先進(jìn)制造技術(shù)-

第三章先進(jìn)制造工藝技術(shù)3.1

先進(jìn)制造工藝的發(fā)展及其內(nèi)容3.2超精密加工技術(shù)3.3微細(xì)加工技術(shù)3.4高速加工技術(shù)3.5現(xiàn)代特種加工技術(shù)3.6快速原型制造技術(shù)3.7

綠色制造技術(shù)

制造加工精度不斷提高

18世紀(jì)，其加工精度為1mm；19世紀(jì)末，0.05mm；20世紀(jì)初，μm級過渡；20世紀(jì)50年代末，實現(xiàn)了μm級的加工精度；目前達(dá)到10nm的精度水平。切削加工速度迅速提高20世紀(jì)前，碳素鋼，耐熱溫度低于200oC，10m/min；20世紀(jì)初，高速鋼，500-600oC，30-40m/min；20世紀(jì)30年代，硬質(zhì)合金，800-1000oC，數(shù)百米/min;目前陶瓷、金剛石、立方氮化硼，1000oC以上，一千至數(shù)千米/min。3.1.1先進(jìn)制造工藝的產(chǎn)生和發(fā)展新型工程材料的應(yīng)用推動了制造工藝的進(jìn)一步發(fā)展。近凈成形的技術(shù)不斷發(fā)展。表面工程技術(shù)日益受到重視。

切削速度隨刀具材料的變更而提高1精密超精密加工技術(shù)2精密成形加工技術(shù)3特種加工技術(shù)4表面工程技術(shù)3.1.2

先進(jìn)制造工藝的內(nèi)容第三節(jié)超精密加工技術(shù)

3.2.1概述3.2.2超精密加工關(guān)鍵技術(shù)3.2.3超精密磨削加工3.2.4超精密研磨與拋光3.2.5超精密加工技術(shù)的發(fā)展趨勢目前精密、超精密加工內(nèi)涵

3.3.1概述分類加工精度表面粗糙度普通加工1μmRa0.1μm精密加工0.1-1μmRa0.01-0.1μm超精密加工高于0.1μm小于Ra0.01μm超精密加工技術(shù)發(fā)展起因提高產(chǎn)品性能和質(zhì)量，提高穩(wěn)定性和可靠性；促進(jìn)產(chǎn)品的小型化；增強零件的互換性，提高裝配生產(chǎn)率。舉例：1kg陀螺其質(zhì)心偏離0.5nm，會引起100m導(dǎo)彈射程誤差，50m軌道誤差；民兵Ⅲ型洲際導(dǎo)彈陀螺儀精度為0.03-0.05o，命中精度誤差為500m；MX戰(zhàn)略導(dǎo)彈陀螺儀精度提高一個數(shù)量級，命中精度誤差只有50-150m；人造衛(wèi)星軸承孔軸表面粗糙度1nm，其圓度和圓柱度均以nm為單位；飛機發(fā)動機葉片加工精度由60μm→12μm，粗糙度由Ra0.5μm→0.2μm，則發(fā)動機效率89%→94%；磁盤磁頭與磁盤間距離，目前已達(dá)到0.3μm，近期內(nèi)可達(dá)到0.15μm。超精密加工所涉及的技術(shù)范圍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)量的影響等有其特殊性；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；超精密加工機床設(shè)備機床精度、剛度、抗振性、微量進(jìn)給機構(gòu)；精密測量及補償技術(shù)有相應(yīng)級別的測量裝置，具有在線測量和誤差補償；嚴(yán)格的工作環(huán)境恒溫、凈化、防振和隔振等。

