工程材料與機械制造基礎(chǔ)-蘇子林課件 第6章 先進制造技術(shù)

教學內(nèi)容

6.1

超高速加工技術(shù)

6.2超精密加工技術(shù)6.3特種加工技術(shù)6.4快速成形技術(shù)6.5非金屬材料的成形技術(shù)6.6先進制造技術(shù)發(fā)展趨勢第1節(jié)超高速加工技術(shù)6.1.1超高速切削加工技術(shù)6.1.2超高速磨削加工技術(shù)6.1.1超高速切削加工技術(shù)1.超高速切削加工技術(shù)特點及應(yīng)用超高速切削概念起源于德國切削物理學家Carl.J.Salomon博士1929年進行的超高速切削模擬試驗，并于1931年4月發(fā)表了著名的超高速切削理論，提出了超高速切削的設(shè)想。圖6-1切削速度變化與切削溫度之間的關(guān)系A(chǔ)-常規(guī)切削區(qū)域；B-不能切削區(qū)域；C-高速切削區(qū)域；6.1.1超高速切削加工技術(shù)超高速切削是一個相對的概念。由于不同的加工方式、不同工件有不同的高速切削范圍，所以很難就高速切削的速度范圍給出確切的定義。1992年在CIRP（國際生產(chǎn)工程研究院）會議上發(fā)表了不同材料大致可行的和發(fā)展的切削速度范圍，如圖6-2所示。不同工件材料的切削速度范圍a-普通區(qū)；b-過渡區(qū)；c-高速區(qū)1－鎳基合金；2－鈦，鈦合金；3－鋼；4－鑄鐵；5－黃銅；6－鋁合金；7－碳纖維塑料6.1.1超高速切削加工技術(shù)與傳統(tǒng)的切削加工方法相比,高速切削具有無可比擬的優(yōu)越性,主要表現(xiàn)在:1）切削力低。2）熱變形小。3）材料去除率高。4）加工精度高。5）降低加工成本6）高速切削可以加工難加工的材料。6.1.1超高速切削加工技術(shù)1.超高速切削的關(guān)鍵技術(shù)

實現(xiàn)超高速切削加工的核心研究內(nèi)容主要有：超高速切削機理、超高速機床技術(shù)、超高速切削刀具技術(shù)、超高速加工工藝技術(shù)以及超高速加工測試技術(shù)等，其中超高速機床是實現(xiàn)超高速加工的前提和基礎(chǔ)條件。性能良好的機床是實現(xiàn)超高速切削的基礎(chǔ)。

超高速機床技術(shù)主要包括高速單元技術(shù)和機床整機技術(shù)。超高速加工機床能否達到理想加工狀態(tài)，主要取決于超高速加工機床的關(guān)鍵單元。

6.1.1超高速切削加工技術(shù)超高速切削的關(guān)鍵技術(shù):1）超高速主軸單元;2）高速進給系統(tǒng);3）高速切削刀具材料和刀具系統(tǒng);4）高速CNC控制系統(tǒng);5）超高速機床集成技術(shù);6）輔助單元技術(shù);7）超高速切削加工機理。超高速切削是以主軸高速化為核心的多項先進技術(shù)的綜合應(yīng)用，它是一項復雜的綜合技術(shù)。超高速主軸單元和高速進給系統(tǒng)的性能將直接影響超高速切削的功效。6.1.2超高速磨削加工技術(shù)

1.超高速磨削加工技術(shù)特點及應(yīng)用砂輪圓周速度超過45m/s為高速磨削（HighSpeedGrinding），砂輪圓周速度超過150m/s稱為超高速磨削（Super-highSpeedGrinding）。

超高速磨削具有如下突出的特點和優(yōu)越性：①由于磨削速度高，單位時間作用磨粒數(shù)多，特別是采用大進給量和大切深時，其材料磨除率非常高。②單位磨除斷面積的磨削力和比磨削能（指單位時間去除單位體積工件材料所消耗的能量）小，工件受力變形和機床磨削功率消耗小。③單顆磨粒受力小，磨損少，使砂輪磨損很小，大幅度延長砂輪壽命。④磨削表面粗糙度值會隨砂輪速度提高而降低，加之工件表面溫度低，受力受熱變質(zhì)層很薄，所以其表面加工質(zhì)量有很大提高。⑤可以高效率地對硬脆材料實現(xiàn)延性域磨削，對高塑性和難磨材料也有良好磨削表現(xiàn)。6.1.2超高速磨削加工技術(shù)

目前，超高速磨削技術(shù)在工業(yè)中的具體應(yīng)用主要表現(xiàn)在以下幾個方面，高效深切磨削、超高速外圓磨削、快速點磨削、硬脆材料及難加工材料超高速磨削等。1）高效深切磨削技術(shù)2）快速點磨削工藝3）硬脆材料及難加工材料超高速磨削圖6-3快速點磨削原理圖6.1.2超高速磨削加工技術(shù)

2.超高速磨削的關(guān)鍵技術(shù)

1）超高速磨削砂輪技術(shù)

超高速磨削砂輪應(yīng)具有好的耐磨性，高的動平衡精度，抗裂性，良好的阻尼特性，高的剛度和良好的導熱性，而且其機械強度必須能承受高速超高速磨削時的切削力等。2）超高速磨床主軸及其軸承技術(shù)

