先進制造技術(shù)

1、先進制造工藝的發(fā)展及其內(nèi)容定義 先進制造工藝技術(shù)是指研究與物料處理過程和物料直接相關(guān)的各項技術(shù)，要求實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、清潔和靈活。 先進制造工藝的發(fā)展加工精度不斷提高切削速度迅速提高新型工程材料的應(yīng)用推動了制造工藝的進一步發(fā)展近凈成型技術(shù)不斷發(fā)展表面工程技術(shù)日益受到重視精密、超精密加工技術(shù) 它是指對工件表面材料進行去除，使工件的尺寸、表面性能達到產(chǎn)品要求所采取的技術(shù)措旌。當前，納米(nm)加工技術(shù)代表了制造技術(shù)的最高精度水平。超精加工材料由金屬擴大到非金屬。根據(jù)加工的尺寸精度和表面粗糙度，可大致分為三個不同的檔次，精密加工30.30.30.03超精密加工（亞微米加工）0.30.030.30

2、.005納米加工0.030.005 精密成型制造技術(shù)它是指工件成形后只需少量加工或無須加工就可用作零件的成形技術(shù)。它是多種高新技術(shù)與傳統(tǒng)的毛坯成形技術(shù)融為一體的綜合技術(shù)。它正在從近凈成形工藝向凈成形工藝的方向發(fā)展。 特種加工技術(shù)它是指那些不屬于常規(guī)加工范疇的加工。例如，高能束流(電子束、離子束、激光束)加工、電加工(電解和電火花加工)、超聲波加工、高壓水射流加工以及多種能源的組合加工。表面工程技術(shù)它是指采用物理、化學(xué)、金屬學(xué)、高分子化學(xué)、電學(xué)、光學(xué)和機械學(xué)等技術(shù)及其組合，提高產(chǎn)品表面耐磨、耐蝕、耐熱、耐輻射、抗疲勞等性能的各項技術(shù)。它主要包括熱處理、表面改性、制膜和涂層等技術(shù)。 超精密加工技術(shù)

3、的分類定義 超精密加工技術(shù)是指被加工零件的尺寸精度高于0.1m，表面粗糙度Ra在0.10.025m之間，以及所用機床定位精度的分辨率和重復(fù)性高于0.01m的加工技術(shù)，亦稱之為亞微米級加工技術(shù)，且正在向納米級加工技術(shù)發(fā)展。根據(jù)加工方法的機理和特點，超精密加工可以分為超精密切削、超精密磨削、超精密特種加工和復(fù)合加工。超精密加工的關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)超精密切削技術(shù)，不僅需要超精密的機床和刀具，也需要超穩(wěn)定的環(huán)境，還需要運用計算機技術(shù)進行實時檢測和反饋補償。精密主軸現(xiàn)在超精密加工機床中使用的回轉(zhuǎn)精度最高的主軸是空氣靜壓軸承主軸?；剞D(zhuǎn)精度國內(nèi)可達0.05微米，國外可達0.03微米超精密導(dǎo)軌超精密加工機床常采用的

4、導(dǎo)軌形式有V-V型滑行導(dǎo)軌和滾動導(dǎo)軌、液體靜壓導(dǎo)軌和氣體靜壓導(dǎo)軌。在精度方面，空氣導(dǎo)軌是目前最好的導(dǎo)軌。傳動系統(tǒng)目前，用于精密加工和超精密加工的傳動系統(tǒng)主要有：滾珠絲杠傳動系統(tǒng)、靜壓絲杠傳動系統(tǒng)、摩擦驅(qū)動系統(tǒng)和直線電機驅(qū)動系統(tǒng)。超精密刀具天然金剛石刀具是目前最主要的超精密切削刀具，由于它的刃口形狀會被直接反映到加工材料的表面上，因此金剛石刀具刃磨技術(shù)是超精密切削中的一項重要技術(shù)。精密測量技術(shù) 目前，在超精密加工領(lǐng)域，尺寸測量技術(shù)主要有兩種：一是激光干涉技術(shù)，二是光柵技術(shù)。微進給系統(tǒng)微進給系統(tǒng)一般被用做微進給或補償工具，以壓電陶瓷為驅(qū)動器的基于彈性鉸鏈支承的微位移機構(gòu)目前是用的最多的。加工原理超

5、精密加工的精度要求越來越高，機床相對工件的精度裕度已很小。在這種情況下，只是靠改進原來的技術(shù)很難提高加工精度。因此，應(yīng)該從工作原理著手進行研究，以尋求解決辦法。環(huán)境控制技術(shù)良好的工作環(huán)境是保證超精密加工質(zhì)量的必要條件。影響環(huán)境的主要因素有溫度、濕度、污染和噪聲。金剛石超精密車削機理與特點 切削在晶粒內(nèi)進行切削力原子結(jié)合力（剪切應(yīng)力達 13000 N/ mm2）刀尖處溫度極高，應(yīng)力極大，普通刀具難以承受高速切削（與傳統(tǒng)精密切削相反），工件變形小，表層高溫不會波及工件內(nèi)層，可獲得高精度和好表面質(zhì)量金剛石超精密車削的關(guān)鍵技術(shù) 要求高精度、高剛度、良好穩(wěn)定性、抗振性及數(shù)控功能等。金剛石刀具超精切削刀具

