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先进制造技术王赟AdvancedManufacturingTechnology(AMT)先进制造工艺技术概论快速原型制造技术超高速加工技术超精密加工技术现代特种加工技术微细加工技术第三章先进制造工艺技术通过本章的学习，了解先进制造工艺技术的基本特征及发展趋势;掌握先进制造工艺技术中超高速加工技术、超精密加工技术、特种加工技术、快速原型制造技术以及微细加工技术的基本概念、关键支撑技术及发展应用；了解这些先进技术手段在日常生活以及现代机械产品中的实际应用;通过本章的学习，使学生获得先进制造工艺技术的基本知识，为进一步学习专业课程打下坚实的基础。教学目标了解先进制造工艺技术的定义、内涵及现状。掌握超高速加工技术相关的基础知识,了解其现状及应用。掌握超精密加工技术相关的基础知识,了解其现状及应用。了解快速原型制造技术相关内容,掌握几种典型的快速原型工艺方法。教学要求机械制造工艺的定义机械制造工艺是将各种原材料通过改变其形状、尺寸、性能或相对位置，使之成为成品或半成品的方法和过程。先进制造工艺技术概论原材料成品半成品改变形状,尺寸,性能,位置机床、工具机械制造工艺的基本概念按其功能的不同，可将机械制造工艺分为如下三个阶段：零件毛坯的成形准备阶段，包括原材料切割、焊接、铸造、锻压加工成形等机械切削加工阶段，包括车削、钻削、铣削、刨削、镗削、磨削加工等表面改性处理阶段，包括热处理、电镀、化学镀、热喷涂、涂装等先进制造工艺技术概论包装(成品)原材料、能源切割、下料棒、板、管、型材棒、板、管、型材棒、板、管、型材焊接铆接粘接（）锻造、冲压热处理铸造熔化粉末冶金（压制、烧结）注射、压塑挤塑、吹塑敞开模、对模成形、缠绕等机械加工（切削加工）机械加工（磨、特种）金属炉料大锻件钢坯合金粉末工程陶瓷材料工程塑料、橡胶复合材料表面处理装配金属结构材料非金属结构材料材料制造部门机械制造部门精加工搬运与储存检测与控制改性与防护装配与包装粗加工发运机械制造工艺流程图•制造加工精度18世纪，其加工精度为1mm；19世纪末，0.05mm；20世纪初，μm级过渡；20世纪50年代末，实现了μm级的加工精度；目前达到10nm的精度水平。•切削加工速度20世纪前，碳素钢，耐热温度低于200ºC，10m/min；20世纪初，高速钢，500-600ºC，30-40m/min；20世纪30年代，硬质合金，800-1000ºC，数百米/min;目前陶瓷、金刚石、立方氮化硼，1000ºC以上，一千至数千米/min。先进制造工艺的产生和发展切削速度随刀具材料的变更而提高•新型工程材料的应用类型：超硬材料、超塑材料、高分子材料、复合材料、工程陶瓷等对制造工艺贡献：①改善刀具切削性能，改进加工设备；②促进特种加工工艺发展。•自动化和数字化工艺装备的发展单机自动化→系统自动化刚性自动化→柔性自动化→综合自动化先进制造工艺的产生和发展•毛坯成形技术在向少、无余量发展如：熔模精密铸造、精密锻造、精密冲裁、冷温挤压等新工艺。•表面工程技术的形成和发展表面工程：通过表面涂覆、表面改性、表面加工、表面复合处理改变零件表面形态、化学成分和组织结构，以获取与基体材料不同性能的一项应用技术。如：电刷镀、化学镀、物理气相沉积、化学气象沉积、热喷涂、化学热处理、激光表面处理、离子注入等。