《機械設(shè)備制造技術(shù)》課件第9章

第9章現(xiàn)代機械制造技術(shù)簡介9.1機械制造自動化技術(shù)的發(fā)展

9.2精密與超精密加工技術(shù)

9.3特種加工和微細加工

9.4先進制造技術(shù)

9.1機械制造自動化技術(shù)的發(fā)展

9.1.1機械制造自動化技術(shù)的主要形式機械制造自動化技術(shù)始終是機械制造中最為活躍的一個研究領(lǐng)域,也是制造企業(yè)提高生產(chǎn)率和贏得市場競爭的主要手段。機械制造自動化技術(shù)自20世紀20年代出現(xiàn)以來,經(jīng)歷了三個主要發(fā)展階段,即剛性自動化、柔性自動化和綜合自動化。綜合自動化常常與計算機輔助制造、計算機集成制造等概念相聯(lián)系,它是制造技術(shù)、控制技術(shù)、現(xiàn)代管理技術(shù)和信息技術(shù)的綜合,旨在全面提高制造業(yè)的勞動生產(chǎn)率和對市場的響應(yīng)速度。

9.1.2

Groover產(chǎn)品生命周期模型為了更好地說明上述三種自動化方式的異同,可以引用MikellP.Groover產(chǎn)品生命周期模型。生產(chǎn)某種產(chǎn)品所需總時間可以表示為

(9-1)式中:TCL為生產(chǎn)某種產(chǎn)品所需總時間;B為產(chǎn)品全生命周期內(nèi)生產(chǎn)的批數(shù);Q為批量;T1為單件工時;T2為每批產(chǎn)品所需生產(chǎn)準備時間(包括原材料訂貨時間、制訂生產(chǎn)計劃時間、毛坯準備時間、工藝裝備準備和調(diào)整時間等);T3為每種產(chǎn)品所需的設(shè)計及生產(chǎn)準備時間(包括產(chǎn)品設(shè)計、工藝過程設(shè)計、樣機試制、工藝裝備設(shè)計與制造等)。式(7-1)兩邊除以BQ,得到

(9-2)式中，TC為生產(chǎn)一件產(chǎn)品所需平均時間。

9.1.3機械制造自動化技術(shù)的發(fā)展趨勢

1.現(xiàn)代機械制造技術(shù)的現(xiàn)狀

1)國外情況在制造業(yè)自動化發(fā)展方面,發(fā)達國家機械制造技術(shù)已經(jīng)達到相當(dāng)水平,實現(xiàn)了機械制造系統(tǒng)自動化。產(chǎn)品設(shè)計普遍采用計算機輔助設(shè)計(CAD)、計算機輔助產(chǎn)品工程(CAE)和計算機仿真等手段,企業(yè)管理采用了科學(xué)的規(guī)范化的管理方法和手段,在加工技術(shù)方面也已實現(xiàn)了底層的自動化,包括廣泛地采用加工中心(或數(shù)控技術(shù))、自動引導(dǎo)小車(AGV)等。在這個基礎(chǔ)上再提高制造系統(tǒng)的自動化水平,對于改善企業(yè)的TQCS(T——盡量縮短產(chǎn)品的交貨時間或提早新產(chǎn)品上市時間,Q——提高產(chǎn)品質(zhì)量,C——降低產(chǎn)品成本,S——提高服務(wù)水平)已無明顯的作用。因此,近年來發(fā)達國家主要從具有全新制造理念的制造系統(tǒng)自動化方面尋找出路,提出了一系列新的制造系統(tǒng),如計算機集成制造系統(tǒng)、智能制造系統(tǒng)、敏捷制造、并行工程等。

(1)計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS,ComputerIntegratedManufacturingSystem)。該系統(tǒng)是在自動化技術(shù)、信息技術(shù)和制造技術(shù)的基礎(chǔ)上,通過計算機及軟件,將制造廠全部生產(chǎn)活動有關(guān)的各種分散的自動化系統(tǒng)有機地集成起來的,并適合于多品種、中小批量生產(chǎn)的總體高效率、高柔性的制造系統(tǒng)。計算機集成制造系統(tǒng)在概念上主要強調(diào)兩點：

①在功能上,它包含了一個工廠的全部生產(chǎn)經(jīng)營活動,即從市場預(yù)測、產(chǎn)品設(shè)計、加工工藝、制造、管理至售后服務(wù)以及報廢處理的全部活動。因此它比傳統(tǒng)的工廠自動化的范圍要大得多,是一個復(fù)雜的大系統(tǒng),是工廠自動化的發(fā)展方向。

②在集成上,它涉及的自動化不是工廠各個環(huán)節(jié)的自動化的簡單疊加,而是在計算機網(wǎng)絡(luò)和分布式數(shù)據(jù)庫支持下的有機集成。這種集成主要體現(xiàn)在以信息和功能為特征的技術(shù)集成,即信息集成和功能集成,以便縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，提高質(zhì)量，降低成本。

當(dāng)前計算機集成制造的發(fā)展特點和趨勢如下：①由注重研究轉(zhuǎn)向注重應(yīng)用;②應(yīng)用企業(yè)由大型企業(yè)向中小企業(yè)擴展,CIMS應(yīng)用模式越來越多;③CIM技術(shù)的推行與應(yīng)用由“技術(shù)推動”轉(zhuǎn)向“需求牽動”;④CIM技術(shù)實施由強調(diào)技術(shù)支承轉(zhuǎn)向強調(diào)人、技術(shù)、經(jīng)營集成;⑤CIMS在實施過程中不斷吸收各種新技術(shù)、新思想、新概念,如并行工程(CE)、精良生產(chǎn)(LP)、敏捷制造(AM)、虛擬制造(VM)等,使之不斷完善。

(2)智能制造系統(tǒng)(IMS,IntelligentManufacturingSystem)。該系統(tǒng)是指將專家系統(tǒng)、模糊推理、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等人工智能技術(shù)應(yīng)用到制造系統(tǒng)中,以解決復(fù)雜的決策問題,提高制造系統(tǒng)的水平和實用性。人工智能的作用是要代替熟練工人的技藝,學(xué)習(xí)工程技術(shù)人員的實踐經(jīng)驗和知識,并用于解決生產(chǎn)中的實際問題,從而將工人和工程技術(shù)人員多年積累的豐富而寶貴的實踐經(jīng)驗保存下來,使其在實際的生產(chǎn)中長期發(fā)揮作用。

IMS的主要研究內(nèi)容是：在整個制造過程中始終貫徹智能活動,使整個制造過程以柔性的方式集成起來,從而提高生產(chǎn)效率。IMS的主要目標(biāo)是：在多品種、中小批量生產(chǎn)條件下,實現(xiàn)“完善生產(chǎn)”(生產(chǎn)過程無故障,無廢品,接近零庫存)。IMS的主要方法是綜合利用各個學(xué)科以及各種先進技術(shù)和方法(諸如人工智能、材料科學(xué)、控制理論、計算機技術(shù)、人類科學(xué)、信息技術(shù)、管理科學(xué)等),來解決制造系統(tǒng)中的種種問題。在智能制造中,“智能”主要體現(xiàn)在系統(tǒng)具有極好的“軟”特性(適應(yīng)性和友好性)。在設(shè)計和制造過程中,采用模塊化方法,使之具有較大的柔性;對于人,智能制造強調(diào)安全性和友好性;對于環(huán)境,要求做到無污染、省能源和資源充分回收;對于社會,提倡合理協(xié)作與競爭。

(3)并行工程(CE,ConcurrentEngineering),又稱同步工程或同期工程。它是針對傳統(tǒng)的產(chǎn)品串行開發(fā)(“需求分析—概念設(shè)計—詳細設(shè)計—過程設(shè)計—加工制造—試驗檢測—設(shè)計修改”的流程,稱為產(chǎn)品從設(shè)計到制造的串行生產(chǎn)模式)過程而提出的一個概念,一種哲理和方法。

