第六章先进制造技术AMT

第6章先进制造技术AMT目前对先进制造技术尚没有一个明确的、公认的定义，经过近年来对发展先进制造技术方面开展的工作，通过对其特征的分析研究，可以认为：先进制造技术是传统制造技术不断吸收机械、电子、信息、材料、能源、和现代管理技术的成果，并将其综合应用于产品设计、加工、检测、管理、销售、使用、服务的机械制造全过程，以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活生产，提高对动态多变的市场的适应能力和竞争能力的制造技术的总称。一般包括三个领域：先进制造工艺技术、制造自动化技术、先进制造模式。6.1先进制造工艺技术先进制造工艺技术是先进制造技术的核心和基础，其内容可按先进成形加工技术、现代表面工程技术和先进制造加工技术体系来分类，这里只介绍先进制造加工技术，主要包括：特种加工、超精密加工、微机械制造、超高速切削、快速原形制造技术。6.1.1特种加工特种加工是将电、磁、声、光、热等物理及化学能量或其组合或与机械能组合，对材料进行加工。其主要特点为：①工具材料的硬度可以大大低于工件材料的硬度，可以加工各种高强度、高硬度、高韧性高脆性的金属和非金属材料的加工；②可直接利用电能、电化学能、声能或光能等能量对材料进行加工，加工过程中不存在明显的机械力，工件很少产生机械变形和热变形，有助于提高工件的加工精度和表面质量；③改变了传统的工艺观念（如工件淬硬后只能磨削），对结构工艺性重新评价，对传统切削加工方法的拓宽。④各种加工方法都可以有选择地复合成新的工艺方法。特种加工适用于各种难切削材料、有特殊要求的、精密的、复杂零件表面的加工。特种加工一般按能量形式和作用原理进行如下分类：①电能与热能作用方式有：电火花成形与穿孔加工（EDM）、电火花线切割加工（WEDM）、电子束加工（EBM）和等离子体加工（PAM）；②电能与化学能作用方式有：电解加工（ECM）、电铸加工（ECM）和刷镀加工；③电化学能与机械能作用方式有：电解磨削（ECG）、电解珩磨（ECH）；④声能与机械能作用方式有：超声波加工（USM）；⑤光能与热能作用方式有：激光加工（LBM）；⑥电能与机械能作用方式有：离子束加工（IM）；⑦液流能与机械能作用方式有：水射流切割（WJC）、磨料水喷射加工（AWJC）和挤压珩磨（AFH）。此外还有一些属于表面工艺，如电解抛光、化学抛光、电火花表面强化、镀覆、离子束注入渗杂等。例如近年来发展应用很快的水喷射加工即为一种特种加工方式。水喷射加工装置由下列部分组成（如图6.1所示）：1）超高压水射流发生器它包括盛液箱、使脉动的液压趋于平稳的储液罐、液压泵、增压器、液压站和调节压力的控制器。2）磨料混合和液流处理它包括磨料仓、磨料与高压水的混合器、涡旋分离式磨料过滤器、以及喷射加工后回流液中杂质和油脂的清滤装置。3）喷嘴喷嘴的材料有人造金刚石、蓝宝石、淬火钢等，喷口孔径为0.075～0.4mm，喷口至工件距离为2.5～50mm，常用的距离为3mm。采用金刚石喷嘴的寿命一般约200h。4）数控的三维切割机床具有三轴联动功能，一般其定位精度≤0.2mm，重复定位精度≤±0.05mm。5）外围设备包括成型切割加工的CAD/CAM系统和全封闭防护罩等。图6.1水喷射加工装置示意图1—带过滤器的水箱2—水泵3—贮液蓄能器4—控制器5—阀6—蓝宝石喷嘴7—射流束8—工件9—排水口10—压射距离11—液压系统12—增压器水喷射加工的工艺参数一般压力为70～400Mpa、流速300～900m/s、流量2.5～7.5L/min、喷射力45～135N、磨料耗量0.2kg/min、功率10～40kW。水喷射可以加工金属、非金属（石材、玻璃）、木材与纸制品、塑料制品、织物与革制品等。切削的切缝宽度约0.5mm，切出表面的粗糙度值Ra12.5μm，切割精度达±0.05mm。水喷射可以加工金属、非金属（石材、玻璃）、木材与纸制品、塑料制品、织物与革制品等。