机械制造工艺学课件第9章-其他先进制造工艺

第9章其他先进制造工艺其他先进制造工艺超高速加工技术超高速加工技术的内涵、范围及技术地位虚拟成形与加工技术快速原型制造技术超高速加工主轴单元制造技术超高速加工用刀具、磨具快速原型制造技术内涵、范围及技术地位直接制造金属零件的RPM新工艺概述机械产品的虚拟装配技术机械加工的虚拟技术19.1超高速加工技术9.1.1超高速加工技术的内涵、范围及技术地位超高速加工技术是指采用超硬材料刀具磨具和能可靠地实现高速运动的高精度、高自动化、高柔性的制造设备，以极大地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现代制造加工技术。超高速加工切削速度通常超过传统切削速度5~10倍，切削速度范围因不同的工件材料、不同切削方式而异.切削方式切削速度车削700~7000m/min铣削300~6000m/min钻削200~1100m/min磨削1500m/s以上不同切削方式超高速加工切削速度范围29.1超高速加工技术9.1.1超高速加工技术的内涵、范围及技术地位相比传统切削加工，超高速加工技术优势如下：单位切削力较小，加工精度更高。特别对于薄壁件、薄板件和大型整体结构的高效高精度加工，高速切削是目前唯一有效的方法工件受热时间短，热变形减少，表面完整性更好单位功率所产生的切屑明显增加，加工能耗更低主轴频率显著高于工艺系统的固有频率，能有效抑制切削振动的影响对于硬度高、耐冲击、强度大、加工中易硬化的难加工材料，能有效减少刀具磨损，提高零件加工的表面质量大幅缩短零件加工时间，能显著加工成本

超高速加工技术从发展趋势来看，它将对21世纪的制造业的发展产生巨大影响，未来可实现超高速加工的材料将覆盖大多数工程材料，可加工各种表面形状的零件，可由毛坯一次加工成成品，并实现精密甚至超精密加工。39.1超高速加工技术9.1.1超高速加工技术的内涵、范围及技术地位大批生产领域美国福特（Ford）汽车公司与Ingersoll公司合作研制的HVM800卧式加工中心及镗汽缸用的单轴镗缸机床已实际用于福特公司的生产线低刚度工件加工领域Ingersoll公司采用超高速切削工艺所铣削的工件最薄壁厚度仅为1mm复杂曲面加工领域模具工具制造难加工材料领域Ingersoll公司的“高速模块”所用切削速度为加工航空航天铝合金2438m/min，汽车铝合金1829m/min，铸铁1219m/min，这均比常规切速高出几倍到几十倍难加工材料领域日本的FANUC公司和电气通信大学合作研制了一种超精密铣床，其主轴转速达55000rpm，可用切削方法实现自由曲面的171微细加工，其生产率和相对精度均为目前光刻技术领域中的微细加工所不及Ingersoll公司加工中心4超高速加工技术的一个最根本最核心的特点和技术就是实现超高速的切削速度或砂轮线速度，因此超高速主轴单元是超高速加工机床最关键部件。9.1超高速加工技术9.1.2超高速加工主轴单元技术超高速主轴单元主轴动力源主轴轴承机架这四个部分构成一个动力学性能及稳定性良好的系统。其性能决定了超高速加工的超高速化、高精度、应用范围广等特点超高速主轴系统的多目标优化设计虚拟设计技术研究超高速主轴系统的润滑与冷却技术研究柔性主轴及其轴承的弹性支承技术的研究超高速主轴系统动态特性及热态特性研究轴承的研究与开发结构超高速主轴材料超高速主轴单元关键技术5从目前发展现状来看，主轴单元形成独立的单元而成为功能部件以方便地配置到多种工艺、加工中心及超高速磨床上，而且越来越多地采用电主轴加工类型。9.1超高速加工技术9.1.2超高速加工主轴单元技术典型电主轴主轴支撑集成内装式电主轴，主轴支撑考虑功能和经济性的要求轴承选择超高速大功率主轴采用陶瓷混合球轴承或油基动静压轴承小功率的超高速主轴采用高精度的滚动轴承、液体动静压轴承或气浮动静压轴承轴承设计制造电主轴单元核心技术69.1超高速加工技术9.1.2超高速加工主轴单元技术主轴转速所用轴承国内普遍10000r/min~美国福特汽车公司HVM800卧式加工中心15000r/min液体动静压轴承日本东北大学庄司研究室CNC超高速平面磨床3000r/min陶瓷球轴承日本东芝机械公司ASV40加工中心30000r/min改进的气浮轴承德国KAPP公司砂轮主轴单元60000r/min磁悬浮轴承德国的GMN公司砂轮主轴单元100000r/min磁悬浮轴承国内外高速主轴单元转速对比发展前沿柔性主轴的设计技术使主轴可在系统的二阶或三阶固有频率以上稳定地工作柔性主轴支撑技术减小主轴系统向机架传递的动载荷和控制主轴系统的稳定性主轴轴承的开发研究主轴系统动态优化设计和计算机虚拟设计技术新的主轴系统润滑与冷却技术的研究。根据我国实际情况，应发展转速在每分钟万转以上且可调、中等功率以上的由电机直接驱动的主轴单元系统，重点发展车削、铣削和磨削及加工中心的超高速主轴系统单元，这种单元能自身形成一个动态稳定性能良好的系统，可以方便地组合到多种加工工艺过程中7超高速加工用刀具、磨具主要指超高速铣削用刀具和超高速磨削用砂轮。9.1超高速加工技术9.1.3超高速加工用刀具、磨具超高速铣削用刀具超高速磨削用刀具超高速加工用刀具磨具单元关键技术超高速加工用刀具材料及制备技术刀具结构及刀具几何参数的研究超高速磨削砂轮的超硬磨料、结合剂、基体的开发研究超高速磨削用超硬磨具制备技术超硬磨料超高速砂轮应用技术硬脆材料及难加工材料的超硬磨料磨具的超高速磨削实用化技术89.1超高速加工技术9.1.3超高速加工用刀具、磨具超硬刀具和磨具是超高速加工技术最主要的刀具材料，主要有聚晶金刚石（PCD）和聚晶立方氮化硼（PCBN）超高速刀具材料超细晶粒硬质合金聚晶金刚石（PCD）立方氮化硼（CBN）氮化硅（Si3N4）陶瓷材料混合陶瓷碳（氮）化钛基硬质合金超高速磨具材料立方氮化硼（CBN）聚晶金刚石（PCD）结合剂陶瓷结合剂金属结合剂砂轮工艺砂轮转速陶瓷或树脂结合剂Al2O3、SiC或CBN磨料砂轮125m/s极硬的CBN或金刚石砂轮150m/s单层电镀砂轮250m/s单层高温钎焊超硬磨料砂轮500m/s~单层高温钎焊超硬磨料砂轮锋利、容屑空间大，不易堵塞，因此在与电镀砂轮相同的加工条件下，磨削力、功率消耗、磨削温度会更低，甚至可接近实现冷态切削。9快速原型/零件制造（RapidPrototyping/PartManufacturing，简称RPM）技术是综合利用CAD技术、数控技术、材料科学、机械工程、电子技术及激光技术以实现从零件设计到三维实体原型制造一体化的系统技术。9.2快速原型制造技术9.2.1快速原型制造技术内涵、范围及技术地位快速原型制造技术原理图各种RPM技术的过程流都包括：后处理

