先进制造技术的知识

1、先进制造工艺技术机械制造工艺流程 机械零件的成形方法：受迫成形 在特定边界和外力约束下成形，如铸造、锻压、粉末冶金和注射成形等。去除成形 将材料从基体中分离出去成形，如车、铣、刨、磨、电火花、激光切割等；堆积成形 将材料有序地合并堆积成形，如快速原形制造、焊接等。第一节 材料受迫成形工艺技术 一、精密洁净铸造成形二、精确高效率金属塑性成形工艺三、粉末锻造成形工艺四、高分子材料注射成形一、精密洁净铸造成形技术随着精密成形技术的发展，铸造毛坯的成形精度也不断提高。获得精密铸件的工艺技术有：1、精确铸造成形技术：自硬砂精密砂型铸造；高紧实砂型铸造；2、消失模铸造；3、其它特种铸造技术；4、清洁（绿色

2、）铸造技术（1）自硬砂精密砂型铸造粘土砂造型：铸件质量差、生产效率低、劳动强度大、环境污染严重。自硬树脂砂造型：高强度、高精度、高溃散性、低劳动强度，适合于各种复杂铸件型芯制作。铸件壁厚可2.5mm。1、精确铸造成形技术（2）高紧实砂型铸造可提高铸型强度、刚度和硬度；减少金属液浇注凝固时型壁移动；降低金属消耗、减少铸造缺陷；提高铸造精度，表面粗糙度提高2-3级。气冲造型2、消失模铸造可避免砂型溃散；可消除起模斜度，减小铸件壁厚；能够获得表面光洁、尺寸精确的铸件；无分型面、无飞边，少无余量精密铸件； 3、其它特种铸造技术如压力铸造、低压铸造、熔模铸造、真空铸造、挤压铸造等。如压力铸造：金属模，以

3、压力浇注取代重力浇注，液态金属的充型能力提高，尤其适用于结构复杂的薄壁铸件。与重力铸造相比，铸件精度高，表面光洁，内部致密。4、清洁（绿色）铸造技术洁净的能源：感应电炉代替冲天炉，减轻对空气的污染；无砂和少砂铸造：如压力铸造、金属铸造、挤压铸造等；清洁无毒材料：使用无毒无味变质剂、精炼剂、粘结剂等高溃散性型砂工艺：树脂砂、酯硬化水玻璃砂工艺；废弃物再生和综合利用：铸造旧砂再生回收、熔炼炉渣处理和综合利用；铸造机器人或机器手：代替工人在恶劣条件下工作。 5、铸造过程计算机模拟采用快速原形制造技术、数控加工技术和计算机模拟仿真，可以大大缩短模具的生产时间，实现铸件的快捷生产。铸造过程计算机仿真：在

4、计算机上进行虚拟浇注，分析预测液态金属充型及凝固过程，预测铸造缺陷，对不同的铸造工艺方案做出最优选择，也可对铸造工艺进行优化设计。计算机辅助设计、数控加工及3D打印：木模、金属模、蜡模及EPS泡沫塑料模样设计、数控加工及快速原形制造技术；铸型、型芯的计算机辅助设计、数控加工及快速原形制造技术。二、精密高效金属塑性成形工艺1、精密模锻 利用模锻设备锻出形状复杂、高精度锻件的模锻工艺，比普通锻件高1-2个精度等级。如：锥齿轮的精密模锻工艺 2、超塑性成形超塑性现象：在一定内部条件（如晶粒形状、相变）和外部条件（如温度、应变速率）下，金属呈现出异常低的变形抗力，异常高的延伸率的现象。如锌、铜、铝等合

5、金超塑性达100%，纯钛超过300%，钢的超塑性超过500%，铝锌合金超过1000%，有的甚至达2000%。金属超塑性类型： 细晶超塑性（恒温超塑性）：它是在一定的恒温下,在应变速率和晶粒度都满足要求的条件下所呈现的超塑性。 内在条件：具有均匀、稳定等轴晶组织（10m） 外部条件：特定温度和变形速率（10-4-10-5min-1） 相变超塑性（环境超塑性） ：在材料相变点温度循环变化，同时对试样加载。 材料在变动频繁的温度环境下，受到应力作用时经多次循环相变或同素异形转变而得到的超塑性。 超塑性成形的工艺方法气胀成形法：用气体的压力使板坯料（也有管坯料或其他形状坯料）成形为壳型件，如仪器壳体、

