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1、现代制造技术现代制造技术 主讲：伍俏平 湖南科技大学机电工程学院 第一章 概论l1.1 制造技术发展历程l1.2 现代制造技术背景与内涵l1.3 现代制造技术体系结构l1.4先进制造技术发展趋势l1.5先进制造技术发展战略的思考 第一章 概论l1.1 制造技术发展历程l制造概念：狭义是指“产品的制造过程，凡是投入一定的原材料，使原材料在物理性质或化学性质发生变化而转化为产品的过程”。国际生产工程学会（CIRP）1990年给出的广义定义“制造是一个涉及制造工业中产品设计、物料选择、生产计划、生产过程、质量保证、经营管理、市场销售和服务的一系列相关活动和工作的总称”。而制造技术是制造业生产各种必要
2、物质（包括生产资料和消费品）所使用的一切生产工具和技术的总称。l制造业是国民经济的支柱产业，其发展水平是衡量一个国家综合国力的最重要指标。图1 制造过程示意图l制造特点：大制造、全过程、多学科 “大制造”：涉及制造相关的国民经济的大量行业，如涉及制造相关的国民经济的大量行业，如机械、电子、化工、食品、军工等等；机械、电子、化工、食品、军工等等；“全过程”：不仅包括从毛坯到成品的加工制造过程，还包括市场调研、产品设计、选材和工艺设计、生产准备、加工和制造过程、市场营销、产品销售前和售后服务、报废产品的处理和回收，以至产品全寿命过程的设计、制造和管理等。“多学科”：是指现代制造科学是微电子、计算机
3、、自动化、网络通信等信息科学、管理科学、生命科学、材料科学与工程和制造科学的交叉。l制造技术发展历程：l（1）制造技术萌芽：石器时代利用天然石料等制作工具以获得生活资料；青铜器和铁器时代，开始冶炼、锻造工具；农业社会生产时代，采用作坊式的生产方式；l（2）工业革命：18世纪70年代，蒸汽机的改进引发了第一次工业革命，产生了近代工业化生产方式，手工劳动被机器生产代替；l（3）电气化：19世纪中叶，电磁场理论的建立为发电机和电动机的产生奠定了基础，电作为新的动力源大大改变了机器结构和生产效率，迎来电气化时代，制造业进入了快速发展时期；这一阶段出现了以经验管理为主的原始机械工厂为代表的制造系统。l（
4、4）大批量生产：20世纪初，内燃机的发明引发了制造业的又一次革命，制造业进入了以汽车制造为代表的大批量生产时代，出现了流水生产线，分工日趋明确，工厂出现了泰勒管理方法为代表的科学管理方式。l（5）多品种中小批量生产：进入20世纪70年代后，随着市场竞争的加剧，大规模生产方式开始逐步向多品种、中小批量生产方式转变。同时现代化生产管理模式，如准时制生产、全面质量管理开始应用于制造业。l（6）信息化和全球化：20世纪80年代以来，计算机、信息、电子、网络等技术的发展，促进了制造业中自动化技术的成熟和完善。产品市场的全球化和用户需求的多样化，使得市场竞争日益激烈，出现了许多新的制造技术和方法。如并行工
5、程、智能制造、敏捷制造、精益生产等。l1.2 现代制造技术背景与内涵背景：20 世纪70 年代，美国许多学者提出美国已进入“后工业化”社会，出现了“制造业是夕阳产业”的观点，力图把经济发展的重心从制造业转向服务业等第三产业。导致了美国科技优势和经济竞争力的衰退。以至于工业生产下滑，出口锐减，工业品进口陡增，经济空前滑坡，物质生产基础遭到严重削弱。这一严峻形势迫使美国政府和企业界不得不重新认识和评价制造业在国民经济中的地位和作用，对存在的问题进行了深刻反省，为了加强制造业的竞争能力和促进国民经济增长而提出先进制造技术概念。概念：先进制造技术是传统制造业不断吸收机械、信息、电子、材料、能源及现代管
6、理等方面的最新技术成果，并将这些技术优化、集成，综合应用于产品开发与设计、制造、检测、管理及售后服务的制造全过程，实现优质、高效、低耗、清洁制造，取得理想技术经济效果和社会效益的前沿制造技术的总称。l先进制造技术的特点：（1）现代制造技术贯穿了从市场预测、产品设计、生产经营管理、制造装配、质量保证、售后服务、报废处理、回收在利用等整个制造过程；（2）现代制造技术注重技术、管理、人员三者的集成，是多学科交叉融合的产物，核心是信息技术、现代管理技术和制造技术的有机结合；（3）现代制造技术的主要目标是提高制造业对市场的适应能力和竞争力；（4）现代制造技术重视环境保护和资源的合理利用。1.3 现代制造
