现代制造工艺.ppt

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,第3章先进制造工艺,本章要点,超精密加工技术,特种加工技术的特点,几种快速原型制造技术,高速加工关键技术,绿色加工技术及其应用,1,第3章先进制造工艺AdvancedManufacturingProcess,河南省精品课程“先进制造技术”,2,3.1.1概述,定义先进制造工艺技术是指研究与物料处理过程和物料直接相关的各项技术，要求实现优质、高效、低耗、清洁和灵活。

特点,优质高效低耗清洁灵活,3,3.1.1概述,先进制造工艺技术的内容,精密、超精密加工技术。

它是指对工件表面材料进行去除，使工件的尺寸、表面性能达到产品要求所采取的技术措旌。

当前，纳米（nm）加工技术代表了制造技术的最高精度水平。

超精加工材料由金属扩大到非金属。

根据加工的尺寸精度和表面粗糙度，可大致分为三个不同的档次，如表3-1所示。

表3-1精密加工的尺寸精度和表面粗糙度,4,3.1.1概述,精密成形制造技术。

它是指工件成形后只需少量加工或无须加工就可用作零件的成形技术。

它是多种高新技术与传统的毛坯成形技术融为一体的综合技术。

它正在从近净成形工艺（NearNetShapeProcess）向净成形工艺（NetShapeProcess）的方向发展。

特种加工技术。

它是指那些不属于常规加工范畴的加工。

例如，高能束流（电子束、离子束、激光束）加工、电加工（电解和电火花加工）、超声波加工、高压水射流加工以及多种能源的组合加工。

表面工程技术。

它是指采用物理、化学、金属学、高分子化学、电学、光学和机械学等技术及其组合，提高产品表面耐磨、耐蚀、耐热、耐辐射、抗疲劳等性能的各项技术。

它主要包括热处理、表面改性、制膜和涂层等技术。

5,第3章先进制造工艺AdvancedManufacturingProcess,河南省精品课程“先进制造技术”,6,3.2.1概述,超精密加工技术是指被加工零件的尺寸精度高于0.1m，表面粗糙度Ra在0.10.025m之间，以及所用机床定位精度的分辨率和重复性高于0.01m的加工技术，亦称之为亚微米级加工技术，且正在向纳米级加工技术发展。

目前，超精密加工从单一的金刚石车削，到现代的超精密磨削、研磨、抛光等多种方法的综合运用，已成为现代制造技术中的一个重要组成部分。

超精密加工技术主要包括:

超精密加工的机理，超精密加工的设备制造技术，超精密加工工具及刃磨技术，超精密测量技术和误差补偿技术，超精密加工工作环境等。

7,3.2.1概述,8,3.2.1概述,9,精密与超精密加工特点,3.2.1概述,10,3.2.1概述,11,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,机理、特点,3.2.2金刚石超精密加工技术,12,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。

关键技术,3.2.2金刚石超精密加工技术,13,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7-19T形布局的金刚石车床,T形布局（图7-19）,3.2.2金刚石超精密加工技术,14,金刚石车床主要性能指标（表7-5）,3.2.2金刚石超精密加工技术,15,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（图7-20）。

3.2.2金刚石超精密加工技术,16,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7-21）,在距离大的（111）面之间，只需击破一个共价键就可以劈开，而在距离小的（111）面之间，则需击破三个共价键才能劈开。

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”。

3.2.2金刚石超精密加工技术,17,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）,金刚石刀具角度（图7-22）,3.2.2金刚石超精密加工技术,18,金刚石车床,加工4.5mm陶瓷球,图3-2金刚石车床及其加工照片,3.2.2金刚石超精密加工技术,19,砂轮材料：

金刚石，立方氮化硼（CBN）,3.2.3超硬磨料砂轮超精密磨削,20,ELID（ElectrolyticIn-ProcessDressing）,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，露出了新的锋利磨粒。

