先进制造技术 第三章ppt课件.ppt

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 微细加工技术3.7 表面工程技术3.8 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： 零件毛坯的成形准备阶段 机械切削加工阶段 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，m级过渡； 20世纪50年代末，实现了m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200C，10m/min； 20世纪初，高速钢，500-600C，30-40m/min； 20世纪30年代，硬质合金，800-1000C， 数百米/min; 目前陶瓷、金刚石、立方氮化硼，1000C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： 改善刀具切削性能，改进加工设备； 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 2.5mm,3.2.1 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（10m）； 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，Ra1.6-0.4m。,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,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,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,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；民兵型洲际导弹陀螺仪精度为0.03-0.05，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 60m12m，粗糙度由Ra0.5m0.2m，则发动机效率 89% 94%；磁盘磁头与磁盘间距离，目前已达到0.3m，近期内可达到0.15m。,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。,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。,3.3.2 超精密切削加工,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5-30m； 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,超精密切削时的最小切削厚度 如图：A点位置与摩擦系数（剪切角）有关： 当=0.12时，可得： hDmin=0.322 当=0.26时，可得： hDmin=0.249 若hDmin=1nm，要求刀具刃口半径为3-4nm。,极限切削厚度与刃口半径的关系,超精密磨削：是最主要黑色金属超精密加工手段， 精度=0.1m，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。,3.3.3 超精密磨削加工,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。,在线电解修锐法,电火花修整法,精密主轴部件滚动轴承 回转精度达1m,表面粗糙度Ra0.04-0.02m；液体静压轴承 回转精度0.1m，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。,3.3.4 超精密加工机床设备,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,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。