先进制造技术第3章先进制造工艺

1/2531第3章先进制造工艺精密洁净铸造技术精确高效金属塑性成型工艺高效焊接与切割技术优质表面改性技术超高速加工技术超精密加工技术非传统加工技术快速原形制造技术虚拟成型与加工技术2/25323.1.1概述◆定义:先进制造工艺就是机械工厂普遍能够采用，具有直接推广价值或广阔应用前景的一系列优质、高效、低耗、洁净、灵活工艺的总称.◆特点先进制造工艺技术的定义与内容先进性实用性前沿性3/2531）.先进性•先进制造工艺的先进性主要表现在优质、高效、低耗、洁净、灵活（柔性）五个方面。•优质：加工制造出的零件或整机质量高，性能好；零部件尺寸精确，表面光洁，内部组织致密，无缺陷及杂质，使用性能好；整机的结构、色彩美观宜人，使用寿命和可靠性高。•高效：生产效率及劳动生产率高，大大降低了操作者的劳动强度。•低耗：节省原材料及能源。•洁净：生产过程不污染环境，零排放或少排放。•灵活：能快速对市场变化及产品设计的更改作出反应，适应多品种柔性生产。4/2532）.实用性•先进制造工艺的实用性主要表现在两个方面:•一是应用普遍性，它是当今或不久将来机械工厂量大面广的看家工艺；•二是经济适用性，它一般投资不高，且有不同档次，宜于工厂根据本身的条件通过技术改造予以采纳。5/2533）.前沿性•先进制造工艺的前沿性主要表现在：先进制造工艺是高新技术产业化或传统工艺高新技术化的结果，它们是制造工艺研究最为活跃的前沿领域。部分先进制造工艺可能目前应用还不广泛，但是它们代表着某些发展方向，而且可望会得到越来越广泛的应用。制造自动化技术的主要形式6/253——将原材料、半成品加工成为产品的方法和过程。——成形工艺去除成形受迫成形堆积成形生成成形7/25373.1.1概述◆先进制造工艺技术的内容精密、超精密加工技术。它是指对工件表面材料进行去除，使工件的尺寸、表面性能达到产品要求所采取的技术措施。当前，纳米(nm)加工技术代表了制造技术的最高精度水平。超精加工材料由金属扩大到非金属。根据加工的尺寸精度和表面粗糙度，可大致分为三个不同的档次，如表3-1所示。表3-1精密加工的尺寸精度和表面粗糙度尺寸精度/μm表面粗糙度/μm精密加工3～0.30.3～0.03超精密加工（亚微米加工）0.3～0.030.3～0.005纳米加工＜0.03＜0.0058/25383.1.1概述精密成形制造技术。它是指工件成形后只需少量加工或无须加工就可用作零件的成形技术。它是多种高新技术与传统的毛坯成形技术融为一体的综合技术。它正在从近净成形工艺(NearNetShapeProcess)向净成形工艺(NetShapeProcess)的方向发展。特种加工技术。它是指那些不属于常规加工范畴的加工。例如，高能束流(电子束、离子束、激光束)加工、电加工(电解和电火花加工)、超声波加工、高压水射流加工以及多种能源的组合加工。表面工程技术。它是指采用物理、化学、金属学、高分子化学、电学、光学和机械学等技术及其组合，提高产品表面耐磨、耐蚀、耐热、耐辐射、抗疲劳等性能的各项技术。它主要包括热处理、表面改性、制膜和涂层等技术。先进成形技术9/2539第3章先进制造工艺AdvancedManufacturingProcess课程“先进制造技术”3.1先进成形技术AdvancedFormingingTechnology10/253特种铸造特种铸造金属型铸造离心铸造压力铸造熔模铸造低压铸造挤压铸造陶瓷型铸造11/2534－3压力铸造压力铸造是在专用设备—压铸机上进行的一种铸造。即在高速、高压下将熔融的金属液压入金属铸型，使它在压力下凝固获得铸件的方法。