机械制造技术的发展课件

*,1,第,7,章 机械制造技术的发展,本章要点,了解非传统加工方法特点，超声波加工、电火花加工、激光加工、快速原型制造的工作原理和应用,（,7.1,）,了解精密与超精密加工的概念和特点，金刚石超精密车削加工特点及应用，超硬磨料精密磨削特点及关键技术，离子束加工特点及应用，纳米技术内涵和扫描电镜工作原理，微机电系统组成及特征,（,7.2,）,了解刚性自动化、柔性自动化和综合自动化的特征，理解,Groover,产品寿命周期模型，了解,FMS,的组成及特点，机械制造自动化的发展趋势,（,7.3,）,1第7章 机械制造技术的发展本章要点 了解非传统加工方法特,2,机械制造技术基础,7,.1,非传统加工方法,Nontraditi,onal,machining Technology,第,7,章,机械制造技术的发展,Development of Mechanical Manufacturing Technology,2机械制造技术基础 7.1 非传统加工方法第 7 章 机,3,非传统加工又称特种加工，通常被理解为有别于传统切削与磨削加工方法的总称。,非传统加工方法产生于二次大战后。有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，出现了非传统加工方法,非传统加工方法将电、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,7.1.1,非传统加工方法概述,3 非传统加工又称特种加工，通常被理解为有别于传统切削与磨削,4,非传统加工方法分类,（按加工机理和采用的能源划分）,7.1.1,非传统加工方法概述,图,7-1,非传统加工方法分类,非传统加工方法,水喷射加工,弹性喷射,磨料流加工,电火花加工,线切割,激光束加工,电子束加工,离子束加工,化学铣削化学腐蚀,电解加工电解磨削,电刷镀,电铸,沉积加工快速原型,机械变化过程,热过程,化学过程,分层制造过程,超声波加工,喷射 加工,放电 加工,高能束加工,化学 加工,电化学 加工,堆积 加工,4 非传统加工方法分类（按加工机理和采用的能源划分）7.1.,5,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,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,7.1.1,非传统加工方法概述,5 机械过程 热学过程 电化学过程 化学过程7.1.1 非,6,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,其他复合过程,如超声切削、超声电解磨削、磁力抛光等,7.1.1,非传统加工方法概述,机械化学复合,如机械化学抛光、电解磨削、电镀珩磨等,堆积加工,有别于传统的加工成形机理，属于増材制造，如快速原型制造、沉积加工等,6 复合过程 机械热能复合如加热切削、低温切削等7.1.1,7,非传统加工方法主要不是依靠机械能，而是用其他能量（如电能、光能、声能、热能、化学能等）去除材料,非传统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,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,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,非传统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,非传统加工方法的特点,7.1.1,非传统加工方法概述,7 非传统加工方法主要不是依靠机械能，而是用其他能量（如电能,8,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,发展趋势,7.1.1,非传统加工方法概述,8 拓宽现有非传统加工方法的应用领域 采用数控、自适应控制、,9,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实现加工,超声波发生器将工频交流电能转变为有一定功率输出的超声频电振荡，通过换能器将超声频电振荡转变为超声机械振动，此时振幅一般很小，再通过振幅扩大棒（变幅杆）使固定在变幅杆端部的工具振幅增大到,0.01,0.15 mm,工作原理,变幅杆,超声波发生器,图,7,-2,超声波加工原理图,振动方向,工具,换能器,工作液喷嘴,工件,超声波加工,7.1.2,产生机械变化过程的加工方法,9 利用工具端面作超声（1625kHz）振动，使工作液中的,10,超声波加工机床,超声波加工样件,7.1.2,产生机械变化过程的加工方法,10超声波加工机床超声波加工样件7.1.2 产生机械变化过,11,适用于加工各种脆性金属材料和非金属材料，如玻璃、陶瓷、半导体、宝石、金刚石等,可加工各种复杂形状的型孔、型腔、型面,工具与工件不需作复杂的相对运动，机床结构简单,被加工表面无残余应力，无破坏层，加工精度较高，尺寸精度可达,0.01,0.05 mm,加工过程受力小，热影响小，可加工薄壁、薄片等易变形零件,生产效率较低。