先进制造技术-先进制造工艺技术

第三章先进制造工艺技术3.1概述3.2材料受迫成形工艺技术3.3超精密加工技术3.4高速加工技术3.5快速原型制造技术3.6表面工程技术3.7现代特种加工技术第一节概述3.1.1机械制造工艺定义与内涵3.1.2先进制造工艺的产生和发展机械制造工艺三阶段：①零件毛坯的成形准备阶段②机械切削加工阶段③表面改性处理阶段上述阶段划分逐渐模糊、交叉，甚至合而为一3.1.1机械制造工艺定义与内涵原材料成品半成品机械制造工艺定义改变形状,尺寸,性能,位置机床、工具机械制造工艺流程•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。3.1.2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•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。第二节材料受迫成形工艺技术3.2.1精密洁净铸造成形3.2.2精确高效金属塑性成形工艺3.2.3粉末锻造成形工艺3.2.4高分子材料注射成形机械零件成形方法：•受迫成形在特定边界和外力约束下成形，如铸造、锻压、粉末冶金和注射成形等；•去除成形将材料从基体中分离出去成形，如车、铣、刨、磨、电火花、激光切割；•堆积成形将材料有序地合并堆积成形，如快速原形制造、焊接等。•自硬砂精确砂型铸造粘土砂造型铸件质量差、生产效率低劳动强度大、环境污染严重自硬树脂砂造型高强度、高精度、高溃散性低劳动强度，适合于各种复杂铸件型芯制作铸件壁厚可2.5mm3.2.1精密洁净铸造成形精确铸造成形技术高紧实砂型铸造•可提高铸型强度、刚度和硬度•减少金属液浇注凝固时型壁移动•降低金属消耗、减少缺陷•提高精度、粗糙度提高2-3级气冲造型消失模铸造利用泡沫塑料作为铸造模型，并在其四周填砂，不分上下模，泡沫塑料在浇注过程中气化。•可避免砂型溃散•可消除起模斜度，减小铸件壁厚•能够获得表面光洁、尺寸精确•无飞边、少无余量精密铸件泡沫塑料模造型浇注过程铸件特种铸造技术类型：压力铸造、低压铸造、熔模铸造真空铸造、挤压铸造等。压力铸造：金属模，以压力浇注取代重力浇注，铸件精确、表面光洁、内部致密。金属模压铸机压铸过程合型压铸开模•洁净的能源以感应电炉代替冲天炉，减轻对空气的污染•无砂和少砂铸造如压力铸造、金属型铸造、挤压铸造等•清洁无毒材料使用无毒无味变质剂、精炼剂、粘结剂等•高溃散性型砂工艺树脂砂、酯硬化水玻璃砂工艺•废弃物再生和综合利用铸造旧砂再生回收、熔炼炉渣处理和综合利用•铸造机器人或机械手以代替工人在恶劣条件下工作清洁（绿色）铸造技术铸造过程计算机仿真在计算机上进行虚拟浇铸，分析预测铸液充填及凝固过程，预测不合理铸造工艺缺陷，对不同铸造工艺方案作出最优的选择。铸造过程仿真发展•60年代丹麦学者开始用计算机对铸件凝固过程进行模拟•随后工业国家相继开发了铸造过程计算机模拟软件，如：德国MACMAsoft软件，英国Procast软件，清华大学Flsoft软件等。铸造过程计算机模拟精密模锻利用模锻设备锻造出锻件形状复杂、精度高的模锻工艺，比普通锻件高1-2个精度等级。3.2.2精确高效金属塑性成形工艺模锻坯料普通模锻去氧化皮精密模锻锥齿轮的精密模锻工艺超塑性成形超塑性现象：在一定内部条件（如晶粒形状、相变）和外部条件（如温度、应变速率）下，呈现出异常低的流变抗力、异常高的延伸率现象。目前已知锌、铝、铜等合金超塑性达1000%，有的甚至达2000%。金属超塑性类型：•细晶超塑性（恒温超塑性）内在条件：具有均匀、稳定等轴细晶组织（10µm）；外在条件：特定温度和变形速率（10-4-10-5min-1）。