機(jī)械工業(yè)出版社主編朱淑萍參編何祖舜葛建成

張佐國(guó)夏紉佩主審李智康高等職業(yè)技術(shù)教育規(guī)劃教材機(jī)電一體化——數(shù)控技術(shù)應(yīng)用專(zhuān)業(yè)機(jī)械加工工藝及裝備第二版總論

人類(lèi)物質(zhì)文明的發(fā)展是與制造業(yè)的進(jìn)步息息相關(guān)的,而制造業(yè)的進(jìn)步又必然以制造技術(shù)的提升作為依托?！敖?jīng)濟(jì)的競(jìng)爭(zhēng)歸根到底是制造技術(shù)和制造能力的競(jìng)爭(zhēng)”;“中國(guó)與世界先進(jìn)水平的差距主要是制造技術(shù)的差距”?！爸卦O(shè)計(jì)、輕制造”是觀念上的一個(gè)重大誤區(qū),它的代價(jià)是落后和競(jìng)爭(zhēng)失敗。

產(chǎn)品制造的重點(diǎn)是零件制造。零件制造的實(shí)質(zhì)是“用適當(dāng)?shù)姆椒?使原材料發(fā)生符合要求的改變”。產(chǎn)品制造者的任務(wù)是從制造的角度研究和分析零件,安排并實(shí)施合理的制造工藝。

“成形”與“精度”是零件制造的兩個(gè)重點(diǎn)。制造工藝本質(zhì)上是材料的成形工藝,精度取決于所采用的成形工藝,并在成形的過(guò)程中加以實(shí)現(xiàn)。材料、能量和成形信息是成形工藝過(guò)程的三要素。

不同制造工藝中,材料流程有材料質(zhì)量減少、材料質(zhì)量不變和材料質(zhì)量增加三種類(lèi)型。金屬切削和磨削目前仍是獲得精密零件的主要成形工藝。金屬切削加工自動(dòng)化的發(fā)展已不局限于單純的技術(shù)范疇,而是與人的因素密切相關(guān)。第一節(jié)制造技術(shù)與社會(huì)發(fā)展

早在五千年前建造龐大的金字塔時(shí),為了開(kāi)鑿、搬運(yùn)和堆砌每塊重達(dá)3~30t的巨石,先人們就開(kāi)始尋求擴(kuò)展、延伸和取代人們體力的方法,杠桿、滾輪、斜面、滑輪、螺旋等作為原始而簡(jiǎn)單的機(jī)械就應(yīng)運(yùn)而生,發(fā)揮了重要的作用。今天,機(jī)械類(lèi)產(chǎn)品作為現(xiàn)代物質(zhì)文明的重要載體,已經(jīng)深深地滲入了人們生活的方方面面,龐大的制造業(yè)所提供的產(chǎn)品,不僅有各類(lèi)輕、重工業(yè)所需的各種各樣的生產(chǎn)設(shè)備、裝備和工具,也有科研、國(guó)防和建設(shè)等所需的各種裝置及裝備,更有數(shù)量巨大的家用產(chǎn)品直接進(jìn)入千家萬(wàn)戶(hù),成為人們?nèi)粘Ｉ畹闹匾獛褪帧?0世紀(jì)七八十年代以來(lái),由于計(jì)算機(jī)技術(shù)和機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展,機(jī)械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)開(kāi)始發(fā)生質(zhì)的變化,以機(jī)械電子有機(jī)結(jié)合的嶄新面貌迅速發(fā)展,大部分機(jī)械產(chǎn)品正在或?qū)⒁粰C(jī)電一體化的新型產(chǎn)品所取代;制造業(yè)的產(chǎn)品正以更快的速度在更高的層次上發(fā)展,并開(kāi)始了拓展、延伸和取代人們腦力的歷程。

歷史已經(jīng)證明,人類(lèi)物質(zhì)文明的發(fā)展是與制造業(yè)的進(jìn)步息息相關(guān)的,而制造業(yè)的進(jìn)步又必然以制造技術(shù)的提升作為依托。人們出于各種需求、追求或探索而不斷地產(chǎn)生和提出許多新的、奇妙的、甚至充滿(mǎn)幻想的構(gòu)思和設(shè)計(jì),例如達(dá)·芬奇在15世紀(jì)就有過(guò)包括飛行器在內(nèi)的許多理論上正確并留有草圖的設(shè)計(jì)。但是只有通過(guò)制造,將這些構(gòu)思和設(shè)計(jì)變成了物質(zhì)產(chǎn)品以后,才能取得實(shí)際效果,體現(xiàn)出它的價(jià)值。而且更重要的是,制造技術(shù)的每次突破,都會(huì)引起產(chǎn)品設(shè)計(jì)的新的飛躍,有力地推動(dòng)社會(huì)的發(fā)展和進(jìn)步。第一節(jié)制造技術(shù)與社會(huì)發(fā)展

瓦特發(fā)明的蒸汽機(jī),引發(fā)了第一次工業(yè)革命。但他在制造蒸汽機(jī)時(shí)遇到了汽缸內(nèi)孔加工的困難,由于沒(méi)有適當(dāng)?shù)募夹g(shù),直徑710mm的孔,其加工后的尺寸誤差竟高達(dá)13mm,無(wú)法使活塞和汽缸之間既能靈活地相對(duì)運(yùn)動(dòng)又無(wú)嚴(yán)重漏氣,因此蒸汽機(jī)不能正常工作而體現(xiàn)不出其效能。直到由維爾金森改進(jìn)了鏜床,使直徑為1828mm(72in)的內(nèi)孔,加工后的直徑尺寸誤差僅為1mm,這不僅在兩百二十多年前的當(dāng)時(shí)是很高的加工精度,而且使蒸汽機(jī)取得了真正的成功,有了很好的實(shí)用價(jià)值;更有意義的是這種技術(shù)保證了蒸汽機(jī)穩(wěn)定的批量生產(chǎn),從而真正開(kāi)始了取代水車(chē)作為動(dòng)力來(lái)源的蒸汽機(jī)時(shí)代,給紡織業(yè)和機(jī)器制造業(yè)提供了可靠的動(dòng)力來(lái)源,進(jìn)而推動(dòng)了重工業(yè)和交通運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展,引發(fā)了工業(yè)革命。

維爾金森雖然成功地改進(jìn)了鏜床,但是車(chē)床上長(zhǎng)期困擾著人們的‘用手握持車(chē)刀’的難題直到1797年莫茲利制成了全金屬的大型車(chē)床后才得到解決。這是現(xiàn)代車(chē)床的雛形:床身上有用絲杠帶動(dòng)的滑動(dòng)刀架,刀架上有可使刀具徑向移動(dòng)的手柄,齒輪聯(lián)接了主軸和絲杠,并且通過(guò)變換齒輪改變絲杠的轉(zhuǎn)速。這臺(tái)車(chē)床專(zhuān)門(mén)用于加工不同螺距的、相當(dāng)精確的螺紋,從此,金屬切削加工機(jī)床有了全新的發(fā)展。19世紀(jì)末20世紀(jì)初,由于內(nèi)燃機(jī)的發(fā)明,美、英等國(guó)期盼汽車(chē)能進(jìn)入家庭,但是這種愿望只有在1913年出現(xiàn)流水生產(chǎn)線(xiàn)技術(shù),可以不需要高技術(shù)工人而能大量生產(chǎn)汽車(chē),并且使售價(jià)降低了2/3以后才成為現(xiàn)實(shí)。

