先進制造加工技術

先進制造加工技術盛步云教授、博導第1講1.前言

用機器代替手工，從作坊形成工廠從單件生產(chǎn)方式發(fā)展成大量生產(chǎn)方式從單機自動化到柔性化、集成化、智能化和網(wǎng)絡化的現(xiàn)代制造生產(chǎn)規(guī)模：批量變化生產(chǎn)方式：勞動密集型→設備密集型→信息密集型→知識密集型制造裝備：手工→機械化→剛性→柔性→智能化精密潔凈鑄造技術精確高效金屬塑性成型工藝高效焊接與切割技術優(yōu)質(zhì)表面改性技術超高速加工技術超精密加工技術非傳統(tǒng)加工技術快速原形制造技術虛擬成型與加工技術1.前言2.加工、成形制造技術——將原材料、半成品加工成為產(chǎn)品的方法和過程?！尚喂に嚾コ尚问芷瘸尚味逊e成形生成成形加工精度不斷提高加工速度得到提高材料科學的變革重大裝備促進——大型、大容量、高效率優(yōu)質(zhì)清潔表面工程熱成形過程數(shù)值模擬5um(3um)精密加工0.3-3um超精密0.03-0.3納米<0.03um2.1發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢成形技術——鑄造：輕量化、精確化、強韌化、復合化、無污染鍛造：凈成形CAE相結合焊接：高能密度焊接發(fā)展，柔性化、智能化、自動化快速原型、激光表面處理計算機模擬、虛擬制造2.1發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢3精密潔凈鑄造工藝精密、潔凈、高效無機化學粘接劑型砂——水玻璃、水泥有機化學粘接劑型砂——植物油金屬型鑄造工藝擠壓鑄造技術消失（氣化）模）鑄造技術3.1壓力鑄造高壓力：幾到幾十Mpa~5000Mpa短時間：0.02s~0.2s高速度：0.5m/s~50m/s120m/s3.1壓力鑄造開發(fā)新型的壓射控制系統(tǒng)（致密薄件）新壓鑄工藝（消除缺陷，提高質(zhì)量）開發(fā)和應用新的壓鑄合金材料（金屬基復合材料MMCs、壓鑄鎂合金、高鋁鋅基合金）開發(fā)和應用快速原型制造技術開展CAD/CAM/CAE系統(tǒng)研究與應用3.2擠壓鑄造技術1937蘇聯(lián)問世——液態(tài)金屬模壓——液壓模鍛——液壓鑄造定義：澆入金屬型中的液態(tài)金屬，在通過沖頭傳遞壓力作用下進行填充、成型和凝固結晶。特點尺寸精度高、粗糙度低鑄件在凝固過程中能得到有效補縮、無鑄造缺陷組織致密性好、晶粒細化、力學性能好無澆冒口，減少液態(tài)金屬消耗3.3消失模鑄造（EPC）原理：發(fā)泡成型機制成泡末塑料模樣（鑄件和澆注系統(tǒng)模樣）粘結成實體模組、涂刷特制涂料、干燥放入特制砂箱、填入干砂三維振動緊實、抽真空澆鑄泡沫模型氣化消耗被金屬置換特點近無余量新型成型工藝（無須取模、無分型面、無泥砂芯、無飛邊、無拔模斜度、重量減少30-40%）鑄件精度高、缺陷少無環(huán)境公害，易實現(xiàn)清潔生產(chǎn)方便逐漸結構設計（通過粘結一次鑄造）簡化砂處理工序、減少占地面積、降低設備費用4精確高效金屬塑性成型工藝傳統(tǒng)：雜制軋制、擠壓、拉拔、鍛造、沖壓超塑成型、等溫成型、輥鍛和鍥橫軋技術、粉末成型工藝4.1超塑等溫成形超塑性：材料在低載荷作用下，拉伸變形的伸長率大于100%（黑色：40%、有色：60%已知材料200多種（鋅、鋁、銅、鈦合金）關鍵在：材料成形特點形狀復雜的工件可一次成形組織細小、均勻、性能好、穩(wěn)定變形抗力小---無加工硬化流動應力對應變速率的變化敏感制件精度高超塑性分類微晶組織超塑（恒溫超塑性或結構超塑性）晶粒小于10um，變形溫度大于0.5Tm（材料熔點溫度）恒定，應變速率低相變超塑性（變溫超塑性或動態(tài)超塑性）在一定的溫度和負荷下，反復循環(huán)相變而獲得高伸長率。