先进制造工艺技术.ppt

模块四先进制造工艺技术 学习提纲 4 1先进制造工艺技术概述4 2超高速加工技术4 3超精密加工技术4 4微细加工技术4 5快速原型制造技术 4 1先进制造工艺技术概述 4 1 1制造工艺的基本概念4 1 2先进制造工艺的产生与发展4 1 3先进制造工艺的特点 4 1 1制造工艺的基本概念 机械制造工艺是将各种原材料通过改变其形状尺寸 性能或相对位置 使之成为成品或半成品的方法和过程 机械制造工艺流程是由原材料和能源的提供 毛坯和零件成形 机械加工 材料改性与处理 装配与包装 质量检测与控制等多个工艺环节组成 按照功能不同 将机械制造工艺分为三个阶段 1 零件毛坯的成形准备阶段 包括原材料切割 焊接 铸造 锻压加工成形等2 机械切削加工阶段 包括车削 钻削 铣削 刨削 镗削 磨削加工等3 表面改性处理阶段 包括热处理 电镀 化学镀 热喷涂 涂装等 4 1 2先进制造工艺的产生与发展 先进制造工艺是先进制造技术的核心和基础 一个国家的制造工艺技术水平的高低 很大程度决定了其制造业在国际市场的竞争实力 其发展体现在以下几方面 制造加工精度不断提高切削加工速度迅速提高新型工程材料的应用推动了制造工艺的进步和变革自动化和数字化工艺装备的发展提高了机械加工的效率零件毛坯成形在向少无余量发展优质清洁表面工程技术的形成和发展 高效 低耗 洁净 灵活 优质 先进制造工艺的特点 4 2超高速加工技术 4 2 1超高速加工概述4 2 2超高速加工定义与特征4 2 3超高速加工相关技术4 2 4超高速加工的应用 4 2 1超高速加工概述 20世纪80年代 计算机控制的自动化技术的高速发展成为生产工程的突出特点 发达国家的数控率已达70 80 随着数控技术发展 切削工时占去总工时主要部分 成为生产率的主要部分 提高切削速度和进给速度 才能提高生产率 产生了超高速加工 4 2 1超高速加工概述 泰勒是最早研究金属切削的学者 30年代 德国物理学家Salonmon提出了著名的萨洛蒙曲线 提出了超高速切削理论 50年代 美国工程师Robert使用了具有极高切削速度的独特方法 弹道切削 70年代美国海军和空军与Lockheed飞机制造公司进行合作 研究超高速铣削 另外Salonmon的超高速切削理论对超高速磨削理论也有重要启示 4 2 2超高速加工定义与特征 超高速加工技术是指采用超硬材料刀具和磨具 利用能可靠实现高速运动的高精度 高自动化和高柔性的制造设备 以提高切削速度来达到提高材料切除率 加工精度和加工质量的先进加工技术 优越性 提高了加工效率和设备利用率 缩短了生产周期减少工件的热变形和内应力 提高工件的加工精度提高加工表面质量省去传统的放电加工或磨削加工 切削的优越性 高精度 减少工序 材料切除率高 切削力低 热变形小 4 2 3超高速加工相关技术 1 超高速切削的相关技术超高速切削机床五项基本要求 适宜超高速的主轴部件快速响应的数控系统快速的进给部件动静热刚度好的机床支承部件高压大流量喷射的冷却系统和安全装置 超高速切削的刀具系统超高速切削刀具系统的特点 刀片在刀体的定位要求加紧牢固 安全 刀具与机床的联接可靠 超高速切削加工的切削力随着切削速度的提高而降低约30 切削温度随着切削速度的提高而缓慢提高 道具的磨损主要由切削温度 刀具 切屑之间和刀具 工件的相对速度决定的 超高速切削的刀具材料超高速切削加工要求刀具材料与被加工材料的化学亲和力要小 并且具有优异的机械性能 热稳定性 抗冲击性和耐磨性 目前适合于超高速切削的刀具材料主要有 涂层刀具材料 技术陶瓷刀具材料 陶瓷刀具材料 立方氮化硼 CBN 刀具材料 聚晶金刚石 PCD 刀具材料等 特点 大幅度提高磨削效率 减少设备使用台数 磨削力小 