第3章 先进制造工艺技术.ppt.ppt

,第3章 先进制造工艺技术,先进制造技术,第3章 先进制造工艺技术,目录3.1 先进制造工艺技术概述3.2 精密与超精密加工技术3.3 特种加工技术3.4 快速原型制造技术3.5 微细加工技术3.6 生物制造3.7 绿色制造,第3章 先进制造工艺技术,先进制造工艺技术是先进制造技术的核心。现今制造业的生产规模、生产成本、产品质量、市场响应速度的变化，要求企业必须形成高效、低耗、清洁和灵活的制造工艺技术，先进制造技术是在传统机械制造工艺基础上不断发展而逐步形成的一类技术群。,第3章 先进制造工艺技术,3.1 先进制造工艺概述3.1.1 机械制造工艺的内涵1.机械制造工艺过程,所谓工艺过程即改变生产对象的形状、尺寸、相对位置和性质等，使其成为成品或半成品的过程。机械制造工艺的内涵可以用机械制造工艺流程图表示，见图3-1。,3.1 先进制造工艺技术概述,机械制造工艺过程按功能不同可划分为三类：（对照图3-1）直接改变工件的形状、尺寸、性能、零件与零件的相互位置，如图中铸、锻、焊等毛坯制造、切削加工与特种加工、热处理和装配等；运转、储存、包装等；检测与控制等，通常第三类不独立构成工艺过程。,3.1 先进制造工艺技术概述,2.机械制造工艺方法和物体成形方法分类,见表3-1划分：铸、压力、焊装配与包装、其他10大类，以代码0-9表示；每大类细分为9中类，以1-9代码表示。例：钳加工代码34 车、铣加工代码31 压焊代码24,3.1 先进制造工艺技术概述,按零件成形原理有三种方法：1）受迫成形 特点是成形过程实体体积无明显变化，又称接近成形工艺。主要有铸、锻、压力加工、注塑等；2）去除成形 特点是将毛坯多余材料去除，达到设计要求的零件形状和尺寸。主要有传统切削加工，车、铣、刨、磨、镗、钻等；特种加工，激光、线切割、电火花等；3）添加成形传统有焊接工艺，最新工艺为分层添加成形。,3.1 先进制造工艺技术概述,3.1.2 先进制造工艺技术的定义和内容1.先进制造工艺技术的定义和特点,定义：研究与物料和物料处理过程直接相关的各项最新技术（与传统制造工艺相比较）。特点：详见课本p.681）优质2）高效3）低耗4）灵活5）清洁,3.1 先进制造工艺技术概述,2.先进制造工艺技术的内容,目前比较成熟，广泛应用的有：（1）精密、超精密加工技术（2）精密成形技术（3）特种加工技术（4）表面工程技术,3.1 先进制造工艺技术概述,3.1.3 先进制造工艺技术的发展趋势,1）采用模拟技术，优化工艺设计；2）成形精度向近无余量方向发展；3）成形质量向近无“缺陷”方向发展；4）机械加工向超精密、超高速方向发展；5）采用新型能源及复合加工，解决新型材料的加工和表面改性难题；,3.1 先进制造工艺技术概述,6）采用自动化技术，实现工艺过程的优化控制；7）采用清洁能源及原材料，实现清洁生产；8）加工与设计之间的界限逐渐谈化，并趋向集成及一体化；9）工艺技术与信息技术、管理技术紧密结合，先进制造生产模式获得不断发展。,3.2 精密与超精密加工技术3.2.1 概述1.精密与超精密加工的内涵,不断地提高加工精度和加工表面质量，是现代制造业的永恒追求，其目的是提高产品的性能、质量以及可靠性。超精密加工技术是精加工的重要手段，在提高机电产品的性能、质量和发展高新技术方面都有着至关重要的作用。因此，超精密加工技术已经成为全球市场竞争的关键技术，是衡量一个国家先进制造技术水平的重要指标之一。,超精密加工包括了所有能使零件的形状、位置和尺寸精度达到微米和亚微米范围的机械加工方法。精密和超精密加工只是一个相对的概念，其界限随时间的推移而不断变化，也许今天的所谓超精密加工，到明天只能作为精密加工甚至作为普通加工的范畴。,3.2 精密与超精密加工技术,按我国目前的加工水平，普通加工、精密加工和超精密加工的划分标准是：（1）普通加工 加工精度在lm、表面粗糙度值大于Ra0.1m的加工方法。在目前的工业发达国家中，一般工厂均能稳定达到这样的加工精度。（2）精密加工 加工精度在0.11m、表面粗糙度值为Ra0.010.1m之间的加工方法，如金刚车、金刚镗、精磨、研磨、珩磨、镜面等加工等。主要用于加工精密机床、精密测量仪器等制造业中的关键零件加工，在当今制造工业中占有极重要的地位。,3.2 精密与超精密加工技术,（3）超精密加工 加工精度小于0.1m，表面粗糙度值小于Ra0.01m的加工方法，主要加工技术有金刚石刀具超精密切削、超精密磨削加工、超精密特种加工和复合加工等。