金属工艺学第6章先进制造技术

6.1超高速加工技术•6.1.1超高速切削加工技术•6.1.2超高速磨削加工技术6.1超高速加工技术先进制造技术是在传统制造技术基础上，不断吸收机械、电子、信息、材料、能源和现代管理等方面的成果，并将其综合应用于产品设计、制造、检测、管理、销售、使用、服务的制造全过程，以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活的生产，提高对动态多变的市场的适应能力和竞争能力的制造技术总称，也是取得理想技术经济效果的制造技术的总称。先进制造技术范畴包括：（1）先进设计技术(CAD)（2）先进制造工艺技术（3）综合自动化技术（4）现代系统管理技术6.1超高速加工技术超高速加工的定义超高速加工技术是指采用超硬刀具和磨具，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去除率、加工精度和加工质量的先进加工技术。6.1超高速加工技术6.1.1超高速切削加工技术1.超高速切削加工技术特点及应用切削速度变化与切削温度之间的关系常规切削区域A不能切削区域B高速切削区域CTv切削温度Vcr切削速度Vc6.1超高速加工技术6.1.1超高速切削加工技术不同工件材料的切削速度范围碳纤维塑料铝合金黄铜铸铁钢钛,钛合金普通区过渡区高速区镍基合金10100切削速度/(m/min)1000100006.1超高速加工技术6.1.1超高速切削加工技术超高速切削的优越性•切削力低•热变形小•材料去除率高•加工精度高•降低加工成本•高速切削可以加工难加工的材料6.1超高速加工技术6.1.1超高速切削加工技术2.超高速切削的关键技术•超高速主轴单元•高速进给系统•高速切削刀具材料和刀具系统6.1超高速加工技术6.1.2超高速磨削加工技术1.超高速磨削加工技术特点及应用超高速磨削技术的具体应用•高效深切磨削•快速点磨削•硬脆材料及难加工材料超高速磨削快速点磨削原理图6.1超高速加工技术6.1.2超高速磨削加工技术2.超高速磨削的关键技术•超高速磨削砂轮技术•超高速磨床主轴及其轴承技术•高速超高速磨床•磨削液及其供给技术•砂轮、工件安装定位及安全防护技术•磨削状态检测及数控技术6.2超精密加工技术6.2.1超精密加工技术内涵及特点1.超精密加工定义精密和超精密是相对而言，在不同的时期有不同的界定。从目前的发展水平来看加工精度在0.1µm～1µm，加工表面粗糙度在Ra0.02µm～0.1µm之间的加工方法称为精密加工；加工精度高于0.1µm，加工表面粗糙度小于Ra0.01µm之间的加工方法称为超精密加工。6.2超精密加工技术6.2.1超精密加工技术内涵及特点2．超精密加工特点

1）超精密加工时，对刀具的刃磨、砂轮修整和机床调整均有很高要求。2）超精密加工是一门综合性高技术，凡是影响加工精度和表面质量的因素都要考虑。3）超精密加工一般采用计算机控制、在线控制、自适应控制、误差检测和补偿等自动化技术来保证加工精度和表面质量。4）超精密加工不仅有传统的切削和磨削加工,只有综合应用各种加工方法，才能得到很高的加工精度和表面质量。

6.2超精密加工技术6.2.1超精密加工技术内涵及特点3．超精密加工应用超精密加工是尖端技术产品发展不可缺少的关键加工手段，不管是军事工业还是民用工业，都需要这种先进的加工技术。4．超精密加工的分类•超精密切削•超精密磨削•超精密研磨和抛光6.2超精密加工技术6.2.2超精密加工关键技术超精密加工的关键技术包括：超精密加工机理、超精密加工工具技术、超精密加工机床制造技术、在线检测与误差补偿技术等。1．超精密加工工具技术2．超精密加工机床超精密加工机床是实现超精密加工的首要条件，目前超精密加工机床一般是采用高精度空气静压轴承支撑主轴系统，空气静压导轨支撑进给系统的结构模式。6.2超精密加工技术6.2.2超精密加工关键技术3．在线检测与误差补偿4．超精密加工的工作环境超精密加工必须在超稳定的环境下进行。超稳定环境主要是指恒温、超净和防振三个方面。6.3特种加工技术

