第3章先进制造工艺先进制造技术课件.ppt

1 第3章先进制造工艺 本章要点 超精密加工技术 特种加工技术的特点 几种快速原型制造技术 高速加工关键技术 绿色加工技术及其应用 2 第3章先进制造工艺AdvancedManufacturingProcess 3 3 1 1概述 定义先进制造工艺技术是指研究与物料处理过程和物料直接相关的各项技术 要求实现优质 高效 低耗 清洁和灵活 特点 优质高效低耗清洁灵活 4 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旌 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 5 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 6 第3章先进制造工艺AdvancedManufacturingProcess 7 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 8 3 2 1概述 9 精密与超精密加工特点 3 2 1概述 10 3 2 1概述 11 3 2 1概述 12 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 超精密切削加工主要指金刚石刀具的超精密车削 3 2 2超精密切削加工 13 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超精密切削加工 14 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7 19T形布局的金刚石车床 T形布局 图7 19 3 2 2超精密切削加工 15 金刚石车床主要性能指标 表7 5 3 2 2超精密切削加工 16 金刚石车床 加工4 5mm陶瓷球 图3 2金刚石车床及其加工照片 3 2 2超精密切削加工 17 3 2 2超精密切削加工 18 3 2 2超精密切削加工 北京机床研究所研制 哈尔滨工业大学研制 国产数控超精密金刚石车床 19 国外金刚石刀具刃口半径可达纳米级水平 日本大阪大学与美国LLL实验室合作研究的超精密切削的最小极限 在刀具极锋锐和机床工作状态最佳情况下 可以实现切削厚度纳米级的连续稳定切削 3 2 2超精密切削加工 20 在工具和模具制造中 磨削是保证产品的精度和质量的最后一道工作序 技术关键除磨床外 磨削工艺也起决定性作用 在磨削脆性材料时 由于材料本身的物理特性 切屑形成多为脆性断裂 磨削后的表面比较粗糙 在80年代末日本和欧美的众多公司和研究机构研发了两种新的磨削工艺 塑性磨削 DuctileGrinding 和镜面磨削 MirrorGrinding 3 2 3超精密磨削 21 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超精密磨削 塑性磨削 22 它关心的不是切屑形成的机理而是磨削后的工件表面特性当磨削后的工件表面反射光的能力达到一定程度时 该磨削过程被称为镜面磨削 镜面磨削的工件材料不局限于脆性材料 它也包括金属材料 铝和钼等 日本东京大学理化研究所的Nakagawa和Ohmon教授发明了电解在线修整磨削法ELID 3 2 3超精密磨削 镜面磨削 23 ELID ElectrolyticIn ProcessDressing 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超精密磨削 24 3 2 3超精密磨削 ELID ElectrolyticIn ProcessDressing 25 ELID超精密磨床 日本以超精密车床为基础 结合ELID镜面磨削技术 发展了加工回转体非球曲面的ELID精密镜面磨床 见图9 后来又发展了三坐标联动数控ELID精密镜面磨床 可加工精密自由曲面 达到镜面 3 2 3超精密磨削 26 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7 25 和闭式两种形式 可磨削平面 内外圆表面 曲面等 图7 27 精密与超精密砂带磨削 3 2 3超精密磨削 27 图7 26用于磨削管件的砂带磨床 带有行星系统 3 2 3超精密磨削 28 3 2 3超精密磨削 图1呈箭头状分布的金刚石砂带 