6、材料：天然金剛石，人造單晶金剛石 金剛石的晶體結(jié)構(gòu)：規(guī)整的單晶金剛石晶體有八面體、十二面體和六面體，有三根4次對稱軸，四根3次對稱軸和六根2次對稱軸（圖1-20）。金剛石刀具刃磨通常在鑄鐵研磨盤上進行研磨 晶向選擇應(yīng)使晶向與主切削刃平行 圓角半徑越小越好（理論可達到1nm）金剛石超精密車削的應(yīng)用用于銅、鋁及其合金精密切削（切鐵金屬，由于親合作用，產(chǎn)生“碳化磨損”，影響刀具壽命和加工質(zhì)量） 加工各種紅外光學(xué)材料如鍺、硅、ZnS和ZnSe等 加工有機玻璃和各種塑料 典型產(chǎn)品：光學(xué)反射鏡、射電望遠鏡主鏡面、大型投影電視屏幕、照像機塑料鏡片、樹脂隱形眼鏡鏡片等砂輪材料：金剛石，立方氮化硼（CBN）特點

7、：可加工各種高硬度、高脆性金屬及非金屬材料（鐵金屬用CBN） 耐磨性好，耐用度高，磨削能力強，磨削效率高 磨削力小，磨削溫度低，加工表面好 砂輪修整：分整形與修銳（去除結(jié)合劑，露出磨粒）兩步進行 常用方法 用碳化硅砂輪（或金剛石筆）修整，獲得所需形狀； 電解修銳（適用于金屬結(jié)合劑砂輪），效果好，并可在線修整ELID（Electrolytic In-Process Dressing）使用ELID磨削，冷卻液為一種特殊電解液。通電后，砂輪結(jié)合劑發(fā)生氧化，氧化層阻止電解進一步進行。在切削力作用下，氧化層脫落，露出了新的鋒利磨粒。由于電解修銳連續(xù)進行，砂輪在整個磨削過程保持同一鋒利狀態(tài)。塑性（延性）磨

8、削 磨削脆性材料時，在一定工藝條件下，切屑形成與塑性材料相似，即通過剪切形式被磨粒從基體上切除下來。磨削后工件表面呈有規(guī)則紋理，無脆性斷裂凹凸不平，也無裂紋。 塑性磨削工藝條件： （1）切削深度小于臨界切削深度，它與工件材料特性和磨粒的幾何形狀有關(guān)。一般臨界切削深度1m。 為此對機床要求：高的定位精度和運動精度。以免因磨粒切削深度超過1m時，導(dǎo)致轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈阅ハ?。高的剛性。因為塑性磨削切削力遠超過脆性磨削的水平，機床剛性低，會因切削力引起的變形而破壞塑性切屑形成的條件。 （2）磨粒與工件的接觸點的溫度高到一定程度時，工件材料的局部物理特性會發(fā)生變化，導(dǎo)致切屑形成機理的變化（已有試驗作支持）。 精

9、密與超精密砂帶磨削砂帶：帶基材料為聚碳酸脂薄膜，其上植有細微砂粒。砂帶在一定工作壓力下與工件接觸并作相對運動，進行磨削或拋光。有開式（圖1-25）和閉式兩種形式，可磨削平面、內(nèi)外圓表面、曲面等。微細/納米加工技術(shù)微細加工 通常指1mm以下微細尺寸零件的加工，其加工誤差為0.1m 10m 。 超微細加工 通常指1m以下超微細尺寸零件的加工，其加工誤差為0.01m 0.1m。 精度表示方法一般尺寸加工，其精度用誤差尺寸與加工尺寸比值表示；微細加工，其精度用誤差尺寸絕對值表示?！凹庸挝弧?去除一塊材料的大小，對于微細加工，加工單位可以到分子級或原子級。 微切削機理切削在晶粒內(nèi)進行，切削力要超過晶體

10、內(nèi)分子、原子間的結(jié)合力，單位面積切削阻力急劇增大。微細機械加工主要采用銑、鉆和車三種形式，可加工平面、內(nèi)腔、孔和外圓表面。刀具：多用單晶金剛石車刀、銑刀（圖1-35）。銑刀的回轉(zhuǎn)半徑（可小到5m）靠刀尖相對于回轉(zhuǎn)軸線的偏移來得到。當?shù)毒呋剞D(zhuǎn)時，刀具的切削刃形成一個圓錐形的切削面。微細電加工 線放電磨削法（WEDG）電極線沿著導(dǎo)絲器中的槽以510mm/min的低速滑動，可加工圓柱形的軸（圖1-39）。如導(dǎo)絲器通過數(shù)字控制作相應(yīng)的運動，還可加工出各種形狀的桿件光刻加工（電子束光刻大規(guī)模集成電路）納米加工技術(shù)（LIGA）X射線刻蝕電鍍膜技術(shù) LIGA由深層同步X射線光刻、電鑄成形、塑注成形組合而成。

11、包括三個主要工序：1）以同步加速器放射的短波長（1nm）X射線作為曝光光源，在厚度達0.5mm的光致抗蝕劑上生成曝光圖形的三維實體； 2）用曝光蝕刻圖形實體作電鑄模具，生成鑄型； 3）以生成的鑄型作為模具，加工出所需微型零件。 LIGA特點用材廣泛，可以是金屬及其合金、陶瓷、聚合物、玻璃等可以制作高度達0.10.5mm，高寬比大于200的三維微結(jié)構(gòu)（圖1-60），形狀精度達亞微米可以實現(xiàn)大批量復(fù)制，成本較低LIGA代表產(chǎn)品及應(yīng)用微傳感器、微電機、微機械零件、微光學(xué)元件、微波元件、真空電子元件、微型醫(yī)療器械等廣泛應(yīng)用于加工、測量、自動化、電子、生物、醫(yī)學(xué)、化工等領(lǐng)域掃描隧道顯微加工技術(shù)掃描隧道顯

