《机械制造工艺学（第三版）》课件 第八章 先进制造工艺技术

§8-1特种加工技术12§8-2超精密加工技术3§8-3高速加工技术§8-4增材制造技术4§8-1特种加工技术一、电解加工1.电解加工原理特种加工是指利用电能、热能、光能、化学能、声能及特殊机械能等能量去除或增加材料的加工方法。加工时工件接直流电源正极，工具接电源负极，两极之间保持一定的间隙（0.1～1mm），具有一定压力（0.5～2.5MPa）的氯化钠电解液从两极间的间隙中高速流过，在电场作用下，工件表面金属产生阳极溶解，溶解产物被电解液带走。（1）加工范围广，可以加工硬质合金、淬火钢、不锈钢、耐热合金等高硬度和高韧性金属材料，并可加工叶片、锻模等各种复杂型面。（2）生产效率高，为电火花加工的5～10倍。（3）加工中无切削力和切削热，适用于易变形工件或薄壁工件的加工。（4）工具无损耗。电解加工工具不与工件接触，正常加工条件下工具不损耗。（5）能获得较高的加工精度和表面质量，表面粗糙度值可达Ra1.25～0.2μm，工件的尺寸误差可控制在-0.1～0.1mm范围内。（6）设备占地面积大，加工批量小时单件成本高。（7）需要处理废液、废气、废渣，防止污染环境。（8）加工精度和加工稳定性高。2.电解加工的特点（1）型腔加工（2）型面加工（3）深孔扩孔加工（4）型孔加工（5）倒钝锐边、去毛刺（6）套料加工3.电解加工的应用范围电铸加工是利用金属在电铸溶液中产生阴极沉积的原理来获得制件的特种加工方法。二、电铸加工用可导电的原模作为阴极，用于电铸的金属作为阳极，金属盐溶液作为电铸溶液，金属盐溶液中金属离子的种类要与阳极金属材料相同。在直流电源的作用下，电铸溶液中金属离子在阴极被还原成金属，沉积于原模表面，而阳极金属则源源不断地变成离子溶解到电铸溶液中进行补充，使溶液中金属离子的浓度保持不变。当阴极电铸层逐渐加厚达到要求的厚度时，与原模分离，即可获得与原模形状相反的电铸件。超声波加工是利用工具的超声频振动，通过工件与工具之间的磨料悬浮液进行加工的方法。三、超声波加工加工时，液体（通常为水或煤油）和微细磨料混合的悬浮液被送入工件与工具之间。超声波发生器将工频交流电转变为具有一定功率输出的超声频电振荡能源，再由换能器转换成超声纵向机械振动，然后由变幅杆把振幅放大到0.05～0.1mm，驱动工具端面进行超声频振动，迫使悬浮液中的磨料以很大的速度撞击被加工表面，将加工区域的材料撞击成很细的微粒，并被悬浮液带走。随着工具的不断进给，工具的形状便被复印在工件上。激光加工是把具有足够能量的激光束聚焦后照射到所加工材料的适当部位，在极短的时间内，光能转变为热能，被照部位迅速升温，材料发生熔化、汽化、金相组织变化，从而实现对工件材料的去除、连接、改性或分离等加工。四、激光加工1.激光加工原理激光加工设备由电源、激光器、光学系统和机械系统等组成，激光器将电能转化为光能，产生激光束，经光学系统聚焦后照射在工件表面上进行加工。工件固定在可移动的工作台上，工作台由数控系统控制和驱动。（1）激光打孔（2）激光切割（3）激光打标（4）激光热处理（5）激光焊接2.激光加工的应用范围电子束加工是在真空条件下利用聚焦后能量密集度极高（106～109W/cm2）的电子束，以极高的速度冲击到工件极小部位上，在极短的时间内，其能量的大部分转变为热能，使被冲击部分的工件材料达到几千摄氏度的高温，从而使材料局部熔化和汽化，被真空系统抽走而进行加工的方法。五、电子束加工1.电子束加工原理在真空条件下，用电流加热阴极，产生的电子在高能电场的作用下加速，并经电磁透镜聚焦成高能量、高速度的电子束流，冲击工件表面极小的面积，冲击过程中其动能转换成热能加热工件，在冲击处形成局部高温，使材料熔化甚至汽化，实现加工。2.电子束加工的应用范围（1）电子束打孔（2）加工型孔及特殊表面§8-2超精密加工技术一、概述