7、技术体系结构l1994年，美国联邦科学、工程和技术协调委员会下属的工业和技术委员会先进制造技术工作组提出将先进制造技术分为三个技术群：l（1）主体技术群l（2）支撑技术群l（3）制造技术环境 这三个技术群相互联系、相互促进，组成一个完整的体系，每个部分均不可缺少，否则就很难发挥预期的整体功能效益。1.4先进制造技术发展趋势先进制造技术的总趋势是：精密化、柔性化、网络化、虚拟化、智能化、清洁化、集成化、全球化。中科院院士杨叔子教授2004年3月论先进制造技术及其发展趋势，可以概括为以下八个方面：“数”是发展的核心；“精”是发展的关键；“极”是发展的焦点；“自”是发展的条件；“集”是发展的方法；“
8、网”是发展的道路；“智”是发展的前景；“绿”是发展的必然。l具体表现在：（1）设计技术不断现代化；（2）专业、学科、技术的界限逐渐淡化，集成化是发展的方向；（3）制造技术的网络化是先进制造技术发展的必由之路；（4）制造技术的智能化是制造技术发展的前景；（5）自动化成为先进制造技术发展的前提条件；（6）虚拟现实技术在制造业中获得广泛的应用；（7）绿色制造成为先进制造技术的重要特征。1.5先进制造技术发展战略的思考 1、我国制造业存在的主要差距 由于我国工业化进程起步较晚，与国际先进水平相比，我国的制造业和制造技术还存在着阶段性差距。主要表现在以下几个方面：（1）产品创新能力较差，开发周期较长。（
9、2）制造工艺装备落后，成套能力不强。（3）生产自动化和优化水平不高，资源综合利用率低。（4）企业管理粗放，协作能力较差，国际市场开拓能力弱。（5）具有竞争力的核心技术的开发相对薄弱。2、我国先进制造的发展战略（1）提高认识、全面规划，促进先进制造技术的发展；（2）深化科技体制改革，推动技术创新体系的建设；（3）将引进、消化国外先进制造技术与自主开发创新相结合；（4）大力发展先进高新制造技术及其企业；（5）积极培养创造性人才，努力提高制造业的全员素质。第二章 高速切削技术l2.1概述l概念：高速切削是指在比常规切削速度高出很多的情况下进行的切削加工。l主要特点：高切削速度、高进给速度、高加工精度
10、和优良的加工表面质量，具有不同于传统切削加工技术的加工机理和应用优势。应用领域：航空航天、模具制造、汽车制造等行业，加工对象包括：钛合金、铝镁合金、钢、铸铁、碳纤维增强塑料等材料。l2.1.1：高速切削技术发展历程 完成一个零件机械加工所需要的时间，包括切削时间和非切削时间。切削时间是直接改变工件尺寸和形状所需的时间，非切削时间包括辅助时间、服务时间和休息时间。595调整、装夹、对刀、检测等切削3070加工时间运输与等待时间制造周期加工时间生产的时间分配30年来切削时间的变化情况 随着数控机床和数控加工中心的普及，解决了自动换刀、装卸工件等问题，大大降低了辅助时间在总工序时间中所占的比例。以缩
11、短辅助时间为手段提高生产效率的意义不再明显，因此提高生产率的主要措施转移到直接减少切削时间方面。减少切削时间最直接的手段是提高切削速度。但根据传统的金属切削理论存在：随着切削速度的提高，切削热增加，刀具磨损加剧，刀具寿命缩短；同时，机床发热、振动以及动平衡等问题凸显出来。萨洛蒙曲线 图2-1 萨洛蒙曲线l高速切削假说提出后20多年无人关注和研究。l美国Lockheed飞机公司于1960年前后进行了超高速削试验。试验采用加农炮发射方式：在高速切削条件下，切屑的形成和普通切削不同。单位切削力呈上升再下降的趋势。切削机理发生变化，切削过程比常规切削速度下容易和轻松。l1977年美国在一台带有高频电主
12、轴的加工中心上进行了超高速切削实验，与传统切削相比，材料切除率提高了2-3倍，切削力减小了70%，表面质量明显提高。l20世纪80年代以来，各工业发达国家投入了大量人力、物力，研究开发了高速切削设备及相关技术。l20世纪90年代以来，刀具材料和超高速电主轴的研制成功，用于高速进给的直线电动机伺服驱动系统的应用以及高速机床其他配套技术的日益完善，为高速切削技术的应用创造了良好条件。2.1.2：高速切削速度范围（1）根据切削速度划分：通常把切削速度比常规切削高出5-10倍以上的切削加工称为高速切削。一般认为高速切削速度范围：车削700m/min-7000m/min；铣削300m/min-6000m
