先进制造工艺技术教材

第三章先进制造工艺技术提纲3.1先进制造工艺技术概述3.2超高速加工技术3.3超精密加工技术3.4微细加工技术3.5快速原型制造技术3.1先进制造工艺技术概述3.1.1制造工艺的基本概念3.1.2先进制造工艺的产生与发展3.1.3先进制造工艺的特点3.1.1制造工艺的基本概念

机械制造工艺是将各种原材料通过改变其形状尺寸，性能或相对位置，使之成为成品或半成品的方法和过程。机械制造工艺流程是由原材料和能源的提供，毛坯和零件成形，机械加工，材料改性与处理，装配与包装，质量检测与控制等多个工艺环节组成。按照功能不同，将机械制造工艺分为三个阶段：1）零件毛坯的成形准备阶段，包括原材料切割、焊接、铸造、锻压加工成形等2）机械切削加工阶段，包括车削、钻削、铣削、刨削、镗削、磨削加工等3）表面改性处理阶段，包括热处理、电镀、化学镀、热喷涂、涂装等3.1.2先进制造工艺的产生与发展先进制造工艺是先进制造技术的核心和基础，一个国家的制造工艺技术水平的高低，很大程度决定了其制造业在国际市场的竞争实力。其发展体现在以下几方面：制造加工精度不断提高切削加工速度迅速提高新型工程材料的应用推动了制造工艺的进步和变革自动化和数字化工艺装备的发展提高了机械加工的效率零件毛坯成形在向少无余量发展优质清洁表面工程技术的形成和发展

高效低耗洁净灵活优质先进制造工艺的特点3.2超高速加工技术

3.2.1超高速加工概述3.2.2超高速加工定义与特征3.2.3超高速加工相关技术3.2.4超高速加工的应用3.2.1超高速加工概述20世纪80年代，计算机控制的自动化技术的高速发展成为生产工程的突出特点，发达国家的数控率已达70－80％。随着数控技术发展，切削工时占去总工时主要部分，成为生产率的主要部分。提高切削速度和进给速度，才能提高生产率，产生了超高速加工3.2.1超高速加工概述泰勒是最早研究金属切削的学者，30年代，德国物理学家Salonmon提出了著名的萨洛蒙曲线，提出了超高速切削理论。50年代，美国工程师Robert使用了具有极高切削速度的独特方法——弹道切削。70年代美国海军和空军与Lockheed飞机制造公司进行合作，研究超高速铣削。另外Salonmon的超高速切削理论对超高速磨削理论也有重要启示。3.2.2超高速加工工定义与特特征超高速加工工技术是指采用超超硬材料刀刀具和磨具具，利用能能可靠实现现高速运动动的高精度度，高自动动化和高柔柔性的制造造设备，以以提高切削削速度来达达到提高材材料切除率率，加工精精度和加工工质量的先先进加工技技术。优越性：提高了加工工效率和设设备利用率率，缩短了了生产周期期减少工件的的热变形和和内应力，，提高工件件的加工精精度提高加工表表面质量省去传统的的放电加工工或磨削加加工切削的优越越性高精度减少工序材料切除率率高切削力低热变形小3.2.3超高速加工工相关技术术1.超高速切削削的相关技技术超高速切削削机床五项项基本要求求：适宜超高速速的主轴部部件快速响应的的数控系统统快速的进给给部件动静热刚度度好的机床床支承部件件高压大流量量喷射的冷冷却系统和和安全装置置超高速切削削的刀具系系统超高速切削削刀具系统统的特点：：刀片在刀体体的定位要要求加紧牢牢固、安全全，刀具与与机床的联联接可靠超高速切削削加工的切切削力随着着切削速度度的提高而而降低约30%切削温度随随着切削速速度的提高高而缓慢提提高道具的磨损损主要由切切削温度、、刀具-切屑之间和和刀具-工件的相对对速度决定定的超高速切削削的刀具材材料超高速切削削加工要求求刀具材料料与被加工工材料的化学亲和力力要小，并且具有有优异的机械械性能、热稳定性、抗冲击性和耐磨性。