先進(jìn)制造技術(shù)3311

先進(jìn)制造技術(shù)東北大學(xué)先進(jìn)制造與自動(dòng)化研究所劉永賢

第三章先進(jìn)制造工藝技術(shù)（切削部分）非傳統(tǒng)加工技術(shù)快速原型制造技術(shù)虛擬成型與加工技術(shù)3．10非傳統(tǒng)加工技術(shù)3．10.1概述3.10.1．1非傳統(tǒng)加工技術(shù)內(nèi)涵、范圍及技術(shù)地位

非傳統(tǒng)加工技術(shù)，顧名思義就是一種采用不同于傳統(tǒng)切削磨削加工工藝及裝備的加工技術(shù)來(lái)進(jìn)行制造成形的加工工藝及裝備的技術(shù)，目前所包括的范圍主要是特種加工、“推積”制造技術(shù)和新機(jī)構(gòu)原理加工裝備技術(shù)。

1)特種加工是將電、磁、聲、光、熱等物理能量及化學(xué)能量或其組合乃至與機(jī)械能組合直接施加在被加工的部位上，從而使材料被去除、變形及改變性能等。特種加工具有下列特點(diǎn)：

(1）工具材料的硬度可以大大低于工件材料的硬度；（2）可直接利用電能、電化學(xué)能、聲能或光能等能量對(duì)材料進(jìn)行加工；

(3）加工過(guò)程中的機(jī)械力不明顯，工件很少產(chǎn)生機(jī)械變形和熱變形，有助于提高工件的加工精度和表面質(zhì)量；（4）各種加工方法可以有選擇地復(fù)合成新的工藝方法，使生產(chǎn)效率成倍地增長(zhǎng)，加工精度也相應(yīng)提高；（5）幾乎每產(chǎn)生一種新的能源，就有可能產(chǎn)生一種新的特種加工方法。

特種加工方法因具有上述特點(diǎn)而適用于以下場(chǎng)合：

(1）解決各種難切削材料的加工問(wèn)題，如耐熱鋼、不銹鋼、鉆合金、淬火鋼、硬質(zhì)合金、陶瓷、寶石、金剛石等以及諸和硅等各種高強(qiáng)度、高硬度、高韌性、高脆性以及高純度的金屬和非金屬的加工。（2）解決各種復(fù)雜零件表面的加工問(wèn)題，如各種熱鍛模、沖裁模和冷拔模的模腔和型孔、整體渦輪、噴氣渦輪機(jī)葉片、炮管內(nèi)腔線以及噴油嘴和噴絲頭的微小異形孔的加工問(wèn)題。

(3）解決各種精密的、有特殊要求的零件加工問(wèn)題，如航空航天、國(guó)防工業(yè)中表面質(zhì)量和精度要求都很高的陀螺儀、伺服閥以及低剛度的細(xì)長(zhǎng)軸、薄壁筒和彈性元件等的加工。特種加工發(fā)展至今雖有50多年的歷史，但在分類(lèi)方法上并無(wú)明確規(guī)定。一般按能量形式和作用原理進(jìn)行劃分：

(1）電能與熱能作用方式有：電火花成形與穿孔加工（EDM）、電火花線切割加工（WEDM）、電子束加工（EBM）和等離子體加工（PAM）。

(2）電能與化學(xué)能作用方式有：電解加工（ECM）、電鑄加工（ECM）和刷鍍加工。

（3）電化學(xué)能與機(jī)械能作用方式有：電解磨削（ECG）、電解傷磨（ECH）。

（4）聲能與機(jī)械能作用方式有：超聲波加工（USM）。

（5）光能與熱能作用方式有：激光加工（LBM）。

（6）電能與機(jī)械能作用方式有：離子束加工（IM）。

(7）液流能與機(jī)械能作用方式有：水射流切割（WJC）、磨料水噴射加工（AWJC）和擠壓傷磨（AFH）。

在特種加工范圍內(nèi)還有一些屬于降低表面粗糙度和改善表面性能的工藝，前者如電解熱拋光、化學(xué)拋光、離子束拋光等；后者如電火花表面強(qiáng)化、鍍覆、電子束曝光、離子束注入滲雜等。

2)“堆積”制造技術(shù)指運(yùn)用合并與連接的方法，把材料有序地堆積起來(lái)形成三維實(shí)體的成形方法。在制造的全過(guò)程中可把零件視為一個(gè)空間實(shí)體，由非幾何意義的“點(diǎn)”或“面”疊加而成，它從CAD模型中，獲取零件點(diǎn)、面的離散信息，把它與成形工藝參數(shù)信息結(jié)合轉(zhuǎn)換為控制成形機(jī)工作的NC（數(shù)控）代碼，控制材料有規(guī)律地精確地堆積成零件?？焖僭椭圃旒夹g(shù)（RPM）屬于典型的“堆積”制造技術(shù)理論上，“堆積”制造技術(shù)可以制造塑料、陶瓷及各種復(fù)合材料的任意形狀的零件，材料從小到大的堆積，提高了材料利用率，精度較好，可達(dá)±0.0lmm。

3)新機(jī)構(gòu)原理加工裝備技術(shù)主要指近年出現(xiàn)的采用并聯(lián)行架結(jié)構(gòu)的虛擬軸機(jī)床（VirtualAxisMachineTool）及其相關(guān)技術(shù)，國(guó)外稱為Hexapod或Stewart機(jī)床，這種機(jī)床突破了傳統(tǒng)機(jī)床結(jié)構(gòu)上的串聯(lián)機(jī)構(gòu)方案，一般以控制六個(gè)軸的長(zhǎng)短來(lái)實(shí)現(xiàn)刀具相對(duì)于工件的加工位姿，不但提高了工藝靈活性，而且整機(jī)重量輕，剛性好，已受到國(guó)內(nèi)外重視。隨著航空航天、核能熱電以及微電子工業(yè)的發(fā)展，產(chǎn)品向高精度、高速度、耐高溫、耐高壓、耐腐蝕、大功率、小型化和高可靠性方向發(fā)展，零件的特殊結(jié)構(gòu)和新材料的應(yīng)用對(duì)制造業(yè)提出了特殊的要求，常規(guī)加工方法難以勝任，用非傳統(tǒng)加工技術(shù)就很容易解決。

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展，非傳統(tǒng)加工技術(shù)的內(nèi)涵日益豐富，所涉及的范圍日益擴(kuò)大。特種加工技術(shù)在難加工材料加工、模具制造、復(fù)雜型面加工、零件的精細(xì)加工、微型電子機(jī)械系統(tǒng)制造及低剛度零件加工等加工領(lǐng)域中已成為重要的加工方法，形成了較完整的制造技術(shù)體系。

總之，非傳統(tǒng)加工技術(shù)作為跨世紀(jì)的先進(jìn)制造技術(shù)將在21世紀(jì)人類(lèi)社會(huì)進(jìn)步及我國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)中發(fā)揮重大作用。

3．10．1．2非傳統(tǒng)加工技術(shù)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

1943年，前蘇聯(lián)的拉扎連柯夫婦在研究開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)遭受火花放電時(shí)的腐蝕損壞的現(xiàn)象和原因時(shí)，從火花放電時(shí)的瞬時(shí)高溫，可使局部金屬熔化、氣化而蝕除的現(xiàn)象，頓悟到創(chuàng)造一種全新的加工方法的可能性，繼而深入進(jìn)行研究，最終發(fā)明了電火花加工這種新型方法。繼電火花加工出現(xiàn)之后，人們又不停頓地進(jìn)行研究和探索，相繼發(fā)展了一系列的特種加工新方法，如電解加工、超聲波加工和激光加工等，從而開(kāi)創(chuàng)了特種加工的廣闊領(lǐng)域。國(guó)外，特別是日本、前蘇聯(lián)、美國(guó)、瑞士等工業(yè)化國(guó)家對(duì)非傳統(tǒng)加工技術(shù)給予了高度重視，視其為一種跨世紀(jì)技術(shù)，日本把它列為機(jī)械裝備的三大支柱之一。它們從理論研究、技術(shù)應(yīng)用到加工設(shè)備的研制已達(dá)到了很高的水平。他們的特種加工裝備以高度自動(dòng)化、多功能、加工工藝指標(biāo)高、質(zhì)量好及可靠性高而暢銷(xiāo)全球。

下面從幾個(gè)方面介紹非傳統(tǒng)加工技術(shù)的發(fā)展。相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料表明：電火花加工精度達(dá)到微米級(jí)，微細(xì)放電加工達(dá)到亞微米級(jí)，電解加工精度達(dá)0．02mm，采用脈沖電源及其它措施后的精度達(dá)到微米級(jí)；電火花加工已是模具加工中不可替代的加工方法，它還可以加工各種特殊性能的材料和各種復(fù)雜表面及微細(xì)、微精、薄壁、低剛性等零件。各國(guó)都在對(duì)電極材料進(jìn)行改進(jìn)以提高電火花放電加工效率。

激光切割精度達(dá)到0．03mm，電子束、離子束加工精度達(dá)到微米級(jí)；電化學(xué)拋光表面粗糙度達(dá)到幾0．002m。

激光加工已成功用于切割、焊接、表面處理、打孔、微機(jī)械加工及彎曲成形等方面。激光加工在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家中已被大量用于電子、汽車(chē)、鋼鐵、機(jī)械、航空等工業(yè)部門(mén)，被譽(yù)為“未來(lái)制造系統(tǒng)的共同加工手段”。激光加工技術(shù)發(fā)展很快，需求不斷增長(zhǎng)，據(jù)IndustrialLaserReviewl998年初發(fā)布的對(duì)世界工業(yè)激光器及激光加工系統(tǒng)銷(xiāo)售情況統(tǒng)計(jì)，1997年激光加工系統(tǒng)銷(xiāo)售額比1996年增長(zhǎng)20％對(duì)工業(yè)激光器銷(xiāo)售臺(tái)數(shù)年增長(zhǎng)率的統(tǒng)計(jì)表明，近幾年一直有20％左右的增長(zhǎng)率。PhotonicsSpectra對(duì)各行業(yè)應(yīng)用激光加工的情況做了統(tǒng)計(jì)，電子與電器工業(yè)是最大用戶，占40％以上，從微調(diào)、劃基片、標(biāo)記、焊接到剝線，用得極廣；汽車(chē)工業(yè)和加工門(mén)市部次之，各占14％，主要是切割和焊接；包裝業(yè)用激光進(jìn)行模板切割和標(biāo)記占8％；航空航天占2％等。

例如西門(mén)子公司在德國(guó)慕尼黑一個(gè)分公司的生產(chǎn)線上就有近400臺(tái)各種類(lèi)型的激光加工設(shè)備，日本東芝公司的激光技術(shù)研究所專門(mén)就公司生產(chǎn)中的需求來(lái)研究開(kāi)發(fā)固體激光加工設(shè)備（NdYAG激光器），在顯像管和集成電路生產(chǎn)線上的許多激光焊接機(jī)、標(biāo)記機(jī)、微調(diào)機(jī)都是該公司自行制造的。汽車(chē)工業(yè)中，通用、福特、奔馳、大眾、豐田等汽車(chē)制造商無(wú)一例外地采用了激光加工技術(shù)，汽車(chē)車(chē)身裝配中大量使用激光焊接工藝，不但可省材料，還提高了工效，增加了汽車(chē)構(gòu)件的強(qiáng)度，福特汽車(chē)公司用sin長(zhǎng)的光纖將2kw的NdYAG激光傳輸?shù)窖b在IR761／125型機(jī)器人的焊頭上，用于車(chē)身裝配，把車(chē)頂和門(mén)框焊在一起，焊兩層0．5mm厚的鋼板，焊速達(dá)28m／min。