超精密切削對刀具的要求

極高的硬度、極高的耐用度和極高的彈性模量，保證刀具壽命和尺寸耐用度；刃口能磨得極其鋒銳，刃口半徑ρ值極小，能實現(xiàn)超薄的切削厚度；

刀刃無缺陷，避免刃形復(fù)印在加工表面；

抗粘結(jié)性好、化學(xué)親和性小、摩擦系數(shù)低、能得到極好的加工表面完整性。3.2.2超精密加工的關(guān)鍵技術(shù)天然單晶金剛石刀具的性能特征極高的硬度HV6000-10000,而TiC僅為HV2400，WC為HV2400；能磨出鋒銳刃口刃口半徑可達(dá)納米，普通刀具5-30μm；與有色金屬摩擦系數(shù)低、親和力小與鋁的摩擦系數(shù)僅為0.06-0.13；耐磨性好，刀刃強度高刀具磨損極慢，刀具耐用度極高。天然單晶金剛石被公認(rèn)為不能代替的超精密切削刀具材料但僅用于有色金屬的切削加工超精密切削時的最小切削厚度

如圖：A點位置與摩擦系數(shù)μ（剪切角θ）有關(guān)：當(dāng)μ=0.12時，可得：hDmin=0.322ρ當(dāng)μ=0.26時，可得：hDmin=0.249ρ若hDmin=1nm，要求刀具刃口半徑ρ為3-4nm。

極限切削厚度與刃口半徑的關(guān)系超精密磨削：是最主要黑色金屬超精密加工手段，精度<=0.1μm，表面粗糙度<Ra0.025。超精密磨削砂輪

金剛石砂輪：較強的磨削能力，較高的磨削效率，磨削速度12-30m/s；

CBN砂輪：較好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)惰性，價格較貴，磨削速度80-100m/s。超硬磨料砂輪結(jié)合劑：

樹脂結(jié)合劑：能保持良好鋒利性，磨粒保持力?。?/p>

金屬結(jié)合劑：耐磨性好，磨粒保持力大，自銳性差，砂輪修整困難。

陶瓷粘結(jié)劑：化學(xué)穩(wěn)定性高、耐熱、耐酸堿，脆性較大。

3.2.3超精密磨削加工超硬磨料砂輪的修整車削法用金剛筆車削金剛石砂輪，修整成本高；磨削法用普通砂輪進(jìn)行對磨，修整效率和質(zhì)量較好，普通砂輪磨損消耗量較大；噴射法將碳化硅、剛玉等磨粒高速噴射到砂輪表面，去除部分結(jié)合劑，使超硬磨粒突出；電解在線修銳法（ELID)應(yīng)用電解原理完成砂輪修銳過程；電火花修整

應(yīng)用電火花放電原理完成砂輪修整。在線電解修銳法電火花修整法

.精密研磨和拋光

精密研磨和拋光技術(shù)意指：使用超細(xì)粒度的自由磨料，在研具的作用和帶動下加工表面，產(chǎn)生壓痕和微裂紋，依次去除表面的微細(xì)突出處，加工出Ra0.01～0.02μm的鏡面。

超精密加工是以精密元件為加工對象。超精密加工必須具有穩(wěn)定的加工環(huán)境，即必須在恒溫、超凈、防振等條件下進(jìn)行。另外，精密測量是超精密加工的必要手段，否則無法判斷加工精度。3.4高速加工技術(shù)

3.4.1高速加工的概念與特征3.4.2高速加工技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用3.4.3高速切削加工的關(guān)鍵技術(shù)

3.4.1高速加工的概念與特征超高速切削概念示意圖

Salomon切削理論高速切削鋁合金：1000-7000m/min灰鑄鐵：800-3000m/min銅：900-5000m/min鋼：500-2000m/min鈦：100-1000m/min高速切削特征切削力低切削變形小，切屑流出速度加快，切削力比常規(guī)降低30-90%；熱變形小溫升不超過3oC，90%切削熱被切屑帶走；材料切除率高單位時間內(nèi)切除率可提高3-5倍；高精度切削激振頻率遠(yuǎn)高于機床系統(tǒng)固有頻率，加工平穩(wěn)、振動小。減少工序工件加工可在一道工序中完成，稱為“一次過”技術(shù)（Onepassmaching）。

