先进制造技术课件第3章.ppt

第三章先进制造工艺技术 3 1精密成型技术3 2精密与超精密加工技术3 3超高速加工技术3 4特种加工技术3 5微细加工技术复习思考题 3 1精密成型技术 3 1 1粉末冶金粉末冶金是一种精密成型工艺 成品件可以达到相当高的精度和表面粗糙度 可以不经任何后续加工直接应用 也可以进行一定的精加工 图3 1所示为粉末冶金工艺过程 1 粉末成型方法 1 磁动力压制 装于精密模具中的松散铁粉 经磁场径向压制可达到很高的密度 同时克服了单轴模压方法中限制轴向长度与密度梯度的局限性 图3 1粉末冶金工艺过程 2 爆炸压制 爆炸压制是得到高密度坯料的好方法 冲击波通过粉末即可将粉末压制成坯 光学研究表明 对于柱形试样 为使密度均匀 冲击波的形状应该是锥形的 3 新的挤压成型法 常规金属挤压仅限于铝和铜一类延性材料 而高强度材料和高温材料只能采用锻造与机加工方法 新的挤压法可通过调节金属粉末 粘结剂混合系统的粘度来制取挤压料 然后用挤压塑性材料的常规挤压机进行挤压 可像金属注射成型那样 用溶剂萃取法去除粘结剂 而后经烧结可制得棒 管等一类致密型材 通过调节粉末坡度与烧结参数 也可制取壁上有开孔的管 由此制成过滤器及其他功能产品 4 吹气装粉法 因粉末流动性差 故往往在压模装粉时出现粒度偏析 新开发出的吹气装粉法将少量气体吹入装粉靴中 因而改善了粉末的流动性 降低了粒度偏析 缩短了装粉时间 5 温压 温压工艺是利用温度与压力使粉末致密化的 其最终密度可达7 25 7 458g cm3 各种温压工艺都有一定的温度范围 温压工艺应用于汽车零件等高强度 小型化的开发制造过程 2 成型工艺特点及研究方向粉末冶金工艺一般具有以下特点 1 可以得到近净形零件 2 通过粉末合金成分的配合 可以得到符合零件性能要求的制品 3 也适合于大批量生产 粉末成型领域的主要研究方向是 1 粉末制造技术 例如急冷凝固粉末 机械合金化 MA 粉末 超微 1 m以下 粉末的制备等 2 成型及固化技术 例如冷等静压成型 CIP 和热等静压成型 HIP 粉末锻造 电磁成型 金属粉末注射成型 MIM 等 新开发的粉末材料需配以优化的固化及成型技术 另外 比较成熟的模具成型技术亦存在工艺优化的需求 复杂零件的粉末精确成型 公差达 0 02mm 也需要高精度 智能化的成型和固化设备的支持 这些问题共同的特点是对技术诀窍或经验的依赖程度很大 3 1 2精密洁净铸造 1 精密砂型铸造 PrecisionSandCasting 1 FM法 FM为法语FonteMince 薄壁铁 的缩写 FM法采用冷芯盒砂芯叠箱造型 在低压下进行浇注 这种方法已成功地用于大量生产壁厚仅2 8mm的球墨铸铁排气管 法国一铸造厂已建成日产2500根排气管的生产线 1992年 其主要用户为美国通用汽车公司Cadillac豪华型轿车部 2 Zeus法 Zeus法采用冷芯盒砂芯组芯造型 重力浇注 由于所用的工艺装备 芯盒 制造得十分精确 因而可获得尺寸十分精确的铝铸件 这种方法可以生产壁厚仅2 5mm的复杂铝合金发动机缸体 缸盖 3 Cosworth法 Cosworth法 见图3 2 采用冷芯盒砂芯组芯造型 但是它使用锆砂 通常在铸造生产中使用石英砂 利用电磁泵来实现在可控压力下使铝合金液由下而上地充填铸型 由于锆砂的热膨胀率很小而且恒定 因而有利于获得尺寸精确度高的铸件 但是 由于锆砂导热性极好 比石英砂高出两倍多 因而用它所造的砂型难以浇注出壁厚小于4mm的铝铸件 此外 砂芯采用机械组装 组装后砂型如同一个整体 也有利于确保铸件尺寸精度 图3 2Cosworth法示意图 2 消失模铸造 ExpendablePatternCastingorLostFoamProcess 消失模铸造采用遇液体金属后即气化的泡沫塑料作模样 无分型面 也不用取模 不用砂芯 同时采用无水分 无粘结剂 无附加物的干砂造型 这种方法可以生产出薄壁 零度拔模斜率的复杂铸件 并可直接铸出螺纹及曲折的通道 它可以减少机械加工工序 这种方法在大量生产中应用后发现还有不少有待解决的技术问题 例如 用于制造消失模的模具成本高和制造周期长 消失模因刚度差在紧砂过程中易变形 铸件表面质量不稳定 等等 B 工艺过程 P104 3 挤压铸造 SqueezeCasting 所谓 挤压铸造 是指将液体金属在不受扰动 不卷进空气的条件下充填金属铸型 随后又使铸件在高压下完成凝固过程 从而获得优质可热处理的铸件的工艺方法 这种最初作为液态冲压而开发的 挤压铸造 目前则一般是指一种由截面尺寸很大的浇道将液态金属引入型腔的铸造方法 这样就能使铸件在凝固过程中能得到充分的补缩 今天被普遍接受的 挤压铸造 定义是 一种具有低的充型速率 最低限度的扰动 并在整个凝固期间保持高压的工艺方法 它能稳定地制造进行固熔热处理的高度整体性的铸件 汽车发动机铝合金活塞可以由加热的含超过25 陶瓷或耐磨金属纤维的预制件挤压铸造而成 该工艺方法将增强材料安放在需要的部位 如活塞圆顶或上活塞环槽处 以达到耐热及耐磨等目的 4 半固态铸造 Semi solidMetalCasting 半固态铸造的过程是 将一专门的连续铸造铝合金的坯料仔细地加热到其中含有一定的液态容积组分的温度 这一粥状坯料随后被挤压到一金属型腔内以形成一近终形 致密的铸件 然后可以通过热处理来进一步改善其性能 