由于电解修锐连续进行，砂轮在整个磨削过程保持同一锋利状态。

3.2.3超硬磨料砂轮超精密磨削,21,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1m。

为此对机床要求：

高的定位精度和运动精度。

以免因磨粒切削深度超过1m时，导致转变为脆性磨削。

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）。

3.2.3超硬磨料砂轮超精密磨削,22,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7-25）和闭式两种形式，可磨削平面、内外圆表面、曲面等（图7-27）。

精密与超精密砂带磨削,3.2.3超硬磨料砂轮超精密磨削,23,图7-26用于磨削管件的砂带磨床（带有行星系统）,3.2.3超硬磨料砂轮超精密磨削,24,几种常见砂带磨削方式（图7-27）,3.2.3超硬磨料砂轮超精密磨削,25,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0.02m）。

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。

2）静电植砂，磨粒有方向性，尖端向上（图7-28），摩擦生热小，磨屑不易堵塞砂轮，磨削性能好。

3.2.3超硬磨料砂轮超精密磨削,26,机理：

微切削被加工材料的微塑性流动作用,弹性发射加工,游离磨料加工,抛光轮：

由聚氨基甲酸（乙）酯制成，磨料直径0.10.01m,3.2.3超硬磨料砂轮超精密磨削,27,工作原理（图7-30）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。

工作原理（图7-31）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”。

液体动力抛光,机械化学抛光,3.2.3超硬磨料砂轮超精密磨削,28,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0.01m。

激光测量,3.2.4激光测量,29,激光高速扫描尺寸计量系统（图7-32）,3.2.4激光测量,30,双频激光测量（图7-33）,经分光镜，折射一小部分，经干涉测量仪获得拍频f（=f1f2）的参考信号。

大部分激光到偏振分光镜：

垂直线偏振光f1被反射，再经固定反射棱镜反射回来；水平线偏振光f2全部透射，再经移动反射棱镜反射回来。

该信号与参考信号比较，获得f2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f1和f2旋向相反的圆偏振光，经1/4波片形成频率f1的垂直线偏振光和频率f2的水平线偏振光。

经透镜组成平行光束。

3.2.4激光测量,31,图7-34双频激光测量系统,3.2.4激光测量,32,恒温要求：

10.01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,净化要求：

10000100级（100级系指每立方英尺空气中所含大于0.5m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,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,精密与超精密加工环境,3.2.5超精密加工环境,33,第3章先进制造工艺AdvancedManufacturingProcess,河南省精品课程“先进制造技术”,34,微细加工通常指1mm以下微细尺寸零件的加工，其加工误差为0.1m10m。

超微细加工通常指1m以下超微细尺寸零件的加工，其加工误差为0.01m0.1m。

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”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。

3.3.1微细与超微细加工技术,35,3.3.1微细与超微细加工技术,36,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。

刀具：

多用单晶金刚石车刀、铣刀（图3-35）。

铣刀的回转半径（可小到5m）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。

3.3.1微细与超微细加工技术,37,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。

微细机械加工设备,FANUCROBOnanoUi型微型超精密加工机床（图3-36）,3.3.1微细与超微细加工技术,38,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3-36FANUC微型超精密加工机床,3.3.1微细与超微细加工技术,39,载流导体：

逆压电材料（如压电陶瓷PZT）电场作用引起晶体内正负电荷重心位移（极化位移），导致晶体发生形变。

磁致伸缩材料（如某些强磁材料）磁场作用引起晶体发生应变。

直接线性驱动（直线电机驱动）,工作原理：

载流导体在电场（或磁场）作用下产生微小形变，并转化为微位移（图3-37）。

3.3.1微细与超微细加工技术,40,图3-37电磁驱动装置（直线电机）工作原理,3.3.1微细与超微细加工技术,41,图3-38直线电机驱动定位平台（YOKOGAWA公司）,3.3.1微细与超微细加工技术,42,直线驱动与伺服电机驱动比较（表3-7）,3.3.1微细与超微细加工技术,43,电极线沿着导丝器中的槽以510mm/min的低速滑