第九章超高速加工技术

第九章其他先进制造技术超高速加工技术：采用超硬材料的刀具和磨具，能可靠地实现高速运动的自动化制造设备，极大地提高材料的切除率，并保证加工精度和加工质量的现代制造加工技术。超高速加工包括超高速切削和超高速磨削。超高速切削（SuperHigh-speedCutting）:采用比常规速度高得多的切削速度进行加工的一种高效新工艺方法。以切削速度和进给速度界定：高速加工的切削速度和进给速度为普通切削的5～10倍。以主轴转速界定：高速加工的主轴转速≥10000r/min。1超高速加工技术

高速加工切削速度范围因不同的工件材料而异◎车削(Turing)：700-7000m/min◎铣削(Milling)：300-6000m/min◎钻削(Drilling)：200-1100m/min◎磨削(Grinding)：50-300m/s

◎

镗削（Boring）：35-75m/min

高速加工切削速度范围随加工方法不同也有所不同

1.高速加工切削速度的范围◎铝合金(AluminumAlloy)：1000-7000m/min◎铜(Cu)：900-5000m/min◎钢(Steel)：500-2000m/min◎灰铸铁(Graycastiron)：800-3000m/min◎钛(Ti)：100-1000m/min德国切削物理学家CarlSalmon

博士1929年进行了超高速模拟实验。2.切削理论的提出切削适应区

图1Salomon切削温度与切削速度曲线软铝切削速度v/(m/min)切削不适应区06001200180024003000青铜铸铁钢硬质合金980℃高速钢650℃碳素工具钢450℃Stelite合金850℃1600

1200800400切削温度/℃切削适应区非铁金属图2切削速度变化和切削温度的关系在1931年4月，根据实验曲线，提出著名的“萨洛蒙曲线”和高速切削理论。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%，可高质量地加工出薄壁零件；

3.高速加工的特点材料切除率高

单位时间内切除率可提高3-5倍；图3加工零件高精度

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（Onepassmachining）。

A为高速切削加工时的热传导过程B为传统加工的热传导过程

图4热传导对比图热变形小

温升不超过3ºC，90%切削热被切屑带走；

图5HSM600U型数控五轴高速加工中心

生产厂家：瑞士Mikron

主轴转速：最高42000rpm主轴功率：13KW进给速度：最高40m/min

定位精度：0.008mm重复定位精度：0.005mm高速加工技术的发展与应用图6HSM系列高速五轴联动小型立式加工中心图9HSM400加工极高表面光洁度的硬钢HRC62、铝、铜、塑料工件图7HSM800图8HSM600高速切削加工应用（1）航空航天领域。大型整体结构件、薄壁类零件和叶轮零件等。

图10波音公司的F15战斗机的起动减速板铝合金整体零件：

整体零件“掏空”，切除量大零件有薄壁，要求小切削力小直径刀具较长的刀具悬伸图11高速铣削典型工件（2）汽车制造。专用机床5轴×4工序=20轴（3万件/月）刚性（零件、孔数、孔径、孔型固定不变）1234钻孔表面倒棱内侧倒棱铰孔表面和内侧倒棱高速钻孔高速加工中心1台1轴1工序（3万件/月）柔性（零件、孔数、孔径、孔型可变）图12汽车轮毂螺栓孔高速加工实例（日产公司）（3）模具制造。

图13采用高速加工缩短模具制作周期（日产汽车公司）与最终尺寸差值/mm加工时间100%1010.10.010.001粗加工精加工手工精修传统加工方法高速切削少量手工精修b）高速模具加工的过程图14两种模具加工过程比较1硬化毛坯→2粗铣→3半精铣→4精铣→5手工磨修

