《機械制造工藝基礎(chǔ)（第八版）》 課件 第十二章 先進制造工藝技術(shù)

§12-3增材制造技術(shù)31§12-1超精密加工技術(shù)2§12-2高速加工技術(shù)§12-1超精密加工技術(shù)一、概述1.超精密加工的內(nèi)涵2.超精密加工所涉及的技術(shù)范圍（1）超精密加工機理超精密加工是從被加工表面去除一層微量的表面層，包括超精密切削、超精密磨削和超精密特種加工（2）超精密加工刀具、磨具及其制備技術(shù)包括金剛石刀具的制備與刃磨、超硬砂輪的修整（3）超精密加工機床設(shè)備超精密加工對機床設(shè)備有高精度、高剛度、高抗振性、高穩(wěn)定性和高自動化的要求，且應(yīng)具有微量進給機構(gòu)（4）精密測量及補償技術(shù)超精密加工必須有相應(yīng)級別的測量技術(shù)和測量裝置，具有在線測量和誤差補償功能（5）嚴(yán)格的工作環(huán)境

超精密加工必須具備各種物料效應(yīng)恒定的工作環(huán)境，如恒溫、凈化、防振和隔振二、超精密切削加工采用金剛石刀具進行超精密車削，適用于銅、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的精密切削加工（4）耐磨性能好，切削刃強度高。刀具磨損極慢，刀具壽命極高（2）能磨出極其鋒利的刃口，且切削刃沒有缺口、崩刃等現(xiàn)象（3）熱化學(xué)性能優(yōu)越、導(dǎo)熱性能好，與有色金屬間的摩擦因數(shù)低、親和力小金剛石刀具的性能特征（1）具有極高的硬度，硬度達到6000～10000HV三、超精密磨削加工超精密磨削加工是加工精度達到或高于0.1μm、表面粗糙度值小于Ra0.025μm的一種亞微米級的加工方法，并正在向納米級發(fā)展。超精密磨削的關(guān)鍵在于砂輪的選擇、砂輪的修整和高精度的磨削機床。2．超精密磨削砂輪的修整修形：使砂輪達到一定精度要求的幾何形狀修銳：去除磨粒間的結(jié)合劑,使磨粒突出結(jié)合劑一定的高度,形成足夠的切削刃和容屑空間1．超精密磨削砂輪砂輪材料多為金剛石和立方氮化硼（CBN）磨料。CBN磨料比金剛石磨料的熱穩(wěn)定性好、化學(xué)惰性強，其熱穩(wěn)定性可達1250～1350℃，而金剛石磨料只有700～800℃。3．磨削速度和磨削液金剛石砂輪的磨削速度為12～30m/s，熱穩(wěn)定性為700～800℃立方氮化硼砂輪的磨削速度可達80～100m/s磨削液除了具有潤滑、冷卻、清洗功能之外，還具有滲透性、防銹、提高切削性等功能金剛石砂輪磨削硬質(zhì)合金時，普遍采用煤油；CBN砂輪磨削時宜采用油性液四、超精密加工機床與設(shè)備1．精密主軸部件超精密加工機床的主軸要求達到極高的回轉(zhuǎn)精度，其關(guān)鍵在于所用的精密軸承。超精密機床主軸采用液體靜壓軸承和空氣靜壓軸承2．床身和精密導(dǎo)軌床身采用人造花崗巖導(dǎo)軌：液體靜壓導(dǎo)軌

氣浮導(dǎo)軌

空氣靜壓導(dǎo)軌靜壓空氣

移動工作臺

底座空氣靜壓導(dǎo)軌的整個導(dǎo)軌在上下、左右靜壓空氣的約束下懸浮起來，基本沒有摩擦力，具有較好的剛度和運動精度3．微量進給裝置

微量進給裝置有機械式、液壓傳動式、彈性變形式、壓電陶瓷壓電陶瓷器件在預(yù)壓應(yīng)力狀態(tài)下與彈性載體刀夾和后墊塊粘結(jié)安裝，在電壓作用下陶瓷伸長，實現(xiàn)刀夾微量進給運動彈性載體刀夾

機座壓電陶瓷器件

后墊塊電感測頭彈性支承壓電陶瓷微量進給裝置五、超精密加工支持環(huán)境1．凈化的空氣環(huán)境必須對周圍空氣環(huán)境進行凈化處理2．恒定的溫度環(huán)境恒溫基數(shù)：空氣的平均溫度，我國規(guī)定為20℃恒溫精度：相對平均溫度所允許的偏差值3．較好的抗振動干擾環(huán)境振動使加工和被加工物體間產(chǎn)生多余的相對運動§12-2高速加工技術(shù)一、高速加工的概念德國薩洛蒙高速切削理論: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。隨著切削速度的增加，切削溫度也不斷升高，當(dāng)切削速度達到臨界速度之后，切削溫度將不再繼續(xù)升高，反而隨著切削速度的增加而下降1．切削力低高速切削速度高，材料切削變形區(qū)內(nèi)的剪切角增大，切屑流出速度加快，致使切削變形減小2．熱變形小切削時90%以上的切削熱來不及傳給工件就被高速流出的切屑帶走，工件溫度上升一般不超過3℃3．材料切除率高高速切削單位時間內(nèi)的材料切除率可提高3～5倍4．提高加工質(zhì)量加工過程平穩(wěn)，切削振動小，可實現(xiàn)高精度、低表面粗糙度的高質(zhì)量加工5．簡化工藝流程