采用超声复合加工（如超声车削，超声磨削、超声电解加工、超声线切割等）可提高加工效率,超声波加工特点及应用,7.1.2,产生机械变化过程的加工方法,11 适用于加工各种脆性金属材料和非金属材料，如玻璃、陶瓷、,12,工作原理,喷嘴材料及工作条件,喷嘴材料及工作条件,图,7,-3,水喷射加工装置示意图,喷嘴,阀,控制器,蓄能器,供水器,过滤器,泵,增压器,液压装置,排水器,工件,射流,d,水喷射加工,利用超高压水（或水与磨料的混合液）对工件进行切割（或打孔），又称高压水切割，或,“,水刀,”,7.1.2,产生机械变化过程的加工方法,12 工作原理 喷嘴材料及工作条件喷嘴材料及工作条件图7-3,13,工艺参数,几种材料高压水切割参数,水喷射加工常用工艺参数,7.1.2,产生机械变化过程的加工方法,13 工艺参数几种材料高压水切割参数水喷射加工常用工艺参数7,14,工作原理,：,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，工件材料被熔化和气化。同时，该处绝缘液体也被局部加热，急速气化，体积发生膨胀，随之产生很高的压力。在这种高压作用下，已经熔化、气化的材料就从工件的表面迅速被除去,（图,7,-,4,）,4,个阶段,：,电火花加工,图,7,-,4,电火花加工原理图,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,介质电离、击穿，形成放电通道,火花放电产生熔化、气化、热膨胀,抛出蚀除物,间隙介质消电离（恢复绝缘状态）,7.1.3,产生热过程的加工方法,14 工作原理：利用工具电极与工件电极之间脉冲性火花放电，产,15,电火花加工机床,7.1.3,产生热过程的加工方法,15电火花加工机床7.1.3 产生热过程的加工方法,16,电极材料,要求导电，损耗小，易加工；常用材料：紫铜、石墨、铸铁、钢、黄铜等，其中石墨最常用,工作液,主要功能压缩放电通道区域，提高放电能量密度，加速蚀物排出；常用工作液有煤油、机油、去离子水、乳化液等,放电间隙,合理的间隙是保证火花放电的必要条件。为保持适当的放电间隙，在加工过程中，需采用自动调节器控制机床进给系统，并带动工具电极缓慢向工件进给,工作要素,脉冲宽度与间隔,影响,加工速度、表面粗糙度、电极消耗和表面组织等。,脉冲频率高、持续时间短，则每个脉冲去除金属量少，加工表面粗糙度值小，但加工速度低。通常,放电持续时间在,2s,2ms,范围内，各脉冲能量为,2mJ,20J,（电流为,400 A,时）,7.1.3,产生热过程的加工方法,16 电极材料要求导电，损耗小，易加工；常用材料：紫铜、,17,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（图,7,-,5,）。同时，丝架可作小角度摆动，可切割出斜面,电火花加工类型,图,7,-,5,电火花线切割原理图,X,Y,储丝筒,导轮,电极丝,工件,电火花成形加工：主要指孔加工，型腔加工等,7.1.3,产生热过程的加工方法,17 电火花线切割加工：用连续移动的钼丝（或铜丝）作工具阴极,18,快走丝,：电极丝多用钼丝，做往复运动，走丝速度一般为,2.5 m/s10 m/s,快走丝与慢走丝,快走丝电火花线切割机床结构原理图,1,走丝溜板；,2,卷丝筒；,3,电极丝；,4,丝架；,5,下丝臂；,6,上丝臂；,7,导丝轮；,8,工作液喷嘴；,9,工件；,10,绝缘垫块；,11,、,16,伺服电机,12,工作台；,13,溜板；,14,伺服电机电源；,15-,数控装置；,16-,脉冲电源,X,Y,7.1.3,产生热过程的加工方法,18 快走丝：电极丝多用钼丝，做往复运动，走丝速度一般为2.,19,慢走丝,：,走丝作单方向运动，多用铜丝，为一次性使用，走丝速度一般低于,0.2 m/min,，电极丝走丝平稳无震动，损耗小，因此加工精度高，表面粗糙度值低，但其导向、張紧机构比较复杂,慢走丝电火花线切割机床的结构原理图,1,溜板；,2,绝缘垫块；,3,、,13,伺服电机；,4,工作台；,5,放丝卷筒；,6,、,11,导丝轮和旅紧机构；,7,导向装置；,8,工作液喷嘴；,9,工件；,10,脉冲电源；,12,收丝卷筒；,14,数控装置；,15-,伺服电机电源,7.1.3,产生热过程的加工方法,19 慢走丝：走丝作单方向运动，多用铜丝，为一次性使用，走丝,20,电火花线切割机床（快走丝）,电火花线切割加工,加工过程显示,7.1.3,产生热过程的加工方法,20电火花线切割机床（快走丝）电火花线切割加工加工过程显示7,21,电火花线切割机床（慢走丝）,垂直走丝,水平走丝,7.1.3,产生热过程的加工方法,21电火花线切割机床（慢走丝）垂直走丝水平走丝7.1.3,22,不受加工材料硬度限制，可加工任何硬、脆、韧、软的导电材料,加工时无显著切削力，发热小，适于加工小孔、薄壁、窄槽、形面、型腔及曲线孔等，且加工质量较好,脉冲参数调整方便，可一次装夹完成粗、精加工,易于实现数控加工,电火花加工的特点,电火花加工的应用,电火花成形加工：电火花打孔常用于加工冷冲模、拉丝模、喷嘴、喷丝孔等。