第三章 先进制造工艺技术

徐州工程学院教案年至 年第学期第周星期 课题名称（含教材章节）：第3章先进制造工艺技术 教学目的和要求：⑴了解先进制诰工艺技术的内涵及发展趋势⑵熟悉超精密加工概念、发展与应用⑶熟悉RPM的技术原理与典型的RMP工艺方法⑷熟悉微机械及特征、微加工工艺及微加工技术的发展⑸熟悉激光加工、超声波加工等现代特种加工技术的基本原理教学重点： 超精密加工概念、发展与应用，RPM的技术原理与典型的RMP工艺方法，微机械及特征、微加工工艺及微加工技术的发展，光加工、超声波加工等现代特种加工技术的基本原理 教学难点： CAD关键技术、优化设计数学模型及机械零件可靠性设计方法 教学内容（要点）（1）先进制造工艺技术概述；（2）超精密加工技术；（3）快速原型制造技术；（4）微细加工技术；（5）现代特种加工技术。

徐州工程学院教案纸第三章先进制造工艺技术第一节概述一、 先进制造工艺的产生和发展随着市场竞争的日趋激烈化，生产规模，生产成本、产品质量和市场响应速度相继成为企业的经营目标，先进制造工艺应运而生。先进制造工艺是在不断变化和发展的传统机械制造工艺基础上逐渐形成的一种制造工艺技术。其发展主要表现在以下几个方面：（1） 制造加工精度不断提高；（2） 切削加工速度迅速提高；（3） 新型工程材料的应用推动了制造工艺的进步和变革；（4） 自动化和数字化工艺装备的发展提高了机械加工的效率；（5） 零件毛坯成形在向少无余量发展；（6） 优质清洁表面工程技术的形成和发展。二、 先进制造工艺技术特点（1） 优质；（2） 高效；（3） 低耗；（4） 洁净；（5） 灵活。第二节超精密加工技术一、概述1、超精密加工的内涵精密和超精密加工已经成为全球市场竞争取胜的关键技术。超精密加工是一个十分广泛的领域，它包括了所有能使零件的形状、位置和尺寸精度达到微米和亚微米范围的机械加工方法。瓦特改进蒸汽机一一镗孔精度1mm20世纪40年代20世纪末 最高精度精密加工：W0.1”m,RaW0.01”m(亚微米加工)超精密加工：W0.01“m,RaW0.001“m(纳米加工)2、精密与超精密加工地位＞精密与超精密加工技术是一个国家制造业水平重要标志例：美国哈勃望远镜形状精度0.0川m；超大规模集成电路最小线宽0.川m,日本金刚石刀具刃口钝圆半径达2nm＞精密加工与超精密加工技术是先进制造技术基础和关键例：美国陀螺仪球圆度0.川m,粗糙度Ra0.0川m,导弹命中精度控制在50m范围内；英国飞机发电机转子叶片加工误差从60pm降至12pm,发电机压缩效率从89%提高到94%；齿形误差从3-却m减小川m,单位重量齿轮箱扭矩可提高一倍＞精密加工与超精密加工技术是新技术的生长点精密与超精密加工技术涉及多种基础学科和多种新兴技术，其发展无疑会带动和促进这些相关科学技术的发展3、精密与超精密加工特点“进化”加工原则直接式进化加工：利用低于工件精度的设备、工具，通过工艺手段和特殊工艺装备，加工出所需工件。适用于单件、小批生产。间接式进化加工：借助于直接式“进化”加工原则，生产出第二代工作母机，再用此工作母机加工工件。适用于批量生产。微量切削机理背吃刀量小于晶粒大小，切削在晶粒内进行，与传统切削机理完全不同。特种加工与复合加工方法应用越来越多传统切削与磨削方法存在加工精度极限，超越极限需采用新的方法。形成综合制造工艺要达到加工要求，需综合考虑工件材料、加工方法、加工设备与工具、测试手段、工作环境等诸多因素，是一项复杂的系统工程，难度较大。与高新技术产品紧密结合精密与超精密加工设备造价高，难成系列。常常针对某一特定产品设计(如加工直径3m射电天文望远镜的超精密车床，加工尺寸小于1mm微型零件的激光加工设备)。（6）与自动化技术联系紧密广泛采用计算机控制、适应控制、再线检测与误差补偿技术，以减小人的因素影响，保证加工质量。（7）加工与检测一体化精密检测是精密与超精密加工的必要条件，并常常成为精密与超精密加工的关键。二、金刚石超精密加工技术1、 机理、特点切削在晶粒内进行» 切削力〉原子结合力（剪切应力达13000N/mm2）刀尖处温度极高，应力极大，普通刀具难以承受高速切削（与传统精密切削相反），工件变形小，表层高温不会波及工件内层，可获得高精度和好表面质量2、 应用用于铜、铝及其合金精密切削（切铁金属，由于亲合作用，产生“碳化磨损”，影响刀具寿命和加工质量）加工各种红外光学材料如错、硅、ZnS和ZnSe等加工有机玻璃和各种塑料典型产品：光学反射镜、射电望远镜主镜面、大型投影电视屏幕、照像机塑料镜片、树脂隐形眼镜镜片等3、 关键技术1）加工设备要求高精度、高刚度、良好稳定性、抗振性及数控功能等。如美国Moore公司M-18AG金刚石车床，主轴采用空气静压轴承，转速5000转/分，径跳<0.川m；液体静压导轨，直线度达0.05p/100mm；数控系统分辨率0.01M。