目前，超精密加工的精度正在从微米工艺向纳米工艺提高。见图3-2,3.2 精密与超精密加工技术,加工误差（m）,3.2 精密与超精密加工技术,3.2 精密与超精密加工技术,2.发展超精密加工技术的重要性,可提高产品的性能可提高产品的稳定性和可靠性促进产品的小型化和微型化增强零件的互换性，提高装配生产率,2.发展超精密加工技术的重要性,可提高产品的性能可提高产品的稳定性和可靠性促进产品的小型化和微型化增强零件的互换性，提高装配生产率,3.2 精密与超精密加工技术,超精密加工提出以后，首先受到了日本等国的重视。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技术人材。许多著名的企业，如东芝、精工、三菱电气、住友、冈本、西铁城等，在超精密加工设备、测量系统等方面卓有成效。美国在超精密加工方面也有雄厚的实力，加利福尼亚大学的国家实验室(LLNL)和美国空军合作研制出的大型光学金刚石车床是为镜面加工大直径光学镜头而开发的，其分辨力为0.7nm，定位误差为0.0025m。,3.2 精密与超精密加工技术,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。我国的超精密加工技术在20世纪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超精密机床和部件，并向专业化批量生产发展，研制出了多种不同类型的超精密机床、部件和相关的高精度测试仪等，如精度达0.025m的精密轴承等，达到了国际先进水平。,3.2 精密与超精密加工技术,超精密加工技术在军事、航空、计算机等领域的高科技尖端产品中占有非常重要的地位。例如：陀螺仪是决定导弹命中精度的关键部件，如果1kg重的陀螺转子，其质量中心偏离对称轴0.5nm，将会引起l00m的射程误差和50m的轨道误差。美国民兵型洲际导弹系统陀螺仪的精度为0.030.05，其命中精度的圆概率误差为500m；而可装载10个核弹头的MX战略导弹，其命中精度的圆概率误差仅为50150m。人造卫星的仪表轴承是真空无润滑轴承，其孔和轴的表面粗糙度达到1nm，其圆度和圆柱度均以nm为单位。（详见课本p.71）,3.2 精密与超精密加工技术,3.2.2 精密与超精密加工方法和特点1.精密与超精密加工分类,按材料重量：去除加工、结合加工和变形加工（见3.1.1表述）按加工能性质：力学加工、物理加工、化学与电化学加工以上方法的综合：复合加工见课本表3-3,3.2 精密与超精密加工技术,3.2 精密与超精密加工技术,2.精密与超精密加工的特点,进化加工原则（分直接式和间接式）微量切削机理采用综合制造工艺紧密联系自动化技术加工与检测一体化发展特种加工与复合加工,3.2 精密与超精密加工技术,3.精密与超精密加工的主要手段,1）金刚石刀具超精密切削；2）金刚石砂轮和CBN（Cubic Boron Nitride）砂轮（立方氮化硼砂轮）超精密磨削；3）超精密研磨和抛光；4）精密特种加工和复合加工。,3.2 精密与超精密加工技术,3.2.3 金刚石超精密切削（视频1、视频2）,1.金刚石超精密切削的特点,金刚石刀具超精密切削是目前最常用的超精密加工方法，主要用于加工铜、铝等非铁软金属及其合金，以及光学玻璃、石材、碳纤维等。,属微量切削，切削在晶粒内进行要求切削力大于分子间结合力由于切削力大刀尖处温度高由于高温表层薄不会波及内层，工件变形小,3.2 精密与超精密加工技术,2.金刚石超精密切削的关键技术与条件,（1）设备要求具有高精度、高刚度、高稳定性、抗震性和高自动化。如美国Moore公司M-18AG金刚石车床，主轴采用空气静压轴承，转速5000转/分，径跳0.1m；液体静压导轨，直线度达 0.05/100mm；数控系统分辨率0.01。,典型产品：光学反射镜、射电望远镜主镜面、大型投影电视屏幕、照像机塑料镜片、树脂隐形眼镜镜片等,3.2 精密与超精密加工技术,3.2 精密与超精密加工技术,加工4.5mm陶瓷球,3.2 精密与超精密加工技术,（2）金刚石刀具天然金刚石或人造单晶金刚石,要求：a.硬度高 b.能磨出锋利刃口 c.热化学性能好 d.耐磨、强度高,3.2 精密与超精密加工技术,（3）工件材料要求组织均匀，无微观缺陷。（4）超精密测控技术具有纳米级几何尺寸和表面质量超精密在线检测和误差补偿技术（5）工作环境工作环境符合温度、洁净度抗震等要求。,3.