目前适合于于超高速切切削的刀具具材料主要要有：涂层层刀具材料料、技术陶陶瓷刀具材材料、陶瓷瓷刀具材料料、立方氮氮化硼（CBN)刀具材料、、聚晶金刚刚石（PCD）刀具材料料等。特点：大幅度提高高磨削效率率、减少设设备使用台台数磨削力小，，零件加工工精度高降低加工工工件表面的的粗糙度砂轮寿命延延长改善加工表表面完整性性2.超高速磨削削技术超高速磨削削的关键技技术超高速主轴轴超高速磨削削砂轮结构应具有有强度高、抗冲击强度度高、耐热性好、微破碎性好好、杂质含量低低等优点砂轮的修整整：整形和修锐超高速磨削削的磨削液液及其注入入系统磨削液分类类：油基磨削液液和水基磨削液液常用注入方方法：手工工供液法、、浇注法、、高压喷射射法、利用用开槽砂轮轮法等3.2.4超高速加工工的应用超高速切削削加工主要要用于汽车车工业大批批生产，难难加工材料料，超精密密微细切削削，复杂曲曲面加工等等领域。航空工业的的应用，飞飞机制造直直接采用毛毛坯高速切切削加工，，从而降低低飞机重量量。在汽车制造造业为了满满足市场个个性化需求求而由大批批量生产逐逐步转向为为多品种变变批量生产产，由柔性性生成线代代替了组合合机床刚性性生产线，，高速的加加工中心将将柔性生产产的效率提提高到组合合机床生产产线的水平平。模具制造业业是高速加加工技术的的主要受益益者。高速速加工技术术在模具行行业的应用用，无论是是在减少加加工准备时时间，缩短短工艺流程程，还是缩缩短切削加加工时间方方面都具有有极大的优优势。3.3.1超精密加工工概述3.3.2超精密加工工定义与特特征3.3.3超精密加工工相关技术术3.3.4超精密加工工的应用193.3超精密加工工技术精密加工指在一定的的发展时期期，加工精精度和表面面质量达到到较高程度度的加工工工艺。超精精密加工指指的是在一一定的发展展时期，加加工精度和和表面质量量达到最高高程度的加加工工艺。。203.3.1超精密加工工概述几种典型精精密零件的的加工精度度超精密加工工涉及的技技术领域包包括：超精密加工工机理超精密加工工的刀具，，磨具及其其制备技术术超精密加工工机床设备备超精密测量量及补偿技技术严格的工作作环境超精密加工工的发展3.3.2超精密加工工定义与特特征超精密加工工，加工精精度高于0.1um,表面粗糙度度小于Ra0.01um的加工方法法，主要包包括超精密切削削（车、铣））、超精密磨削削、超精密研磨磨以及超精密特种种加工。超精密加工工方法分类类：根据加工过过程材料重重量的增减减分为：去除加工、结合加工、变型加工根据机理和和能力性质质分为力学加工、物理加工、化学与电化化学加工和负荷加工超精密加工工方法分类类：超精密加工工特点净化加工原原则微量切削机机理形成综合制制造工艺与自动化技技术联系密密切加工与检测测一体化特种加工与与复合加工工方法应用用越来越多多3.3.3超精密加工工相关技术术1．超精密切切削加工刀具的性能能：极高的的硬度、耐耐用度和弹弹性模量，，刃口锋锐锐，刀刃无无缺陷，与与工件抗黏黏结性好、、化学亲和和性低、摩摩擦系数低低金刚石刀具具的特性：：硬度高，，锋锐刃口口无缺陷，，热化学性性能优越导导热性好，，耐磨性好好刀刃强度度高刀刃形状对对加工质量量的影响刀刃半径对对加工质量量的影响2．超精密磨磨削加工超精密磨削削砂轮砂轮的修整整磨削速度和和磨削液3．超精密研研磨、抛光光加工4．超精密特特种加工激光束加工工原理，特特点，基本本设备电子束加工工原理，特特点，基本本设备离子束加工工原理，特特点，基本本设备5．机床设备备特征：高精度、高刚度、高稳定性、高自动化精密主轴部部件精密导轨微量进给装装置6.