《先進(jìn)制造技術(shù)》第3章 先進(jìn)制造工藝技術(shù)

第3章先進(jìn)制造工藝技術(shù)12333.1先進(jìn)制造工藝技術(shù)概述3.2現(xiàn)代特種加工技術(shù)3.3超精密加工返回第3章先進(jìn)制造工藝技術(shù)45363.4微細(xì)/納米加工技術(shù)3.5超高速加工技術(shù)3.6快速原型制造技術(shù)返回3.1

先進(jìn)制造工藝技術(shù)概述3.1.1機(jī)械制造工藝的定義和內(nèi)涵機(jī)械制造工藝是將各種原材料通過改變其形狀、尺寸、性能或相對位置,使之成為成品或半成品的方法和過程。按其功能的不同,機(jī)械制造工藝分為三個階段:零件毛坯的成形準(zhǔn)備階段,包括原材料切割、焊接、鑄造和鍛壓加工成形等;機(jī)械切削加工階段,包括車削、鉆削、銑削、刨削、鏜削和磨削加工等;表面改性處理階段,包括熱處理、電鍍、化學(xué)鍍、熱噴涂和涂裝等。機(jī)械制造工藝流程如圖3.1所示。3.1.2先進(jìn)制造工藝的發(fā)展和內(nèi)容1.先進(jìn)制造工藝的發(fā)展下一頁返回3.1

先進(jìn)制造工藝技術(shù)概述先進(jìn)制造工藝技術(shù)主要研究與物料處理過程和物料直接相關(guān)的各項(xiàng)技術(shù),要求實(shí)現(xiàn)加工過程的優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、清潔和靈活。先進(jìn)制造工藝的發(fā)展主要表現(xiàn)在以下幾個方面。(1)加工精度不斷提高隨著制造工藝技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展,機(jī)械加工精度得到不斷提高。(2)切削速度迅速提高隨著刀具材料的發(fā)展,在近一個世紀(jì)內(nèi),切削速度提高了100多倍。由圖3.2可以看出,20世紀(jì)以前,以碳素工具鋼為主的刀具材料的切削速度在10m/min左右;20世紀(jì)初,高速鋼問世,切削速度提高到30~40m/min;20世紀(jì)30年代,隨著硬質(zhì)合金刀具的使用,切削速度很快提高到每分鐘數(shù)百米;接著又相繼出現(xiàn)了陶瓷刀具、聚晶金剛石(PCD)刀具和聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具,其切削速度可達(dá)每分鐘上千米。上一頁下一頁返回3.1

先進(jìn)制造工藝技術(shù)概述(3)新型工程材料的應(yīng)用推動了制造工藝的進(jìn)一步發(fā)展超硬材料、超塑性材料、復(fù)合材料、工程陶瓷等新型材料的出現(xiàn),一方面要求進(jìn)一步改善刀具材料的切削性能、改進(jìn)機(jī)械加工設(shè)備,使之能夠勝任新材料的切削加工;另一方面迫使人們尋求新型的制造工藝,以便更有效地適應(yīng)新型工程材料的加工,因而出現(xiàn)了一系列特種加工方法。(4)近凈成形(NearNetShape)技術(shù)不斷發(fā)展隨著人們對人類生存資源的節(jié)約和保護(hù)意識的提高,要求零件毛坯成形精度向少無余量方向發(fā)展,使成形的毛坯接近或達(dá)到零件的最終形狀和尺寸,因而出現(xiàn)了諸如精密鑄造成形、精密塑性成形、精密連接等近凈成形技術(shù)。上一頁下一頁返回3.1

先進(jìn)制造工藝技術(shù)概述(5)表面工程技術(shù)日益受到重視表面工程技術(shù)是通過運(yùn)用物理、化學(xué)或機(jī)械工藝來改變零件表面的形態(tài)、化學(xué)成分和組織結(jié)構(gòu),以獲取與基體材料不同性能要求的一種技術(shù)。它在節(jié)約原材料、提高新產(chǎn)品性能、延長產(chǎn)品使用壽命、裝飾環(huán)境和美化生活等方面發(fā)揮著越來越突出的作用。2.先進(jìn)制造工藝的內(nèi)容上一頁返回3.2

現(xiàn)代特種加工技術(shù)3.2.1特種加工概述1.特種加工的產(chǎn)生及發(fā)展傳統(tǒng)的機(jī)械加工已有很長的歷史,它對人類生產(chǎn)和物質(zhì)文明的進(jìn)步起到了極大的推動作用。例如,18世紀(jì)70年代人類就發(fā)明了蒸汽機(jī),但苦于制造不出高精度的蒸汽機(jī)氣缸而無法推廣應(yīng)用。直到有人創(chuàng)造并改進(jìn)了氣缸鏜床,解決了蒸汽機(jī)主要部件的加工工藝,才使蒸汽機(jī)獲得廣泛應(yīng)用,引起了世界性的第一次產(chǎn)業(yè)革命。這一事實(shí)充分說明了加工方法對新產(chǎn)品的研制和推廣以及對社會經(jīng)濟(jì)等起著重大的作用。2.特種加工的特點(diǎn)切削加工的本質(zhì)和特點(diǎn)表現(xiàn)在兩個方面:一是刀具材料比工件更硬;二是利用機(jī)械能把工件上多余的材料切除。下一頁返回3.2

現(xiàn)代特種加工技術(shù)在一般情況下,切削加工是行之有效的,但是,當(dāng)工件材料越來越硬,加工表面越來越復(fù)雜時,原來行之有效的方法就轉(zhuǎn)化為限制生產(chǎn)率和影響加工質(zhì)量的不利因素了。于是人們開始探索用軟的工具加工硬的材料的加工方法,如嘗試采用電能、化學(xué)能、光能、聲能等能量來進(jìn)行加工等。為區(qū)別于現(xiàn)有的金屬切削加工,人們通常將這類新加工方法統(tǒng)稱為特種加工(Non-traditionalMachining)。3.特種加工的分類依據(jù)加工能量的來源及作用形式的不同將各種常用的特種加工方法進(jìn)行分類見表31。3.2.2電火花加工上一頁下一頁返回3.2

現(xiàn)代特種加工技術(shù)電火花加工技術(shù)是機(jī)電一體化技術(shù),是機(jī)械、電工、電子、數(shù)控、自動控制、計(jì)算機(jī)應(yīng)用等多門學(xué)科的綜合運(yùn)用,是先進(jìn)制造技術(shù)中的一個重要組成部分。電火花加工(EDM)是利用浸在工作液中的兩極間脈沖放電時產(chǎn)生的電蝕作用蝕除導(dǎo)電材料的特種加工方法,又稱放電加工或電蝕加工。1.電火花成形加工(1)電火花成形加工的原理電火花成形加工是直接利用電能對零件進(jìn)行加工的一種方法,其加工原理是使工件和工具之間產(chǎn)生周期性的、瞬間的脈沖放電,依靠電火花產(chǎn)生的高溫將金屬熔蝕,并在工件上形成加工原理如圖33所示。上一頁下一頁返回3.2

現(xiàn)代特種加工技術(shù)(2)電火花成形加工的特點(diǎn)①加工時無顯著機(jī)械切削力,有利于小孔、窄槽、型孔、曲線孔及薄壁零件加工,也適合于精密細(xì)微加工。②可加工難切削加工的導(dǎo)電材料,能“以柔克剛”,如淬火鋼、硬質(zhì)合金、不銹鋼、工業(yè)純鐵等。③工具的硬度可以低于被加工材料的硬度。④脈沖參數(shù)可任意調(diào)節(jié),加工中只要更換工具電極或采用階梯形工具電極就可以在同一機(jī)床上連續(xù)進(jìn)行粗、半精和精加工,加工過程易于自動控制。⑤主要用于加工金屬等導(dǎo)電材料,在一定條件下也可以加工半導(dǎo)體和非金屬材料。上一頁下一頁返回3.2

現(xiàn)代特種加工技術(shù)⑥放電過程中有一部分能量消耗于工具電極而導(dǎo)致工具電極消耗,對成形精度有一定(3)電火花成形加工的應(yīng)用由于電火花成形加工具有傳統(tǒng)切削加工無法比擬的優(yōu)點(diǎn),因此,它已廣泛應(yīng)用于航空、儀器、精密機(jī)械、模具制造、汽車拖拉機(jī)等行業(yè),以解決難以加工材料和復(fù)雜形狀零件的加工問題。①電火花穿孔加工。電火花穿孔是電蝕加工中應(yīng)用最廣的一種方法,常用來加工冷沖模、拉絲模和噴嘴等各種小孔,還可用于0.01~1mm范圍內(nèi)的微精細(xì)加工,如加工細(xì)微孔、異形孔、深槽和窄縫等。上一頁下一頁返回3.2

現(xiàn)代特種加工技術(shù)②電火花型腔加工。電火花成形加工可以在淬火后進(jìn)行,免去了熱處理變形的修正問題,多種型腔可整體加工,比如鍛模、壓鑄模、擠壓模、塑料模以及整體葉輪、葉片等各種典型零件的加工,避免了常規(guī)機(jī)械加工方法因需拼裝而帶來的誤差。(4)電火花成形加工設(shè)備電火花成形加工通常使用數(shù)控電火花成形機(jī)床,數(shù)控電火花成形機(jī)床有固定立柱式、滑枕式及龍門式三種。其中固定立柱式數(shù)控電火花成形機(jī)床機(jī)構(gòu)簡單,一般用于中、小型零件加工,如圖34所示。滑枕式數(shù)控電火花成形機(jī)床結(jié)構(gòu)緊湊,剛性好,一般只用于小型零件加工,如圖35所示。龍門式數(shù)控電火花成形機(jī)床結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,應(yīng)用范圍廣,常用于大、中型零件加工,如圖36所示。電火花成形加工機(jī)床由床身和立柱、工作臺、主軸頭、工作液和工作液循環(huán)過濾系統(tǒng)、脈沖電源、伺服進(jìn)給機(jī)構(gòu)、數(shù)控系統(tǒng)等部分組成。上一頁下一頁返回3.2

