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1、第三章 先进制造工艺技术提纲3.1 先进制造工艺技术概述3.2 超高速加工技术3.3 超精密加工技术3.4 微细加工技术3.5 快速原型制造技术 3.1 先进制造工艺技术概述3.1.1 制造工艺的基本概念3.1.2 先进制造工艺的产生与发展 3.1.3 先进制造工艺的特点 3.1.1制造工艺的基本概念 机械制造工艺是将各种原材料通过改变其形状尺寸，性能或相对位置，使之成为成品或半成品的方法和过程。机械制造工艺流程是由原材料和能源的提供，毛坯和零件成形，机械加工，材料改性与处理，装配与包装，质量检测与控制等多个工艺环节组成。按照功能不同，将机械制造工艺分为三个阶段：1）零件毛坯的成形准备阶段，包
2、括原材料切割、焊接、铸造、锻压加工成形等2）机械切削加工阶段，包括车削、钻削、铣削、刨削、镗削、磨削加工等3）表面改性处理阶段，包括热处理、电镀、化学镀、热喷涂、涂装等3.1.2先进制造工艺的产生与发展先进制造工艺是先进制造技术的核心和基础，一个国家的制造工艺技术水平的高低，很大程度决定了其制造业在国际市场的竞争实力。其发展体现在以下几方面：制造加工精度不断提高 切削加工速度迅速提高 新型工程材料的应用推动了制造工艺的进步和变革 自动化和数字化工艺装备的发展提高了机械加工的效率 零件毛坯成形在向少无余量发展 优质清洁表面工程技术的形成和发展高效低耗洁净 灵活优质先进制造工艺的特点3.2 超高速
3、加工技术3.2.1 超高速加工概述3.2.2 超高速加工定义与特征3.2.3 超高速加工相关技术3.2.4 超高速加工的应用3.2.1 超高速加工概述20 世纪80 年代，计算机控制的自动化技术的高速发展成为生产工程的突出特点，发达国家的数控率已达70 80。随着数控技术发展，切削工时占去总工时主要部分，成为生产率的主要部分。提高切削速度和进给速度，才能提高生产率，产生了超高速加工3.2.1 超高速加工概述 泰勒是最早研究金属切削的学者，30 年代，德国物理学家Salonmon 提出了著名的萨洛蒙曲线，提出了超高速切削理论。50 年代，美国工程师Robert 使用了具有极高切削速度的独特方法弹
4、道切削。70 年代美国海军和空军与Lockheed 飞机制造公司进行合作，研究超高速铣削。另外Salonmon 的超高速切削理论对超高速磨削理论也有重要启示。3.2.2 超高速加工定义与特征n 超高速加工技术是指采用超硬材料刀具和磨具，利用能可靠实现高速运动的高精度，高自动化和高柔性的制造设备，以提高切削速度来达到提高材料切除率，加工精度和加工质量的先进加工技术。n 优越性：n 提高了加工效率和设备利用率，缩短了生产周期n 减少工件的热变形和内应力，提高工件的加工精度n 提高加工表面质量n 省去传统的放电加工或磨削加工切削的优越性高精度减少工序材料切除率高切削力低热变形小3.2.3 超高速加工
5、相关技术1.超高速切削的相关技术n 超高速切削机床五项基本要求：适宜超高速的主轴部件快速响应的数控系统快速的进给部件动静热刚度好的机床支承部件高压大流量喷射的冷却系统和安全装置n 超高速切削的刀具系统n 超高速切削刀具系统的特点：n 刀片在刀体的定位要求加紧牢固、安全，刀具与机床的联接可靠n 超高速切削加工的切削力随着切削速度的提高而降低约30%n 切削温度随着切削速度的提高而缓慢提高n 道具的磨损主要由切削温度、刀具-切屑之间和刀具-工件的相对速度决定的n 超高速切削的刀具材料n 超高速切削加工要求刀具材料与被加工材料的化学亲和力要小，并且具有优异的机械性能、热稳定性、抗冲击性和耐磨性。n
6、目前适合于超高速切削的刀具材料主要有：涂层刀具材料、技术陶瓷刀具材料、陶瓷刀具材料、立方氮化硼（CBN)刀具材料、聚晶金刚石（PCD）刀具材料等。n 特点：n 大幅度提高磨削效率、减少设备使用台数n 磨削力小，零件加工精度高n 降低加工工件表面的粗糙度n 砂轮寿命延长n 改善加工表面完整性2.超高速磨削技术n 超高速磨削的关键技术n 超高速主轴n 超高速磨削砂轮1.结构应具有强度高、抗冲击强度高、耐热性好、微破碎性好、杂质含量低等优点2.砂轮的修整：整形和修锐n 超高速磨削的磨削液及其注入系统1.磨削液分类：油基磨削液和水基磨削液2.常用注入方法：手工供液法、浇注法、高压喷射法、利用开槽砂轮法
