第九章超高速加工技術(shù)

1、 超高速加工技術(shù)：超高速加工技術(shù)： 采用超硬材料的刀具和磨具，能可靠地實現(xiàn)高速運動的自采用超硬材料的刀具和磨具，能可靠地實現(xiàn)高速運動的自 動化制造設(shè)備，極大地提高材料的切除率，并保證加工精度和動化制造設(shè)備，極大地提高材料的切除率，并保證加工精度和 加工質(zhì)量的現(xiàn)代制造加工技術(shù)。加工質(zhì)量的現(xiàn)代制造加工技術(shù)。 超高速加工包括超高速加工包括超高速切削超高速切削和和超高速磨削超高速磨削。 超高速切削超高速切削（Super High-speed Cutting）: 車削(Turing)：700-7000 m/min 銑削(Milling)：300-6000 m/min 鉆削(Drilling)：200-1

2、100 m/min 磨削(Grinding)：50-300 m/s 鏜削（Boring）：35-75m/min 1. 高速加工切削速度的范圍高速加工切削速度的范圍 鋁合金(Aluminum Alloy)：1000-7000 m/min 銅(Cu)：900-5000 m/min 鋼(Steel)：500-2000 m/min 灰鑄鐵(Gray cast iron)：800-3000 m/min 鈦(Ti)：100-1000m/min 19291929年進行了超高速年進行了超高速 模擬實驗。模擬實驗。 2. 切削理論的提出切削理論的提出 切削適應(yīng)區(qū) 圖1 Salomon切削溫度與切削速度曲線 軟鋁

3、 切削速度v/(m/min) 切削不 適應(yīng)區(qū) 0 600 1200 1800 2400 3000 青銅 鑄鐵 鋼 硬質(zhì)合金980 高速鋼650 碳素工具鋼 450 Stelite合金850 1600 1200 800 400 切 削 溫 度 / 切削適應(yīng)區(qū) 非鐵金屬 圖圖2 切削速度變化和切削溫度的關(guān)系切削速度變化和切削溫度的關(guān)系 切削力低切削力低 切削變形小，切屑流出速度加快，切削力 比常規(guī)降低30-90%，可高質(zhì)量地加工出薄壁零件； 3. 3.高速加工的特點高速加工的特點 材料切除率高材料切除率高 單位時間內(nèi)切除率可提高3-5倍； 圖 3 加工零件 高精度高精度 切削激振頻率遠高于機床系統(tǒng)

4、固有頻率， 加工平穩(wěn)、振動小； 減少工序減少工序 工件加工可在一道工序中完成，稱為 “一次過”技術(shù)（One pass machining）。 A為高速切削加工時的熱傳導過程 B為傳統(tǒng)加工的熱傳導過程 圖圖4 熱傳導對比圖熱傳導對比圖 熱變形小熱變形小 溫升不超過3C，90%切削熱被切屑帶走； 圖5 HSM600U型數(shù)控五軸高速加工中心型數(shù)控五軸高速加工中心 生產(chǎn)廠家：瑞士生產(chǎn)廠家：瑞士Mikron 主軸轉(zhuǎn)速：最高主軸轉(zhuǎn)速：最高42000 rpm 主軸功率：主軸功率：13 KW 進給速度：最高進給速度：最高40 m / min 定位精度：定位精度：0.008 mm 重復定位精度：重復定位精度：0

5、.005mm 圖圖6 HSM 系列高速五軸聯(lián)動小型立式加工中心系列高速五軸聯(lián)動小型立式加工中心 圖圖9 HSM400 加工極高表面光潔度的硬鋼加工極高表面光潔度的硬鋼 HRC62、鋁、銅、塑料工件、鋁、銅、塑料工件 圖圖7 HSM800 圖圖8 HSM600 （1）航空航天領(lǐng)域。）航空航天領(lǐng)域。 圖10 鋁合金整體零件： u 整體零件“掏空”， 切除量大 u 零件有薄壁，要求小 切削力 u 小直徑刀具 u 較長的刀具懸伸 圖11 高速銑削典型工件 專用機床專用機床 5軸軸4工序工序 = 20軸（軸（3萬件萬件/月）月） 剛性（零件、孔數(shù)、孔徑、孔型固剛性（零件、孔數(shù)、孔徑、孔型固 定不變）定不

6、變） 1234 鉆孔鉆孔 表面倒棱表面倒棱 內(nèi)側(cè)倒棱內(nèi)側(cè)倒棱 鉸孔鉸孔 表面和內(nèi)側(cè)倒棱表面和內(nèi)側(cè)倒棱高速鉆孔高速鉆孔 高速加工中心高速加工中心 1臺臺1軸軸1工序（工序（3萬件萬件/月）月） 柔性（零件、孔數(shù)、孔徑、柔性（零件、孔數(shù)、孔徑、 孔型可變）孔型可變） 圖12 汽車輪轂螺栓孔高速加工實例（日產(chǎn)公司） 圖13 采用高速加工縮短模具制作周期（日產(chǎn)汽車公司） 與最終尺寸差值與最終尺寸差值/mm 加工時間加工時間 100 % 10 1 0.1 0.01 0.001 粗加工 精加工 手工精修 傳統(tǒng)加工方法 高速切削高速切削 少量手工精修少量手工精修 b）高速模具加工的過程）高速模具加工的過程

7、圖14 兩種模具加工過程比較 1硬化毛坯硬化毛坯 2粗銑粗銑 3半精銑半精銑 4精銑精銑 5手工磨修手工磨修 a）傳統(tǒng)模具加工的過程）傳統(tǒng)模具加工的過程 1毛坯毛坯 2粗銑粗銑 3半精銑半精銑 4熱處理熱處理 5電火花加工電火花加工6精銑精銑 7手工磨修手工磨修 電極制造 生產(chǎn)剃須刀的石墨電極生產(chǎn)剃須刀的石墨電極 生產(chǎn)球形柄用的銅電極生產(chǎn)球形柄用的銅電極 圖圖15 高速切削加工電火花加工用工具電極高速切削加工電火花加工用工具電極 （4）難加工材料領(lǐng)域。）難加工材料領(lǐng)域。硬金屬材料（HRC5562），可 代替磨削，精度可達IT5IT6級，粗糙度可達0.21um。 （5）超精密微細切削加工領(lǐng)域。）

