特種加工與精密制造技術(shù)

第四章

特種加工與先進制造技術(shù)4.1精密與超精密加工技術(shù)4.2特種加工技術(shù)4.3快速成形技術(shù)4.1精密與超精密加工技術(shù)在機械加工領(lǐng)域中，某個歷史時期所能達到的最高加工精度的各種精密加工方法。特點：(1)相對性，隨時間的推移而變化；(2)不普及性、保密性；(3)屬于尖端技術(shù)；(4)與測量技術(shù)密切相關(guān)；(5)國際競爭中取得成功的關(guān)鍵技術(shù)。不同時期的精密和超精密加工精度超精密加工精密加工普通加工一、課程研究的對象與意義隨著新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備以及新的測試技術(shù)和儀器的采用，機械加工精度都在不斷地提高。

目前精密與超精密加工內(nèi)涵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各種產(chǎn)品與所要求的精度范圍

加工精度范圍機械產(chǎn)品電子產(chǎn)品光學產(chǎn)品普通加工200m一般機械零件，家用電器，汽車零件，通用齒輪通用電器機具，電子零件外殼，小型電機，半導體照相機外殼

精密加工5m手表零件，精密齒輪，絲杠，高速軸承，滾動軸承繼電器，IC硅片，錄像頭，記憶磁盤等透鏡，棱鏡等0.5m空氣軸承，導軌，精密模具，液壓伺服閥等磁頭，IC元件，磁控管等精密透鏡，X射線反射鏡，激光反射鏡超精密加工0.05m塊規(guī)，金剛石壓頭，超精密導軌等IC存儲器，硬磁盤，大規(guī)模集成電路等光學平晶，衍射光柵，光盤等0.005m超精密零件(平面，球面，非球面，螺旋面等)超大規(guī)模集成電路超精密衍射光柵1nm以下超精密零件的表面粗糙度

精密與超精密加工技術(shù)的意義提高產(chǎn)品性能和質(zhì)量，提高穩(wěn)定性和可靠性；促進產(chǎn)品的小型化；增強零件的互換性，提高裝配生產(chǎn)率。舉例：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；飛機發(fā)動機葉片加工精度由60μm→12μm，粗糙度由Ra0.5μm→0.2μm，則發(fā)動機效率89%→94%；磁盤磁頭與磁盤間距離，目前已達到0.3μm，近期內(nèi)可達到0.15μm。二、課程的研究內(nèi)容精密與超精密加工機理刀具磨損、積屑瘤生成規(guī)律、磨削機理、加工參數(shù)對表面質(zhì)量的影響等其特殊性；超精密切削時極限切削厚度與刃口半徑的關(guān)系課程的研究內(nèi)容超精密加工的刀具、磨具及其制備

刀具的刃磨、超硬砂輪的修整；在線電解修銳法電火花修整法

課程的研究內(nèi)容超精密加工機床設(shè)備

機床精度、剛度、抗振性、微量進給機構(gòu)；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

平面型空氣靜壓導軌示意圖1-靜壓空氣

2-移動工作臺

3-底座

微量進給結(jié)構(gòu)分辨率0.01μm，最大位移20μm，靜剛度70N/μm，雙T形彈性變形微進給裝置1-微位移刀夾

2、3-T形彈簧

4-驅(qū)動螺釘

5-固定端

6-動端

課程的研究內(nèi)容精密測量及補償技術(shù)