并行工程是集成地、并行地設(shè)計產(chǎn)品及其相關(guān)各種過程的系統(tǒng)方法,該方法要求開發(fā)人員在設(shè)計開始就考慮產(chǎn)品整個生命周期中,從概念的形成到產(chǎn)品報廢處理的所有因素,包括質(zhì)量、成本、進度計劃和用戶要求。并行工程通過組成多學(xué)科的產(chǎn)品開發(fā)群組協(xié)同工作,利用各種計算機輔助工具,使產(chǎn)品開發(fā)的各個階段既有一定的時序又能并行工作,同時采用上、下游的各種因素共同決策產(chǎn)品開發(fā)各階段工作的方式,使產(chǎn)品開發(fā)的早期就能及時發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)全過程中的問題,從而縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期,提高了產(chǎn)品質(zhì)量,降低了成本,增加企業(yè)競爭能力。并行工程強調(diào)在集成環(huán)境下的并行工作,因此,它是CIMS進一步發(fā)展的方向。

(4)敏捷制造(AM，AgileManufacturing)，又稱靈捷制造、迅速制造和靈活制造等。它是將柔性生產(chǎn)技術(shù)、熟練掌握生產(chǎn)技能和有知識的勞動力與促進企業(yè)內(nèi)部和企業(yè)之間相互合作的靈活管理集成在一起,通過所建立的共同基礎(chǔ)結(jié)構(gòu),對迅速改變或無法預(yù)見的消費者需求和市場時機作出快速響應(yīng)。市場的快速響應(yīng)是敏捷制造的核心。敏捷制造的基本原理是采用標(biāo)準化和專業(yè)化的計算機網(wǎng)絡(luò)和信息集成基礎(chǔ)結(jié)構(gòu),以分布式結(jié)構(gòu)連接各類企業(yè),構(gòu)成虛擬制造環(huán)境；以競爭合作為原則,在虛擬制造環(huán)境內(nèi)動態(tài)選擇合作伙伴,并通過組成虛擬企業(yè)來適應(yīng)持續(xù)多變、無法預(yù)料的市場變化。

2)國內(nèi)情況我國機械制造技術(shù)水平與發(fā)達國家相比還非常低,大約落后20年。近十幾年來,我國大力推廣應(yīng)用CIMS技術(shù),20世紀90年代初期已建成研究環(huán)境,包括有CIMS實驗工程中心和7個開放實驗室。在全國范圍內(nèi),部署了CIMS的若干研究項目,諸如CIMS軟件工程與標(biāo)準化、開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與發(fā)展戰(zhàn)略,CIMS總體與集成技術(shù)、產(chǎn)品設(shè)計自動化、工藝設(shè)計自動化、柔性制造技術(shù)、管理與決策信息系統(tǒng)、質(zhì)量保證技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)庫技術(shù)以及系統(tǒng)理論和方法等專題。各項研究均取得了豐碩成果。

但大部分大型機械制造企業(yè)和絕大部分中小型機械制造企業(yè)主要限于CAD和管理信息系統(tǒng),因底層(車間層)基礎(chǔ)自動化還十分薄弱,數(shù)控機床由于編程復(fù)雜,還沒有真正發(fā)揮作用。加工中心無論是數(shù)量還是利用率都很低。可編程控制器的使用并不普及,工業(yè)機器人的應(yīng)用還很有限。因此,做好基礎(chǔ)自動化的工作仍是我國制造企業(yè)一項十分緊迫而艱巨的任務(wù)。我們在看到國際上制造業(yè)發(fā)展趨勢的同時,還要立足于我國的實際情況,扎扎實實地把基礎(chǔ)自動化工作搞上去,才能在穩(wěn)步前進的基礎(chǔ)上開展制造業(yè)自動化系統(tǒng)的研究與應(yīng)用。

2.現(xiàn)代機械制造技術(shù)的發(fā)展趨勢

現(xiàn)代機械制造技術(shù)的發(fā)展主要表現(xiàn)在兩個方向：一是精密工程技術(shù),以超精密加工的前沿部分、微細加工、納米技術(shù)為代表,將進入微型機械電子技術(shù)和微型機器人的時代;二是機械制造的高度自動化,以CIMS和敏捷制造等技術(shù)的進一步發(fā)展為代表。

超精密加工的加工精度在2000年已達到0.0001μm(1nm),在21世紀初開發(fā)的分子束生長技術(shù)、離子注入技術(shù)和材料合成、掃描隧道工程(STE)可使加工精度達到0.0003～0.0001μm(3～11nm)?，F(xiàn)在，精密工程正向其終極目標(biāo)——原子級精度的加工逼近,也就是說,可以做到移動原子的加工。加工設(shè)備正向著高精、高速、多能、復(fù)合、控制智能化、安全環(huán)保等方向發(fā)展,在結(jié)構(gòu)布局上也已突破了傳統(tǒng)機床原有的格式。日本Mazak公司在產(chǎn)品綜合樣本中展示出一種未來機床,該機床在外形上猶如太空飛行器,加工過程中噪音、油污、粉塵等將不再給環(huán)境帶來危害。

1)全球化制造的全球化,可以說是21世紀機械制造業(yè)自動化最重要的發(fā)展趨勢。近年來,在各種工業(yè)領(lǐng)域中,國際化經(jīng)營不僅成為大公司而且已是中小規(guī)模企業(yè)取得成功的重要因素。一方面,由于國際和國內(nèi)市場上的競爭越來越激烈,例如在機械制造業(yè)中,國內(nèi)外已有不少企業(yè),甚至是知名度很高的企業(yè),在這種無情的競爭中紛紛落敗,有的倒閉,有的被兼并,不少暫時還在國內(nèi)市場上占有份額的企業(yè),不得不擴展新的市場;另一方面,由于網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的快速發(fā)展,提供了技術(shù)信息交流、產(chǎn)品開發(fā)和經(jīng)營管理的國際化手段,推動了企業(yè)向著既競爭又合作的方向發(fā)展,這種發(fā)展進一步激化了國際間市場的競爭。這兩個原因的相互作用,已成為全球化制造業(yè)發(fā)展的動力。全球化制造的第一個技術(shù)基礎(chǔ)是網(wǎng)絡(luò)化、標(biāo)準化和集成化。

由于網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的迅速發(fā)展和普及,正在給企業(yè)的生產(chǎn)和經(jīng)營活動帶來了革命性的變革:①產(chǎn)品設(shè)計、物料選擇、零件制造、市場開拓與產(chǎn)品銷售都可以異地或跨越國界進行,實現(xiàn)制造的全球化;②技術(shù)基礎(chǔ)是集成化與標(biāo)準化。異地制造實際上是實現(xiàn)產(chǎn)品信息集成、功能集成、過程集成和企業(yè)集成,實現(xiàn)集成的基礎(chǔ)與關(guān)鍵是標(biāo)準化,可以說沒有標(biāo)準化就沒有全球化。

2)虛擬化虛擬化是指設(shè)計過程中的擬實技術(shù)和制造過程中的虛擬技術(shù)。虛擬化可以大大加快產(chǎn)品的開發(fā)速度和減少開發(fā)的風(fēng)險。產(chǎn)品設(shè)計中的擬實技術(shù)是指面向產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和性能分析技術(shù),以優(yōu)化產(chǎn)品本身性能和成本為目標(biāo),包括產(chǎn)品的運動仿真和干涉檢驗、動力學(xué)分析、造型設(shè)計、人機工程學(xué)分析、強度和剛度有限元計算等。制造過程中的虛擬技術(shù)是指面向產(chǎn)品生產(chǎn)過程的模擬和檢驗,檢驗產(chǎn)品的可加工性、加工方法和工藝的合理性,以優(yōu)化產(chǎn)品的制造工藝、保證產(chǎn)品質(zhì)量、縮短生產(chǎn)周期和最低成本為目標(biāo),進行生產(chǎn)過程計劃、組織管理、車間調(diào)度、供應(yīng)鏈及物流設(shè)計的建模和仿真。

3)綠色化

“清潔生產(chǎn)”(CP,CleanProduction),又稱綠色生產(chǎn),其概念于1995年提出。聯(lián)合國環(huán)境計劃署對清潔生產(chǎn)的定義如下：在產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中,將綜合預(yù)防的環(huán)境戰(zhàn)略持續(xù)應(yīng)用于生產(chǎn)過程和產(chǎn)品中,減少對人類和環(huán)境的風(fēng)險。