12/25313/253压铸工艺过程14/253压力铸造的特点及应用特点比较：(1)投入费用（压力铸造投入费用大）(2)工件质量（压力铸造工件质量高）(3)加工效率（压力铸造效率高）(4)灵活性（准备铸型的时间是一样的）(5)劳动强度和条件（压力铸造劳动强度更小，条件更好）精密塑性成型技术15/2534－4低压铸造低压铸造是采用较压力铸造低的压力（一般为0.03～0.07Mpa），将金属液从铸型的底部压入，并在压力下凝固获得铸件的方法16/253带保温炉不带保温炉1-坩埚；2-升液管；3-金属液；4-进气管；5-密封盖；6-浇道；7-型腔；8-铸型17/2534－5熔模铸造熔模铸造又名“失蜡法铸造”，是采用易熔的蜡质材料制成模型，然后用造型材料将其包覆若干层，待其干燥硬化后将蜡模熔化获得无分型面的壳型，经烘干后浇注金属液而获得铸件的铸造方法。18/253蜡模铸造工艺流程：蜡模制造结壳浇注焙烧脱模19/253脱蜡和造型20/253熔模铸造的特点及应用熔模铸造的优点：⑴铸件精度高，表面粗糙度低，质量好，又称精密铸造。⑵可铸出形状复杂的薄壁铸件。⑶铸造合金种类不受限制，钢铁及非铁合金均可适用。⑷生产批量不受限制，单件、小批、成批、大量生产均可适用。21/253熔模铸造的缺点：⑴工序复杂，生产周期长。⑵原材料价格高，铸件成本高。⑶铸件不能太大、太长，否则蜡模易变形，丧失原有精度。22/2534－6离心铸造离心铸造是将金属液浇入高速旋转（250～1500r/min）的铸型中，并在离心力作用下充型和凝固的铸造方法。其铸型可以是金属型，也可以是砂型。既适合制造中空铸件，也能用来生产成形铸件。23/25324/25325/25326/253熔模铸造的应用:•熔模铸造是一种实现少无切削加工的、先进的精密成形工艺，它最适用于25kg以下的高熔点、难以切削加工的合金铸件的成批、大量生产。•目前主要用于航天飞行器、飞机、汽轮机、泵、汽车、拖拉机和机床上的小型精密铸件和复杂刀具的生产。压力铸造27/2532.1概念•压力铸造（简称压铸）是在高压作用下将液态或半液态金属快速压入金属压铸型（亦可称为压铸模或压型）中，并在压力下凝固而获得铸件的液态成形方法。•金属液在高压下以高速充填压铸型，是压铸区别于其它铸造工艺方法的重要特征。2、压力铸造28/253轧制轧制最早在16世纪后期发展起来，目前约有90％的金属材料涉及轧制工艺。轧制的基本操作是平板轧制，即简单轧制，轧出来的是平板和薄板。平板轧制薄板平板大锅炉支撑反应容器坦克装甲波音747蒙皮饮料罐香烟铝箔300mm150mm100～125mm1.8mm0.1mm0.008mm6mm=6mm3.1.2精密塑性成型技术29/253为减小轧制力，可采取的措施有：1）、减小摩擦力；2）、用半径小的轧辊；3）、减小轧制时的压下量；4）、提高轧制温度。30/253轧机的轧辊数：轧机有不同的轧辊配置，如：二辊式、三辊式、四辊式、多辊式和串连式等，可以对材料施加前张紧力或后张紧力，以提高工艺可行性或减小轧制力。31/253热轧和冷轧（按轧制温度分类）热轧是将材料加热到再结晶温度以上进行轧制，热轧变形抗力小，塑性较差或变形量大，生产效率高，适合轧制较大断面尺寸，塑性较差或变形量较大的材料。32/253冷轧是在室温下对材料进行轧制。与热轧相比，冷轧产品尺寸精度高，表面光洁，机械强度高。冷轧变形抗力大，适于轧制塑性好，尺寸小的线材、薄板材等。现代化的连续轧制生产线33/253根据轧辊轴线与坯料轴线方向的不同，轧制可分为纵轧、横轧、斜轧和楔横轧。轧制的主要工艺类型轧辊轴线与坯料轴线方向垂直。工字钢的轧制过程纵轧：34/253横轧：轧辊轴线与坯料轴线方向平行。横轧与轧件的典型横截面示意图35/253斜轧：轧辊轴线与坯料轴线方向互成一定的角度。36/253轧制时坯料径向尺寸减小，长度增加金属变形过程楔横轧主要用于加工阶梯轴、锥形轴等各种对称的零件或毛坯。楔横轧：利用两个外表镶有凸块并作同向旋转的平行轧辊对沿轧辊轴向送进的坯料进行轧制的方法。37/253连铸连轧技术已经实用化。连铸连轧：快速原型制造技术连铸连轧全称连续铸造连续轧制（英文：ContinueCastingDirectRolling，简称CCDR），是把液态钢倒入连铸机中轧制出钢坯（称为连铸坯），然后不经冷却，在均热炉中保温一定时间后直接进入热连轧机组中轧制成型的钢铁轧制工艺。