特種加工與精密制造技術(shù)

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)在機(jī)械加工領(lǐng)域中，某個(gè)歷史時(shí)期所能達(dá)到的最高加工精度的各種精密加工方法。特點(diǎn)：(1)相對(duì)性，隨時(shí)間的推移而變化；(2)不普及性、保密性；(3)屬于尖端技術(shù)；(4)與測(cè)量技術(shù)密切相關(guān)；(5)國際競爭中取得成功的關(guān)鍵技術(shù)。不同時(shí)期的精密和超精密加工精度超精密加工精密加工普通加工一、課程研究的對(duì)象與意義隨著新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備以及新的測(cè)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)涵分類加工精度表面粗糙度普通加工1μmRa0.1μm精密加工0.1-1μmRa0.01-0.1μm超精密加工高于0.1μm小于Ra0.01μm各種產(chǎn)品與所要求的精度范圍

加工精度范圍機(jī)械產(chǎn)品電子產(chǎn)品光學(xué)產(chǎn)品普通加工200m一般機(jī)械零件，家用電器，汽車零件，通用齒輪通用電器機(jī)具，電子零件外殼，小型電機(jī)，半導(dǎo)體照相機(jī)外殼

精密加工5m手表零件，精密齒輪，絲杠，高速軸承，滾動(dòng)軸承繼電器，IC硅片，錄像頭，記憶磁盤等透鏡，棱鏡等0.5m空氣軸承，導(dǎo)軌，精密模具，液壓伺服閥等磁頭，IC元件，磁控管等精密透鏡，X射線反射鏡，激光反射鏡超精密加工0.05m塊規(guī)，金剛石壓頭，超精密導(dǎo)軌等IC存儲(chǔ)器，硬磁盤，大規(guī)模集成電路等光學(xué)平晶，衍射光柵，光盤等0.005m超精密零件(平面，球面，非球面，螺旋面等)超大規(guī)模集成電路超精密衍射光柵1nm以下超精密零件的表面粗糙度

精密與超精密加工技術(shù)的意義提高產(chǎn)品性能和質(zhì)量，提高穩(wěn)定性和可靠性；促進(jìn)產(chǎn)品的小型化；增強(qiáng)零件的互換性，提高裝配生產(chǎn)率。舉例：人造衛(wèi)星軸承孔軸表面粗糙度1nm，其圓度和圓柱度均以nm為單位；飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片加工精度由60μm→12μm，粗糙度由Ra0.5μm→0.2μm，則發(fā)動(dòng)機(jī)效率89%→94%；磁盤磁頭與磁盤間距離，目前已達(dá)到0.3μm，近期內(nèi)可達(dá)到0.15μm。二、課程的研究內(nèi)容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(duì)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0.01μm，最大位移20μm，靜剛度70N/μm，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)容精密測(cè)量及補(bǔ)償技術(shù)

有相應(yīng)級(jí)別的測(cè)量裝置，具有在線測(cè)量和誤差補(bǔ)償；CAIS為計(jì)算機(jī)輔助加工中心在線檢測(cè)誤差補(bǔ)償控制軟件計(jì)算機(jī)輔助加工中心在線檢測(cè)系統(tǒng)示意圖

課程的研究內(nèi)容

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)激光加工一、特種加工的特點(diǎn)和分類非傳統(tǒng)加工又稱特種加工，是區(qū)別于傳統(tǒng)切削與磨削加工方法的總稱。將電、磁、聲、光等物理量及化學(xué)能量或其組合直接施加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。特種加工技術(shù)的特點(diǎn)不用或少用機(jī)械能，而是用其它能量（如電能、光能、聲能、熱能、化學(xué)能等）對(duì)工件進(jìn)行加工。工具不受顯著切削力的作用，對(duì)工具和工件的強(qiáng)度、硬度和剛度均沒有嚴(yán)格要求。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)力小，易于獲得好的加工質(zhì)量。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。特種加工的分類機(jī)械過程：利用機(jī)械力，使材料產(chǎn)生剪切、斷裂，以去除材料。如超聲波加工、水噴射加工、磨料流加工等。特種加工的分類熱學(xué)過程：通過電、光、化學(xué)能等產(chǎn)生瞬時(shí)高溫，熔化并去除材料，如電火花加工、高能束加工、熱力去毛刺等。