高化速指標(biāo)：dmn（直徑x轉(zhuǎn)速）>1*106即為高速高速切削機床主軸轉(zhuǎn)速在20000r/min以上，甚至62000r/min；快速進(jìn)給40-80m/min；高速切削機理研究包括切屑成形機理、切削力、切削熱等，鋁合金材料研究較為成熟，黑色金屬、難加工材料加工機理尚處探索階段。

3.4.2高速加工發(fā)展與應(yīng)用高速切削加工應(yīng)用航空工業(yè)--飛機鋁合金零件、薄層腹板件等直接高速切削加工，不再鉚接。汽車制造--高速加工中心將柔性生產(chǎn)線效率提高到組合機床生產(chǎn)線水平。模具制造--對淬硬鋼模具型腔直接加工，省電加工和手工研磨等工序。1、高速主軸高速主軸（電主軸）精度高、振動小、噪音低、結(jié)構(gòu)緊湊3.4.3高速切削加工關(guān)鍵技術(shù)主軸軸承陶瓷混合軸承軸承滾珠為氮化硅陶瓷；密度低，離心力小；彈性模量高，剛度大；摩擦系數(shù)低。

軸承潤滑：油脂潤滑、油霧潤滑、油氣潤滑等。氣浮軸承：高回轉(zhuǎn)精度、高轉(zhuǎn)速、低溫升，承載能力低。液體靜壓：運動精度高，動態(tài)剛度大，有油升影響。磁浮軸承：間隙一般在0.1mm左右，允許更高轉(zhuǎn)速，達(dá)4.0*106以上，控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜。2、快速進(jìn)給系統(tǒng)滾珠絲桿+伺服電機：加速度達(dá)0.6g，進(jìn)給速度達(dá)40-60m/min。直線電機：進(jìn)給速度可達(dá)160m/min，加速度可達(dá)2.5-10g。消除了機械傳動間隙和彈性變形，幾乎沒有反向間隙，是未來機床進(jìn)給傳動的基本形式。直線電機結(jié)構(gòu)3基座4磁性軌道5直線電機6直線導(dǎo)軌7直線光柵8平臺9接口電纜10防護(hù)罩3、高性能的CNC控制系統(tǒng)快速響應(yīng)伺服控制，32/64位，多CPU，具有加速預(yù)插補、前饋控制、鐘形加減速、精確矢量補償和最佳拐角減速控制等功能。4、先進(jìn)的機床結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)特點：床身足夠剛度、強度，高阻尼特性和熱穩(wěn)定性；立柱和底座整體結(jié)構(gòu)；使用高阻尼特性材料（聚合物混凝土）；防彈玻璃觀察窗。新型機床結(jié)構(gòu)：并聯(lián)機床結(jié)構(gòu)。5、高速切削的刀具系統(tǒng)對刀具系統(tǒng)要求：切削熱更多流向刀具，要求抗磨損；必須良好的平衡，可靠定位。刀具材料：硬質(zhì)合金涂層刀具、陶瓷刀具、聚晶金剛石刀具、立方氮花硼刀具。雙定位刀柄結(jié)構(gòu)：當(dāng)超過15000r/min時，離心力將使主軸錐孔擴(kuò)張，降低刀柄連接剛度；該結(jié)構(gòu)刀柄錐部和端面同時與主軸定位，軸向重復(fù)定位精度可達(dá)0.001mm。

HSK型刀柄及其聯(lián)接結(jié)構(gòu)3.5現(xiàn)代特種加工技術(shù)3.5.1特種加工技術(shù)概述3.5.2激光加工3.5.3電子束加工3.5.4離子束加工3.5.5超聲波加工電火花加工步驟分析圖紙選擇加工方法準(zhǔn)備電極電極裝夾工件準(zhǔn)備工件裝夾校正定位加工參數(shù)的選擇電參數(shù)非電參數(shù)脈沖寬度沖油方式脈沖間隔沖油壓力峰值電流液面高度加工檢驗電火花加工方法電火花穿孔加工沖裁模具的凹模

