先进制造工艺技术

第一节 概述第二节 材料受迫成形工艺技术第三节 超精密加工技术第四节 高速加工技术第五节 快速原型制造技术第六节 微细加工技术第七节 表面工程技术第八节 现代特种加工技术,先进制造工艺技术,机械制造工艺的定义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。机械制造工艺一般分为三个阶段(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。,第一节 概述,先进制造工艺技术特征(1)制造加工精度不断提高18世纪加工第一台蒸汽机所用的汽缸镗床，加工精度1mm现在测量超大规模集成电路所用的电子探针，测量精度达到0.25nm = 0.2510-6 mm；nm 纳米(2)切削加工速度迅速提高20世纪前，刀具材料是碳素钢，耐热温度为500600，切削速度不超过10m/min；现在的陶瓷刀具、金刚石刀具和立方氮化硼刀具，耐热温度均在1000以上，切削速度达到1000m/min；,第一节 概述,先进制造工艺技术特征(3)新型材料促进制造工艺变革超硬材料、超塑材料、高分子材料、复合材料、工程陶瓷、非晶微晶合金、功能材料等新型材料的应用，扩展了加工对象，导致新的加工技术的产生；如加工超塑材料的超塑成形、等温铸造、扩散焊接。新型材料的出现也使传统的铸造、锻造、焊接、热处理、切削加工工艺的技术构成逐渐发生变化；如使焊接技术从以“焊钢”为中心的时代，逐步进入同时焊接各种非铁金属乃至非金属的时代。(4)自动化和数字化工艺装备的发展提高了机械加工的效率,第一节 概述,先进制造工艺技术特征(5)精密成形技术取得较大发展精密铸造：熔模精密铸造、陶瓷型精密铸造、消失模铸造精密塑性成形：精密锻造、冷挤压、精密冲裁精密焊接与切割：电子束焊接、激光焊接与切割(6)优质清洁表面工程技术获得进一步发展表面改性技术：改变表面的组织结构和性能；传统的如表面淬火激光、电子、离子束表面改性表面覆盖技术：在表面制备各种特殊功能覆层；传统的电镀热喷涂、气相沉积技术复合表面技术综合两种或两种以上表面处理技术的复合表面处理技术,第一节 概述,零件成形方式分为四类(1)去除成形运用分离的方法，把一部分材料有序地从基体中分离出去而成形的方法。例如车、铣、刨、磨及电火化加工、激光切割等。是目前的主要制造成形方式。(2)受迫成形利用材料的可成形性(如塑性等)，在特定外围约束下成形的方法。例如铸造、锻压和粉末冶金等。多用于毛坯成形和特种材料成形。(3)堆积成形运用合并与连接的方法，把材料有序地合并堆积起来的成形方法。快速原型制造(RPM)、广义地讲，焊接。(4)生成成形利用材料的活性进行成形的方法。生物成形。,第一节 概述,12:36,第二节 材料受迫成形工艺技术,粉末锻造成形工艺,1,2,3,精密洁净铸造工艺消失模铸造工艺压力铸造工艺,精密高效金属塑性成形工艺模锻辊锻工艺超塑成形工艺精密冲栽工艺,模样材料模样是用泡沫塑料制成，是以合成树脂为母材、内部具有无数微小气孔结构的塑料；质地轻：救生圈泡沫材料密度30100kg/m3；而消失模样材料的密度仅为1625kg/m3；发气量少，热解残留物少：通常都采用聚苯乙烯泡沫塑料。其发气量是105cm3/g，残留物的质量分数仅占总量的0.015%；而泡沫酚醛的发气量是600cm3/g，残留物的质量分数仅占总量的44%；成形加工方便，资源丰富、价格低。,2 材料受迫成形工艺技术,消失模铸造,涂料主要作用：将金属液与干砂隔开，防止或减少铸件粘砂、砂眼等缺陷；能使金属液流动前沿气隙中模样热解气体和液体顺利通过，排到铸型中去，但又要防止金属液渗入；方法：涂在泡沫塑料模样上；浸涂法：因泡沫模样与涂料密度相差将近100倍，浸涂时浮力大，容易导致模样变形或折断，因而对容易变形或折断的模样最好采用卡具，将模样装入卡具中，再浸涂料；浸涂、流涂结合的方法：将模样装入卡具固定后，从底部泵入涂料，自下而上淹没模样。,2 材料受迫成形工艺技术,消失模铸造,优越性无需取模、无分型面，无泥芯，因此无飞边毛刺，无拔模斜度，故尺寸精度和表面粗糙度较高；同时方便了铸件结构的设计。因为填充砂采用干砂，型砂中无粘结剂以及其它附加物，减少了由此带来的缺陷，铸件废品率显著下降；同时简化了砂处理工序。,2 材料受迫成形工艺技术,消失模铸造,生产原理属于金属型铸造，用金属材料制作铸型；熔融的金属在高的压力(几兆帕几十兆帕)下，在极短的时间(充填时间一般为0.010.21秒)内，以极高的速度(充填速度一般为0.550m/s)充填模具的型腔内；充型完成后，持续地施以高压使之在压力下凝固、结晶。