先進(jìn)制造技術(shù)先進(jìn)工藝.ppt

先進(jìn)制造技術(shù)導(dǎo)論,第三章 先進(jìn)制造工藝技術(shù),學(xué)習(xí)目標(biāo),理解各先進(jìn)制造工藝方法的內(nèi)涵 熟悉各種先進(jìn)制造工藝的關(guān)鍵技術(shù) 了解各先進(jìn)制造工藝技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展趨勢,重點(diǎn)：各先進(jìn)制造工藝方法的內(nèi)涵及關(guān)鍵技術(shù),學(xué)習(xí)內(nèi)容,超高速加工技術(shù),1,超精密加工技術(shù),2,微細(xì)加工技術(shù),3,高能束加工技術(shù),4,快速原型制造技術(shù),5,3.1 超高速加工技術(shù),3.1.1 超高速加工技術(shù)的產(chǎn)生,泰勒-“金屬切削奠基人”,研究者對泰勒公式質(zhì)疑,物理學(xué)家薩洛蒙進(jìn)行高速切削試驗(yàn),3.1 超高速加工技術(shù),3.4.1 超高速加工技術(shù)的產(chǎn)生,超高速切削概念示意圖,3.1 超高速加工技術(shù),超高速加工技術(shù)是指采用超硬材料刀具和磨具，利用能可靠地實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)動的高精度、高自動化和高柔性的制造設(shè)備，以提高切削速度來達(dá)到提高材料切除率、加工精度和加工質(zhì)量的先進(jìn)加工技術(shù)。,3.4.2 超高速加工技術(shù)的內(nèi)涵,目前世界各國尚未統(tǒng)一對超高速切削速度范圍的認(rèn) 識，但通常把切削速度比常規(guī)高出510倍以上的 切削加工稱為超高速切削。,3.1 超高速加工技術(shù),高速切削的核心是速度與精度，由于刀具材料、工件材料和加工工藝的多樣性，對高速切削不可能用一個確定的速度指標(biāo)來定義。對于銑刀等回轉(zhuǎn)刀具，通常以刀具或主軸的轉(zhuǎn)速作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)不同的刀具直徑，現(xiàn)階段一般把轉(zhuǎn)速10000r/min以上視為高速切削。,3.1 超高速加工技術(shù),超高速車削,超高速銑削1,超高速銑削2,3.1 超高速加工技術(shù),（1）隨著切削速度的大幅度提高，進(jìn)給速度也相應(yīng)提高 510倍，從而提高了加工效率和設(shè)備利用率，縮短了生產(chǎn)周期。 （2）在超高速切削速度范圍內(nèi)，隨切削速度的提高切削力平均可降低30以上，單位功率材料切除率的提高，有利于延長刀具使用壽命。,3.4.3 超高速加工技術(shù)的優(yōu)越性,3.1 超高速加工技術(shù),（3）由于切屑可以很高的速度被排出，帶走大量的熱量，提高工件的加工精度。 （4）使得加工過程平穩(wěn)，有利于提高加工表面質(zhì)量。 （5）高速切削可加工硬度高達(dá)HRC4565的淬硬鋼鐵件，因此對淬硬后的模具等復(fù)雜零件，可直接銑成，省去 后續(xù)的傳統(tǒng)放電加工或磨削加工。這就是所謂的“一次過” 技術(shù)。,3.1 超高速加工技術(shù),對刀具材料的基本要求： 較高的硬度和耐磨性；較高的強(qiáng)度和韌性； 耐熱性；較好的工藝性能和經(jīng)濟(jì)性。 超高速切削的刀具材料的更高要求： 可靠性；高的耐熱性和抗熱沖擊性能； 良好的高溫力學(xué)性能；適應(yīng)新型材料的加工,3.4.4 超高速切削的相關(guān)技術(shù),1. 超高速切削的刀具技術(shù),3.1 超高速加工技術(shù),涂層刀具 金屬陶瓷刀具 陶瓷刀具 立方氮化硼（CBN） 聚晶金剛石(PCD)刀具等,適合于超高速切削的刀具材料主要有：,3.1 超高速加工技術(shù),涂層刀具,金屬陶瓷刀具,陶瓷刀具,立方氮化硼,聚晶金剛石刀具,3.1 超高速加工技術(shù),2. 超高速切削的機(jī)床技術(shù),3.1 超高速加工技術(shù),主軸電機(jī)與主軸合二為一的結(jié)構(gòu)形式。即采用無外殼電機(jī)，將其空心轉(zhuǎn)子直接套裝在機(jī)床主軸上，帶有冷卻套的定子則安裝在主軸單元的殼體內(nèi)，形成內(nèi)裝式電機(jī)主軸，簡稱“電主軸” 。