1、第三章 先進(jìn)制造工藝技術(shù),3.1 概述 3.2 材料受迫成形工藝技術(shù) 3.3 超精密加工技術(shù) 3.4 高速加工技術(shù) 3.5 快速原型制造技術(shù) 3.6 微細(xì)加工技術(shù) 3.7 表面工程技術(shù) 3.8 現(xiàn)代特種加工技術(shù),第一節(jié) 概述 3.1.1 機(jī)械制造工藝定義與內(nèi)涵 3.1.2 先進(jìn)制造工藝的產(chǎn)生和發(fā)展,機(jī)械制造工藝三階段： 零件毛坯的成形準(zhǔn)備階段 機(jī)械切削加工階段 表面改性處理階段 上述階段劃分逐漸模糊、交叉，甚至合而為一,3.1.1 機(jī)械制造工藝定義與內(nèi)涵,原材料,成品 半成品,機(jī)械制造工藝定義,改變形狀,尺寸,性能,位置,機(jī)床、工具,機(jī)械制造工藝流程,制造加工精度 18世紀(jì)，其加工精度為1mm

2、； 19世紀(jì)末，0.05mm； 20世紀(jì)初，m級(jí)過(guò)渡； 20世紀(jì)50年代末，實(shí)現(xiàn)了m級(jí)的加工精度； 目前達(dá)到10nm的精度水平。 切削加工速度 20世紀(jì)前，碳素鋼，耐熱溫度低于200C，10m/min； 20世紀(jì)初，高速鋼，500-600C，30-40m/min； 20世紀(jì)30年代，硬質(zhì)合金，800-1000C， 數(shù)百米/min; 目前陶瓷、金剛石、立方氮化硼，1000C以上， 一千至數(shù)千米/min。,3.1.2 先進(jìn)制造工藝的產(chǎn)生和發(fā)展,切削速度隨刀具材料的變更而提高,新型工程材料的應(yīng)用 類(lèi)型：超硬材料、超塑材料、高分子材料、 復(fù)合材料、工程陶瓷等 對(duì)制造工藝貢獻(xiàn)： 改善刀具切削性能，改進(jìn)加

3、工設(shè)備； 促進(jìn)特種加工工藝發(fā)展。 自動(dòng)化和數(shù)字化工藝裝備的發(fā)展 單機(jī)自動(dòng)化 系統(tǒng)自動(dòng)化 剛性自動(dòng)化 柔性自動(dòng)化 綜合自動(dòng)化,毛坯成形技術(shù)在向少、無(wú)余量發(fā)展 如：熔模精密鑄造、精密鍛造、 精密沖裁、冷溫?cái)D壓等新工藝。 表面工程技術(shù)的形成和發(fā)展 表面工程：通過(guò)表面涂覆、表面改性、表面加工、表面復(fù)合處理改變零件表面形態(tài)、化學(xué)成分和組織結(jié)構(gòu)，以獲取與基體材料不同性能的一項(xiàng)應(yīng)用技術(shù)。 如：電刷鍍、化學(xué)鍍、物理氣相沉積、化學(xué)氣象沉積、熱噴涂、化學(xué)熱處理、激光表面處理、離子注入等。,第二節(jié) 材料受迫成形工藝技術(shù),3.2.1 精密潔凈鑄造成形 3.2.2 精確高效金屬塑性成形工藝 3.2.3 粉末鍛造成形工藝

4、 3.2.4 高分子材料注射成形,機(jī)械零件成形方法： 受迫成形 在特定邊界和外力約束下成形，如鑄造、鍛壓、粉末冶金和注射成形等； 去除成形 將材料從基體中分離出去成形，如車(chē)、銑、刨、磨、電火花、激光切割； 堆積成形 將材料有序地合并堆積成形，如快速原形制造、焊接等。,自硬砂精確砂型鑄造 粘土砂造型 鑄件質(zhì)量差、生產(chǎn)效率低 勞動(dòng)強(qiáng)度大、環(huán)境污染嚴(yán)重 自硬樹(shù)脂砂造型 高強(qiáng)度、高精度、高潰散性 低勞動(dòng)強(qiáng)度，適合于各種復(fù)雜鑄件型芯制作 鑄件壁厚可 2.5mm,3.2.1 精密潔凈鑄造成形,精確鑄造成形技術(shù),高緊實(shí)砂型鑄造 可提高鑄型強(qiáng)度、剛度和硬度 減少金屬液澆注凝固時(shí)型壁移動(dòng) 降低金屬消耗、減少缺陷