半固态铸造示意图如图3 3所示 图3 3半固态铸造示意图 图3 4半固态铸造及挤压铸造获得的A1Si7Mg A356 357 合金机械性能 5 压力铸造压力铸造是在高压作用下 将金属熔液以较高的速度压入高精度的型腔内 力求在压力下快速凝固 以获得优质铸件的高效率铸造方法 在有色金属的各种精密铸造工艺中 压力铸造所占的比例最大 压力铸造件的线性尺寸精度可达6 8级 部分可达5级 铸件的表面粗糙度可达Rg3 2pm以上 压铸工艺流程如图3 5所示 图3 5压铸工艺流程 压力铸造 压铸 机械化程度和生产效率很高的特种铸造方法 金属零件的精密成形工艺1 工作原理将熔融的金属在高压 几 几十MPa 500Mpa 下 在极短的时间内 充填时间一般为0 01 0 21s内 以极高的速度 充填速度一般为0 5 50M S 120m s 充填模具的型腔内 持续地高压使之在压力下凝固结晶 2 工作过程1 定量吸液属于定量铸造 2 压射填充压力不同得到低高压不同的压力铸造方法 3 冷却凝固4 压头返回取出铸件 6 熔模铸造熔模铸造是由古代失陷铸造发展起来的一种精密铸造方法 熔模铸造的铸件质量可达铸件一级精度 熔模铸造常用于压型制造方法中 机械加工压型是用碳钢 铝 铜等材料制成的 导热性好 尺寸精确 粗糙度高 还可镀铬抛光 生产出的铸件质量很高 熔模铸造适用于生产批量大 精度要求高 难加工材料的零件 图3 6所示为熔模铸造工艺流程 图3 6熔模铸造工艺流程 7 陶瓷型铸造陶瓷型铸造用陶瓷浆作为造型材料灌浆成型 经高温焙烧后 再行合箱浇注金属液 铸成零件 陶瓷型铸造的整体型适用于形状复杂的小铸型和各种型芯 薄壳型适用于中大铸型 陶瓷型铸造一般模样的粗糙度比浇得的铸件粗糙度高两级以上 粗糙度可达Ra6 3 1 6 m 尺寸精度在100mm上可控制在 0 20mm以内 8 壳型铸造壳型铸造用人造树脂作型砂粘结剂 型砂在硬化后具有很高的强度 故铸型可制成薄壁壳型 而型砂可制成空心的薄壁壳芯 由于成本高 壳型铸造常用于制造壳芯 壳型铸造的尺寸误差对钢及有色金屑为 1 0 对铸造件为 0 75 表面粗糙度可达Ra6 3 1 6 m 废品率可控制在1 2 的范围内 除上面介绍的几种精铸工艺外 其他还有金属型铸造 真空密封造型 液态挤压铸造等精密成型工艺 3 1 3精密锻造精确锻造成型的定义是 至少锻件的部分表面的尺寸和形状精度达到可直接用于装配或仅需磨削加工即可装配的程度 金属坯料加热到锻造温度 采用模锻方法实现精密成型 这是现代机械零件的重要成型方法之一 机械零件中很多承力件 保安件 传动件都采用了热锻成型工艺 精密锻造的工艺流程与热模锻工艺相比 通常需要增加精密锻压工序 并且需要有制造精密锻模 无氧化或少氧化加热和冷却手段 另外 对备坯和后续切削加工常有特殊要求 一般用于难于切削加工或费工时的零件 以及对使用性能有较高要求的零件 如齿轮 涡轮扭曲叶片 航空零件 电器零件等 精密模锻件的精度约为普通锻件的1 3 粗糙度可达Ra3 2 0 8 m 不需机械加工或进行少量加工即可直接用来装配 精密锻造常用于齿轮和叶片的精密制造 对于齿轮的精锻 齿形精度可达7 9级 对于叶片的精锻 叶片的长度可达1700mm 弦宽400mm 扭曲角80 以上 并可锻出拉筋凸台 可获得高精度锻件的精锻工艺机器有 模锻中的热模锻压力机 平锻机 螺旋压力机 高速锤 多向模锻水压机 模锻水压机 精密锻轴机 精锻工艺有挤压中的冷挤压 温热挤压 镦锻以及楔形模横轧 螺旋孔型斜轧 仿形斜轧 辗轧 摆动辗压等 1 冷挤压 冷挤压是将坯料放在模具中 在室温下用压力机加压 使金属在模腔内受三向压应力而产生塑性变形 形成所需的形状 尺寸及一定性能的零件的加工方法 冷挤压的优点是节约原材料 材料利用率在80 以上 有时可达93 生产率高 精度及粗糙度高 精度7级 粗糙度可达Ra1 6 0 2 m 一般冷挤压加工的零件不再需要切削加工 极个别情况下 只需精磨即可 冷挤压加工常用来提高材料的机械性能 以及加工某些形状复杂及难加工的材料 2 特种轧制 特种轧制可用于齿轮和丝杆的少无切削加工 冷轧丝杆在室温下利用一对旋转的轧辊加压工件 使工件逐渐发生塑性变形而形成与轧辊孔型相同的螺纹形状 冷轧丝杆的粗糙度可达Ra0 8 m以上 精度可达8级以上 热轧齿轮将齿轮坯料外缘加热至良好的塑性状态 用带齿的轧轮将坯料轧出轮齿 除一些精度要求低的机械外 轧后的齿轮尚需某些后续工序以提高齿形的精度 常用的后续加工法有切削法 磨齿和剃齿 和挤压法 冷精轧 温精轧 推挤等 3 其他压力加工少无切削工艺主要指辊锻 顶镦 电热镦 精密下料等 辊锻是把轧制工艺应用到锻造生产中而发展起来的一种锻造新工艺 辊锻过程是指使坯料通过一对装有扇形模块的回转锻辊 借助模槽使其产生塑性变形 而获得所需的锻件 顶镦是利用坯料不变形部分进行定位和夹紧 用模子对加热或不加热的一端施加压力进行局部镦粗变形的一种工艺 包括冲孔 冷镦 生产各种紧固件 电热镦是在对坯料进行电加热的同时进行局部镦粗的一种少无切削工艺 下料 是生产中 小型锻件的第一道工序 由于各种精密锻造技术的出现 对精密下料的要求也越来越高 由于精密下料可以提高生产率和材料利用率 因而下料精度也越来越受到重视 目前主要采用精密剪切下料技术 3 1 4精密冲裁精密冲裁简称精冲 