先進制造工藝技術(shù)

先進制造技術(shù)AdvancedManufacturingTechnology1第三章

先進制造工藝技術(shù)第四節(jié)優(yōu)質(zhì)高效焊接及切割技術(shù)第五節(jié)優(yōu)質(zhì)低耗潔凈熱處理技術(shù)第六節(jié)優(yōu)質(zhì)清潔表面工程技術(shù)第一節(jié)概述第三節(jié)精確高效金屬塑性成形工藝第二節(jié)精密潔凈鑄造工藝2第三章

先進制造工藝技術(shù)第七節(jié)

超高速加工技術(shù)第八節(jié)超精密加工技術(shù)第九節(jié)微型機械加工技術(shù)第十一節(jié)快速原型制造技術(shù)第十二節(jié)虛擬成形與加工技術(shù)第十節(jié)非傳統(tǒng)加工技術(shù)3

本節(jié)要點機械制造工藝的定義和內(nèi)涵先進制造工藝的產(chǎn)生、發(fā)展和特點第一節(jié)概述4第一節(jié)概述

一、機械制造工藝的定義和內(nèi)涵

機械制造工藝：將各種原材料通過改變其形狀、尺寸、性能或相對位置，使之成為產(chǎn)品或半成品的方法和過程。5

毛坯和零件成形——鑄造、鍛壓、沖壓、焊接、壓制、燒結(jié)、注塑、壓塑…

機械加工——切削、磨削、特種加工

材料改性與處理——熱處理、電鍍、轉(zhuǎn)化膜、涂裝、熱噴涂…

機械裝配——把零件按一定的關(guān)系和要求連接在一起，組合成部件和整臺機械產(chǎn)品，包括零件的固定、連接、調(diào)整、平衡、檢驗和試驗等工作鑄造金屬材料焊接鍛壓粉末冶金毛坯熱處理切削加工零件裝配機器6機械制造工藝方法與分類大類中類代碼代碼名稱0123456789中類名稱0鑄造砂型鑄造特種鑄造1壓力加工鍛造軋制沖壓擠壓旋壓拉拔其他2焊接電弧焊電阻焊氣焊壓焊特種焊接釬焊3切削加工刃具加工磨削鉗加工4特種加工電物理加工電化學(xué)加工化學(xué)加工復(fù)合加工其他5熱處理整體熱處理表面熱處理化學(xué)熱處理6覆蓋層電鍍化學(xué)鍍真空沉積熱侵鍍轉(zhuǎn)化膜熱噴涂涂裝其他78裝配包裝裝配試驗與檢驗包裝9其他粉末冶金冷作非金屬成形表面處理防銹纏繞編織其他機械制造工藝方法類別劃分及代碼（JB/T5992-92）7零件成形方法受迫成形在特定邊界和外力約束下成形，如鑄造、鍛壓、粉末冶金和注射成形等；去除成形將材料從基體中分離出去成形，如車、銑、刨、磨、電火花、激光切割；堆積成形將材料有序地合并堆積成形，如快速原形制造、焊接等。生成成形是利用材料的活性進行成形的方法。8二、先進制造工藝的產(chǎn)生和發(fā)展

先進制造工藝是在傳統(tǒng)的機械制造工藝基礎(chǔ)上發(fā)展來的，優(yōu)化后的工藝和新型加工方法。是核心和基礎(chǔ)。

（1）制造加工精度不斷提高

18世紀，其加工精度為1mm；

19世紀末，0.05mm；

20世紀初，μm級過渡；

20世紀50年代末，實現(xiàn)了μm級的加工精度；目前達到10nm的精度水平。

手段：優(yōu)化加工方法；開發(fā)和研制新型刀具材料；研制超精密機床；對加工精度進行監(jiān)控。921世紀的超精密加工將向分子級、原子級精度推進10

（2）切削加工速度迅速提高

刀具材料發(fā)展。

11

20世紀前，碳素鋼，耐熱溫度低于200oC，切削速度不超過10m/min；

20世紀初，高速剛，溫度可達500～600oC，切削速度30～40m/min;20世紀30年代，硬質(zhì)合金，800～1000oC，速度可達100m/min；

陶瓷刀具、金剛石刀具、立方氮化硼刀具，耐熱溫度達1000oC以上，切削速度可達1000m/min以上。12

（3）新型工程材料的應(yīng)用推動了制造工藝的進步和變革超硬材料、超塑材料、高分子材料、復(fù)合材料、工程陶瓷、非晶與微晶合金、功能材料。

手段：改善刀具材料的切削性能，改進設(shè)備；新型的制造工藝，電火花、電解、超聲波、電子束、離子束加工。13

（4）自動化和數(shù)字化工藝裝備的發(fā)展提高了機械加工的效率微電子、計算機、自動檢測和控制技術(shù)與制造工藝技術(shù)相結(jié)合，多種自動化。

單機自動化→系統(tǒng)自動化

剛性自動化→柔性自動化→綜合自動化工藝過程和工藝參數(shù)得到實時優(yōu)化，提高加工制造效率和質(zhì)量。14

（5）零件毛坯成形在向少無余量發(fā)展

使毛坯從接近零件形狀向直接制成工件精密成形或稱凈成形的方向發(fā)展毛坯接近或達到零件最終形狀。

成形方法有：

傳統(tǒng)方法：鑄造、鍛造、沖裁、焊接和軋制。

先進方法：熔模精密鑄造、精密鍛造、精密沖裁、精密焊接和精密切割。15

（6）優(yōu)質(zhì)清潔表面工程技術(shù)的形成和發(fā)展

表面工程技術(shù)：表面涂覆、表面改性、表面加工等，來改變形態(tài)、化學(xué)成分和組織結(jié)構(gòu)。電刷鍍、熱噴涂、化學(xué)熱處理、激光表面處理。提高產(chǎn)品性能、延長產(chǎn)品使用壽命、裝飾環(huán)境。16

本節(jié)要點1.定義2.近代化學(xué)硬化砂鑄造工藝3.高效金屬型鑄造工藝及設(shè)備壓力鑄造擠壓鑄造消失模鑄造第二節(jié)精密潔凈鑄造工藝17181920精密、潔凈、高效21221.近代化學(xué)硬化砂鑄造工藝（1）無機化學(xué)粘結(jié)劑型（芯）砂（2）有機化學(xué)粘結(jié)劑型（芯）砂232高效金屬型鑄造工藝及設(shè)備24（3）按金屬的充填方式和凝固特點分：金屬型重力鑄造、金屬型低壓鑄造、金屬型離心鑄、金屬型高壓鑄造、金屬型擠壓鑄造2526金屬型高壓鑄造27金屬型低壓鑄造2829金屬型離心鑄30311.壓力鑄造技術(shù)3233（6）壓鑄設(shè)備簡介壓鑄機一般分為熱壓室壓鑄機和冷壓室壓鑄機兩大類，而冷壓室壓鑄機按其壓室所處的位置分為立式、臥式、全立式三種。34點合金353.擠壓鑄造技術(shù)1937年，蘇聯(lián)，《液態(tài)金屬模壓》，英文譯為《ExtrusionCasting》，實質(zhì)：澆入金屬型中的液態(tài)金屬，在通過沖頭傳遞的壓力作用下，進行充填、成形和凝固結(jié)晶，從而獲得鑄件。3637383940414243（2）我國擠壓鑄造業(yè)存在的問題擠壓鑄造設(shè)備只相當(dāng)于國外70年代水平。生產(chǎn)規(guī)模小，技術(shù)含量低。產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，廢品率高。44（3）擠壓鑄造工藝的發(fā)展趨勢用擠壓鑄造法將液態(tài)金屬壓滲到陶瓷纖維增強材料中，制成局部增強金屬基復(fù)合材料，將成為廉價、便捷的批量生產(chǎn)先進金屬基復(fù)合材料的良好方法。擴大應(yīng)用，提高質(zhì)量，使鑄件向更優(yōu)質(zhì)、高性能、大型化、復(fù)雜化的方向發(fā)展。改造原有擠壓鑄造設(shè)備，發(fā)展新的擠壓鑄造機系列。454.消失模鑄造技術(shù)46474849505152535455565758596061626364656667686970717273

本節(jié)要點精密和超精密加工的劃分精密和超精密加工主要研究內(nèi)容超精密切削加工超精密磨削和磨料加工第三節(jié)超精密加工技術(shù)74超精密加工

—在一定的發(fā)展時期，加工精度和表面質(zhì)量達到最高程度的加工工藝。一、概述發(fā)展尖端技術(shù)、國防工業(yè)、微電子工業(yè)都需要精密和超精密加工出來的儀器設(shè)備。

當(dāng)代的精密工程、微細工程和納米技術(shù)是現(xiàn)代技術(shù)的前沿，是明天制造技術(shù)的基礎(chǔ)。75零件加工精度表面粗糙度