5、 提高精度、粗糙度提高2-3級(jí),氣沖造型,消失模鑄造 利用泡沫塑料作為鑄造模型，并在其四周填砂，不分上下模，泡沫塑料在澆注過(guò)程中氣化。 可避免砂型潰散 可消除起模斜度，減小鑄件壁厚 能夠獲得表面光潔、尺寸精確 無(wú)飛邊、少無(wú)余量精密鑄件,泡沫塑料模 造型 澆注過(guò)程 鑄件,特種鑄造技術(shù) 類(lèi)型：壓力鑄造、低壓鑄造、熔模鑄造 真空鑄造、擠壓鑄造等。 壓力鑄造：金屬模，以壓力澆注取代重力澆注， 鑄件精確、表面光潔、內(nèi)部致密。,金屬模壓鑄機(jī)壓鑄過(guò)程,合型 壓鑄 開(kāi)模,潔凈的能源 以感應(yīng)電爐代替沖天爐，減輕對(duì)空氣的污染 無(wú)砂和少砂鑄造 如壓力鑄造、金屬型鑄造、擠壓鑄造等 清潔無(wú)毒材料 使用無(wú)毒無(wú)味變質(zhì)劑、精

6、煉劑、粘結(jié)劑等 高潰散性型砂工藝 樹(shù)脂砂、酯硬化水玻璃砂工藝 廢棄物再生和綜合利用 鑄造舊砂再生回收、熔煉爐渣處理和綜合利用 鑄造機(jī)器人或機(jī)械手 以代替工人在惡劣條件下工作,清潔（綠色）鑄造技術(shù),鑄造過(guò)程計(jì)算機(jī)仿真 在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行虛擬澆鑄，分析預(yù)測(cè)鑄液充填及凝固過(guò)程，預(yù)測(cè)不合理鑄造工藝缺陷，對(duì)不同鑄造工藝方案作出最優(yōu)的選擇。 鑄造過(guò)程仿真發(fā)展 60年代丹麥學(xué)者開(kāi)始用計(jì)算機(jī)對(duì)鑄件凝固過(guò)程進(jìn)行模擬 隨后工業(yè)國(guó)家相繼開(kāi)發(fā)了鑄造過(guò)程計(jì)算機(jī)模擬軟件，如： 德國(guó) MACMAsoft 軟件， 英國(guó) Procast 軟件， 清華大學(xué) Flsoft 軟件等。,鑄造過(guò)程計(jì)算機(jī)模擬,精密模鍛 利用模鍛設(shè)備鍛造出鍛件

7、形狀復(fù)雜、精度高的模鍛工藝，比普通鍛件高1-2個(gè)精度等級(jí)。,3.2.2 精確高效金屬塑性成形工藝,模鍛坯料 普通模鍛 去氧化皮 精密模鍛,錐齒輪的精密模鍛工藝,超塑性成形 超塑性現(xiàn)象：在一定內(nèi)部條件（如晶粒形狀、相變）和外部條件（如溫度、應(yīng)變速率）下，呈現(xiàn)出異常低的流變抗力、異常高的延伸率現(xiàn)象。目前已知鋅、鋁、銅等合金超塑性達(dá)1000%，有的甚至達(dá)2000%。 金屬超塑性類(lèi)型： 細(xì)晶超塑性（恒溫超塑性） 內(nèi)在條件：具有均勻、穩(wěn)定等軸細(xì)晶組織（10m）； 外在條件：特定溫度和變形速率（10-4-10-5min-1）。 相變超塑性（環(huán)境超塑性） 在材料相變點(diǎn)溫度循環(huán)變化，同時(shí)對(duì)試樣加載。,超塑性成

8、形工藝應(yīng)用 飛機(jī)鈦合金組合件 原需幾十個(gè)零件組成，用超塑性成形后，可一次整體成形，大大減輕了構(gòu)件的質(zhì)量，提高了結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。 超塑性等溫模鍛 薄板加熱到超塑性溫度，在壓力作用下產(chǎn)生超塑性變形，直至同模具貼合為止。,超塑性 氣壓成形,精密沖裁 呈純剪切分離沖裁工藝，通過(guò)模具改進(jìn)提高精度，可達(dá)IT6-9級(jí)，Ra1.6-0.4m。,三種光潔沖裁凹模結(jié)構(gòu),橢圓凹模 圓角凹模 倒角刃口,負(fù)間隙沖裁,帶齒圈壓板精沖,精密沖裁,輥軋工藝 用軋輥對(duì)坯料連續(xù)變形加工工藝，生產(chǎn)率高、質(zhì)量好、材料消耗少。,輥鍛軋制,輾環(huán)軋制,3.2.3 粉末鍛造成形工藝,粉末制取,粉末鍛造成形工藝,粉末冶金 + 精密鍛造,模壓成形,

9、型坯燒結(jié),鍛前加熱,鍛 造,后續(xù)處理,粉末鍛造件優(yōu)點(diǎn)： 能源消耗低，材料利用率高 為普通鍛造能耗49%，材料利用率達(dá)90%，普通鍛造僅40-60%； 鍛件精度高，力學(xué)性能好 組織無(wú)偏析，無(wú)各向異性； 疲勞壽命高 比普通鍛造提高20%，高速鋼工具壽命可提高兩倍以上。,粉末鍛造模具,注射成形原理,3.2.4 高分子材料注射成形,粉狀塑料注入,螺桿推進(jìn),送進(jìn)加熱區(qū),通過(guò)分流梭,噴嘴噴出,注入模腔,注射成形工藝過(guò)程,冷卻成形,氣體輔助成形： 將惰性氣體注入，在成品較厚部分形成空腔，使成品壁厚均勻，可防止縮痕或翹曲產(chǎn)生。,注射成形新技術(shù),氣體輔助注射成形原理,注射壓縮成形：可采用較低的注射壓力成形薄壁制