,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,微量进给装置微量进给装置要求： 分辨率达到0.001-0.01m； 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。,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,分辨率0.01m，最大位移20m，静刚度70N/m，,最大位移 15-16m分辨率 0.01m静刚度 60N/m,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,净化的空气环境 1m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：0.5m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1C将产生2.25m的误差； 若要求确保0.1m加工精度，环境温度应保持0.05C范围内； 当前，已出现0.01C的恒温环境，需多级恒温。,3.3.5 超精密加工环境,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,第四节 高速加工技术 3.4.1 高速加工的概念与特征 3.4.2 高速加工技术的发展与应用 3.4.3 高速切削加工的关键技术 3.4.4 高速磨削加工,3.4.1 高速加工的概念与特征,超高速切削概念示意图,Salomon切削理论,高速切削 铝合金：1000-7000m/min 灰铸铁：800-3000m/min 铜：900-5000m/min 钢：500-2000m/min 钛：100-1000m/min,高速切削特征切削力低 切削变形小，切屑流出速度加快，切削力 比常规降低30-90%；热变形小 温升不超过3C，90%切削热被切屑带走；材料切除率高 单位时间内切除率可提高3-5倍； 高精度 切削激振频率远高于机床系统固有频率， 加工平稳、振动小。减少工序 工件加工可在一道工序中完成， 称为“一次过”技术（One pass maching）。,高化速指标：dmn（直径x转速）1*106即为高速高速切削机床 主轴转速在20000r/min以上，甚至62000r/min；快速进给40-80m/min；高速切削机理研究 包括切屑成形机理、切削力、切削热等，铝合金材料研究较为成熟，黑色金属、难加工材料加工机理尚处探索阶段。,3.4.2 高速加工发展与应用,高速切削加工应用航空工业-飞机铝合金零件、薄层腹板件等直接高速切削加工，不再铆接。汽车制造-高速加工中心将柔性生产线效率提高到组合机床生产线水平。模具制造-对淬硬钢模具型腔直接加工，省电加工和手工研磨等工序。,1、高速主轴高速主轴（电主轴）精度高、振动小、噪音低、结构紧凑,3.4.3 高速切削加工关键技术,主轴轴承陶瓷混合轴承 轴承滚珠为氮化硅陶瓷；密度低，离心力小；弹性模量高，刚度大；摩擦系数低。 轴承润滑：油脂润滑、油雾润滑、油气润滑等。气浮轴承：高回转精度、高转速、低温升，承载能力低。液体静压：运动精度高，动态刚度大，有油升影响。磁浮轴承：间隙一般在0.1mm左右，允许更高转速，达4.0*106以上，控制结构复杂。,2、快速进给系统滚珠丝杆+伺服电机：加速度达0.6g，进给速度达40-60m/min。直线电机：进给速度可达160m/min，加速度可达2.5-10g。消除了机械传动间隙和弹性变形，几乎没有反向间隙，是未来机床进给传动的基本形式。,直线电机结构,3 基座 4 磁性轨道 5 直线电机 6 直线导轨 7 直线光栅 8 平台 9 接口电缆 10 防护罩,3、高性能的CNC控制系统 快速响应伺服控制，32/64位，多CPU，具有加速预插补、前馈控制、钟形加减速、精确矢量补偿和最佳拐角减速控制等功能。