先进制造技术课件amt

1、1 2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34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，要求实现加工过程优质、高效、低耗、清洁和灵活。 5先进制造工艺技术的内容 表3-1精密加工的尺寸精度和表面粗糙度尺寸精度尺寸精度/m表面粗糙度表面粗糙度/m精密加工精密加工3 30.30.30.3 30.030.03超精密加工（亚微米加工）超精密加工（亚微米加工）0.3 30.030.030.3 30.0050.005纳米加工纳米加工0.030.0056 78超精密加工技术是指被加工零件的尺寸精度高于0.1m，表面粗糙度Ra在0.

2、10.025m之间，以及所用机床定位精度的分辨率和重复性高于0.01m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。 9图3-1 精密加工与超精密加工的发展普通加工精密加工超精密加工超高精密磨床超精密研磨机离子束加工分子对位加工车床,铣床卡尺加工设备测量仪器精密车床磨床百分尺比较仪坐标镗床坐标磨床气动测

3、微仪光学比较仪金刚石车床精密磨床光学磁尺电子比较仪超精密磨床精密研磨机激光测长仪圆度仪 轮廓仪激光高精度测长仪扫描电镜电子线分析仪加工误差（m）10010110210-210-110-3190019201940196019802000年份10结合加工 分类 加工机理 加工方法示例去除加工电物理加工 电火花加工（电火花成形，电火花线切割）电化学加工 电解加工、蚀刻、化学机械抛光力学加工 切削、磨削、研磨、抛光、超声加工、喷射加工热蒸发（扩散、溶解） 电子束加工、激光加工附着加工注入加工化学 化学镀、化学气相沉积电化学 电镀、电铸热熔化 真空蒸镀、熔化镀化学 氧化、氮化、活性化学反映电化学 阳极氧

4、化热熔化 掺杂、渗碳、烧结、晶体生长力物理 离子注入、离子束外延连续加工热物理 激光焊接、快速成形化学 化学粘接变形加工热流动 精密锻造、电子束流动加工、激光流动加工粘滞流动 精密铸造、压铸、注塑分子定向 液晶定向表3-2 精密与超精密加工分类11。“进化”加工原则背吃刀量小于晶粒大小，切削在晶粒内进行，与传统切削机理完全不同。微量切削机理特种加工与复合加工方法应用越来越多传统切削与磨削方法存在加工精度极限，超越极限需采用新的方法。q 精密与超精密加工特点12要达到加工要求，需综合考虑工件材料、加工方法、加工设备与工具、测试手段、工作环境等诸多因素，是一项复杂的系统工程，难度较大。形成综合制造

5、工艺广泛采用计算机控制、适应控制、在线检测与误差补偿技术，以减小人的因素影响，保证加工质量。与自动化技术联系紧密精密与超精密加工设备造价高，难成系列。常常针对某一特定产品设计（如加工直径3m射电天文望远镜的超精密车床，加工尺寸小于1mm微型零件的激光加工设备）。与高新技术产品紧密结合加工与检测一体化精密检测是精密与超精密加工的必要条件，并常常成为精密与超精密加工的关键。13波及工件内层，可获得高精度和好表面质量照像机塑料镜片、树脂隐形眼镜镜片等应用机理、特点14加工设备关键技术图7-18 Moore金刚石车床回转工作台工件刀具主轴传动带主轴电机空气垫刀具夹持器15车床主轴装在横向滑台（X轴）上

6、，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7-19 T形布局的金刚石车床X轴滑台主轴刀架光路护罩基座z轴滑台周缘护板T形布局（图7-19）16金刚石车床主要性能指标（表7-5）数控系统分辩率 /m40020050001000050000. 10.010. 2/1000. 10. 11/1502/100径向1140轴向1020640720最大车削直径和长度 /mm最高转速 r/mm最大进给速度mm /min重复精度(2) / m主轴径向圆跳动 / m滑台运动的直线度 / m主轴前静压

7、轴承（100mm）的刚度 /（N/m）主轴后静压轴承（80mm）的刚度 /（N/m）纵横滑台的静压支承刚度 /（N/m）金刚石车床主要性能指标主轴轴向圆跳动 / m横滑台对主轴的垂直度 / m17金刚石刀具a）4 次对称轴和（100）晶面L4（100）（110）L2L3（111）b）2 次对称轴和（110）晶面c）3 次对称轴和（111）晶面图7-20 八面体的晶轴和镜晶面18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7-21）图7-21 （111）面网C原子分布和解理劈开面劈开面在距离大的（111）面之间

