先进制造加工技术

先进制造加工技术盛步云教授、博导第1讲1.前言

用机器代替手工，从作坊形成工厂从单件生产方式发展成大量生产方式从单机自动化到柔性化、集成化、智能化和网络化的现代制造生产规模：批量变化生产方式：劳动密集型→设备密集型→信息密集型→知识密集型制造装备：手工→机械化→刚性→柔性→智能化精密洁净铸造技术精确高效金属塑性成型工艺高效焊接与切割技术优质表面改性技术超高速加工技术超精密加工技术非传统加工技术快速原形制造技术虚拟成型与加工技术1.前言2.加工、成形制造技术——将原材料、半成品加工成为产品的方法和过程。——成形工艺去除成形受迫成形堆积成形生成成形加工精度不断提高加工速度得到提高材料科学的变革重大装备促进——大型、大容量、高效率优质清洁表面工程热成形过程数值模拟5um(3um)精密加工0.3-3um超精密0.03-0.3纳米<0.03um2.1发展现状和趋势成形技术——铸造：轻量化、精确化、强韧化、复合化、无污染锻造：净成形CAE相结合焊接：高能密度焊接发展，柔性化、智能化、自动化快速原型、激光表面处理计算机模拟、虚拟制造2.1发展现状和趋势3精密洁净铸造工艺精密、洁净、高效无机化学粘接剂型砂——水玻璃、水泥有机化学粘接剂型砂——植物油金属型铸造工艺挤压铸造技术消失（气化）模）铸造技术3.1压力铸造高压力：几到几十Mpa~5000Mpa短时间：0.02s~0.2s高速度：0.5m/s~50m/s120m/s3.1压力铸造开发新型的压射控制系统（致密薄件）新压铸工艺（消除缺陷，提高质量）开发和应用新的压铸合金材料（金属基复合材料MMCs、压铸镁合金、高铝锌基合金）开发和应用快速原型制造技术开展CAD/CAM/CAE系统研究与应用3.2挤压铸造技术1937苏联问世——液态金属模压——液压模锻——液压铸造定义：浇入金属型中的液态金属，在通过冲头传递压力作用下进行填充、成型和凝固结晶。特点尺寸精度高、粗糙度低铸件在凝固过程中能得到有效补缩、无铸造缺陷组织致密性好、晶粒细化、力学性能好无浇冒口，减少液态金属消耗3.3消失模铸造（EPC）原理：发泡成型机制成泡末塑料模样（铸件和浇注系统模样）粘结成实体模组、涂刷特制涂料、干燥放入特制砂箱、填入干砂三维振动紧实、抽真空浇铸泡沫模型气化消耗被金属置换特点近无余量新型成型工艺（无须取模、无分型面、无泥砂芯、无飞边、无拔模斜度、重量减少30-40%）铸件精度高、缺陷少无环境公害，易实现清洁生产方便逐渐结构设计（通过粘结一次铸造）简化砂处理工序、减少占地面积、降低设备费用4精确高效金属塑性成型工艺传统：杂制轧制、挤压、拉拔、锻造、冲压超塑成型、等温成型、辊锻和锲横轧技术、粉末成型工艺4.1超塑等温成形超塑性：材料在低载荷作用下，拉伸变形的伸长率大于100%（黑色：40%、有色：60%已知材料200多种（锌、铝、铜、钛合金）关键在：材料成形特点形状复杂的工件可一次成形组织细小、均匀、性能好、稳定变形抗力小---无加工硬化流动应力对应变速率的变化敏感制件精度高超塑性分类微晶组织超塑（恒温超塑性或结构超塑性）晶粒小于10um，变形温度大于0.5Tm（材料熔点温度）恒定，应变速率低相变超塑性（变温超塑性或动态超塑性）在一定的温度和负荷下，反复循环相变而获得高伸长率。普通碳钢160次循环伸长率达到500%其它超塑性材料超塑性工艺应用气压成形原理：使毛坯的外侧或内侧形成一个封闭的压力空间，在压缩空气的气压作用下，坯料产生超塑性变形，逐步向模具型面靠近，直至同模具完全贴合，形成零件凸模法、凹模法真空成型4.2粉末成形工艺粉末冶金是制取金属粉末或用金属粉末（混合物）作为原料，经过成形烧结，制取金属材料、复合材料的工艺技术——其生产工艺与陶瓷工艺类似——金属陶瓷法基本工序原料粉末制取将金属粉末成形——坯块烧结——使制品具有最终的物理、化学和力学性能粉末冶金锻造工艺原理：金属粉末经压实后烧结，在用烧结体作为锻造毛坯进行锻造粉末冷压烧结加热锻造热处理机加工成品准备预制坯制取预制坯锻造后处理与加工4高效优质焊接切割技术精密焊接特殊环境下焊接现代切割技术4.1精密焊接激光焊接——激光加热焊接部位电子束焊接——在真空条件下，聚焦后被加速的电子束高速冲击工件焊接部位扩散焊接——可连接物理化学性能差别很大的异种材料，固态焊接方法（如陶瓷与金属）焊熔近终成形——快速成形方法之一4.2特殊环境下焊接空间焊接水下焊接4.3现代切割技术激光切割等离子切割超声切割高压水射流切割4.4激光切割利用聚焦的高功率密度光束照射工件，使被照射处的材料迅速熔化、气化、烧蚀或达到燃点，同时借助光束同轴的高速气流吹除熔融物质4.5等离子切割等离子：是高度电离的气体，是由气体原子或分子电离后，离解成带正电荷的离子和负电荷的电子所组成，正负电荷相等，因此称为等离子。原理：利用高温、高速的等离子弧及其焰流使工件材料融化、蒸化缓和气化并被吹离机体。等离子体能量高度集中，电流密度高、等离子弧温度高（11000-28000度）普通电弧5000-8000度、速度高（800-2000m/s)特点能切割氧气割难以切割的各种金属材料切割厚度不大的金属时，速度快，是普通切割的5-6倍切割面光洁、热变形小切口宽度和切割斜角较大，与切割厚度有关切割厚度不及气割4.6超声切割原理：利用超声振动的工具在有磨料的液体介质中或干磨料中，产生磨料的冲击、震颤、液压冲击及由此产生的气蚀作用去除材料，特别适合硬脆材料切割特点适合加工硬脆材料，尤其适合非金属硬脆材料，或硬质耐热导电材料，但加工效率低切削力小切割应力、热小，粗糙度低（0.63-0.08）尺寸精度正负0.03mm,也适合加工薄壁、窄缝、低刚度零件工具可用软材料做成复杂形状，无相对运动，可加工复杂型腔和型面比金刚石刀具切割具有切片薄、切口窄、精度高、生产率高、经济性好4.7高压水射流切割原理：利用水或水中加添加剂的液体，经水泵至增压器，再经储掖蓄能器使高压液体流动平稳，最后有人造蓝宝石喷嘴形成300-900m/s的高速液体束流，喷射到工件表面，从而去除材料的加工。高速液体束流能量密度：102W/mm2