現(xiàn)代特種加工技術(shù)①床身和立柱。床身和立柱是基礎(chǔ)結(jié)構(gòu),由它確保電極與工作臺、工件之間的相互位置。位置精度的高低對加工有直接的影響,如果機(jī)床的精度不高,加工精度也難以保證。因此,不但床身和立柱的結(jié)構(gòu)應(yīng)該合理,有較高的剛度,能承受主軸負(fù)重和運(yùn)動部件突然加速運(yùn)動的慣性力,還應(yīng)能減小溫度變化引起的變形。②主軸頭。主軸頭是電火花成形加工機(jī)床的一個關(guān)鍵部件,在結(jié)構(gòu)上由伺服進(jìn)給機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向和防扭機(jī)構(gòu)以及輔助機(jī)構(gòu)三部分組成,用以控制工件與工具電極之間的放電間隙。③工作臺。工作臺主要用來支撐和裝夾工件。在實(shí)際加工中,通過轉(zhuǎn)動縱、橫向絲杠來改變電極與工件的相對位置。工作臺上裝有工作液箱,用以容納工作液,使電極和工件浸泡在工作液里,起到冷卻、排屑作用。工作臺是操作者裝夾找正時經(jīng)常移動的部件,通過移動上、下滑板改變縱橫向位置,達(dá)到電極與工具件間所要求的相對位置。上一頁下一頁返回3.2

現(xiàn)代特種加工技術(shù)④工作液和循環(huán)過濾系統(tǒng)。⑤脈沖電源。脈沖電源的作用是把工頻交流電轉(zhuǎn)換成供給火花放電間隙所需要的能量來蝕除金屬。脈沖電源對電火花加工的生產(chǎn)率、表面質(zhì)量、加工速度、加工過程的穩(wěn)定性和工具電極損耗等技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)有很大的影響。⑥伺服進(jìn)給結(jié)構(gòu)。電火花加工與切削加工不同,屬于“不接觸加工”。正常電火花加工時,工具和工件間有一放電間隙S。主軸伺服電動機(jī)、滾珠絲杠螺母副在立柱上做升降移動,會改變工具電極和工件之間的間隙。2.電火花線切割加工上一頁下一頁返回3.2

現(xiàn)代特種加工技術(shù)(1)數(shù)控電火花線切割機(jī)床的工作原理電火花線切割加工又稱為數(shù)控線切割,其加工過程是利用一根移動著的金屬絲(鉬絲、鎢絲或銅絲等)作工具電極,在金屬絲與工件間通以脈沖電流,使之產(chǎn)生脈沖放電而進(jìn)行切割加工。如圖3.7所示,電極絲穿過工件上預(yù)先鉆好的小孔(穿絲孔),經(jīng)導(dǎo)輪由走絲機(jī)構(gòu)帶動進(jìn)行軸向走絲運(yùn)動。工件通過絕緣板安裝在工作臺上,由數(shù)控裝置按加工程序指令控制沿X、Y兩個坐標(biāo)方向移動而合成所需的直線、圓弧等平面軌跡。在移動的同時,線電極和工件間不斷地產(chǎn)生放電腐蝕現(xiàn)象,工作液通過噴嘴注入,將電蝕產(chǎn)物帶走,最后在金屬工件上留下細(xì)絲切割形成的細(xì)縫軌跡線,從而達(dá)到了使一部分金屬與另一部分金屬分離的加工要求。上一頁下一頁返回3.2

現(xiàn)代特種加工技術(shù)②慢速走絲線切割機(jī)床走絲速度低于0.2m/s,常用黃銅絲(有時也采用紫銅、鎢、鉬和各種合金的涂覆線)作為電極絲,銅絲直徑通常為0.10~0.35mm。電極絲僅從一個單方向通過加工間隙,不重復(fù)使用,避免了因電極絲的損耗而降低加工精度的情況。同時由于走絲速度慢,機(jī)床及電極絲的振動小,因此,其加工過程平穩(wěn),加工精度高,可達(dá).005mm,表面粗糙度Ra≤0.32μm。慢速走絲線切割機(jī)床的工作液一般采用去離子水、煤油等,生產(chǎn)率較高。慢速走絲機(jī)床主要由日本、瑞士等國生產(chǎn),目前我國已有少數(shù)企業(yè)引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)并與外企合作生產(chǎn)慢速走絲機(jī)床,其外形如圖3.9所示。(2)電火花線切割加工的特點(diǎn)上一頁下一頁返回3.2

現(xiàn)代特種加工技術(shù)①和電火花成形機(jī)床不同,線切割是利用線電極來進(jìn)行加工的,作為工具電極的是直徑為0.03~0.35mm的金屬絲,不需要制造特定形狀的電極,使加工容易實(shí)現(xiàn),并且金屬絲的損耗較小,加工精度高。②電極絲材料不必比工件材料硬,可以加工用一般切削方法難以加工或無法加工的金屬材料和半導(dǎo)體材料,如淬火鋼、硬質(zhì)合金等;而非導(dǎo)電材料用線切割加工則無法實(shí)現(xiàn)。③由于電極絲較細(xì),其可以加工微細(xì)異形孔、窄縫和復(fù)雜形狀工件;由于切縫很窄,金屬去除量少,其可對工件套料進(jìn)行加工,材料利用率高,可節(jié)約貴重金屬。上一頁下一頁返回3.2

現(xiàn)代特種加工技術(shù)(3)電火花線切割加工的應(yīng)用電火花線切割加工主要應(yīng)用于新產(chǎn)品的試制、精密零件加工及模具加工等,圖3.10所示為電火花線切割加工的產(chǎn)品。(4)電火花線切割加工機(jī)床設(shè)備目前我國使用的快走絲電火花線切割機(jī)床本體由床身、坐標(biāo)工作臺、走絲機(jī)構(gòu)、絲架、脈沖電源、數(shù)控裝置和工作液循環(huán)系統(tǒng)等幾部分組成,如圖311所示。3.2.3電解加工1.電解加工的原理電解加工(ElectroChemicalMachining,簡稱ECM)是利用金屬在電解液中發(fā)生陽極溶解反應(yīng)而去除工件上多余的材料并將零件加工成形的一種方法。上一頁下一頁返回3.2

現(xiàn)代特種加工技術(shù)圖3.12所示為電解加工過程示意圖。加工時,工件接電源正極(陽極),按一定形狀要求制成的工具接負(fù)極(陰極),工具電極向工件電極緩慢進(jìn)給,并使兩極之間保持較小的間隙(通常為0.02~0.7mm),利用電解液泵在間隙中間通以高速(5~50m/s)流動的電解液。在工件與工具之間施加一定電壓,陽極工件的金屬被逐漸電解蝕除,電解產(chǎn)物被電解液帶走,直至工件表面形成與工具表面基本相似的形狀為止。圖313所示為電解加工原理圖。加工開始時,工件陽極與工具陰極的形狀不同,工件表面上的各點(diǎn)至工具表面的距離不等[如圖3.13(a)所示],因而各點(diǎn)的電流密度(圖3.13中豎線所示)不等。陽極與陰極距離較近的地方通過的電流密度較大,電解液的流速較高,陽極溶解的速度也就較快,而距離較遠(yuǎn)的地方,電流密度較小,陽極溶解也較慢。上一頁下一頁返回3.2

現(xiàn)代特種加工技術(shù)由于工具相對工件不斷進(jìn)給,工件表面上各點(diǎn)就以不同的溶解速度進(jìn)行溶解,間隙大致相同,電流密度趨于一致時,工件陽極表面的形狀就逐漸與陰極形狀相近,這樣便完成了工件的電解加工。2.電解加工的特點(diǎn)(1)加工范圍廣不受材料本身強(qiáng)度、硬度和韌性的限制,可加工高強(qiáng)度、高硬度和高韌性等難切削的金屬材料,如淬火鋼、鈦合金、硬質(zhì)合金、不銹鋼和耐熱合金等,可加工葉片、花鍵孔、炮管膛線和鍛模等各種復(fù)雜的三維型面以及薄壁、異形零件等。(2)運(yùn)動簡單能以簡單的進(jìn)給運(yùn)動一次加工出形狀復(fù)雜的型面和型腔,進(jìn)給速度可達(dá)0.3~15mm/min。(3)表面質(zhì)量好上一頁下一頁返回3.2

現(xiàn)代特種加工技術(shù)3.電解加工的應(yīng)用(1)模具型腔加工對模具消耗較大、精度要求不太高的礦山機(jī)械、農(nóng)機(jī)、拖拉機(jī)等所需的鍛模已逐漸采用電解加工。(2)型面加工渦輪發(fā)動機(jī)、增壓器、汽輪機(jī)等的葉片,其葉身型面形狀比較復(fù)雜、要求精度高、加工批量大,采用機(jī)械加工難度大、生產(chǎn)率低、加工周期長,而采用電解加工則不受葉片材料硬度和韌性的限制,在一次行程中就可加工出復(fù)雜的葉身型面,生產(chǎn)率高、表面粗糙度小,電解加工整體葉輪在我國已得到普遍應(yīng)用。上一頁下一頁返回3.2