普通碳鋼160次循環(huán)伸長率達到500%其它超塑性材料超塑性工藝應用氣壓成形原理：使毛坯的外側或內(nèi)側形成一個封閉的壓力空間，在壓縮空氣的氣壓作用下，坯料產(chǎn)生超塑性變形，逐步向模具型面靠近，直至同模具完全貼合，形成零件凸模法、凹模法真空成型4.2粉末成形工藝粉末冶金是制取金屬粉末或用金屬粉末（混合物）作為原料，經(jīng)過成形燒結，制取金屬材料、復合材料的工藝技術——其生產(chǎn)工藝與陶瓷工藝類似——金屬陶瓷法基本工序原料粉末制取將金屬粉末成形——坯塊燒結——使制品具有最終的物理、化學和力學性能粉末冶金鍛造工藝原理：金屬粉末經(jīng)壓實后燒結，在用燒結體作為鍛造毛坯進行鍛造粉末冷壓燒結加熱鍛造熱處理機加工成品準備預制坯制取預制坯鍛造后處理與加工4高效優(yōu)質(zhì)焊接切割技術精密焊接特殊環(huán)境下焊接現(xiàn)代切割技術4.1精密焊接激光焊接——激光加熱焊接部位電子束焊接——在真空條件下，聚焦后被加速的電子束高速沖擊工件焊接部位擴散焊接——可連接物理化學性能差別很大的異種材料，固態(tài)焊接方法（如陶瓷與金屬）焊熔近終成形——快速成形方法之一4.2特殊環(huán)境下焊接空間焊接水下焊接4.3現(xiàn)代切割技術激光切割等離子切割超聲切割高壓水射流切割4.4激光切割利用聚焦的高功率密度光束照射工件，使被照射處的材料迅速熔化、氣化、燒蝕或達到燃點，同時借助光束同軸的高速氣流吹除熔融物質(zhì)4.5等離子切割等離子：是高度電離的氣體，是由氣體原子或分子電離后，離解成帶正電荷的離子和負電荷的電子所組成，正負電荷相等，因此稱為等離子。原理：利用高溫、高速的等離子弧及其焰流使工件材料融化、蒸化緩和氣化并被吹離機體。等離子體能量高度集中，電流密度高、等離子弧溫度高（11000-28000度）普通電弧5000-8000度、速度高（800-2000m/s)特點能切割氧氣割難以切割的各種金屬材料切割厚度不大的金屬時，速度快，是普通切割的5-6倍切割面光潔、熱變形小切口寬度和切割斜角較大，與切割厚度有關切割厚度不及氣割4.6超聲切割原理：利用超聲振動的工具在有磨料的液體介質(zhì)中或干磨料中，產(chǎn)生磨料的沖擊、震顫、液壓沖擊及由此產(chǎn)生的氣蝕作用去除材料，特別適合硬脆材料切割特點適合加工硬脆材料，尤其適合非金屬硬脆材料，或硬質(zhì)耐熱導電材料，但加工效率低切削力小切割應力、熱小，粗糙度低（0.63-0.08）尺寸精度正負0.03mm,也適合加工薄壁、窄縫、低剛度零件工具可用軟材料做成復雜形狀，無相對運動，可加工復雜型腔和型面比金剛石刀具切割具有切片薄、切口窄、精度高、生產(chǎn)率高、經(jīng)濟性好4.7高壓水射流切割原理：利用水或水中加添加劑的液體，經(jīng)水泵至增壓器，再經(jīng)儲掖蓄能器使高壓液體流動平穩(wěn)，最后有人造藍寶石噴嘴形成300-900m/s的高速液體束流，噴射到工件表面，從而去除材料的加工。高速液體束流能量密度：102W/mm2

