机械制造工艺理论和技术的发展.ppt

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1、第第7 7章章 机械制造工艺理论和技术的发展机械制造工艺理论和技术的发展 本章要点先进制造工艺理论与方法现代制造工艺方法先进制造模式智能制造制造系统自动化1机械制造技术基础机械制造技术基础第第7章章 机械制造工艺理论和技术的发展机械制造工艺理论和技术的发展 Development of Mechanical Manufacturing Theory and Technology7.1 现代制造工艺理论和技术现代制造工艺理论和技术Modern Manufacturing Theory and Technology27.1.1 制造工艺的重要性制造工艺的重要性工艺是制造技术的灵魂、核心和关键工艺是

2、制造技术的灵魂、核心和关键 工艺是设计和制造的桥梁工艺是设计和制造的桥梁 设计的可行性往往会受到工艺的制约设计的可行性往往会受到工艺的制约 应该用广义制造的概念将应该用广义制造的概念将“设计设计”和和“工艺工艺”统一起来统一起来 qq 例例如如：在在用用金金刚刚石石车车刀刀进进行行超超精精密密切切削削时时，其其刃刃口口钝钝圆圆半半径径的的大大小小与与切切削削性性能能关关系系十十分分密密切切，它它影影响响了了极极薄薄切切削削的的切切屑屑厚厚度度，反反映映了了一一个个国国家家在在超超精精密密切切削削技技术术方方面面的的水水平平。通通常常，刃刃口口是是在在专专用用的的金金刚刚石石研研磨磨机机上上研研

3、磨磨出出来来的的，国国外外加加工工出出的的刃刃口口钝钝圆圆半半径径可可达达2nm2nm，而而我我国国现现在在还还达达不不到到这这个个水水平平，这这个个例例子子生生动动地地说说明明了了有些制造技术问题的关键不在设计上，而是在工艺上。有些制造技术问题的关键不在设计上，而是在工艺上。37.1.1 制造工艺的重要性制造工艺的重要性工艺是生产中最活跃的因素工艺是生产中最活跃的因素 同同样样的的设设计计可可以以通通过过不不同同的的工工艺艺方方法法来来实实现现，在在效效率率、成成本本、环环保保等等方方面面会会有有很很大大差差别别，工工艺艺是是生生产产中中最最活活跃跃的的因素。因素。加加工工技技术术的的发发展

4、展往往往往是是从从工工艺艺突突破破的的。如如电电加加工工及及其其他他特特种种加加工工技技术术的的出出现现使使许许多多传传统统方方法法无无法法加加工工的的工工作作得得以以实现。实现。产产品品质质量量是是一一个个综综合合性性问问题题，与与设设计计、工工艺艺技技术术、管管理理和和人人员员素素质质等等多多个个因因素素有有关关，但但与与工工艺艺技技术术的的关关系系最最为为密密切。切。世界各工业强国都非常重视工艺世界各工业强国都非常重视工艺4现代制造工艺理论和技术的发展现代制造工艺理论和技术的发展 工艺技术的发展缓慢和工艺问题的不被重视有密切相关工艺技术的发展缓慢和工艺问题的不被重视有密切相关 传统上，认

5、为工艺是手艺和技艺传统上，认为工艺是手艺和技艺 上世纪上世纪5050年代，原苏联的许多学者在德国学者研究的基年代，原苏联的许多学者在德国学者研究的基础上，出版了础上，出版了机械制造工艺学机械制造工艺学、机械制造工艺原理机械制造工艺原理等著作，将工艺提高到理论高度。等著作，将工艺提高到理论高度。上世纪上世纪7070年代，又形成了机械制造系统和机械制造工艺年代，又形成了机械制造系统和机械制造工艺系统，工艺技术已形成一门科学。系统，工艺技术已形成一门科学。近年来新材料、新产品的出现开辟了许多制造工艺的新近年来新材料、新产品的出现开辟了许多制造工艺的新领域和新方法领域和新方法工艺理论、加工方法、制造模