第一節(jié)制造技術(shù)與社會(huì)發(fā)展數(shù)字技術(shù)的發(fā)展和引入,使制造業(yè)如虎添翼,數(shù)控機(jī)床和加工中心已成了現(xiàn)代機(jī)床的標(biāo)志;不僅提高了加工品質(zhì)和自動(dòng)化程度,更重要的是它解決了中小批量產(chǎn)品的自動(dòng)化生產(chǎn)問(wèn)題,使產(chǎn)品滿(mǎn)足個(gè)性化的要求成為可能。長(zhǎng)期以來(lái),我們?cè)趯?duì)待產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造上是“重設(shè)計(jì)、輕制造”,對(duì)設(shè)計(jì)資料要求保密,而對(duì)制造技術(shù)和工藝則不設(shè)防也不重視;把設(shè)計(jì)工作看得很高尚,而認(rèn)為制造工作是苦力等。這是觀念上的重大誤區(qū)。在基于商品經(jīng)濟(jì)的工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的制造業(yè)中,由于激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng),對(duì)設(shè)計(jì)和制造的關(guān)系有不同的觀點(diǎn)。對(duì)于產(chǎn)品,設(shè)計(jì)固然重要,但是在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)中,除了一些屬于國(guó)家機(jī)密的設(shè)計(jì)受到嚴(yán)格保密外,任何產(chǎn)品只要一進(jìn)入市場(chǎng),競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手就很容易從產(chǎn)品本身充分地了解其設(shè)計(jì),因而制造水平、制造技術(shù)和制造工藝的競(jìng)爭(zhēng)可能更為激烈。在現(xiàn)代市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中,一般認(rèn)為有五項(xiàng)要素:產(chǎn)品的功能(F)、交貨時(shí)間(T)、質(zhì)量(Q)、價(jià)格(C)和服務(wù)(S),雖然它們?nèi)Q于設(shè)計(jì)、制造和管理的綜合因素,但其核心則是制造技術(shù)。所以國(guó)外許多廠商,常?？梢怨_(kāi)其產(chǎn)品的原理,而對(duì)于其中一些關(guān)鍵的制造技術(shù)和工藝則嚴(yán)加保密。例如,陀螺儀是影響導(dǎo)彈命中精度的重要器件,在原理上沒(méi)有任何秘密,但是由于其制造精度不同,其實(shí)際命中精度真可謂“失之毫厘,差以千里”;又如,據(jù)以發(fā)動(dòng)機(jī)制造著稱(chēng)的‘羅爾斯羅伊斯公司’的資料,使飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子葉片的加工精度由60μm提高到12μm,加工表面粗糙度值由Ra0.5μm降低到Ra0.2μm,則發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮效率將會(huì)有“戲劇性的改善”;又如,當(dāng)傳動(dòng)齒輪的齒形及齒距誤差從3~6μm降低到1μm,可使單位齒輪箱重量所能傳遞的轉(zhuǎn)矩提高近一倍;再如,在國(guó)際市場(chǎng)上,我國(guó)的線(xiàn)切割機(jī)床曾有由于精度相差一個(gè)數(shù)量級(jí),其市場(chǎng)價(jià)格也相差一個(gè)數(shù)量級(jí)的事例等等。第一節(jié)制造技術(shù)與社會(huì)發(fā)展即使在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的美國(guó),也有過(guò)進(jìn)入這個(gè)觀念誤區(qū)的教訓(xùn)。20世紀(jì)70年代,由于美國(guó)一批學(xué)者認(rèn)為制造業(yè)已是‘夕陽(yáng)工業(yè)’,因而將經(jīng)濟(jì)重心由制造業(yè)轉(zhuǎn)向純高科技產(chǎn)業(yè)及服務(wù)業(yè)等第三產(chǎn)業(yè),許多學(xué)者只重視理論成果,不重視實(shí)際應(yīng)用,結(jié)果使美國(guó)制造業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力不斷減弱,美國(guó)市場(chǎng)受日本產(chǎn)品的嚴(yán)重沖擊,許多原來(lái)是美國(guó)占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的產(chǎn)品如汽車(chē)、家電、照相機(jī)、機(jī)床、半導(dǎo)體和復(fù)印機(jī)等,都在競(jìng)爭(zhēng)中敗給日本,日本產(chǎn)品占領(lǐng)了美國(guó)市場(chǎng),出現(xiàn)了所謂“美國(guó)發(fā)明,日本發(fā)財(cái)”的局面,使美國(guó)朝野大為震驚。為此,美國(guó)政府和企業(yè)界花費(fèi)數(shù)百萬(wàn)美元,組織大量專(zhuān)家學(xué)者進(jìn)行調(diào)查研究。研究的結(jié)論卻極為簡(jiǎn)單明了:“一個(gè)國(guó)家要生活得好,必須生產(chǎn)得好”,“振興美國(guó)經(jīng)濟(jì)的出路在于振興美國(guó)的制造業(yè)”,明確了“經(jīng)濟(jì)的競(jìng)爭(zhēng)歸根到底是制造技術(shù)和制造能力的競(jìng)爭(zhēng)”,美國(guó)政府立即據(jù)此采取了一系列措施,并于20世紀(jì)80年代末提出了“先進(jìn)制造技術(shù)”的概念,政府、大學(xué)、研究所和企業(yè)共同努力,已經(jīng)收到了良好的效果。從另一個(gè)角度看,“輕制造”也有其客觀原因。如設(shè)計(jì)工作一般需要有較高的知識(shí)結(jié)構(gòu),工作環(huán)境相對(duì)較好等;而傳統(tǒng)上的制造工作,其基礎(chǔ)理論發(fā)展較慢,更多的表現(xiàn)為一種技藝和經(jīng)驗(yàn),工作環(huán)境也相對(duì)較差。但是近30年來(lái),世界制造業(yè)正發(fā)生和經(jīng)歷著巨大而深刻的變化,涉及微電子技術(shù)、控制技術(shù)、傳感技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用,使主要依靠技藝和經(jīng)驗(yàn)來(lái)保證制造質(zhì)量的舊模式,正在變成越來(lái)越密切地依賴(lài)較高層次的知識(shí)結(jié)構(gòu);生產(chǎn)環(huán)境也與傳統(tǒng)狀況不可同日而語(yǔ)。第一節(jié)制造技術(shù)與社會(huì)發(fā)展毋庸諱言,與發(fā)達(dá)國(guó)家相比,我國(guó)的制造業(yè)和制造技術(shù)存在相當(dāng)大的差距,而且面對(duì)愈來(lái)愈激烈的國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng),挑戰(zhàn)是極為嚴(yán)峻的。但是隨著改革開(kāi)放的不斷深入和擴(kuò)大,也存在良好的機(jī)遇。首先是明確了認(rèn)識(shí):在聯(lián)合國(guó)開(kāi)發(fā)計(jì)劃署和我國(guó)外國(guó)專(zhuān)家局的支持下,1995年4月在北京召開(kāi)的《先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略研討會(huì)》,取得了許多共識(shí),例如,“在未來(lái)的競(jìng)爭(zhēng)中,誰(shuí)掌握了先進(jìn)制造技術(shù),誰(shuí)就掌握了市場(chǎng)”;“先進(jìn)制造技術(shù)已成為當(dāng)前高技術(shù)應(yīng)用的主戰(zhàn)場(chǎng)”;“先進(jìn)制造技術(shù)是工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的技術(shù)支柱,是提高國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力和技術(shù)創(chuàng)新能力的根本途徑”;“中國(guó)與世界先進(jìn)水平的差距主要是制造技術(shù)的差距”等等。其次,進(jìn)行了必要的調(diào)研,確定了研究和開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)方向。如1994年國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)《自然科學(xué)學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略調(diào)研報(bào)告》中指出:“我國(guó)機(jī)械制造業(yè)長(zhǎng)期落后的重要原因之一是由于戰(zhàn)略研究的欠缺和思想觀念的陳舊”,并就此提出了重要對(duì)策和戰(zhàn)略建議,更確定了近期重點(diǎn)資助的研究方向。國(guó)家也已經(jīng)就此采取了許多相應(yīng)的政策和措施,努力引進(jìn)資金、人才和技術(shù),充分發(fā)揮科技人員的作用,提高管理水平,大力推進(jìn)資產(chǎn)重組等,以獲得盡可能高的整體效益,并且已經(jīng)取得了一定成就。應(yīng)該相信,在新世紀(jì)中,我國(guó)的經(jīng)濟(jì)在制造技術(shù)迅速發(fā)展推動(dòng)下必定會(huì)有更大的發(fā)展。第一節(jié)制造技術(shù)與社會(huì)發(fā)展一、產(chǎn)品與零件制造業(yè)的產(chǎn)品,都是由若干材料、結(jié)構(gòu)、尺寸、精度和力學(xué)、理化性能要求不相同的零件組合裝配而成的。大多數(shù)產(chǎn)品都有成百上千個(gè)零件,而一些復(fù)雜的產(chǎn)品如一輛汽車(chē)則是上萬(wàn)個(gè)零件的組合體;一枚大型火箭更有10萬(wàn)個(gè)以上的零件。因此,在產(chǎn)品制造中,首先必須按照設(shè)計(jì)要求制造出合格的全部零件,然后再將這些零件進(jìn)行正確的組合裝配。通常,制造零件所需的工作量大大超過(guò)裝配工作量。應(yīng)該說(shuō),產(chǎn)品制造的重點(diǎn)是零件的制造。零件是由產(chǎn)品設(shè)計(jì)者從產(chǎn)品的使用要求出發(fā)確定的,但是作為零件的制造者,必須從制造的角度去研究零件,即根據(jù)零件生產(chǎn)的具體情況,評(píng)估和分析在制造時(shí)的有利條件和不利因素,并據(jù)此選定適宜的制造方法和安排并實(shí)施合理的工藝過(guò)程。零件生產(chǎn)的具體情況包括兩個(gè)方面:首先是零件本身的要求,這是由零件設(shè)計(jì)者在零件圖中規(guī)定的,主要是零件的材料、幾何組成(包括零件的結(jié)構(gòu)、尺寸、精度)和機(jī)械理化性能等,它們是在制造過(guò)程中必須保證的,因而是需要首先明確的;其次是與零件生產(chǎn)條件有關(guān)的情況,主要是零件的生產(chǎn)批量、現(xiàn)有的生產(chǎn)設(shè)備裝備和操作人員的情況等。只有明確了這些情況,才能使制造工藝安排得更合理,才能據(jù)此確定必要的工藝裝備。第二節(jié)零件的構(gòu)成要素第二節(jié)零件的構(gòu)成要素