图2呈圆点状分布的金刚石砂带 29 几种常见砂带磨削方式 图7 27 3 2 3超精密磨削 30 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 静电值小 磨粒有方向性 尖端向上 图7 28 摩擦生热小 磨屑不易堵塞砂轮 磨削性能好 3 2 3超精密磨削 31 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超精密磨削 32 研磨加工通常是指利用硬度比被加工材料更高的微米级磨粒 在硬质研磨盘作用下产生的微切削和滚轧作用实现被加工表面的微量材料去除 使工件的形状 尺寸精度达到要求值 并降低表面粗糙度 减小加工变质层的加工方法 精密与超精密加工技术 研磨抛光加工 3 2 3超精密磨削 33 实例 硅片的研磨 精密与超精密加工技术 研磨盘 工件 硅片 Al2O3磨料 3 2 3超精密磨削 34 工作原理 图7 30 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7 31 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 化学机械抛光 3 2 3超精密磨削 35 精密与超精密加工技术 抛光后硅片 抛光后陶瓷球 采用工件 磨粒 抛光盘和加工液等的不同组合 可实现不同的抛光效果 工件与抛光液 磨料及抛光盘间的化学反应有助于抛光加工 3 2 3超精密磨削 36 拉单晶 磨外圆 切割 研磨 抛光 实例 半导体硅片加工 精密与超精密加工技术 硅片的直径 300 450mm 平面度 0 05 0 07 m 25 44mm2 表面粗糙度Ra0 1nm 这些都需要在研磨 抛光的工序中实现 3 2 3超精密磨削 37 实例 曲面研磨 抛光技术 精密与超精密加工技术 研磨抛光不仅用于加工平面 还大量用于曲面加工 如圆柱体外表面 内孔 球面及非球面透镜 反射镜 模具及型腔自由曲面等 球面反射镜 离轴抛物面反射镜 大型天文望远镜非球面主镜 非球面反射镜 3 2 3超精密磨削 38 曲面研磨 抛光技术 精密与超精密加工技术 传统的手工研磨抛光效率很低 且不易保证曲面的几何精度 故国外已发展了多种精密曲面抛光机床 这类精密曲面抛光机床 都有精密在线测量系统 在机床上检测加工工件的几何精度 根据测出的误差继续进行抛光加工 加工出的曲面镜 不仅表面是优质的镜面 同时具有甚高的几何精度 1 抛光头2 抛光头升降机构3 Z向空气导轨4 测量头5 Z向光学测量6 工作台面7 XY 工作台8 空气隔振精密曲面抛光机 Canon公司 3 2 3超精密磨削 39 一 磁性磨粒加工 MagneticAbrasiveFinishing MAF 磁性磨粒加工是利用磁性磨粒 由磨粒与铁粉经混合 烧结再粉碎至一定粒度制成 对工件表面进行研磨抛光的加工方法 铁磁性物质有铁 铁合金和铁的氧化物在磁场的作用下 磁性磨料对工件表面产生作用力 并在与工件表面的相对运动中去除工件材料 精密与超精密加工技术 3 2 3超精密磨削 40 二 磁流变加工 MagnetorheologicalFinishing MRF 利用磁流变液 由磁性颗粒 基液和稳定剂组成的悬浮液 在磁场中的流变特性对工件进行研磨抛光加工 高梯度磁场使磁流变液凝聚 变硬 成为粘塑性的Bingham介质 类似于 固体 表观黏度系数增加两个数量级以上 在工件表面与之接触的区域产生很大的剪切力 从而使工件的表面材料被去除 而离开磁场区域的介质重新变成可流动的液体 精密与超精密加工技术 3 2 3超精密磨削 41 三 气囊式抛光 BallonetToolPolishing 使用特制的柔性气囊作为抛光工具 通过抛光液或气囊外面包裹的磨料薄膜层 如聚氨酯抛光垫 抛光布等 实现抛光加工 工具气囊具有弹性 可以自动适应工件的曲面形状 故同一工具可用于抛光不同外形的曲面 这新的曲面抛光方法可以获得质量甚高的抛光表面 适合平面 球面 非球面 甚至任意曲面的抛光加工 精密与超精密加工技术 3 2 3超精密磨削 42 三 气囊式抛光 BallonetToolPolishing 精密与超精密加工技术 43 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 44 第3章先进制造工艺AdvancedManufacturingProcess 45 