6、式、制造工艺理论、加工方法、制造模式、制造技术和系统等技术和系统等57.2.1 加工成形机理加工成形机理内切削加工内切削加工 分离加工的一种，又称套料加工分离加工的一种，又称套料加工 可大的减少材料消耗可大的减少材料消耗分离加工的内切削方式a）激光内切削 b）内切削后切开形成上下模 a）b）激光光束工具球 被加工工件（透明塑料）上模工件下模67.2.1 加工成形机理加工成形机理刀具材料刀具材料出出现现了了硬硬质质合合金金、人人造造金金刚刚石石、立立方方氮氮化化硼硼、陶陶瓷瓷等等系系列列，以以及及涂涂层层、多多元元共共渗渗、气气相相沉沉积积等等工工艺艺，同同时时从从湿湿切切削削发发展展到无冷却液

7、的干切削到无冷却液的干切削(环保切削环保切削)和硬和硬(齿齿)表面切削等表面切削等工件材料工件材料从从金金属属发发展展到到非非金金属属、高高分分子子材材料料、半半导导体体、陶陶瓷瓷和和石石材材等等。从而发展了半导体、陶瓷和石材等多种加工工艺学从而发展了半导体、陶瓷和石材等多种加工工艺学 使用能源使用能源零件成形使用的能源上有力、电、声、化学、电子、离子、激光等，十分丰富，从而发展了电火花加工、超声波加工、化学加工、电子束加工、离子束加工、激光束加工等 77.2.2 精度原理精度原理机械加工原则机械加工原则qq 继继承承性性原原则则又又称称“母母性性”原原则则、循循序序渐渐近近原原则则或或“蜕蜕

8、化化”原原则则,指加工用机床（工作母机）精度高于加工工件的精度指加工用机床（工作母机）精度高于加工工件的精度qq 创创造造性性原原则则又又称称“进进化化”原原则则，可可分分为为直直接接创创造造性性原原则则和和间间接创造性原则接创造性原则 直直接接创创造造性性原原则则利利用用精精度度低低于于工工件件精精度度要要求求的的机机床床，借借助助于于工工艺艺手手段段和和特特殊殊工工具具，直直按按加加工工出出精精度度高高于于“工工作作母母机机”的的工工件件，如如 “以粗干精以粗干精”、“以小干大以小干大”间间接接创创造造性性原原则则用用较较低低精精度度机机床床和和工工具具，制制造造出出加加工工精精度度能能满

9、满足工件要求的高精度机床和工具，再用这些机床和工具去加工工件足工件要求的高精度机床和工具，再用这些机床和工具去加工工件定位原理定位原理尺寸链原理尺寸链原理质量统计分析原理质量统计分析原理87.2.3 相似性原理和成组技术相似性原理和成组技术qq 相似性原理是成组技术的基础相似性原理是成组技术的基础qq 成成组组技技术术是是一一种种制制造造哲哲理理，是是先先进进制制造造技技术术的的专专用用理理论论基基础之一础之一qq 成组技术的核心成组技术的核心 零件及产品分类编码零件及产品分类编码 划分零件组划分零件组关键机床法顺序分枝法聚类分析法编码分类法势函数法 97.2.4 工艺决策原理工艺决策原理qq

10、 数数学学模模型型决决策策以以建建立立数数学学模模型型并并求求解解作作为为主主要要的的决决策策方方式式。数数学学模模型型泛泛指指公公式式、方方程程式式和和由由公公式式系系列列构构成成的的算算法法等等，可可分分为为系系统统性性数数学学模模型型、随随机机性性数数学学模模型型和和模模糊糊性性数数学学模型三类。模型三类。式中 a、k 为常数，且 0k 1。其边际生产率分别为：【例】输入劳动力 L 与资本 K 同输出产品 P 的Cobb-Douglas函数：上式对确定投资方向具有参考意义。107.2.4 工艺决策原理工艺决策原理qq 逻辑性决策逻辑性决策常用决策树与决策表形式常用决策树与决策表形式E3（