加工环境净化的空气气环境恒定的温度度环境较好的抗振振动干扰环环境3.3.4超精密加工工的应用更高效率，，更高精度度大型化，微微型化加工检测一一体化机床向多功功能模块化化方向发展展新原理、新新方法、新新材料的不不断发展3.4微细加工技技术3.4.1微机械概述述3.4.2微细加工概概述3.4.3微细加工相相关技术3.4.4微细加工的的发展与趋趋势3.4.1微机械概述述微型机械的的概念由RichardPF于1959年提出，第第一个硅微微型压力传传感器于1962年问世。1994年美国国防防部将MEMS列为关键技技术。德国国首创的LIGA为MEMS的发展提供供了新的技技术手段。。微机械按按照尺寸特特征分为：：1～10mm的微小机械械；1um～1mm的微机械；；1nm～1um的纳米机械械。制造微机械械常用的微微细加工，，又可以分分为：微米米级微细加加工，亚微微米级微细细加工和纳纳米级微细细加工等微机械的基基本特征体积小，精精度高，重重量轻性能稳定，，可靠性高高能耗低，灵灵敏度和工工作效率高高多功能，智智能化适应于大批批量生产，，制造成本本低微机械研究究内容理论基础微电子学、、微机械学学、微光学学、微动力力学、微流流体力学、、微热力学学、微摩擦擦学、微结结构学、微微生物学等等共同构成成了微机械械研究的理理论基础。。技术基础微机械设计计、微机械械材料、微微细加工、、微装配与与封装、集集成技术、、微测量、、微能源、、微系统控控制等应用研究微机械在精精密仪器、、医疗卫生生、生物工工程，特别别在空间狭狭小、操作作精度高、、功能高度度集成的航航空航天机机载设备领领域有着巨巨大应用潜潜力。如微微型传感器器、微型执执行器、微微型光机电电器件和系系统、微型型机器人、、微型飞行行器、微型型动力系统统等。3.4.2微细加工概概述微细加工技技术指制作作微机械或或微型装置置的加工技技术。微细加工是是指加工尺尺度为微米米级范围的的加工方式式，是MEMS发展的重要要基础，它它起源于半半导体制造造工艺。广广义的微细细加工方式式十分丰富富，包含了了微细机械械加工，各各种现代特特种加工，，高能束加加工等方式式。InserttexthereInserttexthereInserttexthereInserttexthereInserttexthre结合加工变形加工材料处理材料改性分离加工加工类型微细加工特点从加工对象象看，微细细加工不但但加工尺度度小，而且且被加工对对象的整体体尺寸也很很微小。必须针对不不同对象和和加工要求求，具体考考虑不同的的加工方法法和手段微细加工在在加工目的的、加工设设备、制造造环境、材材料选择与与处理、测测量方法和和仪器等方方面有特殊殊的要求。。3.4.3微细加工相相关技术◆超微机械加加工◆光刻加工◆刻蚀技术◆LIGA技术◆薄膜制备技技术◆牺牲层技术术◆分子装配技技术

微型超精密密加工机床床机构示意意图光刻技术RaithE-LINE电子束光刻刻机离子刻蚀技技术LIGA技术薄膜制备技技术离子溅射镀镀膜机3.4.4微细加工的的发展与趋趋势加工方法的多样化提高微细加工的经济性加工材料的多样化加快微细加工机理的研究微细加工的的发展与趋趋势3.5快速原型制制造技术3.5.1快速原型制制造技术概概述3.5.2快速原型制制造的定义义与特征3.5.3快速原型制制造相关技技术3.5.4快速原型制制造的应用用3.5.1快速原型制制造技术概概述随着制造业业竞争的日日益加剧，，产品的开开发速度和和制造技术术的柔性变变得十分关关键，从技技术角度，，计算机科科学、CAD技术、材料料科学、激激光技术的的发展和普普及成为新新的制造技技术产生奠奠定了基础础。快速原型技技术于20世纪80年代在美国国问世，并并很快完成成了数种RPM工艺技术的的研究，开开发与商品品化过程。。目前，全全球有数十十种RPM工艺技术，，1995年市场增长长率为49％，1996年RPM设备市场销销售额大4.2亿美元，1998年达10亿美元。