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先进制造技术导论第三章先进制造工艺技术学习目标理解各先进制造工艺方法的内涵熟悉各种先进制造工艺的关键技术了解各先进制造工艺技术的应用及发展趋势重点：各先进制造工艺方法的内涵及关键技术学习内容超高速加工技术1超精密加工技术2微细加工技术3高能束加工技术4快速原型制造技术53.1超高速加工技术3.1.1超高速加工技术的产生泰勒--“金属切削奠基人”研究者对泰勒公式质疑物理学家萨洛蒙进行高速切削试验3.1超高速加工技术3.4.1超高速加工技术的产生切削速度t/°C萨洛蒙曲线CBAotivcvhv切削速度/(m/min)v超高速切削概念示意图3.1超高速加工技术超高速加工技术是指采用超硬材料刀具和磨具，利用能可靠地实现高速运动的高精度、高自动化和高柔性的制造设备，以提高切削速度来达到提高材料切除率、加工精度和加工质量的先进加工技术。3.4.2超高速加工技术的内涵目前世界各国尚未统一对超高速切削速度范围的认识，但通常把切削速度比常规高出5～10倍以上的切削加工称为超高速切削。3.1超高速加工技术高速切削的核心是速度与精度，由于刀具材料、工件材料和加工工艺的多样性，对高速切削不可能用一个确定的速度指标来定义。对于铣刀等回转刀具，通常以刀具或主轴的转速作为衡量标准，根据不同的刀具直径，现阶段一般把转速10000r/min以上视为高速切削。3.1超高速加工技术超高速车削超高速铣削1超高速铣削23.1超高速加工技术（1）随着切削速度的大幅度提高，进给速度也相应提高5～10倍，从而提高了加工效率和设备利用率，缩短了生产周期。（2）在超高速切削速度范围内，随切削速度的提高切削力平均可降低30％以上，单位功率材料切除率的提高，有利于延长刀具使用寿命。3.4.3超高速加工技术的优越性3.1超高速加工技术（3）由于切屑可以很高的速度被排出，带走大量的热量，提高工件的加工精度。（4）使得加工过程平稳，有利于提高加工表面质量。（5）高速切削可加工硬度高达HRC45～65的淬硬钢铁件，因此对淬硬后的模具等复杂零件，可直接铣成，省去后续的传统放电加工或磨削加工。这就是所谓的“一次过”技术。3.1超高速加工技术对刀具材料的基本要求：较高的硬度和耐磨性；较高的强度和韧性；耐热性；较好的工艺性能和经济性。超高速切削的刀具材料的更高要求：可靠性；高的耐热性和抗热冲击性能；良好的高温力学性能；适应新型材料的加工3.4.4超高速切削的相关技术1.超高速切削的刀具技术3.1超高速加工技术涂层刀具金属陶瓷刀具陶瓷刀具立方氮化硼（CBN）聚晶金刚石(PCD)刀具等适合于超高速切削的刀具材料主要有：3.1超高速加工技术涂层刀具金属陶瓷刀具陶瓷刀具立方氮化硼聚晶金刚石刀具3.1超高速加工技术2.超高速切削的机床技术（1）主轴系统（2）机床的进给系统（3）刀具夹持系统3.1超高速加工技术主轴电机与主轴合二为一的结构形式。即采用无外壳电机，将其空心转子直接套装在机床主轴上，带有冷却套的定子则安装在主轴单元的壳体内，形成内装式电机主轴，简称“电主轴”。返回3.1超高速加工技术要求超高速切削机床的进给系统不仅要能达到很高的进给速度，还要求有大的加速度以及高的定位精度。传统机床采用旋转电机带动滚珠丝杠的进给方案，由于其工作台的惯性以及受螺母丝杠本身结构的限制，进给速度和加速度一般比较小。要获得更高的进给加速度，只有采用直线电机直接驱动的形式。3.1超高速加工技术返回3.1超高速加工技术目前普遍应用的是7：24锥度的刀柄系统随着超高速切削技术的发展，此类刀柄系统暴露出以下不足：①刚性不足；②自动换刀的重复精度不稳定；③当主轴高速转动时，主轴前端孔径在离心力作用下会增大，易导致主轴与刀柄锥面脱离，④刀柄的锥部较长，不利于快速换刀及机床的小型化。3.1超高速加工技术为解决上述问题，一些研究机构和刀具企业开发了一种可使刀柄在主轴内孔锥面和端面同时定位的新型连接方式——两面定位刀柄系统，其中最具代表性的是日本的BIG-PLUS刀柄系统和德国的HSK刀柄系统。