第3章先進制造工藝_先進制造技術(shù)課件

1、1超精密加工技術(shù)特種加工技術(shù)的特點幾種快速原型制造技術(shù) 高速加工關(guān)鍵技術(shù) 綠色加工技術(shù)及其應(yīng)用23先進制造工藝技術(shù)是指研究與物料處理過程和物料直接相關(guān)的各項技術(shù)，要求實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、清潔和靈活。 靈活4先進制造工藝技術(shù)的內(nèi)容 表3-1精密加工的尺寸精度和表面粗糙度尺寸精度尺寸精度/m表面粗糙度表面粗糙度/m精密加工精密加工3 30.30.30.3 30.030.03超精密加工（亞微米加工）超精密加工（亞微米加工）0.3 30.030.030.3 30.0050.005納米加工納米加工0.030.0055 67超精密加工技術(shù)是指被加工零件的尺寸精度高于0.1m，表面粗糙度Ra在0.10.0

2、25m之間，以及所用機床定位精度的分辨率和重復(fù)性高于0.01m的加工技術(shù)，亦稱之為亞微米級加工技術(shù)，且正在向納米級加工技術(shù)發(fā)展。目前，超精密加工從單一的金剛石車削，到現(xiàn)代的超精密磨削、研磨、拋光等多種方法的綜合運用，已成為現(xiàn)代制造技術(shù)中的一個重要組成部分。超精密加工技術(shù)主要包括:超精密加工的機理，超精密加工的設(shè)備制造技術(shù)，超精密加工工具及刃磨技術(shù)，超精密測量技術(shù)和誤差補償技術(shù)，超精密加工工作環(huán)境等。 8圖3-1 精密加工與超精密加工的發(fā)展普通加工精密加工超精密加工超高精密磨床超精密研磨機離子束加工分子對位加工車床,銑床卡尺加工設(shè)備測量儀器精密車床磨床百分尺比較儀坐標(biāo)鏜床坐標(biāo)磨床氣動測微儀光學(xué)比

3、較儀金剛石車床精密磨床光學(xué)磁尺電子比較儀超精密磨床精密研磨機激光測長儀圓度儀輪廓儀激光高精度測長儀掃描電鏡電子線分析儀加工誤差（m）10010110210-210-110-3190019201940196019802000年份9?！斑M化”加工原則背吃刀量小于晶粒大小，切削在晶粒內(nèi)進行，與傳統(tǒng)切削機理完全不同。微量切削機理特種加工與復(fù)合加工方法應(yīng)用越來越多傳統(tǒng)切削與磨削方法存在加工精度極限，超越極限需采用新的方法。q 精密與超精密加工特點10要達(dá)到加工要求，需綜合考慮工件材料、加工方法、加工設(shè)備與工具、測試手段、工作環(huán)境等諸多因素，是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，難度較大。形成綜合制造工藝廣泛采用計算機控

4、制、適應(yīng)控制、在線檢測與誤差補償技術(shù)，以減小人的因素影響，保證加工質(zhì)量。與自動化技術(shù)聯(lián)系緊密精密與超精密加工設(shè)備造價高，難成系列。常常針對某一特定產(chǎn)品設(shè)計（如加工直徑3m射電天文望遠(yuǎn)鏡的超精密車床，加工尺寸小于1mm微型零件的激光加工設(shè)備）。與高新技術(shù)產(chǎn)品緊密結(jié)合加工與檢測一體化精密檢測是精密與超精密加工的必要條件，并常常成為精密與超精密加工的關(guān)鍵。11結(jié)合加工 分類 加工機理 加工方法示例去除加工電物理加工 電火花加工（電火花成形，電火花線切割）電化學(xué)加工 電解加工、蝕刻、化學(xué)機械拋光力學(xué)加工 切削、磨削、研磨、拋光、超聲加工、噴射加工熱蒸發(fā)（擴散、溶解） 電子束加工、激光加工附著加工注入加

