工艺技术_先进制造工艺技术

1 第3章先进制造工艺 精密洁净铸造技术精确高效金属塑性成型工艺高效焊接与切割技术优质表面改性技术超高速加工技术超精密加工技术非传统加工技术快速原形制造技术虚拟成型与加工技术 2 3 1 1概述 定义 先进制造工艺就是机械工厂普遍能够采用 具有直接推广价值或广阔应用前景的一系列优质 高效 低耗 洁净 灵活工艺的总称 特点 先进性实用性前沿性 3 1 先进性 先进制造工艺的先进性主要表现在优质 高效 低耗 洁净 灵活 柔性 五个方面 优质 加工制造出的零件或整机质量高 性能好 零部件尺寸精确 表面光洁 内部组织致密 无缺陷及杂质 使用性能好 整机的结构 色彩美观宜人 使用寿命和可靠性高 高效 生产效率及劳动生产率高 大大降低了操作者的劳动强度 低耗 节省原材料及能源 洁净 生产过程不污染环境 零排放或少排放 灵活 能快速对市场变化及产品设计的更改作出反应 适应多品种柔性生产 4 2 实用性 先进制造工艺的实用性主要表现在两个方面 一是应用普遍性 它是当今或不久将来机械工厂量大面广的看家工艺 二是经济适用性 它一般投资不高 且有不同档次 宜于工厂根据本身的条件通过技术改造予以采纳 5 3 前沿性 先进制造工艺的前沿性主要表现在 先进制造工艺是高新技术产业化或传统工艺高新技术化的结果 它们是制造工艺研究最为活跃的前沿领域 部分先进制造工艺可能目前应用还不广泛 但是它们代表着某些发展方向 而且可望会得到越来越广泛的应用 制造自动化技术的主要形式 6 将原材料 半成品加工成为产品的方法和过程 成形工艺去除成形受迫成形堆积成形生成成形 7 3 1 1概述 先进制造工艺技术的内容 精密 超精密加工技术 它是指对工件表面材料进行去除 使工件的尺寸 表面性能达到产品要求所采取的技术措施 当前 纳米 nm 加工技术代表了制造技术的最高精度水平 超精加工材料由金属扩大到非金属 根据加工的尺寸精度和表面粗糙度 可大致分为三个不同的档次 如表3 1所示 表3 1精密加工的尺寸精度和表面粗糙度 8 3 1 1概述 精密成形制造技术 它是指工件成形后只需少量加工或无须加工就可用作零件的成形技术 它是多种高新技术与传统的毛坯成形技术融为一体的综合技术 它正在从近净成形工艺 NearNetShapeProcess 向净成形工艺 NetShapeProcess 的方向发展 特种加工技术 它是指那些不属于常规加工范畴的加工 例如 高能束流 电子束 离子束 激光束 加工 电加工 电解和电火花加工 超声波加工 高压水射流加工以及多种能源的组合加工 表面工程技术 它是指采用物理 化学 金属学 高分子化学 电学 光学和机械学等技术及其组合 提高产品表面耐磨 耐蚀 耐热 耐辐射 抗疲劳等性能的各项技术 它主要包括热处理 表面改性 制膜和涂层等技术 先进成形技术 9 9 第3章先进制造工艺AdvancedManufacturingProcess 课程 先进制造技术 10 特种铸造 特种铸造 金属型铸造 离心铸造 压力铸造 熔模铸造 低压铸造 挤压铸造 陶瓷型铸造 11 4 3压力铸造 压力铸造是在专用设备 压铸机上进行的一种铸造 即在高速 高压下将熔融的金属液压入金属铸型 使它在压力下凝固获得铸件的方法 12 13 压铸工艺过程 14 压力铸造的特点及应用 特点比较 1 投入费用 压力铸造投入费用大 2 工件质量 压力铸造工件质量高 3 加工效率 压力铸造效率高 4 灵活性 准备铸型的时间是一样的 5 劳动强度和条件 压力铸造劳动强度更小 条件更好 精密塑性成型技术 15 4 4低压铸造 低压铸造是采用较压力铸造低的压力 一般为0 03 0 07Mpa 将金属液从铸型的底部压入 并在压力下凝固获得铸件的方法 16 带保温炉 不带保温炉 1 坩埚 2 升液管 3 金属液 4 进气管 5 密封盖 6 浇道 7 型腔 8 铸型 17 4 5熔模铸造 熔模铸造又名 失蜡法铸造 是采用易熔的蜡质材料制成模型 然后用造型材料将其包覆若干层 待其干燥硬化后将蜡模熔化获得无分型面的壳型 经烘干后浇注金属液而获得铸件的铸造方法 18 蜡模铸造工艺流程 蜡模制造 结壳 浇注 焙烧 脱模 19 脱蜡和造型 20 熔模铸造的特点及应用 熔模铸造的优点 铸件精度高 表面粗糙度低 质量好 又称精密铸造 可铸出形状复杂的薄壁铸件 铸造合金种类不受限制 钢铁及非铁合金均可适用 生产批量不受限制 单件 小批 成批 大量生产均可适用 21 熔模铸造的缺点 工序复杂 生产周期长 原材料价格高 铸件成本高 铸件不能太大 太长 否则蜡模易变形 丧失原有精度 22 4 6离心铸造 离心铸造是将金属液浇入高速旋转 250 1500r min 的铸型中 并在离心力作用下充型和凝固的铸造方法 其铸型可以是金属型 也可以是砂型 既适合制造中空铸件 也能用来生产成形铸件 23 24 25 26 熔模铸造的应用 熔模铸造是一种实现少无切削加工的 先进的精密成形工艺 它最适用于25kg以下的高熔点 难以切削加工的合金铸件的成批 大量生产 目前主要用于航天飞行器 飞机 汽轮机 泵 汽车 拖拉机和机床上的小型精密铸件和复杂刀具的生产 压力铸造 27 2 1概念压力铸造 简称压铸 是在高压作用下将液态或半液态金属快速压入金属压铸型 亦可称为压铸模或压型 中 并在压力下凝固而获得铸件的液态成形方法 