現(xiàn)代制造技術(shù)課件

現(xiàn)代制造技術(shù)

主講：伍俏平

湖南科技大學機電工程學院

第一章概論1.1制造技術(shù)發(fā)展歷程1.2現(xiàn)代制造技術(shù)背景與內(nèi)涵1.3現(xiàn)代制造技術(shù)體系結(jié)構(gòu)1.4先進制造技術(shù)發(fā)展趨勢1.5先進制造技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略的思考

第一章概論1.1制造技術(shù)發(fā)展歷程制造概念：狹義是指“產(chǎn)品的制造過程，凡是投入一定的原材料，使原材料在物理性質(zhì)或化學性質(zhì)發(fā)生變化而轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的過程”。國際生產(chǎn)工程學會（CIRP）1990年給出的廣義定義“制造是一個涉及制造工業(yè)中產(chǎn)品設(shè)計、物料選擇、生產(chǎn)計劃、生產(chǎn)過程、質(zhì)量保證、經(jīng)營管理、市場銷售和服務(wù)的一系列相關(guān)活動和工作的總稱”。而制造技術(shù)是制造業(yè)生產(chǎn)各種必要物質(zhì)（包括生產(chǎn)資料和消費品）所使用的一切生產(chǎn)工具和技術(shù)的總稱。制造業(yè)是國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)，其發(fā)展水平是衡量一個國家綜合國力的最重要指標。圖1制造過程示意圖制造特點：大制造、全過程、多學科

“大制造”：涉及制造相關(guān)的國民經(jīng)濟的大量行業(yè)，如機械、電子、化工、食品、軍工等等；

“全過程”：不僅包括從毛坯到成品的加工制造過程，還包括市場調(diào)研、產(chǎn)品設(shè)計、選材和工藝設(shè)計、生產(chǎn)準備、加工和制造過程、市場營銷、產(chǎn)品銷售前和售后服務(wù)、報廢產(chǎn)品的處理和回收，以至產(chǎn)品全壽命過程的設(shè)計、制造和管理等?！岸鄬W科”：是指現(xiàn)代制造科學是微電子、計算機、自動化、網(wǎng)絡(luò)通信等信息科學、管理科學、生命科學、材料科學與工程和制造科學的交叉。制造技術(shù)發(fā)展歷程：（1）制造技術(shù)萌芽：石器時代利用天然石料等制作工具以獲得生活資料；青銅器和鐵器時代，開始冶煉、鍛造工具；農(nóng)業(yè)社會生產(chǎn)時代，采用作坊式的生產(chǎn)方式；（2）工業(yè)革命：18世紀70年代，蒸汽機的改進引發(fā)了第一次工業(yè)革命，產(chǎn)生了近代工業(yè)化生產(chǎn)方式，手工勞動被機器生產(chǎn)代替；（3）電氣化：19世紀中葉，電磁場理論的建立為發(fā)電機和電動機的產(chǎn)生奠定了基礎(chǔ)，電作為新的動力源大大改變了機器結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)效率，迎來電氣化時代，制造業(yè)進入了快速發(fā)展時期；這一階段出現(xiàn)了以經(jīng)驗管理為主的原始機械工廠為代表的制造系統(tǒng)。（4）大批量生產(chǎn)：20世紀初，內(nèi)燃機的發(fā)明引發(fā)了制造業(yè)的又一次革命，制造業(yè)進入了以汽車制造為代表的大批量生產(chǎn)時代，出現(xiàn)了流水生產(chǎn)線，分工日趨明確，工廠出現(xiàn)了泰勒管理方法為代表的科學管理方式。（5）多品種中小批量生產(chǎn)：進入20世紀70年代后，隨著市場競爭的加劇，大規(guī)模生產(chǎn)方式開始逐步向多品種、中小批量生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變。同時現(xiàn)代化生產(chǎn)管理模式，如準時制生產(chǎn)、全面質(zhì)量管理開始應(yīng)用于制造業(yè)。（6）信息化和全球化：20世紀80年代以來，計算機、信息、電子、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的發(fā)展，促進了制造業(yè)中自動化技術(shù)的成熟和完善。產(chǎn)品市場的全球化和用戶需求的多樣化，使得市場競爭日益激烈，出現(xiàn)了許多新的制造技術(shù)和方法。如并行工程、智能制造、敏捷制造、精益生產(chǎn)等。1.2現(xiàn)代制造技術(shù)背景與內(nèi)涵背景：20世紀70年代，美國許多學者提出美國已進入“后工業(yè)化”社會，出現(xiàn)了“制造業(yè)是夕陽產(chǎn)業(yè)”的觀點，力圖把經(jīng)濟發(fā)展的重心從制造業(yè)轉(zhuǎn)向服務(wù)業(yè)等第三產(chǎn)業(yè)。導致了美國科技優(yōu)勢和經(jīng)濟競爭力的衰退。以至于工業(yè)生產(chǎn)下滑，出口銳減，工業(yè)品進口陡增，經(jīng)濟空前滑坡，物質(zhì)生產(chǎn)基礎(chǔ)遭到嚴重削弱。這一嚴峻形勢迫使美國政府和企業(yè)界不得不重新認識和評價制造業(yè)在國民經(jīng)濟中的地位和作用，對存在的問題進行了深刻反省，為了加強制造業(yè)的競爭能力和促進國民經(jīng)濟增長而提出先進制造技術(shù)概念。概念：先進制造技術(shù)是傳統(tǒng)制造業(yè)不斷吸收機械、信息、電子、材料、能源及現(xiàn)代管理等方面的最新技術(shù)成果，并將這些技術(shù)優(yōu)化、集成，綜合應(yīng)用于產(chǎn)品開發(fā)與設(shè)計、制造、檢測、管理及售后服務(wù)的制造全過程，實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、清潔制造，取得理想技術(shù)經(jīng)濟效果和社會效益的前沿制造技術(shù)的總稱。先進制造技術(shù)的特點：（1）現(xiàn)代制造技術(shù)貫穿了從市場預(yù)測、產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)經(jīng)營管理、制造裝配、質(zhì)量保證、售后服務(wù)、報廢處理、回收在利用等整個制造過程；（2）現(xiàn)代制造技術(shù)注重技術(shù)、管理、人員三者的集成，是多學科交叉融合的產(chǎn)物，核心是信息技術(shù)、現(xiàn)代管理技術(shù)和制造技術(shù)的有機結(jié)合；（3）現(xiàn)代制造技術(shù)的主要目標是提高制造業(yè)對市場的適應(yīng)能力和競爭力；（4）現(xiàn)代制造技術(shù)重視環(huán)境保護和資源的合理利用。1.3現(xiàn)代制造技術(shù)體系結(jié)構(gòu)1994年，美國聯(lián)邦科學、工程和技術(shù)協(xié)調(diào)委員會下屬的工業(yè)和技術(shù)委員會先進制造技術(shù)工作組提出將先進制造技術(shù)分為三個技術(shù)群：（1）主體技術(shù)群（2）支撐技術(shù)群（3）制造技術(shù)環(huán)境

這三個技術(shù)群相互聯(lián)系、相互促進，組成一個完整的體系，每個部分均不可缺少，否則就很難發(fā)揮預(yù)期的整體功能效益。

1.4先進制造技術(shù)發(fā)展趨勢先進制造技術(shù)的總趨勢是：精密化、柔性化、網(wǎng)絡(luò)化、虛擬化、智能化、清潔化、集成化、全球化。

中科院院士楊叔子教授2004年3月論先進制造技術(shù)及其發(fā)展趨勢，可以概括為以下八個方面：“數(shù)”是發(fā)展的核心；“精”是發(fā)展的關(guān)鍵；“極”是發(fā)展的焦點；“自”是發(fā)展的條件；“集”是發(fā)展的方法；“網(wǎng)”是發(fā)展的道路；“智”是發(fā)展的前景；“綠”是發(fā)展的必然。具體表現(xiàn)在：（1）設(shè)計技術(shù)不斷現(xiàn)代化；（2）專業(yè)、學科、技術(shù)的界限逐漸淡化，集成化是發(fā)展的方向；（3）制造技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化是先進制造技術(shù)發(fā)展的必由之路；（4）制造技術(shù)的智能化是制造技術(shù)發(fā)展的前景；（5）自動化成為先進制造技術(shù)發(fā)展的前提條件；（6）虛擬現(xiàn)實技術(shù)在制造業(yè)中獲得廣泛的應(yīng)用；（7）綠色制造成為先進制造技術(shù)的重要特征。1.5先進制造技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略的思考

1、我國制造業(yè)存在的主要差距

由于我國工業(yè)化進程起步較晚，與國際先進水平相比，我國的制造業(yè)和制造技術(shù)還存在著階段性差距。主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）產(chǎn)品創(chuàng)新能力較差，開發(fā)周期較長。（2）制造工藝裝備落后，成套能力不強。（3）生產(chǎn)自動化和優(yōu)化水平不高，資源綜合利用率低。（4）企業(yè)管理粗放，協(xié)作能力較差，國際市場開拓能力弱。