型腔加工包括锻模、压铸模、挤压模、塑料模等型腔加工，以及叶轮、叶片等曲面加工,电火花线切割：广泛用于加工各种硬质合金和淬硬钢的冲模、样板、各种形状复杂的板类零件、窄缝、栅网等,7.1.3,产生热过程的加工方法,22 不受加工材料硬度限制，可加工任何硬、脆、韧、软的导电材,23,激光是一种受激辐射得到的加强光。其基本特征：,工作原理,激光加工,激光束照射工件表面时，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，在被加工表面上打出一个上大下小的孔,激光器,工件,工作台,图,7,-,6,激光加工原理图,光阑,反射镜,聚焦镜,电源,强度高，亮度大,波长确定，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,7.1.3,产生热过程的加工方法,23 激光是一种受激辐射得到的加强光。其基本特征： 工作原理,24,固体激光器,反射凹镜,反射平镜,电极,放电管,CO,2,气体,冷却水进口,冷却水出口,激光,高压直流电源,CO,2,激光器示意图,气体激光器,CO,2,激光器,激光器,YAG（,结晶母材由钇、铝和石榴石构成）激光器,红宝石激光器,混合气体：氦约,80%,，氮约,15%,，,CO,2,约,5%,通过高压直流放电进行激励,波长,10.6,，为不可见光,能量效率,5%,15%,7.1.3,产生热过程的加工方法,24 固体激光器 反射凹镜反射平镜电极放电管CO2气体冷却,25,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,1m,以下，实际上可实现,0.01 mm,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,7.1.3,产生热过程的加工方法,25 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,26,激光打孔,激光加工应用,焦点位置对孔形状影响,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,7.1.3,产生热过程的加工方法,26 激光打孔 激光加工应用焦点位置对孔形状影响 广泛应用于,27,激光热处理,原理：照射到金属表面上的激光使表面原子迅速蒸发，由此产生微冲击波会导致大量晶格缺陷形成，达到硬化,优点：快速、不需淬火介质、硬化均匀、变形小、硬化深度可精确控制,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，不需去除工件氧化膜，可实现不同材料之间的焊接，特别适宜微型机械和精密焊接,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,7.1.3,产生热过程的加工方法,27 激光热处理 原理：照射到金属表面上的激光使表面原子迅速,28,激光焊接,激光切割,7.1.3,产生热过程的加工方法,28激光焊接 激光切割7.1.3 产生热过程的加工方法,29,激光原位角膜磨镶术（,LASIK,）矫正视力,激光膝关节手术,7.3.2,几种典型的非传统加工方法,29激光原位角膜磨镶术（LASIK）矫正视力 激光膝关节手术,30,图,7,-,7,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,工作原理,真空条件下，利用电流加热阴极发射电子束，经控制栅极初步聚焦后，由加速阳极加速，通过透镜聚焦系统进一步聚焦，使能量密度集中在直径,5,10 m,斑点内,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,7.1.3,产生热过程的加工方法,30图7-7 电子束加工原理图控制栅极加速阳极电子束斑点,31,电子束束径小（最小直径可达,0.01,0.05 mm,），而电子束长度可达束径几十倍，故可加工微细深孔、窄缝,材料适应性广（原则上各种材料均能加工），特别适用于加工特硬、难熔金属和非金属材料,非接触加工，无工具损耗；无切削力，加工时间极短，工件无变形,加工速度高，切割,1mm,厚钢板，速度可达,240 mm/min,在真空中加工，无氧化，特别适于加工高纯度半导体材料和易氧化的金属及合金,加工设备较复杂，投资较大。