8、超精密微細切削加工領(lǐng)域。 粗銑整體鋁板；粗銑整體鋁板； 精銑去口；精銑去口； 鉆鉆680個直徑為個直徑為3mm的小孔。的小孔。 時間為時間為32min。 圖16 高速切削加工醫(yī)用藥盒高速切削加工醫(yī)用藥盒 1. 高速主軸 高速化指標：dm n值，至少達到1106 電主軸：電主軸：交流伺服電動機內(nèi)置式集成化結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)子套裝 在機床的主軸上，定子安裝在主軸單元的殼體中，采用水冷 或油冷。精度高、振動小、噪聲低、結(jié)構(gòu)緊湊。 采用的軸承有：滾動軸承（陶瓷軸承）、磁浮軸承、氣 體靜壓軸承、液體靜壓軸承。 陶瓷球 軸承 圖17 陶瓷軸承高速主軸 密封 圈 旋轉(zhuǎn)變 壓器 電主 軸 陶瓷球 軸承 冷卻水 出口 冷

9、卻水 入口 q 陶瓷軸承高速主軸結(jié)構(gòu) 前輔助軸 承 電主軸 雙面軸 向推力 軸承 前徑向軸 承 后徑向軸 承后輔助軸 承 前徑向傳感 器 后徑向傳感 器 軸向傳感 器 圖18 磁浮軸承高速主軸 q 磁浮軸承主軸結(jié)構(gòu)磁浮軸承主軸結(jié)構(gòu) 2.2.快速進給系統(tǒng)快速進給系統(tǒng) 伺服電動機伺服電動機+ +大導程高速精密滾珠絲杠副；大導程高速精密滾珠絲杠副； 直流直線電機、交流永磁同步直線電動機、交流感應(yīng)異步直直流直線電機、交流永磁同步直線電動機、交流感應(yīng)異步直 線電動機的進給系統(tǒng)。線電動機的進給系統(tǒng)。 3 3 基座基座 4 4 磁性軌道磁性軌道 5 5 直線電機直線電機 6 6 直線導軌直線導軌7 7 直線

10、光柵直線光柵 8 8 平臺平臺 9 9 接口電纜接口電纜 10 10 防護罩防護罩 圖圖20 20 結(jié)構(gòu)圖結(jié)構(gòu)圖 3.3.高性能的高性能的CNC控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) 圖圖21 六桿機床（六桿機床（并聯(lián)機床結(jié)構(gòu)）并聯(lián)機床結(jié)構(gòu)） 4.4.先進的機床結(jié)構(gòu)先進的機床結(jié)構(gòu) 超精密加工是指被加工零件的尺寸精度為0.10.01m， 加工表面粗糙度達Ra0.030.0051m數(shù)量級的加工技術(shù)。隨著 加工技術(shù)的發(fā)展，超精密加工的技術(shù)指標也在不斷變化。 一般加工：精度10m左右，Ra0.30.8m； 精密加工：精度100.1m左右，Ra0.30.03m； 超精密加工：精度0.10.01m左右，Ra0.030.05m；

11、 納米加工：精度高于0.001m，Ra小于0.005m。 超精密加工的主要方法有： 1）金剛石刀具超精密切削； 2）精密和鏡面磨削； 3）精密研磨和拋光； 第第2節(jié)節(jié) 超精密加工技術(shù)超精密加工技術(shù) 1.1.金剛石刀具超精密切削金剛石刀具超精密切削 金剛石刀具擁有很高的高溫強度和硬度，而且材質(zhì) 細密，經(jīng)過精細研磨，切削刃可磨得極為鋒利，表面 粗糙度值很小，因此可進行鏡面切削。 金剛石刀具超精密切削主要用于加工銅、鋁等有 色金屬，如高密度硬磁盤的鋁合金基片、激光器的反 射鏡、復印機的硒鼓、光學平面鏡，凹凸鏡、拋物面 鏡等。 2. 2.精密和鏡面磨削精密和鏡面磨削 磨削時尺寸精度和幾何精度主要靠精密

12、磨床保 證，可達亞微米級精度（指精度為110-2m）。在 某些超精密磨床上可磨出十納米精度的工件。在精 密磨床上使用細粒度磨粒砂輪可磨削出Ra=0.1 0.05m的表面。使用金屬結(jié)合劑砂輪的在線電解修 整砂輪的鏡面磨削技術(shù)可得到 Ra0.010.002m的 鏡面。 3. 3.精密研磨和拋光精密研磨和拋光 精密研磨和拋光技術(shù)意指：使用超細粒度的自由 磨料，在研具的作用和帶動下加工表面，產(chǎn)生壓痕 和微裂紋，依次去除表面的微細突出處，加工出 Ra0.010.02m的鏡面。 超精密加工是以精密元件為加工對象。超精密 加工必須具有穩(wěn)定的加工環(huán)境，即必須在恒溫、超 凈、防振等條件下進行。另外，精密測量是超

13、精密 加工的必要手段，否則無法判斷加工精度。 納米（Nanometer）,是一個長度單位，簡寫為nm。 1nm=10-3m=10-9m。納米技術(shù)是20世紀80年代末期誕生并在 蓬勃發(fā)展的一種高新科學技術(shù)。納米不僅是一個空間尺度上 的概念，而且是一種新的思維方式，即生產(chǎn)過程越來越細， 以至于在納米尺度上直接由原子、分子的排布制造的具有特 定功能的產(chǎn)品。 1.納米技術(shù)的含義 納米技術(shù)是指納米級（0.1100nm）的材料、設(shè)計、制 造、測量、控制和產(chǎn)品的技術(shù)。它將加工和測量精度從微米 級提高到納米級。 2.納米技術(shù)的主要內(nèi)容 納米技術(shù)是一門多學科交叉的高新技術(shù)，從基礎(chǔ)研究角 度來看，納米技術(shù)包括：納