電子束加工技術(shù)，近20年發(fā)展迅速，已能進(jìn)行精密微細(xì)、焊接、涂膜、熔煉、熱處理、曝光、輻照等加工。德國(guó)阿登納研究所生產(chǎn)連續(xù)式電子束帶鋼鍍膜設(shè)備，能鍍的鋼帶寬500mm、雙層鍍鋁厚度0．l～lmm，速度為200m／min，電子簾加速器用于輻照加工在國(guó)外已普及，機(jī)器的總功率可達(dá)250kw，電子束加工技術(shù)將向高功率化、高精度化、微細(xì)化、自動(dòng)化方向發(fā)展。

離子束加工可以進(jìn)行銑刻、濺射涂膜、離子鍍和微細(xì)加工等，特別是離子輔助鍍層（IAC）技術(shù)兼有氣相沉積和離于注入的兩者優(yōu)點(diǎn)，可以制備出粘接力很強(qiáng)、結(jié)構(gòu)致密的各種性能優(yōu)良的功能鍍層。微細(xì)離子束加工主要應(yīng)用在微型機(jī)器人的制造上。

化學(xué)特種加工是在工件表面產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，使用金屬腐蝕溶解而改變工件的尺寸和形狀，具有加工周期短、變換產(chǎn)品快、工藝性較好等特點(diǎn)，其主要用于印刷線路板制造。

在借助于水、磨料、超聲波、熱能等對(duì)工件進(jìn)行精密加工的機(jī)械特種加工技術(shù)方面，國(guó)內(nèi)外已有較大發(fā)展。國(guó)外公司一直用磨料水噴射加1100mm以上厚度的防彈玻璃、層壓玻璃和聚碳酸酯，效果良好。磨料水噴射切割加工十分適合于航空材料的加工，最新開(kāi)發(fā)的三維切割方法，如德國(guó)LoutsBleroit研究中心已開(kāi)發(fā)一種六軸龍門(mén)式機(jī)器人，用于對(duì)組合零件進(jìn)行精加工以及對(duì)鈦合金、碳纖維成形加工件進(jìn)行切削加工，該機(jī)床由兩個(gè)磨料水噴射切割頭、一個(gè)傳感器和一些切削刀具組成。磨料噴射加工可以勝任精密切割，加工工件無(wú)須去毛刺，這在氧乙炔、微光束切割法中是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。其次水噴射加工的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是其可以觸及其他工具不易達(dá)到的地方。磨料流動(dòng)加工已成熟地應(yīng)用于液壓、氣動(dòng)元件閥體的交叉孔去毛刺、倒圓和擠壓模具內(nèi)腔拋光，表面粗糙度達(dá)到Ra0.04～0.05m。多年來(lái)美國(guó)一直在進(jìn)行超聲波輔助金剛石刀具加工的研究，日本也正在進(jìn)行超聲波輔助磨削技術(shù)的開(kāi)發(fā)。

電解加工是利用金屬在電解液中的電化學(xué)陽(yáng)極溶解將工件加工成形的，已成功應(yīng)用于鍛模、齒輪、花鍵、高溫合金葉片等機(jī)械零件的成型加工，采用電解液沖刷加工和成型管電解加工可以加工孔徑為0．2～5mm，孔深與孔徑之比大于20以上的孔，孔深與孔徑之比最高已達(dá)300，也可以加工異型孔的小深孔機(jī)械零件。電解磨削和電解研磨加工硬質(zhì)合金效率比機(jī)械磨削提高3～5倍，表面粗糙度達(dá)到Ra＜0.16m，對(duì)于電解加工，國(guó)外研究機(jī)構(gòu)正致力于采用非線性電解液、脈沖電流和振動(dòng)進(jìn)給等工藝措施攻克精度不高這一難題，電解液對(duì)機(jī)床、工件及環(huán)境都有一定的腐蝕作用也是今后電解加工技術(shù)發(fā)展中需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。對(duì)于RPM技術(shù)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀趨勢(shì)以及關(guān)鍵技術(shù)，將在3．11節(jié)中介紹。

虛擬軸機(jī)床及其相關(guān)技術(shù)于1994年在美國(guó)芝加哥國(guó)際制造技術(shù)展覽會(huì)（IMTS’94）上引起轟動(dòng)以來(lái)，被人們稱為“21世紀(jì)的機(jī)床”，它的六桿并聯(lián)連桿結(jié)構(gòu)使得機(jī)床剛性提高，加工速度是傳統(tǒng)加工中心的5～10倍。目前，美國(guó)、瑞士、俄羅斯、英國(guó)、日本等國(guó)已經(jīng)生產(chǎn)出了數(shù)臺(tái)樣品，美國(guó)Ingersol公司的HOH－600（OctahedralHexapod）最大送給速度30m／min，主軸轉(zhuǎn)速為0～20000r／min，刀庫(kù)容量為40或80把刀，機(jī)床價(jià)格高達(dá)140萬(wàn)美元。由于虛擬軸機(jī)床具有優(yōu)良的動(dòng)態(tài)性能、很小的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量和良好的靈活性，符合制造裝備技術(shù)的以硬件的復(fù)雜性向軟件轉(zhuǎn)移的總趨勢(shì)，其已成為世界的研究熱點(diǎn)。我國(guó)近年來(lái)在非傳統(tǒng)加工技術(shù)方面進(jìn)行了大量研究，在電火花加工、電化學(xué)加工、電化學(xué)機(jī)械加工、激光加工等方面形成了自己的特色，但在精度、功能、自動(dòng)化程度、可靠性、加工穩(wěn)定性、加工工藝指標(biāo)等方面都低于國(guó)外先進(jìn)水平，水平相差10至20年。我國(guó)電加工機(jī)床的加工精度為0．02mm、表面粗糙度為兒0．0025mm，最好水平為民0．0006mm。電加工機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的性能與國(guó)外系統(tǒng)相比，缺乏完善的工藝數(shù)據(jù)庫(kù)，可靠性不穩(wěn)定，沒(méi)有Z軸伺服裝置。國(guó)內(nèi)的激光加工設(shè)備在切割速度和精度上與國(guó)外先進(jìn)水平相比有較大差距，在厚板切割和激光彎曲成形方面的研究剛起步。在虛擬軸機(jī)床技術(shù)方面，我國(guó)的一些高等院校和科研院所近年來(lái)也開(kāi)展一些研究，中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化所、清華大學(xué)、天津大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、東北大學(xué)等單位在這一領(lǐng)域進(jìn)行了理論分析和試驗(yàn)研究，有的已制出樣機(jī)。3．10．1．3非傳統(tǒng)加工技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)及前沿關(guān)鍵技術(shù)

1．非傳統(tǒng)加工技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

(1）在微精、高效加工方面繼續(xù)發(fā)展。微機(jī)電系統(tǒng)要求非傳統(tǒng)加工技術(shù)將向亞微米級(jí)和納米級(jí)方向發(fā)展。（2）向自動(dòng)化、柔性化和智能化方向發(fā)展。非傳統(tǒng)加工技術(shù)的控制裝置將充分利用模糊控制和智能控制技術(shù)；通過(guò)對(duì)非傳統(tǒng)加工技術(shù)機(jī)理研究建立各種加工方法的工藝數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)非傳統(tǒng)加工的CAD／CAM，發(fā)展高精度、高效率和表面質(zhì)量好的加工技術(shù)、加工中心和加工單元。（3）向新的多能量復(fù)合加工和綜合加工技術(shù)發(fā)展。為了提高非傳統(tǒng)加工技術(shù)的加工精度、加工效率和表面質(zhì)量，適應(yīng)新材料新產(chǎn)品和應(yīng)用領(lǐng)域的需要，各種能量組合的復(fù)合加工技術(shù)和綜合加工技術(shù)將得到發(fā)展并在ZI世紀(jì)發(fā)揮重要作用。（4）向綠色加工技術(shù)方向發(fā)展。發(fā)展水射流加工技術(shù)以水基溶液代替有毒溶液、減少污水排放，發(fā)展RPM技術(shù)以及硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而軟件復(fù)雜的虛擬軸機(jī)床技術(shù)將是非傳統(tǒng)加工技術(shù)的重要方向。

2．非傳統(tǒng)加工技術(shù)的前沿關(guān)鍵技術(shù)非傳統(tǒng)加工技術(shù)具體到其基礎(chǔ)研究、電火花加工技術(shù)、激光加工技術(shù)、復(fù)合加工技術(shù)及虛擬軸機(jī)床技術(shù)等方面的發(fā)展趨勢(shì)及其前沿關(guān)鍵技術(shù)有：

(1）非傳統(tǒng)加工技術(shù)的基礎(chǔ)研究。加強(qiáng)特種加工技術(shù)的工藝基礎(chǔ)研究，建立特種加工工藝數(shù)據(jù)庫(kù)；特種加工過(guò)程的模糊控制技術(shù)的研究；自動(dòng)化、智能化、開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)的電加工數(shù)控系統(tǒng)研究；精密化的復(fù)合加工技術(shù)也是特種加工技術(shù)的重要基礎(chǔ)研究課題。

（2）電火花加工技術(shù)。研制可作垂直升降的伸縮式加工液槽、高剛度箱型結(jié)構(gòu)的床身及可防止熱變形的精密陶瓷工作臺(tái)：在提高精度和自動(dòng)化程度的同時(shí)，向結(jié)構(gòu)小型化方向發(fā)展，開(kāi)發(fā)精密、微細(xì)、多功能電火花加工機(jī)床，多軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控電火花加工機(jī)床及電極直接驅(qū)動(dòng)的小型電火化加工裝置；大力發(fā)展混粉大面積鏡面加工、電火花銑削加工和電火花微細(xì)加工如電火花線電極磨削等新工藝：進(jìn)行智能自選規(guī)準(zhǔn)脈沖電源及節(jié)能式脈沖電源的研究；ATC電極庫(kù)和非燃性、環(huán)保型工作液的研究；電火花加工用專家系統(tǒng)及電火花加工技術(shù)的安全性的研究。