二、零件的材料

傳統(tǒng)上常用的零件材料主要是鑄鐵、結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼和鋁、銅、鋅、鎂及其合金等金屬材料和塑料等非金屬材料。零件設(shè)計(jì)者選用材料主要是考慮強(qiáng)度、韌性、耐磨或耐熱等性能是否能滿(mǎn)足使用的性能要求;而零件制造者主要關(guān)心的是所用材料的工藝特性,如是否適宜鑄造、鍛造、焊接或沖壓;切削性能的優(yōu)劣;能進(jìn)行何種熱處理等。目的是據(jù)此選擇適宜的制造方法和進(jìn)行合理的工藝安排。

隨著科技發(fā)展對(duì)產(chǎn)品的要求,許多零件對(duì)材料性能常會(huì)有更高的要求,因此也經(jīng)常遇到如硬質(zhì)合金、高溫合金、鈦合金、耐熱不銹鋼、淬火工具鋼、聚晶金剛石、寶石、陶瓷、硅和玻璃等高硬度、高強(qiáng)度、高韌性、高脆性、高熔點(diǎn)、高純度等難加工的金屬和非金屬材料,難以用一般工藝方法進(jìn)行加工,常常需要采用特殊的制造和加工方法。

另外,由于市場(chǎng)上的材料是以不同的形態(tài)和規(guī)格提供的,所以制造者還需要根據(jù)零件的要求,選定原材料的具體形態(tài)(如棒材、板材、管材、型材和錠料等)和規(guī)格(如直徑、厚度等)。第二節(jié)零件的構(gòu)成要素

三、零件的幾何組成1.零件的大小

不同的零件,其大小可以有很大的差別,手表零件的尺寸可以小到幾毫米、重量只有幾克;而重型機(jī)械中的零件可能是大小需以米計(jì)、重量可達(dá)數(shù)噸的龐然大物。顯然,不可能用相同的設(shè)備和工具來(lái)制造或加工大小差別懸殊的零件,而且制造過(guò)大或過(guò)小的零件都會(huì)有更多的困難,在制造方法和工藝設(shè)備的選用上都會(huì)受到更多的制約。

現(xiàn)在更有一些使人驚嘆的稱(chēng)為‘微機(jī)械’的產(chǎn)品,尺寸僅為幾十微米,如噴墨打印機(jī)中的墨水噴嘴陣列和用于醫(yī)療上的介入治療,航天、海洋工程及核能工程中的微型溫度傳感器和微型壓力傳感器等。最近,我國(guó)研制成功世界上最小的“微型電動(dòng)機(jī)”和“微型直升機(jī)”。微型電動(dòng)機(jī)號(hào)稱(chēng)“1mm電動(dòng)機(jī)”,僅為“芝麻的四分之一大”,而轉(zhuǎn)速高達(dá)2萬(wàn)多轉(zhuǎn);微型直升機(jī)的機(jī)身僅長(zhǎng)18mm,機(jī)重100mg可以輕盈起飛。它們不僅尺寸是微型的,而精度要求又很高,可以想象其制造方法也應(yīng)該是特殊的。

在大型設(shè)備方面,鋼鐵工業(yè)、能源工業(yè)、交通和汽車(chē)工業(yè)、造船和海洋工程、航空航天工業(yè)等的大型化趨勢(shì),要求超大型的產(chǎn)品和零件,如特厚鋼板軋鋼機(jī)的機(jī)架重量可達(dá)數(shù)百?lài)?60萬(wàn)kW以上的發(fā)電機(jī)組、30萬(wàn)kW的核電設(shè)備;龐大的海洋平臺(tái)以及各種汽車(chē)車(chē)身模具等等。顯然可以想象,不僅它們本身是屬于超重量級(jí)的,用于制造它們的設(shè)備必定更為龐大;而且它們的制造精度又是很高的。最近有報(bào)道說(shuō)日本準(zhǔn)備用六塊巨型鋼板在東京灣拼裝一個(gè)“海上漂浮機(jī)場(chǎng)”,每塊鋼板長(zhǎng)達(dá)380m,寬度為60m(見(jiàn)圖1-1),更需要有制造工藝上的突破。第二節(jié)零件的構(gòu)成要素圖1-1漂浮機(jī)場(chǎng)圖1-2螺旋轉(zhuǎn)子第二節(jié)零件的構(gòu)成要素2.零件的幾何結(jié)構(gòu)

任何一個(gè)零件,都是具有特定幾何形狀的實(shí)體。但在很多情況下,如在切削加工中,零件的幾何結(jié)構(gòu)經(jīng)常是用零件的“組成表面”來(lái)描述的,如一根軸是一個(gè)圓柱體,常描述為一個(gè)圓柱面和兩個(gè)端平面。

雖然不同零件的形狀千差萬(wàn)別,但一般零件常常是一些簡(jiǎn)單幾何形體的組合,其表面主要是平面、圓柱面、圓柱孔等。而有的零件上有復(fù)雜的表面,如螺旋面、齒形面、錐齒輪和曲線(xiàn)錐齒輪上的齒形曲面、渦輪葉片曲面、葉輪曲面和復(fù)雜的模具型腔等三維形面,如圖1-2、圖1-3所示的螺旋轉(zhuǎn)子和葉輪;噴油嘴、硬質(zhì)合金噴絲頭、金剛石拉絲模和寶石軸承等零件中的小孔、型孔、窄縫以及長(zhǎng)徑比較大的細(xì)長(zhǎng)孔等。還有的零件雖無(wú)復(fù)雜的形面,但可能是剛性很差的薄壁件或彈性件,等等。這些復(fù)雜的表面必然會(huì)增加制造的難度。圖1-3葉輪第二節(jié)零件的構(gòu)成要素3.零件的精度和表面粗糙度

零件的精度體現(xiàn)在零件各組成表面上,包括各表面的尺寸精度、形狀精度和相互位置精度。一個(gè)零件的各組成表面,通常會(huì)有不同的精度要求,其中精度要求最高的表面反映了零件精度的高低,它們是決定產(chǎn)品使用性能的主要因素之一,也是確定零件制造工藝的主要依據(jù)之一。一般地說(shuō),零件的精度要求與制造的難度及制造過(guò)程的復(fù)雜程度呈正相關(guān)關(guān)系。需要強(qiáng)調(diào)的是,對(duì)于相關(guān)表面間的相互位置精度的要求,常常需要給予更多的注意。

