特種加工與精密制造技術

1、第四章特種加工與先進制造技術4.1 精密與超精密加工技術4.2 特種加工技術4.3 快速成形技術4.1 精密與超精密加工技術不同時期的精密和超精密加工精度不同時期的精密和超精密加工精度0.00010.0010.010.11101001900192019401960198020002020年年加加工工精精度度 ( m)超精密加工超精密加工精密加工精密加工普通加工普通加工一、課程研究的對象與意義l隨著新技術、新工藝、新設備以及新的測試技術和儀器的采用，機械加工精度都在不斷地提高。 目前精密與超精密加工內(nèi)涵目前精密與超精密加工內(nèi)涵分類加工精度表面粗糙度普通加工1mRa0.1m精密加工0.1-1mRa

2、0.01-0.1m超精密加工高于0.1m小于Ra0.01m各種產(chǎn)品與所要求的精度范圍各種產(chǎn)品與所要求的精度范圍 加工精度范加工精度范圍圍機械產(chǎn)品機械產(chǎn)品電子產(chǎn)品電子產(chǎn)品光學產(chǎn)品光學產(chǎn)品普普通通加加工工200 m一般機械零件，家用電器一般機械零件，家用電器，汽車零件，通用齒輪，汽車零件，通用齒輪通用電器機具，電子零通用電器機具，電子零件外殼，小型電機，半件外殼，小型電機，半導體導體照相機外殼照相機外殼 精精密密加加工工5 m手表零件，精密齒輪，絲手表零件，精密齒輪，絲杠，高速軸承，滾動軸承杠，高速軸承，滾動軸承繼電器，繼電器，IC硅片，錄像硅片，錄像頭，記憶磁盤等頭，記憶磁盤等透鏡，棱鏡等透鏡，

3、棱鏡等0.5 m空氣軸承，導軌，精密?？諝廨S承，導軌，精密模具，液壓伺服閥等具，液壓伺服閥等磁頭，磁頭，IC元件，磁控管元件，磁控管等等精密透鏡，精密透鏡，X射射線反射鏡，激光線反射鏡，激光反射鏡反射鏡超超精精密密加加工工0.05 m塊規(guī)，金剛石壓頭，超精塊規(guī)，金剛石壓頭，超精密導軌等密導軌等IC存儲器，硬磁盤，大存儲器，硬磁盤，大規(guī)模集成電路等規(guī)模集成電路等光學平晶，衍射光學平晶，衍射光柵，光盤等光柵，光盤等0.005 m超精密零件超精密零件(平面，球面，平面，球面，非球面，螺旋面等非球面，螺旋面等)超大規(guī)模集成電路超大規(guī)模集成電路超精密衍射光柵超精密衍射光柵1nm以下以下超精密零件的表面粗

4、糙度超精密零件的表面粗糙度 精密與超精密加工技術的意義精密與超精密加工技術的意義l提高產(chǎn)品性能和質(zhì)量，提高穩(wěn)定性和可靠性；提高產(chǎn)品性能和質(zhì)量，提高穩(wěn)定性和可靠性；l促進產(chǎn)品的小型化；促進產(chǎn)品的小型化；l增強零件的互換性，提高裝配生產(chǎn)率。增強零件的互換性，提高裝配生產(chǎn)率。l舉例：舉例：l人造衛(wèi)星軸承孔軸表面粗糙度人造衛(wèi)星軸承孔軸表面粗糙度1nm，其圓度和圓柱度均，其圓度和圓柱度均以以nm為單位；為單位；l飛機發(fā)動機葉片加工精度由飛機發(fā)動機葉片加工精度由 60m12m，粗糙度由，粗糙度由Ra0.5m0.2m，則發(fā)動機效率，則發(fā)動機效率 89% 94%；l磁盤磁頭與磁盤間距離，目前已達到磁盤磁頭與磁