（3）激光加工技術(shù)。其發(fā)展趨勢(shì)，一是中高功率的CO2激光加工機(jī)將占主要地位，并向大功率（10～15kw）、智能化（CAD/CAM）和在線監(jiān)控等方面發(fā)展：二是向加工技術(shù)的復(fù)合化（一臺(tái)激光器多用）的方向發(fā)展，如日本建成一條激光復(fù)合加工柔性生產(chǎn)線，從毛坯進(jìn)料一激光切割下料一激光熱加工成形～去毛刺～焊接一熱處理一檢測(cè)，全部工藝流程均采用激光加工技術(shù)；三是向大厚度、高精度、加工零件形狀更為復(fù)雜的方向發(fā)展；四是開(kāi)辟新的激光加工工藝，在微細(xì)加工、光刻、薄膜沉積、大規(guī)模集成電路制作、新的物質(zhì)合成以及光化學(xué)分離等方面進(jìn)行研究。重點(diǎn)進(jìn)行激光器、高速高精度激光切割、激光焊接、厚板激光切割機(jī)理研究；開(kāi)發(fā)激光三維自動(dòng)聚焦系統(tǒng)和離線自動(dòng)編程系統(tǒng)；開(kāi)展激光彎曲成形技術(shù)的工藝過(guò)程研究和設(shè)備的研制。

（4）傳統(tǒng)加工和特種加工相結(jié)合的復(fù)合加工方法以及精密和超精密特種加工技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)。

（5）虛擬軸機(jī)床。虛擬軸機(jī)床（并聯(lián)機(jī)床）的概念設(shè)計(jì)；利用CAD、計(jì)算機(jī)仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等進(jìn)行虛擬軸機(jī)床的運(yùn)動(dòng)計(jì)算、動(dòng)力計(jì)算、控制技術(shù)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)研究；虛擬軸機(jī)床的力覺(jué)、視覺(jué)、故障自診斷、安全運(yùn)行保障研究及生產(chǎn)線總控技術(shù)的研究；虛擬軸機(jī)床應(yīng)用領(lǐng)域的可行性、合理性研究；虛擬軸機(jī)床的模塊化技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)、數(shù)字式交流伺服控制系統(tǒng)及驅(qū)動(dòng)技術(shù)、精確定位相關(guān)的機(jī)電技術(shù)、精確定位有關(guān)的主要零部件開(kāi)發(fā)和制造技術(shù)及虛擬軸機(jī)床的聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等虛擬軸機(jī)床建造技術(shù)的研究；跟蹤研制通用虛擬軸加工中心，注重開(kāi)發(fā)用于工業(yè)實(shí)際的專用虛擬軸機(jī)床，加強(qiáng)虛擬軸機(jī)床技術(shù)商品化工作。本節(jié)將重點(diǎn)介紹電火花加工、高能束加工、復(fù)合加工及虛擬軸機(jī)床技術(shù)等幾種非傳統(tǒng)加工技術(shù)。3.10．2電火花加工

電火花加工是在一定的液體介質(zhì)中，利用脈沖放電對(duì)導(dǎo)電材料的電蝕現(xiàn)象來(lái)蝕除材料，從而使零件的尺寸、形狀和表面質(zhì)量達(dá)到預(yù)定技術(shù)要求的一種加工方法在特種加工中，電火花加工的應(yīng)用最為廣泛，尤其在模具制造業(yè)、航空航天等領(lǐng)域有著極為重要的地位。3．10．2．l電火花加工的原理與特點(diǎn)電火花加工是在如圖3．46所示的加工系統(tǒng)中進(jìn)行的。加工時(shí)，脈沖電源的一極接工具電極，另一極接工件電極。兩極均浸入具有一定絕緣度的液體介質(zhì)（常用煤油或礦物油或去離子水）中。工具電極由自動(dòng)送給調(diào)節(jié)裝置控制，以保證工具與工件在正常加工時(shí)維持一很小的放電間隙（0.01～0.05mm）。當(dāng)脈沖電壓加到兩極之間，便將當(dāng)時(shí)條件下極間最近點(diǎn)的液體介質(zhì)擊穿，形成放電通道。由于通道的截面積很小，放電時(shí)間極短，致使能量高度集中（106～107W／mm2），放電區(qū)域產(chǎn)生的瞬時(shí)高溫足以使材料熔化甚至蒸發(fā)，以致形成一個(gè)小凹坑。第一次脈沖放電結(jié)束之后，經(jīng)過(guò)很短的間隔時(shí)間，第二個(gè)脈沖又在另～極間最近點(diǎn)擊穿放電。如此周而復(fù)始高頻率地循環(huán)下去，工具電極不斷地向工件進(jìn)給，它的形狀最終就復(fù)制在工件上，形成所需要的加工表面。與此同時(shí)，總能量的一小部分也釋放到工具電極上，從而造成工具損耗。從上面的敘述中可以看出，進(jìn)行電火花加工必須具備三個(gè)條件：必須采用脈沖電源，必須采用自動(dòng)進(jìn)給調(diào)節(jié)裝置，以保持工具電極與工件電極間微小的放電間隙；火花放電必須在具有一定絕緣強(qiáng)度（103～107·m）的液體介質(zhì)中進(jìn)行。

電火花加工具有如下特點(diǎn)：可以加工任何高強(qiáng)度、高硬度、高韌性、高脆性以及高純度的導(dǎo)電材料；加工時(shí)無(wú)明顯機(jī)械力，適用于低剛度工件和微細(xì)結(jié)構(gòu)的加工；脈沖參數(shù)可依據(jù)需要調(diào)節(jié)，可在同一臺(tái)機(jī)床上進(jìn)行粗加工、半精加工和精加工；電火花加工后的表面呈現(xiàn)的凹坑，有利于貯油和降低噪聲；生產(chǎn)效率低于切削加工；放電過(guò)程有部分能量消耗在工具電極上，導(dǎo)致電極損耗，影響成形精度。3.10．2．2電火花加工的應(yīng)用與發(fā)展電火花加工主要用于模具中型孔、型腔的加工，已成為模具制造業(yè)的主導(dǎo)加工方法，推動(dòng)了模具行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。電火花加工零件的數(shù)量在3000件以下時(shí)，比模具沖壓零件在經(jīng)濟(jì)上更加合理。按工藝過(guò)程中工具與工件相對(duì)運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)和用途不同，電火花加工可大體分為：電火花成形加工、電火花線切割加工、電火花磨削加工、電火花展成加工、非金屬電火花加工和電火花表面強(qiáng)化等。

1．電火花成形加工該方法是通過(guò)工具電極相對(duì)于工件作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，將工件電極的形狀和尺寸復(fù)制在工件上，從而加工出所需要的零件。其包括電火花型腔加工和穿孔加工兩種。電火花型膠加工主要用于加工各類(lèi)熱鍛模、壓鑄模、擠壓模、塑料模和膠水膜的型腔。電火花穿孔加工主要用于型孔（圓孔、方孔、多邊形孔、異形孔）、曲線孔（彎孔、螺旋孔）、小孔和微孔的加工。近年來(lái)，為了解決小孔加工中電極截面小、易變形、孔的深徑比大、排屑困難等問(wèn)題，在電火花穿孔加工中發(fā)展了高速小孔加工，取得良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

2．電火花線切割加工該方法是利用移動(dòng)的細(xì)金屬絲作工具電極，按預(yù)定的軌跡進(jìn)行脈沖放電切割，按線電極移動(dòng)的速度大小分為高速走絲和低速走絲線切割。我國(guó)普通采用高速走絲線切割，近年來(lái)正在發(fā)展低速走絲線切割，高速走絲時(shí)，線電極是直徑為Φ0.02～0.3mm的高強(qiáng)度鉬絲，往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度為8～10m／s。低速走絲時(shí)，多采用銅絲，線電極以小于0.2m／s的速度作單方向低速運(yùn)動(dòng)。線切割時(shí)，電極絲不斷移動(dòng)，其損耗很小，因而加工精度較高。其平均加工精度可達(dá)0.0lmm，大大高于電火花成形加工。表面粗糙度Ra值可達(dá)1.6μm或更小。國(guó)內(nèi)外絕大多數(shù)數(shù)控電火花線切割機(jī)床都采用了不同水平的微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，基本上實(shí)現(xiàn)了電火花錢(qián)切割數(shù)控化。目前電火花線切割廣泛用于加工各種仲裁模（沖孔和落料用）、樣板以及各種形狀復(fù)雜型孔、型面和窄縫等。

3．電火花加工機(jī)床的新進(jìn)展電火花加工機(jī)床在提高精度和自動(dòng)化程度同時(shí)，也在向結(jié)構(gòu)的小型化方向發(fā)展。為提高零件加工精度，類(lèi)似于加工中心的精密多功能微細(xì)電火花加工機(jī)床受到青瞇，在這種機(jī)床上，從微細(xì)電極的制作到微細(xì)零件的加工，電極只需一次裝夾，因此減小了多次裝夾電極所帶來(lái)的誤差，并且可以通過(guò)對(duì)電極的重加工來(lái)修正被損耗電極的形狀，從而提高了零件加工精度。在這種機(jī)床上，可實(shí)現(xiàn)電火花線電極磨削加工、電火花復(fù)雜形狀微細(xì)孔加工及電火花銑削加工等功能，并有望實(shí)現(xiàn)微細(xì)電火花三維形體加工。目前先進(jìn)的多軸聯(lián)動(dòng)電火花數(shù)控機(jī)床發(fā)展趨勢(shì)是集多種功能于一體，這些功能包括旋轉(zhuǎn)分度、自動(dòng)交換電極、自動(dòng)放電間隙補(bǔ)償、電流自適應(yīng)控制以及加工現(xiàn)準(zhǔn)的實(shí)時(shí)智能選擇等，從而實(shí)現(xiàn)從加工規(guī)準(zhǔn)的選擇到零件的加工全過(guò)程自動(dòng)化，夏米爾公司、阿奇公司、三菱電機(jī)公司、沙迪克公司等國(guó)外著名的電火花機(jī)床廠商都有成熟產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)的漢川機(jī)機(jī)床廠、北京迪蒙公司也在生產(chǎn)這類(lèi)產(chǎn)品。電極直接驅(qū)動(dòng)的小型電火花加工系統(tǒng)是20世紀(jì)90年代才出現(xiàn)的一門(mén)新興技術(shù)，其能在電極上附加軸向小振幅快速振動(dòng)，并利用多電極同時(shí)加工。日本東京大學(xué)的方谷克司和豐田工業(yè)大學(xué)的毛利尚武等人，已經(jīng)研制出蠕動(dòng)式、沖擊式和利用橢圓運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)的三種利用壓電陶瓷的遞壓電效應(yīng)來(lái)直接驅(qū)動(dòng)電極的小型電火花加工裝置，我國(guó)的哈爾濱工業(yè)大學(xué)、南京航空航天大學(xué)分別利用蠕動(dòng)式原理和沖擊式原理制造出樣機(jī)。3．10．3高能束加工高能束加工是利用被聚焦到加工部位上的高能量密度射束，對(duì)工件材料進(jìn)行去除加工的特種加工方法的總稱，高能束加工通常指激光加工、電子束加工和離子束加工。3．10．3．1激光加工激光加工是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來(lái)的一種新興技術(shù)，它是利用光能經(jīng)過(guò)透鏡聚焦后達(dá)到很高的能量密度，依靠光熱效應(yīng)來(lái)加工各種材料。已廣泛用于打孔、切割、焊接、電子器件微調(diào)、表面處理以及信息存貯等許多領(lǐng)域。