多用于微细加工,特点及应用,7.1.3,产生热过程的加工方法,31 电子束束径小（最小直径可达 0.010.05 mm）,32,工作原理,化学铣削,工件浸入适当成分的化学溶液中，工件表面不加工的部分用耐蚀涂层保护，露出的工件加工表面与化学溶液产生反应，材料不断地被溶解去除,7.1.4,产生化学过程的加工方法,图,7-8,化学铣削原理图,耐腐蚀保护层 被溶解去除部分 化学溶液,特点,工艺和设备简单、操作方便、投资少,加工精度不高,工艺,工件表面预处理,涂保护胶,固化,刻型,腐蚀,清洗和去保护层,32 工作原理化学铣削 工件浸入适当成分的化学溶液中，,33,工作原理,图,7,-,9,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,工件接阳极，工具（铜或不锈钢）接阴极，两极间加直流电压,6,24,V,，极间保持,0.1,1,mm,间隙。在间隙处通以,6,60,m,/,s,高速流动电解液，形成极间导电通路，工件表面材料不断溶解，溶解物及时被电解液冲走。工具阴极不断进给，保持极间间隙,7.1.4,产生化学过程的加工方法,33 工作原理图7-9 电解加工原理图电解液直流电源泵工,34,不受材料硬度限制，能加工任何高硬度、高韧性导电材料，并能以简单的进给运动一次加工出形状复杂的型面和型腔,加工型面、型腔生产率高（与电火花加工比高,5,10,倍）。采用振动进给和脉冲电流等新技术，可进一步提高生产效率和加工精度,阴极在加工中损耗小,加工表面质量好，无毛刺、残余应力和变形层,设备投资大，有污染，需防护,模具型腔、枪炮膛线、发电机叶片、花键孔、内齿轮、小而深的孔加工、电解抛光、倒棱、去毛刺等,电解加工特点,电解加工应用,7.1.4,产生化学过程的加工方法,34 不受材料硬度限制，能加工任何高硬度、高韧性导电材料，并,35,工件与磨轮保持一定接触压力，突出的磨料使磨轮导电基体与工件之间形成一定间隙。电解液从中流过时，工件产生阳极溶解，表面生成一层氧化膜，其硬度远比金属本身低，易被刮除，露出新金属表面，继续进行电解。电解作用与磨削作用交替进行，实现加工,电解磨削效率比机械磨削高，且磨轮损耗远比机械磨削小，特别是磨削硬质合金时，效果更明显,导电磨轮,电解液,电刷,工作台,工件,绝缘板,导电基体,磨料,阳极膜,图,7,-,10,电解磨削原理图,7.1.4,产生化学过程的加工方法,电解磨削,35 工件与磨轮保持一定接触压力，突出的磨料使磨轮导电基体与,36,7.1.5,快速原型制造,快速原型制造原理及特征,图,7-11,快速成形过程,固化树脂,切割箔材,烧结粉末,喷粘结剂,喷热熔材料,表面处理,构造三维模型,模型近似处理,切片处理,激光,喷射源,三维产品（样品,/,模具）,RPM,工作过程,367.1.5 快速原型制造快速原型制造原理及特征图7-1,37,7.1.5,快速原型制造,（,a,） （,b,）,传统加工与快速成形比较,模具,模具,设计,铸造,焊接,锻压,毛坯,（大于工件）,半成品,半成品,工件,去除加工,设计,模具,样品,快速成形,半成品,半成品,半成品,半成品,377.1.5 快速原型制造（a）,38,7.1.5,快速原型制造,快速成形机床及快速成形件,387.1.5 快速原型制造快速成形机床及快速成形件,39,7.1.5,快速原型制造,由,CAD,模型直接驱动,可快速成形任意复杂的三维几何实体，不受传统机械加工方法中刀具无法达到某些型面的限制,采用,“,分层制造,”,方法，通过分层，将三维成形问题变成简单的二维平面成形,成形设备为计算机控制的通用机床，无需专用工模具,成形过程无需人工干预或很少人工干预,设计制造一体化，生产周期短,用材广泛（金属，非金属）,节省原材料,RPM,特点,397.1.5 快速原型制造 由CAD模型直接驱动 RPM,40,立体光刻,（,SLA,）,快速原型制造工艺方法,表,7-,1a,立体光刻工艺及设备,7.1.5,快速原型制造,40 立体光刻（SLA）快速原型制造工艺方法表7-1a,41,图,7-12 SLA,工艺原理,液面,储液槽,光敏树脂,升降台,成形零件,紫外,激光器,刮平器,7.1.5,快速原型制造,41图7-12 SLA工艺原理液面储液槽光敏树脂升降台成,42,分层实体制造,（,LOM,）,表,7-,1b,分层实体制造工艺及设备,7.1.5,快速原型制造,42 分层实体制造（LOM）表7-1b 分层实体制造工艺,图,7-13 LOM,工艺原理,工作台,数控机构,计算机,热压机构,原材料存储及送进机构,纸,储料辊,卷料辊,激光切割,系统,43,7.1.5,快速原型制造,图7-13 LOM工艺原理工作台数控机构计算机热压机构,44,选择性激光烧结,（,SLS,）,表,7-,1c,选择性激光烧结工艺及设备,7.1.5,快速原型制造,44 选择性激光烧结（SLS）表7-1c 选择性激光烧结,45,扫描镜,激光束,激光器,平整滚筒,粉末,图,7-14 SLS,工艺原理,7.1.5,快速原型制造,45扫描镜激光束激光器平整滚筒粉末图7-14 SLS工艺,46,熔融堆积成形,（,FDM,）,表,7-,1d,熔融堆积成形工艺及设备,7.1.5,快速原型制造,46 