在一定条件下可取代切削加工 具有优质 高效 低耗 面广的特点 适合于组织自动化生产 精冲件的尺寸公差可达IT7 IT8级 剪切面粗糙度可达Ra2 4 0 4 m 相当于磨削 和切削加工相比 精冲一般可提高工效10倍左右 实现精密冲裁有效的方法之一是采用 v 形环强力压边精密冲裁技术 采用这种技术 只需一次冲压行程即可获得高粗糙度和高精度的制件 是提高冲裁件精度的一种经济而有效的方法 精密冲裁工艺过程如图3 7所示 a 为冲裁起始位置 b 为模具闭合 压边圈 顶件板压紧坯料 c 为在压边力和顶件反力的作用下进行冲裁 d 为冲裁完毕 e 为模具开启 从凸模上卸下余料 从凹模内推出制件 f 为取走制件和余料 准备下一循环 图3 7精密冲裁工艺过程 3 1 5精密焊接1 精确焊接成型技术可以达到精确成型制造目的的焊接工艺主要有高能密度焊接方法 如激光焊和电子束焊 以及固态焊接 扩散焊和焊熔近终成型技术等 激光焊接是用激光束将被焊材料加热至熔化温度以上熔合而成焊接接头的方法 当激光功率密度达到105 107W cm2时 激光小孔效应可使焊缝深宽比达12以上 热影响区小 焊接变形小 适于焊接尺寸精度要求高的部件 但激光焊接对焊件的装备精度要求高 并要求激光束能沿焊缝长度精确扫描 因此 焊接过程和焊接质量的实时检测与闭环控制 以及对特种材料的激光焊接的研究将影响激光焊接的技术水平和应用范围 3 激光焊接 激光是利用原子受激辐射的原理 使工作物质受激而产生一种单色性好 方向性强 相干性强 亮度高的光束 能量密度为1013W cm2 在1 1000秒的时间内能将光能转变为热能 温度可达1万 以上 所以极易熔化或汽化一些对激光有吸收能力的金属和非金属材料 可用于金属或非金属的焊接 1 分类脉冲激光焊接和连续激光焊接两类 用于激光焊接的激光器有 CO2气体 YAG固体按焊缝形成原理分为传热熔化焊和深穿入焊两种 电子束焊接经过近40年的发展已经获得了广泛的应用 它可以焊接几乎所有用熔焊方法可焊的金属材料 从廉价的汽车齿轮到贵重的喷气发动机部件 从极小的微型压力传感器到较大的航天器外壳 从极薄的工件到厚达300mm的厚板 既可用于单件生产也可用于大批量制造 电子束焊接方法可以将精加工后的零件组焊在一起而保证构件的整体精度 因此 它在航空航天工业及核工业的重要部件焊接中具有重要意义 近年来国内外发展起来的新型结构材料 如陶瓷 复合材料 特殊合金 具有优异的物理 化学和机械性能 但在实际应用中 这些材料之间的连接问题是必须解决的课题 目前最常用的方法有瞬间液相扩散钎焊和固态连接方法如扩散焊等 扩散焊是一种可以连接物理 化学性能差别很大的异种材料的固态连接方法 如陶瓷与金属 并可以连接截面形状和尺寸差异大的材料 以及连接经过精密加工的零部件而不影响其原有精度 5 扩散焊 1 概念在真空或保护气氛下 平整光洁的焊接表面在热和压力的同时作用下 发生微观塑性流变后相互紧密接触 原子相互扩散 并经一定时间保温 使焊接区的成分和组织均匀化 达到完全的冶金连接的过程 2 特点和应用1 扩散焊母材不加热或熔化 适合于焊接一般方法难以焊接的材料 弥散强化的高温合金 纤维强化的硼 铝复合材料 2 可以焊接不同类型的材料如异种金属 金属与陶瓷等冶金上完全互不相溶的材料 3 可以焊接结构复杂和厚薄相差大的金属 4 接头的成分 组织与性能完全相同或基本相同 焊前要求 焊件表面必须进行精密加工 磨平抛光 清洗油污 焊熔近终成型技术是一种新发展的快速零件 原型 制造技术 其实质是采用成型熔化制成全部由焊缝组成的零件 通常可采用已经成熟的焊接技术 按照零件的需求连续逐层堆焊 直至达到零件的最终尺寸 这种方法的优越性在于新制构件的尺寸 形状几乎不受限制 目前已制成最大外径达5 8m 重5 105kg的部件 其金属材料利用率高 由于接近净成型 只需少量加工即可 焊接材料利用率达80 以上 化学成分均匀 冲击韧性 断裂韧性均显著改善 2 特种材料及特种环境下的新型焊接技术随着21世纪科学技术的不断发展 对于水下 太空等特种环境以及陶瓷 光缆 复合材料 微电子产品等新型材料 一方面原有的焊接技术仍在发展以适应新的要求 另一方面 不断有新的焊接方法涌现出来 例如 利用微波能的体积加热和相选择加热特点进行焊接 在陶瓷材料的制备和连接等方面已取得了一定进展 微波体积加热使陶瓷材料整体升温 避免了陶瓷材料在快速加热时由于温度不均匀而导致开裂的弊病 使快速加工陶瓷材料成为可能 同时微波的某些热效应和非热效应使陶瓷材料中的物理过程异于普通加热方法 导致了烧结与连接过程的加速 与电子束作为热源相媲美 在真空条件下的阴极电弧可望成为实现太空焊接与钎焊的新型热源 3 焊接生产自动化和焊接过程的智能控制焊接生产自动化将突出表现为生产系统的柔性化和焊接控制系统的智能化 焊接是机器人应用的重要领域 过去以较为简单的点位点焊机器人的运动控制为主 现在则要求制造能够精确控制轨迹的多自由度的弧焊机器人 由于焊件形状各异 焊缝的曲线多样 因而要求焊接轨迹及规范参数的控制具有柔性 即发展以弧焊机器人为主体配合多自由度工件转胎架的柔性制造系统 FMS 同时 由于焊接过程要产生热变形及工件装配的随机误差 示教 再现方式的轨迹控制很难适应 需要发展能识别环境并随时精确跟踪轨迹及调节焊接参数和姿态的智能焊接机器人 研究其传感及控制技术 