14、米生物學、納米電子學、納米化 學、納米材料和納米機械學等新學科。 4 4、納米加工技術(shù)、納米加工技術(shù) 納米級加工是指：加工精度高于10-3m，表面粗糙度 Ra小于0.005m，達到納米級精度。包括納米級 尺寸精度、納米級幾何形狀精度和納米級表面質(zhì)量。 納米級加工方法包括：機械加工、化學腐蝕、能量束加 工、復合加工、掃描隧道顯微加工等。 納米級機械加工方法包括：單晶金剛石刀具的超精密磨 削；金剛石砂輪和立方氮化硼砂輪的超精密磨削及 鏡面磨削；衍磨和砂帶拋光等固定磨料工具的加工；衍 磨、拋光等自由磨料的加工等。 在達到納米層次后，決非幾何上的在達到納米層次后，決非幾何上的“相似縮小相似縮小”， 而

15、出現(xiàn)一系列新現(xiàn)象和規(guī)律。量子效應(yīng)、波動特性、微而出現(xiàn)一系列新現(xiàn)象和規(guī)律。量子效應(yīng)、波動特性、微 觀漲落等不可忽略，甚至成為主導因素。觀漲落等不可忽略，甚至成為主導因素。 波及工件內(nèi)層，可獲得高精度和好表 面質(zhì)量。 機理、特點 照像機塑料鏡片、樹脂隱形眼鏡 鏡片等。鏡片及光學元器件為主。鏡片及光學元器件為主。 應(yīng)用 應(yīng)用實例 棱鏡加工棱鏡加工 光學玻璃加工光學玻璃加工 攝像頭：要求下表面能夠很好的反光成像攝像頭：要求下表面能夠很好的反光成像 應(yīng)用實例 后視鏡后視鏡室外廣角鏡室外廣角鏡 金剛石刀具 金剛石刀具磨損的常見形式為機械磨損和破損。 機械磨損機械摩擦、非常微小； 破損本身裂紋、沖擊和振動。

16、 刀具磨損直接影響到加工質(zhì)量。（具體視加工材料而 定） 金剛石刀具只能安裝在機床主軸轉(zhuǎn)動非常平穩(wěn)的高精 度機床上使用。（不能有振動）。 金剛石車床 加工4.5mm陶瓷球 圖圖 金剛石車床及其加工照片金剛石車床及其加工照片 精密切削加工精密切削加工 精密加工：加工精度為0.11um，表面粗糙度為0.02 0.1um。 3、增強互換性、促進自動化裝配應(yīng)用。 提高加工精度的好處： 1、提高產(chǎn)品的性能與質(zhì)量、穩(wěn)定性和可靠性； 2、促進產(chǎn)品的小型化；（集成線路、磁盤容量） 精密加工技術(shù)涉及內(nèi)容廣泛的綜合性技術(shù)：精密 機床設(shè)備和工具、穩(wěn)定的加工環(huán)境、運用計算機技術(shù) 的實時檢測和反饋補償?shù)取?精密加工的關(guān)鍵

17、技術(shù)： 1、精密加工機床 2、金剛石刀具 3、精密切削機理 5、誤差補償 4、穩(wěn)定的加工環(huán)境 6、精密測量技術(shù) 精密加工機床精密加工機床 研究方向：提高機床主軸的回轉(zhuǎn)精度、工作臺 的直線運動精度以及刀具的微量進給精度。（主軸 軸承和導軌） 超精密級滾動軸承液體靜壓或空氣靜壓軸承。 金剛石刀具金剛石刀具 金剛石晶面選擇、金剛石刀具刃口的圓弧半徑。 先進國家達到納米級，我國0.10.3um。 精密切削機理精密切削機理 積屑瘤的形成、毛刺的產(chǎn)生、切削參數(shù)及加工 條件等。需深入研究以掌握其變化規(guī)律。 穩(wěn)定的加工環(huán)境穩(wěn)定的加工環(huán)境 恒溫（加工空間和機床本身）、防振、凈化（高效 過濾器）。 誤差補償誤差補

18、償 消除或抵消誤差本身的影響。同時防止誤差累 計。（一直靠提高機床制造精度來提高工件精度會使成本大大增加） 精密測量技術(shù)精密測量技術(shù) 高一個數(shù)量級、顯微鏡和激光干涉儀等。隧道 顯微鏡分辨率達到0.1nm。 精密切削研究最早從金剛石車削開始金剛 石銑削金剛石鏜削，來加工型面和內(nèi)孔。刀具 材料從金剛石刀具材料立方氮化硼、復合陶瓷 等。 精密加工的經(jīng)濟性： 過去尤其其昂貴的價格、高要求的加工環(huán)境在 一定程度上限制精密加工的應(yīng)用范圍。 現(xiàn)在由于科學技術(shù)發(fā)展和生活水平的提高，精 密加工深入到各個領(lǐng)域。機械制造業(yè)：加工工具、 卡具、量具，發(fā)達國家已經(jīng)開始零件的精密加工。 第3節(jié) 快速成型技術(shù) 一、一、RP

19、技術(shù)概述技術(shù)概述 1、RP技術(shù)的發(fā)展歷史技術(shù)的發(fā)展歷史 快速成型快速成型(Rapid Prototyping,簡稱簡稱RP)技術(shù)是技術(shù)是20 世紀世紀80年代后期發(fā)展起來的年代后期發(fā)展起來的, 是由是由CAD模型直接驅(qū)動模型直接驅(qū)動 的快速制造任意復雜形狀三維物理實體的技術(shù)總稱。的快速制造任意復雜形狀三維物理實體的技術(shù)總稱。 1986年美國年美國3D Systems公司率先推出了稱為公司率先推出了稱為 Stereolithography Apparatus （簡稱（簡稱SLA）的激光快）的激光快 速成型制造系統(tǒng)，引起工業(yè)界的廣泛興趣并且速成型制造系統(tǒng)，引起工業(yè)界的廣泛興趣并且RP得得 到了異乎