10、品，適用于流動(dòng)性較差的制品。,整體壓縮注射成形,模具滑合成形法 適用于中空制品和不同材料復(fù)合體,模具滑合成形動(dòng)作原理,剪切場(chǎng)控制取向成形法：使材料纖維取向與流動(dòng)方向一致，可提高熔接痕強(qiáng)度，消除縮孔和縮痕。,剪切場(chǎng)控制取向成形法原理,直接注射成形法 不需混煉造粒過(guò)程，可將填充劑均勻地分散在基體樹(shù)脂中，直接注射成制品。,直接注射成形機(jī)螺桿壓縮段剖面圖,第三節(jié) 超精密加工技術(shù) 3.3.1 概述 3.3.2 超精密切削加工 3.3.3 超精密磨削加工 3.3.4 超精密加工的機(jī)床設(shè)備 3.3.5 超精密加工環(huán)境,目前精密、超精密加工內(nèi)涵,3.3.1 概述,超精密加工技術(shù)發(fā)展起因 提高產(chǎn)品性能和質(zhì)量，提

11、高穩(wěn)定性和可靠性； 促進(jìn)產(chǎn)品的小型化； 增強(qiáng)零件的互換性，提高裝配生產(chǎn)率。 舉例： 1kg陀螺其質(zhì)心偏離0.5nm，會(huì)引起100m導(dǎo)彈射程誤差，50m軌道誤差； 民兵型洲際導(dǎo)彈陀螺儀精度為0.03-0.05，命中精度誤差為500m； MX戰(zhàn)略導(dǎo)彈陀螺儀精度提高一個(gè)數(shù)量級(jí)，命中精度誤差只有50-150m； 人造衛(wèi)星軸承孔軸表面粗糙度1nm，其圓度和圓柱度均以nm為單位； 飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片加工精度由 60m12m，粗糙度由Ra0.5m0.2m，則發(fā)動(dòng)機(jī)效率 89% 94%； 磁盤(pán)磁頭與磁盤(pán)間距離，目前已達(dá)到0.3m，近期內(nèi)可達(dá)到0.15m。,超精密加工所涉及的技術(shù)范圍 超精密加工機(jī)理 刀具磨損、積屑

12、瘤生成規(guī)律、磨削機(jī)理、加工參數(shù)對(duì)表面質(zhì)量的影響等有其特殊性； 超精密加工的刀具、磨具及其制備 刀具的刃磨、超硬砂輪的修整； 超精密加工機(jī)床設(shè)備 機(jī)床精度、剛度、抗振性、微量進(jìn)給機(jī)構(gòu)； 精密測(cè)量及補(bǔ)償技術(shù) 有相應(yīng)級(jí)別的測(cè)量裝置，具有在線測(cè)量和誤差補(bǔ)償； 嚴(yán)格的工作環(huán)境 恒溫、凈化、防振和隔振等。,超精密切削對(duì)刀具的要求 極高的硬度、極高的耐用度和極高的彈性模量，保證刀具壽命和尺寸耐用度； 刃口能磨得極其鋒銳，刃口半徑值極小，能實(shí)現(xiàn)超薄的切削厚度； 刀刃無(wú)缺陷，避免刃形復(fù)印在加工表面； 抗粘結(jié)性好、化學(xué)親和性小、摩擦系數(shù)低、能得到極好的加工表面完整性。,3.3.2 超精密切削加工,天然單晶金剛石刀

13、具的性能特征 極高的硬度 HV6000-10000,而TiC僅為HV2400，WC為HV2400； 能磨出鋒銳刃口 刃口半徑可達(dá)納米，普通刀具5-30m； 與有色金屬摩擦系數(shù)低、親和力小 與鋁的摩擦系數(shù)僅為0.06-0.13； 耐磨性好，刀刃強(qiáng)度高 刀具磨損極慢，刀具耐用度極高。 天然單晶金剛石被公認(rèn)為 不能代替的超精密切削刀具材料 但僅用于有色金屬的切削加工,超精密切削時(shí)的最小切削厚度 如圖：A點(diǎn)位置與摩擦系數(shù)（剪切角）有關(guān)： 當(dāng)=0.12時(shí)，可得： hDmin=0.322 當(dāng)=0.26時(shí)，可得： hDmin=0.249 若hDmin=1nm，要求刀具刃口半徑為3-4nm。,極限切削厚度與刃