3.5.2快速原型制制造的定义义与特征RPM技术是集CAD技术、数控控技术、材材料科学、、机械工程程、电子技技术和激光光等技术于于一体的综综合技术，，是实现从零件设计计到三维实实体原型制制造的一体体化系统技技术，它采用软件离散－－材料堆积积的原理实现现零件的成成形过程，，原理如图图所示：其工艺流程程为：零件CAD数据模型的的建立数据转换文文件的生成成分层切片层片信息处处理快速堆积成成形（1）零件CAD数据模型的的建立设计人员可可以应用各各种三维CAD造型系统，，将构思的的零件概念念模型转换换为三维CAD数据模型，，也可通过过激光扫描描仪、核磁磁共振图像像等方法对对三维实体体进行反求求，获取三三维数据，，以此建立立实体的CAD模型。（2）数据转换文文件的生成成由三维造型型系统将零零件CAD数据模型转转换成一种种可以被快快速成型系系统接受的的数据文件件。（3）分层切片片分层切片处处理是根据据成型工艺艺的要求，，按照一定定的离散规规则将实体体模型离散散为一系列列有序的单单元。（4）层片信息息处理根据每个层层片的轮廓廓信息，进进行工艺规规划，选择择合适成型型参数，自自动生成数数控代码。。（5）快速成型型堆积快速成型系系统根据切切片的轮廓廓和厚度要要求，用片片材、丝材材、液体或或粉末材料料制成所要要求的薄片片，通过一一片片的堆堆积，最终终完成三维维形体原型型的制备。。计算机建模模图制造过程柔柔性化技术的高度度集成化设计制造一一体化产品开发快快速化制造自由成成形化材料使用广广泛性RPM的特征RPM的经济效益益RPM技术大大简简化了工艺艺规程、工工装装备、、装配等过过程，很容容易实现由由产品模型型驱动直接接制造，采采用RPM技术为核心心的自由制制造系统，，能在以下下方面收效效显著：（1）从从设设计计和和工工程程角角度度出出发发，，增增加加零零件件的的复复杂杂性性，，无无需需受受时时间间和和成成本本的的约约束束；；可可制制造造性性方方面面限限制制减减弱弱，，优优化化的的约约束束减减少少；；零零件件设设计计无无需需考考虑虑毛毛坯坯形形状状的的限限制制，，工工装装卡卡具具；；减减少少零零件件数数量量使使设设计计花花于于精精度度、、装装配配的的时时间间减减少少。。（2）从从制制造造角角度度出出发发，，减减少少设设计计、、加加工工、、检检验验的的工工具具；；这这种种““净净成成型型””方方法法减减少少材材料料浪浪费费，，降降低低原原材材料料储储存存费费用用等等；；无无刀刀具具磨磨损损，，零零件件一一致致性性好好；；参参数数设设计计、、参参数数化化制制造造。。（3）从从市市场场和和用用户户的的角角度度出出发发，，减减少少风风险险，，无无需需预预测测几几年年后后市市场场的的动动态态；；实实时时地地根根据据市市场场需需求求低低成成本本地地改改变变产产品品；；随随材材料料技技术术发发展展，，RP将占占领领使使用用高高强强比比非非金金属属零零件件的的航航空空航航天天这这一一重重要要市市场场；；产产品品多多样样化化，，面面向向订订单单生生产产，，以以及及用用于于售售后后服服务务的的维维修修用用零零配配件件生生产产。。3.5.3快速速原原型型制制造造相相关关技技术术RPM的工工艺艺方方法法层合合实实体体制制造造（（LOM)选择择性性激激光光烧烧结结法法(SLS)立体体光光刻刻(SLA)熔融融沉沉积积造造型型(FDM)层和和实实体体制制造造LOM法是是利利用用背背面面带带有有粘粘胶胶的的箔箔材材或或纸纸材材通通过过相相互互黏黏结结成成型型的的。。