現(xiàn)代特種加工技術(shù)圖3.14所示為用電解加工整體葉輪,葉輪上的葉片是采用套料法逐個加工的。加工完一個葉片,退出陰極,經(jīng)分度后再加工下一個葉片4.電解磨削(1)電解磨削的基本原理電解磨削是電解加工的一種特殊形式,是電化學(xué)腐蝕與機(jī)械磨削作用相結(jié)合的一種復(fù)合加工方法,比電解加工具有更高的加工精度和較小的表面粗糙度,比機(jī)械磨削有更高的生產(chǎn)率。它是靠金屬的溶解(占95%~98%)和機(jī)械磨削(占2%~5%)的綜合作用來實(shí)現(xiàn)加工的。電解磨削的加工原理如圖315所示。加工過程中,磨輪(砂輪)不斷旋轉(zhuǎn),磨輪上凸出的砂粒與工件接觸,形成磨輪與工件間的電解間隙。電解液不斷供給,磨輪在旋轉(zhuǎn)中將工件表面由電化學(xué)反應(yīng)生成的鈍化膜除去,然后繼續(xù)進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng),如此反復(fù)不斷,直到加工完畢。上一頁下一頁返回3.2

現(xiàn)代特種加工技術(shù)(2)電解磨削的特點(diǎn)及應(yīng)用1)加工精度高、表面加工質(zhì)量好在電解磨削加工中,一方面工件尺寸或形狀是靠磨輪刮除鈍化膜得到的,因此能獲得比電解加工好的加工精度;另一方面,材料的去除主要靠電解加工,加工中產(chǎn)生的磨削力較小,不會產(chǎn)生磨削毛刺、裂紋等現(xiàn)象,所以加工工件的表面質(zhì)量好。2)加工范圍廣、生產(chǎn)率高電解磨削具有電解加工和機(jī)械磨削加工的優(yōu)點(diǎn)。由于電解作用和工程材料的機(jī)械性能關(guān)系不大,因此,只要選擇合適的電解液就可以用來加工任何高硬度、高韌性的金屬材料。上一頁下一頁返回3.2

現(xiàn)代特種加工技術(shù)可以加工各種硬、韌金屬材料,而且工件表面粗糙度與砂輪磨粒粗細(xì)無關(guān),切削溫度低,不易變形、裂紋,切削力很小。比如加工硬質(zhì)合金時,與普通的金剛石砂輪磨削相比,電解磨削的加工效率要高3~5倍。3)設(shè)備投資較高電解磨削設(shè)備投資較高,其原因是電解磨削機(jī)床需加電解液過濾裝置、抽風(fēng)裝置、防腐處理設(shè)備等。4)對機(jī)床、工具腐蝕相對較小電解磨削廣泛應(yīng)用于平面磨削、成形磨削和內(nèi)外圓磨削。圖316(a)和圖316(b)所示分別為立軸矩臺平面磨削、臥軸矩臺平面磨削的示意圖。電解磨削還適用于難加工的小孔、深孔和薄壁件,如薄壁管、外殼和注射針頭等。上一頁下一頁返回3.2

現(xiàn)代特種加工技術(shù)3.2.4激光加工激光加工(LaserBeamMachining,簡稱LBM)是在20世紀(jì)60年代以后,隨著激光技術(shù)的迅速發(fā)展而出現(xiàn)的一種新工藝,是利用光能經(jīng)透鏡聚焦以極高的能量密度靠光熱效應(yīng)加工各種材料,不需要加工工具,其具有加工速度快、效率高、表面變形小等特點(diǎn)。1.激光加工的原理激光是一種強(qiáng)度高、方向性好、單色性好的相干光。激光加工就是利用激光器發(fā)射出來的具有高方向性和高亮度的激光,通過光學(xué)系統(tǒng)把激光束聚焦成一個極小的光斑(直徑僅有幾微米或幾十微米),使光斑處獲得極高的能量密度(107~1011W/cm2),達(dá)到上萬攝氏度的高溫,從而能在很短的時間內(nèi)使各種物質(zhì)熔化和汽化,達(dá)到蝕除工件材料的目的。上一頁下一頁返回3.2

現(xiàn)代特種加工技術(shù)常用的激光器按激活介質(zhì)的種類可分為固體激光器和氣體激光器。圖3.17所示為利用固體激光器加工工件的原理示意圖。2.激光加工的特點(diǎn)激光也是一種光,其除了具有光的一般物理性質(zhì)(如反射、折射、繞射及干涉等)外,還具有四大特點(diǎn):高亮度、高方向性、高單色性和高相干性。這四大特點(diǎn)給激光加工帶來了如下一些其他方法所不具備的特點(diǎn):(1)加工材料范圍廣激光幾乎對所有的金屬材料和非金屬材料都可進(jìn)行加工,其特別適于加工高熔點(diǎn)材料及耐熱合金、陶瓷、寶石和金剛石等硬脆材料。上一頁下一頁返回3.2

現(xiàn)代特種加工技術(shù)(2)加工方法多、適應(yīng)性強(qiáng)在同一臺設(shè)備上可完成切割、焊接、表面處理、打孔等多種加工;既可分步加工,又可在幾個工位同時進(jìn)行加工;可加工各種材料,包括高硬度、高熔點(diǎn)、高強(qiáng)度及脆性、柔性材料;既可在大氣中進(jìn)行加工,也可在真空中進(jìn)行加工。(3)加工精度高,質(zhì)量好激光加工不需要加工工具。由于它屬非接觸加工,工件無受力變形,對剛性差的零件可實(shí)現(xiàn)高精度加工,而且受熱區(qū)域小,工件熱變形小,有利于提高加工精度。(4)加工效率高,經(jīng)濟(jì)效益好(5)節(jié)約能源與材料,無公害與污染上一頁下一頁返回3.2

現(xiàn)代特種加工技術(shù)激光束的能量利用率為常規(guī)熱加工工藝的10~1000倍。激光切割可節(jié)省15%~30%的能源與材料,而且沒有加工污染。2.激光加工的應(yīng)用在激光加工中利用激光能量高度集中的特點(diǎn),可以打孔、切割、打標(biāo)、雕刻及表面處理;利用激光的單色性還可以進(jìn)行精密測量。(1)激光打孔激光打孔是激光加工中應(yīng)用最早和應(yīng)用最廣泛的一種加工方法。利用凸鏡將激光在工件上聚焦,焦點(diǎn)處的高溫可使材料瞬時熔化、汽化、蒸發(fā)。汽化物質(zhì)以超音速噴射出來,它的反沖擊力在工件內(nèi)部形成一個向后的沖擊波,在此作用下將孔打出。上一頁下一頁返回3.2

現(xiàn)代特種加工技術(shù)激光打孔速度極快,效率極高,如用激光給手表的紅寶石軸承打孔,每秒鐘可加工14~16個,合格率達(dá)99%。目前,激光打孔常用于微細(xì)孔和超硬材料打孔,如柴油機(jī)噴嘴、金剛石拉絲模、化纖噴絲頭和卷煙機(jī)上用的集流管等。(2)激光切割激光切割與激光打孔原理基本相同,也是將激光能量聚集到很微小的范圍內(nèi)而把工件燒穿,但其切割時需移動工件或激光束(一般移動工件),沿切口連續(xù)打一排小孔即可把工件割開。激光可以切割金屬、陶瓷、半導(dǎo)體、布、紙、橡膠、木材等,其切縫窄、效率高、操作方便。(3)激光打標(biāo)激光打標(biāo)是指利用高能量的激光束照射在工件表面,光能瞬時變成熱能,使工件表面迅速產(chǎn)生蒸發(fā),從而在工件表面刻出任意所需要的文字和圖形,以作為永久防偽標(biāo)志。上一頁下一頁返回3.2

現(xiàn)代特種加工技術(shù)(4)激光焊接激光焊接與激光打孔原理稍有不同,焊接時不需要那么高的能量密度使工件材料汽化蝕除,而只需將工件的加工區(qū)燒熔,使其黏合在一起。因此,激光焊接所需能量密度較低,可用小功率激光器。與其他焊接相比,激光焊接具有焊接時間短、效率高、無噴渣、被焊材料不易氧化、熱影響區(qū)小等特點(diǎn)。激光焊接不僅能焊接同種材料,而且可以焊接不同種類的材料,甚至可以焊接金屬與非金屬材料。(5)激光的表面熱處理5)激光的表面熱處理利用激光對金屬工件表面進(jìn)行掃描,以引起工件表面金相組織發(fā)生變化,進(jìn)而對工件表面進(jìn)行表面淬火、粉末黏合等。上一頁下一頁返回3.2

現(xiàn)代特種加工技術(shù)用激光進(jìn)行表面淬火時,工件表層的加熱速度極快,內(nèi)部受熱極少,工件不產(chǎn)生熱變形,特別適合對齒輪、氣缸筒等形狀復(fù)雜的零件進(jìn)行表面淬火,國外已將其應(yīng)用于自動線上對齒輪進(jìn)行表面淬火。同時,由于不必用加熱爐,是開式的,故其也適合于大型零件的表面淬火。粉末黏合是在工件表層上用激光加熱后熔入其他元素,可提高和改善工件的綜合力學(xué)性能。3.2.5超聲波加工超聲加工也稱超聲波加工(UltrasonicMachining,簡稱USM),其不僅能加工金屬導(dǎo)電材料,而且可以加工玻璃、陶瓷、半導(dǎo)體鍺和硅片等不導(dǎo)電的非金屬脆硬材料,還可以用于清洗和探傷等。上一頁下一頁返回3.2