12、微鏡1981年由在IBM瑞士蘇黎世實驗室工作的G.Binning 和 H.Rohrer 發(fā)明，可用于觀察物體 級的表面形貌。被列為20世紀80年度世界十大科技成果之一，1986年因此獲諾貝爾物理學(xué)獎。STM工作原理基于量子力學(xué)的隧道效應(yīng)。當兩電極之間距離縮小到1nm時，由于粒子波動性，電流會在外加電場作用下，穿過絕緣勢壘，從一個電極流向另一個電極。當一個電極為非常尖銳的探針時，由于尖端放電使隧道電流加大。原子力顯微鏡陽極氧化法加工(AFM)原子力顯微鏡（AFM）為解決非導(dǎo)體微觀表面形貌測量，借鑒掃描隧道顯微鏡原理，C.Binning 于1986年發(fā)明原子力顯微鏡。當兩原子間距離縮小到 級時，原

13、子間作用力顯示出來，造成兩原子勢壘高度降低，兩者之間產(chǎn)生吸引力。而當兩原子間距離繼續(xù)縮小至原子直徑時，由于原子間電子云的不相容性，兩者之間又產(chǎn)生排斥力。AFM兩種測量模式： 接觸式探針針尖與試件表面距離0.5nm，利用原子間的排斥力。由于分辨率高，目前采用較多。其工作原理是：保持探針與被測表面間的原子排斥力一定，探針掃描時的垂直位移即反映被測表面形貌。 非接觸式探針針尖與試件表面距離為0.51nm，利用原子間的吸引力。高速加工技術(shù) 高速加工技術(shù)定義1978年，CIRP(國際生產(chǎn)工程協(xié)會)提出以線速度為5007000m/min的切削為高速切削。 ISO1940標準規(guī)定，主軸轉(zhuǎn)速高于8000rev

14、/min為高速切削。 德國Darmstadt工業(yè)大學(xué)提出以高于510倍普通切削速度的切削定義為高速切削。主軸軸承孔直徑與主軸最大轉(zhuǎn)速乘積達(52000)×105mm·rev/min 高速切削不能簡單地用某一具體的切削速度值來定義，對于不同的工件材料，其高速切削的速度范圍是不同的?？紤]到目前的生產(chǎn)實際，不同工件材料切削速度范圍的劃分高速加工技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用 1931年4月德國切削物理學(xué)家薩洛蒙 (Carl Salomon)曾根據(jù)一些實驗曲線，即人們常提及的著名的“薩洛蒙曲線” ，提出了超高速切削的理論。高速切削加工關(guān)鍵技術(shù)高速切削機床主軸轉(zhuǎn)速高，輸出功率大：常規(guī)機床轉(zhuǎn)速一般為

15、2000r/min，而高速切削機床則為10000100000 r/min；主軸電動機功率為1580kW進給速度高：約為常規(guī)機床的10倍（60100 m/min ）主軸轉(zhuǎn)速和進給速度的加速度高：從啟動到達到最高轉(zhuǎn)速要在12s內(nèi)完成，工作臺的加、減速度有常規(guī)的0.10.2g提高到12g。機床靜、動態(tài)特性好：除具有足夠的靜剛度外，還必須有很高的動剛度和熱剛度其它功能部件性能高：快速換刀、快速工作臺交換、快速排屑裝置、安全保護、檢測裝置高速主軸單元 高速主軸部件的性能直接決定了機床所能達到的切削速度、加工精度和應(yīng)用范圍，是高速機床的核心部件。高速主軸一般做成電主軸的結(jié)構(gòu)形式，其關(guān)鍵技術(shù)包括：高速主軸軸

16、承、無外殼主軸電動機及其控制模塊、潤滑冷卻系統(tǒng)、主軸刀柄接口、刀具夾緊方式和刀具動平衡等。普通機床主軸：電動機到主軸的中間傳動鏈長、轉(zhuǎn)動慣量大、對運動指令的反應(yīng)滯后、噪聲污染嚴重高速機床電主軸：電動機和機床主軸合而為一，傳動鏈長度為零；主軸運動靈敏度、運動精度和工作可靠性高；可從機床傳動系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)中相對獨立出來做成主軸單元高速直線進給系統(tǒng)普通NC機床的進給系統(tǒng)：滾珠絲杠副+旋轉(zhuǎn)伺服電機絲杠扭轉(zhuǎn)剛度低，限制了運動速度和加速度的提高；進給系統(tǒng)機械傳動鏈較長，各環(huán)節(jié)誤差相疊加會形成較大的綜合傳動誤差和非線性誤差，影響加工精度；機械傳動存在鏈結(jié)構(gòu)復(fù)雜、機械噪聲大、傳動效率低、磨損快。高速進給系統(tǒng)：