微型化集成化多样化 3 3 1微细与超微细加工技术概述 微型机械的特点 微型机械的提出 46 微细加工 通常指1mm以下微细尺寸零件的加工 其加工误差为0 1 m 10 m 超微细加工 通常指1 m以下超微细尺寸零件的加工 其加工误差为0 01 m 0 1 m 精度表示方法 一般尺寸加工 其精度用误差尺寸与加工尺寸比值表示 微细加工 其精度用误差尺寸绝对值表示 加工单位 去除一块材料的大小 对于微细加工 加工单位可以到分子级或原子级 微切削机理 切削在晶粒内进行 切削力要超过晶体内分子 原子间的结合力 单位面积切削阻力急剧增大 3 3 1微细与超微细加工技术概述 47 尖端直径为5微米的微型镊子可以夹起一个红血球 日本研制的数厘米见方的微型车床加工精度呆达1 5微米 美国大批量生产的硅加速度计把微型传感器和集成电路一起集成在硅片上3mmx3mm的范围内 目前已有0 06mm的轴与轴承和投入生产的0 5mm的齿轮 3 3 1微细与超微细加工技术概述 48 3 3 1微细与超微细加工技术概述 第一台微型机床 日本工业技术院机械工程实验室MEL 32X25X30 5mm 49 3 3 1微细与超微细加工技术概述 微机械加工方法 LIGA 光刻 电镀成形 注塑 光刻加工微细加工的特种方法加工 电火花加工 电化学加工 离子束加工 电子束加工等 激光加工 微机械加工切削 微细车削 微细铣销 微细钻削 微细磨削等 国际上比较重视的微机电系统制造技术有 牺牲层硅工艺 微切削加工技术和LIGA等 50 主要采用铣 钻和车三种形式 可加工平面 内腔 孔和外圆表面 刀具 多用单晶金刚石车刀 铣刀 图3 35 铣刀的回转半径 可小到5 m 靠刀尖相对于回转轴线的偏移来得到 当刀具回转时 刀具的切削刃形成一个圆锥形的切削面 3 3 1微细与超微细加工技术 51 微小位移机构 微量移动应可小至几十个纳米 高灵敏的伺服进给系统 要求低摩擦的传动系统和导轨支承系统 以及高跟踪精度的伺服系统 高的定位精度和重复定位精度 高平稳性的进给运动 低热变形结构设计 刀具的稳固夹持和高的安装精度 高的主轴转速及动平衡 稳固的床身构件并隔绝外界的振动干扰 具有刀具破损检测的监控系统 微细切削加工设备 FANUCROBOnanoUi型微型超精密加工机床 图3 36 3 3 1微细与超微细加工技术 52 机床有X Z C B四个轴 在B轴回转工作台上增加A轴转台后 可实现5轴控制 数控系统的最小设定单位为1nm 可进行车 铣 磨和电火花加工 旋转轴采用编码器半闭环控制 直线轴则采用激光全息式全闭环控制 为了降低伺服系统的摩擦 导轨 丝杠螺母副以及伺服电机转子的推力轴承和径向轴承均采用气体静压结构 图3 36FANUC微型超精密加工机床 3 3 1微细与超微细加工技术 53 电极线沿着导丝器中的槽以5 10mm min的低速滑动 可加工圆柱形的轴 图3 39 如导丝器通过数字控制作相应的运动 还可加工出各种形状的杆件 图3 40 线放电磨削法 WEDG 3 3 1微细与超微细加工技术 54 日本FANUC和电气通信合作研制出车床型的超精密铣床 首例用切削的方法实现了自由曲面微细加工 3 3 1微细与超微细加工技术 55 图3 41电子束光刻大规模集成电路加工过程 光刻加工 电子束光刻大规模集成电路 3 3 1微细与超微细加工技术 微细特种加工 56 将被加速的离子聚焦成细束 射到被加工表面上 被加工表面受 轰击 后 打出原子或分子 实现分子级去除加工 离子束溅射去除加工 微细特种加工 3 3 1微细与超微细加工技术 57 离子束溅射镀膜加工 用加速的离子从靶材上打出原子或分子 并将这些原子或分子附着到工件上 形成 镀膜 又被称为 干式镀 图7 46 离子镀氮化钛 即美观 又耐磨 应用在刀具上可提高寿命1 2倍 溅射镀膜可镀金属 也可镀非金属 由于溅射出来的原子和分子有相当大的动能 故镀膜附着力极强 与蒸镀 电镀相比 3 3 1微细与超微细加工技术 58 用高能离子 数十万KeV 轰击工件表面 离子打入工件表层 其电荷被中和 并留在工件中 置换原子或填隙原子 从而改变工件材料和性质 可用于半导体掺杂 在单晶硅内注入磷或硼等杂质 用于晶体管 集成电路 太阳能电池制作 金属材料改性 提高刀具刃口硬度 等方面 离子束溅射注入加工 离子束曝光 用在大规模集成电路制作中 与电子束相比有更高的灵敏度和分辨率 3 3 1微细与超微细加工技术 59 1 