（如去除支架、清理表面、固化处理）CAD模型建立前处理(如生成STL文件格式，将模型分层切片）快速原型过程（原型制作）10RPM技术的内涵即其成形机理和工艺控制与传统成形（如去除成形和受迫成形）方式有很大差别，主要表现在：RPM不是使用一般意义上的模具或刀具，而是利用光、热、电等物理手段（其中激光是经常应用的）实现材料的转移与堆积；原型是通过堆积不断增大，其力学性能不但取决于成形材料本身，而且与成形中所施加的能量大小及施加方式有密切关系；9.2快速原型制造技术9.2.1快速原型制造技术内涵、范围及技术地位典型快速原型装备金属3D打印机光固化3D打印机早期的快速成形技术仅指离散／堆积成形的实体自由成形制造（SFF即SolidFreedomFabrication）成形过程就是材料的添加过程。SFF所有的技术方法都有一个共同的几何物理基础“分层制造原理”。目前快速成形技术包括一切由直接驱动的成形过程，主要技术特征即是成形的快捷性，对于材料的转移形成可以是自由添加、去除、添加和去除相结合等形式，可依据其成形特征称为“分层制造”更为恰当。119.2快速原型制造技术9.2.2直接制造金属零件的RPM新工艺随着对RPM技术研究深入，新材料、新工艺的研究和开发以及制作件精度的进一步提高，使RPM向直接金属零件的快速制造方向发展成为现实。（1）气相沉积成形（SALD）（Selectivearealaserdeposition）利用计算机控制的激光束为气体提供反应区域。反应气体（如含碳气体CH4、C2H2等）在基片上沉积得到部件。该技术具有将简单陶瓷/金属部件成型为复杂陶瓷/金属部件的能力。激光选区气相沉积成型示意图129.2快速原型制造技术9.2.2直接制造金属零件的RPM新工艺（2）三维焊接成形（Three-DimensionalWeldingShaping）