金刚石超精密切削的应用（与p.72内容重复）,3.2 精密与超精密加工技术,3.2.4 精密与超精密磨削,超精密磨削加工是指利用细粒度的磨粒或微粉磨料进行砂轮磨削、砂带磨削，以及研磨、珩磨和抛光等进行超精密加工的总称，是加工精度达到或高于0.1m、表面粗糙度值小于Ra0.025m的一种亚微米级加工方法，并正向纳米级发展，是当前超精密加工的重要研究之一。,3.2 精密与超精密加工技术,对于铜、铝及其合金等软金属，利用金刚石刀具进行超精密车削是十分有效；而对于黑色金属、硬脆材料等，用精密和超精密磨削加工在当前是最主要的精密加工手段。精密磨削，超精密磨削的关键在于砂轮的选择、砂轮的修整、磨削用量和高精度的磨削机床。,3.2 精密与超精密加工技术,1.超精密磨削砂轮,在超精密磨削中所使用的砂轮，其材料多为金刚石、立方氮化硼磨料，硬度极高，故一般称为超硬磨料砂轮。用超硬磨料制成的砂轮、砂带如图所示。,3.2 精密与超精密加工技术,3.2 精密与超精密加工技术,3.2 精密与超精密加工技术,2.超精密磨削砂轮的修整,砂轮的修整包括整形和修锐两部分，对于密实型无气孔的金刚石砂轮，如金属结合剂金刚石砂轮，一般在整形后还必须修锐；有气孔型陶瓷结合剂金刚石砂轮在整形后即可使用。砂轮的修整是超硬磨料砂轮使用中的一个技术难题，它直接影响被磨工件的加工质量、生产效率和生产成本。,3.2 精密与超精密加工技术,超硬磨料砂轮，如金刚石和立方氮化硼，都比较坚硬，很难用别的磨料磨削以形成新的切削刃，故通过去除磨粒间的结合剂方法，使磨粒突出结合剂一定高度，形成新的磨粒。超硬磨料砂轮先进修整的方法很多，主要有两种：（1）电解在线修锐法 是由日本大森整等人在1987年推出的超硬磨料砂轮修锐新方法。主要用于铸铁纤维为结合剂的金刚石砂轮。,3.2 精密与超精密加工技术,在砂轮与电极之间通以电解液，通过电解腐蚀作用去除超硬磨料砂轮的结合剂，露出新的锐利磨粒，从而达到修锐效果。在这种电解修锐过程中，被腐蚀的砂轮铸铁结合剂表面逐渐形成钝化膜，这种不导电的钝化膜将阻止电解的进一步进行，只有当突出的磨粒磨损后，钝化膜被破坏，电解修锐作用才会继续进行，这样可使金刚石砂轮能够保持长时间的切削能力。,3.2 精密与超精密加工技术,3.磨削速度和磨削液,（2）电火花修整法该方法适用于各种金属结合剂砂轮。见图3-4,金刚石砂轮磨削速度一般不能很高，其磨削速度为1230m/s。如果磨削速度太低，单颗磨粒的切削厚度过大，工件表面粗糙度值将增加，同时也会使金刚石砂轮磨损加快；如果磨削速度过高，工件表面粗糙度值将有所降低，磨削温度的上升将使金刚石砂轮磨损加快。,3.2 精密与超精密加工技术,金刚石砂轮磨削硬质合金时，普遍采用煤油，而不宜采用乳化液；树脂结合剂砂轮不宜使用苏打水。立方氮化硼砂轮磨削时宜采用油性的磨削液，一般不用水溶性液，因为在高温状态下，立方氮化硼砂轮与水会起化学反应（水解作用），使砂轮磨损加剧，当不得不使用水溶性磨削液时，可加极压添加剂，以减弱水解作用。,3.2 精密与超精密加工技术,4.精密与超精密砂带磨削,3.2 精密与超精密加工技术,3.2 精密与超精密加工技术,3.2 精密与超精密加工技术,砂带磨削特点：1）砂带与工件柔性接触，磨粒载荷小，且均匀，工件受力、热作用小，加工质量好（Ra 值可达 0.02m）。,2）静电植砂，磨粒有方向性，尖端向上（图3-6），摩擦生热小，磨屑不易堵塞砂带，磨削性能好。,3.2 精密与超精密加工技术,3）强力砂带磨削，磨削比（切除工件重量与砂轮磨耗重量之比）高，有“高效磨削”之称。4）制作简单，价格低廉，使用方便。5）可用于内外表面及成形表面加工。,3.2 精密与超精密加工技术,3.2 精密与超精密加工技术,3.2 精密与超精密加工技术,3.2.5 超精密研磨和抛光（了解）1.弹性发射加工,抛光轮与工件表面形成小间隙，中间置抛光液，靠抛光轮高速回转造成磨料的“弹性发射”进行加工。,机理：微切削被加工材料的微塑性流动作用。,3.2 精密与超精密加工技术,2.液体动力抛光,抛光工具上开有锯齿槽，靠楔形挤压和抛光液的反弹，增加微切削作用。,机理：微切削作用。,3.2 精密与超精密加工技术,3.机械-化学抛光,活性抛光液和磨粒与工件表面产生固相反应，形成软粒子，使其便于加工。,抛光工具,活性抛光液,机械化学抛光,小间隙,工件,工具运动方向,加压,机理：机械+化学作用，称为“增压活化”。,返回本章目录,3.3 特种加工技术3.3.1 概述 1.特种加工的概念,非传统加工又称特种加工，通常被理解为区别于传统切削与磨削加工方法的总称。