,2 材料受迫成形工艺技术,压力铸造,铸造特点可以制得薄壁、形状复杂且轮廓清晰的铸件铸件壁厚范围16mm；生产效率高一次操作循环时间约5s3min，一般多为300件/min；铸件具有较好的力学性能由于铸件在金属型中压力作用下凝固，所以晶粒细小、组织致密、制件的强度较高；由于激冷造成铸件表面硬化，形成约0.30.5mm硬化层铸件精度高、表面光洁加工余量0.20.5mm，表面粗糙度在Ra3.2m；能直接压铸出螺纹、线条、文字、图案等；,2 材料受迫成形工艺技术,压力铸造,铸造特点普通压铸法压铸易产生气孔，不能进行强化处理；现有模具材料主要适应于低熔点合金，主要为：压铸锌合金：熔点382386；压铸镁合金：熔点500650；高铝合金：熔点520620。生产铜合金、黑色金属等高熔点合金，其模具材料存在较大问题；广泛用于汽车工业、仪表、电子通信、家电、玩具等产业的形状复杂、薄壁且美观的金属零件。,2 材料受迫成形工艺技术,压力铸造,压铸机的类型冷室压铸机分卧式和立式两种；卧室压铸机压室中心线是水平的；过程：合型液态金属浇入压室压射冲头推进金属液入型腔；开型余料借助压射压头前身动作离开压室；,2 材料受迫成形工艺技术,压力铸造,压铸新工艺真空压铸将压铸型腔内的空气抽除，在真空状态下将金属液压铸成形；可消除或减少铸件内部的气孔，提高铸件的力学性能；大大减少型腔的反压力，可使用较低的比压压铸；充氧压铸可用于铝合金压铸用氧气充填压室和型腔；充填时，氧气与铝液发生化学反应，产生氧化铝微粒，分散在压铸件内部，从而减少或消除压铸件气孔；氧化铝微粒在压铸件中约有0.10.2%；与真空压铸相比，结构简单，操作方便，投资少；,2 材料受迫成形工艺技术,压力铸造,精密模锻主要应用生产精化毛坯：生产精度较高的零件时利用精锻工艺取代粗切削加工，即将精锻件直接进行精加工而得到成品零件；生产精锻零件：用于生产精密模锻能达到其精度要求的零件；精密模锻精度冷锻尺寸精度目前达到4级；热锻尺寸精度目前达到5级；据统计，每100万吨钢材由切削加工改为精密模锻，可节约钢材15万吨(15%)，可减少机床1.5万台；,2 材料受迫成形工艺技术,模锻和辊锻,辊锻工艺是将轧制工艺应用到锻造生产中的一种锻造新工艺；通过反向旋转的模具使毛坯连续地产生局部变形，从而得到锻件所要求的形状与尺寸；坯料经辊锻模压虽略有展宽，但大部分被压缩的金属主要还是沿长度方向延伸。特点所需设备吨位小，与模锻相比可减少近百倍；连续静压，生产效率高；冲击、震动、噪声小；,2 材料受迫成形工艺技术,模锻和辊锻,超塑性指材料在低载荷作用下，其拉伸变形的伸长率超过100%的现象；凡具有能超过100%伸长率的材料，称为超塑性材料；黑色金属不大于40%；有色金属也不超过60%；目前已知的超塑材料有两百多种，有锌合金、铝合金、铜合金、钛合金、不锈钢和高温合金等。其最大伸长率可达1000%，有的甚至达2000%。分类细晶超塑性(又称组织超塑性或恒温超塑性)相变超塑性(又称动态超塑性或变温超塑性),2 材料受迫成形工艺技术,超塑成形,细晶超塑性(应用较多)材料具有均匀、稳定的微细等轴晶粒，晶体尺寸通常小于10；变形温度T0.5Tm(Tm为材料熔点温度，以绝对温度表示)应变速率在10-410-5min-1，比普通金属拉伸试验时应变速率至少低一个数量级。相变超塑性在材料相变点上下进行温度变化循环的同时对试样加载，经多次循环试样得到积累的大变形；材料要有固态相变的特性，例如碳素钢的转变；不要求微细等轴晶粒，但要求变形温度频繁变化，给生产带来困难，所以实用上受到了限制。普通碳钢在160次循环后，伸长率达500%以上；,2 材料受迫成形工艺技术,超塑成形,超塑性变形机理超塑性变形具有异常大的伸长率，但观察变形后的组织却发现，其晶粒并没有被拉长，仍保持等轴状，晶粒内部很少变形；阿希贝(Ashby)和弗拉尔(Verrall)发展了晶界滑动和扩散蠕变联合机理；晶粒在应力作用下，晶界滑移；晶粒在滑移过程中发生转化；这个机理只在低应变速率的超塑性变形时成立，当应变速率较高时，晶粒转变机理被晶粒拉长所阻止；,2 材料受迫成形工艺技术,超塑成形,超塑性成形工艺包括超塑性等温模锻、挤压、气压成形、真空成形、模压成形等。对于薄板零件，气压成形和真空成形应用最多；气压成形法凸模法：模具加工容易但脱模困难；毛坯外侧形成一个封闭的压力空间；薄板加热到超塑性温度后，在压缩气体的作用下，坯料产生超塑性变形，逐渐向模具型面靠近，直至同模具完全贴合；凹模法：脱模容易；毛坯外侧形成一个封闭的压力空间,2 材料受迫成形工艺技术,超塑成形,超塑性成形工艺真空成形法凸模法：将加热后的毛料，吸附在具有零件内形的凸模上；凹模法：将加热后的毛料，吸附在具有零件外形的凹模上；真空成形也是一种气压成形方法，只是成形压力只能是一个大气压；,2 材料受迫成形工艺技术,超塑成形,普通冲裁无压料和推件板,冲裁间隙又较大，因此冲裁过程伴随弯曲和拉伸；精密冲裁由于剪切间隙小，精冲前材料变形区内外上下均施加强大的压料力，模刃口又采用适当的圆角；特别是在厚料精冲时，精冲件接近凸模一侧具有纵向毛刺；而凹模一侧有约料厚的1030%的塌角；在三向压应力状态下进行塑性剪切变形而使材料分离；精冲凸模回程后，由推件板把精冲件顶出凹模，即精冲总是模上出件；尺寸精度比普通冲裁高出两级，粗糙度可达Ra1.60.8,2 