它利用焊接机器人制造金属零件，改变过去制造零件时由于固液态金属的表面张力和流动性、层与层之间连接不牢固会出现裂缝，从而影响物理、力学性能的缺陷，而提出用凸凹结合的方法进行连接，可提高金属零件的强度。（3）SDM形状沉积制造工艺（ShapeDepositionManufacturing）将离散／堆积法和材料去除法结合的快速成形金属原型件方法，其成形过程是根据成形零件的分层信息先喷射堆积一层材料，零件和支撑件都是逐层同步生成，且新增加的材料都是液态金属，在每一层形成后都要在计算机控制下对其进行形状切削加工和应力消除处理，如此重复直到生成整个零件，最后通过酸蚀等手段将支撑体去除。SDM形状沉积制造一般流程139.2快速原型制造技术9.2.2直接制造金属零件的RPM新工艺（4）多相组织的沉积制造方法SDMHS（ShapeDepositionmanufacturingofHet-erogenousStructures）用多个喷头熔积不同材料来制造微机械的方法，其原理为：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。制作一个多材料的工件时需要多个喷头，各喷头分别喷出不同材料，是发展微机械制造的有效途径。（5）激光工程净成形技术LENS（LaserEngineeringNetShaping）其方法是使用聚焦的Nd.YAG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里，基体置于工作台上，工作台由固定的喷嘴下的X/Y轴控制，在移动工作台时，系统能够挤出一层新金属，一层沉积后，系统抬升喷嘴一个分层厚度，新金属就可沉积，如此层层叠加制作金属原型零件。金属粉末是从一个固定于机器顶部的料仓内送到喷嘴的，成形仓内充满了氩气（Argon）以阻止熔融金属氧化。LENS技术原理图149.3虚拟成形与加工技术9.3.1概述虚拟制造技术是以计算机支持的仿真技术为前提，对设计、加工、成形、装配、维护等，经过统一建模形成虚拟的环境、虚拟的过程、虚拟的产品。通过仿真，及时地发现产品设计和工艺过程可能出现的错误和缺陷，进行产品性能和工艺的优化，从而保证产品质量虚拟成形技术是针对金属材料热成形过程的技术难点（高温、动态、瞬时、难以控制质量），从材料成形理论分析入手，通过数值模拟和物理模拟方法，使得基础理论直接定量地指导金属材料热成形过程，并对材料成形过程进行动态仿真，预测不同条件下成形后材料的组织、性能及质量，进而实现热成形件的质量与性能的优化设计，最大限度地发挥材料的性能潜力，为关键的重大装备一次制造成功提供技术支持。虚拟加工技术是针对产品设计的合理性、可加工性，加工方法、机床和工艺参数的选用，以及加工过程中可能出现的加工缺陷等，这些问题需要经过仿真、分析与处理机械产品的配合性和可装配性是设计人员常易出现错误的地方，以往要到产品最后装配时才能发现，导致零件的报废和工期的延误，造成巨大的经济损失和信誉损失。采用虚拟装配技术可以在设计阶段就进行验证，确保设计的正确性，避免损失。虚拟成形与加工技术的必要性：159.3虚拟成形与加工技术9.3.2机械加工的虚拟技术

加工工艺路线是影响加工质量的主要因素，在没有虚拟技术以前，加工工艺是否合理完全由编程者的个人经验决定，如果在编程任务加重的情况下，编程人员往往没有时间复查，从而忽略一些细节地方（如：抬刀安全高度不够、刀具下刀点不正确、没有定义过切检查面等），轻者造成工件返工、质量下降，重者甚至造成工件报废、机床损伤。在虚拟仿真的环境下，此问题就可以轻松得到解决。其原理是在计算机中虚构出数控机床的加工环境，放上一个预先做好的毛坯，让刀具进行动态模拟仿真，其情形就像真实加工一样，但仿真时间可自由控制，一般十来分钟可模拟整个加工过程。在模拟仿真时，允许编程人员暂停刀具，检查切削截面形状、切削点的坐标值、刀具参数等。模拟结束后，编程人员就可以马上根据刀具运行的情况和毛坯铣削后的形状来调整加工工艺路线。这种虚拟仿真技术的出现既减轻了编程者的负担，又能确保加工的顺利完成。虚拟加工机械技术169.3虚拟成形与加工技术9.3.3机械产品的虚拟装配技术机械产品的配合性和可装配性是设计人员常易出现错误的地方，以往要到产品最后装配时才能发现，导致零件的报废和工期的延误，造成巨大的经济损失和信誉损失。虚拟装配，是在计算机上建立起如同真实样机的直观可视化的数字模型，即虚拟样机，然后在虚拟环境下对零件装配情况进行干涉检查。大大提高了设计效率，并降低修正错误的费用。某机床零件图纸虚拟装配及云平台协同管理179.3虚拟成形与加工技术9.3.3机械产品的虚拟装配技术虚拟装配有二种装配模式：自顶向下