,返回,3.1 超高速加工技術(shù),要求超高速切削機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)不僅要能達(dá)到很高的進(jìn)給速度，還要求有大的加速度以及高的定位精度。 傳統(tǒng)機(jī)床采用旋轉(zhuǎn)電機(jī)帶動滾珠絲杠的進(jìn)給方案，由于其工作臺的慣性以及受螺母絲杠本身結(jié)構(gòu)的限制，進(jìn)給速度和加速度一般比較小。要獲得更高的進(jìn)給加速度，只有采用直線電機(jī)直接驅(qū)動的形式。,3.1 超高速加工技術(shù),返回,3.1 超高速加工技術(shù),目前普遍應(yīng)用的是7：24錐度的刀柄系統(tǒng)隨著超高速切削技術(shù)的發(fā)展，此類刀柄系統(tǒng)暴露出以下不足： 剛性不足； 自動換刀的重復(fù)精度不穩(wěn)定； 當(dāng)主軸高速轉(zhuǎn)動時，主軸前端孔徑在離心力作用下會增大，易導(dǎo)致主軸與刀柄錐面脫離， 刀柄的錐部較長，不利于快速換刀及機(jī)床的小型化。,3.1 超高速加工技術(shù),為解決上述問題，一些研究機(jī)構(gòu)和刀具企業(yè)開發(fā)了一種可使刀柄在主軸內(nèi)孔錐面和端面同時定位的新型連接方式兩面定位刀柄系統(tǒng)，其中最具代表性的是日本的BIG-PLUS刀柄系統(tǒng)和德國的HSK刀柄系統(tǒng)。,HSK刀柄,BIG-PLUS刀柄,3.2 超精密加工技術(shù),3.2.1 精密和超精密加工的加工范疇,精密和超精密加工代表了加工精度發(fā)展的不同階段，通常，按加工精度劃分，可將機(jī)械加工分為一般加工、精密加工、超精密加工三個階段。 精密加工：加工精度在0.11m，加工表面粗糙度在Ra0.020.1m之間的加工方法稱為精密加工； 超精密加工：加工精度高于0.1m，加工表面粗糙度小于Ra0.01m之間的加工方法稱為超精密加工,超例如：金剛石刀具切削刃鈍圓半徑的大小是金剛石刀具超精密切削的一個關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，日本聲稱已達(dá)到2nm，而我國尚處于亞微米水平，相差一個數(shù)量級；又如金剛石微粉砂輪超精密磨削在日本已用于生產(chǎn)，使制造水平有了大幅度提高，突出地解決了超精密磨削磨料加工效率低的問題。,3.2.2 精密和超精密加工技術(shù)的地位與作用,超精密加工是國家制造工業(yè)水平的重要標(biāo)志之一,3.2 超精密加工技術(shù),精密和超精密加工是先進(jìn)制造技術(shù)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵,3.2 超精密加工技術(shù),作為制造技術(shù)的主戰(zhàn)場，作為真實(shí)產(chǎn)品的實(shí)際制造，必然要靠精密加工和超精密加工技術(shù)，例如，計算機(jī)工業(yè)的發(fā)展不僅要在軟件上，還要在硬件上，即在集成電路芯片上有很強(qiáng)的能力，應(yīng)該說，當(dāng)前，我國集成電路的制造水平約束了計算機(jī)工業(yè)的發(fā)展。美國制造工程研究者提出的汽車制造業(yè)的“兩毫米工程”使汽車質(zhì)量趕上歐、日水平，其中的舉措都是實(shí)實(shí)在在的制造技術(shù)。,超精密加工技術(shù)與國防工業(yè)關(guān)系密切，如陀螺儀的加工涉及多項(xiàng)超精密加工，導(dǎo)彈系統(tǒng)的陀螺儀質(zhì)量直接影響其命中率，1kg的陀螺轉(zhuǎn)子，其質(zhì)量中心偏離其對稱軸0.0005m，則會引起100m的射程誤差和50m的軌道誤差。,3.2.3 精密和超精密加工的需求,國防工業(yè)上的需求,3.2 超精密加工技術(shù),紅外線探測器反射鏡，其拋物面反射鏡形狀精度為1m，表面粗糙度為Ra0.01m，其加工精度直接影響導(dǎo)彈的引爆距離和命中率。 激光核聚變用的曲面鏡，其形狀精度小于1m，表面粗糙度小于Ra0.01m，其質(zhì)量直接影響激光的光源性能。 大型天體望遠(yuǎn)鏡的透鏡、直徑達(dá)2.4m，形狀精度為0.01m，如著名的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡，能觀察140億光年的天體。（圖）,3.2 超精密加工技術(shù),服役的哈勃望遠(yuǎn)鏡,獅子座螺旋星系,宇宙深處的星體,銀河系環(huán)形星群,3.2 超精密加工技術(shù),計算機(jī)上的芯片、磁板基片、光盤基片等都需要超精密加工技術(shù)來制造。