17、高速滾珠絲杠螺母+旋轉(zhuǎn)伺服電機采用大導(dǎo)程、多頭高速滾珠絲杠，并進行預(yù)拉伸，提高絲杠的剛度；采用小直徑氮化硅陶瓷球滾珠，減少其運動時的離心力和陀螺力矩；絲杠采用中空結(jié)構(gòu)，并采用空心強冷卻技術(shù)以減少高速滾珠絲杠運轉(zhuǎn)時由于摩擦產(chǎn)生溫升而造成的絲杠熱變形；采用傳感器對螺母的預(yù)緊力進行檢測，實現(xiàn)對螺母預(yù)加載荷的自適應(yīng)控制；絲杠和螺母副的制造難度較大，速度和加速度存在一定的非線性特征，全閉環(huán)時系統(tǒng)穩(wěn)定性不易得到保證。直線電機進給驅(qū)動系統(tǒng)：直線電機作為進給伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件電動機直接驅(qū)動機床工作臺，傳動鏈長度為零；不受離心力的影響，結(jié)構(gòu)簡單、重量輕，容易實現(xiàn)很高的進給速度（80180m/min）和加速度（2

18、10g）；動態(tài)性能好、運動精度高（0.10.01m）、運動行程不影響系統(tǒng)的剛度；無機械磨損。高速加工對CNC系統(tǒng)的要求數(shù)字主軸控制系統(tǒng)和數(shù)字伺服軸驅(qū)動系統(tǒng)應(yīng)該具有高速響應(yīng)特性；采用氣浮、液壓或磁懸浮軸承時，要求主軸支撐系統(tǒng)能根據(jù)不同的加工材料、不同的刀具材料以及加工過程中的動態(tài)變化自動調(diào)整相關(guān)參數(shù)；工件加工的精度檢測裝置應(yīng)選用具有高跟蹤特性和分辨率的檢測元件（雙頻激光干涉儀）。 進給驅(qū)動的控制系統(tǒng)應(yīng)具有很高的控制精度和動態(tài)響應(yīng)特性，以滿足高進給速度和高進給加速度。 為適應(yīng)高速切削，要求單個程序段處理時間短；為保證高速下的加工精度，要有前饋和大量的超前程序段處理功能；要求快速行程刀具路徑，刀具路

19、徑盡可能圓滑，走樣條曲線而不是逐點跟蹤，少轉(zhuǎn)折點、無尖轉(zhuǎn)點；程序算法應(yīng)保證高精度；遇到干擾能迅速調(diào)整，保持合理的進給速度，避免刀具振動?，F(xiàn)代特種加工技術(shù)特種加工技術(shù)概述非傳統(tǒng)加工又稱特種加工，通常被理解為別于傳統(tǒng)切削與磨削加工方法的總稱。 非傳統(tǒng)加工方法 產(chǎn)生于二次大戰(zhàn)后。兩方面問題傳統(tǒng)機械加工方法難于解決： 1）難加工材料的加工問題。宇航工業(yè)等對材料高強度、高硬度、高韌性、耐高溫、耐高壓、耐低溫等的要求，使新材料不斷涌現(xiàn)。 2）復(fù)雜形面、薄壁、小孔、窄縫等特殊工件加工問題。 為解決上面兩方面問題，出現(xiàn)了非傳統(tǒng)加工方法。非傳統(tǒng)加工方法將電、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

20、工的部位上，從而使材料被去除、累加、變形或改變性能等。 特種加工的特點非傳統(tǒng)加工方法主要不是依靠機械能，而是用其它能量（如電能、光能、聲能、熱能、化學(xué)能等）去除材料。 非傳統(tǒng)加工方法由于工具不受顯著切削力的作用，對工具和工件的強度、硬度和剛度均沒有嚴格要求。 一般不會產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象。且工件加工部位變形小，發(fā)熱少，或發(fā)熱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)力也小，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。 非傳統(tǒng)加工方法的材料去除速度，一般低于常規(guī)加工方法，這也是目前常規(guī)加工方法仍占主導(dǎo)地位的主要原因。特種加工的分類機械過程 利用機

21、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。熱學(xué)過程 通過電、光、化學(xué)能等產(chǎn)生瞬時高溫，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)能對材料進行加工，如電解加工、電鑄加工（金屬離子沉積）等?；瘜W(xué)過程利用化學(xué)溶劑對材料的腐蝕、溶解，去除材料，如化學(xué)蝕刻、化學(xué)銑削等。復(fù)合過程 利用機械、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： 機械化學(xué)復(fù)合如機械化學(xué)拋光、電解磨削、電鍍珩磨等。機械熱能復(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（圖1-6

22、1）等。激光加工工作原理激光是一種受激輻射而得到的加強光。其基本特征： 強度高，亮度大 波長頻率確定，單色性好 相干性好，相干長度長 方向性好，幾乎是一束平行光 當激光束照射到工件表面時，光能被吸收，轉(zhuǎn)化成熱能，使照射斑點處溫度迅速升高、熔化、氣化而形成小坑，由于熱擴散，使斑點周圍金屬熔化，小坑內(nèi)金屬蒸氣迅速膨脹，產(chǎn)生微型爆炸，將熔融物高速噴出并產(chǎn)生一個方向性很強的反沖擊波，于是在被加工表面上打出一個上大下小的孔。激光器固體激光器 YAG（結(jié)晶母材由釔、鋁和石榴石構(gòu)成）激光器 紅寶石激光器氣體激光器CO2激光器混合氣體：氦約80%，氮約15%， CO2 約5%通過高壓直流放電進行激勵波長10.