如如上上图图，，用用双双面面胶胶带带等等材材料料在在工工作作台台上上制制作作一一个个稍稍大大于于零零件件尺尺寸寸的的底底座座，，送送纸纸机机构构在在计计算算机机控控制制下下定定时时向向工工作作台台输输送送一一定定长长度度的的新新纸纸，，带带有有恒恒温温控控制制装装置置的的热热压压辊辊对对工工作作台台上上的的纸纸进进行行前前后后滚滚压压一一次次，，使使之之粘粘结结在在工工作作台台的的底底座座上上。。有有步步进进电电机机驱驱动动的的X-Y定位位仪仪，，根根据据计计算算机机输输出出的的截截面面数数据据引引导导激激光光光光路路，，在在粘粘结结于于工工作作台台的的纤纤纸纸上上切切出出截截面面轮轮廓廓并并将将余余料料切切成成碎碎块块。。执执行行机机构构在在计计算算机机控控制制下下按按层层制制作作，，逐逐层层叠叠加加，，直直至至作作出出一一个个三三维维实实体体制制件件或或模模型型。。LOM工艺艺原原理理选择择性性激激光光烧烧结结法法其工工艺艺原原理理SLS法采采用用红红外外激激光光器器作作能能源源，，使使用用的的造造型型材材料料多多为为粉粉末末材材料料。。加加工工时时，，首首先先将将粉粉末末预预热热到到稍稍低低于于其其熔熔点点的的温温度度，，然然后后在在刮刮平平棍棍子子的的作作用用下下将将粉粉末末铺铺平平；；激激光光束束在在计计算算机机控控制制下下根根据据分分层层截截面面信信息息进进行行有有选选择择地地烧烧结结，，一一层层完完成成后后再再进进行行下下一一层层烧烧结结，，全全部部烧烧结结完完后后去去掉掉多多余余的的粉粉末末，，则则就就可可以以得得到到一一烧烧结结好好的的零零件件。。目目前前成成熟熟的的工工艺艺材材料料为为蜡蜡粉粉及及塑塑料料粉粉，，用用金金属属粉粉或或陶陶瓷瓷粉粉进进行行烧烧结结的的工工艺艺还还在在研研究究之之中中。。立体体光光刻刻SLA的工工艺艺原原理理SLA工艺艺也也称称光光造造型型或或立立体体光光刻刻，，它它是是基基于于液液态态光光敏敏树树脂脂的的光光聚聚合合原原理理工工作作的的。。这这种种液液态态材材料料在在一一定定波波长长和和强强度度的的紫紫外外光光(如λ=325nm)的照射下能迅迅速发生光聚聚合反应,分子量急剧增增大,材料也就从液液态转变成固固态。液槽中中盛满液态光光固化树脂，，激光束在偏偏转镜作用下下在液态树脂脂表面扫描,光点照射到的的地方,液体就固化。。成型开始时时，工作平台台在液面下一一个确定的深深度，聚焦后后的光斑在液液面上按计算算机的指令逐逐点扫描固化化。当当一层扫扫描完成后，，未被照射的的地方仍是液液态树脂。然然后升降台带带动平台下降降一层高度，，刮板在已成成型的层面上上又涂满一层层树脂并刮平平，然后再进进行下一层的的扫描，新固固化的一层牢牢固地粘在前前一层上，如如此重复直到到整个零件制制造完毕,得到一个三维维实体模型。。熔融沉积造型型FDM方法的工艺原原理由计算机根据据CAD模型确定的几几何信息，控控制FDM喷嘴，将使用用的材料，通通过热压器的的挤压头熔化化成液体通过过喷嘴挤出，，挤压头沿零零件的每一截截面的轮廓准准确运动，挤挤出半流动的的热塑材料沉沉积固化成精精确的实际部部件薄层，覆覆盖已建造的的零件之上，，并迅速凝固固，形成一层层材料。之后后挤压头沿轴轴向向上运动动一个微小距距离进行下一一层材料的制制造。这样逐逐层由底到顶顶地堆积成一一个实体模型型或零件。RPM工艺设备目目前RPM的工艺装备发发展速度很快快，前述四种种RPM技术都已由许许多公司开发发了自己的装装备。美美国主要的的RPM生产商3Dsystemes、Helisys、DTM、Stratasys、SandersPrototype和Soligen。日本有6家，即CMET、D-MEC、TeijinSeiki、KiraCorp、MitsuiZosen和DenkenEnginerring。欧洲EOS、Cubital和F＆S。