第三章先進制造工藝技術(shù)提綱3.1先進制造工藝技術(shù)概述3.2超高速加工技術(shù)3.3超精密加工技術(shù)3.4微細加工技術(shù)3.5快速原型制造技術(shù)3.1先進制造工藝技術(shù)概述3.1.1制造工藝的基本概念3.1.2先進制造工藝的產(chǎn)生與發(fā)展3.1.3先進制造工藝的特點3.1.1制造工藝的基本概念

機械制造工藝是將各種原材料通過改變其形狀尺寸，性能或相對位置，使之成為成品或半成品的方法和過程。機械制造工藝流程是由原材料和能源的提供，毛坯和零件成形，機械加工，材料改性與處理，裝配與包裝，質(zhì)量檢測與控制等多個工藝環(huán)節(jié)組成。按照功能不同，將機械制造工藝分為三個階段：1）零件毛坯的成形準備階段，包括原材料切割、焊接、鑄造、鍛壓加工成形等2）機械切削加工階段，包括車削、鉆削、銑削、刨削、鏜削、磨削加工等3）表面改性處理階段，包括熱處理、電鍍、化學鍍、熱噴涂、涂裝等3.1.2先進制造工藝的產(chǎn)生與發(fā)展先進制造工藝是先進制造技術(shù)的核心和基礎(chǔ)，一個國家的制造工藝技術(shù)水平的高低，很大程度決定了其制造業(yè)在國際市場的競爭實力。其發(fā)展體現(xiàn)在以下幾方面：制造加工精度不斷提高切削加工速度迅速提高新型工程材料的應(yīng)用推動了制造工藝的進步和變革自動化和數(shù)字化工藝裝備的發(fā)展提高了機械加工的效率零件毛坯成形在向少無余量發(fā)展優(yōu)質(zhì)清潔表面工程技術(shù)的形成和發(fā)展

高效低耗潔凈靈活優(yōu)質(zhì)先進制造工藝的特點3.2超高速加工技術(shù)