23、6m，為不可見光能量效率5% 15%激光加工應(yīng)用激光打孔 廣泛應(yīng)用于金剛石拉絲模、鐘表寶石軸承、陶瓷、玻璃等非金屬材料，和硬質(zhì)合金、不銹鋼等金屬材料的小孔加工。 激光打孔具有高效率、低成本的特點，特別適合微小群孔加工。 焦點位置對孔的質(zhì)量影響：若焦點與加工表面之間距離很大，則激光能量密度顯著減小，不能進行加工。如果焦點位置偏離加工表面1mm，可以進行加工，此時加工出孔的斷面形狀隨焦點位置不同而發(fā)生變化 激光切割 激光切割具有切縫窄、速度快、熱影響區(qū)小、省材料、成本低等優(yōu)點，并可以在任何方向上切割，包括內(nèi)尖角。 可以切割鋼板、不銹鋼、鈦、鉭、鎳等金屬材料，以及布匹、木材、紙張、塑料等非金屬材料。

24、激光焊接 與打孔相比，激光焊接所需能量密度較低，因不需將材料氣化蝕除，而只要將工件的加工區(qū)燒熔使其粘合在一起。 優(yōu)點：沒有焊渣，不需去除工件氧化膜，可實現(xiàn)不同材料之間的焊接，特別適宜微型機械和精密焊接。激光熱處理 原理：照射到金屬表面上的激光使表面原子迅速蒸發(fā)，由此產(chǎn)生微沖擊波會導(dǎo)致大量晶格缺陷形成，達到硬化。 優(yōu)點：快速、不需淬火介質(zhì)、硬化均勻、變形小、硬化深度可精確控制。 電子束加工原理和特點真空條件下，利用電流加熱陰極發(fā)射電子束，經(jīng)控制柵極初步聚焦后，由加速陽極加速，通過透鏡聚焦系統(tǒng)進一步聚焦，使能量密度集中在直徑510m斑點內(nèi)。高速而能量密集的電子束沖擊到工件上，被沖擊點處形成瞬時高溫

25、（幾分之一微秒時間內(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。 特點及應(yīng)用電子束束徑小（最小直徑可達0.010.05mm），而電子束長度可達束徑幾十倍，故可加工微細深孔、窄縫。 材料適應(yīng)性廣（原則上各種材料均能加工），特別適用于加工特硬、難熔金屬和非金屬材料。 非接觸加工，無工具損耗；無切削力，加工時間極短，工件無變形。 加工速度高，切割1mm厚鋼板，速度可達240mm/min。 在真空中加工，無氧化，特別適于加工高純度半導(dǎo)體材料和易氧化的金屬及合金。 加工設(shè)備較復(fù)雜，投資較大。多用于微細加工。離子束加工的原理和物理基礎(chǔ)利用氬（Ar）離子或其它帶有 10keV 數(shù)量級動能的惰性

26、氣體離子，在電場中加速，以極高速度“轟擊”工件表面，進行“濺射”加工。離子束加工的分類離子刻蝕 離子濺射沉積 離子鍍 離子注入離子束加工的特點離子刻蝕可以達到納米級的加工精度 污染少，特別適用于易氧化的金屬、合金材料和高純度半導(dǎo)體材料的加工。 離子束加工是靠離子轟擊材料表面的原子來實現(xiàn)的 離子束加工設(shè)備價格高、加工成本高而效率低，其應(yīng)用受到一定限制。離子束加工裝置離子束加工裝置包括離子源、真空系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和電源等部分。離子束加工的應(yīng)用刻蝕加工的應(yīng)用 將被加速的離子聚焦成細束，射到被加工表面上。被加工表面受“轟擊”后，打出原子或分子，實現(xiàn)分子級去除加工。三坐標工作臺可實現(xiàn)三坐標直線運動，擺動裝

27、置可實現(xiàn)繞水平軸的擺動和繞垂直軸的轉(zhuǎn)動。離子束濺射去除加工可用于非球面透鏡成形（需要5坐標運動），金剛石刀具和沖頭的刃磨（圖1-45），大規(guī)模集成電路芯片刻蝕等。鍍膜加工的應(yīng)用用加速的離子從靶材上打出原子或分子，并將這些原子或分子附著到工件上，形成“鍍膜”。又被稱為“干式鍍”濺射鍍膜可鍍金屬，也可鍍非金屬。由于濺射出來的原子和分子有相當大的動能，故鍍膜附著力極強（與蒸鍍、電鍍相比）。離子鍍氮化鈦，即美觀，又耐磨。應(yīng)用在刀具上可提高壽命1-2倍。離子注入加工的應(yīng)用用高能離子（數(shù)十萬KeV）轟擊工件表面，離子打入工件表層，其電荷被中和，并留在工件中（置換原子或填隙原子），從而改變工件材料和性質(zhì)?？?/p>