清潔生產(chǎn)的兩個基本目標(biāo)是資源的綜合利用和環(huán)境保護。綠色制造則通過綠色生產(chǎn)過程(綠色設(shè)計、綠色材料、綠色設(shè)備、綠色工藝、綠色包裝、綠色管理)生產(chǎn)出綠色產(chǎn)品,產(chǎn)品使用完以后再通過綠色處理后加以回收利用。也就是對生產(chǎn)過程而言,清潔生產(chǎn)要求滲透到從原材料投入到產(chǎn)出成品的全過程,包括節(jié)約原材料和能源,替代有毒的原材料和短缺資源,二次能源和再生資源的利用,改進工藝及設(shè)備,并將一切排放物的數(shù)量與毒性消減在離開生產(chǎn)過程之前。對于產(chǎn)品而言,清潔生產(chǎn)覆蓋構(gòu)成產(chǎn)品整個生命周期的各個階段,即從原材料的提取到產(chǎn)品的最終處理,包括產(chǎn)品的設(shè)計、生產(chǎn)、包裝、運輸、流通、銷售及報廢等,合理利用資源,并最大限度地減少對人類和環(huán)境的不利影響。

如何最有效地利用資源和最低限度的產(chǎn)生環(huán)境污染,是擺在制造企業(yè)面前的一個重大課題。綠色制造實質(zhì)上是人類社會可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略在現(xiàn)代制造業(yè)的體現(xiàn),也是未來制造業(yè)自動化系統(tǒng)必須考慮的重要問題。目前綠色制造技術(shù)有以下幾個方面：

(1)精密成形技術(shù):成形制造技術(shù)包括鑄造、焊接、塑性加工等。精密成形技術(shù)包括精密鑄造(濕膜精密成形鑄造、剛型精密成形鑄造、高精度造芯)、精密鍛壓(冷濕精密成形、精密沖裁)、精密熱塑性成形、精密焊接與切割等。

(2)無切削液加工:無切削液加工的主要應(yīng)用領(lǐng)域是機械加工行業(yè),無切削液加工簡化了工藝、減少了成本并消除了冷卻液帶來的一系列問題,如廢液排放和回收等。

(3)快速成形技術(shù):快速原型零件制造技術(shù)(RPM),其設(shè)計突破了傳統(tǒng)加工技術(shù)所采用的材料去除的原則,而采用添加、累積的原理。其代表性技術(shù)有分層實體制造(LOM),熔化沉積制造(FDM)等。

9.2精密與超精密加工技術(shù)

9.2.1精密與超精密加工概念精密加工是指在一定的發(fā)展時期,加工精度與表面質(zhì)量達到較高程度的加工工藝。超精密加工則是指在一定的發(fā)展時期,加工精度與表面質(zhì)量達到最高程度的加工工藝。顯然,在不同的發(fā)展時期,精密與超精密加工有不同的標(biāo)準。在瓦特改進蒸汽機時代,鏜孔精度為1mm已屬精密加工的范疇;發(fā)展到20世紀40年代,最高加工精度已達到1μm(0.001mm);而到了20世紀90年代,精密加工的尺寸公差達到1～0.1μm,表面粗糙度值達Ra＜0.1μm,超精密加工的尺寸公差達到0.1~0.01μm,表面粗糙度值達Ra＜0.01μm。

對于微小尺寸的精密加工,常被稱為微細加工;而對于微小尺寸的超精密加工,稱為超微細加工。微細加工和超微細加工有別于一般尺寸加工之處在于：一般尺寸加工的精度用誤差尺寸與加工尺寸的比值來表示,而微細加工和超微細加工的精度則用誤差尺寸的絕對值來衡量。在微細加工和超微細加工中,“加工單位”(即切屑大小)可以小到分子級或原子級。

精密與超精密加工(以及微細加工與超微細加工)屬于機械制造中的尖端技術(shù),是發(fā)展其他高新技術(shù)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。例如,為了提高導(dǎo)彈的命中精度,陀螺儀球的圓度誤差要求控制在0.1μm之內(nèi),表面粗糙度要求Ra＜0.01μm;飛機發(fā)電機轉(zhuǎn)子葉片的加工誤差從60μm降到12μm,可使發(fā)動機的效率獲得極大提高;磁盤記錄密度也在很大程度上取決于磁盤基片加工的平面度水平。因而,精密與超精密加工技術(shù)的高低,往往是衡量一個國家制造業(yè)水平的重要標(biāo)志。9.2.2精密與超精密加工方法與特點

目前,精密與超精密加工方法根據(jù)其機理和特點可分為四大類：切削加工、磨料加工、特種加工和復(fù)合加工,見圖9-1。由圖可見,精密與超精密加工方法中有些是傳統(tǒng)加工方法的精化,有些是特種加工方法的精化,有些則是傳統(tǒng)加工方法及特種加工方法的復(fù)合。圖9-1精密與超精密的加工方法

與一般加工相比,精密與超精密加工具有以下特點:

(1)“進化”加工原則。一般加工時,“工作母機”(機床)的精度總是高于被加工零件的精度,這一規(guī)律稱為“蛻化”原則。對于精密與超精密加工,用高于零件加工精度要求的“母機”來加工零件常常是不現(xiàn)實的。此時,可利用低于工件精度的設(shè)備、工具,通過工藝手段和特殊的工藝裝備,加工出精度高于“母機”的工件。這種方法稱為直接式進化加工,通常適用于單件、小批生產(chǎn)。與直接式進化加工相對應(yīng)的是間接式進化加工。間接式進化加工借助于直接式“進化”加工原則,生產(chǎn)出第二代精度更高的工作母機,再以此工作母機加工工件。間接式進化加工適用于批量生產(chǎn)。

(2)微量切削機理。與傳統(tǒng)切削機理不同,在精密與超精密加工中,背吃刀量一般小于晶粒大小,切削在晶粒內(nèi)進行,要克服分子與原子之間的結(jié)合力,才能形成微量或超微量切屑。目前已有的一些微量切削機理模型,是以分子動力學(xué)為基礎(chǔ)建立的。

(3)形成綜合制造工藝。在精密和超精密加工中,要達到加工要求,需綜合考慮加工方法、加工設(shè)備與工具、測試手段、工作環(huán)境等多種因素,難度較大。

(4)與自動化技術(shù)聯(lián)系緊密。在精密和超精密加工中,廣泛采用計算機控制、適應(yīng)控制、在線檢測與誤差補償技術(shù),以減少人的影響因素,保證加工質(zhì)量。

(5)加工與檢測一體化。

(6)特種加工與復(fù)合加工方法應(yīng)用越來越多。

9.2.3幾種有代表性的精密與超精密加工方法

1.超精密車削在生產(chǎn)實際中普遍認為:凡加工精度超過當(dāng)前實行的公差標(biāo)準中最高一級的加工,就屬超精密切削加工的范疇。目前通常以GB1800-79公差標(biāo)準中的最高級IT01所規(guī)定的標(biāo)準值為界限。超精密加工的精度正從微米(１～10-2μm)工藝向納米(10-2～10-3nm)工藝提高。一般將達到IT５～IT６級的尺寸精度及粗糙度為Ra0.025～0.8μm的加工,稱為精密加工。近十多年來,超精密車削加工技術(shù)的發(fā)展水平已達到了相當(dāng)高的階段。1978年,國外采用了球面和半球面空氣軸承,主軸回轉(zhuǎn)精度的徑向跳動為０.03μm、軸向竄動為0.01μm;徑向剛度25N/μm、軸向剛度83N/μm。對銅材工件的金剛石鏡面車削,表面粗糙度達Ra0.006μm。我國研制的SI-222高精度磁盤車床,采用靜壓軸承、主軸回轉(zhuǎn)精度達0.1μm。表面粗糙度為Ra0.012μm。超精密切削是在超穩(wěn)定的狀態(tài)下,用極為鋒利的切削刀具,如金剛石車刀,從加工表面上切下一層非常薄的切屑(＜0.1μm)的一種超微量切削技術(shù)。經(jīng)超精密切削的表面可以獲得:鏡面狀的光潔、極薄極輕微的冷硬層、極小的殘余應(yīng)力和極好的抗腐蝕性能。實現(xiàn)超精密車削應(yīng)具備以下條件。