5、盤間距離，目前已達到0.3m，近期內(nèi)可，近期內(nèi)可達到達到0.15m。二、課程的研究內(nèi)容l精密與超精密加工機理 刀具磨損、積屑瘤生成規(guī)律、磨削機理、加工參數(shù)對表面質(zhì)量的影響等其特殊性；超精密切削時極限切削厚度與刃口半徑的關系課程的研究內(nèi)容l超精密加工的刀具、磨具及其制備 刀具的刃磨、超硬砂輪的修整；在線電解修銳法電火花修整法 課程的研究內(nèi)容l超精密加工機床設備 機床精度、剛度、抗振性、微量進給機構；典型液體靜壓軸承主軸結構原理圖1-徑向液壓軸承 2-止推液壓軸承 3-真空吸盤 平面型空氣靜壓導軌示意圖1-靜壓空氣 2-移動工作臺 3-底座 微量進給結構分辨率0.01m，最大位移20m，靜剛度70

6、N/m，雙T形彈性變形微進給裝置1-微位移刀夾 2、3-T形彈簧 4-驅(qū)動螺釘 5-固定端 6-動端 課程的研究內(nèi)容l精密測量及補償技術 有相應級別的測量裝置，具有在線測量和誤差補償；CAIS為計算機輔助加工中心在線檢測誤差補償控制軟件計算機輔助加工中心在線檢測系統(tǒng)示意圖 課程的研究內(nèi)容l 嚴格的工作環(huán)境 恒溫、凈化、防振和隔振等。美國LLL實驗室超精密機床隔振基礎1-隔振空氣彈簧 2-床身 3-工作臺 防振：消除自身振動 干擾隔振：阻止外部振動4.2 特種加工技術激光加工激光加工一、特種加工的特點和分類特種加工技術的特點l不用或少用機械能，而是用其它能量（如電能、不用或少用機械能，而是用其它

7、能量（如電能、光能、聲能、熱能、化學能等）對工件進行加光能、聲能、熱能、化學能等）對工件進行加工。工。l工具不受顯著切削力的作用，對工具和工件的工具不受顯著切削力的作用，對工具和工件的強度、硬度和剛度均沒有嚴格要求。強度、硬度和剛度均沒有嚴格要求。l加工變形小，發(fā)熱少（僅局限于工件表層加工加工變形小，發(fā)熱少（僅局限于工件表層加工部位很小區(qū)域內(nèi)），工件熱變形小，加工應力部位很小區(qū)域內(nèi)），工件熱變形小，加工應力小，易于獲得好的加工質(zhì)量。小，易于獲得好的加工質(zhì)量。l加工中能量易于轉(zhuǎn)換和控制，有利于保證加工加工中能量易于轉(zhuǎn)換和控制，有利于保證加工精度和提高加工效率。精度和提高加工效率。特種加工的分類l

8、機械過程：機械過程：特種加工的分類l熱學過程：熱學過程：l 電化學過程：電化學過程：l化學過程：化學過程：特種加工的分類l復合過程：復合過程：二、幾種常見的特種加工方法l電火花加工電火花加工l電火花線切割電火花線切割l電解加工電解加工l激光加工激光加工l高能粒子束加工高能粒子束加工l超聲加工超聲加工電火花加工l原理：利用工具電極與工件電極之間脈沖原理：利用工具電極與工件電極之間脈沖性火花放電，產(chǎn)生瞬時高溫，使工件材料性火花放電，產(chǎn)生瞬時高溫，使工件材料熔化和氣化。熔化和氣化。進給進給系統(tǒng)系統(tǒng)放電間隙放電間隙工具電極工具電極工件電極工件電極直流直流脈沖脈沖電源電源工作液工作液電火花加工機床電火花

9、加工成品電火花線切割加工l用連續(xù)移動的鉬絲（或銅絲）作工具陰極，用連續(xù)移動的鉬絲（或銅絲）作工具陰極，工件為陽極。機床工作臺帶動工件在水平工件為陽極。機床工作臺帶動工件在水平面內(nèi)作兩個方向移動，可切割出二維圖形。面內(nèi)作兩個方向移動，可切割出二維圖形。同時，絲架可作小角度擺動，可切割出斜同時，絲架可作小角度擺動，可切割出斜面。面。電火花線切割機床電火花線切割機床加工過程顯示電火花線切割機床電火花線切割加工電解加工原理電解加工原理圖電解加工原理圖電解液電解液直流電直流電源源泵泵工件陽極工件陽極陰極進給陰極進給工具陰極工具陰極電解加工空心水套管葉片陰極片分度陰極片進給電解液電解加工整體葉輪激光加工原