切削的切缝宽度约0.5mm，切出表面的粗糙度值Ra12.5μm，切割精度达±0.05mm。水喷射可以加工金属、非金属（石材、玻璃）、木材与纸制品、塑料制品、织物与革制品等。切削的切缝宽度约0.5mm，切出表面的粗糙度值Ra12.5μm，切割精度达±0.05mm。6.1.2超精密加工超精密加工技术是一个国家制造工业水平的重要标志。军用和民用方面的尖端技术产品的产生离不开超精密加工技术。超精密加工是相对于精密加工而言的，与科学技术水平的发展有关。目前精密加工的精度为10～0.1μm，表面粗糙度值为Ra0.3～0.03μm，如金刚车、金刚镗、研磨、珩磨、超精加工、砂带磨削、镜面磨削和冷压加工等。适用于精密机床、精密测量仪器等产品中关键零件的加工，如精密丝杠、精密齿轮、精密蜗轮、精密导轨、精密轴承等。超精密加工的精度为0.1～0.01μm，表面粗糙度值为Ra0.03～0.05μm，如金刚石刀具超精密切削、超精密磨削研磨、超精密特种加工和复合加工等。适用于各种镜面、精密元件、计量标准元件、大规模和超大规模集成电路的制造。纳米加工的精度高于10-3μm（1nm），表面粗糙度值Ra小于0.005μm，其加工方法与传统的切削、磨削有很大不同，而是诸如原子、分子单位加工等方法，所以利用光子、电子、离子加工是纳米加工的主要方向和主要加工方法。实现超精密加工的主要技术条件如下：（1）超精密机床超精密机床是实现超精密切削的首要条件，它在结构原理、精度要求、热平衡及抗振性能方面与普通机床相比有许多特殊要求。例如，轴承采用如空气轴承类型的精密轴承；微量进给的装置通常采用弹性变形、热变形或压电晶体变形等机构实现；采用空气静压或液体静压导轨提高直线运动精度；采用在线检测，反馈控制技术来提高主轴的回转精度和工作台的移动或转动精度；支承件可以采用合成花岗石。（2）超精密加工刀具金刚石刀具的几何参数和刃磨质量，磨料、砂轮和砂带的型号、规格和种类，都必须根据被加工材料的要求进行选择。（3）检测和误差补偿超精密加工需要与相应的测量技术配合，现已发展非接触式测量方法并研究原子级精度的测量技术。精密加工中的测量包括机床超精密部件运动精度的检测和加工精度的直接检测，要达到最高精度还需要使用在线检测和误差补偿。（4）超稳定的加工环境超稳定环境主要包括恒温、防振、超净和恒湿四个方面。超精密加工必须在严密的恒温条件下进行，温度变化应小于（土0.1～0.01）℃。超精机床一般除用防振沟和很大的地基外，还都使用空气弹簧隔振。对超精密加工车间洁净度要求每立方英尺的空气中直径大于0.3μm以上的尘埃数应小于l00个。6.1.3微机械制造微机械（也称微型机电系统）按外形尺寸特征，微机械可分为1～100mm的微小型机械，10μm～1mm的微机械，以及10nm～l0μm的纳米机械。本世纪60年代以来，微电子技术渗透到机械工程的各个领域，大大促进机械装备向微小型化方向发展。微机械由于具有能够在狭小空间内进行作业而又不扰乱工作环境和对象的特点，在航空航天、精密仪器、生物医疗等领域有着广阔的应用潜力，并成为纳米技术研究的重要手段，因而受到各国的高度重视，被列为21世纪关键技术之首。目前已有大量的微型机械或微型系统被研制出来，例如：尖端直径为5μm的微型镊子可以夹起一个红血球；尺寸为7mm×7mm×2mm的微型泵流量可达250μl／min；长2.4mm、高8mm的直升飞机；10mm高的机器人；能开动的3mm大小的汽车；哈尔滨工业大学研制出了电致伸缩陶瓷驱动的二自由度微型机器人，其位移范围为l0μm×l0μm，位移分辨率为0.01μm；清华大学开展并研制出了微电动机、多晶硅粱结构、微泵与阀。微细加工的出现和发展最早是与大规模集成电路密切相关的，微细加工对微电子工业而言就是一种加工尺度从微米到纳米级的制造微小尺寸元器件或薄膜图形的先进制造技术。目前微型机械的制造主要采用基于半导体工艺的硅微细加工技术，如掺杂（包括扩散掺杂和离子注入掺杂）、光刻（包括接触光刻、接近光刻和投影光刻）和腐蚀技术（包括化学湿法和干法腐蚀）等。