8、，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”。19单晶金刚石456.46.412AA66A-A35RR=1.6 4.86.46.45B16B-B110120RR=0.51.2B000000000图7-22 金刚石刀具角度20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21超精密磨削技术是一种亚微米级加工，加工精度高于0.1m，表面粗糙度Ra低于0.025m。22砂轮材料：金刚石，立方氮化硼（CBN）特点：砂轮修整：超硬磨料微粉砂轮超精密磨削技术23进给图3-3

9、 ELID磨削原理电源金刚石砂轮（铁纤维结合剂）冷却液冷却液电刷EIPD（Electrolytic In-Process Dressing）24塑性（延性）磨削 25接触轮硬磁盘装在主轴真空吸盘上图3-4 砂带磨削示意图V砂带砂带轮卷带轮F-径向进给f-径向振动精密与超精密砂带磨削2627几种常见砂带磨削方式（图7-27）图7-27 几种砂带磨削形式a）砂带无心外圆磨削（导轮式） 工件导轮接触轮 主动轮砂带工件 接触轮主动轮砂带b）砂带定心外圆磨削（接触轮式）c）砂带定心外圆磨削（接触轮式）工件接触轮主动轮砂带接触轮砂带工件d）砂带内圆磨削（回转式）工件支承板主动轮砂带工作台e）砂带平面磨削（

10、支承板式）f）砂带平面磨削（支承轮式）支承轮工件砂带接触轮28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 0.02m）。 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。磨粒规格涂层粘接剂基带图7-28 静电植砂砂带结构2）静电植砂，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。29研磨与抛光 利用研磨剂使工件与研具之间通过实现相对复杂的轨迹而获得高质量、高精度的加工方法。 研磨机理 在刚性研具里注

11、入1m至十几m的磨料（氧化铝、碳化硅），在一定压力下，通过研具与工件的相对运动，借助磨粒的微切削作用，除去微量的工件材料，达到高的几何精度和低的粗糙度。 抛光机理 机理与研磨一样，区别是抛光器一般是软质的，塑性流动作用和微切削作用较弱，主要是降低加工表面的粗糙度，一般不能提高工件形状精度和尺寸精度。30工件小间隙加压抛光轮悬浮液微粉(磨粒)图7-29 弹性发射加工原理抛光轮与工件表面形成小间隙，中间置抛光液，靠抛光轮高速回转造成磨料的“弹性发射”进行加工。游离磨料加工31抛光工具图7-30 液体动力抛光小间隙工件工具运动方向抛光液磨粒抛光工具活性抛光液图7-31 机械化学抛光小间隙工件工具运动

12、方向加压32q 激光测量33受射透镜平行光管透镜边缘传感闸门电路计数器显示图震荡器伺服系统扫描镜工件测定区光检测器激光发生器采用平行光管透镜将激光准确地调整到多角形旋转扫描镜上聚焦。通过激光扫描被测工件两端，根据扫描镜旋转角、扫描镜旋转速度，透镜焦距等数据计算出被测工件的尺寸。 图7-32 激光扫描尺寸计量系统激光高速扫描尺寸计量系统（图7-32）34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）要求：相对湿度35%45%，波动10% 1% 实现方法：采用空气调节系统 要求：10000100级（100级系指每立方英尺空气中所含大于0.5m尘埃个数不超过100） 实现

13、方法：采用空气过滤器，送入洁净空气要求：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 q 精密与超精密加工环境35 3637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5m）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。图3-35 单晶金刚石铣刀刀头形状38微细机械加工设备FANUC ROBO nano Ui 型微型超精密加工机床（图3-36） 39BX导轨B轴回转工作台空气涡轮主轴刀具C轴回转工作台工件Z导轨空气油减振器C C