14、口半徑的關(guān)系,超精密磨削：是最主要黑色金屬超精密加工手段， 精度=0.1m，表面粗糙度Ra0.025。 超精密磨削砂輪 金剛石砂輪：較強(qiáng)的磨削能力，較高的磨削效率， 磨削速度12-30m/s； CBN砂輪：較好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)惰性，價(jià)格較貴， 磨削速度80-100 m/s。 超硬磨料砂輪結(jié)合劑： 樹(shù)脂結(jié)合劑：能保持良好鋒利性，磨粒保持力??； 金屬結(jié)合劑：耐磨性好，磨粒保持力大，自銳性差， 砂輪修整困難。 陶瓷粘結(jié)劑：化學(xué)穩(wěn)定性高、耐熱、耐酸堿，脆性較大。,3.3.3 超精密磨削加工,超硬磨料砂輪的修整 車(chē)削法 用金剛筆車(chē)削金剛石砂輪，修整成本高； 磨削法 用普通砂輪進(jìn)行對(duì)磨，修整效率和質(zhì)量較好

15、， 普通砂輪磨損消耗量較大； 噴射法 將碳化硅、剛玉等磨粒高速?lài)娚涞缴拜啽砻妫?去除部分結(jié)合劑，使超硬磨粒突出； 電解在線修銳法（ELID) 應(yīng)用電解原理完成砂輪修銳過(guò)程； 電火花修整 應(yīng)用電火花放電原理完成砂輪修整。,在線電解修銳法,電火花修整法,精密主軸部件 滾動(dòng)軸承 回轉(zhuǎn)精度達(dá)1m,表面粗糙度Ra0.04-0.02m； 液體靜壓軸承 回轉(zhuǎn)精度0.1m，剛度阻尼大，轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)； 不足：液壓油溫升高，影響主軸精度，會(huì)將空氣帶入液壓 油降低軸承剛度； 應(yīng)用：一般用于大型超精密機(jī)床。 空氣靜壓軸承 高回轉(zhuǎn)精度、工作平穩(wěn)，溫升?。?不足：剛度較低，承載能力不高； 應(yīng)用：超精密機(jī)床中得到廣泛的應(yīng)用。,

16、3.3.4 超精密加工機(jī)床設(shè)備,典型液體靜壓軸承主軸結(jié)構(gòu)原理圖 1-徑向液壓軸承 2-止推液壓軸承 3-真空吸盤(pán),雙半球空氣軸承主軸 1-前軸承 2-供氣孔 3-后軸承 4-定位環(huán) 5-旋轉(zhuǎn)變壓器 6-無(wú)刷電動(dòng)機(jī) 7-外殼 8-軸 9-多孔石墨,床身和精密導(dǎo)軌 床身要求：抗振、熱膨脹系數(shù)低、尺寸穩(wěn)定性好 床身材料：多采用人造花崗巖，尺寸穩(wěn)定性好、熱膨脹系數(shù)低、硬度高、耐磨、不生銹、可鑄造成形，克服了天然花崗巖有吸濕性不足。 導(dǎo)軌要求：高直線精度，不得爬行 有液體靜壓導(dǎo)軌、空氣靜壓導(dǎo)軌。,平面型空氣靜壓導(dǎo)軌示意圖 1-靜壓空氣 2-移動(dòng)工作臺(tái) 3-底座,微量進(jìn)給裝置 微量進(jìn)給裝置要求： 分辨率達(dá)

17、到0.001-0.01m； 精微進(jìn)給與粗進(jìn)給分開(kāi)； 低摩擦和高穩(wěn)定性； 末級(jí)傳動(dòng)元件必須有很高的剛度； 工藝性好，容易制造； 應(yīng)能實(shí)現(xiàn)微進(jìn)給的自動(dòng)控制，動(dòng)態(tài)性能好。,雙T形彈性變形微進(jìn)給裝置,1-微位移刀夾 2、3-T形彈簧 4-驅(qū)動(dòng)螺釘 5-固定端 6-動(dòng)端,分辨率0.01m， 最大位移20m， 靜剛度70N/m，,最大位移 15-16m 分辨率 0.01m 靜剛度 60N/m,壓電陶瓷微進(jìn)給裝置 1-刀夾 2-機(jī)座 3-壓電陶瓷 4-后墊塊 5-電感測(cè)頭 6-彈性支承,凈化的空氣環(huán)境 1m直徑塵埃會(huì)拉傷磁盤(pán)表面而不能正確記錄信息； 100級(jí)超精密加工空氣潔凈度要求：0.5m直徑塵埃個(gè)數(shù)10

18、0個(gè)/ft3，而辦公室百萬(wàn)個(gè)/(ft)3，手術(shù)室5萬(wàn)個(gè)/(ft)3 恒定的溫度環(huán)境 100mm長(zhǎng)鋁合金零件，溫度變化1C將產(chǎn)生2.25m的誤差； 若要求確保0.1m加工精度，環(huán)境溫度應(yīng)保持0.05C范圍內(nèi)； 當(dāng)前，已出現(xiàn)0.01C的恒溫環(huán)境，需多級(jí)恒溫。,3.3.5 超精密加工環(huán)境,較好的抗振動(dòng)干擾環(huán)境 防振：消除自身 振動(dòng)干擾 隔振：阻止外部 振動(dòng),美國(guó)LLL實(shí)驗(yàn)室超精密機(jī)床隔振基礎(chǔ) 1-隔振空氣彈簧 2-床身 3-工作臺(tái),第四節(jié) 高速加工技術(shù) 3.4.1 高速加工的概念與特征 3.4.2 高速加工技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用 3.4.3 高速切削加工的關(guān)鍵技術(shù) 3.4.4 高速磨削加工,3.4.1 高