1)車床有高的幾何精度和高的剛度車床主軸的徑向和軸向跳動量應(yīng)小于0.12～0.15μm。一般采用空氣靜壓軸承結(jié)構(gòu)。進給運動部件應(yīng)具備位移精度高達０.1μm的精密微位移機構(gòu),運動應(yīng)平穩(wěn)、均勻、無爬行。

2)超精密車削刀具應(yīng)具有的性能

(1)有極鋒利的刃口,以保證刀具在極小的切削深度ap和進給量f下完成切削;使零件表面的冷硬程度和殘余應(yīng)力非常小。

(2)前、后刀面有很小的粗糙度;且刀刃的微觀不平度也極小。在切削過程中,使刀具復(fù)映給工件表面的粗糙度很小。

(3)有高的硬度和彈性模量,以保證刀具的使用壽命。

(4)有好的抗氧化粘結(jié)性,以減少粘結(jié)磨損。

(5)有好的抗熱、抗電磨損性能。圖9-2為兩把金剛石車刀的結(jié)構(gòu)和切削刃的幾何參數(shù)。它符合一般切削的規(guī)律,如主偏角κr和副偏角κr′較小時,表面粗糙度Rz值較小;刀尖圓弧半徑R愈大,表面粗糙度Rz值愈小,一般取R=3mm左右。

圖9-2金剛石車刀

圖9-3常用的金剛石車刀形狀

3)超穩(wěn)定的工作環(huán)境超精密切削的機床設(shè)備工作環(huán)境對振動、噪聲、溫度變化及高低、空氣凈化等有綜合性的要求,相應(yīng)地需采取防振、隔振、隔熱、恒溫以及防塵等嚴格的技術(shù)措施。此外,切屑極易劃傷已加工表面,因此采用吸屑器將切屑吸收或者進行充分的冷卻潤滑,將切屑沖走。

2.超精密磨削和鏡面磨削

通常將能獲得加工精度為0.1μm級及表面粗糙度小于Ra0.025μm的磨削加工稱為超精密磨削;而將能獲得表面粗糙度小于Ra0.01μm的磨削稱為鏡面磨削。對于以鐵族等黑色金屬為材質(zhì)的工件,采用超精密磨削和鏡面磨削的加工方法能得到很高的表面質(zhì)量,同時還可得到高的加工精度。

圖9-4磨粒

用作超精密磨削和鏡面磨削的砂輪需定期進行精細的修正。一是去除砂輪外層已磨鈍的磨?；蛉コ驯荒バ级氯说囊粚幽チ?使新的磨粒顯露出來;二是將砂輪的磨粒修整出大量等高的有效微刃,如圖9-4所示。這些等高的微刃能切除工件表面上極微薄的余量,切去工件的微量缺陷及微量的尺寸、形狀誤差,從而達到很高的加工精度。由于等高的微刃是大量的,它們在加工表面上只留下極微細的切削痕跡,使表面粗糙度很小。在無火花進給光磨時,處于半鈍化狀態(tài)的微刃與工件表面間有一定的磨削壓力,產(chǎn)生了擦滑、擠壓及拋光作用,使表面粗糙度進一步地減小,以達到鏡面的程度。

采用粗顆粒(46＃～80＃)砂輪,經(jīng)精細修正后,微刃的切削作用較強,可加工出Ra0.16～0.04μm的表面粗糙度;若采用細顆粒(W28～W20)砂輪,經(jīng)精細修正,其等高半鈍磨狀態(tài)的微刃摩擦拋光作用更好,在多次光磨的情況下,可獲得Ra0.01μm的鏡面。實施超精密磨削和鏡面磨削合理的技術(shù)要求:

1)砂輪精細修正獲得等高的微刃對修正砂輪的合理工藝條件是:

(1)進給量很小:縱向進給量f縱≤0.05～0.01mm／r,以不出現(xiàn)爬行為度;橫向進給量即修整切入深度ap≤0.0025～0.005mm／雙行程。

(2)選擇鋒利的金剛石筆,其頂角取為70°～80°。金剛石筆安裝要合理,筆尖應(yīng)低于砂輪中心1～2mm,筆桿向下傾斜,安裝角10°～15°。如圖9-5所示。以防止金剛石筆啃入砂輪而劃傷砂輪表面。圖9-5金剛石筆安裝方法

2)選擇合理的磨削用量

(1)砂輪速度v砂不宜太高。一方面,v砂大對減小表面粗糙度有利;另一方面,v砂過大往往會引起振動,且磨削熱增多,容易使工件表面燒傷受損。一般v砂可取12～20m／s。

(2)工件線速度v工和縱向進給量f縱均應(yīng)取小的值。v工和f縱越小,使粗糙度越小;但v工、f縱的減小以不造成磨削燒傷為限度。通常v工取4～10m／min;f縱取為小于80mm／min。

(3)磨削深度ap往往也較小。若ap較大,砂輪微刃與工件表面間磨削壓力大,微刃的負荷重,使摩擦熱增多,且極容易使砂輪鈍化,影響到鏡面的形成。ap一般取2.5～5μm。另外,在不作橫向進給而僅作縱向進給無火花光磨時,對表面質(zhì)量也有較重要的影響。光磨的次數(shù)越多,對加工表面上切削殘留量的去除越有利。所形成表面的冷作硬化層越淺。

3)對機床設(shè)備的要求被加工工件的質(zhì)量與加工設(shè)備的質(zhì)量有密切的關(guān)系。適用于超精密磨削和鏡面磨削的磨床有MBG1432和MBG1420等。應(yīng)具備主要性能有:

(1)主軸有高的回轉(zhuǎn)精度和好的剛性,徑向跳動小于1μm。

(2)機床各部件的振動能控制在盡量小的震級。

(3)工作臺移動速度低且穩(wěn)定,縱向移動速度小于10mm／min時,不會發(fā)生爬行現(xiàn)象。

(4)橫向進給機構(gòu)靈敏,可實現(xiàn)微量進給,每次進給量不大于1μm。

(5)磨削液過濾系統(tǒng)的過濾性能相當(dāng)好。

3.光整加工光整加工是采用顆粒很細的磨料對加工表面作微量切削和擠壓、擦研、拋光的工藝加工方法。光整加工要求磨具與工件之間相對運動越復(fù)雜越好,這樣能使每顆磨粒不走重復(fù)的運動軌跡,使工件表面上凸出的高點與磨粒隨機性接觸,相互修整,以逐步均化和消除誤差,從而獲得非常光潔的表面及比磨具原始精度還高的加工精度。

1)光整加工的特點

(1)切削作用輕微,不會產(chǎn)生大量的切削熱。最重要的磨削參數(shù)是磨具與工件表面間的壓力,而不存在明顯的磨削切入深度。

(2)對機床的運動和精度要求較低,無需有精確的成形運動。而各種運動的配合要能形成復(fù)雜且不重迭的軌跡。

(3)不能修正加工表面的相對位置誤差,主要提高其加工表面質(zhì)量,輕微的改善尺寸、形狀精度。

(4)加工余量較小,生產(chǎn)效率不高。

2)各種光整加工工藝光整加工方法主要有:研磨、珩磨、超精加工等。雖然,它們的機理相似,但各自的磨具結(jié)構(gòu)不同,所使用的機床設(shè)備也不同。各種加工的工作原理、加工工藝特點及適用范圍等簡述如下。

(1)研磨。研磨加工的工作機理是利用附著或壓嵌在研具表面上的游離磨粒,及研具與工件之間的微小磨粒,借助于研具與工件之間的相對運動,對工件表面作輕微的切削,以獲得精確的尺寸精度和表面粗糙度很小的加工面。圖9-6為其工作原理圖。