6.3.1特种加工概述

6.3.2电火花加工

6.3.3电火花线切割加工

6.3.4电解加工

6.3.5超声波加工

6.3.6磨料喷射加工

6.3.7激光加工

6.3.8电子束加工

6.3.9超声波加工6.3特种加工技术6.3.1特种加工概述特种加工是一种非传统加工方法，主要利用光、电、声、热、化学、磁以及原子能进行加工的方法。•不是主要依靠机械能，而是利用其他形式的能量去除材料。与传统加工•工具的硬度可以低于被加工材料的硬度。•加工过程中不存在显著机械力的作用，方法的区别适合于低刚度零件精密加工。•加工形状复杂，特别是工件型腔、大型和微细零件加工，热变形小。6.3特种加工技术6.3.2电火花加工电火花加工基于电火花腐蚀原理，是在工具电极与工件电极相互靠近时，极间形成脉冲性火花放电，在电火花通道中产生瞬时高温，使金属局部熔化，甚至气化，从而将金属蚀除下来。1.电火花加工的机理1—工件电火花加工原理示意图2—脉冲电源3—自动进给调节系统4—工具泵5—工作液6—过滤器7—工作液电火花加工表面局部放大图1—凹边2—凸边6.3特种加工技术6.3.2电火花加工2．电火花加工的特点适用的材料范围广。可以加工任何硬、软、韧、脆、高熔点的导电材料；适于加工特殊及复杂形状的零件；脉冲参数可以在较大范围内调节，可以在同一台机床连续进行粗、半精及精加工；直接利用电能进行加工，便于实现自动化。6.3特种加工技术6.3.2电火花线切割加工3．电火花加工应用a)b)c)电火花加工实例a)加工型腔b)成型零件加工c)加工孔6.3特种加工技术6.3.3电火花线切割加工1.电火花线切割加工的机理43553522143211—2—绝缘底板；工件；3—4—脉冲电源；滚丝筒；5—电极丝(a)加工示意图(b)线切割加工原理示意图a)(a)加工示意图b)(b)线切割加工原理示意图电火花线切割加工原理图a)加工装置b)电极丝与工件相对运动加工异形孔1—绝缘底版2—工件3—脉冲电源4—储丝轮5—电极丝6.3特种加工技术6.3.3超高速磨削加工技术2．电火花线切割加工特点1.齿轮模具2.窄长冲模3.加工平面凸轮零件6.3特种加工技术6.3.3超高速磨削加工技术3．电火花切割的应用4.加工螺旋面5.加工双曲面6.加工扭转锥台6.3特种加工技术6.3.4电解加工1．工作原理A2133V－＋451—直流电源；电解加工原理图2—工具电极；3—工件阳极；4—电解液泵；5—电解液1—直流电源阳极2—工具阴极3—工件4—电解液泵5—电解液6.3特种加工技术6.3.4电解加工2．电解加工的特点•能加工各种硬度和强度的材料。•生产率高。•表面质量好。•阴极工具在理论上不损耗，基本上可长期使用。6.3特种加工技术6.3.4电解加工3．电解加工工艺应用•深孔加工；•叶片(型面)加工；•锻模(型腔)加工；•管件内孔抛光；•各种型孔的倒圆和去毛刺；•整体叶轮的加工等方面。6.3特种加工技术6.3.5超声波加工11．工作原理振动向方23645超声波加工原理图1—超声波发生器2—换能器3—变幅杆6—工具4—磨料悬浮液注入5—工件6.3特种加工技术6.3.5超声波加工2．超声波加工的特点及应用(a)加工圆孔a)(b)b)加工型腔(c)加工异形孔c)(d)套料加工d)(e)加工微细孔e)超声波加工的型孔、腔孔类型a)加工圆孔b)加工型腔c)加工异形孔d)套料加工e)加工微细孔6.3特种加工技术6.3.5超声波加工超声波切割单晶硅示意图1—变幅杆2—工具（薄钢片）3—磨料液4—弓箭（单晶硅）6.3特种加工技术6.3.6磨料喷射加工1．工作原理2．加工装置磨粒喷射加工装置1—压缩气瓶4—电源与混料室7—手把11—吸尘器2—过滤器3—压力调节器6—脚踏阀门5—振动器8—喷嘴9—工件10—防尘罩3．磨料喷射加工应用6.3特种加工技术6.3.7激光加工1．工作原理112323445561—3—激光器；全反射棱镜；2—激光束；4—聚焦物镜；5—工件；6—工作台激光加工原理图1—激光器2—激光束3—反射镜4—聚焦镜5—工件6—工作台6.3特种加工技术6.3.7激光加工2．激光加工的特点