（5）具有競爭力的核心技術(shù)的開發(fā)相對薄弱。

2、我國先進制造的發(fā)展戰(zhàn)略（1）提高認識、全面規(guī)劃，促進先進制造技術(shù)的發(fā)展；（2）深化科技體制改革，推動技術(shù)創(chuàng)新體系的建設(shè)；（3）將引進、消化國外先進制造技術(shù)與自主開發(fā)創(chuàng)新相結(jié)合；（4）大力發(fā)展先進高新制造技術(shù)及其企業(yè)；（5）積極培養(yǎng)創(chuàng)造性人才，努力提高制造業(yè)的全員素質(zhì)。

第二章高速切削技術(shù)2.1概述概念：高速切削是指在比常規(guī)切削速度高出很多的情況下進行的切削加工。主要特點：高切削速度、高進給速度、高加工精度和優(yōu)良的加工表面質(zhì)量，具有不同于傳統(tǒng)切削加工技術(shù)的加工機理和應(yīng)用優(yōu)勢。

應(yīng)用領(lǐng)域：航空航天、模具制造、汽車制造等行業(yè)，加工對象包括：鈦合金、鋁鎂合金、鋼、鑄鐵、碳纖維增強塑料等材料。2.1.1：高速切削技術(shù)發(fā)展歷程

完成一個零件機械加工所需要的時間，包括切削時間和非切削時間。切削時間是直接改變工件尺寸和形狀所需的時間，非切削時間包括輔助時間、服務(wù)時間和休息時間。

5％

95％調(diào)整、裝夾、對刀、檢測等切削30％

70％加工時間

運輸與等待時間制造周期加工時間生產(chǎn)的時間分配30年來切削時間的變化情況

隨著數(shù)控機床和數(shù)控加工中心的普及，解決了自動換刀、裝卸工件等問題，大大降低了輔助時間在總工序時間中所占的比例。以縮短輔助時間為手段提高生產(chǎn)效率的意義不再明顯，因此提高生產(chǎn)率的主要措施轉(zhuǎn)移到直接減少切削時間方面。減少切削時間最直接的手段是提高切削速度。但根據(jù)傳統(tǒng)的金屬切削理論存在：隨著切削速度的提高，切削熱增加，刀具磨損加劇，刀具壽命縮短；同時，機床發(fā)熱、振動以及動平衡等問題凸顯出來。薩洛蒙曲線圖2-1薩洛蒙曲線高速切削假說提出后20多年無人關(guān)注和研究。美國Lockheed飛機公司于1960年前后進行了超高速削試驗。試驗采用加農(nóng)炮發(fā)射方式：在高速切削條件下，切屑的形成和普通切削不同。單位切削力呈上升再下降的趨勢。切削機理發(fā)生變化，切削過程比常規(guī)切削速度下容易和輕松。1977年美國在一臺帶有高頻電主軸的加工中心上進行了超高速切削實驗，與傳統(tǒng)切削相比，材料切除率提高了2-3倍，切削力減小了70%，表面質(zhì)量明顯提高。20世紀80年代以來，各工業(yè)發(fā)達國家投入了大量人力、物力，研究開發(fā)了高速切削設(shè)備及相關(guān)技術(shù)。20世紀90年代以來，刀具材料和超高速電主軸的研制成功，用于高速進給的直線電動機伺服驅(qū)動系統(tǒng)的應(yīng)用以及高速機床其他配套技術(shù)的日益完善，為高速切削技術(shù)的應(yīng)用創(chuàng)造了良好條件。2.1.2：高速切削速度范圍

（1）根據(jù)切削速度劃分：通常把切削速度比常規(guī)切削高出5-10倍以上的切削加工稱為高速切削。一般認為高速切削速度范圍：車削700m/min-7000m/min；銑削300m/min-6000m/min；鉆削200m/min-1100m/min；磨削150m/s-360m/s。（2）根據(jù)機床主軸轉(zhuǎn)速劃分：一般按Dn值區(qū)分，Dn值是指主軸軸徑和主軸能達到的最高轉(zhuǎn)速的乘積。高速主軸的Dn值一般為500000mm·r/min~2000000mm·r/min。高速切削加工不能簡單地用某一具體的切削速度值來定義，必須考慮工件材料、刀具材料、工序方法和機床等因素。此外，由于技術(shù)的進步，切削速度有越來越高之勢，所以高速的定義及劃分也會隨之變化。不同材料的大致切削速度范圍圖2.1.3：高速切削優(yōu)越性

（1）單位時間內(nèi)材料切除率增加，切削加工時間減少，生產(chǎn)率大幅度提高；（2）在高速切削范圍內(nèi)，切削力降低，減少了切削變形引起的加工誤差，有利于薄壁件的切削加工；（3）高速切削時，切屑以很高的速度排出，帶走大量的切削熱，傳給工件的熱量大幅度減少，有利于減少工件的內(nèi)應(yīng)力和熱變形，提高加工精度；（4）工作平穩(wěn)，振動小，零件的加工表面質(zhì)量高。（5）可以加工各種難加工材料。

2.1.4：高速切削關(guān)鍵技術(shù)

（1）高速切削機理：高速切削過程和切屑形成機理的研究、高速加工基本規(guī)律、各種材料高速切削機理、高速切削數(shù)據(jù)庫和虛擬技術(shù)等；（2）高速切削刀具技術(shù)：刀具材料；刀具結(jié)構(gòu)；刀柄系統(tǒng)。（3）高速切削機床技術(shù)：包括高速主軸主軸單元、進給系統(tǒng)、CNC控制系統(tǒng)和機床整機技術(shù)（機床床身、冷卻系統(tǒng)、安全系統(tǒng)等）。（4）高速切削技術(shù)（5）高速加工的安全防護、測試技術(shù)與實時檢控技術(shù)等。2.2高速切削基礎(chǔ)理論2.2.1切屑形成加工塑性金屬，切削厚度較小，切削速度較高，刀具前角較大時，易出現(xiàn)帶狀切屑。切削厚度較大，切削速度較低，刀具前角較小時，易出現(xiàn)鋸齒狀切屑。進一步增大切削厚度，降低切削速度，減少刀具前角時，易出現(xiàn)單元切屑。脆性材料易得到崩碎切屑帶狀切屑鋸齒狀切屑單元切屑崩碎切屑

（2）高速切削切屑特征及影響因素工件材料及性能對切屑形態(tài)起決定性作用：低硬度和高熱物理性能的工件材料如鋁合金、低碳鋼和合金鋼等，容易形成帶狀切屑；硬度較高和低熱物理特性的工件材料如熱處理鋼和鈦合金等，容易形成鋸齒狀切屑；工件材料一定時，切削速度對切屑特征有主要影響：一方面切削速度的提高，應(yīng)變速度加大，導致工件材料脆性的增加，易于形成鋸齒狀切屑；另一方面切削速度的提高，引起切屑溫度的增加，致使脆性減小。因此，切削速度對形成鋸齒狀切屑傾向的影響結(jié)果應(yīng)進行綜合考慮。一般而言，高速切削時，隨著切削速度的提高，切屑的鋸齒化程度增大，在慣性力作用下，易于斷裂形成較短的切屑形狀。2.2.2切削熱和切削溫度高速切削時，總的切削功W消耗在以下幾個方面：（1）形成已加工表面和切屑底面兩個新生表面所需要的能量Wn；（2）剪切區(qū)的剪切變形功Ws；（3）前、后刀面與切屑、工件的摩擦功Wf；（4）切削層材料經(jīng)過剪切面時，動量改變消耗的功Wm；剪切面上產(chǎn)生的熱量流入切屑的比例R1為：由上式可知，隨著V和ac的增大，R1增加，因為V的變化范圍比ac大，所以V對R1的影響比ac大。隨著V的增大，剪切面上產(chǎn)生的熱量流入切屑的比例R1增大，即切削速度增大，被切屑帶走的熱量越多，而切削溫度升高的少。

2.2.3切削力

切削過程中，剪切面上發(fā)生變形所需要的力由兩部分組成：一個是剪切力Fs；另一個是切削層材料沿著剪切面滑移造成動量改變所需要的作用力，即切屑慣性力Fm。分別表示為：式中：Ss為工件材料動態(tài)剪切強度；Ac為切削層截面積；ρ為工件材料密度;γ0為刀具前角;φ為剪切角。切削速度對剪切角的影響當切削速度較低時，材料始剪切面為OA，終剪切面為OM，剪切角為φ；當切削速度很高時，材料流動速度大于塑性變形速度，即在OA線上尚未顯著變形就已流動到OA’線上，終剪切面變?yōu)镺M’，剪切角變?yōu)棣铡@意味著第一變形區(qū)后移（φ’＞φ）。同時，切削速度對刀具前刀面上的平均摩擦因素μ也有影響，切削速度增大，μ減小，摩擦角減小，由上式可知，剪切角φ增大。而剪切角的增大使剪切力降低，切屑慣性力增加。但在高速切削過程中，切屑的質(zhì)量很小，切屑慣性力的增加幅度比剪切力減小幅度小的多，因此，在高速切削范圍內(nèi)，切削速度的提高最終導致切削力的降低。特別有利于薄壁件的精密加工。2.2.4刀具磨損與破損