錄像機(jī)的磁鼓、復(fù)印機(jī)的感光鼓、各種磁頭、激光打印機(jī)的多面體、噴墨打印機(jī)的噴墨頭等都必須進(jìn)行超精密加工，才能達(dá)到質(zhì)量要求。,信息產(chǎn)品中的需求,計算機(jī)上的芯片,錄像機(jī)的磁鼓,現(xiàn)代小型、超小型的成像設(shè)備，如攝相機(jī)、照相機(jī)等上的各種透鏡，特別是光學(xué)曲面透鏡，激光打印機(jī)、激光打標(biāo)機(jī)等上的各種反射鏡都要靠超精密加工技術(shù)來完成。至于超精密加工機(jī)床、設(shè)備和裝置當(dāng)然更需要超精密加工技術(shù)才能制造。,民用產(chǎn)品中的需求,3.2 超精密加工技術(shù),(1)美國是開展研究最早的國家。加利福尼亞大學(xué)的 LLNL國家實(shí)驗(yàn)室和美國空軍合作研制出的大型光學(xué)金剛石車床(Large Optics Diamond Turning MachineLODTM)是為鏡面加工大直徑光學(xué)鏡頭而開發(fā)的 。 (2)日本是當(dāng)今世界上超精密加工技術(shù)發(fā)展最快的國家。日本在工科大學(xué)里，大多設(shè)置了精密工學(xué)科，十分注重培養(yǎng)精密加工方面的高級人材。許多著名的企業(yè)，如東芝、精工、三菱電氣、西鐵城等，在超精密加工設(shè)備、測量系統(tǒng)等方面卓有成效。,3.2.4 超精密加工現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢,國內(nèi)外現(xiàn)狀,3.2 超精密加工技術(shù),英、德等歐洲國家在超精密加工機(jī)床的制造與精密測量方面也處于世界的先進(jìn)行列。如：當(dāng)今世界上最大的超精密大型CNC光學(xué)零件磨床“OAGM2500”大型非球面反射鏡 (3)我國的超精密加工技術(shù)在70年代末期有了長足進(jìn)步，80年代中期出現(xiàn)了具有世界水平的超精密機(jī)床和部件。,3.2 超精密加工技術(shù),LODTM,OAGM2500,北京機(jī)床研究所研制,哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制,高精度 超精密加工技術(shù)的終極目標(biāo)是 “移動原子”，實(shí)現(xiàn)原子級精度的加工。 大型化 研制各種大型超精密加工設(shè)備，以滿足航天航空等領(lǐng)域的需要。,發(fā)展趨勢,3.2 超精密加工技術(shù),微型化 向微型化發(fā)展，以適應(yīng)微型機(jī)械、集成電路等發(fā)展的需要。 光機(jī)電一體化、加工檢測一體化。 新工藝與復(fù)合加工技術(shù) 面對越來越多的高硬度、高脆性的難加工材料以及低剛度的零件，激光加工、粒子束加工等新工藝將會得到更多的發(fā)展和應(yīng)用。,3.2 超精密加工技術(shù),3.2 超精密加工技術(shù),近年來，在傳統(tǒng)加工方法中，金剛石刀具超精密切削、金剛石微粉砂輪超精密磨削、精密高速切削、精密砂帶磨削等已占有重要地位；在非傳統(tǒng)加工中，出現(xiàn)了電子束、離子束、激光束等高能加工、微波加工、超聲加工、蝕刻、電火花和電化學(xué)加工等多種方法，特別是復(fù)合加工，如磁性研磨、磁流體拋光、電解研磨、超聲珩磨等，在加工機(jī)理上均有所創(chuàng)新。,加工機(jī)理,3.2.5 超精密加工的關(guān)鍵技術(shù),3.2 超精密加工技術(shù),用于精密和超精密加工的零件，其材料的化學(xué)成分、物理力學(xué)性能、加工工藝性能均有嚴(yán)格要求，要求被加工材料質(zhì)地均勻，性能穩(wěn)定，無外部及內(nèi)部微觀缺陷。,被加工材料,3.2 超精密加工技術(shù),(1)高精度。 (2)高剛度。 (3)高穩(wěn)定性。 (4)高自動化。 加工設(shè)備的質(zhì)量與基礎(chǔ)元部件，如主軸系統(tǒng)、導(dǎo)軌、直線運(yùn)動單元和分度轉(zhuǎn)臺等密切相關(guān)，應(yīng)注意這些元部件質(zhì)量。此外，夾具、輔具等也要求有相應(yīng)的高精度、高剛度和高穩(wěn)定性。,加工設(shè)備及其基礎(chǔ)元部件,3.2 超精密加工技術(shù),加工工具主要是指刀具、磨具及刃磨技術(shù)。