先進(jìn)制造系統(tǒng)

先進(jìn)制造系統(tǒng)第一頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日課堂作業(yè)：1、優(yōu)化設(shè)計(jì)的步驟2、可靠性設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容和指標(biāo)3、價(jià)值工程的含義4、模型重構(gòu)技術(shù)的基本步驟5、綠色設(shè)計(jì)的原則第二頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日第一節(jié)

概述

3.1.1機(jī)械制造工藝定義與內(nèi)涵3.1.2先進(jìn)制造工藝的產(chǎn)生和發(fā)展

3.1.3先進(jìn)制造工藝的技術(shù)特點(diǎn)第三頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日機(jī)械制造工藝三階段：

①零件毛坯的成形準(zhǔn)備階段②機(jī)械切削加工階段③表面改性處理階段上述階段劃分逐漸模糊、交叉，甚至合而為一3.1.1機(jī)械制造工藝定義與內(nèi)涵原材料成品半成品機(jī)械制造工藝定義改變形狀,尺寸,性能,位置機(jī)床、工具第四頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日機(jī)械制造工藝流程第五頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日先進(jìn)制造工藝是在不斷變化和發(fā)展的傳統(tǒng)機(jī)械制造工藝基礎(chǔ)上逐步形成的一種制造工藝技術(shù)，是高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化和傳統(tǒng)工藝高新技術(shù)化的結(jié)果。先進(jìn)制造工藝是先進(jìn)制造技術(shù)的核心和基礎(chǔ)，一個(gè)國家的制造工藝技術(shù)水平的高低，在很大程度上決定了其制造業(yè)在國際市場的競爭實(shí)力。3.1.2先進(jìn)制造工藝的產(chǎn)生和發(fā)展第六頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日(1)制造加工精度不斷提高

18世紀(jì)，其加工精度為1mm；19世紀(jì)末，0.05mm；20世紀(jì)初，μm級(jí)過渡；20世紀(jì)50年代末，實(shí)現(xiàn)了μm級(jí)的加工精度；目前達(dá)到10nm的精度水平。先進(jìn)制造工藝的發(fā)展表現(xiàn)：第七頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日（2）切削加工速度迅速提高20世紀(jì)前，碳素鋼，耐熱溫度低于200oC，10m/min；20世紀(jì)初，高速鋼，500-600oC，30-40m/min；20世紀(jì)30年代，硬質(zhì)合金，800-1000oC，數(shù)百米/min;目前陶瓷、金剛石、立方氮化硼，1000oC以上，一千至數(shù)千米/min。第八頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日切削速度隨刀具材料的變更而提高第九頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日（3）新型工程材料的應(yīng)用類型：超硬材料、超塑材料、高分子材料、復(fù)合材料、工程陶瓷等對(duì)制造工藝貢獻(xiàn)：

①改善刀具切削性能，改進(jìn)加工設(shè)備；②促進(jìn)特種加工工藝發(fā)展。（4）自動(dòng)化和數(shù)字化工藝裝備的發(fā)展

單機(jī)自動(dòng)化→系統(tǒng)自動(dòng)化剛性自動(dòng)化→柔性自動(dòng)化→綜合自動(dòng)化

第十頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日（5）毛坯成形技術(shù)在向少、無余量發(fā)展如：熔模精密鑄造、精密鍛造、精密沖裁、冷溫?cái)D壓等新工藝。（6）表面工程技術(shù)的形成和發(fā)展表面工程：通過表面涂覆、表面改性、表面加工、表面復(fù)合處理改變零件表面形態(tài)、化學(xué)成分和組織結(jié)構(gòu)，以獲取與基體材料不同性能的一項(xiàng)應(yīng)用技術(shù)。如：電刷鍍、化學(xué)鍍、物理氣相沉積、化學(xué)氣象沉積、熱噴涂、化學(xué)熱處理、激光表面處理、離子注入等第十一頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日3.1.3先進(jìn)制造工藝的技術(shù)特點(diǎn)（1）優(yōu)質(zhì)（2）高效（3）低耗（4）潔凈（5）靈活第十二頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日第二節(jié)材料受迫成形工藝技術(shù)3.2.1精密潔凈鑄造成形3.2.2精確高效金屬塑性成形工藝3.2.3粉末鍛造成形工藝3.2.4高分子材料注射成形第十三頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日機(jī)械零件成形方法：受迫成形在特定邊界和外力約束下成形，如鑄造、鍛壓、粉末冶金和注射成形等；去除成形將材料從基體中分離出去成形，如車、銑、刨、磨、電火花、激光切割；堆積成形將材料有序地合并堆積成形，如快速原形制造、焊接等第十四頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日A、自硬砂精確砂型鑄造粘土砂造型鑄件質(zhì)量差、生產(chǎn)效率低勞動(dòng)強(qiáng)度大、環(huán)境污染嚴(yán)重自硬樹脂砂造型