先进制造工艺的产生和发展先进制造工艺的特点优质以先进制造工艺加工制造出的产品质量高、性能好、尺寸精确、表面光洁、组织致密、无缺陷杂质、使用性能好、使用寿命和可靠性高高效与传统制造工艺相比，先进制造工艺可极大地提高劳动生产率，大大降低了操作者的劳动强度和生产成本低耗先进制造工艺可大大节省原材料消耗，降低能源的消耗，提高了对日益枯竭的自然资源的利用率洁净应用先进制造工艺可做到零排放或少排放，生产过程不污染环境，符合日益增长的环境保护要求第二节快速原型制造技术快速成形制造技术的概念快速成形制造的基本过程快速成形制造的主要方法快速成形制造的主要特征快速成形制造技术的应用主要内容：传统制造工艺材料去除法：车、铣、刨、磨等成型与拼合法：锻造、铸造、冲压、拉拔、焊接等快速成形技术快速成形技术“快速成形”（RapidPrototyping:RP）全新的制造理念——增材加工法基于离散/堆积成形原理的一种先进制造技术；机械工程、CAD、数据处理技术、数控技术、激光技术、材料科学技术等先进技术的集成；20年来制造领域的重大突破，其对制造业的影响可与50～60年代数控技术相比。CAD/CAM技术RP技术激光技术数控技术新材料技术快速成形技术快速成形技术CAD模型Z向离散化（分层）层面信息处理层面制造与连接层面全部加工完毕后处理YN分解过程计算机中信息处理组合过程成形机中堆积成形基本原理RP制造的基本过程RPM技术的原理和特点基于“材料逐层堆积”的制造理念，将复杂的三维加工分解为简单的材料二维添加的组合。在CAD模型的直接驱动下，快速制造任意复杂形状的三维实体。设计人员CAD造型系统三维实体三维数字化仪等CAD模型数据文件分层切片RPS产品快速成形技术快速原型制造的基本过程◎CAD建模由CAD软件设计出所需零件的计算机三维曲面或实体模型◎分层将三维模型沿一定方向（通常为Z向）离散成一系列有序的二维层片（习惯称为分层）◎层面信息处理根据每层轮廓信息，进行工艺规划，选择加工参数，自动生成数控代码三维CAD模型设计在PC机或图形工作站上用三维软件pro/EsolidworksUGCATIA等设计零件的三维CAD模型。CAD模型的近似处理用STL文件格式进行数据转换，将三维实体表面用一系列相连的小三角形逼近，得到STL格式的三维近似模型文件。典型的STL文件对STL文件切片处理切片是将模型以片层的方式来描述，片层的厚度通常在50µm～500µm之间；无论零件形状多么复杂，对每一层来说却是简单的平面矢量扫描组（如图），轮廓线代表了片层的边界。切片处理◎层面加工与粘接成形机制造一系列层片并自动将它们联接起来，得到三维物理实体◎层层堆积◎后处理清理零件表面，去除辅助支撑结构1892年，J．E．BLanther在他的美国专利(#473901)中，曾建议用分层制造法构成地形图。这种方法的原理是，将地形图的轮廊线压印在一系列的蜡片上，然后按轮廓线切割蜡片，并将其粘结在一起，熨平表面，从而得到三维地形图。RP技术的产生历程1902年，CarloBaese在他的美国专利(#774549)中，提出了用光敏聚合物制造塑料件的原理，这是现代第一种快速原型技术——“立体平板印刷术”(StereoLithography)的初始设想。1940年，Perera提出了在硬纸板上切割轮廓线，然后将这些纸板粘结成三维地形图的方法。50年代之后，出现了几百个有关快速成型技术设想及专利。RP技术的产生历程1976年，PaulLDimatteo在他的美国专利(#3932923)中，进一步明确地提出先用轮廓跟踪器将三维物体转化成许多二维轮廓薄片，然后用激光切割这些薄片（下图），这些设想与现代另一种快速成型技术——“层积实体制造’’(LaminatedObjectManufacturing)的原理极为相似。RP技术的产生历程1986年，CharlesWHull在他的美国专利(#4575330)中，提出了一个利用激光照射液态光敏树脂，从而分层制作三维物体的快速成型机的方案。1988年，美国3Dsystem公司据此专利生产出了第一台现代快速成型机—SLA250，开创了快速成型技术发展的新纪元。RP技术的产生历程在此后的10年内，涌现了10多种不同形式的快速原型技术和相应的快速原型设备，如薄形材料选择性切割（LOM）、丝状材料选择性熔融(FDM)和粉末材料选择性烧结(SLS)等，并且在工业、医疗及其它领域得到了普遍的应用。SLA-250机型RP技术的产生历程总之，快速成型技术带来了制造方式的变革，采取分层—叠加(离散—堆积)的制造方式。