激光光學(xué)零件形狀誤差0.1μmRa0.01～0.05μm

多面鏡平面度誤差0.04μmRa＜0.02μm

磁頭平面度誤差0.04μmRa＜0.02μm

磁盤波度0.01～0.02μmRa＜0.02μm

雷達導(dǎo)波管平面度垂直度誤差＜0.1μmRa＜0.02μm

衛(wèi)星儀表軸承圓柱度誤差＜0.01μmRa＜0.002μm

天體望遠鏡形狀誤差＜0.03μmRa＜0.01μm

幾種典型精密零件的加工精度◆

幾種典型精密零件的加工精度（見下表）76

精密加工與超精密加工的發(fā)展（Taniguchi，1983）普通加工精密加工超精密加工超高精密磨床超精密研磨機離子束加工分子對位加工車床,銑床卡尺加工設(shè)備測量儀器精密車床磨床百分尺比較儀坐標鏜床坐標磨床氣動測微儀光學(xué)比較儀金剛石車床精密磨床光學(xué)磁尺電子比較儀超精密磨床精密研磨機激光測長儀圓度儀輪廓儀激光高精度測長儀掃描電鏡電子線分析儀加工誤差（μm）10010110210-210-110-3190019201940196019802000年份◆精密加工與超精密加工的發(fā)展（如下圖）77按加工精度劃分，可將機械加工分為普通加工、精密加工、超精密加工三個階段。

1.精密和超精密加工的劃分加工階段加工精度表面粗糙度加工方法普通加工低于1μmRa0.1μm以上車、銑等精密加工0.1～1μmRa0.01～0.1μm金剛車、金剛鏜、研磨、砂帶磨削、超精加工超精密加工高于0.1μm小于Ra0.01μm金剛石刀具超精密切削、超精密磨削加工、超精密特種加工78分類加工方法加工刀具精度/μm表面粗糙度Ra/μm被加工材料應(yīng)

用刀具切削加工切削精密、超精密車削天然單晶金剛石刀具、人造聚晶金剛石刀具、立方氮化硼刀具、陶瓷刀具、硬質(zhì)合金刀具1～0.10.05～0.008金剛石刀具、有色金屬及其合金等軟材料，其他材料刀具，各種材料球、磁盤、反射鏡精密、超精密銑削多面棱體精密、超精密鏜削活塞銷孔微孔鉆削硬質(zhì)合金鉆頭，高速鋼鉆頭20～100.2低碳鋼、銅、鋁、石墨、塑料印刷線路板、石墨模具、噴嘴磨料加工磨削精密、超精密砂輪磨削氧化鋁、碳化硅、立方氮化硼、金剛石等磨料砂輪5～0.50.05～0.008黑色金屬、硬脆材料、非金屬材料外圓、孔、平面精密、超精密砂帶磨砂帶平面、外圓磁盤、磁頭研磨精密、超精密研磨鑄鐵、硬木、塑料等研具，氧化鋁、碳化硅、金剛石等磨料1～0.10.025～0.008黑色金屬、硬脆材料、非金屬材料外圓、孔、平面油石研磨氧化鋁油石、瑪瑙油石、電鑄金剛石油石平面磁性研磨磁性磨料10～10.01黑色金屬外圓去毛刺滾動研磨固結(jié)磨料、游離磨料、化學(xué)或電解作用液體黑色金屬等型腔拋光精密、超精密拋光拋光器氧化鋁、氧化鉻等磨料1～0.10.025～0.008黑色金屬、鋁合金外圓、孔、平面常用精密加工和超精密加工方法79液體動力拋光帶有楔槽工作表面的拋光器拋光液0.1～0.010.025～0.008黑色金屬、非金屬材料、有色金屬平面、圓柱面水合拋光聚氨酯拋光器拋光液0.1～0.10.01黑色金屬、非金屬材料平面磁流體拋光非磁性磨料磁流體0.1～0.10.01黑色金屬、非金屬材料、有色金屬平面擠壓研拋粘彈性物質(zhì)磨料50.01黑色金屬等型面、型腔去毛刺、倒棱噴射加工磨料液體50.01～0.02黑色金屬等孔、型腔砂帶研拋砂帶接觸輪1～0.10.01～0.008黑色金屬、非金屬材料、有色金屬外圓、孔、平面、型面超精研拋研具(脫脂木材，細毛氈)、磨料、純水1～0.10.01～0.008黑色金屬、非金屬材料、有色金屬平面超精加工精密超精加工磨條磨削液1～0.10.025～0.01黑色金屬等外圓珩磨精密珩磨磨條磨削液1～0.10.025～0.01黑色金屬等孔特種加工電火花加工電火花成形加工成形電極，脈沖電源、煤油、去離子水50～12.5～0.02導(dǎo)電金屬型腔模80特種加工電火線切割加工鉬絲、銅絲、脈沖電源、煤油、去離子水20～32.5～0.16沖模、樣板(切斷開槽)電化學(xué)加工電解加工工具極(銅、不銹鋼)電解液100～31.25～0.06導(dǎo)電金屬型孔、型面、型腔電鑄導(dǎo)電原模電鑄溶液10.02～0.012金屬成形小零件化學(xué)加工蝕刻掩模板、光敏抗蝕劑、離子束裝置、電子束裝置0.12.5～0.2金屬、非金屬、半導(dǎo)體刻線、圖形化學(xué)銑削刻形、光學(xué)腐蝕溶液、耐腐蝕涂料20～102.5～0.2黑色金屬、有色金屬等下料、成形加工(如印刷線路板)超聲加工超聲波發(fā)生器、換能器、變幅桿、工具30～52.5～0.04任何硬脆金屬和非金屬型孔、型腔微波加工針狀電極(鋼絲、銥絲)、波導(dǎo)管106.3～0.12絕緣材料、半導(dǎo)體打孔紅外光加工紅外光發(fā)生器106.3～0.12任何材料打孔、切割電子束加工電子槍、真空系統(tǒng)、加工裝置(工作臺)10～16.3～0.12任何材料微孔、鍍膜、焊接、蝕刻離子束加工離子束去除加工離子槍、真空系統(tǒng)、加工裝置(工作臺)0.01～0.0010.02～0.01任何材料成形表面、刃磨、蝕刻離子束附著加工1～0.10.02～0.01鍍膜離子束結(jié)合加工

注入、摻雜激光束加工激光器、加工裝置(工作臺)10～16.3～0.12任何材料打孔、切割、焊接、熱處理81一、概述1.精密和超精密加工的劃分2.精密和超精密加工技術(shù)的地位與作用82（1）超精密加工是國家制造工業(yè)水平的重要標志之一

超精密加工所能達到的精度、表面粗糙度、加工尺寸范圍和幾何形狀是一個國家制造技術(shù)水平的重要標志之一。例如：金剛石刀具切削刃鈍圓半徑的大小是金剛石刀具超精密切削的一個關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，日本聲稱已達到2nm，而我國尚處于亞微米水平，相差一個數(shù)量級；又如金剛石微粉砂輪超精密磨削在日本已用于生產(chǎn)，使制造水平有了大幅度提高，突出地解決了超精密磨削磨料加工效率低的問題。2.精密和超精密加工技術(shù)的地位與作用83（2）超精密加工國防工業(yè)的需求陀螺儀的加工:導(dǎo)彈系統(tǒng)的陀螺儀質(zhì)量直接影響其命中率，1kg的陀螺轉(zhuǎn)子，其質(zhì)量中心偏離其對稱軸0.5nm，則會引起100m的射程誤差和50m的軌道誤差。

大型天體望遠鏡的透鏡:直徑達2.4m，形狀精度為0.01μm，如著名的哈勃太空望遠鏡，能觀察140億光年的天體。

導(dǎo)彈紅外線探測器反射鏡：其拋物面反射鏡形狀精度為1μm，表面粗糙度為Ra0.01μm，其加工精度直接影響導(dǎo)彈的引爆距離和命中率。激光核聚變用的曲面鏡，其形狀精度小于1μm，表面粗糙度小于Ra0.01μm，其質(zhì)量直接影響激光的光源性能。84（3）信息產(chǎn)品中的需求

計算機上：芯片、磁板基片、光盤基片錄像機的磁鼓、復(fù)印機的感光鼓、各種磁頭、激光打印機的多面體、噴墨打印機的噴墨頭等。（4）民用產(chǎn)品中的需求攝相機、照相機：各種透鏡，特別是光學(xué)曲面透鏡；激光打印機、激光打標機：各種反射鏡；超精密加工設(shè)備和裝置當(dāng)然更需要超精密加工技術(shù)才能制造。85一、概述1.精密和超精密加工的劃分2.精密和超精密加工技術(shù)的地位與作用3.影響精密和超精密加工的因素86