焊接过程控制中 多个参量常常在一个范围内波动而又相互影响 没有绝对分明的定量界限 因此 模糊数学及模糊控制理论已被列入焊接过程控制并成为研究热点 由于神经网络技术能从大量输入 输出样本中学习到输入 输出的非线性函数关系 这一特点可在模糊控制中用于确定模糊规则和调整模型理论中的隶属关系 因而模糊数学与人工神经网络技术的结合将在焊接过程控制中有很大应用前景 3 1 6快速原型技术1 快速原型技术快速原型技术指在计算机控制与管理下 由零件CAD模型直接驱动 采用材料精确堆积复杂三维实体的原型或零件制造技术 是一种基于离散 堆积成型原理的新型制造方法 快速原型技术的出现 反映了现代制造技术本身的发展趋势以及激烈的市场竞争对制造技术发展的重大影响 2 快速原型技术的特点快速原型 RapidPrototyping RP 技术自1988年第一台商业机种问市后 即在世界各地形成一股旋风 工业界 学术界 医学界等 莫不纷纷投入人力 财力与物力以应用或研发此被号称为 21世纪CNC工具机 之最新科技 快速原型技术与传统加工程序比较其特点为 1 加工是一种加层行为 不需担心刀具路径 2 无需使用夹具及模具 节省成本 3 对于小数量之生产需求 经济效益显著 表3 1快速原型技术与传统切削方法的比较 3 快速原型技术的分类及应用一般而言 快速原型依其原料供应方法不同 主要可分成粉末 液态树脂和固体材料三大类 各有其不同的特点及应用领域 在粉末方面 有DTM公司的SelectiveLaserSintering SLS MIT大学发展的3DPrinting 德国EOS公司发展的EOS P与EOS M系列 粉末成型是目前最被看好的技术 因为任何可制成粉末的材料均可用这种方式制作 由于它可以直接制作金属件 因而利用这种特性可将它应用在快速模具 RapidTooling 上 翻制大量生产用的产品 延伸了快速原型的应用领域 在液态树脂方面 目前投入的厂商数量最多 市场占有率也最多 其中又可分为液态光硬化树脂 PhotoPolymer 及熔化固化型 Melting Solidification 两类 利用液态光硬化树脂较为知名的厂商有美国3DSystems公司的StereoLithographyApparatus SLA 以色列Cubital公司的SolidGroundCuring SGC 日本NTT CMET公司的SolidObjectUltra VioletLaserPrinter SOUP 等 利用喷嘴技术的厂商有美国Stratasys公司的FusedDepositedModeling FDM 美国3DSystems公司的ThermoJetModeling 美国PerceptionSystems公司的BallisticParticleManufacturing BPM 等 在固体材料成型方面 一般使用片状材料粘着 GlueingSheets 的方式加工 从加工原理看来 任何可制成片材的材料均可用这种方法 但因为能量装置 废料去除及工件定位等因素的限制 目前大都以使用纸张为主 其中较为知名的有美国Helisys公司的薄片积层法 LaminatedObjectManufacturing LOM 日本KIRA公司的选择性粘着与热压法 SelectiveAdditiveandHotPress SAHP 目前新加坡亦有与LOM相似的机器 但可能因为专利问题而无法在国际上行销 其中 固体材料类的薄片积层法具有材料价格低廉 加工迅速 成型简单等特点 快速原型应用包罗万象 目前使用范围由工业推展至医学 艺术 地理信息及人文科学等 如果以目前应用最成熟的工业原型与模型为例 可以应用在供设计验证的概念原型 ConceptModel 上 但是作为功能评估用的实物模型因要求较高的强度及硬度 因而只有极少数的几种适用 同时工业原型机器价格昂贵 因此其生命周期与适用性必然受限 而且由于近年来市场上工业产品生命周期愈来愈短 企业界必须使用快速原型技术将产品开发过程缩短 因此 快速原型技术是缩短产品开发过程的最有效方法 1 利用激光固化树脂材料的光造型法光造型装置中 一直以美国3DSystems公司的SLA型产品独占鳌头 并形成垄断市场 其工作原理如图3 8所示 由激光器发出的紫外光 经光学系统汇集成一支细光束 该光束在计算机控制下 有选择地扫描液升降装置容器中的光敏树脂表面 利用光敏树脂遇紫外光凝固的机理 一层一层固化光敏树脂 每固化一层 工作台下降一精确距离 并按新一层表面几何信息使激光扫描器对液面进行扫描 使新一层树脂固化并紧紧粘在前一层已固化的树脂上 如此反复进行 直至制作生成零件实体模型 激光立体造型制造精度目前可达 0 1mm 主要用于制作产品的样品和实验模型 此外 日本开发的SOLIFORM可直接制作注射成型模具和真空注塑模具 图3 8立体光造型技术原理 2 纸张叠层造型法纸张叠层造型法目前以Helisys公司开发的LOM装置应用最广 该装置采用专用滚筒纸 由热轧辊使纸张加热连接 然后用激光将纸切断 待热轧辊自动离开后 再由激光将纸张裁切成所要求的形状 其原理如图3 9所示 LOM可制作一些光造型法难以制作的大型零件和厚壁样件 且制作成本低廉 约为光造型法的1 2 速度高 约为木模制作时间的1 5以下 并可简便地分析设计构思和功能 图3 9纸张叠层造型原理 3 