零件加工精度高 降低加工工件表面的粗糙度 砂轮寿命延长 改善加工表面完整性 2 超高速磨削技术 超高速磨削的关键技术 超高速主轴超高速磨削砂轮结构应具有强度高 抗冲击强度高 耐热性好 微破碎性好 杂质含量低等优点砂轮的修整 整形和修锐超高速磨削的磨削液及其注入系统磨削液分类 油基磨削液和水基磨削液常用注入方法 手工供液法 浇注法 高压喷射法 利用开槽砂轮法等 4 2 4超高速加工的应用 超高速切削加工主要用于汽车工业大批生产 难加工材料 超精密微细切削 复杂曲面加工等领域 航空工业的应用 飞机制造直接采用毛坯高速切削加工 从而降低飞机重量 在汽车制造业为了满足市场个性化需求而由大批量生产逐步转向为多品种变批量生产 由柔性生成线代替了组合机床刚性生产线 高速的加工中心将柔性生产的效率提高到组合机床生产线的水平 模具制造业是高速加工技术的主要受益者 高速加工技术在模具行业的应用 无论是在减少加工准备时间 缩短工艺流程 还是缩短切削加工时间方面都具有极大的优势 4 3 1超精密加工概述4 3 2超精密加工定义与特征4 3 3超精密加工相关技术4 3 4超精密加工的应用 19 4 3超精密加工技术 精密加工指在一定的发展时期 加工精度和表面质量达到较高程度的加工工艺 超精密加工指的是在一定的发展时期 加工精度和表面质量达到最高程度的加工工艺 20 4 3 1超精密加工概述 几种典型精密零件的加工精度 超精密加工涉及的技术领域包括 超精密加工机理超精密加工的刀具 磨具及其制备技术超精密加工机床设备超精密测量及补偿技术严格的工作环境 超精密加工的发展 4 3 2超精密加工定义与特征 超精密加工 加工精度高于0 1um 表面粗糙度小于Ra0 01um的加工方法 主要包括超精密切削 车 铣 超精密磨削 超精密研磨以及超精密特种加工 超精密加工方法分类 根据加工过程材料重量的增减分为 去除加工 结合加工 变型加工根据机理和能力性质分为力学加工 物理加工 化学与电化学加工和负荷加工 超精密加工方法分类 超精密加工特点 净化加工原则 微量切削机理 形成综合制造工艺 与自动化技术联系密切 加工与检测一体化 特种加工与复合加工方法应用越来越多 4 3 3超精密加工相关技术 1 超精密切削加工刀具的性能 极高的硬度 耐用度和弹性模量 刃口锋锐 刀刃无缺陷 与工件抗黏结性好 化学亲和性低 摩擦系数低金刚石刀具的特性 硬度高 锋锐刃口无缺陷 热化学性能优越导热性好 耐磨性好刀刃强度高刀刃形状对加工质量的影响刀刃半径对加工质量的影响 2 超精密磨削加工超精密磨削砂轮砂轮的修整磨削速度和磨削液 3 超精密研磨 抛光加工4 超精密特种加工激光束加工原理 特点 基本设备电子束加工原理 特点 基本设备离子束加工原理 特点 基本设备 5 机床设备特征 高精度 高刚度 高稳定性 高自动化精密主轴部件精密导轨微量进给装置6 加工环境净化的空气环境恒定的温度环境较好的抗振动干扰环境 4 3 4超精密加工的应用 更高效率 更高精度大型化 微型化加工检测一体化机床向多功能模块化方向发展新原理 新方法 新材料的不断发展 4 4微细加工技术 4 4 1微机械概述4 4 2微细加工概述4 4 3微细加工相关技术4 4 4微细加工的发展与趋势 4 4 1微机械概述 微型机械的概念由RichardPF于1959年提出 第一个硅微型压力传感器于1962年问世 1994年美国国防部将MEMS列为关键技术 德国首创的LIGA为MEMS的发展提供了新的技术手段 微机械按照尺寸特征分为 1 10mm的微小机械 1um 1mm的微机械 1nm 1um的纳米机械 制造微机械常用的微细加工 又可以分为 微米级微细加工 亚微米级微细加工和纳米级微细加工等 微机械的基本特征 体积小 精度高 重量轻 