現(xiàn)代特種加工技術(shù)1.超聲波加工的原理超聲波是頻率超過16000Hz的聲波。超聲波加工是利用工具端面的超聲頻振動,通過工件與工具之間的磨料懸浮液來進(jìn)行加工,圖3.18所示為其加工原理圖。超聲波加工設(shè)備主要由超聲波發(fā)生器、超聲頻振動系統(tǒng)、磨料懸浮液系統(tǒng)和機(jī)床本體等組成。超聲波發(fā)生器產(chǎn)生超聲頻振蕩,由能量轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)變?yōu)槌曨l機(jī)械振動。機(jī)械振動的振幅很小,不能用來進(jìn)行機(jī)械加工,需要通過振幅擴(kuò)大棒將振幅擴(kuò)大。2.超聲波加工的特點(diǎn)3.超聲波加工的應(yīng)用超聲波加工廣泛應(yīng)用于加工半導(dǎo)體和非導(dǎo)體等脆硬材料,如玻璃、石英、金剛石等;由于其加工精度和表面粗糙度優(yōu)于電火花和電解加工,因此,電火花加工后的一些淬火鋼、硬質(zhì)合金零件,還常用超聲拋磨進(jìn)行光整加工。此外,超聲波加工還可以用于套料、清洗、焊接和探傷等。上一頁下一頁返回3.2

現(xiàn)代特種加工技術(shù)(1)型(腔)孔加工超聲波加工在模具制造行業(yè)可用于脆硬材料上加工圓孔、型孔、型腔、套料及微細(xì)孔等,如圖3.19所示。(2)切割加工超聲波切割可以加工單晶硅片、陶瓷模塊。圖3.20所示為超聲波切割陶瓷模塊示意圖。(3)型腔拋磨加工用于淬火鋼、硬質(zhì)合金沖模、拉絲模、塑料模具型腔的最終光整加工。(4)超聲波清洗超聲波使液體分子往復(fù)高頻振動產(chǎn)生正負(fù)交變的沖擊波,使被清洗物表面的污物遭到破壞,并從被清洗表面脫落下來。上一頁下一頁返回3.2

現(xiàn)代特種加工技術(shù)(5)超聲波復(fù)合加工如超聲波與電火花復(fù)合加工,電火花有效放電脈沖利用率可提高50%以上,生產(chǎn)率可提高2~20倍。3.2.6電子束加工電子束加工(簡稱EBM)是近年來發(fā)展較快的特種加工方法,其在精密微細(xì)加工方面,尤其是在微電子學(xué)領(lǐng)域中得到了較多的應(yīng)用。1.電子束加工的原理電子束加工是利用高速電子的沖擊動能來加工工件的,如圖3.21所示。在真空條件下,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,并通過電磁透鏡聚焦裝置進(jìn)一步聚焦,使能量密度集中到直徑為5~10μm的斑點(diǎn)內(nèi)。上一頁下一頁返回3.2

現(xiàn)代特種加工技術(shù)高速而能量密集的電子束沖擊到工件上,使被沖擊部分的材料溫度在幾分之一微秒內(nèi)升高到幾千攝氏度以上,這時熱量還來不及向周圍擴(kuò)散就會把局部區(qū)域的材料瞬時熔化、汽化直至蒸發(fā)而去除。2.電子束加工的特點(diǎn)①電子束可以微細(xì)地聚焦(可達(dá)1~0.1μm),是一種精密微細(xì)的加工方法。②加工在真空中進(jìn)行,污染少,表面不氧化,特別適合加工易氧化的材料。③電子束能量密度高,生產(chǎn)效率高,是非接觸式加工,不產(chǎn)生應(yīng)力和變形,能加工各種力學(xué)性能的導(dǎo)體、半導(dǎo)體和非導(dǎo)體材料。④可以通過電場或磁場對電子束的強(qiáng)度、位置、聚焦等直接進(jìn)行控制,整個加工系統(tǒng)易實(shí)現(xiàn)自動化。上一頁下一頁返回3.2

現(xiàn)代特種加工技術(shù)⑤電子束加工需要整套的專用設(shè)備和真空系統(tǒng),價格較高,因此,在生產(chǎn)中受到一定程度的限制。3.電子束加工的應(yīng)用電子束加工按其能量密度和能量注入時間的不同,可用于打孔、切割、蝕刻、焊接、熱處理和光刻加工等。(1)電子束刻蝕和電子束鉆孔(2)電子束焊接電子束功率密度達(dá)1×105~1×106W/cm2時,電子束轟擊處的材料即局部熔化,當(dāng)電子束相對工件移動,熔化的金屬即不斷固化,利用這個原理可以進(jìn)行材料的焊接。電子束焊接具有深熔的特點(diǎn),焊縫的深寬比可達(dá)20∶1,甚至50∶1。上一頁下一頁返回3.2

現(xiàn)代特種加工技術(shù)這是因?yàn)楫?dāng)電子束功率密度較大時,電子束給予焊接區(qū)的功率遠(yuǎn)大于從焊接區(qū)導(dǎo)走的功率。利用電子束焊接的這一特點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)多種特殊焊接方式。(3)電子束熔煉電子束熔煉最初用于熔煉難熔金屬,后來又用于熔煉活潑金屬(如Ti錠)和高級合金鋼。電子束加熱可使材料在真空中維持熔化狀態(tài)并保持很長時間,實(shí)現(xiàn)材料的去氣和雜質(zhì)的選擇性蒸發(fā),可用來制備高純材料。電子束加熱是電能轉(zhuǎn)為熱能的有效方式之一,大約有50%功率用于熔化和維持液化。功率在60kW以下的電子束熔煉機(jī)可用直熱式鎢絲作為電子槍的陰極;60kW以上熔煉機(jī)的電子槍則用間熱式塊狀鉭陰極,它由背后的鎢絲所發(fā)射的電子轟擊加熱到2700K,可有每平方厘米為幾安的發(fā)射電流密度。上一頁下一頁返回3.2

現(xiàn)代特種加工技術(shù)3.2.7離子束加工離子束加工(IBM)也是一種新興的特種加工,它的加工原理與電子束加工1.1.離子束加工的原理離子束加工是在真空條件下,將離子源產(chǎn)生的離子束經(jīng)過加速、聚焦后投射到工件表面的加工部位以實(shí)現(xiàn)加工的。與電子束加工所不同的是離子帶正電荷,其質(zhì)量比電子大數(shù)千倍乃至數(shù)萬倍,故在電場中加速較慢,當(dāng)其一旦加至較高速度,則會產(chǎn)生比電子束更大的撞擊動能。離子束加工是通過將微觀機(jī)械撞擊能量轉(zhuǎn)化為熱能進(jìn)行的。離子束加工原理如圖3.22所示。2.離子束加工的特點(diǎn)①離子束加工是目前特種加工中最精密、最微細(xì)的加工。上一頁下一頁返回3.2

現(xiàn)代特種加工技術(shù)②離子束加工在高真空中進(jìn)行,污染少,特別適宜于對易氧化的金屬、合金和半導(dǎo)體材料進(jìn)行加工。③離子束加工是靠離子轟擊材料表面的原子來實(shí)現(xiàn)的,是一種微觀作用,所以加工應(yīng)力和變形極小,適宜于對各種材料和低剛件零件進(jìn)行加工。④設(shè)備費(fèi)用高,加工效率低,應(yīng)用受到一定限制。3.離子束加工的應(yīng)用在目前的工業(yè)生產(chǎn)中,離子束加工主要應(yīng)用于刻蝕加工(如加工空氣軸承的溝槽、加工極薄材料等)、鍍膜加工(如在金屬或非金屬材料上鍍制金屬或非金屬材料)和注入加工(如某些特殊的半導(dǎo)體器件)等。(1)刻蝕加工上一頁下一頁返回3.2

現(xiàn)代特種加工技術(shù)離子束刻蝕加工是逐個原子剝離的過程,剝離速度大約每秒一層到幾十層原子。離子束刻蝕可用于加工空氣軸承的溝槽、打孔、加工極薄材料及超高精度非球面透鏡等。離子束還可用于刻蝕集成電路等器件的高精度圖形。(2)鍍膜加工離子束鍍膜加工是一種干式鍍,比蒸鍍有較高的附著力,效率也高,而且熱應(yīng)力少,結(jié)合力強(qiáng),膜層不易脫落。離子鍍鍍層組織細(xì)密,針孔氣泡少。離子鍍可在金屬或非金屬表面上鍍制金屬或非金屬材料,已用于鍍制潤滑膜、耐熱膜、耐蝕膜、耐磨損膜、裝飾膜和電氣膜等。(3)注入加工離子注入是向工件表面直接注入離子,注入量可精確控制,深度可達(dá)1μm以上。離子注入在半導(dǎo)體方面得到了廣泛的應(yīng)用。用硼、磷等“雜質(zhì)”離子注入半導(dǎo)體材料可以使導(dǎo)電型式變?yōu)镻型或N型,可制造出一些通常熱擴(kuò)散難以得到的、各種特殊要求的半導(dǎo)體器件。離子注入還可以顯著改善金屬表面的耐蝕、耐磨和潤滑性能,可用于高速鋼或硬質(zhì)合金刀具材料切削刃的表面改性等。上一頁下一頁返回3.2

現(xiàn)代特種加工技術(shù)3.2.8電鑄成形加工電鑄成形是利用電化學(xué)過程中的陰極沉積現(xiàn)象來進(jìn)行成形加工的,即在原模上通過電化學(xué)方法沉積金屬,然后分離以制造或復(fù)制金屬制品。但電鑄與電鍍又有不同之處,電鍍時要求得到與基體結(jié)合牢固的金屬鍍層,以達(dá)到防護(hù)、裝飾等目的。而電鑄則要電鑄層與原模分離,其厚度也遠(yuǎn)大于電鍍層。1.電鑄成形原理電鑄成形原理如圖3.23所示,在直流電源的作用下,金屬鹽溶液中的金屬離子在陰極獲得電子而沉積在陰極母模的表面。陽極的金屬原子失去電子而成為正離子,源源不斷地補(bǔ)充到電鑄液中,使溶液中的金屬離子濃度基本保持不變。2.電鑄成形特點(diǎn)上一頁下一頁返回3.2