一般產(chǎn)品的零件中,公差等級(jí)IT6、IT5(10μm左右)表面粗糙度值達(dá)到Ra0.8~0.2μm已經(jīng)是相當(dāng)高的要求,但在精密機(jī)床、量具和模具中,精度為1μm左右(IT5以上),表面粗糙度值Ra0.1μm的表面也很普遍。還有一些零件,如陀螺、精密光學(xué)透鏡、超大規(guī)模集成電路、高壓液壓活門(mén)以及模具中的一些表面,精度要求可達(dá)微米級(jí)和亞微米級(jí)(<1~0.01μm),并正向納米級(jí)發(fā)展(1nm=0.001μm)。

零件的表面粗糙度也體現(xiàn)在各組成表面上,通常與精度要求相一致,但有許多對(duì)外觀要求較高的裝飾件和操作件(如手輪、手柄等),對(duì)精度的要求不高,而對(duì)表面質(zhì)量有很高的要求。

四、零件的力學(xué)理化性能

零件的力學(xué)理化性能是指零件的強(qiáng)度、硬度、剛度、耐熱性、耐磨性、耐腐性、絕緣性等性能。對(duì)于大多數(shù)零件,這些性能要求已經(jīng)由設(shè)計(jì)者通過(guò)選用材料或結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得到保證,只有較少的零件或零件上的某些表面對(duì)硬度、防腐性、耐磨性等有更高的要求,需要通過(guò)熱處理、表面涂層或鍍層等才能滿(mǎn)足。對(duì)這類(lèi)要求,在零件制造中也需要作專(zhuān)門(mén)的安排。第三節(jié)零件制造的工藝方法

一、零件制造的實(shí)質(zhì)1.成形與精度

“用適當(dāng)?shù)姆椒?使原材料發(fā)生符合要求的改變”,這就是零件制造的實(shí)質(zhì)。從上節(jié)的分析可知,最重要的要求是成形與精度。因此,使材料發(fā)生符合成形與精度要求的改變是零件制造的兩個(gè)重點(diǎn)。

需要注意的是,當(dāng)用一種具體的工藝方法和工藝參數(shù),使材料的整體或局部得到某種形狀的表面時(shí),這些表面就同時(shí)得到了與該工藝相應(yīng)的精度。例如,用某種刀具和切削參數(shù)的外圓車(chē)削工藝車(chē)出一個(gè)外圓表面時(shí),該外圓表面的尺寸精度、形狀精度和與相關(guān)表面的相互位置精度也同時(shí)得到了確定的值;又如,在注塑工藝中,當(dāng)塑料在模具中形成確定的形狀時(shí),其精度也就相應(yīng)地確定了,所以零件制造中的各種制造工藝實(shí)際上都是材料的成形工藝。

由于零件及其各組成表面的形狀千變?nèi)f化,要得到同樣形狀的表面可能有多種工藝方法,例如用鉆、鏜、鉸、磨、鑄、鍛等工藝方法都能得到圓柱孔;而滾齒、插齒、珩齒、磨齒、鑄、鍛、沖等工藝方法都能得到齒形表面。但它們能夠得到的精度范圍是不同的,同時(shí)各種方法適用的加工范圍和加工條件也有區(qū)別,因此必須根據(jù)具體情況合理地選擇。

用一種工藝方法成形某種表面時(shí),其精度也可因不同的工藝參數(shù)或傳遞介質(zhì)而不同。例如車(chē)削外圓時(shí),選用的切削用量或刀具不同,會(huì)影響其精度和表面質(zhì)量;在用模具成形的各種工藝方法中,模具的精度和表面質(zhì)量會(huì)相應(yīng)地傳遞給制件表面等。第三節(jié)零件制造的工藝方法2.成形工藝的要素任何成形工藝都必須包含三個(gè)要素:(1)材料是改變的對(duì)象。應(yīng)用最多的是各種金屬材料,許多非金屬材料也得到越來(lái)越多的應(yīng)用。絕大多數(shù)情況下,材料從原始狀態(tài)開(kāi)始要依次經(jīng)過(guò)若干種工藝方法的加工后才能完成這種改變而成為零件。例如先將一段棒料鍛造成為具有一定形狀的毛坯,再經(jīng)過(guò)車(chē)、銑、鏜、鉆、磨等切削加工而成為成品零件。(2)能量要使材料發(fā)生改變,必須對(duì)材料施加足夠的能量,能量的形式不限,可以是機(jī)械能、熱能、電能、化學(xué)能等。這些能量一定要通過(guò)某種方式傳遞到材料。(3)信息最基本的信息是指材料應(yīng)發(fā)生何種改變。如形狀、尺寸、精度以及性能改變的信息等。信息需要通過(guò)某個(gè)介質(zhì)或某種方式傳遞到工件。例如,在臥式車(chē)床上車(chē)削外圓表面時(shí),外圓的形狀信息是由主軸的旋轉(zhuǎn)和刀具的縱向進(jìn)給傳遞給工件的,而直徑尺寸的信息則由橫向進(jìn)刀的數(shù)值傳遞給工件的,在這兩個(gè)信息的制約下,工件的加工表面變成了某個(gè)直徑的圓柱面;對(duì)于在模具中成形的工藝,信息由模具的工作表面?zhèn)鬟f。

隨著數(shù)控技術(shù)和加工自動(dòng)化的發(fā)展和應(yīng)用,信息在工藝過(guò)程中的作用越來(lái)越重要,也越來(lái)越復(fù)雜。在開(kāi)環(huán)系統(tǒng)中,信息已經(jīng)演變成計(jì)算機(jī)控制的指令,使工藝過(guò)程按時(shí)間流程或行程流程自動(dòng)完成各種動(dòng)作;在閉環(huán)系統(tǒng)中,更要從工藝現(xiàn)場(chǎng)采集信息、計(jì)算后形成控制指令;在柔性系統(tǒng)和集成系統(tǒng)中,信息的范圍更進(jìn)一步擴(kuò)大到整個(gè)系統(tǒng)。第三節(jié)零件制造的工藝方法

二、成形工藝的類(lèi)型1.傳統(tǒng)的工藝分類(lèi)

在長(zhǎng)期的發(fā)展中,產(chǎn)生了許多可以使材料成形的方法,應(yīng)用較多的主要有鑄造、鍛造、焊接和金屬切削加工等,傳統(tǒng)上區(qū)分為‘熱加工’和‘冷加工’。沒(méi)有嚴(yán)格的定義,只是認(rèn)為加工時(shí)不需將材料加熱的稱(chēng)冷加工,而需要加熱的就是熱加工,并且冷加工成了“金屬切削加工”的俗稱(chēng),而熱加工是指鑄造、鍛造、熱處理和焊接。但是在使金屬材料產(chǎn)生塑性變形的加工方法中,它們還有第二種意思:低于再結(jié)晶溫度的加工為冷加工,如冷軋、冷壓、冷拉和冷擠壓等,而高于再結(jié)晶溫度的加工如熱軋、熱壓和熱擠壓等則為熱加工,由于鉛、錫、鋅等金屬在室溫下就可發(fā)生再結(jié)晶,因此它們?cè)谑覝叵逻M(jìn)行的加工也是熱加工。

雖然這兩個(gè)術(shù)語(yǔ)現(xiàn)在仍被廣泛地使用,但是隨著對(duì)新產(chǎn)品的追求和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,傳統(tǒng)工藝方法有了很大的發(fā)展,新的工藝方法也層出不窮地涌現(xiàn)、發(fā)展和成熟,已經(jīng)很難用傳統(tǒng)的冷、熱加工的概念加以概括。所以現(xiàn)在對(duì)冷、熱加工已經(jīng)賦予了更本質(zhì)的內(nèi)涵:“加熱”不再是熱加工的基本條件,熱加工工藝在成形的前提下,強(qiáng)調(diào)的是一種“能改變材料化學(xué)成分、微觀組織及性能的”加工工藝;而冷加工工藝則不發(fā)生這種改變。因此,一些在常溫下進(jìn)行的加工方法如物理和化學(xué)的氣相沉積等都屬于熱加工,而將電火花加工、激光加工、超聲波加工、電子束加工、離子束加工等不發(fā)生上述改變的各種“特種加工”方法則包括在廣義的冷加工范疇中。2.按材料質(zhì)量變化狀況的分類(lèi)