5、工化學(xué) 化學(xué)鍍、化學(xué)氣相沉積電化學(xué) 電鍍、電鑄熱熔化 真空蒸鍍、熔化鍍化學(xué) 氧化、氮化、活性化學(xué)反映電化學(xué) 陽極氧化熱熔化 摻雜、滲碳、燒結(jié)、晶體生長力物理 離子注入、離子束外延連續(xù)加工熱物理 激光焊接、快速成形化學(xué) 化學(xué)粘接變形加工熱流動 精密鍛造、電子束流動加工、激光流動加工粘滯流動 精密鑄造、壓鑄、注塑分子定向 液晶定向表3-2 精密與超精密加工分類12波及工件內(nèi)層，可獲得高精度和好表面質(zhì)量照像機塑料鏡片、樹脂隱形眼鏡鏡片等應(yīng)用機理、特點13加工設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)圖7-18 Moore金剛石車床回轉(zhuǎn)工作臺工件刀具主軸傳動帶主軸電機空氣墊刀具夾持器14車床主軸裝在橫向滑臺（X軸）上，刀架裝在縱向

6、滑臺（Z軸）上。可解決兩滑臺的相互影響問題，而且縱、橫兩移動軸的垂直度可以通過裝配調(diào)整保證，生產(chǎn)成本較低，已成為當(dāng)前金剛石車床的主流布局。 圖7-19 T形布局的金剛石車床X軸滑臺主軸刀架光路護罩基座z軸滑臺周緣護板T形布局（圖7-19）15金剛石車床主要性能指標(biāo)（表7-5）數(shù)控系統(tǒng)分辯率 /m40020050001000050000. 10.010. 2/1000. 10. 11/1502/100徑向1140軸向1020640720最大車削直徑和長度 /mm最高轉(zhuǎn)速 r/mm最大進給速度mm /min重復(fù)精度(2) / m主軸徑向圓跳動 / m滑臺運動的直線度 / m主軸前靜壓軸承（100m

7、m）的剛度 /（N/m）主軸后靜壓軸承（80mm）的剛度 /（N/m）縱橫滑臺的靜壓支承剛度 /（N/m）表7-5 金剛石車床主要性能指標(biāo)主軸軸向圓跳動 / m橫滑臺對主軸的垂直度 / m16金剛石車床加工4.5mm陶瓷球圖3-2 金剛石車床及其加工照片1718北京機床研究所研制哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制國產(chǎn)數(shù)控超精密金剛石車床國產(chǎn)數(shù)控超精密金剛石車床19 國外金剛石刀具刃口半徑可達(dá)納米級水平。國外金剛石刀具刃口半徑可達(dá)納米級水平。日本大阪大學(xué)與美國日本大阪大學(xué)與美國LLLLLL實驗室合作研究的實驗室合作研究的超精密切削的最小極限，在刀具極鋒銳和超精密切削的最小極限，在刀具極鋒銳和機床工作狀態(tài)最佳情況

8、下，可以實現(xiàn)切削機床工作狀態(tài)最佳情況下，可以實現(xiàn)切削厚度納米級的連續(xù)穩(wěn)定切削。厚度納米級的連續(xù)穩(wěn)定切削。20 在工具和模具制造中，磨削是保證產(chǎn)品的精度和質(zhì)量的最后一道工作序。技術(shù)關(guān)鍵除磨床外、磨削工藝也起決定性作用。在磨削脆性材料時，由于材料本身的物理特性，切屑形成多為脆性斷裂，磨削后的表面比較粗糙。在80年代末日本和歐美的眾多公司和研究機構(gòu)研發(fā)了兩種新的磨削工藝：塑性磨削塑性磨削（Ductile Grinding)和鏡面鏡面磨削磨削（Mirror Grinding)21塑性磨削塑性磨削22鏡面磨削鏡面磨削23進給圖3-3 ELID磨削原理電源金剛石砂輪（鐵纖維結(jié)合劑）冷卻液冷卻液電刷ELID

9、（Electrolytic In-Process Dressing）24ELID（Electrolytic In-Process Dressing）25ELID 超精密磨床日本以超精密車床為基礎(chǔ)，結(jié)合ELID鏡面磨削技術(shù)，發(fā)展了加工回轉(zhuǎn)體非球曲面的ELID精密鏡面磨床(見圖9)；后來又發(fā)展了三坐標(biāo)聯(lián)動數(shù)控ELID精密鏡面磨床，可加工精密自由曲面，達(dá)到鏡面。 26接觸輪硬磁盤裝在主軸真空吸盤上圖3-4 砂帶磨削示意圖V砂帶砂帶輪卷帶輪F-徑向進給f-徑向振動精密與超精密砂帶磨削2728圖1 呈箭頭狀分布的金剛石砂帶圖2 呈圓點狀分布的金剛石砂帶29幾種常見砂帶磨削方式（圖7-27）圖7-27 幾

