特种加工与精密制造技术

第四章

特种加工与先进制造技术4.1精密与超精密加工技术4.2特种加工技术4.3快速成形技术4.1精密与超精密加工技术在机械加工领域中，某个历史时期所能达到的最高加工精度的各种精密加工方法。特点：(1)相对性，随时间的推移而变化；(2)不普及性、保密性；(3)属于尖端技术；(4)与测量技术密切相关；(5)国际竞争中取得成功的关键技术。不同时期的精密和超精密加工精度超精密加工精密加工普通加工一、课程研究的对象与意义随着新技术、新工艺、新设备以及新的测试技术和仪器的采用，机械加工精度都在不断地提高。

目前精密与超精密加工内涵分类加工精度表面粗糙度普通加工1μmRa0.1μm精密加工0.1-1μmRa0.01-0.1μm超精密加工高于0.1μm小于Ra0.01μm各种产品与所要求的精度范围

加工精度范围机械产品电子产品光学产品普通加工200m一般机械零件，家用电器，汽车零件，通用齿轮通用电器机具，电子零件外壳，小型电机，半导体照相机外壳

精密加工5m手表零件，精密齿轮，丝杠，高速轴承，滚动轴承继电器，IC硅片，录像头，记忆磁盘等透镜，棱镜等0.5m空气轴承，导轨，精密模具，液压伺服阀等磁头，IC元件，磁控管等精密透镜，X射线反射镜，激光反射镜超精密加工0.05m块规，金刚石压头，超精密导轨等IC存储器，硬磁盘，大规模集成电路等光学平晶，衍射光栅，光盘等0.005m超精密零件(平面，球面，非球面，螺旋面等)超大规模集成电路超精密衍射光栅1nm以下超精密零件的表面粗糙度

精密与超精密加工技术的意义提高产品性能和质量，提高稳定性和可靠性；促进产品的小型化；增强零件的互换性，提高装配生产率。举例：人造卫星轴承孔轴表面粗糙度1nm，其圆度和圆柱度均以nm为单位；飞机发动机叶片加工精度由60μm→12μm，粗糙度由Ra0.5μm→0.2μm，则发动机效率89%→94%；磁盘磁头与磁盘间距离，目前已达到0.3μm，近期内可达到0.15μm。二、课程的研究内容精密与超精密加工机理刀具磨损、积屑瘤生成规律、磨削机理、加工参数对表面质量的影响等其特殊性；超精密切削时极限切削厚度与刃口半径的关系课程的研究内容超精密加工的刀具、磨具及其制备

刀具的刃磨、超硬砂轮的修整；在线电解修锐法电火花修整法

课程的研究内容超精密加工机床设备

机床精度、刚度、抗振性、微量进给机构；典型液体静压轴承主轴结构原理图1-径向液压轴承

2-止推液压轴承

3-真空吸盘

平面型空气静压导轨示意图1-静压空气

2-移动工作台

3-底座

微量进给结构分辨率0.01μm，最大位移20μm，静刚度70N/μm，双T形弹性变形微进给装置1-微位移刀夹

2、3-T形弹簧

4-驱动螺钉

5-固定端

6-动端

课程的研究内容精密测量及补偿技术

有相应级别的测量装置，具有在线测量和误差补偿；CAIS为计算机辅助加工中心在线检测误差补偿控制软件计算机辅助加工中心在线检测系统示意图

课程的研究内容

严格的工作环境恒温、净化、防振和隔振等。美国LLL实验室超精密机床隔振基础1-隔振空气弹簧2-床身3-工作台

防振：消除自身振动干扰隔振：阻止外部振动4.2特种加工技术激光加工一、特种加工的特点和分类非传统加工又称特种加工，是区别于传统切削与磨削加工方法的总称。将电、磁、声、光等物理量及化学能量或其组合直接施加在工件被加工的部位上，从而使材料被去除、累加、变形或改变性能等。特种加工技术的特点不用或少用机械能，而是用其它能量（如电能、光能、声能、热能、化学能等）对工件进行加工。工具不受显著切削力的作用，对工具和工件的强度、硬度和刚度均没有严格要求。加工变形小，发热少（仅局限于工件表层加工部位很小区域内），工件热变形小，加工应力小，易于获得好的加工质量。加工中能量易于转换和控制，有利于保证加工精度和提高加工效率。特种加工的分类机械过程：利用机械力，使材料产生剪切、断裂，以去除材料。如超声波加工、水喷射加工、磨料流加工等。特种加工的分类热学过程：通过电、光、化学能等产生瞬时高温，熔化并去除材料，如电火花加工、高能束加工、热力去毛刺等。