14、图3-36 FANUC 微型超精密加工机床40直接线性驱动（直线电机驱动）41图3-37 电磁驱动装置（直线电机）工作原理逆压电元件电磁铁1电磁铁2逆压电元件电磁铁1电磁铁2电磁铁2去掉励磁，松开逆压电元件电磁铁1电磁铁2逆压电元件加励磁电压，伸长逆压电元件电磁铁1电磁铁2电磁铁2加励磁，夹紧电磁铁1去掉励磁，松开逆压电元件电磁铁1电磁铁2逆压电元件去掉励磁电压，恢复原长，电磁铁1移动 逆压电元件电磁铁1电磁铁2电磁铁加励磁，夹紧42图3-38 直线电机驱动定位平台(YOKOGAWA公司） 43表3-7 直线驱动与伺服电机驱动比较 性 能 伺服电机滚珠丝杠 直线驱动 定位精度(m/300mm)

15、 510 0.51.0 重复定位精度(m) 25 0.10.2 最高速度(m/min) 2050 60200 最大加速度(g) 12 210 寿命(h) 600010000 5000044离子束4. 刻蚀（形成沟槽）5. 沉积（形成电路）6. 剥膜（去除光致抗蚀剂）3. 显影、烘片（形成窗口）窗口2. 曝光（投影或扫描）掩膜电子束图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）1. 涂胶（光致抗蚀剂）氧化膜光致抗蚀剂基片45要求：定位精度 0.1m，重复定位精度 0.01m导轨：硬质合金滚动体导轨，或液（气）静压导轨工作台：粗动 伺服电机 + 滚珠丝杠 微动 压

16、电晶体电致伸缩机构图3-42 电致伸缩微动工作台XY0Py1Py2Px微动工作台工作台微动的形成：X运动： Py1 Py2 Px长度变化Y运动： Py1 Py2 Py1长度变化Z转动： Py1 Py2 加工设备（电子束光刻大规模集成电路）46通常指纳米级（0.1nm100nm）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47q 扫描隧道显微测量（STM）AReal48STM图3- 48 ST

17、M工作过程演示图3- 47 STM实物照片 49原子力显微镜（AFM）A接触式非接触式50AFM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。 STM驱动AFM扫描驱动AFM探针STM探针试件微力簧片图3-56 AFM结构简图在簧片上方安装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。51图3-57 AFM实物照片扫描探针磁盘图像52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 石墨三维图像 图3- 49

18、 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53541 9 7 8 年 ， C I R P ( 国 际 生 产 工 程 协 会 ) 提 出 以 线 速 度 为5007000m/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510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(52000)105mmrev/min 高速加工技术-采用超硬材料刀具和模具，利用高速、高精度、高自动化和高柔性的制造设备，以达到提高切削速度、材料切除率和加工质量目的。55 56不

19、同加工工艺的高速不同加工工艺的高速/超高速切削速度范围超高速切削速度范围加工工艺切削速度范围/(m/min)车7007000铣3006000钻2001100拉3075铰20500锯50500磨500010000各种材料高速各种材料高速/超高速切削速度范围超高速切削速度范围加工材料切削速度范围/(m/min)铝合金20007500铜合金9005000钢6003000铸铁8003000耐热合金500以上钛合金1501000纤维增强塑料2000900057 1931年4月德国切削物理学家萨洛蒙 (Carl Salomon)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

20、速切削的理论。 图3-2 切削速度和切削温度关系曲线 58 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”(Dead valley)。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 59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。95以上的切削热

21、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。超高速切削加工比常规切削加工的切削速度高510倍，进给速度随切削速度的提高也可相应提高510倍，这样，单位时间材料切除率可提高36倍，因而零件加工时间通常可缩减到原来的13，刀具寿命可提高约70。60 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。 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

22、动，使加工过程平稳，有利于提高加工精度和表面质量。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。61汽车工业（发动机发动机, 齿轮箱齿轮箱） 航空航天工业（整体结构件、整体结构件、框体、薄壁件框体、薄壁件）模具工具制造（钢及铸件的半钢及铸件的半精精/精加工精加工）难加工材料（陶瓷、复合材料、陶瓷、复合材料、钛合金、镍基高温合金、不锈钢钛合金、镍基高温合金、不锈钢）超精密微细切削加工（精密零精密零件，群孔件，群孔）铝制磁通补偿器铝制磁通补偿器尺寸尺寸: 80 x 100 x 40mmq 技术数据技术数据:粗铣粗铣: 8 min精铣精铣: 1