流量7.5L/min特點加工精度高:

0.075-0.1mm，切邊質(zhì)量好液體束流能量密度高，流速高，工件切縫窄0.075-0.4mm加工產(chǎn)物混入液體排出，無灰塵、無污染加工區(qū)溫度低，不產(chǎn)生熱量，適合木材、紙張、皮革材料的加工設備簡單、操作方便，易實現(xiàn)數(shù)控加工5.表面工程技術定義：通過改變固態(tài)金屬表面或非金屬表面的形態(tài)、化學成分和組織結構，以獲得所需表面性能的系統(tǒng)工程理論基礎：表面分析技術、表面物理、表面化學應用理論：表面失效分析、摩擦與磨損理論、表面腐蝕與防護理論、表面結合和復合理論目的：弄清各類固態(tài)材料表面失效機理，并綜合運用各種表面技術提高材料的抵御環(huán)境作用的能力，實施特定的表面加工來制造構件、另部件和元器件方法覆蓋層技術：電鍍、電刷鍍、涂裝、粘結、堆焊、噴涂、塑料粉末涂敷、搪瓷涂敷、真空鍍膜、鍍膜，貼片機械、物理化學方法：改變材料形貌、化學成分、微觀結構、應力狀態(tài)——噴丸、熱處理、激光表面處理、等離子擴滲處理綜合兩種或以上方法的復合表面處理：等離子噴涂與激光輻射、熱噴涂與噴丸、化學熱處理與電鍍、化學熱處理與氣相沉積5.1表面改性技術指采用某種工藝手段使材料表面獲得與基體材料的組織結構、性能不同的一種技術。既發(fā)揮基體的力學性能，又獲得表面的各種特殊性能傳統(tǒng)方法：噴丸、表面熱處理、化學熱處理清潔技術：等離子體、激光、電子束等5.2表面覆層技術在工件表面制備各種特殊功能的覆蓋層，用極少量材料達到大量昂貴整體材料所能起到或難以起到的作用，同時極大地降低制造成本——廣泛用于修復產(chǎn)品6超高速加工技術定義：采用超硬材料刀具、磨具和能可靠實現(xiàn)高速運動的高精度、高自動化、高柔性的制造設備，以極大提高切削速度來達到提高切除率、加工精度和加工質(zhì)量的現(xiàn)代制造加工技術。（標志）范圍：鋁合金2000－7500m/min鑄鐵900－5000m/min鋼600－3000m/min，鈦合金150－1000m/min車削700－7000m/min，銑削300－6000m/min鉆削200－1100m/min，磨削150m/s6.1超高速加工關鍵技術超高速切削機理大功率超高速主軸單元高加減速直線進給電機超硬耐磨長壽命刀具材料及結構安全裝置以及高性能CNC控制系統(tǒng)和測試系統(tǒng)6.2超高速切削機理薩洛蒙曲線A不能切削B區(qū)高速切削C區(qū)切削速度切削溫度6.3大功率超高速主軸單元主軸材料、結構、軸承超過高速主軸系統(tǒng)動態(tài)特性及熱態(tài)特性柔性主軸及其軸承的彈性支撐技術潤滑與冷卻技術主軸系統(tǒng)多目標優(yōu)化設計、虛擬設計技術美國福特臥式加工中心（動靜壓軸承）15000rpm日本東莊大學CNC平磨3000，東芝氣浮軸承30000德國KAAP公司磁懸浮軸承60000－100000rpm6.4高加減速直線進給電機侍服驅(qū)動技術滾動元件技術監(jiān)測單元技術安全防護技術冷卻潤滑技術從8－12m/min發(fā)展到30－50m/min一般18－20m/min60m/min7超精密加工技術一般加工10um,Ra0.3-0.8um精密加工10um-0.1um,Ra0.3-0.03um超精密加工0.1-0.01umRa0.03-0.05um納米加工<10-3umRa<0.005um7.1關鍵技術加工方法與機理（微量切除表層）材料技術:加工工具與被加工材料加工設備及其基礎元件7.2超精密加工方法