11、螺孔）E1（孔）E2（槽）E4（位置度公差0.05）E5（0.05 位置度公差0.25）E6E7（直径公差 0.05）E8（0.05 直径公差 0.25）E9（直径公差 0.25）（位置度公差0.25）A1坐标镗A2精镗A3半精镗A4粗镗A5铣A6钻孔/攻丝加工表面加工方法选择决策树 决策树决策树由树根、节点、分支构成由树根、节点、分支构成；分支上方给出向一种状分支上方给出向一种状态转换的可能性或条件（确定性条件）态转换的可能性或条件（确定性条件）条件满足，继续沿分支前进，实现逻辑“与”条件不满足，回出发节点并转向另一分支，实现逻辑“或”分支终点列出应采取的行动（决策行动）117.2.4 工艺

12、决策原理工艺决策原理 决策表决策表用表格形式描述事件之间逻辑依存关系。表格分为4个区域，左上角为条件项目，右上角为条件组合，各条件之间为“与”的关系，左下角列出决策项目，右下角为各列对应的决策行动，决策行动之间也是“与”的关系。决策表的每一列均可视为一条决策规则。加工方法选择决策表螺孔槽孔位置度公差0.050.05位置公差0.25位置度公差0.25直径公差0.050.05直径公差0.25直径公差0.25粗镗半精镗精镗坐标镗铣钻孔，攻丝 127.2.4 工艺决策原理工艺决策原理qq 智能思维决策智能思维决策 依依赖赖工工艺艺技技术术人人员员的的经经验验和和智智能能思思维维能能力力来来决决策策，即

13、即要要应用人工智能。应用人工智能。智智能能是是运运用用知知识识来来解解决决问问题题的的能能力力，学学习习、推推理理和和联联想想是智能的三大重要因素。是智能的三大重要因素。智智能能思思维维决决策策的的主主要要方方法法有有：专专家家系系统统、模模糊糊逻逻辑辑、人人工神经网络和遗传算法等。工神经网络和遗传算法等。137.2.4 工艺决策原理工艺决策原理 机械制造工艺设计中的决策方法制造工艺设计项目 决策方式数学模型逻辑推理智能思维 加工工艺结构工艺性检查定位基准选择工艺路线设计工艺方法确定余量及工序间尺寸计算 工艺装备通用机床、刀具、夹具、量具选择专用机床、刀具、夹具、量具、辅具设计 时间定额工时分

14、析研究工时定额计算 工厂、车间设计工厂布局设计车间工段设计工作地设计 供应计划材料供应计划生产设备供应计划工艺装备供应计划劳动力需求计划 生产周期生产周期设计节拍（时间）设计 生产成本材料成本计算设备成本计算加工维持费用计算劳动工资计算 147.2.5 优化原理优化原理qq 优化原理优化原理将已有优化方法应用到工艺问题将已有优化方法应用到工艺问题qq 优优化化目目标标在在保保证证质质量量前前提提下下，达达到到最最高高生生产产率率、最最低低成本或最大利润率成本或最大利润率qq 核心问题核心问题建立和求解优化问题数学模型建立和求解优化问题数学模型 两参数优化问题 单件加工成本C切削速度 v进给 f

15、fcvc单参数优化问题 单件加工成本C切削速度 vvc15机械制造技术基础机械制造技术基础第第7章章 机械制造工艺理论和技术的发展机械制造工艺理论和技术的发展 Development of Mechanical Manufacturing Theory and Technology7.3 现代制造工艺方法现代制造工艺方法Modern Manufacturing Methods167.3.1 特种加工技术特种加工技术特种加工概念特种加工概念qq 特特种种加加工工领领域域特特种种加加工工又又称称为为非非传传统统性性加加工工（Non-Non-Traditional Traditional Manuf

