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专 科 生 毕 业 大 作 业
题 目： 现代制造技术
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层 次： 高中起点专科
专 业： 机械设计制造及其自动化
年 级： 2011年 秋 季
学 号：
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指导教师：
完成日期：
内容摘要
随着科学技术的飞速发展和市场竞争日益激烈，越来越多的制造企业开始将大量的人力、财力和物力投入到先进的制造技术和先进的制造模式的研究和实施策略之中。本论文简单介绍了先进制造技术中的特种加工技术、精密加工和超精密加工技术、计算机辅助设计与制造技术等。
关键词：
技术；
特种加工技术；精密加工和超精密加工技术；计算机辅助设计与制造
目 录
内容摘要 ........................................................................................................................... I
引 言 .......................................................................................................................... 1
1 现代制造技术概述 .................................................................................................... 2
1.1 现代制造技术的内涵及技术构成 ................................................................. 2
1.2 现代制造技术的体系结构及分类 ............................................................. 3
1.2.1 现代制造技术的体系结构 ......................................................................... 3
1.2.2 现代制造技术的分类 . ............................................................................. 3
2 特种加工 .................................................................................................................... 4
2.1 特种加工概述 ................................................................................................. 4
2.2 电火花加工（EDM ） ....................................................................................... 4
2.3 电解加工 ......................................................................................................... 5
2.4 电解磨削 ......................................................................................................... 6
2.5 超声波加工 ..................................................................................................... 7
2.6 激光加工 ......................................................................................................... 7
3 精密加工和超精密加工 ............................................................................................ 9
3.1 精密、超精密加工的概念 ............................................................................. 9
3.2 精密加工和超精密加工的工艺特点 ............................................................. 9
4 计算机辅助设计与制造技术 .................................................................................. 10
