先进制造技术第三章

先进制造技术第三章第一页，共一百四十八页，2022年，8月28日第一节

概述

3.1.1机械制造工艺定义与内涵

3.1.2先进制造工艺的产生和发展第二页，共一百四十八页，2022年，8月28日机械制造工艺三阶段：

①零件毛坯的成形准备，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、涂装等上述阶段划分逐渐模糊、交叉，甚至合而为一3.1.1机械制造工艺定义与内涵原材料成品半成品机械制造工艺定义改变形状,尺寸,性能,位置机床、工具第三页，共一百四十八页，2022年，8月28日机械制造工艺流程第四页，共一百四十八页，2022年，8月28日制造加工精度不断提高

18世纪，其加工精度为1mm；19世纪末，0.05mm；20世纪初，μm级过渡；20世纪50年代末，实现了μm级的加工精度；目前达到10nm的精度水平。切削加工速度迅速提高20世纪前，碳素钢，耐热温度低于200ºC，10m/min；20世纪初，高速钢，500-600ºC，30-40m/min；20世纪30年代，硬质合金，800-1000ºC，数百米/min;目前陶瓷、金刚石、立方氮化硼，1000ºC以上，一千至数千米/min。3.1.2先进制造工艺的产生和发展第五页，共一百四十八页，2022年，8月28日切削速度随刀具材料的变更而提高第六页，共一百四十八页，2022年，8月28日新型工程材料的应用类型：超硬材料、超塑材料、高分子材料、复合材料、工程陶瓷等对制造工艺贡献：①改善刀具切削性能，改进加工设备；②促进特种加工工艺发展。自动化和数字化工艺装备的发展

单机自动化→系统自动化刚性自动化→柔性自动化→综合自动化

第七页，共一百四十八页，2022年，8月28日毛坯成形技术在向少、无余量发展如：熔模精密铸造、精密锻造、精密冲裁、冷温挤压等新工艺。表面工程技术的形成和发展表面工程：通过表面涂覆、表面改性、表面加工、表面复合处理改变零件表面形态、化学成分和组织结构，以获取与基体材料不同性能的一项应用技术。如：电刷镀、化学镀、物理气相沉积、化学气象沉积、热喷涂、化学热处理、激光表面处理、离子注入等。第八页，共一百四十八页，2022年，8月28日第二节材料受迫成形工艺技术3.2.1精密洁净铸造成形3.2.2精确高效金属塑性成形工艺3.2.3粉末锻造成形工艺3.2.4高分子材料注射成形第九页，共一百四十八页，2022年，8月28日机械零件成形方法：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；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。

第十页，共一百四十八页，2022年，8月28日铸造是一种利用液态金属进行成形的工艺方法。常用于提供复杂形状零件的毛坯。先进的铸造工艺是以熔体洁净、铸件组织细密，表面光洁、尺寸精度高为主要特征。并能大量减少原材料的消耗，降低生产成本来实现生产工艺过程自动化，缩短生产周期，改善劳动条件。并达到少、无切削加工的目的。3.2.1精密洁净铸造成形第十一页，共一百四十八页，2022年，8月28日自硬砂精确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<2.5mm3.2.1精密洁净铸造成形1.精确铸造成形技术第十二页，共一百四十八页，2022年，8月28日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、减少缺陷提高精度、粗糙度提高2-3级

气冲造型主要方法有：真空吸砂、气流吹砂、气动压实、液压挤压和气冲等。第十三页，共一百四十八页，2022年，8月28日消失模铸造利用泡沫塑料作为铸造模型，并在其四周填砂，不分上下模，泡沫塑料在浇注过程中气化。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、尺寸精确无飞边、少无余量精密铸件泡沫塑料模

造型

浇注过程

铸件

第十四页，共一百四十八页，2022年，8月28日特种铸造技术

类型：压力铸造、低压铸造、熔模铸造真空铸造、挤压铸造等。

压力铸造：金属模，以压力浇注取代重力浇注，铸件精确、表面光洁、内部致密。金属模压铸机压铸过程合型压铸开模1.压射冲头2.压室3.液体金属4.定型5动型6.型腔7.浇道8.余料第十五页，共一百四十八页，2022年，8月28日洁净的能源以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、金属型铸造、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械手以代替工人在恶劣条件下工作2.清洁（绿色）铸造技术第十六页，共一百四十八页，2022年，8月28日铸造过程计算机仿真在计算机上进行虚拟浇铸，分析预测铸液充填及凝固过程，预测不合理铸造工艺缺陷，对不同铸造工艺方案作出最优的选择。铸造过程仿真发展60年代丹麦学者开始用计算机对铸件凝固过程进行模拟随后工业国家相继开发了铸造过程计算机模拟软件，如：德国MACMAsoft

软件，英国Procast软件，清华大学Flsoft软件等。3.铸造过程计算机模拟第十七页，共一百四十八页，2022年，8月28日金属塑性成形是通过材料的塑性变形来实现制品所要求的形状、尺寸和性能的机械方法，包括锻造、冲压、扎制、挤压等工艺。大量生产的机械产品如汽车、摩托车、拖拉机等，要求毛坯制造业提供的成型件尺寸越来越精确，只需要少切削或无切削就能达到零件的最终形状和尺寸。从而推进了金属塑性成形信息技术和新工艺的发展。3.2.2精确高效金属塑性成形工艺第十八页，共一百四十八页，2022年，8月28日精密模锻利用模锻设备锻造出锻件形状复杂、精度高的模锻工艺，比普通锻件高1-2个精度等级。