可直接加工淬硬材料，很多情況下可完全省去電火花加工和人工打磨等光整加工工序二、高速切削加工的關(guān)鍵技術(shù)1．高速主軸單元高速切削機床主軸轉(zhuǎn)速通常高于10000r/min“電主軸”單元：重量輕、振動小、噪聲低、結(jié)構(gòu)緊湊2．快速進給系統(tǒng)直線電動機直接驅(qū)動進給系統(tǒng)的進給速度可達到160m/min，定位精度達0.5～0.05μm3．先進的機床結(jié)構(gòu)

高速切削機床多采用龍門式立柱型對稱結(jié)構(gòu)及箱中箱結(jié)構(gòu)

不少高速切削機床床身采用聚合物混凝土等高阻尼特性材料；有些高速機床通過傳感控制使主軸油溫與機床床身的溫度保持一致4．高速切削刀具高速切削通常采用的刀具有：硬質(zhì)合金涂層刀具、陶瓷刀具、聚晶金剛石刀具、立方氮化硼刀具5．高性能CNC控制系統(tǒng)

采用64位CPU系統(tǒng)，配置功能強大的計算處理軟件，具有加速預(yù)插補、前饋控制、精確適量補償和最佳拐角減速控制等功能。有極高的運動軌跡控制精度，及優(yōu)異的動力學(xué)特征§12-3增材制造技術(shù)一、增材制造技術(shù)的基本原理增材制造技術(shù)工藝過程1．建立三維實體模型

用三維CAD軟件將設(shè)計對象構(gòu)建成三維模型；或通過三坐標(biāo)測量儀、激光掃描儀、三維實體影像等手段對三維實體進行反求，獲取實體的三維數(shù)據(jù)，以此建立實體的CAD模型2．生成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換文件將所建立的CAD三維實體數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換為能夠被增材制造系統(tǒng)所接受的數(shù)據(jù)格式文件，如STL、IGES3．分層切片

將CAD三維實體模型沿給定的方向切成一個個二維薄層片。薄片厚度越小，精度越高4．逐層堆積成形根據(jù)切片的輪廓和厚度要求，用粉材、絲材、片材等完成每一切片成形，通過一片片堆積，最終完成三維實體的成形制造5．成形實體的后處理去除不必要的支撐結(jié)構(gòu)或粉末材料，根據(jù)要求進行固化、修補、打磨、表面強化以及涂覆二、增材制造方法1.光固化（SLA）成形采用紫外線逐層掃描液態(tài)光敏聚合物（如丙烯酸樹脂、環(huán)氧樹脂等），使液態(tài)材料固化并逐漸堆積成形。2.分層實體（LOM）成形在薄片材料（如紙、金屬箔、塑料薄膜等）表面涂覆熱溶膠，根據(jù)每層截面形狀進行切割粘貼，實現(xiàn)零件的立體成形。3.選區(qū)激光燒結(jié)（SLS）成形根據(jù)零件模型分層截面信息，采用激光器在計算機控制下對預(yù)熱的粉末進行有選擇的燒結(jié)，將全部分層逐層燒結(jié)完后，去掉多余的粉末，即獲得成形的零件。4.熔融沉積（FDM）成形將材料加熱到熔融狀態(tài)后，從細小的噴嘴中擠出并沉積在平面上實現(xiàn)成形。5.金屬零件激光熔融沉積（LDMD）成形以激光束為熱源，通過自動送粉裝置將金屬粉末同步、精確地送入激光在成形表面上所形成的熔池中。隨著激光斑點的移動，粉末不斷地送入熔池中熔化然后凝固，最終得到所需要的形狀。6.激光選區(qū)熔化（SLM）成形SLM是一種基于粉末床的鋪粉成形技術(shù)，它是以金屬粉末為成形材料，在真空環(huán)境下以激光為熱源，將零件CAD模型分層進行切片，由計算機控制掃描振鏡帶動激光束沿分層切片的圖形軌跡運動，掃描選定區(qū)域內(nèi)預(yù)鋪好的金屬粉末層，使其熔化并沉積出與切片厚度一致、形狀為零件所在分層橫截面的金屬薄層，逐層進行該過程直到零件全部成形7.電子束選區(qū)熔化（EBM）成形EBM技術(shù)的成形室必須為高真空，才能保證設(shè)備正常工作。EBM是以電子束為熱源，金屬材料對其幾乎沒有反射，能量吸收率大幅度提高。在真空環(huán)境下，熔化后材料的潤濕性大大增強，增加了熔池之間、層與層之間的冶金結(jié)合強度。8.電子束熔絲沉積（EBF）成形在真空環(huán)境中，以電子束為熱源，以金屬絲材為成形材料，通過送絲裝置將金屬絲送入熔池并按設(shè)定軌跡運動，直到成形出目標(biāo)零件或毛坯二、增材制造技術(shù)的應(yīng)用1．在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用利用3D打印不僅打印出了飛機、導(dǎo)彈、衛(wèi)星、載人飛船的零部件，還打印出了發(fā)動機、無人機、微衛(wèi)星整機3D