根據(jù)加工方法的機理和特點，超精密加工方法可分為以下3類：去除加工結合加工變形加工

超精密加工技術分類非機械超精密加工:微細電火花加工、微細超聲加工、激光束加工等非傳統(tǒng)加工方法的精密化、微型化，即超精密特種加工。機械超精密加工:金剛石刀具超精密切削、砂輪超精密磨削、精密研磨和拋光等傳統(tǒng)加工方法的精密化、微型化1超精密切削加工

超精密切削加工主要是指金剛石刀具超精密車削。應用范圍:軟金屬材料,如銅、鋁等以及光學玻璃、大理石等非金屬材料。

金剛石車床具備的條件:很高的運動平穩(wěn)性,很高的定位精度:主軸精度和溜板運動精度比一般機床高出幾個數(shù)量級重復精度:采用激光位移,激光干涉測量裝置測定,有反饋裝置

切削機理：切削深度小,一般在微米級。切削表面基本由工具的擠光作用形成，切削表面的輪廓是在垂直于切削方向的平面內(nèi)工具輪廓的復映。目前廣泛應用的金剛石車床：莫爾金剛石車床普奈莫MSG-325型超精密非球面金剛石車床。2超精密磨削和磨料加工加工機理：利用細粒度的磨粉和微粉主要對黑色金屬、硬脆材料等加工，得到高尺寸精度、高質(zhì)量表面、高形狀精度，并能顯著提高零件的加工效率。

超精密磨削和磨料加工分類：固結磨料加工：將微粉與粘結劑粘接在一起，形成一定的形狀并具有一定強度，再采用燒結、粘結、涂敷等方法形成砂輪、砂條、砂帶等模具；游離磨料加工：磨?；蛭⒎鄄皇枪探Y在一起，成游離狀態(tài)。加工精度：0.1μm以下表面粗糙度Ra：0.025μm以下砂輪磨削機理：主要靠砂輪精細修正得到大量的、等高性很好的超精密微刃，實現(xiàn)了微量切削作用，經(jīng)過磨削一定時間后，形成了大量的半鈍化刃，起到了摩擦拋光作用，最后又經(jīng)過光磨作用進一步進行了精細的磨擦拋光，從而獲得了高質(zhì)量表面。1)超精密砂輪磨削技術2)超精密砂帶磨削技術基本原理:隨著砂帶制作質(zhì)量的迅速提高，砂帶上砂粒的等高性和微刃性較好，并采用帶有一定彈性的接觸輪材料，使砂帶磨削具有磨削、研磨和拋光的多重作用，從而可達到高精度和低表面粗糙度值。3)ELID超精密鏡面磨削技術

ELID(電解在線休整）技術基本原理：利用在線的電解作用對金屬基砂輪進行修整，在磨削過程中在砂輪和工具電極之間澆注電解液并加以直流脈沖電流，使作為陽極的砂輪金屬結合劑產(chǎn)生陽極溶解效應而被逐漸去除，使不受電解影響的磨料顆粒凸出砂輪表面，從而實現(xiàn)對砂輪的修整，并在加工過程中始終保持砂輪的鋒銳性。4)電泳磨削技術主要原理:

基于超微磨粒電泳效應的磨削技術磨削機理:

利用超細密粒的電泳特性