第七章现代制造技术.ppt

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1、第七章现代制造技术,第一节精密制造技术第二节特种加工第三节 快速成形,一 精密与超精密加工技术,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。,瓦特改进蒸汽机 镗孔精度 1mm 20 世纪 40 年代 最高精度 1m 20 世纪 末 精密加工：0.1m，Ra 0.01m（亚微米加工）超精密加工：0.01m，Ra 0.001m（纳米加工）,精密加工和超精密加工的概念是与某个时期的加工工艺水平相关联的，随着科技进步精密加工和超精密加工所能达到的精度将逐步提高。,一 精密与超精密加工技术,精密加工与超精密

2、加工的发展）,几种典型精密零件的加工精度（表7-3）,一 精密与超精密加工技术,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0.01m；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基础和关键例：美国陀螺仪球圆度0.1m，粗糙度Ra0.01m，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60m降至12m，发电机压缩效率从89%提高到94%；齿形误差从3-4m减小1m，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

3、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,一 精密与超精密加工技术,一 精密与超精密加工技术,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。,“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。切削力一定要超过晶粒内部原子结合力才能切除切屑，刀具的切削刃必须能够承受这个巨大的剪切应力和由此产生的很大的热量，这就需要找到满足加工精度要求的刀具材料和结构。,微量切削机

4、理,精密与超精密加工特点,一 精密与超精密加工技术,一 精密与超精密加工技术,加工方法目前精密和超精密加工方法根据加工机理可分为四大类：切削加工：精密切削、微量切削和超精密切削等；磨削加工：精密磨削、微量磨削和超精密磨削等；特种加工：电火花加工、电解加工、激光加工、电子束加工、离子束加工等；复合加工：将几种加工方法复合在一起，如机械化学研磨、超声磨削、电解抛光等。在精密和超精密加工中特种加工和复合加工方法应用得越来越多。加工设备加工设备的几何精度向亚微米级靠近。关键元件，如主轴、导轨、丝杆等广泛采用液体静压或空气静压元件。定位机构中采用电致伸缩、磁致伸缩等微位移结构。设备广泛采用计算机控制、适

5、应控制、在线检测与误差补偿等技术。工件材料用于精密加工和超精密加工的材料要特别注重其加工性。工件材料必须具有均匀性和性能的一致性，不允许存在内部或外部的微观缺陷。,精密与超精密加工特点,一 精密与超精密加工技术,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,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

6、工环境,一 精密与超精密加工技术,二、精整和光整加工,近年来随着科技的进步和生产的发展,出现的许多由坚硬而又难加工材料制成的，具有精密公差尺寸和低表面粗糙度的复杂零件的加工，许多新的加工方法应运而生。这些方法本章指精密加工和“现代加工方法”或“特种加工工艺”。,精整加工是生产中常用的精密加工，它是指在精加工之后从工件上切除很薄的材料层,以提高,工件精度和减少表面粗糙度值为目的的加工方法,如研磨、珩磨等。光整加工是指不切除或从工件上切除极薄材料层，以降低表面粗糙度为目的的加工方法，如超精加工、抛光等。(一)、研磨 1.加工原理 研磨是用研磨工具和研磨剂，从工件上研去一层极薄表面层的精加工方法。,

7、采用不同的研磨工具(如研磨心棒、研磨套、研磨平板等)可对内圆、外圆和平面等进行研磨。为了磨料能嵌入研磨套的内表面，研磨套的材应软些，常用的是铸铁。研磨时先在工具表面涂上一层均匀的研磨剂,将该工具套在工件上,并调节好配合的松紧程度,研磨外圆的工具。研磨套2由夹套1夹持，它的孔内有螺旋槽可贮藏研磨剂。其上还有一条内外相通的直槽，使其有一定胀缩性。,然后让工件旋转，手持研磨工具在轴向来回移 动，直至达到研磨的要求为止。研磨剂是很细的磨料(粒度为W14W15)、研磨液和辅助材料的混合剂。常用的有液态研磨剂、研磨膏和固体研磨剂（研磨皂）三种。主要起研磨、吸附、冷却和润滑等作用。2.研磨的特点与应用 1)

