机械制造技术基础-先进制造技术PPT课件.ppt

机械制造技术基础 主讲 尹明富机械电子学院 2020 3 18 2 第一节快速成型制造技术 一 简介在新产品的开发过程中 总是需要对所设计的零件或整个系统在投入大量资金组织加工或装配之前加工一个简单的例子或原型 在准备制造和销售一个复杂的产品系统之前 工作原型可以对产品设计进行评价 修改和功能验证 2020 3 18 3 一个产品的典型开发过程是从前一代的原型中发现错误或从进一步研究中发现更有效和更好的设计方案 而一件原型的生产极其费时 模具的准备需要几个月 一个复杂的零件用传统方法加工非常困难 2020 3 18 4 快速成型 RapidPrototyping 技术是近年来发展起来的直接根据CAD模型快速生产样件或零件的成组技术总称 它集成了CAD技术 数控技术 激光技术和材料技术等现代科技成果 是先进制造技术的重要组成部分 2020 3 18 5 与传统制造方法不同 快速成型从零件的CAD几何模型出发 通过软件分层离散和数控成型系统 用激光束或其他方法将材料堆积而形成实体零件 由于它把复杂的三维制造转化为一系列二维制造的叠加 因而可以在不用模具和工具的条件下生成几乎任意复杂的零部件 极大地提高了生产效率和制造柔性 2020 3 18 6 快速原型技术的优点 1 快速原型作为一种使设计概念可视化的重要手段 计算机辅助设计的零件的实物模型可以在很短时间内被加工出来 从而可以很快对加工能力和设计结果进行评估 2 由于它是将复杂的三维型体转化为两维截面来解决 因此 它能制造任意复杂型体的高精度零件 而无须任何工装模具 2020 3 18 7 3 快速原型作为一种重要的制造技术 采用适当的材料 这种原型可以被用在后续生产操作中以获得最终产品 4 快速原型操作可以应用于模具制造 可以快速 经济地获得模具 5 产品制造过程几乎与零件的复杂性无关 可实现自由制造 FreeFormFabrication 这是传统制造方法无法比拟的 2020 3 18 8 二 快速成型的基本原理基于材料累加原理的快速成型的操作过程实际上是一层一层地离散制造零件 快速成型有很多种工艺方法 但所有的快速成型工艺方法都是一层一层地制造零件 区别是制造每一层的方法和材料不同而已 2020 3 18 9 快速成型的一般工艺过程原理如下 1 三维模型的构造 在三维CAD设计软件 如Pro E UG SolidWorks SolidEdge等 中获得描述该零件的CAD文件 目前一般快速成型支持的文件输出格式为STL模型 即对实体曲面近似处理 即所谓面型化 Tessallation 处理 是用平面三角面片近似模型表面 这样处理的优点是大大地简化了CAD模型的数据格式 从而便于后续的分层处理 2020 3 18 10 在三维CAD设计软件对CAD模型进行面型化处理时 一般软件系统中有输出精度控制参数 通过控制该参数 可减小曲面近似处理误差 如Pro E软件是通过选定弦高值 ch chordheight 作为逼近的精度参数 如图7 1为一球体 给定的两种ch值所转化的情况 a ch 0 05 b ch 0 2 2020 3 18 11 2 三维模型的离散处理 通过专用的分层程序将三维实体模型分层 图7 2b 通过一簇平行平面沿制作方向与CAD模型相截 所得到的截面交线就是薄层的轮廓信息 而实体信息是通过一些判别准则来获取的 2020 3 18 12 3 层截面的制造与累加在计算机控制下 快速成型系统中的成型头在X Y平面内自动按截面轮廓进行层制造 得到一层层截面 每层截面成型后 下一层材料被送至已成型的层面上 进行后一层的成型 并与前一层相粘接 从而一层层的截面累加叠合在一起 形成三维零件 2020 3 18 13 三 快速成型的工艺方法目前快速成型主要工艺方法及其分类见图7 