金属液在高压下以高速充填压铸型 是压铸区别于其它铸造工艺方法的重要特征 2 压力铸造 28 轧制 轧制最早在16世纪后期发展起来 目前约有90 的金属材料涉及轧制工艺 3 1 2精密塑性成型技术 29 30 轧机的轧辊数 轧机有不同的轧辊配置 如 二辊式 三辊式 四辊式 多辊式和串连式等 可以对材料施加前张紧力或后张紧力 以提高工艺可行性或减小轧制力 31 32 冷轧是在室温下对材料进行轧制 与热轧相比 冷轧产品尺寸精度高 表面光洁 机械强度高 冷轧变形抗力大 适于轧制塑性好 尺寸小的线材 薄板材等 现代化的连续轧制生产线 33 根据轧辊轴线与坯料轴线方向的不同 轧制可分为纵轧 横轧 斜轧和楔横轧 轧制的主要工艺类型 34 横轧 轧辊轴线与坯料轴线方向平行 35 斜轧 轧辊轴线与坯料轴线方向互成一定的角度 36 轧制时坯料径向尺寸减小 长度增加 金属变形过程 楔横轧主要 用于加工阶梯轴 锥形轴等各种对称的零件或毛坯 楔横轧 利用两个外表镶有凸块并作同向旋转的平行轧辊对沿轧辊轴向送进的坯料进行轧制的方法 37 连铸连轧技术已经实用化 连铸连轧 快速原型制造技术 连铸连轧全称连续铸造连续轧制 英文 ContinueCastingDirectRolling 简称CCDR 是把液态钢倒入连铸机中轧制出钢坯 称为连铸坯 然后不经冷却 在均热炉中保温一定时间后直接进入热连轧机组中轧制成型的钢铁轧制工艺 这种工艺巧妙地把铸造和轧制两种工艺结合起来 相比于传统的先铸造出钢坯后经加热炉加热再进行轧制的工艺具有简化工艺 改善劳动条件 增加金属收得率 节约能源 提高连铸坯质量 便于实现机械化和自动化的优点 38 38 第3章先进制造工艺AdvancedManufacturingProcess 课程 先进制造技术 39 39 快速原型制造技术产生背景 进入20世纪80年代 市场需求已由卖方市场转化为买方市场并日趋全球化 产品开发的速度和制造技术的柔性成为赢得竞争的关键问题 3 1 3 1概述 计算机技术 CAD 材料科学 数控技术 激光技术等的发展与普及为新的制造技术的产生奠定了基础 快速原型制造 RPM 技术就是在这种社会背景下于20世纪80年代后期在美国问世 然后又扩展到了日本及欧洲 并于20世纪90年代初期引入我国 RPM技术将CAD与CAM集成于一体 根据在计算机上构造的产品三维模型 能在很短的时间内直接制造出产品的样品 无需使用传统制造中的刀具 夹具和模具 从而缩短了产品开发周期 加快了产品更新换代的速度 降低了企业投资新产品的风险 40 40 市场变化 客户要求 计算机技术 材料科学 CAD CAM 能源科学 3 1 3 1概述 41 41 RPM技术的基本原理 物体成型方式 RPM技术是由CAD模型直接驱动的快速制造任意复杂形状三维实体和技术总称 基本原理 先由三维CAD软件设计出所需零件的三维曲面或实体模型 然后根据工艺要求将三维数据模型进行分层切片得到各层截面的轮廓数据 计算机据此信息控制激光束有选择性地切割一层一层的纸 或烧结一层接一层的粉末材料 或固化一层又一层的液态光敏树脂 或用喷嘴喷射一层又一层的热熔材料或粘合剂 形成一系列具有一个微小厚度的的片状实体 再采用熔结 聚合 粘结等手段使其逐层堆积成一体 从而制造出所设计的新产品样件 模型或模具 3 1 3 1概述 去除成型 DislodgeForming 添加成型 AddingForming 净尺寸成型 NetForming 42 1 平面分层 这种分层比较简单易行 也最常用 现在的快速成形制造大多采用这种方式 2 曲面分层 这种分层比较复杂 但形状精度较高 有时可减少因层厚产生的 台阶效应 3 卷绕分层 43 43 CONCEPTDESIGNING DATACOLLECTION DATAPROCESSING PROTOTYPINGPART CADMODEL REVERSEENGINEERING 3 1 3 1概述 RPM原理图 44 44 3 1 3 1概述 RPM原理图 45 45 3 1 3 1概述 RP工作流程示意图 46 3 1 3 1概述快速原型制造技术的基本过程 47 47 目前已有30多种RPM工艺 具体以下共同特点 制造过程柔性化 产品开发快速化 采用离散 堆积原理 可以制造任意复杂的三维几何实体 精度分析 造型的分析 系列化 模块化分析 制造过程可实现完全数字化 材料来源广泛 发展的可持续性 3 1 3 1概述 48 48 立体光刻 StereoLithographyApparatus SLA 立体光刻又称光敏液相固化成形 是由CahriesHull于1984年提出并获美国专利 1988年美国3DSystems公司推出世界上第一台商品化样机SLA 250 它使用液态光敏树脂为成形材料 采用激光器 利用光固化原理一层层扫描液态树脂成形 控制激光束按切片软件截取的层面轮廓信息对液态光敏树脂逐点扫描 被扫描区的液态树脂发生聚合反应形成一薄层的固态实体 一层固化完毕后 工作台下移一个切片厚度 使新一层液态树脂覆盖在已固化层的上面 再进行第二层固化 重复此过程 并层层相互粘结堆积出一个三维固体制件 成形精度较高 可达 0 1mm左右的制造精度 制件结构清晰且表面光滑 适合制作结构复杂和精细的制件 成型时间3 5h 但制件韧性较差 设备投资较大 需要支撑 液态树脂有一定的毒性 3 