零件制造所用的成形工藝難以計(jì)數(shù),其工藝特點(diǎn)、加工對(duì)象和適用范圍有很大差異,而其命名和分類(lèi)也未能建立統(tǒng)一而嚴(yán)格的規(guī)范,因而顯得比較零亂,不易從宏觀上形成比較完整和系統(tǒng)的概念。但是以成形過(guò)程中的“材料流程”為主線(xiàn),輔以“能量流程”和“信息流程”,來(lái)描述成形工藝,還是能夠比較系統(tǒng)地歸納各種成形工藝的特點(diǎn)及實(shí)質(zhì)的。第三節(jié)零件制造的工藝方法

很多人都有過(guò)手工小制作的經(jīng)驗(yàn),例如制作模型玩具時(shí),用手工刀將木料或竹片削成某個(gè)形狀;用膠水把幾個(gè)組件粘接成一個(gè)整體;或者澆注過(guò)石膏像、蠟像,用橡膠泥捏成某種形狀等。這些看似簡(jiǎn)單的制作,其實(shí)包含了使材料成形的基本方式和基本工藝。

在理論上或者常識(shí)上,要得到任何形狀的幾何實(shí)體,都有三種基本方式:第一種是在大于所要實(shí)體的材料上,去除多余的材料后成形;第二種是使若干小于實(shí)體的材料結(jié)合成整體而成形;第三種是利用材料的特性使其發(fā)生形態(tài)或形狀的變化而成形,在這個(gè)過(guò)程中,基本不去除材料,也不增加材料,即材料的體積(或質(zhì)量)基本沒(méi)有變化。

正是從這三種“材料流程”的基本方式,結(jié)合各自所用的能量形式、能量傳遞介質(zhì)和方式,以及傳遞成形所需信息的不同介質(zhì)和方式,發(fā)展和衍生出為數(shù)眾多的制造工藝或加工工藝。(1)材料質(zhì)量減少的類(lèi)型遠(yuǎn)在石器時(shí)代,人們就以這種方法制造工具。在現(xiàn)今的零件制造中,這類(lèi)工藝仍然得到普遍的應(yīng)用。由于它是通過(guò)去除多余的材料而成形的。這就使這類(lèi)工藝具有兩個(gè)先天的特點(diǎn):首先,由于必定要去除或多或少的材料;其次,成形過(guò)程不是整個(gè)零件的整體成形,而是各表面逐個(gè)地分別成形的(例如,在車(chē)床上車(chē)削簡(jiǎn)單的階梯軸,需要一個(gè)端面、一個(gè)外圓,一個(gè)端面、一個(gè)外圓地分別成形),因此成形效率低。這兩個(gè)先天的特點(diǎn)必然帶來(lái)材料、能量和時(shí)間的非必要消耗。然而有意思的是,直到今天,這類(lèi)工藝不僅仍舊得到廣泛的應(yīng)用,而且在很多情況下,依然是不可取代的。因?yàn)樽鳛檫@類(lèi)工藝的典型代表“金屬切削加工”,包括用刀具切削、砂輪磨削和磨料研磨等,可以使成形表面得到很高的精度和很低的表面粗糙度值;同時(shí),利用不同表面需要分別加工的特點(diǎn),正好可以根據(jù)設(shè)計(jì)要求,使零件的不同表面得到不同的精度。第三節(jié)零件制造的工藝方法

現(xiàn)在,一般的切削加工,其尺寸精度誤差可達(dá)10μm左右(相當(dāng)IT6~IT5),精密的切削加工,如精密車(chē)削、研磨、拋光、精密磨削、鏡面磨削等的尺寸精度在IT5以上,表面粗糙度值為Ra0.1μm左右。

在金屬切削中,磨削的作用和地位越來(lái)越重要。

“沖裁”是質(zhì)量減少工藝中的另一種重要方法,是在較薄的板料上去除材料的主要方法,如圖1-4、圖1-5所示。圖1-4電動(dòng)機(jī)定子和轉(zhuǎn)子圖1-5精沖件

傳統(tǒng)的金屬切削加工是以機(jī)械能通過(guò)切削刀具進(jìn)行的,因此刀具切削部分的材料必須具有比被切材料更高的硬度、耐磨性、強(qiáng)度和韌性,還要有較好的耐熱性和化學(xué)穩(wěn)定性。同時(shí),在切削過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生很大的切削力和大量的切削熱,這會(huì)對(duì)整個(gè)加工系統(tǒng)產(chǎn)生不利的影響。刀具的材料及其幾何參數(shù)不僅是影響加工性能和刀具磨損的重要因素,也是影響切削參數(shù)和加工質(zhì)量的重要因素。所以,不斷開(kāi)發(fā)更高性能的刀具材料,是發(fā)展金屬切削加工中的重要課題,這方面也已不斷取得很好的成果。

但是對(duì)于如硬質(zhì)合金、高溫合金、鈦合金、耐熱不銹鋼、淬火工具鋼、聚晶金剛石、寶石、陶瓷等高硬度、高強(qiáng)度、高韌性、高脆性、高熔點(diǎn)和高純度的金屬、非金屬等難切削材料,尤其是難切削材料上的小孔、窄縫、異形孔和細(xì)長(zhǎng)孔等表面,刀具切削難以進(jìn)行。這在很大程度上是機(jī)械能切削本身的局限所致。因此,人們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出多種利用其他能量形式的、被稱(chēng)為“特種加工”的工藝方法,并已取得了很好的效果。這些工藝方法同樣是從實(shí)體上去除多余的材料。第三節(jié)零件制造的工藝方法第三節(jié)零件制造的工藝方法

例如,利用正、負(fù)兩極間的脈沖性局部放電產(chǎn)生的微小區(qū)域內(nèi)的瞬間高溫,能使具有導(dǎo)電性的材料發(fā)生熔化和氣化。根據(jù)這種電蝕現(xiàn)象,開(kāi)發(fā)出了電火花加工工藝。它不是傳統(tǒng)的切削加工,但也是一種使材料質(zhì)量減少的工藝,可以不受材料硬度的限制加工復(fù)雜形面?！半娀鸹ň€(xiàn)切割加工”和“電火花成形加工”已在模具行業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。圖1-6、圖1-7所示是經(jīng)電火花一次切割形成的配合和窄縫。圖1-6電火花一次切割后形成的配合示例圖1-7電火花切割的窄縫示例第三節(jié)零件制造的工藝方法

利用超聲波超聲振動(dòng)(頻率16000Hz以上)能量的“超聲波加工”,對(duì)電火花加工后的工件進(jìn)行拋光研磨精加工,尤其在玻璃、石英、寶石、硅石甚至金剛石等硬脆材料上,更顯其特色。

“激光”是在激光器中經(jīng)受激輻射產(chǎn)生的單色光,通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)聚焦成平行度很高的微細(xì)光束,具有很高的能量密度和極高的溫度(可達(dá)10000°C以上)。利用激光的這種特性可以做很多工作,既可以使材料融合焊接、進(jìn)行表面熱處理,也可以在極短的時(shí)間內(nèi)使局部材料氣化而去除。當(dāng)用于去除材料時(shí),可在寶石軸承、陶瓷、玻璃或硬質(zhì)合金、不銹鋼等堅(jiān)硬材料上用極高的速度(例如0.001s)加工直徑?0.1~1mm(最小孔徑可達(dá)?0.001mm,長(zhǎng)徑比達(dá)100)的圓孔或異形孔,精度可達(dá)IT7,表面粗糙度值為Ra0.16~0.08μm;也可以用較高的速度以0.1~0.5mm寬的切縫切割金屬和非金屬等。

利用電子束能量的“電子束加工”去除材料時(shí),不但可以打孔,而且能打斜孔和彎孔;更有價(jià)值的是在超大規(guī)模集成電路制造中作為光刻電路圖的重要手段,所刻圖形線(xiàn)條寬度可達(dá)0.1μm。

利用離子束能量的“離子束加工”進(jìn)行的光刻,可以認(rèn)為是‘逐個(gè)將原子剝離的’。在半導(dǎo)體工藝中已能刻出0.1μm的線(xiàn)條,用它對(duì)非球面透鏡研磨和拋光,可得到誤差控制在5μm以下的極光滑表面,是其他加工方法所無(wú)法達(dá)到的。