以同步加速器放射的短波长 1nm X射线作为曝光光源 在厚度达0 5mm的光致抗蚀剂上生成曝光图形的三维实体 2 用曝光蚀刻图形实体作电铸模具 生成铸型 3 以生成的铸型作为模具 加工出所需微型零件 LIGA由深层同步X射线光刻 电铸成形 塑注成形组合而成 包括三个主要工序 图3 58 X射线刻蚀电铸模技术 lithographicgalvanoformungabformung LIGA 3 3 1微细与超微细加工技术 60 图3 59LIGA工作现场 3 3 1微细与超微细加工技术 61 LIGA特点 用材广泛 可以是金属及其合金 陶瓷 聚合物 玻璃等可以制作高度达0 1 0 5mm 高宽比大于200的三维微结构 图3 60 形状精度达亚微米 LIGA代表产品及应用 微传感器 微电机 微机械零件 微光学元件 微波元件 真空电子元件 微型医疗器械等广泛应用于加工 测量 自动化 电子 生物 医学 化工等领域 可以实现大批量复制 成本较低 3 3 1微细与超微细加工技术 62 通常指纳米级 0 1nm 100nm 的材料 设计 制造 测量和控制技术 纳米技术涉及机械 电子 材料 物理 化学 生物 医学等多个领域 在达到纳米层次后 决非几何上的 相似缩小 而出现一系列新现象和规律 量子效应 波动特性 微观涨落等不可忽略 甚至成为主导因素 纳米技术研究的主要内容 纳米级精度和表面形貌测量及表面层物理 化学性能检测 纳米级加工 纳米材料 纳米级传感与控制技术 微型与超微型机械 3 3 2纳米技术 63 扫描隧道显微加工技术 STM 扫描隧道显微镜1981年由在IBM瑞士苏黎世实验室工作的G Binning和H Rohrer发明 可用于观察物体级的表面形貌 被列为20世纪80年度世界十大科技成果之一 1986年因此获诺贝尔物理学奖 STM工作原理基于量子力学的隧道效应 当两电极之间距离缩小到1nm时 由于粒子波动性 电流会在外加电场作用下 穿过绝缘势垒 从一个电极流向另一个电极 当一个电极为非常尖锐的探针时 由于尖端放电使隧道电流加大 G BinningH Rohrer 64 硅在高温时原子重构现象 65 当探针与试件表面距离达1nm时 形成隧道结 图3 51 当偏压Ub小于势垒高度 时 隧道电流密度为 式中h 普郎克常数 e 电子电量 ka k0 系数 由上式可见 探针与试件表面距离d对隧道电流密度非常敏感 这正是STM的基础 3 3 2纳米技术 66 关键技术 1 STM探针 金属丝经化学腐蚀 在腐蚀断裂瞬间切断电流 获得尖峰 曲率半径为10nm左右 图3 53STM针尖 3 3 2纳米技术 67 STM 图3 48STM工作过程演示 图3 47STM实物照片 3 3 2纳米技术 68 当两原子间距离缩小到级时 原子间作用力显示出来 造成两原子势垒高度降低 两者之间产生吸引力 而当两原子间距离继续缩小至原子直径时 由于原子间电子云的不相容性 两者之间又产生排斥力 AFM两种测量模式 接触式 探针针尖与试件表面距离 0 5nm 利用原子间的排斥力 由于分辨率高 目前采用较多 其工作原理是 保持探针与被测表面间的原子排斥力一定 探针扫描时的垂直位移即反映被测表面形貌 非接触式 探针针尖与试件表面距离为0 5 1nm 利用原子间的吸引力 为解决非导体微观表面形貌测量 借鉴扫描隧道显微镜原理 C Binning于1986年发明原子力显微镜 3 3 2纳米技术 原子力显微镜加工技术 AFM 69 AFM探针被微力弹簧片压向试件表面 原子排斥力将探针微微抬起 达到力平衡 AFM探针扫描时 因微力簧片压力基本不变 探针随被测表面起伏 AFM结构 图3 56 在簧片上方安装STM探针 STM探针与簧片间产生隧道电流 若控制电流不变 则STM探针与AFM探针 微力簧片 同步位移 于是可测出试件表面微观形貌 3 3 2纳米技术 70 图3 57AFM实物照片 扫描探针 磁盘图像 3 3 2纳米技术 71 原子力显微镜 纳米测量技术 72 通过扫描隧道显微镜操纵氙原子用35个原子排出的 IBM 字样 图3 49用STM移动分子组成的IBM字样 图3 50用STM观察石墨原子排列 3 3 2纳米技术 移动原子 世界上最小的广告 石墨表面通过搬迁碳原子而绘制出中国地图 73 纳米碳管 74 由碳纳米管制作的纳米齿轮模型 纳米齿轮上的原子清晰可见 75 描述的是两种不同的分子在分子之间力的作用下在溶液中自组装的情形 由于纳米尺寸非常之小 