現(xiàn)代特種加工技術(shù)①復(fù)制精度高,可以做出機(jī)械加工不可能加工出的細(xì)微形狀(如微細(xì)花紋、復(fù)雜形狀等),表面粗糙度Ra可達(dá)0.1μm,一般不需拋光即可使②電鑄型腔表面硬度可達(dá)35~50HRC,使用壽命長。③母模材料不限于金屬,有時還可用制品零件直接作為母模。④電鑄可獲得高純度的金屬制品,如電鑄銅,其純度高,具有良好的導(dǎo)電性能。⑤電鑄速度慢,生產(chǎn)周期長(需要幾十小時甚至幾百小時);尖角和凹槽部分鑄層不均勻;鍍層存在一定內(nèi)應(yīng)力,不能承受沖擊載荷,因此,電鑄較難在大、中型模具制造中推廣應(yīng)用。3.電鑄的應(yīng)用上一頁下一頁返回3.2

現(xiàn)代特種加工技術(shù)電鑄包括剝離和包覆兩種方式。剝離電鑄是在芯模上沉積一層厚厚的金屬后將其剝離制成成品;包覆電鑄是在原模上沉積上厚厚的金屬,直接制成成品。隨著技術(shù)的發(fā)展,電鑄的費(fèi)用逐步降低,電鑄在航空、儀器儀表、精密機(jī)械、模具制造等方面發(fā)揮著日益重要的作用。上一頁返回3.3

超精密加工3.3.1超精密加工概述超精密加工是指加工精度和表面質(zhì)量達(dá)到極高程度的精密加工工藝。超精密加工技術(shù)是適應(yīng)現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展的一種機(jī)械加工新工藝,其綜合應(yīng)用了機(jī)械技術(shù)發(fā)展的新成果及現(xiàn)代電子技術(shù)、測量技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)中先進(jìn)的控制、測試手段等,使機(jī)械加工的精度得到進(jìn)一步提高,是尖端技術(shù)產(chǎn)品發(fā)展中不可缺少的關(guān)鍵加工手段。1.機(jī)械加工按精度劃分階段隨著加工技術(shù)的發(fā)展,超精密加工的技術(shù)指標(biāo)也在不斷變化。通常,按加工精度劃分,可將機(jī)械加工分為一般加工、精密加工和超精密加工三個階段。2.超精密加工技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展下一頁返回3.3

超精密加工美國是開展超精密加工技術(shù)研究最早的國家,也是在這方面迄今處于世界領(lǐng)先地位的國家。早在20世紀(jì)50年代末,由于航天等尖端技術(shù)發(fā)展的需要,美國首先發(fā)展了金剛石刀具的超精密切削技術(shù),稱為SPDT(SinglePointDiamondTurning)技術(shù)”或“微英寸技術(shù)”(1μin=0.025mm),并發(fā)展了相應(yīng)的空氣軸承主軸的超精密機(jī)床,用于加工激光核聚變反射鏡、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈及載人飛船用球面、非球面大型零件等。3.3.2超精密加工關(guān)鍵技術(shù)1.加工方法機(jī)理根據(jù)加工方法的機(jī)理和特點(diǎn),超精密加工方法可以分為去除加工、結(jié)合加工和變形加工三大類。(1)去除加工上一頁下一頁返回3.3

超精密加工去除加工又稱為分離加工,是指從工件上去除一部分材料。超精密加工包括超精密切削(車削、銑削)、超精密磨削、超精密研磨和超微細(xì)加工。超精密加工方法應(yīng)針對不同零件的精度要求進(jìn)行選擇,其所獲得的尺寸精度、形狀精度和表面粗糙度是普通精密加工所無法達(dá)到的。(2)結(jié)合加工結(jié)合加工是指利用物理和化學(xué)方法,將不同材料結(jié)合在一起的加工方法。按結(jié)合的機(jī)理、方法、強(qiáng)弱的不同,結(jié)合加工又分為附著、注入和連接三種。附著加工又稱為沉積加工,是指在工件表面上覆蓋一層物質(zhì),這是一種弱結(jié)合,典型的加工方法是鍍。(3)變形加工上一頁下一頁返回3.3

超精密加工變形加工又稱為流動加工,它利用力、熱、分子運(yùn)動等手段使工件產(chǎn)生變形,改變其尺寸、形狀和性能。多年來,傳統(tǒng)加工的概念一直局限于去除加工和表面結(jié)合加工。近年來,人們提出了電鑄、晶體生長、分子束外延和快速成形等加工方法,突破了傳統(tǒng)加工的概念。2.被加工材料超精密加工零件對其材料的化學(xué)成分、物理力學(xué)性能和加工工藝性能均有嚴(yán)格要求,其要求被加工材料質(zhì)地均勻、性能穩(wěn)定、無外部及內(nèi)部微觀缺陷。3.加工設(shè)備(1)主軸及其驅(qū)動裝置主軸是超精密機(jī)床的圓度基準(zhǔn),故要求其有極高的回轉(zhuǎn)精度,其精度范圍為0.02~0.1μm。上一頁下一頁返回3.3

超精密加工(2)床身和精密導(dǎo)軌床身是機(jī)床的基礎(chǔ)部件,應(yīng)具有抗振衰減能力強(qiáng)、熱膨脹系數(shù)低、尺寸穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。目前,超精密機(jī)床床身多采用人造花崗巖制造。人造花崗巖是由花崗巖碎粒用樹脂黏結(jié)而成的,它不僅具有花崗巖材料尺寸穩(wěn)定性好、熱膨脹系數(shù)低、硬度高、耐磨且不生銹等特點(diǎn),還可鑄造成形,克服了天然花崗巖有吸濕性的不足,并加強(qiáng)了對振動的衰減能力。(3)微量進(jìn)給裝置在超精密加工中,微量進(jìn)給裝置用于刀具微量調(diào)整,以保證零件尺寸精度。微量進(jìn)給裝置有機(jī)械式微量進(jìn)給裝置、彈性變形式微量進(jìn)給裝置、熱變形式微量進(jìn)給裝置、電致伸縮微量進(jìn)給裝置、磁致伸縮微量進(jìn)給裝置以及流體膜變形微量進(jìn)給裝置等。目前,高精度微量進(jìn)給裝置分辨率已達(dá)到0.001~0.01μm。上一頁下一頁返回3.3

超精密加工4.加工工具(1)超精密切削刀具在超精密切削加工中,為實(shí)現(xiàn)超精密切削,刀具應(yīng)具有以下性能:①極高的硬度、耐用度和彈性模量,以保證刀具有很長的壽命和很高的尺寸耐用度。②刃口能磨得極其鋒銳,刀口半徑ρ值極小,能實(shí)現(xiàn)超薄的切削厚度。③刀刃無缺陷,否則切削時刃形將復(fù)印在加工表面上,故不能得到超光滑的鏡面。④與工件材料的抗黏結(jié)性好,化學(xué)親和性小,摩擦系數(shù)低,能得到極好的加工表面完整性。上一頁下一頁返回3.3

超精密加工目前,超精密切削刀具多用金剛石為大顆粒、無雜質(zhì)、無缺陷、淺色透明的優(yōu)質(zhì)天然單晶金剛石。(2)超精密磨削砂輪5.加工環(huán)境加工環(huán)境的任何微小變化都可能影響加工精度的變化,使超精密加工達(dá)不到精度要求。因此,超精密加工必須在超穩(wěn)定的環(huán)境下進(jìn)行。超穩(wěn)定環(huán)境主要是指恒溫、超凈和防振三個方面。3.3.3超精密加工方法1.超精密車削加工上一頁下一頁返回3.3

超精密加工超精密切削加工主要指金剛石刀具超精密車削,用于加工有色金屬材料及其合金,以及光學(xué)玻璃、石材和碳素纖維等非金屬材料,加工對象是精度要求很高的鏡面零件,如非球面反射鏡、磁盤鋁基底、VTR輥軸、有色金屬軸套和塑料多面棱鏡等,甚至可以直接加工納米級表面的硬脆材料。超精密金剛石刀具鏡面車削加工人造衛(wèi)星儀器軸承———真空無潤滑軸承,其孔和軸的表面粗糙度達(dá)到1nm,圓度和圓柱度均為納米級精度。超精密車削可達(dá)到0.005μm的表面粗糙度和0.1μm的非球面形狀精度。圖3.24所示為美國LawrenceLivemore實(shí)驗(yàn)室和美國空軍合作研制出的大型光學(xué)金剛石超精密車床。(1)金剛石刀具的性能特征目前,超精密切削刀具用的金剛石為大顆粒(0.5~1.5克拉,1克拉=20mg)、無雜質(zhì)、無缺陷、淺色透明的優(yōu)質(zhì)天然單晶金剛石,具有如下的性能特征:上一頁下一頁返回3.3

超精密加工(2)超精密切削時的最小切削厚度超精密切削實(shí)際能達(dá)到的最小切削厚度與金剛石刀具的鋒銳度、使用的超精密機(jī)床的性能狀態(tài)、切削時的環(huán)境條件等直接有關(guān)。極限最小切削厚度hDmin與刀具刀刃鋒銳度(即刃口半徑ρ)關(guān)系如圖3.25所示。A為極限臨界點(diǎn),在A點(diǎn)以上,被加工材料將堆積起來形成切屑,而在A點(diǎn)以下,加工材料經(jīng)彈性變形形成加工表面。2.超精密磨削加工超精密磨削是一種亞微米級的加工方法,并正向納米級發(fā)展。它是指加工精度達(dá)到或高于0.01μm、表面粗糙度低于Ra0.002μm的砂輪磨削方法,主要用于硬度較高的金屬和非金屬零件,如對加工尺寸及形狀精度要求很高的伺服閥、空氣軸承主軸、陀螺儀超精密軸承、光學(xué)玻璃基片等。超精密磨削的關(guān)鍵在于砂輪的選擇、砂輪的修整、磨削用量和高精度的磨削機(jī)床。上一頁下一頁返回3.3