4、先进的机床结构 结构特点：床身足够刚度、强度，高阻尼特性和热稳定性；立柱和底座整体结构；使用高阻尼特性材料（聚合物混凝土）；防弹玻璃观察窗。 新型机床结构：并联机床结构。,六杆并联机床,5、高速切削的刀具系统对刀具系统要求：切削热更多流向刀具，要求抗磨损；必须良好的平衡，可靠定位。刀具材料：硬质合金涂层刀具、陶瓷刀具、聚晶金刚石刀具、立方氮花硼刀具。双定位刀柄结构：当超过15000r/min时，离心力将使主轴锥孔扩张，降低刀柄连接刚度；该结构刀柄锥部和端面同时与主轴定位，轴向重复定位精度可达0.001mm。,HSK型刀柄及其联接结构,高速磨削：最高磨削速度达500m/s；实际应用磨削速度在100m/s-250m/s。高速磨削特点：若切除率不变，则单磨粒切削厚度降低，磨削力减小；维持原切削力，可提高进给速度，降低加工时间，提高生产效率；可使粗精合而为一。,3.4.3 高速磨削加工,1、高速主轴 须配有连续自动动平衡装置,高速磨削关键技术：,高速主轴动平衡系统1-信号传送单元 2-紧固发兰盘 3-内装电子驱动平衡块 4-磨床主轴,2、高速磨床结构具有高动态精度、高阻尼、高抗振性和热稳定性,直线电机驱动高速平面磨床磨削速度达125m/s，工作台往复运动达1000st/min，是普通磨床的10倍,3、高速磨削砂轮砂轮基体：必须考虑高速离心力作用；砂轮磨粒-立方氮化硼和金刚石。,高速砂轮典型结构腹板变截面等力矩结构，无中心法兰孔多个小螺孔安装固定，降低法兰孔应力,4、冷却润滑液V液大于等于V砂： 润滑效果好V液小于V砂： 清洗效果好,a) V液大于V砂 b) V液略大于V砂 c) V液= V砂,冷却润滑液出口流速的影响,第五节 快速原型制造技术 3.5.1 RPM技术的产生和发展 3.5.2 RPM技术原理 3.5.3 典型的RPM工艺方法 3.5.4 RPM技术的应用,设计人员,三维实体,产品,RPS,分层切片,数据文件,CAD模型,三维数字化仪等,CAD造型系统,80年代末RPM技术首先在美国问世；工业国家称RPM技术是继数控技术后又一场技术革命；我国92年进入RPM领域；清华大学、西安交通大学、华中科技大学、北京隆源等单位在RMP设备、材料和软件方面先后完成了开发和产业化过程；我国MRP许多关键技术达到或领先国际先进水平。,3.5.1 RPM技术的产生与发展,CAD模型建立 STL文件生成 分层切片。 快速堆积成型,RPS,分层切片,STL文件,CAD模型,三维数字化仪等,CAD造型系统,3.5.2 RPM技术原理,1、光敏液相固化法(SLA)特点：可成形任意复杂形状零件；成形精度高，达0.1mm；材料利用率高，性能可靠。不足：材料昂贵，光敏树脂有一定毒性。,3.5.3 典型的RPM工艺方法,SLA工艺原理图,2、选区片层粘结法（LOM） 特点：成形速度快，成形材料便宜，无相变、无热应力、形状和尺寸精度稳定不足：成形后废料剥离费时，不宜制作薄壁零件。,LOM工艺原理图,3、选区激光烧结法（SLS）特点：取材广泛，包括各种可熔粉末材料，不需要支撑材料。,SLS工艺原理图1-激光器 2-铺粉滚筒 3-激光窗 4-加工平面 5-原料粉末 6-生成零件,4、熔丝沉积成形法（FDM）特点：无需激光系统，设备简单，运行费用便宜，尺寸精度高，表面光洁度好，适合薄壁零件。不足：需要支撑材料。,FDM工艺原理图,3.5.4 RPM技术的应用,RPM的应用,快速模具制造工艺方法,第六节 微细加工技术 3.6.1 微机械及其特征 3.6.2 微细加工工艺方法 3.6.3 微细加工技术的发展与趋势,微小机械 1-10mm；微机械 1m-1mm； 纳米机械 1nm-1m。体积小、精度高、重量轻 如直径如发丝的齿轮、开动3mm大小的汽车、花生米大的飞机、在5mm2内放置1000台的微型发动机。性能稳定、可靠性高 微机械体积小，热膨胀、噪声、挠曲等影响小，具有抗干扰性，可在较差环境下稳定的工作。能耗低、灵敏度、工作效率高 不存在信号延迟问题，可进行高速工作。消耗的能量远小于传统机械 如5*5*0.7mm3微型泵流速是比其体积大得多的小型泵流量的1000倍。多功能和智能化 集传感器、执行器、信号处理和电子控制电路为一体，易于实现多功能化和智能化。