a）传统模具加工的过程1毛坯→2粗铣→3半精铣→4热处理→5电火花加工→6精铣→7手工磨修

电极制造生产剃须刀的石墨电极生产球形柄用的铜电极

图15

高速切削加工电火花加工用工具电极

（4）难加工材料领域。硬金属材料（HRC55～62），可代替磨削，精度可达IT5~IT6级，粗糙度可达0.2～1um。

（5）超精密微细切削加工领域。粗铣整体铝板；精铣去口；钻680个直径为3mm的小孔。时间为32min。图16高速切削加工医用药盒高速切削加工的关键技术

1.高速主轴

高速化指标：dmn值，至少达到1×106

电主轴：交流伺服电动机内置式集成化结构。转子套装在机床的主轴上，定子安装在主轴单元的壳体中，采用水冷或油冷。精度高、振动小、噪声低、结构紧凑。

采用的轴承有：滚动轴承（陶瓷轴承）、磁浮轴承、气体静压轴承、液体静压轴承。

陶瓷球轴承图17陶瓷轴承高速主轴密封圈旋转变压器电主轴陶瓷球轴承冷却水出口冷却水入口陶瓷轴承高速主轴结构前辅助轴承电主轴双面轴向推力轴承前径向轴承后径向轴承后辅助轴承前径向传感器后径向传感器轴向传感器图18

磁浮轴承高速主轴

磁浮轴承主轴结构

2.快速进给系统伺服电动机+大导程高速精密滚珠丝杠副；

直流直线电机、交流永磁同步直线电动机、交流感应异步直线电动机的进给系统。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防护罩图20结构图

3.高性能的CNC控制系统图21六杆机床（并联机床结构）

4.先进的机床结构

超精密加工是指被加工零件的尺寸精度为0.1～0.01µm，加工表面粗糙度达Ra0.03～0.0051µm数量级的加工技术。随着加工技术的发展，超精密加工的技术指标也在不断变化。一般加工：精度10μm左右，Ra0.3～0.8μm；精密加工：精度10—0.1μm左右，Ra0.3—0.03μm；超精密加工：精度0.1—0.01μm左右，Ra0.03—0.05μm；纳米加工：精度高于0.001μm，Ra小于0.005μm。超精密加工的主要方法有：

1）金刚石刀具超精密切削；

2）精密和镜面磨削；

3）精密研磨和抛光；

第2节

超精密加工技术1.金刚石刀具超精密切削

金刚石刀具拥有很高的高温强度和硬度，而且材质细密，经过精细研磨，切削刃可磨得极为锋利，表面粗糙度值很小，因此可进行镜面切削。

金刚石刀具超精密切削主要用于加工铜、铝等有色金属，如高密度硬磁盘的铝合金基片、激光器的反射镜、复印机的硒鼓、光学平面镜，凹凸镜、抛物面镜等。2.精密和镜面磨削

磨削时尺寸精度和几何精度主要靠精密磨床保证，可达亚微米级精度（指精度为1~10-2μm）。在某些超精密磨床上可磨出十纳米精度的工件。在精密磨床上使用细粒度磨粒砂轮可磨削出Ra=0.1～0.05μm的表面。使用金属结合剂砂轮的在线电解修整砂轮的镜面磨削技术可得到Ra0.01～0.002μm的镜面。3.精密研磨和抛光精密研磨和抛光技术意指：使用超细粒度的自由磨料，在研具的作用和带动下加工表面，产生压痕和微裂纹，依次去除表面的微细突出处，加工出Ra0.01～0.02μm的镜面。

超精密加工是以精密元件为加工对象。超精密加工必须具有稳定的加工环境，即必须在恒温、超净、防振等条件下进行。另外，精密测量是超精密加工的必要手段，否则无法判断加工精度。纳米（Nanometer）,是一个长度单位，简写为nm。1nm=10-3μm=10-9m。纳米技术是20世纪80年代末期诞生并在蓬勃发展的一种高新科学技术。纳米不仅是一个空间尺度上的概念，而且是一种新的思维方式，即生产过程越来越细，以至于在纳米尺度上直接由原子、分子的排布制造的具有特定功能的产品。1.纳米技术的含义