8、精度高质量好,经研磨后的工件表面,尺寸精度可达IT4IT1级;表面粗糙度值可减小到0.10.006m。形状精度 亦可相应提高。2)生产效率低，加工余量小。3)研磨剂易飞溅，污染环境。在现代制造业中研磨应用很广，许多精密量块、量规、齿轮、钢球、喷油嘴、石英晶体、陶瓷元件、光学镜头及棱镜等零件均需研磨。,(二)、珩磨 1.加工原理 利用珩磨工具对工件表面施加一定压力，珩磨工具同时作往复振动、相对旋转和直线往复运动，切除工件上极小余量的工件精加工方法。2.特点与应用 一般珩磨后可将工件的形状和尺寸精度提高一级，表面粗糙度Ra值可达0.20.025m。珩磨加工的工件表面质量特性好、加工精度和,加工效率

9、高，加工应用范围广、经济性好。(三)、超精加工GB（又名：超级光磨）1.加工原理 磨具与工件之间的运动如下：1)工件作低速旋转运动,工320m/min;2)油石磨具作往复振动,每分钟振动3001200次,用细粒度的磨具对工件施加一定压力，并作往复振动和慢速纵向进给运动，以实现微量磨削的一种光整加工方法。,振幅为35mm；3)磨具作纵向进给运动,进给量f纵为0.10.15 mm/r。2.特点与应用 超精加工能加工钢、铸铁、铜合金、铝合金、陶瓷、玻璃、硅和锗等各种金属与非金属,可以加工外圆、平面、内孔和各种曲面。尤其适用加工内燃机曲轴、凸轮轴、活塞、活塞销等的光整加工。,超精加工可在普通车床、外圆

10、磨床上进行，对于批量较大的生产则宜在专用机床上进行。工作时应充分地加润滑油，以便形成油膜和清洗极细地磨屑。超精加工后地工件表面粗糙度Ra值约在0.10.006m之间。(四)、抛光 抛光是利用机械、化学或电化学地作用，使工件获的光亮、平整表面的加工方法,抛光的主要工具用品有软轮和磨膏等。软轮用皮革、毛毡、帆布等材料叠制而成，具有一定的弹性，以便抛光时能按工件形状而变形，增加抛光面积或加工曲面。磨膏由磨料和油脂(包括硬脂酸、煤油、石蜡等）配置而成。磨料的种类取决于工件材料，如：钢制零件抛光可选用氧化铁粉及刚玉；铸铁件抛光可选用氧化铁粉及碳化硅粉；有色合金抛光宜选用氧化铬及金刚砂。,抛光是安排在工件

11、精加工之后进行，抛光之后的工件，粗糙度Ra值可达0.10.012m,并能明显增加光亮度，但不能甚至不能保持原有的精度。抛光可在抛光机或砂带磨床上进行。,第二节 特种加工,刀具来切削工件材料,而是直接利用能量进行加工,与传统的切屑加工相比较,具有以下特点：切除材料的能量不主要靠机械能，主要为其他形式的能量；“以柔克刚”工具材料的硬度可低于工件材料的硬度，或者有传统意义的刀具。在加工过程中,工具与工件之间不存在显著的机械切削力.相应的切削物理现象不明显。加工能量易于控制、转换，可复合成新,现代加工方法是不仅用机械能而且更多的应 用电能、化学能、声能、光能、磁能等进行加工。这些加工方法,在某种意义上

12、说,即不使用普通,的工艺技术，适应加工范围广。一、电火花加工 1.基本原理 电火花加工是基于脉冲放电蚀除原理产生的,故又称放电加工或电蚀加工。电火花加工原理图,由脉冲电源、自动进给调节装置、工作液循环系统、工具电极等组成。加工时，脉冲电源的一极接工具电极,另一极接工件电极。两极均浸入具有一定绝缘度的液体介质（常用煤油或矿物油）中。,工具电极由自动进给调节装置控制，以保证工具与工件在正常加工时维持一很小的放电间隙（0.010.05）。当脉冲电压(100v左右)加到两极之间，由于工具电极和工件之间的表面不是完全平滑的，而是存在着凹凸不平处，便将当时条件下极间最近点的液体介质击穿，形成放电通道。由于