16、acturing-NTMManufacturing-NTM）。特特种种加加工工的的概概念念是是相相对对的，其内容将随着加工技术的发展而变化。的，其内容将随着加工技术的发展而变化。qq 特种加工方法种类特种加工方法种类 根据加工机理和所采用能源，可分为：根据加工机理和所采用能源，可分为：1 1）力学加工力学加工：应用机械能来进行加工，如超声波加工、喷射加工、：应用机械能来进行加工，如超声波加工、喷射加工、喷水加工等。喷水加工等。2 2）电物理加工电物理加工：利用电能转换为热能、机械能和光能等进行加工，：利用电能转换为热能、机械能和光能等进行加工，如电火花成形加工、电火花线切割加工、电子束加工、粒

17、子束加工等。如电火花成形加工、电火花线切割加工、电子束加工、粒子束加工等。3 3）电化学加工电化学加工：利用电能转换为化学能进行加工，如电解加工、电：利用电能转换为化学能进行加工，如电解加工、电镀、刷镀、镀膜和电铸加工等。镀、刷镀、镀膜和电铸加工等。4 4）激光加工激光加工：利用激光光能转化为热能进行加工。：利用激光光能转化为热能进行加工。5 5）化学加工化学加工：利用化学能或光能转换为化学能来进行加工，如化学：利用化学能或光能转换为化学能来进行加工，如化学铣削和化学刻蚀（即光刻加工）等。铣削和化学刻蚀（即光刻加工）等。6 6）复合加工复合加工 177.3.1 特种加工技术特种加工技术qq 特

18、种加工特点特种加工特点 特特种种加加工工方方法法主主要要不不是是依依靠靠机机械械能能，而而是是用用其其它它能能量量（如电能、光能、声能、热能、化学能等）去除材料。（如电能、光能、声能、热能、化学能等）去除材料。特特种种加加工工方方法法由由于于工工具具不不受受显显著著切切削削力力的的作作用用，对对工工具具和工件的强度、硬度和刚度均没有严格要求。和工件的强度、硬度和刚度均没有严格要求。一一般般不不会会产产生生加加工工硬硬化化现现象象。且且工工件件加加工工部部位位变变形形小小，发发热热少少，或或发发热热仅仅局局限限于于工工件件表表层层加加工工部部位位很很小小区区域域内内，工件热变形小，加工应力也小，

19、易于获得好的加工质量。工件热变形小，加工应力也小，易于获得好的加工质量。加加工工中中能能量量易易于于转转换换和和控控制制，有有利利于于保保证证加加工工精精度度和和提提高加工效率。高加工效率。特特种种加加工工方方法法的的材材料料去去除除速速度度，一一般般低低于于常常规规加加工工方方法法，这也是目前常规加工方法仍占主导地位的主要原因。这也是目前常规加工方法仍占主导地位的主要原因。187.3.1 特种加工技术特种加工技术特种加工方法特种加工方法qq 电火花加工电火花加工 工作原理：工作原理：利用工具电极与工件电极之间脉冲性火花放电，产生瞬时高温，工件材料被熔化和气化。同时，该处绝缘液体也被局部加热，

20、急速气化，体积发生膨胀，随之产生很高的压力。在这种高压作用下，已经熔化、气化的材料就从工件的表面迅速被除去。4 4个阶段：个阶段：1）介质电离、击穿，形成放电通道；2）火花放电产生熔化、气化、热膨胀；3）抛出蚀除物；4）间隙介质消电离（恢复绝缘状态）。电火花加工原理图进给系统放电间隙工具电极工件电极工作液直流脉冲电源Real197.3.1 特种加工技术特种加工技术电火花加工机床207.3.1 特种加工技术特种加工技术 电电极极材材料料要要求求导导电电，损损耗耗小小，易易加加工工；常常用用材材料料：紫铜、石墨、铸铁、钢、黄铜等，其中石墨最常用。紫铜、石墨、铸铁、钢、黄铜等，其中石墨最常用。工工作

