6先进制造技术盛步云119

武汉理工大学盛步云教授、博导中职国培机械制造与控制专业先进设计加工技术1、先进设计技术•优化设计(OptimizeDesign)•虚拟设计(VirtualDesign)•有限元分析(InfiniteAnalysis)•可靠性设计(ReliabilityDesign)2、加工、成形制造技术•——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•加工精度不断提高•加工速度得到提高•材料科学的变革•重大装备促进——大型、大容量、高效率•优质清洁表面工程•热成形过程数值模拟5um(3um)精密加工0.3-3um超精密0.03-0.3纳米0.03um2.1发展现状和趋势•成形技术——铸造：轻量化、精确化、强韧化、复合化、无污染•锻造：净成形CAE相结合•焊接：高能密度焊接发展，柔性化、智能化、自动化•快速原型、激光表面处理•计算机模拟、虚拟制造2.1发展现状和趋势3精密洁净铸造工艺精密、洁净、高效•无机化学粘接剂型砂——水玻璃、水泥•有机化学粘接剂型砂——植物油•金属型铸造工艺•挤压铸造技术•消失（气化）模）铸造技术3.1压力铸造•高压力：几到几十Mpa~5000Mpa•短时间：0.02s~0.2s•高速度：0.5m/s~50m/s120m/s3.1压力铸造•开发新型的压射控制系统（致密薄件）•新压铸工艺（消除缺陷，提高质量）•开发和应用新的压铸合金材料（金属基复合材料MMCs、压铸镁合金、高铝锌基合金）•开发和应用快速原型制造技术•开展CAD/CAM/CAE系统研究与应用3.2挤压铸造技术•1937苏联问世——液态金属模压——液压模锻——液压铸造•定义：浇入金属型中的液态金属，在通过冲头传递压力作用下进行填充、成型和凝固结晶。特点•尺寸精度高、粗糙度低•铸件在凝固过程中能得到有效补缩、无铸造缺陷•组织致密性好、晶粒细化、力学性能好•无浇冒口，减少液态金属消耗3.3消失模铸造（EPC）原理：发泡成型机制成泡末塑料模样（铸件和浇注系统模样）粘结成实体模组、涂刷特制涂料、干燥放入特制砂箱、填入干砂三维振动紧实、抽真空浇铸泡沫模型气化消耗被金属置换特点近无余量新型成型工艺（无须取模、无分型面、无泥砂芯、无飞边、无拔模斜度、重量减少30-40%）铸件精度高、缺陷少无环境公害，易实现清洁生产方便逐渐结构设计（通过粘结一次铸造）简化砂处理工序、减少占地面积、降低设备费用4精确高效金属塑性成型工艺•传统：杂制轧制、挤压、拉拔、锻造、冲压•超塑成型、等温成型、辊锻和锲横轧技术、粉末成型工艺4.1超塑等温成形•超塑性：材料在低载荷作用下，拉伸变形的伸长率大于100%（黑色：40%、有色：60%•已知材料200多种（锌、铝、铜、钛合金）•关键在：材料成形特点•形状复杂的工件可一次成形•组织细小、均匀、性能好、稳定•变形抗力小---无加工硬化•流动应力对应变速率的变化敏感•制件精度高超塑性分类•微晶组织超塑（恒温超塑性或结构超塑性）晶粒小于10um，变形温度大于0.5Tm（材料熔点温度）恒定，应变速率低•相变超塑性（变温超塑性或动态超塑性）在一定的温度和负荷下，反复循环相变而获得高伸长率。普通碳钢160次循环伸长率达到500%•其它超塑性材料超塑性工艺应用气压成形原理：使毛坯的外侧或内侧形成一个封闭的压力空间，在压缩空气的气压作用下，坯料产生超塑性变形，逐步向模具型面靠近，直至同模具完全贴合，形成零件凸模法、凹模法•真空成型4.2粉末成形工艺•粉末冶金是制取金属粉末或用金属粉末（混合物）作为原料，经过成形烧结，制取金属材料、复合材料的工艺技术——其生产工艺与陶瓷工艺类似——金属陶瓷法基本工序1.原料粉末制取2.将金属粉末成形——坯块3.