第六章 先進制造技術(shù)幻燈片.ppt

1、1. 電火花加工,2. 水噴射技術(shù),3. 超聲波加工,4. 高能束加工,5. 快速成形技術(shù),6.機械制造的未來,第六章 先進制造技術(shù),第一節(jié) 電火花加工,電火花加工是利用浸在工作液中的兩極間脈沖放電時產(chǎn)生的電蝕作用蝕除導(dǎo)電材料的特種加工方法，又稱放電加工或電蝕加工，英文簡稱EDM。 在1943年，前蘇聯(lián)莫斯科大學(xué)教授拉扎林科夫婦研究開關(guān)觸點遭受電火花放電腐蝕損壞的有害現(xiàn)象和原因，發(fā)現(xiàn)電火花的瞬時高溫可使局部的金屬熔化、氣化而被蝕除掉，開創(chuàng)和發(fā)明了變有害的電蝕為有用的電火花加工方法。,一、電火花加工原理,工件與工具電極分別連接到脈沖電源的兩個不同極性的電極上。當兩電極間加上脈沖電壓，工件和電極間

2、保持適當?shù)拈g隙時，就會把工件與工具電極之間的工作液介質(zhì)擊穿，形成放電通道。,放電通道中產(chǎn)生瞬時高溫，使工件表面材料熔化甚至氣化，同時也使工作液介質(zhì)氣化，在放電間隙處迅速熱膨脹并產(chǎn)生爆炸，工件表面一小部分材料被蝕除拋出，形成微小的電蝕坑。脈沖放電結(jié)束后，經(jīng)過一段時間間隔，使工作液恢復(fù)絕緣。脈沖電壓反復(fù)作用在工件和工具電極上，上述過程不斷重復(fù)進行，工件材料就逐漸被蝕除掉。,二、電火花加工機床,電火花加工機床主要由機床本體、脈沖電源、自動進給調(diào)節(jié)系統(tǒng)、工作液過濾和循環(huán)系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)等部分組成。,電火花加工機床按其大小可分為小型(D7125以下)、中型(D7125D7163)和大型(D7163以上)。

3、 按數(shù)控程度分為非數(shù)控、單軸數(shù)控和三軸數(shù)控。,三、電火花加工的分類和特點,按工具電極和工件相對運動的方式和用途的不同，大致可分為：,電火花穿孔成型加工 電火花線切割 電火花磨削和鏜磨 電火花同步共軛回轉(zhuǎn)加工 電火花高速小孔加工 電火花表面強化與刻字,1.電火花加工的分類,2.電火花加工的特點,1）適合于難加工導(dǎo)電材料的加工。,2）可以加工特殊及復(fù)雜形狀的零件。,3）易于實現(xiàn)加工過程自動化。,（1）電火花加工的主要優(yōu)點,（2）電火花加工的局限性,1）只能加工導(dǎo)電材料。,2）加工速度慢。,3）存在電極的損耗。,四、電火花加工的應(yīng)用,1電火花成型加工 在模具制造中主要應(yīng)用在高硬度零件加工、型腔尖角部

4、位加工、模具上的筋加工、深腔部位的加工、小孔加工、表面處理等方面。,a）窄縫深槽加工,b）電火花穿孔加工的 異形孔形,2電火花線切割加工 是利用連續(xù)移動的細金屬絲（稱為電極）作電極，對工件進行脈沖火花放電蝕除金屬、切割成型，這也是電火花線切割加工與電火花成型加工不同之處。 電火花線切割加工可以用來制造模具、加工精密細小零件以及一些特殊材料的加工。, 加工模具零件 加工特殊材料 加工細小和復(fù)雜形狀的零件,電火花線切割的作品,第一節(jié) 電火花加工,第一節(jié) 電火花加工,第二節(jié) 水噴射加工,幾千年來，成語“滴水石穿”體現(xiàn)了在人們眼中秉性柔弱的水本身潛在的威力，能夠以柔克剛。然而，作為一項獨立而完整的加工