21、作液液主主要要功功能能压压缩缩放放电电通通道道区区域域，提提高高放放电电能能量量密密度度，加加速速蚀蚀物物排排出出；常常用用工工作作液液有有煤煤油油、机机油油、去去离离子子水、乳化液等。水、乳化液等。放放电电间间隙隙合合理理的的间间隙隙是是保保证证火火花花放放电电的的必必要要条条件件。为为保保持持适适当当的的放放电电间间隙隙，在在加加工工过过程程中中，需需采采用用自自动动调调节节器控制机床进给系统，并带动工具电极缓慢向工件进给。器控制机床进给系统，并带动工具电极缓慢向工件进给。工作要素工作要素 脉脉冲冲宽宽度度与与间间隔隔影影响响加加工工速速度度、表表面面粗粗糙糙度度、电电极极消消耗耗和和表表

22、面面组组织织等等。脉脉冲冲频频率率高高、持持续续时时间间短短，则则每每个个脉脉冲去除金属量少，表面粗糙度值小，但加工速度低。冲去除金属量少，表面粗糙度值小，但加工速度低。通通常常放放电电持持续续时时间间在在2 2 s s至至2ms2ms范范围围内内，各各个个脉脉冲冲的的能能量量2mJ2mJ到到20J20J（电流为电流为400A400A时）之间。时）之间。217.3.1 特种加工技术特种加工技术 电火花加工类型电火花加工类型 电火花线切割加工：电火花线切割加工：电火花成形加工：电火花成形加工：主要指孔加工，型腔加工等主要指孔加工，型腔加工等RealReal电火花线切割原理图XY储丝筒导轮电极丝工

23、件Real用用连连续续移移动动的的钼钼丝丝（或或铜铜丝丝）作作工工具具阴阴极极，工工件件为为阳阳极极。机机床床工工作作台台带带动动工工件件在在水水平平面面内内作作两两个个方方向向移移动动，可可切切割割出出二二维维图图形形（参参见见右右图图）。同同时时，丝丝架架可可作作小小角角度度摆摆动动，可可切切割割出出斜斜面。面。Real227.3.1 特种加工技术特种加工技术X X 快快走走丝丝：电电极极丝丝多多用用钼钼丝丝，做做往往复复运运动动，走走丝丝速速度度一一般般为为2.5m/s10m/s2.5m/s10m/s左右左右 快走丝与慢走丝快走丝与慢走丝快走丝电火花线切割机床结构原理图1-走丝溜板 2-

24、卷丝筒 3-电极丝 4-丝架 5-下丝臂 6-上丝臂 7-导丝轮 8-工作液喷嘴 9-工件 10-绝缘垫块 11、16伺服电机 12-工作台 13-溜板 14-伺服电机电源 15-数控装置 16-脉冲电源237.3.1 特种加工技术特种加工技术X X 慢慢走走丝丝：走丝作单方向运动，多用铜丝，为一次性使用，走丝速度一般低于0.2m/min，电极丝走丝平稳无震动，损耗小，因此加工精度高，表面粗糙度值低，但其导向、張紧机构比较复杂。慢走丝电火花线切割机床的结构原理图1-溜板 2-绝缘垫块 3、13-伺服电机 4-工作台 5-放丝卷筒 6、11-导丝轮和旅紧机构 7-导向装置 8-工作液喷嘴 9-工

25、件 10-脉冲电源 12-收丝卷筒 14-数控装置 15-伺服电机电源 247.3.1 特种加工技术特种加工技术电火花线切割机床（快走丝）电火花线切割加工加工过程显示257.3.1 特种加工技术特种加工技术电火花线切割机床（慢走丝）垂直走丝水平走丝267.3.1 特种加工技术特种加工技术 不受加工材料硬度限制，可加工任何硬、脆、韧、软的导电材料。不受加工材料硬度限制，可加工任何硬、脆、韧、软的导电材料。加加工工时时无无显显著著切切削削力力，发发热热小小，适适于于加加工工小小孔孔、薄薄壁壁、窄窄槽槽、形形面面、型腔及曲线孔等，且加工质量较好。型腔及曲线孔等，且加工质量较好。脉冲参数调整方便，可一