非传统加工方法 产生于二次大战后。两方面问题使传统机械加工方法难于解决：1）难加工材料的加工问题。宇航工业等对材料高强度、高硬度、高韧性、耐高温、耐高压、耐低温等的要求，使新材料不断涌现。2）复杂形面、薄壁、小孔、窄缝等特殊工件加工问题。,为解决上面两方面问题，出现了非传统加工方法。非传统加工方法是将电、磁、声、光等物理量及化学能量或其组合直接施加在工件被加工的部位上，从而使材料被去除、累加、变形或改变性能等。,3.3 特种加工技术,3.3 特种加工技术,2.特种加工方法的分类（按加工机理和采用的能源划分）,机械过程 利用机械力，使材料产生剪切、断裂，以去除材料。如超声波加工、水喷射加工、磨料流加工等。,热学过程 通过电、光、化学能等产生瞬时高温，熔化并去除材料，如电火花加工、高能束加工、热力去毛刺等。,3.3 特种加工技术,电化学过程 利用电能转换为化学能对材料进行加工，如电解加工、电铸加工（金属离子沉积）等。,化学过程 利用化学溶剂对材料的腐蚀、溶解，去除材料，如化学蚀刻、化学铣削等。,复合过程 利用机械、热、化学、电化学的复合作用，去除材料。,3.3 特种加工技术,常见的符合形式有：机械化学复合如机械化学抛光、电解磨削、电镀珩磨等。机械热能复合如加热切削、低温切削等。热能化学能复合如电解电火花加工等。其它复合过程如超声切削、超声电解磨削、磁力抛光等。,3.3 特种加工技术,3.特种加工的特点,1）非传统加工方法主要不是依靠机械能，而是用其它能量（如电能、光能、声能、热能、化学能等）去除材料。2）非传统加工方法由于工具不受显著切削力的作用，对工具和工件的强度、硬度和刚度均没有严格要求。,3）一般不会产生加工硬化现象。且工件加工部位变形小，发热少，或发热仅局限于工件表层加工部位很小区域内，工件热变形小，加工应力也小，易于获得好的加工质量。4）加工中能量易于转换和控制，有利于保证加工精度和提高加工效率。5）非传统加工方法的材料去除速度，一般低于常规加工方法，这也是目前常规加工方法仍占主导地位的主要原因。,3.3 特种加工技术,3.3 特种加工技术,3.3.2 激光加工技术1.激光加工技术的原理,激光加工是工件在光热效应下产生的高温熔融和冲击波的综合作用过程。激光加工是20世纪60年代发展起来的新技术，它是利用光能经过透镜聚焦后达到很高的能量密度，依靠光热效应来加工各种材料。近年来，激光加工被越来越多地用于打孔、切割、焊接、表面处理等加工工艺。,3.3 特种加工技术,2.激光加工设备,激光加工的基本设备包括电源、激光器、光学系统及机械系统等四部分。,3.3 特种加工技术,3.激光加工特点,（1）激光加工是非接触加工，加工速度快，热影响区小，没有明显的机械力，可加工易变形的薄板及弹性零件等；（2）由于激光的功率密度高，几乎能加工所有的材料，如各种金属材料，以及陶瓷、石英、玻璃、金刚石及半导体等。如果是透明材料，需采取一些色化和打毛措施方可加工；（3）由于激光光点的直径可达1m以下，能进行非常微细的加工，如加工深而小的微孔和窄缝（直径可小至几微米，深度与直径之比可达50100以上）；,3.3 特种加工技术,（4）不需要加工工具，所以不存在工具损耗问题，适宜自动化生产系统；（5）通用性好，同一台激光加工装置，可作多种加工用，如打孔、切割、焊接等都可以在同一台机床上进行；（6）激光加工是属于一种瞬时的局部熔化和气化的热加工方法，其影响因素很多。因此，精密微细加工时，其精度和表面粗糙度需反复试验，寻找合理的加工参数才能达到所需要求。,3.3 特种加工技术,4.激光加工技术的应用,（1）激光表面处理 激光表面处理是近十年来激光加工领域中最为活跃的研究和开发方向，发展了相变硬化、快速熔凝、合金化、熔覆等一系列处理工艺。其中相变硬化和熔凝处理的工艺技术趋向成熟并产业化。合金化和熔覆工艺（详见本章下一节），对基体材料的适用范围和性能改善的幅度均比前两种工艺广得多，发展前景广阔。,3.3 特种加工技术,（2）激光焊接 激光焊接是以高功率聚焦的激光束为热源，熔化材料形成焊接接头的。它既是一种熔深大、速度快、单位时间熔合面积大的高效焊接方法，又是一种焊接深宽比大、比能小、热影响区小、变形小的高精度焊接方法。激光焊接一般无需焊料和焊剂，只需将工件的加工区域“热熔”在一起就可以。,3.3 特种加工技术,（3）激光切割 激光可用于切割各种各样的材料，既可切割金属，也可切割非金属，如利用激光可以用3m/min以上的切削速度切割6mm的钛板；既可切割无机物，也可以切割皮革之类的有机物。