1．激光加工原理及特點(diǎn)激光是一種經(jīng)受激輻射產(chǎn)生的加強(qiáng)光。其光強(qiáng)度高，方向性、相干性和單色性好，通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)可將激光束聚焦成直徑為幾十微米到幾微米的極小光斑，從而獲得極高的能量密度（108～1010W/cm2）。當(dāng)激光照射到工件表面，光能被工件吸收并迅速轉(zhuǎn)化為熱能，光斑區(qū)域的溫度可達(dá)10000oC以上，使材料熔化甚至汽化。隨著激光能量的不斷吸收，材料凹坑內(nèi)的金屬蒸氣迅速膨脹，壓力突然增大，熔融物爆炸式的高速噴射出來(lái)，在工件內(nèi)部形成方向性很強(qiáng)的沖擊波。激光加工就是工件在光熱效應(yīng)下產(chǎn)生的高溫熔融和沖擊波的綜合作用過(guò)程。圖3－47是固體激光器中激光的產(chǎn)生和工作原理圖。當(dāng)激光的工作物質(zhì)釔鋁石榴石等受到光泵（激勵(lì)脈沖氛燈）的激發(fā)后，吸收具有特定波長(zhǎng)的光，在一定條件下可導(dǎo)致工作物質(zhì)中的亞穩(wěn)態(tài)粒子數(shù)大于低能級(jí)粒子數(shù)，這種現(xiàn)象稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。此時(shí)一旦有少量激光粒子產(chǎn)生受激輻射躍遷，造成光放大，再通過(guò)諧振腔內(nèi)的全反射鏡和部分反射鏡的反饋?zhàn)饔卯a(chǎn)生振蕩，此時(shí)由諧振腔的一端輸出激光。再通過(guò)透鏡聚焦形成高能光束，照射在工件表面上，即可進(jìn)行加工。固體激光器中常用的工作物質(zhì)除了鈦錫石榴石外，還有紅寶石和鈦玻璃等材料。

激光加工工具有如下特點(diǎn)：它屬于高能束流加工，不存在工具磨損更換問(wèn)題；幾乎可以加工任何金屬與非金屬材料；屬非接觸加工，無(wú)明顯機(jī)械力，能加工易變形的薄板和橡膠等彈性工件；加工速度快，熱影響區(qū)??；易實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程自動(dòng)化；激光可通過(guò)玻璃、空氣及惰性氣體等透明介質(zhì)進(jìn)行加工，如對(duì)真空管內(nèi)部進(jìn)行焊接等；激光可以通過(guò)聚焦，形成微米級(jí)的光斑，輸出功率的大小又可以調(diào)節(jié)，因此可用于精密微細(xì)加工；加工時(shí)不產(chǎn)生振動(dòng)噪聲，加工效率高，可實(shí)現(xiàn)高速打孔和高速切割；可以達(dá)到0.0lmm的平均加工精度和0.001mm的最高加工精度；表面粗糙度Ra值可達(dá)以0.4～0.1m。

2激光加工的應(yīng)用范圍及發(fā)展

激光加工的主要參數(shù)為激光的功率密度、激光的波長(zhǎng)和輸出的脈寬、激光照射在工件上的時(shí)間以及工件對(duì)能量的吸收等。激光對(duì)材料的表面處理、焊接、切割和打孔等都與上述參數(shù)有關(guān)。

(1）激光表面處理。是近十年來(lái)激光加工領(lǐng)域中最為活躍的研究與開(kāi)發(fā)方向，發(fā)展了相變硬化、快速熔凝、合金化、熔覆等一系列處理工藝。其中相變硬化和熔凝處理的工藝技術(shù)趨向成熟并產(chǎn)業(yè)化。合金化和熔覆工藝無(wú)論對(duì)基體材料的適應(yīng)范圍還是性能改善的幅度，都比前兩種工藝廠得多，因而發(fā)展前景廣闊。

（2）激光焊接。它是基于大功率激光所產(chǎn)生的小孔效應(yīng)基礎(chǔ)上的深熔焊接，它既是一種館深大、速度快／單位時(shí)間館會(huì)面積大的高效焊接方法，又是一種焊縫深寬比大、比能小、熱影響區(qū)小、變形小的精確焊接方法。當(dāng)激光的功率密度為105～107W/cm2，照射時(shí)間約為1／100秒左右，即可進(jìn)行激光焊接。激光焊接一般無(wú)需焊料和焊劑，只需將工件的加工區(qū)域“熱熔”在一起就可以。

（3）激光切割。激光切割所需的功率密度約為105～107W/cm2

。它既可以切割金屬材料，也可以切割非金屬材料。它還能透過(guò)玻璃切割真空管內(nèi)的燈絲，這是任何機(jī)械加工所難以達(dá)到的。

（4）激光打孔。激光打孔的功率密度一般為107～108W/cm2

。它主要應(yīng)用于在特殊零件或特殊材料上加工孔。如火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和柴油機(jī)的噴油嘴、化學(xué)纖維的噴絲板、鐘表上的寶石軸承和聚晶金剛石拉絲模等零件上的微細(xì)孔加工。

超聲激光復(fù)合加工是一種激光打孔新工藝，它是超聲波振動(dòng)和激光束的作用復(fù)合起來(lái)。采用超聲調(diào)制的激光打孔，不但能增加孔的加工深度，而且能改善孔壁質(zhì)量。3.10．3．2電子束加工

1．電子束加工原理及特點(diǎn)電子束加工在真空中進(jìn)行，其加工原理如圖3－48所示。由電子槍射出的高速電子束經(jīng)電磁透鏡聚焦后擊工件表面，在轟擊處形成局部高溫，使材料瞬時(shí)熔化和汽化，從而達(dá)到材料去除、連接或改性的目的?？刂齐娮邮芰棵芏鹊拇笮『湍芰孔⑷霑r(shí)間，可達(dá)到不同加工目的。如只使材料局部加熱就可進(jìn)行電子束熱處理；使材料局部熔化就可進(jìn)行電子束焊接；提高電子束能量密度，使材料熔化和汽化，就可進(jìn)行電子束打孔、切割等加工；利用較低能量密度的電子轟擊高分子材料時(shí)產(chǎn)生化學(xué)變化的原理，即可進(jìn)行電子束光刻加工。

電子束加工有如下特點(diǎn)：電子束可實(shí)現(xiàn)極其微細(xì)的聚焦（可達(dá)0.1m），可實(shí)現(xiàn)亞微米和毫微米級(jí)的精密微細(xì)加工；電子束加工主要靠瞬時(shí)熱效應(yīng)，工件不受機(jī)械力作用，因而不產(chǎn)生宏觀應(yīng)力和變形；加工材料的范圍廣，對(duì)高強(qiáng)度、高硬度、高韌性的材料以及導(dǎo)體、半導(dǎo)體和非導(dǎo)體材料均可加工；電子束的能量密度高，如果配合自動(dòng)控制加工過(guò)程，加工效率非常高；每秒鐘可在0.lmm厚的鋼板上加工出3000個(gè)直徑為0.2mm的孔；電子束加工在真空中進(jìn)行，污染少，加工表面不易氧化，尤其適合加工易氧化的金屬及其合金材料，以及純度要求極高的半導(dǎo)體材料。

2．電子束加工的應(yīng)用范圍電子束加工可用于打孔、切割、焊接、蝕刻和光刻等。

(1）高速打孔。電子束打孔的孔徑范圍為0．02～0003mm。噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)上的冷卻孔和機(jī)翼吸附屏的孔，孔徑微小，孔數(shù)巨大，達(dá)數(shù)百萬(wàn)個(gè)，最適宜用電子束打孔。此外，還可以利用電子束在人造革、塑料上高速打孔，以增強(qiáng)其透氣性。

（2）加工型孔。為了使人造纖維的透氣性好，更具松軟和富有彈性，人造纖維的噴絲頭型孔往往設(shè)計(jì)成各種異型截面，這些異形截面最適合采用電子束加工。

（3）加工彎孔和曲面。借助于偏轉(zhuǎn)器磁場(chǎng)的變化，可以使電子束在工件內(nèi)部偏轉(zhuǎn)方向，可加工曲面和彎孔。此外，還可以利用電子束進(jìn)行焊接、切割、劉蝕、表面熱處理和光刻。由于電子束加工的成套設(shè)備價(jià)格昂貴，其應(yīng)用受到一定限制。3.10．3.3離子束加工

1．離子束加工原理及特點(diǎn)離子束加工的原理與電子束加工基本類(lèi)似，也是在真空條件下，將離子源產(chǎn)生的離子束經(jīng)過(guò)加速后，撞擊在工件表面上，引起材料變形、破壞和分離。由于離子帶正電荷，其質(zhì)

量是電子的千萬(wàn)倍，因此離子束加工主要靠高速離子束的微觀機(jī)械撞擊動(dòng)能，而不是像電子束加X(jué)i主要靠熱效應(yīng)。圖3．49為離子束加工原理圖。惰性氣體氮?dú)庥扇丝谧⑷腚婋x室。灼熱的燈絲發(fā)射電子，電子在陽(yáng)極的吸引和電磁線圈的偏轉(zhuǎn)作用下，向下高速作螺旋運(yùn)動(dòng)。氨在高速電子的撞擊下被電離成離子。陽(yáng)極和陰極備有數(shù)百個(gè)上下位置對(duì)齊、直徑為0．3mm的小孔，形成數(shù)百條較準(zhǔn)直的離子束，均勻分布在直徑為50mm的圓面積上。通過(guò)調(diào)整加速電壓，可以得到不同速度的離子束，以實(shí)現(xiàn)不同的加工。

離子束轟擊工件的材料時(shí)，其束流密度和能量可以精確控制，因此可以實(shí)現(xiàn)毫微米即納米級(jí)（0．001m）的加工，是當(dāng)代毫微米加工技術(shù)的基礎(chǔ)；離子束加工在真空中進(jìn)行，污染少，特別適宜加工易氧化的金屬、合金、高純度的半導(dǎo)體材料；離子束加工的表現(xiàn)壓力小，因此加工應(yīng)力小，熱變形小，加工表面質(zhì)量非常高；離子束加工設(shè)備費(fèi)用高、成本高、加工效率低，其應(yīng)用范圍受到一定限制。

2．離子束加工的應(yīng)用范圍

(1）離子刻蝕。它是由能量為0.5～5keV、直徑為十分之幾納米的氮離子轟擊工件，將工件表層的原子逐個(gè)剝離的（圖3．50a）。這種加工本質(zhì)上屬于一種原子尺度上的切削加工，所以也稱為離子銑削。這就是近代發(fā)展起來(lái)的毫微米加工工藝。

（2）離子濺射沉積。離子濺射沉積本質(zhì)上是一種鍍膜加工。它也是采用0.5～5keV氬離子轟擊靶材，并將靶材上的原子擊出，淀積在靶材附近的工件上，使工件表面鍍上一層薄膜（圖3-50b）。

（3）離子鍍膜。離子鍍膜也稱離子濺射輔助沉積，同樣屬于一種鍍膜加工。它將0.5～5keV的氛離子分成兩束，同時(shí)轟擊靶材和工件表面，以增強(qiáng)膜材與工件基材之間的結(jié)合力（圖3－50c）。也可將靶材高溫蒸發(fā)，同時(shí)進(jìn)行離子鍍。