6、抛物面天线、球形容器、美术浮雕等。体积成形法：包括不同的方式（例如模锻、挤压等），主要是利用了材料在超塑性条件下流变抗力低、流动性好等特点。超塑性成形工艺的应用飞机钛合金组合件：由几十个零件组成。采用超塑性成形后，可一次整体成形，大大减轻了构件的重量，提高了结构的强度。超塑性等温冲压：薄板加热到超塑性温度，在压力作用下产生超塑性变形，直至同模具贴合为止。超塑性气压成形3、精密冲裁呈纯剪切分离冲裁工艺，通过模具改进提高精度，可达IT6-9级，Ra1.6-0.4m4、辊轧工艺 用轧辊对坯料进行连续塑性变形加工的工艺，生产效率高，质量好，材料消耗少。辊锻轧制 辗环轧制 三、粉末锻造成形工艺1、粉末冶

7、金 以各种金属粉末或以粉末为原料通过成形、烧结和必要的后续处理，制取金属材料和制品的一种成形工艺。粉末冶金工艺： （1）称粉与装粉；（2）压制；（3）烧结；（4）后处理粉末冶金+精密锻造粉末冶金的应用：粉末冶金既是一种制取具有特殊性能金属材料的方法，也是一种精密的少无切削加工的方法。粉末冶金材料的应用很广。在普通机械制造行业中，常用作减摩材料、结构材料、摩擦材料及硬质合金等。在其他工业部门中，常用来制造难熔金属材料、特殊电磁性能材料、过滤材料等。由于压制设备吨位和模具制造的限制，目前粉末冶金还只能制造尺寸不大、形状不太复杂的零件。此外，粉末冶金件的力学性能仍低于铸件和锻件。粉末冶金+精密锻造粉

8、末制取模压成形型坯烧结锻前加热锻造后续处理粉末锻造件的优点：能源消耗低，材料利用率高，为普通锻件能耗的49%，材料利用率高达90%，而普通锻造仅为40-60%。锻件精度高，力学性能好。组织无偏析，无各向异性；疲劳寿命高。比普通锻件提高20%，高速钢工具寿命可提高两倍以上。2、粉末锻造成形粉末锻造在许多领域中得到了应用。特别是在汽车制造业中的应用更为突出。四、高分子材料注射成形1、注射成形（注塑成形）：将热塑性塑料或某些热固性塑料加工成零件的重要加工方法。注射成形可制造质量大到数千克，小至数克的各种形状复杂的制品，生产效率高，制件可达较高的精度，是工程塑料加工的主要成形方法。2、注塑成形工艺（1

9、）闭模和锁模；（2）注射；（3）保压；（4）冷却和预塑化；（5）脱模注射成形新工艺气体辅助成形：将惰性气体注入，在成品较厚部分形成空腔，使成品壁厚均匀，可防止缩痕或翘曲产生。注射压缩成形：可采用较低的注射压力成形薄壁制件，适用于流动性较差的制品。整体压缩注射成形模具滑合成形：适用于中空制品和不同材料复合体。第二节 超精密加工技术一、超精密切削加工二、超精密磨削加工三、超精密加工的机床设备四、超精密加工环境一般加工：加工精度在0.1mm左右，表面粗糙度Ra0.8-0.3m；如车、铣、刨、磨、镗等。精密加工：加工精度在10-0.1m，表面粗糙度Ra0.3-0.03m；如金刚车、金刚镗，研磨，镜面磨

10、削等；用于精密机床、精密测量仪器等产品中的关键零部件加工，如精密丝杠、精密齿轮、精密涡轮、精密导轨等。超精密加工：加工精度在0.1-0.01m，表面粗糙度Ra0.03-0.005m；如金刚石刀具超精密切削，超精密磨削，超精密特种加工和复合加工等。纳米加工：加工精度高于0.001m，表面粗糙度Ra小于0.005m加工技术及其加工方法大多已不是传统的机械加工方法而是原子分子单位加工。加工等级分类超精密切削对刀具的要求极高的硬度、极高的耐用度和极高的弹性模量，保证刀具使用寿命和耐用度；刃口能磨得及其锋锐，刃口半径值极小，能实现超薄的切削厚度；刀刃无缺陷，避免刃形复印在加工表面；抗粘结性好，化学亲和性