圖9-6研磨機理

①研磨加工方式。

·自由嵌砂法:連續(xù)加注研磨劑,小部分磨料受擠壓自動嵌入研具表面層中,起滑動切削作用。大部分磨料呈懸浮狀態(tài),起滾動切削作用。用于粗研。

·強迫嵌砂法:研磨前,先把磨料均勻地壓嵌入研具表面中。研磨時,研具表面涂少量潤滑附加劑，以滑動切削為主。用于精研。

·無嵌砂法:采用比工件與研具軟的磨料。研磨中,磨料呈懸浮狀態(tài)。通過研磨劑的化學(xué)作用,在工件表面形成一層薄的氧化膜,凸點處的薄膜很容易被切除。

②研磨的工藝特征。

·研磨劑的組成與成分:磨料(對鋼材用碳化硅)、研磨液(機油或煤油)、輔助材料(硬脂酸、油酸或工業(yè)甘油)。·工藝參數(shù):研磨壓力(粗研為15～30N／cm２,精研為3～10N／cm２);研磨速度(粗研為40～50m／min,精研為6～12m／min)。

·應(yīng)用范圍:適用于各種形狀的表面。也可用于高精度絲杠的最后精加工。

(2)珩磨。珩磨的工作原理如圖9-7所示。珩磨頭的磨條可作徑向進給運動,以較低的壓力和微小的切深,對加工表面作微量的切削,同時有一定的擠壓、拋光作用。珩磨頭有定時改變轉(zhuǎn)動方向的旋轉(zhuǎn)運動和往復(fù)直線運動,使磨粒的運動軌跡為交叉而不重復(fù)的細微波紋。

圖9-7珩磨工作原理

珩磨加工工藝特征有:①工藝參數(shù):網(wǎng)紋交叉角θ(淬火鋼8°～11°、鑄鐵7°～26°);圓周線速度v圓(淬火鋼22～36m／min、鑄鐵60～70m／min);等壓徑向進給控制單位壓力(10～200N／cm2);等速徑向進給量fr(鋼0.1～1.25μm/rpm、鑄鐵0.5～2.7μm/rpm);磨條數(shù)量和寬度由工件表面直徑而定;磨條長度由工件長度而定。推薦工藝參數(shù)的數(shù)據(jù)精珩時取小值。②珩磨可達IT6級的尺寸精度、粗糙度Ra0.2～0.05μm,可以改善幾何形狀精度,但不能修正表面間的相互位置精度。③珩磨頭剛性好,與機床主軸浮動連接,珩削時需用以煤油為主的冷卻液。④珩磨加工生產(chǎn)率較高,廣泛用于孔的小批生產(chǎn)至大批大量生產(chǎn)加工。

(3)超精加工。超精加工的切削機理如圖9-8所示。使細粒度的砂條,在一定的壓力P作用下作低頻振動,磨粒的切削痕跡很淺。剛開始時,實際接觸面小,壓強較大,切削作用較強。隨著加工進行，逐步使工件表面粗糙度減小,同時砂條空隙中嵌入氧化后的細小切屑,砂條表面也逐漸光滑。接觸面增大,油膜容易形成,擦滑、拋光作用加強。

圖9-8超精加工機理

超精加工工藝特征如下:①工藝參數(shù):振動頻率f(8～40Hz);擺動振幅α(1～5mm);壓力P(5～50N／cm2);磨料粒度W3.5～W20;軸向進給量S(0.006L～0.01L

mm/r);工件線速度v工(6～40m／min)。冷卻液采用煤油。切削角 ,θ取為(10°～45°)。②表面粗糙度可達Ra0.05～0.025μm;尺寸精度為IT5～IT6級;不能修正幾何形狀與相對位置誤差。③生產(chǎn)率比較高,適用于各種表面。④對機床無特殊的要求,可以利用車床改裝。

4.振動切削振動切削是在傳統(tǒng)切削的基礎(chǔ)上,沿著切削的方向,給刀具(或工件)以有規(guī)則的、可控的振動,使切削用量各參數(shù)按某種規(guī)律變化,來改變刀具與工件之間原有的相對位置和相對速度,從而改變了傳統(tǒng)切削加工的機理,以改善切削效果(減小了切削力及切削熱)的一種新的切削加工方法。在切削過程中,當(dāng)?shù)毒吲c工件不分離(稱不分離型振動切削)時,切削速度和方向等參數(shù)產(chǎn)生周期性的變化。不分離型振動切削的切削力波形如圖9-9(a)所示。當(dāng)?shù)毒吲c工件時切時離(稱分離型振動切削)時,切削過程變成了脈沖式的斷續(xù)切削,也稱脈沖切削。分離型振動切削的切削力波形如圖9-9(b)所示。圖9-9切削力波形

1)振動切削的效果當(dāng)振動參數(shù)(振動頻率和振幅)、進給量和主軸轉(zhuǎn)速等選擇合理時,可明顯改善切削效果。

(1)切削力和切削熱大幅度降低,僅為普通切削的1／3～1／10。

(2)加工后表面粗糙度降低3個等級,可與磨削甚至研磨加工相比。殘余應(yīng)力僅為普通切削的1／3。工件表面冷作硬化變化極其微小,幾乎與未切削前相同。

(3)加工表面無燒傷和裂紋,表面耐磨性與耐腐蝕性提高。

(4)由于切削力小,工件變形很小,不會造成自激振動,故工件幾何形狀精度高。

(5)刀具磨損小,無積屑瘤產(chǎn)生,刀具耐用度可提高10倍左右。

(6)能勝任普通切削難以加工甚至無法進行的切削加工。如:薄壁零件及細長軸的加工;硬脆材料的加工;難加工材料的切削;不易進行二次切削的鋁、紫銅等工件的加工等。

2)振動切削的分類振動切削按振動頻率f可分為低頻和高頻兩類:若f＜200Hz為低頻振動切削;若f≥20kHz則為高頻超聲振動切削。在兩者之間的頻率由于噪聲的原因一般不被采用。若按照振動的起源也可分為兩類:一是利用專門裝置產(chǎn)生的振動為受迫式振動切削;另一類是利用切削過程本身產(chǎn)生的振動為自激式振動切削。

3)超聲振動車削裝置圖9-10為國內(nèi)所用的一種超聲振動車削裝置的示意圖,它由以下各部分組成。

圖9-10超聲振動車削

(1)超聲波發(fā)生器:可將50Hz交流電變成為一定功率輸出(250W)的超聲頻電振蕩,以提供振動能量。

(2)換能器:利用壓電效應(yīng)和磁致伸縮效應(yīng),把超聲頻電振蕩轉(zhuǎn)換成高頻的機械振動,但振幅很小,僅5～10μm。

(3)變幅桿:為上粗下細的金屬桿,呈圓形的截面。一般做成指數(shù)曲線外形,可將振幅擴大10～20倍;如用圓錐式外形,則只擴大5～10倍。

(4)刀桿部分:刀桿專門設(shè)計成一個彎曲振動系統(tǒng),可將變幅桿的縱向振動轉(zhuǎn)換為彎曲振動。刀桿的中心位置處為振動腹;刀桿的兩端也是振動腹,切削刀片固定于—端,變幅桿垂直地固定于另一端。再利用彎曲刀桿的兩個波節(jié),用螺釘夾持,就可把整個裝置安裝在普通車床的刀架部件上。

4)振動切削參數(shù)的選擇根據(jù)許多超聲振動車削試驗的研究結(jié)果,得到了以下一些規(guī)律,歸納如下:

(1)工件線速度v必須小于臨界切削速度vc,即v＜vc,才能實現(xiàn)振動車削。一般v取為1／3的vc。vc=aω=2πa·f

(9-3)式中:a為刀具振幅;ω為振動角頻率;f為刀具振動頻率;a·f為振動速度。

(2)切削力隨著吃刀深度的增大略有上升。但是主切削力僅為幾十牛頓。由于振動切削屬于精密加工,所以吃刀深度與進給速度均選取較小值。

(3)切削力的大小幾乎不受刀具前角的影響,因此,為使用負前角創(chuàng)造了條件。后角在振動過程中變小,故刀具后角應(yīng)略有增大。

(4)刀具材料可選用硬質(zhì)合金或金剛石。要求刀面的粗糙度低于工件所加工表面的粗糙度。刀夾安裝使刀尖必須低于工件回轉(zhuǎn)中心一個振幅值。9.3特種加工和微細加工