超精密加工(1)超精密磨削砂輪在超精密磨削中所使用的砂輪,其材料多為金剛石、立方氮化硼磨料,硬度極高,故一般稱為超硬磨料砂輪。超硬磨料磨具適用于超精密磨削,其特點(diǎn)有以下幾方面:①磨料本身磨損少,可較長時間地保持鋒利,磨具修整次數(shù)少,耐用度高,壽命長。②磨具在尺寸和形狀上保持性好,磨削精度高。③磨削時一般工件溫度較低,因此可以減小內(nèi)應(yīng)力、裂紋、燒傷等缺陷。④超硬磨料磨具價格較高,修整比較困難,但由于使用壽命長,使得在性能價格比上仍占有優(yōu)勢。⑤超硬磨料磨具能加工各種硬脆材料,如磨削陶瓷、光學(xué)玻璃、寶石、硬質(zhì)合金、銅合金、耐熱鋼、不銹鋼等難加工材料,應(yīng)用十分廣泛。上一頁下一頁返回3.3

超精密加工(3)磨削速度和磨削液金剛石砂輪磨削速度為12~30m/s,一般陶瓷結(jié)合劑、樹脂結(jié)合劑的金剛石砂輪其磨削速度可選高些,金屬結(jié)合劑的金剛石砂輪磨削速度可選低些。而立方氮化硼砂輪的磨削速度比金剛石砂輪高得多,可達(dá)80~100m/s,主要是因?yàn)榱⒎降鹉チ系臒岱€(wěn)定性好。3.珩磨珩磨是利用珩磨工具對工件表面施加一定壓力,珩磨工具同時做往復(fù)振動、相對旋轉(zhuǎn)和直線往復(fù)運(yùn)動,以切除工件上極小余量的工件精加工方法。一般珩磨后可將工件的形狀和尺寸精度提高一級,表面粗糙度Ra值可達(dá)0.2~0.025μm。珩磨加工的工件表面質(zhì)量特性好,加工精度和加工效率高,加工應(yīng)用范圍廣,經(jīng)濟(jì)性好。4.超精密研磨與拋光(1)超精密研磨上一頁下一頁返回3.3

超精密加工超精密研磨是一種加工精度達(dá)0.1μm以下、表面粗糙度達(dá)Ra0.02μm以下的研磨方法。超精密研磨包括機(jī)械研磨、化學(xué)機(jī)械研磨、浮動研磨、彈性發(fā)射加工以及磁力研磨等加工方法。(2)拋光拋光是利用機(jī)械、化學(xué)或電化學(xué)作用,使工件獲得光亮、平整表面的加工方法。拋光的主要工具用品有軟輪和磨膏等。軟輪用皮革、毛氈、帆布等材料疊制而成,具有一定的彈性,以便拋光時能按工件形狀而變形,增加拋光面積或加工曲面。磨膏由磨料和油脂(包括硬脂酸、煤油、石蠟等)配置而成。上一頁下一頁返回3.3

超精密加工磨料的種類由工件材料決定,如:鋼制零件拋光可選用氧化鐵粉及剛玉;鑄鐵件拋光可選用氧化鐵粉及碳化硅粉;有色合金拋光宜選用氧化鉻及金剛砂。拋光一般安排在工件精加工之后,拋光后的工件,粗糙度Ra值可達(dá)0.1~0.012μm,并能明顯增加光亮度,但不能保持原有的精度。拋光可在拋光機(jī)或砂帶磨床上進(jìn)行。上一頁返回3.4

微細(xì)/納米加工技術(shù)3.4.1微細(xì)/納米加工技術(shù)概述科學(xué)技術(shù)向微小領(lǐng)域發(fā)展,由毫米級、微米級繼而涉足納米級,人們把這個領(lǐng)域的技術(shù)稱之為微米/納米技術(shù)(Micro/NanoScienceandTechnology)。當(dāng)前,微米/納米技術(shù)以本身形狀尺寸微小或操作尺度極小為特征的微機(jī)械已成為人們在微觀領(lǐng)域認(rèn)識和改造客觀世界的一種高新技術(shù),而且使人類在改造自然方面進(jìn)入一個新的層次,即以微米層次深入到原子、分子級的納米層次,其作為20世紀(jì)出現(xiàn)的高技術(shù),發(fā)展十分迅猛,并由此開創(chuàng)了納米電子、納米材料、納米生物、納米機(jī)械、納米制造、納米測量等新的高技術(shù)群.3.4.2微細(xì)加工技術(shù)1.微機(jī)械概念及應(yīng)用下一頁返回3.4

微細(xì)/納米加工技術(shù)微機(jī)械是20世紀(jì)80年代末出現(xiàn)的一門嶄新的學(xué)科,被譽(yù)為21世紀(jì)最具代表性的技術(shù)之一。微型機(jī)械加工或稱微型機(jī)電系統(tǒng)或微型系統(tǒng)是指可以批量制作的,集微型機(jī)構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號處理和控制電路、甚至外圍接口、通信電路和電源等于一體的微型器件或系統(tǒng)。2.微機(jī)械主要特點(diǎn)(1)體積小、精度高、重量輕微機(jī)械的體積可達(dá)亞微米以下,尺寸精度可達(dá)納米級,重量可至納克級,通過微細(xì)加工已經(jīng)制出了直徑細(xì)如發(fā)絲的齒輪、3mm大小且能開動的汽車和花生米大小的飛機(jī)。(2)性能穩(wěn)定,可靠性高微機(jī)械的體積小,幾乎不受熱膨脹、噪聲、撓曲等因素影響,其具有較高的抗干擾性,可在較差的環(huán)境下進(jìn)行穩(wěn)定的工作。上一頁下一頁返回3.4

微細(xì)/納米加工技術(shù)(3)能耗低、靈敏度和工作效率高(4)多功能和智能化微機(jī)械集傳感器、執(zhí)行器、信號處理和電子控制電路為一體,易于實(shí)現(xiàn)多功能化和智能化。(5)適用于大批量生產(chǎn),制造成本低微機(jī)械采用和半導(dǎo)體制造工藝類似的方法生產(chǎn),可以像超大規(guī)模集成電路芯片一樣一次制成大量的完全相同的部件,故制造成本大大降低。3.微細(xì)加工方法微細(xì)加工起源于半導(dǎo)體制造工藝,因此,硅微細(xì)加工仍在微細(xì)加工中占有重要的位置,其加工方式十分豐富,主要包含了微細(xì)機(jī)械加工、各種現(xiàn)代特種加工、高能束加工等方式,而微機(jī)械制造過程又往往是多種加工方式的組合。目前,微細(xì)加工常用的有以下幾種加工方法。上一頁下一頁返回3.4

微細(xì)/納米加工技術(shù)(1)超微機(jī)械加工超微機(jī)械加工是指用精密金屬切削和電火花、線切割等加工方法,制作毫米級尺寸以下的微機(jī)械零件,是一種三維實(shí)體加工技術(shù),多為單件加工和單件裝配,費(fèi)用較高。微細(xì)切削加工適合所有金屬、塑料及工程陶瓷材料,主要切削方式有車削、銑削、鉆削等。(2)光刻加工半導(dǎo)體加工技術(shù)的核心是光刻,又稱光刻蝕加工或刻蝕加工,簡稱刻蝕。1958年左右,光刻技術(shù)在半導(dǎo)體器件制造中首次得到成功應(yīng)用,研制成平面型晶體管,從而推動了集成電路的飛速發(fā)展。數(shù)十年以來,集成技術(shù)不斷微型化,其中光刻技術(shù)發(fā)揮了重要作用。目前可以實(shí)現(xiàn)小于lμm線寬的加工,集成度大大提高,已經(jīng)能制成包含百萬個甚至千萬個元、器件的集成電路芯片。上一頁下一頁返回3.4

微細(xì)/納米加工技術(shù)光刻加工過程可分為兩個階段:第一階段為原版制作,生成工作原板或工作掩膜,為光刻時的模板;第二階段為光刻。光刻的基本過程如下,如圖3.26所示。LIGA是德文的平版印刷術(shù)(Lithographie)、電鑄成形(Galvanoformung)和注塑(Abformung)的縮寫。該工藝是在20世紀(jì)80年代初,由德國卡爾斯魯厄核原子能研究中心為提取鈾-235研制微型噴嘴結(jié)構(gòu)的過程中產(chǎn)生的。事實(shí)上,在此之前的半導(dǎo)體加工技術(shù),除結(jié)晶異向性刻蝕外,基本上屬于表面加工技術(shù),即所制作的機(jī)械結(jié)構(gòu)是二維的。為得到三維的立體結(jié)構(gòu),則主要依靠于高、深、寬比刻蝕工藝以及低溫融接技術(shù)等。LIGA技術(shù)是一種基于X射線光刻技術(shù)的MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))加工技術(shù),主要包括X光深度同步輻射光刻、電鑄制模和注模復(fù)制三個工藝步驟。如圖3.27所示,LIGA制作零件的過程如下:上一頁下一頁返回3.4