电化学过程：利用电能转换为化学能对材料进行加工，如电解加工、电铸加工（金属离子沉积）等。化学过程：利用化学溶剂对材料的腐蚀、溶解，去除材料，如化学蚀刻、化学铣削等。特种加工的分类复合过程：利用机械、热、化学、电化学的复合作用，去除材料。常见的复合形式有机械化学复合—如机械化学抛光、电解磨削、电镀珩磨等。机械热能复合—如加热切削、低温切削等。热能化学能复合—如电解电火花加工等。其它复合过程—如超声切削、超声电解磨削、磁力抛光等。二、几种常见的特种加工方法电火花加工电火花线切割电解加工激光加工高能粒子束加工超声加工电火花加工原理：利用工具电极与工件电极之间脉冲性火花放电，产生瞬时高温，使工件材料熔化和气化。进给系统放电间隙工具电极工件电极直流脉冲电源工作液电火花加工机床电火花加工成品电火花线切割加工用连续移动的钼丝（或铜丝）作工具阴极，工件为阳极。机床工作台带动工件在水平面内作两个方向移动，可切割出二维图形。同时，丝架可作小角度摆动，可切割出斜面。电火花线切割机床加工过程显示电火花线切割机床电火花线切割加工电解加工原理电解加工原理图电解液直流电源泵工件阳极阴极进给工具阴极电解加工电解加工整体叶轮激光加工原理激光器工件工作台激光加工原理图光阑反射镜聚焦镜电源激光加工用途打标焊接钻微孔表面处理钻孔切削电子束加工原理高速而能量密集的电子束冲击到工件上，被冲击点处形成瞬时高温（几分之一微秒时间内升高至几千摄氏度），工件表面局部熔化、气化直至被蒸发去除。电子束加工原理图控制栅极加速阳极电子束斑点旁热阴极聚焦系统工件工作台电子束加工应用0.03~0.07mm电子束加工的喷丝头异形孔电子束加工曲面、穿孔电子束焊接与CO2气体保护焊的比较CO2气保焊焊接的车桥。要开坡口填丝，热变形大

电子束焊机焊接的车桥

电子束焊接后桥设备离子束加工原理与特点在真空条件下，将离子源产生的离子束经过加速、聚焦后投射到工件表面的加工部位以实现加工。目前特种加工中最精密、最微细的加工。离子刻蚀可达纳米级精度，离子镀膜可控制在亚微米级精度，离子注入的深度和浓度亦可精确地控制。离子束加工应用在高真空中进行，污染少，特别适宜于对易氧化的金属、合金和半导体材料进行加工。主要应用于刻蚀加工(如加工空气轴承的沟槽，加工极薄材料等)、镀膜加工(如在金属或非金属材料上镀制金属或非金属材料)、注入加工(如某些特殊的半导体器件)等。超声加工原理利用工具端面作超声（16～25kHz）振动，使工作液中的悬浮磨粒对工件表面撞击抛磨来实现加工。

变幅杆超声波发生器振动方向工具换能器工作液喷嘴工件超声波加工应用超声波加工样件三、特种加工技术的发展趋势拓宽现有非传统加工方法的应用领域。探索新的加工方法，研究和开发新的元器件。优化工艺参数，完善现有的加工工艺。向微型化、精密化发展。采用数控、自适应控制、CAD/CAM、专家系统等技术，提高加工过程自动化、柔性化程度。4.3快速成形技术一、快速成形技术的原理与特点快速成型（RapidPrototyping,简称RP）技术是20世纪80年代后期发展起来的,是由CAD模型直接驱动的快速制造任意复杂形状三维物理实体的技术总称。快速成形技术原理离散—堆积（叠加）快速成形加工的过程成型加工：成型头（激光头或喷头）按各截面轮廓信息扫描后处理：打磨、抛光、涂挂、烧结等三维模型的切片处理：加工方向（Z方向）进行分层三维模型的近似处理:三角形平面来逼近原来的模型（STL文件）

三维模型构建：Pro/E、UG、SolidWorks、激光扫描、CT断层扫描等

快速成形技术的特点1.简易性将一个十分复杂的三维制造过程简化为二维过程的叠加，可实现对任意复杂零件的加工，特别适用于复杂型腔，复杂形面等传统方法难以制造甚至无法制造的零件。2.快速性由CAD模型直接驱动产品制造，在很短的时间内就可制造出零件的实体。互联网技术使得快速成型方法便于实现远程制造。快速成形技术的特点3.高柔性不需要任何刀具，模具及工装卡具，可将任意复杂形状的设计方案快速转换为三维的实体模型或样件。4.技术的高度集成性结合CAD/CAM技术、激光技术、计算机数控技术、精密伺服驱动技术以及新材料技术。5.应用的广泛性在工程、医学、文化艺术以及建筑工程等领域都有广阔的应用领域。二、快速成形技术的主要加工方法光固化成形技术(SL—StereoLithography)选择性激光烧结(SLS—SelectedLaserSintering)分层实体制造(LOM—LaminatedObjectManufacturing)熔融沉积造型(FDM—FusedDepositionModeling)三维打印成形(3DP—3DimensionPrinting）光固化成形技术（SL）利用计算机控制激光束对光敏树脂进行逐点扫描，而逐层形成零件的快速成形方法。目前研究最多的也是技术最成熟的方法。选择性激光烧结（SLS）采用高强度激光束对粉末材料进行选择性烧结的工艺，是一种由离散点一层层堆积成三维实体的工艺方法。分层实体成形（LOM）用激光将薄膜材料（纸，塑料薄膜等）逐层切割成所需形状，然后叠加在一起的成形方法。熔丝沉积成形（FDM）将线状材料液化后，通过喷嘴的喷射将其逐层沉积成形状复杂的成形件的成形工艺。三维打印成形（3DP）以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层堆叠累积的方式来构造物体的技术。三、快速成形技术的应用快速成型技术已在工业造型、机械制造、航空航天、军事、建筑、影视、家电、轻工、医学、考古、文化艺术、雕刻、首饰等领域都得到了广泛应用。并且随着这一技术本身的发展，其应用领域将不断拓展。

四、快速成形技术的发展趋势开发综合性能好的快速成型材料，如成本低、易成形、变形小、强度高、耐久及无污染的