加工方法：金剛石刀具超精密切削、金剛石微粉砂輪超精密磨削、精密砂帶磨削；在非傳統(tǒng)加工中：電子束、離子束、激光束、電火花和電化學(xué)加工等高能加工方法。3.影響精密和超精密加工的因素87（1）被加工材料

材料的化學(xué)成分、物理力學(xué)性能、加工工藝性能均有嚴格要求。例如，要求被加工材料質(zhì)地均勻，性能穩(wěn)定，無外部及內(nèi)部微觀缺陷，不能含有雜質(zhì)；材料在冶煉、鑄造、熱處理等工藝過程中，應(yīng)嚴格控制熔渣過濾、輾軋方向、溫度等，使材質(zhì)純凈、晶粒大小勻稱、無方向性，能滿足物理、化學(xué)、力學(xué)等性能要求。

88加工設(shè)備：有超精密切削磨削機床、各種研磨機和拋光機等。對于超精密加工所用加工設(shè)備應(yīng)有高精度、高剛度、高穩(wěn)定性和高度自動化的要求。（2）超精密加工設(shè)備89

1)高精度。超精密切削機床應(yīng)具有高的幾何精度、運動精度和分辨率。機床大多采用液體靜壓軸承或空氣靜壓軸承的主軸和導(dǎo)軌，并可以進一步采用誤差補償方法來提高其精度。為了能進行微細切削、機床配有微動工作臺，采用電致伸縮、磁致伸縮、彈性元件等微位移機構(gòu)，實現(xiàn)微進給。

（2）超精密加工設(shè)備90

2）高剛度

超精密加工時，切削深度和進給量很小，切削力很小，但仍應(yīng)該有足夠剛度，例如超精密磁盤加工鋁合金基片的端面時，其主軸軸向剛度可達490N/um。91

3)高穩(wěn)定性

在機床結(jié)構(gòu)上，多采用熱導(dǎo)率低、熱膨脹系數(shù)小、內(nèi)阻尼大的天然花崗石來制作床身、工作臺等，也可采用人造花崗石制作床身、工作臺和軸承等。防止熱變形對加工精度的影響：機床放在恒溫室中使用外；控制溫度的密封罩，用液體淋浴或空氣淋浴來消除來自外部及內(nèi)部的熱源影響。液體淋浴靠對流和傳導(dǎo)帶走熱量，可使溫度控制在20±0.006℃，比空氣淋浴好，但成本較高，目前，溫控精密最高可達20±0.005℃。92

4）抗振性好

在機床結(jié)構(gòu)上應(yīng)盡量采用短傳動鏈和柔性連接，以減少傳動元件和動力元件的影響，電動機等動力元件和機床的回轉(zhuǎn)零件應(yīng)進行嚴格的動平衡，以使本身振動最小。為了隔離動力元件等振源的影響，超精密機床可采用分離結(jié)構(gòu)形式，即將電動機、油泵、真空泵等與機床本體分離，單獨成為一個部件，放在機床旁邊，再用皮帶傳動方式連接起來，獲得了很好的效果。對于大件或基礎(chǔ)件，還應(yīng)選用抗振性強的材料。93

5）控制性能好

超精密切削機床采用微機數(shù)字控制，在選擇數(shù)控系統(tǒng)時，不僅要考慮所需完成的功能，而且應(yīng)有良好的控制性能，如插補、進給速度控制、刀具尺寸補償、主軸轉(zhuǎn)速控制等，要求插補速度快、插補精度高、進給速度穩(wěn)定。

還應(yīng)有編程簡便、操縱使用方便、伴有跟蹤顯示等特點。此外，除應(yīng)具有一般機床的靜態(tài)和動態(tài)精度外，還應(yīng)具有良好的隨動精度。94（3）加工工具

主要是指刀具、磨具及刃磨技術(shù)。用金剛石刀具超精密切削，值得研究的問題有：金剛石刀具的超精密刃磨，其刃口鈍圓半徑應(yīng)達到2～4nm，同時應(yīng)解決其檢測方法。

刃口鈍圓半徑與切削厚度關(guān)系密切，若切削的厚度欲達到10nm，則刃口鈍圓半徑應(yīng)為2nm。95（3）加工工具磨具當(dāng)前主要采用金剛石微粉砂輪超精密磨削，這種砂輪有磨料粒度、粘接劑、修整等問題，通常，采用粒度為W20～W0.5的微粉金剛石，粘接劑采用樹脂、銅、纖維鑄鐵等。96（4）檢測與誤差補償

尺寸和形位精度可用電子測微儀、電感測微儀、電容測微儀和激光干涉儀來測量；

表面粗糙度可用電感式、壓電晶體式表面形貌儀等進行接觸測量，或用光纖法、電容法、超聲微波法和隧道顯微鏡法進行非接觸測量；表面應(yīng)力、表面變質(zhì)層深度、表面微裂紋等缺陷，可用X光衍射法、激光干涉法等來測量；

誤差預(yù)防通過提高機床制造精度、保證加工環(huán)境條件等來減少誤差源及其影響；誤差補償是利用誤差補償裝置對誤差值進行靜態(tài)和動態(tài)補償，以消除誤差本身的影響；

97一、概述1.精密和超精密加工的劃分2.精密和超精密加工技術(shù)的地位與作用3.影響精密和超精密加工的因素4.精密與超精密加工環(huán)境98◆恒溫——要求：±1℃～±0.01℃

實現(xiàn)方法：大、小恒溫間+局部恒溫（恒溫罩，恒溫油噴淋）◆恒濕——要求：相對濕度35%～45%，波動±10%～±1%

實現(xiàn)方法：采用空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)

◆凈化——要求：10000～100級（100級系指每立方英尺空氣中所含大于0.5μm塵埃個數(shù)不超過100）

實現(xiàn)方法：采用空氣過濾器，送入潔凈空氣◆隔振——要求：消除內(nèi)部、隔絕外部振動干擾

實現(xiàn)方法：隔振地基，隔振墊層，空氣彈簧隔振器4.精密與超精密加工環(huán)境99一、概述1.精密和超精密加工的劃分2.精密和超精密加工技術(shù)的地位與作用3.影響精密和超精密加工的因素4.精密與超精密加工環(huán)境5.精密和超精密加工主要研究內(nèi)容100

(1)超精密加工的加工機理

在超精密范疇內(nèi)的對各種材料（包括被加工材料和刀具磨具材料）的加工過程、現(xiàn)象、性能以及工藝參數(shù)進行研究；微觀表面完整性研究。

(2)超精密加工設(shè)備制造技術(shù)

納米級超精密車床工程化研究；超精密磨床研究；關(guān)鍵基礎(chǔ)件，如軸系、導(dǎo)軌副、數(shù)控伺服系統(tǒng)、微位移裝置等研究；超精密機床總成制造技術(shù)研究。5.精密和超精密加工主要研究內(nèi)容101

(3)超精密加工刀具、磨具及刃磨技術(shù)

金剛石刀具及刃磨技術(shù)、金剛石微粉砂輪及其修整技術(shù)研究。

(4)精密測量技術(shù)及誤差補償技術(shù)

納米級測量儀器研究；空間誤差補償技術(shù)研究；測量集成技術(shù)研究。

(5)超精密加工工作環(huán)境條件

超精密測量、控溫系統(tǒng)、消振技術(shù)研究；超精密凈化設(shè)備，新型特種排屑裝置及相關(guān)技術(shù)的研究。102一、概述1.精密和超精密加工的劃分2.精密和超精密加工技術(shù)的地位與作用3.影響精密和超精密加工的因素4.精密與超精密加工環(huán)境5.精密和超精密加工主要研究內(nèi)容二、超精密切削加工103二、超精密切削加工

超精密切削：指金剛石刀具超精密車削，主要用于加工銅、鋁等非鐵金屬及其合金，以及光學(xué)玻璃、大理石和碳素纖維等非金屬材料。

用于加工：陀螺儀、激光反射鏡、天文望遠鏡的反射鏡、紅外反射鏡和紅外透鏡、雷達的波導(dǎo)管內(nèi)腔、計算機磁盤、激光打印機的多面棱鏡、錄像機的磁頭、復(fù)印機的硒鼓、菲尼爾透鏡等。超精密切削也服從金屬切削的普遍規(guī)律。金剛石刀具的超精密加工技術(shù)主要應(yīng)用于單件大型超精密零件的切削加工和大量生產(chǎn)中的中小型超精密零件加工。