微細(xì)/納米加工技術(shù)4.微細(xì)加工技術(shù)的發(fā)展與趨勢微型機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展剛剛經(jīng)歷了十幾年,其在加工技術(shù)不斷發(fā)展的同時發(fā)展了一批微小器件和系統(tǒng),顯示了其巨大生命力。作為大批量生產(chǎn)的微型機(jī)械產(chǎn)品,其以價格低廉和優(yōu)良性能贏得市場,在生物工程、化學(xué)、微分析、光學(xué)、國防、航天、工業(yè)控制、醫(yī)療、通信及信息處理、農(nóng)業(yè)和家庭服務(wù)等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用前景。當(dāng)前,作為大批量生產(chǎn)的微型機(jī)械產(chǎn)品,如微型壓力傳感器、微細(xì)加速度計(jì)和噴墨打印頭已經(jīng)占領(lǐng)了巨大市場。目前市場上以流體調(diào)節(jié)與控制的微機(jī)電系統(tǒng)為主,其次為壓力傳感器和慣性傳感器,一些令人矚目的微系統(tǒng)已引起人們的廣泛關(guān)注,各種微型元件被開發(fā)出來并顯示出現(xiàn)實(shí)和潛在的價值,微細(xì)加工技術(shù)已被認(rèn)為是微機(jī)械發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。從目前來看,微細(xì)加工技術(shù)總的發(fā)展趨勢如下。上一頁下一頁返回3.4

微細(xì)/納米加工技術(shù)3.4.3納米加工技術(shù)納米技術(shù)是一門在0.1~100nm的尺度空間內(nèi)研究電子、原子和分子等的結(jié)構(gòu)特性、運(yùn)動規(guī)律和相互作用的嶄新學(xué)科,它是現(xiàn)代物理(介觀物理、量子力學(xué)、混濁物理)和先進(jìn)技術(shù)(微電子、計(jì)算機(jī)、掃描隧道顯微技術(shù))相結(jié)合的產(chǎn)物,并由此派生出的一系列高新科學(xué)技術(shù)。它是在20世紀(jì)80年代末20世紀(jì)90年代初逐步發(fā)展起來的。1.納米材料的種類納米材料是指顯微結(jié)構(gòu)中的物相具有納米級尺度的材料。它包含了三個層次,即納米微粒、納米固體和納米組裝體系。納米材料按其材料的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)和性能可有不同的分類方法。(1)納米微粒上一頁下一頁返回3.4

微細(xì)/納米加工技術(shù)納米微粒是指線度處于1~100nm的粒子的聚合體,它是處于該幾何尺寸的各種粒子聚合體的總稱。納米微粒的形態(tài)并不限于球形,還有片形、棒狀、針狀、星狀和網(wǎng)狀等。一般認(rèn)為,微觀粒子聚合體的線度小于1nm時,稱為簇,而通常所說的微粉的線度在微米級。納米微粒的線度恰好處于這兩者之間,故又被稱作超微粒。(2)納米固體納米固體是由納米微粒聚集而成的凝聚體。從幾何形態(tài)的角度可將納米固體劃分為納米塊狀材料、納米薄膜材料和納米纖維材料。這幾種形態(tài)的納米固體又稱作納米結(jié)構(gòu)材料。(3)納米組裝體系上一頁下一頁返回3.4

微細(xì)/納米加工技術(shù)2.納米材料的基本效應(yīng)(1)小尺寸效應(yīng)當(dāng)微粒分割到達(dá)一定程度時,在一定的條件下會引起微粒性質(zhì)的質(zhì)變。由于微粒尺寸變小所引起的宏觀物理性質(zhì)的變化稱為小尺寸效應(yīng)。納米微粒尺寸小,表面積大,在熔點(diǎn)、磁性、熱阻、電學(xué)性能、光學(xué)性能、化學(xué)活性和催化性等方面都發(fā)生了變化,產(chǎn)生一系列奇特的性質(zhì)。例如,金屬納米微粒對光的吸收效果顯著增加,并產(chǎn)生吸收峰的等離子共振頻率偏移;出現(xiàn)磁有序態(tài)向磁無序、超導(dǎo)相向正常相的轉(zhuǎn)變。(2)量子效應(yīng)各種元素原子具有特定的光譜線。上一頁下一頁返回3.4

微細(xì)/納米加工技術(shù)由無數(shù)的原子構(gòu)成固體時,單獨(dú)原子的能級就并合成能帶,由于電子數(shù)目很多,能帶中能級的間距很小,因此可以將其看作是連續(xù)的,從能帶理論出發(fā)成功地解釋了大塊金屬、半導(dǎo)體、絕緣體之間的聯(lián)系與區(qū)別,對介于原子、分子與大塊固體之間的超微粒而言,大塊材料中連續(xù)的能帶將分裂為分立的能級;能級間的間距隨微粒尺寸減小而增大。3.納米級加工精度作為一種加工方法,納米級加工同樣存在精度的表征問題,通常包括納米級尺寸精度、納米級幾何形狀精度和納米級表面質(zhì)量。(2)納米級幾何形狀精度納米級幾何形狀精度在精密加工中經(jīng)常遇到。如精密軸和孔的圓度和圓柱度;精密球(如陀螺球、計(jì)量用標(biāo)準(zhǔn)球)的圓度;制造集成電路用的單晶硅基片的平面度;光學(xué)、激光、X射線的透鏡和反射鏡、要求非常高的平面度或是要求非常嚴(yán)格的曲面形狀等。這些精密零件的幾何形狀直接影響它的工作性能和工作效果。上一頁下一頁返回3.4

微細(xì)/納米加工技術(shù)(3)納米級表面質(zhì)量試件的表面質(zhì)量不僅僅指它的表面粗糙度,而且包含其表層的物理狀態(tài)。高精度反射鏡的表面粗糙度、變質(zhì)層會影響其反射效率。微型機(jī)械和超微型機(jī)械的零件對其表面質(zhì)量亦有極其嚴(yán)格的要求。4.納米級加工的物理實(shí)質(zhì)納米級加工中試件表面的一個個原子或分子成為直接的加工對象,因此,納米級加工的物理實(shí)質(zhì)就是要切斷原子間的結(jié)合,實(shí)現(xiàn)原子或分子的去除。由于原子間的距離為0.1~0.3nm,實(shí)際上納米級加工已達(dá)到了加工精度的極限。5.基于掃描探針顯微鏡(SPM)的納米加工技術(shù)上一頁下一頁返回3.4

微細(xì)/納米加工技術(shù)納米加工技術(shù)的發(fā)展有兩大途徑:一方面是將傳統(tǒng)的超精加工技術(shù),如機(jī)械加工(單點(diǎn)金剛石和CBN刀具切削、磨削、拋光)、電化學(xué)加工(ECM)、電火花加工(EDM)、離子和等離子體蝕刻、分子束外延(MBE)、物理和化學(xué)氣相沉積、激光束加工、LIGA技術(shù)等向其極限精度逼近,使其具有納米的加工能力。另一方面是開拓新效應(yīng)的加工方法,如基于掃描探針顯微鏡(SPM)的納米加工技術(shù)。上一頁返回3.5

超高速加工技術(shù)3.5.1超高速加工的概念和內(nèi)涵超高速加工技術(shù)是指采用超硬材料刀具和磨具,利用高速、高精度、高自動化和高柔性的制造設(shè)備提高切削速度來達(dá)到提高材料切除率、加工精度和加工質(zhì)量的先進(jìn)制造加工技術(shù),目前世界各國尚未對超高速切削速度范圍有統(tǒng)一的認(rèn)識,但通常把切削速度比常規(guī)高出5~10倍以上的切削加工稱為超高速切削。德國切削物理學(xué)家薩洛蒙(CarlSalomon)博士于1931年提出的著名切削理論認(rèn)為:一定的工件材料對應(yīng)有一個臨界切削速度,在該切削速度下其切削溫度最高。下一頁返回3.5

超高速加工技術(shù)圖3.28所示為“薩洛蒙曲線”,在常規(guī)切削速度范圍內(nèi)(見圖3.28中A區(qū)),切削溫度隨著切削速度的增大而提高。在切削速度達(dá)到臨界切削速度后,隨著切削速度的增大切削溫度反而下降。薩洛蒙的切削理論給了人們一個重要的啟示:如果切削速度能超越切削“死谷”(見圖3.28中B區(qū))在超高速區(qū)內(nèi)(見圖3.28中C區(qū))進(jìn)行切削,則有可能用現(xiàn)有的刀具進(jìn)行高速切削,從而大大減少切削工時,成倍地提高機(jī)床的生產(chǎn)率。3.5.2超高速加工技術(shù)的特點(diǎn)超高速加工不僅能大幅度縮短加工時間、提高加工效率和降低加工成本,而且可以使零件的表面加工質(zhì)量和加工精度達(dá)到更高的水平。(1)可減少工序、提高生產(chǎn)效率上一頁下一頁返回3.5

超高速加工技術(shù)許多零件在常規(guī)加工時需要分粗加工、半精加工和精加工工序,有時零件在進(jìn)行機(jī)械加工后還需進(jìn)行費(fèi)時、費(fèi)力的手工研磨,而使用高速切削可使工件加工集中在一道工序中完成,這種粗、精加工同時完成的綜合加工技術(shù),叫做“一次過”技術(shù)?！耙淮芜^”技術(shù)可使機(jī)動時間和輔助時間大幅度減少,而且機(jī)床結(jié)構(gòu)也大大簡化,其零件的數(shù)量減少了25%,有利于設(shè)備的維護(hù)。。(2)切削力低、熱變形小加工速度提高,可使切削力減少30%以上,而且可使加工變形減小,切削熱來不及傳給工件,因而工件基本保持冷態(tài),熱變形小,有利于加工精度的提高,刀具耐用度也能提高70%。如大型的框架件、薄板件、薄壁槽形件的高精度、高效率加工,超高速銑削則是目前唯一有效的加工方法。(3)加工能耗低,節(jié)省制造資源上一頁下一頁返回3.5