13、/min；钻削200m/min-1100m/min；磨削150m/s-360m/s。（2）根据机床主轴转速划分：一般按Dn值区分，Dn值是指主轴轴径和主轴能达到的最高转速的乘积。高速主轴的Dn值一般为500000mmr/min2000000mmr/min。高速切削加工不能简单地用某一具体的切削速度值来定义，必须考虑工件材料、刀具材料、工序方法和机床等因素。此外，由于技术的进步，切削速度有越来越高之势，所以高速的定义及划分也会随之变化。不同材料的大致切削速度范围图l2.1.3：高速切削优越性（1）单位时间内材料切除率增加，切削加工时间减少，生产率大幅度提高；（2）在高速切削范围内，切削力降低，减
14、少了切削变形引起的加工误差，有利于薄壁件的切削加工；（3）高速切削时，切屑以很高的速度排出，带走大量的切削热，传给工件的热量大幅度减少，有利于减少工件的内应力和热变形，提高加工精度；（4）工作平稳，振动小，零件的加工表面质量高。（5）可以加工各种难加工材料。2.1.4：高速切削关键技术（1）高速切削机理：高速切削过程和切屑形成机理的研究、高速加工基本规律、各种材料高速切削机理、高速切削数据库和虚拟技术等；（2）高速切削刀具技术：刀具材料；刀具结构；刀柄系统。（3）高速切削机床技术：包括高速主轴主轴单元、进给系统、CNC控制系统和机床整机技术（机床床身、冷却系统、安全系统等）。（4）高速切削技术
15、（5）高速加工的安全防护、测试技术与实时检控技术等。l2.2高速切削基础理论l2.2.1切屑形成l加工塑性金属，切削厚度较小，切削速度较高，刀具前角较大时，易出现带状切屑。l切削厚度较大，切削速度较低，刀具前角较小时，易出现锯齿状切屑。l进一步增大切削厚度，降低切削速度，减少刀具前角时，易出现单元切屑。l脆性材料易得到崩碎切屑带状切屑带状切屑 锯齿状切屑锯齿状切屑 单元切屑单元切屑 崩碎切屑崩碎切屑 （2）高速切削切屑特征及影响因素工件材料及性能对切屑形态起决定性作用：低硬度和高热物理性能的工件材料如铝合金、低碳钢和合金钢等，容易形成带状切屑；硬度较高和低热物理特性的工件材料如热处理钢和钛合金
16、等，容易形成锯齿状切屑；工件材料一定时，切削速度对切屑特征有主要影响：一方面切削速度的提高，应变速度加大，导致工件材料脆性的增加，易于形成锯齿状切屑；另一方面切削速度的提高，引起切屑温度的增加，致使脆性减小。因此，切削速度对形成锯齿状切屑倾向的影响结果应进行综合考虑。一般而言，高速切削时，随着切削速度的提高，切屑的锯齿化程度增大，在惯性力作用下，易于断裂形成较短的切屑形状。2.2.2切削热和切削温度高速切削时，总的切削功W消耗在以下几个方面：（1）形成已加工表面和切屑底面两个新生表面所需要的能量Wn；（2）剪切区的剪切变形功Ws；（3）前、后刀面与切屑、工件的摩擦功Wf；（4）切削层材料经过剪
17、切面时，动量改变消耗的功Wm；剪切面上产生的热量流入切屑的比例R1为：由上式可知，随着V和ac的增大，R1增加，因为V的变化范围比ac大，所以V对R1的影响比ac大。随着V的增大，剪切面上产生的热量流入切屑的比例R1增大，即切削速度增大，被切屑带走的热量越多，而切削温度升高的少。2.2.3切削力切削过程中，剪切面上发生变形所需要的力由两部分组成：一个是剪切力Fs；另一个是切削层材料沿着剪切面滑移造成动量改变所需要的作用力，即切屑惯性力Fm。分别表示为：式中：Ss为工件材料动态剪切强度；Ac为切削层截面积；为工件材料密度;0为刀具前角;为剪切角。切削速度对剪切角的影响当切削速度较低时，材料始剪切
18、面为OA，终剪切面为OM，剪切角为；当切削速度很高时，材料流动速度大于塑性变形速度，即在OA线上尚未显著变形就已流动到OA线上，终剪切面变为OM，剪切角变为，这意味着第一变形区后移（）。同时，切削速度对刀具前刀面上的平均摩擦因素也有影响，切削速度增大，减小，摩擦角减小，由上式可知，剪切角增大。而剪切角的增大使剪切力降低，切屑惯性力增加。但在高速切削过程中，切屑的质量很小，切屑惯性力的增加幅度比剪切力减小幅度小的多，因此，在高速切削范围内，切削速度的提高最终导致切削力的降低。特别有利于薄壁件的精密加工。2.2.4刀具磨损与破损高速切削时，刀具的破坏形式主要是磨损和破损，起主要的破坏原因主要是切削
19、力和切削热作用下的磨粒磨损、黏结磨损、化学磨损、脆性破损等。高速切削时，应根据局加工方法和加工要求，确定合理的磨损寿命。影响高速切削刀具磨损寿命的因素较多，工件材料与刀具材料的匹配、切削方式、刀具几何形状、切削用量、冷却液、振动等对刀具磨损寿命都有显著影响。对于高速切削刀具，除了考虑静态特性外，还应该考虑动态特性。2.2.5高速切削表面质量高速切削加工表面质量的变化规律与普通切削加工有所不同。一般高速切削加工随着切削速度的增加，表面粗糙度降低，随着进给量增加，表面粗糙度增大。不同加工条件下，高速切削加工工件表面残余应力的性质与大小及加工硬化程度各不相同，需根据具体工艺而具体分析。一般而言，加工