高速切削時，刀具的破壞形式主要是磨損和破損，起主要的破壞原因主要是切削力和切削熱作用下的磨粒磨損、黏結(jié)磨損、化學磨損、脆性破損等。高速切削時，應(yīng)根據(jù)局加工方法和加工要求，確定合理的磨損壽命。影響高速切削刀具磨損壽命的因素較多，工件材料與刀具材料的匹配、切削方式、刀具幾何形狀、切削用量、冷卻液、振動等對刀具磨損壽命都有顯著影響。對于高速切削刀具，除了考慮靜態(tài)特性外，還應(yīng)該考慮動態(tài)特性。2.2.5高速切削表面質(zhì)量

高速切削加工表面質(zhì)量的變化規(guī)律與普通切削加工有所不同。一般高速切削加工隨著切削速度的增加，表面粗糙度降低，隨著進給量增加，表面粗糙度增大。不同加工條件下，高速切削加工工件表面殘余應(yīng)力的性質(zhì)與大小及加工硬化程度各不相同，需根據(jù)具體工藝而具體分析。一般而言，加工工件表面出現(xiàn)壓應(yīng)力更為有利。工件材料對此也有影響，一般材料硬度越低，加工硬化程度越大。2.3高速切削機床2.3.1高速加工對機床的要求

與普通機床相比，高速加工機床有如下要求：（1）高速主軸系統(tǒng)（2）高速進給系統(tǒng)（3）高效、快速的冷卻系統(tǒng)（4）優(yōu)良的靜、動態(tài)特性和熱態(tài)特性（5）安裝和實時監(jiān)控系統(tǒng)高速外圓磨床系列2.3.2高速主軸系統(tǒng)

1、高速電主軸

電主軸結(jié)構(gòu)

2、高速主軸軸承目前，電主軸采用的軸承主要有滾動軸承、流體靜壓軸承和磁懸浮軸承。后兩者為非接觸式軸承。（1）滾動軸承電主軸一般采用適用高速且同時承受徑向和軸向負荷的精密角接觸球軸承。為了減少磨損和溫升，可采取如下措施：①適當?shù)臏p小滾珠的直徑；②采用輕質(zhì)材料來制造滾珠。

（2）流體靜壓軸承流體靜壓軸承包括液體靜壓軸承和氣體靜壓軸承。液體靜壓軸承具有旋轉(zhuǎn)精度高、磨損小、振動小等特點，適用于加工精度允差小和表面粗糙度要求小的情況；空氣靜壓軸承具有高旋轉(zhuǎn)精度和低溫升的優(yōu)點，但存在剛度差、承載能力低，此外它要求高清潔度的壓縮空氣，維修費用高。

（3）磁懸浮軸承磁懸浮軸承依靠多個在圓周上下互為180°的電磁鐵產(chǎn)生徑向方向相反的磁力，將主軸懸浮在空氣中，軸頸與軸承不接觸。主軸在空間位置發(fā)生微弱變化，由位置傳感器測出其變化值，通過電子自動控制與反饋裝置，改變相應(yīng)磁力值，使其迅速恢復到原來的位置。具有高精度、高轉(zhuǎn)速、高剛度、無潤滑和密封、無振動等特點，但機械結(jié)構(gòu)復雜，價格較貴。

2.2.3高速進給系統(tǒng)高速進給系統(tǒng)需滿足如下要求：（1）與高速主軸相匹配的高進給速度；（2）動態(tài)性能好，具有良好的快速響應(yīng)特性；（3）高的定位精度；（4）高可靠性和安全性。傳統(tǒng)的“旋轉(zhuǎn)電動機+滾珠絲杠螺母副”進給系統(tǒng)不能滿足高速加工的要求。解決的途徑：（1）研制新型的高速高精度滾珠絲杠副傳動系統(tǒng)；（2）采用直線電動機直接驅(qū)動。

2、直線電動機進給驅(qū)動系統(tǒng)

直線伺服電動機驅(qū)動的高速進給單元優(yōu)點：

①速度高：直線電動機直接驅(qū)動工作臺，無任何中間機械傳動元件，無旋轉(zhuǎn)運動，不受離心力的作用，可容易地實現(xiàn)高速直線運動。②加速度大：直線電動機的起動推力大，結(jié)構(gòu)簡單、重量輕，運動變換時的過渡過程短，可實現(xiàn)靈敏的加速和減速。③定位精度高：直線電動機進給系統(tǒng)常用光柵尺作為工作臺的位置測量元件，并且采用閉環(huán)控制，通過反饋，對工作臺的位移精度進行精確的控制。④行程不受限制。（1）直流直線電動機進給伺服系統(tǒng)式中Cf為電磁力常數(shù)；I為動子繞組電流；φ為磁通量。直流直線電動機采用永久磁鐵勵磁，φ為常數(shù)。調(diào)節(jié)I可實現(xiàn)對電動機輸出力的直接控制。。2、交流永磁同步直線電動機進給驅(qū)動系統(tǒng)由于永磁勵磁磁鏈ψf為常數(shù)，因此，電動機輸出的電磁力F將與電流Iq成正比，因此，通過控制Iq，就可實現(xiàn)對交流永磁同步電動機電磁力的直接控制（3）交流異步直線電動機進給驅(qū)動系統(tǒng)其定子結(jié)構(gòu)基本相同，但動子結(jié)構(gòu)有較大差別。動子一般由硅鋼片疊裝或其他導磁材料構(gòu)成，動子上開有凹槽，其中嵌有導條或繞組。交流異步直線電動機的定子和動子分別與機床的固定和運動部件直接連接。式中，K為電磁力常數(shù)；Lm為繞組互感；Lr為繞組自感；ψ2為動子磁鏈，IT1為定子繞組電流。其中，K，Lm，Lr由電動機結(jié)構(gòu)決定，一般為常數(shù)，通過合理控制，使ψ2保持常數(shù)，則可保證電磁力F與電流IT1成正比，從而可實現(xiàn)對其電磁力的準確和快速的控制。2.3.4高速機床支撐部件

支承件包括床身、立柱、橫梁、底座、刀架、工作臺、箱體和升降臺等，它們是機床的基礎(chǔ)部件。固定支撐件必須具有足夠的強度、高的結(jié)構(gòu)剛性和高水平的阻尼特性，使機床受到的激振力很快衰減。提高固定支撐件抵抗振動能力的具體措施：①對于床身基體等支撐部件采用非金屬環(huán)氧樹脂、人造花崗石、特種鋼筋混凝土等材料制作。②合理設(shè)計其截面形狀、布置筋板結(jié)構(gòu)，以提高靜剛度和抗振性。③盡可能采用整體鑄造結(jié)構(gòu)。

對于刀架、升降臺、工作臺等運動支撐部件，設(shè)計時盡量減輕其重量，保證移動部件的高速度和高加速度。提高運動支撐件運動性能的具有措施有：采用鈦鋁合金和纖維增強塑料等新型輕質(zhì)材料制造拖板和工作臺；用有限元法優(yōu)化機床移動部件的幾何形狀和尺寸參數(shù)等。2.3.5高速數(shù)控系統(tǒng)高速加工機床CNC數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)滿足以下基本要求：①為了適應(yīng)高速，要求單個程序段處理時間短；②為了在高速下保證加工精度，要有前饋和大量的超前程序段處理功能；③要求快速形成刀具路徑，此路徑應(yīng)盡可能圓滑，走樣條曲線而不是逐點跟蹤，少轉(zhuǎn)折點、無尖轉(zhuǎn)點；④程序算法應(yīng)保證高精度。