10、種砂帶磨削形式a）砂帶無心外圓磨削（導(dǎo)輪式） 工件導(dǎo)輪接觸輪 主動輪砂帶工件 接觸輪主動輪砂帶b）砂帶定心外圓磨削（接觸輪式）c）砂帶定心外圓磨削（接觸輪式）工件接觸輪主動輪砂帶接觸輪砂帶工件d）砂帶內(nèi)圓磨削（回轉(zhuǎn)式）工件支承板主動輪砂帶工作臺e）砂帶平面磨削（支承板式）f）砂帶平面磨削（支承輪式）支承輪工件砂帶接觸輪30砂帶磨削特點1）砂帶與工件柔性接觸，磨粒載荷小，且均勻，工件受力、熱作用小，加工質(zhì)量好（ Ra 值可達(dá) 0.02m）。 3）強力砂帶磨削，磨削比（切除工件重量與砂輪磨耗重量之比）高，有“高效磨削”之稱。 4）制作簡單，價格低廉，使用方便。5）可用于內(nèi)外表面及成形表面加工。磨粒

11、規(guī)格涂層粘接劑基帶圖7-28 靜電植砂砂帶結(jié)構(gòu)2）靜電值小，磨粒有方向性，尖端向上（圖7-28），摩擦生熱小，磨屑不易堵塞砂輪，磨削性能好。31工件小間隙加壓拋光輪懸浮液微粉(磨粒)圖7-29 彈性發(fā)射加工原理拋光輪與工件表面形成小間隙，中間置拋光液，靠拋光輪高速回轉(zhuǎn)造成磨料的“彈性發(fā)射”進行加工。游離磨料加工32 研磨加工研磨加工通常是指利用硬度比被加工材料更高通常是指利用硬度比被加工材料更高的微米級磨粒，在硬質(zhì)研磨盤作用下產(chǎn)生的的微米級磨粒，在硬質(zhì)研磨盤作用下產(chǎn)生的微微切削切削和和滾軋滾軋作用實現(xiàn)被加工表面的微量材料去作用實現(xiàn)被加工表面的微量材料去除，使工件的形狀、尺寸精度達(dá)到要求值，并除

12、，使工件的形狀、尺寸精度達(dá)到要求值，并降低表面粗糙度、減小加工變質(zhì)層的加工方法。降低表面粗糙度、減小加工變質(zhì)層的加工方法。精密與超精密加工技術(shù)33實例：硅片的研磨精密與超精密加工技術(shù)Al2O3 磨料磨料34拋光工具圖7-30 液體動力拋光小間隙工件工具運動方向拋光液磨粒拋光工具活性拋光液圖7-31 機械化學(xué)拋光小間隙工件工具運動方向加壓35精密與超精密加工技術(shù)拋光后硅片拋光后陶瓷球 采用工件、磨粒、拋光盤和加工液等的不同組合，可實現(xiàn)不同的拋光效果。工件與拋光液、磨料及拋光盤間的化學(xué)反應(yīng)有助于拋光加工。36拉單晶拉單晶磨外圓磨外圓切割切割研磨研磨拋光拋光實例：實例：半導(dǎo)體硅片加工半導(dǎo)體硅片加工精

13、密與超精密加工技術(shù)硅片的直徑硅片的直徑300450mm, 平面度平面度: 0.050.07m/2544mm2,表表面粗糙度面粗糙度Ra 0.1nm-這些都需要在研磨、拋光的工序中實現(xiàn)。這些都需要在研磨、拋光的工序中實現(xiàn)。37實例：曲面研磨/拋光技術(shù)精密與超精密加工技術(shù)研磨拋光不僅用于加工平面，還大量用于曲面加工，如圓柱體外表面、內(nèi)孔，球面及非球面透鏡、反射鏡，模具及型腔自由曲面等。球面反射鏡離軸拋物面反射鏡 大型天文望遠(yuǎn)鏡非球面主鏡非球面反射鏡38曲面研磨/拋光技術(shù)精密與超精密加工技術(shù) 傳統(tǒng)的手工研磨拋光效率很低，且不易保證曲面的幾何精度。 故國外已發(fā)展了多種精密曲面拋光機床。這類精密曲面拋光