纳米技术是指纳米级（0.1~100nm）的材料、设计、制造、测量、控制和产品的技术。它将加工和测量精度从微米级提高到纳米级。2.纳米技术的主要内容纳米技术是一门多学科交叉的高新技术，从基础研究角度来看，纳米技术包括：纳米生物学、纳米电子学、纳米化学、纳米材料和纳米机械学等新学科。4、纳米加工技术纳米级加工是指：加工精度高于10-3μm，表面粗糙度

Ra小于0.005μm，达到纳米级精度。包括纳米级尺寸精度、纳米级几何形状精度和纳米级表面质量。纳米级加工方法包括：机械加工、化学腐蚀、能量束加工、复合加工、扫描隧道显微加工等。纳米级机械加工方法包括：单晶金刚石刀具的超精密磨削；金刚石砂轮和立方氮化硼砂轮的超精密磨削及镜面磨削；衍磨和砂带抛光等固定磨料工具的加工；衍磨、抛光等自由磨料的加工等。

在达到纳米层次后，决非几何上的“相似缩小”，而出现一系列新现象和规律。量子效应、波动特性、微观涨落等不可忽略，甚至成为主导因素。

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。金刚石超精密加工技术

◆

机理、特点

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锗、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。镜片及光学元器件为主。◆

应用◆

应用实例棱镜加工光学玻璃加工摄像头：要求下表面能够很好的反光成像◆

应用实例后视镜室外广角镜◆

金刚石刀具

超精切削刀具材料：天然金刚石，人造单晶金刚石性质用途

无色透明、正八面体形状的固体，加工后有夺目光泽。

经仔细琢磨后，成为装饰品——钻石。

划玻璃、切割大理石、加工坚硬的金属，装在钻探机的钻头钻凿坚硬的岩层。

自然界中存在的最硬物质,熔点高。金刚石刀具磨损的常见形式为机械磨损和破损。机械磨损——∵机械摩擦、非常微小；破损——∵本身裂纹、冲击和振动。刀具磨损直接影响到加工质量。（具体视加工材料而定）金刚石刀具只能安装在机床主轴转动非常平稳的高精度机床上使用。（不能有振动）。金刚石车床加工4.5mm陶瓷球图金刚石车床及其加工照片精密切削加工

精密加工：加工精度为0.1~1um，表面粗糙度为0.02~0.1um。3、增强互换性、促进自动化装配应用。提高加工精度的好处：1、提高产品的性能与质量、稳定性和可靠性；2、促进产品的小型化；（集成线路、磁盘容量）

精密加工技术涉及内容广泛的综合性技术：精密机床设备和工具、稳定的加工环境、运用计算机技术的实时检测和反馈补偿等。精密加工的关键技术：1、精密加工机床2、金刚石刀具3、精密切削机理5、误差补偿4、稳定的加工环境6、精密测量技术精密加工机床研究方向：提高机床主轴的回转精度、工作台的直线运动精度以及刀具的微量进给精度。（主轴轴承和导轨）

超精密级滚动轴承——液体静压或空气静压轴承。金刚石刀具金刚石晶面选择、金刚石刀具刃口的圆弧半径。先进国家达到纳米级，我国0.1~0.3um。精密切削机理积屑瘤的形成、毛刺的产生、切削参数及加工条件等。需深入研究以掌握其变化规律。稳定的加工环境恒温（加工空间和机床本身）、防振、净化（高效过滤器）。误差补偿消除或抵消误差本身的影响。同时防止误差累计。（一直靠提高机床制造精度来提高工件精度会使成本大大增加）精密测量技术高一个数量级、显微镜和激光干涉仪等。隧道显微镜分辨率达到0.1nm。精密切削研究最早从金刚石车削开始——金刚石铣削——金刚石镗削，来加工型面和内孔。刀具材料从金刚石刀具材料——立方氮化硼、复合陶瓷等。精密加工的经济性：过去尤其其昂贵的价格、高要求的加工环境在一定程度上限制精密加工的应用范围。现在由于科学技术发展和生活水平的提高，精密加工深入到各个领域。机械制造业：加工工具、卡具、量具，发达国家已经开始零件的精密加工。第3节快速成型技术一、RP技术概述1、RP技术的发展历史快速成型(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。

