检验进行产品设计的生成、修改、分析、优化和检验，其应具备的主要，其应具备的主要功能是：功能是：l1)几何造型、自动绘图、动态仿真等；几何造型、自动绘图、动态仿真等；l2)科学计算（包括有限元分析、可靠性分析、动态分析等）和对设科学计算（包括有限元分析、可靠性分析、动态分析等）和对设计的模拟、检验和优化；计的模拟、检验和优化；l3)产品数据模型信息的编写、存贮、管理产品数据模型信息的编写、存贮、管理；l4)4)建立在专家知识基础上的人工智能。建立在专家知识基础上的人工智能。28l2.计算机辅助制造系统（计算机辅助制造系统（CAM）l计算机辅助制造（计算机辅助制造（Computer Aided Manufacturing）是指在计算）是指在计算机控制下的自动化控制过程，包括产品的加工、装配、试验、检测机控制下的自动化控制过程，包括产品的加工、装配、试验、检测以至成品包装等，以及与这些过程有关的全部物流系统和初步、简以至成品包装等，以及与这些过程有关的全部物流系统和初步、简单的生产调度等。单的生产调度等。l目前，目前，CAM技术主要集中在数字化控制、生产计划、机器人和工技术主要集中在数字化控制、生产计划、机器人和工厂管理四个方面。厂管理四个方面。l3.柔性制造系统（柔性制造系统（FMS）l柔性制造系统（柔性制造系统（Flexible Manufacturing System），是现代机械制），是现代机械制造业中的新型自动化生产设备。它是为填补机械制造中占造业中的新型自动化生产设备。它是为填补机械制造中占70以上以上的中小批量生产自动化的空白而发展起来的，到目前为止仅有的中小批量生产自动化的空白而发展起来的，到目前为止仅有40多多年的历史。年的历史。29lFMS由由CNC（Computer Numerical Control）机床系统机床系统、运输储存运输储存系统系统以及以及计算机控制系统计算机控制系统、操作人员操作人员四大部分组成。四大部分组成。FMS所具备的所具备的功能如图功能如图5-16所示。所示。4-16 柔柔性制造系统的功能性制造系统的功能30l4.虚拟制造技术（虚拟制造技术（VM）l所谓虚拟制造就是所谓虚拟制造就是在计算机上虚拟实际制造过程在计算机上虚拟实际制造过程。l虚拟制造技术虚拟制造技术是是采用计算机仿真与虚拟现实技术，在高性能计算机及采用计算机仿真与虚拟现实技术，在高性能计算机及高速网络的支持下，在计算机上创造一个虚拟的制造环境，操作者高速网络的支持下，在计算机上创造一个虚拟的制造环境，操作者身处其中，可以虚拟实现产品的设计、工艺规程、加工制造、性能身处其中，可以虚拟实现产品的设计、工艺规程、加工制造、性能分析、质量检验，包括企业各级过程的管理与控制等分析、质量检验，包括企业各级过程的管理与控制等。通过这个过。通过这个过程，可以增强人们对制造过程各级的决策与控制能力。程，可以增强人们对制造过程各级的决策与控制能力。l虚拟设计、生产虚拟设计、生产和和控制机制控制机制是虚拟制造的有机组成部分，按照这种思是虚拟制造的有机组成部分，按照这种思想可以将虚拟制造分成三类，想可以将虚拟制造分成三类，l设计为核心的虚拟制造设计为核心的虚拟制造（主要解决（主要解决“设计出来的产品是怎样的设计出来的产品是怎样的”问题）问题）；l生产为核心的虚拟制造生产为核心的虚拟制造（主要解决（主要解决“这样组织生产是否合理这样组织生产是否合理”的问题的问题）l控制为中心的虚拟制造控制为中心的虚拟制造（主要解决（主要解决“应如何去控制应如何去控制”的问题。）。的问题。）。31l5.并行工程（并行工程（CE）l关于关于并行工程（并行工程（Concurrent Engineering）的定义，较为普遍采用的的定义，较为普遍采用的是瑞典皇家工学院是瑞典皇家工学院G.sohleniu教授教授1992年在年在CIRP年会上给出的定义：年会上给出的定义：“并行工程指的是一种工作模式，即并行工程指的是一种工作模式，即在产品开发和生产的全过程中在产品开发和生产的全过程中涉及的各种各样的工程行为被集成在一起，并且尽可能并行起来涉及的各种各样的工程行为被集成在一起，并且尽可能并行起来（而不是串行）统筹考虑和实施（而不是串行）统筹考虑和实施”。l简而言之，简而言之，并行工程并行工程又称又称同步工程同步工程或或并行设计并行设计，是对产品及其相关过，是对产品及其相关过程（包括制造过程和支持过程）进行并行、一体化设计的一种系统程（包括制造过程和支持过程）进行并行、一体化设计的一种系统化的工作模式。这种工作模式力图使开发者从一开始就考虑到产品化的工作模式。这种工作模式力图使开发者从一开始就考虑到产品全生命周期中的所有因素包括质量、成本、进度与用户需求。