图3-2Moore金刚石车床2）T形布局车床主轴装在横向滑台（X轴）上，刀架装在纵向滑台（Z轴）上。可解决两滑台的相互影响问题，而且纵、横两移动轴的垂直度可以通过装配调整保证，生产成本较低，已成为当前金刚石车床的主流布局。图3-3T形布局的金刚石车床4、金刚石刀具>超精切削刀具材料：天然金刚石，人造单晶金刚石>金刚石的晶体结构：规整的单晶金刚石晶体有八面体、十二面体和六面体，有三根4次对称轴，四根3次对称轴和六根2次对称轴。a）4次对祢袖a）4次对祢袖瓦：:）:）；品面b>2；欠对称轴和（110）晶面G3次时称轼和（111j晶宜图3-4 面体的晶轴和镜晶面金刚石刀具刃磨——通常在铸铁研磨盘上进行研磨——晶向选择应使晶向与主切削刃平行 圆角半径越小越好（理论可达到1nm）三、超硬磨料砂轮精密与超精密磨削砂轮材料：金刚石，立方氮化硼（CBN）1、 特点>可加工各种高硬度、高脆性金属及非金属材料（铁金属用CBN）耐磨性好，耐用度高，磨削能力强，磨削效率高磨削力小，磨削温度低，加工表面好2、 砂轮修整>分整形与修锐（去除结合剂，露出磨粒）两步进行常用方法一用碳化硅砂轮（或金刚石笔）修整，获得所需形状；电解修锐（适用于金属结合剂砂轮），效果好，并可在线修整3、 塑性（延性）磨削>磨削脆性材料时，在一定工艺条件下，切屑形成与塑性材料相似，即通过剪切形式被磨粒从基体上切除下来。磨削后工件表面呈有规则纹理，无脆性断裂凹凸不平，也无裂纹。塑性磨削工艺条件：（1）切削深度小于临界切削深度，它与工件材料特性和磨粒的几何形状有关。一般临界切削深度〈川m。为此对机床要求：①高的定位精度和运动精度。以免因磨粒切削深度超过川m时，导致转变为脆性磨削。②高的刚性。因为塑性磨削切削力远超过脆性磨削的水平，机床刚性低，会因切削力引起的变形而破坏塑性切屑形成的条件。（2）磨粒与工件的接触点的温度高到一定程度时，工件材料的局部物理

特性会发生变化，导致切屑形成机理的变化（已有试验作支持）。四、精密与超精密砂带磨削＞砂带：带基材料为聚碳酸脂薄膜，其上植有细微砂粒。＞砂带在一定工作压力下与工件接触并作相对运动，进行磨削或抛光。＞有开式（图3-5）和闭式两种形式，可磨削平面、内外圆表面、曲面等（图3-6）。工件接触轮主动轮图3-5砂带磨削示意图接触轮主动轮a）砂带无心外圆磨削（导轮式）d）砂带内圆磨削