熔融堆积成形（FDM）表7-1d 熔融堆积成形工艺,47,喷头,图,7-15 FDM,工艺原理,料丝,成形工件,料丝辊,7.1.5,快速原型制造,47喷头图7-15 FDM工艺原理料丝成形工件料丝辊7.,48,三维打印,（,3-DP,）,表,7-,1e,三维打印工艺及设备,7.1.5,快速原型制造,48 三维打印（3-DP）表7-1e 三维打印工艺及设备,49,压电喷射头,图,7-16 3-DP,工艺原理,成形工件,材料微粒,支承,升降台,7.1.5,快速原型制造,49压电喷射头图7-16 3-DP工艺原理成形工件材料微,50,产品开发,快速原型制造技术的应用,用快速原型直接制造产品样品，一般只需传统加工方法,30,50%,的工时，,20,35%,的成本,这种样品与最终产品相比，虽然材质可能有所差异，但形状与尺寸完全相同，且有较好的机械强度。经适当的表面处理后，与真实产品一模一样。不仅可供设计者和用户进行直观检测、评判、优化，而且可在零件级和部件级水平上，对产品工艺性能、装配性能及其他特性进行检验、测试和分析,RP,利用材料累加法亦可用来直接制造塑料、陶瓷、金属及各种复合材料零件,7.1.5,快速原型制造,50 产品开发快速原型制造技术的应用 用快速原型直接制造产品,51,7.1.5,快速原型制造,RPM,提供最真实的三维实体模型,517.1.5 快速原型制造RPM提供最真实的三维实体模型,52,7.1.5,快速原型制造,电影,机械公敌,中的奥迪,RSQ,轿车,527.1.5 快速原型制造电影机械公敌中的奥迪RSQ,53,7.1.5,快速原型制造,神州十号航天员座垫（,3-DP,技术）,537.1.5 快速原型制造神州十号航天员座垫（3-DP技,54,模具制造,用快速原型制造系统直接制作模具,如砂型铸造木模的替代模、低熔点合金铸造模、试制用注塑模，以及熔模铸造的蜡模的替代模，或蜡模的成形模,用快速成形件作母模，复制软模具,可浇注蜡、硅橡胶、环氧树脂、聚氨脂等软材料,用快速成形件作母模，复制硬模具,可浇注（或涂覆）石膏、陶瓷、金属、金属基合成材料，构成硬模具（如各种铸造模、注塑模、蜡模的成形模、拉伸模等,制作电加工机床用电极,用快速成形件作母体，通过喷镀或涂覆金属、粉末冶金、精密铸造、浇注石墨粉或特殊研磨，制作金属电极或石墨电极,7.1.5,快速原型制造,54 模具制造 用快速原型制造系统直接制作模具如砂型铸造,55,7.1.5,快速原型制造,蜡模,金刚砂模,发动机罩板模具,手机壳模具,快速成形制造模具,557.1.5 快速原型制造蜡模金刚砂模发动机罩板模具手机,56,其他领域,在医学上的应用,快速原型制造系统可利用,CT,扫描或,MRI,核磁共振图象的数据，制作人体器官模型，以便策划头颅、面部、牙科或其他软组织的手术，进行复杂手术操练，为骨移植设计样板，或将其作为,X,光检查的参考手段,7.1.5,快速原型制造,3D,制作人体组织模型,56 其他领域 在医学上的应用7.1.5 快速原型制造3D,57,在建筑上的应用,利用快速原型制造系统制作建筑模型，可以帮助建筑设计师进行设计评价和最终方案的确定。在古建筑的恢复上，可以根据图片记载，用快速成形技术复制原建筑,7.1.5,快速原型制造,建筑模型：快速、节材、环保、制作精美,57 在建筑上的应用7.1.5 快速原型制造建筑模型：快速,58,7.1.5,快速原型制造,传统的泡沫板模型与3,D,成型打印模型,587.1.5 快速原型制造传统的泡沫板模型与3D成型打印,59,7.1.5,快速原型制造,迅速普及和推广,快速原型制造发展趋势,（,a,） （,b,） （,c,）,图,7-17,典型的台式,3D,打印机的机身结构,出现了低成本的商用和家用台式,3D,打印机,597.1.5 快速原型制造 迅速普及和推广快速原型制造发,60,7.1.5,快速原型制造,不同制造目标相对独立发展,（,a,） （,b,）,图,7-18 LENS,工作原理及实际工作图,Z,X,Y,C,激光束,聚焦透镜,保护气,送粉喷嘴,粉粒流,熔池,工件,包括快速概念设计原型制造、快速模具原型制造、快速功能测试原型制造及快速功能零件制造等,激光近净形制造技术,（,Laser engineered net shaping,，,LENS,）,607.1.5 快速原型制造 不同制造目标相对独立发展（a,61,7.1.5,快速原型制造,向大型与微型制造进军,更快的制造速度、更高的制造精度和可靠性,外设化和智能化,RPM,行业标准化，并且与整个产品制造体系相融合,艺术品,（,a,）,（,b,）,（,c,）,617.1.5 快速原型制造 向大型与微型制造进军艺术品（,62,机械制造技术基础,7,.2,精密加工技术,Precision Manufacturing Technology,第,7,章,机械制造技术的发展,Development of Mechanical Manufacturing Technology,62机械制造技术基础 7.2 