4.1 CAD/CAM基本概念 ........................................................................................ 10
4.2 CAD/CAM系统的工作过程 ............................................................................ 10
参考文献 ........................................................................................................................ 12
引 言
制造技术已经是生产、国际经济竞争、产品革新的一种重要手段，所有国家都在寻求、获得、开发和利用它。它正是被看做是现代国家经济上获得的成功关键因素。制造技术已经不是单纯的产品设计、制造工艺和生产组织管理，它是一个包括产品需求、设计开发、生产、销售、使用、处理等整个产品生命周期的大系统。从宏观上来说，制造技术已经进入计算机辅助制造的时代，它是通过一个计算机分级结构网络来监测、控制和管理制造过程各个阶段的工作，其中包括生产管理与控制、工程分析与设计、财会与供销等方面。
美国从50年代以来只重视高技术和军用技术的发展，忽视了制造技术的作用，严重影响了国民经济的增长和国际经济竞争中的竞争力。80年代初，美国开始反省，美国在关于工业竞争的总统委员会的报告指出：美国在重要告诉增长的技术市场上失利的一个重要原因是美国没有把自己的技术应用到制造上。据美国国家生产力委员会调查，在企业生产力构成中，制造技术的作用占62%，世界上所有的国家，特别是经济比较发达的国家，都非常重视制造技术的发展，以日本和德国最为突出。我国的近邻日本在第二次世界大战后一直对制造技术非常重视，先后提出了“技术立国”和“新技术立国”的道路，并且狠狠抓住了精密工程和制造系统自动化这两个制造技术的关键，突出了以人为中心的先进管理，人、技术和经营管理的三结合，使日本在战后短短30年里，一跃而成为经济大国。
我国的制造技术经过40多年的发展，已经进入了发展迅速、失利增强最强最快的新阶段。由于机械产品是装备国民经济各部门的物质基础，强大而完整的机械工业是国家现代化、实现社会进步的必要条件。通过分析，其关键问题是要发展现代制造技术，从而制定了发展先进制造技术的规划。
现在，各工业国家都把制造技术视为当代科技发展最为活跃的领域和国际间科技竞争的主战场，制定了一系列振兴计划，建立了世界级制造技术中心，纷纷把现金制造技术列为国家关键技术和有线发展领域，一个以现代制造技术为中心的科技竞争已经在发达国家质检展开，一个以现代制造技术为重点的工业革命已经到来，这是第三次工业革命。
1 现代制造技术概述
1.1 现代制造技术的内涵及技术构成
现代制造技术是微利适应时代要求提高竞争能力，对制造技术不断优化及推陈出新而形成的。现代制造技术是传统制造技术不断吸收机械、电子、信息（计算机通信、控制理论、人工智能等）、材料、能源及现代管理等技术成果，将其综合应用于产品设计、制造、检测、管理、售后服务等机械制造全过程，实现优质、高效、低耗、清洁、灵活生产，取得理想经济技术效果的制造技术的总称。
现代制造技术是一个多层次的技术群，其内涵和层次极其技术构成如图1-1所示。
第一层次是优质、高效、低耗、少无污染基础制造技术。这些基础技术主要有精密下料、精密成形、精密加工、精密测量、毛坯强韧、少无氧化热处理、气体保护焊及埋弧焊、功能性防护涂层等。
第二层次是新型的现代制造单元技术。这是市场需求及新兴产业的带动下，制造技术与电子、信息、新材料、新能源、环境科学、系统工程、现代管理等高新技术结合而形成的制造技术。如：制造业自动化单元技术、极限加工技术、新材料成形与加工技术、激光与高密度能源加工技术、工艺模拟及设计优化技术等。
第三层次是现代制造集成技术。这是应用信息、计算机和系统管理技术对上述
两个层次的技术局部或系统集成而形成的现代制造技术的高级阶段。如柔性制造
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。
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
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。
（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
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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（3）适用于精微加工。激光聚焦后的光斑直径极小，能形成极细的光束，可以用来加工深而小的细孔和窄缝。
（4）因能量高度集中，加工速度快、效率高，可减少热传散带来的热变形。对具有高热传导和高反射率的金属，如铝、铜和它们的合金，用激光加工时效率较低。
（5）可控性好，易于实现自动化。
3 精密加工和超精密加工
3.1 精密、超精密加工的概念
随着现代工业的不断发展，精密加工和超精密加工在机械、电子、轻工及国防等领域占有越来越重要的地位。从一般意义上将，精密加工是指在一定的发展时期，加工精度和表面质量达到很高程度的加工工艺。超精密加工是指加工精度和表面质量达到极高程度的精密加工工艺。