3.2.1超高速加工概述3.2.2超高速加工定義與特征3.2.3超高速加工相關(guān)技術(shù)3.2.4超高速加工的應(yīng)用3.2.1超高速加工概述20世紀80年代，計算機控制的自動化技術(shù)的高速發(fā)展成為生產(chǎn)工程的突出特點，發(fā)達國家的數(shù)控率已達70－80％。隨著數(shù)控技術(shù)發(fā)展，切削工時占去總工時主要部分，成為生產(chǎn)率的主要部分。提高切削速度和進給速度，才能提高生產(chǎn)率，產(chǎn)生了超高速加工3.2.1超高速加工概述泰勒是最早研究金屬切削的學者，30年代，德國物理學家Salonmon提出了著名的薩洛蒙曲線，提出了超高速切削理論。50年代，美國工程師Robert使用了具有極高切削速度的獨特方法——彈道切削。70年代美國海軍和空軍與Lockheed飛機制造公司進行合作，研究超高速銑削。另外Salonmon的超高速切削理論對超高速磨削理論也有重要啟示。3.2.2超高速加工定義與特征超高速加工技術(shù)是指采用超硬材料刀具和磨具，利用能可靠實現(xiàn)高速運動的高精度，高自動化和高柔性的制造設(shè)備，以提高切削速度來達到提高材料切除率，加工精度和加工質(zhì)量的先進加工技術(shù)。優(yōu)越性：提高了加工效率和設(shè)備利用率，縮短了生產(chǎn)周期減少工件的熱變形和內(nèi)應(yīng)力，提高工件的加工精度提高加工表面質(zhì)量省去傳統(tǒng)的放電加工或磨削加工切削的優(yōu)越性高精度減少工序材料切除率高切削力低熱變形小3.2.3超高速加工相關(guān)技術(shù)1.超高速切削的相關(guān)技術(shù)超高速切削機床五項基本要求：適宜超高速的主軸部件快速響應(yīng)的數(shù)控系統(tǒng)快速的進給部件動靜熱剛度好的機床支承部件高壓大流量噴射的冷卻系統(tǒng)和安全裝置超高速切削的刀具系統(tǒng)超高速切削刀具系統(tǒng)的特點：刀片在刀體的定位要求加緊牢固、安全，刀具與機床的聯(lián)接可靠超高速切削加工的切削力隨著切削速度的提高而降低約30%切削溫度隨著切削速度的提高而緩慢提高道具的磨損主要由切削溫度、刀具-切屑之間和刀具-工件的相對速度決定的超高速切削的刀具材料超高速切削加工要求刀具材料與被加工材料的化學親和力要小，并且具有優(yōu)異的機械性能、熱穩(wěn)定性、抗沖擊性和耐磨性。目前適合于超高速切削的刀具材料主要有：涂層刀具材料、技術(shù)陶瓷刀具材料、陶瓷刀具材料、立方氮化硼（CBN)刀具材料、聚晶金剛石（PCD）刀具材料等。特點：大幅度提高磨削效率、減少設(shè)備使用臺數(shù)磨削力小，零件加工精度高降低加工工件表面的粗糙度砂輪壽命延長改善加工表面完整性2.超高速磨削技術(shù)超高速磨削的關(guān)鍵技術(shù)超高速主軸超高速磨削砂輪結(jié)構(gòu)應(yīng)具有強度高、抗沖擊強度高、耐熱性好、微破碎性好、雜質(zhì)含量低等優(yōu)點砂輪的修整：整形和修銳超高速磨削的磨削液及其注入系統(tǒng)磨削液分類：油基磨削液和水基磨削液常用注入方法：手工供液法、澆注法、高壓噴射法、利用開槽砂輪法等3.2.4超高速加工的應(yīng)用超高速切削加工主要用于汽車工業(yè)大批生產(chǎn)，難加工材料，超精密微細切削，復(fù)雜曲面加工等領(lǐng)域。航空工業(yè)的應(yīng)用，飛機制造直接采用毛坯高速切削加工，從而降低飛機重量。在汽車制造業(yè)為了滿足市場個性化需求而由大批量生產(chǎn)逐步轉(zhuǎn)向為多品種變批量生產(chǎn)，由柔性生成線代替了組合機床剛性生產(chǎn)線，高速的加工中心將柔性生產(chǎn)的效率提高到組合機床生產(chǎn)線的水平。模具制造業(yè)是高速加工技術(shù)的主要受益者。高速加工技術(shù)在模具行業(yè)的應(yīng)用，無論是在減少加工準備時間，縮短工藝流程，還是縮短切削加工時間方面都具有極大的優(yōu)勢。3.3.1超精密加工概述3.3.2超精密加工定義與特征3.3.3超精密加工相關(guān)技術(shù)3.3.4超精密加工的應(yīng)用193.3超精密加工技術(shù)

精密加工指在一定的發(fā)展時期，加工精度和表面質(zhì)量達到較高程度的加工工藝。超精密加工指的是在一定的發(fā)展時期，加工精度和表面質(zhì)量達到最高程度的加工工藝。

