第三章 先进制造工艺技术.ppt

1、第三章 先进制造工艺技术,第三章 先进制造工艺技术,一、制造工艺技术概述 二、特种加工技术 三、超声加工及振东切屑 四、微米/纳米技术 五、快速原型/制造技术,这个是什么？,六杆并联机床及其原理图,制造工艺技术概述,制造工艺技术：将原材料转化成具有一定几何形状、一定材料性能和精度要求的可用零件的一切过程和方法的总称。,机械制造工艺,电子工艺,通用机械制造工艺,制造工艺方法,成形工艺,变形工艺,切屑工艺,联接工艺,材料改性工艺,表面处理工艺,特种加工工艺,快速成形工艺,二、特种加工技术,3.2.1 概述： 特种加工亦称“非传统加工”或“现代加工方法”，泛指用电能、热能、光能、电化学能、化学能、声

2、能及特殊机械能等能量达到去除或增加材料的加工方法，从而实现材料被去除、变形 、改变性能或被镀覆等。,特种加工的特点,1. 主要利用电能、电化学能、声能、光 能、热能等去除材料，而不是主要依 靠机械能,2. 工具硬度可以低于被加工材料的硬度,3. 加工过程中工具和工件之间不存在显 著的切削力,常用特种加工方法分类表,激光加工是一种利用光能进行加工的方法。 激光是一种能量密度高、方向性强、单色性好的相干光。,3.2.2 激光加工,激光加工是利用光能经透镜聚焦以极高的能量密度靠光热效应加工各种材料的一种新工艺（简称LBM）。 激光是一束相同频率、相同方向和严格位相关系的高强度平行单色光。由于光束的发

3、散角通常不超过0.1，因此在理论上可聚焦到直径为光波波长尺寸相近的焦点上，焦点处的能量密度可达1081010W/cm2，温度可高达摄氏1万度，从而使任何材料均在瞬时（103s ）被急剧熔化乃至汽化，并产生强烈的冲击波被喷发出去，从而达到切除材料的目的。 常用的激光器按激活介质的种类可分为固体激光器和气体激光器。为固体激光器结构示意图。,一、激光加工原理,二、激光加工特点,1 激光加工不需要工具，没有工具损耗、更换 等问题。 2 工件无受力变形，易保证加工精度。 3 几乎能加工所有的金属和非金属材料 4 加工速度快，效率高，热影响区小 5 能进行细微加工 6 能够透过玻璃等透明介质进行加工,三、

4、激光加工的应用,1.激光打孔 金刚石拉丝模、宝石轴承、 化纤喷丝头、不锈钢板打孔。 2.激光切割,3.激光焊接 4.激光表面处理 5.激光快速成形,最新激光加工技术,3.2.3 光刻蚀技术,光刻蚀加工又称光刻加工或刻蚀加工。目前，光刻技术主要针对集成电路制作中得到高精度微细线条所构成的高密度微细复杂图形，是对薄膜表面及金属板表面进行精细、微小和复杂图形加工的技术。,1. 光刻蚀原理,所谓的光刻蚀就是使用电磁波频谱中的光束或电子、X射线和离子等射线，将光致抗腐蚀剂（光刻胶）形成规定图形的微细加工方法。,光刻工艺的一般过程 （1）掩膜制造。 （2）光刻蚀加工 1）涂胶 2）曝光 3）显形与烘片 4

5、）腐（刻）蚀 5）剥膜与检查,3.2.4 电子束加工,电子束加工（简称EBM）和离子束加工（简称IBM）是近年来得到高速发展的新兴特种加工。这两种加工主要用于精细加工领域，尤其是微电子领域。利用能量密度极高的高速电子细束，在高真空腔体中冲击工件，使材料熔化、蒸发、汽化，而达到加工目的。 1.电子束加工的原理,电子束加工原理图 1电源及控制系统 2抽真空系统 3电子枪系统 4聚焦系统 5电子束 6工件,2. 电子束加工的特点,1）电子束加工属于精细加工 ； 2）加工范围广 ，加工质量好； 3）生产率高； 4）加工过程易于实现自动化。,电子束加工的应用,高速打孔 加工型孔和特殊表面 焊接 刻蚀 热

6、处理,3.2.5 离子束加工,定义： 定义1：利用加速、聚焦而成的离子束轰击材料表面进行的加工。 定义2： 利用离子源产生的离子，在真空中经加速聚焦而形成高速高能的束状离子流，从而对工件进行加工的方法。,离子束加工原理和特点,离子束加工的物理基础是，当离子束打击到材料表面上，会产生所谓撞击效应、溅射效应和注入效应，从而达到不同的加工目的。 离子束加工装置中的主要系统是离子源，是其中一种，称为考夫曼型离子源。,图8-8 考夫曼型离子源 1真空抽气口 2灯丝 3惰性气体注入口 4电磁线圈 5离子束流 6工件 7阴极 8引出电极 9阳极 10电离室,离子束加工应用,刻蚀加工 镀膜加工 离子注入加工,