模锻坯料普通模锻去氧化皮精密模锻锥齿轮的精密模锻工艺为了减少氧化，提高锻件质量，精锻时采用较低温度加热。如碳素钢一般在900-450℃之间，又称为低温模锻。第十九页，共一百四十八页，2022年，8月28日

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，呈现出异常低的流变抗力（良好的成形性）、异常高的延伸率现象（极小的流动应力）。目前已知锌、铝、铜等合金超塑性达1000%，有的甚至达2000%。

金属超塑性类型：细晶超塑性（恒温超塑性）内在条件：具有均匀、稳定等轴细晶组织（<10µm）；外在条件：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。第二十页，共一百四十八页，2022年，8月28日超塑性成形工艺应用飞机钛合金组合件

原需几十个零件组成，用超塑性成形后，可一次整体成形，大大减轻了构件的质量，提高了结构的强度。超塑性等温模锻

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。超塑性气压成形第二十一页，共一百四十八页，2022年，8月28日精密冲裁

µm。主要有：光洁冲裁负间歇冲裁带齿圈压板精冲第二十二页，共一百四十八页，2022年，8月28日光洁冲裁

采用了比普通冲裁的小圆角刃口和小的冲模间隙。落料时，凹模刃口带小圆角，凸模为常规结构冲孔时，凸模刃口带小圆角，凹模为常规结构三种光洁冲裁凹模结构椭圆凹模圆角凹模倒角刃口利于材料的流动制造方便第二十三页，共一百四十八页，2022年，8月28日负间隙冲裁带齿圈压板精冲精密冲裁凸模尺寸大于凹模型腔精度高、剪切面光洁，可以用其它冲压工序复合如压印，弯曲等第二十四页，共一百四十八页，2022年，8月28日辊轧工艺用轧辊对坯料连续变形加工工艺，生产率高、质量好、材料消耗少。主要有辊锻轧制、碾环扎制等。辊锻轧制主要用于：扁断面的长杆件，如扳手、链环带有不变形头部而沿长度方向横截面面积递减的锻件，如叶片连杆类锻件1.扎辊2.模块3零件4.坯料第二十五页，共一百四十八页，2022年，8月28日辗环轧制辗环轧制用于扩大环形坯料的外径和内径。工作过程：电机带动驱动辊1，利用摩擦力使坯料3在驱动辊和芯辊2之间受压变形。驱动辊还可以由液压缸推动作上下移动，改变1，2两辊间距离，可使坯料厚度逐渐变薄，直径增大。导向辊4用于保证坯料正确运送。信号辊5用于控制坯料3的直径。1.驱动辊2.芯辊3.坯料4.导向辊5.信号辊第二十六页，共一百四十八页，2022年，8月28日3.2.3粉末锻造成形工艺粉末制取粉末锻造成形工艺粉末冶金

+精密锻造模压成形型坯烧结锻前加热锻造后续处理第二十七页，共一百四十八页，2022年，8月28日3.2.3粉末锻造成形工艺粉末制取粉末锻造成形工艺粉末冶金

+精密锻造模压成形型坯烧结锻前加热锻造后续处理烧结温度控制在基体金属熔点的70%-80%范围内。第二十八页，共一百四十八页，2022年，8月28日3.2.3粉末锻造成形工艺粉末制取粉末锻造成形工艺粉末冶金

+精密锻造模压成形型坯烧结锻前加热锻造后续处理加热时间以热透为准，达到加热温度后立即进行锻造第二十九页，共一百四十八页，2022年，8月28日3.2.3粉末锻造成形工艺粉末制取粉末锻造成形工艺粉末冶金

+精密锻造模压成形型坯烧结锻前加热锻造后续处理锻造主要工艺参数是温度，压力和保温时间。第三十页，共一百四十八页，2022年，8月28日3.2.3粉末锻造成形工艺粉末制取粉末锻造成形工艺粉末冶金

+精密锻造模压成形型坯烧结锻前加热锻造后续处理调质、退火等热处理，消除锻件内部应力。第三十一页，共一百四十八页，2022年，8月28日粉末锻造件优点：

能源消耗低，材料利用率高

为普通锻造能耗49%，材料利用率达90%，普通锻造仅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

比普通锻造提高20%，高速钢工具寿命可提高两倍以上。典型粉末锻造模具第三十二页，共一百四十八页，2022年，8月28日注射成形原理3.2.4高分子材料注射成形粉状塑料注入螺杆推进送进加热区通过分流梭喷嘴喷出注入模腔注射成形工艺过程冷却成形第三十三页，共一百四十八页，2022年，8月28日气体辅助成形：在熔融塑料充填（不完全充填）完成后将惰性气体注入，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。注射成形新技术气体辅助注射成形原理第三十四页，共一百四十八页，2022年，8月28日注射压缩成形：可采用较低的注射压力成形薄壁制品，适用于流动性较差的制品。整体压缩注射成形工作过程：保持模具一定开度的状态下合模，将高分子熔融体充填（不完全充填）进去，而后利用液压缸压缩使模具的动模板移动至完全合模状态，此时熔融体因受压而充满模具成型第三十五页，共一百四十八页，2022年，8月28日模具滑合成形法