20、尋常的迅猛發(fā)展。到了異乎尋常的迅猛發(fā)展。 目前美國在目前美國在RP領(lǐng)域處于主導地位，德國、以色領(lǐng)域處于主導地位，德國、以色 列、日本也處于國際領(lǐng)先水平。在列、日本也處于國際領(lǐng)先水平。在RP領(lǐng)域國內(nèi)有清領(lǐng)域國內(nèi)有清 華大學、西安交通大學、南京航空航天大學、華中科華大學、西安交通大學、南京航空航天大學、華中科 技大學，北京隆源公司等。技大學，北京隆源公司等。 2、RP技術(shù)原理和成型過程技術(shù)原理和成型過程 傳統(tǒng)加工：去材法、變形法。傳統(tǒng)加工：去材法、變形法。 RP加工：材料累加法。加工：材料累加法。 計算機科學計算機科學 CAD/ CAM 數(shù)控技術(shù)數(shù)控技術(shù) 激光技術(shù)激光技術(shù) 新材料新材料 RP 自動

21、、快速、準確自動、快速、準確 制品制品 RP技術(shù)基本原理：離散技術(shù)基本原理：離散堆積（疊加）堆積（疊加） 三維模型構(gòu)建：三維模型構(gòu)建： Pro/E、UG、 SolidWorks、 激光掃描、激光掃描、 CT斷層掃描等斷層掃描等 三維模型的近三維模型的近 似處理似處理:三角形三角形 平面來逼近原平面來逼近原 來的模型來的模型 （STL文件）文件） 三維模型的切三維模型的切 片處理：加工片處理：加工 方向（方向（Z方向）方向） 進行分層進行分層 成型加工：成型成型加工：成型 頭（激光頭或頭（激光頭或 噴頭）按各截面噴頭）按各截面 輪廓信息掃描輪廓信息掃描 后處理：打磨、后處理：打磨、 拋光、涂掛、

22、拋光、涂掛、 燒結(jié)燒結(jié)等等 間隔一間隔一 般取般取 0.05m- 0.5mm， 常用常用 0.1mm 圖圖3、 RP成型過程圖成型過程圖 3、RP技術(shù)的特點和影響技術(shù)的特點和影響 新產(chǎn)品開發(fā)的一般過程：新產(chǎn)品開發(fā)的一般過程： 設(shè)計設(shè)計試制試制試驗試驗征求用戶意見征求用戶意見 市場推銷市場推銷生產(chǎn)生產(chǎn)修改定型修改定型 RP：設(shè)計、：設(shè)計、 成型，成型， 時間，成本時間，成本 模具：制模、模具：制模、 試模、修模，試模、修模， 時間，成本時間，成本 RP技術(shù)的主要特點：技術(shù)的主要特點： （1）可以制造任意復雜的三維幾何實體）可以制造任意復雜的三維幾何實體 （2）快速性）快速性 :幾個小時到幾十個小

23、時就可制造出零件幾個小時到幾十個小時就可制造出零件 （3）高度柔性：無需任何專用夾具或工具）高度柔性：無需任何專用夾具或工具 （4）產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與性能的及時快速優(yōu)化）產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與性能的及時快速優(yōu)化 （5）進行小批量生產(chǎn)）進行小批量生產(chǎn) （6）RP技術(shù)有利于環(huán)保技術(shù)有利于環(huán)保 二、二、RP技術(shù)加工方法和設(shè)備技術(shù)加工方法和設(shè)備 目前目前RP技術(shù)的快速成型工藝方法有十多種。現(xiàn)技術(shù)的快速成型工藝方法有十多種?，F(xiàn) 簡要介紹四種比較成熟且常用的四種成型方法：光固簡要介紹四種比較成熟且常用的四種成型方法：光固 化成型（化成型（SLA）、分層實體制造（）、分層實體制造（LOM）、選擇域）、選擇域 激光粉末燒結(jié)成型（

24、激光粉末燒結(jié)成型（SLS）、熔融沉積成型（）、熔融沉積成型（FDM）。）。 1、SLA 光固化法是第一個投入商業(yè)應(yīng)用的光固化法是第一個投入商業(yè)應(yīng)用的RP技術(shù)技術(shù),它以它以 美國美國3D Systems公司生產(chǎn)的公司生產(chǎn)的SLA系列成型機為代表。系列成型機為代表。 SLA技術(shù)是基于液態(tài)光敏樹脂的光聚合原理工作的，技術(shù)是基于液態(tài)光敏樹脂的光聚合原理工作的， 這種液態(tài)材料在一定波長和強度的紫外光照射下能迅這種液態(tài)材料在一定波長和強度的紫外光照射下能迅 速發(fā)生光聚合反應(yīng)，分子量急劇增大，材料也就從液速發(fā)生光聚合反應(yīng)，分子量急劇增大，材料也就從液 態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)。態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)。 SLA工作原理工作原理 圖

25、圖4、SLA工作原理圖工作原理圖 SLA優(yōu)點：優(yōu)點： (1)原材料的利用率將近原材料的利用率將近100% ； (2)尺寸精度高尺寸精度高( 0. 1 mm)； (3)表面質(zhì)量優(yōu)良；表面質(zhì)量優(yōu)良； (4)可以制作結(jié)構(gòu)十分復雜的模型。可以制作結(jié)構(gòu)十分復雜的模型。 SLA缺點：缺點： (1)成型過程中伴隨著物理和化學變化，所以制件較易成型過程中伴隨著物理和化學變化，所以制件較易 彎曲，需要支撐，如圖彎曲，需要支撐，如圖5； (2)可使用的材料種類較少；可使用的材料種類較少； (3)液態(tài)樹脂具有氣味和毒性，并且需要避光保護，以液態(tài)樹脂具有氣味和毒性，并且需要避光保護，以 防止提前發(fā)生聚合反應(yīng)，選擇時有