80年代中期以后又出现LIGA（光刻电铸）加工、准LIGA加工、超微细机械加工、微细电火花加工、等离子体加工、激光加工、离子束加工、电子束加工及键合技术（如硅—玻璃键合、硅—硅键合）等。同时微细加工发展离不开微型机械测试技术的发展，扫描隧道显微镜（STM）、原子力显微镜（AFM）等先进测试仪器的出现大大促进了微细机械制造技术的进步。6.1.4超高速切削超高速切削是近年来发展起来的一种集高效、优质和低耗于一身的先进制造工艺技术。超高速切削是指采用超硬材料刀具和能可靠地实现高速运动的高精度、高自动化、高柔性的制造设备，以极大地提高切削速度来达到提高材料切除率和加工质量的现代制造加工技术。其显著标志是使被加工塑性金属材料在切除过程中的剪切滑移速度达到或超过某一域限值，开始趋向最佳切除条件，是被加工材料切除所消耗的能量、切削力、刀具磨损、加工表面质量等明显优于传统切削，而加工效率则大大高于传统切削。对于不同加工方法和不同加工材料，超高速切削的切削速度各不相同。通常认为超高速切削各种材料的切削速度范围为：铸铁达900～5000m／min；钢为600～3000m／min；铝合金为2000～7500m／min。就加工工种来说，超高速切削的车削速度700～7000m／min；铣削速度300～6000m／min；钻削为200～ll00m／min；磨削为150m／s以上。超高速切削用刀具材料要求强度高、耐热性能好。常用的刀具材料有：带涂层的硬质合金刀具、陶瓷刀具、立方氮化硼（CBN）或聚晶金刚石（PCD）刀具。试验表明，在同等情况下，其寿命往往比常规速度下的刀具寿命还要长。选用刀具角度推荐为：加工铝合金，前角12°～15°，后角13°～15°；加工钢前角0°～5°、后角12°～15°；加工铸铁，前角0°、后角12°等。超高速机床是实现超高速切削的前提条件和关键因素。超高速切削对机床的主要要求如下：①高速主轴是高速切削的首要条件，电主轴是高速主轴单元的理想结构。其主轴的变速范围完全由变频调速交流主轴电动机来实现，并使电动机和机床主轴合二为一，因而结构紧凑，重量轻、惯性小、响应特性好，并可避免振动与噪声。轴承可采用高速陶瓷滚动轴承和磁浮轴承。高速陶瓷滚动轴承采用了小直径滚珠及氮化硅陶瓷（Si3N4）材料做滚珠。氮化硅陶瓷的密度只有轴承钢的40％，热膨胀系数是其25％。弹性模量则是轴承钢的1.5倍。磁浮轴承是利用电磁力将主轴无机械接触、无润滑地悬浮起来的一种新型智能化轴承。磁浮轴承结构简化、寿命很长、能耗很小、无振动、无噪声、温升小、热变形小，可在真空或有腐蚀介质的环境中工作，工作可靠。其转子线速度可高达200m／s，回转精度高达0.2um。②快速反应的数控伺服系统和进给部件，采用多头螺纹行星滚柱丝杆代替目前的滚珠丝杆，或采用直线伺服电动机。目前，高速加工中心工作台的进给量己高达20～30m／min，快速空程速度高达40～60m／mim，加速度达3～10g。③采用高压大流量喷射冷却系统。④有一个“三刚”（静刚度、动刚度、热刚度）特性都很好的机床支承件，如用聚合物混凝土，即“人造花岗岩”制成的超高速机床的床身或立柱。其阻尼特性比铸铁高7～l0倍数，而密度只有铸铁的l／3。超高速切削目前主要用于以下几个领域：（1）大批量生产领域如汽车工业，铸铁、铸铝的汽车零件都可采用超高速切削。用氮化硅陶瓷刀具和CBN刀具超高速铣削和镗削铸铁铁缸体。（2）加工工件本身刚度不足的领域如航空航天工业产品或其它某些产品，采用超高速切削工艺所铣削的工件薄壁厚度仅为1mm。（3）加工复杂曲面如模具、工具制造。模具加工采用高速数控加工铣床。铣模具的型腔型芯部分，由于切削速度和进给速度很高，可利用多切削几刀的方法达到残留刀痕为最小，可以一次达到精加工水平，大大缩短了模具制造周期。（4）飞机制造工业中的轻合金零件特别适合采用超高速切削，这些零件往往用“整体制造法”制造，即在整块毛坯上切削大量材料，形成高精度的铝合金或钛合金的复杂构件。在占用大量的切削工时，采用高