先进制造工艺与装备

第三章先进制造工艺与装备3.1先进成型技术3.1.1精密铸造成型技术优点：1）铸件尺寸精确，少切削或无切削。2）铸件内部质量好，力学性能高。3）降低金属消耗与废品率4）简化工序，实现机械化、自动化。5）改善劳动条件，提高劳动生产率。1.熔模铸造熔模铸造又称失蜡法精密铸造，是一种少切削或无切削的精密铸造工艺，是精密铸造行业中的一项优异的工艺技术，其应用非常广泛。所谓熔模精密铸造工艺，简单说就是用易熔材料（例如蜡料或塑料）制成可熔性模型（简称熔模或模型），在其上涂覆若干层特制的耐火涂料，经过干燥和硬化形成一个整体型壳后，再用蒸汽或热水从型壳中熔掉模型，然后把型壳置于砂箱中，在其四周填充干砂造型，最后将铸型放入焙烧炉中经过高温焙烧（如采用高强度型壳时，可不必造型而将脱模后的型壳直接焙烧），铸型或型壳经焙烧后，于其中浇注熔融金属而得到铸件。主要特点：铸件尺寸精度较高铸造复杂的铸件。如喷气式发动机的叶片，其流线型外廓与冷却用内腔，用机械加工工艺几乎无法形成。合金不受限制，特别可以精密铸造高温合金铸件。2.压力铸造压力铸造（简称压铸）的实质是在高压作用下，使液态或半液态金属以较高的速度充填压铸型型腔，并在压力下成型和凝固而获得铸件的方法。高压、高速是压力铸造的重要特征。压铸有以下三方面优点：1.产品质量好铸件尺寸精度高；表面光洁度好；强度和硬度较高，强度一般比砂型铸造提高25~30％，但延伸率降低约70％；尺寸稳定，互换性好；可压铸薄壁复杂的铸件。例如，当前锌合金压铸件最小壁厚可达0.3mm；铝合金铸件可达0.5mm；最小铸出孔径为0.7mm；最小螺距为0.75mm。2.生产效率高机器生产率高，例如国产JⅢ3型卧式冷空压铸机平均八小时可压铸600～700次；压铸型寿命长，一付压铸型，寿命可达几十万次，甚至上百万次；易实现机械化和自动化。3.经济效果优良由于压铸件尺寸精确，表面光洁等优点。一般不再进行机械加工而直接使用，或加工量很小，所以既提高了金属利用率，又减少了大量的加工设备和工时；铸件价格便宜；可以采用组合压铸以其他金属或非金属材料。既节省装配工时又节省金属。缺点1.压铸时由于液态金属充填型腔速度高，流态不稳定，故采用一般压铸法，铸件易产生气孔，不能进行热处理；2.对内凹复杂的铸件，压铸较为困难；3.高熔点合金（如铜，黑色金属），压铸型寿命较低；4.不宜小批量生产，其主要原因是压铸型制造成本高，压铸机生产效率高，小批量生产不经济。（P90轿车缸体例子）3.消失模铸造最普遍实用的方法是把涂有耐火材料涂层的模型放入砂箱，模型四周用干砂充填紧实，浇注液态金属，取代泡沫塑料模型，这种铸造工艺被称为：消失模铸造（EPC）图1消失模工艺的砂箱和浇注示意图消失模铸工艺的优点技术方面1）模型设计的自由度增大新工艺有可能进行造型设计，并完全可以从第一阶段就能在模型上增加一些附加功能。例如：柴油预热器有一个特殊功能部件，它可采用消失模铸造工艺进行制造，而不能采用传统铸造方法生产。2）免除了铸件生产中使用的砂芯3）很多铸件可以不要冒口补缩4）提高铸件精度可获得形状结构复杂，可100重复生产高精度铸件，可使铸件壁厚偏差控制在-0.15~0.15mm之间。5）在模型接合面不产生飞边6）具有减轻铸件重量约1/3的优势7）减少加工余量可以减小机加工余量，对某些零件甚至可以不加工。这就大大减少了机加工和机床投资。8）与传统空腔铸造相比，模具投资下降。9）完全消除了传统的落砂和出芯工序图2消失模模型和铸件经济方面1）可整体生产复杂铸件采用新工艺设计，分块模型可胶合组成整体模型，铸成复杂整体部件，对比原先多个铸件组合装配部件（如柴油预热器）而言，可获益1到10倍。2）减少车间人员建立消失模铸造工厂，所雇员工数量少于传统铸造工厂，因此应当考虑这一因素。3）铸造工艺灵活铸造工艺的灵活性非常重要，因为新工艺有可能同时生产在砂箱中变化放置大量类似的或不同的铸件，浇注系统也因此十分灵活。