超高速磨削主軸單元的性能在很大程度上決定了超高速磨床所能達到的最高磨削速度極限，因而，為實現(xiàn)超高速磨削，砂輪驅(qū)動和軸承轉(zhuǎn)速往往要求很高。主軸的高速化要求足夠的剛度，回轉(zhuǎn)精度高，熱穩(wěn)定性好，可靠，功耗低，壽命長等。6.1.2超高速磨削加工技術(shù)

3）高速超高速磨床對于高速超高速磨床，主要是大功率高速超高速主軸系統(tǒng)和機床的高抗振性。高速超高速加工不但要求機床有很高的主軸轉(zhuǎn)速和功率，而且同時要求機床工作臺有很高的進給速度和運動加速度，還需盡可能組合多種磨削功能。4）磨削液及其供給技術(shù)磨削表面質(zhì)量、工件精度和砂輪的磨損在很大程度上受磨削熱的影響。磨削液分為兩大類：油基磨削液和水基磨削液（包括乳化液）。油基磨削液潤滑性優(yōu)于水基磨削液，但水基磨削液冷卻效果好。6.1.2超高速磨削加工技術(shù)

5）砂輪、工件安裝定位及安全防護技術(shù)超高速磨削砂輪動能很大，必須設(shè)置高強度半封閉或封閉的砂輪防護罩，罩內(nèi)最好敷設(shè)緩沖材料，以吸收或減少砂輪碎塊的二次彈射。6）磨削狀態(tài)檢測及數(shù)控技術(shù)超高速磨削加工中，砂輪由于超高速引起的破碎現(xiàn)象時常發(fā)生，砂輪破碎及磨損狀態(tài)的監(jiān)測是關(guān)系到磨削工作能否順利進行和保證加工質(zhì)量以及零件表面完整性的關(guān)鍵。在超高速加工中，砂輪與工件的對刀精度，砂輪與修整輪的對刀精度將直接影響到工件的尺寸精度和砂輪的修整質(zhì)量，因此，在超高速磨削加工中，在線智能監(jiān)測系統(tǒng)是保證磨削加工質(zhì)量和提高加工生產(chǎn)率的重要因素。第2節(jié)超精密加工技術(shù)

6.2.1超精密加工技術(shù)概述6.2.2超精密加工應(yīng)用6.2.3超精密加工的分類6.2.4超精密加工關(guān)鍵技術(shù)6.2.5超精密加工的工作環(huán)境6.2.1超精密加工技術(shù)概述

精密和超精密是相對而言，在不同的時期有不同的界定。從目前的發(fā)展水平來看：加工精度在0.1～1μm，加工表面粗糙度在Ra0.02～0.1μm之間的加工方法稱為精密加工；加工精度高于0.1μm，加工表面粗糙度小于Ra0.01μm之間的加工方法稱為超精密加工。6.2.1超精密加工技術(shù)概述

超精密加工具有如下特點：（1）超精密加工時，背吃刀量及其微小，屬于微量切削，因此，對刀具的刃磨、砂輪修整和機床調(diào)整均有很高要求。（2）超精密加工是一門綜合性高技術(shù)，凡是影響加工精度和表面質(zhì)量的因素都要考慮。（3）超精密加工一般采用計算機控制、在線控制、自適應(yīng)控制、誤差檢測和補償?shù)茸詣踊夹g(shù)來保證加工精度和表面質(zhì)量。（4）超精密加工不僅有傳統(tǒng)的切削和磨削加工，而且有特種加工和復合加工方法，只有綜合應(yīng)用各種加工方法，取長補短，才能得到很高的加工精度和表面質(zhì)量。6.2.2超精密加工應(yīng)用