1 3 2典型的RPM工艺方法 49 49 3 1 3 2典型的RPM工艺方法 50 激光快速成型机SLA250 51 51 层合实体制造 LaminatedObjectManufacturing LOM 又称分层实体造型 SlicingSolidManufacturing SSM 是美国Helisys公司的MichaelFeygin于1987年研制成功的 1988年获得美国专利 目前基于LOM的制造工艺已达30余种之多 3 1 3 2典型的RPM工艺方法 52 工作原理 它以单面事先涂有热溶胶的纸 金属箔 塑料膜 陶瓷膜等片材为原料 激光按切片软件截取的分层轮廓信息切割工作台上的片材 热压辊热压片材 使之与下面已成形的工件粘接 激光在刚粘接的新层上切割出零件截面轮廓和工件外框 并在截面轮廓与外框之间多余的区域内切割出后处理时便于剥离的网格 激光切割完成一层的截面后 53 53 工作台带动已成形的工件下降一个片材厚度 与带状片材分离 送料机构转动收料辊和送料辊 带动料带移动 使新层移到加工区域 热压辊热压 工件的层数增加一层 高度增加一个料厚 再在新层上进行激光切割 如此反复直至零件的所有截面粘接 切割完 得到分层制造的实体零件 制造过程完成后 通常还要进行后处理 3 1 3 2典型的RPM工艺方法 54 3 1 3 2典型的RPM工艺方法 原型制作完毕 需进行剥离 以便去除废料和支撑结构 有时还需进行后固化 修补 打磨 抛光 表面涂覆 表面强化处理等 这些工序统称为后处理 由于刚制作的原型强度较低 需要通过进一步固化处理 才能达到需要的性能 后固化工序是采用很强的紫外光源使刚刚成形的原型件充分固化 这一工序可以在紫外烘干箱中进行 固化时间根据制件的尺寸大小 形状和树脂特性而定 一般不少于30min 优点 材料适应性强 只需切割零件轮廓线 成形厚壁零件的速度较快 易于制造大型零件 不需要支撑 工艺过程中不存在材料相变 成形后的成形无内应力 因此不易引起翅曲变形 缺点是层间结合紧密性差 55 55 3 1 3 2典型的RPM工艺方法 56 叠层实体制造工艺 系统组成 下图所示为清华大学企业集团下属的高科技企业生产的SSM 800叠层实体制造设备 它由工控机 P586 及控制系统 卷筒材料送放装置 热压系统 激光切割系统 可升降工作台 机床本体等组成 l X Y轴 2 热压系统 3 测高装置 4 收纸辊 5 Z轴 6 送纸辊 7 工作平台 8 激光头 57 LOM应用举例 58 58 此方法是由美国得克萨斯大学奥斯汀分校的C R Dechard于1989年首先研制出来的 同年获美国专利 DTM公司1992年首先推出了SLS商品化产品 烧结站2000系统 工作原理 采用CO2激光束对粉末状的成形材料进行分层扫描 受到激光束照射的粉末被烧结 而未扫描的区域仍是可对后一层进行支撑的松散粉末 当一层烧结完毕后 工作台下移一个片层厚度 而供粉活塞则相应上移 铺粉滚筒再次将加工平面上的粉末铺平 激光束再烧结出新的一层并粘结于前一层上 如此反复便堆积出三维实体制件 优点是可以采用金属 陶瓷 塑料 复合材料等多种材料 且材料利用率高 不需要支撑 故可制作形状复杂的零件 缺点是成形速度较慢 成形精度和表面质量较差 3 1 3 2典型的RPM工艺方法 59 59 3 1 3 2典型的RPM工艺方法 SLS工艺原理图1 CO2激光束 2 扫描镜 3 CO2激光器 4 粉末 5 平整滚筒 60 AFS 300型选择性激光烧结主机结构示意图 1 激光室 2 铺粉机构 3 供料缸 4 加热灯 5 成形料缸 6 排尘装置 7 滚珠丝杆螺母机构 8 料粉回收箱该系统北京隆源自动成型系统有限公司研制 61 选择性激光烧结机光路系统 1 指示器 2 光束合成器 3 4 反射镜 5 扩束镜 6 聚焦镜 7 扫描器 62 62 熔融沉积成形 FusedDepositionModeling FDM FDM工艺由美国学者ScottCrump博士于1988年研制成功 并于1991年由美国的Stratasys公司率先推出商品化设备FDM 1000 FDM系统主要由喷头 供丝机构 运动机构 加热成形室和工作台等五个部分组成 而喷头是结构最复杂的部分 工作原理 将热熔性丝材由供丝机构送至喷头 并在喷头中被加热至临界半流动状态 喷头底部有一喷嘴供熔融的材料以一定的压力挤出 喷头按零件截面轮廓信息移动 在移动过程中所喷出的半流动材料沉积固化为一个薄层 其后工作台下降一个切片厚度再沉积固化出另一新的薄层 如此一层层成形且相互粘结便堆积出三维实体制件 3 1 3 2典型的RPM工艺方法 63 63 3 1 3 2典型的RPM工艺方法 特点 FDM可加工材料范围广 如ABS工程塑料 蜡 聚乙烯 聚丙烯 陶瓷和尼龙等 因不用激光器件 故成本较低 成形速度快 当采用水溶性支撑材料时 支撑去除方便快捷 整个成形过程在60 300 并且不会产生粉尘 也不存在前几种工艺方法出现的有毒化学气体 激光和液态聚合物的泄漏 缺点是精度较低 64 FDM系统组成 主要包括喷头 送丝机构 运动机构 加热成形室 工作台五部分 熔融沉积造型设备 MEM 250 1 加热喷头 2 X扫描机构 3 丝盘 4 送丝机构 5 Y扫描机构 6 框架 7 工作平台 8 成形室 65 65 RPM不受复杂形状的任何限制 