制造成本低 类似半导体制造工艺。,3.6.1 微机械及其特征,1、超微机械加工利用超小型机床制作毫米级以下的微机械零件难点：微型刀具制造、刀具姿态、加工基准定位等,3.6.2 微细加工工艺方法,微型超精密加工机床结构示意图 为车、铣、磨、电火花加工的多功能微型加工机床，最小设定单位为1nm，单晶金刚石刀具，刀尖圆弧半径为100nm左右,2、光刻加工氧化 硅晶片表面形成一层氧化层；涂胶 涂光致抗蚀剂；曝光 通过掩模曝光；显影 曝光部分溶解去除；腐蚀 未被覆盖部分腐蚀掉；去胶 将光致抗蚀剂去除；扩散-向需要杂质的部分扩散杂质，以完成整个光刻加工过程。,光刻加工工艺示例,3、体刻蚀加工技术体微机械加工：用腐蚀方法将硅基片有选择性地去除部分材料的方法。各向同性腐蚀：以相同速度对所有晶向进行刻蚀；各向异性腐蚀：在不同晶面，以不同速率进行刻蚀，利用晶格取向，可制作如桥、梁、薄膜等不同的结构。,4、面刻蚀加工技术l在硅基片上淀积磷玻璃牺牲层材料；l腐蚀牺牲层形成所需形状；l淀积和腐蚀结构材料薄膜层；l除去牺牲层就得到分离空腔微桥结构。,制作双固定多晶硅桥工艺,5、LIGA技术LIGA技术是由制版、电铸和微注塑工艺组成，是全新的三维立体微细加工技术。在光致抗蚀剂上生成曝光图形实体；用曝光蚀刻的图形实体作电铸用胎膜，在胎膜上沉积金属形成金属微结构件； 用金属微结构件作为注塑模具注塑出所需的微型零件。,LIGA工艺过程,6、 封接技术目的：将微机械件连接在一起，使其满足使用要求。方法：反应封接、淀积密封膜和键合技术。反应封接：是将多晶硅结构与硅基片通过氧化反应封接在一起。淀积密封膜：是用化学气相淀积法在构件和衬底之间淀积密封膜。硅-硅直接键合：在高温下依靠硅原子力量直接键合在一起形成一个整体；静电键合：将硅和玻璃之间加上电压产生静电引力而使两者结合成一体。,7、分子装配技术扫描隧道显微镜STM、原子力显微镜AFM具有0.01nm分辨率，是精度最高的表面形貌观测仪。利用其探针尖端可以俘获和操纵分子和原子，并可按照需要拼成一定的结构，进行分子和原子的装配制作微机械。美国的IBM公司用STM操纵35个氙原子，在镍板上拼出了“IBM”三个字母；日本用原子拼成了“Peace”一词中国科学院化学研究所用原子摆成中国地图；,加工方法多样化 两个领域：微机械加工、半导体化学加工； 从单一加工技术向组合加工技术发展。从单纯硅材料向着多种类型材料发展 如玻璃、陶瓷、树脂等。提高微细加工的经济性 LIGA出现是微机械进行批量生产的范例。微细加工机理研究。,3.6.3 微细加工技术的发展与趋势,第七节 表面工程技术 3.7.1 表面改性技术 3.7.2 表面覆层技术 3.7.3 复合表面处理技术,1、激光表面改性是以高能量的激光束快速扫描工件表面，升温速度可达105-106C/s，冷却速度104C/s,快速自冷淬火,比常规淬火硬度高15-20%，淬火变形非常小，表面无须保护。,3.7.1 表面改性技术,激光表面改性装置组成示意图1-全反射镜 2-谐振腔 3-部分反射镜 4-导光系统 5-弯曲反射镜 6-聚光系统及保护气通入 7-x-y移动工作台 8-气体交换装置 9-配电盘 10-冷却装置 11-控制系统,2、电子束表面改性利用电子能深入金属表面，与基体金属原子核碰撞，使被处理金属表层温度迅速升高。加热和冷却速度快，能量密度大；为激光成本的1/3；结构简单；能量利用率高于激光；在真空工作，工件表面不易氧化；控制比激光容易。,电子束产生及工作示意图1-工作台 2-加工室 3-电磁透镜 4-阳极 5-栅极 6-灯丝 7-电源 8-电子束 9 偏转线圈 10-工件,3、离子注入表面改性可注入任何元素，不受固溶度和扩散系数影响；离子注入温度易控制；不氧化、不变形、不软化，可作最终处理工艺。可控性、重复性好。可获得两层以上复合材料，复合层不易脱落。,图3-52 离子注入装置示意图1-离子源 2-质量分析器 3-高压电极 4-加速管 5-聚焦电极 6-X扫描电极 7-Y扫描电极 8-中性束 9-式样室,热喷涂技术,3.7.2 表面覆层技术,粉末火焰喷涂 大气等离子喷涂 爆炸喷涂,气相沉积技术物理气相沉积PVD 将镀料气化成原子、分子或离子，直接沉积到基体表面。