超精密加工是尖端技術(shù)產(chǎn)品發(fā)展不可缺少的關(guān)鍵加工手段，不管是軍事工業(yè)還是民用工業(yè)，都需要這種先進的加工技術(shù)?，F(xiàn)代飛機、潛艇、導彈性能和命中率的慣導儀表的精密陀螺框架、激光核聚變用的反射鏡、大型天文望遠鏡的透鏡、大規(guī)模集成電路的各種基片、計算機磁盤基底及復印機磁鼓、各種高精度的光學元器件、各種硬盤及記憶體的襯底等都需要超精密加工技術(shù)的支持。超精密加工技術(shù)促進了機械、液壓、電子、光學、傳感器、計量、半導體及材料科學的發(fā)展。超精密加工擔負著支持最新科學技術(shù)進步的重要使命，同時也是衡量一個國家制造技術(shù)水平的重要標志。6.2.3超精密加工的分類（1）超精密切削。超精密切削是借助鋒利的金剛石刀具對工件進行車削或銑削。主要用于加工要求低粗糙度和高形狀精度的有色金屬或非金屬零件。超精密車削可達到粗糙度Ra0.005μm和0.1μm的非球面形狀精度。（2）超精密磨削。超精密磨削是利用磨具上尺度均勻性好、近似等高的磨粒對被加工零件表面進行滑擦、耕犁及切削的過程。超精密磨削可達到Ra0.002μm的表面粗糙度和0.01μm的圓度。（3）超精密研磨和拋光超精密研磨和拋光加工方法是一種具有均勻復雜軌跡的光整加工方法，其運動原理是：磨具在含有自由磨粒的研拋液中，緊壓工件表面作高速旋轉(zhuǎn)；工件固定安裝在工作臺上，工作臺作旋擺運動。磨具的高速旋轉(zhuǎn)運動與旋擺運動的合成，形成了極其復雜，均勻而又細密的運動軌跡。6.2.4超精密加工的關(guān)鍵技術(shù)超精密加工工具除必須具備超微量切削特征外，還必須具有如下性能：①參與切削過程的刀尖附近的極小局部區(qū)域能承受比普通切削強烈得多的高溫高壓作用。刀具材料必須有極高的硬度、耐磨性和彈性模量，能承受很大的比壓，以及具有很長的壽命和很高的尺寸耐用度；②刀具材料必須保證刃口能刃磨極其鋒銳，刀刃鈍圓半徑能達到幾十納米或以下，能實現(xiàn)超薄切削；③刀刃必須非常平直、無缺陷，能得到超光滑表面；④和工件材料的抗粘結(jié)性好、化學親合力小、摩擦系數(shù)低，能得到極好的表面完整性。超精密加工的關(guān)鍵技術(shù)包括：超精密加工機理、超精密加工工具技術(shù)、超精密加工機床制造技術(shù)、在線檢測與誤差補償技術(shù)等。（1）超精密加工工具技術(shù)6.2.4超精密加工的關(guān)鍵技術(shù)超精密加工機床是實現(xiàn)超精密加工的首要條件，目前超精密加工機床一般是采用高精度空氣靜壓軸承支撐主軸系統(tǒng)，空氣靜壓導軌支撐進給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模式。要實現(xiàn)超微量切削，必須配有微量移動工作臺的微進給驅(qū)動裝置和滿足刀具角度微調(diào)的微量進給機構(gòu)，并能實現(xiàn)數(shù)字控制。（2）超精密加工機床6.2.4超精密加工的關(guān)鍵技術(shù)超精密加工對測量精度的要求很高，一般應(yīng)高于加工精度一個數(shù)量級。對于高精度的尺寸、幾何形狀及位置尺寸等，可采用分辨率為0.01～0.001μm的電感測微儀或激光干涉儀等來檢測；主軸回轉(zhuǎn)精度可用電容測微儀來測量；導軌直線度可用自準直儀、激光干涉儀來測量；表面形貌及表面粗糙度可用表面輪廓儀、隧道顯微鏡來測量。表面層的應(yīng)力、變質(zhì)層、微裂紋等缺陷可用X光衍射法、激光干涉法等來測量。誤差預防、誤差補償、誤差預報是超精密加工中提高加工精度的重要舉措。誤差預防是通過提高工藝系統(tǒng)精度、保證工作環(huán)境條件等來減少誤差源；誤差補償是通過修正措施來抵消或消除誤差；而誤差預報是根據(jù)誤差出現(xiàn)的發(fā)展趨勢，測出預測值，采取相應(yīng)的補救措施，真正做到無滯后的實時補償。（3）在線檢測與誤差補償

6.2.5超精密加工的工作環(huán)境

超精密加工必須在超穩(wěn)定的環(huán)境下進行。超穩(wěn)定環(huán)境主要是指恒溫、超凈和防振三個方面。第3節(jié)特種加工技術(shù)

6.3.1特種加工概述6.3.2電火花加工6.3.3電火花線切割加工6.3.4電解加工6.3.5超聲波加工6.3.6磨料噴射加工6.3.7激光加工6.3.8電子束加工6.3.1特種加工概述

特種加工技術(shù)是先進制造技術(shù)的重要組成部分。由于其加工機理的特殊性，在國民經(jīng)濟的眾多制造領(lǐng)域中發(fā)揮著極其重要的不可替代的作用。在航空、航天、軍工、高新技術(shù)戰(zhàn)略武器、能源、汽車、模具、電子、冶金、化纖、交通等應(yīng)用領(lǐng)域中解決了大量傳統(tǒng)機械加工難以解決的關(guān)鍵的、特殊的加工難題，其發(fā)展狀況影響著我國的綜合國力及國防實力的提高。6.3.1特種加工概述特種加工是一種非傳統(tǒng)加工方法，主要利用光、電、聲、熱、化學、磁以及原子能進行加工的方法。與傳統(tǒng)加工（切削、磨削）有明顯區(qū)別：①不是主要依靠機械能，而是利用其它形式的能量去除材料；②工具的硬度可以低于被加工材料的硬度；③加工過程中不存在顯著機械力的作用，適合于低剛度零件精密加工；④適合形狀復雜，特別是工件型腔、大型和微細零件加工，熱變形小。6.3.1特種加工概述由于具有上述特點，特種加工技術(shù)可以加工任何硬度、強度、韌性、脆性的金屬、非金屬材料或復合材料，而且特別適合于加工復雜微細表面和低剛度的零件，同時，有些方法還可以用于進行超精密加工、鏡面加工、光整加工以及納米級（原子級）的加工。6.3.2

電火花加工

電火花加工基于電火花腐蝕原理，是在工具電極與工件電極相互靠近時，極間形成脈沖性火花放電，在電火花通道中產(chǎn)生瞬時高溫，使金屬局部熔化，甚至氣化，從而將金屬蝕除下來。1.電火花加工的機理圖6-4電火花加工原理示意圖1-工件；2-脈沖電源；3-自動進給調(diào)節(jié)系統(tǒng)；4-工具；5-工作液；6-過濾器；7-工作液泵圖6-5電火花加工表面局部放大圖1-凹邊；2-凸邊6.3.2

電火花加工

適用的材料范圍廣?？梢约庸と魏斡?、軟、韌、脆、高熔點的導電材料；適于加工特殊及復雜形狀的零件；脈沖參數(shù)可以在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，可以在同一臺機床連續(xù)進行粗、半精及精加工；直接利用電能進行加工，便于實現(xiàn)自動化。2.電火花加工的特點3.電火花加工的應(yīng)用電火花加工的應(yīng)用范圍很廣，可用來加工各種型腔及孔，如圖6-6所示。圖6-6電火花加工實例6.3.3