3所示 2020 3 18 14 1 熔积成型法 FusedDepositionModeling 在熔积成型法 FDM 的过程中 图7 4 龙门架式的机械控制喷头可以在工作台的两个主要方向移动 工作台可以根据需要向上或向下移动 热塑性塑料或蜡制的熔丝从加热小口处挤出 最初的一层是按照预定的轨迹以固定的速率将熔丝挤出在泡沫塑料基体上形成的 当第一层完成后 工作台下降一个层厚并开始迭加制造一层 2020 3 18 15 FDM的优点是材料的利用率高 材料的成本低 可选用的材料种类多 工艺干净 简单 易于操作且对环境的影响小 缺点是精度低 结构复杂的零件不易制造 表面质量差 成型效率低 不适合制造大型零件 该工艺适合于产品的概念建模以及它的形状和功能测试 中等复杂程度的中小原型 2020 3 18 16 2 光固化法 Stereolithography 光固化法是目前应用最为广泛的一种快速原型制造工艺 原理如图所示 2020 3 18 17 以光敏树脂为原料 在计算机控制下的紫外激光按预定零件各分层截面的轮廓为轨迹对液态树脂逐点扫描 使被扫描区的树脂薄层产生光聚合反应 从而形成零件的一个薄层截面 SL工艺优点是精度较高 一般尺寸精度控制在 0 1mm 表面质量好 原材料的利用率接近100 能制造形状特别复杂 特别精细的零件 设备的市场占有率很高 缺点是需要设计支撑 可以选择的材料种类有限 容易发生翘曲变形 材料价格较贵 该工艺适合比较复杂的中小件 2020 3 18 18 3 激光选区烧结 SelectiveLaserSinering 激光选区烧结 简称SLS 是一种将非金属 或普通金属 粉末有选择地烧结成单独物体的工艺 此工艺中的一些基本原理如图7 7所示 该法采用CO2激光器作为能源 目前使用的造型材料多为各种粉末材料 2020 3 18 19 LOM工艺优点是无须设计和构建支撑 激光束只是沿着物体的轮廓扫描 无需填充扫描 成型效率高 成型件的内应力和翘曲变形小 制造成本低 缺点是材料利用率低 表面质量差 后处理难度大 尤其是中空零件的内部残余废料不易去除 可以选择的材料种类有限 目前常用的主要是纸 对环境有一定的污染 2020 3 18 20 四 基于快速成型的快速模具技术 RapidTooling 简称RT 快速模具及快速复制技术是近几年在国内外发展起来的一种快速制造技术 该项技术融合了高分子复合材料应用 快速成型技术 快速翻制工艺以及CNC加工等新技术 新工艺 可快速 低成本地制造非金属模具 用于10 1000件批量产品的快速制造 受到了市场的欢迎 2020 3 18 21 可分为直接制模法和间接制模法 1 直接制模法 DirectTooling DT 直接制模法是指将模具CAD的结果由RP系统直接制造成型 即在RP系统上直接制造出模具供生产使用 制造出的模具具有一定的耐高温和较好的机械强度和稳定性 故用RP技术直接制造的模具经表面处理后可直接用于生产中 但由于RP成型工艺和成型材料等原因 直接制造金属模具的技术和方法正在研究之中 2020 3 18 22 2 间接制模法间接RT法是以RP原型作样件间接制造模具的方法 RPM技术克服了传统样件 模样 制作的缺点 能够更快 更好 更方便地设计并制造出各种复杂的原型 样件 一般可使模具制造周期和制造成本降低1 2 大大提高了生产效率和产品质量 2020 3 18 23 第二节高速切削 切削加工作为制造技术的主要基础工艺 随着制造技术的发展 在20世纪末也取得了很大的进步 进入了以发展高速切削 开发新的切削工艺和加工方法 提供成套技术为特征的发展新阶段 高速切削是当今世界机械制造业中一项迅速发展的高新技术 在现代工业发达国家 高速切削作为一种新的切削加工理念 被愈来愈多的工程技术人员所认可 