HSK刀柄BIG-PLUS刀柄3.2超精密加工技术3.2.1精密和超精密加工的加工范畴精密和超精密加工代表了加工精度发展的不同阶段，通常，按加工精度划分，可将机械加工分为一般加工、精密加工、超精密加工三个阶段。精密加工：加工精度在0.1～1µm，加工表面粗糙度在Ra0.02～0.1µm之间的加工方法称为精密加工；超精密加工：加工精度高于0.1µm，加工表面粗糙度小于Ra0.01µm之间的加工方法称为超精密加工超例如：金刚石刀具切削刃钝圆半径的大小是金刚石刀具超精密切削的一个关键技术参数，日本声称已达到2nm，而我国尚处于亚微米水平，相差一个数量级；又如金刚石微粉砂轮超精密磨削在日本已用于生产，使制造水平有了大幅度提高，突出地解决了超精密磨削磨料加工效率低的问题。3.2.2精密和超精密加工技术的地位与作用超精密加工是国家制造工业水平的重要标志之一3.2超精密加工技术精密和超精密加工是先进制造技术的基础和关键3.2超精密加工技术作为制造技术的主战场，作为真实产品的实际制造，必然要靠精密加工和超精密加工技术，例如，计算机工业的发展不仅要在软件上，还要在硬件上，即在集成电路芯片上有很强的能力，应该说，当前，我国集成电路的制造水平约束了计算机工业的发展。美国制造工程研究者提出的汽车制造业的“两毫米工程”使汽车质量赶上欧、日水平，其中的举措都是实实在在的制造技术。超精密加工技术与国防工业关系密切，如陀螺仪的加工涉及多项超精密加工，导弹系统的陀螺仪质量直接影响其命中率，1kg的陀螺转子，其质量中心偏离其对称轴0.0005μm，则会引起100m的射程误差和50m的轨道误差。3.2.3精密和超精密加工的需求国防工业上的需求3.2超精密加工技术红外线探测器反射镜，其抛物面反射镜形状精度为1μm，表面粗糙度为Ra0.01μm，其加工精度直接影响导弹的引爆距离和命中率。激光核聚变用的曲面镜，其形状精度小于1μm，表面粗糙度小于Ra0.01μm，其质量直接影响激光的光源性能。大型天体望远镜的透镜、直径达2.4m，形状精度为0.01μm，如著名的哈勃太空望远镜，能观察140亿光年的天体。（图）3.2超精密加工技术服役的哈勃望远镜狮子座螺旋星系宇宙深处的星体银河系环形星群3.2超精密加工技术计算机上的芯片、磁板基片、光盘基片等都需要超精密加工技术来制造。录像机的磁鼓、复印机的感光鼓、各种磁头、激光打印机的多面体、喷墨打印机的喷墨头等都必须进行超精密加工，才能达到质量要求。信息产品中的需求计算机上的芯片录像机的磁鼓现代小型、超小型的成像设备，如摄相机、照相机等上的各种透镜，特别是光学曲面透镜，激光打印机、激光打标机等上的各种反射镜都要靠超精密加工技术来完成。至于超精密加工机床、设备和装置当然更需要超精密加工技术才能制造。民用产品中的需求3.2超精密加工技术(1)美国是开展研究最早的国家。加利福尼亚大学的LLNL国家实验室和美国空军合作研制出的大型光学金刚石车床(LargeOpticsDiamondTurningMachine—LODTM)是为镜面加工大直径光学镜头而开发的。(2)日本是当今世界上超精密加工技术发展最快的国家。日本在工科大学里，大多设置了精密工学科，十分注重培养精密加工方面的高级人材。许多著名的企业，如东芝、精工、三菱电气、西铁城等，在超精密加工设备、测量系统等方面卓有成效。3.2.4超精密加工现状及发展趋势国内外现状3.2超精密加工技术英、德等欧洲国家在超精密加工机床的制造与精密测量方面也处于世界的先进行列。如：当今世界上最大的超精密大型CNC光学零件磨床“OAGM2500”大型非球面反射镜(3)我国的超精密加工技术在70年代末期有了长足进步，80年代中期出现了具有世界水平的超精密机床和部件。3.2超精密加工技术LODTMOAGM2500北京机床研究所研制哈尔滨工业大学研制高精度超精密加工技术的终极目标是“移动原子”，实现原子级精度的加工。大型化研制各种大型超精密加工设备，以满足航天航空等领域的需要。