7、等3.2.4 超高速加工的应用n 超高速切削加工主要用于汽车工业大批生产，难加工材料，超精密微细切削，复杂曲面加工等领域。n 航空工业的应用，飞机制造直接采用毛坯高速切削加工，从而降低飞机重量。n 在汽车制造业为了满足市场个性化需求而由大批量生产逐步转向为多品种变批量生产，由柔性生成线代替了组合机床刚性生产线，高速的加工中心将柔性生产的效率提高到组合机床生产线的水平。n 模具制造业是高速加工技术的主要受益者。高速加工技术在模具行业的应用，无论是在减少加工准备时间，缩短工艺流程，还是缩短切削加工时间方面都具有极大的优势。3.3.1 超精密加工概述3.3.2 超精密加工定义与特征3.3.3 超精密
8、加工相关技术3.3.4 超精密加工的应用193.3 超精密加工技术 精密加工指在一定的发展时期，加工精度和表面质量达到较高程度的加工工艺。超精密加工指的是在一定的发展时期，加工精度和表面质量达到最高程度的加工工艺。203.3.1 超精密加工概述n 几种典型精密零件的加工精度n 超精密加工涉及的技术领域包括：超精密加工机理超精密加工的刀具，磨具及其制备技术超精密加工机床设备超精密测量及补偿技术严格的工作环境n 超精密加工的发展3.3.2 超精密加工定义与特征n 超精密加工，加工精度高于0.1um,表面粗糙度小于Ra0.01um 的加工方法，主要包括超精密切削（车、铣）、超精密磨削、超精密研磨以及
9、超精密特种加工。n 超精密加工方法分类：根据加工过程材料重量的增减分为：去除加工、结合加工、变型加工 根据机理和能力性质分为力学加工、物理加工、化学与电化学加工和负荷加工超精密加工方法分类：n 超精密加工特点净化加工原则微量切削机理形成综合制造工艺与自动化技术联系密切加工与检测一体化特种加工与复合加工方法应用越来越多3.3.3 超精密加工相关技术n 1 超精密切削加工n 刀具的性能：极高的硬度、耐用度和弹性模量，刃口锋锐，刀刃无缺陷，与工件抗黏结性好、化学亲和性低、摩擦系数低n 金刚石刀具的特性：硬度高，锋锐刃口无缺陷，热化学性能优越导热性好，耐磨性好刀刃强度高n 刀刃形状对加工质量的影响n
10、刀刃半径对加工质量的影响2 超精密磨削加工n 超精密磨削砂轮n 砂轮的修整n 磨削速度和磨削液n 3 超精密研磨、抛光加工n 4 超精密特种加工n 激光束加工原理，特点，基本设备n 电子束加工原理，特点，基本设备n 离子束加工原理，特点，基本设备n 5 机床设备n 特征：高精度、高刚度、高稳定性、高自动化n 精密主轴部件n 精密导轨n 微量进给装置n 6.加工环境n 净化的空气环境n 恒定的温度环境n 较好的抗振动干扰环境3.3.4 超精密加工的应用更高效率，更高精度大型化，微型化加工检测一体化机床向多功能模块化方向发展新原理、新方法、新材料的不断发展3.4 微细加工技术3.4.1 微机械概述
11、3.4.2 微细加工概述3.4.3 微细加工相关技术3.4.4 微细加工的发展与趋势3.4.1 微机械概述n 微型机械的概念由RichardPF 于1959 年提出，第一个硅微型压力传感器于1962 年问世。n 1994 年美国国防部将MEMS列为关键技术。德国首创的LIGA 为MEMS的发展提供了新的技术手段。微机械按照尺寸特征分为：1 10mm 的微小机械；1um 1mm 的微机械；1nm 1um 的纳米机械。n 制造微机械常用的微细加工，又可以分为：微米级微细加工，亚微米级微细加工和纳米级微细加工等微机械的基本特征体积小，精度高，重量轻性能稳定，可靠性高能耗低，灵敏度和工作效率高多功能，
12、智能化适应于大批量生产，制造成本低微机械研究内容n 理论基础 微电子学、微机械学、微光学、微动力学、微流体力学、微热力学、微摩擦学、微结构学、微生物学等共同构成了微机械研究的理论基础。n 技术基础 微机械设计、微机械材料、微细加工、微装配与封装、集成技术、微测量、微能源、微系统控制等n 应用研究 微机械在精密仪器、医疗卫生、生物工程，特别在空间狭小、操作精度高、功能高度集成的航空航天机载设备领域有着巨大应用潜力。如微型传感器、微型执行器、微型光机电器件和系统、微型机器人、微型飞行器、微型动力系统等。3.4.2 微细加工概述n 微细加工技术指制作微机械或微型装置的加工技术。n 微细加工是指加工尺