13、通道的截面积很小,放电时间极短,致使能量高度集中(106107w/2),放电区域产生瞬间,高温(5000)足以使材料熔化甚至汽化，以致形成一个小凹坑。第一次脉冲放电结束之后，间隔极短时间，第二个脉冲又在另一极间最近点击穿放电。如此周而复始高频率地循环下去，工具电极不断地向工件进给，它的形状最终就复制在工件上，形成所需要的加工表面。当然工具也有损耗。2.电火花加工的特点,可加工任何硬、脆、软、韧和高熔点的导电材料，如硬质合金、导电陶瓷、不锈钢、钛合金、工业纯铁、人造聚晶金刚石等，还可加工半导体和非导体材料。加工时，工具与工件不接触，“切削力”极小。故适合于低刚度工件和微细结构的加工。特别适合加工

14、复杂截面的形孔和形腔。由于脉冲放电持续时间极短，加工表面的影响极小。故可加工热敏感性很强的材料；,加工的表面，由许多小的弧坑组成，有助于油膜形成，改善润滑。调整脉冲参数，可以在同一台机床上依次进行粗、精加工；易于实现自动控制。3.电火花加工的应用 电火花加工在国防、民用和科学研究中的应用极为广泛，并且应用形式也正朝着多样化方向发展。,(a)加工通孔(b)加工模具形腔(c)加工环形内腔(d)加工弯孔(e)切割板料(f)磨拉丝模内表面,二、电解加工 1.基本原理 电解加工是利用金属在电解液中发生阳极溶解的原理,将零件加工成形的一种方法。,电解加工的过程如图。加工时,工件接直流电源的正极(阳极)，按

15、形状要求制成的工具接负极(阴极)两极间保持0.11mm的间隙，具有一定压力（0.52.5Mpa）的电解液从两极间隙中高速(560m/s)流过。接通直流电源后，工具阴极的凸出部分与工件阳极的电极间隙最小，此处的电流密度最大，单位时间内消耗的电量最多。根据法拉第定律，金属阳极的溶解量与通过的电量成正比。,因此工件上与工具阴极凸起部位的对应部位比其他地方溶解迅速,并随即被高速的电解液冲走。同时工具阴极以一定速度(0.53mm/min)向工件进给,达到预定的加工深度时,就获需形状。2.电解加工的特点 加工范围广，不受材料本身硬度、强度的限制，高硬、高强度及韧性的导电材料。可加工各种复杂形面。,无机械切

16、削力和切削热作用 工件不会产生残余应力、变形及加工变质层，也没有飞边毛剌。加工精度高 可达0.1mm至0.01mm；表面粗糙度Ra值一般可达0.8m，最小Ra值可达0.1m。工具无损耗寿命常 在加工中，工具只发生氢气和沉淀而无溶解作用，理论上无损耗，使用寿命长。,生产率较高 为电火花加工的510倍，有时甚至高于机械切削。缺点也不少 电解加工的附属设备多，造价高，占地面积大，加工稳定性不高。电解液有腐蚀性，电解产物有污染，也应引起重视。3.电解加工的应用 近年来电解加工工艺的应用研究有很大发展,除了在加工炮膛膛线外，在花键孔、深孔、内齿轮、链轮、叶片、异形零件及模具等方面获得广泛的应用。形腔加工

17、 电火花加工的生产率较低,因此对精度要求不太高的矿山机械、农机、拖拉机零件用锻模，正逐渐采用电解加工。电解整体叶轮 叶身形面形状复杂，精度要求高，加工量大，用电解加工，比机械加工工期短、效率高，质量好。,电解磨削 是靠阳极金属的电化学溶液（占9598）和机械磨削作用（占 25）相结合进行的复合加工。它集中了两者的优点，用于磨削各种硬质合金、量具、涡轮叶片榫头、蜂窝结构件、轧辊、拉丝磨孔等复杂形面的零件。电解去毛刺 代替传统的钳工操作,提高工效,节约费用。电解加工还应用于深孔的扩孔加工、形孔加工以及抛光等工艺过程中。,三、超声加工 又名超声波加工 1.基本原理 它是利用超声振动为工具进行加工的。