高強(qiáng)度、高精度、高潰散性

低勞動(dòng)強(qiáng)度，適合于各種復(fù)雜鑄件型芯制作鑄件壁厚可<2.5mm3.2.1精密潔凈鑄造成形（1）精確鑄造成形技術(shù)第十五頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日B、高緊實(shí)砂型鑄造可提高鑄型強(qiáng)度、剛度和硬度減少金屬液澆注凝固時(shí)型壁移動(dòng)降低金屬消耗、減少缺陷提高精度、粗糙度提高2-3級(jí)

氣沖造型第十六頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日C、消失模鑄造

利用泡沫塑料作為鑄造模型，并在其四周填砂，不分上下模，泡沫塑料在澆注過程中氣化?？杀苊馍靶蜐⑸⒖上鹉Ｐ倍?，減小鑄件壁厚能夠獲得表面光潔、尺寸精確無飛邊、少無余量精密鑄件泡沫塑料模

造型

澆注過程

鑄件

第十七頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日D、特種鑄造技術(shù)

類型：壓力鑄造、低壓鑄造、熔模鑄造真空鑄造、擠壓鑄造等。壓力鑄造：金屬模，以壓力澆注取代重力澆注，鑄件精確、表面光潔、內(nèi)部致密。金屬模壓鑄機(jī)壓鑄過程合型壓鑄開模第十八頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日潔凈的能源以感應(yīng)電爐代替沖天爐，減輕對(duì)空氣的污染無砂和少砂鑄造如壓力鑄造、金屬型鑄造、擠壓鑄造等清潔無毒材料使用無毒無味變質(zhì)劑、精煉劑、粘結(jié)劑等（2）清潔（綠色）鑄造技術(shù)第十九頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日高潰散性型砂工藝樹脂砂、酯硬化水玻璃砂工藝廢棄物再生和綜合利用鑄造舊砂再生回收、熔煉爐渣處理和綜合利用鑄造機(jī)器人或機(jī)械手以代替工人在惡劣條件下工作第二十頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日鑄造過程計(jì)算機(jī)仿真在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行虛擬澆鑄，分析預(yù)測鑄液充填及凝固過程，預(yù)測不合理鑄造工藝缺陷，對(duì)不同鑄造工藝方案作出最優(yōu)的選擇。鑄造過程仿真發(fā)展60年代丹麥學(xué)者開始用計(jì)算機(jī)對(duì)鑄件凝固過程進(jìn)行模擬隨后工業(yè)國家相繼開發(fā)了鑄造過程計(jì)算機(jī)模擬軟件，如：德國MACMAsoft軟件，英國Procast軟件，清華大學(xué)Flsoft軟件等。鑄造過程計(jì)算機(jī)模擬第二十一頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日（1）精密模鍛利用模鍛設(shè)備鍛造出鍛件形狀復(fù)雜、精度高的模鍛工藝，比普通鍛件高1-2個(gè)精度等級(jí)。3.2.2精確高效金屬塑性成形工藝模鍛坯料普通模鍛去氧化皮精密模鍛錐齒輪的精密模鍛工藝第二十二頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日（2）超塑性成形

超塑性現(xiàn)象：在一定內(nèi)部條件（如晶粒形狀、相變）和外部條件（如溫度、應(yīng)變速率）下，呈現(xiàn)出異常低的流變抗力、異常高的延伸率現(xiàn)象。目前已知鋅、鋁、銅等合金超塑性達(dá)1000%，有的甚至達(dá)2000%。第二十三頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日金屬超塑性類型：細(xì)晶超塑性（恒溫超塑性）內(nèi)在條件：具有均勻、穩(wěn)定等軸細(xì)晶組織（<10μm）；外在條件：特定溫度和變形速率（10-4-10-5min-1）。相變超塑性（環(huán)境超塑性）在材料相變點(diǎn)溫度循環(huán)變化，同時(shí)對(duì)試樣加載。第二十四頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日超塑性成形工藝應(yīng)用飛機(jī)鈦合金組合件原需幾十個(gè)零件組成，用超塑性成形后，可一次整體成形，大大減輕了構(gòu)件的質(zhì)量，提高了結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。超塑性等溫模鍛薄板加熱到超塑性溫度，在壓力作用下產(chǎn)生超塑性變形，直至同模具貼合為止。超塑性氣壓成形第二十五頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日（3）精密沖裁

呈純剪切分離沖裁工藝，通過模具改進(jìn)提高精度三種光潔沖裁凹模結(jié)構(gòu)橢圓凹模圓角凹模倒角刃口第二十六頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日負(fù)間隙沖裁帶齒圈壓板精沖精密沖裁第二十七頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日輥軋工藝

用軋輥對(duì)坯料連續(xù)變形加工工藝，生產(chǎn)率高、質(zhì)量好、材料消耗少。輥鍛軋制輾環(huán)軋制第二十八頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日3.2.3粉末鍛造成形工藝粉末制取粉末鍛造成形工藝粉末冶金