26、局限性。防止提前發(fā)生聚合反應(yīng)，選擇時有局限性。 圖圖5、SLA成型中加入支撐示意圖成型中加入支撐示意圖 2、LOM LOM工藝由美國工藝由美國Helisys于于1986年研制成功。年研制成功。 LOM工藝采用薄片材料，如紙、塑料薄膜等。片材工藝采用薄片材料，如紙、塑料薄膜等。片材 表面事先涂覆上一層熱熔膠。其主要零部件有：工作表面事先涂覆上一層熱熔膠。其主要零部件有：工作 平臺、平臺、CO2激光器、加熱輥、供料與收料輥等。激光器、加熱輥、供料與收料輥等。 圖圖6、LOM原理圖原理圖 熱壓輥熱壓片材熱壓輥熱壓片材 激光器切割出激光器切割出 零件截面輪廓零件截面輪廓 和工件外框和工件外框 工作臺下

27、降工作臺下降 滾筒轉(zhuǎn)動滾筒轉(zhuǎn)動 工作臺上升工作臺上升 圖圖7、多余網(wǎng)格部分的去除、多余網(wǎng)格部分的去除 薄殼件薄殼件 頭蓋骨頭蓋骨 LOM 2030 H機器外觀機器外觀 LOM優(yōu)點：優(yōu)點： （1）成型效率高，）成型效率高，LOM工藝只需在片材上切割出零工藝只需在片材上切割出零 件截面的輪廓，而不用掃描整個截面，因此成型厚壁件截面的輪廓，而不用掃描整個截面，因此成型厚壁 零件的速度較快，易于制造大型零件；零件的速度較快，易于制造大型零件； （2）無翹曲變形，工藝過程中不存在材料相變，因）無翹曲變形，工藝過程中不存在材料相變，因 此沒有熱應(yīng)力、膨脹和收縮不易引起翹曲變形；此沒有熱應(yīng)力、膨脹和收縮不易

28、引起翹曲變形； （3）無需加支撐，工件外框與截面輪廓之間的多余）無需加支撐，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，所以材料在加工中起到了支撐作用，所以LOM工藝無需工藝無需 加支撐。加支撐。 LOM缺點：材料浪費嚴重，表面質(zhì)量差。缺點：材料浪費嚴重，表面質(zhì)量差。 3、SLS SLS工藝最初由美國德克薩斯大學奧斯汀分校工藝最初由美國德克薩斯大學奧斯汀分校 (UIIiversity of Texas at Austin)的的Carl Deckard于于1989 年在其碩士論文中提出，后由年在其碩士論文中提出，后由Texas大學組建的大學組建的DTM 公司于公司于1992年推出了

29、該工藝的商業(yè)化生產(chǎn)設(shè)備年推出了該工藝的商業(yè)化生產(chǎn)設(shè)備 Sinterstation。 該工藝實用高功率的激光加熱，把粉末熔化在該工藝實用高功率的激光加熱，把粉末熔化在 一起形成零件，一起形成零件，SLS工藝的重要吸引力是可用于多種工藝的重要吸引力是可用于多種 熱塑性塑料的成型熱塑性塑料的成型,如尼龍、聚碳酸酯、聚丙烯酸酯如尼龍、聚碳酸酯、聚丙烯酸酯 類、聚苯乙烯、聚氯乙烯、高密度聚乙烯等。類、聚苯乙烯、聚氯乙烯、高密度聚乙烯等。 SLS工作原工作原 理：理： 鋪粉鋪粉 激光器掃描激光器掃描 圖圖8、SLS工作原理圖工作原理圖 SLS方法中的工藝參數(shù)對粉末的熔融有很大影響，方法中的工藝參數(shù)對粉末的

30、熔融有很大影響， 如激光功率、光斑大小、掃描速度、掃描間距、單層如激光功率、光斑大小、掃描速度、掃描間距、單層 厚度、粉床溫度等都會影響燒結(jié)件的性能。厚度、粉床溫度等都會影響燒結(jié)件的性能。 激光功率激光功率較低時較低時,燒結(jié)件的拉伸強度和沖擊強度燒結(jié)件的拉伸強度和沖擊強度 均隨激光功率的增加而增加。激光功率過大時引起粉均隨激光功率的增加而增加。激光功率過大時引起粉 末的氧化降解末的氧化降解,從而降低了燒結(jié)件的強度。從而降低了燒結(jié)件的強度。 掃描速度掃描速度決定了激光束對粉末的加熱時間決定了激光束對粉末的加熱時間,在激在激 光功率相同的情況下光功率相同的情況下,掃描速度越低掃描速度越低,激光對粉

31、末的加激光對粉末的加 熱時間越長熱時間越長,傳輸?shù)臒崃慷鄠鬏數(shù)臒崃慷?粉末熔化較好粉末熔化較好,燒結(jié)件的強燒結(jié)件的強 度高。但過低的掃描速度導致粉末表面的溫度過高度高。但過低的掃描速度導致粉末表面的溫度過高, 不僅不能提高燒結(jié)件的強度不僅不能提高燒結(jié)件的強度,還會影響成型速度。還會影響成型速度。 單層層厚單層層厚指鋪粉厚度指鋪粉厚度,即工作缸下降一層的高度。即工作缸下降一層的高度。 對于某一制品對于某一制品,采用較大的單層厚度采用較大的單層厚度,所需制造的總層所需制造的總層 數(shù)少數(shù)少,制造時間短。但由于激光在粉末中的透射強度制造時間短。但由于激光在粉末中的透射強度 隨厚度的增加而急劇下降隨厚度

32、的增加而急劇下降,單層厚度過大單層厚度過大,會導致層與會導致層與 層之間黏結(jié)不好層之間黏結(jié)不好,甚至出現(xiàn)分層甚至出現(xiàn)分層,嚴重影響成型件的強嚴重影響成型件的強 度。度。 SLS的優(yōu)點是無需支撐的優(yōu)點是無需支撐,成型的零件機械性能好成型的零件機械性能好, 強度高。缺點是粉末比較松散強度高。缺點是粉末比較松散,燒結(jié)后精度不高燒結(jié)后精度不高,尤其尤其 是是Z軸方向的精度難以控制。軸方向的精度難以控制。 4、FDM FDM工藝由美國工程師工藝由美國工程師ScottCrump于于1988年研年研 制成功。制成功。FDM的材料一般是熱塑性材料，以絲狀供的材料一般是熱塑性材料，以絲狀供 料。材料在噴頭內(nèi)被加