它可以代替钢锯来切割木材，代替剪子切割布料、纸张，还能切割无法进行机械接触的工件，如利用激光可以从电子管外部切断内部的灯丝。（视频1、视频2、）,3.3 特种加工技术,（4）激光打孔 利用激光几乎可在任何材料上打微型小孔，目前已应用于火箭发动机和柴油机的燃料喷嘴加工、化学纤维喷丝板打孔、钟表及仪表中的宝石轴承打孔、金刚石拉丝模加工等。激光打孔适合于自动化连续打孔，如加工钟表行业红宝石轴承上直径为0.120.18mm、深度为0.61.2mm的小孔，采用自动传送装置每分钟可以连续加工几十个宝石轴承。,3.3 特种加工技术,焦点位置对孔形状影响,3.3 特种加工技术,（5）激光打标 激光打标技术是激光加工最大的应用领域之一。激光打标是利用高能量密度的激光对工件进行局部照射，使表层材料汽化或发生颜色变化的化学反应，从而留下永久性标记的一种打标方法。激光打标可以打出各种文字、符号和图案等，字符大小可以从毫米到微米量级，这对产品的防伪有特殊的意义。（视频1、视频2、视频3）,3.3 特种加工技术,（6）激光雕刻 激光雕刻加工是利用数控技术为基础，激光为加工媒介。加工材料在激光照射下瞬间的熔化和气化的物理变性，达到加工的目的。激光加工特点：与材料表面没有接触，不受机械运动影响，表面不会变形，一般无需固定。不受材料的弹性、柔韧影响，方便对软质材料。加工精度高，速度快，应用领域广范。（视频1、视频2）,3.3 特种加工技术,（7）激光熔覆激光熔覆亦称激光包覆或激光熔敷，是一种新的表面改性技术。它通过在基材表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束使之与基材表面薄层一起熔凝的方法，在基层表面形成与其为冶金结合的添料熔覆层。激光熔覆能显著改善基层表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性，从而达到表面改性或修复的目的，既满足了对材料表面特定性能的要求，又节约了大量的贵重元素。,3.3 特种加工技术,3.3.3 电子束加工技术1.电子束加工原理,真空条件下，利用电流加热阴极发射电子束，经控制栅极初步聚焦后，由加速阳极加速，通过透镜聚焦系统进一步聚焦，使能量密度集中在直径510m斑点内。,3.3 特种加工技术,高速而能量密集的电子束冲击到工件上，被冲击点处形成瞬时高温（几分之一微秒时间内升高至几千摄氏度），工件表面局部熔化、气化直至被蒸发去除。（1）高能量密度加工利用电子束热效应进行热处理、区域精炼、熔化、蒸发、穿孔、切焊接等（2）低能量密度加工工件表面几乎不引起温升，入射电子与高分子材料的分子碰撞，使高分子材料的化学性质和分子量产生变化，称为电子束的化学效应。,3.3 特种加工技术,2.特点及应用,电子束束径小（最小直径可达0.010.05mm），而电子束长度可达束径几十倍，故可加工微细深孔、窄缝。材料适应性广（原则上各种材料均能加工），特别适用于加工特硬、难熔金属和非金属材料。非接触加工，无工具损耗；无切削力，加工时间极短，工件无变形。加工速度高，切割1mm厚钢板，速度可达240mm/min。在真空中加工，无氧化，特别适于加工高纯度半导体材料和易氧化的金属及合金。加工设备较复杂，投资较大。多用于微细加工。,3.3 特种加工技术,案例3-2 电子束光刻在集成电路中的应用（p.92）,3.3 特种加工技术,3.3.4 离子束加工技术,1）离子束溅射去除加工（刻蚀）将被加速的离子聚焦成细束，射到被加工表面上。被加工表面受“轰击”后，打出原子或分子，实现分子级去除加工。,3.3 特种加工技术,2）离子束溅射镀膜加工（沉积镀膜）,由于溅射出来的原子和分子有相当大的动能，故镀膜附着力极强（与蒸镀、电镀相比）。,用加速的离子从靶材上打出原子或分子，并将这些原子或分子附着到工件上，形成“镀膜”。又被称为“干式镀”（图7-46）,溅射镀膜可镀金属，也可镀非金属。,3.3 特种加工技术,3）离子注入,用高能离子（数十万KeV）轰击工件表面，离子打入工件表层，其电荷被中和，并留在工件中（置换原子或填隙原子），从而改变工件材料和性质。可用于半导体掺杂（在单晶硅内注入磷或硼等杂质，用于晶体管、集成电路、太阳能电池制作），金属材料改性（提高刀具刃口硬度）等方面。,3.3 特种加工技术,3.3.5 化学机械复合加工（举例）,电解磨削原理：工件与磨轮保持一定接触压力，突出的磨料使磨轮导电基体与工件之间形成一定间隙。