1986年美国3DSystems公司率先推出了称为StereolithographyApparatus（简称SLA）的激光快速成型制造系统，引起工业界的广泛兴趣并且RP得到了异乎寻常的迅猛发展。

目前美国在RP领域处于主导地位，德国、以色列、日本也处于国际领先水平。在RP领域国内有清华大学、西安交通大学、南京航空航天大学、华中科技大学，北京隆源公司等。

2、RP技术原理和成型过程传统加工：去材法、变形法。

RP加工：材料累加法。计算机科学CAD/CAM数控技术激光技术新材料RP自动、快速、准确制品RP技术基本原理：离散—堆积（叠加）

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

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）

三维模型的切片处理：加工方向（Z方向）进行分层成型加工：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、烧结等间隔一般取0.05m--0.5mm，常用0.1mm

图3、RP成型过程图3、RP技术的特点和影响

新产品开发的一般过程：设计试制试验征求用户意见市场推销生产修改定型RP：设计、成型，时间，成本模具：制模、试模、修模，时间，成本RP技术的主要特点：（1）可以制造任意复杂的三维几何实体（2）快速性:几个小时到几十个小时就可制造出零件（3）高度柔性：无需任何专用夹具或工具（4）产品结构与性能的及时快速优化（5）进行小批量生产（6）RP技术有利于环保二、RP技术加工方法和设备

目前RP技术的快速成型工艺方法有十多种。现简要介绍四种比较成熟且常用的四种成型方法：光固化成型（SLA）、分层实体制造（LOM）、选择域激光粉末烧结成型（SLS）、熔融沉积成型（FDM）。

1、SLA

光固化法是第一个投入商业应用的RP技术,它以美国3DSystems公司生产的SLA系列成型机为代表。SLA技术是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的，这种液态材料在一定波长和强度的紫外光照射下能迅速发生光聚合反应，分子量急剧增大，材料也就从液态转变成固态。

SLA工作原理图4、SLA工作原理图SLA优点：

(1)原材料的利用率将近100%；

(2)尺寸精度高(±0.1mm)；

(3)表面质量优良；

(4)可以制作结构十分复杂的模型。SLA缺点：

(1)成型过程中伴随着物理和化学变化，所以制件较易弯曲，需要支撑，如图5；

(2)可使用的材料种类较少；

(3)液态树脂具有气味和毒性，并且需要避光保护，以防止提前发生聚合反应，选择时有局限性。图5、SLA成型中加入支撑示意图2、LOMLOM工艺由美国Helisys于1986年研制成功。LOM工艺采用薄片材料，如纸、塑料薄膜等。片材表面事先涂覆上一层热熔胶。其主要零部件有：工作平台、CO2激光器、加热辊、供料与收料辊等。图6、LOM原理图热压辊热压片材激光器切割出零件截面轮廓和工件外框工作台下降滚筒转动工作台上升图7、多余网格部分的去除薄壳件

头盖骨LOM2030H机器外观LOM优点：（1）成型效率高，LOM工艺只需在片材上切割出零件截面的轮廓，而不用扫描整个截面，因此成型厚壁零件的速度较快，易于制造大型零件；（2）无翘曲变形，工艺过程中不存在材料相变，因此没有热应力、膨胀和收缩不易引起翘曲变形；（3）无需加支撑，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。LOM缺点：材料浪费严重，表面质量差。3、SLS

SLS工艺最初由美国德克萨斯大学奥斯汀分校(UIIiversityofTexasatAustin)的CarlDeckard于1989年在其硕士论文中提出，后由Texas大学组建的DTM公司于1992年推出了该工艺的商业化生产设备Sinterstation。该工艺实用高功率的激光加热，把粉末熔化在一起形成零件，SLS工艺的重要吸引力是可用于多种热塑性塑料的成型,如尼龙、聚碳酸酯、聚丙烯酸酯类、聚苯乙烯、聚氯乙烯、高密度聚乙烯等。SLS工作原理：铺粉激光器扫描图8、SLS工作原理图