（4）離子注入。離子注入時(shí)是采用5～500keV能量的離子束，直接轟擊被加工材料。在如此大的能量驅(qū)動(dòng)下，離子能夠鉆入材料表層，從而達(dá)到改變材料化學(xué)成分的目的（圖3．50d）?？梢愿鶕?jù)不同的目的選用不同的注入離子，如磷、硼碳、氮等，以實(shí)現(xiàn)材料的表面改性處理，從而改變工件表面層的機(jī)械物理性能。3．10．4復(fù)合加工

當(dāng)把兩種或兩種以上的能量形式（包括機(jī)械能）合理的組合在一起，就發(fā)展成復(fù)合加工。復(fù)合加工有很大的優(yōu)點(diǎn)，它能成倍地提高加工效率和進(jìn)一步改善加工質(zhì)量，是特種加工發(fā)展的方向。下面擇要介紹幾種復(fù)合加工：3．10．4．1電解磨削

電解磨削是利用電解作用與機(jī)械磨削相結(jié)合的一種復(fù)合加工方法（圖3.51）。圖中高速旋轉(zhuǎn)的導(dǎo)電砂輪接直流電源負(fù)極，工件（車(chē)刀）接直流電源正極。電解磨削時(shí)，導(dǎo)電砂輪和工件間保持一定的接觸壓力，砂輪表面外凸的磨粒使砂輪導(dǎo)電體與工件間有一定間隙。當(dāng)電解液從間隙中流過(guò)，工件出現(xiàn)陽(yáng)極溶解，工件表面形成一薄層較軟的薄膜，很容易被導(dǎo)電砂輪中的磨粒磨除，工件上又露出新的金屬表面并進(jìn)一步電解。在加工過(guò)程中，電解作用與磨削作用交替進(jìn)行，最后達(dá)到加工要求。電解作用是主要的。電解磨削硬質(zhì)合金車(chē)刀時(shí)，加工效率比普通的金剛石砂輪磨削要高3～5倍，表面粗糙度尼值可達(dá)0．2～0012m。3．10．4.2超聲電解復(fù)合拋光超聲電解復(fù)合拋光是超聲波加工和電解加工復(fù)合而成的，它可以獲得優(yōu)于靠單一電解或單一超聲波拋光的拋光效率和表面質(zhì)量。超聲電解復(fù)合拋光的加工原理如圖3.52所示。拋光時(shí)，工件接正極，工具接直流電源負(fù)極。工件與工具間通入鈍化性電解液。高速流動(dòng)的電解液不斷在工件待加工表層生成鈍化軟膜，工具則以極高的頻率進(jìn)行拋磨，不斷地將工件表面凸起部位的鈍化膜去掉。被去掉鈍化膜的表面迅速產(chǎn)生陽(yáng)極溶解，溶解下來(lái)的產(chǎn)物不斷被電解液帶走。而工件凹下去部位的鈍化膜，工具拋磨不到，因此不溶解。這個(gè)過(guò)程一直持續(xù)到將工件表面整平時(shí)為止。工具在超聲波振動(dòng)下，不僅能迅速去除鈍化膜，而且在加工區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的“空化”作用可增強(qiáng)電化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)一步提高工件表面凸起部位金屬的溶解速度。3．10．4．3超聲電火花復(fù)合拋光超聲電火花復(fù)合拋光是在超聲波拋光的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。這種復(fù)合拋光的加工效率比純超聲機(jī)械拋光要高出3倍以上，表面粗糙度尼值可達(dá)0.2～0.1m。特別適合于小孔、窄縫以及小型精密表面的拋光。超聲電火花拋光的工作原理如圖3.53所示。拋光時(shí)工具接脈沖電源的負(fù)極，工件接正極，在工具和工件間通乳化液作電解液。這種電解液的陽(yáng)極溶解作用雖然微弱，但有利于工件的拋光。拋光過(guò)程中，超聲的“空化”作用一方面會(huì)使工件表面軟化，有利于加速金屬的剝離；另一方面使工件表面不斷出現(xiàn)新的金屬尖峰，這樣不但增加了火花放電的分散性，而且給放電加工造成了有利條件。超聲波拋磨和放電交錯(cuò)而連續(xù)進(jìn)行，不僅提高了拋光速度，而且提高了工件表面材料去除的均勻性。3．10．5虛擬軸機(jī)床及其相關(guān)技術(shù)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)和新產(chǎn)品、新技術(shù)、新材料的發(fā)展推動(dòng)著新機(jī)構(gòu)原理加工裝備技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)在近幾年取得了相當(dāng)大的進(jìn)展，這其中，最為顯眼的是近年來(lái)出現(xiàn)的虛擬軸機(jī)床(VirtualAxisMachineTool)又稱并聯(lián)機(jī)床、六條腿（Hexapod）機(jī)床或稱Stewart機(jī)床。這種機(jī)床由并聯(lián)桿系構(gòu)成，通過(guò)控制桿系中桿的長(zhǎng)度使桿系支撐的平臺(tái)獲得相應(yīng)自由度的運(yùn)動(dòng)。杯系（六桿、三桿以及二桿）機(jī)床的高剛度、低運(yùn)動(dòng)質(zhì)量、高動(dòng)態(tài)性能和構(gòu)造簡(jiǎn)單、制造方便的優(yōu)越性和可能的廣泛應(yīng)用前景，已為國(guó)內(nèi)外所重視。并聯(lián)桿系機(jī)床的發(fā)展也符合當(dāng)前制造裝備技術(shù)的總趨勢(shì)：將硬件（包括機(jī)械部件）的復(fù)雜性向軟件（包含計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和應(yīng)用軟件）轉(zhuǎn)移，從而得到構(gòu)造簡(jiǎn)單而智能和知識(shí)含量更高的機(jī)電產(chǎn)品。3．10．5．1虛擬軸機(jī)床發(fā)展簡(jiǎn)史虛擬軸機(jī)床的發(fā)展歷史最早可追溯到19世紀(jì)末，1890～1894年，Clerk.J.Maxwell和Mannheim進(jìn)行了空間機(jī)構(gòu)理論研究。1956年，在Maxwell和Mannheim有關(guān)工作的基礎(chǔ)上，F(xiàn)．G．Altmann設(shè)計(jì)了一種一個(gè)自由度的空間并聯(lián)機(jī)構(gòu)，用于在房間之間通過(guò)一種特定導(dǎo)軌移動(dòng)物品。

1956年，VE.Gogh設(shè)計(jì)了一種用于輪胎檢測(cè)的六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)首次模擬“六足蟲(chóng)”結(jié)構(gòu)，其運(yùn)動(dòng)平臺(tái)通過(guò)六根長(zhǎng)度可伸縮的連桿連到一個(gè)固定框架上，即靜平臺(tái)。但是，Gogh沒(méi)有看到這種機(jī)構(gòu)在機(jī)床方面的應(yīng)用潛力。

1965年，D.Steart采用六自由度的并聯(lián)機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)了飛行模擬器，1966年發(fā)表論文“AplatformWithSixDegreesofFreedom”奠定了他在空間并聯(lián)機(jī)構(gòu)中的鼻祖地位，相應(yīng)的平臺(tái)機(jī)構(gòu)也命名為stewart平臺(tái)。

1978年

Hun提出將Stewart機(jī)構(gòu)應(yīng)用到工業(yè)機(jī)器人，形成一種六自由度的新型并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)器人。1979年D.T.Pham和H.Mccallion將Stewart平臺(tái)應(yīng)用于機(jī)器人取得成功，Stewart機(jī)構(gòu)已成功應(yīng)用于大功率裝配機(jī)器人、步行機(jī)器人、機(jī)器人手腕等。1989年DELTA結(jié)構(gòu)誕生，其是三自由度的并聯(lián)機(jī)構(gòu)，其動(dòng)平臺(tái)總是平行于靜平臺(tái)。1990年，HEXA結(jié)構(gòu)誕生，這是可實(shí)現(xiàn)三維空間任意位姿定位的六自由度空間并聯(lián)機(jī)構(gòu)。1993年，美國(guó)德州自動(dòng)化與機(jī)器人研究院研制出可完成銑、磨、鉆、鏜、拋光和高能束等多種加工的多功能并聯(lián)加工機(jī)械手。

1994年，IMTS94（1994年美國(guó)芝加哥國(guó)際機(jī)床博鑒會(huì)）上，美國(guó)Giddings＆Lewis公司和Ingcrsoll銑床公司、瑞士Geodetics公司展出Stewwt數(shù)控機(jī)床樣品，舉世矚目；世界各國(guó)的研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)開(kāi)始大量投入Stewart機(jī)床的研究與開(kāi)發(fā)，隨后。結(jié)構(gòu)創(chuàng)新和理論研究成果大量涌現(xiàn)；1994年9月在美國(guó)成立了Hexel公司，專業(yè)從事各種類(lèi)型的Stewart機(jī)床及其功能部件研究、開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)和銷(xiāo)售；隨后，在政府和企業(yè)的支持下，美國(guó)成立了五個(gè)國(guó)家級(jí)基地（MIT、NIST、ORNL、SNLMM、SNL／CA）”專業(yè)從事Stewart機(jī)床研究開(kāi)發(fā)。1995年5月EMO米蘭展覽會(huì)上，意大利Comau公司、日本日立精機(jī)展出了Stewart機(jī)器人。

1996年，由美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局倡議，專門(mén)成立了Hexapod用戶協(xié)會(huì)，并在國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)上設(shè)立站點(diǎn)。1996年SGI公司開(kāi)發(fā)出UNIX平臺(tái)Stewart機(jī)床設(shè)計(jì)造型三維CAD軟件包。1996年10月23～25日，日本豐田工機(jī)公司在豐田技術(shù)展覽會(huì)展出了日本第～臺(tái)Stewart機(jī)床，用于鑄、鍛模具等零件的高速加工。