28、用于半導(dǎo)體摻雜（在單晶硅內(nèi)注入磷或硼等雜質(zhì)，用于晶體管、集成電路、太陽能電池制作），金屬材料改性（提高刀具刃口硬度）等方面。超聲波加工基本原理利用工具端面作超聲（1625kHz）振動，使工作液中的懸浮磨粒對工件表面撞擊拋磨來實現(xiàn)加工。 超聲波發(fā)生器將工頻交流電能轉(zhuǎn)變?yōu)橛幸欢üβ瘦敵龅某曨l電振蕩，通過換能器將超聲頻電振蕩轉(zhuǎn)變?yōu)槌暀C械振動，此時振幅一般很小，再通過振幅擴大棒（變幅桿）使固定在變幅桿端部的工具振幅增大到0.010.15mm。 超聲波加工特點及應(yīng)用適用于加工各種脆性金屬材料和非金屬材料，如玻璃、陶瓷、半導(dǎo)體、寶石、金剛石等 。 可加工各種復(fù)雜形狀的型孔、型腔、形面。 工具與工件不需

29、作復(fù)雜的相對運動，機床結(jié)構(gòu)簡單。 被加工表面無殘余應(yīng)力，無破壞層，加工精度較高，尺寸精度可達0.010.05mm 。 加工過程受力小，熱影響小，可加工薄壁、薄片等易變形零件。 生產(chǎn)效率較低。采用超聲復(fù)合加工（如超聲車削，超聲磨削，超聲電解加工，超聲線切割等）可提高加工效率。快速原型制造技術(shù)的產(chǎn)生背景進入20世紀80年代，市場需求已由賣方市場轉(zhuǎn)化為買方市場并日趨全球化。產(chǎn)品開發(fā)的速度和制造技術(shù)的柔性成為贏得競爭的關(guān)鍵問題。計算機技術(shù)、CAD、材料科學(xué)、數(shù)控技術(shù)、激光技術(shù)等的發(fā)展與普及為新的制造技術(shù)的產(chǎn)生奠定了基礎(chǔ)。快速原型制造（RPM）技術(shù)就是在這種社會背景下于20世紀80年代后期在美國問世，然

30、后又擴展到了日本及歐洲，并于20世紀90年代初期引入我國。 RPM技術(shù)將CAD與CAM集成于一體，根據(jù)在計算機上構(gòu)造的產(chǎn)品三維模型，能在很短的時間內(nèi)直接制造出產(chǎn)品的樣品，無需使用傳統(tǒng)制造中的刀具、夾具和模具，從而縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，加快了產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度，降低了企業(yè)投資新產(chǎn)品的風(fēng)險?？焖僭椭圃旒夹g(shù)的基本原理物體成型方式去除成型(Dislodge Forming) 添加成型(Adding Forming) 凈尺寸成型(Net Forming) RPM技術(shù)是由CAD模型直接驅(qū)動的快速制造任意復(fù)雜形狀三維實體和技術(shù)總稱?；驹恚合扔扇SCAD軟件設(shè)計出所需零件的三維曲面或?qū)嶓w模型；然后根據(jù)工藝

31、要求將三維數(shù)據(jù)模型進行分層切片得到各層截面的輪廓數(shù)據(jù)，計算機據(jù)此信息控制激光束有選擇性地切割一層一層的紙，或燒結(jié)一層接一層的粉末材料，或固化一層又一層的液態(tài)光敏樹脂，或用噴嘴噴射一層又一層的熱熔材料或粘合劑，形成一系列具有一個微小厚度的的片狀實體；再采用熔結(jié)、聚合、粘結(jié)等手段使其逐層堆積成一體，從而制造出所設(shè)計的新產(chǎn)品樣件、模型或模具?？焖僭椭圃旒夹g(shù)的特點 制造過程柔性化 ；產(chǎn)品開發(fā)快速化 ；采用離散-堆積原理，可以制造任意復(fù)雜的三維幾何實體；精度分析 ；造型的分析 ； 系列化、模塊化分析 制造過程可實現(xiàn)完全數(shù)字化 ； 材料來源廣泛 ；發(fā)展的可持續(xù)性 典型的快速原型制造技術(shù)工藝立體光刻立體光

32、刻又稱光敏液相固化成形，是由Cahries Hull于1984年提出并獲美國專利，1988年美國3D Systems公司推出世界上第一臺商品化樣機SLA-250。它使用液態(tài)光敏樹脂為成形材料，采用激光器，利用光固化原理一層層掃描液態(tài)樹脂成形?？刂萍す馐辞衅浖厝〉膶用孑喞畔σ簯B(tài)光敏樹脂逐點掃描，被掃描區(qū)的液態(tài)樹脂發(fā)生聚合反應(yīng)形成一薄層的固態(tài)實體。一層固化完畢后，工作臺下移一個切片厚度，使新一層液態(tài)樹脂覆蓋在已固化層的上面，再進行第二層固化。重復(fù)此過程，并層層相互粘結(jié)堆積出一個三維固體制件。分層實體制造工作原理：它以單面事先涂有熱溶膠的紙、金屬箔、塑料膜、陶瓷膜等片材為原料，激光按切片軟

33、件截取的分層輪廓信息切割工作臺上的片材，熱壓輥熱壓片材，使之與下面已成形的工件粘接；激光在剛粘接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)切割出后處理時便于剝離的網(wǎng)格；激光切割完成一層的截面后，工作臺帶動已成形的工件下降一個片材厚度，與帶狀片材分離；送料機構(gòu)轉(zhuǎn)動收料輥和送料輥，帶動料帶移動，使新層移到加工區(qū)域，熱壓輥熱壓，工件的層數(shù)增加一層，高度增加一個料厚；再在新層上進行激光切割。如此反復(fù)直至零件的所有截面粘接、切割完，得到分層制造的實體零件。制造過程完成后，通常還要進行后處理。 選擇性激光燒結(jié)此方法是由美國得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的C. R. Dechard于1