热可塑造型法热可塑造型法以DTM公司开发的选择性激光烧结 SelectiveLaserSintering SLS 应用较多 该方法用CO2激光熔融烧结树脂粉末的方法制作样件 工作时 由CO2激光器发出的光束在计算机控制下 根据几何形体各层横截面的几何信息对材料粉末进行扫描 激光扫描处粉末熔化并凝固在一起 然后 铺上一层新粉末 再用激光扫描烧结 如此反复 直至制成所需样件 其原理如图3 10所示 图3 10选择性激光烧结原理 SLS技术造型速度快 一般制品仅需1到2天即可完成 造型精度高 每层粉末最小厚度约0 07mm 激光动态精度可达 0 09mm 并具有自动激光补偿功能 原型强度高 聚碳酸脂其弯曲强度可达34 5MPa 尼龙可达55MPa 因此 可用原型进行功能试验和装配模拟 以获取最佳曲面并观察配合状况 4 快速原型技术的历史 现状及发展趋势2000年12月在德国法兰克福Euro Mold和2001年5月辛辛那提SME RPM会议上对RP技术的发展方向进行了热烈讨论 面向市场的非定制生产不断扩大 人们需要既满足客户个性化需求又可进行大批量生产的低成本生产方式 A Toffler 1970年 B J Pine 1993年 D Anderson 1999年 就提出过批量定制 MassCustomization 的概念和方法体系 其工艺的核心技术是快速制造 RapidManufacturing RM RM技术使设计和制造更紧密地结合起来 具体表现为 两个统一 通过CAD模型直接驱动工具和材料来成型 进一步将成型的过程与物理过程统一起来 采用离散 堆积成型原理 将材料制备与材料成型过程统一起来 RP技术朝两个方向发展 发展方向一 RP仍然保留制造概念模型的部分 并朝着桌面化发展 随着快速成型技术的发展 一种适合环境和桌面化的小型 三维打印机 日益受到RP设备开发商和用户的关注 这种设备的特点是价格便宜 外观小巧 成型空间较小 有一定的造型精度 这方面的发展以以色列的概念模型机为先 我国清华大学激光快速成型中心也在开发适合中国国情的 三维打印机 它将比国外设备有更好的性价比 RP技术发展方向二 朝制造功能性模型 零件 方向发展 主要应用于批量定制 材料梯度 功能梯度零件以及金属成型零件 总之 快速成型技术是当今世界上发展迅速的先进制造技术之一 在RP继续朝着向化设备概念原型方面发展的同时 RM从RP中分化出来成为批量定制的核心工艺 并向材料梯度 功能梯度零件 生物制造以及直接金属成型零件方向迅猛发展 关注其发展的最新动态 对我国快速成型事业的健康发展以及制造业都有深远的意义 3 2精密与超精密加工技术 3 2 1精密与超精密加工技术概述1 精密加工与超精密加工定义精密加工和超精密加工的应用领域十分广泛 它包括所有能使零件的形状 位置和尺寸精度达到微米和亚微米范围的机械加工方法 精密和超精密只是相对而言的 其间的界限随时间的推移而不断变化 因此精密和超精密在不同的时期必须使用不同的尺度来区分 1983年日本的Taniguchi教授在考查了许多超精密加工实例的基础上对超精密加工的现状进行了完整的综述 并对其发展趋势进行了预测 他把精密和超精密加工的过去 现状和未来系统地归纳为图3 11所示的几条曲线 图3 11加工精度在不同时期的进展曲线 2 精密加工与超精密加工的特点 1 蜕化 和 进化 加工原则 一般加工时 工作母机 机床 的精度总是要比被加工零件的精度高 这一规律称为 蜕化 原则 或称 母性 原则 对于精密加工和超精密加工 由于被加工零件的精度要求很高 用高精度的 母机 有时甚至已不可能 这时可利用精度低于工件精度要求的机床设备 借助工艺手段和特殊工具 直接加工出精度高于 母机 的工件 这是直接式的 进化 加工 另外 用较低精度的机床和工具 制造出加工精度比 母机 精度更高的机床和工具 即第二代 母机 和工具 用第二代 母机 加工高精度工件 这是间接式的 进化 加工 两者统称 进化 加工 或称创造性加工 2 微量切除 极薄切削 超精密加工时 背吃刀量极小 是微量切除和超微量切除 因此对刀具刃磨 砂轮修整和机床均有很高要求 3 形成了综合制造工艺系统 精密加工和超精密加工是一门综合性技术 要达到高精度和高表面质量 还要考虑加工方法的选择 加工工具及材料的选择 被加工材料的结构及质量 加工设备的结构及技术性能 测试手段和测试设备的精度 恒温净化防振的工作环境 工件的定位与夹紧方式以及人的技艺等诸多因素 因此 精密与超精密加工是一个系统工程 不仅复杂 而且难度大 4 与自动化联系十分紧密 5 特种加工方法和复合加工方法 6 加工检测一体化 3 超精密加工所涉及的技术范围超精密加工所涉及的技术领域包含以下几个方面 1 超精密加工机理 2 超精密加工的刀具 磨具及其制备技术 包括金刚石刀具的制备和刃磨 修整等 是超精密加工重要的关键技术 3 超精密加工机床设备 4 精密测量及补偿技术 5 严格的工作环境 4 精密与超精密加工的应用与进展超精密加工技术在尖端产品和现代化武器制造中占有非常重要的地位 例如 导弹的命中精度是由惯性仪表的精度决定的 而惯性仪表的关键部件是陀螺仪 如果1kg重的陀螺转子 其质量中心偏离对称轴0 5nm 则会引起100m的射程误差和50m的轨道误差 美国民兵 型洲际导弹系统陀螺仪的精度为0 03 0 05 