适用于中空制品和不同材料复合体模具滑合成形动作原理首先中空制品一分为二，两部分分别注射（1，2）两部分阴模（半成品在模具中）滑移至对合位置（3，4）闭合模具（5）向两部分制品结合缝内再注入树脂（6）得到完整的中空制成品（7）第三十六页，共一百四十八页，2022年，8月28日剪切场控制取向成形法：使材料纤维取向与流动方向一致，可提高熔接痕强度，消除缩孔和缩痕。常用于玻纤维或碳纤维材料。剪切场控制取向成形法原理：当型腔充满以后安装于主流道的两个液压缸活塞一进一退反复振荡第三十七页，共一百四十八页，2022年，8月28日直接注射成形法

不需混炼造粒的复合材料制备过程过程，可将填充剂均匀地分散在基体树脂中，直接注射成制品。主要用于高浓度玻璃纤维、碳纤维等材料。直接注射成形机螺杆压缩段剖面图第三十八页，共一百四十八页，2022年，8月28日第三节超精密加工技术

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超精密加工的机床设备3.3.5超精密加工环境影片第三十九页，共一百四十八页，2022年，8月28日目前精密、超精密加工内涵

3.3.1概述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包括了所有能使零件的形状、位置、尺寸达到微米和亚微米的加工方法，内涵随时间而变化。第四十页，共一百四十八页，2022年，8月28日超精密加工技术与国防工业关系密切，如陀螺仪的加工涉及多项超精密加工，导弹系统的陀螺仪质量直接影响其命中率，1kg的陀螺转子，其质量中心偏离其对称轴0.0005μm，则会引起100m的射程误差和50m的轨道误差。精密和超精密加工的需求国防工业上的需求第四十一页，共一百四十八页，2022年，8月28日红外线探测器反射镜，其抛物面反射镜形状精度为1μm，表面粗糙度为Ra0.01μm，其加工精度直接影响导弹的引爆距离和命中率。激光核聚变用的曲面镜，其形状精度小于1μm，表面粗糙度小于Ra0.01μm，其质量直接影响激光的光源性能。大型天体望远镜的透镜、直径达2.4m，形状精度为0.01μm，如著名的哈勃太空望远镜，能观察140亿光年的天体。（图）第四十二页，共一百四十八页，2022年，8月28日服役的哈勃望远镜狮子座螺旋星系宇宙深处的星体银河系环形星群第四十三页，共一百四十八页，2022年，8月28日计算机上的芯片、磁板基片、光盘基片等都需要超精密加工技术来制造。录像机的磁鼓、复印机的感光鼓、各种磁头、激光打印机的多面体、喷墨打印机的喷墨头等都必须进行超精密加工，才能达到质量要求。信息产品中的需求精密和超精密加工的需求第四十四页，共一百四十八页，2022年，8月28日计算机上的芯片录像机的磁鼓第四十五页，共一百四十八页，2022年，8月28日

现代小型、超小型的成像设备，如摄相机、照相机等上的各种透镜，特别是光学曲面透镜，激光打印机、激光打标机等上的各种反射镜都要靠超精密加工技术来完成。至于超精密加工机床、设备和装置当然更需要超精密加工技术才能制造。民用产品中的需求精密和超精密加工的需求第四十六页，共一百四十八页，2022年，8月28日超精密加工所涉及的技术范围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有其特殊性；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；超精密加工机床设备机床精度、刚度、抗振性、微量进给机构；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；严格的工作环境恒温、净化、防振和隔振等。

第四十七页，共一百四十八页，2022年，8月28日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，保证刀具寿命和尺寸耐用度；刃口能磨得极其锋锐，刃口半径ρ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、化学亲和性小、摩擦系数低、能得到极好的加工表面完整性。3.3.2超精密切削加工主要用于加工铜、铝等非铁金属及其合金，以及光学玻璃、大理石和碳素纤维等非金属材料。第四十八页，共一百四十八页，2022年，8月28日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纳米，普通刀具5-30μm；与有色金属摩擦系数低、亲和力小与铝的摩擦系数仅为；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第四十九页，共一百四十八页，2022年，8月28日超精密切削时的最小切削厚度

如图：A点位置与摩擦系数μ（剪切角θ）有关：当μ=0.12时，可得：hDmin=0.322ρ当μ=0.26时，可得：hDmin=0.249ρ若hDmin=1nm，要求刀具刃口半径ρ为3-4nm。

极限切削厚度与刃口半径的关系第五十页，共一百四十八页，2022年，8月28日超精密磨削：是最主要黑色金属、硬脆材料等超精密加工手段，精度<=0.1μm，表面粗糙度<Ra0.025。超精密磨削的关键在于砂轮的选择、砂轮的修整、磨削用量和高精度的磨削机床。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。超硬磨料砂轮结合剂：