+精密鍛造模壓成形型坯燒結(jié)鍛前加熱鍛造后續(xù)處理粉末鑄造成形是將傳統(tǒng)的粉末冶金和精密鍛造結(jié)合起來的一種新工藝。第二十九頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日粉末鍛造件優(yōu)點(diǎn)：能源消耗低，材料利用率高為普通鍛造能耗49%，材料利用率達(dá)90%，普通鍛造僅40-60%；鍛件精度高，力學(xué)性能好組織無偏析，無各向異性；疲勞壽命高比普通鍛造提高20%，高速鋼工具壽命可提高兩倍以上。

粉末鍛造模具第三十頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日注射成形原理3.2.4高分子材料注射成形粉狀塑料注入螺桿推進(jìn)送進(jìn)加熱區(qū)通過分流梭噴嘴噴出注入模腔注射成形工藝過程冷卻成形第三十一頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日氣體輔助成形：將惰性氣體注入，在成品較厚部分形成空腔，使成品壁厚均勻，可防止縮痕或翹曲產(chǎn)生。注射成形新技術(shù)氣體輔助注射成形原理第三十二頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日注射壓縮成形：可采用較低的注射壓力成形薄壁制品，適用于流動(dòng)性較差的制品。整體壓縮注射成形第三十三頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日模具滑合成形法

適用于中空制品和不同材料復(fù)合體模具滑合成形動(dòng)作原理第三十四頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日剪切場控制取向成形法：使材料纖維取向與流動(dòng)方向一致，可提高熔接痕強(qiáng)度，消除縮孔和縮痕。剪切場控制取向成形法原理第三十五頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日直接注射成形法

不需混煉造粒過程，可將填充劑均勻地分散在基體樹脂中，直接注射成制品。直接注射成形機(jī)螺桿壓縮段剖面圖第三十六頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日第三節(jié)超精密加工技術(shù)

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超精密加工的機(jī)床設(shè)備3.3.5超精密加工環(huán)境第三十七頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日（1）目前精密、超精密加工內(nèi)涵

3.3.1概述分類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第三十八頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日（2）超精密加工技術(shù)發(fā)展起因提高產(chǎn)品性能和質(zhì)量，提高穩(wěn)定性和可靠性；促進(jìn)產(chǎn)品的小型化；增強(qiáng)零件的互換性，提高裝配生產(chǎn)率。舉例：1kg陀螺其質(zhì)心偏離0.5nm，會(huì)引起100m導(dǎo)彈射程誤差，50m軌道誤差；o，命中精度誤差為500m；第三十九頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日人造衛(wèi)星軸承孔軸表面粗糙度1nm，其圓度和圓柱度均以nm為單位；飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片加工精度由60μm→12μm，粗糙度由Ra0.5μm→0.2μm，則發(fā)動(dòng)機(jī)效率89%→94%；磁盤磁頭與磁盤間距離，近期達(dá)到0.01-0.005μm。第四十頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日（3）超精密加工所涉及的技術(shù)范圍

超精密加工機(jī)理刀具磨損、積屑瘤生成規(guī)律、磨削機(jī)理、加工參數(shù)對(duì)表面質(zhì)量的影響等有其特殊性；超精密加工的刀具、磨具及其制備技術(shù)包括刀具的刃磨、超硬砂輪的修整；超精密加工機(jī)床設(shè)備機(jī)床精度、剛度、抗振性、微量進(jìn)給機(jī)構(gòu)；

第四十一頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日精密測量及補(bǔ)償技術(shù)有相應(yīng)級(jí)別的測量裝置，具有在線測量和誤差補(bǔ)償；嚴(yán)格的工作環(huán)境恒溫、凈化、防振和隔振等。第四十二頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日（1）超精密切削對(duì)刀具的要求

極高的硬度、極高的耐用度和極高的彈性模量，保證刀具壽命和尺寸耐用度；刃口能磨得極其鋒銳，刃口半徑ρ值極小，能實(shí)現(xiàn)超薄的切削厚度；刀刃無缺陷，避免刃形復(fù)印在加工表面；抗粘結(jié)性好、化學(xué)親和性小、摩擦系數(shù)低、能得到極好的加工表面完整性。3.3.2超精密切削加工第四十三頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日（2）天然單晶金剛石刀具的性能特征極高的硬度HV6000-10000,而TiC僅為HV2400，WC為HV2400；能磨出鋒銳刃口刃口半徑可達(dá)納米，普通刀具5-30μm；與有色金屬摩擦系數(shù)低、親和力小與鋁的摩擦系數(shù)僅為；耐磨性好，刀刃強(qiáng)度高刀具磨損極慢，刀具耐用度極高。第四十四頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日（2）天然單晶金剛石刀具的性能特征

天然單晶金剛石被公認(rèn)為不能代替的超精密切削刀具材料;但僅用于有色金屬的切削加工.第四十五頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日（3）超精密切削時(shí)的最小切削厚度