精密加工技术第 7 章 机,63,7.2.1,精密与超精密加工,精密加工,在一定的发展时期，加工精度和表面质量达到较高程度的加工工艺,超精密加工,在一定的发展时期，加工精度和表面质量达到最高程度的加工工艺,概述,微细加工,微小尺寸的精密加工,超微细加工,微小尺寸的超精密加工,瓦特改进蒸汽机,镗孔精度,1 mm,20,世纪,40,年代,最高精度,1 m,20,世纪 末,精密加工：,0.1 m,，,Ra, 0.01 m,（亚微米加工）,超精密加工：,0.01 m,，,Ra, 0.001 m,（纳米加工）,637.2.1 精密与超精密加工 精密加工在一定的发展,64,几种典型精密零件的加工精度,7.2.1,精密与超精密加工,几种典型精密零件的加工精度 单位,/,m,64 几种典型精密零件的加工精度7.2.1 精密与超精密加,65,7.2.1,精密与超精密加工,精密加工与超精密加工的发展,（,Taniguchi，1983）,普通加工,精密加工,超精密加工,超高精密磨床,超精密研磨机,离子束加工,分子对位加工,车床,铣床,卡尺,加工设备,测量仪器,精密车床,磨床,百分尺,比较仪,坐标镗床,坐标磨床,气动测微仪,光学比较仪,金刚石车床,精密磨床,光学磁尺,电子比较仪,超精密磨床,精密研磨机,激光测长仪,圆度仪轮廓仪,激光高精度测长仪,扫描电镜,电子线分析仪,加工误差,/,m,10,0,10,1,10,2,10,-2,10,-1,10,-3,1900,1920,1940,1960,1980,2000,年份,657.2.1 精密与超精密加工精密加工与超精密加工的发展,66,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,精密与超精密加工地位,7.2.1,精密与超精密加工,精密与超精密加工技术是一个国家制造业水平的重要标志,例：哈勃望远镜形状精度,0.01m,；超大规模集成电路最小线宽,0.1m,，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的基础和关键,例：美国陀螺仪球圆度误差,0.1,m,，表面粗糙度,Ra,0.01m,，导弹命中精度控制在,50,范围内；英国飞机发电机转子叶片误差从,60m,降至,12m,，发电机压缩效率从,89%,提高到,94%,；齿形误差从,4m,减小到,1m,，单位重量齿轮箱扭矩提高一倍,66 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,67,表,7-2,精密与超精密加工分类,7.2.1,精密与超精密加工,67表7-2 精密与超精密加工分类7.2.1 精密与超,68,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。适于批量生产,“,进化”加工原则,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,微量切削机理,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,精密与超精密加工的特点,7.2.1,精密与超精密加工,68 直接式进化加工：利用低于工件精度的设备、工具，通过工艺,69,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,形成综合制造工艺,广泛采用计算机控制、适应控制、再线检测与误差补偿技术，以减小人的因素的影响，保证加工质量,与自动化技术联系紧密,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,的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）,与高新技术产品紧密结合,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,7.2.1,精密与超精密加工,69 要达到加工要求，需综合考虑工件材料、加工方法、加,70,金刚石超精密加工技术,切削在晶粒内进行,切削力原子结合力（剪切应力达,13 000 N,/,mm,2,）,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，可获得高精度和好的表面质量,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,应用,机理、特点,7.2.1,精密与超精密加工,70金刚石超精密加工技术 切削在晶粒内进行 用于铜、铝及其,71,加工设备,关键技术,7.2.1,精密与超精密加工,Moore,金刚石车床,回转工作台,工件,刀具,主轴,传动带,主轴电动机,空气垫,刀具夹持器,要求高精度、高刚度、良好稳定性、抗振性及数控功能等,Moore,公司,M18AG,金刚石车床，主轴采用空气静压轴承，转速,5,000,r,/,min,，径,向圆跳动小于,0.1,m,；液体静压导轨，直线度,0.05m/100mm,；数控系统分辨率,0.01m,71 