先进制造技术-第三章

第三章先进制造工艺技术3.1概述3.2材料受迫成形工艺技术3.3超精密加工技术3.4高速加工技术3.5快速原型制造技术3.6微细加工技术3.7表面工程技术3.8现代特种加工技术第一节概述3.1.1机械制造工艺定义与内涵3.1.2先进制造工艺的产生和发展机械制造工艺三阶段：①零件毛坯的成形准备阶段②机械切削加工阶段③表面改性处理阶段上述阶段划分逐渐模糊、交叉，甚至合而为一3.1.1机械制造工艺定义与内涵原材料成品半成品机械制造工艺定义改变形状,尺寸,性能,位置机床、工具机械制造工艺流程•制造加工精度18世纪，其加工精度为1mm；19世纪末，0.05mm；20世纪初，μm级过渡；20世纪50年代末，实现了μm级的加工精度；目前达到10nm的精度水平。•切削加工速度20世纪前，碳素钢，耐热温度低于200ºC，10m/min；20世纪初，高速钢，500-600ºC，30-40m/min；20世纪30年代，硬质合金，800-1000ºC，数百米/min;目前陶瓷、金刚石、立方氮化硼，1000ºC以上，一千至数千米/min。3.1.2先进制造工艺的产生和发展切削速度随刀具材料的变更而提高•新型工程材料的应用类型：超硬材料、超塑材料、高分子材料、复合材料、工程陶瓷等对制造工艺贡献：①改善刀具切削性能，改进加工设备；②促进特种加工工艺发展。•自动化和数字化工艺装备的发展单机自动化→系统自动化刚性自动化→柔性自动化→综合自动化•毛坯成形技术在向少、无余量发展如：熔模精密铸造、精密锻造、精密冲裁、冷温挤压等新工艺。•表面工程技术的形成和发展表面工程：通过表面涂覆、表面改性、表面加工、表面复合处理改变零件表面形态、化学成分和组织结构，以获取与基体材料不同性能的一项应用技术。如：电刷镀、化学镀、物理气相沉积、化学气象沉积、热喷涂、化学热处理、激光表面处理、离子注入等。第二节材料受迫成形工艺技术3.2.1精密洁净铸造成形3.2.2精确高效金属塑性成形工艺3.2.3粉末锻造成形工艺3.2.4高分子材料注射成形机械零件成形方法：•受迫成形在特定边界和外力约束下成形，如铸造、锻压、粉末冶金和注射成形等；•去除成形将材料从基体中分离出去成形，如车、铣、刨、磨、电火花、激光切割；•堆积成形将材料有序地合并堆积成形，如快速原形制造、焊接等。•自硬砂精确砂型铸造粘土砂造型铸件质量差、生产效率低劳动强度大、环境污染严重自硬树脂砂造型高强度、高精度、高溃散性低劳动强度，适合于各种复杂铸件型芯制作铸件壁厚可2.5mm3.2.1精密洁净铸造成形精确铸造成形技术高紧实砂型铸造•可提高铸型强度、刚度和硬度•减少金属液浇注凝固时型壁移动•降低金属消耗、减少缺陷•提高精度、粗糙度提高2-3级气冲造型消失模铸造利用泡沫塑料作为铸造模型，并在其四周填砂，不分上下模，泡沫塑料在浇注过程中气化。•可避免砂型溃散•可消除起模斜度，减小铸件壁厚•能够获得表面光洁、尺寸精确•无飞边、少无余量精密铸件泡沫塑料模造型浇注过程铸件特种铸造技术类型：压力铸造、低压铸造、熔模铸造真空铸造、挤压铸造等。压力铸造：金属模，以压力浇注取代重力浇注，铸件精确、表面光洁、内部致密。金属模压铸机压铸过程合型压铸开模•洁净的能源以感应电炉代替冲天炉，减轻对空气的污染•无砂和少砂铸造如压力铸造、金属型铸造、挤压铸造等•清洁无毒材料使用无毒无味变质剂、精炼剂、粘结剂等•高溃散性型砂工艺树脂砂、酯硬化水玻璃砂工艺•废弃物再生和综合利用铸造旧砂再生回收、熔炼炉渣处理和综合利用•铸造机器人或机械手以代替工人在恶劣条件下工作清洁（绿色）铸造技术铸造过程计算机仿真在计算机上进行虚拟浇铸，分析预测铸液充填及凝固过程，预测不合理铸造工艺缺陷，对不同铸造工艺方案作出最优的选择。铸造过程仿真发展•60年代丹麦学者开始用计算机对铸件凝固过程进行模拟•随后工业国家相继开发了铸造过程计算机模拟软件，如：德国MACMAsoft软件，英国Procast软件，清华大学Flsoft软件等。