5、技術(shù)，高壓水噴射加工的產(chǎn)生卻才是最近三十年的事。利用高壓水為人們的生產(chǎn)服務(wù)始于19世紀70年代左右，用來開采金礦，剝落樹皮。直到20世紀50年代，高壓噴射切割才源于前蘇聯(lián)，但第一項切割技術(shù)專利卻在美國產(chǎn)生，即1968年由美國密蘇里大學(xué)教授諾曼弗蘭茲博士獲得。在最近十多年里，水噴射切割技術(shù)和設(shè)備有了長足進步，并逐步應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中。,一、基本原理,第二節(jié) 水噴射加工,水噴射加工是利用從噴嘴中高速噴出的水流的沖擊力破碎和去除工件材料的特種加工方法。,20世紀50年代末開始應(yīng)用，它是利用壓力為200400MPa（最高可達1500MPa）的高壓水，從孔徑為0.050.4mm的藍寶石或金剛石噴嘴孔中以每

6、秒數(shù)百米至一千米以上的高速噴出，形成一股高能量密度（流速的功率密度達106wmm2）的射流沖擊工件，代替金屬刀具作精密加工或切割，使材料破碎而去除，“切屑”進入液流排出。人們把它稱為“水刀”。 水噴射加工主要用于切割各種非金屬材料如塑料、橡膠、石棉、石墨、木材、膠合板、石膏、水泥、皮革和紙板等。切割厚度為幾毫米至幾十毫米，取決于使用的噴射壓力和材料的性質(zhì)。,第二節(jié) 水噴射加工,二、水噴射加工的形式和特點,第二節(jié) 水噴射加工,1. 水噴射加工的形式 （1）純水射流 （2）磨料水射流 （3）聚合物水射流,2.水噴射切割的特點 1）切縫小，一般為0.080.4mm 2）切割速度高 3）切屑被液體帶走

7、，不致粉塵飛揚，因而能避免環(huán)境污染。 4）加工對材料無熱影響，工件不會產(chǎn)生熱變形和熱損傷，對加工熱敏感材料有利。 5）可由計算機控制。,第二節(jié) 水噴射加工,三、材料去除速度和加工精度 切割速度主要由工件材料決定，并與所用的功率 大小成正比，和材料的厚度成反比。如表61 切割精度主要受噴嘴軌跡精度的影響，切縫比所 用噴嘴孔徑大0.025mm。 噴嘴越小，加工精度越高，但材料去除速度降低 切邊質(zhì)量受材料性質(zhì)的影響很大，塑性好的材料 可以切割出高質(zhì)量的切邊。 液壓過低會降低切邊質(zhì)量，尤其對復(fù)合材料，容 易引起工件表面起鱗。進給速度低可以改善切割質(zhì)量。,第二節(jié) 水噴射加工,第二節(jié) 水噴射加工,水噴射加

8、工設(shè)備和元件，主要是要能夠承受的系統(tǒng)壓力達到400800MPa，液壓系統(tǒng)通過小的柱塞泵使液體增壓到15004000MPa。增壓后的水，通過內(nèi)外徑之比達510的不銹鋼管道和特殊的管道配件，再經(jīng)過針形閥通過噴嘴進行加工。噴口直徑為0.050.4mm的噴嘴，噴射時會產(chǎn)生一股長達3040mm的聚合射流。,四、加工設(shè)備,如何把高壓液體轉(zhuǎn)變成高速射流的噴嘴？ 為了使侵蝕最小，噴嘴材料應(yīng)是耐腐蝕的，同時為了有光滑的輪廓結(jié)構(gòu)，材料還應(yīng)具有一定的韌性和易于機械加工。常常利用粘結(jié)的金剛石或藍寶石作成噴嘴，并可把它們放進鋼套里作為鑲嵌件使用，以滿足強度和韌性的綜合需要。金剛石、碳化鎢和特種鋼，也已經(jīng)成功地用于制造優(yōu)