電火花線切割加工

電火花線切割加工與電火花成形加工的基本原理一樣，都是基于電極間脈沖放電時的電火花腐蝕原理，實現(xiàn)零部件的加工。但電火花線切割加工不需要制造復雜的成形電極，而是利用移動的細金屬絲（鉬絲或銅絲）作為工具電極，工件按照預定的軌跡運動，“切割”出所需的各種尺寸和形狀。圖6-7所示為電火花線切割加工示意圖。1.電火花線切割加工的機理圖6-7電火花線切割加工原理圖1-絕緣底版；2-工件；3-脈沖電源；4-儲絲輪；5-電極絲6.3.3

電火花線切割加工

(1)不需要制造成形電極，用簡單的電極絲即可對工件進行加工。可切割各種高硬度、高強度、高韌性和高脆性的導電材料，如淬火鋼、硬質(zhì)合金等。(2)由于電極絲比較細，可以加工微細異形孔、窄縫和復雜形狀的工件。(3)能加工各種沖模、凸輪、樣板等外形復雜的精密零件，尺寸精度可達0.02～0.01mm，表面粗糙度Ｒa值可達1.6μm。還可切割帶斜度的模具或工件。(4)由于切縫很小，可進行“套料”加工，余料還可以利用。(5)自動化程度高，操作方便，勞動強度低。2.電火花線切割加工特點6.3.3

電火花線切割加工

(1)應(yīng)用最廣泛的是加工各類模具，如沖模、鋁型材擠壓模、塑料模具及粉末冶金模具，如圖6-8、圖6-9所示。(2)加工二維直紋曲面的零件(需配有數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺)，如圖6-10所示。3.電火花線切割的應(yīng)用圖6-8齒輪模具圖6-9窄長沖模圖6-10加工平面凸輪零件6.3.3

電火花線切割加工

(3)加工三維直紋曲面零件(需配有數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺)，如圖6-11、圖6-12、圖6-13所示。(4)各種導電材料和半導體材料以及稀有、貴重金屬的切斷。5)加工微細槽、任意曲線窄縫。圖6-11加工螺旋面圖6-12加工雙曲面圖6-13加工扭轉(zhuǎn)錐臺6.3.4

電解加工

電解加工原理如圖6-14所示，在工件(陽極)與工具(陰極)之間接上直流電源，使工具陰極與工件陽極間保持較小的加工間隙(0.1～0.8mm)，間隙中通過高速流動的電解液。1.工作原理圖6-14電解加工原理圖1-直流電源；2-工具陰極；3-工件陽極；4-電解液泵；5-電解液6.3.4

電解加工

(1)能加工各種硬度和強度的材料。只要是金屬，不管其硬度和強度多大，都可加工。

(2)生產(chǎn)率高，約為電火花加工的5～10倍，在某些情況下，比切削加工的生產(chǎn)率還高，且加工生產(chǎn)率不直接受加工精度和表面粗糙度的限制。

(3)表面質(zhì)量好，電解加工不產(chǎn)生殘余應(yīng)力和變質(zhì)層，又沒有飛邊、刀痕和毛刺。在正常情況下，表面粗糙度Ra可達0.2～1.25μm。

(4)陰極工具在理論上不損耗，基本上可長期使用。電解加工當前存在的主要問題是加工精度難以嚴格控制，尺寸精度一般只能達到0.15～0.30mm。此外，電解液對設(shè)備有腐蝕作用，電解液的處理也較困難。2.電解加工的特點

6.3.4

電解加工

日前，電解加工主要應(yīng)用在深孔加工、葉片(型面)加工、鍛模(型腔)加工、管件內(nèi)孔拋光、各種型孔的倒圓和去毛刺、整體葉輪的加工等方面。3.電解加工工藝應(yīng)用

6.3.5超聲波加工

圖6-15所示為超聲波加工原理圖。超聲波發(fā)生器將工頻交流電能轉(zhuǎn)變?yōu)橛幸欢üβ瘦敵龅某曨l電振蕩，通過換能器將超聲頻電振蕩轉(zhuǎn)變?yōu)槌暀C械振動。此時振幅一般較小，再通過振幅擴大棒（變幅桿），使固定在變幅桿端部的工具振幅增大到0.01～0.15mm。利用工具端面的超聲（16～25kHz）振動，使工作液中的懸浮磨粒（碳化硅、氧化鋁等）對工件表面產(chǎn)生撞擊拋磨，實現(xiàn)加工。1.工作原理

543216振動方向圖6-15超聲波加工原理圖1-超聲波發(fā)生器2-換能器3-變幅桿4-磨料懸浮液注入5-工件6-工具6.3.5超聲波加工

①適用于加工各種脆性金屬材料和非金屬材料，如玻璃、陶瓷、半導體、寶石、金剛石等。②可加工各種復雜形狀的型孔、型腔、形面。③被加工表面無殘余應(yīng)力，無破壞層，加工精度較高，尺寸精度可達0.01～0.05mm。④加工過程受力小，熱影響小，可加工薄壁、薄片等易變形零件。⑤單純的超聲波加工，加工效率較低。采用超聲復合加工如超聲波輔助車削、超聲波輔助磨削、超聲波電解加工、超聲波線切割等，可顯著提高加工效率。在實際生產(chǎn)中，超聲波廣泛應(yīng)用型(腔)孔加工(如圖6-16所示)、切割加工(如圖6-17所示)等方面。2.超聲波加工的特點及應(yīng)用

