第七章先进制造技术第一、二、三节

1第七章先进制造技术本章要点快速原型制造技术高速加工和精密超精密加工微机械及其微细加工技术2先进制造技术•在新产品的开发过程中，总是需要对所设计的零件或整个系统在投入大量资金组织加工或装配之前加工一个简单的例子或原型。在准备制造和销售一个复杂的产品系统之前，工作原型可以对产品设计进行评价、修改和功能验证。3零件成形方法材料成形法——进入工艺过程物料初始重量近似等于加工后最终重量。如铸造、压力加工、粉末冶金、注塑成形等，这些方法多用于毛坯制造，但也可直接成形零件。材料去除法——零件的最终几何形状局限在毛坯的初始几何形状范围内，零件形状的改变是通过去除一部分材料，减少一部分重量来实现的。如切削与磨削，电火花加工、电解加工等特种加工等。材料累加法——传统的累加方法有焊接、粘接或铆接等，通过不可拆卸连接使物料结合成一个整体，形成零件。近几年才发展起来的快速原型制造技术（RPM），是材料累加法的新发展。4第一节快速原型制造技术（RPM）◆快速原型制造（RapidPhotographManufacturing—RPM），又称“快速成形技术”（RapidPhotograph—RP）或“分层制造”（LayerManufacturing—LM），是20世纪80年代后期迅速发展起来的一种新型制造技术。◆它将计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机数控（CNC）、精密伺服驱动、新材料等先进技术集于一体，依据计算机上构成的产品三维设计模型，对其进行分层切片，得到各层截面的轮廓。◆按照这些轮廓，激光束选择性地切割一层层的箔材（或固化一层层的液态树脂，或烧结一层层的粉末材料），或喷射源选择性地喷射一层层的粘结剂或热熔材料等，形成一个个薄层，并逐步迭加成三维实体（见图2-1）。5图2-1快速成型过程喷粘结剂喷热熔材料三维产品（样品/模具）表面处理构造三维模型模型近似处理切片处理激光喷射源固化树脂切割箔材烧结粉末6a）b）图2-2传统加工与快速成型比较模具模具设计铸造焊接锻压毛坯（大于工件）半成品半成品工件去除加工设计模具样品快速成形快速成型技术是将计算机辅助制造、计算机数字控制、精密伺服驱动、激光与材料技术于一体的现代技术。其基本思路起源于三维实体被切成一系列连续切片的逆过程．即只需用三维的制造方法制作成一系的薄切片．便可堆积成所需的三维零件。快速加工技术的主要持点：能直接由三维CAD模型制造形状复杂的原型，缩短了产品开发周期，降低了生产成本．使产品能迅速投入市场。可制造任意复杂的高精度零件，而无需任何工具。它是创造性设计的有效工具，也能比较容易制造出试验模型，可在加工生产前找出设计中存在的不足之处，并迅速加以修改。快速成型技术在应用中存在的问题：系统造价昂贵、运行费用高，加工用材价格偏高，能够处理的材料种类有限，与CAD系统的接口尚无通用格式。8图2-2a快速成型机床及快速成型件9（一）概述1931年德国切削物理学家C.J.Salomom在“高速切削原理”一文中给出了著名的“Salomom曲线”——对应于一定的工件材料存在一个临界切削速度，此点切削温度最高，超过该临界值，切削速度增加，切削温度反而下降。尚无统一定义，一般认为高速加工是指采用超硬材料的刀具，通过极大地提高切削速度和进给速度，来提高材料切除率、加工精度和加工表面质量的现代加工技术。以切削速度和进给速度界定：高速加工的切削速度和进给速度为普通切削的5～10倍。以主轴转速界定：高速加工的主轴转速≥10000r/min。1、高速加工定义一、高速加工第二节高速加工和精密超精密加工10图3-31Salomon切削温度与切削速度曲线切削适应区软铝切削速度v/(m/min)切削不适应区06001200180024003000青铜铸铁钢硬质合金980℃高速钢650℃碳素工具钢450℃Stelite合金850℃16001200800400切削温度/℃切削适应区非铁金属高速切削是个相对的概念，如果加工方法和切削材料不同，高速切削的速度范围也就不同。