材料受迫成形工艺技术,精密冲栽,精冲工艺的类型：光洁冲裁、负间隙冲裁和强力压板冲裁；光洁冲裁凹模刃口带有小圆角、倒角或椭圆角，凸模为普通形式圆角减少了应力集中，消除或延缓裂纹发生，使之形成光亮的冲裁面；适合冲裁塑性较好材料；冲裁粗糙度可达Ra1.60.8，尺寸精度IT9IT11；冲裁力比普通冲裁大50%；冲裁件上若有直角或尖角，需改成圆角过渡，以防产生撕裂；,2 材料受迫成形工艺技术,精密冲栽,精冲工艺的类型负间隙冲裁凸模尺寸大于凹模型腔尺寸；冲裁过程中出现的裂纹方向与普通冲裁相反，形成倒锥形毛坯；凸模继续下压时将倒锥毛坯压入凹模内，将倒锥修整为柱面；只适合铜、铝、低碳钢等低强度高伸长率、流动性好软质材料；尺寸精度可达IT9IT11，断面粗糙度可达Ra0.80.4；,2 材料受迫成形工艺技术,精密冲栽,生产原理粉末冶金将金属和非金属粉末均匀混合后压制成形；再经高温烧结和必要的后续处理来制取金属材料、复合材料以及各类制品的工艺技术；粉末锻造将粉末冶金工艺制作的预成形坯装在闭合模具中热锻成形；,2 材料受迫成形工艺技术2.3 粉末锻造成形工艺,工艺特点粉末冶金可得到一般熔炼方法难以获得的金属与金属、金属与非金属复合材料；例如由难熔金属化合物和金属组成的硬质合金；可直接制出质量均匀的多孔性制品，如含油轴承、过滤元件，发汗材料(火箭喷管使用的能耐3000 高温，以钨粉做多孔骨架，渗以银或铜，高温下表面发汗冷却)生产难熔金属制品比其他方法简便；如照明灯泡中的钨丝；可直接制出尺寸准确、表面光洁的零件，脱模斜度为零，特别适合制造表面粗糙度低、减摩性能好以及形状不规则、有细长孔或盲孔的零件；但粉末冶金制品内部总存在空隙，其力学性能较差，其强度与相应的锻件比较约低2030%。,2 材料受迫成形工艺技术2.3 粉末锻造成形工艺,工艺特点粉末锻造粉末冶金热锻制品的密度可达98%以上，其性能相当于金属锻件或更好；但制造经济性比普通锻造好；一次锻成；只要模压成形和热锻二套模具；锻造压力和温度低；材料利用率可达96%以上，普通模锻为5060%；,2 材料受迫成形工艺技术2.3 粉末锻造成形工艺,工艺过程(2)预制坯制取成形将松散的粉末置于封闭的模具型腔内加压，制成型坯；压坯密度分布的均匀性直接影响零件的性能；在使用相同压力时，双向压制比单向压制压坯的密度分布均匀；中立层粉末几乎不移动；,2 材料受迫成形工艺技术2.3 粉末锻造成形工艺,工艺过程(2)预制坯制取高温烧结将压坯送入烧结炉中，按一定时间加热到烧结温度，并在烧结温度下保温一段时间，再将制品冷却出炉；上述过程在连续式烧结炉中完成；温度一般控制在基体金属熔点的7080%范围内，烧结过程应在保护气氛下，以防止型坯氧化和脱碳；(3)预制坯锻造锻前加热一般都在保护气氛中进行；模锻；在保护气氛中冷却。,2 材料受迫成形工艺技术2.3 粉末锻造成形工艺,超精密加工的内涵目前技术条件下，超精密加工指能使零件的形状、位置和尺寸精度达到微米和亚微米范围的机械加工方法。(1)普通加工：精度1m、表面粗糙度 0.1m(2)精密加工：精度0.11m、表面粗糙度0.01 0.1m (3)超精密加工：精度高于0.1m、表面粗糙度小于 0.01m,3 超精密加工技术3.1 概述,超精密加工的重要性关系到导弹命中率的惯导仪器的精密陀螺仪，陀螺转子质量中心偏离对称轴0.5nm，会引起100m的射程误差；传动齿轮的齿形及齿距误差若能从目前的36m降低到1m，则单位齿轮箱重量所能传递的扭矩将提高近一倍；磁盘的存储量很大程度上取决于磁头与磁盘之间的距离(飞行距离)，目前已达0.3m。,3 超精密加工技术3.1 概述,综合加工精度与年代的关系,超精密切削加工借助锋利的金刚石刀具对工件进行车削或铣削。主要用于加工要求低粗糙度和高形状精度的有色金属或非金属零件。粗糙度Ra可达0.005m。超精密磨削加工利用磨具上尺度均匀性好、近似等高的磨粒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，粗糙度Ra可达0.002m。,3 超精密加工技术3.1 概述,切削机理一般金属材料晶粒直径数m数百m；普通切削加工精度10m以上，切削深度远大于材料晶粒尺寸超精密切削的切削深度通常小于材料的晶粒直径，使得切削只能在晶粒内进行，相当于对一个个不连续体进行切削。是一种断续切削，切除方式：原子、分子一个个去除。,3 超精密加工技术3.2 超精密切削加工,最小切削厚度A点以上被加工材料堆积形成切屑A点以下被加工材料经弹性、塑性变形，形成加工表面A点即为最小切削厚度的极限临界点,3 超精密加工技术3.2 超精密切削加工,最小切削厚度：A点的正压力方向与切削速度方向的夹角；根据经验，取 42时，hDmin= (0.1650.246) ；刀具越锋利，极限最小切削厚度越小；要实现切削厚度为纳米级的超薄切削，=46 nm；有报道，刃口半径可以小到24nm，切屑厚度1nm，被认为达到了超精密切削的极限。