快速成形技术在我国的发展快速成形技术在我国的发展快速成形技术的分类RP技术的具体工艺不下30余种，根据采用材料及对材料处理方式的区别，大致分为四大类：光敏树脂液相固化成形选择性激光粉末烧结成形薄片分层叠加成形熔丝堆积成形1.光敏树脂液相固化成形光敏树脂液相固化成形（StereoLithographyApparatus:SLA）又称立体光刻、固化立体造型研究最多、技术最成熟的快速成形技术1988年，美国3Dsystems公司推出商品化的第一台型快速原型成形机SLA-250，SLA型成型机占据RP市场较大的份额。1.光敏树脂液相固化成形SLA基本原理图◎基于液态光敏树脂的光聚合原理。液态材料在一定波长和强度的紫外光的照射下能迅速发生光聚合反应，分子量急剧增大，材料由液体转变成固态。※过程、原理激光聚集到液态光固化材料（如光固化树脂）表面逐点扫描，令其有规律地固化（由点到线到面）◎完成一个层面的建造◎升降移动一个层片厚度的距离，重新覆盖一层液态材料◎第二层就牢固地粘贴到第一层上，由此层层迭加成为一个三维实体。◎进行第二层扫描，再建造一个层面◎后处理剥离、固化（紫外烘30min以上）、修补、打磨抛光等1.光敏树脂液相固化成形特点精度高、表面质量好、原材料利用率近100％，能制造出形状特别复杂（空心）、特别精细（首饰、工艺品等）的零件。成形材料光固化树脂材料包括齐聚物、反应性稀释物和光引发剂根据光引发剂引发机理不同分为：自由基光固化树脂、阳离子光固化树脂、混杂型光固化树脂。SLA成形设备1.光敏树脂液相固化成形SLA成形的应用直接制作树脂功能件，用于结构验证和功能测试；制作较复杂和精细的零件；制作原型用于快速翻制模具。照相机激光树脂原型鼠标外壳激光树脂原型应用案例西安交大·23h原型·2天硅橡胶模·3天内·3万元传统（从设计思想到实物）10件·30天·10万元SLA方法是目前快速成形技术领域中研究得最多的方法，也是技术上最为成熟的方法。※特点◎SLA工艺成形的零件精度较高，能达到0.1mm；产品透明美观，可直接做力学实验。◎局限性：·需要支撑·树脂收缩导致精度下降·光固化树脂价格昂贵·有一定的毒性·产品不能溶解，不利于环保2.选择性激光粉末烧结成形选择性激光粉末烧结成形（SelectedLaserSintering）又称选区激光烧结。1989年美国德克萨斯大学奥斯汀分校C.R.Dechard研制成功，美国DTM公司商品化。2.选择性激光粉末烧结成形SLS工艺原理利用粉末材料（非金属粉：蜡、工程塑料、尼龙等和金属粉：铁，钴，铬以及它们的合金）在激光照射下烧结的原理，在计算机控制下层层堆积成形。SLS基本原理图SLS工艺原理图2.选择性激光烧结（SLS）※原理、过程◎工作台上铺上一层粉末（可加粘结剂）很好密实度和平整度◎用激光器在上面扫描出零件截面高强度的CO2激光器◎有选择地将粉末熔化或粘接，形成一个层面利用滚子铺粉压实◎后置处理去附粉、打磨等激光粉末烧结成形原理激光束烧结铺粉激光束扫描头激光粉末烧结成形原理去掉未烧结的粉激光粉末烧结成形原理渗入树脂或蜡激光粉末烧结成形原理打磨、后处理扫描镜组工作平台粉末层铺粉辊激光器工作缸送粉缸SLS成形设备组成2.选择性激光粉末烧结成形SLS成形设备采用进口激光器采用国产激光器2.选择性激光粉末烧结成形特点粉床上未被烧结部分成为烧结部分的支撑结构，因而无需考虑支撑系统。选材较为广泛，塑料、陶瓷、石蜡、金属粉末等都可以作为烧结对象。可以直接成形金属零件。精度不高。平均精度为±0.15～±0.2mm表面粗糙度不好，不宜做薄壁件。2.选择性激光粉末烧结成形成形材料较为成熟的SLS工艺材料2.选择性激光粉末烧结成形成形材料目前研究趋势金属和陶瓷：提高原型的强度聚碳酸脂：线膨胀系数小粉末激光烧结技术的应用精密铸造用蜡件组装叶轮精密铸造用蜡件高分子粉末烧结塑料件金属粉末烧结3.薄片分层叠加成形薄层分层叠加成形