同时还改善了工作条件。图3消失模铸造车间3.1.2精密塑性成形技术1.零件轧制成形零件轧制技术是冶金轧制技术与机械锻压加工技术交叉、延伸与发展的产物。由于零件轧制技术具有高效、低耗、清洁等优点，因此其应用受到国内外的广泛重视。。与机械制造中的切削(其成形特征为连续、局部、去除成形)、锻造(其成特征为断续、整体、塑性成形)方法比较，轧制方法成形特征是连续、局部、塑性成形。零件轧制较之锻造也有其不足之处，即模具复杂、尺寸大、设备通用性差、工艺调整难度大等。因此，轧制技术适合于批量大的零件生产和专业化工厂的生产。2.零件轧制成形的优缺点(1)零件轧制的基本类型零件轧制又称回转成形，其特征是工具或工件回转，或工具与工件都回转。零件形状不同，轧制方式不同，零件轧机形式也不同见P101图3-102.汽车覆盖件成形汽车覆盖件大多是大型薄板冲压件（1）汽车覆盖件的结构特点1）总体尺寸大2）相对厚度小3）形式复杂4）轮廓内部带有局部形状把汽车覆盖件的结构组成进行分解，可以先确定各基本形状的变形特点，再把各基本形状之间的相互影响考虑进去，就能够分析出汽车覆盖件的主要变形特点，判断出各部位的成形难点，预先制定相点策。基本形状主要有直壁轴对称形状(包括变异的直壁椭圆形状)、曲面轴对称形状、圆锥体形状以及盒形形状等每种基本形状都可分解成由法兰形状、轮廓形状、侧壁形状、底部形状组成。（2）汽车覆盖件的冲压成形特点1）一次拉伸成形2）拉胀复合成形3）局部成形4）变形路径变化（3）汽车覆盖件设计的生产流程制件设计-工艺分析-计算机模拟-模具设计-制造-调试-返修。计算机模拟1）使用软件：美国的DynaForm；日本的AutoForm2）特点：a）缩短模具制造时间b）节省费用c）提高零件的质量和使用性能d）降低零件的废品率f）减少原材料浪费3.1.3快速原型制造快速原型制造——RapidPrototypeManufacturing简称RPM九十年代发展起来的一项高新技术。RPM技术是在现代CAD/CAM技术、激光技术、计算机数控技术、精密伺服驱动技术以及新材料技术的基础上集成发展起来的RPM技术在不需要任何刀具、模具及工装卡具的情况下，可将任意复杂形状的设计方案快速转换为三维的实体模型或样件，这就是RPM技术所具有的潜在的革命意义。1.RPM技术的基本原理将计算机内的三维实体模型进行分层切片得到各层截面的轮廓，计算机据此信息控制激光器（或喷嘴）有选择性地切割一层又一层的片状材料。形成一系列具有一个微小厚度的片状实体，再采用粘接、聚合、熔结、焊接或化学反应等手段使其逐层堆积成一体，制造出所设计的三维模型或样件。RPM技术的基本原理图三维CAD模型分层切片各层截面的轮廓激光器（或喷嘴）按各层截面轮廓切割、固化或烧结微小厚度的片状实体逐层堆积三维模型或样件2.快速原型制造工艺1.材料累加法（MaterialIncreaseManufacturing）2.材料去除法:三维雕刻机（MaterialIncreaseManufacturing）成型工艺加工能量（1）Laserbeam(激光束)RP（2）Lamp(光照)RP（3）Heatenergy(热能)RP（4）Mechanicalenergy(机械能)RP1.光固化成型工艺(SLA—StereolithographyApparatus)2.分层实体制造工艺(LOM—LaminatedObjectManufacturing)3.选择性激光烧结工艺(SLS—SelectedLaserSintering)4.熔融沉积造型工艺(FDM—FusedDepositionModeling)5.三维打印工艺（2DP—Three-dimensionalprinting）3.快速原型制造特点1.结合CAD/CAM技术、激光技术、计算机数控技术、精密伺服驱动技术以及新材料技术，真正意义上的数字化制造。2.可将任意复杂形状的设计方案快速转换为三维的实体模型或样件3.CAD直接驱动，快速、准确、以及制造复杂模型。