13、度为微米级范围的加工方式，是MEMS发展的重要基础，它起源于半导体制造工艺。广义的微细加工方式十分丰富，包含了微细机械加工，各种现代特种加工，高能束加工等方式。InserttexthereInserttexthereInserttexthereInserttexthereInserttexthre结合加工变形加工材料处理材料改性分离加工加工类型微细加工特点n 从加工对象看，微细加工不但加工尺度小，而且被加工对象的整体尺寸也很微小。n 必须针对不同对象和加工要求，具体考虑不同的加工方法和手段n 微细加工在加工目的、加工设备、制造环境、材料选择与处理、测量方法和仪器等方面有特殊的要求。3.4.3
14、微细加工相关技术 超微机械加工 光刻加工 刻蚀技术LIGA 技术 薄膜制备技术 牺牲层技术 分子装配技术微型超精密加工机床机构示意图光刻技术n RaithE-LINE 电子束光刻机离子刻蚀技术LIGA技术薄膜制备技术n 离子溅射镀膜机3.4.4 微细加工的发展与趋势加工方法的多样化提高微细加工的经济性加工材料的多样化加快微细加工机理的研究微细加工的发展与趋势3.5 快速原型制造技术3.5.1 快速原型制造技术概述3.5.2 快速原型制造的定义与特征3.5.3 快速原型制造相关技术3.5.4 快速原型制造的应用3.5.1 快速原型制造技术概述 随 着 制 造 业 竞 争 的 日 益 加 剧，产
15、品 的 开 发 速 度 和 制 造 技 术的 柔 性 变 得 十 分 关 键，从 技 术 角 度，计 算 机 科 学、CAD 技术、材 料 科 学、激 光 技 术 的 发 展 和 普 及 成 为 新 的 制 造 技 术产生奠定了基础。快 速 原 型 技 术 于20 世 纪80 年 代 在 美 国 问 世，并 很 快 完 成 了数 种RPM 工 艺 技 术 的 研 究，开 发 与 商 品 化 过 程。目 前，全球 有 数 十 种RPM 工 艺 技 术，1995 年 市 场 增 长 率 为49，1996 年RPM 设 备 市 场 销 售 额 大4.2 亿 美 元，1998 年 达10 亿美元。3.
16、5.2 快速原型制造的定义与特征RPM 技 术 是 集CAD 技 术、数 控 技 术、材 料 科 学、机 械 工 程、电 子 技 术 和 激 光 等 技 术 于 一 体 的 综合 技 术，是 实 现 从 零 件 设 计 到 三 维 实 体 原 型 制造 的 一 体 化 系 统 技 术，它 采 用 软 件 离 散 材 料堆 积 的 原 理 实 现 零 件 的 成 形 过 程，原 理 如 图 所示：n 其工艺流程为：零件CAD 数据模型的建立 数据转换文件的生成 分层切片 层片信息处理 快速堆积成形（1）零件CAD 数据模型的建立 设计人员可以应用各种三维CAD 造型系统，将构思的零件概念模型转换
17、为三维CAD 数据模型，也可通过激光扫描仪、核磁共振图像等方法对三维实体进行反求，获取三维数据，以此建立实体的CAD 模型。（2）数据转换文件的生成 由三维造型系统将零件CAD 数据模型转换成一种可以被快速成型系统接受的数据文件。（3）分层切片 分层切片处理是根据成型工艺的要求，按照一定的离散规则将实体模型离散为一系列有序的单元。（4）层片信息处理 根据每个层片的轮廓信息，进行工艺规划，选择合适成型参数，自动生成数控代码。（5）快速成型堆积 快速成型系统根据切片的轮廓和厚度要求，用片材、丝材、液体或粉末材料制成所要求的薄片，通过一片片的堆积，最终完成三维形体原型的制备。计算机建模图n 制造过程
18、柔性化n 技术的高度集成化n 设计制造一体化n 产品开发快速化n 制造自由成形化n 材料使用广泛性nRPM 的特征nRPM 的经济效益RPM 技术大大简化了工艺规程、工装装备、装配等过程，很容易实现由产品模型驱动直接制造，采用RPM 技术为核心的自由制造系统，能在以下方面收效显著：（1）从设计和工程角度出发，增加零件的复杂性，无需受时间和成本的约束；可制造性方面限制减弱，优化的约束减少；零件设计无需考虑毛坯形状的限制，工装卡具；减少零件数量使设计花于精度、装配的时间减少。（2）从制造角度出发，减少设计、加工、检验的工具；这种“净成型”方法减少材料浪费，降低原材料储存费用等；无刀具磨损，零件一致