2020 3 18 24 一 高速切削技术的概念与特点 1 高速切削技术的概念对大多数工件材料而言 高速切削指高于常规切削速度五倍乃至几十倍条件下所进行的切削 高速切削在实际生产中切削 铝合金的速度范围为1500m min 5500m min 铸铁为750m min 2500m min 普通钢为600m min l200m min 切削进给速度已高达20m min 40m min 2020 3 18 25 高速切削的核心是速度与精度 由于刀具材料 工件材料和加工工艺的多样性 对高速切削不可能用一个确定的速度指标来定义 对于铣刀等回转刀具 通常以刀具或主轴的转速作为衡量标准 根据不同的刀具直径 现阶段一般把转速10000r min以上视为高速切削 2020 3 18 26 在切削速度达到一个临界值时 切削温度达到最大值 在这个临界值之后的一个范围内 切削速度增加 则切削温度下降 见图7 9 图7 9切削速度对切削温度的影响 2020 3 18 27 2 高速切削技术的特点 1 能获得很高的加工效率 2 能获得较高的加工精度 3 能获得较高的加工表面质量 4 加工能耗低 节省制造资源 2020 3 18 28 二 高速切削机理 1 切削力在常速切削时通常随切削速度的提高切削力也随之增大 但在高速切削时随切削速度增加 切削温度升高 摩擦系数减小 剪切角增大 切削力反而降低 2020 3 18 29 2 切削热大量的切削热在切削过程中对刀具磨损 工件材料性能 工件加工精度和质量等都有着重要的影响 切削热的主要来源是切屑变形功和前 后刀面的摩擦功 2020 3 18 30 高速切削时 总的切削功消耗在以下几方面 1 形成已加工表面和切屑底面两个新生表面所需要的能量 其值等于物体该表面的表面能 2 剪切区的剪切变形功 3 前 后刀面与切屑 工件的摩擦功 4 切削层材料经过剪切面时 由于动量改变而消耗的功 2020 3 18 31 3 刀具磨损高速切削时 刀具的损坏形式主要是磨损和破损 损坏原因随刀具材料和工件材料不同 主要是以磨损为主 但有的则是以破损为主 或者是磨损伴有微崩刃而损坏 随切削速度提高 切削温度升高 磨损的机理主要是粘结磨损和化学磨损 2020 3 18 32 三 高速切削的关键技术 1 高速切削机床结构高速主轴必须装在结构能适应高速切削的机床上 才能充分发挥高速切削的众多优点 这就要求高速切削机床具有很高的进给速度 并在很高速下仍有高的定位精度 此外高速进给要靠很大的加速度来实现 所以高速切削机床不仅要有很高的静刚度 还必须有很高的动刚度 2020 3 18 33 根据上述几点要求 高速切削机床在90年代基本上从两个方向上发展 一是在普通机床的基础上对关键零部件进行改进 二是研制完全不同于普通机床的新型结构机床 2020 3 18 34 进给驱动系统高速化高速切削机床的滑台驱动系统在90年代初多采用大导程滚珠丝杠传动和增加伺服进给电机的转速来实现的 一般进给速度可达60m min左右 近几年出现了直线电机驱动系统 由于它无间隙 惯性小 刚度较大而无磨损 通过控制电路可实现高速度和高精度驱动 在1997年进给速度已达120m min 2020 3 18 35 运动部件较量化和伺服进给控制精密化图7 13是一台高速切割的加工中心 其X Y Z三轴的移动部件的质量均较传统的结构为轻 且均采用直线电机驱动 图7 13高速切削的加工中心结构示意 2020 3 18 36 2 高速切削的刀具系统高速切削时的一个主要问题是刀具磨损 与普通切削相比 高速切削时刀具与工件的接触时间减少 接触颇率增加 由此减少了切屑的皱褶 切削过程中产生的热量更多地向刀具传递 磨损机理与普通切削有很大区别 2020 3 18 37 刀具材料刀具材料主要以镀膜的和未镀膜的硬质合金 