迅速地将示于计算机屏幕上的设计变为可进一步评估的实物 根据原型 可对设计的正确性 造型合理性 可装配和干涉等进行具体的检验 3 1 3 3RPM技术的应用 66 RP系统的成形原理比较 67 RP工艺优缺点比较 68 68 3 1 3 3RPM技术的应用 一般来说采用RPM快速产品开发技术 可减少产品开发成本30 70 减少开发时间50 RPM在RPD方面的应用 69 69 3 1 3 3RPM技术的应用 实例1 轿车车灯 70 70 3 1 3 3RPM技术的应用 实例2 电话机外壳 71 71 3 1 3 3RPM技术的应用 实例3 皮鞋底 72 72 RT技术无需数控铣削 无需电火花加工 无需任何专用工装和工具 直接根据原型可把复杂的工具和型腔制造出来 RT技术与传统模具制造技术相比 可节省1 3的时间和成本 RT技术可分为间接模具制造 IndirectRapidTooling IRT 与直接模具制造 DirectRapidTooling DRT 两大类 硅橡胶浇注法 树脂浇注法 陶瓷型精铸法 电铸法制模 喷涂法制模 3 1 3 3RPM技术的应用 间接模具制造IRT方法有 73 73 直接快速模具制造DRTDRT是指利用RPM技术直接制造出最终的零件或模具 然后对其进行一些必要的后处理即可得到所要求的力学性能 尺寸精度和表面质量 DRT技术在缩短制造周期 节省资源 发挥材料性能 提高精度 降低成本方面具有很大潜力 但在模具精度和性能控制方面比较困难 特殊的后处理设备和工艺使制造成本提高 成型尺寸也受到较大地限制 3 1 3 3RPM技术的应用 74 74 3 1 3 3RPM技术的应用 实例1 手机外壳橡胶模 75 75 3 1 3 3RPM技术的应用 实例2 拐头树脂型复合模 76 76 3 1 3 3RPM技术的应用 实例3 电子产品注射模 77 78 78 人体的骨骼和内部器官具有极其复杂的结构 要真实地复制人体内部的器官构造 反应病变特征 快速成形几乎是唯一的方法 以CT扫描或MRI磁共振数据为基础 利用RP方法快速制作的人体器官实体模型可以帮助医生进行诊断和确定治疗方案 而且借助RP技术制作的人体假肢还能与结合部位实现最大程度的吻合 从而缩短手术时间 减少术后并发症 近几年国内外更是热衷于研究将生物材料快速成形为人工器官的课题 其中人工骨的研究已取得可喜的成果 3 1 3 3RPM技术的应用 79 79 3 1 3 3RPM技术的应用 三 模型制造 医学模型 艺术模型 建筑模型 80 80 3 1 3 3RPM技术的应用 实例1 CT扫描股骨模型 81 81 3 1 3 3RPM技术的应用 实例2 艺术模型 快速原型制造技术发展趋势 82 快速原型制造技术发展趋势 83 RPM发展趋势 一 研制更适合于RPM的新型材料二 面向制造的RPM三 RPM技术的智能化 桌面化和网络化四 功能强大的RPM软件的开发五 生物制造和生长成形 84 研制更适合于RPM的新型材料 目前商业化应用的成形材料有 丙烯酸基光固化树脂 环氧基光固化树脂 涂覆纸 纤维混纺料 精铸石蜡 聚脂石蜡 ABS MABS 纤细尼龙 尼龙复合物 NylonComposite 聚碳酸脂 Polycarbonate 金属粉末 覆膜陶瓷粉等 用于快速模具制造和功能零件的材料还不成熟 强度 精度 性能和寿命方面还达不到使用要求 以材料科学 有机化学等为基础 研究开发性能相当甚至超过金属材料的复合材料 陶瓷材料 与医学 生物学结合开发具有活性的生物材料 用快速原型技术制造人体内脏器官或四肢以辅助医疗诊断和外科手术等都已成为RPM发展方向 85 面向制造的RPM 研究新的成形工艺和完善现有的制造工艺与传统的制造工艺结合 形成快速的产品开发 制造系统提高制造精度和表面质量提高制造速度 86 RPM技术的智能化 桌面化和网络化 研究加工参数的智能设定可降低操作人员对经验的依赖 稳定加工的质量 适当引入人工智能 AI 和专家系统 自动选择出最佳的工艺参数 此外智能选择系统可根据用户的需求 综合考虑各项指标 选择出最适合用户要求的低成本 短周期 材料适宜的RPM系统 总之 智能化是RPM技术发展的必然趋势 桌面化网络化 远程设计和制造 全球协作 87 功能强大的RPM软件的开发 随着RPM技术的不断发展 软件所面临的问题日益突出 特别是STL文件自身的缺陷和不足 所以开发一种功能强大且具备RPM数据处理 分层处理 方法的应用软件尤显重要 软件可以将目前平面等厚的分层方式拓宽为曲面分层 非均匀分层或直接从曲面模型中分层 此外可采用更精确 快速的数学算法来提高成形精度 88 五 生物制造和生长成形 生物制造是将生物技术 生物医学和制造科学相互结合从而解决人类的健康保健问题 研究的是如何制造能够改变或复现生命体或者一部分功能的 生命零件 89 五 生物制造和生长成形 快速原型非常适合生物制造的要求 1 生物零件 应该为每个个体的人设计和制造 快速原型能够提供个性服务 成形任意复杂的形状 2 RP能够直接操纵材料状态 使之与物理位置匹配 3 RP能够直接操纵数字化的材料单元 为信息直接转换成物理实现提供最快的方式 先进切削技术 90 第3章先进制造工艺AdvancedManufacturingProcess 课程 先进制造技术 91 3 2 1概述 超精密加工技术是指被加工零件的尺寸精度高于0 