11、小，摩擦系数低，能得到极好的加工表面。一、超精密切削加工天然单晶金刚石刀具的性能特征极高的硬度：HV6000-10000，而TiC仅为HV2400，WC为HV2400；能磨出锋锐刃口：刃口半径可达2-4nm，普通刀具为5-30m；与有色金属摩擦系数低、亲和力小：与铝的摩擦系数仅为0.06-0.13；耐磨性好，刀刃强度高：刀具磨损极慢，刀具耐用度极高。天然单晶金刚石被公认为不能代替的超精密切削刀具材料，但仅用于有色金属的切削加工。超精密切削的应用二、超精密磨削加工超精密砂轮磨削：利用经过仔细修整的粒度为W40W5的砂轮进行磨削，可获得加工精度0.1m，表面粗糙度Ra0.0250.008m的加工表

12、面。超精密磨削是黑色金属最主要的超精密加工手段。特点：表面变质层和残余应力较小，加工效率比切削加工高。超精密磨削砂轮 金刚石砂轮：较强的磨削能力，较高的磨削效率，磨削速度12-30m/s； CBN砂轮：较好的热稳定性和化学惰性，价格较贵，磨削速度80-100m/s；超硬磨料三、超精密加工机床设备1、精密主轴部件滚动轴承：回转精度达1m，表面粗糙度Ra0.040.02m；液体静压轴承：回转精度达0.1m，刚度阻尼大，转动平稳； 不足：液压油温升高，影响主轴精度，会将空气带入液压油降低轴承刚度； 应用：一般用于大型超精密机床；空气静压轴承：高回转精度，工作平稳，温升小； 不足：刚度较低，承载能力不

13、高； 应用：超精密机床中广泛应用。2、床身和精密导轨床身要求：抗振，热膨胀系数低，尺寸稳定性好； 床身材料：多采用人造花岗岩，尺寸稳定性好，热膨胀系数低，硬度高，耐磨，不生锈，可铸造成形，克服了天然花岗岩有吸湿性的不足。导轨要求：高直线精度，不得爬行； 液体降压导轨、空气静压导轨3、微量进给装置 微量进给装置要求分辨率达到0.001-0.012m；精微进给和粗进给分开；低摩擦和高稳定性；末级传动元件必须具有很高的刚度；工艺性好，容易制造；应能实现微进给的自动控制，动态性能好。 四、超精密加工环境净化的空气环境：空气洁净度要求1000100级，100级指每立方英尺空气中所含大于0.5m的尘埃不超

14、过100个，以此类推。恒温的温度环境： 100mm长的铝合金零件，温度变化1将产生2.25m的误差； 可根据加工要求控制在10.02，甚至达到0.0005（如：美国大型光学金刚石车床LODTM）较好的抗振动干扰环境： 防振：消除自身振动干扰； 隔振：阻止外部振动。第三节 高速加工技术一、高速加工的概念和特征二、高速加工的发展和应用三、高速切削加工的关键技术四、高速磨削加工一、高速加工的概念和特征Salomon切削理论高速切削铝合金：10007000m/min灰铸铁：8003000m/min铜合金：9005000m/min钢：5002000m/min钛合金：1001000m/min高速切削的特征

15、切削力小：切削变形小，切屑流出速度加快，切削力比常规降低3090%；热变形小：温升不超过3，90%切削热被切屑带走；材料切除率高：单位时间内切除率额提高35倍，将普通切削速度加工的加工时间减少90%，加工费用减少50%；高精度：切削激振频率远高于机床系统固有频率，加工平稳，振动小；减少工序：工件加工可在一道工序中完成，称为“一次过”技术。二、高速加工的发展和应用高速加工的发展高速切削机床：主轴转速在20000r/min以上，甚至达到62000r/min；快速进给4080m/min；高速切削机理研究：包括切屑成形机理、切削力、切削热等。铝合金材料研究较为成熟，褐色金属、难加工材料加工机理尚处于探

16、索阶段。高速加工的应用航空行业：飞机铝合金零件、薄层腹板件等直接高速切削加工，不再铆接；汽车制造：高速加工中心将柔性生产线效率提高到组合机床生产线水平；模具制造：对淬硬钢模具型腔直接加工，可省去电加工和手工研磨等工序。三、高速加工的关键技术1、高速主轴（电主轴）：精度高、振动小、噪音低、结构紧凑主轴轴承：陶瓷混合轴承：轴承滚珠为氮化硅陶瓷；密度低，离心力小；弹性模量高，刚度大；摩擦系数低； 轴承润滑方式：油脂润滑、油雾润滑、油气润滑等。气浮轴承：高回转精度、高转速、低温升，承载能力低。液体静压轴承：运动精度高，动态刚度大，有温升影响。磁浮轴承：间隙一般在0.1mm左右，允许更高速转速，达410

