特種加工與精密制造技術(shù)

1、第四章特種加工與先進(jìn)制造技術(shù)4.1 精密與超精密加工技術(shù)4.2 特種加工技術(shù)4.3 快速成形技術(shù)4.1 精密與超精密加工技術(shù)不同時(shí)期的精密和超精密加工精度不同時(shí)期的精密和超精密加工精度0.00010.0010.010.11101001900192019401960198020002020年年加加工工精精度度 ( m)超精密加工超精密加工精密加工精密加工普通加工普通加工一、課程研究的對象與意義l隨著新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備以及新的測試技術(shù)和儀器的采用，機(jī)械加工精度都在不斷地提高。 目前精密與超精密加工內(nèi)涵目前精密與超精密加工內(nèi)涵分類加工精度表面粗糙度普通加工1mRa0.1m精密加工0.1-1mRa

2、0.01-0.1m超精密加工高于0.1m小于Ra0.01m各種產(chǎn)品與所要求的精度范圍各種產(chǎn)品與所要求的精度范圍 加工精度范加工精度范圍圍機(jī)械產(chǎn)品機(jī)械產(chǎn)品電子產(chǎn)品電子產(chǎn)品光學(xué)產(chǎn)品光學(xué)產(chǎn)品普普通通加加工工200 m一般機(jī)械零件，家用電器一般機(jī)械零件，家用電器，汽車零件，通用齒輪，汽車零件，通用齒輪通用電器機(jī)具，電子零通用電器機(jī)具，電子零件外殼，小型電機(jī)，半件外殼，小型電機(jī)，半導(dǎo)體導(dǎo)體照相機(jī)外殼照相機(jī)外殼 精精密密加加工工5 m手表零件，精密齒輪，絲手表零件，精密齒輪，絲杠，高速軸承，滾動(dòng)軸承杠，高速軸承，滾動(dòng)軸承繼電器，繼電器，IC硅片，錄像硅片，錄像頭，記憶磁盤等頭，記憶磁盤等透鏡，棱鏡等透鏡，

3、棱鏡等0.5 m空氣軸承，導(dǎo)軌，精密?？諝廨S承，導(dǎo)軌，精密模具，液壓伺服閥等具，液壓伺服閥等磁頭，磁頭，IC元件，磁控管元件，磁控管等等精密透鏡，精密透鏡，X射射線反射鏡，激光線反射鏡，激光反射鏡反射鏡超超精精密密加加工工0.05 m塊規(guī)，金剛石壓頭，超精塊規(guī)，金剛石壓頭，超精密導(dǎo)軌等密導(dǎo)軌等IC存儲(chǔ)器，硬磁盤，大存儲(chǔ)器，硬磁盤，大規(guī)模集成電路等規(guī)模集成電路等光學(xué)平晶，衍射光學(xué)平晶，衍射光柵，光盤等光柵，光盤等0.005 m超精密零件超精密零件(平面，球面，平面，球面，非球面，螺旋面等非球面，螺旋面等)超大規(guī)模集成電路超大規(guī)模集成電路超精密衍射光柵超精密衍射光柵1nm以下以下超精密零件的表面粗

4、糙度超精密零件的表面粗糙度 精密與超精密加工技術(shù)的意義精密與超精密加工技術(shù)的意義l提高產(chǎn)品性能和質(zhì)量，提高穩(wěn)定性和可靠性；提高產(chǎn)品性能和質(zhì)量，提高穩(wěn)定性和可靠性；l促進(jìn)產(chǎn)品的小型化；促進(jìn)產(chǎn)品的小型化；l增強(qiáng)零件的互換性，提高裝配生產(chǎn)率。增強(qiáng)零件的互換性，提高裝配生產(chǎn)率。l舉例：舉例：l人造衛(wèi)星軸承孔軸表面粗糙度人造衛(wèi)星軸承孔軸表面粗糙度1nm，其圓度和圓柱度均，其圓度和圓柱度均以以nm為單位；為單位；l飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片加工精度由飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片加工精度由 60m12m，粗糙度由，粗糙度由Ra0.5m0.2m，則發(fā)動(dòng)機(jī)效率，則發(fā)動(dòng)機(jī)效率 89% 94%；l磁盤磁頭與磁盤間距離，目前已達(dá)到磁盤磁頭與磁