34、989年首先研制出來的，同年獲美國專利。DTM公司1992年首先推出了SLS商品化產(chǎn)品“燒結(jié)站2000系統(tǒng)”。工作原理：采用CO2激光束對粉末狀的成形材料進行分層掃描，受到激光束照射的粉末被燒結(jié)，而未掃描的區(qū)域仍是可對后一層進行支撐的松散粉末。當一層燒結(jié)完畢后，工作臺下移一個片層厚度，而供粉活塞則相應(yīng)上移，鋪粉滾筒再次將加工平面上的粉末鋪平，激光束再燒結(jié)出新的一層并粘結(jié)于前一層上，如此反復(fù)便堆積出三維實體制件。優(yōu)點是可以采用金屬、陶瓷、塑料、復(fù)合材料等多種材料，且材料利用率高；不需要支撐，故可制作形狀復(fù)雜的零件。缺點是成形速度較慢，成形精度和表面質(zhì)量較差。熔融沉積成型FDM工藝由美國學(xué)者Sco

35、tt Crump博士于1988年研制成功，并于1991年由美國的Stratasys公司率先推出商品化設(shè)備FDM-1000。 FDM系統(tǒng)：主要由噴頭、供絲機構(gòu)、運動機構(gòu)、加熱成形室和工作臺等五個部分組成，而噴頭是結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的部分。工作原理：將熱熔性絲材由供絲機構(gòu)送至噴頭，并在噴頭中被加熱至臨界半流動狀態(tài)，噴頭底部有一噴嘴供熔融的材料以一定的壓力擠出，噴頭按零件截面輪廓信息移動，在移動過程中所噴出的半流動材料沉積固化為一個薄層。其后工作臺下降一個切片厚度再沉積固化出另一新的薄層，如此一層層成形且相互粘結(jié)便堆積出三維實體制件。特點：FDM可加工材料范圍廣，如ABS工程塑料、蠟、聚乙烯、聚丙烯、陶瓷和

36、尼龍等；因不用激光器件，故成本較低；成形速度快；當采用水溶性支撐材料時，支撐去除方便快捷；整個成形過程在60300，并且不會產(chǎn)生粉塵，也不存在前幾種工藝方法出現(xiàn)的有毒化學(xué)氣體、激光和液態(tài)聚合物的泄漏。缺點是精度較低?？焖佼a(chǎn)品開發(fā) RPM不受復(fù)雜形狀的任何限制，迅速地將示于計算機屏幕上的設(shè)計變?yōu)榭蛇M一步評估的實物。 根據(jù)原型，可對設(shè)計的正確性、造型合理性、可裝配和干涉等進行具體的檢驗。一般來說采用RPM快速產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)，可減少產(chǎn)品開發(fā)成本3070%，減少開發(fā)時間50%。快速模具制造RT技術(shù)無需數(shù)控銑削，無需電火花加工，無需任何專用工裝和工具，直接根據(jù)原型可把復(fù)雜的工具和型腔制造出來。RT技術(shù)與傳

37、統(tǒng)模具制造技術(shù)相比，可節(jié)省13的時間和成本。 RT技術(shù)可分為間接模具制造（Indirect Rapid Tooling，IRT）與直接模具制造（Direct Rapid Tooling，DRT）兩大類。IRT方法有：硅橡膠澆注法 ；樹脂澆注法；陶瓷型精鑄法；電鑄法制模 ； 噴涂法制模 直接快速模具制造DRT DRT是指利用RPM技術(shù)直接制造出最終的零件或模具，然后對其進行一些必要的后處理即可得到所要求的力學(xué)性能、尺寸精度和表面質(zhì)量。DRT技術(shù)在縮短制造周期，節(jié)省資源，發(fā)揮材料性能，提高精度，降低成本方面具有很大潛力。但在模具精度和性能控制方面比較困難，特殊的后處理設(shè)備和工藝使制造成本提高，成型

38、尺寸也受到較大地限制。 快速原型制造技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用人體的骨骼和內(nèi)部器官具有極其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，要真實地復(fù)制人體內(nèi)部的器官構(gòu)造，反應(yīng)病變特征，快速成形幾乎是唯一的方法。以CT掃描或MRI磁共振數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用RP方法快速制作的人體器官實體模型可以幫助醫(yī)生進行診斷和確定治療方案，而且借助RP技術(shù)制作的人體假肢還能與結(jié)合部位實現(xiàn)最大程度的吻合，從而縮短手術(shù)時間，減少術(shù)后并發(fā)癥。近幾年國內(nèi)外更是熱衷于研究將生物材料快速成形為人工器官的課題，其中人工骨的研究已取得可喜的成果。綠色制造技術(shù)概述綠色加工是指在不犧牲產(chǎn)品的質(zhì)量、成本、可靠性、功能和能量利用率的前提下，充分利用資源，盡量減輕加工過程對環(huán)境產(chǎn)

