先進制造工藝技術教材

先進制造工藝技術教材提綱3.1先進制造工藝技術概述3.2超高速加工技術3.3超精密加工技術3.4微細加工技術3.5快速原型制造技術3.1先進制造工藝技術概述3.1.1制造工藝的基本概念3.1.2先進制造工藝的產生與發(fā)展3.1.3先進制造工藝的特點制造工藝的基本概念

機械制造工藝是將各種原材料通過改變其形狀尺寸，性能或相對位置，使之成為成品或半成品的方法和過程。機械制造工藝流程是由原材料和能源的提供，毛坯和零件成形，機械加工，材料改性與處理，裝配與包裝，質量檢測與控制等多個工藝環(huán)節(jié)組成。按照功能不同，將機械制造工藝分為三個階段：1）零件毛坯的成形準備階段，包括原材料切割、焊接、鑄造、鍛壓加工成形等2）機械切削加工階段，包括車削、鉆削、銑削、刨削、鏜削、磨削加工等3）表面改性處理階段，包括熱處理、電鍍、化學鍍、熱噴涂、涂裝等先進制造工藝的產生與發(fā)展先進制造工藝是先進制造技術的核心和基礎，一個國家的制造工藝技術水平的高低，很大程度決定了其制造業(yè)在國際市場的競爭實力。其發(fā)展體現(xiàn)在以下幾方面：制造加工精度不斷提高切削加工速度迅速提高新型工程材料的應用推動了制造工藝的進步和變革自動化和數(shù)字化工藝裝備的發(fā)展提高了機械加工的效率零件毛坯成形在向少無余量發(fā)展優(yōu)質清潔表面工程技術的形成和發(fā)展

高效低耗潔凈靈活優(yōu)質先進制造工藝的特點3.2超高速加工技術

3.2.1超高速加工概述3.2.2超高速加工定義與特征3.2.3超高速加工相關技術3.2.4超高速加工的應用超高速加工概述20世紀80年代，計算機控制的自動化技術的高速發(fā)展成為生產工程的突出特點，發(fā)達國家的數(shù)控率已達70－80％。隨著數(shù)控技術發(fā)展，切削工時占去總工時主要部分，成為生產率的主要部分。提高切削速度和進給速度，才能提高生產率，產生了超高速加工超高速加工概述泰勒是最早研究金屬切削的學者，30年代，德國物理學家Salonmon提出了著名的薩洛蒙曲線，提出了超高速切削理論。50年代，美國工程師Robert使用了具有極高切削速度的獨特方法——彈道切削。70年代美國海軍和空軍與Lockheed飛機制造公司進行合作，研究超高速銑削。另外Salonmon的超高速切削理論對超高速磨削理論也有重要啟示。超高速加工定義與特征超高速加工技術是指采用超硬材料刀具和磨具，利用能可靠實現(xiàn)高速運動的高精度，高自動化和高柔性的制造設備，以提高切削速度來達到提高材料切除率，加工精度和加工質量的先進加工技術。優(yōu)越性：提高了加工效率和設備利用率，縮短了生產周期減少工件的熱變形和內應力，提高工件的加工精度提高加工表面質量省去傳統(tǒng)的放電加工或磨削加工切削的優(yōu)越性高精度減少工序材料切除率高切削力低熱變形小超高速加工相關技術1.超高速切削的相關技術超高速切削機床五項基本要求：適宜超高速的主軸部件快速響應的數(shù)控系統(tǒng)快速的進給部件動靜熱剛度好的機床支承部件高壓大流量噴射的冷卻系統(tǒng)和安全裝置超高速切削的刀具系統(tǒng)超高速切削刀具系統(tǒng)的特點：刀片在刀體的定位要求加緊牢固、安全，刀具與機床的聯(lián)接可靠超高速切削加工的切削力隨著切削速度的提高而降低約30%切削溫度隨著切削速度的提高而緩慢提高道具的磨損主要由切削溫度、刀具-切屑之間和刀具-工件的相對速度決定的超高速切削的刀具材料超高速切削加工要求刀具材料與被加工材料的化學親和力要小，并且具有優(yōu)異的機械性能、熱穩(wěn)定性、抗沖擊性和耐磨性。目前適合于超高速切削的刀具材料主要有：涂層刀具材料、技術陶瓷刀具材料、陶瓷刀具材料、立方氮化硼（CBN)刀具材料、聚晶金剛石（PCD）刀具材料等。特點：大幅度提高磨削效率、減少設備使用臺數(shù)磨削力小，零件加工精度高降低加工工件表面的粗糙度砂輪壽命延長改善加工表面完整性2.超高速磨削技術超高速磨削的關鍵技術超高速主軸超高速磨削砂輪結構應具有強度高、抗沖擊強度高、耐熱性好、微破碎性好、雜質含量低等優(yōu)點砂輪的修整：整形和修銳超高速磨削的磨削液及其注入系統(tǒng)磨削液分類：油基磨削液和水基磨削液常用注入方法：手工供液法、澆注法、高壓噴射法、利用開槽砂輪法等超高速加工的應用超高速切削加工主要用于汽車工業(yè)大批生產，難加工材料，超精密微細切削，復雜曲面加工等領域。航空工業(yè)的應用，飛機制造直接采用毛坯高速切削加工，從而降低飛機重量。在汽車制造業(yè)為了滿足市場個性化需求而由大批量生產逐步轉向為多品種變批量生產，由柔性生成線代替了組合機床剛性生產線，高速的加工中心將柔性生產的效率提高到組合機床生產線的水平。模具制造業(yè)是高速加工技術的主要受益者。高速加工技術在模具行業(yè)的應用，無論是在減少加工準備時間，縮短工藝流程，還是縮短切削加工時間方面都具有極大的優(yōu)勢。3.3.1超精密加工概述3.3.2超精密加工定義與特征3.3.3超精密加工相關技術3.3.4超精密加工的應用193.3超精密加工技術