树脂结合剂：能保持良好锋利性，磨粒保持力小；

金属结合剂：耐磨性好，磨粒保持力大，自锐性差，砂轮修整困难。

陶瓷粘结剂：化学稳定性高、耐热、耐酸碱，脆性较大。

3.3.3超精密磨削加工第五十一页，共一百四十八页，2022年，8月28日超硬磨料砂轮的修整砂轮修整包括修形（达到一定精度要求的几何形状）和修锐（去除磨粒之间的粘合剂，磨粒突出粘合剂一定高度）车削法用金刚笔车削金刚石砂轮，修整成本高；磨削法用普通砂轮进行对磨，修整效率和质量较好，普通砂轮磨损消耗量较大；喷射法将碳化硅、刚玉等磨粒高速喷射到砂轮表面，去除部分结合剂，使超硬磨粒突出；电解在线修锐法（ELID)应用电解原理完成砂轮修锐过程；电火花修整

应用电火花放电原理完成砂轮修整。第五十二页，共一百四十八页，2022年，8月28日在线电解修锐法通过电解腐蚀液作用去除超硬磨料砂轮的结合剂，达到修锐效果电火花修整法

修整原理：电火花放电，适用于金属结合剂砂轮第五十三页，共一百四十八页，2022年，8月28日超精密加工的机床质量主要取决于机床的主轴部件、床身导轨及驱动部件等的质量。精密主轴部件滚动轴承回转精度达1μm,表面粗糙度Ra0.04-0.02μm；液体静压轴承回转精度≤0.1μm，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，承载能力不高；应用：超精密机床中得到广泛的应用。

超精密加工机床设备第五十四页，共一百四十八页，2022年，8月28日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

双半球空气轴承主轴1-前轴承2-供气孔3-后轴承4-定位环5-旋转变压器6-无刷电动机

7-外壳8-轴9-多孔石墨

第五十五页，共一百四十八页，2022年，8月28日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

双半球空气轴承主轴1-前轴承2-供气孔3-后轴承4-定位环5-旋转变压器6-无刷电动机

7-外壳8-轴9-多孔石墨

工作原理：压力油通过节流孔进入轴承耦合面间的油腔，使轴在轴套内悬浮，不产生固体摩擦。当轴受力产生偏斜时，耦合面间的间隙改变，造成相对油腔中的油压不等，有压力差将推动轴回向原来的中心位置。第五十六页，共一百四十八页，2022年，8月28日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，不得爬行有液体静压导轨、空气静压导轨。第五十七页，共一百四十八页，2022年，8月28日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

第五十八页，共一百四十八页，2022年，8月28日微量进给装置微量进给装置要求：分辨率达到0.001-0.01μm；精微进给与粗进给分开；低摩擦和高稳定性；末级传动元件必须有很高的刚度；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。第五十九页，共一百四十八页，2022年，8月28日双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

分辨率0.01μm，最大位移20μm，静刚度70N/μm，第六十页，共一百四十八页，2022年，8月28日最大位移15-16μm分辨率

0.01μm静刚度

60N/μm压电陶瓷微进给装置1-刀夹2-机座3-压电陶瓷4-后垫块5-电感测头6-弹性支承

工作原理：压电陶瓷器件在预压应力状态下与刀夹和后垫块弹性变形载体粘接安装，在电压作用下陶瓷伸长，推动刀夹作微移动。第六十一页，共一百四十八页，2022年，8月28日净化的空气环境

1μm直径尘埃会拉伤磁盘表面而不能正确记录信息；

100级超精密加工空气洁净度要求：≥0.5μm直径尘埃个数≤100个/ft3，而办公室百万个/(ft)3，手术室5万个/(ft)3

恒定的温度环境

100mm长铝合金零件，温度变化1ºC将产生2.25μm的误差；若要求确保0.1μm加工精度，环境温度应保持±0.05ºC范围内；当前，已出现±0.01ºC的恒温环境，需多级恒温。

超精密加工环境第六十二页，共一百四十八页，2022年，8月28日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

第六十三页，共一百四十八页，2022年，8月28日第四节高速加工技术

3.4.1高速加工的概念与特征3.4.2高速加工技术的发展与应用3.4.3高速切削加工的关键技术3.4.4高速磨削加工第六十四页，共一百四十八页，2022年，8月28日3.4.1高速加工的概念与特征超高速切削概念示意图

Salomon切削理论高速切削铝合金：1000-7000m/min灰铸铁：800-3000m/min铜：900-5000m/min钢：500-2000m/min钛：100-1000m/min德国切削物理学家萨洛蒙(CarlSalomon)博士于1931年提出的著名切削理论认为：一定的工件材料对应有一个临界切削速度，在该切削速度下其切削温度最高。如图所示为“萨洛蒙曲线”。在常规切削速度范围内(图中A区)，切削温度随着切削速度的增大而提高。在切削速度达到临界切削速度后，随着切削速度的增大切削温度反而下降。第六十五页，共一百四十八页，2022年，8月28日高速切削特征切削力低切削变形小，切屑流出速度加快，切削力比常规降低30-90%；热变形小温升不超过3ºC，90%切削热被切屑带走；材料切除率高单位时间内切除率可提高3-5倍；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（Onepassmaching）。

第六十六页，共一百四十八页，2022年，8月28日高化速指标：dmn（直径x转速）>1*106即为高速高速切削机床主轴转速在20000r/min以上，甚至62000r/min；快速进给40-80m/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，黑色金属、难加工材料加工机理尚处探索阶段。