20、工件表面出现压应力更为有利。工件材料对此也有影响，一般材料硬度越低，加工硬化程度越大。l2.3高速切削机床l2.3.1高速加工对机床的要求与普通机床相比，高速加工机床有如下要求：（1）高速主轴系统（2）高速进给系统（3）高效、快速的冷却系统（4）优良的静、动态特性和热态特性（5）安装和实时监控系统高速外圆磨床系列高速外圆磨床系列2.3.2高速主轴系统1、高速电主轴 电主轴结构2、高速主轴轴承目前，电主轴采用的轴承主要有滚动轴承、流体静压轴承和磁悬浮轴承。后两者为非接触式轴承。（1）滚动轴承电主轴一般采用适用高速且同时承受径向和轴向负荷的精密角接触球轴承。为了减少磨损和温升，可采取如下措施：适当
21、的减小滚珠的直径；采用轻质材料来制造滚珠。（2）流体静压轴承流体静压轴承包括液体静压轴承和气体静压轴承。液体静压轴承具有旋转精度高、磨损小、振动小等特点，适用于加工精度允差小和表面粗糙度要求小的情况；空气静压轴承具有高旋转精度和低温升的优点，但存在刚度差、承载能力低，此外它要求高清洁度的压缩空气，维修费用高。（3）磁悬浮轴承磁悬浮轴承依靠多个在圆周上下互为180的电磁铁产生径向方向相反的磁力，将主轴悬浮在空气中，轴颈与轴承不接触。主轴在空间位置发生微弱变化，由位置传感器测出其变化值，通过电子自动控制与反馈装置，改变相应磁力值，使其迅速恢复到原来的位置。具有高精度、高转速、高刚度、无润滑和密封、
22、无振动等特点，但机械结构复杂，价格较贵。2.2.3高速进给系统高速进给系统需满足如下要求：（1）与高速主轴相匹配的高进给速度；（2）动态性能好，具有良好的快速响应特性；（3）高的定位精度；（4）高可靠性和安全性。传统的“旋转电动机+滚珠丝杠螺母副”进给系统不能满足高速加工的要求。解决的途径：（1）研制新型的高速高精度滚珠丝杠副传动系统；（2）采用直线电动机直接驱动。2、直线电动机进给驱动系统直线伺服电动机驱动的高速进给单元l优点：速度高：直线电动机直接驱动工作台，无任何中间机械传动元件，无旋转运动，不受离心力的作用，可容易地实现高速直线运动。加速度大：直线电动机的起动推力大，结构简单、重量轻，
23、运动变换时的过渡过程短，可实现灵敏的加速和减速。定位精度高：直线电动机进给系统常用光栅尺作为工作台的位置测量元件，并且采用闭环控制，通过反馈，对工作台的位移精度进行精确的控制。行程不受限制。（1）直流直线电动机进给伺服系统式中Cf为电磁力常数；I为动子绕组电流；为磁通量。直流直线电动机采用永久磁铁励磁，为常数。调节I可实现对电动机输出力的直接控制。2、交流永磁同步直线电动机进给驱动系统由于永磁励磁磁链f为常数，因此，电动机输出的电磁力F将与电流Iq成正比，因此，通过控制Iq，就可实现对交流永磁同步电动机电磁力的直接控制l（3）交流异步直线电动机进给驱动系统其定子结构基本相同，但动子结构有较大差
24、别。动子一般由硅钢片叠装或其他导磁材料构成，动子上开有凹槽，其中嵌有导条或绕组。交流异步直线电动机的定子和动子分别与机床的固定和运动部件直接连接。式中，K为电磁力常数；Lm为绕组互感；Lr为绕组自感；2为动子磁链，IT1为定子绕组电流。其中，K，Lm，Lr由电动机结构决定，一般为常数，通过合理控制，使2保持常数，则可保证电磁力F与电流IT1成正比，从而可实现对其电磁力的准确和快速的控制。l2.3.4高速机床支撑部件 支承件包括床身、立柱、横梁、底座、刀架、工作台、箱体和升降台等，它们是机床的基础部件。固定支撑件必须具有足够的强度、高的结构刚性和高水平的阻尼特性，使机床受到的激振力很快衰减。提高
25、固定支撑件抵抗振动能力的具体措施：对于床身基体等支撑部件采用非金属环氧树脂、人造花岗石、特种钢筋混凝土等材料制作。合理设计其截面形状、布置筋板结构，以提高静刚度和抗振性。尽可能采用整体铸造结构。对于刀架、升降台、工作台等运动支撑部件，设计时尽量减轻其重量，保证移动部件的高速度和高加速度。提高运动支撑件运动性能的具有措施有：采用钛铝合金和纤维增强塑料等新型轻质材料制造拖板和工作台；用有限元法优化机床移动部件的几何形状和尺寸参数等。l2.3.5高速数控系统高速加工机床CNC数控系统应满足以下基本要求：为了适应高速，要求单个程序段处理时间短；为了在高速下保证加工精度，要有前馈和大量的超前程序段处理功