17、6以上，控制结构复杂。2、快速进给系统滚珠丝杆+伺服电机：加速度高达0.6g（g为重力加速度，g=10m/s2），进给速度达4060m/min；直线电机：将电能直接转换成直线运动机械能，而不需要任何中间转换机构的传动装置。 进给速度可达160m/min，加速度可2.510g。消除了机械传动间隙和弹性变形，几乎没有反向间隙，是未来机床进给传动的基本形式。3、高性能的CNC控制系统快速响应伺服控制，32/64位，多CPU，具有加速预插补、前馈控制、钟形加减速、精确矢量补偿和最佳拐角减速控制等功能。4、先进的机床结构结构特点：床身应具有足够的刚度、强度，高阻尼特性和热稳定性；立柱和底座为整体结构；使

18、用高阻尼特性材料（聚合物混凝土）；防弹玻璃观察窗。新型机床结构：并联机床结构。5、高速切削的刀具系统对刀具系统的要求：切削热更多流向刀具，要求耐磨损；必须良好的平衡性，定位可靠。刀具材料：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。双定位刀柄结构：转速超过15000r/min时，离心力将使主轴锥孔扩张，降低刀柄的连接刚度；该结构刀柄锥部和端面同时与主轴定位，轴向重复定位精度可达0.001mm。四、高速磨削加工高速磨削加工：最高磨削速度达500m/s；实际应用磨削速度在100m/s 250m/s。高速磨削特点：若切除率不变，则单磨粒切削厚度降低，磨削力减小；维持原切削力，可提高进

19、给速度，降低加工时间，提高生产效率；可使粗、精加工合而为一。高速磨削关键技术1、高速主轴：须配有连续自动动平衡装置；2、高速磨床结构：具有高动态精度、高阻尼、高 抗振性和热稳定性。3、高速磨削砂轮：砂轮基体，必须考虑高速离心力作用； 砂轮磨粒：立方氮化硼和金刚石。4、冷却润滑液第四节 快速成形制造技术（rapid prototype technology，简称RPT）一、RPT技术的产生和发展二、RPT技术的原理三、RPT的主要工艺方法四、RPT技术的应用一、RPT技术的产生和发展上世纪80年代末，RPT技术首先在美国问世；工业国家称RPT技术是继数控技术后的又一场技术革命；我国92年进入RP

20、T领域；清华大学、西安交通大学、华中科技大学、北京隆源等单位在RPT设备、材料和软件等方面先后完成了开发和产业化；我国的RPT许多的关键技术达到或领先于国际先进水平。CAD模型建立STL文件生成分层切片快速堆积成型二、RPT技术原理三、RPT的主要工艺方法1、立体平版印刷成形工艺（SLA）：也称光敏液相固化法特点：可直接成形任意复杂形状的零件；成形精度高，达到0.1mm；材料的利用率高，性能可靠。不足：材料昂贵，光敏树脂有一定毒性；成形过程中翘曲变形大，需设计支撑结构；应用：能直接成形小的、表面粗糙度较低 的塑料制品。2、选择性烧结成形工艺（SLS）特点：取材广泛，包括各种可熔粉末材料；制品的

21、翘曲变形比SLA小，但仍需在易发生变形的地方设计支撑结构。不足：对实心部分进行填充式扫描烧结，因此成形时间较长；应用：适合成形中小型零件，能直接制造塑料、陶瓷和金属制品。3、熔丝沉积成形工艺（FDM）特点：无需激光系统，设备简单，运行费用低，尺寸精度高，表面光洁度好。不足：填充式扫描，成形时间长；可采用多个热挤压头同时进行涂覆，提高成形效率。应用：适合成形中小塑料零件，制品翘曲变形小，但仍需要设计支承结构。4、分层实体制造成形工艺（LOM）特点：成形速度快，成形材料便宜，无相变，无热应力，形状和尺寸精度稳定。不足：成形件尺寸大，成形后废料剥离费时，不宜制作薄壁零件。四、RPT技术的主要应用RP