流量7.5L/min特点加工精度高:0.075-0.1mm，切边质量好液体束流能量密度高，流速高，工件切缝窄0.075-0.4mm加工产物混入液体排出，无灰尘、无污染加工区温度低，不产生热量，适合木材、纸张、皮革材料的加工设备简单、操作方便，易实现数控加工5.表面工程技术定义：通过改变固态金属表面或非金属表面的形态、化学成分和组织结构，以获得所需表面性能的系统工程理论基础：表面分析技术、表面物理、表面化学应用理论：表面失效分析、摩擦与磨损理论、表面腐蚀与防护理论、表面结合和复合理论目的：弄清各类固态材料表面失效机理，并综合运用各种表面技术提高材料的抵御环境作用的能力，实施特定的表面加工来制造构件、另部件和元器件方法覆盖层技术：电镀、电刷镀、涂装、粘结、堆焊、喷涂、塑料粉末涂敷、搪瓷涂敷、真空镀膜、镀膜，贴片机械、物理化学方法：改变材料形貌、化学成分、微观结构、应力状态——喷丸、热处理、激光表面处理、等离子扩渗处理综合两种或以上方法的复合表面处理：等离子喷涂与激光辐射、热喷涂与喷丸、化学热处理与电镀、化学热处理与气相沉积5.1表面改性技术指采用某种工艺手段使材料表面获得与基体材料的组织结构、性能不同的一种技术。既发挥基体的力学性能，又获得表面的各种特殊性能传统方法：喷丸、表面热处理、化学热处理清洁技术：等离子体、激光、电子束等5.2表面覆层技术在工件表面制备各种特殊功能的覆盖层，用极少量材料达到大量昂贵整体材料所能起到或难以起到的作用，同时极大地降低制造成本——广泛用于修复产品6超高速加工技术定义：采用超硬材料刀具、磨具和能可靠实现高速运动的高精度、高自动化、高柔性的制造设备，以极大提高切削速度来达到提高切除率、加工精度和加工质量的现代制造加工技术。（标志）范围：铝合金2000－7500m/min铸铁900－5000m/min钢600－3000m/min，钛合金150－1000m/min车削700－7000m/min，铣削300－6000m/min钻削200－1100m/min，磨削150m/s6.1超高速加工关键技术超高速切削机理大功率超高速主轴单元高加减速直线进给电机超硬耐磨长寿命刀具材料及结构安全装置以及高性能CNC控制系统和测试系统6.2超高速切削机理萨洛蒙曲线A不能切削B区高速切削C区切削速度切削温度6.3大功率超高速主轴单元主轴材料、结构、轴承超过高速主轴系统动态特性及热态特性柔性主轴及其轴承的弹性支撑技术润滑与冷却技术主轴系统多目标优化设计、虚拟设计技术美国福特卧式加工中心（动静压轴承）15000rpm日本东庄大学CNC平磨3000，东芝气浮轴承30000德国KAAP公司磁悬浮轴承60000－100000rpm6.4高加减速直线进给电机侍服驱动技术滚动元件技术监测单元技术安全防护技术冷却润滑技术从8－12m/min发展到30－50m/min一般18－20m/min60m/min7超精密加工技术一般加工10um,Ra0.3-0.8um精密加工10um-0.1um,Ra0.3-0.03um超精密加工0.1-0.01umRa0.03-0.05um纳米加工<10-3umRa<0.005um7.1关键技术加工方法与机理（微量切除表层）材料技术:加工工具与被加工材料加工设备及其基础元件7.2超精密加工方法