超高速加工技術(shù)3.5.3超高速切削的關(guān)鍵技術(shù)隨著近幾年超高速切削技術(shù)的迅速發(fā)展,各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)也正在不斷地躍上新水平,包括高速主軸、快速進(jìn)給系統(tǒng)、高性能CNC控制系統(tǒng)、先進(jìn)的機(jī)床結(jié)構(gòu)和高速加工刀具等。(1)高速主軸高速主軸單元是高速加工機(jī)床最關(guān)鍵的部件。目前高速主軸的轉(zhuǎn)速范圍為10000~25000r/min,加工進(jìn)給速度在10m/min以上。在超高速運(yùn)轉(zhuǎn)的條件下,傳統(tǒng)的齒輪變速和皮帶傳動方式已不能適應(yīng)要求,為適應(yīng)這種切削加工,高速主軸應(yīng)具有先進(jìn)的主軸結(jié)構(gòu)、優(yōu)良的主軸軸承、良好的潤滑和散熱系統(tǒng)等。上一頁下一頁返回3.5

超高速加工技術(shù)(2)快速進(jìn)給系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高速切削加工不僅要求有很高的主軸轉(zhuǎn)速和功率,同時要求機(jī)床工作臺有很高的進(jìn)給速度和運(yùn)動加速度。超高速切削進(jìn)給系統(tǒng)是超高速加工機(jī)床的重要組成部分,是評價超高速機(jī)床性能的重要指標(biāo)之一。在20世紀(jì)90年代,工作臺的快速進(jìn)給多采用大導(dǎo)程滾珠絲杠和增加進(jìn)給伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn),其加速度可達(dá)0.6g;在采用先進(jìn)的液壓絲杠軸承優(yōu)化系統(tǒng)的剛度與阻尼特性后,其進(jìn)給速度可達(dá)到40~60m/min。由于工作臺的慣性以及受滾珠絲杠本身結(jié)構(gòu)的限制,若要進(jìn)一步提高進(jìn)給速度,則非常困難。然而,更先進(jìn)、更高速的直線電動機(jī)已經(jīng)發(fā)展起來,它可以取代滾珠絲杠傳動,提供更高的進(jìn)給速度和更好的加、減速特性。國、內(nèi)外機(jī)床專家和許多機(jī)床廠家普遍認(rèn)為:直線電動機(jī)直接驅(qū)動是新一代機(jī)床的基本傳動形式。上一頁下一頁返回3.5

超高速加工技術(shù)(3)高性能的CNC控制系統(tǒng)用于高速加工的CNC控制系統(tǒng)必須具有很高的運(yùn)算速度和運(yùn)算精度以及快速響應(yīng)的伺服控制,以滿足高速及復(fù)雜型腔的加工要求。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,許多高速切削機(jī)床的CNC控制系統(tǒng)采用多個32位甚至64位CPU,同時配置功能強(qiáng)大的計(jì)算處理軟件,使工件加工質(zhì)量在高速切削時得到明顯改善。相應(yīng)地,伺服系統(tǒng)則發(fā)展為數(shù)字化、智能化和軟件化,從而保證了高進(jìn)給速度加工的要求。(4)先進(jìn)的機(jī)床結(jié)構(gòu)為了適應(yīng)粗、精加工,輕重切削負(fù)荷和快速移動的要求,同時保證高精度和高速切削,機(jī)床床身必須具有足夠的剛度、強(qiáng)度和高的阻尼特性及熱穩(wěn)定性,其措施有:改革床身結(jié)構(gòu),如Gidding&Lewis公司在其RAM高速加工中心上將立柱與底座合為一個整體,使機(jī)床整體剛性得以提高;使用高阻尼特性材料,如聚合物混凝土;日本牧野高速機(jī)床的主軸油溫與機(jī)床床身的溫度通過傳感控制保持一致,協(xié)調(diào)了主軸與床身的熱變形。上一頁下一頁返回3.5

超高速加工技術(shù)(5)高速切削的刀具系統(tǒng)與普通切削相比,高速切削時刀具與工件的接觸時間減少,接觸頻率增加,切削過程所產(chǎn)生的熱量更多地向刀具傳遞,刀具磨損機(jī)理與普通切削有很大區(qū)別。3.5.4超高速加工技術(shù)的應(yīng)用超高速切削目前主要用于飛機(jī)、汽車及模具工業(yè)。飛機(jī)制造工業(yè)中的輕合金零件特別適合采用超高速切削。(1)航空、航天工業(yè)航空工業(yè)是高速加工的主要應(yīng)用行業(yè),飛機(jī)制造業(yè)是最早采用高速銑削的行業(yè)。飛機(jī)制造通常需切削加工長鋁合金零件、薄層腹板件等,直接采用毛坯高速切削加工,可不再采用鉚接工藝,從而降低了飛機(jī)重量。上一頁下一頁返回3.5

超高速加工技術(shù)(2)汽車工業(yè)汽車工業(yè)是高速切削的又一應(yīng)用領(lǐng)域,可以應(yīng)用于氣缸體、氣缸蓋、差速器殼、連桿、變速箱殼、轉(zhuǎn)向節(jié)及其他多種零件的生產(chǎn)流水線。如氣缸蓋的氣門數(shù)目及參數(shù)經(jīng)常變化,現(xiàn)一律用高速加工中心來加工。由柔性生產(chǎn)線代替了組合機(jī)床剛性生產(chǎn)線,高速的加工中心將柔性生產(chǎn)線的效率提高到組合機(jī)床生產(chǎn)線的水平。鑄鐵的切削速度可達(dá)750m/min~4500m/min。(3)模具制造工業(yè)模具制造業(yè)也是高速加工應(yīng)用的重要領(lǐng)域。模具型腔加工過去一直被電加工所壟斷,但其加工效率低。上一頁下一頁返回3.5

超高速加工技術(shù)而高速加工切削力小,可銑淬硬度為60HRC的模具鋼,加工表面粗糙度值很小,淺腔大曲率半徑的模具完全可用高速銑削來代替電加工;對深腔小曲率的模具鋼,可用高速銑削加工作為粗加工和半精加工,電加工只作為精加工。鋼的切削速度可達(dá)600~800m/min。高速加工技術(shù)在模具行業(yè)的應(yīng)用,無論是在減少加工準(zhǔn)備時間、縮短工藝流程方面,還是在縮短切削加工時間方面都具有極大的優(yōu)勢。隨著高速加工技術(shù)的成熟和發(fā)展,其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)M(jìn)一步擴(kuò)大。上一頁返回3.6

快速原型制造技術(shù)3.6.1快速原型技術(shù)的原理和特點(diǎn)快速原型制造技術(shù)(RapidPrototypingManufacturing)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)及激光加工技術(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)。1.快速原型技術(shù)的原理傳統(tǒng)的零件加工過程是先制造毛坯,然后經(jīng)切削加工,從毛坯上去除多余的材料得到零件的形狀和尺寸,這種方法統(tǒng)稱為材料去除制造。下一頁返回3.6

快速原型制造技術(shù)快速原型技術(shù)不同于傳統(tǒng)的在型腔內(nèi)成形毛坯切削加工后獲得零件的方法,其是在計(jì)算機(jī)控制下,基于離散/堆積原理采用不同方法堆積材料最終完成零件的成形與制造的技術(shù)。從成形角度看,零件可視為“點(diǎn)”或“面”的疊加而成。從CAD電子模型中離散得到點(diǎn)、面的幾何信息,再與成形工藝參數(shù)信息結(jié)合,控制材料有規(guī)律、精確地由點(diǎn)到面、由面到體地堆積零件。從制造角度看,它根據(jù)CAD造型生成零件三維幾何信息,控制多維系統(tǒng),通過激光束或其他方法將材料逐層堆積而形成原型件或零件,是一種全新的制造技術(shù)。其基本過程如圖3.29所示。(1)建立產(chǎn)品的三維CAD模型上一頁下一頁返回3.6

快速原型制造技術(shù)1)建立產(chǎn)品的三維CAD模型設(shè)計(jì)人員可以應(yīng)用各種三維CAD造型系統(tǒng),包括Solidworks、Solidedge、UG、Pro/E、Ideas等進(jìn)行三維實(shí)體造型,將設(shè)計(jì)人員所構(gòu)思的零件概念模型轉(zhuǎn)換為三維CAD數(shù)據(jù)模型。(2)三維模型的近似處理三維模型的近似處理是指由三維造型系統(tǒng)將零件CAD數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換成一種可被快速成形系統(tǒng)所能接受的數(shù)據(jù)文件,如STL、IGES等格式文件。目前,絕大多數(shù)快速成形系統(tǒng)采用STL格式文件,因STL文件易于進(jìn)行分層切片處理。所謂STL文件即為對三維實(shí)體內(nèi)外表面進(jìn)行離散化所形成的三角形文件,所有CAD造型系統(tǒng)均具有對三維實(shí)體輸出STL文件的功能。(3)三維模型的Z向離散化(即分層處理)上一頁下一頁返回3.6

快速原型制造技術(shù)(4)逐層堆積制造逐層堆積制造是指根據(jù)層片幾何信息,生成層片加工數(shù)控代碼,用以控制成形機(jī)的加工運(yùn)動。在計(jì)算機(jī)的控制下,根據(jù)生成的數(shù)控指令,RPM系統(tǒng)中的成形頭(如激光掃描頭或噴頭)在X-Y平面內(nèi)按截面輪廓進(jìn)行掃描,固化液態(tài)樹脂(或切割紙、燒結(jié)粉末材料、噴射熱熔材料),從而堆積出當(dāng)前的一個層片,并將當(dāng)前層與已加工好的零件部分黏合。然后成形機(jī)工作臺面下降一個層厚的距離,再堆積新的一層。如此反復(fù)進(jìn)行直到整個零件加工完畢。(5)后處理對完成的原型件進(jìn)行處理,如深度固化、去除支撐、修磨、著色等,使之達(dá)到要求。2.快速原型技術(shù)的特點(diǎn)上一頁下一頁返回3.6

快速原型制造技術(shù)(1)高度柔性在不需要任何刀具、模具及工裝卡具的情況下,可將任意復(fù)雜形狀的設(shè)計(jì)方案快速轉(zhuǎn)