加工设备 关键技术 7.2.1 精密与超精密加工Mo,72,T,形布局,7.2.1,精密与超精密加工,车床主轴装在横向滑台,(,Z,轴,),上，刀架装在纵向滑台,(,X,轴,),上,T,形布局的金刚石车床,X,轴滑台,Z,轴滑台,刀架,主轴,光路护罩,基座,周缘护板,避免两滑台的相互影响,纵、横两移动轴垂直度可通过装配调整保证，成本较低,已成为当前金刚石车床主流布局,72 T 形布局7.2.1 精密与超精密加工 车床主轴装在,73,7.2.1,精密与超精密加工,空气静压主轴,有自动调心作用，可获得高的同轴度,Cranfield,公司,PG150S,空气主轴：回转精度,0.05 m,；承载能力,1800 N,；径向与轴向刚度,350 N/ m,内装式双半球空气静压轴承,主轴,旋转变压器,多孔石墨,壳体,无刷电机,进气孔,737.2.1 精密与超精密加工 空气静压主轴 有自动调心,74,金刚石车床主要性能指标,7.2.1,精密与超精密加工,数控系统分辨率,/ m,400200,5000,10000,5000,0.1,0.01,0. 2/100,0.1,0.1,1/150,2/100,径向,1140,轴向,1020,640,720,最大车削直径和长度,/mm,最高转速,/,（,r/mm,）,最大进给速度,/,（,mm /min,）,重复精度（,2,）,/ m,主轴径向圆跳动,/ m,滑台运动的直线度,/ m,主轴前静压轴承（,100 mm,）的刚度,/,（,N/ m,）,主轴后静压轴承（,80 mm,）的刚度,/ m,（,N/,）,纵横滑台的静压支承刚度,/,（,N/,m,）,金刚石车床主要性能指标,主轴轴向圆跳动,/ m,横滑台对主轴的垂直度,/ m,74 金刚石车床主要性能指标7.2.1 精密与超精密加工数,75,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,次对称轴,和（,100,）晶面,L4,（,100,）,（,110,）,L2,L3,（,111,）,（,b,）,2,次对称轴,和（,110,）晶面,（,c,）,3,次对称轴,和（,111,）晶面,图,7-19,八面体的晶轴和镜晶面,7.2.1,精密与超精密加工,75 金刚石刀具 超精切削刀具材料：天然金刚石，人造单晶金刚,76,金刚石晶体的面网距和解理现象,金刚石晶体的（,111,）晶面面网密度最大，耐磨性最好,（,100,）与（,110,）面网的面间距分布均匀；（,111,）面网的面间距一宽一窄,图,7-20,（,111）面网,C,原子分布和解理劈开面,劈开面,在距离大的（,111,）面之间，击破一个共价键就可以劈开，而在距离小的（,111,）面之间，则需击破,3,个共价键才能劈开,在两个相邻的加强（,111,）面之间劈开，可得到很平的劈开面，称之为,“,解理,”,7.2.1,精密与超精密加工,76 金刚石晶体的面网距和解理现象 金刚石晶体的（111）晶,77,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,）,7.2.1,精密与超精密加工,金刚石刀具角度,单晶金刚石,45,6.4,6.4,12,A,A,6,6,A,A,35,R,R,=1.6,4.8,6.4,6.4,5,B,1,6,B,B,R,R,=0.5,1.2,B,金刚石刀具角度,110,120,77 金刚石刀具刃磨 通常在铸铁研磨盘上进行研磨 7.2,78,金刚石车床,加工,4.5 mm,陶瓷球,7.2.1,精密与超精密加工,金刚石车床及其加工照片,78金刚石车床加工4.5 mm陶瓷球7.2.1 精密与超精,79,砂轮材料,：,金刚石，立方氮化硼（,CBN,）,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,特点,分整形与修锐（去除结合剂，露出磨粒）两步进行,常用方法,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,砂轮修整,超硬磨料砂轮精密与超精密磨削,7.2.1,精密与超精密加工,79 砂轮材料：金刚石，立方氮化硼（CBN） 可加工各种高硬,80,进给,图,7-21 ELID,磨削原理,电源,金刚石砂轮,（铁纤维结合剂）,冷却液,冷却液,电刷,ELID,（,Electrolytic In-Process Dressing,）,使用,ELID,磨削，冷却液为一种特殊电解液。通电后，砂轮结合剂发生氧化，氧化层阻止电解进一步进行。在切削力作用下，氧化层脱落，露出新的锋利磨粒。