金属陶瓷 氧化铝基或氮化硅基陶瓷 聚晶金刚石 聚晶立方氮化硼为主 刀柄结构刀柄结构是高速切削时的一个关键件 主要体现在它传递机床精度和切削力的作用 2020 3 18 38 高速切动时既要保证加工精度 又要保证很高的生产效率 所以高速切削时刀柄须满足下列要求 l 很高的几何精度和装夹重复精度 2 很高的装夹刚度 3 高速运转时安全可靠 2020 3 18 39 接装刀具的模块常用的锥形夹头灵活性好 适用于不同的刀具直径 缺点是可传递的扭矩有限且装夹精度很低 提高装夹精度和刚度需采用其他方法 目前常用的有收缩夹头 液压膨胀夹头和力膨胀夹头 2020 3 18 40 第三节微机械及其微细加工技术 一 引言随着微 纳米科学与技术 Micro NanoScienceandTechnology 的发展 以本身形状尺寸微小或操作尺度极小为特征的微机械已成为人们在微观领域认识和改造客观世界的一种高新技术 微机械在美国常被称作微型机电系统 MicroelectromechanicalSystem MEMS 在日本称作微机器 Micromachine 而在欧洲则称作微系统 Microsystem 2020 3 18 41 按外形尺寸 微机械可划分为1 10mm的微小型机械 1 m 1mm的微机械 以及1nm 1 m的纳米机械 2020 3 18 42 微机械具有以下几个基本特点 1 体积小 精度高 重量轻 2 性能稳定 可靠性高 微机械器件体积极小 封装后几乎可以摆脱热膨胀 噪声和挠曲等因素的影响 具有较高的抗干扰性 可以在比较恶劣的环境下稳定工作 2020 3 18 43 3 能耗低 灵敏性和工作效率高 完成相同的工作 微机械所消耗的能量仅为传统机械的十几或几十分之一 却能以数十倍以上的速度运作 机电一体的微机械不存在信号延迟等问题 从而更适合高速工作 4 多功能和智能化 5 适于大批量生产 制造成本低廉 2020 3 18 44 具有以下一般机械所不能及的优势 1 表现在活动空间 操作对象和工作环境上 微机械能够进入极狭小空间进行作业 且不易对环境造成不必要的影响与破坏 微机械还可以面对很脆弱 易损伤的工作对象 微机械还可出现于人类所不能及或不适宜的工作环境 2 与一般机械相比 微机械所表现出的智能化程度更高 实现的功能更趋于多样化 2020 3 18 45 二 微细加工技术 微细加工 Microfabrication 起源于半导体制造工艺 原来指加工尺度约在微米级范围的加工方式 在微机械研究领域中 它是微米级 亚微米级乃至毫微米级微细加工的通称 可以进一步分为微米级微细加工 Micro fabrication 亚微米级微细加工 Sub micro fabrication 和纳米级微细加工 Nano fabrication 等 广义上的微细加工 其方式十分丰富 几乎涉及了各种现代特种加工 高能束等加工方式 2020 3 18 46 从基本加工类型看 微细加工可大致分为 分离加工 将材料的某一部分分离出去的加工方式 如分解 蒸发 溅射 破碎等 接合加工 同种或不同材料的附和加工或相互结合加工 如蒸镀 淀积 掺入 生长 粘结等 变形加工 使材料形状发生改变的加工方式 如塑性变形加工 流体变形加工等 材料处理或改性 如一些热处理或表面改性等 2020 3 18 47 微细加工技术特点 从加工对象上看 微细加工不但加工尺度极小 而且被加工对象的整体尺寸也很微小 由于微机械对象的微小性和脆弱性 仅仅依靠控制和重复宏观的加工相对运动轨迹达到加工目的 已经很不现实 必须针对不同对象和加工要求 具体考虑不同的加工方法和手段 微细加工在加工目的 加工设备 制造环境 材料选择与处理 测量方法和仪器等方面都有其特殊要求 2020 3 18 48 1 硅微加工技术 