3.2 精密加工和超精密加工的工艺特点
精密加工、超精密加工和一般加工比较由其独特的特性。
（1）精密加工和超精密加工都是以精密元件为加工对象，与精密元件密切结合而发展起来的。平板、直角尺、齿轮、丝杠、蜗轮副、分度板等都是典型的精密元件，现代工业的发展，大规模继承电路芯片、金刚石磨具、合成蓝宝石轴承、非球面透镜及精密伺服阀零件等正成为新的典型精密元件。
（2）精密加工和超精密加工不仅要保证很高的精度和表面质量，同时要求有很高的稳定性或保持性，不受外界条件变化的干扰。
（3）精磨测量时精密加工的必要条件，没有相应的精密测量手段，就不能科学地衡量精密加工所达到的精度和表面质量。在精密加工和超精密加工中，有时精密测量成为关键。例如在高精度的空气静压轴承中，要测量它在高速转动下的径向跳动和轴向窜动是十分困难的。
（4）现代精密加工常常与微细加工结合在一起，要有与精度相适应的微量切削，因此出现了一些列精密加工和细微加工的方法，如金刚石精密车削、精密抛光、弹性发射加工、机械化学加工以及电子束、离子束等加工方法。
（5）现代精密加工和超精密加工常常和自动控制联系在一起，广泛采用微型计算机控制、自适应控制系统，以避免手工操作引起的随机误差，提高加工质量。
（6）现代精密加工和超精密加工常常采用复合加工技术，已达到更理想的效果。
精密加工和超精密加工目前主要有精密切削加工、精密磨削加工、超精研、精密研磨、超精密磨料加工、电解磨削加工和纳米加工等。
4 计算机辅助设计与制造技术
4.1 CAD/CAM基本概念
计算机辅助设计与制造（简称CAD/CAM）技术产生于20世纪50年代后期发达国家航空和军事工业中，随着计算机硬件、软件技术和其他科学技术的进步与发展，CAD/CAM技术日趋完善，它的应用范围也不断扩大。如今的CAD/CAM已广泛应用于数值计算、工程绘图、工程信息管理、生产控制等设计成产的全过程中，它的应用行业已遍及电子、机械、造船、航空、汽车、建筑、纺织、轻工业及工程建设等。
CAD/CAM技术是一项利用计算机协助人完成产品的设计与制造的现代技术。CAD/CAM技术是传统设计与制造技术与现代计算机技术的有机结合，它将传统设计与制造彼此相对分离的任务作为一个整体来规划和开发，实现信息处理的高度一体化。
4.2 CAD/CAM系统的工作过程
CAD/CAM系统是设计、制造过程中的信息处理系统，它需要对产品设计、制造全过程的信息进行处理，包括设计、制造中的数值计算、设计分析、三维造型、工程绘图、工程数据库的管理、工艺分析、NC 自动编程、加工仿真等各个方面。CAD/CAM系统充分利用了计算机高效准确的计算功能、图形处理功能以及复杂工程数据的存储、传递、加工功能，在运行过程中，结合人的经验、知识及创造性，形成一个人机交互、各尽所长、紧密配合的系统。CAD/CAM系统输入的是设计要求，输出的是制造加工信息。一个完整的CAD/CAM系统主要包括以下几个方面：
（1）通过需求调查以及用户对产品性能的要求，向CAD 系统输入设计要求。在CAD 系统中首先进行设计方案的分析和选择，根据设计要求建立产品模型，包括几何模型和诸如材料处理、制造精度等非几何模型，并将所建模型储存于系统中的数据库中。
（2）利用CAD/CAM系统应用程序中已编制的各种应用程序，对产品模型进行设计计算和优化分析，确定设计方案及产品零部件的主要参数，同时，利用系统中的图形库，将设计的初步结果以图形的方式输出在显示器上。
（3）通过计算机辅助工程分析计算功能对产品进行性能预测、结构分析、工程计算、运动仿真和装配仿真。
（4）根据计算机显示的结果，设计人员对设计的初步结果做出判断，如果不满意，可以以人机交互作业方式进行实时修改，直至满意为止。将修改后的产品
设计模型仍存储在CAD/CAM系统的数据库中，并可通过绘图机输出设计图纸和有关文档。
（5）CAD/CAM系统从产品数据库中提取产品的设计制造信息，在分析其零件几何形状特点及有关技术要求后，对产品进行工艺规程设计，将工艺设计结果存入系统的数据库中，同时在屏幕上显示输出。
（6）工艺设计人员可以对工艺规程设计的结果进行分析、判断，并以人机交互方式进行修改，最后以工艺卡片或数据接口文件的形式存入数据库，以供后续模块读取。
（7）在打印机上输出工艺卡，成为车间生产加工的工艺指导性文件。NC 自动编程子系统从数据库中读取零件几何信息和加工工艺规程，生成NC 加工程序。
（8）进行加工仿真、模拟，验证所生成NC 加工程序是否合理、可行。同时，还可以进行刀具、夹具、工件之间的干涉、碰撞检验。
（9）在普通机床、数控机床上按照工艺规程和NC 加工程序加工制造出有关产品。
由上述过程可以看出，从初始的设计要求、产品设计中的中间结果，到最终的加工指令，都是产品数据信息不断产生、修改、交换、存取的过程，在该过程中，设计人员仍起着非常重要的作用。一个优良的CAD/CAM系统应能保证不同部门的技术人员能相互交流和共享产品设计和制造信息，并能随时观察、修改设计，实施编辑处理，直到获得最佳结果。
参考文献
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[2] 唐世林，柯吉友. 机械加工技术. 第一版. 北京：北京理工大学出版社，2009.8.
[3] 韩荣第. 现代机械加工新技术. 第一版. 电子工业出版社，2004.7.
[4] 袁根福，祝锡晶. 精密与特种加工技术. 第一版. 北京大学出版社，2007.8.