1 m 表面粗糙度Ra在0 1 0 025 m之间 以及所用机床定位精度的分辨率和重复性高于0 01 m的加工技术 亦称之为亚微米级加工技术 且正在向纳米级加工技术发展 目前 超精密加工从单一的金刚石车削 到现代的超精密磨削 研磨 抛光等多种方法的综合运用 已成为现代制造技术中的一个重要组成部分 超精密加工技术主要包括 超精密加工的机理 超精密加工的设备制造技术 超精密加工工具及刃磨技术 超精密测量技术和误差补偿技术 超精密加工工作环境等 92 3 2 1概述 93 3 2 1概述 94 精密与超精密加工特点 3 2 1概述 95 3 2 1概述 金刚石超精密加工技术 96 切削在晶粒内进行切削力 原子结合力 剪切应力达13000N mm2 刀尖处温度极高 应力极大 普通刀具难以承受高速切削 与传统精密切削相反 工件变形小 表层高温不会波及工件内层 可获得高精度和好表面质量 机理 特点 3 2 2金刚石超精密加工技术 97 加工设备 要求高精度 高刚度 良好稳定性 抗振性及数控功能等 关键技术 3 2 2金刚石超精密加工技术 98 车床主轴装在横向滑台 X轴 上 刀架装在纵向滑台 Z轴 上 可解决两滑台的相互影响问题 而且纵 横两移动轴的垂直度可以通过装配调整保证 生产成本较低 已成为当前金刚石车床的主流布局 图3 3T形布局的金刚石车床 T形布局 图3 3 3 2 2金刚石超精密加工技术 99 金刚石车床主要性能指标 表7 5 3 2 2金刚石超精密加工技术 100 金刚石刀具 超精切削刀具材料 天然金刚石 人造单晶金刚石金刚石的晶体结构 规整的单晶金刚石晶体有八面体 十二面体和六面体 有三根4次对称轴 四根3次对称轴和六根2次对称轴 图3 4 3 2 2金刚石超精密加工技术 101 金刚石晶体的面网距和解理现象 金刚石晶体的 111 晶面面网密度最大 耐磨性最好 100 与 110 面网的面间距分布均匀 111 面网的面间距一宽一窄 图3 5 在距离大的 111 面之间 只需击破一个共价键就可以劈开 而在距离小的 111 面之间 则需击破三个共价键才能劈开 在两个相邻的加强 111 面之间劈开 可得到很平的劈开面 称之为 解理 3 2 2金刚石超精密加工技术 102 金刚石刀具刃磨 通常在铸铁研磨盘上进行研磨 晶向选择应使晶向与主切削刃平行 圆角半径越小越好 理论可达到1nm 金刚石刀具角度 图3 6 3 2 2金刚石超精密加工技术 103 金刚石车床 加工4 5mm陶瓷球 图3 7金刚石车床及其加工照片 3 2 2金刚石超精密加工技术 超硬磨料砂轮超精密磨削 104 砂轮材料 金刚石 立方氮化硼 CBN 3 2 3超硬磨料砂轮超精密磨削 105 ELID ElectrolyticIn ProcessDressing 电解式线上削锐研磨 使用ELID磨削 冷却液为一种特殊电解液 通电后 砂轮结合剂发生氧化 氧化层阻止电解进一步进行 在切削力作用下 氧化层脱落 露出了新的锋利磨粒 由于电解修锐连续进行 砂轮在整个磨削过程保持同一锋利状态 3 2 3超硬磨料砂轮超精密磨削 106 塑性 延性 磨削 磨削脆性材料时 在一定工艺条件下 切屑形成与塑性材料相似 即通过剪切形式被磨粒从基体上切除下来 磨削后工件表面呈有规则纹理 无脆性断裂凹凸不平 也无裂纹 塑性磨削工艺条件 1 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 一般临界切削深度 1 m 为此对机床要求 高的定位精度和运动精度 以免因磨粒切削深度超过1 m时 导致转变为脆性磨削 高的刚性 因为塑性磨削切削力远超过脆性磨削的水平 机床刚性低 会因切削力引起的变形而破坏塑性切屑形成的条件 2 磨粒与工件的接触点的温度高到一定程度时 工件材料的局部物理特性会发生变化 导致切屑形成机理的变化 已有试验作支持 3 2 3超硬磨料砂轮超精密磨削 107 砂带 带基材料为聚碳酸脂薄膜 其上植有细微砂粒 砂带在一定工作压力下与工件接触并作相对运动 进行磨削或抛光 有开式 图3 10 和闭式两种形式 可磨削平面 内外圆表面 曲面等 图3 11 精密与超精密砂带磨削 3 2 3超硬磨料砂轮超精密磨削 108 图3 10用于磨削管件的砂带磨床 带有行星系统 3 2 3超硬磨料砂轮超精密磨削 109 几种常见砂带磨削方式 图3 11 3 2 3超硬磨料砂轮超精密磨削 110 砂带磨削特点 1 砂带与工件柔性接触 磨粒载荷小 且均匀 工件受力 热作用小 加工质量好 Ra值可达0 02 m 3 强力砂带磨削 磨削比 切除工件重量与砂轮磨耗重量之比 高 有 高效磨削 之称 4 制作简单 价格低廉 使用方便 5 可用于内外表面及成形表面加工 2 静电植砂 磨粒有方向性 尖端向上 图3 12 摩擦生热小 磨屑不易堵塞砂轮 磨削性能好 3 2 3超硬磨料砂轮超精密磨削 111 机理 微切削 被加工材料的微塑性流动作用 弹性发射加工 游离磨料加工 抛光轮 由聚氨基甲酸 乙 酯制成 磨料直径0 1 0 01 m 3 2 3超硬磨料砂轮超精密磨削 112 工作原理 图3 14 抛光工具上开有锯齿槽 靠楔形挤压和抛光液的反弹 增加微切削作用 机理 微切削作用 工作原理 图3 15 活性抛光液和磨粒与工件表面产生固相反应 形成软粒子 使其便于加工 