3.4.2高速加工发展与应用经历了理论探索、应用探索、初步应用、较成熟四个发展阶段，20世纪80年代以后对相关技术进行研究开发，在大功率高速轴主轴单元、高加减速进给系统、超硬耐磨长寿刀具材料等技术取得重大突破第六十七页，共一百四十八页，2022年，8月28日高速切削加工应用航空工业--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。军用飞机使用各种结构材料的重量百分比

铝合金钛合金复合材料第六十八页，共一百四十八页，2022年，8月28日速度603m/min进给速度9600mm/min铝合金薄壁件（厚0.2mm高20mm)第六十九页，共一百四十八页，2022年，8月28日7075铝合金零件（毛坯1818kg零件14.5kg2388*2235*82.6)主轴18000r/min，进给2.4～2.7m/min刀具直径18～20mm第七十页，共一百四十八页，2022年，8月28日（2）汽车、摩托车工业领域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。（3）模具工具工业领域※刀具PCDCBN金属陶瓷※可切削硬度60HRC或更高的材料※德国44%模具公司、日本30%模具公司※优势：◎提高了加工速度（周期短）◎高质量表面（小进给），省去修光工序。◎简化工序（淬火后可切削）◎模具修复（可用原NC程序）第七十一页，共一百四十八页，2022年，8月28日（4）超精密微细切削加工领域(a)石墨电机（b）气轮机叶片（c）薄壁铜电机几种典型零件的超高速加工【应用案例】

第七十二页，共一百四十八页，2022年，8月28日高速主轴（电主轴）快速进给系统高性能的CNC控制系统先进的机床结构高速切削的工具系统3.4.3高速切削加工关键技术第七十三页，共一百四十八页，2022年，8月28日1、高速主轴高速主轴（电主轴）精度高、振动小、噪音低、结构紧凑3.4.3高速切削加工关键技术交流伺服电动机内置式第七十四页，共一百四十八页，2022年，8月28日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：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：运动精度高，动态刚度大，有油升影响。磁浮轴承：间隙一般在0.1mm左右，允许更高转速，达4.0*106以上，控制结构复杂。第七十五页，共一百四十八页，2022年，8月28日2、快速进给系统滚珠丝杆+伺服电机：加速度达0.6g，进给速度达40-60m/min。直线电机：进给速度可达160m/min，加速度可达2.5-10g。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。第七十六页，共一百四十八页，2022年，8月28日直线电机结构3基座4磁性轨道5直线电机6直线导轨7直线光栅8平台9接口电缆10防护罩第七十七页，共一百四十八页，2022年，8月28日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：床身足够刚度、强度，高阻尼特性和热稳定性；立柱和底座整体结构；使用高阻尼特性材料（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。第七十八页，共一百四十八页，2022年，8月28日六杆并联机床工作原理：机床主轴由六条伸缩杆支承，通过调整六杆长度，实现六个自由度运动第七十九页，共一百四十八页，2022年，8月28日5、高速切削的刀具系统对刀具系统要求：切削热更多流向刀具，要求抗磨损；必须良好的平衡，可靠定位。刀具材料：硬质合金涂层刀具、陶瓷刀具、聚晶金刚石刀具、立方氮花硼刀具。双定位刀柄结构：当超过15000r/min时，离心力将使主轴锥孔扩张，降低刀柄连接刚度；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。

第八十页，共一百四十八页，2022年，8月28日HSK型刀柄及其联接结构双定位刀柄结构：当超过15000r/min时，离心力将使主轴锥孔扩张，降低刀柄连接刚度；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。第八十一页，共一百四十八页，2022年，8月28日高速磨削：最高磨削速度达500m/s（实验速度）；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，可提高进给速度，降低加工时间，提高生产效率；可使粗精合而为一。3.4.3高速磨削加工第八十二页，共一百四十八页，2022年，8月28日1、高速主轴

须配有连续自动动平衡装置高速磨削关键技术：高速主轴动平衡系统1-信号传送单元2-紧固发兰盘3-内装电子驱动平衡块4-磨床主轴

工作原理：进行动平衡时，主轴的动不平衡振幅值由振动传感器测出，动不平衡相位则通过装在转子内的电子元件测量。相应的电子控制信号驱动两平衡块做相对转动，达到平衡第八十三页，共一百四十八页，2022年，8月28日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直线电机驱动高速平面磨床磨削速度达125m/s，工作台往复运动达1000st/min，是普通磨床的10倍第八十四页，共一百四十八页，2022年，8月28日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。高速砂轮典型结构腹板变截面等力矩结构，无中心法兰孔多个小螺孔安装固定，降低法兰孔应力第八十五页，共一百四十八页，2022年，8月28日4、冷却润滑液V液大于等于V砂：

润滑效果好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砂冷却润滑液出口流速的影响第八十六页，共一百四十八页，2022年，8月28日第五节快速原型制造技术

3.5.1RPM技术的产生和发展3.5.2RPM技术原理3.5.3典型的RPM工艺方法3.5.4RPM技术的应用第八十七页，共一百四十八页，2022年，8月28日设计人员三维实体产品RPS分层切片数据文件CAD模型三维数字化仪等CAD造型系统80年代末RPM技术首先在美国问世；工业国家称RPM技术是继数控技术后又一场技术革命；我国92年进入RPM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RMP设备、材料和软件方面先后完成了开发和产业化过程；我国RPM许多关键技术达到或领先国际先进水平。