9、質(zhì)的噴嘴。,四、加工設(shè)備,水噴射加工的液體流束直徑為0.050.38mm，可以加工很薄、很軟的金屬和非金屬材料，例如銅、鋁、鉛、塑料、木材、橡膠、紙等七、八十種材料和紙品。 水噴射加工可以代替硬質(zhì)合金切槽刀具，而且切邊的質(zhì)量很好。所加工的材料厚度少則幾毫米，多則幾百毫米，例如切割19mm厚的吸聲天花板，采用的水壓為310MPa，切割速度為76m/min；玻璃絕緣材料可加工到125mm厚。由于加工的切縫較窄，可節(jié)約材料和降低加工成本。,五、實際應(yīng)用,第二節(jié) 水噴射加工,水刀機,1927年，美國物理學(xué)家伍德和盧米斯就做了超聲加工試驗，利用強烈的超聲振動對玻璃板進行雕刻和快速鉆孔，但當時并未應(yīng)用在工

10、業(yè)上。 1951年，美國的科恩制成第一臺實用的超聲加工機。,第三節(jié) 超聲波加工,超聲加工也稱超聲波加工。 電火花和電化學(xué)加工都只能加工金屬導(dǎo)電材料。然而，超聲波加工不僅能加工硬質(zhì)合金、淬火鋼等脆硬金屬材料，而且更適合于加工玻璃、陶瓷、半導(dǎo)體鍺、硅片等不導(dǎo)電的非金屬脆硬材料，同時還可以應(yīng)用于清洗、焊接、探傷、測量、冶金等其它方面。,第三節(jié) 超聲波加工,一、超聲波加工的基本原理,第三節(jié) 超聲波加工,超聲波加工是利用工具端面作超聲振動，工具將超聲波的能量傳遞給磨料，使磨料對被加工工件進行不斷的磨削來實現(xiàn)的。,1工具 2工件 3磨料懸浮液; 4、5變幅桿 6換能器 7超聲波發(fā)生器,二、超聲波加工設(shè)備,

11、第三節(jié) 超聲波加工,（1）超聲發(fā)生器 將50Hz的交流電轉(zhuǎn)換為有一定功率的超聲頻率振蕩（超聲電能）輸出，通常為1625KHz，以供給工具端面超聲振動和去除被加工材料的能量。,（2）超聲換能振動裝置器（超聲換能器） 把超聲發(fā)生器輸出的超聲頻電振蕩轉(zhuǎn)換并放大成具有一定振幅的機械振動。超聲振動系統(tǒng)由換能器和變幅桿組成，變幅桿起著放大振幅和聚能的作用。,（3）機床本體 一般有立式和臥式兩種類型，超聲振動系統(tǒng)則相應(yīng)地垂直放置和水平放置。,四、超聲加工的應(yīng)用 （1）超聲成形加工,第三節(jié) 超聲波加工,（2）超聲旋轉(zhuǎn)加工 （3）超聲清洗,第三節(jié) 超聲波加工,（4）超聲焊接 超聲焊接的原理是利用超聲振動去除工件

12、表面的氧化膜，露出本體，在表面分子高速振動撞擊下，摩擦發(fā)熱，使兩個被焊工件表面產(chǎn)生親和作用而粘結(jié)在一起。,第三節(jié) 超聲波加工,超聲焊接有以下優(yōu)點： 焊接時無需加熱，對焊接件本身的理化性質(zhì)影響很??； 焊接時無電弧、火焰產(chǎn)生，無需焊劑，故不會產(chǎn)生飛濺、污染、滲透等現(xiàn)象，使焊接件表面凈潔美觀，保持其純潔度； 焊接時不通過電流，不會發(fā)生熔化而燒毀焊件； 焊接速度快，生產(chǎn)率高。,（5）超聲的其它應(yīng)用 超聲探傷 超聲測距 超聲體檢,第三節(jié) 超聲波加工,32,超聲波除塵,只要在煙囪里裝一個超聲波除塵器，不消片刻，煙囪就冒著干凈的白煙了。,超聲波除塵裝置,33,超聲波促進植物生長,種子發(fā)芽需要水分、氧氣和一定