10、理工件工件工作臺工作臺激光加工原理圖激光加工原理圖光闌光闌反射鏡反射鏡聚焦鏡聚焦鏡電源電源激光加工用途打標打標焊接焊接鉆微孔鉆微孔表面處理表面處理鉆孔鉆孔切削切削電子束加工原理l高速而能量密集的高速而能量密集的電子束沖擊到工件電子束沖擊到工件上，被沖擊點處形上，被沖擊點處形成瞬時高溫（幾分成瞬時高溫（幾分之一微秒時間內(nèi)升之一微秒時間內(nèi)升高至幾千攝氏度），高至幾千攝氏度），工件表面局部熔化、工件表面局部熔化、氣化直至被蒸發(fā)去氣化直至被蒸發(fā)去除。除。電子束加工原理圖控制柵極加速陽極電子束斑點旁熱陰極聚焦系統(tǒng)工件工作臺電子束加工應用0.030.07mm電子束加工的電子束加工的噴絲頭異形孔噴絲頭異形孔

11、1323(a)(b)(c)(d)1工件；2工件運動方向；3電子束電子束加工曲面、穿孔電子束焊接與CO2氣體保護焊的比較CO2氣保焊焊接的氣保焊焊接的車橋。要開坡口填車橋。要開坡口填絲，熱變形大絲，熱變形大 電子束焊機電子束焊機焊接的車橋焊接的車橋 電子束焊接后橋設備離子束加工原理與特點l在真空條件下，將離子源產(chǎn)生的離子束經(jīng)在真空條件下，將離子源產(chǎn)生的離子束經(jīng)過加速、聚焦后投射到工件表面的加工部過加速、聚焦后投射到工件表面的加工部位以實現(xiàn)加工。位以實現(xiàn)加工。l目前特種加工中最精密、最微細的加工。目前特種加工中最精密、最微細的加工。離子刻蝕可達納米級精度，離子鍍膜可控離子刻蝕可達納米級精度，離子鍍

12、膜可控制在亞微米級精度，離子注入的深度和濃制在亞微米級精度，離子注入的深度和濃度亦可精確地控制。度亦可精確地控制。離子束加工應用l在高真空中進行，污染少，特別適宜于對在高真空中進行，污染少，特別適宜于對易氧化的金屬、合金和半導體材料進行加易氧化的金屬、合金和半導體材料進行加工。工。l主要應用于刻蝕加工主要應用于刻蝕加工( (如加工空氣軸承的如加工空氣軸承的溝槽，加工極薄材料等溝槽，加工極薄材料等) )、鍍膜加工、鍍膜加工( (如在如在金屬或非金屬材料上鍍制金屬或非金屬材金屬或非金屬材料上鍍制金屬或非金屬材料料) )、注入加工、注入加工( (如某些特殊的半導體器件如某些特殊的半導體器件) )等。

13、等。超聲加工原理l利用工具端面利用工具端面作超聲（作超聲（1625kHz）振動，）振動，使工作液中的使工作液中的懸浮磨粒對工懸浮磨粒對工件表面撞擊拋件表面撞擊拋磨來實現(xiàn)加工。磨來實現(xiàn)加工。 變幅桿變幅桿超聲超聲波發(fā)波發(fā)生器生器振動方向振動方向工具工具換能器換能器工作液工作液噴嘴噴嘴工件工件超聲波加工應用超聲波加工樣件三、特種加工技術的發(fā)展趨勢l拓寬現(xiàn)有非傳統(tǒng)加工方法的應用領域。拓寬現(xiàn)有非傳統(tǒng)加工方法的應用領域。l探索新的加工方法，研究和開發(fā)新的元器探索新的加工方法，研究和開發(fā)新的元器件。件。l優(yōu)化工藝參數(shù)，完善現(xiàn)有的加工工藝。優(yōu)化工藝參數(shù)，完善現(xiàn)有的加工工藝。l向微型化、精密化發(fā)展。向微型化、