22、T技术的应用快速模具制造工艺方法第五节 微细加工技术一、微机械及其特征二、微细加工工艺方法一、微机械及其特征微小机械：110mm；微机械：1m1mm；纳米机械：1nm1m。体积小、精度高、重量轻： 如直径如发丝的齿轮，3mm大小的汽车、花生米大小的飞机，在5mm2内放置1000台微型发动机等；性能稳定、可靠性高：微机械体积小，热膨胀、噪声、挠曲等影响小，抗干扰，可在较差环境下稳定地工作；能耗低、灵敏度高，工作效率高：不存在信号延迟问题，可告诉工作；消耗的能量远小于传统机械：如550.7mm3微型泵流速是比其体积大得多的小型泵流量的1000倍。多功能和智能化：集传感器、执行器、信号处理和电子控制

23、电路为一体，易实现多功能化和智能化；制造成本低：类似半导体制造工艺。二、微细加工方法1、超微机械加工利用超小型机床制作毫米级以下的微机械零件难点：微型刀具制造、刀具姿态、加工基准定位等。2、光刻加工氧化：硅晶片表现形成一层氧化膜；涂胶：涂光致抗蚀剂；曝光：通过掩模曝光；显影：曝光部分溶解去除；腐蚀：未被覆盖部分腐蚀掉；去胶：将光致抗蚀剂去除；扩散：向需要杂质的部分扩散杂质，以完成整个光刻加工过程。3、体刻蚀加工体微机械加工：用腐蚀的方法将硅基片有选择地去除部分材料的方法；各向同性腐蚀：以相同速度对晶体所有晶向进行刻蚀；各向异性腐蚀：在晶体的不同晶面，以不同速率进行刻蚀，利用晶格取向，可制作如桥

24、、梁、薄膜等不同的结构。4、面刻蚀技术在硅基片上淀积磷玻璃牺牲层材料；腐蚀牺牲层形成所需形状；淀积和腐蚀结构材料薄膜层；除去牺牲层就得到分离空腔微桥结构。5、LIGA技术LIGA技术是由制版、电铸和微注塑工艺组成，是全新的三维立体微细加工技术。在光致抗蚀剂上生成曝光图形实体；用曝光蚀刻的图形实体作电铸用胎膜，在胎膜上沉积金属形成金属微结构件；用金属微结构件作为注塑模具注塑出所需的微型零件。6、封接技术目的：将微机械件连接在一起，使其满足使用要求。方法：反应封接、淀积密封膜和键合技术反应封接：是将多晶硅结构和硅基片通过氧化反应封接在一起；淀积密封膜：是用化学气相淀积法在构件和衬底之间淀积密封膜；

25、硅-硅直接键合：在高温下依靠硅原子力量直接键合在一起形成一个整体；静电键合：将硅和玻璃之间加上电压产生静电引力而使两者结合成一体。7、分子装配技术扫描隧道显微镜STM、原子力显微镜AFM具有0.01nm分辨率，是精度最高的表面形貌观测仪。利用其探针尖端可以俘获和操纵分子和原子，并可按照需要拼成一定的结构，进行分子和原子的装配制作微机械。美国的IBM公司用STM操纵35个氙原子，在镍板上拼出了“IBM”三个字母；日本用原子拼成了“Peace”一词；中国科学院化学研究所用原子摆成了中国地图。第六节 表面工程技术一、表现改性技术二、表面覆层技术三、复合表面处理技术一、表面改性技术1、激光表面改性 以

26、高能量的激光束快速扫描工件表面，升温速度可达105106/s，冷却速度104/s，快速自冷淬火，比常规淬火硬度高1520%，淬火变形非常小，表面无须保护。2、电子束表面改性 利用高能电子束轰击材料表面，使被处理金属表层温度升高并发生成分、组织结构变化。加热和冷却速度快，能量密度大；为激光成本的1/3；结构简单；能量利用率高于激光；在真空工作，工件表面不易氧化；比激光容易控制。3、离子注入表面改性 可注入任何元素，不受固溶度和扩散系数的影响。离子注入温度易控制；不氧化、不变形、不软化，可作为最终处理工艺；可控性、重复性好；可获得两层以上的复合材料，复合层不易脱落。二、表面覆层技术 1、热喷涂技术2、气相沉积技术物理气相