2.3.6高速加工中心特征：高速加工中心不僅主軸轉(zhuǎn)速高，進給速度和加速度高，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、高剛度是對現(xiàn)代加工中心的基本要求。高速加工中心不僅切削過程實現(xiàn)了高速化，而且還要進一步減少輔助時間，提高空行程速度、刀具交換速度和裝卸工件的速度。類型：①以高轉(zhuǎn)速為主要特征的高速加工中心HSM（Highspeedmachining），主要用在模具工業(yè)及航空工業(yè)，提高切削效率成為這類機床的主要目標。主軸速度多為20000r/min，快速移動速度、加速度要求不是很高。②高移速加工中心HVM（HighVelocityMachining），即以提高移動速度及相應(yīng)的加速度為第一要求，其主軸轉(zhuǎn)速為8000~15000r/min，主要大幅度提高輔助運動速度，包括快速空行程、大的加減速度、快速換刀以及快速交換工件等。2、快速換刀裝置（1）換刀速度指標①刀對刀換刀時間（Tool-to-Tool）②切削對切削換刀時間（Cut-to-Cut）③切屑對切屑時間（Chip-to-Chip）（2）提高換刀速度的主要技術(shù)方法①在傳統(tǒng)自動換刀裝置的基礎(chǔ)上提高動作速度；②采用新方法進行刀具快速交換；③采用適合于高速加工中心的HSK刀柄。（3）快速換刀的一些新方法①多主軸換刀：采用多個主軸并排固定在主軸架上，每根主軸由各自的電動機直接驅(qū)動，且每個主軸上安裝了不同的刀具；②雙主軸換刀：加工中心有兩個工作主軸，兩主軸交替將刀送到工作位置，一般主軸用于加工，另一個主軸在此期間更換刀具；③刀庫布置在主軸周圍的轉(zhuǎn)塔方式：刀庫布置在主軸的周圍，刀庫本身相當于機械手，通過刀庫拔插刀并采用順序換刀，使機床切屑對切屑換刀時間較短；④多機械手方式：刀庫布置在主軸的周圍，采用每把刀有一個機械手的方式使換刀幾乎沒有時間的損失，并可以采用任意選刀的方式。2.4高速加工工具系統(tǒng)機床工具系統(tǒng)主要是指機床主軸與刀具的連接系統(tǒng)，包括刀柄、刀具和夾緊機構(gòu)等，其核心是連接刀柄。一、高速加工工具系統(tǒng)應(yīng)滿足的要求①高定位精度。②高動力傳遞能力③傳遞高速運動的能力④高剛度⑤介質(zhì)的傳遞能力2.4.2常規(guī)工具系統(tǒng)常規(guī)數(shù)控工具系統(tǒng)采用的是BT刀柄，刀柄柄部一般采用7：24錐度。缺點：1、單獨錐面定位：定位精度不高。2、刀柄與錐孔膨脹大小不一致：由于離心力的作用會發(fā)生膨脹，實心刀柄則膨脹量較小，錐孔膨脹量較大，總的錐度連接剛度會降低。3、重復安裝精度不夠。4、刀柄內(nèi)陷主軸孔，難以拆卸。7：24錐度刀柄高速加工主軸膨脹量大措施：“空心短錐”刀柄①刀柄的橫截面采用空心薄壁結(jié)構(gòu)，以便減少由于離心力而產(chǎn)生的與主軸孔和刀柄的膨脹差異，保證刀柄在主軸孔的可靠定位。②采用具有端面定位的工具系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。HSK刀柄KM刀柄NC5刀柄2.4.3高速工具系統(tǒng)1、HSK工具系統(tǒng)

1987年，德國阿亨工業(yè)大學機床研究所立項研究一種新型高速刀柄。1991年10月，德國發(fā)布了兩個試行標準，即空心短圓柱刀柄（HSZ型）和空心短圓錐刀柄（HSK型），兩種刀柄都有A、B型。A型主要用于銑床和加工中心，B型主要用于車床。1994年又開發(fā)了HSK的C、D、E和F型刀柄。HSK刀柄的6種型號刀柄由錐面（徑向）和法蘭端面（軸向）共同實現(xiàn)與主軸的連接，由錐面保證刀具與主軸之間的同軸度，錐柄的錐度為1：10。優(yōu)點：①采用錐面、端面過定位的結(jié)合形式，能有效地提高結(jié)合剛度；②因錐部長度短和采用空心結(jié)構(gòu)后質(zhì)量較輕，故自動換刀動作快，可以縮短移動時間，加快刀具移動速度；③有比較高的重復安裝精度；④刀柄與主軸間由擴張爪鎖緊，轉(zhuǎn)速越高，擴張爪的離心力（擴張力）越大，鎖緊力越大，即在高速轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的離心力作用下，刀柄能牢固鎖緊。夾緊前夾緊后HSK刀具系統(tǒng)工作原理

2.5高速切削刀具技術(shù)2.5.1高速切削刀具材料高速切削對刀具材料的要求：①高硬度、高強度和耐磨性②韌度高，抗沖擊能力強；③高的熱硬性和化學穩(wěn)定性；④抗熱沖擊能力強。⑤高的可靠性：壽命高、切削刃的重復精度高。目前，適合于高速切削的刀具材料有金剛石、CBN、涂層刀具、陶瓷刀具、TiC（N）基硬質(zhì)合金、超細晶粒硬質(zhì)合金。1、金剛石

碳的同素異構(gòu)體，目前最硬的材料；包括天然金剛石和人造金剛石。特性：①極高的硬度和耐磨性②各向異性能；③較低的摩擦系數(shù)；④刀刃異常鋒利；⑤高的導熱性；⑥較低的熱膨脹系數(shù)；聚晶金剛石（PCD）以石墨為原料，加入催化劑，經(jīng)高溫高壓燒結(jié)而成。強度韌性大；成本低；具有導電性，便于切割。分為整體聚晶金剛石刀片和聚晶金剛石復合刀片。2、立方氮化硼(CBN)刀具

1957年，合成了CBN；CBN是BN的同素異構(gòu)體，與金剛石結(jié)構(gòu)相似，結(jié)構(gòu)與金剛石相似，具有與金剛石相近的硬度，又具有高于金剛石的熱穩(wěn)定性和對鐵族元素的高化學穩(wěn)定性。PCBN，聚晶立方氮化硼，在高溫高壓下將微細的CBN材料通過結(jié)合相燒結(jié)在一起的多晶材料，與CBN相比，便于制造。CBN刀具在黑色金屬加工中應(yīng)用廣泛，主要用于高速加工淬硬鋼和高硬鑄鐵以及某些難加工材料，如高速鋼、高溫合金、熱噴涂材料、硬質(zhì)合金等。3、陶瓷刀具陶瓷刀具主要原料氧化鋁、氮化硅等，并添加了各種碳化物、氮化物、硼化物等，并采用各種增韌機制進行增韌補強，提高其抗彎強度、斷裂韌性和抗沖擊性。優(yōu)點：具有很高的硬度、耐磨性能及良好的高溫力學性能，與金屬的親和力小，化學穩(wěn)定性好。缺點：強度和韌性差，耐熱沖擊性能很差。主要有氧化鋁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種鑄鐵和各種鋼料（如合金鋼、淬硬鋼、耐熱鋼等），也可用于加工有色金屬（銅、鋁等）及非金屬材料。增韌措施：顆粒彌散增韌、相變增韌、晶須增韌等。

6.高速切削刀具材料的合理選擇

高速切削時對不同工件材料要選用與其合理匹配的刀具材料和適應(yīng)的加工方式等切削條件，才能獲得最佳的切削效果。沒有萬能的刀具材料。

選擇刀具材料時，應(yīng)考慮刀具與加工對象的性能匹配問題，包括3個方面：力學性能匹配；物理性能匹配；化學性能匹配。2.5.2高速切削刀具結(jié)構(gòu)1）刀具幾何角度

合適的刀具后角和合理的進給速度能產(chǎn)生足夠大的切屑厚度，帶走熱量；刀具前角是影響刀具切削載荷的重要參數(shù)，應(yīng)合理選擇。2）刀體

高速切削中，大量應(yīng)用鍍層和壓層刀具技術(shù)，鑲嵌式刀具使用量很大。高速切削對刀柄和刀具夾頭的要求是：夾緊精度高；傳遞力矩大；結(jié)構(gòu)對稱性好，有利于刀具的動平衡；

3）高速切削安裝和使用刀具的其他問題

（1）提高切削剛度。在高速加工中，支撐工件的夾具應(yīng)該穩(wěn)固地安裝在工作臺上，夾具和工作臺應(yīng)該具有足夠的質(zhì)量和阻尼，以免引起刀具的振動、提高刀具的壽命；（2）考慮刀具承受的離心力。使用的刀具在高速運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的離心力不能超過允許的極限轉(zhuǎn)速，以免發(fā)生致命的事故；（3）特殊的安全措施。2.5.3高速切削參數(shù)

根據(jù)工件材料和加工方法，正確選擇和優(yōu)化切削參數(shù)，是保證高速切削能夠達到預(yù)期效果、避免機床顫振的重要環(huán)節(jié)。在實際生產(chǎn)中，可根據(jù)所加工的材料、工序特征等，通過實驗或仿真的方法來確定最佳的切削參數(shù)。2.6高速切削監(jiān)控技術(shù)

高速切削監(jiān)控技術(shù)主要指在高速切削加工過程中，通過傳感、分析、信號處理等，對高速機床及系統(tǒng)的狀態(tài)進行實時在線的監(jiān)測和控制，包括刀具狀態(tài)和位置、工件狀態(tài)以及機床工況等多方面的監(jiān)測和控制技術(shù)。2.6.1刀具狀態(tài)檢測

分為直接監(jiān)控法和間接監(jiān)控法。直接監(jiān)控法是通過一定的測量手段來確定刀具材料在體積上或重量上的減少，并通過一定的數(shù)學模型來確定刀具的磨損或破損狀態(tài)。間接法則是測量切削過程中與刀具磨損或破損有較大內(nèi)在聯(lián)系的某一種或幾種參量，或測量某種物理現(xiàn)象，根據(jù)其變化并通過一定的標定關(guān)系來監(jiān)控刀具的磨損或破損狀態(tài)。用于間接監(jiān)控的切削參量有切削力、振動、切削功率、切削溫度和聲發(fā)射法等。目前一般采用間接監(jiān)控法。