有相應級別的測量裝置，具有在線測量和誤差補償；CAIS為計算機輔助加工中心在線檢測誤差補償控制軟件計算機輔助加工中心在線檢測系統(tǒng)示意圖

課程的研究內(nèi)容

嚴格的工作環(huán)境恒溫、凈化、防振和隔振等。美國LLL實驗室超精密機床隔振基礎(chǔ)1-隔振空氣彈簧2-床身3-工作臺

防振：消除自身振動干擾隔振：阻止外部振動4.2特種加工技術(shù)激光加工一、特種加工的特點和分類非傳統(tǒng)加工又稱特種加工，是區(qū)別于傳統(tǒng)切削與磨削加工方法的總稱。將電、磁、聲、光等物理量及化學能量或其組合直接施加在工件被加工的部位上，從而使材料被去除、累加、變形或改變性能等。特種加工技術(shù)的特點不用或少用機械能，而是用其它能量（如電能、光能、聲能、熱能、化學能等）對工件進行加工。工具不受顯著切削力的作用，對工具和工件的強度、硬度和剛度均沒有嚴格要求。加工變形小，發(fā)熱少（僅局限于工件表層加工部位很小區(qū)域內(nèi)），工件熱變形小，加工應力小，易于獲得好的加工質(zhì)量。加工中能量易于轉(zhuǎn)換和控制，有利于保證加工精度和提高加工效率。特種加工的分類機械過程：利用機械力，使材料產(chǎn)生剪切、斷裂，以去除材料。如超聲波加工、水噴射加工、磨料流加工等。特種加工的分類熱學過程：通過電、光、化學能等產(chǎn)生瞬時高溫，熔化并去除材料，如電火花加工、高能束加工、熱力去毛刺等。

電化學過程：利用電能轉(zhuǎn)換為化學能對材料進行加工，如電解加工、電鑄加工（金屬離子沉積）等?；瘜W過程：利用化學溶劑對材料的腐蝕、溶解，去除材料，如化學蝕刻、化學銑削等。特種加工的分類復合過程：利用機械、熱、化學、電化學的復合作用，去除材料。常見的復合形式有機械化學復合—如機械化學拋光、電解磨削、電鍍珩磨等。機械熱能復合—如加熱切削、低溫切削等。熱能化學能復合—如電解電火花加工等。其它復合過程—如超聲切削、超聲電解磨削、磁力拋光等。二、幾種常見的特種加工方法電火花加工電火花線切割電解加工激光加工高能粒子束加工超聲加工電火花加工原理：利用工具電極與工件電極之間脈沖性火花放電，產(chǎn)生瞬時高溫，使工件材料熔化和氣化。進給系統(tǒng)放電間隙工具電極工件電極直流脈沖電源工作液電火花加工機床電火花加工成品電火花線切割加工用連續(xù)移動的鉬絲（或銅絲）作工具陰極，工件為陽極。機床工作臺帶動工件在水平面內(nèi)作兩個方向移動，可切割出二維圖形。同時，絲架可作小角度擺動，可切割出斜面。電火花線切割機床加工過程顯示電火花線切割機床電火花線切割加工電解加工原理電解加工原理圖電解液直流電源泵工件陽極陰極進給工具陰極電解加工電解加工整體葉輪激光加工原理激光器工件工作臺激光加工原理圖光闌反射鏡聚焦鏡電源激光加工用途打標焊接鉆微孔表面處理鉆孔切削電子束加工原理高速而能量密集的電子束沖擊到工件上，被沖擊點處形成瞬時高溫（幾分之一微秒時間內(nèi)升高至幾千攝氏度），工件表面局部熔化、氣化直至被蒸發(fā)去除。電子束加工原理圖控制柵極加速陽極電子束斑點旁熱陰極聚焦系統(tǒng)工件工作臺電子束加工應用0.03~0.07mm電子束加工的噴絲頭異形孔電子束加工曲面、穿孔電子束焊接與CO2氣體保護焊的比較CO2氣保焊焊接的車橋。要開坡口填絲，熱變形大

電子束焊機焊接的車橋

電子束焊接后橋設(shè)備離子束加工原理與特點在真空條件下，將離子源產(chǎn)生的離子束經(jīng)過加速、聚焦后投射到工件表面的加工部位以實現(xiàn)加工。目前特種加工中最精密、最微細的加工。離子刻蝕可達納米級精度，離子鍍膜可控制在亞微米級精度，離子注入的深度和濃度亦可精確地控制。離子束加工應用在高真空中進行，污染少，特別適宜于對易氧化的金屬、合金和半導體材料進行加工。主要應用于刻蝕加工(如加工空氣軸承的溝槽，加工極薄材料等)、鍍膜加工(如在金屬或非金屬材料上鍍制金屬或非金屬材料)、注入加工(如某些特殊的半導體器件)等。超聲加工原理利用工具端面作超聲（16～25kHz）振動，使工作液中的懸浮磨粒對工件表面撞擊拋磨來實現(xiàn)加工。