根据加工方法的机理和特点，超精密加工方法可分为以下3类：去除加工结合加工变形加工

超精密加工技术分类非机械超精密加工:微细电火花加工、微细超声加工、激光束加工等非传统加工方法的精密化、微型化，即超精密特种加工。机械超精密加工:金刚石刀具超精密切削、砂轮超精密磨削、精密研磨和抛光等传统加工方法的精密化、微型化1超精密切削加工

超精密切削加工主要是指金刚石刀具超精密车削。应用范围:软金属材料,如铜、铝等以及光学玻璃、大理石等非金属材料。

金刚石车床具备的条件:很高的运动平稳性,很高的定位精度:主轴精度和溜板运动精度比一般机床高出几个数量级重复精度:采用激光位移,激光干涉测量装置测定,有反馈装置

切削机理：切削深度小,一般在微米级。切削表面基本由工具的挤光作用形成，切削表面的轮廓是在垂直于切削方向的平面内工具轮廓的复映。目前广泛应用的金刚石车床：莫尔金刚石车床普奈莫MSG-325型超精密非球面金刚石车床。2超精密磨削和磨料加工加工机理：利用细粒度的磨粉和微粉主要对黑色金属、硬脆材料等加工，得到高尺寸精度、高质量表面、高形状精度，并能显著提高零件的加工效率。

超精密磨削和磨料加工分类：固结磨料加工：将微粉与粘结剂粘接在一起，形成一定的形状并具有一定强度，再采用烧结、粘结、涂敷等方法形成砂轮、砂条、砂带等模具；游离磨料加工：磨粒或微粉不是固结在一起，成游离状态。加工精度：0.1μm以下表面粗糙度Ra：0.025μm以下砂轮磨削机理：主要靠砂轮精细修正得到大量的、等高性很好的超精密微刃，实现了微量切削作用，经过磨削一定时间后，形成了大量的半钝化刃，起到了摩擦抛光作用，最后又经过光磨作用进一步进行了精细的磨擦抛光，从而获得了高质量表面。1)超精密砂轮磨削技术2)超精密砂带磨削技术基本原理:随着砂带制作质量的迅速提高，砂带上砂粒的等高性和微刃性较好，并采用带有一定弹性的接触轮材料，使砂带磨削具有磨削、研磨和抛光的多重作用，从而可达到高精度和低表面粗糙度值。3)ELID超精密镜面磨削技术

ELID(电解在线休整）技术基本原理：利用在线的电解作用对金属基砂轮进行修整，在磨削过程中在砂轮和工具电极之间浇注电解液并加以直流脉冲电流，使作为阳极的砂轮金属结合剂产生阳极溶解效应而被逐渐去除，使不受电解影响的磨料颗粒凸出砂轮表面，从而实现对砂轮的修整，并在加工过程中始终保持砂轮的锋锐性。4)电泳磨削技术主要原理:

基于超微磨粒电泳效应的磨削技术磨削机理:

利用超细密粒的电泳特性，在加工过程中使磨粒在电场力作用下向磨具表面运动，并在磨具表面沉积形成一超细磨粒吸附层，利用磨粒吸附层对工件进行磨削加工，同时新的磨粒又不断补充,从而使微刃始终保持锋利尖锐。5)游离磨料加工方法典型加工方法:超精密研磨和抛光技术超精密研磨技术加工误差:达0.1μm以下表面粗糙度Ra:达0.02μm以下研磨机理:主要是磨粒的挤压使被加工表面产生塑性变形，以及有化学作用时反复去除工件表面生成的氧化膜。软质磨粒机械抛光典型方法：弹性发射加工实质：是磨粒原子的扩散作用和加速的微小粒子弹性射击的机械作用的综合结果。磁流体抛光原理：将非磁性材料的磨粒混入磁流体中，置于有磁场梯度的环境内，则非磁性磨粒受磁浮力作用向低磁力方向移动，与工件间产生相对运动，使磨粒对工件的表面产生抛光加工。