26、次装夹完成粗、精加工。脉冲参数调整方便，可一次装夹完成粗、精加工。易于实现数控加工。易于实现数控加工。电火花加工特点电火花加工特点 电火花加工应用电火花加工应用 电电火火花花成成形形加加工工：电电火火花花打打孔孔常常用用于于加加工工冷冷冲冲模模、拉拉丝丝模模、喷喷嘴嘴、喷喷丝丝孔孔等等。型型腔腔加加工工包包括括锻锻模模、压压铸铸模模、挤挤压压模模、塑塑料料模模等等型型腔腔加加工工，以及叶轮、叶片等曲面加工以及叶轮、叶片等曲面加工 电电火火花花线线切切割割：广广泛泛用用于于加加工工各各种种硬硬质质合合金金和和淬淬硬硬钢钢的的冲冲模模、样样板板、各种形状复杂的板类零件、窄缝、栅网等各种形状复杂的板

27、类零件、窄缝、栅网等 电火花回转加工：加工时工具电极回转，类似钻削、铣削和磨削电火花回转加工：加工时工具电极回转，类似钻削、铣削和磨削 回转共轭加工：利用回转共轭原理，加工内外齿轮和内外螺纹回转共轭加工：利用回转共轭原理，加工内外齿轮和内外螺纹 其他：金属表面强化，打印标记，仿形刻字等其他：金属表面强化，打印标记，仿形刻字等277.3.1 特种加工技术特种加工技术电火花加工产品实例 线切割加工产品实例287.3.1 特种加工技术特种加工技术qq 电解加工电解加工 工作原理：工作原理：工工件件接接阳阳极极，工工具具（铜铜或或不不锈锈钢钢）接接阴阴极极，两两极极间间加加直直流流电电压压6 624V

28、24V，极极 间间 保保 持持 0.10.11mm1mm间间隙隙。在在间间隙隙处处通通以以 6 660m60m/S S高高速速流流动动电电解解液液，形形成成极极间间导导电电通通路路，工工件件表表面面材材料料不不断断溶溶解解，溶溶解解物物及及时时被被电电解解液液冲冲走走。工工具具阴阴极极不不断断进进给给，保保持持极极间间间间隙。隙。电解加工原理图电解液直流电源泵工件阳极阴极进给工具阴极297.3.1 特种加工技术特种加工技术 不不受受材材料料硬硬度度的的限限制制，能能加加工工任任何何高高硬硬度度、高高韧韧性性的的导导电电材材料料，并并能以简单的进给运动一次加工出形状复杂的形面和型腔。能以简单的进

29、给运动一次加工出形状复杂的形面和型腔。加加工工形形面面、型型腔腔生生产产率率高高（与与电电火火花花加加工工比比高高5 51010倍倍）。采采用用振振动进给和脉冲电流等新技术，可进一步提高生产效率和加工精度。动进给和脉冲电流等新技术，可进一步提高生产效率和加工精度。加工表面质量好，无毛刺、残余应力和变形层。加工表面质量好，无毛刺、残余应力和变形层。阴极在加工中损耗小。阴极在加工中损耗小。设备投资大，有污染，需防护。设备投资大，有污染，需防护。模模具具型型腔腔、枪枪炮炮膛膛线线、发发电电机机叶叶片片、花花键键孔孔、内内齿齿轮轮、小小而而深深的的孔孔加工，电解抛光、倒棱、去毛刺等加工，电解抛光、倒棱

30、、去毛刺等 电解加工特点电解加工特点 电解加工应用电解加工应用 电电解解复复合合加加工工：充充气气电电解解加加工工、振振动动进进给给脉脉冲冲电电流流电电解解加加工工、中中间间电极法电解加工、电解磨削等电极法电解加工、电解磨削等进给阴极片电解液分度空心水套管叶片阴极片电解加工整体叶轮307.3.1 特种加工技术特种加工技术 电解磨削电解磨削 工工件件与与磨磨轮轮保保持持一一定定接接触触压压力力，突突出出的的磨磨料料使使磨磨轮轮导导电电基基体体与与工工件件之之间间形形成成一一定定间间隙隙。电电解解液液从从中中流流过过时时，工工件件产产生生阳阳极极溶溶解解，表表面面生生成成一一层层氧氧化化膜膜，其其