13、的溫度。種子外面裹著一層嚴嚴實實的種皮，它雖然能保護種子不受傷害，但是它的透水性和透氣性都不好，使種子“喝”不到足夠的水分，“呼吸”也特別微弱，就像睡著了。因此，有了合適的條件也不易發(fā)芽。,34,超聲波促進植物生長,當超聲波射到浸泡在水里的種子時，激烈的超聲振動會對種子產(chǎn)生一種類似摩擦的作用，因而使得種皮的透水性和透氣性大大增強，并能使種子得到一定溫度。這樣種子吸著水“發(fā)胖”，呼吸也加快了，種子就能提早發(fā)芽。 同時超聲波還能促使種子內(nèi)貯存的淀粉、脂肪和蛋白質(zhì)更好的溶解于水，變成易被種胚吸收的養(yǎng)料，苗兒就使勁的長個兒。此外，超聲波還具有殺菌作用，能殺死潛伏在種子身上的某些病菌和蟲卵。,35,超聲

14、波偵察海底,超聲波在水中能過按著一定的方向直線前進，它能傳到幾公里、幾十公里，甚至幾百公里以外。而且，它又能形成射束，聚成很狹的一束，向一個方向傳播。當它中途遇到障礙物時，又會有一部分能量按原方向反射回來。因此，當接收到回聲訊號，經(jīng)過放大送到顯示器，就可以立刻顯示出目標的距離和方位了。,36,超聲波診斷疾病,醫(yī)生會把發(fā)射超聲波的探頭放在病人體表的適當位置，讓超聲波在人體里面?zhèn)鞑?。當那個器官的了病，反射的回升訊號與正常的情況不一樣，醫(yī)生就可以診斷那部分臟器有了病變和分析病變的性質(zhì)。比如像腫瘤、腦瘤、肝硬化、胃下垂、結(jié)石等等。 此外，有一種“超聲波現(xiàn)象儀”，人們還可以在它的電視熒光拼上看到諸如跳動

15、著的心臟、母親腹內(nèi)的胎兒等的活動“電影”。因此，超聲波也是醫(yī)生的好助手。,B超,診斷疾病,高能密度束流加工的共同特點： （1）加工速度快，熱流輸入少，對工件熱影響極少，工件變形小。 （2）束流能夠聚焦且有極高的能量密度，激光加工、電子束加工可使任何堅硬、難熔的材料在瞬間熔融汽化，而離子束加工是以極大能量撞擊零件表面，使材料變形、分離破壞。 （3）工具與工件不接觸，無工具變形及損耗問題。 （4）束流控制方便，易實現(xiàn)加工過程自動化。,第四節(jié) 高能束加工,第四節(jié) 高能束加工,一、激光加工 1、加工原理 當高功率密度的激光束照射到工件上時，會使材料發(fā)生溫度升高、加熱、熔化、氣化等現(xiàn)象。利用激光束可以對

16、鋼板等金屬材料以及塑料和其它各種材料進行穿孔、切割和焊接等形式的特種加工，英文簡稱LBM。,第四節(jié) 高能束加工,從激光器輸出的高強度激光經(jīng)過透鏡聚焦到工件上，其焦點處的功率密度高達1071012W/cm2，溫度高達1萬攝氏度以上，任何材料都會瞬時熔化、氣化。 通常用于加工的激光器主要是固體激光器和氣體激光器。使用二氧化碳氣體激光器切割時，一般在光束出口處裝有噴嘴，用于噴吹氧、氮等輔助氣體，以提高切割速度和切口質(zhì)量。,第四節(jié) 高能束加工,2、激光加工的特點 （1）激光束能聚焦成極小的光點（達微米數(shù)量級），適合于微細加工（如微孔和小孔等）； （2）激光加工的功率密度高； （3）激光加工所用工具是激

17、光束，為非接觸加工； （4）加工速度極快，對工件材料的熱影響小； （5）可在空氣、惰性氣體和真空中進行加工，并可通過光學(xué)透明介質(zhì)進行加工； （6）生產(chǎn)效率高； （7）加工過程中產(chǎn)生的金屬氣體及火星等飛濺物必須及時抽走，操作者應(yīng)戴防護眼鏡。,第四節(jié) 高能束加工,3、激光加工的應(yīng)用 激光加工主要用于穿孔、切割、劃片、焊接、微調(diào)和動平衡校正等方面。,第四節(jié) 高能束加工,二、電子束加工 1、電子束的熱效應(yīng)及其加工原理,電子束加工是利用 電子束的高能量密 度進行打孔、切槽、光刻、焊接、淬火等工作。,第四節(jié) 高能束加工,主要由電子槍、真空系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和電源等組成,第四節(jié) 高能束加工,3、電子束加工的特點