烧结——使制品具有最终的物理、化学和力学性能粉末冶金锻造工艺•原理：金属粉末经压实后烧结，在用烧结体作为锻造毛坯进行锻造粉末冷压烧结加热锻造热处理机加工成品准备预制坯制取预制坯锻造后处理与加工4高效优质焊接切割技术•精密焊接•特殊环境下焊接•现代切割技术4.1精密焊接•激光焊接——激光加热焊接部位•电子束焊接——在真空条件下，聚焦后被加速的电子束高速冲击工件焊接部位•扩散焊接——可连接物理化学性能差别很大的异种材料，固态焊接方法（如陶瓷与金属）•焊熔近终成形——快速成形方法之一4.2特殊环境下焊接•空间焊接•水下焊接4.3现代切割技术•激光切割•等离子切割•超声切割•高压水射流切割4.4激光切割•利用聚焦的高功率密度光束照射工件，使被照射处的材料迅速熔化、气化、烧蚀或达到燃点，同时借助光束同轴的高速气流吹除熔融物质4.5等离子切割•等离子：是高度电离的气体，是由气体原子或分子电离后，离解成带正电荷的离子和负电荷的电子所组成，正负电荷相等，因此称为等离子。•原理：利用高温、高速的等离子弧及其焰流使工件材料融化、蒸化缓和气化并被吹离机体。•等离子体能量高度集中，电流密度高、等离子弧温度高（11000-28000度）普通电弧5000-8000度、速度高（800-2000m/s)特点•能切割氧气割难以切割的各种金属材料•切割厚度不大的金属时，速度快，是普通切割的5-6倍•切割面光洁、热变形小•切口宽度和切割斜角较大，与切割厚度有关•切割厚度不及气割4.6超声切割•原理：利用超声振动的工具在有磨料的液体介质中或干磨料中，产生磨料的冲击、震颤、液压冲击及由此产生的气蚀作用去除材料，特别适合硬脆材料切割特点•适合加工硬脆材料，尤其适合非金属硬脆材料，或硬质耐热导电材料，但加工效率低•切削力小切割应力、热小，粗糙度低（0.63-0.08）尺寸精度正负0.03mm,也适合加工薄壁、窄缝、低刚度零件•工具可用软材料做成复杂形状，无相对运动，可加工复杂型腔和型面•比金刚石刀具切割具有切片薄、切口窄、精度高、生产率高、经济性好4.7高压水射流切割•原理：利用水或水中加添加剂的液体，经水泵至增压器，再经储掖蓄能器使高压液体流动平稳，最后有人造蓝宝石喷嘴形成300-900m/s的高速液体束流，喷射到工件表面，从而去除材料的加工。•高速液体束流能量密度：102W/mm2•流量7.5L/min特点•加工精度高:0.075-0.1mm，切边质量好•液体束流能量密度高，流速高，工件切缝窄0.075-0.4mm•加工产物混入液体排出，无灰尘、无污染•加工区温度低，不产生热量，适合木材、纸张、皮革材料的加工•设备简单、操作方便，易实现数控加工5.表面工程技术•定义：通过改变固态金属表面或非金属表面的形态、化学成分和组织结构，以获得所需表面性能的系统工程•理论基础：表面分析技术、表面物理、表面化学•应用理论：表面失效分析、摩擦与磨损理论、表面腐蚀与防护理论、表面结合和复合理论•目的：弄清各类固态材料表面失效机理，并综合运用各种表面技术提高材料的抵御环境作用的能力，实施特定的表面加工来制造构件、另部件和元器件方法•覆盖层技术：电镀、电刷镀、涂装、粘结、堆焊、喷涂、塑料粉末涂敷、搪瓷涂敷、真空镀膜、镀膜，贴片•机械、物理化学方法：改变材料形貌、化学成分、微观结构、应力状态——喷丸、热处理、激光表面处理、等离子扩渗处理•综合两种或以上方法的复合表面处理：等离子喷涂与激光辐射、热喷涂与喷丸、化学热处理与电镀、化学热处理与气相沉积5.1表面改性技术•指采用某种工艺手段使材料表面获得与基体材料的组织结构、性能不同的一种技术。既发挥基体的力学性能，又获得表面的各种特殊性能•传统方法：喷丸、表面热处理、化学热处理•清洁技术：等离子体、激光、电子束等5.2表面覆层技术•在工件表面制备各种特殊功能的覆盖层，用极少量材料达到大量昂贵整体材料所能起到或难以起到的作用，同时极大地降低制造成本——广泛用于修复产品6超高速加工技术•定义：采用超硬材料刀具、磨具和能可靠实现高速运动的高精度、高自动化、高柔性的制造设备，以极大提高切削速度来达到提高切除率、加工精度和加工质量的现代制造加工技术。