性能稳定 可靠性高 能耗低 灵敏度和工作效率高 多功能 智能化 适应于大批量生产 制造成本低 微机械研究内容 理论基础微电子学 微机械学 微光学 微动力学 微流体力学 微热力学 微摩擦学 微结构学 微生物学等共同构成了微机械研究的理论基础 技术基础微机械设计 微机械材料 微细加工 微装配与封装 集成技术 微测量 微能源 微系统控制等应用研究微机械在精密仪器 医疗卫生 生物工程 特别在空间狭小 操作精度高 功能高度集成的航空航天机载设备领域有着巨大应用潜力 如微型传感器 微型执行器 微型光机电器件和系统 微型机器人 微型飞行器 微型动力系统等 4 4 2微细加工概述 微细加工技术指制作微机械或微型装置的加工技术 微细加工是指加工尺度为微米级范围的加工方式 是MEMS发展的重要基础 它起源于半导体制造工艺 广义的微细加工方式十分丰富 包含了微细机械加工 各种现代特种加工 高能束加工等方式 Inserttexthere Inserttexthere Inserttexthere Inserttexthere Inserttexthre 结合加工 变形加工 材料处理 材料改性 分离加工 加工类型 微细加工特点 从加工对象看 微细加工不但加工尺度小 而且被加工对象的整体尺寸也很微小 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有特殊的要求 4 4 3微细加工相关技术 超微机械加工 光刻加工 刻蚀技术 LIGA技术 薄膜制备技术 牺牲层技术 分子装配技术 微型超精密加工机床机构示意图 光刻技术 RaithE LINE电子束光刻机 离子刻蚀技术 LIGA技术 薄膜制备技术 离子溅射镀膜机 4 4 4微细加工的发展与趋势 加工方法的多样化 提高微细加工的经济性 加工材料的多样化 加快微细加工机理的研究 微细加工的发展与趋势 4 5快速原型制造技术 4 5 1快速原型制造技术概述4 5 2快速原型制造的定义与特征4 5 3快速原型制造相关技术4 5 4快速原型制造的应用 4 5 1快速原型制造技术概述 随着制造业竞争的日益加剧 产品的开发速度和制造技术的柔性变得十分关键 从技术角度 计算机科学 CAD技术 材料科学 激光技术的发展和普及成为新的制造技术产生奠定了基础 快速原型技术于20世纪80年代在美国问世 并很快完成了数种RPM工艺技术的研究 开发与商品化过程 目前 全球有数十种RPM工艺技术 1995年市场增长率为49 1996年RPM设备市场销售额大4 2亿美元 1998年达10亿美元 4 5 2快速原型制造的定义与特征 RPM技术是集CAD技术 数控技术 材料科学 机械工程 电子技术和激光等技术于一体的综合技术 是实现从零件设计到三维实体原型制造的一体化系统技术 它采用软件离散 材料堆积的原理实现零件的成形过程 原理如图所示 其工艺流程为 零件CAD数据模型的建立数据转换文件的生成分层切片层片信息处理快速堆积成形 1 零件CAD数据模型的建立设计人员可以应用各种三维CAD造型系统 将构思的零件概念模型转换为三维CAD数据模型 也可通过激光扫描仪 核磁共振图像等方法对三维实体进行反求 获取三维数据 以此建立实体的CAD模型 2 数据转换文件的生成由三维造型系统将零件CAD数据模型转换成一种可以被快速成型系统接受的数据文件 3 分层切片分层切片处理是根据成型工艺的要求 按照一定的离散规则将实体模型离散为一系列有序的单元 4 层片信息处理根据每个层片的轮廓信息 进行工艺规划 选择合适成型参数 自动生成数控代码 5 快速成型堆积快速成型系统根据切片的轮廓和厚度要求 用片材 丝材 液体或粉末材料制成所要求的薄片 通过一片片的堆积 最终完成三维形体原型的制备 