3.5.1RPM技术的产生与发展第八十八页，共一百四十八页，2022年，8月28日

CAD模型建立STL文件生成分层切片。快速堆积成型

RPS分层切片STL文件CAD模型三维数字化仪等CAD造型系统3.5.2RPM技术原理第八十九页，共一百四十八页，2022年，8月28日选择性层片粘接（LOM）选择性激光烧结（SLS）熔融沉积成形（FDM）选择性液体固化（SLA）3.5.3典型的RPM工艺方法第九十页，共一百四十八页，2022年，8月28日选择性液体固化的基本原理将激光聚集到液态光固化材料（如光固化树脂）表面逐点扫描，令其有规律地固化，由点到线到面，完成一个层面的建造。而后升降移动一个层片厚度的距离，重新覆盖一层液态材料，进行第二层扫描，再建造一个层面，第二层就牢固地粘贴到第一层上，由此层层迭加成为一个三维实体。第九十一页，共一百四十八页，2022年，8月28日选择性液体固化工艺(SLA)

SLA工艺于1984年获美国专利，1988年美国3DSystem公司推出的商品化样机SLA—1，是世界上第一台快速原型技术成形机。立体光刻（SLA—StereoLithographyApparatus)又称立体印刷光成形激光印刷光固化立体造型第九十二页，共一百四十八页，2022年，8月28日SLA工艺成形的产品特点鼠标外壳激

光树脂原型照相机激光树脂原型

SLA方法是目前快速成形技术领域中研究得最多最为成熟的方法。

SLA工艺成形的零件精度较高，能达到0.1mm；产品透明美观，可直接做力学实验。但这种方法也有自身的局限性，比如需要支撑、树脂收缩导致精度下降、光固化树脂价格昂贵，有一定的毒性。选择性液体固化工艺(SLA)第九十三页，共一百四十八页，2022年，8月28日选择性层片粘接的基本原理

采用激光或刀具对片材进行切割。首先切割出工艺边框和原型的边缘轮廓线，而后将不属于原型的材料切割成网格状。片材表面事先涂覆上一层热熔胶。通过升降平台的移动和箔材的送给,并利用热压辊辗压将后铺的箔材与先前的层片粘接在一起，再切割出的层片。这样层层迭加后得到下一个块状物，最后将不属于原型的材料小块剥除，就获得所需的三维实体。第九十四页，共一百四十八页，2022年，8月28日选择性层片粘接（LOM）分层实体制造（(LaminatedObjectManufacturing--LOM)LOM工艺由美国Helisys公司于1986年研制成功。这种方法的代表是美国Helisys公司的LOM-1050和LOM-2030成形机，日本Kira公司的KSC-50成形机。选择性层片粘接工艺第九十五页，共一百四十八页，2022年，8月28日由于LOM工艺只须在片材上切割出零件截面的轮廓，而不用扫描整个截面，因此工艺简单，成型速度快，易于制造大型零件；工艺过程中不存在材料相变，因此不易引起翘曲变形，零件的精度较高，激光切割为0.1mm，刀具切割为0.15mm；工件外框与截面轮廓之间的多余材料在加工中起到了支撑作用，所以LOM工艺无需加支撑；材料广泛，成本低，用纸制原料还有利于环保；力学性能差，只适合做外形检查。LOM产品的特点选择性层片粘接（LOM）影片第九十六页，共一百四十八页，2022年，8月28日选择性激光烧结的基本原理

SLS工艺是利用粉末状材料成形的。先在工作台上铺上一层有很好密实度和平整度的粉末，用高强度的CO2激光器在上面扫描出零件截面，有选择地将粉末熔化或粘接，形成一个层面，利用滚子铺粉压实，再熔结或粘接成另一个层面并与原层面熔结或粘接，如此层层叠加为一个三维实体。第九十七页，共一百四十八页，2022年，8月28日选择性激光烧结（SLS）选择性激光烧结(SLS)SelectiveLaserSintering激光熔结（LF）LaserFusion

选择性激光烧结工艺由美国德克萨斯大学奥斯汀分校于1989年研制成功，已被美国DTM公司商品化，推出SLSModel125成形机。影片第九十八页，共一百四十八页，2022年，8月28日材料适应面广，不仅能制造塑料零件，还能制造陶瓷、蜡等材料的零件。特别是可以制造出能直接使用的金属零件。2.SLS工艺不需加支撑，因为没有烧结的粉末起到了支撑的作用。SLS的产品特点3.