26、能；要求快速形成刀具路径，此路径应尽可能圆滑，走样条曲线而不是逐点跟踪，少转折点、无尖转点；程序算法应保证高精度。2.3.6高速加工中心特征：高速加工中心不仅主轴转速高，进给速度和加速度高，而且又要用于高精度和大切削量零部件的加工；“三高”高速度、高精度、高刚度是对现代加工中心的基本要求。高速加工中心不仅切削过程实现了高速化，而且还要进一步减少辅助时间，提高空行程速度、刀具交换速度和装卸工件的速度。类型：以高转速为主要特征的高速加工中心HSM（Highspeedmachining），主要用在模具工业及航空工业，提高切削效率成为这类机床的主要目标。主轴速度多为20000r/min，快速移动速度、
27、加速度要求不是很高。高移速加工中心HVM（HighVelocityMachining），即以提高移动速度及相应的加速度为第一要求，其主轴转速为800015000r/min，主要大幅度提高辅助运动速度，包括快速空行程、大的加减速度、快速换刀以及快速交换工件等。2、快速换刀装置（1）换刀速度指标刀对刀换刀时间（Tool-to-Tool）切削对切削换刀时间（Cut-to-Cut）切屑对切屑时间（Chip-to-Chip）（2）提高换刀速度的主要技术方法在传统自动换刀装置的基础上提高动作速度；采用新方法进行刀具快速交换；采用适合于高速加工中心的HSK刀柄。（3）快速换刀的一些新方法多主轴换刀：采用多个
28、主轴并排固定在主轴架上，每根主轴由各自的电动机直接驱动，且每个主轴上安装了不同的刀具；双主轴换刀：加工中心有两个工作主轴，两主轴交替将刀送到工作位置，一般主轴用于加工，另一个主轴在此期间更换刀具；刀库布置在主轴周围的转塔方式：刀库布置在主轴的周围，刀库本身相当于机械手，通过刀库拔插刀并采用顺序换刀，使机床切屑对切屑换刀时间较短；多机械手方式：刀库布置在主轴的周围，采用每把刀有一个机械手的方式使换刀几乎没有时间的损失，并可以采用任意选刀的方式。2.4高速加工工具系统机床工具系统主要是指机床主轴与刀具的连接系统，包括刀柄、刀具和夹紧机构等，其核心是连接刀柄。一、高速加工工具系统应满足的要求高定位精
29、度。高动力传递能力传递高速运动的能力高刚度介质的传递能力2.4.2常规工具系统常规数控工具系统采用的是BT刀柄，刀柄柄部一般采用7：24锥度。缺点：1、单独锥面定位：定位精度不高。2、刀柄与锥孔膨胀大小不一致：由于离心力的作用会发生膨胀，实心刀柄则膨胀量较小，锥孔膨胀量较大，总的锥度连接刚度会降低。3、重复安装精度不够。4、刀柄内陷主轴孔，难以拆卸。7：24锥度刀柄高速加工主轴膨胀量大主轴膨胀量大 措施：“空心短锥”刀柄刀柄的横截面采用空心薄壁结构，以便减少由于离心力而产生的与主轴孔和刀柄的膨胀差异，保证刀柄在主轴孔的可靠定位。采用具有端面定位的工具系统的结构。HSK刀柄KM刀柄NC5刀柄2.
30、4.3高速工具系统1、HSK工具系统1987年，德国阿亨工业大学机床研究所立项研究一种新型高速刀柄。1991年10月，德国发布了两个试行标准，即空心短圆柱刀柄（HSZ型）和空心短圆锥刀柄（HSK型），两种刀柄都有A、B型。A型主要用于铣床和加工中心，B型主要用于车床。1994年又开发了HSK的C、D、E和F型刀柄。HSK刀柄的6种型号刀柄由锥面（径向）和法兰端面（轴向）共同实现与主轴的连接，由锥面保证刀具与主轴之间的同轴度，锥柄的锥度为1：10。优点：采用锥面、端面过定位的结合形式，能有效地提高结合刚度；因锥部长度短和采用空心结构后质量较轻，故自动换刀动作快，可以缩短移动时间，加快刀具移动速度
31、；有比较高的重复安装精度；刀柄与主轴间由扩张爪锁紧，转速越高，扩张爪的离心力（扩张力）越大，锁紧力越大，即在高速转动产生的离心力作用下，刀柄能牢固锁紧。夹紧前夹紧后HSK刀具系统工作原理2.5高速切削刀具技术2.5.1高速切削刀具材料高速切削对刀具材料的要求：高硬度、高强度和耐磨性韧度高，抗冲击能力强；高的热硬性和化学稳定性；抗热冲击能力强。高的可靠性：寿命高、切削刃的重复精度高。目前，适合于高速切削的刀具材料有金刚石、CBN、涂层刀具、陶瓷刀具、TiC（N）基硬质合金、超细晶粒硬质合金。1、金刚石 碳的同素异构体，目前最硬的材料；包括天然金刚石和人造金刚石。特性：极高的硬度和耐磨性各向异性能