1.超精密加工的内涵

2.超精密加工所涉及的技术范围

（1）超精密加工机理超精密加工是从被加工表面去除一层微量的表面层，包括超精密切削、超精密磨削和超精密特种加工。（2）超精密加工刀具、磨具及其制备技术包括金刚石刀具的制备与刃磨、超硬砂轮的修整。（3）超精密加工机床设备超精密加工对机床设备有高精度、高刚度、高抗振性、高稳定性和高自动化的要求，且应具有微量进给机构。（4）精密测量及补偿技术超精密加工必须有相应级别的测量技术和测量装置，具有在线测量和误差补偿功能。（5）严格的工作环境

超精密加工必须具备各种物料效应恒定的工作环境，如恒温、净化、防振和隔振。二、超精密切削加工

采用金刚石刀具进行超精密车削，适用于铜、铝等非铁金属及其合金以及光学玻璃、大理石和碳素纤维等非金属材料的精密切削加工。（4）耐磨性能好，切削刃强度高。刀具磨损极慢，刀具寿命极高。（2）能磨出极其锋利的刃口，且切削刃没有缺口、崩刃等现象。（3）热化学性能优越、导热性能好，与有色金属间的摩擦因数低、亲和力小。金刚石刀具的性能特征（1）具有极高的硬度，硬度达到6000～10000HV。三、超精密磨削加工超精密磨削加工是加工精度达到或高于0.1μm、表面粗糙度值小于Ra0.025μm的一种亚微米级的加工方法，并正在向纳米级发展。超精密磨削的关键在于砂轮的选择、砂轮的修整和高精度的磨削机床。2．超精密磨削砂轮的修整修形：使砂轮达到一定精度要求的几何形状修锐：去除磨粒间的结合剂,使磨粒突出结合剂一定的高度,形成足够的切削刃和容屑空间1．超精密磨削砂轮砂轮材料多为金刚石和立方氮化硼（CBN）磨料。CBN磨料比金刚石磨料的热稳定性好、化学惰性强，其热稳定性可达1250～1350℃，而金刚石磨料只有700～800℃。3．磨削速度和磨削液金刚石砂轮的磨削速度为12～30m/s，热稳定性为700～800℃。立方氮化硼砂轮的磨削速度可达80～100m/s。磨削液除了具有润滑、冷却、清洗功能之外，还具有渗透性、防锈、提高切削性等功能。金刚石砂轮磨削硬质合金时，普遍采用煤油；CBN砂轮磨削时宜采用油性液。四、超精密加工机床与设备1．精密主轴部件超精密加工机床的主轴要求达到极高的回转精度，其关键在于所用的精密轴承。超精密机床主轴采用液体静压轴承和空气静压轴承。2．床身和精密导轨床身采用人造花岗岩。导轨：液体静压导轨

气浮导轨

空气静压导轨

空气静压导轨的整个导轨在上下、左右静压空气的约束下悬浮起来，基本没有摩擦力，具有较好的刚度和运动精度。3．微量进给装置

微量进给装置有机械式、液压传动式、弹性变形式、压电陶瓷。

压电陶瓷器件在预压应力状态下与弹性载体刀夹和后垫块粘结安装，在电压作用下陶瓷伸长，实现刀夹微量进给运动。五、超精密加工支持环境1．净化的空气环境必须对周围空气环境进行净化处理。2．恒定的温度环境恒温基数：空气的平均温度，我国规定为20℃。恒温精度：相对平均温度所允许的偏差值。3．较好的抗振动干扰环境振动使加工和被加工物体间产生多余的相对运动。§8-3高速加工技术一、高速加工的概念德国萨洛蒙高速切削理论:一定的工件材料对应有一个临界切削速度,在该切削速度下其切削温度最高。随着切削速度的增加，切削温度也不断升高，当切削速度达到临界速度之后，切削温度将不再继续升高，反而随着切削速度的增加而下降。1．切削力低