精密加工指在一定的發(fā)展時期，加工精度和表面質量達到較高程度的加工工藝。超精密加工指的是在一定的發(fā)展時期，加工精度和表面質量達到最高程度的加工工藝。

20超精密加工概述幾種典型精密零件的加工精度超精密加工涉及的技術領域包括：超精密加工機理超精密加工的刀具，磨具及其制備技術超精密加工機床設備超精密測量及補償技術嚴格的工作環(huán)境超精密加工的發(fā)展超精密加工定義與特征超精密加工，加工精度高于0.1um,表面粗糙度小于Ra0.01um的加工方法，主要包括超精密切削（車、銑）、超精密磨削、超精密研磨以及超精密特種加工。超精密加工方法分類：根據(jù)加工過程材料重量的增減分為：去除加工、結合加工、變型加工根據(jù)機理和能力性質分為力學加工、物理加工、化學與電化學加工和負荷加工超精密加工方法分類：超精密加工特點凈化加工原則微量切削機理形成綜合制造工藝與自動化技術聯(lián)系密切加工與檢測一體化特種加工與復合加工方法應用越來越多超精密加工相關技術1．超精密切削加工刀具的性能：極高的硬度、耐用度和彈性模量，刃口鋒銳，刀刃無缺陷，與工件抗黏結性好、化學親和性低、摩擦系數(shù)低金剛石刀具的特性：硬度高，鋒銳刃口無缺陷，熱化學性能優(yōu)越導熱性好，耐磨性好刀刃強度高刀刃形狀對加工質量的影響刀刃半徑對加工質量的影響2．超精密磨削加工超精密磨削砂輪砂輪的修整磨削速度和磨削液3．超精密研磨、拋光加工4．超精密特種加工激光束加工原理，特點，基本設備電子束加工原理，特點，基本設備離子束加工原理，特點，基本設備5．機床設備特征：高精度、高剛度、高穩(wěn)定性、高自動化精密主軸部件精密導軌微量進給裝置6.加工環(huán)境凈化的空氣環(huán)境恒定的溫度環(huán)境較好的抗振動干擾環(huán)境超精密加工的應用更高效率，更高精度大型化，微型化加工檢測一體化機床向多功能模塊化方向發(fā)展新原理、新方法、新材料的不斷發(fā)展3.4微細加工技術微機械概述微細加工概述微細加工相關技術微細加工的發(fā)展與趨勢3.4.1微機械概述微型機械的概念由RichardPF于1959年提出，第一個硅微型壓力傳感器于1962年問世。1994年美國國防部將MEMS列為關鍵技術。德國首創(chuàng)的LIGA為MEMS的發(fā)展提供了新的技術手段。微機械按照尺寸特征分為：1～10mm的微小機械；1um～1mm的微機械；1nm～1um的納米機械。制造微機械常用的微細加工，又可以分為：微米級微細加工，亞微米級微細加工和納米級微細加工等微機械的基本特征體積小，精度高，重量輕性能穩(wěn)定，可靠性高能耗低，靈敏度和工作效率高多功能，智能化適應于大批量生產，制造成本低微機械研究內容理論基礎微電子學、微機械學、微光學、微動力學、微流體力學、微熱力學、微摩擦學、微結構學、微生物學等共同構成了微機械研究的理論基礎。技術基礎微機械設計、微機械材料、微細加工、微裝配與封裝、集成技術、微測量、微能源、微系統(tǒng)控制等應用研究