,3 超精密加工技术3.2 超精密切削加工,hDmin值与值的关系,刀具形状直线刃刀头：安装很难，有10”角度误差就会影响加工表面质量，但加工表面精度高；因此最好采用能微调安装角度的直线刃刀夹；圆弧刃刀头：安装容易，但加工表面精度稍差一点，加工曲率半径小的聚光反射镜等必须采用圆弧刃刀头。,3 超精密加工技术3.2 超精密切削加工p,刀具的使用特性(1)刀尖磨损在切削距离小于100km前磨损急剧，以后磨损逐渐减慢；对于易于产生积屑瘤的材料，利用磨损的刀具切削，可获得有光泽的加工面；干切削铝合金，100km；无氧铜，800m得到镜面的加工表面。(2)切削速度和振动提高软质金属的切削速度有利于获得光滑的加工表面，但高速主轴回转容易产生振动，因此，提高切削速度要以不产生振动为准则。,3 超精密加工技术3.2 超精密切削加工,常用切削速度,加工对象：黑色金属、硬脆材料；超精密磨削砂轮：超硬精密磨削砂轮磨料金刚石砂轮：应用较广；立方氮化硼砂轮：性能比金刚石砂轮好，但价格较贵；金刚石易于铁族元素产生化学反应和亲和作用，故对于钢铁材料，用立方氮化硼砂轮较好。磨粒微粉砂轮磨粒直径在50m以下；微刃砂轮粗粒度砂轮，在工作表面上修整出大量等高的磨粒微刃,3 超精密加工技术3.2 超精密磨削加工,超精密磨削砂轮结合剂树脂结合剂：自锐性好、耐磨性差；金属结合剂：耐磨性好、自锐性差、砂轮修整困难；铸铁陶瓷结合剂：化学稳定性好，脆性较大。金刚石砂轮：加工硬质合金等难磨材料用金属结合剂；立方氮化硼砂轮：一般用树脂结合剂和陶瓷结合剂。,3 超精密加工技术3.2 超精密磨削加工,超精密磨削砂轮的修整与普通砂轮不同，超硬砂轮精密磨削砂轮的修整分整形(修形)和修锐两个阶段；整形：使砂轮具有要求的工作型面精度；修锐：将超硬磨粒周围的结合剂去除，使磨粒能裸露出理想的高度；修整方法有车削、对磨、喷射、电解方法等，最常用的是(1)车削法用单点、聚晶金刚石笔、修整片等车削金刚石砂轮；适用于普通结合剂砂轮的修整；,3 超精密加工技术3.3 超精密磨削加工,磨削速度金刚石砂轮：磨削速度1230m/s，其中陶瓷结合剂、树脂结合剂，磨削速度可选高些；金属结合剂选低些；立方氮化硼砂轮：磨削速度80100m/s磨削液金刚石砂轮：磨削硬质合金普遍采用煤油，而不宜采用乳化液；树脂结合剂砂轮不宜适用苏打水。立方氮化硼砂轮：宜采用油性的磨削液，一般不用水溶性液，因为在高温下CBN砂轮与水会起化学反应，称为水解作用，加剧砂轮磨损。,3 超精密加工技术3.3 超精密磨削加工,超精密加工机床的关键部件主轴部件、床身导轨和微量进给装置精密主轴部件关键：精密轴承；超精密级的滚动轴承：早期精密主轴中采用；液体静压轴承：回转精度高(0.1m)，且刚度和阻尼大，因此转动平稳，无振动，但工作时油温会升高，将造成热变形。空气静压轴承：回转精度高，温升甚小，虽然刚度较低、承载能力不高，但由于超精密切削时切削力甚小，故在超精密机床中得到广泛应用。,3 超精密加工技术3.4 超精密加工的机床设备,导轨和床身精密导轨是超精密机床的直线性基准，导轨：滑动导轨、滚动导轨：V平面导轨和双V形导轨；液体静压、空气静压导轨：平面导轨；导轨床身材料：优质耐磨铸铁；花岗岩；人造花岗岩：由花岗岩碎粒用树脂粘结而成；,3 超精密加工技术3.4 超精密加工的机床设备,微量进给装置双T形弹性变形式微进给装置分辨率0.01m，最大输出位移20m，输出位移方向静刚度70N/m；驱动螺钉，使T形弹簧变直伸长，位移刀夹前进；,3 超精密加工技术3.4 超精密加工的机床设备,压电陶瓷式微进给装置分辨率0.01m，最大输出位移15m，输出位移方向静刚度60N/m压电陶瓷件电压作用下陶瓷伸长，推动刀夹作微位移；压电陶瓷变形量极少（微米级或纳米级），必须采用叠片式结构。,3 超精密加工技术3.4 超精密加工的机床设备,净化的空气环境空气中的尘埃和微粒对于精密和超精密加工会引起加工精度的下降；空气洁净度指空气中含尘埃量多少程度；被控制的微粒直径0.5m。典型微粒及气体,3 超精密加工技术3.5 超精密加工的支撑环境,恒定的温度环境精密加工中机床热变形和工件温升引起的加工误差占总误差的4070%；控制温度0.5；较好的抗振动干扰环境防振：消除工艺系统内部自身产生的振动干扰；隔振：阻止外部振动传播到工艺系统中来。,3 超精密加工技术3.5 超精密加工的支撑环境,高速加工的内涵采用超硬材料刀具和磨具，利用能可靠地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。高速加工是一个相对概念，是相对常规加工而言，用较高的加工速度对工件进行加工。一般认为应是常规加工速度的510倍。 高速加工的速度范围与加工方法和工件材料密切相关。,4 高速加工技术4.1 概述,高速加工的定义,4 高速加工技术4.1 概述,高速范围与加工材料密切相关,高速加工的定义,4 高速加工技术4.1 概述,高速范围与加工方法密切相关,车削：7007000m/min；铣削：3006000m/min；钻削：2001100m/min；磨削：150m/s以上。