（回转式）支承板主动轮e）砂带平面磨削

（支承板式）a）砂带无心外圆磨削（导轮式）d）砂带内圆磨削

（回转式）支承板主动轮e）砂带平面磨削

（支承板式）b）砂带定心外圆磨削

（接触轮式）c）砂带定心外圆磨削

（接触轮式）支承轮彳厂f）砂带平面磨削

（支承轮式）图3-6几种砂带磨削方式＞砂带磨削特点:＞1）砂带与工件柔性接触，磨粒载荷小，且均匀，工件受力、热作用小，加工质量好（Ra值可达0.02〃m）。＞2）静电植砂，磨粒有方向性，尖端向上，摩擦生热小，磨屑不易堵塞砂轮，磨削性能好。

3）强力砂带磨削，磨削比（切除工件重量与砂轮磨耗重量之比）高，有“高效磨削”之称。4）制作简单，价格低廉，使用方便。5）可用于内外表面及成形表面加工。五、精密与超精密加工环境1、 恒温——要求：土1°C〜±0.01°C实现方法：大、小恒温间+局部恒温（恒温罩，恒温油喷淋）2、 恒湿——要求：相对湿度35%〜45%，波动±10%〜±1%实现方法：采用空气调节系统3、 净化一一要求：10000〜100级（100级系指每立方英尺空气中所含大于0.5〃m尘埃个数不超过100）实现方法：采用空气过滤器，送入洁净空气4、 隔振——要求：消除内部、隔绝外部振动干扰实现方法：隔振地基，隔振垫层，空气弹簧隔振器第三节快速原型制造技术（RPM）一、RPM的原理RPM（RapidPrototyping/PartsManufacturing）是由CAD模型直接驱动的快速制造任意复杂形状三维实体的技术总称。基本特征（1） 可以制造任意复杂的三维几何实体。（2） 由CAD模型直接驱动。（3） 成形设备无需专用夹具或工具。（4） 成形过程中无人干预或较少干预。2、优化设计步骤采用离散/堆积成型的原理成型过程为：1） 由三维CAD软件设计出所需要零件的计算机三维曲面或实体模型。2） 然后根据工艺要求，将其按一定厚度进行分层，把原来的三维电子模型变成二维平面信息，即离散的过程。3） 再将分层后的数据进行一定的处理，加入加工参数，产生数控代码，在微机控制下，数控系统以平面加工方式有序地连续加工出每个薄层并使它们自动粘接而成形，这就是材料堆积的过程。二、RPM技术的主要方法1、选择性液体固化将激光聚集到液态光固化材料(如光固化树脂)表面，令其有规律地固化，由点线到面，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，再建造一个层面，由此层层迭加成为一个三维实体。典型工艺有立体光刻SL(StereoLitho-graphy)，工艺原理图如图3-7所示。图3-7SL图3-7SL工艺原理图升降含检制计算机所图3-8LOM工艺原理图升降含检制计算机所图3-8LOM工艺原理图收程鞘/3、选择性粉末熔结/粘接2、选择性层片粘接采用激光或刀具对箔材切割。先切割出工艺边框和原型的边缘轮廓线，后将不属于原型的材料切割成网格状。通过升降平台的移动和箔材的送给可以切割出新的层片，并将其与先前的层片粘接在一起，层层迭加后得到一个块状物，最后将不属于原型的材料剥除，而获得所需的三维实体。典型工艺是分层实体制造LOM(LaminatedObjectManufacturing)0箔材可以是涂覆纸(涂有粘接剂覆层的纸)，涂覆陶瓷箔、金属箔或其他材质基的箔材。其工艺原理图如图3-8所示。面由粉末铺成的有好密实度和平整度的层面，有选择地直接或间接将粉末熔化或粘接，形成一个层面，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，层层叠加为一个三维实体。典型工艺有选择性激光烧结SLS(SelectiveLaserSinter-ing)和三维印刷3DP(3DPrinting)等。无木模铸型PCM(PatternlessCastingMold)工艺也属于这类方法。SLS工艺原理图如图3-9所示。粉末材料主要有蜡、聚碳酸脂、水洗砂、铁，钻，格及其合金。图3-9SLS工艺原理图4、挤压成形将热熔性材料(ABS、尼龙或蜡)通过加热器熔化，挤压喷出并堆积一个层面，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。典型工艺为熔融沉积成型FDM(FusedDeposi-tionModeling)。其工艺原理图如3-10所示。图3-10熔融挤压成形方法原理图三、RPM技术的应用国外RPM服务机构的数量以每年60%的速度递增，目前已有一万五千多个。服务机构购买的设备占设备拥有量的40%，05年，服务机构的总收入达到15.9亿美元，而同年成型机销售收入3.7亿美元。2.产品设计中的应用快速产品开发（RPD）不受复杂形状的限制，可迅速将设计变为实物。可对设计的正确性，造型合理性，可装配和干涉进行具体的检验。对复杂或贵重零件（如模具等），通过对原型的检验可节约资金降低风险。可减少开发成本30%〜70%，节约时间50%。如开发光学照相机机体采用RPM技术仅3〜5天（从CAD建模到原型制作）花费5千欧元，用传统的方法则至少需一个月，需3万欧元。图2RPM在RPD方面肘应用总图第四节微细加工技术一、概述微细加工一一通常指1mm以下微细尺寸零件的加工，其加工误差为0.1pm〜10pm。超微细加工一一通常指1pm以下超微细尺寸零件的加工，其加工误差为0.01pm〜0.1pm。精度表示方法——一般尺寸加工，其精度用误差尺寸与加工尺寸比值表示；微细加工，其精度用误差尺寸绝对值表示。“加工单位”一一去除一块材料的大小，对于微细加工，加工单位可以到分子级或原子级。微切削机理一一切削在晶粒内进行，切削力要超过晶体内分子、原子间