33、熱熔化，噴頭沿零件截面輪廓料。材料在噴頭內(nèi)被加熱熔化，噴頭沿零件截面輪廓 和填充軌跡運動，同時將熔化的材料擠出，材料迅速和填充軌跡運動，同時將熔化的材料擠出，材料迅速 凝固，并與周圍的材料凝結(jié)。凝固，并與周圍的材料凝結(jié)。 加熱絲狀材料加熱絲狀材料 噴頭掃描并噴噴頭掃描并噴 出半流動狀材料出半流動狀材料 材料固化材料固化 圖圖9、FDM原理圖原理圖 噴頭是實現(xiàn)噴頭是實現(xiàn)FDM工藝的關(guān)鍵部件，噴頭結(jié)構(gòu)設(shè)工藝的關(guān)鍵部件，噴頭結(jié)構(gòu)設(shè) 計和控制方法是否合理，直接關(guān)系到成型過程能否順計和控制方法是否合理，直接關(guān)系到成型過程能否順 利進行，并影響成型的質(zhì)量利進行，并影響成型的質(zhì)量 ，另一方面為了提高生，另一

34、方面為了提高生 產(chǎn)效率可以采用多噴頭，美國產(chǎn)效率可以采用多噴頭，美國3D公司推出的公司推出的 Actua2100,其噴頭數(shù)多達其噴頭數(shù)多達96個。個。 在成型有支撐制件時單噴頭和雙噴頭的比較：在成型有支撐制件時單噴頭和雙噴頭的比較： 成型材料成型材料 支撐材料支撐材料 單噴頭單噴頭 雙噴頭雙噴頭 密實密實 疏松疏松 水溶性或低水溶性或低 熔點材料熔點材料 溶于水或加熱溶于水或加熱 剝離剝離 目前，目前，F(xiàn)DM系統(tǒng)采用柱塞式噴頭（如圖系統(tǒng)采用柱塞式噴頭（如圖10）和）和 螺桿式擠出噴頭（如圖螺桿式擠出噴頭（如圖11）。）。 圖圖10、柱塞式噴頭、柱塞式噴頭圖圖11、螺桿式噴頭、螺桿式噴頭 FDM

35、的優(yōu)點：的優(yōu)點： (1)由于熱融擠壓頭系統(tǒng)構(gòu)造原理和操作簡單，維護成本由于熱融擠壓頭系統(tǒng)構(gòu)造原理和操作簡單，維護成本 低，系統(tǒng)運行安全；低，系統(tǒng)運行安全； (2)原材料在成型過程中無化學變化，制件的翹曲變形??；原材料在成型過程中無化學變化，制件的翹曲變形?。?(3)原材料利用率高，且材料壽命長。原材料利用率高，且材料壽命長。 FDM的缺點：的缺點： (1)成型件的表面有較明顯的條紋；成型件的表面有較明顯的條紋； (2)沿成型軸垂直方向的強度比較弱；沿成型軸垂直方向的強度比較弱； (3)需要設(shè)計與制作支撐結(jié)構(gòu)，如圖需要設(shè)計與制作支撐結(jié)構(gòu)，如圖12。 圖圖12、FDM快出成型支撐結(jié)構(gòu)圖快出成型支撐

36、結(jié)構(gòu)圖 三、快速成型技術(shù)的應(yīng)用三、快速成型技術(shù)的應(yīng)用 快速成型技術(shù)的最初應(yīng)用主要集中在產(chǎn)品開發(fā)快速成型技術(shù)的最初應(yīng)用主要集中在產(chǎn)品開發(fā) 中的設(shè)計評價、中的設(shè)計評價、 功能試驗上。功能試驗上。 設(shè)計人員根據(jù)快速成設(shè)計人員根據(jù)快速成 型得到的試件原型對產(chǎn)品的設(shè)計方案進行試驗分析、型得到的試件原型對產(chǎn)品的設(shè)計方案進行試驗分析、 性能評價性能評價 ,借此縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期、借此縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期、 降低設(shè)計費用。降低設(shè)計費用。 經(jīng)過十幾來的發(fā)展經(jīng)過十幾來的發(fā)展 ,快速成型技術(shù)早已突破了其最初快速成型技術(shù)早已突破了其最初 意義上的意義上的 “原型原型” 概念概念 ,向著快速零件、向著快速零件、 快速工具

37、快速工具 等方向發(fā)展。等方向發(fā)展。 目前目前RP技術(shù)已得到了工業(yè)界的普遍關(guān)注技術(shù)已得到了工業(yè)界的普遍關(guān)注, 尤其在尤其在 家用電器、汽車、玩具、輕工業(yè)產(chǎn)品、建筑模型、醫(yī)家用電器、汽車、玩具、輕工業(yè)產(chǎn)品、建筑模型、醫(yī) 療器械及人造器官模型、航天器、軍事裝備、考古、療器械及人造器官模型、航天器、軍事裝備、考古、 工業(yè)制造、雕刻、電影制作以及從事工業(yè)制造、雕刻、電影制作以及從事CAD 的部門都的部門都 得到了良好的應(yīng)用得到了良好的應(yīng)用. 其用途主要體現(xiàn)在以下其用途主要體現(xiàn)在以下6個方面。個方面。 1、新產(chǎn)品研制開發(fā)階段的試驗驗證、新產(chǎn)品研制開發(fā)階段的試驗驗證 2、新產(chǎn)品投放市場前的調(diào)研和宣傳、新產(chǎn)品