铸造过程计算机模拟精密模锻利用模锻设备锻造出锻件形状复杂、精度高的模锻工艺，比普通锻件高1-2个精度等级。3.2.2精确高效金属塑性成形工艺模锻坯料普通模锻去氧化皮精密模锻锥齿轮的精密模锻工艺超塑性成形超塑性现象：在一定内部条件（如晶粒形状、相变）和外部条件（如温度、应变速率）下，呈现出异常低的流变抗力、异常高的延伸率现象。目前已知锌、铝、铜等合金超塑性达1000%，有的甚至达2000%。金属超塑性类型：•细晶超塑性（恒温超塑性）内在条件：具有均匀、稳定等轴细晶组织（10µm）；外在条件：特定温度和变形速率（10-4-10-5min-1）。•相变超塑性（环境超塑性）在材料相变点温度循环变化，同时对试样加载。超塑性成形工艺应用•飞机钛合金组合件原需几十个零件组成，用超塑性成形后，可一次整体成形，大大减轻了构件的质量，提高了结构的强度。•超塑性等温模锻薄板加热到超塑性温度，在压力作用下产生超塑性变形，直至同模具贴合为止。超塑性气压成形精密冲裁呈纯剪切分离冲裁工艺，通过模具改进提高精度，可达IT6-9级，Ra1.6-0.4µm。三种光洁冲裁凹模结构椭圆凹模圆角凹模倒角刃口负间隙冲裁带齿圈压板精冲精密冲裁辊轧工艺用轧辊对坯料连续变形加工工艺，生产率高、质量好、材料消耗少。辊锻轧制辗环轧制3.2.3粉末锻造成形工艺粉末制取粉末锻造成形工艺粉末冶金+精密锻造模压成形型坯烧结锻前加热锻造后续处理粉末锻造件优点：•能源消耗低，材料利用率高为普通锻造能耗49%，材料利用率达90%，普通锻造仅40-60%；•锻件精度高，力学性能好组织无偏析，无各向异性；•疲劳寿命高比普通锻造提高20%，高速钢工具寿命可提高两倍以上。粉末锻造模具注射成形原理3.2.4高分子材料注射成形粉状塑料注入螺杆推进送进加热区通过分流梭喷嘴喷出注入模腔注射成形工艺过程冷却成形气体辅助成形：将惰性气体注入，在成品较厚部分形成空腔，使成品壁厚均匀，可防止缩痕或翘曲产生。注射成形新技术气体辅助注射成形原理注射压缩成形：可采用较低的注射压力成形薄壁制品，适用于流动性较差的制品。整体压缩注射成形模具滑合成形法适用于中空制品和不同材料复合体模具滑合成形动作原理剪切场控制取向成形法：使材料纤维取向与流动方向一致，可提高熔接痕强度，消除缩孔和缩痕。剪切场控制取向成形法原理直接注射成形法不需混炼造粒过程，可将填充剂均匀地分散在基体树脂中，直接注射成制品。直接注射成形机螺杆压缩段剖面图第三节超精密加工技术3.3.1概述3.3.2超精密切削加工3.3.3超精密磨削加工3.3.4超精密加工的机床设备3.3.5超精密加工环境目前精密、超精密加工内涵3.3.1概述分类加工精度表面粗糙度普通加工1μmRa0.1μm精密加工0.1-1μmRa0.01-0.1μm超精密加工高于0.1μm小于Ra0.01μm超精密加工技术发展起因•提高产品性能和质量，提高稳定性和可靠性；•促进产品的小型化；•增强零件的互换性，提高装配生产率。举例：•1kg陀螺其质心偏离0.5nm，会引起100m导弹射程误差，50m轨道误差；•民兵Ⅲ型洲际导弹陀螺仪精度为0.03-0.05º，命中精度误差为500m；•MX战略导弹陀螺仪精度提高一个数量级，命中精度误差只有50-150m；•人造卫星轴承孔轴表面粗糙度1nm，其圆度和圆柱度均以nm为单位；•飞机发动机叶片加工精度由60μm→12μm，粗糙度由Ra0.5μm→0.2μm，则发动机效率89%→94%；•磁盘磁头与磁盘间距离，目前已达到0.3μm，近期内可达到0.15μm。超精密加工所涉及的技术范围•超精密加工机理刀具磨损、积屑瘤生成规律、磨削机理、加工参数对表面质量的影响等有其特殊性；•超精密加工的刀具、磨具及其制备刀具的刃磨、超硬砂轮的修整；•超精密加工机床设备机床精度、刚度、抗振性、微量进给机构；•精密测量及补偿技术有相应级别的测量装置，具有在线测量和误差补偿；•严格的工作环境恒温、净化、防振和隔振等。