其命中精度的概率误差为500m 而MX战略导弹 可装载10个核弹头 制导系统陀螺仪精度比民兵 型导弹高出一个数量级 从而保证命小精度的概率误差只有50 150m 人造卫星的仪表轴承是真空无润滑轴承 其孔和轴的表面粗糙度达到1nm 其圆度和圆柱度均以nm为单位 红外探测器中接收红外线的反射镜是红外导弹的关键零件 其加工质量的好坏决定了导弹的命中率 要求反射镜表面的粗糙度Ra 0 0l 0 015 m 再如 若将飞机发电机转子叶片的加工精度由60 m提高到12 m 而加工表面粗糙度Ra由0 5 m减少到0 2 m 则发电机的压缩效率将从89 提高到94 传动齿轮的齿形及齿距误差若能从目前的3 6 m降低到1 m 则单位齿轮箱重量所能传递的扭矩提高近一倍 计算机磁盘的存储量在很大程度上取决于磁头与磁盘之间的距离 即所谓 飞行高度 目前已达到0 3 m 近期内可争取达到0 15 m 为了实现如此微小的 飞行高度 要求加工出极其平坦 光滑的磁盘基片及涂层 超精密加工所能达到的精度 表面粗糙度 加工尺寸范围和几何形状是一个国家制造技术水平的重要标志之一 美国是开展超精密加工技术研究最早的国家 也是迄今处于世界领先地位的国家 早在20世纪50年代末 由于航天等尖端技术发展的需要 美国首先发展了金刚石刀具的超精密切削技术 称为 SPDT技术 SinglePointDiamondTurning 或 微英寸技术 1微英寸 0 025 m 并发展了相应的空气轴承主轴的超精密机床 用于加工激光核聚变反射镜 战术导弹及载人飞船用球面及非球面大型零件等 在超精密加工技术领域 英国克兰菲尔德技术学院所属的克兰菲尔德精密工程研究所 简称CUPE 享有较高声誉 它是当今世界精密工程的研究中心之一 是英国超精密加工技术水平的独特代表 如CUPE生产的Nanocentre 纳米加工中心 既可进行超精密车削又带有磨头 也可进行超精密磨削 加工工件的形状精度可达0 1 m 表面粗糙度Ra 10nm 我国的超精密加工技术在20世纪70年代末有了长足进步 80年代中期出现了具有世界水平的超精密机床和部件 北京机床研究所是国内进行超精密加工技术研究的主要单位之一 研制出了多种不同类型的超精密机床 部件和相关的高精度测试仪器等 在2000年北京第七届国际机床展览会上 北京机床研究所展出一台纳米超精密车床 采用气浮主轴轴承和纳米级光栅全闭环控制 光栅最小分辨率为5nm 加工表面粗糙度可达0 008 m 主轴回转精度为0 05 m 3 2 2超精密加工方法根据加工方法的机理和特点 精密和超精密加工方法可以分为去除加工 结合加工和变形加工三大类 如表3 2所示 表3 2精密和超精密加工方法 1 去除加工去除加工又称为分离加工 是指从工件上去除一部分材料 超精密加工包括超精密切削 车削 铣削 超精密磨削 超精密研磨和超微细加工 超精密加工方法应针对不同零件的精度要求而选择 其所获得的尺寸精度 形状精度和表面粗糙度是普通精密加工所无法达到的 1 超精密切削 超精密切削借助锋利的金刚石刀具对工件进行车削或铣削 主要用于加工低粗糙度和高形状精度的有色金属或非金属零件 如非球面反射镜 磁盘铝基底 VTR辊轴 有色金属轴套和塑料多面棱镜等 甚至可以直接加工纳米级表面的硬脆材料 超精密金刚石刀具镜面车削加工人造卫星仪器轴承 真空无润滑轴承 其孔和轴的表面粗糙度达到1nm 圆度和圆柱度均为纳米级精度 超精密车削可达到0 005 m的粗糙度和0 1 m的非球面形状精度 2 超精密磨削 超精密磨削是利用磨具上尺度均匀性好 近似等高的磨粒 金刚石砂轮和CBN砂轮 对被加工零件表面进行摩擦 耕犁及切削的过程 主要用于硬度较高的金属和非金属零件 如对加工尺寸及形状精度要求很高的伺服阀 空气轴承主轴 陀螺仪超精密轴承 光学玻璃基片等 超精密磨削可达到0 002 m的表面粗糙度和0 01 m的圆度 3 超精密研磨 超精密研磨 抛光 通常选用粒度大小只有几纳米的研磨微粉 对加工表面进行长时间研磨以达到极高的表面质量 主要用于加工高表面质量与低面型精度的集成电路芯片和各种光学平面及蓝宝石窗等 例如超精密光学零件激光陀螺反射镜的平面度达0 05 m 表面粗糙度达0 001 m 它是由超精密抛研加工后再进行镀膜而成的 最终要求反射率达99 99 4 超微细加工 超微细加工是指各种的纳米加工技术 主要包括激光 电子束 离子束 微操作等加工手段 它也是获得现代超精产品的一种重要途径 2 结合加工利用物理和化学方法 将不同材料结合 Bonding 在一起 按结合的机理 方法 强弱等 结合加工又分为附着 Deposition 注入 Injection 和连接 Jointed 三种 附着加工又称为沉积加工 是指在工件表面上覆盖一层物质 这是一种弱结合 其典型的加工方法是镀 注入加工又称为渗入加工 是指在工件表面上注入某些元素 使之与基体材料产生物理化学反应 这是一种具有共价键 离子键 金属键的强结合 用以改变工件表层材料的力学机械性质 如渗碳 渗氮等 连接是指将两种相同或不同材料通过物化方法连接在一起 如焊接 粘接等 3 变形加工变形加工又称为流动加工 它利用力 热 分子运动等手段使工件产生变形 改变其尺寸 形状和性能 多年来 传统加工的概念一直局限于去除加工和表面结合加工 近年来 人们提出了电铸 晶体生长 分子束外延和快速成型等加工方法 