14、機床，都有精密在線測量系統(tǒng)，在機床上檢測加工工件的幾何精度，根據(jù)測出的誤差繼續(xù)進行拋光加工。加工出的曲面鏡，不僅表面是優(yōu)質(zhì)的鏡面，同時具有甚高的幾何精度。1-拋光頭 2-拋光頭升降機構(gòu) 3-Z向空氣導(dǎo)軌 4-測量頭 5-Z向光學(xué)測量 6-工作臺面 7-XY工作臺 8-空氣隔振 精密曲面拋光機(Canon公司)39一、磁性磨粒加工（Magnetic Abrasive Finishing, MAF） 磁性磨粒加工是利用磁性磨粒(由磨粒與鐵粉經(jīng)混合、燒結(jié)再粉碎至一定粒度制成)對工件表面進行研磨拋光的加工方法。 鐵磁性物質(zhì)有鐵、鐵合金和鐵的氧化物 在磁場的作用下，磁性磨料對工件表面產(chǎn)生作用力，并在與工

15、件表面的相對運動中去除工件材料。精密與超精密加工技術(shù)40二、磁流變加工（Magnetorheological Finishing，MRF） 利用磁流變液（由磁性顆粒、基液和穩(wěn)定劑組成的懸浮液）在磁場中的流變特性對工件進行研磨拋光加工。高梯度磁場使磁流變液凝聚、變硬，成為粘塑性的Bingham介質(zhì)（類似于“固體”，表觀黏度系數(shù)增加兩個數(shù)量級以上），在工件表面與之接觸的區(qū)域產(chǎn)生很大的剪切力，從而使工件的表面材料被去除，而離開磁場區(qū)域的介質(zhì)重新變成可流動的液體。精密與超精密加工技術(shù)41三、氣囊式拋光（Ballonet Tool Polishing） 使用特制的柔性氣囊作為拋光工具，通過拋光液或氣囊外

16、面包裹的磨料薄膜層（如聚氨酯拋光墊、拋光布等）實現(xiàn)拋光加工。工具氣囊具有彈性，可以自動適應(yīng)工件的曲面形狀，故同一工具可用于拋光不同外形的曲面。這新的曲面拋光方法可以獲得質(zhì)量甚高的拋光表面，適合平面、球面、非球面、甚至任意曲面的拋光加工精密與超精密加工技術(shù)42三、氣囊式拋光（Ballonet Tool Polishing）精密與超精密加工技術(shù)43要求：1 0.01 實現(xiàn)方法：大、小恒溫間+局部恒溫（恒溫罩，恒溫油噴淋）要求：相對濕度35%45%，波動10% 1% 實現(xiàn)方法：采用空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng) 要求：10000100級（100級系指每立方英尺空氣中所含大于0.5m塵埃個數(shù)不超過100） 實現(xiàn)方法：采

17、用空氣過濾器，送入潔凈空氣要求：消除內(nèi)部、隔絕外部振動干擾 實現(xiàn)方法：隔振地基，隔振墊層，空氣彈簧隔振器 q 精密與超精密加工環(huán)境44 45微型機械的特點微型機械的提出4647 尖端直徑為5微米的微型鑷子可以夾起一個紅血球。日本研制的數(shù)厘米見方的微型車床加工精度呆達(dá)1.5微米。美國大批量生產(chǎn)的硅加速度計把微型傳感器和集成電路一起集成在硅片上3mmx3mm的范圍內(nèi)。 目前已有0.06mm的軸與軸承和投入生產(chǎn)的0.5mm的齒輪。48第一臺微型機床（日本工業(yè)技術(shù)院機械工程實驗室第一臺微型機床（日本工業(yè)技術(shù)院機械工程實驗室MEL）32X25X30.5mm49微機械加工方法：微機械加工方法： LIGAL

18、IGA（光刻、電鍍成形、注塑）、（光刻、電鍍成形、注塑）、光刻加工光刻加工微細(xì)加工的特種方法加工：微細(xì)加工的特種方法加工：電火花加工、電化學(xué)加工、電火花加工、電化學(xué)加工、離子束加工、電子束加工等、激光加工。離子束加工、電子束加工等、激光加工。微機械加工切削：微機械加工切削：微細(xì)車削、微細(xì)銑銷、微細(xì)鉆削、微細(xì)車削、微細(xì)銑銷、微細(xì)鉆削、微細(xì)磨削等。微細(xì)磨削等。國際上比較重視的微機電系統(tǒng)制造技術(shù)有：國際上比較重視的微機電系統(tǒng)制造技術(shù)有：犧牲層硅犧牲層硅工藝工藝、微切削加工技術(shù)微切削加工技術(shù)和和LIGALIGA等。等。50主要采用銑、鉆和車三種形式，可加工平面、內(nèi)腔、孔和外圓表面。刀具：多用單晶金剛石