机理 机械 化学作用 称为 增压活化 液体动力抛光 机械化学抛光 3 2 3超硬磨料砂轮超精密磨削 激光测量 113 固相反应 SolidStateReaction 1 定义 广义 凡是有固相参与的化学反应 例 固体的分解氧化固体与固体的化学反应固体与液体的化学反应狭义 常指固体与固体间发生化学反应生成新固体产物的过程 114 扩散快反应快均相中反应一般室温下反应 扩散慢反应慢界面上反应高温下反应 2 特点 固体质点间作用力很大 扩散受到限制 而且反应组分局限在固体中 使反应只能在界面上进行 反应物浓度不很重要 均相动力学不适用 激光测量 115 激光由于其优良的特性 强度高 亮度大 单色性 相干性 方向性好等 在精密测量中得到广泛应用 可以测量长度 小角度 直线度 平面度 垂直度等 也可以测量位移 速度 振动 微观表面形貌等 还可以实现动态测量 在线测量 并易于实现测量自动化 激光测量精度目前可达0 01 m 激光测量 3 2 4激光测量 116 激光高速扫描尺寸计量系统 图3 16 3 2 4激光测量 117 双频激光测量 图7 33 经分光镜 折射一小部分 经干涉测量仪获得拍频 f f1 f2 的参考信号 大部分激光到偏振分光镜 垂直线偏振光f1被反射 再经固定反射棱镜反射回来 水平线偏振光f2全部透射 再经移动反射棱镜反射回来 该信号与参考信号比较 获得 f2的具有长度单位当量的电信号 由于使用频率差 f进行测量 使其不受环境变化影响 可获得高的测量精度和测量稳定性 氦氖激光器发出的激光 在轴向强磁场作用下 产生频率f1和f2旋向相反的圆偏振光 经1 4波片形成频率f1的垂直线偏振光和频率f2的水平线偏振光 经透镜组成平行光束 3 2 4激光测量 118 图3 18双频激光测量系统 3 2 4激光测量 119 恒温 要求 1 0 01 实现方法 大 小恒温间 局部恒温 恒温罩 恒温油喷淋 恒湿 要求 相对湿度35 45 波动 10 1 实现方法 采用空气调节系统 净化 要求 10000 100级 100级系指每立方英尺空气中所含大于0 5 m尘埃个数不超过100 实现方法 采用空气过滤器 送入洁净空气 隔振 要求 消除内部 隔绝外部振动干扰实现方法 隔振地基 隔振垫层 空气弹簧隔振器 精密与超精密加工环境 3 2 5超精密加工环境 高速加工技术 120 120 第3章先进制造工艺AdvancedManufacturingProcess 课程 先进制造技术 121 3 2 3 1高速加工技术概述 机械制造四大发展方向高速加工技术精密和超精密加工技术高能束加工技术制造自动化技术 122 122 3 2 3 1高速加工技术概述 1978年 CIRP 国际生产工程协会 提出以线速度为500 7000m min的切削为高速切削 ISO1940标准规定 主轴转速高于8000rev min为高速切削 德国Darmstadt工业大学提出以高于5 10倍普通切削速度的切削定义为高速切削 主轴轴承孔直径与主轴最大转速乘积达 5 2000 105mm rev min 123 123 高速切削不能简单地用某一具体的切削速度值来定义 对于不同的工件材料 其高速切削的速度范围是不同的 考虑到目前的生产实际 不同工件材料切削速度范围的划分如图3 1所示 3 2 3 1高速加工技术概述 124 124 3 2 3 1高速加工技术概述 不同加工工艺的高速 超高速切削速度范围 各种材料高速 超高速切削速度范围 125 125 萨洛蒙曲线1931年4月德国切削物理学家萨洛蒙 CarlSalomon 曾根据一些实验曲线 即人们常提及的著名的 萨洛蒙曲线 图3 2 提出了超高速切削的理论 3 2 3 1超高速加工的机理 图3 2切削速度和切削温度关系曲线 126 127 127 超高速切削的概念超高速切削的概念可用图3 3表示 萨洛蒙指出 在常规切削速度范围内 图3 3中A区 切削温度随切削速度的增大而升高 但是 当切削速度增大到某一数值vc之后 切削速度再增加 切削温度反而降低 图3 3中B区在美国被称为 死谷 Deadvalley 如果能越过这个 死谷 而在超高速区 图3 3中C区 进行加工 则有可能用现有刀具进行超高速切削 图3 3超高速切削概念示意图 3 2 3 2超高速加工的机理 128 128 3 2 3 3高速加工技术的特点和优势 弹道切削试验得出结论为 随切削速度提高 塑性材料的切屑形态将从带状或片状向碎屑状演变 单位切削力初期呈上升趋势 而后急剧下降 超高速条件下刀具磨损比普通速度下减少95 且几乎不受切削速度的影响 金属切除效率可提高50 1000倍 而美国空军和海军的超高速铣削实验研究表明 铣削力减少70 成功实现了厚度为0 33mm的薄壁件的铣削 刀具磨损主要取决于刀具材料的导热性 日本人的超高速切削试验结果表明 超高速下切屑的形成完全是剪切作用的结果 随着切削速度的提高 剪切角急剧增大 工件材料的变质层厚度与普通速度下相比降低了50 加工表面残余应力及塑性区深度可分别减少90 95 和85 90 129 129 切削力小 切削温度低 和常规切削加工相比 高速切削加工切削力至少可降低30 这对于加工刚性较差的零件 如细长轴 薄壁件 来说 可减少加工变形 提高零件加工精度 同时 采用超高速切削 单位功率材料切除率可提高40 以上 