1）几乎对所有的金属和非金属材料都可以进行激光加工。2）激光能聚焦成极小的光斑，可进行微细和精密加工，如微细窄缝和微型孔的加工。

3）可用反射镜将激光束送往远离激光器的隔离室或其他地点进行加工。

4）加工时不需用刀具，属于非接触加工，无机械加工变形。5）无需加工工具和特殊环境，便于自动控制连续加工，加工效率高，加工变形和热变形小。6.3特种加工技术6.3.7激光加工3．激光加工的应用•激光打孔；•激光切割；•激光打标；•激光焊接；•激光表面处理。6.3特种加工技术6.3.8电子束加工11．工作原理62354电子束加工原理图1—电子枪系统5—电源及控制系统2—聚焦系统3—电子束4—工件6—抽真空系统6.3特种加工技术6.3.8电子束加工2．电子束特点与应用3333111—工件；2—3—工件运动方向；电子束0.03～0.07mm22a)(a)(b)(c)(d)b)c)d)电子束加工曲面、穿孔a)电子束加工曲面c)电子束加工曲面盲孔b)加工曲面形成的零件d)加工异形通孔电子束加工的喷丝头异形孔1—工件2—工件运动方向3—电子束6.3特种加工技术6.3.9离子束加工1．工作原理

离子束加工的物理基础是离子束射到材料表面时所发生的撞击效应、溅射效应和注入效应。离子束加工可分为四类。（1）离子束刻蚀加工：离子轰击工件，将工件表面的原子逐个剥离，又称离子铣削，其实质是一种原子尺度的切削加工。（2）离子溅射沉积：离子轰击靶材，将靶材原子击出，沉积在靶材附近的工件上，使工件表面镀上一层薄膜。（3）离子镀(又称离子溅射辅助沉积)：离子同时轰击靶材和工件表面，目的是为了增强膜材与工件基材之间的结合力。（4）离子注入

6.3特种加工技术6.3.9离子束加工1．离子束加工特点及应用

1）离子束加工是目前特种加工中最精密、最微细的加工。离子刻蚀可达纳米级精度，离子镀膜可控制在亚微米级精度，离子注入的深度和浓度也可精确地控制。2）离子束加工在高真空中进行，污染少，特别适宜于对易氧化的金属、合金和半导体材料进行加工。3）离子束加工是靠离子轰击材料表面的原子来实现的，是一种微观作用，所以加工应力和变形极小，适宜于对各种材料和低刚度零件进行加工。

6.4快速成形技术

6.4.1快速成形技术的原理

6.4.2快速成形技术的典型工艺方法

6.4.3快速成形技术在模具制造中应用6.4快速成形技术6.4.1快速成形技术的原理快速成形制造技术（RapidPrototypingManuactu-ring，RPM）20世纪80年代后期源于美国，是世界制造技术领域的又—次重大突破。快速成形原理6.4快速成形技术6.4.2快速成形技术的典型工艺方法1．光固化成形（SLA）1光固化成形（SLA)2346方法是在树脂液槽中盛满液态光敏树脂，使其在激光束的照射下快速固化。5光固化成形工艺原理1—紫外激光2—成形零件3—光敏树脂4—刮平器5—液面6—升降台6.4快速成形技术6.4.2快速成形技术的典型工艺方法2．分层实体制造（LOM）1分层实体制造（LOM）快速72成形是一种薄片材料叠加工艺。分层实体制造是根据三维CAD模型每个截面的轮廓线，在计算机控制下，发出控制激光切割系统的指令，使切割头作x和y方向的移动。6354分层实体制造原理2—热压辊1—激光器3—计算机4—供料筒5—收料筒6—升降台7—加工平面6.4快速成形技术6.4.2快速成形技术的典型工艺方法3．选择性激光烧结（SLS）1选择性激光烧结（SLS）23采用CO2激光器对粉末材料（塑料粉、陶瓷与粘结剂的混合粉、金属与粘结剂的混合粉等）进行选择性烧结．是一种由离散点一层层堆积成三维实体的工艺方法。45选择性激光烧结成形原理1—扫描镜2—激光束3—激光器4—平整辊5—粉末材料6.4快速成形技术6.4.2快速成形技术的典型工艺方法4．熔积成形（FDM）12熔积成形（FDM）工艺是一种不依靠激光作为成形能源，而将各种丝材加热熔化的成形方法。34熔积成形原理1—喷头2—料丝3—喷头4—成形工件6.4快速成形技术6.4.3快速成形技术在模具制造中应用1．2．用快速成形间接制造模具用快速成形直接制造模具硅胶模具两种典型快速成形制造模具方法金属喷涂模6.5非金属材料的成形技术