如圖：A點(diǎn)位置與摩擦系數(shù)μ（剪切角θ）有關(guān)：當(dāng)μ=0.12時(shí)，可得：hDmin=0.322ρ當(dāng)μ=0.26時(shí)，可得：hDmin=0.249ρ若hDmin=1nm，要求刀具刃口半徑ρ為3-4nm。

極限切削厚度與刃口半徑的關(guān)系第四十六頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日超精密磨削：是最主要黑色金屬超精密加工手段，精度<=0.1μm，表面粗糙度<Ra0.025μm。(1)超精密磨削砂輪金剛石砂輪：較強(qiáng)的磨削能力，較高的磨削效率，磨削速度12-30m/s；CBN砂輪：較好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)惰性，價(jià)格較貴，磨削速度80-100m/s。3.3.3超精密磨削加工第四十七頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日超硬磨料砂輪結(jié)合劑：

樹脂結(jié)合劑：能保持良好鋒利性，磨粒保持力??；

金屬結(jié)合劑：耐磨性好，磨粒保持力大，自銳性差，砂輪修整困難。

陶瓷粘結(jié)劑：化學(xué)穩(wěn)定性高、耐熱、耐酸堿，脆性較大。

第四十八頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日(2)超硬磨料砂輪的修整車削法用金剛筆車削金剛石砂輪，修整成本高；磨削法用普通砂輪進(jìn)行對(duì)磨，修整效率和質(zhì)量較好，普通砂輪磨損消耗量較大；噴射法將碳化硅、剛玉等磨粒高速噴射到砂輪表面，去除部分結(jié)合劑，使超硬磨粒突出；

電解在線修銳法（ELID)應(yīng)用電解原理完成砂輪修銳過程；

電火花修整

應(yīng)用電火花放電原理完成砂輪修整。第四十九頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日在線電解修銳法電火花修整法

第五十頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日(3)磨削速度和磨削液金剛石

12-30m/s立方氮化硼 80-100m/s熱穩(wěn)定性好；磨削液的作用潤滑、冷卻、清洗，滲透性、防銹、提高切削性能；油性液潤滑性能好，水溶性液冷卻性能好。第五十一頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日（1）精密主軸部件滾動(dòng)軸承

回轉(zhuǎn)精度達(dá)1μm,表面粗糙度Ra0.04-0.02μm；液體靜壓軸承

回轉(zhuǎn)精度≤0.1μm，剛度阻尼大，轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)；不足：液壓油溫升高，影響主軸精度，會(huì)將空氣帶入液壓油降低軸承剛度；應(yīng)用：一般用于大型超精密機(jī)床。

超精密加工機(jī)床設(shè)備第五十二頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日空氣靜壓軸承高回轉(zhuǎn)精度、工作平穩(wěn)，溫升??；不足：剛度較低，承載能力不高；應(yīng)用：超精密機(jī)床中得到廣泛的應(yīng)用。第五十三頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日典型液體靜壓軸承主軸結(jié)構(gòu)原理圖1-徑向液壓軸承2-止推液壓軸承

3-真空吸盤

雙半球空氣軸承主軸1-前軸承2-供氣孔3-后軸承4-定位環(huán)5-旋轉(zhuǎn)變壓器6-無刷電動(dòng)機(jī)

7-外殼8-軸9-多孔石墨

第五十四頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日（2）床身和精密導(dǎo)軌床身要求：抗振、熱膨脹系數(shù)低、尺寸穩(wěn)定性好床身材料：多采用人造花崗巖，尺寸穩(wěn)定性好、熱膨脹系數(shù)低、硬度高、耐磨、不生銹、可鑄造成形，克服了天然花崗巖有吸濕性不足。導(dǎo)軌要求：高直線精度，不得爬行，有液體靜壓導(dǎo)軌、空氣靜壓導(dǎo)軌。第五十五頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日平面型空氣靜壓導(dǎo)軌示意圖1-靜壓空氣2-移動(dòng)工作臺(tái)3-底座

第五十六頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日（3）微量進(jìn)給裝置微量進(jìn)給裝置要求：分辨率達(dá)到0.001-0.01μm；精微進(jìn)給與粗進(jìn)給分開；低摩擦和高穩(wěn)定性；末級(jí)傳動(dòng)元件必須有很高的剛度；工藝性好，容易制造；應(yīng)能實(shí)現(xiàn)微進(jìn)給的自動(dòng)控制，動(dòng)態(tài)性能好。第五十七頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日雙T形彈性變形微進(jìn)給裝置1-微位移刀夾2、3-T形彈簧4-驅(qū)動(dòng)螺釘5-固定端6-動(dòng)端

分辨率0.01μm，最大位移20μm，靜剛度70N/μm，第五十八頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日最大位移15-16μm分辨率0.01μm靜剛度60N/μm壓電陶瓷微進(jìn)給裝置1-刀夾2-機(jī)座3-壓電陶瓷4-后墊塊5-電感測頭6-彈性支承