材料或構(gòu)件因受力產(chǎn)生變形或斷裂，以彈性波的形式釋放出應(yīng)變能稱為聲發(fā)射。利用接收聲發(fā)射信號研究材料、動態(tài)評價結(jié)構(gòu)的完整性稱為聲發(fā)射檢測技術(shù)。聲發(fā)射檢測的原理：從聲發(fā)射源發(fā)射的彈性波最終傳播到達材料的表面，引起可以用聲發(fā)射傳感器探測的表面位移，這些探測器將材料的機械振動轉(zhuǎn)換為電信號，然后再被放大、處理和記錄。人們根據(jù)觀察到的聲發(fā)射信號進行分析與推斷以了解材料產(chǎn)生聲發(fā)射的機制。聲發(fā)射檢測的主要目的是：①確定聲發(fā)射源的部位；②分析聲發(fā)射源的性質(zhì)；③確定聲發(fā)射發(fā)生的時間或載荷；④評定聲發(fā)射源的嚴重性。2.6.2機床位置檢測

為了保證加工精度，高速機床必須配置位置反饋系統(tǒng)和速度反饋系統(tǒng)。目前在數(shù)控機床上常用的測量元件有：三速感應(yīng)同步器、直線（圓形）感應(yīng)同步器、自動同步機、磁尺、光柵、數(shù)碼盤、光電盤等。2.6.3工件狀態(tài)檢測

加工精度是數(shù)控機床的一個重要性能指標，它反映了該臺機床所能保證的理論加工質(zhì)量。在自動化程度非常高的高速加工中為了確保工件的加工質(zhì)量，必須對加工過程中存在的誤差進行及時檢測、補償和控制，要做到這一點，則必須及時檢測被加工工件的狀態(tài)。測量工件質(zhì)量的傳感器有接觸式的和非接觸式的。非接觸式測量方法更適合工件在線測試系統(tǒng)。對于高速加工而言，要做到實時化的在線監(jiān)控，還必須解決好非接觸式的傳感器在加工條件下工作性能不受切屑和冷卻液飛濺影響等問題。2.6.4機床工況檢測

高速加工機床是在比常規(guī)速度高得多的條件下工作的，其切削過程的“危險性”比普通加工方法大得多。為了避免機床的損壞和工件的報廢，必須對機床的運行狀態(tài)（如主軸振動、溫升等）進行實時監(jiān)控。需要采用多傳感的數(shù)據(jù)融合技術(shù)和多模型技術(shù)，應(yīng)用小波理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及模糊控制技術(shù)，快速、有效地提取故障信號特征，對機床故障進行快速診斷與報警。

第三章快速成型技術(shù)3.1概述概念：快速成型技術(shù)是由CAD模型直接驅(qū)動，快速制造任意復雜形狀三維物理實體的技術(shù)。3.1.1零件成型方法分類。零件形狀的成型方式可分為：（1）去除成形：傳統(tǒng)的車、銑、刨、磨等加工方法；（2）添加成形：利用各種機械的、物理的、化學等手段通過有序地添加材料來達到零件設(shè)計要求的成形方法；（3）受迫成形：利用材料的可成形性在特定外圍約束下成形的方法，如傳統(tǒng)鑄造、鍛造和粉末冶金等；（4）生長成形：利用生物材料的活性進行成形的方法。3.1.2快速成形技術(shù)過程

快速成形工藝包括下面幾個步驟：（1）產(chǎn)品三維模型的構(gòu)建：CAD模型，掃描方法+反求工程。（2）三維模型的近似處理：三角形網(wǎng)格化近似處理，STL格式文件。（3）三維模型的分層切片和產(chǎn)生加工路徑。（4）快速成形加工。（5）成形零件的后處理。

3.1.3快速成形技術(shù)特點與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比，快速成形技術(shù)具有如下特點：簡易性：降維制造方法；快速性：CAD模型直接驅(qū)動；柔性：無須工裝；技術(shù)的集成性：計算機、數(shù)控、激光、新材料等應(yīng)用領(lǐng)域廣泛：制造業(yè)，材料工程、醫(yī)學、文化藝術(shù)以及建筑工程。3.2快速成形工藝從1988年世界上第一臺快速成形機問世以來，快速成形制造技術(shù)的工藝方法已有十余種。根據(jù)成形原理的不同，快速成形技術(shù)可分為兩類：(1)基于激光及其他光源的成形技術(shù)，例如：立體光刻技術(shù)、分層實體制造、選區(qū)激光燒結(jié)等；(2)基于噴射的成形技術(shù)，例如：熔融沉積成形、三維立體印刷、多相噴射沉積等。共同點：均采用分層累積成形，并根據(jù)三維CAD模型切片后得到的截面輪廓數(shù)據(jù)，完成每一層的加工。

3.2.1立體光刻成形

立體光刻成形（stereolithography，SL），又稱立體印刷、光固化成形等。CharlesW.Hul于1984年獲立體光刻美國專利，是目前快速成形技術(shù)中研究最多的方法，也是技術(shù)上最為成熟的方法。1、工藝原理立體光刻工藝是利用液態(tài)光敏樹脂的光聚合原理工作的。液槽中盛滿液態(tài)光敏樹脂，激光束穿過透射鏡和反射鏡在液體表面掃描，掃描軌跡及激光的有無由計算機控制。光點掃描到的地方，液體就固化。未照射到的地方仍是液態(tài)樹脂。完成一層掃描后，升降工作臺下降一層高度，已成形的層面上又布滿一層樹脂，刮刀將黏度較大的樹脂液面刮平，然后再進行下一層的掃描。新固化的一層牢固地黏在前一層上，如此重復直到整個零件制造完畢，得到一個三維實體模型。

立體光刻成形工藝原理

2、工藝過程

立體光刻成形工藝包括4個過程：（1）制造數(shù)據(jù)獲取。通常將CAD模型沿某一方向分層切片，從而得到一組薄片信息（輪廓信息），并轉(zhuǎn)化為標準的STL格式文件；（2）層準備。層準備通常通過涂層系統(tǒng)完成，層準備有兩項要求：一是準備好待固化的一薄層樹脂；二是要求保證液面位置的穩(wěn)定性和液面的平整性；（3）層固化和層層堆積。層固化是指層準備好后，用一定波長的紫外光按分層所獲取的層片信息，以一定的軌跡或順序照射樹脂液面使其固化為一個薄層的過程。而層層堆積是指層準備與層固化的不斷重復；（4）后處理。后處理使整個零件成形完成后對零件進行的輔助處理工藝，包括原型的清理、去除支撐、后固化以及必要的打磨和噴砂處理等。立體光刻工藝過程3、成形材料1）對材料的基本要求粘度低低粘度樹脂有利于成形中樹脂較快流平。固化速度快直接影響成形的效率。固化收縮小低收縮性樹脂有利于成形出高精度零件。一次固化程度高以減少后固化收縮和變形。濕態(tài)強度高以保證后固化過程不產(chǎn)生變形、膨脹及層間剝離。溶脹小溶脹會造成零件尺寸偏大。毒性小。2）材料種類光敏樹脂通常由兩部分組成：光引發(fā)劑和樹脂。根據(jù)光引發(fā)劑引發(fā)機理不同，光固化樹脂可分為3類：自由基光固化樹脂、陽離子光固化樹脂和混雜型光固化樹脂。3）材料的收縮變形

樹脂在固化過程中體收縮約為10%，線收縮約為3%。收縮主要由兩部分組成：一部分是固化收縮，另一部分是激光掃描到液體樹脂表面，由于溫度變化引起的熱脹冷縮（可忽略不計）。4、工藝特點

優(yōu)點：（1）成形過程自動化程度高，速度快。（2）尺寸精度高。SL原型件的尺寸精度可以達到或小于0.1mm。（3）可以制作結(jié)構(gòu)十分復雜、尺寸比較精細的模型。（4）對于內(nèi)部結(jié)構(gòu)復雜、一般切削刀具難以進入的模型，能輕松地一次成形。缺點：（1）成形過程中伴隨著物理和化學變化，制件較易彎曲。需要專門設(shè)計和制造支撐，否則會引起制件變形。（2）液態(tài)樹脂固化后的性能尚不如常用的工業(yè)塑料，脆，易斷裂。工作溫度通常不能超過100℃。若被濕氣侵蝕，還會導致工件膨脹，抗化學腐蝕的能力也不夠好。（3）設(shè)備運轉(zhuǎn)及維護成本較高。（4）使用的材料種類較少。（5）液態(tài)樹脂有一定的氣味和毒性，并且需要避光保護，以防止提前發(fā)生聚合反應(yīng)。（6）通常需要二次固化。3.2.2選區(qū)激光燒結(jié)