6.5.1塑料成形

6.5.2橡胶成形

6.5.3陶瓷成形

6.5.4复合材料成形6.5非金属材料的成形技术6.5.1塑料成形

非金属材料是指除金属材料之外的所有材料的总称，包括有机高分子材料、无机非金属材料和复合材料三大类。

塑料是一类以天然或合成树脂为主要成分，在一定温度、压力条件下经塑制成形，并在常温下能保持形状不变的高分子工程材料。

塑料成形是指将粉状、粒状、纤维状和碎屑状固体塑料、树脂溶液或糊状等各种形态的塑料原料制成所需形状和尺寸的制品或半制品的技术。6.5非金属材料的成形技术6.5.1塑料成形1．注射成形注射成形示意图1—顶出杆4—颗粒塑料2—模具内腔3—加热器5—柱塞6—分流梳6.5非金属材料的成形技术6.5.1塑料成形2．挤出成形123挤出成形示意图1—料筒2—加热器3—冷却介质6.5非金属材料的成形技术6.5.1塑料成形3．压制成形压制成形又叫模压成形，将塑料原料放入金属模具内，加热加压，使其在模具内成形、硬化。这是热固性塑料通常采用的成形方法。所用设备为液压机、旋压机等。4．浇注成形6.5非金属材料的成形技术6.5.1塑料成形5．真空成形将热塑性塑料片放在模具中，周边压紧，加热器把塑料片加热至软化温度，然后将模具内腔抽成真空，软化的塑料片在大气的压力作用下与模具内表面贴合，冷却硬化后即得到所需的塑料制品。6．吹塑成形先制成熔融状态的塑料坯，将其置人金属模具内，用压缩空气把料坯吹胀并与模具内表面贴合，冷却硬化后打开模具即可取出中空的制品。常用于瓶、罐、筒类件的生产，并且仅限于热塑性塑料。6.5非金属材料的成形技术6.5.2橡胶成形

常用的橡胶有天然橡胶和合成橡胶。

天然橡胶是由天然胶乳经过凝固、干燥、加压等工序制成的片状生胶。

合成橡胶主要有丁苯橡胶、顺丁橡胶、聚氨酯橡胶、氯丁橡胶、丁腈橡胶、硅橡胶、氟橡胶等。

橡胶制品是以生胶为基础加入适量配合剂，然后再经过硫化成形获得。

橡胶制品的成形方法与塑料成形方法相似，主要有压制成形和注射成形等。6.5非金属材料的成形技术6.5.3陶瓷成形现代陶瓷从性能上可分为结构陶瓷和功能陶瓷两大类。

现代陶瓷的生产工艺过程与粉末冶金基本相同，分为原料粉末制取、成形和烧结三个阶段。

许多成形方法有模压成形、注浆成形、挤压成形、注射成形、冷等静压成形等。

在制取粉末方面有化学气相沉积法，气相冷凝法，气相化合物热分解法，液相化学沉积法等；在成形烧结工艺方面有热压法、热等静压法、爆炸法等。6.5非金属材料的成形技术6.5.4复合材料成形复合材料由两种或两种以上的不同的材料所组成：一种是基体材料，另一种是增强材料。1．树脂基复合材料的成形3425（1）手糊成形法161—模具4—玻璃纤维增加材料2—脱模剂3—胶衣层5—手动压辊6—树脂6.5非金属材料的成形技术6.5.4复合材料成形（2）喷射成形法（3）模压成形法45367121—玻璃纤维2—模具3—树脂＋引发剂4—切割器5—树脂＋促进剂6—压辊7—制品6.5非金属材料的成形技术6.5.4复合材料成形2．金属基复合材料的成形金属基复合材料主要以颗粒、晶须、短纤维和连续纤维为增强材料。金属基复合材料的成形过程也是基体与增强体复合的过程，其工艺方法按基体的状态大致可以分为液态法和固态法两大类。6.5非金属材料的成形技术6.5.4复合材料成形3．陶瓷基复合材料的成形陶瓷基复合材料的成形方法根据增强材料的形态不同可以分为两类。一类是对于用短纤维、晶须或颗粒等增强的陶瓷基复合材料，一般采用传统的陶瓷成形