真空蒸镀 将工件放入真空室内加热，使镀膜材料蒸发或升华，飞至工件表面凝聚成膜；溅射镀膜 用荷能粒子轰击材料表面，使其获得足够能量，飞溅变为气相，在基体表面上沉积；离子镀膜 利用气体放电使物质离子化，在气体离子轰击下把蒸发物沉积在基体上成膜。化学气相沉积CVD 借助气相作用和在基体表面上的化学反应生成所要求的薄膜。,渗钛与离子渗氮复合热处理；渗碳、渗氮、碳氮共渗；液体碳氮共渗与高频感应加热表面淬火的复合强化；激光与离子渗氮复合处理；表面覆层技术与其他表面处理的复合技术；离子辅助涂覆；离子注入与气相沉积复合表面改性。,3.7.3 复合表面处理技术,第八节 现代特种加工技术 3.8.1 激光加工 3.8.2 超声波加工 3.8.3 水射流切割加工,3.8.1 激光加工,激光加工原理 激光是一种受激辐射产生的加强光，当激光照射到工件表面，光能被工件迅速吸收并转化为热能，工件在光热效应下产生的高温熔融和冲击波的综合作用达到加工的目的。,固体激光器结构示意图,激光加工特点功率密度大 高达108-1010W/cm2，可加工如耐热合金、陶瓷、石英、金刚石等任何材料；聚焦光斑小 激光束可聚焦到微米级，可打孔直径0.001mm小孔；非接触加工 没有明显机械力，没有工具损耗，可加工易变形的薄板和橡胶等弹性零件；加工速度快，热影响区小 可对真空管内部器件进行加工；属于瞬时局部熔化和气化的热加工方法 影响因素很多，其精度和表面粗糙度需反复试验、寻找合理参数才能达到所需要求。,激光加工工艺及应用激光打孔 可在任何材料上打微型小孔，如喷嘴、喷丝板、宝石轴承等，孔直可达0.01mm以下，深径比50:1。激光切割 可切割金属、非金属，更适宜于对细小部件作各种精密切割。激光焊接 以高功率聚焦激光束为热源，无需焊料和焊剂，只需将工件的加工区域“热熔”在一起就可以。激光表面处理 有相变硬化、快速熔凝、合金化、熔覆等表面处理工艺。,3.8.2 超声波加工,超声波加工基本原理超声波：频率超过16000Hz的声波。超声波加工：利用工具端面作超声频振动，通过磨料悬浮液撞击加工材料的一种加工工艺方法。,超声波加工原理图 1-工具 2-工件 3-磨料悬浮液 4,5-变幅杆 6换能器 7-超声波发生器,超声波加工的应用型腔抛磨加工 用于淬火钢、硬质合金冲模、拉丝模、塑料模具型腔的最终光整加工；超声清洗 超声波使液体分子往复高频振动产生正负交变的冲击波，使被清洗物表面的污物遭到破坏，并从被清洗表面脱落下来；超声波复合加工 如超声与电火花复合加工，电火花有效放电脉冲利用率可提高到50%以上，提高生产率2-20倍。,水射流切割加工基本原理 是以水作为携带能量的载体，水压达300-1000Mpa，喷嘴直径0.1-0.6mm，2-3倍声速喷出，使压力能转变为动能，常用人造宝石、陶瓷、碳化钨喷嘴。纯水射流切割：喷嘴磨损慢，切割能力较低，适合于切割软质材料；磨料射流切割：喷嘴磨损快，结构复杂，适于切割硬质材料。,3.8.3 水射流切割加工,水射流切割设备,高压水射流切割设备组成1-水箱 2-水泵 3-蓄能器 4控制器5-阀 6-蓝宝石喷嘴 7-射流8-工件 9-排水器 10-液压机构 11-增压器,磨料射流切割头,本章小结机械零件常用的成形方法有受迫成形、去除成形、堆积成形；精密洁净铸造成形、精确高效金属塑性成形、粉末锻造成形工艺、高分子材料注射成形均属于先进的材料受迫成形工艺；在当今技术条件下，普通加工精度为1m、精密加工精度为0.1-1m、超精密加工精度高于0.1m；Salomon将切削速度范围分为常规切削区、不可切削区和高速切削区；当前dmn指数大于1*106称为高速加工机床；常用的RPM工艺方法有光敏液相固化法SLA、选区片层粘结法LOM、选区激光烧结法SLS、熔丝沉积成形法FDM；微机械(MEMS)按其尺寸特征可以分为1-10mm的微小机械，1m-1mm的微机械以及1nm-1m的纳米机械, 微机械加工方法有超微机械加工、光刻加工、电化学加工、复合加工等。,