與切削加工相比,這些使材料質(zhì)量減少的“特種加工”,不會(huì)使工件和工具受明顯的切削力和切削熱;對(duì)所用的工具也沒(méi)有硬度的要求,因此在電火花加工中可以用銅質(zhì)工具加工硬質(zhì)合金等硬度極高的材料,使前面所述的難切削材料和難成形表面的加工成為可能,并且能得到較高的精度。但是,就目前來(lái)說(shuō),大面積去除材料并不是特種加工的長(zhǎng)處。因此,特種加工盡管能夠解決許多困難的加工,但還只是作為切削和磨削加工的一種補(bǔ)充。第三節(jié)零件制造的工藝方法(2)材料質(zhì)量不變的成形工藝類(lèi)型設(shè)想一下,如果要從整塊材料上用切除多余材料的方法加工圖1-8所示的殼體和圖1-9的浴缸,將會(huì)是什么情況。

首先是要切除大量的多余材料,使絕大部分材料變成切屑,同時(shí)需要花費(fèi)大量的切削時(shí)間和能量;更重要的是用切除材料的方法還很難得到滿(mǎn)意的加工質(zhì)量。顯然,這不是好辦法。

但是如果采用材料質(zhì)量不變的成形工藝,就可以得到比較滿(mǎn)意的解決。

成形前后材料質(zhì)量既不增加也不減少的工藝,稱(chēng)為質(zhì)量不變工藝。依據(jù)不同的成形的原理,傳統(tǒng)上有三種類(lèi)型:1)基于材料塑性變形的成形工藝。利用金屬在熱態(tài)或冷態(tài)時(shí)的良好塑性,對(duì)材料施加沖擊力、壓力或拉力,使之產(chǎn)生所要求的變形。這也是古已有之的常用的金屬材料成形工藝。圖1-8殼體圖1-9浴缸第三節(jié)零件制造的工藝方法

適用這類(lèi)工藝的材料必須在某個(gè)溫度范圍內(nèi)有良好的塑性,使用的能量一般為機(jī)械能,而變形所需的能量和信息一般由所用的模具或工具傳遞。

為適應(yīng)差異很大的成形要求,已經(jīng)發(fā)展了許多不同的工藝方法。常用的主要有:①軋制(滾軋):圖1-10為軋制示意圖。利用材料在成形溫度下的良好塑性,通過(guò)經(jīng)軋輥傳遞的強(qiáng)大機(jī)械力的軋壓,使沿厚度方向的材料向長(zhǎng)度方向延伸。成形信息(本例中是軋制后的厚度信息)由軋輥間的距離傳遞。軋制是生產(chǎn)各種板材、棒材和型材等原材料的主要方法。有熱軋和冷軋兩類(lèi),冷軋的厚度尺寸精度和表面粗糙度都較好,通常作熱軋所得板材的精軋。所用設(shè)備都是專(zhuān)門(mén)的重型設(shè)備。此外,根據(jù)軋制原理,像直柄麻花鉆等的成形件也可以由專(zhuān)門(mén)的設(shè)備軋制。②錘鍛:是一種典型的鍛壓成形工藝,“打鐵”(即手工錘鍛)是錘鍛工藝的原始形式,在現(xiàn)代的規(guī)模生產(chǎn)中已被模鍛(見(jiàn)圖1-11)取代。整體成形是模鍛的成形特點(diǎn),能夠得到比較復(fù)雜的形狀和很好的纖維結(jié)構(gòu),模鍛件有較好的精度和表面粗糙度,一般只對(duì)一些配合表面作進(jìn)一步的加工。鍛壓機(jī)和鍛模是該工藝的主要硬件和制約條件。兩個(gè)模鍛件的示例如圖1-12所示。圖1-10軋制示意圖R—軋輥W—板材F—外力圖1-11模鍛示意圖F—外力A、B、U、L—鍛模W—板材第三節(jié)零件制造的工藝方法③拉深:如圖1-13所示。典型的工藝是將板料拉深成各種殼形、杯形、盤(pán)形、桶形以及彈殼等薄壁件。拉深件實(shí)例如圖1-14所示。④冷鐓:圖1-15所示為冷鐓件實(shí)例,適用于冷態(tài)時(shí)有良好塑性的材料,一般用于制造小型(幾克到幾千克)復(fù)雜件。現(xiàn)在應(yīng)用日廣。圖1-12模鍛件示例圖1-13拉深示意圖L—模具W—板料F—外力圖1-14拉深件示例第三節(jié)零件制造的工藝方法⑤擠壓:有反擠壓(圖1-16)和正擠壓(圖1-17)兩類(lèi)。反擠壓主要用于規(guī)則或不規(guī)則的管狀零件:正擠壓廣泛地用于各種型材。圖1-15冷鐓件示例圖1-16反擠壓示意圖L—模具W—型材F—外力圖1-17正擠壓示意圖L—模具W—型材F—外力第三節(jié)零件制造的工藝方法⑥彎曲:彎曲有三種常用方式。圖1-18所示為滾彎,能使板材彎曲成不同半徑的弧形或圓筒形。圖1-19所示為彎管,可使彎出的管子截面不變形。圖1-20所示為壓彎,用于薄板或線(xiàn)材的彎曲,廣泛用于各種結(jié)構(gòu)件。先進(jìn)的數(shù)控彎曲機(jī)可以方便地彎出各種復(fù)雜的形狀。圖1-18滾彎示意圖W—板材R—軋輥圖1-19彎管示意圖圖1-20壓彎示意圖L—模具W—板材第三節(jié)零件制造的工藝方法⑦脹形:圖1-21是脹形工藝示意圖。用于不規(guī)則管形或“大肚形”薄壁零件。⑧張拉成形:圖1-22為示意圖。用于不同曲率的大型面板、罩殼等。除了金屬材料以外,熱塑性塑料也有這類(lèi)基于塑性變形的成形工藝。圖1-21脹形示意圖L—組合模具W—板料F—外力圖1-22張拉成形示意圖L—模具W—板料G—錘壓鐵第三節(jié)零件制造的工藝方法2)基于材料形態(tài)變化的成形工藝。凡是在加熱后能成為液態(tài)或具有流動(dòng)性的熔融態(tài),并在冷卻后仍恢復(fù)為固態(tài)的材料,都可以發(fā)展這類(lèi)工藝。這也是古已有之的工藝,在我國(guó)古代用以創(chuàng)造了許多傳世的珍品,如商周時(shí)代的大量精美的青銅器,鑄于1420年的著名明代永樂(lè)大鐘等。金屬材料應(yīng)用這類(lèi)工藝的典型是鑄造,熱塑性塑料的注塑是用于非金屬材料的典型工藝。

這種成形工藝所消耗的能量主要是使材料熔化或熔融的熱能;成形的信息由鑄型或模具傳遞。

在金屬材料鑄造中,將金屬加熱成液態(tài)后澆入預(yù)先制作好的鑄型型腔中,冷卻凝固后成為鑄件,其形狀正好與型腔的形狀相反。砂型鑄造是鑄造的基本工藝,對(duì)制件材料、大小和形狀復(fù)雜程度的限制最少,成本也比較便宜。但砂型鑄造型腔質(zhì)量較低且采用重力澆注方式,因此鑄件精度較低,表面粗糙,縮孔、疏松、偏析等缺陷較多。此后,又發(fā)展了多種其他的鑄造工藝,如金屬型鑄造、熔模鑄造、殼型鑄造、壓鑄和低壓鑄造等,它們能不同程度地提高鑄件精度、降低表面粗糙度值和減少缺陷,但受鑄型和設(shè)備的限制,不適宜于鑄造大型鑄件,且所要求的經(jīng)濟(jì)批量也較大。熔模鑄造和殼型鑄造得到的精度最高,但造型材料回收處理比較困難,壓鑄因受鑄型壽命的限制,主要用于有色金屬的鑄造。圖1-23和圖1-24為壓鑄件示例。

塑料的熔融成形工藝主要有鑄造、注塑、吹塑和擠壓成形等。第三節(jié)零件制造的工藝方法圖1-23底板——壓鑄件示例圖1-24托架——壓鑄件示例第三節(jié)零件制造的工藝方法3)基于材料燒結(jié)的成形工藝。作為以陶瓷聞名于世的我國(guó),燒結(jié)成形工藝已有悠久的歷史。這類(lèi)工藝突出的特點(diǎn)是材料的原始形態(tài)是顆?；蚍勰?用于零件制造的典型的工藝是粉末冶金。其過(guò)程是將原始形態(tài)為顆粒狀或粉末狀的金屬或非金屬材料,在具有要求形狀的壓型內(nèi)壓實(shí)后,通過(guò)燒結(jié)而成為致密的整體零件。