18、及應(yīng)用 （1）束徑小，能量密度高 （2）被加工對象范圍廣 （3）加工速度快、效率高 （4）控制性能好，易于實現(xiàn)自動化,第四節(jié) 高能束加工,三、離子束加工,1、離子束加工原理,在真空條件下，將離子源（離子槍）產(chǎn)生的離子 經(jīng)加速聚焦形成高能的離子束流投射到工件表面， 使材料變形、破碎、分離以達到加工的目的。,第四節(jié) 高能束加工,2、離子束加工裝置 離子束加工裝置與電子束加工裝置類似，包括：離子源、真空系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和電源等，不同部分是離子源。,第四節(jié) 高能束加工,常用的有考夫曼型離子源和雙等離子管型離子源兩種。 （1）考夫曼型離子源 （2）雙等離子管型離子源,第四節(jié) 高能束加工,3、離子束加工的特

19、點 （1）易于精確控制 （2）加工時產(chǎn)生的污染小 （3）加工應(yīng)力小、變形極小，對材料適應(yīng)性強 （4）離子束加工設(shè)備的費用高，成本高，加工效率低,第四節(jié) 高能束加工,快速成形（Rapid Prototyping，RP）技術(shù)是由CAD模型直接驅(qū)動，快速制造任意復(fù)雜形狀三維物理實體的技術(shù)。 快速成形技術(shù)：集成了機械、電子、計算機、光學(xué)、新材料等領(lǐng)域。 成形材料：可以是光敏樹脂、塑料、紙、特種蠟及聚合物包括金屬粉末，以及陶瓷材料、復(fù)合材料和金屬材料等。 應(yīng)用領(lǐng)域：航空航天、汽車、機械、電子、電器、醫(yī)學(xué)、建筑、玩具、工藝品、文物保護等。,第五節(jié) 快速成形技術(shù),第五節(jié) 快速成形技術(shù),一、快速成型技術(shù)流程,

20、1三維模型的構(gòu)建。,2三維模型的近似處理。,3三維模型的分層處理。,4成形加工。,5成形零件的后處理。,第五節(jié) 快速成形技術(shù),二、快速成型的特點,1簡易性,2快速性,3高度柔性無需任何專用夾具或工具即可完成復(fù)雜的制造過程。,4技術(shù)的高度集成性計算機、數(shù)控、激光、新材料等技術(shù)的高度集成,5應(yīng)用領(lǐng)域廣泛 制造業(yè)、材料科學(xué)與工程、醫(yī)學(xué)、文化藝術(shù) 以及建筑工程等領(lǐng)域,三、快速成型工藝,1分層實體制造工藝,（1）工藝原理與過程,分層實體制造（Laminated Object Manufacturing，LOM）又稱疊層 實體制造或薄形材料選擇性切割。,（2）分層實體制造工藝的特點及應(yīng)用, 制件精度高,

21、分層實體制造中激光束只需按照分層信息提供的截面輪廓線切割而無需對整個截面進行掃描，且無需設(shè)計和制作支撐，所以制作效率高、成本低。結(jié)構(gòu)制件能承受高達200的溫度，有較高的硬度和較好的機械性能，可進行各種切削加工。,缺點：由于材料質(zhì)地原因，加工的原型件抗拉性能和彈性不高；易吸濕膨脹，需進行表面防潮處理；薄壁件、細柱狀件的廢料剝離比較困難；工件表面有臺階紋，需進行打磨處理。,LOM成形件主要用于： 直接制作紙質(zhì)功能制件，用作新產(chǎn)品開發(fā)中工業(yè)造型的外觀評價、結(jié)構(gòu)設(shè)計驗證。 利用材料的粘接性能，可制作尺寸較大的制件，也可制作復(fù)雜薄壁件。 通過真空注塑機制造硅橡膠模具，試制少量新產(chǎn)品。 快速制模,2三維打