的结合力，单位面积切削阻力急剧增大。微细与超微细加工机理与加工方法加工机理 加工方法 机械去除 车削，铢削，钻削，磨削八言击 化学分解 蚀刻，化学抛光，机械化学抛光电解 电解加工，电解抛光4性? 蒸发 电子束加工，激光加工，热射线加工加上） 扩散与熔化 扩散去除加工，熔化去除加工溅射 离子束溅射去除加工，等离子体加工化学（电化学）附着化学镀，气相镀（电镀，电铸）化学（电化学）结合 氧化，氮化（阳极氧化）角甘摆热附着 （真空）蒸镀，晶体增长，分子束外延扩散（熔化）结合 烧结，掺杂，渗碳，（侵镀，熔化镀）加上） 物理结合 溅射沉积，离子沉积（离子镀）注入 离子溅射注入加工变形加 热表面流动 热流动加工（火焰，高频，热射线，激工（流动粘滞性流动 光）加工） 摩擦流动 压铸，挤压,喷射，浇注 傲离于流动加-L二、微细机械加工1、 主要采用铣、钻和车三种形式，可加工平面、内腔、孔和外圆表面。2、 刀具：多用单晶金刚石车刀、铣刀（图3-20）。铣刀的回转半径（可小到5〃m）靠刀尖相对于回转轴线的偏移来得到。当刀具回转时，刀具的切削刃形成一个圆锥形的切削面。3、 微细机械加工设备＞微小位移机构，微量移动应可小至几十个纳米。＞高灵敏的伺服进给系统。要求低摩擦的传动系统和导轨支承系统，以及高跟踪精度的伺服系统。＞高的定位精度和重复定位精度，高平稳性的进给运动。＞低热变形结构设计。＞刀具的稳固夹持和高的安装精度。＞高的主轴转速及动平衡。＞稳固的床身构件并隔绝外界的振动干扰。＞具有刀具破损检测的监控系统。♦FANUCROBOnanoUi型微型超精密加工机床（图3-11）＞机床有X、Z、C、B四个轴，在B轴回转工作台上增加A轴转台后，可实现5轴控制，数控系统的最小设定单位为1nm。可进行车、铣、磨和电火花加工。旋转轴采用编码器半闭环控制，直线轴则采用激光全息式全闭环控制。为了降低伺服系统的摩擦，导轨、丝杠螺母副以及伺服电机转子的推力轴承和径向轴承均采用气体静压结构。图3-11FANUC型微型超精密加工机床三、微细电加工1、线放电磨削法（WEDG）电极线沿着导丝器中的槽以5~10mm/min的低速滑动，可加工圆柱形的轴（图3-12）。如导丝器通过数字控制作相应的运动，还可加工出各种形状的杆件（图3-13）。图3-12WEDG工作原理