5、盤間距離，目前已達(dá)到0.3m，近期內(nèi)可，近期內(nèi)可達(dá)到達(dá)到0.15m。二、課程的研究內(nèi)容l精密與超精密加工機(jī)理 刀具磨損、積屑瘤生成規(guī)律、磨削機(jī)理、加工參數(shù)對表面質(zhì)量的影響等其特殊性；超精密切削時(shí)極限切削厚度與刃口半徑的關(guān)系課程的研究內(nèi)容l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；在線電解修銳法電火花修整法 課程的研究內(nèi)容l超精密加工機(jī)床設(shè)備 機(jī)床精度、剛度、抗振性、微量進(jìn)給機(jī)構(gòu)；典型液體靜壓軸承主軸結(jié)構(gòu)原理圖1-徑向液壓軸承 2-止推液壓軸承 3-真空吸盤 平面型空氣靜壓導(dǎo)軌示意圖1-靜壓空氣 2-移動(dòng)工作臺(tái) 3-底座 微量進(jìn)給結(jié)構(gòu)分辨率0.01m，最大位移20m，靜剛度70

6、N/m，雙T形彈性變形微進(jìn)給裝置1-微位移刀夾 2、3-T形彈簧 4-驅(qū)動(dòng)螺釘 5-固定端 6-動(dòng)端 課程的研究內(nèi)容l精密測量及補(bǔ)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(bǔ)償；CAIS為計(jì)算機(jī)輔助加工中心在線檢測誤差補(bǔ)償控制軟件計(jì)算機(jī)輔助加工中心在線檢測系統(tǒng)示意圖 課程的研究內(nèi)容l 嚴(yán)格的工作環(huán)境 恒溫、凈化、防振和隔振等。美國LLL實(shí)驗(yàn)室超精密機(jī)床隔振基礎(chǔ)1-隔振空氣彈簧 2-床身 3-工作臺(tái) 防振：消除自身振動(dòng) 干擾隔振：阻止外部振動(dòng)4.2 特種加工技術(shù)激光加工激光加工一、特種加工的特點(diǎn)和分類特種加工技術(shù)的特點(diǎn)l不用或少用機(jī)械能，而是用其它能量（如電能、不用或少用機(jī)械能，而是用其它

7、能量（如電能、光能、聲能、熱能、化學(xué)能等）對工件進(jìn)行加光能、聲能、熱能、化學(xué)能等）對工件進(jìn)行加工。工。l工具不受顯著切削力的作用，對工具和工件的工具不受顯著切削力的作用，對工具和工件的強(qiáng)度、硬度和剛度均沒有嚴(yán)格要求。強(qiáng)度、硬度和剛度均沒有嚴(yán)格要求。l加工變形小，發(fā)熱少（僅局限于工件表層加工加工變形小，發(fā)熱少（僅局限于工件表層加工部位很小區(qū)域內(nèi)），工件熱變形小，加工應(yīng)力部位很小區(qū)域內(nèi)），工件熱變形小，加工應(yīng)力小，易于獲得好的加工質(zhì)量。小，易于獲得好的加工質(zhì)量。l加工中能量易于轉(zhuǎn)換和控制，有利于保證加工加工中能量易于轉(zhuǎn)換和控制，有利于保證加工精度和提高加工效率。精度和提高加工效率。特種加工的分類l