32、；较低的摩擦系数；刀刃异常锋利；高的导热性；较低的热膨胀系数；聚晶金刚石（PCD）以石墨为原料，加入催化剂，经高温高压烧结而成。强度韧性大；成本低；具有导电性，便于切割。分为整体聚晶金刚石刀片和聚晶金刚石复合刀片。2、立方氮化硼(CBN)刀具 1957年，合成了CBN；CBN是BN的同素异构体，与金刚石结构相似，结构与金刚石相似，具有与金刚石相近的硬度，又具有高于金刚石的热稳定性和对铁族元素的高化学稳定性。PCBN，聚晶立方氮化硼，在高温高压下将微细的CBN材料通过结合相烧结在一起的多晶材料，与CBN相比，便于制造。CBN刀具在黑色金属加工中应用广泛，主要用于高速加工淬硬钢和高硬铸铁以及某些难
33、加工材料，如高速钢、高温合金、热喷涂材料、硬质合金等。3、陶瓷刀具陶瓷刀具主要原料氧化铝、氮化硅等，并添加了各种碳化物、氮化物、硼化物等，并采用各种增韧机制进行增韧补强，提高其抗弯强度、断裂韧性和抗冲击性。优点：具有很高的硬度、耐磨性能及良好的高温力学性能，与金属的亲和力小，化学稳定性好。缺点：强度和韧性差，耐热冲击性能很差。主要有氧化铝基陶瓷刀具材料和氮化硅基陶瓷刀具材料。陶瓷刀具主要用于切削各种铸铁和各种钢料（如合金钢、淬硬钢、耐热钢等），也可用于加工有色金属（铜、铝等）及非金属材料。增韧措施：颗粒弥散增韧、相变增韧、晶须增韧等。6.高速切削刀具材料的合理选择 高速切削时对不同工件材料要选
34、用与其合理匹配的刀具材料和适应的加工方式等切削条件，才能获得最佳的切削效果。没有万能的刀具材料。选择刀具材料时，应考虑刀具与加工对象的性能匹配问题，包括3个方面：力学性能匹配；物理性能匹配；化学性能匹配。2.5.2高速切削刀具结构1）刀具几何角度合适的刀具后角和合理的进给速度能产生足够大的切屑厚度，带走热量；刀具前角是影响刀具切削载荷的重要参数，应合理选择。2）刀体高速切削中，大量应用镀层和压层刀具技术，镶嵌式刀具使用量很大。高速切削对刀柄和刀具夹头的要求是：夹紧精度高；传递力矩大；结构对称性好，有利于刀具的动平衡；3）高速切削安装和使用刀具的其他问题（1）提高切削刚度。在高速加工中，支撑工件
35、的夹具应该稳固地安装在工作台上，夹具和工作台应该具有足够的质量和阻尼，以免引起刀具的振动、提高刀具的寿命；（2）考虑刀具承受的离心力。使用的刀具在高速运转时产生的离心力不能超过允许的极限转速，以免发生致命的事故；（3）特殊的安全措施。2.5.3高速切削参数根据工件材料和加工方法，正确选择和优化切削参数，是保证高速切削能够达到预期效果、避免机床颤振的重要环节。在实际生产中，可根据所加工的材料、工序特征等，通过实验或仿真的方法来确定最佳的切削参数。2.6高速切削监控技术 高速切削监控技术主要指在高速切削加工过程中，通过传感、分析、信号处理等，对高速机床及系统的状态进行实时在线的监测和控制，包括刀具
36、状态和位置、工件状态以及机床工况等多方面的监测和控制技术。2.6.1刀具状态检测 分为直接监控法和间接监控法。直接监控法是通过一定的测量手段来确定刀具材料在体积上或重量上的减少，并通过一定的数学模型来确定刀具的磨损或破损状态。间接法则是测量切削过程中与刀具磨损或破损有较大内在联系的某一种或几种参量，或测量某种物理现象，根据其变化并通过一定的标定关系来监控刀具的磨损或破损状态。用于间接监控的切削参量有切削力、振动、切削功率、切削温度和声发射法等。目前一般采用间接监控法。材料或构件因受力产生变形或断裂，以弹性波的形式释放出应变能称为声发射。利用接收声发射信号研究材料、动态评价结构的完整性称为声发射
37、检测技术。声发射检测的原理：从声发射源发射的弹性波最终传播到达材料的表面，引起可以用声发射传感器探测的表面位移，这些探测器将材料的机械振动转换为电信号，然后再被放大、处理和记录。人们根据观察到的声发射信号进行分析与推断以了解材料产生声发射的机制。声发射检测的主要目的是：确定声发射源的部位；分析声发射源的性质；确定声发射发生的时间或载荷；评定声发射源的严重性。2.6.2机床位置检测为了保证加工精度，高速机床必须配置位置反馈系统和速度反馈系统。目前在数控机床上常用的测量元件有：三速感应同步器、直线（圆形）感应同步器、自动同步机、磁尺、光栅、数码盘、光电盘等。2.6.3工件状态检测 加工精度是数控机
38、床的一个重要性能指标，它反映了该台机床所能保证的理论加工质量。在自动化程度非常高的高速加工中为了确保工件的加工质量，必须对加工过程中存在的误差进行及时检测、补偿和控制，要做到这一点，则必须及时检测被加工工件的状态。测量工件质量的传感器有接触式的和非接触式的。非接触式测量方法更适合工件在线测试系统。对于高速加工而言，要做到实时化的在线监控，还必须解决好非接触式的传感器在加工条件下工作性能不受切屑和冷却液飞溅影响等问题。2.6.4机床工况检测 高速加工机床是在比常规速度高得多的条件下工作的，其切削过程的“危险性”比普通加工方法大得多。为了避免机床的损坏和工件的报废，必须对机床的运行状态（如主轴振动