图3-13WEDG可加工的各种截形杆2、光刻加工＞要求：定位精度0.川m,重复定位精度0.0川m＞导轨：硬质合金滚动体导轨，或液（气）静压导轨＞工作台：粗动一伺服电机+滚珠丝杠微动一压电晶体电致伸缩机构＞工作台微动的形成：X运动：Py1=Py2 Px长度变化Y运动：Py1=Py2 Py1长度变化Z转动：Py1尹Py2图3-14电致伸缩微动工作台第五节现代特种加工技术一、概述特种加工，通常被理解为别于传统切削与磨削加工方法的总称。特种加工方法产生于二次大战后。两方面问题传统机械加工方法难于解决：1）难加工材料的加工问题。宇航工业等对材料高强度、高硬度、高韧性、耐高温、耐高压、耐低温等的要求，使新材料不断涌现。2）复杂形面、薄壁、小孔、窄缝等特殊工件加工问题。为解决上面两方面问题，出现了特种加工方法。特种加工方法将电、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。1、 特种加工方法特点（1） 特种加工方法主要不是依靠机械能，而是用其它能量（如电能、光能、声能、热能、化学能等）去除材料。（2） 特种加工方法由于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。（3） 一般不会产生加工硬化现象。且工件加工部位变形小，发热少，或发热仅局限于工件表层加工部位很小区域内，工件热变形小，加工应力也小，易于获得好的加工质量。（4） 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。（5） 特种加工方法的材料去除速度，一般低于常规加工方法，这也是目前常规加工方法仍占主导地位的主要原因。2、 特种加工方法分类（按加工机理和采用的能源划分）（1） 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。（2） 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。（3） 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。（4） 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。（5） 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:1） 机械化学复合一一如机械化学抛光、电解磨削、电镀珩磨等。2） 机械热能复合一一如加热切削、低温切削等。热能化学能复合一一如电解电火花加工等。其它复合过程一一如超声切削、超声电解磨削、磁力抛光等。3、发展趋势拓宽现有特种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。二、激光加工1、工作原理(图3-15)激光是一种受激辐射而得到的加强光。其基本特征：◎强度高，亮度大◎波长频率确定，单色性好◎相干性好，相干长度长◎方向性好，几乎是一束平行光当激光束照射到工件表面时，光能被吸收，转化成热能，使照射斑点处温度迅速升高、熔化、气化而形成小坑，由于热扩散，使斑点周围金属熔化，小坑内金属蒸气迅速膨胀，产生微型爆炸，将熔融物高速喷出并产生一个方向性很强的反冲击波，于是在被加工表面上打出一个上大下小的孔。光阑人反射镜匚激光器了1F聚焦镜V：工件J工作台丫H，¥•¥拿7■A原—1F:A■r图3-15激光加工原理图2、激光加工特点加工材料范围广，适用于加工各种金属材料和非金属材料，特别适用于加工高熔点材料，耐热合金及陶瓷、宝石、金刚石等硬脆材料。加工性能好，工件可离开加工机进行加工，可透过透明材料加工，可在其他加工方法不易达到的狭小空间进行加工。非接触加工方式，热变形小，加工精度较高。可进行微细加工。激光聚焦后焦点直径理论上可小至川以下，实际上可实现中0.01mm的小孔加工和窄缝切割。加工速度快，效率高。激光加工不仅可以进行打孔和切割，也可进行焊接、热处理等工作。激光加工可控性好，易于实现自动控制。加工设备昂贵。3、激光加工应用（1）激光打孔广泛应用于金刚石拉丝模、钟表宝石轴承、陶瓷、玻璃等非金属材料，和硬质合金、不锈钢等金属材料的小孔加工。激光打孔具有高效率、低成本的特点，特别适合微小群孔加工。焦点位置对孔的质量影响：若焦点与加工表面之间距离很大，则激光能量密度显著减小，不能进行加工。如果焦点位置偏离加工表面1mm，可以进行加工，此时加工出孔的断面形状随焦点位置不同而发生变化。2、 激光切割激光切割具有切缝窄、速度快、热影响区小、省材料、成本低等优点，并可以在任何方向上切割，包括内尖角。可以切割钢板、不锈钢、钛、钽、镍等金属材料，以及布匹、木材、纸张、塑料等非金属材料。3、 激光焊接与打孔相比，激光焊接所需能量密度较低，因不需将材料气化蚀除，而只要将工件的加工区烧熔使其粘合在一起。优点：没有焊渣，不需去