凹模的尺寸由工具電極來保證凹模的尺寸為L2，工具電極相應(yīng)的尺寸為L1單邊火花間隙值為SL，則L2=L1+2SL電火花穿孔加工凹模方法介紹間接法優(yōu)點缺點凸模和凹模的配合間隙與放電間隙無關(guān)電極與凸模分開制造配合間隙難以保證均勻直接法優(yōu)點缺點獲得均勻的配合間隙模具質(zhì)量高加工過程很不穩(wěn)定尺寸較長混合法電極一定要粘結(jié)在沖頭的非刃口端注意階梯工具電極加工法電火花成型方法介紹單工具電極直接成型法先用低損耗電規(guī)準(zhǔn)進(jìn)行粗加工，然后用平動頭使工具電極做圓周平行移動多電極更換法采用幾個不同尺寸的工具電極完成一個型腔的粗、中、精加工分解電極加工法根據(jù)型腔的幾何形狀把電極分解成主型腔電極和副型腔電極，分別制造手動側(cè)壁修光法電火花加工準(zhǔn)備工作包括：1.電極材料選擇2.電極設(shè)計3.電極制造電極結(jié)構(gòu)形式電極的尺寸電極的排氣孔和沖油孔垂直尺寸水平尺寸舉例舉例舉例3.6快速原型制造技術(shù)

3.6.1快速原型制造技術(shù)概念

3.6.2典型的快速原型制造技術(shù)工藝3.6.3快速原型制造技術(shù)的應(yīng)用3.6.4快速原型制造技術(shù)的發(fā)展趨勢市場變化

客戶要求計算機技術(shù)材料科學(xué)CAD/CAM

能源科學(xué)RPRP技術(shù)是基于離散/堆積原理的直接加工原型或零件的制造過程。如圖（1）和圖（2)。CONCEPTDESIGNINGDATACOLLECTIONDATAPROCESSINGPROTOTYPINGPARTCADMODELREVERSEENGINEERING圖（1）原理框圖圖（2）原理示意圖（1）立體印刷技術(shù)（SLA）

SLA（StereolithograghyApparatus)法，其工藝原理是：從最底層開始，激光在光敏樹脂表面掃描，在掃描過程中，激光的曝光量超過樹脂固化所需的閾值能量的地方才會發(fā)生聚合反應(yīng)形成固態(tài)。國內(nèi)國外西安交通大學(xué)——恒通公司3DSystem公司（美國）Aeroflex公司（美國）EOS公司（德國）CMET公司D-MEC公司Autostade公司（日本)最新指標(biāo)：層厚：0.05mm，精度：±0.025mm～±0.215μm（2）選擇性激光燒結(jié)（SLS）

SLS（Selectivelasersintering)是利用激光所提供的能量有選擇性地融化熱塑性塑料以形成三維零件。國內(nèi)國外北京隆源公司華中理工大學(xué)DTM公司（美國）EOS公司（德國）最新指標(biāo)：層厚：0.08-0.3mm（3）熔融沉積成型（FDM）

FDM（FusedDepositionModeling)是利用熱塑性細(xì)絲在移動頭中進(jìn)行熔化，熔化后的材料在移動的過程中被擠壓出來堆積零件。國內(nèi)國外清華大學(xué)——殷華公司Stratasys公司（美國）3DSystems公司（美國）最新指標(biāo)：層厚：≥0.127mm，精度：±0.127mm（1）RPM技術(shù)體系的基本環(huán)節(jié)1）三維CAD；2）反求工程；3）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；4）原型制造；5）物性轉(zhuǎn)換。(2)RPM技術(shù)的應(yīng)用產(chǎn)品設(shè)計評估和功能檢測；快速模具制造；醫(yī)學(xué)上的仿生制造；藝術(shù)品的制造。