8、機(jī)械過程：機(jī)械過程：特種加工的分類l熱學(xué)過程：熱學(xué)過程：l 電化學(xué)過程：電化學(xué)過程：l化學(xué)過程：化學(xué)過程：特種加工的分類l復(fù)合過程：復(fù)合過程：二、幾種常見的特種加工方法l電火花加工電火花加工l電火花線切割電火花線切割l電解加工電解加工l激光加工激光加工l高能粒子束加工高能粒子束加工l超聲加工超聲加工電火花加工l原理：利用工具電極與工件電極之間脈沖原理：利用工具電極與工件電極之間脈沖性火花放電，產(chǎn)生瞬時(shí)高溫，使工件材料性火花放電，產(chǎn)生瞬時(shí)高溫，使工件材料熔化和氣化。熔化和氣化。進(jìn)給進(jìn)給系統(tǒng)系統(tǒng)放電間隙放電間隙工具電極工具電極工件電極工件電極直流直流脈沖脈沖電源電源工作液工作液電火花加工機(jī)床電火花

9、加工成品電火花線切割加工l用連續(xù)移動(dòng)的鉬絲（或銅絲）作工具陰極，用連續(xù)移動(dòng)的鉬絲（或銅絲）作工具陰極，工件為陽極。機(jī)床工作臺(tái)帶動(dòng)工件在水平工件為陽極。機(jī)床工作臺(tái)帶動(dòng)工件在水平面內(nèi)作兩個(gè)方向移動(dòng)，可切割出二維圖形。面內(nèi)作兩個(gè)方向移動(dòng)，可切割出二維圖形。同時(shí)，絲架可作小角度擺動(dòng)，可切割出斜同時(shí)，絲架可作小角度擺動(dòng)，可切割出斜面。面。電火花線切割機(jī)床電火花線切割機(jī)床加工過程顯示電火花線切割機(jī)床電火花線切割加工電解加工原理電解加工原理圖電解加工原理圖電解液電解液直流電直流電源源泵泵工件陽極工件陽極陰極進(jìn)給陰極進(jìn)給工具陰極工具陰極電解加工空心水套管葉片陰極片分度陰極片進(jìn)給電解液電解加工整體葉輪激光加工原

10、理工件工件工作臺(tái)工作臺(tái)激光加工原理圖激光加工原理圖光闌光闌反射鏡反射鏡聚焦鏡聚焦鏡電源電源激光加工用途打標(biāo)打標(biāo)焊接焊接鉆微孔鉆微孔表面處理表面處理鉆孔鉆孔切削切削電子束加工原理l高速而能量密集的高速而能量密集的電子束沖擊到工件電子束沖擊到工件上，被沖擊點(diǎn)處形上，被沖擊點(diǎn)處形成瞬時(shí)高溫（幾分成瞬時(shí)高溫（幾分之一微秒時(shí)間內(nèi)升之一微秒時(shí)間內(nèi)升高至幾千攝氏度），高至幾千攝氏度），工件表面局部熔化、工件表面局部熔化、氣化直至被蒸發(fā)去氣化直至被蒸發(fā)去除。除。電子束加工原理圖控制柵極加速陽極電子束斑點(diǎn)旁熱陰極聚焦系統(tǒng)工件工作臺(tái)電子束加工應(yīng)用0.030.07mm電子束加工的電子束加工的噴絲頭異形孔噴絲頭異形孔

11、1323(a)(b)(c)(d)1工件；2工件運(yùn)動(dòng)方向；3電子束電子束加工曲面、穿孔電子束焊接與CO2氣體保護(hù)焊的比較CO2氣保焊焊接的氣保焊焊接的車橋。要開坡口填車橋。要開坡口填絲，熱變形大絲，熱變形大 電子束焊機(jī)電子束焊機(jī)焊接的車橋焊接的車橋 電子束焊接后橋設(shè)備離子束加工原理與特點(diǎn)l在真空條件下，將離子源產(chǎn)生的離子束經(jīng)在真空條件下，將離子源產(chǎn)生的離子束經(jīng)過加速、聚焦后投射到工件表面的加工部過加速、聚焦后投射到工件表面的加工部位以實(shí)現(xiàn)加工。位以實(shí)現(xiàn)加工。l目前特種加工中最精密、最微細(xì)的加工。目前特種加工中最精密、最微細(xì)的加工。離子刻蝕可達(dá)納米級精度，離子鍍膜可控離子刻蝕可達(dá)納米級精度，離子鍍