19、速加工的概念與特征,超高速切削概念示意圖,Salomon切削理論,高速切削 鋁合金：1000-7000m/min 灰鑄鐵：800-3000m/min 銅：900-5000m/min 鋼：500-2000m/min 鈦：100-1000m/min,高速切削特征 切削力低 切削變形小，切屑流出速度加快，切削力 比常規(guī)降低30-90%； 熱變形小 溫升不超過(guò)3C，90%切削熱被切屑帶走； 材料切除率高 單位時(shí)間內(nèi)切除率可提高3-5倍； 高精度 切削激振頻率遠(yuǎn)高于機(jī)床系統(tǒng)固有頻率， 加工平穩(wěn)、振動(dòng)小。 減少工序 工件加工可在一道工序中完成， 稱(chēng)為“一次過(guò)”技術(shù)（One pass maching）。,高

20、化速指標(biāo)：dmn（直徑x轉(zhuǎn)速）1*106即為高速 高速切削機(jī)床 主軸轉(zhuǎn)速在20000r/min以上，甚至62000r/min；快速進(jìn)給40-80m/min； 高速切削機(jī)理研究 包括切屑成形機(jī)理、切削力、切削熱等，鋁合金材料研究較為成熟，黑色金屬、難加工材料加工機(jī)理尚處探索階段。,3.4.2 高速加工發(fā)展與應(yīng)用,高速切削加工應(yīng)用 航空工業(yè)-飛機(jī)鋁合金零件、薄層腹板件等直接高速切削加工，不再鉚接。 汽車(chē)制造-高速加工中心將柔性生產(chǎn)線效率提高到組合機(jī)床生產(chǎn)線水平。 模具制造-對(duì)淬硬鋼模具型腔直接加工，省電加工和手工研磨等工序。,1、高速主軸 高速主軸（電主軸）精度高、振動(dòng)小、噪音低、結(jié)構(gòu)緊湊,3.4

21、.3 高速切削加工關(guān)鍵技術(shù),主軸軸承 陶瓷混合軸承 軸承滾珠為氮化硅陶瓷；密度低，離心力??；彈性模量高，剛度大；摩擦系數(shù)低。 軸承潤(rùn)滑：油脂潤(rùn)滑、油霧潤(rùn)滑、油氣潤(rùn)滑等。 氣浮軸承：高回轉(zhuǎn)精度、高轉(zhuǎn)速、低溫升，承載能力低。 液體靜壓：運(yùn)動(dòng)精度高，動(dòng)態(tài)剛度大，有油升影響。 磁浮軸承：間隙一般在0.1mm左右，允許更高轉(zhuǎn)速，達(dá)4.0*106以上，控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜。,2、快速進(jìn)給系統(tǒng) 滾珠絲桿+伺服電機(jī)：加速度達(dá)0.6g，進(jìn)給速度達(dá)40-60m/min。 直線電機(jī)：進(jìn)給速度可達(dá)160m/min，加速度可達(dá)2.5-10g。消除了機(jī)械傳動(dòng)間隙和彈性變形，幾乎沒(méi)有反向間隙，是未來(lái)機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)的基本形式。,直線電

22、機(jī) 結(jié)構(gòu),3 基座 4 磁性軌道 5 直線電機(jī) 6 直線導(dǎo)軌 7 直線光柵 8 平臺(tái) 9 接口電纜 10 防護(hù)罩,3、高性能的CNC控制系統(tǒng) 快速響應(yīng)伺服控制，32/64位，多CPU，具有加速預(yù)插補(bǔ)、前饋控制、鐘形加減速、精確矢量補(bǔ)償和最佳拐角減速控制等功能。 4、先進(jìn)的機(jī)床結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：床身足夠剛度、強(qiáng)度，高阻尼特性和熱穩(wěn)定性；立柱和底座整體結(jié)構(gòu)；使用高阻尼特性材料（聚合物混凝土）；防彈玻璃觀察窗。 新型機(jī)床結(jié)構(gòu)：并聯(lián)機(jī)床結(jié)構(gòu)。,六桿并聯(lián)機(jī)床,5、高速切削的刀具系統(tǒng) 對(duì)刀具系統(tǒng)要求：切削熱更多流向刀具，要求抗磨損；必須良好的平衡，可靠定位。 刀具材料：硬質(zhì)合金涂層刀具、陶瓷刀具、聚晶金剛石