9.3.1特種加工

特種加工又稱非傳統(tǒng)加工,是20世紀40年代發(fā)展起來的一類有別于傳統(tǒng)切削與磨削的加工方法的總稱。特種加工方法將電、磁、聲、光等物理量及化學(xué)能量或其組合直接施力在工件被加工的部位上,從而使材料被去除、累加、變形或改變性能等。特種加工方法可以完成傳統(tǒng)加工方法難以實現(xiàn)的加工,如高強度、高韌性、高硬度、高脆性、耐高溫材料和工程陶瓷、磁性材料等難加工材料的加工以及精密、微細、復(fù)雜形狀零件的加工等。具體適用于:①各種高強度合金鋼、耐熱鋼、鈦合金、硬質(zhì)合金等難切削材料；②陶瓷、玻璃、人造金剛石、半導(dǎo)體硅片等非金屬材料；③復(fù)雜型面、薄壁、小孔、窄縫等特殊形狀工件的加工。

特種加工與傳統(tǒng)切削、磨削加工方法相比,具有以下特點:

(1)特種加工方法不是主要依靠機械能,而是用其他能量(如電能、光能、聲能、熱能和化學(xué)能等)去除材料。

(2)傳統(tǒng)切削與磨削方法要求:①刀具的硬度必須大于工件的硬度,即要求“以硬切軟”；②刀具與工件必須有一定的強度和剛度,以承受切削過程中的切削力。而在非傳統(tǒng)加工方法中,由于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。

(3)采用非傳統(tǒng)加工方法加工時,由于沒有明顯的切削力作用,一般不會產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象。又由于工件加工部位變形小,發(fā)熱少,或發(fā)熱僅局限于工件表層加工部位很小的區(qū)域內(nèi),工件熱變形小,由加工產(chǎn)生的應(yīng)力也小,易于獲得好的加工質(zhì)量,且可在一次安裝中完成工件的粗、精加工。

(4)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。

(5)非傳統(tǒng)加工方法的材料去除速度一般低于常規(guī)加工方法,這也是目前常規(guī)加工方法在機械加工中仍占主導(dǎo)地位的主要原因。

特種加工有各種不同的分類方法:有的是按尺寸加工和表面加工分類,有的是按不同的加工方式分類等。若按所利用的能量形式來分類有:

(1)機械特種加工:磨料噴射加工、磨料流加工、液力噴射加工等;

(2)聲能特種加工:超聲波加工;

(3)電氣特種加工:電解加工、電解磨削、電解研磨、電解拋光及去毛刺等;

(4)熱特種加工:電火花成型加工、電火花切割、電火花磨削、激光束加工、電子束加工、離子束加工等;

(5)化學(xué)特種加工:如化學(xué)拋光、化學(xué)加工等。表9-2各種特種加工方法的工藝能力

表9.1各種特種加工方法的工藝能力表9-3各種特種加工方法所適用的工件材料

表9．2各種特種加工方法所適用的工件材料

1.電火花成型加工

電火花成型加工是利用工具電極和工件電極之間脈沖性的火花放電,靠電火花局部瞬時產(chǎn)生高溫將金屬接觸部分融化蝕除的一種加工方法,也稱為電脈沖加工。電火花加工的工作原理如圖9-11所示。脈沖電流由電源2供給;自動進給調(diào)節(jié)裝置3由液壓油缸和活塞組成,它可使工具和工件間一直保持很小的放電間隙,使工具電極隨著金屬蝕除的進行而不斷的送進。當(dāng)電火花放電時,電路通道內(nèi)的電流密度高達105～108A/cm2,產(chǎn)生了10000℃以上的高溫,從而使工件電極表面局部金屬熔化和氣化,成為很細的顆粒,在電磁力和電極間爆發(fā)力的作用下,被拋入工作液中,而在電極表面形成一個小凹坑,如圖9－12所示。當(dāng)電壓下降后,工作液恢復(fù)到絕緣狀態(tài)。這種放電循環(huán)重復(fù)數(shù)千到數(shù)萬次,逐步蝕除零件加工表面上的余量,把工具的輪廓和截面形狀復(fù)制到工件上。

圖9-11電火花成型加工

圖9-12一次火花放電形成的凹坑放大圖

電火花加工的技術(shù)特點是:

(1)電火花放電時間極短,必須是間斷性、脈沖性的瞬時放電。放電延續(xù)極短時間(應(yīng)小于10-2秒)后,還需停歇極短時間,使放電所產(chǎn)生的熱量來不及傳導(dǎo)擴散到非加工區(qū)域,否則持續(xù)放電會使整個工件升溫,表面“燒糊”,無法進行尺寸加工。

(2)脈沖放電必須有足夠的火花放電強度,使金屬局部表面有很大的電流密度,才能熔化和氣化加工層。

(3)電極間保持一定的放電間隙,約為0.01～0.2mm,若間隙過大,極間電壓不能擊穿極間介質(zhì)(工作液),不會產(chǎn)生火花放電;間隙過小,則容易形成極間短路會形成連續(xù)的電弧,也不會放電。工具電極必須隨著金屬的蝕除自動地實現(xiàn)進給調(diào)整。

(4)在加工過程中,工具電極的制造精度損耗較小。

(5)電火花放電需在介質(zhì)(工作液)中進行。如煤油、皂化液等,它們應(yīng)具有高的絕緣強度,有利于產(chǎn)生火花放電;同時可把加工過程中產(chǎn)生的金屬碎屑、碳黑等排除出去;并對電極表面有較好的冷卻作用。電火花加工適用于導(dǎo)電性能較好的金屬材料工件,且不受材料的強度、硬度、脆性、韌性的影響,因此為耐熱鋼、淬火鋼、硬質(zhì)合金的加工提供了有效的手段。能加工各種表面形狀的微小孔,最小孔徑或槽寬可達5μm。尺寸精度可達1μm,表面粗糙度達Ra0.32μm,電火花小孔磨削可達Ra.08μm。加工速度低,成本高。由于電火花加工中不存在切削力,

因此工具電極可用較軟的材料來制作,如紫銅和石墨等,在模具制造中已廣泛應(yīng)用;但對于微小孔電火花加工,電極則可選用剛性好、容易矯正、損耗小的電極材料,常用的有銀鎢合金、銅鎢合金、鎢、鉬、黃銅絲等。電火花加工設(shè)備已有許多種類:如電火花穿孔成型機床、電火花線切割機床、電火花螺紋加工機床、電火花表面強化機和電火花刻字裝置等。

2.電火花線切割加工電火花線切割加工原理不是靠成型的電極工具將尺寸形狀復(fù)制在工件上,而是通過連續(xù)地沿自身軸線行進的金屬電極絲與工件間的火花放電來切割工件,工件加工部位所需的形狀是由電極絲和工件切割過程中的連續(xù)相對運動形成的。常用的電極絲有鉬絲、鎢絲、黃銅絲和涂層金屬絲等。電火花線切割加工可替代傳統(tǒng)的電火花穿孔加工,適用于大多數(shù)的沖裁模具加工。還廣泛用于加工各種樣板、平面凸輪、卡尺等工件;還用于微細孔、任意曲線形窄縫、槽、工具電極的加工。

電火花線切割機床大部分均已采用微機控制系統(tǒng),圖9-13即為數(shù)控線切割機床的工作原理圖。卷繞在絲筒6上的電極絲8與高頻脈沖電源7的負極相接,并由導(dǎo)向支承張緊,作連續(xù)高速往復(fù)運動以減小電極絲的損耗。工件5安裝在工作臺9上并與脈沖電源的正極連接,隨工作臺作x、y兩個方向的運動,從而形成各種形狀的二維曲線輪廓。工作液(介質(zhì))由噴嘴3以一定的壓力噴向加工區(qū)(也有將整個工作區(qū)沉浸在工作液當(dāng)中的形式)。當(dāng)脈沖電壓擊穿電極絲和工件之間的極間間隙時,產(chǎn)生火花放電而蝕除工件。圖9-13數(shù)控電火花線切割