第五十九頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日（1）凈化的空氣環(huán)境

1μm直徑塵埃會(huì)拉傷磁盤表面而不能正確記錄信息；100級(jí)超精密加工空氣潔凈度要求：≥0.5μm直徑塵埃個(gè)數(shù)≤100個(gè)/ft3而辦公室百萬個(gè)/(ft)3，手術(shù)室5萬個(gè)/(ft)3

超精密加工環(huán)境第六十頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日（2）恒定的溫度環(huán)境

100mm長鋁合金零件，溫度變化1oC將產(chǎn)生2.25μm的誤差；若要求確保0.1μm加工精度，環(huán)境溫度應(yīng)保持±0.05oC范圍內(nèi)；當(dāng)前，已出現(xiàn)±0.01oC的恒溫環(huán)境，需多級(jí)恒溫。

超精密加工環(huán)境第六十一頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日（3）較好的抗振動(dòng)干擾環(huán)境防振：消除自身振動(dòng)干擾隔振：阻止外部振動(dòng)美國LLL實(shí)驗(yàn)室超精密機(jī)床隔振基礎(chǔ)1-隔振空氣彈簧2-床身3-工作臺(tái)

第六十二頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日第四節(jié)高速加工技術(shù)

3.4.1高速加工的概念與特征3.4.2高速加工技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用3.4.3高速切削加工的關(guān)鍵技術(shù)3.4.4高速磨削加工第六十三頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日3.4.1高速加工的概念與特征超高速切削概念示意圖

Salomon切削理論高速切削鋁合金：1000-7000m/min灰鑄鐵：800-3000m/min銅：900-5000m/min鋼：500-2000m/min鈦：100-1000m/min第六十四頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日高速切削特征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%；熱變形小溫升不超過3oC，90%切削熱被切屑帶走；材料切除率高單位時(shí)間內(nèi)切除率可提高3-5倍；高精度切削激振頻率遠(yuǎn)高于機(jī)床系統(tǒng)固有頻率，加工平穩(wěn)、振動(dòng)小。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)（Onepassmaching）第六十五頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日高速切削機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速在20000r/min以上，甚至62000r/min；快速進(jìn)給40-80m/min；高速切削機(jī)理研究包括切屑成形機(jī)理、切削力、切削熱等，鋁合金材料研究較為成熟，黑色金屬、難加工材料加工機(jī)理尚處探索階段。

3.4.2高速加工發(fā)展與應(yīng)用第六十六頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日高速切削加工應(yīng)用航空工業(yè)--飛機(jī)鋁合金零件、薄層腹板件等直接高速切削加工，不再鉚接。汽車制造--高速加工中心將柔性生產(chǎn)線效率提高到組合機(jī)床生產(chǎn)線水平。模具制造--對(duì)淬硬鋼模具型腔直接加工，省電加工和手工研磨等工序。第六十七頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日1、高速主軸精度高、振動(dòng)小、噪音低、結(jié)構(gòu)緊湊高速化指標(biāo)：dmn（直徑x轉(zhuǎn)速）>1*106即為高速，5-10倍于常規(guī)速度。3.4.3高速切削加工關(guān)鍵技術(shù)第六十八頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日主軸軸承陶瓷混合軸承軸承滾珠為氮化硅陶瓷；密度低，離心力??；彈性模量高，剛度大；摩擦系數(shù)低。

軸承潤滑：油脂潤滑、油霧潤滑、油氣潤滑等。氣浮軸承：高回轉(zhuǎn)精度、高轉(zhuǎn)速、低溫升，承載能力低。液體靜壓：運(yùn)動(dòng)精度高，動(dòng)態(tài)剛度大，有油升影響。磁浮軸承：間隙一般在0.1mm左右，允許更高轉(zhuǎn)速，達(dá)4.0*106以上，控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜。第六十九頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日2、快速進(jìn)給系統(tǒng)滾珠絲桿+伺服電機(jī)：加速度達(dá)0.6g，進(jìn)給速度達(dá)40-60m/min。直線電機(jī)：進(jìn)給速度可達(dá)160m/min，加速度可達(dá)2.5-10g。消除了機(jī)械傳動(dòng)間隙和彈性變形，幾乎沒有反向間隙，是未來機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)的基本形式。第七十頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日直線電機(jī)結(jié)構(gòu)3基座4磁性軌道5直線電機(jī)6直線導(dǎo)軌7直線光柵8平臺(tái)9接口電纜10防護(hù)罩第七十一頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日3、高性能的CNC控制系統(tǒng)