18、加工时，在工件和工具之间加入液体（水或煤油）和磨料混合的悬浮液，并使工具以很小的力F轻轻压在工件上。,超声波发生的超声频振荡，通过换能器转换成16000Hz以上的超声频纵向振动，并借助于变幅杆把振幅放大到0.050.1mm左右。变幅杆驱动工具作超声振动，并以工具端面迫使工作液中悬浮的磨粒以很大的速度不断撞击和研磨工件表面，把工件加工区域内的材料破碎成很细的微粒并打击下来。既然是基于局部的撞击作用，可见，越是硬脆的材料，受到的破坏越大，也就越好加工。,反之，脆性和硬度不大的塑性材，由于有缓冲作用而难加工。2.超声加工的特点 工具可用相对较软的材料 如45号钢，做成较复杂的形状，故工具和工件间无须

19、复杂的相对运动，因此超声波机床的结构简单，操作、维修也方便。适合加工薄壁、窄缝、低刚度工件,加工过程中工具对工件材料的宏观作用力小，热影响小，不致引起变形及烧伤，表面粗糙度也较低，Ra值可达10.1m,加工精度可达0.020.01 mm。磨粒硬度一般应比被加工材料高，虽加工精度高，但工具磨损大，生产效率低。3.超声加工的应用 超声加工虽生产率低，但其加工精度、表面粗糙度都较理想，能加工半导体，非导体的硬脆,材料，如石英、宝石、钨及钨合金、玛瑙等。另外，如宝石轴承、拉丝模、喷丝头，还可以用于超声抛光、光整加工、复合加工等许多方面。四、高能束加工简介 高能束加工是利用被聚焦到加工部位上的高能量密度

20、射束，去除工件上多余材料的加工方法。1.激光加工的基本原理、特点及应用 激光是20世纪60年代初出现的一种光源。,“激光”(Laser即Light Amplification by stimula-ted Emission of Radiation的缩写）,意思是利用辐射受激得到的加强光。相对于普通光，激光有强度高、单色性好，相干性好和方向性好的特性。根据这些特性将激光高度集中起来,聚焦成一个极小的光斑(直径1/100mm2,从而获得功率密度极高100,000kW/cm2)这就能提供足够的热量来熔化或汽化任何一种已知的高强度工程材料,故可进行非接触加工,适合,各种材料的微细加工。激光加工的特点

21、:功率密度高 可加工以往认为难加工的任何材料。接触式加工,不污染材料 加工速度快、热影响区小，变形也小，易于实现自动控制.能通过透明体进行加工 如对真空管内部进行焊接等。,可精细加工 因为输出功率可调，所以可用于精密微细加工，加工速度极高，打一个孔只需0.001s;加工精度可达0.001mm;表面粗糙度Ra值0.40.1m。工具不损不换 作为非接触性加工,不需要工具,所以不存在工具损耗和更换等到问题。装置简单,工作可靠,与电子束加工机相比，不需要真空，也不需要X射线进行防护。因此装置简单，工作可靠。激光加工的应用 如打孔、金刚石模具、钟表轴承、陶瓷、橡胶、塑料等非金属以及硬质合金、不锈钢等金属

22、材料，如硬质合金的喷丝头，一般要在100mm 的部位打出12000多个直径为60m的小孔。切割 金属、木材、纸、布料、皮革、陶瓷、塑料等,激光还在焊接、热处理、划线、调动平衡、微调等。多方面有广泛的用途。2.电子束加工的基本原理、特点及应用 电子束加工的特点 加工材料范围广,且与材料强度无关。加工速度快，效率非常高。每分钟可在0.1mm厚的钢板上加工出3000个直径为0.2mm的孔。属精密微细加工方法,电子束可实现极其微细的聚焦(可达0.1m).能加工微孔、窄缝、半导体集成电路等。加工工件不变形 非接触加工，不存在工具磨耗问题，无机械切削力作用，工件不易产生宏观应力和变形。适宜加工纯洁高的要求