23、刀具、立方氮花硼刀具。 雙定位刀柄結(jié)構(gòu)：當(dāng)超過(guò)15000r/min時(shí)，離心力將使主軸錐孔擴(kuò)張，降低刀柄連接剛度；該結(jié)構(gòu)刀柄錐部和端面同時(shí)與主軸定位，軸向重復(fù)定位精度可達(dá)0.001mm。,HSK型刀柄及其聯(lián)接結(jié)構(gòu),高速磨削：最高磨削速度達(dá)500m/s；實(shí)際應(yīng)用磨削速度在100m/s-250m/s。 高速磨削特點(diǎn)： 若切除率不變，則單磨粒切削厚度降低，磨削力減??； 維持原切削力，可提高進(jìn)給速度，降低加工時(shí)間，提高生產(chǎn)效率； 可使粗精合而為一。,3.4.3 高速磨削加工,1、高速主軸 須配有連續(xù)自動(dòng)動(dòng)平衡裝置,高速磨削關(guān)鍵技術(shù)：,高速主軸動(dòng)平衡系統(tǒng) 1-信號(hào)傳送單元 2-緊固發(fā)蘭盤(pán) 3-內(nèi)裝電子驅(qū)動(dòng)

24、平衡塊 4-磨床主軸,2、高速磨床結(jié)構(gòu) 具有高動(dòng)態(tài)精度、高阻尼、高抗振性和熱穩(wěn)定性,直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)高速平面磨床 磨削速度達(dá)125m/s，工作臺(tái)往復(fù)運(yùn)動(dòng)達(dá)1000st/min，是普通磨床的10倍,3、高速磨削砂輪 砂輪基體：必須考慮高速離心力作用； 砂輪磨粒-立方氮化硼和金剛石。,高速砂輪典型結(jié)構(gòu) 腹板變截面等力矩結(jié)構(gòu)，無(wú)中心法蘭孔 多個(gè)小螺孔安裝固定，降低法蘭孔應(yīng)力,4、冷卻潤(rùn)滑液 V液大于等于V砂： 潤(rùn)滑效果好 V液小于V砂： 清洗效果好,a) V液大于V砂 b) V液略大于V砂 c) V液= V砂,冷卻潤(rùn)滑液出口流速的影響,第五節(jié) 快速原型制造技術(shù) 3.5.1 RPM技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展 3.5

25、.2 RPM技術(shù)原理 3.5.3 典型的RPM工藝方法 3.5.4 RPM技術(shù)的應(yīng)用,設(shè)計(jì)人員,三維實(shí)體,產(chǎn)品,RPS,分層切片,數(shù)據(jù)文件,CAD模型,三維數(shù)字化儀等,CAD造型系統(tǒng),80年代末RPM技術(shù)首先在美國(guó)問(wèn)世； 工業(yè)國(guó)家稱(chēng)RPM技術(shù)是繼數(shù)控技術(shù)后又一場(chǎng)技術(shù)革命； 我國(guó)92年進(jìn)入RPM領(lǐng)域； 清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、華中科技大學(xué)、北京隆源等單位在RMP設(shè)備、材料和軟件方面先后完成了開(kāi)發(fā)和產(chǎn)業(yè)化過(guò)程； 我國(guó)MRP許多關(guān)鍵技術(shù)達(dá)到或領(lǐng)先國(guó)際先進(jìn)水平。,3.5.1 RPM技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展,CAD模型建立 STL文件生成 分層切片。 快速堆積成型,RPS,分層切片,STL文件,CAD模型,三維

26、數(shù)字化儀等,CAD造型系統(tǒng),3.5.2 RPM技術(shù)原理,1、光敏液相固化法(SLA) 特點(diǎn)：可成形任意復(fù)雜形狀零件；成形精度高，達(dá)0.1mm；材料利用率高，性能可靠。 不足：材料昂貴，光敏樹(shù)脂有一定毒性。,3.5.3 典型的RPM工藝方法,SLA工藝原理圖,2、選區(qū)片層粘結(jié)法（LOM） 特點(diǎn)：成形速度快，成形材料便宜，無(wú)相變、無(wú)熱應(yīng)力、形狀和尺寸精度穩(wěn)定 不足：成形后廢料剝離費(fèi)時(shí)，不宜制作薄壁零件。,LOM工藝原理圖,3、選區(qū)激光燒結(jié)法（SLS） 特點(diǎn)：取材廣泛，包括各種可熔粉末材料，不需要支撐材料。,SLS工藝原理圖 1-激光器 2-鋪粉滾筒 3-激光窗 4-加工平面 5-原料粉末 6-生成