快速響應(yīng)伺服控制，32/64位，多CPU，具有加速預(yù)插補(bǔ)、前饋控制、鐘形加減速、精確矢量補(bǔ)償和最佳拐角減速控制等功能。第七十二頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日4、先進(jìn)的機(jī)床結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：床身足夠剛度、強(qiáng)度，高阻尼特性和熱穩(wěn)定性；立柱和底座整體結(jié)構(gòu)；使用高阻尼特性材料（聚合物混凝土）；防彈玻璃觀察窗。新型機(jī)床結(jié)構(gòu)：并聯(lián)機(jī)床結(jié)構(gòu)。第七十三頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日六桿并聯(lián)機(jī)床第七十四頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日5、高速切削的刀具系統(tǒng)對(duì)刀具系統(tǒng)要求：切削熱更多流向刀具，要求抗磨損；必須良好的平衡，可靠定位。刀具材料：硬質(zhì)合金涂層刀具、陶瓷刀具、聚晶金剛石刀具、立方氮花硼刀具。雙定位刀柄結(jié)構(gòu)：當(dāng)超過15000r/min時(shí)，離心力將使主軸錐孔擴(kuò)張，降低刀柄連接剛度；該結(jié)構(gòu)刀柄錐部和端面同時(shí)與主軸定位，軸向重復(fù)定位精度可達(dá)0.001mm。

第七十五頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日HSK型刀柄及其聯(lián)接結(jié)構(gòu)第七十六頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日高速磨削：最高磨削速度達(dá)500m/s；實(shí)際應(yīng)用磨削速度在100m/s-250m/s。高速磨削特點(diǎn)：若切除率不變，則單磨粒切削厚度降低，磨削力減??；維持原切削力，可提高進(jìn)給速度，降低加工時(shí)間，提高生產(chǎn)效率；可使粗精合而為一。3.4.3高速磨削加工第七十七頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日1、高速主軸須配有連續(xù)自動(dòng)動(dòng)平衡裝置高速磨削關(guān)鍵技術(shù)：高速主軸動(dòng)平衡系統(tǒng)1-信號(hào)傳送單元2-緊固法蘭盤3-內(nèi)裝電子驅(qū)動(dòng)平衡塊4-磨床主軸

第七十八頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日2、高速磨床結(jié)構(gòu)具有高動(dòng)態(tài)精度、高阻尼、高抗振性和熱穩(wěn)定性直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)高速平面磨床磨削速度達(dá)125m/s，工作臺(tái)往復(fù)運(yùn)動(dòng)達(dá)1000st/min，是普通磨床的10倍第七十九頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日3、高速磨削砂輪砂輪基體：必須考慮高速離心力作用；砂輪磨粒--立方氮化硼和金剛石。高速砂輪典型結(jié)構(gòu)腹板變截面等力矩結(jié)構(gòu)，無中心法蘭孔多個(gè)小螺孔安裝固定，降低法蘭孔應(yīng)力第八十頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日4、冷卻潤滑液V液大于等于V砂：

潤滑效果好V液小于V砂：

清洗效果好a)V液大于V砂b)V液略大于V砂c)V液=V砂冷卻潤滑液出口流速的影響第八十一頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日第五節(jié)快速原型制造技術(shù)

3.5.1RPM技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展3.5.2RPM技術(shù)原理3.5.3典型的RPM工藝方法3.5.4RPM技術(shù)的應(yīng)用第八十二頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日設(shè)計(jì)人員三維實(shí)體產(chǎn)品RPS分層切片數(shù)據(jù)文件CAD模型三維數(shù)字化儀等CAD造型系統(tǒng)80年代末RPM技術(shù)首先在美國問世；工業(yè)國家稱RPM技術(shù)是繼數(shù)控技術(shù)后又一場技術(shù)革命；我國92年進(jìn)入RPM領(lǐng)域；清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、華中科技大學(xué)、北京隆源等單位在RMP設(shè)備、材料和軟件方面先后完成了開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化過程；我國MRP許多關(guān)鍵技術(shù)達(dá)到或領(lǐng)先國際先進(jìn)水平。

3.5.1RPM技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展第八十三頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日

CAD模型建立STL文件生成分層切片。快速堆積成型

RPS分層切片STL文件CAD模型三維數(shù)字化儀等CAD造型系統(tǒng)3.5.2RPM技術(shù)原理第八十四頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日1、光敏液相固化法(SLA)特點(diǎn)：可成形任意復(fù)雜形狀零件；成形精度高，達(dá)±0.1mm；材料利用率高，性能可靠。不足：材料昂貴，光敏樹脂有一定毒性。3.5.3典型的RPM工藝方法SLA工藝原理圖

第八十五頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日2、選區(qū)片層粘結(jié)法（LOM）

特點(diǎn)：成形速度快，成形材料便宜，無相變、無熱應(yīng)力、形狀和尺寸精度穩(wěn)定不足：成形后廢料剝離費(fèi)時(shí)，不宜制作薄壁零件。LOM工藝原理圖

第八十六頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日3、選區(qū)激光燒結(jié)法（SLS）特點(diǎn)：取材廣泛，包括各種可熔粉末材料，不需要支撐材料。SLS工藝原理圖1-激光器2-鋪粉滾筒3-激光窗

4-加工平面5-原料粉末6-生成零件

第八十七頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日4、熔絲沉積成形法（FDM）特點(diǎn)：無需激光系統(tǒng)，設(shè)備簡單，運(yùn)行費(fèi)用便宜，尺寸精度高，表面光潔度好，適合薄壁零件。不足：需要支撐材料。FDM工藝原理圖