6.3.5超聲波加工

e)圖6-16超聲波加工的型孔、腔孔類型a)加工圓孔b)加工型腔c)加工異形孔d)套料加工e)加工微細孔b)c)d)a)圖6-17超聲波切割單晶硅示意圖1－變幅桿；2－工具（薄銅片）；3－磨料液；4－工件（單晶硅）6.3.6磨料噴射加工

磨料噴射加工是一種使用游離磨料以運動方式進行的磨料加工。其工作機理是用高速射流（氣體、液體或氣體與液體的混合物）噴射磨粒，磨粒以很高的速度沖擊或拋磨工件表面，從而去除工件表面材料。磨料噴射加工是一種冷切削方式，對工件表面不產(chǎn)生熱作用，并且無加工應(yīng)力產(chǎn)生，這非常適于提高表面層質(zhì)量。1.工作原理6.3.6磨料噴射加工

磨料噴射加工裝置由四部份組成，如圖6-18所示。包括：①存儲、混和和輸送磨料的裝置；②工作室；③吸塵器；④供應(yīng)干燥氣體的氣源。

1.加工裝置圖6-18磨粒噴射加工裝置1－壓縮氣瓶；2－過濾器；3－壓力調(diào)節(jié)器；4－電源與混料室；5－振動器；6－腳踏閥門；7－手把；8－噴嘴；9－工件；10－防塵罩；11－吸塵器6.3.6磨料噴射加工

磨料噴射加工可以完成切割、去毛刺、清理、表面消光以及在玻璃、陶瓷或堅硬的金屬上進行蝕刻。如對液壓閥、精密偶件、醫(yī)療器械等精密小零件中不允許有毛刺的交叉孔、槽和螺紋部分去除毛刺和表面修整；對尼龍、聚四氟乙烯和酚醛塑料等非金屬零件進行表面光整加工；可剝除導線絕緣層和清理導線而不影響導電性；可用來進行玻璃表面消光、修整電路板以及修整硅和鎵等；可進行珠寶表面拋光和清除古代文物上的污跡；可用來清理電容和電阻混和電路等。3.磨料噴射加工應(yīng)用

6.3.7激光加工

激光加工(如圖6-19所示)是工件在光熱效應(yīng)下產(chǎn)生高溫熔融和受沖擊波拋出的綜合過程。1.激光加工的原理123456圖6-19激光加工原理圖1-激光器；2-激光束；3-反射鏡；4-聚焦鏡；5-工件；6-工作臺6.3.7激光加工

(1)幾乎對所有的金屬和非金屬材料都可以進行激光加工。

(2)激光能聚焦成極小的光斑，可進行微細和精密加工，如微細窄縫和微型孔的加工。

(3)可用反射鏡將激光束送往遠離激光器的隔離室或其它地點進行加工。

(4)加工時不需用刀具，屬于非接觸加工，無機械加工變形。

(5)無需加工工具和特殊環(huán)境，便于自動控制連續(xù)加工，加工效率高，加工變形和熱變形小。2.激光加工的特點6.3.7激光加工

(1)幾乎對所有的金屬和非金屬材料都可以進行激光加工。

(2)激光能聚焦成極小的光斑，可進行微細和精密加工，如微細窄縫和微型孔的加工。

(3)可用反射鏡將激光束送往遠離激光器的隔離室或其它地點進行加工。

(4)加工時不需用刀具，屬于非接觸加工，無機械加工變形。

(5)無需加工工具和特殊環(huán)境，便于自動控制連續(xù)加工，加工效率高，加工變形和熱變形小。2.激光加工的特點6.3.7激光加工

（1）激光打孔。激光可以在任何材料的不同位置，打出淺至幾微米，深至二十幾毫米以上的小孔。（2）激光切割。（3）激光打標。激光打標是指利用高能量的激光束照射在工件表面，光能瞬時變成熱能，使工件表面迅速產(chǎn)生蒸發(fā)，從而在工件表面刻出任意所需要的文字和圖形，以作為永久防偽標志。（4）激光焊接。激光焊接一般無需焊料和焊劑，只需將工件的加工區(qū)域“熱熔”在一起即可。激光焊接速度快，熱影響區(qū)小，焊接質(zhì)量高，既可焊接同種材料，也可焊接異種材料，還可透過玻璃進行焊接。（5）激光表面處理。可對鑄鐵、中碳鋼，甚至低碳鋼等材料進行激光表面淬火。3.激光加工的應(yīng)用6.3.8電子束加工

電子束加工是利用高速電子的沖擊動能來加工工件的，如圖6-20所示。在真空條件下，將具有很高速度和能量的電子束聚焦到被加工材料上，電子的動能絕大部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使材料局部瞬時熔融、汽化蒸發(fā)而去除。1.工作原理123456圖6-20電子束加工原理圖1－電子槍系統(tǒng)；2－聚焦系統(tǒng)；3－電子束；4－工件；5－電源及控制系統(tǒng)；6－抽真空系統(tǒng)6.3.8電子束加工

(1)電子束能夠極其微細地聚焦(可達l～0.1μm)，故可進行微細加工。(2)加工材料的范圍廣。由于電子束能量密度高，可使任何材料瞬時熔化、汽化且機械力的作用極小，不易產(chǎn)生變形和應(yīng)力，故能加工各種力學性能的導體、半導體和非導體材料。(3)加工在真空中進行，污染少，加工表面不易被氧化。(4)電子束加工需要整套的專用設(shè)備和真空系統(tǒng)，價格較貴，故在生產(chǎn)中受到一定程度的限制。