硅微细加工技术主要是指以硅材料为基础制作各种微机械零部件 主要包括体微机械加工和表面微机械加工 体微机械加工是指除去衬底一部分的加工工艺 表面微机械加工是指在衬底之上的加工工艺所用的典型加工工艺为 去除 刻蚀 激光加工 机械钻孔等 和添加 沉积绝缘体 金属等 2020 3 18 49 1 体微机械加工技术体微机械加工技术是针对整块材料通过刻蚀去除部分基体或衬底材料 从而得到所需元件的体构形 关键的步骤是刻蚀工艺 刻蚀工艺分为干法刻蚀和湿法刻蚀 1 干法刻蚀干法刻蚀是利用高能束或某些气体对基体进行去除材料的加工 被刻蚀表面粗糙度较低 刻蚀效果好 但对工艺条件要求较高 2020 3 18 50 加工方式分为溅射加工和直写加工 加工工艺主要包括离子束刻蚀和激光刻蚀 离子束刻蚀也称溅射刻蚀或去除加工 又分为聚焦离子束刻蚀和反应离子束刻蚀 聚焦离子束刻蚀是通过入射离子向工件材料表面原子传递动量而达到逐个蚀除工件表面原子的目的 从而可达到纳米级的制造精度 通常采用能量为30KV的Au 和Ga 离子加多晶硅材料来制造微机械 2020 3 18 51 反应离子束刻蚀是一种物理化学反应的刻蚀方法 它将一束反应气体的离子束直接引向工件表面 发生反应后形成一种既易挥发又易靠离子动能而加工的产物 同时通过反应气体离子束溅射作用达到刻蚀的目的 2020 3 18 52 激光刻蚀激光刻蚀是在一定气体气氛下用高强度激光照射硅表面 以达到极高的刻蚀速度 激光刻蚀适用于特殊形状微机械的加工 激光刻蚀通过调节刻蚀剂量 几乎可以加工出任何形状及轮廓 有利于制造形状复杂的微机械 2020 3 18 53 2 湿法刻蚀包括各向同性刻蚀与各向异性刻蚀 各向同性刻蚀是在任何方向上刻蚀速度均等的加工 可以制造任意横向几何形状的微形结构 高度一般仅为几微米 但是限于制造平面型结构 各向异性刻蚀则是与被刻蚀晶片的结构方向有关的一种刻蚀方法 它在特定方向上刻蚀速度大 其它方向上几乎不发生刻蚀 利用掩蔽图形与不同晶面的对准角关系 可以制作出深度达几十微米的不同二维空间结构 2020 3 18 54 2 表面微机械加工技术表面微机械加工技术就是利用集成电路中的平面化制造技术来制造微机械装置 标准的工艺流程包括 首先在单晶硅基片上交替沉积一层低应力的多晶硅层和一层用于刻蚀的氧化硅层 形成一个复杂的加工层 然后再对这个加工层进行光刻摹制 最后用氢氟酸对氧化硅进行蚀刻显影 多次重复这一标准工艺流程就可完成表面微机械加工 2020 3 18 55 图7 24U C Berkeley采用表面牺牲层工艺制备的世界上第一个MEMS器件 微型静电马达 2020 3 18 56 图7 25采用五层多晶硅工艺制备的微型传动结构 2020 3 18 57 表面微机械加工技术的主要优点是 充分利用了现有的IC生产工艺 对机械零部件尺度的控制与IC一样好 因此这种技术和IC完全兼容 缺点 限制了表面加工 制造的机械结构基本上都是二维的 因为机械结构的厚度完全受限于沉积薄膜的厚度 微型元件的布局问题 平面化问题和减小残余应力问题也更难解决 2020 3 18 58 2 光刻技术也称照相平版印刷 术 源于微电子的集成电路制造 是在微机械制造领域应用较早并仍被广泛采用且不断发展的一类微细加工方法 2020 3 18 59 加工原理 与印刷技术中的照相制版相似 在硅等基体材料上涂覆光致抗蚀剂 然后用高极限分辨率的能量束通过掩模对光致蚀层进行曝光 经显影后 在抗蚀剂层上获得了与掩模图形相同的细微的几何图形 再利用刻蚀等方法 在基底或被加工材料上制造出微型结构 2020 3 18 60 主要方法 1 光学光刻 2 电子束光刻 3 离子束光刻 4 X射线光刻 2020 3 18 61 3 外延技术外延生长是微机械加工的重要手段之一 它的特点是生长的外延层能保持与衬底