纳米机械必须具有自组装 自我复制等功能 76 第3章先进制造工艺AdvancedManufacturingProcess 77 3 4 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 78 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 4 1高速加工技术概述 79 3 4 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 80 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 4 2超高速加工的机理 图3 2切削速度和切削温度关系曲线 81 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 4 2超高速加工的机理 82 3 4 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 铣削力克减少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 83 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 4 3高速加工技术的特点和优势 84 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 4 3高速加工技术的特点和优势 85 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 4 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 86 高速切削对机床的特殊要求 3 4 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 87 3 4 4高速加工的关键技术 88 3 4 4高速加工的关键技术 89 第3章先进制造工艺AdvancedManufacturingProcess 90 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 5 1特种加工技术概述 91 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 5 1特种加工技术概述 92 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 5 1特种加工技术概述 93 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 5 1特种加工技术概述 94 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 5 1特种加工技术概述 95 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 体积发生膨胀 随之产生很高的压力 在这种高压作用下 已经熔化 气化的材料就从工件的表面迅速被除去 图7 63 4个阶段 1 介质电离 击穿 形成放电通道 2 火花放电产生熔化 气化 热膨胀 3 抛出蚀除物 4 间隙介质消电离 恢复绝缘状态 3 5 2几种代表性特种加工方法 96 图7 64电火花加工机床 3 5 2几种代表性特种加工方法 97 电极材料 要求导电 损耗小 易加工 常用材料 紫铜 石墨 铸铁 钢 黄铜等 其中石墨最常用 工作液 主要功能压缩放电通道区域 提高放电能量密度 加速蚀物排出 常用工作液有煤油 机油 去离子水 乳化液等 放电间隙 合理的间隙是保证火花放电的必要条件 为保持适当的放电间隙 在加工过程中 需采用自动调节器控制机床进给系统 并带动工具电极缓慢向工件进给 工作要素 脉冲宽度与间隔 影响加工速度 表面粗糙度 电极消耗和表面组织等 脉冲频率高 持续时间短 则每个脉冲去除金属量少 表面粗糙度值小 但加工速度低 通常放电持续时间在2 s至2ms范围内 各个脉冲的能量2mJ到20J 电流为400A时 之间 3 5 2几种代表性特种加工方法 98 电火花线切割加工 用连续移动的钼丝 或铜丝 作工具阴极 工件为阳极 机床工作台带动工件在水平面内作两个方向移动 