27、零件,4、熔絲沉積成形法 （FDM） 特點(diǎn)：無(wú)需激光系統(tǒng)，設(shè)備簡(jiǎn)單，運(yùn)行費(fèi)用便宜，尺寸精度高，表面光潔度好，適合薄壁零件。 不足：需要支撐材料。,FDM工藝原理圖,3.5.4 RPM技術(shù)的應(yīng)用,RPM的應(yīng)用,快速模具制造工藝方法,第六節(jié) 微細(xì)加工技術(shù) 3.6.1 微機(jī)械及其特征 3.6.2 微細(xì)加工工藝方法 3.6.3 微細(xì)加工技術(shù)的發(fā)展與趨勢(shì),微小機(jī)械 1-10mm；微機(jī)械 1m-1mm； 納米機(jī)械 1nm-1m。 體積小、精度高、重量輕 如直徑如發(fā)絲的齒輪、開(kāi)動(dòng)3mm大小的汽車(chē)、花生米大的飛機(jī)、在5mm2內(nèi)放置1000臺(tái)的微型發(fā)動(dòng)機(jī)。 性能穩(wěn)定、可靠性高 微機(jī)械體積小，熱膨脹、噪聲、撓曲等

28、影響小，具有抗干擾性，可在較差環(huán)境下穩(wěn)定的工作。 能耗低、靈敏度、工作效率高 不存在信號(hào)延遲問(wèn)題，可進(jìn)行高速工作。 消耗的能量遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)機(jī)械 如5*5*0.7mm3微型泵流速是比其體積大得多的小型泵流量的1000倍。 多功能和智能化 集傳感器、執(zhí)行器、信號(hào)處理和電子控制電路為一體，易于實(shí)現(xiàn)多功能化和智能化。 制造成本低 類(lèi)似半導(dǎo)體制造工藝。,3.6.1 微機(jī)械及其特征,1、超微機(jī)械加工 利用超小型機(jī)床制作毫米級(jí)以下的微機(jī)械零件 難點(diǎn)：微型刀具制造、刀具姿態(tài)、加工基準(zhǔn)定位等,3.6.2 微細(xì)加工工藝方法,微型超精密加工機(jī)床結(jié)構(gòu)示意圖 為車(chē)、銑、磨、電火花加工的多功能微型加工機(jī)床，最小設(shè)定單位為1

29、nm，單晶金剛石刀具，刀尖圓弧半徑為100nm左右,2、光刻加工 氧化 硅晶片表面形成一層氧化層； 涂膠 涂光致抗蝕劑； 曝光 通過(guò)掩模曝光； 顯影 曝光部分溶解去除； 腐蝕 未被覆蓋部分腐蝕掉； 去膠 將光致抗蝕劑去除； 擴(kuò)散-向需要雜質(zhì)的部分?jǐn)U散雜質(zhì)，以完成整個(gè)光刻加工過(guò)程。,光刻加工工藝示例,3、體刻蝕加工技術(shù) 體微機(jī)械加工：用腐蝕方法將硅基片有選擇性地去除部分材料的方法。 各向同性腐蝕：以相同速度對(duì)所有晶向進(jìn)行刻蝕； 各向異性腐蝕：在不同晶面，以不同速率進(jìn)行刻蝕，利用晶格取向，可制作如橋、梁、薄膜等不同的結(jié)構(gòu)。,4、面刻蝕加工技術(shù) l在硅基片上淀積磷玻璃犧牲層材料； l腐蝕犧牲層形成所

30、需形狀； l淀積和腐蝕結(jié)構(gòu)材料薄膜層； l除去犧牲層就得到分離空腔微橋結(jié)構(gòu)。,制作雙固定多晶硅橋工藝,5、LIGA技術(shù) LIGA技術(shù)是由制版、電鑄和微注塑工藝組成，是全新的三維立體微細(xì)加工技術(shù)。 在光致抗蝕劑上生成曝光圖形實(shí)體； 用曝光蝕刻的圖形實(shí)體作電鑄用胎膜，在胎膜上沉積金屬形成金屬微結(jié)構(gòu)件； 用金屬微結(jié)構(gòu)件作為注塑模具注塑出所需的微型零件。,LIGA工藝過(guò)程,6、 封接技術(shù) 目的：將微機(jī)械件連接在一起，使其滿(mǎn)足使用要求。 方法：反應(yīng)封接、淀積密封膜和鍵合技術(shù)。 反應(yīng)封接：是將多晶硅結(jié)構(gòu)與硅基片通過(guò)氧化反應(yīng)封接在一起。 淀積密封膜：是用化學(xué)氣相淀積法在構(gòu)件和襯底之間淀積密封膜。 硅-硅直接

31、鍵合：在高溫下依靠硅原子力量直接鍵合在一起形成一個(gè)整體； 靜電鍵合：將硅和玻璃之間加上電壓產(chǎn)生靜電引力而使兩者結(jié)合成一體。,7、分子裝配技術(shù) 掃描隧道顯微鏡STM、原子力顯微鏡AFM具有0.01nm分辨率，是精度最高的表面形貌觀測(cè)儀。利用其探針尖端可以俘獲和操縱分子和原子，并可按照需要拼成一定的結(jié)構(gòu)，進(jìn)行分子和原子的裝配制作微機(jī)械。 美國(guó)的IBM公司用STM操縱35個(gè)氙原子，在鎳板上拼出了“IBM”三個(gè)字母； 日本用原子拼成了“Peace”一詞 中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所用原子擺成中國(guó)地圖；,加工方法多樣化 兩個(gè)領(lǐng)域：微機(jī)械加工、半導(dǎo)體化學(xué)加工； 從單一加工技術(shù)向組合加工技術(shù)發(fā)展。 從單純硅材料向著