如从加工方法的角度，车削加工速度范围是700～7000m/min，铣削加工速度范围是300～6000m/min，钻削加工的速度范围是200～1100m/min，150～360m/min。从材料的角度，目前铝合金的高速切削范围是1500～5500m/min，铸铁的高速切削范围是750～4500m/min，普通钢的高速切削范围是600～800m/min。一般认为高速加工的速度范围是普通加工的5～10倍。随着高速机床设备和刀具等关键技术领域的突破性进展，高速加工的速度范围还会不断扩展。12图3-32高速与超高速切削速度范围10100100010000切削速度V（m/min）塑料铝合金铜铸铁钢钛合金镍合金2、高速加工的切削速度范围高速加工切削速度范围因不同的工件材料而异，见图3-32◎车削：700-7000m/min◎铣削：300-6000m/min◎钻削：200-1100m/min◎磨削：50-300m/s高速加工切削速度范围随加工方法不同也有所不同13加工效率高：进给率较常规切削提高5-10倍，材料去除率可提高3-6倍切削力小：较常规切削至少降低30%，径向力降低更明显。有利于减小工件受力变形，适于加工薄壁件和细长件切削热小：加工过程迅速，95%以上切削热被切屑带走，工件积聚热量极少，温升低，适合于加工熔点低、易氧化和易于产生热变形的零件加工精度高：刀具激振频率远离工艺系统固有频率，不易产生振动；又切削力小、热变形小、残余应力小，易于保证加工精度和表面质量工序集约化：可获得高的加工精度和低的表面粗糙度，并在一定条件下，可对硬表面进行加工，从而可使工序集约化。这对于模具加工具有特别意义(工序集约化是指在一台实现或尽可能完成从毛坯至成品的全部加工工序).3、高速加工的特点14高速加工实例毛坯材料使用刀具主轴转速(r/min)进给速度(mm/min)NAK80(HRC40)Ø4球头140002200加工零件示意图高速加工切削条件15航空航天：◎带有大量薄壁、细筋的大型轻合金整体构件加工，材料去除率达100-180cm3/min。◎镍合金、钛合金加工，切削速度达200-1000m/min汽车工业：4、高速加工的应用◎采用高速数控机床和高速加工中心组成高速柔性生产线，实现多品种、中小批量的高效生产模具制造：◎高速铣削代替传统的电火花成形加工，效率提高3-5倍（图3-34，图3-35）。仪器仪表：◎精密光学零件加工。16b）高速模具加工的过程图3-34两种模具加工过程比较1硬化毛坯→2粗铣→3半精铣→4精铣→5手工磨修a）传统模具加工的过程1毛坯→2粗铣→3半精铣→4热处理→5电火花加工→6精铣→7手工磨修电极制造17图3-35采用高速加工缩短模具制作周期（日产汽车公司）加工时间100%1010.10.010.001粗加工精加工手工精修传统加工方法高速切削少量手工精修★对于复杂型面模具，模具精加工费用往往占到模具总费用的50%以上。采用高速加工可使模具精加工费用大大减少，从而可降低模具生产成本。超高速切削已用于加工多种零件，下图是几种加工零件实例，可见多种不同材料的复杂结构零件，包含自由曲面的零件等，都已可用高速切削技术加工。航空工业中的大型铝合金机架，使用超高速铣削，提高了加工效率，效果非常明显。19高速加工虽具有众多的优点，但由于技术复杂，且对于相关技术要求较高，使其应用受到限制。与高速加工密切相关的技术主要有：◎高速加工刀具与磨具制造技术；◎高速主轴单元制造技术；◎高速进给单元制造技术；◎高速加工在线检测与控制技术；◎其他：如高速加工毛坯制造技术，干切技术，高速加工的排屑技术、安全防护技术等。此外高速切削与磨削机理的研究，对于高速切削的发展也具有重要意义。高速加工技术取决于硬件技术和软件技术高速加工技术的体系结构（二）高速切削的刀具•高速切削的一个主要问题是刀具磨损，与普通切削相比，高速切削时刀具与工件的接触时间减少，接触颇率增加，由此减少了切屑的皱褶，切削过程中产生的热量更多地向刀具传递，磨损机理与普通切削有很大区别。