203.3.1超精密加工概述幾種典型精密零件的加工精度超精密加工涉及的技術(shù)領(lǐng)域包括：超精密加工機理超精密加工的刀具，磨具及其制備技術(shù)超精密加工機床設(shè)備超精密測量及補償技術(shù)嚴格的工作環(huán)境超精密加工的發(fā)展3.3.2超精密加工定義與特征超精密加工，加工精度高于0.1um,表面粗糙度小于Ra0.01um的加工方法，主要包括超精密切削（車、銑）、超精密磨削、超精密研磨以及超精密特種加工。超精密加工方法分類：根據(jù)加工過程材料重量的增減分為：去除加工、結(jié)合加工、變型加工根據(jù)機理和能力性質(zhì)分為力學加工、物理加工、化學與電化學加工和負荷加工超精密加工方法分類：超精密加工特點凈化加工原則微量切削機理形成綜合制造工藝與自動化技術(shù)聯(lián)系密切加工與檢測一體化特種加工與復(fù)合加工方法應(yīng)用越來越多3.3.3超精密加工相關(guān)技術(shù)1．超精密切削加工刀具的性能：極高的硬度、耐用度和彈性模量，刃口鋒銳，刀刃無缺陷，與工件抗黏結(jié)性好、化學親和性低、摩擦系數(shù)低金剛石刀具的特性：硬度高，鋒銳刃口無缺陷，熱化學性能優(yōu)越導熱性好，耐磨性好刀刃強度高刀刃形狀對加工質(zhì)量的影響刀刃半徑對加工質(zhì)量的影響2．超精密磨削加工超精密磨削砂輪砂輪的修整磨削速度和磨削液3．超精密研磨、拋光加工4．超精密特種加工激光束加工原理，特點，基本設(shè)備電子束加工原理，特點，基本設(shè)備離子束加工原理，特點，基本設(shè)備5．機床設(shè)備特征：高精度、高剛度、高穩(wěn)定性、高自動化精密主軸部件精密導軌微量進給裝置6.加工環(huán)境凈化的空氣環(huán)境恒定的溫度環(huán)境較好的抗振動干擾環(huán)境3.3.4超精密加工的應(yīng)用更高效率，更高精度大型化，微型化加工檢測一體化機床向多功能模塊化方向發(fā)展新原理、新方法、新材料的不斷發(fā)展3.4微細加工技術(shù)3.4.1微機械概述3.4.2微細加工概述3.4.3微細加工相關(guān)技術(shù)3.4.4微細加工的發(fā)展與趨勢3.4.1微機械概述微型機械的概念由RichardPF于1959年提出，第一個硅微型壓力傳感器于1962年問世。1994年美國國防部將MEMS列為關(guān)鍵技術(shù)。德國首創(chuàng)的LIGA為MEMS的發(fā)展提供了新的技術(shù)手段。微機械按照尺寸特征分為：1～10mm的微小機械；1um～1mm的微機械；1nm～1um的納米機械。制造微機械常用的微細加工，又可以分為：微米級微細加工，亞微米級微細加工和納米級微細加工等微機械的基本特征體積小，精度高，重量輕性能穩(wěn)定，可靠性高能耗低，靈敏度和工作效率高多功能，智能化適應(yīng)于大批量生產(chǎn)，制造成本低微機械研究內(nèi)容理論基礎(chǔ)微電子學、微機械學、微光學、微動力學、微流體力學、微熱力學、微摩擦學、微結(jié)構(gòu)學、微生物學等共同構(gòu)成了微機械研究的理論基礎(chǔ)。技術(shù)基礎(chǔ)微機械設(shè)計、微機械材料、微細加工、微裝配與封裝、集成技術(shù)、微測量、微能源、微系統(tǒng)控制等應(yīng)用研究

微機械在精密儀器、醫(yī)療衛(wèi)生、生物工程，特別在空間狹小、操作精度高、功能高度集成的航空航天機載設(shè)備領(lǐng)域有著巨大應(yīng)用潛力。如微型傳感器、微型執(zhí)行器、微型光機電器件和系統(tǒng)、微型機器人、微型飛行器、微型動力系統(tǒng)等。3.4.2微細加工概述微細加工技術(shù)指制作微機械或微型裝置的加工技術(shù)。微細加工是指加工尺度為微米級范圍的加工方式，是MEMS發(fā)展的重要基礎(chǔ)，它起源于半導體制造工藝。廣義的微細加工方式十分豐富，包含了微細機械加工，各種現(xiàn)代特種加工，高能束加工等方式。InserttexthereInserttexthereInserttexthereInserttexthereInserttexthre結(jié)合加工變形加工材料處理材料改性分離加工加工類型微細加工特點從加工對象看，微細加工不但加工尺度小，而且被加工對象的整體尺寸也很微小。必須針對不同對象和加工要求，具體考慮不同的加工方法和手段微細加工在加工目的、加工設(shè)備、制造環(huán)境、材料選擇與處理、測量方法和儀器等方面有特殊的要求。3.4.3微細加工相關(guān)技術(shù)◆