104

1）極高的硬度、極高的耐磨性和極高的彈性模量。

2）刃口能磨得極其鋒銳，刃口半徑值極小，能實現(xiàn)超薄切削厚度。

3）刀刃無缺陷，切削時刃形將復(fù)制在被加工表面上，從而得到超光滑的鏡面。

4）與工件材料的抗粘性好、化學(xué)親和性小、摩擦系數(shù)低，以得到極好的加工表面完整性。不可替代的超精密切削刀具材料：單晶金剛石。1.超精密切削對刀具的要求105超精密切削刀具用的天然單晶金剛石，大顆粒（0.5～1.5克拉），具有性能特征如下：（1）具有極高的硬度，其硬度達到6000～10000HV；（2）能磨出極其鋒銳的刃口，且切削刃沒有缺口、崩刃等現(xiàn)象。刃口能磨到5～30μm；（3）熱化學(xué)性能優(yōu)越，具有導(dǎo)熱性能好，與有色金屬間的摩擦系數(shù)低，親和力?。唬?）耐磨性好，刀刃強度高。優(yōu)質(zhì)天然單晶金剛石，價格昂貴，淺色透明，無雜質(zhì)、無缺陷。2.金剛石刀具的性能特征106金剛石車床加工4.5mm陶瓷球金剛石車床及其加工照片典型機床簡介107一、概述1.精密和超精密加工的劃分2.精密和超精密加工技術(shù)的地位與作用3.影響精密和超精密加工的因素4.精密與超精密加工環(huán)境5.精密和超精密加工主要研究內(nèi)容二、超精密切削加工三、超精密磨削和磨料加工108

超精密砂輪磨削超精密砂帶磨削三、超精密磨削和磨料加工超精密磨削和磨料加工是利用細粒度的磨?；蛭⒎勰チ现饕獙谏饘佟⒂泊嗖牧线M行加工，分固結(jié)磨料和游離磨料兩加工方式。

固結(jié)磨料加工主要有：

109一、概述二、超精密切削加工三、超精密磨削和磨料加工1.超精密砂輪磨削技術(shù)

1101.超精密砂輪磨削技術(shù)

超精密磨削：加工精度在0.1um以下、表面粗糙度Ra0.025um以下的砂輪磨削方法。磨粒去除切屑極薄，將承受很高的壓力，其切削刃表面受到高溫和高壓作用。用人造金剛石、立方氮化硼(CBN）等超硬磨料砂輪。1111.超精密砂輪磨削技術(shù)

超精密磨削與普通磨削的區(qū)別：主要是切削深度極小，是超微量切除，除微切削作用外，可能還有塑性流動和彈性破壞等作用。超精密磨削與砂輪特性、修整砂輪的工具、修整方法和修整用量等密切相關(guān)。112一、概述二、超精密切削加工三、超精密磨削和磨料加工1.超精密砂輪磨削技術(shù)

2.超精密砂帶磨削技術(shù)1132.超精密砂帶磨削技術(shù)

砂帶上砂粒的等高性和微刃性較好，并采用帶有一定彈性的接觸輪材料，使砂帶磨削具有磨削、研磨和拋光的多重作用，從而可以達到高精度和低表面粗糙度值。

114一、概述二、超精密切削加工三、超精密磨削和磨料加工1.超精密砂輪磨削技術(shù)

2.超精密砂帶磨削技術(shù)3.超精密研磨與拋光技術(shù)1153.超精密研磨與拋光技術(shù)

磨?；蛭⒎鄄皇呛徒Y(jié)合劑固結(jié)在一起，而是呈游離狀態(tài)放在工件和工具之間，新的研磨方式。超精密研磨和拋光加工。

（1）超精密研磨技術(shù)

研磨是在被加工表面和研具之間置以游離磨料和潤滑液，使被加工表面和研具產(chǎn)生相對運動并加壓，磨料產(chǎn)生切削、擠壓作用，從而去除表面凸處。

116超精密研磨技術(shù)：加工誤差達0.1微米以上，表面粗糙度達0.02微米以下的研磨方法，是一種原子、分子加工單位的加工方法。

特點：恒溫條件，磨料與研磨液混合均勻，磨粒的顆粒非常小，研具材料較軟、研具剛度精度高、研磨液嚴格過濾。超精密研磨常作為精密塊規(guī)、球面空氣軸承、半導(dǎo)體硅片、石英晶體、高級平鏡和光學(xué)鏡頭等零件的最后加工工序。研磨劑研磨平面拋光117一、概述二、超精密切削加工三、超精密磨削和磨料加工1.超精密砂輪磨削技術(shù)

2.超精密砂帶磨削技術(shù)3.超精密研磨與拋光技術(shù)四、超精密加工技術(shù)的發(fā)展及典型機床簡介118

(1)美國是開展研究最早的國家。

(2)日本是當(dāng)今世界上超精密加工技術(shù)發(fā)展最快的國家。

(3)我國的超精密加工技術(shù)在70年代末期有了長足進步，80年代中期出現(xiàn)了具有世界水平的超精密機床和部件。四、超精密加工技術(shù)的發(fā)展及典型機床簡介119

精密機床是實現(xiàn)精密加工的首要基礎(chǔ)條件。

1）美國：50年代首先發(fā)展了金剛石刀具的超精密切削技術(shù)，并發(fā)展了相應(yīng)的空氣軸承主軸的超精密機床；1983～1984研制成功大型超精密金剛石車床DTM－3型和LODTM大型超精密車床。

2）英國：1991年研制成功大型超精密機床OAGM2500。

3）日本：現(xiàn)在在中小型超精密機床生產(chǎn)上已經(jīng)具有一定的優(yōu)勢，甚至超過了美國。

4）中國：JCS－027超精密車床、JCS－031超精密銑床、JCS－035超精密車床等。

120DTM-3大型超精密車床

采用精密數(shù)控伺服方式，控制部分為內(nèi)裝式CNC裝置和激光干涉測長儀，精確測量定位，在伺服機構(gòu)內(nèi)裝有壓電微位移機構(gòu)，實現(xiàn)納米級微位移。121大型光學(xué)金剛石車床LODTM

機床采用立式結(jié)構(gòu)，采用止推軸承，雙頻激光測量系統(tǒng)，使用在線測量和誤差補償，各發(fā)熱部件用大量恒溫水冷卻，用大的地基，地基周圍有防振溝，且整個機床用4個大空氣彈簧支承。122OAGM2500大型超精密機床

機床的x和y向?qū)к壊捎靡后w靜壓，z向的磨軸頭和測量頭采用空氣軸承。床身采用型鋼焊接結(jié)構(gòu)，用精密數(shù)控驅(qū)動，雙頻激光測量系統(tǒng)檢測運動位置。123AHN1O型高效專用車削、磨削超精密機床有一個x和y向調(diào)整的刀架及作B軸轉(zhuǎn)動的高精度轉(zhuǎn)臺，借助三軸精密數(shù)控，加工平面、球面和非球曲面。采用空氣軸承。124北京機床研究所納米級數(shù)控車床square2超精密銑床125復(fù)印機感光鼓超精密車床126

1）液體靜壓軸承主軸

回轉(zhuǎn)精度——在主軸空載手動或機動低速旋轉(zhuǎn)情況下，在主軸前端安裝工件或刀具的基面上所測得的徑向跳動、端面跳動和軸向竄動的大小。影響回轉(zhuǎn)精度的因素（1）軸承精度和間隙的影響。（2）主軸、支承座等零件中精度的影響。關(guān)鍵在于精密軸承。1.精密主軸部件127（1）液體靜壓軸承工作原理靜壓軸承組成：供油系統(tǒng)、節(jié)流器、軸承128

（1）軸承內(nèi)圓柱面上，等間隙地開有幾個油腔（通常為4個）。（2）各油腔之間開有回油槽。（3）用過的油一部分從這些回油槽流回油箱（徑向回油），另一部分則由兩端流回油箱（軸向回油）。

129（4）油腔四周和軸頸之間的間隙一般為0.02～0.04mm。（5）油泵供油壓力為ps

，油液經(jīng)節(jié)流器T進入各油腔，將軸頸推向中央，油液最后經(jīng)封油面流回油箱，壓力降低為零。（6）當(dāng)主軸不受載荷且忽略自重時，則各油腔的油壓相同，保持平衡，軸在軸承正中心，這時軸頸表面與各腔封油面之間的間隙相等，均為h0。（7）當(dāng)主軸受徑向載荷（包括自重）F作用后，軸頸向下移動產(chǎn)生偏心量e。130

（8）油腔3處的間隙減小為h0-e，流量減小，因而流過節(jié)流器T3的流量減少，壓力損失隨之減??；（9）供油壓力ps

一定，油腔3內(nèi)的油壓p3升高；

131（10）油腔1處的間隙增大為h0＋e，流量增加，因而流過節(jié)流器T1的流量增加，壓力損失亦隨著增加，所以油腔1內(nèi)的油壓p就降低，這樣油腔3與油腔1之間形成了壓力Δp=p3-p1，產(chǎn)生與載荷方向相反的托起力，以平衡外載荷F。（11）如油腔的有效承載面積為A，則軸承的承載能力為：F=A（p3-p1）