我国发展了SLA、LOM、FDM、SLS四种。3.5.4快速原型制造造的应用新产品开发中中的应用在产品功能试试验的应用在模具制造中中的应用快速原型制造造的优势1.快速成型大大缩短新产产品研制周期期，降低新产产品的研发成成本，确保新新产品上市时时间；------使模型或模具具的制造时间间缩短数倍甚甚至数十倍而而且大大降低低新产品研发发成本。2.快速成型提高高了制造复杂杂零件的能力力；------使复杂模型的的直接制造成成为可能。快速原型制造造的优势3.快速成型显著著提高新产品品投产的一次次成功率；------可以及时发现现产品设计的的错误，做到到早找错、早早更改，避免免更改后续工工序所造成的的大量损失。。4.快速成型支持持同步（并行行）工程的实实施；------使设计、交流流和评估更加加形象化，使使新产品设计计、样品制造、市场定货、、生产准备、、等工作能并并行进行。5.快速成型支持持技术创新、、改进产品外外观设计；------有利于优化产产品设计，这这对工业外观设计计尤为重要。产品设计中的的应用——快速产品开发发RPDRapidTooling（快速工具））模具是快速工具制制造技术应用用的重要方面面，基于RPM的快速模具总体情况图4韩国某汽车厂厂商运用RapidFit模块进行夹具具支撑设计图5欧洲某汽车厂厂商运用RapidFit模块进行夹具具支撑设计汽车车灯——快速原型从设计和工程程角度从制造角度从市场和用户户角度RPM制造系统的优优势：面向制造的RPM适合于RPM的新型材料RPM技术的智能化化桌面化的RPM制造系统网络化RPM技术生长成形RPM的发展趋势：：9、静夜四四无邻，，荒居旧旧业贫。。。12月-2212月-22Wednesday,December28,202210、雨中黄叶树树，灯下白头头人。。20:29:1220:29:1220:2912/28/20228:29:12PM11、以我独沈沈久，愧君君相见频。。。12月-2220:29:1220:29Dec-2228-Dec-2212、故故人人江江海海别别，，几几度度隔隔山山川川。。。。20:29:1220:29:1220:29Wednesday,December28,202213、乍见翻翻疑梦，，相悲各各问年。。。12月-2212月-2220:29:1220:29:12December28,202214、他乡生白发发，旧国见青青山。。28十二月月20228:29:12下午20:29:1212月-2215、比比不不了了得得就就不不比比，，得得不不到到的的就就不不要要。。。。。十二二月月228:29下下午午12月月-2220:29December28,202216、行行动动出出成成果果，，工工作作出出财财富富。。。。2022/12/2820:29:1220:29:1228December202217、做前，能够够环视四周；；做时，你只只能或者最好好沿着以脚为为起点的射线线向前。。8:29:12下午8:29下下午20:29:1212月-229、没有有失败败，只只有暂暂时停停止成成功！！。12月月-2212月月-22Wednesday,December28,202210、很多多事情情努力力了未未必有有结果果，但但是不不努力力却什什么改改变也也没有有。。。20:29:1220:29:1220:2912/28/20228:29:12PM11、成功就就是日复复一日那那一点点点小小努努力的积积累。。。12月-2220:29:1220:29Dec-2228-Dec-2212、世间成事，，不求其绝对对圆满，留一一份不足，可可得无限完美美。。20:29:1220:29:1220:29Wednesday,December28,202213、不不知知香香积积