3超精密特种加工方法本质：是将电、磁、声、光、热等物理能量及化学能量或其组合甚至与机械组合直接施加在被加工部位上，从而使材料被去除、变形及改变性能等的非传统超精密加工方法。主要包括：高能束加工：电子束、激光束微细加工激光加工等单一能量加工：电火花加工，超声波加工等复合加工：超声电解研磨，磁力电解研磨加工等7.3超精密加工机床与设备超精密加工机床技术是超精密加工中最关键的技术，决定超精密加工技术的水平。目前水平较高代表作是：1983年研制成功的DTM-3型大型超精密金刚石车床最大可加工Ф2100mm，质量4500kg的工件加工精度：可达到形状误差为28nm

圆度和平面度为12.5nm，表面粗糙度Ra4.2nm。机床需具备条件：高精度、高刚度、高稳定性高自动化超精密机床的基础元部件技术是其关键，如机床超精密运动部件，超精密微量进给装置等。超精密机床中的最重要的设备之一是加工刀具（金刚石刀具）需具备条件：刀具刃口的锋利性切削刃的粗糙度刀具与被切削材料亲和性刀具的切削刃强度高、耐磨损7.4超精密加工的检测和误差补偿技术

超精密加工要达到亚微米级和纳米级的加工精度，测量精度要比加工精度高一个数量级。超精密加工中的测量包括：机床超精密部件运动精度的检测：主轴，导轨等加工精度的直接检测：如直线度，圆度，回转精度等

超精密加工正逐步采用在线检测技术和误差补偿方法来提高加工精度。

误差补偿技术允许机床误差存在,通过分析、检测和建模，获得机床的误差估算，利用不同误差估算，对制造误差进行适当补偿，达到提高制造精度的目的。一般分为静态和动态两种补偿方式。7.5超精密加工的支撑环境空气环境热环境振动环境噪声环境光环境和电场、电磁环境主要满足恒温、防振、超净和恒湿四方面条件。

向高精度方向发展，最终目标是实现原子级精度加工；向大型化方向发展，研制各种大型超精密加工设备;向微型化方向发展，以适应微机械、集成电路的发展；7.6超精密加工技术的发展趋势向超精结构、多功能模块化、光机电一体化、加工检测一体化方向发展不断出现许多新工艺和复合加工技术，被加工的材料范围不断扩大；在作业环境建造方面如高性能的基础隔振技术、净化技术等将有更大发展。7.6超精密加工技术的发展趋势8快速原型制造技术的概念原型 原型（Prototype)是指用来建造未来模型或系统基础的一个初始模型或系统。它能基本代表零部件性质和功能，但不具备或不完全具备零部件的功能。快速原型制造 原型制造（Prototyping)是设计、建造原型的过程。一般来说，物体成型的方式分为三类：去除成型、添加成型和静尺寸成型，原型制造也是如此。快速原型制造技术的分类按采用的原材料分类：液体聚合、固化粉末烧结与粘结丝材、线材熔化粘结膜、板材层合按制造工艺原理分类：立体印刷成型层合实体制造选域激光烧结熔融沉积制模三维喷涂粘结焊接成型数码累计造型快速原型制造技术发展历史与现状1892年美国人JFblanther获得了用层合方法制作三维地图模型的专利，可以说是近代分层制造方法的开端。1979年，日本东京大学生产技术研究所中川威雄教授发明叠层模型造型法。80年，小玉秀兰提出了光造型法，并于81年首次发表了快速原型制造技术的论文。美国UVP公司的C.Whull完成了系统SLA-1（StereoLithographyApparatus，立体印刷成型），之后与他人创办3DSystem公司，研制出了掩膜式的原型制造系统。1984年，MFeygin提出了层合实体概念。1986年，美国人S.Crump提出了熔融沉积造型设想。在多家快速原型制造设备公司中，3DSystem公司生产的快速原型制造系统在国际上占有60%的份额。90年代，快速原型制造技术服务中心年平均增长40%以上。立体印刷成型 立体印刷成型是目前世界上研究最深入、技术最成熟、应用最广泛的一种快速成型方法。 它以光敏树脂（如丙烯基树脂）为原料采用计算机控制下的紫外激光以预定原型各分层截面的轮廓为轨迹逐点扫描，使被扫描区的树脂薄层产生光聚合反应后固化，从而形成的一个薄层截面。当一层固化后，向上（下）移动工作台，在刚固化的树脂表面布放一层新的液态树脂，再进行新一层扫描、固化