,例如：在切削灰铸铁时，1000 m/min 以上才是高速车削，而 400 m/min 就定义为高速钻削。,高速加工的定义,4 高速加工技术4.1 概述,20世纪80年代以来，新型刀具材料的发展为高速切削的实际应用创造了条件。,高速加工的机理德国切削物理学家Salomon于1931年提出：在常规的切削速度范围内，温度随切削速度的增大而升高；但当切削速度增大到某一数值后，切削速度再增加，温度反而降低；Salomon切削理论的重要启示：如果切削速度能超越切削”死谷”，则有可能用现有刀具进行高速切削。,A 不能切削区域B 超高速切削区域C常规切削区域,切削速度,4 高速加工技术4.1 概述,高速加工的特征,4 高速加工技术4.1 概述,高速加工的特征,4 高速加工技术4.1 概述,工件材料：X100CrMoV51 (2363) ，60 HRC 刀具：球头刀：d = 6 mm 刀刃数：2（CBN时1）刀具材料： HM：硬质合金，TiN 涂层 CBN：立方氮化錋 Cermet：金属陶瓷,（切削速度）,（刀具寿命）,切削速度对刀具寿命的影响,高速加工的特征,4 高速加工技术4.1 概述,提高单位时间的切除量，降低产品的制造时间,（常规铣削）,（高速铣削）,后续工作精加工半精加工粗加工加工准备设计,高速加工的特征,4 高速加工技术4.1 概述,提高加工表面质量,行距,行距,实际轮廓,要求轮廓,加工余量,行距,高速加工的特征,4 高速加工技术4.1 概述,降低切削力,（切削速度）,（主切削力）,（用PCD刀具材料车削铝合金）,高速加工的特征,4 高速加工技术4.1 概述,减少传递给工件的热量,切屑和接触面之间的接触区域产生的高温会导致温度效应并降低工件材料变形的阻力 剪切角增大 切削热大部分由切屑快速带走 避免积屑瘤的产生,工件,后刀面,刀具,前刀面,接触区,高速切削的剪切角,常规切削的剪切角,高速加工的优点,4 高速加工技术4.1 概述,高单位时间切除率，降低加工成本 高加工表面质量，提高加工精度 低切削力，降低加工系统力变形 高激励频率，避免自激振荡 切削热由切屑带走，减少工件热变形 减少后续工序 ，降低加工成本,高速加工的应用领域航空航天工业轻合金的加工：飞机上的零件通常采用“整体制造法”，金属切除量大(一般在70以上)，采用高速切削可大大缩短切削时间。模具制造业：型腔加工同样有很大的金属切除量，过去一直为电加工所垄断，其加工效率低。汽车工业：对技术变化较快的汽车零件，采用高速加工。（过去多用组合机床加工，柔性差）难加工材料的加工（如：Ni基高温合金和Ti合金）纤维增强复合材料加工精密零件加工薄壁易变形零件的加工,4 高速加工技术4.1 概述,高速加工的应用领域例1：高精度铝质模具型腔加工：传统铣削加工，由于铝熔点低，铝屑容易粘附在刀具上，虽经后续的铲刮、抛光工序，型腔也很难达到精度要求，在制时间达60小时。 高速铣削分粗、精两道工序：n精20000r/min，ap=0.2mm， vf=5m/min；加工周期仅为6小时，完全达到精度要求。 例2：塑料的轮胎型芯加工：用传统方法(手工)需十几道工序，在制时间20天以上，也很难达到复杂轮胎花纹的技术要求。 采用高速铣削，n 18000r/min，ap=2 mm，vf=10m/min，在制时间仅24小时就完全达到了工艺要求。,4 高速加工技术4.1 概述,高速切削加工的关键技术,4 高速加工技术4.2 高速切削加工的关键技术,高速切削机理及工艺 高性能刀具材料及刀具设计制造技术 高性能机床及其附件, 机床结构及材料 机床设计制造技术 高速主轴系统 快速进给系统 高性能CNC系统 高性能刀具及工件夹紧系统 高效高精度测量测试技术 安全防护技术,面向高速切削的切削机床,4 高速加工技术4.2 高速切削加工的关键技术,对高速切削机床要求,床身等固定部件的高刚度和高抗振性 主轴的高转速和高加速度 进给系统的高进给速度和高加速度 主轴轴承的高刚度和高抗振性 优化的切屑下落及运送系统 可靠的安全防护系统,面向高速切削的切削机床,4 高速加工技术4.2 高速切削加工的关键技术,设计特征,高速电机主轴,直线电机（Z轴）,混凝土聚合物床身框架,焊接结构横梁,焊接结构XY工作台直线电机驱动,面向高速切削的切削机床,4 高速加工技术4.2 高速切削加工的关键技术,高速电机主轴,驱动电机与主轴的一体化 零传动：主轴变速直接通过交流变频电机实现，取消了中间传动环节； 主轴具有很高的角加速度。中间传动系统转动惯量大、振动和噪声大。,面向高速切削的切削机床高速电机主轴滚动轴承：高速旋转时，滚珠的离心力远大于切削时作用给滚珠的力；陶瓷混合轴承；滚珠由氮化硅陶瓷制造。陶瓷滚珠密度比钢珠低60%，可大幅度降低离心力；弹性模量高50%，刚度高；气体动静压轴承：承载能力小；磁浮轴承：目前造价较高；液体动静压轴承：高压液压油会引起油温升高，造成热变形，影响主轴精度。