14、精密化發(fā)展。l采用數(shù)控、自適應控制、采用數(shù)控、自適應控制、CAD/CAM、專、專家系統(tǒng)等技術，提高加工過程自動化、柔家系統(tǒng)等技術，提高加工過程自動化、柔性化程度。性化程度。4.3 快速成形技術一、快速成形技術的原理與特點l快速成型（快速成型（Rapid Prototyping,簡稱簡稱RP）技術是技術是20世紀世紀80年代后期發(fā)展起來的年代后期發(fā)展起來的, 是是由由CAD模型直接驅(qū)動的快速制造任意復模型直接驅(qū)動的快速制造任意復雜形狀三維物理實體的技術總稱雜形狀三維物理實體的技術總稱?？焖俪尚渭夹g原理離散離散堆積（疊加）堆積（疊加）快速成形加工的過程成型加工：成型成型加工：成型頭（激光頭或頭（激

15、光頭或噴頭）按各截面噴頭）按各截面輪廓信息掃描輪廓信息掃描后處理：打磨、后處理：打磨、拋光、涂掛、拋光、涂掛、燒結燒結等等三維模型的切三維模型的切片處理：加工片處理：加工方向（方向（Z方向）方向）進行分層進行分層三維模型的近三維模型的近似處理似處理:三角形三角形平面來逼近原平面來逼近原來的模型來的模型（STL文件）文件） 三維模型構建：三維模型構建：Pro/E、UG、SolidWorks、激光掃描、激光掃描、CT斷層掃描等斷層掃描等 快速成形技術的特點1.簡易性簡易性 將一個十分復雜的三維制造過程將一個十分復雜的三維制造過程簡化為二維過程的疊加，可實現(xiàn)對任意復簡化為二維過程的疊加，可實現(xiàn)對任意

16、復雜零件的加工，特別適用于復雜型腔，復雜零件的加工，特別適用于復雜型腔，復雜形面等傳統(tǒng)方法難以制造甚至無法制造雜形面等傳統(tǒng)方法難以制造甚至無法制造的零件。的零件。2.快速性快速性 由由CAD模型直接驅(qū)動產(chǎn)品制造，模型直接驅(qū)動產(chǎn)品制造，在很短的時間內(nèi)就可制造出零件的實體。在很短的時間內(nèi)就可制造出零件的實體?；ヂ?lián)網(wǎng)技術使得快速成型方法便于實現(xiàn)遠互聯(lián)網(wǎng)技術使得快速成型方法便于實現(xiàn)遠程制造。程制造?？焖俪尚渭夹g的特點3.高柔性高柔性 不需要任何刀具，模具及工裝卡不需要任何刀具，模具及工裝卡具，可將任意復雜形狀的設計方案快速轉(zhuǎn)具，可將任意復雜形狀的設計方案快速轉(zhuǎn)換為三維的實體模型或樣件。換為三維的實體模

17、型或樣件。4.技術的高度集成性技術的高度集成性 結合結合CAD/CAM 技術、技術、激光技術、計算機數(shù)控技術、精密伺服驅(qū)激光技術、計算機數(shù)控技術、精密伺服驅(qū)動技術以及新材料技術。動技術以及新材料技術。5.應用的廣泛性應用的廣泛性 在工程、醫(yī)學、文化藝術在工程、醫(yī)學、文化藝術以及建筑工程等領域都有廣闊的應用領域。以及建筑工程等領域都有廣闊的應用領域。二、快速成形技術的主要加工方法l光固化成形技術(SLStereo Lithography)l選擇性激光燒結(SLSSelected Laser Sintering)l分層實體制造(LOMLaminated Object Manufacturing)l

18、熔融沉積造型(FDMFused Deposition Modeling) l三維打印成形(3DP3 Dimension Printing）光固化成形技術（SL）l利用計算機控制激光束對光敏樹脂進行逐利用計算機控制激光束對光敏樹脂進行逐點掃描，而逐層形成零件的快速成形方法。點掃描，而逐層形成零件的快速成形方法。l目前研究最多的也是技術最成熟的方法。目前研究最多的也是技術最成熟的方法。選擇性激光燒結（SLS）l采用高強度激光束對粉末材料進行選擇性采用高強度激光束對粉末材料進行選擇性燒結的工藝，是一種由離散點一層層堆積燒結的工藝，是一種由離散點一層層堆積成三維實體的工藝方法。成三維實體的工藝方法。分層實體成形（LOM）l用激光將薄膜材料（