3.電解加工

電解加工是利用金屬在電解液中產(chǎn)生陽極溶解的原理使工件加工成形。金屬電極在電解液中會發(fā)生陽極溶解及陰極沉積等電化學(xué)現(xiàn)象。工作原理如圖9-14所示,工件接直流電源的正極,工具接負極,在工具與工件之間保持較小的間隙(0.1～0.8mm),使電解液以一定的壓力(0.5～2MPa)和速度(5～50m／s)從間隙中流過。當(dāng)接通直流電源(電壓為5～25V,電流密度10～1000A／cm2)后,工件(陽極)與陰極接近的表面金屬開始電化學(xué)反應(yīng),不斷地發(fā)生陽極溶解,溶解產(chǎn)物被高速的電解液及時沖走。逐漸使工具的形狀復(fù)映到工件上,獲得所需要的加工表面形狀。在工件金屬溶解的過程中,工具向工件作緩慢的進給,以保持其恒定的間隙。

圖9-14電解加工

常用的電解液有NaCl、NaNO3和NaClO3等。其中NaCl加工速度快、成本低,但加工精度低、且對加工機床腐蝕嚴重。NaNO3電解液成型精度高、腐蝕性小,且陰極有氨氣析出,但生產(chǎn)率低。NaClO3電解液的加工精度和生產(chǎn)率均高、對設(shè)備腐蝕作用小,但價格高,且易燃。電解加工是一種比較成熟的加工方法。主要用于加工小直徑深孔,四方、六方、橢圓、半圓形的通孔和盲孔,型腔,內(nèi)齒輪,異形零件等。也可用于刻印、去毛刺、珩磨、拋光等。

電解加工有如下特點:

(1)可加工任何導(dǎo)電材料,不受材料的強度、硬度、脆性、韌性、熔點、導(dǎo)熱性等的限制,對高溫合金、鈦合金、不銹鋼及硬質(zhì)合金等均能進行加工。

(2)加工成型的生產(chǎn)率高。由于電流密度大,去除金屬速度快,約為電火花加工的5～10倍。

(3)表面質(zhì)量好。加工表面無殘余應(yīng)力和變形,無刀痕、飛邊和毛刺,適用于易變形工件或薄壁零件的加工。

(4)工具陰極理論上無損耗,可長期使用。由于陰極工具材料本身不參與電極反映,同時工具材料又是抗蝕性良好的不銹鋼或黃銅等,所以除特殊情況(如產(chǎn)生火花短路)外,工具陰極基本上沒有損耗。但陰極制造精度影響電解工件的尺寸精度,因加工間隙的控制較困難,其加工精度較差,僅達IT7～IT9級,但是粗糙度低至Ra1.25～0.16μm。而加工表面處圓角半徑大于0.2mm。

(5)電解加工設(shè)備投資較大,占地面積多,加工耗電量大。

(6)工具陰極制造復(fù)雜;電解液有腐蝕作用,要注意防護;電解產(chǎn)物有污染,要妥善處理。

4.電解磨削電解磨削是電化學(xué)機械加工的一種。它是靠電化學(xué)陽極溶解和機械磨削復(fù)合而進行加工的。其工作原理如圖9-15所示。導(dǎo)電砂輪常為電鍍金剛石砂輪,或者用銅粉、石墨做粘結(jié)劑制成的砂輪。將導(dǎo)電砂輪接負極,工件接正極,加工時在砂輪與工件間噴入電解液,接入直流電源后,工件表面層發(fā)生電解作用,產(chǎn)生一層氧化物或氫氧化物薄膜,又稱陽極薄膜,陽極薄膜迅速被導(dǎo)電砂輪中的磨料刮除,新的金屬表面又被繼續(xù)電解。這樣,使電解作用和刮除薄膜的磨削作用交替地進行。在電解磨削過程中,金屬主要靠電解作用蝕除,而砂輪只起刮除陽極膜和整平加工表面的作用。

圖9-15電解磨削

電解磨削的主要工作參數(shù)為:工作電壓5～15V;電流密度50～200A／cm２;磨削壓力0.1～0.3MPa;加工間隙0.01～0.1mm;砂輪粒度40＃～100＃。電解液一般采用NaNO3、NaNO2等。電解磨削與機械磨削相比生產(chǎn)率提高好幾倍,砂輪磨耗量低得多,且消耗電量比電解加工低得多,其加工精度高于電解加工,與磨削相近,表面粗糙度比磨削低。電解磨削適用于加工淬硬鋼、不銹鋼、耐熱鋼、硬質(zhì)合金,特別對硬質(zhì)合金刀具刃磨及模具的磨削更為有利,不僅可以磨出高的精度、低的表面粗糙度,而且避免了表面裂紋,可磨出平直而鋒利的刀刃,能提高刀具的耐用度。電解磨削屬于電化學(xué)機械加工類。此外,還有電解珩磨和電解研磨等,其工作原理與電解磨削相似。

5.激光加工激光是通過入射光子使處于亞穩(wěn)態(tài)高能級的原子、離子或分子跳躍到低能級時,受激勵輻射所發(fā)出的光。即就是讓某些物質(zhì)的原子逐步吸收光能,暫時儲存在該原子內(nèi)部,而后使其受激勵,瞬時以光的形式用同一波長的單色光發(fā)射出來,稱之為激光。而受激勵輻射所發(fā)出的光子與引起受激勵輻射的入射光子在相位、波長、振動及傳播方向等方面完全一致。因此,激光除了有一般光的共性外,它的特點是:強度高、方向性強、單色性和相干性好等。

所謂激光的強度高,也就是其能量密度高,即單位時間內(nèi)通過單位面積的光能量(功率)多。利用光學(xué)系統(tǒng)可將入射光子聚焦成一束直徑僅幾微米到幾十微米的光斑,獲得極高的能量密度(107～1010W/cm2)和極高的溫度(104℃以上)。在千分之幾秒或更短時間內(nèi)使難熔材料熔化,直到氣化蒸發(fā),從而達到蝕除局部材料的目的。所謂單色性,是指光的波長(或頻率)為一個確定值。為有利于蝕除物的排除,還需對加工區(qū)吹氧或吹惰性氣體,如氮氣等。激光加工的機理,目前還沒有公認的定論。一般的看法是:當(dāng)能量密度極高的激光束照射到加工表面時,光能轉(zhuǎn)換成熱能,照射斑點局部區(qū)域溫度迅速上升,使工件金屬熔化、氣化蒸發(fā),形成小凹坑。隨著光能的繼續(xù)吸收,凹坑中金屬蒸氣突然膨脹,壓力增高,相當(dāng)于產(chǎn)生一個微型爆炸,形成一個方向性強的沖擊波,把熔融物高速噴射出去,就完成了打孔加工。激光加工設(shè)備:激光加工機床雖然種類繁多,但其基本組成有四個部分:激光器、電源、光學(xué)系統(tǒng)和機械系統(tǒng)。圖9-16為激光加工過程示意圖,其中激光器是關(guān)鍵器件。激光加工中通常采用兩類激光器:固體激光器(如紅寶石、釹玻璃及釔鋁石榴石YAG);氣體激光器(如CO2的、氦氖氣的)。激光加工要求激光器輸出能量大、峰值功率高、結(jié)構(gòu)緊湊、牢固耐用,目前單根YAG晶體棒的連續(xù)輸出能量已有數(shù)百瓦,幾根串聯(lián)使用可達數(shù)千瓦。但是,固體激光器的能量效率低,CO2氣體激光器的能量效率較高,可達25％,輸出功率大,有的高達上萬瓦,現(xiàn)廣泛用于金屬熱處理、切割、焊接、金屬表面合金化等加工。