SLS方法中的工艺参数对粉末的熔融有很大影响，如激光功率、光斑大小、扫描速度、扫描间距、单层厚度、粉床温度等都会影响烧结件的性能。

激光功率较低时,烧结件的拉伸强度和冲击强度均随激光功率的增加而增加。激光功率过大时引起粉末的氧化降解,从而降低了烧结件的强度。

扫描速度决定了激光束对粉末的加热时间,在激光功率相同的情况下,扫描速度越低,激光对粉末的加热时间越长,传输的热量多,粉末熔化较好,烧结件的强度高。但过低的扫描速度导致粉末表面的温度过高,不仅不能提高烧结件的强度,还会影响成型速度。

单层层厚指铺粉厚度,即工作缸下降一层的高度。对于某一制品,采用较大的单层厚度,所需制造的总层数少,制造时间短。但由于激光在粉末中的透射强度随厚度的增加而急剧下降,单层厚度过大,会导致层与层之间黏结不好,甚至出现分层,严重影响成型件的强度。

SLS的优点是无需支撑,成型的零件机械性能好,强度高。缺点是粉末比较松散,烧结后精度不高,尤其是Z轴方向的精度难以控制。4、FDMFDM工艺由美国工程师ScottCrump于1988年研制成功。FDM的材料一般是热塑性材料，以丝状供料。材料在喷头内被加热熔化，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，并与周围的材料凝结。加热丝状材料喷头扫描并喷出半流动状材料材料固化图9、FDM原理图

喷头是实现FDM工艺的关键部件，喷头结构设计和控制方法是否合理，直接关系到成型过程能否顺利进行，并影响成型的质量，另一方面为了提高生产效率可以采用多喷头，美国3D公司推出的Actua2100,其喷头数多达96个。

在成型有支撑制件时单喷头和双喷头的比较：成型材料支撑材料单喷头双喷头密实疏松水溶性或低熔点材料溶于水或加热剥离

目前，FDM系统采用柱塞式喷头（如图10）和螺杆式挤出喷头（如图11）。图10、柱塞式喷头图11、螺杆式喷头FDM的优点：(1)由于热融挤压头系统构造原理和操作简单，维护成本低，系统运行安全；(2)原材料在成型过程中无化学变化，制件的翘曲变形小；(3)原材料利用率高，且材料寿命长。FDM的缺点：(1)成型件的表面有较明显的条纹；(2)沿成型轴垂直方向的强度比较弱；(3)需要设计与制作支撑结构，如图12。图12、FDM快出成型支撑结构图三、快速成型技术的应用

快速成型技术的最初应用主要集中在产品开发中的设计评价、功能试验上。设计人员根据快速成型得到的试件原型对产品的设计方案进行试验分析、性能评价,借此缩短产品的开发周期、降低设计费用。经过十几来的发展,快速成型技术早已突破了其最初意义上的“原型”概念,向着快速零件、快速工具等方向发展。目前RP技术已得到了工业界的普遍关注,尤其在家用电器、汽车、玩具、轻工业产品、建筑模型、医疗器械及人造器官模型、航天器、军事装备、考古、工业制造、雕刻、电影制作以及从事CAD的部门都得到了良好的应用.其用途主要体现在以下6个方面。1、新产品研制开发阶段的试验验证2、新产品投放市场前的调研和宣传3、基于快速成型技术的快速制模（RT）技术由于RP方法对使用材料的限制，并不能够完全替代最终的产品。在新产品功能检验、投放市场试运行和准确获得用户使用后的反馈信息等方面，仍需要由实际材料制造的产品。因此，需要利用RP原型作母模来翻制模具，这便产生了基于RP的快速模具制造技术（RT）。