微機械在精密儀器、醫(yī)療衛(wèi)生、生物工程，特別在空間狹小、操作精度高、功能高度集成的航空航天機載設備領域有著巨大應用潛力。如微型傳感器、微型執(zhí)行器、微型光機電器件和系統(tǒng)、微型機器人、微型飛行器、微型動力系統(tǒng)等。微細加工概述微細加工技術指制作微機械或微型裝置的加工技術。微細加工是指加工尺度為微米級范圍的加工方式，是MEMS發(fā)展的重要基礎，它起源于半導體制造工藝。廣義的微細加工方式十分豐富，包含了微細機械加工，各種現(xiàn)代特種加工，高能束加工等方式。InserttexthereInserttexthereInserttexthereInserttexthereInserttexthre結合加工變形加工材料處理材料改性分離加工加工類型微細加工特點從加工對象看，微細加工不但加工尺度小，而且被加工對象的整體尺寸也很微小。必須針對不同對象和加工要求，具體考慮不同的加工方法和手段微細加工在加工目的、加工設備、制造環(huán)境、材料選擇與處理、測量方法和儀器等方面有特殊的要求。3.4.3微細加工相關技術◆

超微機械加工◆光刻加工◆

刻蝕技術◆

LIGA技術◆薄膜制備技術◆

犧牲層技術◆

分子裝配技術

微型超精密加工機床機構示意圖光刻技術RaithE-LINE電子束光刻機離子刻蝕技術LIGA技術薄膜制備技術離子濺射鍍膜機微細加工的發(fā)展與趨勢加工方法的多樣化提高微細加工的經濟性加工材料的多樣化加快微細加工機理的研究微細加工的發(fā)展與趨勢3.5快速原型制造技術快速原型制造技術概述快速原型制造的定義與特征快速原型制造相關技術快速原型制造的應用快速原型制造技術概述

隨著制造業(yè)競爭的日益加劇，產品的開發(fā)速度和制造技術的柔性變得十分關鍵，從技術角度，計算機科學、CAD技術、材料科學、激光技術的發(fā)展和普及成為新的制造技術產生奠定了基礎?？焖僭图夹g于20世紀80年代在美國問世，并很快完成了數(shù)種RPM工藝技術的研究，開發(fā)與商品化過程。目前，全球有數(shù)十種RPM工藝技術，1995年市場增長率為49％，1996年RPM設備市場銷售額大4.2億美元，1998年達10億美元。快速原型制造的定義與特征RPM技術是集CAD技術、數(shù)控技術、材料科學、機械工程、電子技術和激光等技術于一體的綜合技術，是實現(xiàn)從零件設計到三維實體原型制造的一體化系統(tǒng)技術，它采用軟件離散－材料堆積的原理實現(xiàn)零件的成形過程，原理如圖所示：其工藝流程為：零件CAD數(shù)據(jù)模型的建立數(shù)據(jù)轉換文件的生成分層切片層片信息處理快速堆積成形（1）零件CAD數(shù)據(jù)模型的建立設計人員可以應用各種三維CAD造型系統(tǒng)，將構思的零件概念模型轉換為三維CAD數(shù)據(jù)模型，也可通過激光掃描儀、核磁共振圖像等方法對三維實體進行反求，獲取三維數(shù)據(jù)，以此建立實體的CAD模型。（2）數(shù)據(jù)轉換文件的生成由三維造型系統(tǒng)將零件CAD數(shù)據(jù)模型轉換成一種可以被快速成型系統(tǒng)接受的數(shù)據(jù)文件。（3）分層切片