1997年EMO97（1997年德國(guó)漢諾威國(guó)際機(jī)床博覽會(huì)）上展出了10多種Stewart機(jī)床產(chǎn)品樣機(jī)，并首次進(jìn)行金屬工件銑削，Stewart機(jī)床商品化已指日可待。EMO97在概念上將傳統(tǒng)機(jī)床和新興的Stewart平臺(tái)機(jī)床從結(jié)構(gòu)上劃分成串聯(lián)機(jī)構(gòu)和并聯(lián)機(jī)構(gòu)，是人類(lèi)對(duì)機(jī)床結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)概念上的突破。Stewart機(jī)床專用功能部件，如球鉸、虎克鉸、導(dǎo)軌、滾珠絲杠、控制器等的專業(yè)化研究開(kāi)發(fā)迅速崛起。CIMT97（第五屆中國(guó)國(guó)際機(jī)床展覽會(huì)）上，俄羅斯Lapik公司展出了TM-750型Stewart數(shù)控機(jī)床。我國(guó)已將并聯(lián)機(jī)床的研究與開(kāi)發(fā)列入國(guó)家“九五”攻關(guān)計(jì)劃和863高技術(shù)發(fā)展計(jì)劃，清華大學(xué)與天津大學(xué)于1998年合作開(kāi)發(fā)出我國(guó)第～臺(tái)Stewart機(jī)床原型樣機(jī)VAMTIY。在CIMT’99中，哈爾濱工業(yè)大學(xué)展出的BJI并聯(lián)機(jī)床和天津大學(xué)與天津第一機(jī)床廠聯(lián)合展出的3－HSS，表示我國(guó)在開(kāi)發(fā)并聯(lián)機(jī)床領(lǐng)域已取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。3．10．5．2虛擬軸機(jī)床的技術(shù)進(jìn)展虛擬軸機(jī)床技術(shù)上的重大新進(jìn)展表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1．并聯(lián)機(jī)構(gòu)（虛擬軸機(jī)床）和串聯(lián)機(jī)構(gòu)（傳統(tǒng)機(jī)床）的比較如把傳統(tǒng)機(jī)床稱為串聯(lián)機(jī)構(gòu)。則虛擬軸機(jī)床稱為并聯(lián)機(jī)構(gòu)，這體現(xiàn)了人類(lèi)對(duì)機(jī)床結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)概念上的突破。傳統(tǒng)機(jī)床的串聯(lián)機(jī)構(gòu)特性導(dǎo)致移動(dòng)部件的質(zhì)量大、系統(tǒng)剛度低，而成為其致命的弱點(diǎn)，當(dāng)機(jī)床運(yùn)動(dòng)速度高和工件大時(shí)，這些弱點(diǎn)更為突出。虛擬軸機(jī)床的基座與主軸平臺(tái)間是由六根桿（一般是六根桿）并聯(lián)地連接的，稱之為并聯(lián)機(jī)構(gòu)。由六根桿同時(shí)相互耦合地作伸縮運(yùn)動(dòng)來(lái)確定平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，主軸平臺(tái)的受力由六根桿分?jǐn)偝袚?dān)，每根桿受力要小得多，且只承受拉力或壓力，而不承受彎矩或扭矩。因此，剛度高、移動(dòng)部件質(zhì)量小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單以及相同零件的數(shù)量多，成為并聯(lián)機(jī)構(gòu)突出的優(yōu)點(diǎn)。串聯(lián)機(jī)構(gòu)（傳統(tǒng)機(jī)床）與并聯(lián)機(jī)構(gòu)（六條腿機(jī)床）基本特性的對(duì)比見(jiàn)表3．11

由表可見(jiàn)，并聯(lián)機(jī)構(gòu)尚未全面占優(yōu)。但在經(jīng)濟(jì)參數(shù)對(duì)比方面，則以并聯(lián)機(jī)構(gòu)為佳。

2.臥式布局的六條腿機(jī)床的開(kāi)發(fā)

Stewart平臺(tái)原本為立式布局。在EMO97上，Ingersoll展出了HOH－600型臥式布局六條腿加工中心，這在世界上還是首例。臥式機(jī)床極大地改善了立式機(jī)床的工件可接近性和工作空間對(duì)機(jī)床所占空間之比低的缺陷，這是一個(gè)重大的突破。但是，由桿系本身重量而產(chǎn)生的彎矩增大了（立式時(shí)，此負(fù)荷可忽略）。因此一盡管HOH-600比立式VOH－1000型的規(guī)格小得多，而桿系直徑卻比后者大幾倍。該機(jī)床的基座，仍與立式一樣、采用基本由構(gòu)件組成的八面體框架（形架）。據(jù)稱剛性很好，力流封閉而機(jī)床安裝不用打基礎(chǔ)Ingersoll稱這類(lèi)機(jī)床為八面體六足蟲(chóng)（OctahdralHexapod）。

3．并聯(lián)與串聯(lián)機(jī)構(gòu)混合使用的六條腿機(jī)床的出現(xiàn)英國(guó)Geodetic公司展出其EvolutionG系列六條腿加工中心，有G500和G1000兩個(gè)型號(hào)。其平臺(tái)下的主軸部件呈倒錐形，前端直徑小，以免與工件發(fā)生干涉。主軸部件為可更換式，備有多種不同轉(zhuǎn)速和功率的主軸供選用，其中一種與基本結(jié)構(gòu)有異的稱為“兩軸主軸頭（2－AxisHead）”，其示意圖可見(jiàn)圖3.54。這個(gè)部件是地道的傳統(tǒng)機(jī)床的串聯(lián)機(jī)構(gòu)（軸與軸順序相連）。若選用該部件，就形成了并聯(lián)（六條腿）機(jī)構(gòu)與串聯(lián)機(jī)構(gòu)串聯(lián)，成為混合機(jī)構(gòu)的機(jī)床。并聯(lián)與串聯(lián)機(jī)構(gòu)混合使用的六條腿機(jī)床有重大的突破意義。Stewart平臺(tái)雖具有X、Y、Z和AB、C六個(gè)自由度，但實(shí)際上其C軸轉(zhuǎn)動(dòng)范圍極小，根本無(wú)實(shí)用意義，因而只能構(gòu)成五軸機(jī)床，且AB軸實(shí)際可實(shí)現(xiàn)的范圍也極小，如上15”。前述的lngersollHOH-600就是一個(gè)實(shí)例。GeodeticG系列機(jī)床選用兩軸主軸頭的串聯(lián)機(jī)構(gòu)以后，其C軸為540”，AB軸均為90”，即成為地道的六軸機(jī)床，克服了原Stewart平臺(tái)靈活度（Dexterity）差的弱點(diǎn)。

4.并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)床具體結(jié)構(gòu)的多樣化

(1）一不伸縮的六條腿即“六滑臺(tái)”機(jī)床。這是瑞士聯(lián)邦技術(shù)（ETHZ）的機(jī)床和制造技術(shù)研究所（IWF）新近開(kāi)發(fā)出來(lái)的成果，稱之為“六滑臺(tái)”（Hexaplide），其示意圖見(jiàn)圖3－55。如圖所示，三條導(dǎo)軌上各有兩個(gè)腿座（滑臺(tái)）作相互平行的直線運(yùn)動(dòng)，藉此改變六條腿的參數(shù)。這可以極大地改善Ingersoll立式機(jī)床工件可接近性差和工件空間對(duì)機(jī)床所占空間之比低的弱點(diǎn)。六根桿長(zhǎng)度相同，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，桿內(nèi)不含滾珠絲杠和螺母，也就沒(méi)有會(huì)引起熱變形的熱源，反之，甚至可在桿內(nèi)通冷卻液以減少熱影響。三條導(dǎo)軌均在一個(gè)平面上也易于制造和調(diào)整。據(jù)稱，這種結(jié)構(gòu)對(duì)加工長(zhǎng)工件特別有利。由于導(dǎo)軌可按需要加長(zhǎng)，還可考慮在同一導(dǎo)軌上安排多套六條腿來(lái)組成加工生產(chǎn)線。（2）六條腿與平臺(tái)的連接方式（具體系通過(guò)球面支承）見(jiàn)圖3-56。

l）Ingcrsoll的六條腿與平臺(tái)的連接基本上在一個(gè)平面內(nèi)。

2）德國(guó)Mikromat公司6X型機(jī)床，取消了平臺(tái)，代之以主軸筒體。其三條腿位于筒體上部，另H條腿位于簡(jiǎn)體下部。

6X型機(jī)床是德國(guó)Fraunhofer機(jī)床和成形技術(shù)研究所（IWU）為高速加工模具而開(kāi)發(fā)的。他們認(rèn)為主軸與六條腿如此連接，將使主軸有傾角時(shí)受力均勻。（3）六條腿的驅(qū)動(dòng)方式。多數(shù)六條腿機(jī)床采用滾珠絲杠副，且用絲杠回轉(zhuǎn)作為驅(qū)動(dòng)。這樣，每條腿的頂端掛有一臺(tái)伺服電動(dòng)機(jī)，呈是伸狀。Geodeic公司卻采用滾珠螺母作為驅(qū)動(dòng)，并將螺母與球立承合為一體，固定在其圓頂形平臺(tái)上，沒(méi)有懸伸，從而使驅(qū)動(dòng)更為平穩(wěn)。為此，還專門(mén)設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)子為空心（內(nèi)置絲杠、螺母）的伺服電動(dòng)機(jī)，稱之為“球驅(qū)動(dòng)（SPhere

rmve）”。此外，也有采用液壓或摩擦傳動(dòng)（如俄羅斯的機(jī)床）。

5．出現(xiàn)了為虛擬軸機(jī)床配套的新型功能部件（1）專用的球面支承。眾所周知，六條腿機(jī)床最為關(guān)鍵而又難制造的是上下平臺(tái)上“腿”的兩個(gè)球面交承：一是必須為球面（按多自由度的要求），二是對(duì)真球度的要求高，否則會(huì)影響平臺(tái)的定位和運(yùn)動(dòng)精度。德國(guó)ffeA滾動(dòng)支承公司與德國(guó)斯圖加特（Stuttgart）大學(xué)合作并發(fā)了專用的預(yù)加載荷的球面支承，取名為Hexact，可連同“腿”一起供應(yīng)。（2）六軸精密定位系統(tǒng)。圖3－57是德國(guó)Physik

InstrUmente（PI）公司展出的M850型六軸精密定位系統(tǒng)（6AxisMicropositioningSystem），采用伺服電動(dòng)機(jī)、滾珠絲杠傳動(dòng)。其重復(fù)定位精度在X、Y軸為2m，Z軸為

lm

，AB、C軸為

2arcsec。據(jù)稱，與傳統(tǒng)（直角坐標(biāo)）六軸定位系統(tǒng)相比，它具有結(jié)構(gòu)緊湊、剛度高的優(yōu)點(diǎn)，固有頻率高達(dá)500HZ（在垂直方向，負(fù)荷為10kg）時(shí)。它適用于精密加工的刀具控制、高精度望遠(yuǎn)鏡鏡面平臺(tái)的精密定位、微波天線試驗(yàn)臺(tái)和光學(xué)機(jī)構(gòu)等。