,电解液从中流过时，工件产生阳极溶解，表面生成一层氧化膜，其硬度远比金属本身低，易被刮除，露出新金属表面，继续进行电解。电解作用与磨削作用交替进行，实现加工。,3.3 特种加工技术,利用超高压水(或水与磨料的混合液)对工件进行切割(或打孔)，又称高压水切割，或“水刀”。,3.3.6 高压水射流加工技术,3.4 快速原型制造技术,随着全球市场一体化的形成，制造业的竞争日益激烈，产品开发的速度和能力已成为制造业市场竞争的实力基础。同时，制造业为满足日益变化的个性化市场需求，又要求制造技术有较强的灵活性，能够以小批量甚至单件生产而不增加产品的成本。因此，产品的开发速度和制造技术的柔性就变得十分关键。,3.4 快速原型制造技术,从技术发展角度，计算机科学、CAD技术、材料科学、激光技术的发展和普及为新的制造技术的产生奠定了基础。然而在产品设计完成到批量生产阶段之间，往往还要制造产品的原型样品，以便尽早地对产品设计进行验证和改进，但是按常规方法制作产品原型，一般需采用多种机床加工或手工造型，时间长达几周或几个月，加工费用昂贵。另外，对于某些复杂形状的零件和硬质合金材料，即使采用多轴CNC加工也还存在一些无法解决的问题。,3.4 快速原型制造技术,在此背景下，20世纪80年代末、90年代初发展起来的快速成型技术(Rapid Prototyping&Manufacturing，简称RPM)，突破了传统的加工模式，不需机械加工设备即可快速地制造形状极为复杂的工件，被认为是近20年制造技术领域的一次重大突破。作为与科学计算可视化和虚拟现实相匹配的新兴技术，快速成形(RP)技术提供了一种可测量、可触摸的手段，是设计者、制造者与用户之间的新媒体。,3.4 快速原型制造技术,RPM技术综合机械、电子、光学、材料等学科，可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转化为具有一定功能的原型或直接制造零件/模具，有效地缩短了产品的研究开发周期。它是当前世界上先进的产品开发与快速工具制造技术。由于各国十分重视快速成型技术，十分复杂的零部件已能用快速成型技术制造出来，企业应用该技术所取得的效益十分明显。有人将其称为：继数控技术之后的制造领域又一场技术革命。,3.4 快速原型制造技术,3.4.1 RPM的基本原理及特点,传统的零件加工过程是先制造毛坯，然后经切削加工，从毛坯上去除多余的材料得到零件的形状和尺寸，这种方法统称为材料去除制造。快速成型技术彻底摆脱了传统的“去除”加工法，而基于“材料逐层堆积”的制造理念，将复杂的三维加工分解为简单的材料二维的组合，它能在CAD模型的直接驱动下，快速制造任意复杂形状的三维实体，是一种全新的制造技术。,3.4 快速原型制造技术,3.4 快速原型制造技术,其基本过程如下：（1）建立产品的三维CAD模型（图3-22b）设计人员可以应用各种三维CAD造型系统，包括Solidworks、Solidedge、UG、Pro/E、Ideas等进行三维实体造型，将设计人员所构思的零件概念模型转换为三维CAD数据模型。也可通过三坐标测量仪、激光扫描仪、核磁共振图像、实体影像等方法对三维实体进行反求，获取三维数据，以此建立实体的CAD模型。,3.4 快速原型制造技术,（2）三维模型的近似处理（图3-22c）由三维造型系统将零件CAD数据模型转换成一种可被快速成形系统所能接受的数据文件，如STL、IGES等格式文件。目前，绝大多数快速成形系统采用STL格式文件，因STL文件易于进行分层切片处理。所谓STL格式文件即为对三维实体内外表面进行离散化所形成的三角形文件，所有CAD造型系统均具有对三维实体输出STL文件的功能。,3.4 快速原型制造技术,（3）三维模型的Z向离散化（即分层处理）（图3-22d-Solidworks演示）将三维实体沿给定的方向切成一个个二维薄片的过程，薄片的厚度可根据快速成形系统制造精度在0.05mm 0.5mm之间选择。（4）处理片层信息，生成nc代码 根据层片几何信息，生成层片加工数控代码，用以控制成形机的加工运动。,3.4 快速原型制造技术,（5）逐层堆积制造（图3-22e）在计算机的控制下，根据生成的数控指令，RP系统中的成形头（如激光扫描头或喷头）在XY平面内按截面轮廓进行扫描，固化液态树脂（或切割纸、烧结粉末材料、喷射热熔材料等），从而堆积出当前的一个层片，并将当前层与已加工好的零件部分粘合。然后，成形机工作台面下降一个层厚的距离，再堆积新的一层。如此反复进行直到整个零件加工完毕。