4.不需要任何刀具，模具及工装卡具的情况下，直接制造，方便快捷。5.原材料的种类繁多；提高了新产品开发的一次成功率，缩短了开发周期，降低了研发成本。4.快速原型应用领域1.工业造型、模具、家电、电子仪表、轻工、塑料、玩具、航空航天、军工、机械、汽车、摩托车、内燃机、建筑规划及模型、科研、医疗等。2.应用体现：a）支持快速产品开发b）支持快速模具制造c）支持医用实体制造3.2先进切削技术与机床3.2.1超精密切削加工技术1．概述精密和超精密加工技术的发展，直接影响到一个国家尖端技术和国防工业的发展，因此世界各国对此都极为重视，投入很大力量进行研究开发，同时实行技术保密，控制关键加工技术及设备出口。从目前机械加工的工艺水平来看，超精密加工一般指加工精度0.1µm，表面粗糙度Ra值0.025µm的加工。同时也包含加工尺寸在亚微米级的微细加工。随着航空航天、高精密仪器仪表、惯导平台、光学和激光等技术的迅速发展和多领域的广泛应用，对各种高精度复杂零件、光学零件、高精度平面、曲面和复杂形状的加工需求日益迫切。我国目前已是一个“制造大国”，制造业规模名列世界第四位，仅次于美国、日本和德国，近年来在精密加工技术和精密机床设备制造方面也取得了不小进展。但我国还不是一个“制造强国”，与发达国外相比仍有较大差距。我国每年虽有大量机电产品出口，但多数是技术含量较低、价格亦较便宜的中低档产品；而从国外进口的则大多是技术含量高、价格昂贵的高档产品。目前我国每年需进口大量国内尚不能生产的精密数控机床设备和仪器，例如，2003年我国进口了价值41.6亿美元的机床，而出口机床仅为3.8亿美元，且主要为低精度的普通机床。2004年我国进口机床为57.8亿美元，出口机床仅为5.2亿美元。2005年我国机床总产值约为50亿美元，出口机床为8亿美元，而进口机床则达到67亿美元。图1超精密切削加工机床示例（图为SHPERE-200超精密球面镜机床）2.超精密切削加工技术的研发现状美、英、德等国在上世纪七十年代（日本在八十年代）即开始生产超精密机床产品，并可批量供货。在大型超精密机床方面，美国的LLL国家实验室于1986年研制成功两台大型超精金刚石车床：一台为加工直径2.1m的卧式DTM-3金刚石车床，另一台为加工直径1.65m的LODTM立式大型光学金刚石车床。其中，LODTM立式大型光学金刚石车床被公认为世界上精度最高的超精密机床。美国后来又研制出大型6轴数控精密研磨机，用于大型光学反射镜的精密研磨加工。英国的Cranfield精密加工中心于1991年研制成功OAGM-2500多功能三坐标联动数控磨床（工作台面积2500mm×2500mm），可加工（磨削、车削）和测量精密自由曲面。该机床采用加工件拼合方法，还可加工出天文望远镜中直径7.5m的大型反射镜。日本的多功能和高效专用超精密机床发展较快，对日本微电子和家电工业的发展起到了很好的促进作用。我国超精密机床的发展情况在过去相当长一段时期，由于受到西方国家的禁运限制，我国进口国外超精密机床严重受限。但当1998年我国自己的数控超精密机床研制成功后，西方国家马上对我国开禁，我国现在已经进口了多台超精密机床。必须承认，在超棈密机床技术方面，我们与国外先进水平相比还有相当大的差距，国产超精密机床的质量水平尚待进一步提高。超精密加工主要影响因素（1）加工机床要求机床高精度、高刚度、高稳定性、自动化，并与加工材料相结合；例如，有色金属材料（如铜、铝合金）宜进行车削或铣削加工；黑色金属材料（如钢等）则宜选磨削与研、抛等工艺，否则得不到预期的加工效果等。（2）加工刀具刀具材料主要又金刚石、立方氮化硼、陶瓷等。例如，有色金属材料（如铜、铝合金）宜用单点金刚石刀具进行车削或铣削加工；（3）加工材料被加工工件的材质要密实；各向的同一性要好（最好为单晶）；表层硬度和弹性模量要恒定一致；可加工性要好；材料的化学成份与机械物