第八章 先进制造工艺技术

1. 第八章 先进制造工艺技术 第八章 先进制造工艺技术 8.1概述 8.2材料受迫成形工艺技术 8.3超精密加工技术 8.4高速加工技术 8.5快速原型制造技术 8.6微细加工技术 8.7表面工程技术 8.8现代特种加工技术

2. 第一节概述 8.1.1 机械制造工艺定义与内涵 8.1.2 先进制造工艺的产生和发展

3. 8.1.1 机械制造工艺定义与内涵 机械制造工艺定义 改变形状,尺寸,性能,位置 原材料 成品 半成品 机床、工具 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

4. 机械制造工艺流程

5. 8.1.2 先进制造工艺的产生和发展 • 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。

6. 切削速度随刀具材料的变更而提高

7. 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

8. 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。

9. 第二节 材料受迫成形工艺技术 • 8.2.1 精密洁净铸造成形 • 8.2.2 精确高效金属塑性成形工艺 • 8.2.3 粉末锻造成形工艺 • 8.2.4 高分子材料注射成形

10. 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。

11. 8.2.1 精密洁净铸造成形 精确铸造成形技术 • 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 < 2.5mm

12. 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

13. 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

14. 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。 合型 压铸 开模 金属模压铸机压铸过程

15. 清洁（绿色）铸造技术 • 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

16. 铸造过程计算机模拟 • 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。

17. 8.2.2 精确高效金属塑性成形工艺 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。 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

18. 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。

19. 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

20. 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。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。 椭圆凹模 圆角凹模 倒角刃口 三种光洁冲裁凹模结构

21. 精密冲裁 负间隙冲裁 带齿圈压板精冲

22. 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。 辗环轧制 辊锻轧制

23. 8.2.3 粉末锻造成形工艺 粉末冶金+ 精密锻造 粉末锻造成形工艺 粉末制取 模压成形 型坯烧结 后续处理 锻 造 锻前加热

24. 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

25. 8.2.4 高分子材料注射成形 注射成形工艺过程 粉状塑料注入 螺杆推进 送进加热区 冷却成形 注入模腔 喷嘴喷出 通过分流梭 注射成形原理

26. 注射成形新技术 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。 气体辅助注射成形原理

27. 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。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

28. 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

29. 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：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

30. 直接注射成形法不需混炼造粒过程，可将填充剂均匀地分散在基体树脂中，直接注射成制品。直接注射成形法不需混炼造粒过程，可将填充剂均匀地分散在基体树脂中，直接注射成制品。 直接注射成形机螺杆压缩段剖面图

31. 第三节 超精密加工技术 8.8.1 概述 8.8.2 超精密切削加工 8.8.3 超精密磨削加工 8.8.4 超精密加工的机床设备 8.8.5 超精密加工环境

32. 8.8.1 概述 目前精密、超精密加工内涵

33. 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。

34. 超精密加工所涉及的技术范围 • 超精密加工机理 刀具磨损、积屑瘤生成规律、磨削机理、加工参数对表面质量的影响等有其特殊性； • 超精密加工的刀具、磨具及其制备 刀具的刃磨、超硬砂轮的修整； • 超精密加工机床设备 机床精度、刚度、抗振性、微量进给机构； • 精密测量及补偿技术 有相应级别的测量装置，具有在线测量和误差补偿； • 严格的工作环境 恒温、净化、防振和隔振等。

35. 8.8.2 超精密切削加工 • 超精密切削对刀具的要求 • 极高的硬度、极高的耐用度和极高的弹性模量，保证刀具寿命和尺寸耐用度； • 刃口能磨得极其锋锐，刃口半径ρ值极小，能实现超薄的切削厚度； • 刀刃无缺陷，避免刃形复印在加工表面； • 抗粘结性好、化学亲和性小、摩擦系数低、能得到极好的加工表面完整性。

36. 天然单晶金刚石刀具的性能特征 • 极高的硬度 HV6000-10000,而TiC仅为HV2400，WC为HV2400； • 能磨出锋锐刃口 刃口半径可达纳米，普通刀具5-30μm； • 与有色金属摩擦系数低、亲和力小 与铝的摩擦系数仅为0.06-0.13； • 耐磨性好，刀刃强度高 刀具磨损极慢，刀具耐用度极高。 • 天然单晶金刚石被公认为 • 不能代替的超精密切削刀具材料 • 但仅用于有色金属的切削加工

37. 超精密切削时的最小切削厚度 如图：A点位置与摩擦系数μ（剪切角θ）有关： 当μ=0.12时，可得： hDmin=0.322ρ 当μ=0.26时，可得： hDmin=0.249ρ 若hDmin=1nm，要求刀具刃口半径ρ为3-4nm。 极限切削厚度与刃口半径的关系