用金剛石刀具超精密切削，值得研究的問題有：金剛石刀具的超精密刃磨，其刃口鈍圓半徑應(yīng)達(dá)到24nm，同時應(yīng)解決其檢測方法，刃口鈍圓半徑與切削厚度關(guān)系密切，若切削的厚度欲達(dá)到10nm，則刃口鈍圓半徑應(yīng)為2nm。,加工工具,3.2 超精密加工技術(shù),磨具當(dāng)前主要采用金剛石微粉砂輪超精密磨削，這種砂輪有磨料粒度、粘接劑、修整等問題，通常，采用粒度為W20W0.5的微粉金剛石，粘接劑采用樹脂、銅、纖維鑄鐵等。,3.2 超精密加工技術(shù),環(huán)境溫度可根據(jù)加工要求控制在10.02，甚至達(dá)到0.0005。 在恒溫室內(nèi)，一般濕度應(yīng)保持在55%60%，防止機(jī)器的銹蝕、石材膨脹，以及一些儀器，如激光干涉儀的零點(diǎn)漂移等。 潔凈度要求1000100級，100級是指每立方英尺空氣中所含大于0.5m的塵埃不超過100個，依此類推。,工作環(huán)境,3.2 超精密加工技術(shù),3.3 微細(xì)加工技術(shù),微型機(jī)械加工或稱微型機(jī)電系統(tǒng)或微型系統(tǒng)是指可以批量制作的、集微型機(jī)構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號處理和控制電路、甚至外圍接口、通訊電路和電源等于一體的微型器件或系統(tǒng)。,3.3.1 概述,微型機(jī)械概念,3.3 微細(xì)加工技術(shù),體積小（特征尺寸范圍為：1m-10mm）、重量輕、耗能低、性能穩(wěn)定； 有利于大批量生產(chǎn)，降低生產(chǎn)成本； 集約高技術(shù)成果，附加值高。,微型機(jī)械特點(diǎn),3.3 微細(xì)加工技術(shù),微型機(jī)械加工技術(shù)是指制作為機(jī)械裝置的微細(xì)加工技術(shù)。 起源于半導(dǎo)體制造工藝，原來指加工尺度約在微米級范圍的加工方式。,微細(xì)加工技術(shù)概念,3.3 微細(xì)加工技術(shù),從基本加工類型看，微細(xì)加工可大致分四類: 分離加工將材料的某一部分分離出去的加工方式，如分解、蒸發(fā)、濺射、破碎等； 接合加工同種或不同材料的附和加工或相互結(jié)合加工，如蒸鍍、淀積、摻入、生長、粘結(jié)等；,3.3 微細(xì)加工技術(shù),變形加工使材料形狀發(fā)生改變的加工方式，如塑性變形加工、流體變形加工等； 材料處理或改性，如一些熱處理或表面改性等。,3.3 微細(xì)加工技術(shù),目前微型加工技術(shù)主要有硅平面加工和體加工工藝，LIGA加工（微型鑄模電鍍工藝）、準(zhǔn)LIGA加工，超微細(xì)加工、微細(xì)電火花加工（EDM）等技術(shù)。,三維微細(xì)加工 埃菲爾鐵塔微模型,3.3 微細(xì)加工技術(shù),3.3.2 微細(xì)加工技術(shù),1.硅微加工技術(shù),硅微細(xì)加工技術(shù)主要是指以硅材料為基礎(chǔ)制作各種微機(jī)械零部件。分為：,體微機(jī)械加工,表面微機(jī)械加工,3.3 微細(xì)加工技術(shù),體微機(jī)械加工技術(shù)是針對整塊材料通過刻蝕去除部分基體或襯底材料，從而得到所需元件的體構(gòu)形。,刻蝕工藝分為干法刻蝕和濕法刻蝕,返回,3.3 微細(xì)加工技術(shù),表面微機(jī)械加工技術(shù)就是利用集成電路中的平面化制造技術(shù)來制造微機(jī)械裝置 如犧牲層技術(shù) 20世 紀(jì)80年代美國U.C. Berkeley發(fā)明了表 面犧牲層工藝，并 采用該工藝制備了 可動的微型靜電馬 達(dá)。,世界上第一個MEMS器件微型靜電馬達(dá),3.3 微細(xì)加工技術(shù),獲得更復(fù)雜的三維微結(jié)構(gòu)，可以連續(xù)添加犧牲層和結(jié)構(gòu)層，并分別采用恰當(dāng)?shù)墓饪毯涂涛g技術(shù)。,采用五層多晶硅工藝 備的微型傳動結(jié)構(gòu),3.3 微細(xì)加工技術(shù),LIGA是德文的平版印刷術(shù)該工藝在80年代初創(chuàng)立于德國的卡爾斯魯厄原子核研究所，是為制造噴嘴而開發(fā)出來的。