,4 高速加工技术4.2 高速切削加工的关键技术,高速电机主轴,面向高速切削的切削机床,4 高速加工技术4.2 高速切削加工的关键技术,对进给系统的要求,主轴转速 n,进给速度 vf,高进给速度：20 m/min 高进给加速度：0.5 g,面向高速切削的切削机床进给系统高速化指标最大进给速度 100180m/min；最大加速度 210g刀具每齿的进给量基本不变，进给速度要相应地提高；工作台长度有限。进给加速度要大，实现瞬时提速和准停；高速直线进给传动方式伺服电动机滚珠丝杠副传动方式；大导程滚珠丝杠60m/min；0.6g；直线电动机传动方式；,4 高速加工技术4.2 高速切削加工的关键技术,对进给系统的要求,面向高速切削的切削机床把电机平铺，电机的动子部分直接与机床工作台相连。消除了一切中间传动环节，实现直接驱动；,4 高速加工技术4.2 高速切削加工的关键技术,直线进给电机,位置测量系统,机床滑台,初级线圈,次级线圈,导轨,面向高速切削的切削机床串联式结构工件与刀具之间由机座、X、Y和Z轴以及其他旋转轴串联组成封闭的运动链；机床容易计算和控制，X、Y和Z运动单独控制；串联轴的配置，后运动的轴受到先运动轴的带动和加速；全部载荷都作用在每一根轴上。,4 高速加工技术4.2 高速切削加工的关键技术,高速切削机床结构的变化,面向高速切削的切削机床并联式结构,4 高速加工技术4.2 高速切削加工的关键技术,高速切削机床结构的变化,优点： 高刚度（每根杆只受拉力和压力，无弯曲载荷） 设计制造简单 运动部件质量小，适用于高速切削,缺点： 工作范围受限制（+/-15度） 控制复杂 测量系统复杂,面向高速切削的切削刀具,4 高速加工技术4.2 高速切削加工的关键技术,面向高速切削的切削刀具涂层刀具：在刀具基体上涂复硬质耐磨金属化合物薄膜；陶瓷刀具：2001000m/min范围内切削软钢、淬硬钢和铸铁等材料；立方氮化硼刀具：高速精加工或半精加工淬硬钢、冷硬铸铁和高温合金；聚晶金刚石刀具：有色金属、非金属耐磨材料的高速加工；,4 高速加工技术4.2 高速切削加工的关键技术,适用于高速切削的刀具材料：涂层硬质合金、金属陶瓷、刀具陶瓷、CBN及PCD,高速切削刀具装卡系统,4 高速加工技术4.2 高速切削加工的关键技术,最小的动不平衡量 最小的径向偏差 高刚性 传递高扭矩 高精度 换刀时的高重复精度 高转速下的安全性,要求,方案,用空心短锥柄（HSK系列）取代快换锥柄（SK系列） 通过主轴端面进行轴向定位 主轴和空心锥柄的胀塞配合,HSK,高速切削刀具装卡系统传统刀柄系统刀柄的法兰面与主轴端面之间存在间隙；高速切削刀具磨损快，每次自动换刀后刀具的轴向尺寸都可能发生变化；连接刚性不足：当主轴高速转动时，主轴前断内孔在离心力作用下会增大，易导致主轴与刀柄锥面脱离，使刀具轴向尺寸发生变化；,4 高速加工技术4.2 高速切削加工的关键技术,高速切削刀具装卡系统两面定位刀柄系统：主轴内孔锥面和端面同时定位的连接方式；日本BIG-PLUS刀柄系统德国HSK刀柄系统,4 高速加工技术4.2 高速切削加工的关键技术,面向高速车削的工件夹紧技术,4 高速加工技术4.2 高速切削加工的关键技术,液压卡盘,面向高速车削的工件夹紧技术,4 高速加工技术4.2 高速切削加工的关键技术,爪式卡盘用于高速切削存在的问题,面向高速车削的工件夹紧技术,4 高速加工技术4.2 高速切削加工的关键技术,面向高速精密车削的卡盘,弹簧卡盘 薄膜卡盘 多摩擦片卡盘 塑变卡盘, 夹紧精度高 允许转速高 柔性差，可夹紧直径范围小,面向高速车削的工件夹紧技术,4 高速加工技术4.2 高速切削加工的关键技术,面向高速车削的新型爪式卡盘,轻型卡爪：铝合金，炭纤维加强复合材料（CFK）,带离心力补偿的卡盘,CFK 绷带式卡盘,夹紧力的在线监测与控制,面向高速车削的工件夹紧技术,4 高速加工技术4.2 高速切削加工的关键技术,面向高速车削的卡盘夹紧力计算模型,安全系数,最小夹紧力,动态夹紧力损失,面向高速车削的工件夹紧技术,4 高速加工技术4.2 高速切削加工的关键技术,面向高速车削的卡盘夹紧力计算模型,切削过程中工件夹紧系统的外部载荷: 扭矩Md 弯矩Mk,弯矩,轴向力,扭矩,径向力,其中： ；,轴向力Fa 径向力Fr,最小夹紧力：,面向高速车削的工件夹紧技术,4 高速加工技术4.2 高速切削加工的关键技术,面向高速车削的卡盘夹紧力计算模型,夹紧力损失：,在夹紧位置的有效离心力：,弯曲影响参数,面向高速车削的工件夹紧技术,4 高速加工技术4.2 高速切削加工的关键技术p,高速切削的安全防护技术,失效卡盘零部件具有可达30kNm的能量，应尽可能在事故地点防护。