精度不高。平均精度为±0.15~±0.2mm，表面粗糙度不好，不宜做薄壁件。选择性激光烧结（SLS）第九十九页，共一百四十八页，2022年，8月28日熔融沉积成形的基本原理将热熔性材料（ABS、尼龙或蜡）通过喷头加热器熔化；喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将熔化的材料挤出；材料迅速凝固冷却后，与周围的材料凝结形成一个层面；然后将第二个层面用同样的方法建造出来，并与前一个层面熔结在一起，如此层层堆积而获得一个三维实体。第一百页，共一百四十八页，2022年，8月28日熔融沉积成形(FDM)FusedDepositionModeling熔融挤压成形

(MEM)MeltedExtrusionModeling熔融沉积成形工艺于1988年研制成功，后由美国Stratasys公司推出商品化的3DModeler1000和FDM1600等规格的系列产品。熔融沉积成型(FDM)第一百零一页，共一百四十八页，2022年，8月28日1.FDM工艺不用激光器件，因此使用、维护简单，成本较低。2.精度可达±0.12mm，适合做薄壁件。3.污染小，材料可以回收。FDM的产品特点熔融沉积成型(FDM)第一百零二页，共一百四十八页，2022年，8月28日快速成形制造技术的基本概念快速成形（RP—RapidPrototyping

）是一种基于离散堆积成形思想的新型成形技术，是集成计算机、数控、激光和新材料等最新技术而发展起来的先进的产品研究与开发技术。快速成形制造(RPM—RapidPrototypingManufacturing）是使用RP技术，由CAD模型直接驱动的快速完成任意复杂形状三维实体零件的技术的总称。第一百零三页，共一百四十八页，2022年，8月28日快速成形制造技术的应用全球RP设备装机量医学实验分析模型快速模具快速铸造第一百零四页，共一百四十八页，2022年，8月28日快速成形制造在医学上的应用

根据CT扫描信息，应用熔融挤压快速成形的方法可以快速制造人体的骨骼（如颅骨、牙齿）和软组织（如肾）等模型，可以进行手术模拟、人体骨关节的配制，颅骨修复。在康复工程上，采用熔融挤压制造的人体和肌体的结合部位能够做到最大程度的吻合，减轻了假肢使用者的痛苦。第一百零五页，共一百四十八页，2022年，8月28日快速成形制造应用在实验分析模型上利用加工的样品，找出新产品外观&结构设计缺陷，完善设计。

利用加工出的样品可以进行装配和功能验证。利用新产品样件可先进行市场调研，投标、招标。第一百零六页，共一百四十八页，2022年，8月28日快速成形制造在快速模具上的应用第一百零七页，共一百四十八页，2022年，8月28日快速成形制造在快速铸造上的应用点击看铸件第一百零八页，共一百四十八页，2022年，8月28日CAD与RPM

利用三维实体产品模型，设计者在设计产品时可以直接在计算机上构造三维物体，并从任意角度观察物体。新的设计手段大大方便了设计人员。产品模型发展到实体模型，能较完整的表示一个三维物体。这为RP技术的产生准备了条件，同时也提出了需求。第一百零九页，共一百四十八页，2022年，8月28日卫星遥感地表高程数据重构的地球三维快速原型反求工程与RPM下一页第一百一十页，共一百四十八页，2022年，8月28日第六节微细加工技术

3.6.1微机械及其特征3.6.2微细加工工艺方法3.6.3微细加工技术的发展与趋势第一百一十一页，共一百四十八页，2022年，8月28日微型机械加工或称微型机电系统或微型系统是指可以批量制作的、集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、甚至外围接口、通讯电路和电源等于一体的微型器件或系统。日本称为微机械（Micromachine）美国称为微型机电系统（Micro-Electro-MachanicalSystem），欧洲称为微系统（Micro-System）3.6.1概述微型机械概念第一百一十二页，共一百四十八页，2022年，8月28日微小机械1-10mm；微机械1μm-1mm；纳米机械1nm-1μm。体积小、精度高、重量轻如直径如发丝的齿轮、开动3mm大小的汽车、花生米大的飞机、在5mm2内放置1000台的微型发动机。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，具有抗干扰性，可在较差环境下稳定的工作。能耗低、灵敏度、工作效率高不存在信号延迟问题，可进行高速工作。消耗的能量远小于传统机械如5*5*0.7mm3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电路为一体，易于实现多功能化和智能化。制造成本低类似半导体制造工艺。微型机械特点第一百一十三页，共一百四十八页，2022年，8月28日微型机械加工技术是指制作为机械装置的微细加工技术。起源于半导体制造工艺，原来指加工尺度约在微米级范围的加工方式。微细加工技术概念3.6.2微细加工工艺方法第一百一十四页，共一百四十八页，2022年，8月28日从基本加工类型看，微细加工可大致分四类:

分离加工——将材料的某一部分分离出去的加工方式，如分解、蒸发、溅射、破碎等；接合加工——同种或不同材料的附和加工或相互结合加工，如蒸镀、淀积、掺入、生长、粘结等；变形加工——使材料形状发生改变的加工方式，如塑性变形加工、流体变形加工等；材料处理或改性——如一些热处理或表面改性等。第一百一十五页，共一百四十八页，2022年，8月28日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、加工基准定位等单件加工，单件装配，费用高。微型超精密加工机床结构示意图为车、铣、磨、电火花加工的多功能微型加工机床，最小设定单位为1nm，单晶金刚石刀具，刀尖圆弧半径为100nm左右第一百一十六页，共一百四十八页，2022年，8月28日2、光刻加工用照相复印的方法将光刻掩模上的图形印刷在涂有光致抗蚀剂的薄膜或基材表面，然后进行选择性腐蚀，刻蚀出规定的图形。氧化硅晶片表面形成一层氧化层；涂胶涂光致抗蚀剂；（1-5μm）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。光刻加工工艺示例