31、硬硬度度远远比比金金属属本本身身低低，易易被被刮刮除除，露露出出新新金金属属表表面面，继续进行电解。电解作用与磨削作用交替进行，实现加工。继续进行电解。电解作用与磨削作用交替进行，实现加工。电电解解磨磨削削效效率率比比机机械械磨磨削削高高，且且磨磨轮轮损损耗耗远远比比机机械械磨磨削削小小，特特别别是是磨磨削削硬硬质质合合金金时时，效效果果更明显。更明显。导电磨轮电解液电刷工作台工件绝缘板导电基体磨料阳极膜电解磨削原理图317.3.1 特种加工技术特种加工技术qq 超声波加工超声波加工 工作原理：工作原理：变幅杆超声波发生器超声波加工原理图振动方向工具换能器工作液喷嘴工件视频 利利用用工工具具端

32、端面面作作超超声声（161625kHz25kHz）振振动动，使使工工作作液液中中的的悬悬浮浮磨磨粒粒对对工工件件表表面面撞撞击击抛抛磨来实现加工磨来实现加工。超超声声波波发发生生器器将将工工频频交交流流电电能能转转变变为为有有一一定定功功率率输输出出的的超超声声频频电电振振荡荡，通通过过换换能能器器将将超超声声频频电电振振荡荡转转变变为为超超声声机机械械振振动动，此此时时振振幅幅一一般般很很小小，再再通通过过振振幅幅扩扩大大棒棒（变变幅幅杆杆）使使固固定定在在变变幅幅杆杆端端部部的的工工具具振振幅幅增大到增大到0.010.010.15mm0.15mm。327.3.1 特种加工技术特种加工技术超

33、声波加工机床超声波加工样件337.3.1 特种加工技术特种加工技术 超声波加工特点及应用超声波加工特点及应用 适适用用于于加加工工各各种种脆脆性性金金属属材材料料和和非非金金属属材材料料，如如硬硬质质合合金金、淬淬火钢、玻璃、陶瓷、半导体、宝石、金刚石等火钢、玻璃、陶瓷、半导体、宝石、金刚石等 。可可加加工工各各种种复复杂杂形形状状的的型型孔孔、型型腔腔、形形面面，还还可可进进行行套套料料、切切割和雕刻。割和雕刻。工具与工件不需作复杂的相对运动，机床结构简单。工具与工件不需作复杂的相对运动，机床结构简单。被被加加工工表表面面无无残残余余应应力力，无无破破坏坏层层，加加工工精精度度较较高高，尺尺

34、寸寸精精度度可达可达0.010.010.05mm 0.05mm。加工过程受力小，热影响小，可加工薄壁、薄片等易变形零件加工过程受力小，热影响小，可加工薄壁、薄片等易变形零件 生生产产效效率率较较低低。采采用用超超声声复复合合加加工工（如如超超声声车车削削，超超声声磨磨削削，超声电解加工，超声线切割等）可提高加工效率。超声电解加工，超声线切割等）可提高加工效率。347.3.1 特种加工技术特种加工技术qq 电子束加工电子束加工 工作原理：工作原理：真真空空条条件件下下，利利用用电电流流加加热热阴阴极极发发射射电电子子束束，经经控控制制栅栅极极初初步步聚聚焦焦后后，由由加加速速阳阳极极加加速速，通

35、通过过透透镜镜聚聚焦焦系系统统进进一一步步聚聚焦焦，使使 能能 量量 密密 度度 集集 中中 在在 直直 径径 5 510m10m斑点内。斑点内。高高速速而而能能量量密密集集的的电电子子束束冲冲击击到到工工件件上上，被被冲冲击击点点处处形形成成瞬瞬时时高高温温（几几分分之之一一微微秒秒时时间间内内升升高高至至几几千千摄摄氏氏度度），工工件件表表面面局局部部熔熔化化、气气化化直直至至被被蒸蒸发去除。发去除。电子束加工原理图控制栅极加速阳极电子束斑点旁热阴极聚焦系统工件工作台357.3.1 特种加工技术特种加工技术 电子束加工特点及应用电子束加工特点及应用 电电子子束束束束径径小小（最最小小直直径