7、离子束注入,3.3. 超声加工,一. 超声加工的基本原理和加工装置 二. 超声加工的特点和应用,3.3.1 超声加工的基本原理和特点,3.3.2 振动切削,一.振动切削原理 二.振动切削的特点三.振动切削的及深孔加工技术,3.3.1 超声加工一.超声加工的基本原理和装置,超声波加工（ultrasonic machining，USM）是利用工具端面作超声频振动，通过磨料悬浮液加工硬脆材料的一种加工方法 超声波加工是磨料在超声波振动作用下的机械撞击和抛磨作用与超声波空化作用的综合结果，其中磨料的连续冲击是主要的,超声加工设备及其组成部分,超声波发生器 超声振动系统 机床本体 辅助系统,1-工作台2

8、-上具3-变幅杆4-换能器5-导轨6-支架7-平衡重锤,超声波发生器,作用：产生超声频率的电流,超声振动系统,超声换能器,超声加工机床,加工压力调节： 声部的自重 - 平衡重 调压机构：杠杆、弹簧、气动、电磁铁,（）加工范围广可加工淬硬钢、不锈钢、钛及其合金等传统切削难加工的金属、非金属材料。,（）切削力小、切削功率消耗低,（3）工件加工精度高、表面粗糙度低,（4）易于加工各种复杂形状的型孔、型腔和成型表面等，,（5）工具可用较软的材料做成较复杂的形状。,1.型孔、型腔加工 .切割加工 3超声波焊接 4复合加工,超声波焊接机,3.3.2超声振动切削,超声振动切削,一.振动切削原理,3.3.2

9、振动切削,振动切削是利用专门设置的振动装置，使刀具或工件产生某种有规律的可控振动进行切削的方法。 振动切削按刀具振动方向分为吃刀抗力方向、进给抗力方向和主切削力方向三种振动切削。,二.振动切削与传统切削相比，具有以下特点,切削力大大减小 刀一屑间摩擦因数只有传统切削的 1 / 10. 2. 切削温度明显降低 刀一屑间接触出现间歇，切削热更难以传到切削区，易于冷却，所以平均切削温度降到与室温差不多，切屑不变色，用手摸不会烫手 ;,3. 切削液的作用得到了充分发挥 超声波振动切削时会在切削液内产生“空化”作用，一方面使切削液均匀乳化，形成均匀一致的乳化液微粒；另一方面切削液微粒获得了很大能量更容易

10、进入切削区，从而提高了切削液的效果。 4.可控制切屑的形状和大小，改善排屑状况; 5. 提高加工精度和表面质量 .,三.振动切削的及深孔加工技术,振动切削在外圆加工、平面加工、孔加工、螺纹和齿轮的加工、切槽与切断加工磨料磨削加工、塑性加工中都取得了比较理想的效果。另外，近年来超声波振动切削在难加工材料中的应用也越来越受到人们的重视。 振动钻削能顺利地解决传统的钻孔工艺在排屑冷却等方面存在的困难，尤其适用于深孔和比较精密的小深孔加工,四、微米/纳米技术,科技向微小领域发展，由毫米级、微米级继而涉足纳米级，人们把这个领域的技术称之为微米/纳米技术。,国外纳米技术进展,1990年，IBM公司用原子排

11、出“IBM” 1991年，NEC实验室观察到碳纳米管 合成了其它纳米管材料,2.1 国外纳米技术进展,实心的纳米棒、纳米线、量子线,纳米技术进展,朗讯公司和牛津大学: 纳米镊子 碳纳米管“秤”，称量一个病毒的重量 称量单个原子重量的“纳米秤”,纳米技术的发展,1993年，中科院操纵原子写字,DNA开关,1.8微米/纳米技术前景展望,钱学森(1991)：“我认为，纳米左右和纳米以下的结构是下一阶段科技发展的重点，会是一次技术革命，从而将在21世纪又是一次产业革命。” 微米/纳米技术将改变生产方式，导致生活方式变革，带领我们进入崭新的21世纪。,3.5.1 国内外研究与发展状况 3.5.2 快速成

12、型特点和特点 3.5.3 快速成型技术的分类 3.5.4 SL（Stereolithography)工 艺原理 3.55 LOM（Laminated Object Manufacturing)工艺原理 3.5.6 SLS(Selective Laser SINTERING)工艺原理 3.5.7 FDM（Fused Deposition Modeling)工艺原理 3.5.8 3DP（Three Dimension Printing)工艺原理 3.5.9 快速成型技术的应用,3.5快速原型/制造技术,3.5.1 国内外研究与发展状况,美国产快速成型机,3.5.2 快速成形原理和特点,（1）高度柔