觀感評價銷售模型功能測試CAD數(shù)據(jù)檢查裝配校核可制造性檢查快速原型綠色制造技術(shù)一、綠色制造技術(shù)概述

二、現(xiàn)狀及國內(nèi)外發(fā)展趨勢

三、目標(biāo)及主要研究內(nèi)容

四、綠色制造成果

五、綠色制造的意義

綠色制造技術(shù)概述綠色制造技術(shù)：是指在保證產(chǎn)品的功能、質(zhì)量、成本的前提下，綜合考慮環(huán)境影響和資源效率的現(xiàn)代制造模式。依靠科技進(jìn)步，實現(xiàn)節(jié)資增效，減少廢物排放，建立生產(chǎn)、消費與環(huán)境、資源相互協(xié)調(diào)的發(fā)展模式。綠色制造技術(shù)概述制造模式：現(xiàn)狀及國內(nèi)外發(fā)展趨勢1．技術(shù)發(fā)展趨勢“綠色浪潮”

推行綠色制造技術(shù)，發(fā)展相關(guān)的綠色材料、綠色能源和綠色設(shè)計數(shù)據(jù)庫、知識庫等基礎(chǔ)技術(shù)，生產(chǎn)出保護(hù)環(huán)境、提高資源效率的綠色產(chǎn)品?，F(xiàn)狀及國內(nèi)外發(fā)展趨勢

現(xiàn)狀及國內(nèi)外發(fā)展趨勢2．國外現(xiàn)狀“綠色計劃”1991年日本推出了“綠色行業(yè)計劃”，加拿大政府已開始實施環(huán)境保護(hù)“綠色計劃”。美國、英國、德國也推出類似計劃。目前已有20多個國家對產(chǎn)品實施環(huán)境標(biāo)志，從而促進(jìn)了這些國家“綠色產(chǎn)品”的發(fā)展，在國際市場競爭中取得更多的地位和份額?，F(xiàn)狀及國內(nèi)外發(fā)展趨勢現(xiàn)狀及國內(nèi)外發(fā)展趨勢現(xiàn)狀及國內(nèi)外發(fā)展趨勢3．國內(nèi)研究基礎(chǔ)國內(nèi)一些高等院校和研究院所在國家科委、國家自然科學(xué)基金會和有關(guān)部門的支持下對綠色制造技術(shù)進(jìn)行了廣泛的研究探索。清華大學(xué)為創(chuàng)建綠色大學(xué)，已將綠色工程技術(shù)列為優(yōu)先發(fā)展和支持項目上海交通大學(xué)針對汽車開展可回收性綠色設(shè)計技術(shù)的研究合肥工業(yè)大學(xué)開展了機械產(chǎn)品可回收設(shè)計理論和關(guān)鍵技術(shù)及回收指標(biāo)評價體系的研究。目標(biāo)及主要研究內(nèi)容1．目標(biāo)

（1）提出綠色設(shè)計理論和方法，建立綠色產(chǎn)品設(shè)計指標(biāo)評價體系，提出綠色設(shè)計工具，并與其它設(shè)計工具（如CAD、CAE、CAPP等）集成，形成集成環(huán)境。

（2）與企業(yè)結(jié)合選擇若干典型產(chǎn)品，建立產(chǎn)品綠色制造示范點。

（3）以汽車為對象，提供可回收、可拆卸成套技術(shù)，并與企業(yè)結(jié)合，建立示范點。目標(biāo)及主要研究內(nèi)容2．主要研究內(nèi)容

（1）綠色產(chǎn)品設(shè)計評價系統(tǒng)模型的建（2）綠色產(chǎn)品清潔生產(chǎn)技術(shù)（3）產(chǎn)品可拆卸、可回收技術(shù)（4）機電產(chǎn)品噪聲控制技術(shù)（5）面向環(huán)境、面向能源、面向材料的綠色制造技術(shù)目標(biāo)及主要研究內(nèi)容目標(biāo)及主要研究內(nèi)容綠色制造技術(shù)現(xiàn)在以取得很大成果

近年來，太鋼加速推進(jìn)以不銹鋼為主導(dǎo)的結(jié)構(gòu)調(diào)整，在引進(jìn)、消化、吸收的基礎(chǔ)上成功實施了不銹鋼系