分層切片處理是根據(jù)成型工藝的要求，按照一定的離散規(guī)則將實體模型離散為一系列有序的單元。（4）層片信息處理根據(jù)每個層片的輪廓信息，進行工藝規(guī)劃，選擇合適成型參數(shù)，自動生成數(shù)控代碼。（5）快速成型堆積快速成型系統(tǒng)根據(jù)切片的輪廓和厚度要求，用片材、絲材、液體或粉末材料制成所要求的薄片，通過一片片的堆積，最終完成三維形體原型的制備。計算機建模圖制造過程柔性化技術的高度集成化設計制造一體化產品開發(fā)快速化制造自由成形化材料使用廣泛性RPM的特征RPM的經濟效益RPM技術大大簡化了工藝規(guī)程、工裝裝備、裝配等過程，很容易實現(xiàn)由產品模型驅動直接制造，采用RPM技術為核心的自由制造系統(tǒng)，能在以下方面收效顯著：（1）從設計和工程角度出發(fā)，增加零件的復雜性，無需受時間和成本的約束；可制造性方面限制減弱，優(yōu)化的約束減少；零件設計無需考慮毛坯形狀的限制，工裝卡具；減少零件數(shù)量使設計花于精度、裝配的時間減少。（2）從制造角度出發(fā)，減少設計、加工、檢驗的工具；這種“凈成型”方法減少材料浪費，降低原材料儲存費用等；無刀具磨損，零件一致性好；參數(shù)設計、參數(shù)化制造。（3）從市場和用戶的角度出發(fā)，減少風險，無需預測幾年后市場的動態(tài)；實時地根據(jù)市場需求低成本地改變產品；隨材料技術發(fā)展，RP將占領使用高強比非金屬零件的航空航天這一重要市場；產品多樣化，面向訂單生產，以及用于售后服務的維修用零配件生產?？焖僭椭圃煜嚓P技術RPM的工藝方法層合實體制造（LOM)選擇性激光燒結法(SLS)立體光刻(SLA)熔融沉積造型(FDM)層和實體制造LOM法是利用背面帶有粘膠的箔材或紙材通過相互黏結成型的。如上圖，用雙面膠帶等材料在工作臺上制作一個稍大于零件尺寸的底座，送紙機構在計算機控制下定時向工作臺輸送一定長度的新紙，帶有恒溫控制裝置的熱壓輥對工作臺上的紙進行前后滾壓一次，使之粘結在工作臺的底座上。有步進電機驅動的X-Y定位儀，根據(jù)計算機輸出的截面數(shù)據(jù)引導激光光路，在粘結于工作臺的纖紙上切出截面輪廓并將余料切成碎塊。執(zhí)行機構在計算機控制下按層制作，逐層疊加，直至作出一個三維實體制件或模型。LOM工藝原理選擇性激光燒結法其工藝原理SLS法采用紅外激光器作能源，使用的造型材料多為粉末材料。加工時，首先將粉末預熱到稍低于其熔點的溫度，然后在刮平棍子的作用下將粉末鋪平；激光束在計算機控制下根據(jù)分層截面信息進行有選擇地燒結，一層完成后再進行下一層燒結，全部燒結完后去掉多余的粉末，則就可以得到一燒結好的零件。目前成熟的工藝材料為蠟粉及塑料粉，用金屬粉或陶瓷粉進行燒結的工藝還在研究之中。立體光刻SLA的工藝原理SLA工藝也稱光造型或立體光刻，它是基于液態(tài)光敏樹脂的光聚合原理工作的。這種液態(tài)材料在一定波長和強度的紫外光(如λ=325nm)的照射下能迅速發(fā)生光聚合反應,分子量急劇增大,材料也就從液態(tài)轉變成固態(tài)。液槽中盛滿液態(tài)光固化樹脂，激光束在偏轉鏡作用下在液態(tài)樹脂表面掃描,光點照射到的地方,液體就固化。成型開始時，工作平臺在液面下一個確定的深度，聚焦后的光斑在液面上按計算機的指令逐點掃描固化。

當一層掃描完成后，未被照射的地方仍是液態(tài)樹脂。然后升降臺帶動平臺下降一層高度，刮板在已成型的層面上又涂滿一層樹脂并刮平，然后再進行下一層的掃描，新固化的一層牢固地粘在前一層上，如此重復直到整個零件制造完畢,得到一個三維實體模型。

熔融沉積造型FDM方法的工藝原理

由計算機根據(jù)CAD模型確定的幾何信息，控制FDM噴嘴，將使用的材料，通過熱壓器的擠壓頭熔化成液體通過噴嘴擠出，擠壓頭沿零件的每一截面的輪廓準確運動，擠出半流動的熱塑材料沉積固化成精確的實際部件薄層，覆蓋已建造的零件之上，并迅速凝固，形成一層材料。之后擠壓頭沿軸向向上運動一個微小距離進行下一層材料的制造。這樣逐層由底到頂?shù)囟逊e成一個實體模型或零件。RPM工藝設備

目前RPM的工藝裝備發(fā)展速度很快，前述四種RPM技術都已由許多公司開發(fā)了自己的裝備。

美國主要的RPM生產商3Dsystemes、Helisys、DTM、Stratasys、SandersPrototype和Soligen。日本有6家，即CMET、D-MEC、TeijinSeiki、KiraCorp、MitsuiZosen和Denken