132

1）液體靜壓軸承的溫升很高，難以控制，造成熱變形，影響主軸精度。

2）靜壓油回油時將空氣帶入油源，形成微小氣泡懸浮在油中，不易排出，降低軸承的剛度和動特性。

解決措施：

1）提高靜壓油的壓力到6～8MPa，使油中微小氣泡的影響減小，提高靜壓軸承的剛度和動特性。

2）靜壓軸承用油經(jīng)溫度控制，基本達到恒溫，減少軸承的溫升。

3）軸承用恒溫水冷卻，減小軸承的溫升。（2）液體靜壓軸承的缺點133雙半球空氣軸承主軸

前后軸承均采用半球狀，既是徑向軸承又是軸向軸承。由于軸承的氣浮面是球面，有自動調(diào)心作用，可提高前后軸承的同心度，提高主軸的回轉(zhuǎn)精度。2）空氣靜壓軸承主軸134前部用球形，后部用圓柱徑向空氣軸承的主軸135床身要求：抗振、熱膨脹系數(shù)低、尺寸穩(wěn)定性好床身材料：多采用人造花崗巖，尺寸穩(wěn)定性好、熱膨脹系數(shù)低、硬度高、耐磨、不生銹、可鑄造成形，克服了天然花崗巖有吸濕性不足。導(dǎo)軌要求：高直線精度，不得爬行有液體靜壓導(dǎo)軌、空氣靜壓導(dǎo)軌。2.床身和精密導(dǎo)軌136平面型空氣靜壓導(dǎo)軌示意圖1-靜壓空氣2-移動工作臺3-底座

137微量進給裝置要求：分辨率達到0.001-0.01μm；

精微進給與粗進給分開；低摩擦和高穩(wěn)定性；末級傳動元件必須有很高的剛度；工藝性好，容易制造；應(yīng)能實現(xiàn)微進給的自動控制，動態(tài)性能好。3.微量進給裝置138雙T形彈性變形微進給裝置1-微位移刀夾2、3-T形彈簧4-驅(qū)動螺釘5-固定端6-動端分辨率0.01μm，最大位移20μm，靜剛度70N/μm，139最大位移

15-16μm分辨率

0.01μm靜剛度

60N/μm壓電陶瓷微進給裝置1-刀夾2-機座3-壓電陶瓷4-后墊塊

5-電感測頭6-彈性支承1403.3精確高效金屬塑性成形工藝定義：金屬塑性成形是利用金屬產(chǎn)生塑性變形的能力，使金屬在外力作用下產(chǎn)生塑性變形，成為具有所要求的形狀、尺寸和性能的制品的加工方法。也常稱為金屬塑性加工、壓力加工。塑性變形是指物質(zhì)-包括流體及固體在一定的條件下，在外力的作用下產(chǎn)生形變，當(dāng)施加的外力撤除或消失后該物體不能恢復(fù)原狀的一種物理現(xiàn)象。傳統(tǒng)的塑性成形的方法：軋制、擠壓、拉拔、鍛造、沖壓等。

141超塑性142143144145146147148149150151152153154155156157158159160161162成形特點形狀復(fù)雜的工件可一次成形組織細小、均勻、性能好、穩(wěn)定變形抗力小---無加工硬化流動應(yīng)力對應(yīng)變速率的變化敏感制件精度高超塑性工藝應(yīng)用163164165氣壓成形原理：使毛坯的外側(cè)或內(nèi)側(cè)形成一個封閉的壓力空間，在壓縮空氣的氣壓作用下，坯料產(chǎn)生超塑性變形，逐步向模具型面靠近，直至同模具完全貼合，形成零件凸模法、凹模法真空成型超塑性成形工藝166167等溫成形

等溫成形是指將坯料、模具都加熱到變形溫度，并在成形過程中，坯料和模具溫度基本上保持不變的成形方法。常見的等溫成形方法：等溫鍛造、等溫擠壓、超塑性等溫鍛造、超塑性等溫擠壓等168等溫鍛造是指將模具、坯料都加熱到鍛造溫度，在鍛造過程中，坯料和模具溫度基本上保持不變的鍛造方法。等溫鍛造的主要特點是模具與成形件處理基本相同的溫度，因此需要帶有模具加熱及控溫裝置。等溫鍛造一般速率較低，主要采用液壓機。169

等溫鍛造的模具材料主要根據(jù)變形溫度進行選擇，常用的有熱作模具鋼、鐵基高溫合金、鎳基高溫合金、鋁合金以及陶瓷等。俄羅斯的一些專家研究利用碳-碳復(fù)合材料作為1000℃以上的等溫鍛造模具材料，因為這類材料具有優(yōu)越的高溫力學(xué)件能。然而這類材料易于發(fā)生高溫氧化，他們研究了相應(yīng)的防護措施，現(xiàn)在這類模具材料的應(yīng)用尚在探索階段。

170等溫鍛造設(shè)備主要是液壓機，為滿足等溫鍛造的基本要求，要求液壓機：①橫梁速度可調(diào)可控，尤其需要較低的速度；②可實現(xiàn)保壓；③有足夠的閉合高度和上作臺面尺寸，以滿足等溫鍛造模具及其加熱裝置安裝的需求；④有頂出裝置；③有控溫系統(tǒng)。

171

等溫鍛造過程時間較長，溫度較高，成形件的形狀經(jīng)常比較復(fù)雜，模具表面包含一些淺細凹凸部分。因此，需要一定的涂料；在坯料加熱及成形中起到防護作用，同時在變形件與模具之間形成連續(xù)的潤滑膜以減少摩擦，在成形后它又能起到脫模劑的作用。在選擇潤滑劑時要注意不能對模具有腐蝕作用，也不能污染成形件表面材料。

172與其他鍛造方式相比，等溫鍛造更需要和更易于實現(xiàn)精確控制。所以實現(xiàn)從模具及坯料的設(shè)計到成形過程溫度速率控制的全面計算機化，是提高效率和質(zhì)量的需要，也是目前的技術(shù)水平可以達到的。如果坯料是經(jīng)過預(yù)處理的超塑性材料，鍛造溫度和應(yīng)變速率都控制在超塑成形要求的范圍內(nèi)，則這種鍛造方法稱為超塑性等溫鍛造。超塑性等溫鍛造模具加熱方法：火焰加熱、電阻加熱和感應(yīng)加熱。1733.3.3輥鍛和楔橫扎技術(shù)輥鍛是回轉(zhuǎn)鍛造的一種。這是近幾十年將縱向軋制引入鍛造業(yè)并經(jīng)不斷發(fā)展形成鍛造新工藝，屬于回旋壓縮成形類的范疇。它比模鍛具有更高的技術(shù)經(jīng)濟優(yōu)越性，其特點為，所需工作載荷較小，生產(chǎn)效率高，材料消耗少，質(zhì)量優(yōu)越，勞動條件好。

輥鍛是材料在一對反向旋轉(zhuǎn)模具的作用下產(chǎn)生塑性變形得到所需鍛件或鍛坯的塑性成形工藝。它是成形軋制(縱軋)的一種特殊形式。174輥鍛可用于生產(chǎn)連桿﹑麻花鉆頭﹑扳手﹑道釘﹑鋤﹑鎬和透平葉片等。輥鍛工藝利用軋制成形原理逐步地使毛坯變形﹐與普通模鍛相比﹐具有設(shè)備結(jié)構(gòu)較簡單﹑生產(chǎn)平穩(wěn)﹑振動和噪音小﹐便于實現(xiàn)自動化﹑生產(chǎn)效率高等優(yōu)點。175按送料方式分，輥鍛分為逆向送料和順向送料。176輥鍛工藝常分為制坯輥鍛和成形輥鍛。177輥鍛裝備

目前常用的輥鍛機可分為雙支撐式、懸臂式和復(fù)合式三種類型。早期出現(xiàn)的類似軋鋼機式的分壁式輥鍛機已很少見到。在輥鍛制坯生產(chǎn)線上常見的是自動輥鍛機。這種輥鍛機是把雙支撐輥鍛機與自動化機械手聯(lián)接在一起，實現(xiàn)了多道次輥鍛的全部自動化。自動輥鍛機已全部實現(xiàn)國產(chǎn)化。

178輥鍛模的結(jié)構(gòu)179輥鍛模的材料180楔橫軋技術(shù)楔橫軋是一種軸類零件成形新工藝、新技術(shù)，它是冶金軋制與機械鍛壓技術(shù)的交叉與發(fā)展。181182183粉末成形工藝一、粉末冶金成型工藝(又稱金屬陶瓷法)