6.出現(xiàn)了一系列六條腿的變型機(jī)構(gòu)其中以具有三個(gè)自由度的三條腿機(jī)構(gòu)最引人注目。圖3乃8為德國(guó)斯圖加特大學(xué)機(jī)床與制造設(shè)備控制技術(shù)研究所（ISW）展出的稱為L(zhǎng)inapod的三條腿機(jī)床的示意圖。它采用了兩條平行桿，等效于一條腿，因?yàn)橹痪邆鋁．Y、Z三個(gè)自由度。這是一種模塊化的、易于重新配置的、從而是經(jīng)濟(jì)并聯(lián)運(yùn)動(dòng)學(xué)機(jī)床。據(jù)稱用圖示的結(jié)構(gòu)可構(gòu)造高速加工中心、生產(chǎn)線、激光和水切割機(jī)床以及機(jī)器人。它雖然不具備六條腿所持有的六個(gè)自由度，但機(jī)構(gòu)大為簡(jiǎn)化，而在剛度、精度、高速性能上仍優(yōu)于傳統(tǒng)機(jī)床，因而有廣泛的應(yīng)用場(chǎng)合。此外，其控制的計(jì)算也大為簡(jiǎn)化：六條腿機(jī)床的位置計(jì)算，在理論上有1320個(gè)解，其中只有40個(gè)解有實(shí)際意義，而三條腿機(jī)床用一個(gè)六階單變量的多項(xiàng)式即可求解。意大利COMAU機(jī)床公司和瑞典N(xiāo)EOS機(jī)器人公司分別展出了類(lèi)似的三條腿機(jī)器人。COMAU型號(hào)為T(mén)riceptHPI。NEOS型名為T(mén)riceptTR600，自1993年至今已向多個(gè)國(guó)家出售了50余臺(tái)，分別用于鋁件和塑料件的銑削和磨削、鑄鐵件和鑄鋼件的磨削、木材銑削。鉆合金件鉆孔，激光焊接，裝配以及搬運(yùn)等。其結(jié)構(gòu)是并聯(lián)的三條腿與串聯(lián)的三軸手腕相串聯(lián)。三條腿參數(shù)的改變是通過(guò)采用伺服電動(dòng)機(jī)、滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。同樣為五或六個(gè)自由度，這類(lèi)機(jī)器人的荷重、剛度和精度要比傳統(tǒng)的由多關(guān)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)的機(jī)器人要強(qiáng)很多，而結(jié)構(gòu)卻要簡(jiǎn)單很多，它可用于銑削，當(dāng)用于裝配時(shí)，壓配合裝配零件的最大壓力可達(dá)15000N，這幾乎是傳統(tǒng)的多關(guān)節(jié)機(jī)器難以做到的。還有將兩個(gè)三條腿平臺(tái)疊加起來(lái)（即串聯(lián)）而得到六個(gè)自由度機(jī)構(gòu)的報(bào)導(dǎo)。可以預(yù)計(jì)，在虛擬軸機(jī)床技術(shù)方面，今后將有更多的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用成果出現(xiàn)，虛擬軸機(jī)床將日益成熟和走向更大范圍的應(yīng)用，在某些領(lǐng)域成為傳統(tǒng)機(jī)床的補(bǔ)充甚至取代傳統(tǒng)機(jī)床。3．11快速原型制造技術(shù)3．11．1快速原型制造技術(shù)內(nèi)涵、范圍及技術(shù)地位快速原型／零件制造（RapidPrototype/martManufacturing，簡(jiǎn)稱RPM）技術(shù)就是20世紀(jì)后期起源于美國(guó)，并很快發(fā)展起來(lái)的一種先進(jìn)制造技術(shù)，RPM技術(shù)是近20年來(lái)制造技術(shù)領(lǐng)域的一次重大突破。3．11．1．1RPM技術(shù)內(nèi)涵和范圍

RPM技術(shù)是綜合利用CAD技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、材料科學(xué)、機(jī)械工程、電子技術(shù)及激光技術(shù)的技術(shù)集成以實(shí)現(xiàn)從零件設(shè)計(jì)到三維實(shí)體原型制造一體化的系統(tǒng)技術(shù)。RPM技術(shù)采用（軟件）離散／（材料）堆積的原理而制造零件通過(guò)離散獲得堆積的順序、路徑、限制和方式，通過(guò)堆積材料“疊加”起來(lái)形成三線實(shí)體。離散／堆積的工作過(guò)程由CAD模型開(kāi)始，先將CAD模型離散化，沿某一方向（常取Z向）切成許多層面，即分層（屬信息處理過(guò)程），然后在分層信息控制下順序加工各片層并層層結(jié)合，堆積出三維零件，該零件作為CAD模型的物理體現(xiàn)與之對(duì)應(yīng)，此為物理堆積過(guò)程。RPM技術(shù)中，物理堆積過(guò)程具體是通過(guò)采用粘結(jié)、熔結(jié)、聚合作用或化學(xué)反應(yīng)等手段，逐層可選擇地固化樹(shù)脂、切割薄片、燒結(jié)粉末、材料熔覆或材料噴灑等方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的，從而快速堆積制作出所要求形狀的零件（或模型）。各種RPM技術(shù)的過(guò)程流都包括CAD模型建立、前處理（如生成STL文件格式，特模型分層切片）、快速原型過(guò)程（原型制作）和后處理（如去除支架、清理表面、固化處理）等四個(gè)步驟。

RPM技術(shù)的內(nèi)涵即其成形機(jī)理和工藝控制與傳統(tǒng)成形（如去除成形和受迫成形)方式有很大差別，主要表現(xiàn)在：RPM不是使用一般意義上的模具或刀具，而是利用光、熱、電等物理手段（其中激光是經(jīng)常應(yīng)用的）實(shí)現(xiàn)材料的轉(zhuǎn)移與堆積：原型是通過(guò)堆積不斷增大，其力學(xué)性能不但取決于成形材料本身，而且與成形中所施加的能量大小及施加方式有密切關(guān)系；在成形工藝控制方面，需要對(duì)多個(gè)坐標(biāo)進(jìn)行精確的動(dòng)態(tài)控制。能量在成形物理過(guò)程中是一個(gè)極為關(guān)鍵因素，在以往的去除成形（切削磨削加工）和受迫成形（鑄造鍛壓）中，能量是被動(dòng)地供給的，一般無(wú)須對(duì)加工能量進(jìn)行精確的預(yù)測(cè)與控制，而在離散／堆積類(lèi)型的RPM中，單元體（分層體）制造中能量是主動(dòng)地供給的，需要準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)與控制，對(duì)成形中的能量形式、強(qiáng)度、分布、供給方式以及變化等進(jìn)行有效的控制，從而經(jīng)由單元體的制造而完成成形。隨著RPM技術(shù)的發(fā)展和人們對(duì)該項(xiàng)技術(shù)認(rèn)識(shí)的深入，其內(nèi)涵也在逐步擴(kuò)大。早期的快速成形技術(shù)僅指離散／堆積成形的實(shí)體自由成形制造（SFF即SolidFreeformFabrication），成形過(guò)程就是材料的添加過(guò)程，SFF技術(shù)已成為SL、LOM、SLS、FDM、DSCP等30多種技術(shù)的總稱。SFF所有的技術(shù)方法都有一個(gè)共同的幾何物理基礎(chǔ)，即分層制造原理的成形學(xué)原理。任何一種SFF技術(shù)都包含了相同的基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)處理工作，制造也不受零件形狀復(fù)雜程度的限制。雖然SFF技術(shù)干變?nèi)f化，任何一種工藝方法總要將每一個(gè)具體的物理層面建造起來(lái)，都需要完成：X－Y掃描及精確地運(yùn)動(dòng)控制；無(wú)方向精確的運(yùn)動(dòng)控制；每層的輪廓掃描和面內(nèi)填充掃描；各種物理量的測(cè)控；掃描速度與軌跡與某種功率的匹配（如激光功率、材料輸送功率）。

目前快速成形技術(shù)包括一切由CAD直接驅(qū)動(dòng)的成形過(guò)程，主要技術(shù)特征即是成形的快捷性，對(duì)于材料的轉(zhuǎn)移形成可以是自由添加、去除、添加和去除相結(jié)合等形式。在快速成形的發(fā)展過(guò)程中，其稱謂經(jīng)歷了一個(gè)混亂期，如自由成形制造、材料添加制造、分層實(shí)體制造等，目前在對(duì)這一過(guò)程充分認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，可依據(jù)其成形特征稱為“分層制造”（LnyeredManufacturing）更為恰當(dāng)。3．11．1．2幾種典型的RPM技術(shù)目前，國(guó)外幾種典型和較成熟的商品化RPM技術(shù)簡(jiǎn)介如下：

1．立體印刷（SLA——Stereolitngraphy

apparaus）

又稱立體光刻、光造型（見(jiàn)圖3-59）。液槽中盛滿液態(tài)光固化樹(shù)脂（如Ciba－Geijy公司的XB5149），它在一定劑量的紫外激光照射下就會(huì)在一定區(qū)域內(nèi)固化。成形開(kāi)始時(shí)，工作平臺(tái)在液面下，聚焦后的激光光點(diǎn)在液面上按計(jì)算機(jī)的指令逐點(diǎn)掃描，在同一層內(nèi)則逐點(diǎn)固化。當(dāng)一層掃描完成后被照射的地方就固化，未被照射的地方仍然是液態(tài)樹(shù)脂。然后升降架帶動(dòng)平臺(tái)再下降一層高度，上面又布滿一層樹(shù)脂，以便進(jìn)行第二層掃描，新固化的一層牢固地粘在前一層上，如此重復(fù)直到三維零件制作完成。立體印刷目前已可達(dá)上0．lmm左右的制作精度，較廣泛地用來(lái)為產(chǎn)品和模型的CAD設(shè)計(jì)提供樣件和試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

SLA方法是最早出現(xiàn)的一種gy工藝，目前是RPM技術(shù)領(lǐng)域中研究最多、技術(shù)最為成熟方法。但這種方法有其自身的局限性，如需要支撐、樹(shù)脂收縮導(dǎo)致精度下降、光固化樹(shù)脂有一定的毒性而不符合綠色制造發(fā)展趨勢(shì)。

2、分層實(shí)體制造（LOMIHaminatedobjectmanufacturing）

見(jiàn)圖3－60根據(jù)零件分層幾何信息切割箔材和紙等，將所獲得的層片粘接成三維實(shí)體。首先鋪上一層箔材，然后用CO。激光在計(jì)算機(jī)控制下切出本層輪廓，非零件部分全部切碎以便于去除。當(dāng)本層完成后，再鋪上一層箔材，用滾子輾壓并加熱，以固化粘結(jié)劑，使新鋪上的一層牢固地粘接在已成形體上，再切割該層的輪廓，如此反復(fù)直到加工完畢。最后去除切碎部分以得到完整的零件。LOM的關(guān)鍵技術(shù)是控制激光的光強(qiáng)和切割速度，使它們達(dá)到最佳配合，以便保證良好的切口質(zhì)量和切割深度。美國(guó)亥里斯公司開(kāi)發(fā)的紙片層壓式快速成形制造工藝，以紙作為制造模具的原材料，它是連續(xù)地將背面涂有熱溶性粘合劑的紙片逐層疊加，裁切后形成所需的立體模型，具有成本低、造型速度快的特點(diǎn)，適宜辦公室環(huán)境使用。LOM模具具有與木模同等水平的強(qiáng)度，可與木模一樣進(jìn)行鉆別等機(jī)械加工，也可以進(jìn)行刮膩?zhàn)拥刃揎椉庸ぁ?/p>

3、選擇性激光燒結(jié)（SLS——Selectivelasersintering）。

見(jiàn)圖3-61。SLS采用CO2激光器，使用的材料為多種粉末材料。先在工作臺(tái)上鋪上一層粉末，用激光束在計(jì)算機(jī)控制下有選擇地進(jìn)行燒結(jié)（零件的空心部分不燒結(jié)，仍為粉末材料），被燒結(jié)部分使固化在一起構(gòu)成零件的實(shí)心部分。一層完成后再進(jìn)行下一層，新一層與其上一層被牢牢地?zé)Y(jié)在一起。全部燒結(jié)完成后，去除多余的粉末，使得到燒結(jié)成的零件。常采用的材料為尼龍、塑料、陶瓷和金屬粉末。SLS制作精度目前可達(dá)到土0．lmm左右。該方法的優(yōu)點(diǎn)是由于粉末具有自支撐作用，不需要另外支撐，另外材料廣泛，不僅能生產(chǎn)塑料材料，還可能直接生產(chǎn)金屬和陶瓷零件。