采用粉末冶金的原因是,有的材料或工件只有使用顆粒材料才能得到所需要的性能,如多孔性的含油軸承、復(fù)合材料、性能明顯優(yōu)于熔煉高速鋼的粉末冶金高速鋼刀具等;有的材料只能是顆粒狀,如制陶瓷的材料等;以及用其他方法難以制造的小型零件等。

粉末冶金工藝所用的能量,在粉末壓實(shí)階段是機(jī)械能,在燒結(jié)階段是熱能;成形信息的傳遞介質(zhì)是模具。

由于粉末冶金工藝的成形效率高、無(wú)廢料、免切削加工,生產(chǎn)效率高,可生產(chǎn)形狀復(fù)雜、有特殊性能的零件,比用其他方法更為經(jīng)濟(jì)等原因,粉末冶金零件已得到很廣的應(yīng)用,如硬質(zhì)合金刀具、泵的轉(zhuǎn)子、齒輪、軸承、凸輪、磁鐵、棘爪和金屬過(guò)濾器等個(gè)體不大的零件。圖1-25為粉末冶金制件示例。圖1-25粉末冶金制件示例(3)材料質(zhì)量增加的成形工藝類(lèi)型在產(chǎn)品制造中,還會(huì)遇到像汽車(chē)車(chē)架一類(lèi)的構(gòu)件。圖1-26所示為轎車(chē)車(chē)架,顯然,由于構(gòu)件結(jié)構(gòu)的原因,不論用質(zhì)量減少工藝或質(zhì)量不變工藝,都不是可取的制造方法。但是,如果把車(chē)架分解,就會(huì)發(fā)現(xiàn)制造其中每一個(gè)構(gòu)件都并不困難,如果能夠把所有的構(gòu)件正確而牢固地連接起來(lái),就會(huì)是合理的工藝。

這類(lèi)工藝實(shí)際上是把兩個(gè)或兩個(gè)以上的零件作永久性連接,以構(gòu)成新的零件或部件。當(dāng)制件的形體太大,無(wú)法整體制成,如船舶的船身、儲(chǔ)油罐或儲(chǔ)氣罐等,必須由許多塊鋼板相拼接;或者遇到一些大型的框架如轎車(chē)的車(chē)身框架等,整體制作不經(jīng)濟(jì)甚至不可能,因而分別制成幾部分后連成整體;或者一個(gè)制件需要用不同材料相連接,如直徑較大的麻花鉆,切削部分是高速鋼,而鉆柄材料是低碳鋼等。遇到這類(lèi)情況,材料質(zhì)量增加的工藝就顯出了其特有的價(jià)值,往往可能是惟一的合理選擇。圖1-26轎車(chē)車(chē)架第三節(jié)零件制造的工藝方法第三節(jié)零件制造的工藝方法

材料質(zhì)量增加工藝的主要方法是焊接,即通過(guò)兩個(gè)零件間的熔接和粘接而形成一個(gè)新的整體零件。在制造業(yè)中,這也是一類(lèi)重要的工藝。常用的有熔焊、壓焊和釬焊。熔焊是通過(guò)加熱使待焊處的局部材料熔化而形成熔合。由于材料受高溫影響會(huì)產(chǎn)生較大的熱變形,因此不宜用于薄件焊接。壓焊是通過(guò)壓力和加溫的綜合作用實(shí)現(xiàn)連接的,可以減少熱變形。釬焊是通過(guò)熔點(diǎn)低于待焊材料的填充料熔化和凝結(jié)而實(shí)現(xiàn)連接的,如將硬質(zhì)合金刀片焊在刀體上和電線(xiàn)的焊接等,釬焊可以連接熔點(diǎn)相差很大的材料。

焊接工藝在許多場(chǎng)合有著其特殊的價(jià)值,如汽車(chē)生產(chǎn)線(xiàn)上的自動(dòng)化焊接;軍艦上80mm以上厚度低合金高強(qiáng)度鋼板的焊接;海洋鉆探平臺(tái)、采油平臺(tái)海洋管道鋪設(shè)等大型設(shè)備上的焊接。三、快速原型/零件制造技術(shù)RPM(RapidPartManufacturing)

在新產(chǎn)品的試制中,制造復(fù)雜零件的樣件常常是一個(gè)棘手的問(wèn)題,因?yàn)椴捎们笆龅母鞣N制造工藝,可能需要花費(fèi)很長(zhǎng)的時(shí)間,幾周甚至幾月,這不但影響產(chǎn)品更新的速度,而且在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中,甚至可能是影響取勝的大問(wèn)題。有沒(méi)有更好的方法呢?這方面的探索已經(jīng)有了很好的成果。第三節(jié)零件制造的工藝方法

這里介紹的是20世紀(jì)80年代末期出現(xiàn)的一種全新的成形工藝,起源于美國(guó),很快發(fā)展到日本和西歐,是近20年來(lái)制造技術(shù)領(lǐng)域的一次重大突破,已成為各國(guó)制造科學(xué)研究的前沿學(xué)科和研究重點(diǎn)。有人稱(chēng)這種技術(shù)是繼數(shù)控技術(shù)之后制造業(yè)的又一次革命,被認(rèn)為是未來(lái)制造業(yè)的兩大支柱之一。RPM發(fā)展迅速,目前已成功地開(kāi)發(fā)了十多種工藝方法,各自有不同的名稱(chēng),如RapidPototype(快速成形、快速原形制造),FreeformManufacturing(自由成形制造),SLA(立體印刷)等,RPM是總稱(chēng)。RPM技術(shù)源于CAD技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、激光加工技術(shù)和材料技術(shù)支持下的一種巧妙構(gòu)思,其核心是“一層一層地”成形。先利用CAD技術(shù)在計(jì)算機(jī)中建立制件的三維模型(現(xiàn)在這已經(jīng)是很普通的技術(shù)),然后沿某個(gè)選定的坐標(biāo)軸方向(如Z方向),以例如0.1mm的微小間隔分層,并由此在計(jì)算機(jī)中生成每個(gè)層面(截面)的二維平面圖形信息,再將所有層面的二維數(shù)據(jù)送入一個(gè)專(zhuān)門(mén)的設(shè)備——快速成形系統(tǒng),在這個(gè)設(shè)備中,根據(jù)輸入的數(shù)據(jù),自動(dòng)地使材料依次得到“一層一層”的精確截面形狀,并且在每一層材料成形后,根據(jù)材料的不同種類(lèi),與前層融合、熔合或粘合,最后得到一個(gè)完整的制件。每個(gè)截面的成形方法,根據(jù)不同的材料,可以分別是激光切割(材料是紙片或箔片)、固化(對(duì)樹(shù)脂類(lèi)材料)、或燒結(jié)(對(duì)粉末材料)。既可以是質(zhì)量減少的工藝,也可以是質(zhì)量不變的工藝,而由各截面結(jié)合成整體則是質(zhì)量增加的工藝。

現(xiàn)在已經(jīng)成功地開(kāi)發(fā)出了可以分別使不同材料成形的多種“快速成形系統(tǒng)”?？梢猿尚蔚牟牧嫌凶贤饧す夤袒臉?shù)脂、紙片、塑料薄膜或復(fù)合材料、金屬、陶瓷粉末和蠟等,范圍極廣。這些成功地應(yīng)用于生產(chǎn)的成形系統(tǒng),已經(jīng)作為商品進(jìn)入市場(chǎng),我國(guó)也已有引進(jìn)。視頻第三節(jié)零件制造的工藝方法

不同的材料可用于不同的目的,如新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、快速單件及小批量制造、復(fù)雜形狀零件的制造、模具設(shè)計(jì)與制造、難加工材料的成形、外形設(shè)計(jì)檢查和裝配檢查等,還可以用于產(chǎn)品的仿制以及零件的放大和縮小等。