23、1 min铣方孔铣方孔: 3 min刚性攻丝刚性攻丝:1 min总加工时间总加工时间:23 min总费用总费用: 约约 60 US$采用铸模法的预算采用铸模法的预算铸模费用铸模费用: 5000 US$铸造费用铸造费用: 20 US$加工费用加工费用: 10 US$62636465高速切削对机床的特殊要求主轴转速高，输出功率大主轴转速高，输出功率大：常规机床转速一般为常规机床转速一般为2000r/min2000r/min，而高速切削机床则为，而高速切削机床则为1000010000100000 r/min100000 r/min；主轴电动机功率为主轴电动机功率为151580kW80kW进给速度高进

24、给速度高：约为常规机床的约为常规机床的1010倍（倍（6060100 m/min 100 m/min ）主轴转速和进给速度的加速度高：主轴转速和进给速度的加速度高：从启动到达到最高转启动到达到最高转速要在速要在1 12s2s内完成，工作台的加、减速度有常规的内完成，工作台的加、减速度有常规的0.10.10.2g0.2g提高到提高到1 12g2g。机床静、动态特性好：机床静、动态特性好：除具有足够的静刚度外，还必须除具有足够的静刚度外，还必须有很高的动刚度和热刚度有很高的动刚度和热刚度其它功能部件性能高：其它功能部件性能高：快速换刀、快速工作台交换、快快速换刀、快速工作台交换、快速排屑装置、安全

25、保护、检测装置速排屑装置、安全保护、检测装置66高速主轴一般做成电主轴的结构形式，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二为一，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；瑞士：IBAG, FISHER德国：GMN,FAG冷却移动轴承固定轴承67普通普通NC机床的进给系统：机床的进给系统：滚珠丝杠副滚珠丝杠副+旋转伺服电机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

26、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：高速进给系统：高速滚珠丝杠螺母高速滚珠丝杠螺母+旋转伺服电机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；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。直线电机进给驱动系统：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

27、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（80180m/min）和加速度（210g）；动态性能好、运动精度高（0.10.01m）、运动行程不影响系统的刚度；无机械磨损。68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

28、加工精度，要有前馈和大量的超前程序段处理功能；要求快速形成刀具路径，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。697071q 非传统加工方法特点72机械过程q 非传统加工方法分类按加工机理和采用的能源划分）热学过程电化学过程化学过程73复合过程工件（陶瓷滚柱）磁性材料磁极振动运动图7-61 磁力抛光示意图NS74q 发展图7-62 EI 收录文章数比较70年代80年代90年代20841104232142244424214441321252353316激光加工 电火花加工 超声加工 电化学加工图7

29、-62反映了学术界和工程界对几种非传统加工方法的关注程度。75q 工作原理（图7-70）电源76q 激光加工特点77q 激光加工应用图7-72 焦点位置对孔形状影响78图7-73 激光切割79激光焊接车身80q 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）。 图

30、7-63 电火花加工原理图进给系统放电间隙工具电极工件电极直流脉冲电源工作液Real81图7-64 电火花加工机床82q 电火花加工类型图7-65 电火花线切割原理图XY储丝筒导轮电极丝工件83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84q 电火花加工应用85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624V，极间保持0.11mm间隙。在间隙处通以 660m/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。 图7-67 电解加工原理图电解液直流电源泵工件阳极阴极进给工具阴极86q 电解加工应

31、用87图7-69 电子束加工原理图控制栅极加速阳极电子束斑点旁热阴极聚焦系统工件工作台工作原理（图7-69）88q 工作原理（图7-75） 变幅杆超声波发生器图7-75 超声波加工原理图振动方向工具换能器工作液喷嘴工件89图7-76 超声波加工机床图7-77 超声波加工样件90q 工作原理：q 加工装置（图7-78）q 喷嘴材料及工作条件（表7-11） 项目 材料 孔径/mm 至工件距离/mm 喷射角度/ 参数金刚石，蓝宝石，淬火钢0.0750.42.550030表7-11 喷嘴材料及工作条件图7-78 水喷射加工装置示意图喷嘴阀控制器蓄能器供水器过滤器泵增压器液压装置排水器工件射流d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