可切割出二维图形 图7 65 同时 丝架可作小角度摆动 可切割出斜面 电火花加工类型 3 5 2几种代表性特种加工方法 99 电火花线切割机床 图7 66电火花线切割加工 加工过程显示 3 5 2几种代表性特种加工方法 100 不受加工材料硬度限制 可加工任何硬 脆 韧 软的导电材料 加工时无显著切削力 发热小 适于加工小孔 薄壁 窄槽 形面 型腔及曲线孔等 且加工质量较好 脉冲参数调整方便 可一次装夹完成粗 精加工 易于实现数控加工 电火花加工特点 电火花加工应用 电火花成形加工 电火花打孔常用于加工冷冲模 拉丝模 喷嘴 喷丝孔等 型腔加工包括锻模 压铸模 挤压模 塑料模等型腔加工 以及叶轮 叶片等曲面加工 电火花线切割 广泛用于加工各种硬质合金和淬硬钢的冲模 样板 各种形状复杂的板类零件 窄缝 栅网等 3 5 2几种代表性特种加工方法 101 工作原理 工件接阳极 工具 铜或不锈钢 接阴极 两极间加直流电压6 24V 极间保持0 1 1mm间隙 在间隙处通以6 60m S高速流动电解液 形成极间导电通路 工件表面材料不断溶解 溶解物及时被电解液冲走 工具阴极不断进给 保持极间间隙 3 5 2几种代表性特种加工方法 102 不受材料硬度的限制 能加工任何高硬度 高韧性的导电材料 并能以简单的进给运动一次加工出形状复杂的形面和型腔 加工形面 型腔生产率高 与电火花加工比高5 10倍 采用振动进给和脉冲电流等新技术 可进一步提高生产效率和加工精度 阴极在加工中损耗小 加工表面质量好 无毛刺 残余应力和变形层 设备投资大 有污染 需防护 模具型腔 枪炮膛线 发电机叶片 花键孔 内齿轮 小而深的孔加工 电解抛光 倒棱 去毛刺等 电解加工特点 电解加工应用 3 5 2几种代表性特种加工方法 103 工件与磨轮保持一定接触压力 突出的磨料使磨轮导电基体与工件之间形成一定间隙 电解液从中流过时 工件产生阳极溶解 表面生成一层氧化膜 其硬度远比金属本身低 易被刮除 露出新金属表面 继续进行电解 电解作用与磨削作用交替进行 实现加工 电解磨削效率比机械磨削高 且磨轮损耗远比机械磨削小 特别是磨削硬质合金时 效果更明显 电解磨削 图7 68 3 5 2几种代表性特种加工方法 104 真空条件下 利用电流加热阴极发射电子束 经控制栅极初步聚焦后 由加速阳极加速 通过透镜聚焦系统进一步聚焦 使能量密度集中在直径5 10 m斑点内 高速而能量密集的电子束冲击到工件上 被冲击点处形成瞬时高温 几分之一微秒时间内升高至几千摄氏度 工件表面局部熔化 气化直至被蒸发去除 工作原理 图7 69 3 5 2几种代表性特种加工方法 105 电子束束径小 最小直径可达0 01 0 05mm 而电子束长度可达束径几十倍 故可加工微细深孔 窄缝 材料适应性广 原则上各种材料均能加工 特别适用于加工特硬 难熔金属和非金属材料 非接触加工 无工具损耗 无切削力 加工时间极短 工件无变形 加工速度高 切割1mm厚钢板 速度可达240mm min 在真空中加工 无氧化 特别适于加工高纯度半导体材料和易氧化的金属及合金 加工设备较复杂 投资较大 多用于微细加工 特点及应用 3 5 2几种代表性特种加工方法 106 激光是一种受激辐射而得到的加强光 其基本特征 强度高 亮度大 波长频率确定 单色性好 相干性好 相干长度长 方向性好 几乎是一束平行光 工作原理 图7 70 激光加工 3 5 2几种代表性特种加工方法 107 固体激光器 YAG 结晶母材由钇 铝和石榴石构成 激光器 红宝石激光器 混合气体 氦约80 氮约15 CO2约5 通过高压直流放电进行激励 波长10 6 m 为不可见光 能量效率5 15 气体激光器 CO2激光器 图7 71 激光器 3 5 2几种代表性特种加工方法 108 加工材料范围广 适用于加工各种金属材料和非金属材料 特别适用于加工高熔点材料 耐热合金及陶瓷 宝石 金刚石等硬脆材料 加工性能好 工件可离开加工机进行加工 可透过透明材料加工 可在其他加工方法不易达到的狭小空间进行加工 非接触加工方式 热变形小 加工精度较高 可进行微细加工 激光聚焦后焦点直径理论上可小至1 以下 实际上可实现 0 01mm的小孔加工和窄缝切割 加工速度快 效率高 激光加工不仅可以进行打孔和切割 也可进行焊接 热处理等工作 激光加工可控性好 易于实现自动控制 加工设备昂贵 激光加工特点 3 5 2几种代表性特种加工方法 