2.電子束特點與應(yīng)用

6.3.8電子束加工

電子束加工常應(yīng)用于加工微細小孔、異型孔(如圖6-21所示)及特殊曲面（圖6-22）。電子束加工曲面、穿孔a)電子束加工曲面b)加工曲面形成的零件c)電子束加工曲面盲孔d)加工異形通孔

1—工件2—工件運動方向3—電子束1323a)

b)

c)

d)電子束加工的噴絲頭異形孔6.3.9離子束加工

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)加工的。所不同的是離子帶正電荷，其質(zhì)量比電子大數(shù)千倍乃至數(shù)萬倍，故在電場中加速較慢，但一旦加至較高速度，就比電子束具有更大的撞擊動能。離子束加工是靠微觀機械撞擊能量轉(zhuǎn)化為熱能進行的。1.工作原理

6.3.9離子束加工

離子束加工的物理基礎(chǔ)是離子束射到材料表面時所發(fā)生的撞擊效應(yīng)、濺射效應(yīng)和注入效應(yīng)。離子束加工可分為四類。

1)離子束刻蝕加工

2)離子濺射沉積

3)離子鍍(又稱離子濺射輔助沉積)4)離子注入離子束直接轟擊被加工材料，由于離子能量相當大，離子就鉆入被加工材料的表層。工件表面層含有注入離子后，就改變了化學成分，從而改變了工件表面層的機械物理性能。

6.3.9離子束加工

1)離子束加工是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。2)離子束加工在高真空中進行，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。3)離子束加工是靠離子轟擊材料表面的原子來實現(xiàn)的，是一種微觀作用，所以加工應(yīng)力和變形極小，適宜于對各種材料和低剛度零件進行加工。在目前的工業(yè)生產(chǎn)中，離子束加工主要應(yīng)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。2.離子束加工特點及應(yīng)用

第4節(jié)快速成形技術(shù)6.4.1快速成形技術(shù)的原理6.4.2快速成形技術(shù)的典型工藝方法6.4.1快速成形技術(shù)的原理快速成形制造技術(shù)（RapidPrototypingManufacturing，RPM）20世紀80年代后期源于美國，是世界制造技術(shù)領(lǐng)域的又一次重大突破。RPM是機械工程、計算機技術(shù)、數(shù)控技術(shù)及材料科學等技術(shù)的集成。它能將已具數(shù)學幾何模型的設(shè)計迅速、自動地物化為具有一定結(jié)構(gòu)和功能的原型或零件。

RPM技術(shù)獲得零件的途徑不同于傳統(tǒng)的材料去除或材料變形方法，而是在計算機控制下，基于離散/堆積原理采用不同方法堆積材料最終完成零件的成形與制造的技術(shù)。6.4.1快速成形技術(shù)的原理不同快速成形技術(shù)在制造工藝方面不盡相同，但其基本思想都是利用計算機將復雜的三維物體轉(zhuǎn)化為二維層，然后由點/線構(gòu)成面（層），逐層成形得到最終的三維零件模型。其成形步驟為：（1）離散：把三維CAD模型轉(zhuǎn)化為快速成形系統(tǒng)能夠接受的數(shù)據(jù)格式，如STL文件，運用離散軟件將模型切成一系列指定厚度的薄片，如圖6-23所示。（2）掃描：通過數(shù)控裝置控制激光或其他作業(yè)裝置，在當前工作層上掃描出切片的截面形狀。（3）進給（4）后處理：根據(jù)不同應(yīng)用場合的需要，分別對零件進行后固化、上漆、燒結(jié)、滲銅等處理。6.4.1快速成形技術(shù)的原理圖6-23快速成形原理6.4.2快速成形技術(shù)的典型工藝方法

1.光固化成形

光固化成形（SterolithographyApparatus，SLA)方法是在樹脂液槽中盛滿液態(tài)光敏樹脂，使其在激光束的照射下快速固化。整個成形過程的原理如圖6-24所示。312456圖6-24光固化成形工藝原理

1—紫外激光2—成形零件3—光敏樹脂

4—刮平器5—液面6—升降臺6.4.2快速成形技術(shù)的典型工藝方法

2.分層實體制造

分層實體制造（LOM）快速成形是一種薄片材料疊加工藝。分層實體制造是根據(jù)三維CAD模型每個截面的輪廓線，在計算機控制下，發(fā)出控制激光切割系統(tǒng)的指令，使切割頭作x和y方向的移動，工作原理如圖6-25所示。

1234567圖6-25分層實體制造原理1-激光器；2－熱壓輥；3－計算機；4－供紙卷；5－收紙卷；6－升降臺；7－加工平面6.4.2快速成形技術(shù)的典型工藝方法

3.選擇性激光燒結(jié)選擇性激光燒結(jié)（SLS）采用CO2激光器對粉末材料（塑料粉、陶瓷與粘結(jié)劑的混合粉、金屬與粘結(jié)劑的混合粉等）進行選擇性燒結(jié)。是一種由離散點一層層堆積成三維實體的工藝方法，其工藝過程原理如圖6-26所示。