突破了传统加工的概念 3 2 3超精密加工刀具 1 超精密切削对刀具的要求为实现超精密切削 刀具应具有如下性能 1 极高的硬度 耐用度和弹性模量 以保证刀具有很长的寿命和很高的尺寸耐用度 2 刃口能磨得极其锋锐 刀口半径 值极小 能实现超薄的切削厚度 3 刀刃无缺陷 因切削时刃形将复印在加工表面上 故不能得到超光滑的镜面 4 与工件材料的抗粘结性好 化学亲和性小 摩擦系数低 能得到极好的加工表面完整性 2 金刚石刀具的性能特征目前 超精密切削刀具用的金刚石为大颗粒 0 5 1 5克拉 1克拉 20mg 无杂质 无缺陷 浅色透明的优质天然单晶金刚石 具有如下的性能特征 1 具有极高的硬度 其硬度达到6000 10000HV 而TiC仅为3000HV WC为2400HV 2 能磨出极其锋锐的刃口 且切削刃没有缺口 崩刃等现象 普通切削刀具的刃口圆弧半径只能磨到5 30 m 而天然单晶金刚石刃口圆弧半径可小到数纳米 没有其他任何材料可以磨到如此锋利的程度 3 热化学性能优越 具有导热性能好 与有色金属间的摩擦系数低 亲和力小等特征 4 耐磨性好 刀刃强度高 金刚石摩擦系数小 和铝之间的摩擦系数仅为0 06 0 13 如切削条件正常 则刀具磨损极慢 刀具耐用度极高 因此 天然单晶金刚石虽然价值昂贵 但被一致公认为是理想的 不能代替的超精密切削的刀具材料 3 超精密磨削砂轮在超精密磨削中所使用的砂轮 其材料多为金刚石 立方氮化硼磨料 因其硬度极高 故一般称为超硬磨料砂轮 金刚石砂轮有较强的磨削能力和较高的磨削效率 在加工非金属硬脆材料 硬质合金 有色金属及其合金时有较大的优势 由于金刚石易于与铁族元素产生化学反应和亲和作用 故对于硬而韧 高温硬度高 热导率低的钢铁材料 用立方氮化硼砂轮磨削较好 立方氮化硼比金刚石有较好的热稳定性和较强的化学惰性 其热稳定性可达1250 1350 而金刚石磨料只有700 800 虽然当前立方氮化硼磨料的应用不如金刚石磨料广 且价格也比较贵 但它是一种很有发展前途的磨具磨料 超硬磨料砂轮通常采用如下几种结合剂形式 1 树脂结合剂 树脂结合剂砂轮能够保持良好的锋利性 可加工出较好的工件表面 但耐磨性差 磨粒的保持力小 2 金属结合剂 金属结合剂砂轮有很好的耐磨性 磨粒保持力大 形状保持性好 磨削性能好 但自锐性差 砂轮修整困难 常用的结合剂材料有青铜 电镀金铜和铸铁纤维等 3 陶瓷结合剂 它是以硅酸钠作为主要成分的玻璃质结合剂 具有化学稳定性高 耐热 耐酸碱等特点 但脆性较大 3 2 4超精密加工设备 1 精密主轴部件精密主轴部件是超精密机床的圆度基准 也是保证机床加工精度的核心 主轴要求达到极高的回转精度 精度范围为0 02 0 1 m 此外 主轴还要具有相应的刚度 以抵抗受力后的变形 主轴运转过程中产生的热量和主轴驱动装置产生的热量对机床精度有很大影响 故必须严格控制温升和热变形 为了获得平稳的旋转运动 超精密机床主轴广泛采用空气静压轴承 主轴驱动采用皮带卸载驱动和磁性联轴节驱动方式 精密主轴具有极高的回转精度 其关键在于所用的精密轴承 早期的精密主轴采用超精密级的滚动轴承 如瑞士Shaublin精密车床采用滚动轴承 其加工精度可达1 m 表面粗糙度达0 04 0 02 m 制造如此高精度的滚动轴承主轴是极为不易的 希望更进一步提高主轴精度更是困难 目前 超精密机床的主轴广泛采用液体静压轴承和空气静压轴承 液体静压轴承回转精度很高 0 1 m 且刚度和阻尼大 因此转动平稳 无振动 图3 12所示为典型的液体静压轴承主轴结构原理图 压力油通过节流孔进入轴承耦合面间的油腔 主轴在轴套内悬浮 不产生固体摩擦 当轴受力偏歪时 耦合面间泄油的间隙改变 造成相对油腔中油压不等 油的压力差将推动轴回向原来的中心位置 液体静压轴承也有明显的缺陷 如工作时油温会升高 将造成热变形 影响主轴精度 会将空气带入油源 将降低液体静压轴承的刚度 液体静压轴承一般用于大型超精密机床 图3 12典型液体静压轴承主轴结构原理图 图3 13球面支承结构的空气静压轴承主轴 2 床身和精密导轨床身是机床的基础部件 应具有抗振衰减能力强 热膨胀系数低 尺寸稳定性好等特点 目前 超精密机床床身多采用人造花岗岩制造 人造花岗岩是由花岗岩碎粒用树脂粘结而成的 它不仅具有花岗岩材料尺寸稳定性好 热膨胀系数低 硬度高 耐磨且不生锈等特点 还可铸造成型 克服了天然花岗岩有吸湿性的不足 并加强了对振动的衰减能力 超精密机床导轨部件要求有极高的直线运动精度 不能有爬行 导轨耦合面不能有磨损 而液体静压导轨 气浮导轨和空气静压导轨均具有运动平稳 无爬行 摩擦系数接近于零的特点 故在超精密机床中得到广泛的使用 图3 14所示为日本日立精工超精密机床所用的空气静压导轨 其导轨的上下 左右均在静压空气的约束下 整个导轨浮在中间 基本没有摩擦力 有较好的刚度和运动精度 图3 14平面型空气静压导轨 3 微量进给装置高精度微量进给装置是超精密机床的一个关键部件 它对实现超薄切削 高精度尺寸加工和实现在线误差补偿有着十分重要的作用 目前 高精度微量进给装置分辨率已可达到0 001 0 01 m 在超精密加工中 要求微量进给装置满足如下要求 微进给与粗进给分开 以提高微位移的精度 分辨率和稳定性 运动部分必须具有低摩擦和高稳定性 以便实现很高的重复精度 