是一門研究制造各種金屬材料粉末和以粉末為原料通過成形、燒結(jié)和必要的后續(xù)處理制取金屬材料和制品的科學(xué)技術(shù)。

（粉末冶金生產(chǎn)工藝與陶瓷生產(chǎn)工藝在形式上類似又稱金屬陶瓷法。）184

公元前3000年以前，古埃及人制造鐵器；公元前2300年左右出現(xiàn)塊煉鐵技術(shù)：固相碳還原鐵礦石（800~1000C）。通過高溫鍛焊成各種器件。如公元300年左右印度的德里柱,重6噸；我國西漢（公元前113年）的劉勝墓出土的錯金書刀等。1930年Hoganas公司開始用固相還原法生產(chǎn)海綿鐵。二、粉末冶金技術(shù)發(fā)展史185隨后出現(xiàn)Au(300年)、Ag、Cu、Sn(1000年)、Pt粉及Pt塊(1800年）；1910年Coolidge發(fā)明電燈W絲，奠定了近代粉末冶金的基礎(chǔ)；1914年WC、MoC粉末出現(xiàn)（德國）；1923年德國Krupp公司生產(chǎn)硬質(zhì)合金，導(dǎo)致了金屬切削技術(shù)的革命；1956年后大量鐵基、鋁基零件上市；1969年機械合金化技術(shù)出現(xiàn)；20世紀80年代后，PM（粉末冶金）制品，如蝸輪引擎零件廣泛應(yīng)用于航空。186現(xiàn)代粉末冶金發(fā)展中的三個重要標志克服了難熔金屬熔鑄過程中產(chǎn)生的困難；如：1909年鎢絲、1923年硬質(zhì)合金粉末冶金方法生產(chǎn)多孔材料的成功；（含一定數(shù)量孔洞的固體叫多孔材料，是一種由相互貫通或封閉的孔洞構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的材料，

）如：1930年含油軸承、軸瓦粉末冶金新工藝、新材料的發(fā)展；如：粉末注射成形、金屬陶瓷187三．

特點1.具有優(yōu)異的組織結(jié)構(gòu)和性能2.表現(xiàn)出顯著的技術(shù)經(jīng)濟效益；3.能生產(chǎn)許多用其它方法所不能生產(chǎn)的材料和制品（如：許多難熔材料）；4.是制造各種機器零件重要而又經(jīng)濟的成型技術(shù)；（能夠獲得具有最終尺寸和形狀的零件，實現(xiàn)了少無切削加工）粉末冶金成型188三．

特點5.普通粉末冶金制品的強度比相應(yīng)鍛件或鑄件要低（20~30）%；（制品內(nèi)部有孔隙）6.成型過程中粉末的流動性不如液態(tài)金屬（對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)形狀有限制）7.制品一般<10kg（因為成型壓強高）8.壓模成本高。9.只是用于成批或大量生產(chǎn)粉末冶金成型189四、工藝過程1．原料粉末制備；2．粉末物料在專用壓模中加壓成型，得到一定形狀和尺寸的壓坯；3．燒結(jié)壓坯在低于基體金屬熔點的溫度下加熱，使制品獲得最終的物理機械性能。4.后處理粉末冶金成型190粉末冶金成型工藝簡介燒結(jié)后的處理壓制成型燒結(jié)粉末冶金成品粉料制備粉末冶金成型191一．粉料制備（粉末冶金原料）粉末冶金原材料（粉末）制取方法選擇：

取決于該材料的特殊性能及制取方法的成本

種類純金屬非金屬化合物粉末冶金成型純金屬合金化合物復(fù)合金屬粉末192分類機械法1、粉末的制造方法二者區(qū)別將原材料機械地粉碎而化學(xué)成分基本上不發(fā)生變化的工藝過程。借助化學(xué)的或物理的作用，改變原材料的化學(xué)成分或聚集狀態(tài)而獲得粉末的工藝過程。物理化學(xué)法粉末冶金成型二者之間沒有明顯的界限，而是相互補充。193（1）霧化法特點：生產(chǎn)效率高，成本低，易于制造高純度粉末；合金粉末易產(chǎn)生成分偏析以及難以制得小于300目的細粉。應(yīng)用

制造Pb、Sn、Zn、Al、青銅、黃銅等低熔點金屬與合金粉末；18-8不銹鋼、低合金鋼、鎳合金等粉末。使熔化的液態(tài)金屬從霧化塔上部的小孔中流出，同時噴入高壓氣體，在氣流的機械力和急冷作用下，液態(tài)金屬被霧化，冷凝成細小粒狀的金屬粉末的一種方法。粉末冶金成型1、粉末的制造方法194(2)機械粉碎法特點：既是一種獨立制粉方法，又常作為某些制粉方法不可缺少的補充工序。應(yīng)用

比較適用于脆性材料（雖然所有的金屬和合金都可以被機械地粉碎）是靠壓碎、擊碎和磨削等作用，將塊狀金屬或合金機械地粉碎成粉末。粉末冶金成型1、粉末的制造方法195（4）還原法（常用化學(xué)方法）

從固態(tài)金屬氧化物或金屬化合物中還原制取金屬粉末，是最常用的生產(chǎn)方法之一。特點：該法簡單，費用低應(yīng)用

目前鐵粉大部分由還原法生產(chǎn)。粉末冶金成型（3）蒸汽冷凝法（常用物理方法）即將金屬蒸汽冷凝而制取金屬粉末1、粉末的制造方法196（4）電解法從金屬鹽水溶液中電解沉積金屬粉末。特點：電解末高純度，高密度，高壓縮性；生產(chǎn)率低，成本高(高于還原法和霧化法）。應(yīng)用

純銅粉大多用該法制造。電解鐵粉僅在特殊性能要求時才用。*說明金屬粉末的各種性能均與制粉方法密切相關(guān)。

粉末冶金成型1、粉末的制造方法1972．

粉末性能

1）幾何尺寸2）物理性能3）機械性能4）化學(xué)性能5）特殊性能顆粒形狀粒度粒度分布及比表面顆粒密度顆粒內(nèi)空隙顯微鏡組織硬度加工硬化性塑性變形能表面狀態(tài)表面張力等松裝密度振實密度流動性壓制性成型性純度氫中失重等電磁性能摩擦特性導(dǎo)熱性耐熱性抗氧化性耐腐蝕性等粉末冶金成型1983．粉末的預(yù)處理與混合（1）粉末的預(yù)處理（2）粉末混合目的使性能不同的組元形成均勻的混合物，以利于壓制和燒結(jié)時狀態(tài)均勻一致?；旌蟽煞N以上化學(xué)組元相混合（相同化學(xué)組成的粉末的混合叫做合并。）粉末冶金成型為什么預(yù)處理？a．即使在同一條件下制造的同一粉末，其純度和粒度分布也是有差別的；b．原料粉末在運輸和儲存中會產(chǎn)生大量銹塊或凝結(jié)成塊狀，要篩出這些塊狀物；c．對顆粒度分布有要求時，需將粉末過篩按所要求的粒度分布進行混合。說明混合好的粉末常需要過篩，除去較大的夾雜和潤滑劑的塊狀凝聚物；混好的粉末盡可能及時使用。199二．粉末成型粉末成型方法：普通模壓法特殊成型方法

壓坯將處理過的粉末經(jīng)過成型工序，得到具有既定形狀與強度的粉末體，叫做壓坯。粉末冶金成型

普通模壓法

將金屬粉末或混合粉末裝在壓模內(nèi)，通過壓機使其成型。

特殊成型方法

指各種非模壓成型2001．模壓法成型稱粉壓制

a．單向壓制

b．雙向壓制

C．浮動壓制

d.引下法

保壓脫?！?粉末冶金成型工藝簡介是指在常溫下粉料在封閉的鋼模中（指鋼性模），按規(guī)定的單位壓力，將粉料制成壓坯的方法。成型過程稱粉

就是稱量成型一個壓坯所需的粉末的重量或容量。壓制

按一定的單位壓力，將裝在型腔中的粉料，集聚成達到一定密度，形狀和尺寸要求。脫模

壓坯從模具型腔中脫出過程。粉末冶金成型二．粉末成型保壓目的提高壓坯密度保壓選擇小型壓坯不采用保壓大型致密壓坯可適當(dāng)考慮保壓回彈或彈性后效

壓坯從模腔中脫出后，會產(chǎn)生彈性恢復(fù)而尺寸脹大的現(xiàn)象用回彈率表示，即線性相對伸長的百分率，其大小與模具尺寸計算有直接關(guān)系。2012．特殊成型方法（非鋼模成型法）分類（按工作原理和特點分為）等靜壓成型連續(xù)成型無壓成型注射成型高能成型等粉末冶金成型二．粉末成型202（1）等靜壓成型