31245圖6-26選擇性激光燒結(jié)成形原理1-掃描鏡；2－激光束；3－激光器；4－平整輥；5－粉末6.4.2快速成形技術(shù)的典型工藝方法

4.熔積成形

熔積成形（FDM）工藝是一種不依靠激光作為成形能源，而將各種絲材加熱熔化的成形方法。其工藝過程原理如圖6-27所示。1234圖6-27熔積成形原理1－噴頭；2－料絲；3－噴頭；4－成形工件6.4.3快速成形技術(shù)在模具制造中應(yīng)用

1.用快速成形直接制造模具在快速成形技術(shù)領(lǐng)域中，目前發(fā)展最迅速、產(chǎn)值增長最明顯的應(yīng)屬快速模具（RapidTooling，RT）技術(shù)。利用快速成形技術(shù)制造快速模具可以分為直接模具制造與間接模具制造兩大類。直接快速模具制造指的是利用不同類型的快速成形技術(shù)直接制造出模具本身，然后進行一些必要的后處理和機加工以獲得模具所要求的機械性能、尺寸精度和表面粗糙度。目前能夠直接制造金屬模具的快速成形工藝包括光固化成形(SLA)、選擇性激光燒結(jié)（SLS）、熔積成形（FDM）等。6.4.3快速成形技術(shù)在模具制造中應(yīng)用

2.用快速成形間接制造模具

用快速成形制母模，澆注蠟、硅橡膠、環(huán)氧樹脂、聚氨脂等軟材料，可構(gòu)成軟模具。例如，金屬與環(huán)氧樹脂的混合材料在室溫下呈膠體狀，能在室溫下澆注和固化，因此特別適合用來復制模具。兩種典型快速成形制造模具方法：1）硅膠模具：以原型為原樣件，采用硫化的有機硅橡膠澆注，直接制造硅橡膠模具。2）金屬噴涂模。第5節(jié)非金屬材料的成形技術(shù)

6.5.1塑料成形6.5.2橡膠成形6.5.3陶瓷成形6.5.4復合材料成形6.5.1塑料成形

非金屬材料是指除金屬材料之外的所有材料的總稱，包括有機高分子材料、無機非金屬材料和復合材料三大類。目前在工程領(lǐng)域應(yīng)用最多的非金屬材料主要是塑料、橡膠、陶瓷及各種復合材料。塑料是一類以天然或合成樹脂為主要成分，在一定溫度、壓力條件下經(jīng)塑制成形，并在常溫下能保持形狀不變的高分子工程材料。

塑料成形是指將粉狀、粒狀、纖維狀和碎屑狀固體塑料、樹脂溶液或糊狀等各種形態(tài)的塑料原料制成所需形狀和尺寸的制品或半制品的技術(shù)。目前生產(chǎn)上廣泛采用注射、擠出、壓制、吹塑等方法成形。6.5.1塑料成形1.注射成形將塑料原料放在注射成型機的料筒內(nèi)，加熱至熔融狀態(tài)，在柱塞或螺桿的壓力作用下，以較高的速度和壓力注入封閉的模具內(nèi)腔，冷卻凝固后，打開模具即可得到所需的制品（圖6-28）。圖6-28注射成形示意圖1-頂出桿；2-制品；3-加熱器；4-顆粒塑料；5-柱塞；6-分流梳6.5.1塑料成形2.擠出成型將塑料原料放在擠出機的料筒里，加熱至熔融，再靠螺旋推桿將熔融的塑料連續(xù)不斷地由模嘴中擠出而成為塑料型材（圖6-29）。更換不同的模嘴則可以生產(chǎn)不同截面的型材。

123圖6-29擠出成形示意圖1-料筒；2-加熱器；3-冷卻介質(zhì)6.5.1塑料成形3.壓制成形壓制成型又叫模壓成型，將塑料原料放入金屬模具內(nèi)，加熱加壓，使其在模具內(nèi)成型、硬化。這是熱固性塑料通常采用的成型方法。所用設(shè)備為液壓機、旋壓機等。

4.澆注成形澆注成形與金屬的鑄造十分相似。有些樹脂常溫下就是液態(tài)（如環(huán)氧樹脂等）的，有些樹脂加熱后可以變成液態(tài)。在這些樹脂中加入固化劑等添加劑，將配制好的混合液體澆人模具內(nèi)，在室溫或加熱的條件下，通過化學變化在模具內(nèi)固化成形。

6.5.1塑料成形5.真空成形將熱塑性塑料片放在模具中，周邊壓緊，加熱器把塑料片加熱至軟化溫度，然后將模具內(nèi)腔抽成真空，軟化的塑料片在大氣的壓力作用下與模具內(nèi)表面貼合，冷卻硬化后即得到所需的塑料制品。6.吹塑成形先制成熔融狀態(tài)的塑料坯，將其置人金屬模具內(nèi)，用壓縮空氣把料坯吹脹并與模具內(nèi)表面貼合，冷卻硬化后打開模具即可取出中空的制品。常用于瓶、罐、筒類件的生產(chǎn)，并且僅限于熱塑性塑料。