,3.4 快速原型制造技术,（5）后处理 对完成的原型进行处理，如深度固化、去除支撑、修磨、着色等，使之达到要求。快速成型工艺流程如图3-23b所示。2.RPM的特点详见课本p.94文字部分。,3.4 快速原型制造技术,3.4.2 典型RPM的工艺方法,1、光固化成形法（Stereo Lithography Apparatus，SLA）光固化成形工艺，也称为光敏液相固化法、立体印制和立体光刻。该工艺是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的，这种液态材料在一定波长和功率的紫外光照射下能迅速发生光聚合反应，分子量急剧增大，材料就从液态转变成固态。,3.4 快速原型制造技术,SLA方法是目前快速成形技术领域中研究得最多的方法，也是技术上最为成熟的方法。视频示例,3.4 快速原型制造技术,SLA方法的工艺特点是：可成形任意复杂形状的零件；成形精度高，可达到0.1mm的制造精度；材料利用率高，性能可靠。SLA方法主要用于产品外形评估、功能试验、快速制造电极和各种快速模具；不足之处是所需设备及材料价格昂贵，光敏树脂有一定毒性，不符合绿色制造趋势。,3.4 快速原型制造技术,2、叠层实体制造法（Laminated Object Manufacturing，LOM）叠层实体制造法，也称分层实体制造，该工艺是利用背面带有粘胶的箔材或纸材相互粘结成形的。单面涂有热熔胶的纸卷套在供纸辊上，并跨过支撑辊缠绕在收纸辊上。伺服电动机带动收纸辊转动，使纸卷沿图中箭头所示的方向移动一定距离。工作台上升至与纸面接触，热压辊沿纸面自右向左滚压，加热纸背面的热熔胶，并使这一层纸与基板上的前一层纸粘合。,3.4 快速原型制造技术,CO2激光器发射的激光束跟踪零件的二维截面轮廓数据进行切割，每切割完一个截面，工作台连同被切出的轮廓层自动下降至一定高度，重复下一次工作循环，直至形成由一层层横截面粘叠的立体纸质原型零件。然后剥离废纸小方块，即可得到性能似硬木或塑料的“纸质模样产品”。,视频示例,3.4 快速原型制造技术,LOM工艺特点：LOM工艺只需在片材上切割出零件截面的轮廓，而不用扫描整个截面。因此成形厚壁零件的速度较快，易于制造大型零件。工件外框与截面轮廓之间的多余材料在加工中起到了支撑作用，所有LOM工艺无需加支撑。成形材料便宜，无相变，无热应力，形状和尺寸精度稳定，但成形后废料剥离费时。适合于航空、汽车等行业中体积较大的制件。,3.4 快速原型制造技术,3.选择性激光烧结法（激光熔覆原理）（Selective Laser Sintering，SLS）SLS工艺是利用粉末状材料在激光照射下烧结的原理，在计算机控制下层层堆积成形的。加工时，（1）将材料粉末铺撒在零件基面的上表面，并刮平；（2）用高强度的CO2激光器在刚铺的新粉层上以一定的速度和能量密度按分层轮廓信息扫描出零件截面，材料粉末在高强度的激光照射下被烧结在一起，得到零件的截面，并与下面已成形的部分连接，未扫描过的地方仍然是松散的粉末；,3.4 快速原型制造技术,（3）当一层截面烧结完后，铺上新的一层材料粉末，选择地烧结下一层截面，如此反复直到整个零件加工完毕，得到一个三维实体原型。参见图3-26（视频）SLS工艺的特点是取材广泛，不需要另外的支撑材料。所用的材料包括石蜡粉、尼龙粉和其他熔点较低的粉末材料。,3.4 快速原型制造技术,4.熔融沉积制造法（Fused Deposition Modeling，FDM）熔融沉积制造工艺是利用热塑性材料的热熔性、粘结性，在计算机控制下层层堆积成形的。其所使用的材料一般是蜡、ABS塑料、尼龙等热塑性材料，以丝状供料。材料通过送丝机构被送进带有一个微细喷嘴的喷头，并在喷头内被加热熔化。在计算机的控制下，喷头沿零件分层截面轮廓和填充轨迹运动，同时将熔化的材料挤出。,3.4 快速原型制造技术,材料挤出喷嘴后迅速凝固并与前一层熔结在一起。一个层片沉积完成后，工作台下降一个层厚的距离，继续熔喷沉积下一层，如此反复直到完成整个零件的加工。FDM工艺无需激光系统，因而设备简单，运行费用便宜，尺寸精度高，表面表面光洁度好，特别适合薄壁零件，但需要支撑，这是其不足之处。,视频示例,3.4 快速原型制造技术,3.4.3（略）3.4.4 快速原型制造技术的应用,1）产品设计模型可视化评估与功能检测；2）快速模具制造；3）直接制造金属型。；4）医学上的仿生制造；5）艺术品的制造。