109 激光打孔 广泛应用于金刚石拉丝模 钟表宝石轴承 陶瓷 玻璃等非金属材料 和硬质合金 不锈钢等金属材料的小孔加工 激光打孔具有高效率 低成本的特点 特别适合微小群孔加工 焦点位置对孔的质量影响 若焦点与加工表面之间距离很大 则激光能量密度显著减小 不能进行加工 如果焦点位置偏离加工表面1mm 可以进行加工 此时加工出孔的断面形状随焦点位置不同而发生变化 图7 72 激光加工应用 3 5 2几种代表性特种加工方法 110 激光热处理 原理 照射到金属表面上的激光使表面原子迅速蒸发 由此产生微冲击波会导致大量晶格缺陷形成 达到硬化 优点 快速 不需淬火介质 硬化均匀 变形小 硬化深度可精确控制 3 5 2几种代表性特种加工方法 111 图7 74激光焊接车身 图7 73激光切割 3 5 2几种代表性特种加工方法 112 利用工具端面作超声 16 25kHz 振动 使工作液中的悬浮磨粒对工件表面撞击抛磨来实现加工 超声波发生器将工频交流电能转变为有一定功率输出的超声频电振荡 通过换能器将超声频电振荡转变为超声机械振动 此时振幅一般很小 再通过振幅扩大棒 变幅杆 使固定在变幅杆端部的工具振幅增大到0 01 0 15mm 工作原理 图7 75 3 5 2几种代表性特种加工方法 113 图7 76超声波加工机床 图7 77超声波加工样件 3 5 2几种代表性特种加工方法 114 适用于加工各种脆性金属材料和非金属材料 如玻璃 陶瓷 半导体 宝石 金刚石等 可加工各种复杂形状的型孔 型腔 形面 工具与工件不需作复杂的相对运动 机床结构简单 被加工表面无残余应力 无破坏层 加工精度较高 尺寸精度可达0 01 0 05mm 加工过程受力小 热影响小 可加工薄壁 薄片等易变形零件 生产效率较低 采用超声复合加工 如超声车削 超声磨削 超声电解加工 超声线切割等 可提高加工效率 超声波加工特点及应用 3 5 2几种代表性特种加工方法 115 工作原理 加工装置 图7 78 喷嘴材料及工作条件 表7 11 利用超高压水 或水与磨料的混合液 对工件进行切割 或打孔 又称高压水切割 或 水刀 3 5 2几种代表性特种加工方法 116 工艺参数 表7 12 表7 13 3 5 2几种代表性特种加工方法 117 第3章先进制造工艺AdvancedManufacturingProcess 118 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 6 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 119 市场变化 客户要求 计算机技术 材料科学 CAD CAM 能源科学 3 6 1概述 120 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 6 1概述 去除成型 DislodgeForming 添加成型 AddingForming 净尺寸成型 NetForming 121 CONCEPTDESIGNING DATACOLLECTION DATAPROCESSING PROTOTYPINGPART CADMODEL REVERSEENGINEERING 3 6 1概述 RPM原理图 122 3 6 1概述 RPM原理图 123 3 6 1概述 RP工作流程示意图 124 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 6 1概述 125 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 6 2典型的RPM工艺方法 126 3 6 2典型的RPM工艺方法 127 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 6 2典型的RPM工艺方法 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 128 的截面后 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 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型差 3 6 2典型的RPM工艺方法 129 3 6 2典型的RPM工艺方法 130 此方法是由美国得克萨斯