6.5.2橡膠成形1.壓制成形常用的橡膠有天然橡膠和合成橡膠。橡膠制品的成形方法與塑料成形方法相似，主要有壓制成形、注射成形等。

是將經(jīng)過塑煉和混煉預先壓延好的橡膠坯料，按一定規(guī)格和形狀下料后，加入到壓制模中，合模后在液壓機上按規(guī)定的工藝條件進行壓制，使膠料在受熱受壓下以塑性流動充滿型腔，經(jīng)過一定時間完成硫化，再進行脫模、清理毛邊，最后檢驗得到所需制品的方法。6.5.2橡膠成形2.注射成形將混煉好的膠料通過加料裝置加入料筒中加熱塑化，塑化后的膠料在柱塞或螺桿的推動下，經(jīng)過噴嘴射入到閉合的模具中，模具在規(guī)定的溫度下加熱，使膠料硫化成形。在注射成型過程中，由于膠料在充型前一直處于運動狀態(tài)受熱，因此各部分的溫度較壓制成形時均勻，且橡膠制品在高溫模具中短時即能完成硫化，制品的表面和內(nèi)部的溫差小，硫化質(zhì)量較均勻。注射成型的橡膠制品具有質(zhì)量較好、精度較高、而且生產(chǎn)效率較高的工藝特點。6.5.3陶瓷成形現(xiàn)代陶瓷從性能上可分為結(jié)構(gòu)陶瓷和功能陶瓷兩大類。結(jié)構(gòu)陶瓷是指具有力學性能及部分熱學和化學功能的現(xiàn)代陶瓷。功能陶瓷是指具有電、磁、聲、光、熱等特別功能的現(xiàn)代陶瓷?，F(xiàn)代陶瓷的生產(chǎn)工藝過程與粉末冶金基本相同，分為原料粉末制取、成型和燒結(jié)三個階段。許多成形方法也是一樣的，如模壓成形、注漿成形、擠壓成形、注射成形、冷等靜壓成形等。在制取粉末方面有化學氣相沉積法，氣相冷凝法，氣相化合物熱分解法，液相化學沉積法等；在成形燒結(jié)工藝方面有熱壓法、熱等靜壓法、爆炸法等。6.5.4復合材料成形復合材料由兩種或兩種以上的不同的材料所組成：一種是基體材料，另一種是增強材料。復合材料具有一系列的性能特點：比強度、比剛度高，耐疲勞性能高，抗斷裂性能高，減振性能好，抗蠕變能力強等。復合材料成形的工藝方法取決于基體和增強材料的類型。復合材料制品的生產(chǎn)過程也是復合材料本身的生產(chǎn)過程。因此，復合材料的成形工藝水平直接影響材料或制品的性能。

6.5.4復合材料成形1）手糊成形法手糊成形是用纖維作為增強材料，樹脂作為基體材料（先將樹脂配制成膠液）在模具上手工鋪敷成形，樹脂固化后脫模，從而獲得復合材料制品，其成形示意圖見圖6-30。1.樹脂基復合材料的成形

1234561—模具2—脫模劑3—膠衣層4—玻璃纖維增加材料

5—手動壓輥6—樹脂6.5.4復合材料成形2）噴射成形法將不飽和樹脂膠液與切短的玻璃纖維在噴射過程中混合，經(jīng)噴射沉積在模具上，然后再用手輥滾壓，使纖維浸透樹脂，沉積的物料被壓實并除去氣泡，最后固化成復合材料制品（圖6-31）

1234567圖6-31噴射成形示意圖1-粗紗；2-模具；3－樹脂＋引發(fā)劑；4－切割器；5－樹脂＋促進劑；6－壓輥；7－制品6.5.4復合材料成形3）模壓成形法復合材料的模壓成形與前面介紹的高分子材料的模壓成形工藝原理相同，區(qū)別只是模壓材料中含有增強材料。

2.金屬基復合材料的成形

金屬基復合材料主要以顆粒、晶須、短纖維和連續(xù)纖維為增強材料。金屬基復合材料的成形過程也是基體與增強體復合的過程，其工藝方法按基體的狀態(tài)大致可以分為液態(tài)法和固態(tài)法兩大類。6.5.4復合材料成形1）固態(tài)法固態(tài)法主要包括擴散結(jié)合法、粉末冶金法等。擴散結(jié)合法是將預制成形的金屬基復合材料的條帶按照制品的形狀、纖維體積密度和增強方向進行鋪設(shè)、層疊、裁剪，在低于基體金屬熔點70～200℃的溫度下施加靜壓力，使它們通過原子擴散進行結(jié)合，從而獲得金屬基復合材料制品。

2）液態(tài)法液態(tài)法是將基體金屬熔化成液態(tài)，通過不同的方式使其進人到增強材料的縫隙中，經(jīng)過凝固成形，形成緊密牢固的結(jié)合。6.5.4復合材料成形

3.陶瓷基復合材料的成形

陶瓷基復合材料的成形方法根據(jù)增強材料的形態(tài)不同可以分為兩類。一類是對于用短纖維、晶須或顆粒等增強的陶瓷基復合材料，一般采用傳統(tǒng)的陶瓷成形工藝，主要是熱壓燒結(jié)；另一類是對于連續(xù)纖維增強的陶瓷復合材料，主要采用料漿浸漬熱壓法和化學氣相滲透法。

第6節(jié)先進制造技術(shù)發(fā)展趨勢6.6.1先進制造技術(shù)定義6.6.2先進制造技術(shù)特點6.6.3先進制造技術(shù)范疇6.6.4先進制造技術(shù)的發(fā)展趨勢6.6.1先進制造技術(shù)定義

先進制造技術(shù)是傳統(tǒng)制造業(yè)不斷地吸收機械、信息、材料及現(xiàn)代管理技術(shù)等方面最新的成果，并將其綜合應(yīng)用于產(chǎn)品開發(fā)與設(shè)計、制造、檢測、管理及售后服務(wù)的制造全過程，實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、清潔、敏捷制造，并取得理想技術(shù)經(jīng)濟效果的前沿制造技術(shù)的總稱。從本質(zhì)上可以說，先進制造技術(shù)是傳統(tǒng)制造技