選區(qū)激光燒結(jié)（SelectiveLaserSintering，SLS）又稱選擇性激光燒結(jié)、粉末材料選擇性燒結(jié)等。1989年，由美國德克薩斯大學奧斯汀分校的C.R.Dechard研制成功。1、工藝原理SLS成形機的主體結(jié)構(gòu)是安裝兩個活塞機構(gòu)的成形工作缸，一個用于供粉，一個用于成形。成形過程開始前，用紅外線板將粉末材料加熱到恰好低于燒結(jié)點某一溫度，之后，供粉缸活塞上移一給定量，鋪粉滾筒將粉末均勻鋪在成形缸加工表面上，激光束在計算機的控制下以給定的速度和能量對第一層信息進行掃描，激光束掃過之后粉末被燒結(jié)固化為片層，被燒結(jié)的粉末被用來作為支撐，這樣零件的第一層被制作出來。成形缸活塞下移一給定量，供料缸活塞上移，鋪粉滾筒再次鋪粉，激光束按第二層信息進行掃描，所形成的第二層同時被燒結(jié)固化在第一層上，如此逐層疊加，燒結(jié)完后去掉多余的粉末，進行打磨烘干處理得到三維實體零件。SLS工藝原理2、工藝過程1）粉末原料的燒結(jié)（1）金屬粉末的燒結(jié)

①單一成分金屬粉末②金屬混合粉末③金屬粉末與有機黏結(jié)劑粉末的混合體

（2）陶瓷粉末的燒結(jié)（3）塑料粉末的燒結(jié)

2）燒結(jié)件的后處理坯體的后處理方法有多種，如高溫燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)、熔浸和浸漬等。（1）高溫燒結(jié)：金屬和陶瓷坯體可用高溫燒結(jié)的方法進行處理。經(jīng)高溫燒結(jié)后，坯體內(nèi)部孔隙減少，密度、強度增加。（2）熱等靜壓：熱等靜壓是通過流體介質(zhì)將高溫和高壓同時均勻地作用于坯體表面，消除其內(nèi)部氣孔，提高密度和強度，并改善其他性能。（3）熔浸：熔浸是將金屬或陶瓷制件與另一種低熔點的液體金屬接觸或浸埋在液態(tài)金屬內(nèi)，讓金屬填充制件內(nèi)部孔隙，冷卻后得到致密的零件。（4）浸漬：浸漬與熔浸相似，所不同的是浸漬是將液態(tài)非金屬物質(zhì)浸入多孔的坯體的空隙，制件尺寸變化小。3）工藝參數(shù)的影響SLS的工藝參數(shù)主要包括鋪粉層厚、預(yù)熱溫度、激光功率、光斑直徑、掃描速度等。（1）激光能量和掃描速度：成型零件的致密度和強度隨著激光輸出能量的增大而增大，隨著掃描速度的增大而減小。（2）預(yù)熱溫度和鋪粉層厚：粉末的預(yù)熱能明顯地改善成型制品的性能，但預(yù)熱溫度不能超過粉末材料的最低熔點。薄的鋪粉層能提高燒結(jié)質(zhì)量，改善制品的致密度，但薄的鋪粉層會使激光能量對先前燒結(jié)層產(chǎn)生較大的影響。3、成型材料目前用于激光選區(qū)燒結(jié)的材料主要有以下幾種：（1）高分子粉末材料（2）金屬粉末材料（3）陶瓷粉末材料（4）覆膜砂粉末材料4、選區(qū)激光燒結(jié)成型系統(tǒng)：一般由主機、控制系統(tǒng)和冷卻器3部分組成。AFS-500激光快速成形機（北京隆源公司）激光燒結(jié)成形件

5、選區(qū)激光燒結(jié)工藝特點可采用多種材料。成本較低，制造工藝比較簡單，適應(yīng)面廣。高精度。成形速度較慢，成形件結(jié)構(gòu)一般較疏松、多孔，表面質(zhì)量不高，強度較低。選區(qū)激光燒結(jié)一般只適合于中小件的快速成形。三、熔融沉積制造工藝1、原理熔融沉積制造（FusedDepositionModeling，F(xiàn)DM），又稱絲狀材料選擇性溶覆、熔融擠出成模。由美國學者ScottCrump博士于1988年研制成功，并由美國Stratasys公司推出商品化的機器。FDM工藝是利用熱塑性材料的熱熔性、黏結(jié)性，在計算機控制下層層堆積成型。加熱噴頭在計算機控制下，可根據(jù)截面輪廓的信息做X-Y平面運動和高度Z方向的運動。絲狀熱塑性材料由供絲機構(gòu)送至噴頭，并在噴頭中加熱至熔融態(tài)，然后被選擇性地涂覆在工作臺上，快速冷卻后形成截面輪廓。一層截面完成后，噴頭上升一截面的高度，再進行下一層的涂覆。如此循環(huán)，最終形成三維產(chǎn)品。FDM制造工藝原理2、成型材料FDM工藝對成型材料的要求是：①熔融溫度低②黏度低③黏結(jié)性好④收縮率小。FDM工藝選用的材料為絲狀熱塑性材料，常用的有石蠟、塑料、尼龍絲等低熔點材料和低熔點的線材或絲材。3、工藝特點熔融沉積制造工藝作為非激光快速原型制造系統(tǒng)，具有以下優(yōu)點：①成型材料廣泛②成本低③成型過程對環(huán)境無污染存在的問題：①只適合成型中、小塑料件②成型件的表面有較明顯的條紋③需對整個截面進行掃描涂覆，成型時間長。3.2.4分層實體制造工藝

分層實體制造（LaminatedObjectManufacturing，LOM）又稱疊層實體制造或薄形材料選擇性切割，由美國公司于1986年研制成功。1、工藝原理與過程分層實體制造工藝采用薄片材料，片材表面事先涂覆一層熱熔膠。加工時，熱壓輥熱壓材料，使之與下面已成型的工件黏結(jié)。用CO2激光器在剛黏結(jié)的新層上切割出零件截面輪廓和工件外框，并在截面輪廓與外框之間多余的區(qū)域內(nèi)切割出上下對齊的網(wǎng)格；激光切割后，工作臺帶動已成型的工件下降，與帶狀片材分離；供料機構(gòu)轉(zhuǎn)動收料軸和供料軸，帶動料帶移動，工作臺上升到加工平面，熱壓輥熱壓，工件的層數(shù)增加一層，高度增加一個料厚，再在新層上切割截面輪廓。如此反復直至零件的所有截面切割、黏結(jié)完，最后將不需要的材料剝離，得到三維實體零件。LOM工藝原理圖LOM工藝過程（a）鋪紙；（b）壓緊黏合；（c）切割輪廓線；（d）切割完成；（e）剝離；（f）最終原型件。（a）（b）（c）（d）（e）（f）2、成型材料分層實體制造中成型材料為涂有熱熔膠的薄層材料，層與層之間的黏結(jié)是靠熱熔膠保證的。LOM材料一般由薄片材料和熱熔膠兩部分組成。1）薄片材料薄片材料可分為：紙片材、金屬片材、陶瓷片材、復合材料片材等。其中，紙片材應(yīng)用最多。2）熱熔膠主要有：乙烯-醋酸乙烯酯共聚物型熱熔膠、聚酯類熱熔膠、尼龍類熱熔膠或其混合物。3、工藝特點分層實體成型方法具有以下優(yōu)點：（1）制件精度高。（2）分層實體制造中激光束只需按分層信息提高的截面輪廓線切割，無需對整個截面進行掃描，且無需設(shè)計和制造支撐，制作效率高，成本低。缺點：（1）由于材質(zhì)的原因，加工的原型件抗拉性能和彈性不高；（2）易吸濕膨脹，需進行表面防潮處理；（3）薄壁件、細柱件的廢料剝離比較困難；（4）工件表面有臺階紋，需進行打磨處理。3.2.5其他快速成型制造工藝1、三維打印：（3DP—ThreeDimensionPrinting）或稱為三維印刷、粉末材料選擇性粘結(jié)。3DP工藝原理Z406成形機DimensionBST1200es三維打印機

3、無模鑄型制造工藝無模鑄型制造（PatternlessCastingManufacturing，PCM）工藝，將快速成形技術(shù)應(yīng)用到傳統(tǒng)的樹脂砂鑄造工藝中。PCM工藝也是基于快速成形技術(shù)的離散/堆積成形原理，但它是一種完全不同于傳統(tǒng)鑄型制造工藝的造型方法。零件CAD模型鑄型CAD模型分層、生成掃描路徑最表層鋪砂噴射樹脂黏結(jié)劑噴射催化劑造型完畢清除干砂涂敷涂料澆鑄鑄件無模鑄型制造工藝原理3.3快速成型技術(shù)中的數(shù)據(jù)處理

快速成形技術(shù)中數(shù)據(jù)處理的主要任務(wù)是從產(chǎn)品CAD模型或其它模型經(jīng)過分層、填充，產(chǎn)生工藝加工信息的層片文件。快速成型數(shù)據(jù)流程3.3.1快速成型技術(shù)中的數(shù)據(jù)來源

快速成型的三維數(shù)據(jù)主要來源于三維CAD系統(tǒng)和反求工程。1、三維CAD

由三維CAD軟件生成產(chǎn)品的曲面模型或?qū)嶓w模型，將CAD模型轉(zhuǎn)化為三角網(wǎng)格模型（STL模型），然后分層得到加工路徑?；蛘邔δＰ椭苯臃謱拥玫骄_的截面輪廓，再生成加工路徑。