,内钢板（机床）,外钢板（工人）,聚氨酯泡沫塑料,可移动内侧门,机床防护墙,薄弱点是机床的防护窗口,高速磨削的特点磨削速度在100m/s以上称为高速，一般在100200m/s；90年代最高磨削速度已达500m/s，随着磨削速度的进一步提高，无功功率消耗呈超线性增长，此外砂轮消耗加剧，冷却要求严格，无法达到降低生产成本的目的；可大幅度提高磨削效率；磨削力不变，200m/s比80m/s金属切除率提高150%；高速磨削的材料切除率已可与车削、铣削相比；因此，既可用于精加工又可用于粗加工；可大幅度延长砂轮寿命材料切除率不变，200m/s比80m/s砂轮寿命提高7.8倍；,4 高速加工技术4.3 高速磨削加工的关键技术,高速磨削的关键技术高速主轴、高速磨削砂轮、冷却润滑液高速主轴与高速切削加工机床类似，采用电主轴，陶瓷混合轴承；不同点：高速磨削主轴上要有连续自动动平衡系统；砂轮直径较大，普通磨削时也需要动平衡，一般在更换砂轮时调整；高速磨削在每次启动后均需调整；,4 高速加工技术4.3 高速磨削加工的关键技术,高速磨削的关键技术高速磨削砂轮采用变截面结构：基体设计必须考虑高速旋转时的离心力；采用单层磨粒：磨粒：立方氮化硼和金刚石；结合剂：电镀镍和多孔陶瓷；一般不需修整，特殊情况下利用粗磨粒、低浓度电镀杯形金刚石修整器对个别高点进行微米级修整；,4 高速加工技术4.3 高速磨削加工的关键技术,冷却润滑液高速回转的砂轮表面存在各种回转气流，空气层的存在使得磨削液难以进入磨削区；因此，必须提高供液压力，将磨削液高速喷出，冲破环绕砂轮表面的强大气流层；主轴功率损失随转速的提高呈超线性增长；无功功耗主要是冷却润滑液摩擦功耗，包括砂轮与冷却液之间的摩擦和将冷却液加速到更高速度需要消耗的能量；冷却润滑液出口对高速磨削效果影响很大；冷却液沿砂轮切向喷射，出口流速应略大于砂轮圆周速度；出口流速接近砂轮圆周速度时，润滑和冷却效果最好，但因为相对速度接近零，清洗效果很小。,4 高速加工技术4.3 高速磨削加工的关键技术,砂轮冷却润滑,冷却液出口流速w1；砂轮圆周速度vs；,出口流速应略大于砂轮圆周速度,w1大于vs,w1略大于vs,w1等于vs,第五节 快速原型制造技术,1,2,3,4,RPM技术的产生与发展,RPM技术原理,典型的RPM工艺方法,RPM技术的应用,12:36,快速原型制造的产生Rapid Prototyping Manufacturing, RPM采用堆积成形的方法，把材料有序地合并堆积起来，制造出产品的物理原型(样机、样件)；20世纪80年代末在美国问世，很快完成数种RPM工艺技术的研究、开发与商品化过程；日本、西欧等国也迅速进入这一领域快速原型制造技术快速发展的原因新产品开发中只有虚拟样机往往不够，需要物理样机；RPM技术直接制造出产品样品，一般只需传统加工方法3050%时间、2035%成本，虽然材质方面可能有所差异，但形状几乎完全一样；RPM技术有人称其为：继数控技术之后的制造领域又一场技术革命；,5 快速原型制造技术5.1 RPM技术的产生与发展,基本原理,5 快速原型制造技术5.2 RPM技术原理p,基本原理采用离散/堆积的原理来制造零件；离散：将三维CAD模型沿某一方向(常取Z向)切成许多层面，即分层；虚拟堆积：在分层信息控制下顺序加工各片层并层层结合，堆积出三维零件；实物,5 快速原型制造技术5.2 RPM技术原理,每一层之厚度可以任意指定,RPM作业过程数据转化文件：将零件的CAD数据转换成一种可被RPM系统所接受的数据文件；STL格式文件：对三维实体内外表面进行离散化所形成的三角形文件；分层切片：将三维模型沿给定方向虚拟地切成一个个薄片，得到各截面的二维轮廓；,5 快速原型制造技术5.2 RPM技术原理,典型工艺方法 (1)光敏液相固化法SLA，Stereolithgraphy APPARATUS(2)选区片层粘结法LOM，Laminated Object Manufacturing(3)选区激光烧结法SLS，Selective Laser Sintering(4)熔丝沉积成形法FDM，Fused Deposition Modeling,5 快速原型制造技术5.3 典型的RPM工艺方法,(1)光敏液相固化法又称为立体印刷和立体光刻；原理液槽中盛满液态光固化树脂， 在紫外光照射下产生固化；聚焦后的激光束或紫外光光点按计算机的指令逐点扫描，被照射的地方固化，未被照射的地方仍然是液态树脂；升降台下降一个层片厚度，进行第二层扫描；重复上述过程，直到三维零件制作完成。特点可成形任意复杂形状的零件，成形精度高可达0.01mm光敏树脂有一定毒性，不符合绿色制造趋势。,5 快速原型制造技术5.3 典型的RPM工艺方法,(2)选区片层粘结法原理：利用背面带有粘胶的箔材或纸材通过相互粘结成形；单面涂有热熔胶的纸卷套在纸辊上，并由伺服电机带动；工作台上升至与纸面接触，热压辊沿纸面滚压并加热，粘接；用CO2激光切割该层轮廓，并将轮廓外的余料切碎；重复上述过程，直到加工完毕，最后剥离切碎部分。,5 快速原型制造技术5.3 典型的RPM工艺方法,(3)选区激光烧结法原理用激光束对可熔性粉末在计算机控制下有选择地进行烧结，固化成实体零件；每次铺一层很薄的可熔性粉末，用CO2激光扫描烧结；常用材料为尼龙、塑料、陶瓷和金属粉末。特点取材广泛。