19、性好；参数设计、参数化制造。（3）从市场和用户的角度出发，减少风险，无需预测几年后市场的动态；实时地根据市场需求低成本地改变产品；随材料技术发展，RP 将占领使用高强比非金属零件的航空航天这一重要市场；产品多样化，面向订单生产，以及用于售后服务的维修用零配件生产。3.5.3 快速原型制造相关技术n RPM 的工艺方法 层合实体制造（LOM)选择性激光烧结法(SLS)立体光刻(SLA)熔融沉积造型(FDM)n 层和实体制造LOM 法是利用背面带有粘胶的箔材或纸材通过相互黏结成型的。如上图，用双面胶带等材料在工作台上制作一个稍大于零件尺寸的底座，送纸机构在计算机控制下定时向工作台输送一定长度的新纸
20、，带有恒温控制装置的热压辊对工作台上的纸进行前后滚压一次，使之粘结在工作台的底座上。有步进电机驱动的X-Y 定位仪，根据计算机输出的截面数据引导激光光路，在粘结于工作台的纤纸上切出截面轮廓并将余料切成碎块。执行机构在计算机控制下按层制作，逐层叠加，直至作出一个三维实体制件或模型。nLOM 工艺原理n 选择性激光烧结法n 其工艺原理SLS 法采用红外激光器作能源，使用的造型材料多为粉末材料。加工时，首先将粉末预热到稍低于其熔点的温度，然后在刮平棍子的作用下将粉末铺平；激光束在计算机控制下根据分层截面信息进行有选择地烧结，一层完成后再进行下一层烧结，全部烧结完后去掉多余的粉末，则就可以得到一烧结好
21、的零件。目前成熟的工艺材料为蜡粉及塑料粉，用金属粉或陶瓷粉进行烧结的工艺还在研究之中。n 立体光刻nSLA 的工艺原理SLA 工艺也称光造型或立体光刻，它是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的。这种液态材料在一定波长和强度的紫外光(如=325nm)的照射下能迅速发生光聚合反应,分子量急剧增大,材料也就从液态转变成固态。液槽中盛满液态光固化树脂，激光束在偏转镜作用下在液态树脂表面扫描,光点照射到的地方,液体就固化。成型开始时，工作平台在液面下一个确定的深度，聚焦后的光斑在液面上按计算机的指令逐点扫描固化。当一层扫描完成后，未被照射的地方仍是液态树脂。然后升降台带动平台下降一层高度，刮板在已成型的层
22、面上又涂满一层树脂并刮平，然后再进行下一层的扫描，新固化的一层牢固地粘在前一层上，如此重复直到整个零件制造完毕,得到一个三维实体模型。n 熔融沉积造型nFDM 方法的工艺原理 由计算机根据CAD 模型确定的几何信息，控制FDM 喷嘴，将使用的材料，通过热压器的挤压头熔化成液体通过喷嘴挤出，挤压头沿零件的每一截面的轮廓准确运动，挤出半流动的热塑材料沉积固化成精确的实际部件薄层，覆盖已建造的零件之上，并迅速凝固，形成一层材料。之后挤压头沿轴向向上运动一个微小距离进行下一层材料的制造。这样逐层由底到顶地堆积成一个实体模型或零件。RPM工艺设备目前RPM 的工艺装备发展速度很快，前述四种RPM 技术都
23、已由许多公司开发了自己的装备。美国主要的RPM 生产商3Dsystemes、Helisys、DTM、Stratasys、SandersPrototype 和Soligen。日本有6 家，即CMET、D-MEC、TeijinSeiki、KiraCorp、MitsuiZosen 和DenkenEnginerring。欧洲EOS、Cubital 和F S。n 我国发展了SLA、LOM、FDM、SLS 四种。3.5.4 快速原型制造的应用p 新产品开发中的应用p 在产品功能试验的应用p 在模具制造中的应用快速原型制造的优势n 1.快速成型大大缩短新产品研制周期，降低新产品的研发成本，确保新产品上市时间
24、；-使模型或模具的制造时间缩短数倍甚至数十倍而且大大降低新产品研发成本。n 2.快速成型提高了制造复杂零件的能力；-使复杂模型的直接制造成为可能。快速原型制造的优势n 3.快速成型显著提高新产品投产的一次成功率；-可以及时发现产品设计的错误，做到早找错、早更改，避免更改后续工序所造成的大量损失。n 4.快速成型支持同步（并行）工程的实施；-使设计、交流和评估更加形象化，使新产品设计、样品制造、市场定货、生产准备、等工作能并行进行。n 5.快速成型支持技术创新、改进产品外观设计；-有利于优化产品设计，这对工业外观设计尤为重要。n 产品设计中的应用快速产品开发RPDn RapidTooling（快