39、、温升等）进行实时监控。需要采用多传感的数据融合技术和多模型技术，应用小波理论、神经网络以及模糊控制技术，快速、有效地提取故障信号特征，对机床故障进行快速诊断与报警。第三章 快速成型技术3.1概述 概念：快速成型技术是由CAD模型直接驱动，快速制造任意复杂形状三维物理实体的技术。3.1.1零件成型方法分类。零件形状的成型方式可分为：（1）去除成形：传统的车、铣、刨、磨等加工方法；（2）添加成形：利用各种机械的、物理的、化学等手段通过有序地添加材料来达到零件设计要求的成形方法；（3）受迫成形：利用材料的可成形性在特定外围约束下成形的方法，如传统铸造、锻造和粉末冶金等；（4）生长成形：利用生物材料
40、的活性进行成形的方法。l3.1.2快速成形技术过程 快速成形工艺包括下面几个步骤：（1）产品三维模型的构建：CAD模型，扫描方法+反求工程。（2）三维模型的近似处理：三角形网格化近似处理，STL格式文件。（3）三维模型的分层切片和产生加工路径。（4）快速成形加工。（5）成形零件的后处理。3.1.3快速成形技术特点与传统制造技术相比，快速成形技术具有如下特点：简易性：降维制造方法；快速性：CAD模型直接驱动；柔性：无须工装；技术的集成性：计算机、数控、激光、新材料等应用领域广泛：制造业，材料工程、医学、文化艺术以及建筑工程。3.2 快速成形工艺从1988年世界上第一台快速成形机问世以来，快速成形
41、制造技术的工艺方法已有十余种。根据成形原理的不同，快速成形技术可分为两类：(1)基于激光及其他光源的成形技术，例如：立体光刻技术、分层实体制造、选区激光烧结等；(2)基于喷射的成形技术，例如：熔融沉积成形、三维立体印刷、多相喷射沉积等。共同点：均采用分层累积成形，并根据三维CAD模型切片后得到的截面轮廓数据，完成每一层的加工。3.2.1立体光刻成形立体光刻成形（stereolithography，SL），又称立体印刷、光固化成形等。CharlesW.Hul于1984年获立体光刻美国专利，是目前快速成形技术中研究最多的方法，也是技术上最为成熟的方法。1、工艺原理立体光刻工艺是利用液态光敏树脂的光
42、聚合原理工作的。液槽中盛满液态光敏树脂，激光束穿过透射镜和反射镜在液体表面扫描，扫描轨迹及激光的有无由计算机控制。光点扫描到的地方，液体就固化。未照射到的地方仍是液态树脂。完成一层扫描后，升降工作台下降一层高度，已成形的层面上又布满一层树脂，刮刀将黏度较大的树脂液面刮平，然后再进行下一层的扫描。新固化的一层牢固地黏在前一层上，如此重复直到整个零件制造完毕，得到一个三维实体模型。立体光刻成形工艺原理2、工艺过程立体光刻成形工艺包括4个过程：（1）制造数据获取。通常将CAD模型沿某一方向分层切片，从而得到一组薄片信息（轮廓信息），并转化为标准的STL格式文件；（2）层准备。层准备通常通过涂层系统完
43、成，层准备有两项要求：一是准备好待固化的一薄层树脂；二是要求保证液面位置的稳定性和液面的平整性；（3）层固化和层层堆积。层固化是指层准备好后，用一定波长的紫外光按分层所获取的层片信息，以一定的轨迹或顺序照射树脂液面使其固化为一个薄层的过程。而层层堆积是指层准备与层固化的不断重复；（4）后处理。后处理使整个零件成形完成后对零件进行的辅助处理工艺，包括原型的清理、去除支撑、后固化以及必要的打磨和喷砂处理等。立体光刻工艺过程3、成形材料1）对材料的基本要求粘度低低粘度树脂有利于成形中树脂较快流平。固化速度快直接影响成形的效率。固化收缩小低收缩性树脂有利于成形出高精度零件。一次固化程度高以减少后固化收
44、缩和变形。湿态强度高以保证后固化过程不产生变形、膨胀及层间剥离。溶胀小溶胀会造成零件尺寸偏大。毒性小。2）材料种类光敏树脂通常由两部分组成：光引发剂和树脂。根据光引发剂引发机理不同，光固化树脂可分为3类：自由基光固化树脂、阳离子光固化树脂和混杂型光固化树脂。3）材料的收缩变形树脂在固化过程中体收缩约为10%，线收缩约为3%。收缩主要由两部分组成：一部分是固化收缩，另一部分是激光扫描到液体树脂表面，由于温度变化引起的热胀冷缩（可忽略不计）。4、工艺特点优点：（1）成形过程自动化程度高，速度快。（2）尺寸精度高。SL原型件的尺寸精度可以达到或小于0.1mm。（3）可以制作结构十分复杂、尺寸比较精细