19、 車 刀 、 銑 刀 （ 圖 3 -35）。銑刀的回轉(zhuǎn)半徑（可小到5m）靠刀尖相對于回轉(zhuǎn)軸線的偏移來得到。當(dāng)?shù)毒呋剞D(zhuǎn)時，刀具的切削刃形成一個圓錐形的切削面。圖3-35 單晶金剛石銑刀刀頭形狀51微細(xì)切削加工設(shè)備FANUC ROBO nano Ui 型微型超精密加工機床（圖3-36） 52BX導(dǎo)軌B軸回轉(zhuǎn)工作臺空氣渦輪主軸刀具C軸回轉(zhuǎn)工作臺工件Z導(dǎo)軌空氣油減振器C C圖3-36 FANUC 微型超精密加工機床53電極線沿著導(dǎo)絲器中的槽以510mm/min的低速滑動，可加工圓柱形的軸（圖3-39）。如導(dǎo)絲器通過數(shù)字控制作相應(yīng)的運動，還可加工出各種形狀的桿件（圖3-40 ）。線放電磨削法（WEDG）

20、圖3-40 WEDG 可加工的各種截形桿圖3-39 WEDG工作原理工件金屬絲導(dǎo)絲器54 日本FANUC和電氣通信合作研制出車床型的超精密銑床，首例用切削的方法實現(xiàn)了自由曲面微細(xì)加工。55離子束4. 刻蝕（形成溝槽）5. 沉積（形成電路）6. 剝膜（去除光致抗蝕劑）3. 顯影、烘片（形成窗口）窗口2. 曝光（投影或掃描）掩膜電子束圖3-41 電子束光刻大規(guī)模集成電路加工過程光刻加工（電子束光刻大規(guī)模集成電路）1. 涂膠（光致抗蝕劑）氧化膜光致抗蝕劑基片微細(xì)特種加工56將被加速的離子聚焦成細(xì)束，射到被加工表面上。被加工表面受“轟擊”后，打出原子或分子，實現(xiàn)分子級去除加工。離子束濺射去除加工微細(xì)特

21、種加工惰性氣體入口陰極中間電極電磁線圈陽極控制電極絕緣子引出電極離子束聚焦裝置擺動裝置工件三坐標(biāo)工作臺圖3-44 離子束去除加工裝置加工裝置見圖2-26。三坐標(biāo)工作臺可實現(xiàn)三坐標(biāo)直線運動，擺動裝置可實現(xiàn)繞水平軸的擺動和繞垂直軸的轉(zhuǎn)動。57離子束濺射鍍膜加工用加速的離子從靶材上打出原子或分子，并將這些原子或分子附著到工件上，形成“鍍膜”。又被稱為“干式鍍”（圖7-46）離子束源靶濺射材料濺射粒子工件真空圖3-46 離子束濺射鍍膜加工離子鍍氮化鈦，即美觀，又耐磨。應(yīng)用在刀具上可提高壽命1-2倍。濺射鍍膜可鍍金屬，也可鍍非金屬。由于濺射出來的原子和分子有相當(dāng)大的動能，故鍍膜附著力極強（與蒸鍍、電鍍相

22、比）。58用高能離子（數(shù)十萬KeV）轟擊工件表面，離子打入工件表層，其電荷被中和，并留在工件中（置換原子或填隙原子），從而改變工件材料和性質(zhì)。可用于半導(dǎo)體摻雜（在單晶硅內(nèi)注入磷或硼等雜質(zhì)，用于晶體管、集成電路、太陽能電池制作），金屬材料改性（提高刀具刃口硬度）等方面。離子束濺射注入加工離子束曝光用在大規(guī)模集成電路制作中，與電子束相比有更高的靈敏度和分辨率。59 1）以同步加速器放射的短波長（1nm）X射線作為曝光光源，在厚度達(dá)0.5mm的光致抗蝕劑上生成曝光圖形的三維實體； 2）用曝光蝕刻圖形實體作電鑄模具，生成鑄型； 3）以生成的鑄型作為模具，加工出所需微型零件。X射線曝光腐蝕溶解抗蝕劑電鑄