快速成形技術(shù)將設(shè)計(jì)和制造集成于一體,對(duì)不同的形狀有良好的柔性,沒(méi)有或極少產(chǎn)生廢料,有廣泛的材料適應(yīng)性,不需要專(zhuān)用的模具和工裝,降低了操作技術(shù)的難度,零件的復(fù)雜程度對(duì)制造成本的影響較小,因此特別適合于形狀復(fù)雜的零件。1990年以前,這種技術(shù)主要用于制造模型和原型,1993年以后已經(jīng)直接用于制造鑄型、低強(qiáng)度模具和快速模具。四、制造工藝的合理選擇

制造任何一種零件,都應(yīng)在保證其質(zhì)量、數(shù)量和交貨期要求的前提下,盡量降低成本,以提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力,這就是合理地選擇制造工藝的目的。

不同的零件,常?？梢圆捎貌煌闹圃旃に?即所謂制造工藝的多樣性,因而使選擇有了可能。很難說(shuō)“選最好的工藝”,只能說(shuō)在種種制約條件下,選擇“相對(duì)更合理”的工藝。

在可能條件下,應(yīng)盡量選擇去除材料較少的工藝,以減少材料、工時(shí)和能量的消耗。如使用量很大的直柄高速鋼麻花鉆,在一般情況下,選用銑削方法加工螺旋槽是合理的,但是如果在工具廠內(nèi)大量生產(chǎn)時(shí),采用成形軋制是更合理的選擇,因?yàn)檫@雖然要添置專(zhuān)門(mén)的設(shè)備,但綜合效率要高得多,質(zhì)量穩(wěn)定,也能大幅度地降低成本。

要使選擇更合理,零件制造者應(yīng)對(duì)各種制造工藝有盡可能多的了解,特別在當(dāng)今科技迅速發(fā)展的年代,應(yīng)更多地關(guān)心和了解新產(chǎn)品、新工藝技術(shù)的發(fā)展。例如,圖1-27為渦輪機(jī)葉片,材料為高溫合金,過(guò)去由于鑄造或鍛造無(wú)法保證質(zhì)量,只能無(wú)奈地采用切削加工工藝,但是現(xiàn)在國(guó)外采用了“氣壓鑄造法”,使葉片縮孔由17%降為0%;用另一種新的精密鑄造技術(shù)制造葉片,可以得到定向單晶組織,大大提高了耐高溫蠕變性能,情況發(fā)生了根本的改變。

近年來(lái),工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)提出,用精密鑄造和精密塑性成形工藝及由“自由成形制造技術(shù)”制造的工件,應(yīng)該由“接近凈成形制件”向“凈成形制件”方向發(fā)展。這將會(huì)引起新的工藝變革。但是在可以預(yù)見(jiàn)的將來(lái),將“接近凈成形制件”進(jìn)行必要的金屬切削加工,仍是零件制造的主要模式。第三節(jié)零件制造的工藝方法圖1-27渦輪葉片第四節(jié)金屬切削加工自動(dòng)化

一、剛性自動(dòng)化——加工自動(dòng)化的第一階段

分析一下在臥式車(chē)床上進(jìn)行的切削加工過(guò)程,可以發(fā)現(xiàn),即使是最簡(jiǎn)單的加工,如車(chē)削一個(gè)光軸,也需要進(jìn)行一系列的操作;除了直接進(jìn)行切削加工的操作外,還有如工件裝夾、刀具安裝調(diào)整、開(kāi)車(chē)、刀具移向工件、確定進(jìn)給量、接通自動(dòng)進(jìn)給、切斷自動(dòng)進(jìn)給、退刀、停車(chē)、測(cè)量,……,卸工件等許多操作,都是必不可少的。這些操作中,除了切削加工的進(jìn)給由機(jī)床自動(dòng)進(jìn)行外,其他操作都是由手工進(jìn)行的。這不僅影響著加工效率,更影響著加工質(zhì)量的穩(wěn)定以及對(duì)高水平操作者的依賴(lài),嚴(yán)重地制約了生產(chǎn)的發(fā)展。希望改變這種狀況的人們開(kāi)始研究自動(dòng)化加工。

研究發(fā)現(xiàn),自動(dòng)化的加工過(guò)程,實(shí)際上是一種嚴(yán)格的程序控制過(guò)程。根據(jù)加工過(guò)程的全部?jī)?nèi)容,設(shè)定一個(gè)嚴(yán)格的程序,使各種動(dòng)作和運(yùn)動(dòng)在這個(gè)程序的控制下有序地進(jìn)行。為此,要有傳遞程序指令的介質(zhì),將各種指令傳遞給各種動(dòng)作和運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行裝置;同時(shí),執(zhí)行裝置要能夠接受指令并產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作和運(yùn)動(dòng)。

1873年誕生了世界上最早的凸輪式自動(dòng)車(chē)床,一組凸輪作為傳遞程序指令的介質(zhì),一系列自動(dòng)動(dòng)作在其控制下,嚴(yán)格地按照程序進(jìn)行自動(dòng)加工循環(huán),成為一臺(tái)自動(dòng)化單機(jī)。它能以極高的效率對(duì)同一種工件進(jìn)行大量的重復(fù)加工,并且其加工質(zhì)量不再依賴(lài)操作者而只取決于凸輪,從而改變了生產(chǎn)的面貌。但凸輪是根據(jù)所加工的一個(gè)具體制件專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)制造,并經(jīng)過(guò)仔細(xì)安裝和調(diào)整的,如果要改變加工對(duì)象(包括形狀、尺寸等),必須另行設(shè)計(jì)制造一組專(zhuān)用凸輪。由于一組凸輪所體現(xiàn)的程序不能改變,所以稱(chēng)其為剛性自動(dòng)化。第四節(jié)金屬切削加工自動(dòng)化

1913年前后,美國(guó)福特汽車(chē)公司通過(guò)設(shè)計(jì)制造大量的專(zhuān)用機(jī)床,建立了流水線(xiàn)生產(chǎn)方式。在流水生產(chǎn)線(xiàn)上配置了若干專(zhuān)用機(jī)床,將一個(gè)零件的全部加工內(nèi)容分解成若干工序(工序分散),每臺(tái)自動(dòng)機(jī)床進(jìn)行其中一個(gè)工序的自動(dòng)加工,實(shí)現(xiàn)了汽車(chē)的大規(guī)模生產(chǎn)。其最重要的結(jié)果是不需要大量高技術(shù)工人而生產(chǎn)出大量質(zhì)量穩(wěn)定的零件,從而開(kāi)始了以剛性自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)的歷史。20世紀(jì)40年代后,人們通過(guò)設(shè)計(jì)各種高效的自動(dòng)化機(jī)床,并用物料自動(dòng)輸送裝置將單機(jī)連接起來(lái),形成了以單一品種、大批量生產(chǎn)為特征的成熟的剛性自動(dòng)化生產(chǎn)方式。

二、加工中心——加工自動(dòng)化的第二階段

當(dāng)以大量生產(chǎn)方式制造的產(chǎn)品使市場(chǎng)趨于飽和時(shí),人們提出了產(chǎn)品多樣化的要求。對(duì)于產(chǎn)品制造者,這又是一個(gè)新的課題:既要保證高的生產(chǎn)質(zhì)量(特別是要求很高的表面間相互位置精度)和效率,又要有能迅速更新、調(diào)整產(chǎn)品的靈活性,變單一品種、大批量生產(chǎn)為多品種的中、小批量生產(chǎn)。由此開(kāi)始了使剛性自動(dòng)化向柔性自動(dòng)化發(fā)展的歷程。

人們作過(guò)許多探索和嘗試,找到了一種稱(chēng)為組合機(jī)床的形式,其中液壓式組合機(jī)床比較容易實(shí)現(xiàn)控制程序的改變。組合機(jī)床自動(dòng)線(xiàn)得到了成功的應(yīng)用。但是,由于一個(gè)工件的加工過(guò)程需要依此在多臺(tái)機(jī)床上裝卸,制約了表面間相互位置精度的提高。第四節(jié)金屬切削加工自動(dòng)化20世紀(jì)50年代,集成電路、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,使數(shù)控技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生,并開(kāi)發(fā)了能執(zhí)行多種加工工作的、復(fù)雜的機(jī)床控制器,它徹底改變了過(guò)去的各種模式,以數(shù)字信息為指令,控制能夠接受數(shù)字信息的執(zhí)行裝置的動(dòng)作和運(yùn)動(dòng)。控制器中的控制程序,由手工按照一定的規(guī)范編寫(xiě)以后