计算机建模图 制造过程柔性化技术的高度集成化设计制造一体化产品开发快速化制造自由成形化材料使用广泛性 RPM的特征 RPM的经济效益 RPM技术大大简化了工艺规程 工装装备 装配等过程 很容易实现由产品模型驱动直接制造 采用RPM技术为核心的自由制造系统 能在以下方面收效显著 1 从设计和工程角度出发 增加零件的复杂性 无需受时间和成本的约束 可制造性方面限制减弱 优化的约束减少 零件设计无需考虑毛坯形状的限制 工装卡具 减少零件数量使设计花于精度 装配的时间减少 2 从制造角度出发 减少设计 加工 检验的工具 这种 净成型 方法减少材料浪费 降低原材料储存费用等 无刀具磨损 零件一致性好 参数设计 参数化制造 3 从市场和用户的角度出发 减少风险 无需预测几年后市场的动态 实时地根据市场需求低成本地改变产品 随材料技术发展 RP将占领使用高强比非金属零件的航空航天这一重要市场 产品多样化 面向订单生产 以及用于售后服务的维修用零配件生产 4 5 3快速原型制造相关技术 RPM的工艺方法层合实体制造 LOM 选择性激光烧结法 SLS 立体光刻 SLA 熔融沉积造型 FDM 层和实体制造 LOM法是利用背面带有粘胶的箔材或纸材通过相互黏结成型的 如上图 用双面胶带等材料在工作台上制作一个稍大于零件尺寸的底座 送纸机构在计算机控制下定时向工作台输送一定长度的新纸 带有恒温控制装置的热压辊对工作台上的纸进行前后滚压一次 使之粘结在工作台的底座上 有步进电机驱动的X Y定位仪 根据计算机输出的截面数据引导激光光路 在粘结于工作台的纤纸上切出截面轮廓并将余料切成碎块 执行机构在计算机控制下按层制作 逐层叠加 直至作出一个三维实体制件或模型 LOM工艺原理 选择性激光烧结法 其工艺原理 SLS法采用红外激光器作能源 使用的造型材料多为粉末材料 加工时 首先将粉末预热到稍低于其熔点的温度 然后在刮平棍子的作用下将粉末铺平 激光束在计算机控制下根据分层截面信息进行有选择地烧结 一层完成后再进行下一层烧结 全部烧结完后去掉多余的粉末 则就可以得到一烧结好的零件 目前成熟的工艺材料为蜡粉及塑料粉 用金属粉或陶瓷粉进行烧结的工艺还在研究之中 立体光刻 SLA的工艺原理 SLA工艺也称光造型或立体光刻 它是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的 这种液态材料在一定波长和强度的紫外光 如 325nm 的照射下能迅速发生光聚合反应 分子量急剧增大 材料也就从液态转变成固态 液槽中盛满液态光固化树脂 激光束在偏转镜作用下在液态树脂表面扫描 光点照射到的地方 液体就固化 成型开始时 工作平台在液面下一个确定的深度 聚焦后的光斑在液面上按计算机的指令逐点扫描固化 当一层扫描完成后 未被照射的地方仍是液态树脂 然后升降台带动平台下降一层高度 刮板在已成型的层面上又涂满一层树脂并刮平 然后再进行下一层的扫描 新固化的一层牢固地粘在前一层上 如此重复直到整个零件制造完毕 得到一个三维实体模型 熔融沉积造型 FDM方法的工艺原理 由计算机根据CAD模型确定的几何信息 控制FDM喷嘴 将使用的材料 通过热压器的挤压头熔化成液体通过喷嘴挤出 挤压头沿零件的每一截面的轮廓准确运动 挤出半流动的热塑材料沉积固化成精确的实际部件薄层 覆盖已建造的零件之上 并迅速凝固 形成一层材料 之后挤压头沿轴向向上运动一个微小距离进行下一层材料的制造 这样逐层由底到顶地堆积成一个实体模型或零件 RPM工艺设备目前RPM的工艺装备发展速度很快 前述四种RPM技术都已由许多公司开发了自己的装备 美国主要的RPM生产商3Dsystemes Helisys DTM Stratasys SandersPrototype