23、 污染少,不易氧化,特适用加工易氧化的金属及合金材料,及纯度要求极高的半导体材料。可控制性能好,亦可采用计算机进行控制。电子束加工设备价格高,又由于有一定局限性,因此除了特定需要,一般为激光加工所代替。电子束加工的应用 高速打孔 电子束打孔的孔径范围为0.020.003mm。加工形孔 人造纤维的喷丝头形孔往往设计成各种异形截面，适合电子束加工。,加工弯孔和曲面 可以加工出弯孔和曲面。此外，还可进行焊接、切割、刻蚀和表面热处理 3.离子束加工 的基本原理、特点及应用 基本原理:和电子束加工基本类似，在真空条件下，将离子源产生的离子束经过加速聚焦，打到工件表面。不同的是离子带正电荷，其质量比电子大

24、数,千、数万倍，如氩离子的质量是电子的7.2万倍，故离子加速到较高速度时，比电子束具有更大的撞击动能，它是靠微观的机械撞击能量而不是靠动能转化为热能来加工的。离子束加工的特点 精细加工，可控性好 是所有现代加工中最精密、最微细的加工方法。高真空加工，污染少,尤其适宜对易氧化的金属、合金材料和高纯度半导体材料的加工。压力小,变形小 加工中产生应力、变形也小,加工工件表面质量高,对材料适应性强。设备成本高,加工效率低,应用范围受限。离子束加工的应用 可以实现精密、微细及光整加工，尤其是亚微米至纳米级精度的加工，可将材料的原子一,层层地铣削下来，使工件加工的精度、表面粗糙度的控制近乎极限。可以较好地

25、实现材料的表面改性处理，使用离子束还可以向工件表面进行离子溅射沉积和离子镀膜加工。一台设备离子束加工，既可用于加工，又可用于蚀刻、熔化、热处理、焊接等。,一 概述 20世纪80年代后期发展起来的快速成形/制造(Rapid Prototyping&Manufacture 简称RP&M)技术，被认为是近年来制造技术领域的一次重大突破，其对制造业的影响可与数控技术的出现相媲美。RP&M系统综合了CAD、数控技术，激光技术及材料科学技术等多种机械电子技术及材料技术是高科技技术的有机综合和交叉应用，可以自动、直接、快速、精确地将设计思想物化为具有一定功能的原型或直接制造零件，从而可以对产品设计进行快速评

26、价、修改及功能试验，有效地缩短了产品的研发周期。因此，RP&M技术是先进制造技术中的一个重要组成部分。而以RP系统为基础发展起来并已成熟的快速模具工装制造(Quick Tooling)技术、快速精铸技术(Quick Casting)、快速金属粉末烧结技术(Quick Powder Sintering)，则可实现零件的快速成品。,63,二、主要的快速成型工艺,FDM（Fused Deposition Modeling）：丝状材料选择性熔覆SLA（Stereolithography）：光敏树脂选择性固化是采用立体雕刻原理的一种工艺，是最早出现的一种快速成型技术。SLS（Selected Laser

27、 Sintering）：粉末材料选择性烧结LOM（Laminated Object Manufacturing）：箔材叠层实体制作,图3-19,如动画所示,液缸中盛满液态光固化树脂，激光束在偏转镜作用下,在液态表面上扫描,扫描的轨迹及光线的有无均由计算机控制,光点打到的地方,液体就固化。成形开始时，工作平台位于液面以下一个确定的深度，聚焦后的光斑在液面上按计算机的指令逐点扫描，即逐点固化。当一层扫描完成后，未被照射的地方仍是液态树脂。然后升降台带动平台下降一层高度，已成形的层面上又布满一层树脂，刮平器将粘度较大的树脂液面刮平，然后再进行下一层的扫描，新固化的一层牢固地粘在前一层上，如此重复直到整个零件制造完毕,得到一个三维实体模型。,三 光敏树脂快速成形,