RP+RT技术提供了一条从模具的CAD模型直接制造模具的新概念和方法。它将模具的概念设计和加工工艺集成在一个CAD／CAM系统内，并行工程的应用，为信息流的畅通流动创造了良好的条件。

RT方法的分类：按功能用途可分为：塑料模、铸(型)模、冲压模、锻造模及石墨电极研磨母模。按制模材料可分为简易模(也称作软模、经济模或非钢制模)和钢制硬模。根据不同的制模工艺方法，快速模具可分直接快速模具和间接快速模具。直接快速模具，亦即快速成型模具，以快速成型件直接作为成形模具。间接快速模具，亦即型腔复制模具，以快速成型件为母模，通过型腔复制制作模具，包括硅橡胶复制、金属冷喷涂、精密铸造、树脂材料型腔复制等。

目前，基于RP的RT的方法多为间接制模法，依据材质不同，间接制模法生产出来的模具一般分为软质模具和硬质模具两大类。软质模具制造方法主要有树脂浇注法、金属喷涂法、电镀法、硅橡胶浇铸法等。（1）硅橡胶浇注法制作过程为：原型的表面处理涂刷脱模剂，固定原型并放置型框硅橡胶计量、真空脱泡后进行混合

浇注硅橡胶混合体

硅橡胶固化后，刀剖开模，取出原型

以艺术品宝塔为原型制作硅橡胶模的过程：宝塔的三维模型

模型分层处理

宝塔实物模型

制作型框并固定原型硅橡胶的浇注

硅橡胶的固化拆除型框

原型去除

修模

（2）树脂浇注法硅橡胶模具仅适用于制品数量较少的生产，若制品数量较大时，可用快速原型翻制环氧树脂模具。该方法是将液态的环氧树脂与有机或无机材料复合作为基体材料，以原型为母模浇注模具的一种制模方法。其工艺过程为：①采用技术制作原型；②将原型进行表面处理并涂刷脱模剂；③设计制作模框；④选择和设计分型面；⑤浇注树脂；⑥开模并取出原型。用树脂浇注法快速制作模具，工艺简单、成本低廉。树脂型模具传热性能好、强度高且型面不需加工，适用于注塑模、薄板拉伸模、吸塑模及聚氨酯发泡成形模等。（3）金属喷涂法金属喷涂法是以原型作基体样模，将低熔点金属或合金喷涂到样模表面上形成金属薄壳，然后背衬充填复合材料而制作模具的方法。金属喷涂法工艺简单、周期短，型腔及其表面精细花纹可一次同时成形。模具耐磨性能好、尺寸精度高。制作过程中要注意的是解决好涂层与原型表面的贴合和脱离问题。（4）电成形制模法电成形制模法又称电铸制模法。其原理和制造过程与金属喷涂法比较类似，又称电铸制模法。它是采用电化学原理，通过电解液使金属沉积在原型表面，然后背衬其他充填材料来制作模具的方法。电成形法制作的模具复制性好且尺寸精度高，适合于精度要求较高、形态均匀一致和形状、花纹不规则的型腔模具，如人物造型模具、儿童玩具和鞋模等。软质模具的寿命一般为50-5000件，对于上万件乃至几十万件的产品，仍然需要传统的钢质模具，硬质模具指的就是钢质模具，利用RP成型制作钢质模具的主要方法有熔模铸造法、电火花加工法、陶瓷型精密铸造法等。4、新材料的研究

在开发RP加工方法的过程中，需要使用一些特殊的材料，甚至是开发出适用于此方法的新材料，所以在研究RP加工方法的过程中也研制了新的材料。同时对于新研究的材料，RP技术提供了检验此材料和其制品性能的一种方法。5、修复医学上的应用快速成型技术在修复医学上的应用主要集中在人工假体、人工活性骨等方面。比如应用快速成型制作出假体的原型,而后翻制金属假体，植入人体,取代受伤的器官而达到康复的目的。快速成型系统能够制作出多孔性结构,首先使用可降解材料制成内部多孔疏松的代用骨,疏