38、投放市場前的調(diào)研和宣傳 3、基于快速成型技術(shù)的快速制模（、基于快速成型技術(shù)的快速制模（RT）技術(shù)）技術(shù) 由于由于RP方法對使用材料的限制，并不能夠完全方法對使用材料的限制，并不能夠完全 替代最終的產(chǎn)品。在新產(chǎn)品功能檢驗、投放市場試運替代最終的產(chǎn)品。在新產(chǎn)品功能檢驗、投放市場試運 行和準確獲得用戶使用后的反饋信息等方面，仍需要行和準確獲得用戶使用后的反饋信息等方面，仍需要 由實際材料制造的產(chǎn)品。因此，由實際材料制造的產(chǎn)品。因此， 需要利用需要利用RP原型作原型作 母模來翻制模具，母模來翻制模具， 這便產(chǎn)生了基于這便產(chǎn)生了基于RP的快速模具制的快速模具制 造技術(shù)（造技術(shù)（RT）。）。 RP+RT技

39、術(shù)提供了一條從模具的技術(shù)提供了一條從模具的CAD模型直接模型直接 制造模具的新概念和方法。它將模具的概念設(shè)計和加制造模具的新概念和方法。它將模具的概念設(shè)計和加 工工藝集成在一個工工藝集成在一個CADCAM系統(tǒng)內(nèi)，并行工程的系統(tǒng)內(nèi)，并行工程的 應(yīng)用，為信息流的暢通流動創(chuàng)造了良好的條件。應(yīng)用，為信息流的暢通流動創(chuàng)造了良好的條件。 RT方法的分類：方法的分類： 按功能用途可分為：塑料模、鑄按功能用途可分為：塑料模、鑄(型型)模、沖壓模、模、沖壓模、 鍛造模及石墨電極研磨母模。鍛造模及石墨電極研磨母模。 按制模材料可分為簡易模按制模材料可分為簡易模(也稱作軟模、經(jīng)濟模也稱作軟模、經(jīng)濟模 或非鋼制模或非

40、鋼制模)和鋼制硬模。和鋼制硬模。 根據(jù)不同的制模工藝方法，快速模具可分直接根據(jù)不同的制模工藝方法，快速模具可分直接 快速模具和間接快速模具?？焖倌＞吆烷g接快速模具。 直接快速模具，亦即快速成型模具，以快速成直接快速模具，亦即快速成型模具，以快速成 型件直接作為成形模具。間接快速模具，亦即型腔復型件直接作為成形模具。間接快速模具，亦即型腔復 制模具，以快速成型件為母模，通過型腔復制制作模制模具，以快速成型件為母模，通過型腔復制制作模 具，包括硅橡膠復制、金屬冷噴涂、精密鑄造、樹脂具，包括硅橡膠復制、金屬冷噴涂、精密鑄造、樹脂 材料型腔復制等。材料型腔復制等。 目前，基于目前，基于RP的的RT的方

41、法多為間接制模法，依的方法多為間接制模法，依 據(jù)材質(zhì)不同，間接制模法生產(chǎn)出來的模具一般分為軟據(jù)材質(zhì)不同，間接制模法生產(chǎn)出來的模具一般分為軟 質(zhì)模具和硬質(zhì)模具兩大類。質(zhì)模具和硬質(zhì)模具兩大類。 軟質(zhì)模具制造方法主要有樹脂澆注法、金屬噴軟質(zhì)模具制造方法主要有樹脂澆注法、金屬噴 涂法、電鍍法、硅橡膠澆鑄法等。涂法、電鍍法、硅橡膠澆鑄法等。 （1）硅橡膠澆注法）硅橡膠澆注法 制作過程為：制作過程為： 原型的原型的 表面處表面處 理理 涂刷脫模涂刷脫模 劑，固定劑，固定 原型并放原型并放 置型框置型框 硅橡膠計硅橡膠計 量、真空量、真空 脫泡后進脫泡后進 行混合行混合 澆注硅橡澆注硅橡 膠混合體膠混合體

42、硅橡膠固硅橡膠固 化后，刀化后，刀 剖開模，剖開模， 取出原型取出原型 以藝術(shù)品寶塔為原型制作硅橡膠模的過程：以藝術(shù)品寶塔為原型制作硅橡膠模的過程： 寶寶 塔塔 的的 三三 維維 模模 型型 模型分層處理模型分層處理 寶寶 塔塔 實實 物物 模模 型型 制作制作 型框型框 并固并固 定原定原 型型 硅硅 橡橡 膠膠 的的 澆澆 注注 硅硅 橡橡 膠膠 的的 固固 化化 拆拆 除除 型型 框框 原原 型型 去去 除除 修修 模模 （2）樹脂澆注法）樹脂澆注法 硅橡膠模具僅適用于制品數(shù)量較少的生產(chǎn)，若硅橡膠模具僅適用于制品數(shù)量較少的生產(chǎn)，若 制品數(shù)量較大時，可用快速原型翻制環(huán)氧樹脂模具。制品數(shù)量較

43、大時，可用快速原型翻制環(huán)氧樹脂模具。 該方法是將液態(tài)的環(huán)氧樹脂與有機或無機材料復合作該方法是將液態(tài)的環(huán)氧樹脂與有機或無機材料復合作 為基體材料，以原型為母模澆注模具的一種制模方法。為基體材料，以原型為母模澆注模具的一種制模方法。 其工藝過程為：其工藝過程為：采用技術(shù)制作原型；采用技術(shù)制作原型；將原型進行將原型進行 表面處理并涂刷脫模劑；表面處理并涂刷脫模劑；設(shè)計制作?？?；設(shè)計制作模框；選擇和選擇和 設(shè)計分型面；設(shè)計分型面；澆注樹脂；澆注樹脂；開模并取出原型。開模并取出原型。 用樹脂澆注法快速制作模具，工藝簡單、成本用樹脂澆注法快速制作模具，工藝簡單、成本 低廉。樹脂型模具傳熱性能好、強度高且型