23、鑄型注射成形零件圖3-58 LIGA制作零件過程 LIGA由深層同步X射線光刻、電鑄成形、塑注成形組合而成。包括三個主要工序（圖3-58）：q X射線刻蝕電鑄模技術(shù)（lithographic galvanoformung abformung, LIGA）60圖3-59 LIGA工作現(xiàn)場61 50 m 圖3-60 X射線刻蝕的三維實體LIGA特點LIGA代表產(chǎn)品及應(yīng)用62通常指納米級（0.1nm100nm）的材料、設(shè)計、制造、測量和控制技術(shù)。納米技術(shù)涉及機械、電子、材料、物理、化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)等多個領(lǐng)域。在達(dá)到納米層次后，決非幾何上的“相似縮小”，而出現(xiàn)一系列新現(xiàn)象和規(guī)律。量子效應(yīng)、波動特性、微

24、觀漲落等不可忽略，甚至成為主導(dǎo)因素。納米技術(shù)研究的主要內(nèi)容63q 掃描隧道顯微加工技術(shù)（STM）A64 硅在高溫時原子重構(gòu)現(xiàn)象硅在高溫時原子重構(gòu)現(xiàn)象 6524212220 kbaeUdkhej式中 h 普郎克常數(shù)； e 電子電量； ka，k0 系數(shù)。12d試件STM探針Ub圖3-51 STM隧道結(jié)66關(guān)鍵技術(shù)：（1）STM探針金屬絲經(jīng)化學(xué)腐蝕，在腐蝕斷裂瞬間切斷電流，獲得尖峰，曲率半徑為10nm左右。圖3-53 STM針尖67STM圖3- 48 STM工作過程演示圖3- 47 STM實物照片 68A接觸式非接觸式q 原子力顯微鏡加工技術(shù)（AFM）69AFM探針被微力彈簧片壓向試件表面，原子排斥

25、力將探針微微抬起。達(dá)到力平衡。 AFM探針掃描時，因微力簧片壓力基本不變，探針隨被測表面起伏。 STM驅(qū)動AFM掃描驅(qū)動AFM探針STM探針試件微力簧片圖3-56 AFM結(jié)構(gòu)簡圖在簧片上方安裝STM探針， STM探針與簧片間產(chǎn)生隧道電流，若控制電流不變，則STM探針與AFM探針（微力簧片）同步位移，于是可測出試件表面微觀形貌。70圖3-57 AFM實物照片掃描探針磁盤圖像71原子力顯微鏡納米測量技術(shù)72通過掃描隧道顯微鏡操縱氙原子用35個原子排出的“IBM”字樣 圖3- 49 用STM移動分子組成的IBM字樣圖3- 50 用STM觀察石墨原子排列移動原子移動原子世界上最小的廣世界上最小的廣 告

26、告石墨表面通過搬遷碳原子而繪制出中國地圖73納米碳管納米碳管 74由碳納米管制作的納米齒輪模型。納米齒輪上的原子清晰可見 75描述的是兩種不同的分子在分子之間力的作用下在溶液中自組裝的情形。由于納米尺寸非常之小，納米機械必須具有自組裝、自我復(fù)制等功能。76771978年，CIRP(國際生產(chǎn)工程協(xié)會)提出以線速度為5007000m/min的切削為高速切削。 ISO1940標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，主軸轉(zhuǎn)速高于8000rev/min為高速切削。 德國Darmstadt工業(yè)大學(xué)提出以高于510倍普通切削速度的切削定義為高速切削。主 軸 軸 承 孔 直 徑 與 主 軸 最 大 轉(zhuǎn) 速 乘 積 達(dá)(52000)105m

27、mrev/min 78 79不同加工工藝的高速不同加工工藝的高速/超高速切削速度范圍超高速切削速度范圍加工工藝切削速度范圍/(m/min)車7007000銑3006000鉆2001100拉3075鉸20500鋸50500磨500010000各種材料高速各種材料高速/超高速切削速度范圍超高速切削速度范圍加工材料切削速度范圍/(m/min)鋁合金20007500銅合金9005000鋼6003000鑄鐵8003000耐熱合金500以上鈦合金1501000纖維增強塑料2000900080 1931年4月德國切削物理學(xué)家薩洛蒙 (Carl Salomon)曾根據(jù)一些實驗曲線，即人們常提及的著名的“薩洛蒙