39、生有害影響的加工過程，其內(nèi)涵是指在加工過程中實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、低耗、高效及清潔化。綠色加工可分為節(jié)約資源（含能源）的加工技術(shù)和環(huán)保型加工技術(shù)。環(huán)境意識制造 (Environmentally Conscious Manufacturing) ； 面向環(huán)境的制造 (Manufacturing For Environment) ；綠色制造 (Green Manufacturing)。綠色加工的關(guān)鍵技術(shù)綠色加工技術(shù)主要從選材、生產(chǎn)加工方法、加工設(shè)備三個方面來實現(xiàn)，綠色加工的關(guān)鍵技術(shù) 刀具技術(shù) ；干式加工對刀具材料要求很高，刀具的幾何參數(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計要滿足干切削對斷屑和排屑的要求。加工韌性材料時尤其要解決好斷屑問

40、題。 機床技術(shù)；機床應(yīng)配置循環(huán)冷卻系統(tǒng)，帶走切削熱量，并在結(jié)構(gòu)上有良好的隔熱措施。實驗表明，干式切削理想的條件應(yīng)該是在高速切削條件下進行，這樣可以減少傳到工件刀具和機床上的熱量。干切削時產(chǎn)生的切屑是干燥的，這樣可以盡可能的將干切削機床設(shè)計成立軸和傾斜式床身。工作臺上的傾斜蓋板用絕熱材料制成，在機床上配置過濾系統(tǒng)排出灰塵，對機床主要部位進行隔離。輔助設(shè)備技術(shù) ；輔助設(shè)備包括夾具、量具等，其綠色技術(shù)主要體現(xiàn)在選用時盡量滿足低成本、低能耗、少污染、可回收原則。干式切削與磨削在不使用切削液的干切削條件下，切削液在加工中的冷卻、潤滑、沖洗、防銹等作用將不復(fù)存在。如何在沒有切削液的條件下創(chuàng)造與濕切削相同或

41、近似的切削條件，這就要求人們?nèi)パ芯扛墒角邢鳈C理，從刀具技術(shù)、機床結(jié)構(gòu)、工件材料和工藝過程等各方面采取一系列的措施。干切削技術(shù) 在切削(含磨削)加工過程中，不使用冷卻潤滑液或使用少量的冷卻潤滑MQL(小于50 ml加工小時)，且加工質(zhì)量和加工時間與濕式切削相當或更好的切削技術(shù)稱為干式切削。只有當所有工序都實現(xiàn)干式切削后，才稱為實用化的干式切削，在實用化干式切削條件下，工件是干燥的。干切削刀具 干式切削刀具必須滿足以下條件：刀具材料應(yīng)具有極高的紅硬性和熱韌性，而且還必須有良好的耐磨性、耐熱沖擊和抗粘接性；切屑與刀具之間的摩擦系數(shù)應(yīng)盡可能??；刀具的槽型應(yīng)保證排屑流暢、易于散熱等。 采用新型刀具材料

42、；主要有：超細硬質(zhì)合金、陶瓷、立方氮化硼和聚晶金剛石等超硬度材料。采用刀具涂層技術(shù)；涂層刀具分兩大類：一類是“硬”涂層刀具，如TiN、TIC和Al203等涂層刀具。這類刀具表面硬度高，耐磨性好。另一類是“軟”涂層刀具，如：MoS2、WS等涂層刀具。這類涂層刀具也稱為“自潤滑刀具”，它與工件材料的摩擦系數(shù)很低，只有0.01mm左右，能有效減少切削力和降低切削溫度。刀具幾何形狀設(shè)計； 應(yīng)使刀具有較大的前角和刃傾角，配以適宜的負倒棱或前刀面加強單元。干切削機床 最好采用立式布局，至少床身應(yīng)是傾斜的。理想的加工布局是工件在上、刀具在下，并在一些滑動導(dǎo)軌副上方設(shè)置可伸縮角形蓋板，工作臺上的傾斜蓋板可用絕

43、熱材料制成，并盡可能依靠重力排屑。干切削時易出現(xiàn)金屬懸浮顆粒，故機床應(yīng)配置真空吸塵裝置并對機床的關(guān)鍵部位進行密封。干切削機床的基礎(chǔ)大件要采用熱對稱結(jié)構(gòu)并盡量由熱膨脹系數(shù)小的材料制成，必要時還應(yīng)進一步采取熱平衡和熱補償?shù)却胧└汕邢骷庸すに?干切削通常是在大氣氛圍中進行，但在特殊氣體氛圍中（如氮氣、冷風(fēng)或采用干式靜電冷卻技術(shù)）而不使用切削液進行的切削也取得了良好的效果。在氮氣氛圍中進行干切削吹氮加工。日本企業(yè)界曾作過吹氮加工和其它方式端銑碳鋼的對比試驗，發(fā)現(xiàn)吹氮加工的刀具磨損，特別是后刀面磨損比吹空氣干切削時低得多。 干式靜電冷卻技術(shù)。其基本原理是通過電離器將壓縮空氣離子化、臭氧化（所消耗的功率不超過25W），然后經(jīng)由噴嘴送至切削區(qū)，在切削點周圍形成特殊氣體氛圍。俄羅斯羅士技術(shù)公司曾對此作大量試驗，發(fā)現(xiàn)在多數(shù)情況下，采用干式靜電冷卻技術(shù)的刀具壽命與濕切削時相當。冷風(fēng)干切削。其工作原理是：讓低溫冷風(fēng)射流機生成的干燥低溫冷風(fēng)（-30-50，有時也混入極微量的植物油）噴射到切削點，對刀具的前、后刀面實施冷卻、潤滑和排屑以降低