电解修锐连续进行，砂轮在整个磨削过程保持同一锋利状态,7.2.1,精密与超精密加工,80进给图7-21 ELID磨削原理电源金刚石砂轮冷,81,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：,7.2.1,精密与超精密加工,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,1m,对机床要求：高的定位精度和运动精度，以免因磨粒切深超过,1m,时转变为脆性磨削。,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，会因切削力引起变形而破坏塑性切屑形成的条件,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）,81 塑性（延性）磨削 磨削脆性材料时，在一定工艺条件下，,82,超精密研磨与抛光,7.2.1,精密与超精密加工,超精密研磨、抛光方法,82 超精密研磨与抛光7.2.1 精密与超精密加工超精密研,83,工件,小间隙,加压,抛光轮,悬浮液,微粉,(,磨粒,),图,7-22,弹性发射加工原理,抛光轮与工件表面形成小间隙，中间置抛光液，靠抛光轮高速回转造成磨料“弹性发射”进行加工,工作原理,机理：微切削被加工材料的微塑性流动作用,弹性发射加工,7.2.1,精密与超精密加工,抛光轮由聚氨基甲酸（乙）酯制成，磨料直径,0.1,0.01,m,83工件小间隙加压抛光轮悬浮液微粉(磨粒)图7-22 弹,84,工作原理,抛光工具,图,7-23,液体动力抛光,小间隙,工件,工具运动方向,抛光液,磨粒,液体动力抛光,工作原理,机械化学抛光,抛光工具,活性,抛光液,机械化学抛光,小间隙,工件,工具运动方向,加压,磨粒,7.2.1,精密与超精密加工,抛光工具上开有锯齿槽，靠楔形挤压和抛光液的反弹，增加微切削作用,机理：微切削作用,活性抛光液和磨粒与工件表面产生固相反应，形成软粒子，使其便于加工,机理：机械,+,化学作用，,称为,“,增压活化,”,84 工作原理抛光工具图7-23 液体动力抛光小间隙工件,85,激光测量,7.2.1,精密与超精密加工,精密测量技术,激光由于其优良的特性（强度高，亮度大，单色性、相干性、方向性好等）在精密测量中得到广泛应用,可以测量长度、小角度、直线度、平面度、垂直度等； 也可以测量位移、速度、振动、微观表面形貌等；还可以实现动态测量、在线测量，并易于实现测量自动化,激光测量精度目前可达,0.01,m,85 激光测量7.2.1 精密与超精密加工精密测量技术 激,86,采用平行光管透镜将激光准确地调整到多角形旋转扫描镜上聚焦。通过激光扫描被测工件两端，根据扫描镜旋转角、扫描镜旋转速度，透镜焦距等数据计算出被测工件的尺寸,图,7-24,激光扫描尺寸计量系统,激光高速扫描尺寸计量系统,7.2.1,精密与超精密加工,受射透镜,平行光管透镜,边缘传感,闸门电路,伺服系统,计数器,显示图,震荡器,扫描镜,测定区,光检测器,激光发生器,工件,86 采用平行光管透镜将激光准确地调整到多角形旋转扫描镜上聚,87,双频激光测量,7.2.1,精密与超精密加工,图,7-25,双频激光测量系统原理图,干涉测量仪,f,2,f,2,f,1,氦氖激光器,轴向强磁场,N,S,1/4,波片,分光镜,透镜组,f,1,f,2,f,1,f,2,移动反射棱镜,f,2,f,2,f,2,偏振分光镜,f,1,f,1,f,f,f,2,固定反射棱镜,87 双频激光测量7.2.1 精密与超精密加工图7-25,88,双频激光测量,7.2.1,精密与超精密加工,该信号与参考信号比较， 获得,f,2,的具有长度单位当量的电信号。由于使用频率差,f,进行测量，使其不受环境变化影响，可获得高的测量精度和测量稳定性,氦氖激光器发出的激光，在轴向强磁场作用下，产生频率,f,1,和,f,2,旋向相反的圆偏振光，经,1/4,波片形成频率,f,1,的垂直线偏振光和频率,f,2,的水平线偏振光。经透镜组成平行光束,经分光镜，折射一小部分，经干涉测量仪获得拍频,f,（,=,f,1,f,2,）的参考信号。大部分激光到偏振分光镜：垂直线偏振光,f,1,被反射，再经固定反射棱镜反射回来；水平线偏振光,f,2,全部透射，再经移动反射棱镜反射回来,由于移动反射棱镜随被测件移动，频率,f,2,变成,f,2,f,2,。两路反射回来的光经偏振分光镜汇合一起，再经反射镜和干涉测量仪获得拍频信号，其频率为：,f,1,(,f,2,f,2,)=,f,f,2,88 双频激光测量7.2.1 精密与超精密加工该信号与参考,89,双频激光测量系统,7.2.1,精密与超精密加工,89双频激光测量系统7.2.1 精密与超精密加工,90,恒温,要求：,（,1,0.01,）,实现方法：大、小恒温间,+,局部恒温（恒温罩，恒,温油喷淋）,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,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,7.2.1,精密与超精密加工,精密与超精密加工环境,净化,要求：,10 000,100,级（,100,级系指每立方英