•由于高速切削时离心力和振动的影响，刀具必须具有良好的平衡状态和安全性能。设计刀具时，必须根据高速切削的要求，综合考虑磨损、强度、刚度和精度等方面因素。22刀具材料种类合金高速钢硬质合金陶瓷天然聚晶金刚石聚晶立方氮工具钢W18Cr4VYG6Si3N4金刚石PCD化硼PCBN材料性能硬度HRC65HRC66HRA90HRA93HV10000HV7500HV4000抗弯强度2.4GPa3.2GPa1.45GPa0.8GPa0.3GPa2.8GPa1.5GPa导热系数40-5020-3070-10030-40146.5100-12040-100热稳定性350℃620℃1000℃1400℃800℃600-800℃＞1000℃化学惰性低惰性大惰性小惰性小惰性大耐磨性低低较高高最高最高很高一般精度Ra≤0.8高精度Ra=0.4-0.2加工质量Ra≤0.8IT7-8Ra=0.1-0.05IT5-6IT7-8IT5-6可替代磨削加工对象低速加工一般钢材、铸铁一般钢材、铸铁粗、精加工一般钢材、铸铁粗、精加工高硬度钢材精加工硬质合金、铜、铝有色金属及其合金、陶瓷等高硬度材料淬火钢、冷硬铸铁、高温合金等难加工材料表3-3普通刀具材料与超硬刀具材料性能与用途对比天然金刚石是目前已知的最硬物质，硬度范围为HV8000-12000，相对密度为3.48-3.56。是各向异性的单晶体，晶体取向不同，硬度及耐磨性也不相同。耐磨性极好，刀具寿命可长达数百小时；刃口锋利，切削刃钝圆半径可达0.01μm。耐热性为700-800℃，高于此温度，碳原子转化为石墨结构，硬度丧失。价格昂贵，刃磨困难，主要用于加工精度和表面粗糙度要求极高的零件，如激光反射镜、感光鼓、多面镜、磁盘等。1.天然金刚石刀具不存在各向异性，硬度略低于天然金刚石，为HV6500-8000价格便宜，焊接方便，可磨性好，应用广泛，可在大部分场合代替天然金刚石用CVD(化学气相沉积)可将聚晶金刚石作成涂层金刚石刀具不适于加工铁族材料，因为金刚石中的碳元素与铁元素有很强的亲和力，碳元素极易向含铁的工件扩散，使金刚石刀具很快磨损2.聚晶金刚石刀具25图3-36金刚石（左）与CBN(立方氮化硼)（右）原子结构碳原子氮原子硼原子金刚石与CBN晶体结构相似，每一个原子都以理想四面体方式以109°28′键角与邻近4个原子结合。金刚石中的每个C原子都以共价键方式与邻近4个C原子结合。CBN中每个N原子与4个B原子结合，每个B原子又与4个N原子结合，并存在少数离子键。聚晶立方氮化硼是由立方氮化硼微粉在结合剂存在下，高温高压烧结而成的立方氮化硼多晶体。26较高的硬度和耐磨性：CBN晶体结构与金刚石相似，化学键类型相同，晶格常数相近。CBN粉末硬度HV8000，PCBN硬度3000-5000。切削耐磨材料时，其耐磨性为硬质合金刀具的50倍，涂层硬质合金刀具的30倍，陶瓷刀具的25倍。◆PCBN切削性能3.聚晶立方氮化硼(PCBN/PolycrystallineCubicBoronNitride)1970年问世500040003000200010000硬度/HV02004006008001000温度/℃BN100BN20陶瓷硬质合金图3-37PCBN刀具高温硬度高的热稳定性：热稳定性明显优于金刚石刀具（图3-37）27良好的化学稳定性1200-1300℃与铁系材料不发生化学反应；2000℃才与碳发生化学反应；对各种材料粘结、扩散作用比硬质合金小的多。化学稳定性优于金刚石刀具，特别适合加工钢铁材料。良好的导热性CBN导热性仅次于金刚石，导热系数为1300W/m·℃，是硬质合金的20倍，陶瓷的37倍，且随温度升高而增加。这一特性使PCBN刀具刀尖处温度降低，减少刀具磨损，提高加工精度。较低的摩擦系数CBN与不同材料间的摩擦系数为0.1-0.3（硬质合金