13、性 （2）技术的高度集成 （3）设计制造一体化 （4）快速性 （5）自由成形制造 （6）材料的广泛性,3.5.3 快速成型技术的分类,（1）使能技术为激光的快速成形工艺 （2）使能技术为微滴的快速方法 （3）使能技术为激光微滴技术,（1）使能技术为激光的快速成形工艺 1) SL(Stereolithography)工艺 2) SGC（Solid Ground Guring)工艺 3) LOM(Laminated Object Manufacturing)工艺 4) 间接SLS（Selective Laster Sintering)工艺 5) 直接SLS工艺 6) 激光工程化净成形技术（Last

14、er Engineering Net Shaping),（2）使能技术为微滴的快速方法 1）3DP (Three Dimensional Printing)工艺 2）PCM (Patternless Casting Manufacturing)工艺 3）FDM (Fused Deposition Modeling)工艺 4）BPM (Ballistic Paricle Manufacturing)工艺 5）3D P (Three Dimensional Plotting)工艺 6）MJS (Multiple Jet Solidification工艺 7）CC (Contour Craft)工艺

15、,3.5.4 SL(Sterolithograghy)工艺原理,SL（Stereolithography）工艺由Charles Hull在1984年获美国专利； 。 SL工艺也称光造型或立体光刻，SL技术是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的。 SL工艺方法是目前快速成型技术领域中研究最多的方法，也是技术上最为成熟的方法。这一方法的优点是成型精度高、成型零件表面质量好、原材料利用率接近100%，而且不产生环境污染，特别适合于制作含有复杂精细结构的零件；但这种方法也有自身的局限性，比如需要支撑、树脂收缩导致精度下降、光固化树脂有一定的毒性等。,3.55 LOM(Laminated Object M

16、aanufacturing)工艺原理,LOM工艺的基本原理是：首先将需进行快速成型的产品的三维图形输入计算机的成型系统，用切片软件对该三维图形进行切片处理，得到沿产品高度方向上的一系列横截面轮廓线。,与其它 RPT技术相比，LOM艺具有下列优点： （1）无需用激光束扫描所制模样的整个二维横截面，只需沿其横截面的内、外周边轮廓线进行切割。故在短时间内（如几小时、几十小时），就能制出形状复杂的零件模样。 （2）成型件的机械性能较高。LOM工艺的制模材料是用涂有热熔胶和特殊添加物，使其成型件硬如胶木，有较好的机械性能，表面光滑，能承受100200的高温，必要时可再对成型件进行机械加工。（3）成型件尺

17、寸大，LOM艺是最适合制造大尺寸模样的快速成型工艺。目前已制出的最大成型件尺寸为1200mm750mm550mm。如发动机、汽缸体等中大型精密铸件。 鉴于上述优点，LOM工艺己得到迅速发展。,3.5.6 SLS（Selective Laster Sintering)工艺原理,SLS快速成形系统的成形原理：成形材料：工程塑料粉末 制件性能：相当于工程塑料、蜡模、砂型； 主要用途： 塑料件、铸造用蜡模、样件或模型。 于该类成型方法有着制造工艺简单，柔性度高、材料选择范围内广、材料价格便宜，成本低、材料利用率高，成型速度快等特点，针对以上特点SLS法主要应用于铸造业，并且可以用来直接制作快速模具。,

18、3.5.7 FDM(Fused Deposition Modeling)工艺原理,FDM 的工艺原理 如图1 所示。快速成型机的加热喷头受计算机控制，根据水平 分层数据作x - y 平面运动。丝材由送丝机构送至喷头，经过加热 、熔化，从喷头挤出粘结到工作台面，然后快速冷却并凝固。每一 层截面完成后，工作台下降一层的高度，再继续进行下一层的造型 如此重复，直至完成整个实体的造型。每层的厚度根据喷头挤丝 的直径大小确定。 FDM 工艺关键是保持熔融的成型材料刚好在凝固点之上，通常 控制在比凝固点高1 左右2 。目前，最常用的熔丝线材主要是 ABS、人造橡胶、铸蜡和聚酯热塑性塑料等。1998 年澳大利亚开发 出了一种新型的金属材料用于FDM 工艺塑料复合材料丝。 FDM 快速成型工艺的过程 FDM 快速成型的过程包括:设计三维CAD 模型、CAD 模型的近似 处理、对STL 文件进行分层处理、造型、后处理。如图2 所示。,图1 FDM 工艺原理图,3.5.8 3D