超精密切削对刀具的要求•极高的硬度、极高的耐用度和极高的弹性模量，保证刀具寿命和尺寸耐用度；•刃口能磨得极其锋锐，刃口半径ρ值极小，能实现超薄的切削厚度；•刀刃无缺陷，避免刃形复印在加工表面；•抗粘结性好、化学亲和性小、摩擦系数低、能得到极好的加工表面完整性。3.3.2超精密切削加工天然单晶金刚石刀具的性能特征•极高的硬度HV6000-10000,而TiC仅为HV2400，WC为HV2400；•能磨出锋锐刃口刃口半径可达纳米，普通刀具5-30μm；•与有色金属摩擦系数低、亲和力小与铝的摩擦系数仅为0.06-0.13；•耐磨性好，刀刃强度高刀具磨损极慢，刀具耐用度极高。天然单晶金刚石被公认为不能代替的超精密切削刀具材料但仅用于有色金属的切削加工超精密切削时的最小切削厚度如图：A点位置与摩擦系数μ（剪切角θ）有关：当μ=0.12时，可得：hDmin=0.322ρ当μ=0.26时，可得：hDmin=0.249ρ若hDmin=1nm，要求刀具刃口半径ρ为3-4nm。极限切削厚度与刃口半径的关系超精密磨削：是最主要黑色金属超精密加工手段，精度=0.1μm，表面粗糙度Ra0.025。超精密磨削砂轮金刚石砂轮：较强的磨削能力，较高的磨削效率，磨削速度12-30m/s；CBN砂轮：较好的热稳定性和化学惰性，价格较贵，磨削速度80-100m/s。超硬磨料砂轮结合剂：树脂结合剂：能保持良好锋利性，磨粒保持力小；金属结合剂：耐磨性好，磨粒保持力大，自锐性差，砂轮修整困难。陶瓷粘结剂：化学稳定性高、耐热、耐酸碱，脆性较大。3.3.3超精密磨削加工超硬磨料砂轮的修整•车削法用金刚笔车削金刚石砂轮，修整成本高；•磨削法用普通砂轮进行对磨，修整效率和质量较好，普通砂轮磨损消耗量较大；•喷射法将碳化硅、刚玉等磨粒高速喷射到砂轮表面，去除部分结合剂，使超硬磨粒突出；•电解在线修锐法（ELID)应用电解原理完成砂轮修锐过程；•电火花修整应用电火花放电原理完成砂轮修整。在线电解修锐法电火花修整法精密主轴部件•滚动轴承回转精度达1μm,表面粗糙度Ra0.04-0.02μm；•液体静压轴承回转精度≤0.1μm，刚度阻尼大，转动平稳；不足：液压油温升高，影响主轴精度，会将空气带入液压油降低轴承刚度；应用：一般用于大型超精密机床。•空气静压轴承高回转精度、工作平稳，温升小；不足：刚度较低，承载能力不高；应用：超精密机床中得到广泛的应用。3.3.4超精密加工机床设备典型液体静压轴承主轴结构原理图1-径向液压轴承2-止推液压轴承3-真空吸盘双半球空气轴承主轴1-前轴承2-供气孔3-后轴承4-定位环5-旋转变压器6-无刷电动机7-外壳8-轴9-多孔石墨床身和精密导轨床身要求：抗振、热膨胀系数低、尺寸稳定性好床身材料：多采用人造花岗岩，尺寸稳定性好、热膨胀系数低、硬度高、耐磨、不生锈、可铸造成形，克服了天然花岗岩有吸湿性不足。导轨要求：高直线精度，不得爬行有液体静压导轨、空气静压导轨。平面型空气静压导轨示意图1-静压空气2-移动工作台3-底座微量进给装置微量进给装置要求：•分辨率达到0.001-0.01μm；•精微进给与粗进给分开；•低摩擦和高稳定性；•末级传动元件必须有很高的刚度；•工艺性好，容易制造；•应能实现微进给的自动控制，动态性能好。双T形弹性变形微进给装置1-微位移刀夹2、3-T形弹簧4-驱动螺钉5-固定端6-动端分辨率0.01μm，最大位移20μm，静刚度70N/μm，最大位移15-16μm分辨率0.01μm静刚度60N/μm压电陶瓷微进给装置1-刀夹2-机座3-压电陶瓷4-后垫块5-电感测头6-弹性支承•净化的空气环境1μm直径尘埃会拉伤磁盘表面而不能正确记录信息；100级超精密加工空气洁净度要求：≥0.5μm直径尘埃个数≤100个/ft3，而办公室百万个/(ft)3，手术室5万个/(ft)3•恒定的温度环境100mm长铝合金零件，温度变化1ºC将产生2.25μm的误差；若要求确保0.1μm加工精度，环境温度应保持±0.05ºC范围内；当