25、速工具）模具是快速工具制造技术应用的重要方面，基于RPM 的快速模具总体情况n 图4 韩国某汽车厂商运用RapidFit 模块进行夹具支撑设计n 图5 欧洲某汽车厂商运用RapidFit 模块进行夹具支撑设计汽车车灯快速原型n 从设计和工程角度n 从制造角度n 从市场和用户角度nRPM 制造系统的优势：n 面向制造的RPMn 适合于RPM 的新型材料n RPM 技术的智能化n 桌面化的RPM 制造系统n 网络化RPM 技术n 生长成形nRPM 的发展趋势：n 9、静夜四无邻，荒居旧业贫。5 月-235 月-23Saturday,May20,2023n 10、雨中黄叶树，灯下白头人。14:49:
26、3014:49:3014:495/20/20232:49:30PMn 11、以我独沈久，愧君相见频。5 月-2314:49:3014:49May-2320-May-23n 12、故人江海别，几度隔山川。14:49:3014:49:3014:49Saturday,May20,2023n 13、乍见翻疑梦，相悲各问年。5 月-235 月-2314:49:3014:49:30May20,2023n 14、他乡生白发，旧国见青山。20 五月20232:49:30 下午14:49:305 月-23n 15、比不了得就不比，得不到的就不要。五月232:49 下午5 月-2314:49May20,2023n
27、 16、行动出成果，工作出财富。2023/5/2014:49:3014:49:3020May2023n 17、做前，能够环视四周；做时，你只能或者最好沿着以脚为起点的射线向前。2:49:30 下午2:49 下午14:49:305 月-23n 9、没有失败，只有暂时停止成功！。5 月-235 月-23Saturday,May20,2023n 10、很多事情努力了未必有结果，但是不努力却什么改变也没有。14:49:3014:49:3014:495/20/20232:49:30PMn 11、成功就是日复一日那一点点小小努力的积累。5 月-2314:49:3014:49May-2320-May-23n
28、 12、世间成事，不求其绝对圆满，留一份不足，可得无限完美。14:49:3114:49:3114:49Saturday,May20,2023n 13、不知香积寺，数里入云峰。5 月-235 月-2314:49:3114:49:31May20,2023n 14、意志坚强的人能把世界放在手中像泥块一样任意揉捏。20 五月20232:49:31 下午14:49:315 月-23n 15、楚塞三湘接，荆门九派通。五月232:49 下午5 月-2314:49May20,2023n 16、少年十五二十时，步行夺得胡马骑。2023/5/2014:49:3114:49:3120May2023n 17、空山新雨
29、后，天气晚来秋。2:49:31 下午2:49 下午14:49:315 月-23n 9、杨柳散和风，青山澹吾虑。5 月-235 月-23Saturday,May20,2023n 10、阅读一切好书如同和过去最杰出的人谈话。14:49:3114:49:3114:495/20/20232:49:31PMn 11、越是没有本领的就越加自命不凡。5 月-2314:49:3114:49May-2320-May-23n 12、越是无能的人，越喜欢挑剔别人的错儿。14:49:3114:49:3114:49Saturday,May20,2023n 13、知人者智，自知者明。胜人者有力，自胜者强。5 月-235
30、月-2314:49:3114:49:31May20,2023n 14、意志坚强的人能把世界放在手中像泥块一样任意揉捏。20 五月20232:49:31 下午14:49:315 月-23n 15、最具挑战性的挑战莫过于提升自我。五月232:49 下午5 月-2314:49May20,2023n 16、业余生活要有意义，不要越轨。2023/5/2014:49:3114:49:3120May2023n 17、一个人即使已登上顶峰，也仍要自强不息。2:49:31 下午2:49 下午14:49:315 月-23MOMODA POWERPOINTLoremipsumdolorsitamet,consecteturadipiscingelit.Fusceidurnablandit,eleifendnullaac,fringillapurus.Nullaiaculistemporfelisutcursus.感 谢 您 的 下 载 观 看专家告诉