发展趋势3.2超精密加工技术微型化向微型化发展，以适应微型机械、集成电路等发展的需要。光机电一体化、加工检测一体化。新工艺与复合加工技术面对越来越多的高硬度、高脆性的难加工材料以及低刚度的零件，激光加工、粒子束加工等新工艺将会得到更多的发展和应用。3.2超精密加工技术3.2超精密加工技术近年来，在传统加工方法中，金刚石刀具超精密切削、金刚石微粉砂轮超精密磨削、精密高速切削、精密砂带磨削等已占有重要地位；在非传统加工中，出现了电子束、离子束、激光束等高能加工、微波加工、超声加工、蚀刻、电火花和电化学加工等多种方法，特别是复合加工，如磁性研磨、磁流体抛光、电解研磨、超声珩磨等，在加工机理上均有所创新。加工机理3.2.5超精密加工的关键技术3.2超精密加工技术用于精密和超精密加工的零件，其材料的化学成分、物理力学性能、加工工艺性能均有严格要求，要求被加工材料质地均匀，性能稳定，无外部及内部微观缺陷。被加工材料3.2超精密加工技术(1)高精度。(2)高刚度。(3)高稳定性。(4)高自动化。加工设备的质量与基础元部件，如主轴系统、导轨、直线运动单元和分度转台等密切相关，应注意这些元部件质量。此外，夹具、辅具等也要求有相应的高精度、高刚度和高稳定性。加工设备及其基础元部件3.2超精密加工技术加工工具主要是指刀具、磨具及刃磨技术。用金刚石刀具超精密切削，值得研究的问题有：金刚石刀具的超精密刃磨，其刃口钝圆半径应达到2～4nm，同时应解决其检测方法，刃口钝圆半径与切削厚度关系密切，若切削的厚度欲达到10nm，则刃口钝圆半径应为2nm。加工工具3.2超精密加工技术磨具当前主要采用金刚石微粉砂轮超精密磨削，这种砂轮有磨料粒度、粘接剂、修整等问题，通常，采用粒度为W20～W0.5的微粉金刚石，粘接剂采用树脂、铜、纤维铸铁等。3.2超精密加工技术环境温度可根据加工要求控制在±1℃～±0.02℃，甚至达到±0.0005℃。在恒温室内，一般湿度应保持在55%～60%，防止机器的锈蚀、石材膨胀，以及一些仪器，如激光干涉仪的零点漂移等。洁净度要求1000～100级，100级是指每立方英尺空气中所含大于0.5μm的尘埃不超过100个，依此类推。工作环境3.2超精密加工技术3.3微细加工技术微型机械加工或称微型机电系统或微型系统是指可以批量制作的、集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、甚至外围接口、通讯电路和电源等于一体的微型器件或系统。3.3.1概述微型机械概念3.3微细加工技术体积小（特征尺寸范围为：1μm-10mm）、重量轻、耗能低、性能稳定；有利于大批量生产，降低生产成本；集约高技术成果，附加值高。微型机械特点3.3微细加工技术微型机械加工技术是指制作为机械装置的微细加工技术。起源于半导体制造工艺，原来指加工尺度约在微米级范围的加工方式。微细加工技术概念3.3微细加工技术从基本加工类型看，微细加工可大致分四类:分离加工——将材料的某一部分分离出去的加工方式，如分解、蒸发、溅射、破碎等；接合加工——同种或不同材料的附和加工或相互结合加工，如蒸镀、淀积、掺入、生长、粘结等；3.3微细加工技术变形加工——使材料形状发生改变的加工方式，如塑性变形加工、流体变形加工等；材料处理或改性，如一些热处理或表面改性等。3.3微细加工技术目前微型加工技术主要有硅平面加工和体加工工艺，LIGA加工（微型铸模电镀工艺）、准LIGA加工，超微细加工、微细电火花加工（EDM）等技术。三维微细加工埃菲尔铁塔微模型3.3微细加工技术3.3.2微细加工技术1.硅微加工技术硅微细加工技术主要是指以硅材料为基础制作各种微机械零部件。分为：体微机械加工表面微机械加工3.3微细加工技术体微机械加工技术是针对整块材料通过刻蚀去除部分基体或衬底材料，从而得到所需元件的体构形。刻蚀工艺分为干法刻蚀和湿法刻蚀返回3.3微细加工技术表面微机械加工技术就是利用集成电路中的平面化制造技术来制造微机械装置如牺牲层技术