（标志）•范围：铝合金2000－7500m/min•铸铁900－5000m/min•钢600－3000m/min，钛合金150－1000m/min•车削700－7000m/min，铣削300－6000m/min•钻削200－1100m/min，磨削150m/s6.1超高速加工关键技术•超高速切削机理•大功率超高速主轴单元•高加减速直线进给电机•超硬耐磨长寿命刀具材料及结构•安全装置以及高性能CNC控制系统和测试系统6.2超高速切削机理•萨洛蒙曲线A不能切削B区高速切削C区切削速度切削温度6.3大功率超高速主轴单元•主轴材料、结构、轴承•超过高速主轴系统动态特性及热态特性•柔性主轴及其轴承的弹性支撑技术•润滑与冷却技术•主轴系统多目标优化设计、虚拟设计技术•美国福特卧式加工中心（动静压轴承）15000rpm•日本东庄大学CNC平磨3000，东芝气浮轴承30000•德国KAAP公司磁悬浮轴承60000－100000rpm6.4高加减速直线进给电机•侍服驱动技术•滚动元件技术•监测单元技术•安全防护技术•冷却润滑技术•从8－12m/min发展到30－50m/min•一般18－20m/min60m/min7超精密加工技术•一般加工10um,Ra0.3-0.8um•精密加工10um-0.1um,Ra0.3-0.03um•超精密加工0.1-0.01umRa0.03-0.05um•纳米加工10-3umRa0.005um7.1关键技术•加工方法与机理（微量切除表层）•材料技术:加工工具与被加工材料•加工设备及其基础元件8快速原型制造技术的概念•原型原型（Prototype)是指用来建造未来模型或系统基础的一个初始模型或系统。它能基本代表零部件性质和功能，但不具备或不完全具备零部件的功能。•快速原型制造原型制造（Prototyping)是设计、建造原型的过程。一般来说，物体成型的方式分为三类：去除成型、添加成型和静尺寸成型，原型制造也是如此。快速原型制造技术的分类按采用的原材料分类：•液体聚合、固化•粉末烧结与粘结•丝材、线材熔化粘结•膜、板材层合按制造工艺原理分类：•立体印刷成型•层合实体制造•选域激光烧结•熔融沉积制模•三维喷涂粘结•焊接成型•数码累计造型快速原型制造技术发展历史与现状•1892年美国人JFblanther获得了用层合方法制作三维地图模型的专利，可以说是近代分层制造方法的开端。•1979年，日本东京大学生产技术研究所中川威雄教授发明叠层模型造型法。80年，小玉秀兰提出了光造型法，并于81年首次发表了快速原型制造技术的论文。•美国UVP公司的C.Whull完成了系统SLA-1（StereoLithographyApparatus，立体印刷成型），之后与他人创办3DSystem公司，研制出了掩膜式的原型制造系统。•1984年，MFeygin提出了层合实体概念。•1986年，美国人S.Crump提出了熔融沉积造型设想。•在多家快速原型制造设备公司中，3DSystem公司生产的快速原型制造系统在国际上占有60%的份额。•90年代，快速原型制造技术服务中心年平均增长40%以上。立体印刷成型立体印刷成型是目前世界上研究最深入、技术最成熟、应用最广泛的一种快速成型方法。它以光敏树脂（如丙烯基树脂）为原料采用计算机控制下的紫外激光以预定原型各分层截面的轮廓为轨迹逐点扫描，使被扫描区的树脂薄层产生光聚合反应后固化，从而形成的一个薄层截面。当一层固化后，向上（下）移动工作台，在刚固化的树脂表面布放一层新的液态树脂，再进行新一层扫描、固化。如此重复至整个原型制造完毕。立体印刷成型的工艺过程模型设计对模型分层处理工作台置位激头照射光敏树脂后续处理重复三维CAD系统中造型STL格式←CAD模型系统控制系统操纵层合实体制造层合实体制造又称分层实体造型、分层物体制造等。它采用激光器按照CAD分层模型所获得的数据，用激光束将单面涂有热溶胶的薄膜材料或其他材料的箔带切割成欲制原型在该层平面的内外轮廓，再通过加热辊加热，使刚刚切好的一层与下面已切割层粘接