超微機械加工◆光刻加工◆

刻蝕技術(shù)◆

LIGA技術(shù)◆薄膜制備技術(shù)◆

犧牲層技術(shù)◆

分子裝配技術(shù)

微型超精密加工機床機構(gòu)示意圖光刻技術(shù)RaithE-LINE電子束光刻機離子刻蝕技術(shù)LIGA技術(shù)薄膜制備技術(shù)離子濺射鍍膜機3.4.4微細加工的發(fā)展與趨勢加工方法的多樣化提高微細加工的經(jīng)濟性加工材料的多樣化加快微細加工機理的研究微細加工的發(fā)展與趨勢3.5快速原型制造技術(shù)3.5.1快速原型制造技術(shù)概述3.5.2快速原型制造的定義與特征3.5.3快速原型制造相關(guān)技術(shù)3.5.4快速原型制造的應(yīng)用3.5.1快速原型制造技術(shù)概述

隨著制造業(yè)競爭的日益加劇，產(chǎn)品的開發(fā)速度和制造技術(shù)的柔性變得十分關(guān)鍵，從技術(shù)角度，計算機科學、CAD技術(shù)、材料科學、激光技術(shù)的發(fā)展和普及成為新的制造技術(shù)產(chǎn)生奠定了基礎(chǔ)?？焖僭图夹g(shù)于20世紀80年代在美國問世，并很快完成了數(shù)種RPM工藝技術(shù)的研究，開發(fā)與商品化過程。目前，全球有數(shù)十種RPM工藝技術(shù)，1995年市場增長率為49％，1996年RPM設(shè)備市場銷售額大4.2億美元，1998年達10億美元。3.5.2快速原型制造的定義與特征RPM技術(shù)是集CAD技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、材料科學、機械工程、電子技術(shù)和激光等技術(shù)于一體的綜合技術(shù)，是實現(xiàn)從零件設(shè)計到三維實體原型制造的一體化系統(tǒng)技術(shù)，它采用軟件離散－材料堆積的原理實現(xiàn)零件的成形過程，原理如圖所示：其工藝流程為：零件CAD數(shù)據(jù)模型的建立數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換文件的生成分層切片層片信息處理快速堆積成形（1）零件CAD數(shù)據(jù)模型的建立設(shè)計人員可以應(yīng)用各種三維CAD造型系統(tǒng)，將構(gòu)思的零件概念模型轉(zhuǎn)換為三維CAD數(shù)據(jù)模型，也可通過激光掃描儀、核磁共振圖像等方法對三維實體進行反求，獲取三維數(shù)據(jù)，以此建立實體的CAD模型。（2）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換文件的生成由三維造型系統(tǒng)將零件CAD數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換成一種可以被快速成型系統(tǒng)接受的數(shù)據(jù)文件。（3）分層切片

分層切片處理是根據(jù)成型工藝的要求，按照一定的離散規(guī)則將實體模型離散為一系列有序的單元。（4）層片信息處理根據(jù)每個層片的輪廓信息，進行工藝規(guī)劃，選擇合適成型參數(shù)，自動生成數(shù)控代碼。（5）快速成型堆積快速成型系統(tǒng)根據(jù)切片的輪廓和厚度要求，用片材、絲材、液體或粉末材料制成所要求的薄片，通過一片片的堆積，最終完成三維形體原型的制備。計算機建模圖制造過程柔性化技術(shù)的高度集成化設(shè)計制造一體化產(chǎn)品開發(fā)快速化制造自由成形化材料使用廣泛性RPM的特征RPM的經(jīng)濟效益RPM技術(shù)大大簡化了工藝規(guī)程、工裝裝備、裝配等過程，很容易實現(xiàn)由產(chǎn)品模型驅(qū)動直接制造，采用RPM技術(shù)為核心的自由制造系統(tǒng)，能在以下方面收效顯著：（1）從設(shè)計和工程角度出發(fā)，增加零件的復(fù)雜性，無需受時間和成本的約束；可制造性方面限制減弱，優(yōu)化的約束減少；零件設(shè)計無需考慮毛坯形狀的限制，工裝卡具；減少零件數(shù)量使設(shè)計花于精度、裝配的時間