,5 快速原型制造技术5.3 典型的RPM工艺方法,(4)熔丝沉积成形法原理喷头在计算机控制下作平面扫描及Z向运动；喷头挤出一束非常细的热熔塑料丝，由于热熔塑料冷却很快，形成由二维薄层轮廓堆积并粘结成的立体模型；特点无需激光系统，设备简单，运行费用便宜适宜办公室环境使用。,5 快速原型制造技术5.3 典型的RPM工艺方法,RP工艺技术比较,5 快速原型制造技术5.3 典型的RPM工艺方法,5 快速原型制造技术5.4 RPM技术的应用,(3)快速模具制造传统模具制造锻造钢坯或铝坯经过机械加工而成；由于模具上常常有一些复杂的特征与自由表面，精度与表面质量要求比较高，所以加工周期上，成本高；快速模具制造可分为直接制模和间接制模两大类；间接制模利用RPM技术先制造母模，然后用此母模复制模具；,5 快速原型制造技术5.4 RPM技术的应用,(3)快速模具制造直接制模利用RPM技术直接制造模具；1)采用LOM工艺的纸基原型，坚如硬木，可承受200的高温，并可进行机械加工，可作为砂型铸造的木模；2)利用SLS工艺直接烧结由聚合物包覆的金属粉末，得到金属实体原型，这种制品相当脆。将半成品经高温熔化蒸发其中的聚合物，形成多孔的工件；然后在高温下烧结，再渗入熔点较低的如铜之类的金属后，可直接得到金属模具；,5 快速原型制造技术5.4 RPM技术的应用,应用LOM快速制造木模,(4)快速制造金属零部件RPM技术发展快速原型制造(RPM)快速模具制造(RT)金属零部件快速制造；工艺气相沉积成形使用高能量激光分解活性气体，沉积出不同材料的零件，包括陶瓷和金属零件；多相组织的沉积制造方法利用等离子放电来加热金属丝材料，熔化的材料熔积到工件逐渐成形；激光工程净成形技术：利用激光在金属基体上熔化一个局部区域，同时喷嘴将金属粉末喷射到熔融焊池。,5 快速原型制造技术5.4 RPM技术的应用,采用SLS工艺快速制造的内燃机进气管可直接用于功能验证,第六节 微细加工技术,硅微机械加工实例,1,2,3,微机械及其特征微机械的内涵微机械的特点典型微机械产品,微细加工工艺方法超微机械加工硅微细加工基本流程曝光技术刻蚀技术面刻蚀技术装配与集成技术,12:36,微机械的内涵Micro Electro-Mechanical Systems(美国), Micromachine(日本)， Microsystems(欧洲)；集微型机构、微型传感器、微型执行器、信号处理和控制电路、外围接口、通信电路和电源等于一体的微型器件或系统分类110mm微小型机械；1m1mm微机械；1nm1m纳米机械。,信息采集单元微传感器,信息处理单元,信息执行单元微执行器,6 微细加工技术6.1 微机械及其特征,微电子,微机械的特点体积小，重量轻；性能稳定，可靠。封装后几乎不受热膨胀、噪音等影响；能耗低，灵敏度和工作效率高；多功能和智能化；适用大批量生产，制造成本低廉。采用半导体加工技术。,6 微细加工技术6.1 微机械及其特征,典型微机械产品硅压力传感器；微加速度传感器；微型冷却器，用于集成电路；硅材油墨喷嘴，计算机设备；微型泵，医疗器械；微型阀，医疗器械；微齿轮，弹簧、叶片等；,6 微细加工技术6.1 微机械及其特征,典型微机械产品微传感器-在已开发的微机械产品中占90%；,6 微细加工技术6.1 微机械及其特征,微加速度传感器,加速度变化，惯性作用，中间活动电极与固定电极间隙发生变化，电感变化。汽车气袋控制系统，汽车紧急刹车或发生碰撞时，自动打开气袋。中间活动电极与两边固定电极的间隙仅为4m，力臂长度180m，力臂宽度20m，厚度100m。,典型微机械产品微致动器-产生和执行动作的微机械部件或器件；静电马达：利用两极间的静电力；直径30100m，转速4000r/min磁致伸缩致动器：利用磁致伸缩合金放在磁场中会产生微小应变；运动速度可达0.5mm/s微型活塞发动机：靠气体的压缩和膨胀推动活赛运动；尺寸几厘米，功率10mW，频率10Hz微型涡轮机：叶轮直径125240m、厚40m、轴直径20m，速度15000r/min,6 微细加工技术6.1 微机械及其特征,典型微机械产品微致动器,6 微细加工技术6.1 微机械及其特征,微型涡轮机叶片,IN,OUT,加热电阻,阀门开启和关闭,微型泵,超微机械加工用超小型精密金属切削机床和电火花、线切割等加工方法，制作毫米级尺寸以下的微机械零件。日本FANUC公司多功能超精密加工机床能进行车、铣、磨和电火花加工超微机械加工特点工件尺寸小，主轴转速高；刀具尺寸小，制造安装困难；专用机床的设计加工难度较大加工费用较高。,6 微细加工技术6.2 微细加工工艺方法,硅微细加工基本流程硅是制造集成电路和各种半导体器件的主要材料；有足够机械强度，便于实现机电器件的集成化；硅的微细加工技术比较成熟；因此，硅在微机械中广泛采用。,6 微细加工技术6.2 微细加工工艺方法,单晶硅片制造过程,硅微细加工基本流程主要流程：曝光和刻蚀曝光技术：将掩模图形无偏差地转移到基片上；刻蚀技术：将经过曝光、显影后抗蚀剂下的材