,2. LIGA,3.3 微細(xì)加工技術(shù),b) 組裝后的電磁驅(qū)動微馬達(dá)的SEM 照片，由犧牲層和LIGA技術(shù)獲得，轉(zhuǎn)子直徑為150m，三個齒輪的直徑分別為77m,100m和150m,a) LIGA工藝得到的三個鎳材料的微型齒輪，每個齒輪高100m,威斯康星大學(xué)通過LIGA方法制作的微齒輪 和組裝后的微馬達(dá),3.3 微細(xì)加工技術(shù),電火花加工是利用工件和工具電極之間的脈沖性火花放電，產(chǎn)生瞬間高溫使工件材料局部熔化和氣化，從而達(dá)到蝕除的目的。電火花加工由于其非機(jī)械接觸的特點(diǎn)，因而適合于微細(xì)加工。,3. 微細(xì)電火花加工,3.3 微細(xì)加工技術(shù),4. 微細(xì)切削加工技術(shù),微型階 梯軸,微型 螺紋,微小 銑刀,微小 螺旋 槽,3.3.3 微細(xì)加工技術(shù)的應(yīng)用,誰來做 微電子生產(chǎn)裝備？,誰來做噴墨頭？,標(biāo)準(zhǔn)噴墨打印頭 噴墨面積14平方毫米 噴嘴3072個 直徑15微米,打印時加熱器在十萬分之一秒內(nèi)升溫至三百多度，使噴嘴內(nèi)形成約100大氣壓,由此從噴嘴中噴出直徑為20微米、體積為4微微升的墨滴，速度每秒24000滴,這還只是微米技術(shù),微器件,比螞蟻小許多的微齒輪,光交換機(jī),DWDM模塊,以太網(wǎng)光纖,全光開關(guān),波分復(fù)用器,DWDM測試儀,光通信元器件,壓電傳感器,制造壓力傳感器要用晶片的深度蝕刻,共振壓力傳感器,4吋晶片上的16000個傳感器,微納制造應(yīng)用廣闊,轎車上的 微型傳感器,用于加速度、光亮度、位置、溫度、濕度、扭矩、負(fù)荷、重量、空氣流量、氧氣含量等測量控制,Analog Devices公司截止2002年已制造出一億只MEMS加速度傳感器,新華網(wǎng)洛杉磯2007年10月22日專電： 據(jù)紐約時報報道，美國科學(xué)家萊斯大學(xué)教授詹姆斯托爾等人耗費(fèi)年時間研制成了世界上第一輛“納米車輛”?？茖W(xué)家說，未來這種車輛可用來運(yùn)輸單個的分子，成為“納米生產(chǎn)”中的有用工具。這種“納米車輛”不過至納米見方，不到頭發(fā)絲直徑的萬分之一，卻擁有完整的底盤、輪軸和車輪。 它的輪軸能像汽車的輪軸一樣平滑旋轉(zhuǎn)，而輪軸末端是個“巴基球”做成的輪子?！鞍突颉笔怯蓚€碳原子構(gòu)成的納米級球狀分子。,無限風(fēng)光在“微小”,3.4 高能束加工技術(shù),高能密度束流加工主要方法:,激光加工 電子束加工 離子束加工,3.4 高能束加工技術(shù),高能束流加工的共同特點(diǎn)：,1.加工速度快，熱流輸入少，對工件熱影響極少，工件變形小。 2.束流能夠聚焦且有極高的能量密度，激光加工、電子束加工可使任何堅(jiān)硬、難熔的材料在瞬間熔融汽化，而離子束加工是以極大能量撞擊零件表面，使材料變形、分離破壞。 3.工具與工件不接觸，無工具變形及損耗問題。 4.束流控制方便，易實(shí)現(xiàn)加工過程自動化。,3.4 高能束加工技術(shù),激光加工（laser beam machining，LBM）是在光熱效應(yīng)下產(chǎn)生的高溫熔融和沖擊波的綜合作用過程。,3.4.1 激光加工,影 片,3.4 高能束加工技術(shù),激光加工屬非接觸加工，無明顯機(jī)械力，也無工具損耗，工件不變形，加工速度快，熱影響區(qū)小，可達(dá)高精度加工，易實(shí)現(xiàn)自動化。,激光加工的特點(diǎn),因功率密度是所有加工方法中最高的，所以不受 材料限制，幾乎可加工任何金屬與非金屬材料。,3.4 高能束加工技術(shù),激光加工可通過惰性氣體、空氣或透明介質(zhì)對工件進(jìn)行加工，如可通過玻璃對隔離室內(nèi)的工件進(jìn)行加工或?qū)φ婵展軆?nèi)的工件進(jìn)行焊接。 激光可聚焦形成微米級光斑，輸出功率大小可調(diào)節(jié)，常用于精密細(xì)微加工。 能源消耗少，無加工污染，在節(jié)能、環(huán)保等方面有較大優(yōu)勢。,3.4 高能束加工技術(shù),用于特殊材料或特殊工件上的孔加工，如儀表中的寶石軸承、陶瓷、玻璃、金剛石拉絲模等非金屬材料和硬質(zhì)合金、不銹鋼等金屬材料的細(xì)微孔的加工。 激光打孔的效率非常高，打孔時間可縮短至傳統(tǒng)切削加工的百分之一以下，生產(chǎn)率大大提高。 激光打孔的尺寸公差等級可達(dá)IT7，表面粗糙度Ra值可達(dá)0.160.08。,激光加工應(yīng)用,（1）激光打孔,影 片,3.4 高能束加工技術(shù),激光束焊接是以聚集的激光束作為能源的特種熔化焊接方法。 激光器將電能轉(zhuǎn)化為光能，激光波長均一，方向一致，強(qiáng)度非常高。