38. 8.8.3 超精密磨削加工 超精密磨削：是最主要黑色金属超精密加工手段， 精度<=0.1μm，表面粗糙度<Ra0.025。 超精密磨削砂轮 金刚石砂轮：较强的磨削能力，较高的磨削效率， 磨削速度12-30m/s； CBN砂轮：较好的热稳定性和化学惰性，价格较贵， 磨削速度80-100 m/s。 超硬磨料砂轮结合剂： 树脂结合剂：能保持良好锋利性，磨粒保持力小； 金属结合剂：耐磨性好，磨粒保持力大，自锐性差， 砂轮修整困难。 陶瓷粘结剂：化学稳定性高、耐热、耐酸碱，脆性较大。

39. 超硬磨料砂轮的修整 • 车削法 用金刚笔车削金刚石砂轮，修整成本高； • 磨削法 用普通砂轮进行对磨，修整效率和质量较好， • 普通砂轮磨损消耗量较大； • 喷射法 将碳化硅、刚玉等磨粒高速喷射到砂轮表面， • 去除部分结合剂，使超硬磨粒突出； • 电解在线修锐法（ELID) 应用电解原理完成砂轮修锐过程； • 电火花修整应用电火花放电原理完成砂轮修整。

40. 在线电解修锐法 电火花修整法

41. 8.8.4超精密加工机床设备 • 精密主轴部件 • 滚动轴承 回转精度达1μm,表面粗糙度Ra0.04-0.02μm； • 液体静压轴承 回转精度≤0.1μm，刚度阻尼大，转动平稳； • 不足：液压油温升高，影响主轴精度，会将空气带入液压 • 油降低轴承刚度； • 应用：一般用于大型超精密机床。 • 空气静压轴承 高回转精度、工作平稳，温升小； • 不足：刚度较低，承载能力不高； • 应用：超精密机床中得到广泛的应用。

42. 典型液体静压轴承主轴结构原理图 1-径向液压轴承2-止推液压轴承 3-真空吸盘 双半球空气轴承主轴 1-前轴承 2-供气孔 3-后轴承 4-定位环 5-旋转变压器 6-无刷电动机 7-外壳 8-轴 9-多孔石墨

43. 床身和精密导轨 床身要求：抗振、热膨胀系数低、尺寸稳定性好 床身材料：多采用人造花岗岩，尺寸稳定性好、热膨胀系数低、硬度高、耐磨、不生锈、可铸造成形，克服了天然花岗岩有吸湿性不足。 导轨要求：高直线精度，不得爬行 有液体静压导轨、空气静压导轨。

44. 平面型空气静压导轨示意图 1-静压空气2-移动工作台3-底座

45. 微量进给装置 • 微量进给装置要求： • 分辨率达到0.001-0.01μm； • 精微进给与粗进给分开； • 低摩擦和高稳定性； • 末级传动元件必须有很高的刚度； • 工艺性好，容易制造； • 应能实现微进给的自动控制，动态性能好。

46. 分辨率0.01μm， 最大位移20μm， 静刚度70N/μm， 双T形弹性变形微进给装置 1-微位移刀夹2、3-T形弹簧4-驱动螺钉5-固定端6-动端

47. 最大位移 15-16μm 分辨率 0.01μm 静刚度 60N/μm 压电陶瓷微进给装置 1-刀夹 2-机座 3-压电陶瓷 4-后垫块 5-电感测头6-弹性支承

48. 8.8.5超精密加工环境 • 净化的空气环境 • 1μm直径尘埃会拉伤磁盘表面而不能正确记录信息； • 100级超精密加工空气洁净度要求：≥0.5μm直径尘埃个数≤100个/ft3，而办公室百万个/(ft)3，手术室5万个/(ft)3 • 恒定的温度环境 • 100mm长铝合金零件，温度变化1ºC将产生2.25μm的误差； • 若要求确保0.1μm加工精度，环境温度应保持±0.05ºC范围内； • 当前，已出现±0.01ºC的恒温环境，需多级恒温。

49. 较好的抗振动干扰环境 防振：消除自身 振动干扰 隔振：阻止外部 振动 美国LLL实验室超精密机床隔振基础 1-隔振空气弹簧 2-床身 3-工作台

50. 第四节 高速加工技术 8.4.1 高速加工的概念与特征 8.4.2 高速加工技术的发展与应用 8.4.3 高速切削加工的关键技术 8.4.4 高速磨削加工