•相变超塑性（环境超塑性）在材料相变点温度循环变化，同时对试样加载。超塑性成形工艺应用•飞机钛合金组合件原需几十个零件组成，用超塑性成形后，可一次整体成形，大大减轻了构件的质量，提高了结构的强度。•超塑性等温模锻薄板加热到超塑性温度，在压力作用下产生超塑性变形，直至同模具贴合为止。超塑性气压成形精密冲裁呈纯剪切分离冲裁工艺，通过模具改进提高精度，可达IT6-9级，Ra1.6-0.4µm。三种光洁冲裁凹模结构椭圆凹模圆角凹模倒角刃口负间隙冲裁带齿圈压板精冲精密冲裁辊轧工艺用轧辊对坯料连续变形加工工艺，生产率高、质量好、材料消耗少。辊锻轧制辗环轧制3.2.3粉末锻造成形工艺粉末制取粉末锻造成形工艺粉末冶金+精密锻造模压成形型坯烧结锻前加热锻造后续处理粉末锻造件优点：•能源消耗低，材料利用率高为普通锻造能耗49%，材料利用率达90%，普通锻造仅40-60%；•锻件精度高，力学性能好组织无偏析，无各向异性；•疲劳寿命高比普通锻造提高20%，高速钢工具寿命可提高两倍以上。粉末锻造模具注射成形原理3.2.4高分子材料注射成形粉状塑料注入螺杆推进送进加热区通过分流梭喷嘴喷出注入模腔注射成形工艺过程冷却成形气体辅助成形：将惰性气体注入，在成品较厚部分形成空腔，使成品壁厚均匀，可防止缩痕或翘曲产生。注射成形新技术气体辅助注射成形原理注射压缩成形：可采用较低的注射压力成形薄壁制品，适用于流动性较差的制品。整体压缩注射成形模具滑合成形法适用于中空制品和不同材料复合体模具滑合成形动作原理剪切场控制取向成形法：使材料纤维取向与流动方向一致，可提高熔接痕强度，消除缩孔和缩痕。剪切场控制取向成形法原理第三节超精密加工技术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超精密加工的机床设备3.3.5超精密加工环境目前精密、超精密加工内涵3.3.1概述分类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超精密加工技术发展起因•提高产品性能和质量，提高稳定性和可靠性；•促进产品的小型化；•增强零件的互换性，提高装配生产率。举例：•1kg陀螺其质心偏离0.5nm，会引起100m导弹射程误差，50m轨道误差；•民兵Ⅲ型洲际导弹陀螺仪精度为0.03-0.05º，命中精度误差为500m；•MX战略导弹陀螺仪精度提高一个数量级，命中精度误差只有50-150m；•人造卫星轴承孔轴表面粗糙度1nm，其圆度和圆柱度均以nm为单位；•飞机发动机叶片加工精度由60μm→12μm，粗糙度由Ra0.5μm→0.2μm，则发动机效率89%→94%；•磁盘磁头与磁盘间距离，目前已达到0.3μm，近期内可达到0.15μm。在机械加工领域中，某个历史时期所能达到的最高加工精度的各种精密加工方法的总称。特点：(1)相对性，随时间的推移而变化；(2)不普及性、保密性；(3)属于尖端技术；(4)与测量技术密切相关；(5)国际竞争中取得成功的关键技术。目前，如果从零件的加工精度来划分的话，可以把亚微米以上精度(尺寸精度高于0.1m，Ra小于0.025m)的加工称为超精密加工。超精密加工的概念如果在加工中能以原子级为单位去除被加工材料，即是加工的极限，从这一角度来定义，可以把接近于加工极限的加工技术称为超精密加工，也称纳米加工。精密、超精密加工技术、纳米技术的应用引发了新的制造科学革命—微型化革命，主攻方向为微小机械(尺寸0.1～10mm)、微型机械(尺寸0.1～100m)和纳米设计、制造与使用。