这种工艺巧妙地把铸造和轧制两种工艺结合起来，相比于传统的先铸造出钢坯后经加热炉加热再进行轧制的工艺具有简化工艺、改善劳动条件、增加金属收得率、节约能源、提高连铸坯质量、便于实现机械化和自动化的优点。38/25338第3章先进制造工艺AdvancedManufacturingProcess课程“先进制造技术”3.1.3快速原型制造技术RapidPrototypingManufacturing39/25339快速原型制造技术产生背景进入20世纪80年代，市场需求已由卖方市场转化为买方市场并日趋全球化。产品开发的速度和制造技术的柔性成为赢得竞争的关键问题。3.1.3.1概述计算机技术、CAD、材料科学、数控技术、激光技术等的发展与普及为新的制造技术的产生奠定了基础。快速原型制造（RPM）技术就是在这种社会背景下于20世纪80年代后期在美国问世，然后又扩展到了日本及欧洲，并于20世纪90年代初期引入我国。RPM技术将CAD与CAM集成于一体，根据在计算机上构造的产品三维模型，能在很短的时间内直接制造出产品的样品，无需使用传统制造中的刀具、夹具和模具，从而缩短了产品开发周期，加快了产品更新换代的速度，降低了企业投资新产品的风险。40/25340市场变化客户要求计算机技术材料科学CAD/CAM能源科学RP3.1.3.1概述41/25341RPM技术的基本原理物体成型方式RPM技术是由CAD模型直接驱动的快速制造任意复杂形状三维实体和技术总称。基本原理：先由三维CAD软件设计出所需零件的三维曲面或实体模型；然后根据工艺要求将三维数据模型进行分层切片得到各层截面的轮廓数据，计算机据此信息控制激光束有选择性地切割一层一层的纸，或烧结一层接一层的粉末材料，或固化一层又一层的液态光敏树脂，或用喷嘴喷射一层又一层的热熔材料或粘合剂，形成一系列具有一个微小厚度的的片状实体；再采用熔结、聚合、粘结等手段使其逐层堆积成一体，从而制造出所设计的新产品样件、模型或模具。3.1.3.1概述◆去除成型(DislodgeForming)◆添加成型(AddingForming)◆净尺寸成型(NetForming)42/253•(1)平面分层。这种分层比较简单易行，也最•常用，现在的快速成形制造大多采用这种方式。•(2)曲面分层。这种分层比较复杂，但形状精•度较高，有时可减少因层厚产生的台阶效应。•(3)卷绕分层。43/25343CONCEPTDESIGNINGDATACOLLECTIONDATAPROCESSINGPROTOTYPINGPARTCADMODELREVERSEENGINEERING3.1.3.1概述RPM原理图44/253443.1.3.1概述RPM原理图45/253453.1.3.1概述RP工作流程示意图46/2533.1.3.1概述快速原型制造技术的基本过程47/25347目前已有30多种RPM工艺，具体以下共同特点：◆制造过程柔性化；◆产品开发快速化；◆采用离散-堆积原理，可以制造任意复杂的三维几何实体；◆精度分析；◆造型的分析；◆系列化、模块化分析◆制造过程可实现完全数字化；◆材料来源广泛；◆发展的可持续性RPM的特点3.1.3.1概述48/25348立体光刻（StereoLithographyApparatus，SLA）立体光刻又称光敏液相固化成形，是由CahriesHull于1984年提出并获美国专利，1988年美国3DSystems公司推出世界上第一台商品化样机SLA-250。它使用液态光敏树脂为成形材料，采用激光器，利用光固化原理一层层扫描液态树脂成形。控制激光束按切片软件截取的层面轮廓信息对液态光敏树脂逐点扫描，被扫描区的液态树脂发生聚合反应形成一薄层的固态实体。一层固化完毕后，工作台下移一个切片厚度，使新一层液态树脂覆盖在已固化层的上面，再进行第二层固化。重复此过程，并