經(jīng)聚焦后，激光束的能量更為集中，將焦點(diǎn)調(diào)節(jié)到焊件結(jié)合處，光能迅速轉(zhuǎn)換成熱能，使金屬瞬間熔化，冷卻凝固后成為焊縫。,（2）激光焊接,影 片,3.4 高能束加工技術(shù),激光切割是激光加工中應(yīng)用最廣泛的技術(shù)，利用激光聚焦以后的高功率密度，連續(xù)照射工件，光束與工件相對移動，使材料形成切縫。,（3）激光切割,影 片,3.4 高能束加工技術(shù),（4）激光表面熱處理,激光熱處理工藝簡單，生產(chǎn)率高，對環(huán)境無污染，硬度比常溫淬火高約15%20%；耗能少，工件變形小，適合精密局部表面硬化及內(nèi)孔或形狀復(fù)雜零件表面的局部硬化處理。,電子束加工是在真空條件下，利用電子槍中產(chǎn)生的電子經(jīng)加速、聚焦后能量密度為106109w/cm2的極細(xì)束流高速沖擊到工件表面上極小的部位，并在幾分之一微秒時間內(nèi)，其能量大部分轉(zhuǎn)換為熱能，使工件被沖擊部位的材料達(dá)到幾千攝氏度，致使材料局部熔化或蒸發(fā)，來去除材料。,3.4.2 電子束加工,1-發(fā)射陰極 2-控制柵極 3-加速陽極 4-聚焦系統(tǒng) 5-電子束斑點(diǎn) 6-工件 7-工作臺,3.4 高能束加工技術(shù),3.4 高能束加工技術(shù),1）高功率密度 屬非接觸式加工，工件不受機(jī)械力作用，很少產(chǎn)生應(yīng)力變形，不存在工具損耗問題。 2）電子束強(qiáng)度、位置、聚焦可精確控制，可在工件上以任何速度行進(jìn)，便于自動化控制。 3）環(huán)境污染少 適合加工純度要求很高的半導(dǎo)體材料及易氧化的金屬材料。,不銹鋼寶石、陶瓷、玻璃等各種材料上的小孔、深孔。最小加工直徑可達(dá)0.003mm，最大深徑比可達(dá)10。 像機(jī)翼吸附屏的孔、噴氣發(fā)動機(jī)套上的冷卻孔，此類孔數(shù)量巨大（高達(dá)數(shù)百萬），且孔徑微小，密度連續(xù)分布而孔徑也有變化，非常適合電子束打孔。 塑料和人造革上打許多微孔，令其象真皮一樣具有透氣性。 還可憑借偏轉(zhuǎn)磁場的變化使電子束在工件內(nèi)偏轉(zhuǎn)方向加工出彎曲的孔。,3.4 高能束加工技術(shù),(1)電子束打孔,3.4 高能束加工技術(shù),可對各種材料進(jìn)行切割，切口寬度僅有36m。 利用電子束再配合工件的相對運(yùn)動，可加工所需要的曲面。,（2）電子束切割,3.4 高能束加工技術(shù),電子束加工曲面、彎孔,3.4 高能束加工技術(shù),電子束加工的噴絲頭異形孔,3.4 高能束加工技術(shù),用計算機(jī)控制，對陶瓷、半導(dǎo)體或金屬材料進(jìn)行電子刻蝕加工；異種金屬焊接；電子束熱處理等。,（4）其它應(yīng)用,離子束加工是在真空條件下利用離子源產(chǎn)生的離子經(jīng)加速聚焦形成高能的離子束流投射到工件表面，使材料變形、破壞、分離以達(dá)到加工目的。 因?yàn)殡x子帶正電荷且質(zhì)量是電子的千萬倍，且加速到較高速度時，具有比電子束大得多的撞擊動能，因此，離子束撞擊工件將引起變形、分離、破壞等機(jī)械作用，而不像電子束是通過熱效應(yīng)進(jìn)行加工。,3.4.3 離子束加工,3.4 高能束加工技術(shù),3.4 高能束加工技術(shù),1）加工精度高。離子束流密度和能量可得到精確控制。 2）在較高真空度下進(jìn)行加工，環(huán)境污染少。特別適合加工高純度的半導(dǎo)體材料及易氧化的金屬材料。 3）加工應(yīng)力小，變形極微小，加工表面質(zhì)量高，適合于各種材料和低剛度零件的加工。,3.4 高能束加工技術(shù),離子束加工方式包括離子蝕刻、離子鍍膜及離子濺射沉積和離子注入等。,3.5 快速成形制造技術(shù),CAD建模 分層切片 層面信息處理 層面加工與粘接 層層堆積 后處理,根據(jù)每層輪廓信息，進(jìn)行工藝規(guī)劃，選擇加工參數(shù)，自動生成數(shù)控代碼,清理零件表面，去除輔助支撐結(jié)構(gòu),由CAD軟件設(shè)計出所需零件的計算機(jī)三維曲面或?qū)嶓w模型,將三維模型沿一定方向離散成一系列有序的二維層片,成形機(jī)制造一系列層片并自動將它們聯(lián)接起來，得到三維物理實(shí)體,3.5.1 快速成形制造的主要方法,選擇性層片粘接（LOM）,選擇性激光燒結(jié)（SLS）,熔融沉積成形（FDM）,選擇性液體固化（SLA）,3.5 快速成形制造技術(shù),選擇性液體固化的基本原理,將激光聚集到液態(tài)光固化材料（如光固化樹脂）表面逐點(diǎn)掃描，令其有規(guī)律地固化，由點(diǎn)到線到面，完成一個層面的建造。