三維模型的形體表達方法：構(gòu)造實體幾何法、邊界表達法、參數(shù)表達法、單元表達法。2、反求工程

設(shè)計的初始信息狀態(tài)不是CAD模型，而是各種形式的物理模型或?qū)嵨飿蛹?。首先對實物進行三維數(shù)字化處理，數(shù)字化手段包括傳統(tǒng)測繪及各種先進測量方法。物體三維幾何形狀的測量方法基本可分為接觸式和非接觸式兩大類，而測量系統(tǒng)與物體的作用主要有光、聲、機、電等方式。傳統(tǒng)的坐標測量機、激光掃描機、零件斷層掃描機等。反求工程軟件有CopyCAD，Surface，Imageware，GeoMagic等。3.3.2STL數(shù)據(jù)格式

由于CAD系統(tǒng)眾多，數(shù)據(jù)格式各不相同，CAD模型要在快速成型系統(tǒng)中進行制造，必須進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。常用的轉(zhuǎn)換格式有STL，IGES，CFL等。1）STL文件STL文件是將三維模型表面進行三角網(wǎng)格化獲得的。三角形的網(wǎng)格化就是用小三角形面片去逼近自由曲面，三角形面片數(shù)越多，近似程度越好，精度越高。每個三角形面片由三角形的3個頂點和指向模型外部的面片法向矢量組成，法向矢量用于指明材料包含在面片的哪一邊。

STL文件的格式

STL文件格式的優(yōu)點：（1）數(shù)據(jù)格式簡單，處理方便，與具體的CAD系統(tǒng)無關(guān)。（2）對原CAD模型的近似度高。（3）幾乎任何三維幾何模型都可以通過表面的三角化生成STL文件。（4）模型易于分割。缺點：（1）近似性（2）數(shù)據(jù)冗余（3）易產(chǎn)生裂縫、空洞、懸面、重疊面和交叉面等錯誤信息。

2）STL文件規(guī)范（1）共頂點原則：每相鄰的兩個三角形只能共享兩個頂點，即一個三角形的頂點不能落在相鄰的任何一個三角形的邊上。

（a）正確（b）錯誤共頂點原則

（2）取向原則：

逆時針的頂點排序表示該表面為外表面，順時針的頂點排序表示該表面為內(nèi)表面。根據(jù)小三角形頂點排列的順序，用右手法則判斷三角形平面法向量方向。對于相鄰的小三角形平面，不能出現(xiàn)取向矛盾。

（a）錯誤（b）正確取向原則

（3）充滿原則：

又稱合法實體規(guī)則，即在三維模型的所有表面上，必須布滿小三角形平面，不得有任何遺漏（即不能有裂縫或孔洞）；不能有厚度為零的區(qū)域等。

（4）取值原則

每個頂點的坐標值必須是非負的，即STL模型必須落在第一象限。

3）STL文件缺陷分析（1）間隙：這主要是由于三角面片的丟失引起的。（2）法向量錯誤：三角形頂點次序與三角形面片的法向量不滿足右手規(guī)則。

（3）頂點錯誤：三角形的頂點在另一個三角形的某條邊上。（4）重疊或分離錯誤：主要由三角形頂點計算時的舍入誤差造成的。

（5）面片退化：面片退化是指小三角形面片的三條邊共線，三角形面片ABC已經(jīng)退化成一條直線段。（6）拓撲信息紊亂：這主要是由某些微細特征在三角形網(wǎng)格化時的圓整所造成的。(a)(b)(c)拓撲信息紊亂(a)直線段屬于多個三角形面片；(b)頂點位于面片內(nèi)；(c)面片重疊。

3.3.3三維模型分層處理分層算法按使用的數(shù)據(jù)格式可分為CAD模型的直接分層和基于STL模型的分層。按分層厚度是否變化可分為等層厚切片和適應(yīng)性切片。1）分層方向不同的分層方向會對工件品質(zhì)（尺寸精度、表面粗糙度、強度等）、材料成本和制作時間產(chǎn)生很大的影響。

①分層方向?qū)ぜ焚|(zhì)的影響一般而言，無論哪種快速成形方法，由于不易控制工件Z方向的翹曲變形等原因，使工件的X-Y方向的尺寸精度比Z方向更易保證，應(yīng)該將精度要求較高的輪廓，盡可能放置在X-Y平面。

②分層方向?qū)Σ牧铣杀镜挠绊懖煌姆謱臃较驅(qū)е虏煌牟牧舷牧俊＂鄯謱臃较驅(qū)χ谱鲿r間的影響不同的加工方向影響總的分層數(shù)，因而會造成分層疊加成形時間的重大差別。分層方向也會影響后處理時間。（a）（b）（c）分層方向選擇實例（a）最小臺階誤差；（b）最小支撐面積；（c）最短加工時間。

2）分層方法①基于STL模型的分層方法按照對三角形信息的組織形式的不同，分層算法可分為三類：基于拓撲信息的分層處理算法基于三角面片的位置信息的分層處理算法三角面片沒有組織形式的分層算法

②容錯分層容錯（tolerate-errorsslicing）基本上避開STL文件三維層次上的糾錯問題，直接在二維層次上進行修復。

③適應(yīng)性分層一些微細特征(如尖點)在等層厚分層處理時，可能會處在兩個層面之間，導致特征丟失以及平坦區(qū)域的特征改變(如圖)，A處的尖角特征消失，B處平坦的斜面變成了階梯。而適應(yīng)性分層的方法可以降低這些問題的影響。分層處理造成的特征丟失（a）原始模型；（b）分層后的形狀。

④CAD模型直接分層在加工高次曲面時，直接分層明顯優(yōu)于STL方法：能減少快速成形的前處理時間；可避免STL格式文件的檢查和糾錯過程；可降低模型文件的規(guī)模；能提高制件的精度。但它也具有明顯的缺點，如難以對模型自動加支撐以及需要復雜的CAD軟件環(huán)境等。

CAD模型及其直接分層

3.3.4數(shù)據(jù)處理中的其他問題1、支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計支撐結(jié)構(gòu)可以防止零件在加工過程中發(fā)生變形，保持零件在加工過程中的穩(wěn)定性，保證原型制作時相對于加工系統(tǒng)的精確定位。

（a）（b）（c）支撐對零件加工質(zhì)量的影響（a）零件設(shè)計圖；（b）未加入支撐的加工零件；（c）加入支撐的加工零件。

一個不良的支撐結(jié)構(gòu)會造成變形、位置偏移、坍塌、裂縫等問題，甚至造成無法成形。支撐的質(zhì)量主要從以下三方面進行判斷：①支撐的強度和穩(wěn)定性；②支撐的加工時間；③支撐的可去除性。SL工藝中常見的支撐類型：（a）網(wǎng)狀支撐；（b）線狀支撐；（c）點狀支撐；（d）三角片狀支撐。

（a）（b）（c）（d）（a）網(wǎng)狀支撐；（b）線狀支撐；（c）點狀支撐；（d）三角片狀支撐

（a）（b）（c）網(wǎng)狀支撐實例（a）原型零件；（b）網(wǎng)狀支撐；（c）加入支撐后的零件。

2、層片掃描路徑規(guī)劃掃描路徑是指加工過程中掃描頭的軌跡，一般包括輪廓和填充兩部分。合適的掃描方式和路徑規(guī)劃可以提高原型的精度、表面質(zhì)量和強度，節(jié)約造型時間和成形材料。設(shè)計掃描方式主要考慮以下三個準則：①截面輪廓形狀復雜程度②加工精度③加工效率

目前已有的掃描方式有多種，如順序往返直線掃描、分區(qū)掃描、環(huán)形掃描、分形掃描、三角形剖分掃描等。

（a）（b）（c）（d）幾種掃描方式（a）順序往返直線掃描；（b）分區(qū)掃描；（c）環(huán)形掃描；（d）分形掃描

3、光斑半徑補償

在進行光斑半徑補償時，首先要識別出層片截面輪廓的內(nèi)外邊界，然后才能決定補償矢量，因此層片截面內(nèi)外輪廓的識別是進行光斑半徑補償?shù)幕A(chǔ)。光斑半徑補償與數(shù)控加工中的刀具半徑補償原理相同。在樹脂固化過程中，光斑中心運動的邊界線不能是切片后得到的理論輪廓線，而應(yīng)根據(jù)輪廓的內(nèi)外性，將理論輪廓線向內(nèi)側(cè)或外側(cè)偏移一段距離，來作為實際加工時的光斑中心的運動軌跡，這就是光固化工藝中的光斑半徑補償。