第八十八頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日3.5.4RPM技術(shù)的應(yīng)用RPM的應(yīng)用

第八十九頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日快速模具制造工藝方法

第九十頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日第六節(jié)微細(xì)加工技術(shù)

3.6.1微機(jī)械及其特征3.6.2微細(xì)加工工藝方法3.6.3微細(xì)加工技術(shù)的發(fā)展與趨勢第九十一頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日微小機(jī)械1-10mm；微機(jī)械1μm-1mm；納米機(jī)械1nm-1μm。體積小、精度高、重量輕如直徑如發(fā)絲的齒輪、開動(dòng)3mm大小的汽車、花生米大的飛機(jī)、在5mm2內(nèi)放置1000臺(tái)的微型發(fā)動(dòng)機(jī)。性能穩(wěn)定、可靠性高微機(jī)械體積小，熱膨脹、噪聲、撓曲等影響小，具有抗干擾性，可在較差環(huán)境下穩(wěn)定的工作。3.6.1微機(jī)械及其特征第九十二頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日能耗低、靈敏度、工作效率高不存在信號(hào)延遲問題，可進(jìn)行高速工作。消耗的能量遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)機(jī)械如5*5*0.7mm3微型泵流速是比其體積大得多的小型泵流量的1000倍。多功能和智能化集傳感器、執(zhí)行器、信號(hào)處理和電子控制電路為一體，易于實(shí)現(xiàn)多功能化和智能化。制造成本低類似半導(dǎo)體制造工藝。

3.6.1微機(jī)械及其特征第九十三頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日1、超微機(jī)械加工利用超小型機(jī)床制作毫米級(jí)以下的微機(jī)械零件難點(diǎn)：微型刀具制造、刀具姿態(tài)、加工基準(zhǔn)定位等3.6.2微細(xì)加工工藝方法微型超精密加工機(jī)床結(jié)構(gòu)示意圖為車、銑、磨、電火花加工的多功能微型加工機(jī)床，最小設(shè)定單位為1nm，單晶金剛石刀具，刀尖圓弧半徑為100nm左右第九十四頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日2、光刻加工氧化硅晶片表面形成一層氧化層；涂膠涂光致抗蝕劑；曝光通過掩模曝光；顯影曝光部分溶解去除；腐蝕未被覆蓋部分腐蝕掉；去膠將光致抗蝕劑去除；擴(kuò)散--向需要雜質(zhì)的部分?jǐn)U散雜質(zhì)，以完成整個(gè)光刻加工過程。光刻加工工藝示例

第九十五頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日3、體刻蝕加工技術(shù)體微機(jī)械加工：用腐蝕方法將硅基片有選擇性地去除部分材料的方法。各向同性腐蝕：以相同速度對(duì)所有晶向進(jìn)行刻蝕；各向異性腐蝕：在不同晶面，以不同速率進(jìn)行刻蝕，利用晶格取向，可制作如橋、梁、薄膜等不同的結(jié)構(gòu)。第九十六頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日4、面刻蝕加工技術(shù)l在硅基片上淀積磷玻璃犧牲層材料；l腐蝕犧牲層形成所需形狀；l淀積和腐蝕結(jié)構(gòu)材料薄膜層；l除去犧牲層就得到分離空腔微橋結(jié)構(gòu)。制作雙固定多晶硅橋工藝第九十七頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日5、LIGA技術(shù)LIGA技術(shù)是由制版、電鑄和微注塑工藝組成，是全新的三維立體微細(xì)加工技術(shù)。在光致抗蝕劑上生成曝光圖形實(shí)體；用曝光蝕刻的圖形實(shí)體作電鑄用胎膜，在胎膜上沉積金屬形成金屬微結(jié)構(gòu)件；用金屬微結(jié)構(gòu)件作為注塑模具注塑出所需的微型零件。LIGA工藝過程第九十八頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日6、封接技術(shù)目的：將微機(jī)械件連接在一起，使其滿足使用要求。方法：反應(yīng)封接、淀積密封膜和鍵合技術(shù)。反應(yīng)封接：是將多晶硅結(jié)構(gòu)與硅基片通過氧化反應(yīng)封接在一起。第九十九頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日淀積密封膜：是用化學(xué)氣相淀積法在構(gòu)件和襯底之間淀積密封膜。硅-硅直接鍵合：在高溫下依靠硅原子力量直接鍵合在一起形成一個(gè)整體；靜電鍵合：將硅和玻璃之間加上電壓產(chǎn)生靜電引力而使兩者結(jié)合成一體。第一百頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日7、分子裝配技術(shù)掃描隧道顯微鏡STM、原子力顯微鏡AFM具有0.01nm分辨率，是精度最高的表面形貌觀測儀。利用其探針尖端可以俘獲和操縱分子和原子，并可按照需要拼成一定的結(jié)構(gòu)，進(jìn)行分子和原子的裝配制作微機(jī)械。第一百零一頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日中國科學(xué)院化學(xué)研究所用原子擺成中國地圖；美國的IBM公司用掃描隧道顯微鏡STM操縱35個(gè)氙原子，在鎳板上拼出了“IBM”三個(gè)字母；第一百零二頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日加工方法多樣化兩個(gè)領(lǐng)域：微機(jī)械加工、半導(dǎo)體化學(xué)加工；從單一加工技術(shù)向組合加工技術(shù)發(fā)展。從單純硅材料向著多種類型材料發(fā)展如玻璃、陶瓷、樹脂等。提高微細(xì)加工的經(jīng)濟(jì)性LIGA出現(xiàn)是微機(jī)械進(jìn)行批量生產(chǎn)的范例。3.6.3微細(xì)加工技術(shù)的發(fā)展與趨勢第一百零三頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日第七節(jié)表面工程技術(shù)