高速切削速度高，材料切削变形区内的剪切角增大，切屑流出速度加快，致使切削变形减小。2．热变形小

切削时90%以上的切削热来不及传给工件就被高速流出的切屑带走，工件温度上升一般不超过3℃。3．材料切除率高

高速切削单位时间内的材料切除率可提高3～5倍。4．提高加工质量

加工过程平稳，切削振动小，可实现高精度、低表面粗糙度的高质量加工。5．简化工艺流程

可直接加工淬硬材料，很多情况下可完全省去电火花加工和人工打磨等光整加工工序。二、高速切削加工的关键技术1．高速主轴单元

高速切削机床主轴转速通常高于10000r/min。

“电主轴”单元：重量轻、振动小、噪声低、结构紧凑。2．快速进给系统

直线电动机直接驱动进给系统的进给速度可达到160m/min，定位精度达0.5～0.05μm。3．先进的机床结构

高速切削机床多采用龙门式立柱型对称结构及箱中箱结构。

不少高速切削机床床身采用聚合物混凝土等高阻尼特性材料；有些高速机床通过传感控制使主轴油温与机床床身的温度保持一致。4．高速切削刀具

高速切削通常采用的刀具有：硬质合金涂层刀具、陶瓷刀具、聚晶金刚石刀具、立方氮化硼刀具。5．高性能CNC控制系统

采用64位CPU系统，配置功能强大的计算处理软件，具有加速预插补、前馈控制、精确适量补偿和最佳拐角减速控制等功能。有极高的运动轨迹控制精度，及优异的动力学特征。§8-4增材制造技术一、增材制造技术的基本原理增材制造技术工艺过程1．建立三维实体模型

用三维CAD软件将设计对象构建成三维模型；或通过三坐标测量仪、激光扫描仪、三维实体影像等手段对三维实体进行反求，获取实体的三维数据，以此建立实体的CAD模型。2．生成数据转换文件将所建立的CAD三维实体数据模型转换为能够被增材制造系统所接受的数据格式文件，如STL、IGES。3．分层切片

将CAD三维实体模型沿给定的方向切成一个个二维薄层片。薄片厚度越小，精度越高。4．逐层堆积成形根据切片的轮廓和厚度要求，用粉材、丝材、片材等完成每一切片成形，通过一片片堆积，最终完成三维实体的成形制造。5．成形实体的后处理去除不必要的支撑结构或粉末材料，根据要求进行固化、修补、打磨、表面强化以及涂覆。二、增材制造方法1.光固化（SLA）成形

采用紫外线逐层扫描液态光敏聚合物（如丙烯酸树脂、环氧树脂等），使液态材料固化并逐渐堆积成形。2.分层实体（LOM）成形

在薄片材料（如纸、金属箔、塑料薄膜等）表面涂覆热溶胶，根据每层截面形状进行切割粘贴，实现零件的立体成形。3.选区激光烧结（SLS）成形

根据零件模型分层截面信息，采用激光器在计算机控制下对预热的粉末进行有选择的烧结，将全部分层逐层烧结完后，去掉多余的粉末，即获得成形的零件。4.熔融沉积（FDM）成形

将材料加热到熔融状态后，从细小的喷嘴中挤出并沉积在平面上实现成形。5.金属零件激光熔融沉积（LDMD）成形

以激光束为热源，通过自动送粉装置将金属粉末同步、精确地送入激光在成形表面上所形成的熔池中。随着激光斑点的移动，粉末不断地送入熔池中熔化然后凝固，最终得到所需要的形状。6.激光选区熔化（SLM）成形SLM是一种基于粉末床的铺粉成形技术，它是以金属粉末为成形材料，在真空环境下以激光为热源，将零件CAD模型分层进行切片，由计算机控制扫描振镜带动激光束沿分层切片的图形轨迹运动，扫描选定区域内预铺好的金属粉末层，使其熔化并沉积出与切片厚度一致、形状为零件所在分层横截面的金属薄层，逐层进行该过程直到零件全部成形。7.电子束选区熔化（EBM）成形EBM技术的成形室必须为高真空，才能保证设备正常工作。EBM是以电子束为热源，金属材料对其几乎没有反射，能量吸收率大幅度提高。在真空环境下，熔化后材料的润湿性大大增强，增加了熔池之间、层与层之间的冶金结合强度。8.电子束熔丝沉积（EBF）成形

在真空环境中，以电子束为热源，以金属丝材为成形材料，通过送丝装置将金属丝送入熔池并按设定轨迹运动，直到成形出目标零