28、曲線”(圖3-2)，提出了超高速切削的理論。 圖3-2 切削速度和切削溫度關(guān)系曲線 81 超高速切削的概念可用圖3-3表示。薩洛蒙指出：在常規(guī)切削速度范圍內(nèi)(圖3-3中A區(qū))，切削溫度隨切削速度的增大而升高。但是，當(dāng)切削速度增大到某一數(shù)值vc之后，切削速度再增加，切削溫度反而降低。圖3-3中B區(qū)在美國被稱為“死谷”(Dead valley)。如果能越過這個“死谷”而在超高速區(qū)(圖3-3中C區(qū))進行加工，則有可能用現(xiàn)有刀具進行超高速切削。圖3-3 超高速切削概念示意圖 82 彈道切削試驗得出結(jié)論為：隨切削速度提高，塑性材料的切屑形態(tài)將從帶狀或片狀向碎屑狀演變，單位切削力初期呈上升趨勢，而后急劇下

29、降，超高速條件下刀具磨損比普通速度下減少95%，且?guī)缀醪皇芮邢魉俣鹊挠绊?，金屬切除效率可提?01000倍。而美國空軍和海軍的超高速銑削實驗研究表明，銑削力克減少70%，成功實現(xiàn)了厚度為0.33mm的薄壁件的銑削，刀具磨損主要取決于刀具材料的導(dǎo)熱性。日本人的超高速切削試驗結(jié)果表明，超高速下切屑的形成完全是剪切作用的結(jié)果，隨著切削速度的提高，剪切角急劇增大，工件材料的變質(zhì)層厚度與普通速度下相比降低了50%，加工表面殘余應(yīng)力及塑性區(qū)深度可分別減少9095%和8590%。83和常規(guī)切削加工相比，高速切削加工切削力至少可降低30，這對于加工剛性較差的零件(如細(xì)長軸、薄壁件)來說，可減少加工變形，提高零

30、件加工精度。同時，采用超高速切削，單位功率材料切除率可提高40以上，有利于延長刀具使用壽命，通常刀具壽命可提高約70。95以上的切削熱來不及傳給工件，而被切屑迅速帶走，零件不會由于溫升導(dǎo)致彎翹或膨脹變形。因而，超高速切削特別適合于加工容易發(fā)生熱變形的零件。超高速切削加工比常規(guī)切削加工的切削速度高510倍，進給速度隨切削速度的提高也可相應(yīng)提高510倍，這樣，單位時間材料切除率可提高36倍，因而零件加工時間通?？煽s減到原來的13 。84 由于超高速切削加工的切削力和切削熱影響小，使刀具和工件的變形小，工件表面的殘余應(yīng)力小，保持了尺寸的精確性。同時，由于切屑被飛快地切離工件，可以使工件達(dá)到較好的表面

31、質(zhì)量。 超高速旋轉(zhuǎn)刀具切削加工時的激振頻率高，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出“機床一工件一刀具”系統(tǒng)的固有頻率范圍，不會造成工藝系統(tǒng)振動，使加工過程平穩(wěn)，有利于提高加工精度和表面質(zhì)量。高速加工通常采用干切削方式，使用壓縮空氣進行冷卻，無需切削液及其設(shè)備，從而降低了成本，是綠色制造技術(shù)。85汽車工業(yè)（發(fā)動機發(fā)動機, , 齒輪箱齒輪箱） 航空航天工業(yè)（整體結(jié)構(gòu)件、整體結(jié)構(gòu)件、框體、薄壁件框體、薄壁件）模具工具制造（鋼及鑄件的半鋼及鑄件的半精精/ /精加工精加工）難加工材料（陶瓷、復(fù)合材料、陶瓷、復(fù)合材料、鈦合金、鎳基高溫合金、不銹鋼鈦合金、鎳基高溫合金、不銹鋼）超精密微細(xì)切削加工（精密零精密零件，群孔件，群孔）鋁制磁

32、通補償器鋁制磁通補償器尺寸尺寸: 80 x 100 x 40mmq 技術(shù)數(shù)據(jù)技術(shù)數(shù)據(jù):粗銑粗銑: 8 min精銑精銑: 11 min銑方孔銑方孔: 3 min剛性攻絲剛性攻絲:1 min總加工時間總加工時間:23 min總費用總費用: 約約 60 US$采用鑄模法的預(yù)算采用鑄模法的預(yù)算鑄模費用鑄模費用: 5000 US$鑄造費用鑄造費用: 20 US$加工費用加工費用: 10 US$86高速切削對機床的特殊要求主軸轉(zhuǎn)速高，輸出功率大主軸轉(zhuǎn)速高，輸出功率大：常規(guī)機床轉(zhuǎn)速一般為常規(guī)機床轉(zhuǎn)速一般為2000r/min2000r/min，而高速切削機床則為，而高速切削機床則為10000100001000