（2）金屬粉末軋制

（3）粉漿澆注

2．特殊成型方法（非鋼模成型法）等靜壓成型

借助于高壓泵的作用把流體介質(zhì)（氣體或液體）壓入耐高壓的鋼質(zhì)密封容器內(nèi)，高壓流體的靜壓力直接作用在彈性模套內(nèi)的粉末上；粉末體在同一時間內(nèi)在各個方向上均衡地受壓而獲得密度分布均衡和強度較高的壓坯。特點

壓坯任意斷面上個點的密度大體上相同分類

冷靜壓，熱靜壓

金屬粉末軋制

將金屬粉末通過一個特制的漏斗喂入轉(zhuǎn)動的軋輥縫中，即可軋出具有一定厚度的長度連續(xù)的、并且強度適宜的板帶坯料，這些坯料經(jīng)燒結(jié)，又經(jīng)軋制加工及熱處理等工序，就可制成有一定孔隙度的，或致密的粉末冶金板帶材。

粉漿澆注金屬粉末在不施加外壓力的情況下而實現(xiàn)成型的過程。

成型過程將成型材料首先與水或其它液體調(diào)成懸浮液漿，并注入能夠吸收液體的石膏模內(nèi)；然后再從石膏模中取出干涸的坯塊，并進行最后烘干。粉末冶金成型203三．燒結(jié)1．燒結(jié)

2．影響燒結(jié)的因素3．設(shè)備4．燒結(jié)對產(chǎn)品質(zhì)量的影響

燒結(jié)

將壓坯按一定的規(guī)范加熱到規(guī)定溫度并保溫一段時間，使壓坯獲得一定的物理及力學(xué)性能的工序。影響燒結(jié)的因素?zé)Y(jié)溫度燒結(jié)時間大氣環(huán)境設(shè)備按加熱方式分燃料加熱電加熱據(jù)作業(yè)的連續(xù)性分間歇式燒結(jié)爐—坩堝爐箱式爐高頻或中頻感應(yīng)爐連續(xù)式燒結(jié)爐產(chǎn)生“過燒”廢品燒結(jié)溫度過高或時間過長，使壓坯歪曲和變形，其晶粒也大；產(chǎn)生“欠燒”廢品燒結(jié)溫度過低或時間過短，產(chǎn)品結(jié)合強度等性能達不到要求；粉末冶金成型204四．后處理金屬粉末壓坯經(jīng)燒結(jié)后的處理1．提高制件的物理及力學(xué)性能

——復(fù)壓、復(fù)燒、浸油、熱鍛與熱復(fù)壓、熱處理及化學(xué)熱處理粉末冶金成型2．改善制件表面的耐腐蝕性

——水蒸氣處理、磷化處理、電鍍3．提高制件形狀與尺寸精度

——精整、機械加工205粉末鍛造的原理：粉末鍛造是粉末冶金成型方法和鍛造相結(jié)合的一種金屬加工方法。它是將粉末預(yù)壓成型后，在充滿保護氣體的爐子中燒結(jié)制坯，將坯料加熱至鍛造溫度后模鍛而成。粉末鍛造206粉末鍛造的優(yōu)點（與模鍛相比）材料利用率高，可達90%以上。而模鍛的材料利用率只有50%左右。力學(xué)能高。材質(zhì)均勻無各向異性，強度、塑性和沖擊韌性都較高。粉末鍛造207鍛件精度高，表面光潔，可實現(xiàn)少、無切削加工。生產(chǎn)率高。每小時產(chǎn)量可達500～1000件。鍛造壓力小。如130汽車差速器行星齒輪，鋼坯鍛造需用2500～3000kN壓力機，粉末鍛造只需800kN壓力機?？梢约庸崴苄圆畹牟牧稀Ｈ珉y于變形的高溫鑄造合金可用粉末鍛造方法鍛出形狀復(fù)雜的零件。采用粉末鍛造出的零件有差速器齒輪、柴油機連桿、鏈輪、襯套等。208粉末鍛造的機械設(shè)備粉末鍛造清洗機粉末鍛造成形壓力機粉末鍛造液壓機209粉末鍛造模具210應(yīng)用板、帶、棒、管、絲等各種型材齒輪、鏈輪、棘輪、軸套類等各種零件重量僅百分之幾克的小制品近兩噸重大型坯料（用熱等靜壓法）成批或大量生產(chǎn)粉末冶金成型211212汽車同步齒輪油泵齒輪沖擊齒輪端蓋213激光焊接——激光加熱焊接部位電子束焊接——在真空條件下，聚焦后被加速的電子束高速沖擊工件焊接部位擴散焊接——可連接物理化學(xué)性能差別很大的異種材料，固態(tài)焊接方法（如陶瓷與金屬）焊熔近終成形——快速成形方法之一精密焊接214215216217焊熔近終成形焊熔近終成形技術(shù)是一種新發(fā)展的快速零件原型制造技術(shù)。其實質(zhì)是采用成型熔化制成全部由焊縫組成的零件。通?？刹捎靡呀?jīng)成熟的焊接技術(shù)，按照零件的需求連續(xù)逐層堆焊，直至達到零件的最終尺寸。2181960年一種神奇的光誕生了，它就是激光。激光的英文名稱是Laser，它是英語短語“受激發(fā)射光放大”中每個實詞第一個字母組成的縮略詞，它包含了激光產(chǎn)生的由來。它一出現(xiàn)就創(chuàng)造了許多奇跡，真可謂“一鳴驚人”。二十世紀四大發(fā)明：半導(dǎo)體；原子能；計算機；激光激光焊接219一、激光的產(chǎn)生和性質(zhì)

高方向性1、激光的特性高強度，高亮度；相干性強，顏色極純-單色性強220α光束發(fā)散角=2α探照燈：35毫弧度≈1度激光：10-2毫弧度sr激光的高方向性221激光的高強度和高亮度一臺普通的紅寶石激光器發(fā)出激光亮度，比太陽亮度高8個數(shù)量級(幾千萬倍）強激光甚至可產(chǎn)生上億度的高溫。地球上任何一種已知材料，無論其熔點多高，在強激光照射下1秒鐘之內(nèi)即可開始氣化；任何一種金屬或鉆石，不管其硬度多大，激光均可輕而易舉地對它打孔。

222相干性強，顏色極純-單色性強

因為它的頻率很單純，從激光器發(fā)出的光就可以步調(diào)一致地向同一方向傳播，可以用透鏡把它們會聚到一點上，把能量高度集中起來激光的顏色極純——單色性強223具有單一頻率的光波稱為單色光。任何光源所發(fā)出的光波都有一定的頻率（或波長范圍，在此范圍內(nèi)，各種頻率（或波長）所對應(yīng)的強度是不同的。波長所對應(yīng)的波長范圍越窄，光的單色性越好譜線寬度：通常用強度下降到的兩點之間的波長范圍：譜線寬度是標志譜線單色性好壞的物理量單色光224激光產(chǎn)生原理物質(zhì)由原子組成。原子的中心是原子核，由質(zhì)子和中子組成。質(zhì)子帶有正電荷，中子則不帶電。原子的外圍布滿著帶負電的電子，繞著原子核運動。碳原子示意圖225自發(fā)吸收：電子透過吸收光子從低能階躍遷到高能階(圖二a)。2.自發(fā)輻射：電子自發(fā)地透過釋放光子從高能階躍遷到較低能階(圖二b)。3.受激輻射：光子射入物質(zhì)誘發(fā)電子從高能階躍遷到低能階，并釋放光子。入射光子與釋放的光子有相同的波長和相，此波長對應(yīng)于兩個能階的能量差。一個光子誘發(fā)一個原子發(fā)射一個光子，最后就變成兩個相同的光子(圖二c)。226重要的歷史進程1917年愛因斯坦提出了受激輻射理論1958年肖洛和湯斯發(fā)表了《紅外線和光的微波激器》1960年梅曼制成了世界上第一臺激光器——紅寶石激光器227激光焊接概念：

激光焊接：是利用能量密度很高（105-107W/cm2）的激光束聚焦到工件表面，使輻射作用區(qū)表面的金屬“燒熔”粘合而形成焊接接頭的焊接方法。22812/17/2024229激光深熔焊

工件吸收激光后迅速熔化乃至氣化，熔化的金屬在蒸汽壓力作用下形成小孔激光束可直照孔底，使小孔不斷延伸，直至小孔內(nèi)的蒸氣壓力與液體金屬的表面張力和重力平衡為止。小孔隨著激光束沿焊接方向移動時，小孔前方熔化的金屬繞過小孔流向后方，凝固后形成焊縫。

229激光焊接的特點⑴激光焊接是一種高效率的焊接工藝：焊接速度高。⑵激光照射時間短，被焊材料不醫(yī)氧化、焊點小、焊縫窄，焊接變形小，精度高。⑶激光焊接不產(chǎn)生焊渣。⑷激光焊接的材料，不需要預(yù)先或焊后熱處理。⑸可焊接同種金屬，也可焊接異種金屬。⑹焊縫的承載能力高于母體的承載能力。⑺激光焊接設(shè)備成本高，焊接件拼裝精度要求高。230激光焊接設(shè)備