電化學(xué)過程：利用電能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能對(duì)材料進(jìn)行加工，如電解加工、電鑄加工（金屬離子沉積）等。化學(xué)過程：利用化學(xué)溶劑對(duì)材料的腐蝕、溶解，去除材料，如化學(xué)蝕刻、化學(xué)銑削等。特種加工的分類復(fù)合過程：利用機(jī)械、熱、化學(xué)、電化學(xué)的復(fù)合作用，去除材料。常見的復(fù)合形式有機(jī)械化學(xué)復(fù)合—如機(jī)械化學(xué)拋光、電解磨削、電鍍珩磨等。機(jī)械熱能復(fù)合—如加熱切削、低溫切削等。熱能化學(xué)能復(fù)合—如電解電火花加工等。其它復(fù)合過程—如超聲切削、超聲電解磨削、磁力拋光等。二、幾種常見的特種加工方法電火花加工電火花線切割電解加工激光加工高能粒子束加工超聲加工電火花加工原理：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，使工件材料熔化和氣化。進(jìn)給系統(tǒng)放電間隙工具電極工件電極直流脈沖電源工作液電火花加工機(jī)床電火花加工成品電火花線切割加工用連續(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)，可切割出斜面。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液直流電源泵工件陽極陰極進(jìn)給工具陰極電解加工電解加工整體葉輪激光加工原理激光器工件工作臺(tái)激光加工原理圖光闌反射鏡聚焦鏡電源激光加工用途打標(biāo)焊接鉆微孔表面處理鉆孔切削電子束加工原理高速而能量密集的電子束沖擊到工件上，被沖擊點(diǎn)處形成瞬時(shí)高溫（幾分之一微秒時(shí)間內(nèi)升高至幾千攝氏度），工件表面局部熔化、氣化直至被蒸發(fā)去除。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0.03~0.07mm電子束加工的噴絲頭異形孔電子束加工曲面、穿孔電子束焊接與CO2氣體保護(hù)焊的比較CO2氣保焊焊接的車橋。要開坡口填絲，熱變形大

電子束焊機(jī)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)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位以實(shí)現(xiàn)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(jí)精度，離子鍍膜可控制在亞微米級(jí)精度，離子注入的深度和濃度亦可精確地控制。離子束加工應(yīng)用在高真空中進(jìn)行，污染少，特別適宜于對(duì)易氧化的金屬、合金和半導(dǎo)體材料進(jìn)行加工。主要應(yīng)用于刻蝕加工(如加工空氣軸承的溝槽，加工極薄材料等)、鍍膜加工(如在金屬或非金屬材料上鍍制金屬或非金屬材料)、注入加工(如某些特殊的半導(dǎo)體器件)等。超聲加工原理利用工具端面作超聲（16～25kHz）振動(dòng)，使工作液中的懸浮磨粒對(duì)工件表面撞擊拋磨來實(shí)現(xiàn)加工。

變幅桿超聲波發(fā)生器振動(dòng)方向工具換能器工作液噴嘴工件超聲波加工應(yīng)用超聲波加工樣件三、特種加工技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)拓寬現(xiàn)有非傳統(tǒng)加工方法的應(yīng)用領(lǐng)域。探索新的加工方法，研究和開發(fā)新的元器件。優(yōu)化工藝參數(shù)，完善現(xiàn)有的加工工藝。向微型化、精密化發(fā)展。采用數(shù)控、自適應(yīng)控制、CAD/CAM、專家系統(tǒng)等技術(shù)，提高加工過程自動(dòng)化、柔性化程度。4.3快速成形技術(shù)一、快速成形技術(shù)的原理與特點(diǎn)快速成型（RapidPrototyping,簡稱RP）技術(shù)是20世紀(jì)80年代后期發(fā)展起來的,是由CAD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?？焖俪尚渭夹g(shù)原理離散—堆積（疊加）快速成形加工的過程成型加工：成型頭（激光頭或噴頭）按各截面輪廓信息掃描后處理：打磨、拋光、涂掛、燒結(jié)等三維模型的切片處理：加工方向（Z方向）進(jìn)行分層三維模型的近似處理:三角形平面來逼近原來的模型（STL文件）

三維模型構(gòu)建：Pro/E、UG、SolidWorks、激光掃描、CT斷層掃描等

快速成形技術(shù)的特點(diǎn)1.簡易性將一個(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(duì)任意復(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的零件。2.快速性由CAD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?；ヂ?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。快速成形技術(shù)的特點(diǎn)3.高柔性不需要任何刀具，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)換為三維的實(shí)體模型或樣件。4.技術(shù)的高度集成性結(jié)合CAD/CAM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)動(dòng)技術(shù)以及新材料技術(shù)。5.應(yīng)用的廣泛性在工程、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。二、快速成形技術(shù)的主要加工方法光固化成形技術(shù)(SL—StereoLithography)選擇性激光燒結(jié)(SLS—SelectedLaserSintering)分層實(shí)體制造(LOM—LaminatedObjectManufacturing)熔融沉積造型(FDM—FusedDepositionModeling)三維打印成形(3DP—3DimensionPrinting）光固化成形技術(shù)（SL）利用計(jì)算機(jī)控制激光束對(duì)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。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）采用高強(qiáng)度激光束對(duì)粉末材料進(jìn)行選擇性燒結(jié)的工藝，是一種由離散點(diǎn)一層層堆積成三維實(shí)體的工藝方法。分層實(shí)體成形（LOM）用激光將薄膜材料（紙，塑料薄膜等）逐層切割成所需形狀，然后疊加在一起的成形方法。熔絲沉積成形（FDM）將線狀材料液化后，通過噴嘴的噴射將其逐層沉積成形狀復(fù)雜的成形件的成形工藝。三維打印成形（3DP）以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層堆疊累積的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。三、快速成形技術(shù)的應(yīng)用快速成型技術(shù)已在工業(yè)造型、機(jī)械制造、航空航天、軍事、建筑、影視、家電、輕工、醫(yī)學(xué)、考古、文化藝術(shù)、雕刻、首飾等領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。并且隨著這一技術(shù)本身的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒉粩嗤卣埂?/p>

四、快速成形技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)開發(fā)綜合性能好的快速成型材料，如成本低、易成形、變形小、強(qiáng)度高、耐久及無污染的