全生命周期中的所有因素包括质量、成本、进度与用户需求。l并行工程的工作模式不同于常规的生产设计模式，要求并行工程的工作模式不同于常规的生产设计模式，要求集成地、并行集成地、并行地设计产品及其各种相关过程，具有地设计产品及其各种相关过程，具有并行性、整体性、协同性和集并行性、整体性、协同性和集成性成性四个特征四个特征。32l6.敏捷制造（敏捷制造（AM）l敏捷制造（敏捷制造（Agile Manufacturing）一般可以理解为在一般可以理解为在“竞争合作竞争合作/协同协同”机制作用下，企业通过市场机制作用下，企业通过市场/用户、合作伙伴在更大范围、更用户、合作伙伴在更大范围、更高程度上的集成，提高企业竞争能力，最大限度的满足市场高程度上的集成，提高企业竞争能力，最大限度的满足市场/用户的用户的需求，实现对市场需求作出灵活快速反应的一种制造生产新模式。需求，实现对市场需求作出灵活快速反应的一种制造生产新模式。l敏捷制造的目标敏捷制造的目标是企业能够快速响应市场的变化，根据市场需求，能是企业能够快速响应市场的变化，根据市场需求，能够在最短的时间内开发制造出满足市场需求目前，敏捷制造已具备够在最短的时间内开发制造出满足市场需求目前，敏捷制造已具备了了一定的实践基础和雏形，典型行业敏捷制一定的实践基础和雏形，典型行业敏捷制的高质量的产品。的高质量的产品。l造的应用示范正在进行中造的应用示范正在进行中。20世纪世纪90年代，日本提出了一个名为年代，日本提出了一个名为“智智能制造系统（能制造系统（IMS，Intelligent Manufacturing System）”的国际性研的国际性研究计划，于究计划，于1995年正式启动。其关键项目自动和分布制造系统由可年正式启动。其关键项目自动和分布制造系统由可重复使用模块快速组成，当重复使用模块快速组成，当某一个模块被替换或置换时，不影响其某一个模块被替换或置换时，不影响其他模块以及整个系统的正常运行，这一系统体现出了敏捷的特性他模块以及整个系统的正常运行，这一系统体现出了敏捷的特性。33l7.绿色制造（绿色制造（AM）l绿色制造是一个综合考虑环境影响和资源消耗的现代制造模式，其目绿色制造是一个综合考虑环境影响和资源消耗的现代制造模式，其目标是使产品从标是使产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个生设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个生命周期中，对环境负面影响极小，资源利用率极高，并使企业经济命周期中，对环境负面影响极小，资源利用率极高，并使企业经济效益和社会效益最优化效益和社会效益最优化。l实质上，实质上，绿色制造是人类社会可持续发展战略在现代制造业中的体现。绿色制造是人类社会可持续发展战略在现代制造业中的体现。l绿色制造的技术发展主要集中在以下几个方面。绿色制造的技术发展主要集中在以下几个方面。l1)1)绿色设计技术绿色设计技术l2)2)绿色工艺规划技术绿色工艺规划技术l3)3)绿色包装技术绿色包装技术l4)4)绿色材料选择技术绿色材料选择技术l5)5)绿色处理技术绿色处理技术34l5.4.3 CIMS在造船业的应用在造船业的应用l1.CIMS在国外造船业的发展情况在国外造船业的发展情况lCIMS在造船中的应用研究开始于在造船中的应用研究开始于20世纪世纪80年代，由美国人提出造船年代，由美国人提出造船计算机集成制造系统（计算机集成制造系统（SCIMS）的概念。）的概念。l90年代中期年代中期，日本大型船厂日本大型船厂CIMS技术已实用化技术已实用化，节省人工，节省人工50%，缩，缩短工期短工期20%，1998年开始向中型船厂推广；年开始向中型船厂推广；韩国于韩国于1997年在大型造船年在大型造船厂采用了厂采用了CIMS技术，技术，1999年中型船厂也基本应用了年中型船厂也基本应用了CIMS技术技术。l2.CIMS在中国的应用情况在中国的应用情况l1)广州造船厂广州造船厂的的GSI-SCIMS 实施以来，由原来的年产实施以来，由原来的年产67艘艘提高到年提高到年产产910艘艘船，产值由原来的船，产值由原来的13亿亿增加至增加至18亿亿人民币，造船周期由原来人民币，造船周期由原来的的24个月个月缩短至缩短至20个月个月左右。左右。l2)沪东造船集团沪东造船集团实施实施HDS-SCIMS以来，已有了初步的应用效益，如以来，已有了初步的应用效益，如产品设计周期缩短了产品设计周期缩短了30%、建造周期缩短了、建造周期缩短了28%，35