33、00 r/min100000 r/min；主軸電動機功率為主軸電動機功率為151580kW80kW進給速度高進給速度高：約為常規(guī)機床的約為常規(guī)機床的1010倍（倍（6060100 m/min 100 m/min ）主軸轉(zhuǎn)速和進給速度的加速度高：主軸轉(zhuǎn)速和進給速度的加速度高：從啟動到達(dá)到最高轉(zhuǎn)啟動到達(dá)到最高轉(zhuǎn)速要在速要在1 12s2s內(nèi)完成，工作臺的加、減速度有常規(guī)的內(nèi)完成，工作臺的加、減速度有常規(guī)的0.10.10.2g0.2g提高到提高到1 12g2g。機床靜、動態(tài)特性好：機床靜、動態(tài)特性好：除具有足夠的靜剛度外，還必須除具有足夠的靜剛度外，還必須有很高的動剛度和熱剛度有很高的動剛度和熱剛度其

34、它功能部件性能高：其它功能部件性能高：快速換刀、快速工作臺交換、快快速換刀、快速工作臺交換、快速排屑裝置、安全保護、檢測裝置速排屑裝置、安全保護、檢測裝置8788 Key Elements ofHigh Speed Machining899091q 非傳統(tǒng)加工方法特點92機械過程q 非傳統(tǒng)加工方法分類按加工機理和采用的能源劃分）熱學(xué)過程電化學(xué)過程化學(xué)過程93復(fù)合過程工件（陶瓷滾柱）磁性材料磁極振動運動圖7-61 磁力拋光示意圖NS94q 發(fā)展趨勢圖7-62 EI 收錄文章數(shù)比較70年代80年代90年代20841104232142244424214441321252353316激光加工 電火花加

35、工 超聲加工 電化學(xué)加工圖7-62反映了學(xué)術(shù)界和工程界對幾種非傳統(tǒng)加工方法的關(guān)注程度。95q 工作原理：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，工件材料被熔化和氣化。同時，該處絕緣液體也被局部加熱，急速氣化，體積發(fā)生膨脹，隨之產(chǎn)生很高的壓力。在這種高壓作用下，已經(jīng)熔化、氣化的材料就從工件的表面迅速被除去（圖7-63）。 4個階段： 1）介質(zhì)電離、擊穿，形成放電通道； 2）火花放電產(chǎn)生熔化、氣化、熱膨脹； 3）拋出蝕除物； 4）間隙介質(zhì)消電離（恢復(fù)絕緣狀態(tài)）。 圖7-63 電火花加工原理圖進給系統(tǒng)放電間隙工具電極工件電極直流脈沖電源工作液Real96圖7-64 電火花加工機床97

36、q 工作要素98q 電火花加工類型圖7-65 電火花線切割原理圖XY儲絲筒導(dǎo)輪電極絲工件RealRealReal99電火花線切割機床圖7-66 電火花線切割加工加工過程顯示100q 電火花加工特點q 電火花加工應(yīng)用101工作原理：工件接陽極，工具（銅或不銹鋼）接陰極，兩極間加直流電壓624V，極間保持0.11mm間隙。在間隙處通以 660m/S高速流動電解液，形成極間導(dǎo)電通路，工件表面材料不斷溶解，溶解物及時被電解液沖走。工具陰極不斷進給，保持極間間隙。 圖7-67 電解加工原理圖電解液直流電源泵工件陽極陰極進給工具陰極102q 電解加工特點q 電解加工應(yīng)用103 導(dǎo)電磨輪電解液電刷工作臺工件絕緣板導(dǎo)電基體磨料陽極膜q 電解磨削（圖7-68）104圖7-69 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)工件工作臺工作原理（圖7-69）105q 特點及應(yīng)用106q 工作原理（圖7-70）電源Real107混合氣體：氦約80%，氮約15%， CO2 約5%通過高壓直流放電進行激勵波長10.6m，為不可見光能量效率5% 15%反射凹鏡反射平鏡電極放電管C