而后升降移動一個層片厚度的距離，重新覆蓋一層液態(tài)材料，進(jìn)行第二層掃描，再建造一個層面，第二層就牢固地粘貼到第一層上，由此層層迭加成為一個三維實(shí)體。,選擇性液體固化工藝(SLA),SLA工藝于1984年獲美國專利，1988年美國3D System公司推出的商品化樣機(jī)SLA1，是世界上第一臺快速原型技術(shù)成形機(jī)。,立體光刻（SLA Stereo Lithography Apparatus) 又稱 立體印刷 光成形 激光印刷 光固化立體造型,SLA工藝成形的產(chǎn)品特點(diǎn),鼠標(biāo)外殼激 光樹脂原型,照相機(jī)激光樹脂原型,SLA方法是目前快速成形技術(shù)領(lǐng)域中研究得最多最為成熟的方法。 SLA 工藝成形的零件精度較高，能達(dá)到0.1mm；產(chǎn)品透明美觀，可直接做力學(xué)實(shí)驗(yàn)。 但這種方法也有自身的局限性，比如需要支撐、樹脂收縮導(dǎo)致精度下降、光固化樹脂價格昂貴，有一定的毒性。,選擇性液體固化工藝(SLA),返回,選擇性層片粘接的基本原理,采用激光或刀具對片材進(jìn)行切割。首先切割出工藝邊框和原型的邊緣輪廓線，而后將不屬于原型的材料切割成網(wǎng)格狀。片材表面事先涂覆上一層熱熔膠。通過升降平臺的移動和箔材的送給,并利用熱壓輥輾壓將后鋪的箔材與先前的層片粘接在一起，再切割出的層片。這樣層層迭加后得到下一個塊狀物，最后將不屬于原型的材料小塊剝除，就獲得所需的三維實(shí)體。,選擇性層片粘接（LOM）,分層實(shí)體制造（ (Laminated Object Manufacturing- LOM),LOM工藝由美國Helisys公司于1986年研制成功。 這種方法的代表是美國Helisys公司的LOM-1050和LOM-2030成形機(jī)，日本Kira公司的KSC-50成形機(jī)。,選擇性層片粘接工藝,由于LOM工藝只須在片材上切割出零件截面的輪廓，而不用掃描整個截面，因此工藝簡單，成型速度快，易于制造大型零件； 工藝過程中不存在材料相變，因此不易引起翹曲變形，零件的精度較高，激光切割為0.1mm，刀具切割為0.15mm； 工件外框與截面輪廓之間的多余材料在加工中起到了支撐作用，所以LOM工藝無需加支撐； 材料廣泛，成本低，用紙制原料還有利于環(huán)保； 力學(xué)性能差，只適合做外形檢查。,LOM產(chǎn)品的特點(diǎn),選擇性層片粘接（LOM）,返回,選擇性激光燒結(jié)的基本原理,SLS工藝是利用粉末狀材料成形的。先在工作臺上鋪上一層有很好密實(shí)度和平整度的粉末，用高強(qiáng)度的CO2激光器在上面掃描出零件截面，有選擇地將粉末熔化或粘接，形成一個層面，利用滾子鋪粉壓實(shí)，再熔結(jié)或粘接成另一個層面并與原層面熔結(jié)或粘接，如此層層疊加為一個三維實(shí)體。,選擇性激光燒結(jié)（SLS）,選擇性激光燒結(jié)(SLS) Selective Laser Sintering 激光熔結(jié) （LF） Laser Fusion,選擇性激光燒結(jié)工藝由美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校于1989年研制成功，已被美國DTM公司商品化，推出SLS Model125成形機(jī)。,影片,材料適應(yīng)面廣，不僅能制造塑料零件，還能制造陶瓷、蠟等材料的零件。特別是可以制造出能直接使用的金屬零件。 2. SLS工藝不需加支撐，因?yàn)闆]有燒結(jié)的粉末起到了支撐的作用。,SLS的產(chǎn)品特點(diǎn),3. 精度不高。平均精度為0.150.2mm， 表面粗糙度不好，不宜做薄壁件。,選擇性激光燒結(jié)（SLS）,返回,熔融沉積成形的基本原理,將熱熔性材料（ABS、尼龍或蠟）通過噴頭加熱器熔化；噴頭沿零件截面輪廓和填充軌跡運(yùn)動，同時將熔化的材料擠出；材料迅速凝固冷卻后，與周圍的材料凝結(jié)形成一個層面；然后將第二個層面用同樣的方法建造出來，并與前一個層面熔結(jié)在一起，如此層層堆積而獲得一個三維實(shí)體。