末级传动元件必须有很高的刚度 即夹固刀具处必须是高刚度的 工艺性好 容易制造 应能实现微进给自动控制 动态性能好 微量进给装置有机械或液压传动式 弹性变形式 热变形式 流体膜变形式 磁致伸缩式 压电陶瓷式等多种结构形式 图3 15所示是一种双T形弹性变形式微量进给装置的工作原理图 当驱动螺钉4前进时 迫使两个T形弹簧2 3变直伸长 从而可使微位移刀夹前进 该微量进给装置分辨率为0 01 m 最大输出位移为20 m 输出位移方向的静刚度为70N m 满足切削负荷要求 图3 15双T形弹性变形式微量进给装置工作原理图 图3 16所示为一种压电陶瓷式微进给装置 压电陶瓷器件在预压应力状态下与刀夹和后垫块弹性变形载体粘结安装 在电压作用下陶瓷伸长 推动刀夹作微位移 此微位移装置最大位移为15 16 m 分辨率为0 01 m 静刚度为60N m 压电陶瓷式微进给装置能够实现高刚度无间隙位移 能够实现极精细位移 变形系数大 具有很高的响应频率 图3 16压电陶瓷式微进给装置 3 2 5超精密加工环境工作环境的任何微小变化都可能影响到加工精度 使超精加工达不到要求的精度 因此 超精密加工必须在超稳定的环境下进行 超稳定环境主要是指恒温 超净和防振三个方面 由于加工零件的精度和加工方式不同 因而对超精密加工环境的要求也有所不同 必须建立符合各自要求的特定环境 构成超精密加工环境的基本条件如图3 17所示 图3 17构成超精密加工环境的基本条件 超精密加工一般应在多层恒温条件下进行 不仅放置机床的房间应保持恒温 还要求机床及部件应采取特殊的恒温措施 一般要求加工区温度和室温保持在 20 0 06 的范围内 超净化的环境对超精密加工也很重要 因为环境中的硬粒子会严重影响被加工表面的质量 如加工256K集成电路硅晶片时 环境的净化要求为1立方尺空气内大于0 1 m的尘埃数要小于10个 加工4M集成电路硅晶片时 净化要求为1立方尺空气内大于0 01 m的尘埃数要小于10个 3 2 6超精密加工精度的在线检测及计量测试超精密加工可采取两种减少加工误差的策略 一种是误差预防策略 即通过提高机床制造精度 保证加工环境的稳定性等方法来减少误差源 从而使加工误差消失或减少 另一种是误差补偿策略 即对加工误差进行在线检测 实时建模与动态分析预报 再根据预报数据对误差源进行补偿 从而消除或减少加工误差 实践证明 在加工精度高出某一要求后 利用误差预防技术来提高加工精度要比用误差补偿技术的费用高出很多 从这个意义上讲 误差补偿技术必将成为超精密加工的主导方向 图3 18激光干涉仪和原子力显微镜 3 3超高速加工技术 3 3 1超高速加工的概念与内涵超高速加工是一个相对的概念 由于不同的加工方式 不同工件材料有不同的高速加工范围 因而很难就超高速加工的切削速度给出一个确切的定义 概括地说 超高速加工技术是指采用超硬材料的刀具与磨具 能可靠地实现高速运动 极大地提高材料切除率 并保证加工精度和加工质量的现代制造加工技术 其切削速度通常比常规高10倍左右 德国切削物理学家萨洛蒙 CarlSalomon 博士于1931年提出的著名切削理论认为 一定的工件材料对应有一个临界切削速度 在该切削速度下其切削温度最高 图3 19所示为 萨洛蒙曲线 在常规切削速度范围内 图3 19中A区 切削温度随着切削速度的增大而提高 在切削速度达到临界切削速度后 随着切削速度的增大切削温度反而下降 Salomon的切削理论给人们一个重要的启示 如果切削速度能超越切削 死谷 图3 19中B区 在超高速区内 图3 19中C区 进行切削 则有可能用现有的刀具进行高速切削 从而可大大减少切削工时 成倍地提高机床的生产率 图3 19萨洛蒙曲线 表3 3不同加工工艺 加工材料超高速加工切削速度范围 应当指出的是 超高速加工的切削速度不仅是一个技术指标 而且是一个经济指标 也就是说 它不仅仅是一个技术上可实现的切削速度 而且必须是一个可由此获得较大经济效益的高切削速度 没有经济效益的高切削速度是没有工程意义的 目前定位的经济效益指标是 在保证加工精度和加工质量的前提下 将通常切削速度加工的加工时间减少90 同时将加工费用减少50 以此来衡量高切削速度的合理性 3 3 2超高速加工技术的现状及发展趋势自20世纪30年代德国萨洛蒙博士首次提出高速切削概念以来 经过50年代的机理与可行性研究 70年代的工艺技术研究 80年代全面系统的高速切削技术研究 到20世纪90年代后期 商品化高速切削机床大量涌现 21世纪初 高速加工技术在工业发达国家得到普遍应用 正成为切削加工的主流技术 工业发达国家对超高速加工的研究起步早 水平高 在此项技术中 处于领先地位的国家主要有德国 日本 美国 意大利等 在超高速加工技术中 超硬材料工具是实现超高速加工的前提和先决条件 超高速切削磨削技术是现代超高速加工的工艺方法 而高速数控机床和加工中心则是实现超高速加工的关键设备 目前 刀具材料已从碳素钢和合金工具钢 经高速钢 硬质合金钢 陶瓷材料 发展到人造金刚石及聚晶金刚石 PCD 立方氮化硼 CBN 及聚晶立方氮化硼 PCBN 切削速度亦随着刀具材料的创新而从以前的12m min提高到1200m min以上 砂轮材料过去主要采用刚玉系 碳化硅系材料 美国GE公司于20世纪50年代首先在金刚石人工合成方面取得成功 60年代又首先研制成功CBN