有利于延长刀具使用寿命 通常刀具寿命可提高约70 工件热变形减少 95 以上的切削热来不及传给工件 而被切屑迅速带走 零件不会由于温升导致弯翘或膨胀变形 因而 超高速切削特别适合于加工容易发生热变形的零件 加工效率高 超高速切削加工比常规切削加工的切削速度高5 10倍 进给速度随切削速度的提高也可相应提高5 10倍 这样 单位时间材料切除率可提高3 6倍 因而零件加工时间通常可缩减到原来的1 3 3 2 3 3高速加工技术的特点和优势 130 130 加工精度高 加工质量好 由于超高速切削加工的切削力和切削热影响小 使刀具和工件的变形小 工件表面的残余应力小 保持了尺寸的精确性 同时 由于切屑被飞快地切离工件 可以使工件达到较好的表面质量 加工过程稳定 超高速旋转刀具切削加工时的激振频率高 已远远超出 机床一工件一刀具 系统的固有频率范围 不会造成工艺系统振动 使加工过程平稳 有利于提高加工精度和表面质量 加工成本降低可实现绿色制造 高速加工通常采用干切削方式 使用压缩空气进行冷却 无需切削液及其设备 从而降低了成本 是绿色制造技术 3 2 3 3高速加工技术的特点和优势 131 131 汽车工业 发动机 齿轮箱 航空航天工业 整体结构件 框体 薄壁件 模具工具制造 钢及铸件的半精 精加工 难加工材料 陶瓷 复合材料 钛合金 镍基高温合金 不锈钢 超精密微细切削加工 精密零件 群孔 3 2 3 3高速加工技术的特点和优势 铝制磁通补偿器 尺寸 80 x100 x40mm 技术数据 粗铣 8min精铣 11min铣方孔 3min刚性攻丝 1min总加工时间 23min总费用 约60US 采用铸模法的预算铸模费用 5000US 铸造费用 20US 加工费用 10US 高速加工的关键技术 132 132 高速切削对机床的特殊要求 3 2 3 4高速加工的关键技术 主轴转速高 输出功率大 常规机床转速一般为2000r min 而高速切削机床则为10000 100000r min 主轴电动机功率为15 80kW进给速度高 约为常规机床的10倍 60 100m min 主轴转速和进给速度的加速度高 从启动到达到最高转速要在1 2s内完成 工作台的加 减速度有常规的0 1 0 2g提高到1 2g 机床静 动态特性好 除具有足够的静刚度外 还必须有很高的动刚度和热刚度其它功能部件性能高 快速换刀 快速工作台交换 快速排屑装置 安全保护 检测装置 133 133 3 2 3 4高速加工的关键技术 134 134 3 2 3 4高速加工的关键技术 135 135 高速主轴部件的性能直接决定了机床所能达到的切削速度 加工精度和应用范围 是高速机床的核心部件 高速主轴一般做成电主轴 数控机床领域出现的将机床主轴与主轴电机融为一体的新技术 的结构形式 其关键技术包括 高速主轴轴承 无外壳主轴电动机及其控制模块 润滑冷却系统 主轴刀柄接口 刀具夹紧方式和刀具动平衡等 普通机床主轴 电动机到主轴的中间传动链长 转动惯量大 对运动指令的反应滞后 噪声污染严重 高速机床电主轴 电动机和机床主轴合而为一 传动链长度为零 主轴运动灵敏度 运动精度和工作可靠性高 可从机床传动系统的整体结构中相对独立出来做成主轴单元 瑞士 IBAG FISHER德国 GMN FAG 冷却 移动轴承 固定轴承 3 2 3 4高速加工的关键技术 136 136 3 2 3 4高速加工的关键技术 137 137 3 2 3 4高速加工的关键技术 普通NC机床的进给系统 滚珠丝杠副 旋转伺服电机丝杠扭转刚度低 限制了运动速度和加速度的提高 进给系统机械传动链较长 各环节误差相叠加会形成较大的综合传动误差和非线性误差 影响加工精度 机械传动存在链结构复杂 机械噪声大 传动效率低 磨损快 高速进给系统 高速滚珠丝杠螺母 旋转伺服电机采用大导程 多头高速滚珠丝杠 并进行预拉伸 提高丝杠的刚度 采用小直径氮化硅陶瓷球滚珠 减少其运动时的离心力和陀螺力矩 丝杠采用中空结构 并采用空心强冷却技术以减少高速滚珠丝杠运转时由于摩擦产生温升而造成的丝杠热变形 采用传感器对螺母的预紧力进行检测 实现对螺母预加载荷的自适应控制 丝杠和螺母副的制造难度较大 速度和加速度存在一定的非线性特征 全闭环时系统稳定性不易得到保证 直线电机进给驱动系统 直线电机作为进给伺服系统的执行元件电动机直接驱动机床工作台 传动链长度为零 不受离心力的影响 结构简单 重量轻 容易实现很高的进给速度 80 180m min 和加速度 2 10g重力加速度 动态性能好 运动精度高 0 1 0 01 m 运动行程不影响系统的刚度 无机械磨损 138 138 3 2 3 4高速加工的关键技术 数字主轴控制系统和数字伺服轴驱动系统应该具有高速响应特性 采用气浮 液压或磁悬浮轴承时 要求主轴支撑系统能根据不同的加工材料 不同的刀具材料以及加工过程中的动态变化自动调整相关参数 工件加工的精度检测装置应选用具有高跟踪特性和分辨率的检测元件 双频激光干涉仪 进给驱动的控制系统应具有很高的控制精度和动态响应特性 以满足高进给速度和高进给加速度 为适应高速切削 要求单个程序段处理时间短 为保证高速下的加工精度 要有前馈和大量的超前程序段处理功能 要求快速行程刀具路径 刀具路径尽可能圆滑 走样条曲线而不是逐点跟踪 少转折点 无尖转点 程序算法应保证高精度 