32、多種類(lèi)型材料發(fā)展 如玻璃、陶瓷、樹(shù)脂等。 提高微細(xì)加工的經(jīng)濟(jì)性 LIGA出現(xiàn)是微機(jī)械進(jìn)行批量生產(chǎn)的范例。 微細(xì)加工機(jī)理研究。,3.6.3 微細(xì)加工技術(shù)的發(fā)展與趨勢(shì),第七節(jié) 表面工程技術(shù) 3.7.1 表面改性技術(shù) 3.7.2 表面覆層技術(shù) 3.7.3 復(fù)合表面處理技術(shù),1、激光表面改性 是以高能量的激光束快速掃描工件表面，升溫速度可達(dá)105-106C/s，冷卻速度104C/s,快速自冷淬火,比常規(guī)淬火硬度高15-20%，淬火變形非常小，表面無(wú)須保護(hù)。,3.7.1 表面改性技術(shù),激光表面改性裝置組成示意圖 1-全反射鏡 2-諧振腔 3-部分反射鏡 4-導(dǎo)光系統(tǒng) 5-彎曲反射鏡 6-聚光系統(tǒng)及保護(hù)氣

33、通入 7-x-y移動(dòng)工作臺(tái) 8-氣體交換裝置 9-配電盤(pán) 10-冷卻裝置 11-控制系統(tǒng),2、電子束表面改性 利用電子能深入金屬表面，與基體金屬原子核碰撞，使被處理金屬表層溫度迅速升高。 加熱和冷卻速度快，能量密度大； 為激光成本的1/3； 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單； 能量利用率高于激光； 在真空工作，工件表面不易氧化； 控制比激光容易。,電子束產(chǎn)生及工作示意圖 1-工作臺(tái) 2-加工室 3-電磁透鏡 4-陽(yáng)極 5-柵極 6-燈絲 7-電源 8-電子束 9 偏轉(zhuǎn)線圈 10-工件,3、離子注入表面改性 可注入任何元素，不受固溶度和擴(kuò)散系數(shù)影響； 離子注入溫度易控制； 不氧化、不變形、不軟化，可作最終處理工藝。 可

34、控性、重復(fù)性好。 可獲得兩層以上復(fù)合材料，復(fù)合層不易脫落。,圖3-52 離子注入裝置示意圖 1-離子源 2-質(zhì)量分析器 3-高壓電極 4-加速管 5-聚焦電極 6-X掃描電極 7-Y掃描電極 8-中性束 9-式樣室,熱噴涂技術(shù),3.7.2 表面覆層技術(shù),粉末火焰噴涂 大氣等離子噴涂 爆炸噴涂,氣相沉積技術(shù) 物理氣相沉積PVD 將鍍料氣化成原子、分子或離子，直接沉積到基體表面。 真空蒸鍍 將工件放入真空室內(nèi)加熱，使鍍膜材料蒸發(fā)或升華，飛至工件表面凝聚成膜； 濺射鍍膜 用荷能粒子轟擊材料表面，使其獲得足夠能量，飛濺變?yōu)闅庀?，在基體表面上沉積； 離子鍍膜 利用氣體放電使物質(zhì)離子化，在氣體離子轟擊下把

35、蒸發(fā)物沉積在基體上成膜。 化學(xué)氣相沉積CVD 借助氣相作用和在基體表面上的化學(xué)反應(yīng)生成所要求的薄膜。,滲鈦與離子滲氮復(fù)合熱處理； 滲碳、滲氮、碳氮共滲； 液體碳氮共滲與高頻感應(yīng)加熱表面淬火的復(fù)合強(qiáng)化； 激光與離子滲氮復(fù)合處理； 表面覆層技術(shù)與其他表面處理的復(fù)合技術(shù)； 離子輔助涂覆； 離子注入與氣相沉積復(fù)合表面改性。,3.7.3 復(fù)合表面處理技術(shù),第八節(jié) 現(xiàn)代特種加工技術(shù) 3.8.1 激光加工 3.8.2 超聲波加工 3.8.3 水射流切割加工,3.8.1 激光加工,激光加工原理 激光是一種受激輻射產(chǎn)生的加強(qiáng)光，當(dāng)激光照射到工件表面，光能被工件迅速吸收并轉(zhuǎn)化為熱能，工件在光熱效應(yīng)下產(chǎn)生的高溫熔融和沖擊波的綜合作用達(dá)到加工的目的。,固體激光器結(jié)構(gòu)示意圖,激光加工特點(diǎn) 功率密度大 高達(dá)108-1010W/cm2，可加工如耐熱合金、陶瓷、石英、金剛石等任何材料； 聚焦光斑小 激光束可聚焦到微米級(jí)，可打孔直徑0.001mm小孔； 非接觸加工 沒(méi)有