12、膜可控制在亞微米級精度，離子注入的深度和濃制在亞微米級精度，離子注入的深度和濃度亦可精確地控制。度亦可精確地控制。離子束加工應(yīng)用l在高真空中進(jìn)行，污染少，特別適宜于對在高真空中進(jìn)行，污染少，特別適宜于對易氧化的金屬、合金和半導(dǎo)體材料進(jìn)行加易氧化的金屬、合金和半導(dǎo)體材料進(jìn)行加工。工。l主要應(yīng)用于刻蝕加工主要應(yīng)用于刻蝕加工( (如加工空氣軸承的如加工空氣軸承的溝槽，加工極薄材料等溝槽，加工極薄材料等) )、鍍膜加工、鍍膜加工( (如在如在金屬或非金屬材料上鍍制金屬或非金屬材金屬或非金屬材料上鍍制金屬或非金屬材料料) )、注入加工、注入加工( (如某些特殊的半導(dǎo)體器件如某些特殊的半導(dǎo)體器件) )等。

13、等。超聲加工原理l利用工具端面利用工具端面作超聲（作超聲（1625kHz）振動(dòng)，）振動(dòng)，使工作液中的使工作液中的懸浮磨粒對工懸浮磨粒對工件表面撞擊拋件表面撞擊拋磨來實(shí)現(xiàn)加工。磨來實(shí)現(xiàn)加工。 變幅桿變幅桿超聲超聲波發(fā)波發(fā)生器生器振動(dòng)方向振動(dòng)方向工具工具換能器換能器工作液工作液噴嘴噴嘴工件工件超聲波加工應(yīng)用超聲波加工樣件三、特種加工技術(shù)的發(fā)展趨勢l拓寬現(xiàn)有非傳統(tǒng)加工方法的應(yīng)用領(lǐng)域。拓寬現(xiàn)有非傳統(tǒng)加工方法的應(yīng)用領(lǐng)域。l探索新的加工方法，研究和開發(fā)新的元器探索新的加工方法，研究和開發(fā)新的元器件。件。l優(yōu)化工藝參數(shù)，完善現(xiàn)有的加工工藝。優(yōu)化工藝參數(shù)，完善現(xiàn)有的加工工藝。l向微型化、精密化發(fā)展。向微型化、

14、精密化發(fā)展。l采用數(shù)控、自適應(yīng)控制、采用數(shù)控、自適應(yīng)控制、CAD/CAM、專、專家系統(tǒng)等技術(shù)，提高加工過程自動(dòng)化、柔家系統(tǒng)等技術(shù)，提高加工過程自動(dòng)化、柔性化程度。性化程度。4.3 快速成形技術(shù)一、快速成形技術(shù)的原理與特點(diǎn)l快速成型（快速成型（Rapid Prototyping,簡稱簡稱RP）技術(shù)是技術(shù)是20世紀(jì)世紀(jì)80年代后期發(fā)展起來的年代后期發(fā)展起來的, 是是由由CAD模型直接驅(qū)動(dòng)的快速制造任意復(fù)模型直接驅(qū)動(dòng)的快速制造任意復(fù)雜形狀三維物理實(shí)體的技術(shù)總稱雜形狀三維物理實(shí)體的技術(shù)總稱?？焖俪尚渭夹g(shù)原理離散離散堆積（疊加）堆積（疊加）快速成形加工的過程成型加工：成型成型加工：成型頭（激光頭或頭（激