圖9-16激光加工過程示意圖

1)激光加工特點

(1)由于激光的功率密度高,可加工高強度、高硬度、高韌性、高脆性、高熔點的金屬或非金屬材料。其加工速度快,效率高,熱影響區(qū)及變形小。

(2)由于激光光斑直徑小,理論上可達1μm以下,且輸出功率可以調(diào)節(jié),故能進行直徑1μm以下的微小孔加工。深徑比可達10以上。

(3)激光加工為非接觸加工,可加工薄壁、彈性件等低剛性零件,可對難于加工部位進行打孔,不存在工具損耗,易實現(xiàn)加工過程自動化。

(4)能通過透明材料進行加工。

(5)加工精度和表面粗糙度較差。

(6)對表面光澤或透明材料加工時,需預(yù)先進行色化或打毛處理,以增加材料吸光率。

2)激光加工的應(yīng)用范圍

(1)激光打孔:打微型小孔,如:火箭發(fā)動機和柴油機的燃料噴嘴加工;化學(xué)纖維噴絲頭小孔加工,噴絲頭由硬質(zhì)合金制作,在100mm的板上打出直徑為￠60μm的小孔共12000多個;鐘表或儀表的寶石軸承上打出￠0.12～￠0.18mm,深0.6～1.2mm的孔;金剛石拉絲模以及復(fù)合材料上打孔等。

(2)激光切割:YAG激光已廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體的劃片加工,切割速度為10～30mm／s,寬度0.06mm,可將1cm2的硅片切割成幾十個集成電路塊,或幾百個晶體管芯。英國生產(chǎn)的CO2激光切割機附有氧氣噴槍,可用45mm／s的速度切割6mm厚的鈦板。

(3)激光焊接:激光焊接所需的能量密度比打孔時低得多。脈沖輸出的紅寶石激光器和釹玻璃激光器適用于點焊;連續(xù)輸出的CO2激光器和YAG激光器適用于縫焊。

3)影響激光加工的因素

(1)激光照射時間應(yīng)適宜。激光束的能量等于激光器的輸出功率與照射時間的乘積。照射時間若過長,會使熱量擴散;若太短則使能量密度過高,使蝕除材料氣化。兩者均會使激光的能量效率降低。

(2)焦距、發(fā)散角和焦點位置對被打孔孔徑的大小、深度和形狀精度有直接的影響。采用短焦距的聚焦物鏡,減小激光束的發(fā)散角,可使打出的孔小而深,且錐度小。焦點的位置應(yīng)處于工件表面或略低于工件表面。若焦點位置高則使孔徑擴大,且深度變淺;過低則會使孔呈喇叭口形狀。

(3)照射次數(shù)多,可以使孔深度增加。并能減小錐度,孔徑基本不變。但照射約20～30次后孔深會出現(xiàn)飽和值,就不會繼續(xù)加深。

(4)光斑內(nèi)的能量分布對所打孔的圓度有影響。希望以焦點為中心對稱分布,中心強度最大,離中心越遠其強度遞減,才能保證孔的圓度。

(5)激光加工機的機械系統(tǒng)和光學(xué)系統(tǒng)的精度要能適應(yīng)激光的加工精度。激光加工精度往往是1～10μm數(shù)量級。

(6)不同材料的工件對不同波長激光的吸收率不同,會影響加工效率。通常,根據(jù)材料性質(zhì)可選用合理的激光器。

6.液力加工液力加工是利用超高壓水從口徑小于￠1mm的噴嘴噴出,以2～3倍音速的高速沖擊力所進行的加工,其工作原理如圖9-17所示。

圖9-17液力加工工作原理

液力加工采用的液體為水或含有添加劑的水。首先需經(jīng)過預(yù)處理器混合和過濾,將顆粒大于0.5μm的懸浮質(zhì)點濾去;再經(jīng)離子交換器去除陽離子,避免陽離子形成污垢或腐蝕金屬。經(jīng)處理后,由第一級高壓水泵把水壓升高到30MPa,再進入第二級水泵,水壓繼續(xù)升高到300～400MPa。極高壓力的水從￠0.25～0.5mm的藍寶石噴嘴噴出,獲得速度高達800m／s的細水柱,就可用來打孔或切割加工。液力噴射加工的主要工藝參數(shù)包括:噴射壓力、射流流速、噴嘴口徑、加工表面與噴嘴的間距、切割速度(噴嘴移動速度)和噴嘴的傾角等。具體參數(shù)可見表9-4和表9-5。

表9-4液力加工參數(shù)

表9．4液力加工切割速度表9．3液力加工參數(shù)表9-5液力加工切割速度

9.3.2微細加工

1.電子束加工

1)熱效應(yīng)加工某些金屬在真空條件下加熱,如鎢加熱至2000℃時,會發(fā)射出電子。用被加熱至高溫的金屬作為陰極,在陰極附近設(shè)置一個開了孔隙的陽極,會使電子由陰極向陽極方向加速運動,形成了一束穿過陽極孔隙的高速度的電子流,再用電子透鏡將電子束聚焦,使能量高度集中于直徑約1μm左右的小束點內(nèi),可獲得106～109W／cm2的功率密度。當(dāng)它轟擊工件時,電子穿透材料晶格,使晶格振蕩,原子振動很快轉(zhuǎn)化成熱量,溫度可達攝氏幾千度,使工件被照射部位的材料局部蒸發(fā)或成為霧狀微粒粉塵呈飛濺狀。即利用電子束的熱效應(yīng)原理實現(xiàn)打孔或焊接加工的工作,如圖9-18所示。圖9-18電子束加工

2)化學(xué)效應(yīng)加工若將功率密度相當(dāng)?shù)偷碾娮邮?照射在高分子材料的工件表面上,表面溫升就不明顯。入射的電子與高分子相碰撞,會使其分子鏈被切斷而重新聚合,工件材料分子量也隨著變化。利用電子束的這種化學(xué)效應(yīng)可進行光刻加工。其最小刻線可做到0.1～1μm的寬度,線槽邊緣平度也相當(dāng)小,一般小于0.05μm。

3)電子束加工特點

(1)功率密度高,可加工高硬度、高強度、高韌性、高脆性、高熔點的金屬或非金屬材料(加工功率密度為109W/cm2)。

(2)能聚焦成直徑1μm以下的光斑,故可加工數(shù)微米的孔。

(3)能夠通過磁場或電場對電子束的強度、位置進行直接控制,便于實現(xiàn)自動化加工。

(4)打孔效率很高,取決于工件的移動速度。

(5)為非接觸加工,工件不受機械力作用,不產(chǎn)生宏觀應(yīng)力和變形。

(6)在真空中進行,特別適合于加工易氧化的材料和純度要求極高的半導(dǎo)體材料。

(7)需要一整套專用設(shè)備和真空系統(tǒng),價格較貴,生產(chǎn)應(yīng)用有一定的局限性。

2.離子束加工離子束加工也是在真空中進行。把氬Ar、氪Kr、氙Xe等惰性氣體經(jīng)高溫、強光或放射線照射、高速電子的沖撞形成等離子體,然后在加速電極作用下,離子從等離子體中被成束狀地拉出來,并加速成為均勻的離子束流,再經(jīng)聚焦后,投射到被加工表面而實現(xiàn)加工。如圖9-19所示。由于離子的質(zhì)量比電子大若干萬倍,因此,離子束比電子束具有更大的能量。

圖9-19離子束加工

9.4先進制造技術(shù)

9.4.1先進制造技術(shù)(AMT)產(chǎn)生的背景

AMT(AdvancedManufacturingTechnology)首先由美國于20世紀80年代末提出,在此以前,美國政府只對基礎(chǔ)研究、衛(wèi)生健康、國防技術(shù)等給予經(jīng)費支持,而對產(chǎn)業(yè)技術(shù)不予支持,主張產(chǎn)業(yè)技術(shù)通過市場競爭,由企業(yè)自主發(fā)展。20世紀70年代,一批美國學(xué)者不斷鼓吹美國已進入“后工業(yè)化社會”,認為制造業(yè)是“夕陽工業(yè)”,主張經(jīng)濟重心由制造業(yè)轉(zhuǎn)向高科技產(chǎn)業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)。其結(jié)果導(dǎo)致美國經(jīng)濟競爭力下降,貿(mào)易逆差劇增,日本家電、汽車大量涌入并占領(lǐng)了美國市場。

先進制造技術(shù)計劃(ATP)由美國聯(lián)邦政府科學(xué)、工程和技術(shù)協(xié)調(diào)委員會(FC