變幅桿超聲波發(fā)生器振動方向工具換能器工作液噴嘴工件超聲波加工應用超聲波加工樣件三、特種加工技術(shù)的發(fā)展趨勢拓寬現(xiàn)有非傳統(tǒng)加工方法的應用領(lǐng)域。探索新的加工方法，研究和開發(fā)新的元器件。優(yōu)化工藝參數(shù)，完善現(xiàn)有的加工工藝。向微型化、精密化發(fā)展。采用數(shù)控、自適應控制、CAD/CAM、專家系統(tǒng)等技術(shù)，提高加工過程自動化、柔性化程度。4.3快速成形技術(shù)一、快速成形技術(shù)的原理與特點快速成型（RapidPrototyping,簡稱RP）技術(shù)是20世紀80年代后期發(fā)展起來的,是由CAD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。快速成形技術(shù)原理離散—堆積（疊加）快速成形加工的過程成型加工：成型頭（激光頭或噴頭）按各截面輪廓信息掃描后處理：打磨、拋光、涂掛、燒結(jié)等三維模型的切片處理：加工方向（Z方向）進行分層三維模型的近似處理:三角形平面來逼近原來的模型（STL文件）

三維模型構(gòu)建：Pro/E、UG、SolidWorks、激光掃描、CT斷層掃描等

快速成形技術(shù)的特點1.簡易性將一個十分復雜的三維制造過程簡化為二維過程的疊加，可實現(xiàn)對任意復雜零件的加工，特別適用于復雜型腔，復雜形面等傳統(tǒng)方法難以制造甚至無法制造的零件。2.快速性由CAD模型直接驅(qū)動產(chǎn)品制造，在很短的時間內(nèi)就可制造出零件的實體?；ヂ?lián)網(wǎng)技術(shù)使得快速成型方法便于實現(xiàn)遠程制造?？焖俪尚渭夹g(shù)的特點3.高柔性不需要任何刀具，模具及工裝卡具，可將任意復雜形狀的設(shè)計方案快速轉(zhuǎn)換為三維的實體模型或樣件。4.技術(shù)的高度集成性結(jié)合CAD/CAM技術(shù)、激光技術(shù)、計算機數(shù)控技術(shù)、精密伺服驅(qū)動技術(shù)以及新材料技術(shù)。5.應用的廣泛性在工程、醫(yī)學、文化藝術(shù)以及建筑工程等領(lǐng)域都有廣闊的應用領(lǐng)域。二、快速成形技術(shù)的主要加工方法光固化成形技術(shù)(SL—StereoLithography)選擇性激光燒結(jié)(SLS—SelectedLaserSintering)分層實體制造(LOM—LaminatedObjectManufacturing)熔融沉積造型(FDM—FusedDepositionModeling)三維打印成形(3DP—3DimensionPrinting）光固化成形技術(shù)（SL）利用計算機控制激光束對光敏樹脂進行逐點掃描，而逐層形成零件的快速成形方法。目前研究最多的也是技術(shù)最成熟的方法。選擇性激光燒結(jié)（SLS）采用高強度激光束對粉末材料進行選擇性燒結(jié)的工藝，是一種由離散點一層層堆積成三維實體的工藝方法。分層實體成形（LOM）用激光將薄膜材料（紙，塑料薄膜等）逐層切割成所需形狀，然后疊加在一起的成形方法。熔絲沉積成形（FDM）將線狀材料液化后，通過噴嘴的噴射將其逐層沉積成形狀復雜的成形件的成形工藝。三維打印成形（3DP）以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層堆疊累積的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。三、快速成形技術(shù)的應用快速成型技術(shù)已在工業(yè)造型、機械制造、航空航天、軍事、建筑、影視、家電、輕工、醫(yī)學、考古、文化藝術(shù)、雕刻、首飾等領(lǐng)域都得到了廣泛應用。并且隨著這一技術(shù)本身的發(fā)展，其應用領(lǐng)域?qū)⒉粩嗤卣埂?/p>

四、快速成形技術(shù)的發(fā)展趨勢開發(fā)綜合性能好的快速成型材料，如成本低、易成形、變形小、強度高、耐久及無污染的