4．熔融沉積成形（FDMMused

drposition

modolling）

它是一種不使用激光器的加工方法（見(jiàn)圖3－62），技術(shù)關(guān)鍵在于噴頭，噴頭在計(jì)算觀控制下作X－Y聯(lián)動(dòng)掃描以及Z向運(yùn)動(dòng)，絲材在噴頭中被加熱并略高于其熔點(diǎn)。噴頭在掃描運(yùn)動(dòng)中噴出熔融的材料，快速冷卻形成一個(gè)加工層并與上一層牢牢連接在一起。這樣層層掃描迭加便形成一個(gè)空間實(shí)體。FDM工藝關(guān)鍵是保護(hù)半流動(dòng)成形材料剛好在凝固溫度點(diǎn)，通?？刂圃诒饶虦囟雀遧℃左右。FDM技術(shù)最大優(yōu)點(diǎn)是速度快，此外，整個(gè)FDM成形過(guò)程是在60～300℃下進(jìn)行的，并且沒(méi)有粉塵，也無(wú)有毒化學(xué)氣體、激光或液態(tài)聚合物的泄漏，適宜辦公室環(huán)境使用。

FDM制作生成的原型適合工業(yè)上各種各樣的應(yīng)用，如概念成形、原型開(kāi)發(fā)、精鑄蠟?zāi)：蛧婂冎颇５取?/p>

RPM技術(shù)發(fā)展迅速，新的RPM技術(shù)層出不窮，此外，也出現(xiàn)了與CNC相結(jié)合、與模具成形相結(jié)合的快速成形工藝。3.11．1．3RPM技術(shù)的技術(shù)地位

RPM技術(shù)具有如下特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)：適合于形狀復(fù)雜的、不規(guī)則零件的加工；沒(méi)有或極少下腳料且是一種環(huán)保型技術(shù)；成功的解決了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)中三維造型“看得見(jiàn)、摸不著”的問(wèn)題；系統(tǒng)柔性高，只需修改Cap模型就可生成各種不同形狀的零件；多技術(shù)集成設(shè)計(jì)制造一體化；具有廣泛的材料適應(yīng)性；不需要專用的工裝夾具和模具，大大縮短新產(chǎn)品試制時(shí)間；零件的復(fù)雜程度與制造成本關(guān)系不大。

RPM技術(shù)由于具有縮短產(chǎn)品上市時(shí)間、提高生產(chǎn)效率、改善產(chǎn)品質(zhì)量、優(yōu)化設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)，因而從其誕生之日起，就受到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的極大重視，并迅速在航空航天、汽車(chē)、機(jī)械、電子、電器、醫(yī)療、玩具、建筑和藝術(shù)品等許多領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用，并已取得了極大進(jìn)展。

RPM技術(shù)是實(shí)現(xiàn)并行工程、靈捷制造和可持續(xù)發(fā)展制造戰(zhàn)略的有效途徑，應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)及集成制造等方面：產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中的設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)、功能試驗(yàn)、可制造性與可裝配性檢驗(yàn)、非功能性樣品制作、快速模具制造、快速制造金屬型零件、微型機(jī)械制造研究開(kāi)發(fā)以及快速反求工程等?？傊?，RPM技術(shù)是一種快速產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和制造的技術(shù)，作為一種關(guān)鍵的先進(jìn)制造技術(shù)，其對(duì)國(guó)家制造能力及企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力有極大影響，RPM技術(shù)的發(fā)展也有著巨大的產(chǎn)業(yè)化前景。3．11．2快速原型制造技術(shù)的國(guó)內(nèi)外技術(shù)進(jìn)展3.11.2．1國(guó)外RPM技術(shù)進(jìn)展自從美國(guó)的3DSystems公司推出它的第一代商用快速原型制造系統(tǒng)SLA河以來(lái)的十年間，RPM得到異乎尋常的迅猛發(fā)展。目前全球范圍有超過(guò)30種系統(tǒng)，RPM設(shè)備總計(jì)達(dá)千臺(tái)以上，可以制造各種材料與尺寸的原型和零件。1995年RPM的市場(chǎng)增長(zhǎng)率為49％，年銷(xiāo)售額為已達(dá)2．95億美元，1998年達(dá)到約10億美元。

RPM技術(shù)從一開(kāi)始就受到了各國(guó)政府、企業(yè)、高等院校和研究機(jī)構(gòu)的重視。美國(guó)在這一領(lǐng)域一直處于領(lǐng)先地位，美國(guó)MIT是3D．P技術(shù)的發(fā)源地，包括金屬型和陶瓷型，后者已商業(yè)化。美國(guó)Dnyton

Univetsity從事包括SLA在內(nèi)的多種RPM工藝的研究與開(kāi)發(fā)，自1991年以來(lái)，Dnyton大學(xué)每年主辦Int．ConfonRapidPrototyping，其是RP歷史最悠久的會(huì)議。美國(guó)UT（TexasUniversityatAustin）與DTM公司合作，主要研究開(kāi)發(fā)SLS工藝，每年8月世界SFF（SolidFreeformFabrication）會(huì)議在此處召開(kāi)，其側(cè)重點(diǎn)為RP科學(xué)研究，1997年論文重點(diǎn)集中在快速制造模具。美國(guó)CarnegieMellonUniversity主要從事基于RPM的微型機(jī)械研究與開(kāi)發(fā)，美國(guó)DrexelUniversity、NewJersey理工學(xué)院、斯坦福大學(xué)等都在RPM方面進(jìn)行了研究工作。澳大利亞政府于1991年也認(rèn)識(shí)到了RPM技術(shù)對(duì)其工業(yè)的重要性，建立了一個(gè)有6家教育機(jī)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，鼓勵(lì)研究和傳播RPM技術(shù)，每個(gè)機(jī)構(gòu)配有CAD／CAM工作站和一臺(tái)SLA－250機(jī)器，用于對(duì)工程師的繼續(xù)教育、研究項(xiàng)目和為工業(yè)界提供低價(jià)的服務(wù)。日本政府從1994年開(kāi)始建立為期4年8億日元的基金研究項(xiàng)比集中在數(shù)據(jù)交換、樹(shù)脂固化的基礎(chǔ)研究和RPM應(yīng)用方面。歐洲建立了“歐洲快速原型制造行動(dòng)（EARP）”項(xiàng)目，其由RPM領(lǐng)域的工業(yè)企業(yè)和學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)參加，研究?jī)?nèi)容包括：創(chuàng)造性設(shè)計(jì)和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、建模和原型制造、CAD與軟件、醫(yī)療應(yīng)用，該項(xiàng)目從1993年開(kāi)始為期3～4年。RPM凈成形制造是國(guó)際智能制造系統(tǒng)（IMS）計(jì)劃項(xiàng)目的主要子項(xiàng)。近年來(lái)，由于政府、各大公司（如Genemotor、IBM等）以及軍事部門(mén)的大力支持下，美國(guó)近幾年繼續(xù)保持其在快速原型制造技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的領(lǐng)先地位。許多RPM高技術(shù)公司直接面向市場(chǎng)，不僅使各類(lèi)ny設(shè)備占領(lǐng)了越來(lái)越廣泛的市場(chǎng)，而且發(fā)展RP技術(shù)服務(wù)，使RP技術(shù)越來(lái)越多地進(jìn)入不同的工業(yè)領(lǐng)域。RPM技術(shù)的市場(chǎng)空前繁榮己對(duì)美國(guó)制造業(yè)的發(fā)展起到重要作用，這種良性循環(huán)的發(fā)展勢(shì)頭可以保證美國(guó)繼續(xù)占據(jù)制造業(yè)的世界領(lǐng)先地位。

國(guó)外RPM技術(shù)的進(jìn)展主要表現(xiàn)在以下一些方面：

(1）大力改善快速原型制作系統(tǒng)的制作精度、可靠性、生產(chǎn)率和制作大件的能力，并推出了新一代快速成形機(jī)。美國(guó)3DSystems公司新推出的SLA巧00／40，其制作速度比SLA－500／30快45％。DTM公司的Sinterstation2500其制作能力比Sinterstation2000幾乎大一倍，其制件范圍達(dá)330minX38lmmX432mm，它采用在Z方向的動(dòng)態(tài)聚焦技術(shù)，使激光光斑在大零件的邊緣也能保持較小及圓形，保證整個(gè)原型有較高分辨率。Helisys公司1996年推出的LOM－2030，比第一代機(jī)制作速度快30％。Straasys的FDM8000采用改進(jìn)了的擠出頭和軟件，速度比FDM1650快1倍，制作面積為508minX43lmmX610mm，精度為0．13mm。日本CEMT公司的樹(shù)脂光照成形的SOUP－1000的制件范圍最大，為1000minX800mmX500mm。目前幾乎所有方法的XY精度已非常高，甚至可達(dá)數(shù)控機(jī)床水平，但Z方向精度牽涉到材料變形和難于直接精確監(jiān)控等因素，一般都在0．lmm以下。Ny設(shè)備的價(jià)格幾乎沒(méi)有大的變化，仍然昂貴。

（2）開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)型的RP系統(tǒng)（概念制模機(jī)）。開(kāi)發(fā)制作速度快、價(jià)格低的An系統(tǒng)的市場(chǎng)潛力將是很大的，它更易真正成為辦公室能廣泛用得起的三維激光打印機(jī)。幾家美國(guó)公司正在推出能力低于昂貴的ny系統(tǒng)的桌面RP系統(tǒng)，目標(biāo)是開(kāi)發(fā)像復(fù)印機(jī)、打印機(jī)、傳真機(jī)一樣操作方便、安靜、快速和安全的RP系統(tǒng)。典型的系統(tǒng)有：3DSystems公司推出的采用多噴口（96個(gè)噴嘴）的制模機(jī)ACTUA2000，其報(bào)價(jià)為6萬(wàn)美元；Stratasys公司的Genisys的報(bào)價(jià)為5.55萬(wàn)美元，其成形材料強(qiáng)度高，可以少加支撐。上述這幾種產(chǎn)品的工藝都是基于噴射成形，噴粘接劑和噴（擠）熱塑料材料，它們的突出優(yōu)點(diǎn)是可制作復(fù)雜的零件，成形材料選擇性強(qiáng)，成形速度快。

（3）快速成形方法和工藝的改進(jìn)和創(chuàng)新。目前比較成熟的SLA、LOM、SLS、FDM方法在不斷改進(jìn)，各種RP方法各具特點(diǎn)，沒(méi)有一種方法能滿足所有的要求，同時(shí)各自也在不斷改進(jìn)。目前圍繞提高快速成形件的精度、減少制作時(shí)間、探索直接制作最終用途零件的工藝，有多種新的快速成形方法或工藝正在實(shí)驗(yàn)室中研究。

（4）快速模具制造（RTtwidTooling）的應(yīng)用?？焖僦颇？煞譃樵赗P系統(tǒng)上直接制模和利用RP原型間接制模，目前主要是快速制造鑄模和注塑模。ny＋RT的發(fā)展是近年來(lái)最重要熱點(diǎn)，