0.00010.0010.010.11101001900192019401960198020002020年加工精度(m)超精密加工精密加工普通加工20世纪50年代前精密加工精度5m以上超精密加工精度1m以上20世纪50年代后精密加工精度3-5m超精密加工精度1m20世纪70年代精密加工精度1m超精密加工精度0.1m目前精密加工精度0.1m超精密加工精度0.01-0.001m不同时期的精密和超精密加工精度各种产品与所要求的精度范围加工精度范围机械产品电子产品光学产品普通加工200m一般机械零件，家用电器，汽车零件，通用齿轮通用电器机具，电子零件外壳，小型电机，半导体照相机外壳精密加工5m手表零件，精密齿轮，丝杠，高速轴承，滚动轴承继电器，IC硅片，录像头，记忆磁盘等透镜，棱镜等0.5m空气轴承，导轨，精密模具，液压伺服阀等磁头，IC元件，磁控管等精密透镜，X射线反射镜，激光反射镜超精密加工0.05m块规，金刚石压头，超精密导轨等IC存储器，硬磁盘，大规模集成电路等光学平晶，衍射光栅，光盘等0.005m超精密零件(平面，球面，非球面，螺旋面等)超大规模集成电路超精密衍射光栅1nm以下超精密零件的表面粗糙度超精密加工技术主要应用于：尖端技术、国防工业、微电子工业、激光技术、航空航天、卫星、计量、光学仪器、大规模集成电路、民用产品等。超精密加工技术的应用超精密加工的材料及其应用超精密加工的材料金属材料高硬度、高强度耐热合金应用：军工业、航空航天、原子能工业、激光金属、光学、电子工业非金属材料高分子材料复合材料无机硬脆材料应用：光学、化学、电子应用：航天、能源工业应用：电子、原子能、能源超精密加工技术的应用实例之一：尖端产品和现代化武器依赖于超精密加工如(1)导弹的命中精度，由惯性仪决定，而惯性仪是超精密加工产品，1Kg重的陀螺转子，其质量中心偏离其对称轴0.5nm，会引起100m的射程误差和50m的轨道误差；(2)哈脖望远镜重量达900Kg的大型反射镜的加工(3)精密雷达、精确制导、电子对抗、间谍卫星等(4)人造卫星仪表轴承(5)红外导弹中红外线反射镜(6)超小型计算机等(7)海湾战争、克索沃战争、伊拉克战争中美国及其盟国武器系统中大部分与超精密加工技术有关。如：精密雷达、精确制导、电子对抗、隐形飞机、夜战能力、间谍卫星、红外制导等。(8)美国及其盟国的胜利在某种意义上看，可以说是高技术战争、是高科技的胜利。没有超精密加工技术，就没有真正的国防工业。超精密加工技术的应用实例之二：大规模集成电路依赖于微细加工：集成度与最小线条宽度分类名称单元芯片上的单元逻辑门电路数单元芯片上的电子元件数最小线条宽度m小规模集成电路10～12100≤8中规模集成电路12～100100～1000≤6大规模集成电路≥100～1041000～1063～6超大规模集成电路≥104≥1050.1～2.5超精密加工技术的应用实例之三：各种民用产品计算机磁盘基片、录像机磁鼓、激光反射镜隐形眼镜、光盘、各种天文望远镜显微镜、光学仪器、复印机等提高制造精度提高产品质量和性能提高产品可靠性促进产品小型化增强零件互换性超精密加工的意义提高装配生产率，促进装配自动化超精密加工技术已经成为国际竞争中取得成功的键技术。国与国之间的竞争实质是尖端技术之间的竞争，而超精密加工是其中主要的一个方面。超精密加工刀具：金刚石刀具材料与结构超精密加工机理超精密加工机床设备超稳定的加工环境条件超精密加工测量技术：检测技术和误差补偿超精密加工的工件材料微细加工(超精密特种加工)超精密加工技术的主要研究内容超精密加工的关键技术1.机床技术(刚度、驱动系统、主轴、工作台、导向、轴承、润滑、夹持系统、