45、的模型。（4）对于内部结构复杂、一般切削刀具难以进入的模型，能轻松地一次成形。缺点：（1）成形过程中伴随着物理和化学变化，制件较易弯曲。需要专门设计和制造支撑，否则会引起制件变形。（2）液态树脂固化后的性能尚不如常用的工业塑料，脆，易断裂。工作温度通常不能超过100。若被湿气侵蚀，还会导致工件膨胀，抗化学腐蚀的能力也不够好。（3）设备运转及维护成本较高。（4）使用的材料种类较少。（5）液态树脂有一定的气味和毒性，并且需要避光保护，以防止提前发生聚合反应。（6）通常需要二次固化。3.2.2选区激光烧结选区激光烧结（SelectiveLaserSintering，SLS）又称选择性激光烧结、粉末材
46、料选择性烧结等。1989年，由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的C.R.Dechard研制成功。1、工艺原理SLS成形机的主体结构是安装两个活塞机构的成形工作缸，一个用于供粉，一个用于成形。成形过程开始前，用红外线板将粉末材料加热到恰好低于烧结点某一温度，之后，供粉缸活塞上移一给定量，铺粉滚筒将粉末均匀铺在成形缸加工表面上，激光束在计算机的控制下以给定的速度和能量对第一层信息进行扫描，激光束扫过之后粉末被烧结固化为片层，被烧结的粉末被用来作为支撑，这样零件的第一层被制作出来。成形缸活塞下移一给定量，供料缸活塞上移，铺粉滚筒再次铺粉，激光束按第二层信息进行扫描，所形成的第二层同时被烧结固化在第一层上，
47、如此逐层叠加，烧结完后去掉多余的粉末，进行打磨烘干处理得到三维实体零件。SLS工艺原理2、工艺过程1）粉末原料的烧结（1）金属粉末的烧结单一成分金属粉末金属混合粉末金属粉末与有机黏结剂粉末的混合体（2）陶瓷粉末的烧结（3）塑料粉末的烧结2）烧结件的后处理坯体的后处理方法有多种，如高温烧结、热等静压烧结、熔浸和浸渍等。（1）高温烧结：金属和陶瓷坯体可用高温烧结的方法进行处理。经高温烧结后，坯体内部孔隙减少，密度、强度增加。（2）热等静压：热等静压是通过流体介质将高温和高压同时均匀地作用于坯体表面，消除其内部气孔，提高密度和强度，并改善其他性能。（3）熔浸：熔浸是将金属或陶瓷制件与另一种低熔点的液
48、体金属接触或浸埋在液态金属内，让金属填充制件内部孔隙，冷却后得到致密的零件。（4）浸渍：浸渍与熔浸相似，所不同的是浸渍是将液态非金属物质浸入多孔的坯体的空隙，制件尺寸变化小。3）工艺参数的影响SLS的工艺参数主要包括铺粉层厚、预热温度、激光功率、光斑直径、扫描速度等。（1）激光能量和扫描速度：成型零件的致密度和强度随着激光输出能量的增大而增大，随着扫描速度的增大而减小。（2）预热温度和铺粉层厚：粉末的预热能明显地改善成型制品的性能，但预热温度不能超过粉末材料的最低熔点。薄的铺粉层能提高烧结质量，改善制品的致密度，但薄的铺粉层会使激光能量对先前烧结层产生较大的影响。3、成型材料目前用于激光选区烧
49、结的材料主要有以下几种：（1）高分子粉末材料（2）金属粉末材料（3）陶瓷粉末材料（4）覆膜砂粉末材料4、选区激光烧结成型系统：一般由主机、控制系统和冷却器3部分组成。AFS-500激光快速成形机（北京隆源公司）激光烧结成形件5、选区激光烧结工艺特点l可采用多种材料。l成本较低，制造工艺比较简单，适应面广。l高精度。l成形速度较慢，成形件结构一般较疏松、多孔，表面质量不高，强度较低。l选区激光烧结一般只适合于中小件的快速成形。三、熔融沉积制造工艺1、原理熔融沉积制造（FusedDepositionModeling，FDM），又称丝状材料选择性溶覆、熔融挤出成模。由美国学者ScottCrump博士
50、于1988年研制成功，并由美国Stratasys公司推出商品化的机器。FDM工艺是利用热塑性材料的热熔性、黏结性，在计算机控制下层层堆积成型。加热喷头在计算机控制下，可根据截面轮廓的信息做X-Y平面运动和高度Z方向的运动。丝状热塑性材料由供丝机构送至喷头，并在喷头中加热至熔融态，然后被选择性地涂覆在工作台上，快速冷却后形成截面轮廓。一层截面完成后，喷头上升一截面的高度，再进行下一层的涂覆。如此循环，最终形成三维产品。FDM制造工艺原理2、成型材料FDM工艺对成型材料的要求是：熔融温度低黏度低黏结性好收缩率小。FDM工艺选用的材料为丝状热塑性材料，常用的有石蜡、塑料、尼龙丝等低熔点材料和低熔点的