22、印,三維打?。?DPThree Dimension Printing）技術(shù)是由美國麻省理工學(xué)院開發(fā)和研制，并由美國Z Corporation公司申請獲得專利。目前，該公司推出了系列的3DP快速原型設(shè)備。,（1）3DP快速成型原理 3DP技術(shù)也被稱為三維印刷或噴涂粘結(jié)。是一種高速多彩的快速成型技術(shù)。3DP技術(shù)采用粉末材料成形，如陶瓷粉末、金屬粉末等，通過噴頭噴出的粘結(jié)劑（如硅膠）將零件的輪廓截面“印刷”在材料粉末上面并粘結(jié)成型。用粘結(jié)劑粘接的零件強度較低，還須后處理。先燒掉粘結(jié)劑，然后在高溫下滲入金屬，使零件致密化，提高強度。,（2）3DP快速成型技術(shù)的優(yōu)缺點 3DP快速成型技術(shù)的優(yōu)點： 易于操

23、作，工藝過程較為清潔。 可使用多種粉末材料，也可采用各種色彩的粘接劑，可以制作彩色原型，這是該工藝最具競爭力的特點之一。 不需支撐，成型過程不需要單獨設(shè)計與制作支撐，多余粉末的支撐去除方便，因此尤其適合于做內(nèi)腔復(fù)雜的原型制作。 不需要激光器，設(shè)備價格比較低廉。,3DP快速成型技術(shù)的缺點： 精度和表面粗糙度不太理想，可用于制作概念模型，不適合構(gòu)建結(jié)構(gòu)復(fù)雜和細節(jié)較多的薄型制件。 由于粘結(jié)劑從噴嘴中噴出，粘結(jié)劑的粘結(jié)能力有限，原型的強度較低。 原材料價格昂貴。 （3）3DP快速成型技術(shù)的應(yīng)用,圖6-24 3DP快速成型技術(shù)產(chǎn)品,第六節(jié) 制造業(yè)的未來,一、納米制造,1微制造,2納米加工,3微機電系統(tǒng)（

24、MEMS）,微機電系統(tǒng)技術(shù)的重要特征有：,（1）產(chǎn)品微型化,（2）材料微小化,（3）制造微細化,（4）學(xué)科綜合化,（5）應(yīng)用廣泛化,二、虛擬制造,虛擬現(xiàn)實的明確定義不太好說，按最早提出虛擬現(xiàn)實概念的學(xué)者J.Laniar的說法，虛擬現(xiàn)實，又稱假想現(xiàn)實，意味著“用電子計算機合成的人工世界”。從此可以清楚地看到，這個領(lǐng)域與計算機有著不可分離的密切關(guān)系，信息科學(xué)是合成虛擬現(xiàn)實的基本前提。,1虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality）,虛擬現(xiàn)實技術(shù)是使用感官組織仿真設(shè)備和真實或虛幻環(huán)境的動態(tài)模型生成或創(chuàng)造出人能夠感知的環(huán)境或現(xiàn)實，使人能夠憑借直覺作用于計算機產(chǎn)生的三維仿真模型的虛擬環(huán)境。,生成虛擬現(xiàn)實需要解決以下三個主要問題：,（1）以假亂真的存在技術(shù)。,（2）相互作用。,（ 3）自律性現(xiàn)實。,2虛擬制造的定義,虛擬制造（VM，Virtual Manufacturing）技術(shù)是制造技術(shù)與仿真技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。盡管虛擬制造的出現(xiàn)只有短短的幾年時間，但它對制造業(yè)的革命性的影響卻很快地顯示出來。,典型的例子是波音777客機,（1）一個計算機模型，可反復(fù)修改性，有別于實際制造過程的一個最主要的特點。也正是這一特點使得虛擬制造可以根據(jù)不同情況快速的更改設(shè)計、工藝和生產(chǎn)過程，從而大幅度壓縮新產(chǎn)品的開發(fā)時間，提高制造質(zhì)量，降低成本。 （2）分布式：完成虛擬制造的人員和設(shè)備在空間上可以是相互分離的，不同地