44、面不需加低廉。樹脂型模具傳熱性能好、強度高且型面不需加 工，適用于注塑模、薄板拉伸模、吸塑模及聚氨酯發(fā)工，適用于注塑模、薄板拉伸模、吸塑模及聚氨酯發(fā) 泡成形模等。泡成形模等。 （3）金屬噴涂法）金屬噴涂法 金屬噴涂法是以原型作基體樣模，將低熔點金金屬噴涂法是以原型作基體樣模，將低熔點金 屬或合金噴涂到樣模表面上形成金屬薄殼，然后背襯屬或合金噴涂到樣模表面上形成金屬薄殼，然后背襯 充填復合材料而制作模具的方法。充填復合材料而制作模具的方法。 金屬噴涂法工藝簡單、周期短，型腔及其表面精金屬噴涂法工藝簡單、周期短，型腔及其表面精 細花紋可一次同時成形。模具耐磨性能好、尺寸精度細花紋可一次同時成形。模

45、具耐磨性能好、尺寸精度 高。制作過程中要注意的是解決好涂層與原型表面的高。制作過程中要注意的是解決好涂層與原型表面的 貼合和脫離問題。貼合和脫離問題。 （4）電成形制模法）電成形制模法 電成形制模法又稱電鑄制模法。其原理和制造過電成形制模法又稱電鑄制模法。其原理和制造過 程與金屬噴涂法比較類似，又稱電鑄制模法。它是采程與金屬噴涂法比較類似，又稱電鑄制模法。它是采 用電化學原理，通過電解液使金屬沉積在原型表面，用電化學原理，通過電解液使金屬沉積在原型表面， 然后背襯其他充填材料來制作模具的方法。然后背襯其他充填材料來制作模具的方法。 電成形法制作的模具復制性好且尺寸精度高，適電成形法制作的模具復

46、制性好且尺寸精度高，適 合于精度要求較高、形態(tài)均勻一致和形狀、花紋不規(guī)合于精度要求較高、形態(tài)均勻一致和形狀、花紋不規(guī) 則的型腔模具，如人物造型模具、兒童玩具和鞋模等。則的型腔模具，如人物造型模具、兒童玩具和鞋模等。 軟質(zhì)模具的壽命一般為軟質(zhì)模具的壽命一般為50-5000件，對于上萬件件，對于上萬件 乃至幾十萬件的產(chǎn)品，仍然需要傳統(tǒng)的鋼質(zhì)模具，硬乃至幾十萬件的產(chǎn)品，仍然需要傳統(tǒng)的鋼質(zhì)模具，硬 質(zhì)模具指的就是鋼質(zhì)模具，利用質(zhì)模具指的就是鋼質(zhì)模具，利用RP成型制作鋼質(zhì)模成型制作鋼質(zhì)模 具的主要方法有熔模鑄造法、電火花加工法、陶瓷型具的主要方法有熔模鑄造法、電火花加工法、陶瓷型 精密鑄造法等。精密鑄造

47、法等。 4、新材料的研、新材料的研 究究 在開發(fā)在開發(fā)RP加工方法的過程中，需要使用一些特殊加工方法的過程中，需要使用一些特殊 的材料，甚至是開發(fā)出適用于此方法的新材料，所以的材料，甚至是開發(fā)出適用于此方法的新材料，所以 在研究在研究RP加工方法的過程中也研制了新的材料。同加工方法的過程中也研制了新的材料。同 時對于新研究的材料，時對于新研究的材料，RP技術(shù)提供了檢驗此材料和技術(shù)提供了檢驗此材料和 其制品性能的一種方法。其制品性能的一種方法。 5、修復醫(yī)學上的應(yīng)用、修復醫(yī)學上的應(yīng)用 快速成型技術(shù)在修復醫(yī)學上的應(yīng)用主要集中在快速成型技術(shù)在修復醫(yī)學上的應(yīng)用主要集中在 人工假體、人工活性骨等方面。比

48、如應(yīng)用快速成型制人工假體、人工活性骨等方面。比如應(yīng)用快速成型制 作出假體的原型作出假體的原型,而后翻制金屬假體，植入人體而后翻制金屬假體，植入人體,取代取代 受傷的器官而達到康復的目的?？焖俪尚拖到y(tǒng)能夠制受傷的器官而達到康復的目的。快速成型系統(tǒng)能夠制 作出多孔性結(jié)構(gòu)作出多孔性結(jié)構(gòu),首先使用可降解材料制成內(nèi)部多孔首先使用可降解材料制成內(nèi)部多孔 疏松的代用骨疏松的代用骨, 疏松孔中填以活性因子疏松孔中填以活性因子, 置入人體置入人體, 即即 可代替人體骨骼可代替人體骨骼,經(jīng)過一段時間可降解材料被人體降經(jīng)過一段時間可降解材料被人體降 解、吸收、鈣化形成新骨。解、吸收、鈣化形成新骨。 6、小批量和特殊

49、復雜零件的直接、小批量和特殊復雜零件的直接 生產(chǎn)生產(chǎn) 對于復雜的或小批量生產(chǎn)的塑料、陶瓷、金對于復雜的或小批量生產(chǎn)的塑料、陶瓷、金 屬及其復合材料的零部件屬及其復合材料的零部件, SLS方法可以直接快速方法可以直接快速 成型。零件的直接快速成型對航空、航天及國防成型。零件的直接快速成型對航空、航天及國防 工業(yè)有非常重要的應(yīng)用價值。工業(yè)有非常重要的應(yīng)用價值。 四、快速成型技術(shù)中的問題四、快速成型技術(shù)中的問題 從結(jié)構(gòu)上來說從結(jié)構(gòu)上來說,快速成型技術(shù)可分為硬件、軟件、快速成型技術(shù)可分為硬件、軟件、 材料以及成型工藝四大組成部分。在材料以及成型工藝四大組成部分。在RP技術(shù)中的問技術(shù)中的問 題也是與這四個組成部分相關(guān)。題也是與這四個組成部分相關(guān)。 1、硬件方面、硬件方面 RP設(shè)備昂貴的價格嚴重制約了設(shè)備昂貴的價格嚴重制約了RP技術(shù)的推廣和技術(shù)的推廣和 應(yīng)用應(yīng)用,尤其是對于那些資金實力不太雄厚的中小型企尤其是對于那些資金實力不太雄厚的中小型企 業(yè)。這就使