15、光頭或噴頭）按各截面噴頭）按各截面輪廓信息掃描輪廓信息掃描后處理：打磨、后處理：打磨、拋光、涂掛、拋光、涂掛、燒結(jié)燒結(jié)等等三維模型的切三維模型的切片處理：加工片處理：加工方向（方向（Z方向）方向）進(jìn)行分層進(jìn)行分層三維模型的近三維模型的近似處理似處理:三角形三角形平面來逼近原平面來逼近原來的模型來的模型（STL文件）文件） 三維模型構(gòu)建：三維模型構(gòu)建：Pro/E、UG、SolidWorks、激光掃描、激光掃描、CT斷層掃描等斷層掃描等 快速成形技術(shù)的特點(diǎn)1.簡易性簡易性 將一個(gè)十分復(fù)雜的三維制造過程將一個(gè)十分復(fù)雜的三維制造過程簡化為二維過程的疊加，可實(shí)現(xiàn)對任意復(fù)簡化為二維過程的疊加，可實(shí)現(xiàn)對任意

16、復(fù)雜零件的加工，特別適用于復(fù)雜型腔，復(fù)雜零件的加工，特別適用于復(fù)雜型腔，復(fù)雜形面等傳統(tǒng)方法難以制造甚至無法制造雜形面等傳統(tǒng)方法難以制造甚至無法制造的零件。的零件。2.快速性快速性 由由CAD模型直接驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品制造，模型直接驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品制造，在很短的時(shí)間內(nèi)就可制造出零件的實(shí)體。在很短的時(shí)間內(nèi)就可制造出零件的實(shí)體。互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)使得快速成型方法便于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)使得快速成型方法便于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程制造。程制造?？焖俪尚渭夹g(shù)的特點(diǎn)3.高柔性高柔性 不需要任何刀具，模具及工裝卡不需要任何刀具，模具及工裝卡具，可將任意復(fù)雜形狀的設(shè)計(jì)方案快速轉(zhuǎn)具，可將任意復(fù)雜形狀的設(shè)計(jì)方案快速轉(zhuǎn)換為三維的實(shí)體模型或樣件。換為三維的實(shí)體模

17、型或樣件。4.技術(shù)的高度集成性技術(shù)的高度集成性 結(jié)合結(jié)合CAD/CAM 技術(shù)、技術(shù)、激光技術(shù)、計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)、精密伺服驅(qū)激光技術(shù)、計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)、精密伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)以及新材料技術(shù)。動(dòng)技術(shù)以及新材料技術(shù)。5.應(yīng)用的廣泛性應(yīng)用的廣泛性 在工程、醫(yī)學(xué)、文化藝術(shù)在工程、醫(yī)學(xué)、文化藝術(shù)以及建筑工程等領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。以及建筑工程等領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。二、快速成形技術(shù)的主要加工方法l光固化成形技術(shù)(SLStereo Lithography)l選擇性激光燒結(jié)(SLSSelected Laser Sintering)l分層實(shí)體制造(LOMLaminated Object Manufacturing)l

18、熔融沉積造型(FDMFused Deposition Modeling) l三維打印成形(3DP3 Dimension Printing）光固化成形技術(shù)（SL）l利用計(jì)算機(jī)控制激光束對光敏樹脂進(jìn)行逐利用計(jì)算機(jī)控制激光束對光敏樹脂進(jìn)行逐點(diǎn)掃描，而逐層形成零件的快速成形方法。點(diǎn)掃描，而逐層形成零件的快速成形方法。l目前研究最多的也是技術(shù)最成熟的方法。目前研究最多的也是技術(shù)最成熟的方法。選擇性激光燒結(jié)（SLS）l采用高強(qiáng)度激光束對粉末材料進(jìn)行選擇性采用高強(qiáng)度激光束對粉末材料進(jìn)行選擇性燒結(jié)的工藝，是一種由離散點(diǎn)一層層堆積燒結(jié)的工藝，是一種由離散點(diǎn)一層層堆積成三維實(shí)體的工藝方法。成三維實(shí)體的工藝方法。分層實(shí)體成形（LOM）l用激光將薄膜材料（