實線為補償前的理論輪廓線，虛線為補償后的實際輪廓線。

4、模型的幾何處理包括大原型的分割拼裝，以及模型抽殼、反型規(guī)則等。模型分割和抽殼

5、排樣多零件排樣在快速成形制造中有著很重要的意義，其目標是使原型排列盡可能稠密，從而使加工空間的利用效率最大化，提高成形速度和材料利用率。三維排樣

3.4快速成型技術(shù)中的后處理

從快速成形機上取下的制品往往需要進行剝離，以便去除廢料和支撐結(jié)構(gòu)，有的還需要進行后固化、修補、打磨、拋光和表面強化處理等，這些工序統(tǒng)稱為后處理。一、剝離剝離有三種方法：手工剝離化學剝離加熱剝離二、修補、打磨和拋光當工件表面有較明顯的小缺陷而需要修補時，可以用熱熔性塑料、乳膠與細粉料調(diào)和而成的膩子，或濕石膏予以填補，然后用砂紙打磨、拋光。常用工具有各種粒度的砂紙、小型電動或氣動打磨機。三、表面涂覆對于快速成形工件，典型的涂覆方法有如下幾種：噴刷涂料電化學沉積無電化學沉積物理氣相沉積方法3.5快速成型精度分析

快速成型精度是指成型件與原三維CAD設(shè)計模型之間的符合程度，包括幾何形狀精度、尺寸精度以及表面精度?？焖俪尚途热Q于快速成型所采取的工藝方法及設(shè)備；同時，數(shù)據(jù)處理、成型過程以對制件的后處理等對成型精度均有影響。3.5.1工藝和設(shè)備對成型精度的影響工藝和設(shè)備對成型精度的影響主要有：掃描直徑的限制、成型材料的收縮變形及熱應(yīng)力分布不均、機械本體誤差、成型加工的控制精度等。3.5.2數(shù)據(jù)處理過程對成型精度的影響

數(shù)據(jù)處理是指從CAD模型獲取成形機所能接受的控制數(shù)據(jù)的過程，數(shù)據(jù)的精度直接影響到控制的精度，自然也就影響零件的精度。

產(chǎn)生誤差的原因主要有兩個：(1)面型化處理造成的誤差。(2)

分層切片時產(chǎn)生的臺階誤差。圓柱體面型化的形狀不同的制造層厚形成的零件的制造精度不同（a）較大的制造層厚；（b）較小的制造層厚。

如圖所示零件尺寸A=3.24mm、B=57.78mm。當分層時選層厚Δt=0.10mm時，制作出的原型尺寸A=3.20mm、誤差0.04mm，尺寸B=57.80mm、誤差0.02mm。當選擇層厚為Δt=0.05mm時，尺寸A=3.25mm、誤差0.01mm，尺寸B=57.80mm、誤差0.02mm，由此可以看出層厚越小誤差越小。當選擇層厚Δt=0.09mm時，尺寸A=3.24mm、尺寸B=57.78mm，誤差為零，由此可進一步看出當所選層厚可以被公稱尺寸整除時，誤差為零。分層切片產(chǎn)生誤差

當零件上的微小特征信息尺寸小于分層厚度時，該微小信息可能被丟失，例如下圖所示零件，當分層厚度Δt=0.1mm時，第200切片層與第201切片層均未切到微槽，微小槽的信息被丟失。零件上微小特征信息丟失減少原理性臺階誤差影響的措施：①盡量減小層厚。缺點是會成倍地增加制造時間。②采用適應(yīng)性分層算法，并優(yōu)選分層方向，例如采用斜切法。③使用軟件進行補償和修正。在軟件上，根據(jù)零件特征在對CAD模型進行數(shù)據(jù)處理時適當加以修改，以降低原理性誤差。④分區(qū)變層厚固化工藝。

圖（a）為對CAD模型的分區(qū)示意圖，實體部分的層厚與表面部分的層厚之比為3∶1，圖（b）~（e）為第n層的成形過程。圖（b）為先將大層厚的實體部分掃描固化，固化后，托板提升至圖（c），進行輪廓部分的第一層固化，然后托板下降至圖（d），進行輪廓部分第二層的固化，再下降至圖（e），進行輪廓部分的第三層固化；當進行n+1層固化時，重復此過程。

分區(qū)變層厚固化工藝過程3.5.3成型過程對精度的影響

1、層準備時產(chǎn)生的誤差假如液態(tài)樹脂的實際液面位置與相對理想的位置發(fā)生ΔL的波動，如圖3-41所示。激光束發(fā)散角為θ，則引起光斑直徑Φ變化ΔΦ=2ΔLtgθ。同時引起光點位置的變化Δγ=ΔLcosα，其中α為光斑處于γ處光線與樹脂液面的夾角。液面位置波動引起光斑位置與直徑變化

2、層制造與層疊加產(chǎn)生的誤差主要包括成形機的工作臺移動誤差（影響原型的z方向的誤差）和激光掃描誤差，這些誤差均由成形機的數(shù)控裝置來保證。層制造與層疊加的另一種誤差為原材料在成形中產(chǎn)生的誤差，這類誤差分為以下幾個方面：①原材料的狀態(tài)變化。②不一致的約束。③疊層高度的累積誤差。④成形功率控制不恰當使原型產(chǎn)生誤差。⑤工藝參數(shù)不穩(wěn)定產(chǎn)生的誤差。3.5.4后處理過程對成型精度的影響（1）SL、FDM制品需剝離支撐等廢料，支撐去除后工件可能要發(fā)生形狀及尺寸的變化，破壞已有的精度。（2）LOM制品雖無支撐但廢料往往很多，剝離廢料時受力將產(chǎn)生變形，特別是薄殼類零件變形尤其嚴重。（3）SLS成形金屬件時，需將原型重新置于加熱爐中燒除粘結(jié)劑、燒結(jié)金屬粉和滲銅，從而引起工件形狀和尺寸誤差。（4）制件的表面狀況和力學性能等方面還不能完全滿足最終產(chǎn)品的要求，采用修補、打磨、拋光等提高表面質(zhì)量的工藝，表面涂覆是為了改變制品表面顏色提高其強度和其他性能，但在此過程中若處理不當都會影響原型的尺寸及形狀精度產(chǎn)生后處理誤差。3.6快速成型技術(shù)的應(yīng)用3.6.1新產(chǎn)品研制新產(chǎn)品的開發(fā)過程一般為：概念設(shè)計（或改型設(shè)計）—造型設(shè)計—結(jié)構(gòu)設(shè)計—基本功能評估—模擬樣件試制?？焖俪尚渭夹g(shù)可直接將產(chǎn)品CAD模型轉(zhuǎn)換成實物原型?？焖僭驮谛庐a(chǎn)品開發(fā)過程中的價值是無可估量的。評估產(chǎn)品外形。檢查設(shè)計質(zhì)量。產(chǎn)品功能檢測。體驗產(chǎn)品手感。裝配干涉檢驗。供貨詢價及用戶評價。反求工程。第4章特種加工技術(shù)4.1概述特種加工是20世紀40年代發(fā)展起來的。由于材料科學、高新技術(shù)的快速發(fā)展，對產(chǎn)品的性能要求也越來越高。各種新材料、新結(jié)構(gòu)、形狀復雜的機械零件大量涌現(xiàn)，對機械制造業(yè)提出了一系列迫切需要解決的新問題。（如各種難切削加工材料的加工，各種結(jié)構(gòu)形狀復雜零件的加工、尺寸微小或特大零件的加工、薄壁或彈性元件的加工）。這些采用傳統(tǒng)加工方法十分困難，甚至無法加工。在此基礎(chǔ)上，一種區(qū)別于傳統(tǒng)加工的特種加工應(yīng)用而生。

特種加工：將電、磁、光、聲、熱等能量及其他組合施加在工件的被加工部位上，從而實現(xiàn)材料的去除、變形、改變性能或被鍍覆等的非傳統(tǒng)加工方法。特種加工具有以下特點：（1）特種加工主要依靠電、化學、磁、聲、光、熱等能量去除材料，而不是主要依靠機械能。（2）工具硬度可低于被加工材料的硬度。（3）加工過程中工具與工件不存在顯著的機械切削力，因此不存在顯著的機械應(yīng)力，機械變形較小，形狀尺寸穩(wěn)定性較好。（4）有些特種加工，如電化學、超聲波等加工余量非常細微，因此可以用來加工尺寸微小的孔或槽，還能獲得高精度和很小的表面粗糙度。（5）兩種或兩種以上的不同類型的能量可相互組合形成新的復合加工（電化學電弧加工，超聲放電加工等）。特種加工分類：電火花加工、電化學加工、激光加工、電子束加工、離子束加工、等離子弧加工、超聲波加工等。4.1.2特種加工對材料可加工性和結(jié)構(gòu)工藝性的影響提高了材料的可加工性改變了零件的典型工藝路線。改變了試制新產(chǎn)品的模式對產(chǎn)品零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來很大的影響對傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)工藝性的好與壞需要重新衡量已經(jīng)成為微細加工和納米加工的主要手段4.2電火花加工技術(shù)4.2.1電火花加工原理

電火花加工（electricaldischargemachining，EDM）又稱放電加工、電蝕加工，是20世紀40年代中期發(fā)展起來的。（1943年前蘇聯(lián)科學家拉扎林科