,熔融沉積成形 (FDM) Fused Deposition Modeling 熔融擠壓成形 (MEM) Melted Extrusion Modeling,熔融沉積成形工藝于1988年研制成功，后由美國Stratasys公司推出商品化的3D Modeler 1000和FDM1600等規(guī)格的系列產(chǎn)品。,熔融沉積成型(FDM),1. FDM工藝不用激光 器件，因此使用、維護(hù)簡單，成本較低。,2. 精度可達(dá)0.12mm，適合做薄壁件。 3. 污染小，材料可以回收。,FDM的產(chǎn)品特點(diǎn),熔融沉積成型(FDM),3.5.2 快速成形技術(shù)的理解,在快速成形技術(shù)的發(fā)展過程中，各個研究機(jī)構(gòu)和人員均按照自己的理解賦予其不同的稱謂，這些不同稱謂即反映了快速成形技術(shù)不同方面的重要特征。,離散堆積制造 實(shí)體自由成形制造 材料添加制造 即時制造 分層制造 直接CAD制造,離散堆積制造是現(xiàn)代成形學(xué)理論中在對成形技術(shù)發(fā)展進(jìn)行總結(jié)的基礎(chǔ)上提出的，表明了模型信息處理過程的離散性，強(qiáng)調(diào)了成形物理過程的材料堆積性，體現(xiàn)了快速成形技術(shù)的基本成形原理，具有較強(qiáng)的概括性和適應(yīng)性。,實(shí)體自由成形制造(Solid Freeform Fabrication)表明快速成形技術(shù)無需專用的模腔或夾具，零件的形狀和結(jié)構(gòu)也相應(yīng)不受任何約束。RP工藝是用逐層變化的截面來制造三維形體，在制造每一層片時都和前一層自動實(shí)現(xiàn)聯(lián)接，不需要專用夾具或工具，使制造成本完全與批量無關(guān)，既增加了成形工藝的柔性，又節(jié)省了制造工裝和專用工具的大量成本。,材料添加制造(Material Increase Manufacturing)將材料單元采用一定方式堆積、疊加成形，有別于車削等基于材料去除原理的傳統(tǒng)加工工藝。,即時制造(Instant Manufacturing) 反映該類技術(shù)的快速響應(yīng)性。由于無需針對特定零件制定工藝操作規(guī)程，也無需準(zhǔn)備專用夾具和工具，快速成形技術(shù)制造一個零件的全過程遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于傳統(tǒng)工藝相應(yīng)過程，使得快速成形技術(shù)尤其適合于新產(chǎn)品的開發(fā)，顯示了其適合現(xiàn)代科技和社會發(fā)展的快速反應(yīng)的特征和時代要求。,分層制造 (Layered Manufacturing)將復(fù)雜的三維加工分解成一系列二維層片的加工，著重強(qiáng)調(diào)層作為制造單元的特點(diǎn)，每層可采取更低維單元進(jìn)行累加或高維單元進(jìn)行加工得到。,直接CAD制造(Direct CAD Manufacturing)反映了快速成形是CAD模型直接驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計與制造一體化，計算機(jī)中的CAD模型通過接口軟件直接驅(qū)動快速成形設(shè)備，接口軟件完成CAD數(shù)據(jù)向設(shè)備數(shù)控指令的轉(zhuǎn)化和成形過程的工藝規(guī)劃，成形設(shè)備則象打印機(jī)一樣“打印”零件，完成三維輸出。 快速成形由于采用了離散/堆積的加工工藝，CAD和CAM能夠很順利地結(jié)合在一起，快速成形的工藝規(guī)劃主要作用是對成形過程進(jìn)行優(yōu)化以提高造型精度、速度和質(zhì)量，所以快速成形可容易地實(shí)現(xiàn)設(shè)計制造一體化。,快速成形制造技術(shù)的基本概念,快速成形（RP Rapid Prototyping ）是一種基于離散堆積成形思想的新型成形技術(shù)，是集成計算機(jī)、數(shù)控、激光和新材料等最新技術(shù)而發(fā)展起來的先進(jìn)的產(chǎn)品研究與開發(fā)技術(shù)。,快速成形制造(RPM Rapid Prototyping Manufacturing） 是使用RP技術(shù)，由CAD模型直接驅(qū)動的快速完成任意復(fù)雜形狀三維實(shí)體零件的技術(shù)的總稱。,3.5.3 快速成形制造技術(shù)的應(yīng)用,全球RP設(shè)備裝機(jī)量,醫(yī)學(xué) 實(shí)驗(yàn)分析模型 快速模具 快