遇到干扰能迅速调整 保持合理的进给速度 避免刀具振动 139 139 机床的床身 第一代高速铣龙门结构铸铁床身 第二代高速铣O形结构人造大理石床身 大质量的人造大理石床身极高的热稳定性保证了极好的零件加工精度良好的吸振性能 是铸铁的6倍可降低刀具的磨损 延长刀具寿命 3 2 3 4高速加工的关键技术 140 140 3 2 3 4高速加工的关键技术 高速切削刀具机构及其安全性 高速切削时 可转位面铣刀不允许采用摩擦力夹紧方式 而采用带中心孔的刀片 使用合适的预紧力用螺钉夹紧 还可采用带卡位的空刀槽 以保证刀具的精确定位合高速旋转时的可靠连接 刀体的设计应减轻质量 减小直径 增加高度 铣刀结构尽量避免采用贯通式刀槽 以减少尖角和应力集中 对刀具 夹头 主轴及其组合分别进行静 动平衡 刀体径向上安装微调螺钉进行微细平衡 以避免高速回转刀具的动不平衡影响机床主轴和轴承的使用寿命 影响工件已加工表面的质量和刀具寿命 141 141 3 2 3 4高速加工的关键技术 高速切削刀具与机床的连接 夹持系统 高速刀具的夹头基本要求 刀具与夹头的连接精度要高 夹紧力要大 夹头几何尺寸要小 夹头的结构对称性要好 高速切削刀具刀柄 传统的刀具与主轴的连接采用7 24的锥孔配合方式 主轴内锥孔和刀柄在离心力的作用下发生膨胀 且前者大于后者 造成总的锥度连接刚度降低 在拉杆拉力作用下 刀具的轴向位置会发生变化 从而影响主轴的动平衡 高速切削刀具与主轴的连接类型 德国HSK系列刀柄 美国KM系列刀柄 日本NC5刀柄 抛弃原有的7 24标准锥度而采用新的设计思路美国WSU系列 日本BIG PLUS 3CLOCK刀柄 对原有的7 24标准锥度进行改进 从而降低成本 142 142 高速切削 材料高应变率 刀具 切屑间的高速摩擦磨损 高温 高冲击 刀具高速旋转 高热硬性 抗热硬冲击 高硬度 高强度和高韧性 良好的化学稳定性 陶瓷刀具 金属陶瓷 Al2O3 Si3N4 Sialon 加工高温合金立方氮化硼 CBN PCBN 金刚石 单晶 SPD 聚晶 PCD 薄膜 CVD 厚膜 TFD 涂层刀具 基体 高速钢 硬质合金 陶瓷涂层 硬 TiCN TiAlN TiAlCN CBN Al2O3涂层 软 MoS2 WS2 加工高强铝合金 钛合金 高速铣削刀具材料 3 2 3 4高速加工的关键技术 143 143 3 2 3 4高速加工的关键技术 现代特种加工技术 144 144 第3章先进制造工艺AdvancedManufacturingProcess 课程 先进制造技术 145 145 非传统加工又称特种加工 通常被理解为别于传统切削与磨削加工方法的总称 非传统加工方法产生于二次大战后 两方面问题传统机械加工方法难于解决 1 难加工材料的加工问题 宇航工业等对材料高强度 高硬度 高韧性 耐高温 耐高压 耐低温等的要求 使新材料不断涌现 2 复杂形面 薄壁 小孔 窄缝等特殊工件加工问题 为解决上面两方面问题 出现了非传统加工方法 非传统加工方法将电 磁 声 光等物理量及化学能量或其组合直接施加在工件被加工的部位上 从而使材料被去除 累加 变形或改变性能等 3 3 1特种加工技术概述 146 146 非传统加工方法主要不是依靠机械能 而是用其它能量 如电能 光能 声能 热能 化学能等 去除材料 非传统加工方法由于工具不受显著切削力的作用 对工具和工件的强度 硬度和刚度均没有严格要求 一般不会产生加工硬化现象 且工件加工部位变形小 发热少 或发热仅局限于工件表层加工部位很小区域内 工件热变形小 加工应力也小 易于获得好的加工质量 加工中能量易于转换和控制 有利于保证加工精度和提高加工效率 非传统加工方法的材料去除速度 一般低于常规加工方法 这也是目前常规加工方法仍占主导地位的主要原因 非传统加工方法特点 3 3 1特种加工技术概述 147 147 机械过程利用机械力 使材料产生剪切 断裂 以去除材料 如超声波加工 水喷射加工 磨料流加工等 非传统加工方法分类 按加工机理和采用的能源划分 热学过程通过电 光 化学能等产生瞬时高温 熔化并去除材料 如电火花加工 高能束加工 热力去毛刺等 电化学过程利用电能转换为化学能对材料进行加工 如电解加工 电铸加工 金属离子沉积 等 化学过程利用化学溶剂对材料的腐蚀 溶解 去除材料 如化学蚀刻 化学铣削等 3 3 1特种加工技术概述 复合过程 148 148 复合过程利用机械 热 化学 电化学的复合作用 去除材料 常见的复合形式有 机械化学复合 如机械化学抛光 电解磨削 电镀珩磨等 机械热能复合 如加热切削 低温切削等 热能化学能复合 如电解电火花加工等 其它复合过程 如超声切削 超声电解磨削 磁力抛光 图7 61 等 3 3 1特种加工技术概述 149 磁力抛光机 大磁力抛光机 小抛光机 150 磁力抛光机效果图 特种加工技术概述 151 151 拓宽现有非传统加工方法的应用领域 探索新的加工方法 研究和开发新的元器件 优化工艺参数 完善现有的加工工艺 向微型化 精密化发展 采用数控 自适应控制 CAD CAM 专家系统等技术 提高加工过程自动化 柔性化程度 发展趋势 3 3 1特种加工技术概述 152 152 工作原理 利用工具电极与工件电极之间脉冲性火花放电 产生瞬时高温 工件材料被熔化和气化 同时 该处绝缘液体也被局部加热 急速气化 体积