3.7.1表面改性技術(shù)3.7.2表面覆層技術(shù)3.7.3復(fù)合表面處理技術(shù)第一百零四頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日表面工程概念：

表面工程技術(shù)是通過運(yùn)用各種物理、化學(xué)或機(jī)械工藝過程，來改變基體表面狀態(tài)、化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀態(tài)等，使基體表面具有不同于基體的某種特殊性能，從而達(dá)到特定使用要求的一項(xiàng)應(yīng)用技術(shù)。包括表面處理、表面加工、表面涂層、表面改性以及薄膜技術(shù)等內(nèi)容。第一百零五頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日1、激光表面改性是以高能量的激光束快速掃描工件表面，升溫速度可達(dá)105-106oC/s，冷卻速度104oC/s,快速自冷淬火,比常規(guī)淬火硬度高15-20%，淬火變形非常小，表面無須保護(hù)。3.7.1表面改性技術(shù)激光表面改性裝置組成示意圖1-全反射鏡2-諧振腔3-部分反射鏡4-導(dǎo)光系統(tǒng)5-彎曲反射鏡6-聚光系統(tǒng)及保護(hù)氣通入7-x-y移動(dòng)工作臺(tái)8-氣體交換裝置9-配電盤

10-冷卻裝置11-控制系統(tǒng)第一百零六頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日2、電子束表面改性利用電子能深入金屬表面，與基體金屬原子核碰撞，使被處理金屬表層溫度迅速升高。加熱和冷卻速度快，能量密度大；為激光成本的1/3；結(jié)構(gòu)簡單；能量利用率高于激光；在真空工作，工件表面不易氧化；控制比激光容易。

電子束產(chǎn)生及工作示意圖1-工作臺(tái)2-加工室3-電磁透鏡4-陽極5-柵極6-燈絲7-電源8-電子束9偏轉(zhuǎn)線圈10-工件

第一百零七頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日3、離子注入表面改性可注入任何元素，不受固溶度和擴(kuò)散系數(shù)影響；離子注入溫度易控制；不氧化、不變形、不軟化，可作最終處理工藝?？煽匦?、重復(fù)性好?？色@得兩層以上復(fù)合材料，復(fù)合層不易脫落。圖3-52離子注入裝置示意圖1-離子源2-質(zhì)量分析器3-高壓電極4-加速管5-聚焦電極6-X掃描電極7-Y掃描電極8-中性束9-試樣室第一百零八頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日熱噴涂技術(shù)

3.7.2表面覆層技術(shù)粉末火焰噴涂大氣等離子噴涂爆炸噴涂第一百零九頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日氣相沉積技術(shù)物理氣相沉積PVD將鍍料氣化成原子、分子或離子，直接沉積到基體表面。真空蒸鍍將工件放入真空室內(nèi)加熱，使鍍膜材料蒸發(fā)或升華，飛至工件表面凝聚成膜；濺射鍍膜用荷能粒子轟擊材料表面，使其獲得足夠能量，飛濺變?yōu)闅庀?，在基體表面上沉積；離子鍍膜利用氣體放電使物質(zhì)離子化，在氣體離子轟擊下把蒸發(fā)物沉積在基體上成膜。第一百一十頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日化學(xué)氣相沉積CVD借助氣相作用和在基體表面上的化學(xué)反應(yīng)生成所要求的薄膜。第一百一十一頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日滲鈦與離子滲氮復(fù)合熱處理；滲碳、滲氮、碳氮共滲；液體碳氮共滲與高頻感應(yīng)加熱表面淬火的復(fù)合強(qiáng)化；激光與離子滲氮復(fù)合處理；表面覆層技術(shù)與其他表面處理的復(fù)合技術(shù)；離子輔助涂覆；離子注入與氣相沉積復(fù)合表面改性。3.7.3復(fù)合表面處理技術(shù)第一百一十二頁，共一百二十二頁，2022年，8月28日第八節(jié)現(xiàn)代特種加工技術(shù)

3.8.1激光加工3.8.2超聲波加工3.8.3水射流切割加工第一百一十三頁，