,3.5 微细加工技术3.5.1 微机电系统（Micro Electro-Mechanical Systems，MEMS）概述,微型机械的设想最初由美国诺贝尔物理奖获得者Richard PFeynman于1959年首先提出。在硅集成电路制造技术发明不久，研究人员就想利用这些制造技术和利用硅很好的机械特性，制造微型机械部件，如微传感器、微执行器等。如果把微电子器件同微机械部件做在同一块硅片上，就是微机电系统。,3.5 微细加工技术,MEMS的发展过程20世纪60年代：采用将传感器和电子线路集成在一个芯片上的设计思想来制作集成传感器。20世纪60年代后期：硅刻蚀技术用于制作能将压力转换为电信号的应变薄膜结构。20世纪70年代：人们使用硅各向异性选择性腐蚀制作薄膜，掺杂以及基于电化学的腐蚀停刻技术也出现了，随之而来的是“体硅加工”技术。,3.5 微细加工技术,20世纪80年代：“表面微加工”技术在加速度计、压力传感器和其他微电子机械结构制作中得到了应用。MEMS在世界范围内受到了广泛重视，在美国、欧洲和亚洲，投入的研究资金和研究人员都以令人惊讶的速度在大幅增长MEMS正在处于蓬勃发展的关键时期，不断地有新型器件和新型技术给予报道，人们见证了基于MEMS技术的喷墨打印头、压力传感器、流量计、加速度计、陀螺仪、非冷却红外成像仪和光学投影仪等设备的不断开发和产业化的进程。（如同IC）,3.5 微细加工技术,由于MEMS是微电子同微机械的结合，如果把微电子电路比作人的大脑，微机械比作人的五官（传感器）和手脚（执行器），两者的紧密结合，就是一个功能齐全而强大的微系统。,3.5 微细加工技术,微机电系统一般泛指尺度在亚微米至亚毫米范围内的装置。1987年由华裔留美学生冯龙生等人研制出转子直径为60微米和100微米的硅微型静电电机，显示出利用硅微加工工艺制作微小可动结构并与集成电路兼容制造微小系统的潜力，在国际上引起轰动，科幻小说中描述把自己变成小昆虫钻到别人的居室或心脏中去的场景将要成为现实展现在人们面前。同时，也标志着微电子机械系统(MEMS)的诞生。,3.5 微细加工技术,3.5 微细加工技术,1987年由华裔留美学生冯龙生等人研制出转子直径为60微米和100微米的硅微型静电电机，显示出利用硅微加工工艺制作微小可动结构并与集成电路兼容制造微小系统的潜力，在国际上引起轰动，科幻小说中描述把自己变成小昆虫钻到别人的居室或心脏中去的场景将要成为现实展现在人们面前。同时，也标志着微电子机械系统(MEMS)的诞生。,3.5 微细加工技术,关于微细加工系统的名称问题美国称作 Micro Electro-Mechanical System-MEMS（微型电-机系统）微型电-机系统是由电子和机械组成的集成化器件或系统，采用与集成电路兼容的大批量工艺技术制造，尺寸在微米到毫米之间。在日本称作Micro Machine（微机器）微机器由只有几毫米大小的功能元件组成，它能够执行复杂、细微的任务。,3.5 微细加工技术,在欧洲则称作Micro System（微系统）是指具有微米级结构，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、直至外围接口、通信电路和电源等于一体的微型器件或系统。目前微机电系统MEMS一般采用欧洲的定义。,3.5 微细加工技术,MESM主要有以下几个特点：（1）体积小，精度高，重量轻 其体积可达亚微米以下，尺寸精度达纳米级，重量可至纳克，通过微细加工已经制出了直径细如发丝的齿轮、3mm大小能开动的汽车和花生米大小的飞机。（2）性能稳定，可靠性高 由于微机械的体积小，几乎不受热膨胀、噪声、挠曲等因素影响，具有较高的抗干扰性，可在较差的环境下进行稳定的工作。,3.5 微细加工技术,（3）能耗低，灵敏度和工作效率高 微机械所消耗的能量远小于传统机械的十分之一，但却能以十倍以上的速度来完成同样的工作，如5mm 5mm 0.7mm的微型泵，其流速是体积大得多的小型泵的1000倍，而且机电一体化的微机械不存在信号延迟问题，可进行高速工作。（4）多功能和智能化 微机械集传感器、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。,3.5 微细加工技术,（5）适用于大批量生产，制造成本低 微机械采用和半导体制造工艺类似的方法生产，可以像超大规模集成电路芯片一样一次制成大量的完全相同的部件，故制造成本大大降低。如美国的研究人员正在用该技术制造双向光纤维通信所必须的微型光学调制器，通过巧妙的光刻技术制造芯片，将制造成本从过去的5000美元降低至如今的几美分。,3