激光焊接設(shè)備主要由激光器、激光電源、光學(xué)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和機械系統(tǒng)等五部分組成。⑴激光器：將電能轉(zhuǎn)變成光能。⑵激光電源：為激光器提供所需要的能源。⑶光學(xué)系統(tǒng)：將激光束聚焦。⑷控制系統(tǒng)：控制焊縫軌跡。⑸機械系統(tǒng)：運動執(zhí)行機構(gòu)。231激光焊接工藝⑴保護氣體：激光焊接采用保護氣體，防止焊縫氧化。氦氣效果最好，氮氣次之，氬氣最差。⑵焊接速度：在一定激光功率下，降低焊接速度，則熔深增加。但速度過低，熔深不會再增加，而使焊縫變寬。對于給定的激光功率條件，存在一維持深熔焊接的最低焊接速度。⑶熔深：在維持深熔焊接的最低焊接速度下，可得到最大熔深。⑷材料的焊接性：激光焊接的材料焊接性，與普通焊接相似。232233激光焊接的工業(yè)應(yīng)用實例不銹鋼毛細管.激光焊接微型聲納傳感器.激光焊接

233234激光焊接的工業(yè)應(yīng)用實例微型噴嘴·激光焊接鈦管·激光焊接234

1、電子束焊接的概念：電子束焊接是在真空條件下，利用聚焦后被加速的能量密度很高的電子束，以極高速度沖擊到工件表面極小面積上。在極短時間內(nèi)，其能量大部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，從而引起材料的局部熔化達到焊接目的的焊接方法。二、電子束焊接2352、電子束焊接設(shè)備：

主要由電子槍系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和電源系統(tǒng)等四大系統(tǒng)組成。⑴電子槍系統(tǒng)：用來發(fā)射高速電子流，并加以聚集的系統(tǒng)。⑵真空系統(tǒng)：保證真空里所需的真空度，電子束只有在真空下才能高速運動。⑶控制系統(tǒng)：控制電子束大小、方向以及工作臺移動的系統(tǒng)。⑷電源系統(tǒng)：為電子束提供能源。2361954年法國J.A.Stohr博士成功焊接了核反應(yīng)堆燃料包殼，標志電子束焊接金屬獲得成功；3、電子束焊接發(fā)展簡史電子束焊接技術(shù)起源于德國，1948年前西德物理學(xué)家K.H.Steigerwald首次提出用電子束焊接的設(shè)想；電子束的發(fā)現(xiàn)迄今已有100多年的歷史；1957年11月，在法國巴黎召開的國際原子能燃料元件技術(shù)大會上公布了該技術(shù)，電子束焊接被確認為一種新的焊接方法；1958年開始，美國、英國、日本及前蘇聯(lián)開始進行電子束焊接方面的研究；上世紀60年代后，我國開始從事電子束焊接研究；237a．加熱功率密度大。焊接用電子束電流為幾十到幾百毫安，最大可達l000mA以上；加速電壓為幾十到幾百千伏；故電子束功率從幾十千瓦到100kw以上，而電子束焦點直徑小于1mm。故電子束焦點處的功率密度可達103~105Kw/cm2，比普通電弧功率密度高100—1000倍。b．焊縫深寬比(H/B)大。通常電弧焊的深寬比很難超過2，電子束焊的深度比在50以上。電子束焊比電弧焊可節(jié)約大量填充金屬和電能，可實現(xiàn)高深寬比的焊接，深寬比達60：1，可依次焊透0.1~300mm厚度的不銹鋼板。4、電子束焊接的優(yōu)點238c.焊接速度快，焊縫熱物理性能好。焊接速度快，能量集中、熔化和凝固過程快．熱影響區(qū)小，焊接變形小。對精加工的工件可用作最后的連接工序，焊后工件仍能保持足夠的精度。能避免晶粒長大，使焊接接頭性能改善，高溫作用時間短，合金元素?zé)龘p少，焊縫抗蝕性好。d．焊縫純度高。真空電子束焊的真空度一般為5×10-4Pa，適合焊接鈦及鈦合金等活性材料。239e.焊接工藝參數(shù)調(diào)節(jié)范圍廣，適應(yīng)性強。電子束焊接的工藝參數(shù)可獨立地在很寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，控制靈活，適應(yīng)性強，再現(xiàn)性好，而且電子束焊焊接參數(shù)易于實現(xiàn)機械化、自動化控制，提高了產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。f.可焊材料多。不僅能焊金屬和異種金屬材料的接頭,也可焊接非金屬材料,如陶瓷、石英玻璃等。240需要高真空環(huán)境以防止電子散射，設(shè)備復(fù)雜，焊件尺寸和形狀受到真空室的限制（非真空環(huán)境的電子束焊，是重要的研究方向）；由于真空室的存在，抽真空成為影響循環(huán)時間的主要障礙（目前用于齒輪焊接的單臺電子束設(shè)備循環(huán)時間很難做到60s以內(nèi)）；有磁偏移：由于電子帶電，會受磁場偏轉(zhuǎn)影響，故要求電子束焊工件焊前去磁處理；X射線問題：X射線在高壓下特別強，需對操作人員實施保護；對工件裝配質(zhì)量要求嚴格，同時工件表面清潔的要求也較高。5、電子束焊接的不足2416電子束焊機及應(yīng)用

目前全世界約有8000臺電子束焊機在工業(yè)部門及實驗室中應(yīng)用。242德國PTR公司生產(chǎn)的ebw3000/15-150CNC型電子束焊機真空室:1.7m×1.25m×1.45m;

額定功率:15KW;額定電壓:150KV243法國TECHMETA公司MEDARD43型:Chamberdimensions:500×500×500;Operatingvoltage:60KV;Power:6KWLARA52型:Chamberdimensions:350×600×800;Operatingvoltage:60KV;Power:30KW244成都飛機制造廠由北京航空制造工程研究所研制，其主要部件電子槍是德國Steigerwald

Strahltechnik公司合作生產(chǎn)的高壓型電子束焊機，控制系統(tǒng)為西門子的SIMATICS7-400容錯PLC設(shè)備加速電壓可調(diào)節(jié)范圍為70~150kv，電子束流可調(diào)節(jié)范圍為0~200mA，焊接速度可調(diào)節(jié)范圍為0~50mm/s；真空室尺寸8200mm×4000mm×2000mm，容積65.6m3，電子束功率30kW。ZD150-30CCV65M電子束焊機245真空電子束焊與激光焊的比較：

電子束焊接技術(shù)起源于20世紀50年代，10年后激光器誕生，激光加工技術(shù)的研究與應(yīng)用也隨即展開。電子束與激光加工同屬于高能密度束流加工技術(shù)，應(yīng)用的領(lǐng)域大體相同，其能量密度在同一段數(shù)量級遠高于其他熱源。

與傳統(tǒng)焊接技術(shù)比較，激光焊接與電子束焊接都具有更多優(yōu)異的特性：□能量密度高（大于105W/cm2）；□焊接速度高（一般可以達到5~10m/min）；□熱影響區(qū)窄（僅為焊縫寬度的10%~20%）；□熱流輸入少、工件變形小；□易實現(xiàn)自動控制、可在線檢測焊縫質(zhì)量；□非接觸加工、無后續(xù)加工。246相比較于電子束焊，激光焊接的優(yōu)點是：激光焊不需真空室和對工件焊前進行去磁處理，它可在大氣中進行，也沒有防X射線問題，所以可在生產(chǎn)線內(nèi)聯(lián)機操作，也可焊接磁性材料。另外，激光焊接的循環(huán)時間大大低于電子束焊接（很容易做到30s以內(nèi)）

247受到技術(shù)進步的局限，激光焊還存在一定的缺點：□激光的能量轉(zhuǎn)換效率較低，常用的CO2激光器能量轉(zhuǎn)換效率不足20%，最新的光纖激光器轉(zhuǎn)換效率也沒有超過30%；□能量轉(zhuǎn)換效率低造成在生產(chǎn)線中應(yīng)用大功率激光焊接的經(jīng)濟性很差，目前實用的激光焊接設(shè)備功率大多小于20kW，可焊接的深度一般很少超過10mm；□隨著新一代激光器的誕生，激光器的壽命可以達到50000h，這大大降低了激光焊接設(shè)備的使用成本。但是，要想獲得理想的焊接質(zhì)量，保護氣體是不可少的，這也造成加工成本的增加；□激光焊接的深寬比小于電子束焊，一般在10∶1以內(nèi)（在齒輪激光焊接中，焊縫的深度一般在4~6mm，故這個深寬比還比較適用），不適合大厚度工件的焊接；