第一百一十七页，共一百四十八页，2022年，8月28日硅微细加工技术主要是指以硅材料为基础制作各种微机械零部件。分为：体微机械加工表面微机械加工3、硅微细加工第一百一十八页，共一百四十八页，2022年，8月28日体微机械加工技术是针对整块材料通过刻蚀去除部分基体或衬底材料，从而得到所需元件的体构形。刻蚀工艺分为干法刻蚀和湿法刻蚀体微加工技术各向同性腐蚀：以相同速度对所有晶向进行刻蚀；各向异性腐蚀：在不同晶面，以不同速率进行刻蚀，利用晶格取向，可制作如桥、梁、薄膜等不同的结构。第一百一十九页，共一百四十八页，2022年，8月28日表面微机械加工技术就是利用集成电路中的平面化制造技术来制造微机械装置如牺牲层技术

20世纪80年代美国U.C.Berkeley发明了表面牺牲层工艺，并采用该工艺制备了可动的微型静电马达。世界上第一个MEMS器件－微型静电马达表面微加工技术第一百二十页，共一百四十八页，2022年，8月28日表面微加工技术表面的加工一般采用光刻技术、再通过各种腐蚀工艺形成微结构。（有选择性的将抗腐蚀薄膜牺牲掉）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。制作双固定多晶硅桥工艺第一百二十一页，共一百四十八页，2022年，8月28日获得更复杂的三维微结构，可以连续添加牺牲层和结构层，并分别采用恰当的光刻和刻蚀技术。采用五层多晶硅工艺备的微型传动结构第一百二十二页，共一百四十八页，2022年，8月28日4、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。LIGA工艺过程LIGA是德文的平版印刷术该工艺在80年代初创立于德国的卡尔斯鲁厄原子核研究所，是为制造喷嘴而开发出来的。第一百二十三页，共一百四十八页，2022年，8月28日b)组装后的电磁驱动微马达的SEM照片，由牺牲层和LIGA技术获得，转子直径为150m，三个齿轮的直径分别为77m,100m和150ma)LIGA工艺得到的三个镍材料的微型齿轮，每个齿轮高100m威斯康星大学通过LIGA方法制作的微齿轮和组装后的微马达第一百二十四页，共一百四十八页，2022年，8月28日电火花加工是利用工件和工具电极之间的脉冲性火花放电，产生瞬间高温使工件材料局部熔化和气化，从而达到蚀除的目的。电火花加工由于其非机械接触的特点，因而适合于微细加工。5.微细电火花加工第一百二十五页，共一百四十八页，2022年，8月28日3.6.3微细加工技术的应用谁来做

微电子生产装备？第一百二十六页，共一百四十八页，2022年，8月28日谁来做喷墨头？标准喷墨打印头喷墨面积14平方毫米喷嘴3072个直径15微米打印时加热器在十万分之一秒内升温至三百多度，使喷嘴内形成约100大气压由此从喷嘴中喷出直径为20微米、体积为4微微升的墨滴，速度每秒24000滴这还只是微米技术第一百二十七页，共一百四十八页，2022年，8月28日微器件第一百二十八页，共一百四十八页，2022年，8月28日比蚂蚁小许多的微齿轮第一百二十九页，共一百四十八页，2022年，8月28日光交换机DWDM模块以太网光纤全光开关波分复用器DWDM测试仪光通信元器件第一百三十页，共一百四十八页，2022年，8月28日压电传感器制造压力传感器要用晶片的深度蚀刻共振压力传感器4吋晶片上的16000个传感器微纳制造应用广阔第一百三十一页，共一百四十八页，2022年，8月28日轿车上的

微型传感器用于加速度、光亮度、位置、温度、湿度、扭矩、负荷、重量、空气流量、氧气含量等测量控制AnalogDevices公司截止2002年已制造出一亿只MEMS加速度传感器第一百三十二页，共一百四十八页，2022年，8月28日第七节表面工程技术

3.7.1表面改性技术3.7.2表面覆层技术3.7.3复合表面处理技术第一百三十三页，共一百四十八页，2022年，8月28日1、激光表面改性是以高能量的激光束快速扫描工件表面，升温速度可达105-106ºC/s，冷却速度104ºC/s,快速自冷淬火,比常规淬火硬度高15-20%，淬火变形非常小，表面无须保护。3.7.1表面改性技术激光表面改性装置组成示意图1-全反射镜2-谐振腔3-部分反射镜4-导光系统5-弯曲反射镜6-聚光系统及保护气通入7-x-y移动工作台8-气体交换装置9-配电盘

10-冷却装置11-控制系统第一百三十四页，共一百四十八页，2022年，8月28日2、电子束表面改性利用电子能深入金属表面，与基体金属原子核碰撞，使被处理金属表层温度迅速升高。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；控制比激光容易。

电子束产生及工作示意图1-工作台2-加工室3-电磁透镜4-阳极5-栅极6-灯丝7-电源8-电子束9偏转线圈10-工件

第一百三十五页，共一百四十八页，2022年，8月28日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影响；离子注入温度易控制；不氧化、不变形、不软化，可作最终处理工艺。可控性、重复性好。可获得两层以上复合材料，复合层不易脱落。图3-52离子注入装置示意图1-离子源2-质量分析器3-高压电极4-加速管5-聚焦电极6-X扫描电极7-Y扫描电极8-中性束9-式样室第一百三十六页，共一百