36、径可可达达0.010.010.05mm0.05mm），而而电电子子束束长长度度可达束径几十倍，故可加工微细深孔、窄缝。可达束径几十倍，故可加工微细深孔、窄缝。非非接接触触加加工工，无无工工具具损损耗耗；无无切切削削力力，加加工工时时间间极极短短，工工件无变形。件无变形。加加工工速速度度高高，切切割割1mm1mm厚厚钢钢板，速度可达板，速度可达240mm/min240mm/min。在在真真空空中中加加工工，无无氧氧化化，特特别别适适于于加加工工高高纯纯度度半半导导体体材材料料和易氧化的金属及合金。和易氧化的金属及合金。加加工工设设备备较较复复杂杂，投投资资较较大大。多用于微细加工。多用于微细加工

37、。电子束加工的喷丝头异形孔 材材料料适适应应性性广广（原原则则上上各各种种材材料料均均能能加加工工），特特别别适适用用于于加加工工特硬、难熔金属和非金属材料。特硬、难熔金属和非金属材料。367.3.1 特种加工技术特种加工技术qq 离子束加工离子束加工 工工作作原原理理：利用氩（Ar）离子或其它带有 10keV 数量级动能的惰性气体离子，在电场中加速，以极高速度“轰击”工件表面，进行“溅射”加工。离子碰撞过程模型被排斥Ar离子 回弹溅射原子位移原子格点间停留离子一次溅射原子Ar离子二次溅射原子Ar离子格点置换离子位移原子工件表面工件真空377.3.1 特种加工技术特种加工技术X X 将将被被加

38、加速速的的离离子子聚聚焦焦成成细细束束，射射到到被被加加工工表表面面上上。被被加加工工表表面面受受“轰轰击击”后后，打打出出原原子子或或分分子子，实实现现分分子子级级去除加工。去除加工。离子束溅射去除加工 四种工作方式四种工作方式惰性气体入口阴极中间电极电磁线圈阳极控制电极绝缘子引出电极离子束聚焦装置摆动装置工件三坐标工作台离子束去除加工装置X X 加加工工装装置置如如图图示示。三三坐坐标标工工作作台台可可实实现现三三坐坐标标直直线线运运动动，摆摆动动装装置置可可实实现现绕绕水水平平轴摆动和绕垂直轴转动。轴摆动和绕垂直轴转动。X X 离离子子束束溅溅射射去去除除加加工工可可用用于于非非球球面面

39、透透镜镜成成形形，金金刚刚石石刀刀具具和和冲冲头头的的刃刃磨磨，大大规规模模集成电路芯片刻蚀等。集成电路芯片刻蚀等。387.3.1 特种加工技术特种加工技术 离子束溅射镀膜加工X X 用用加加速速的的离离子子从从靶靶材材上上打打出出原原子子或或分分子子，并并将将这这些些原原子子或或分分子子附附着着到工件上，形成到工件上，形成“镀膜镀膜”。X X 溅溅射射镀镀膜膜可可镀镀金金属属，也也可可镀镀非非金金属属。由由于于溅溅射射出出来来的的原原子子和和分分子子有有相相当当大大的的动动能能，故故镀镀膜膜附附着着力力极极强强（与蒸镀、电镀相比）。（与蒸镀、电镀相比）。X X 离离子子镀镀氮氮化化钛钛，美美

40、观观耐耐磨磨。应应用用在刀具上可提高寿命在刀具上可提高寿命1-21-2倍。倍。离子束源靶溅射材料溅射粒子工件真空离子束溅射镀膜加工离子束加工金刚石制品离子束离子束r=0.01m预加工终加工a)压头r=0.01m离子束离子束预加工终加工b)刀具397.3.1 特种加工技术特种加工技术X X 用用高高能能离离子子（数数十十万万KeVKeV）轰轰击击工工件件表表面面，离离子子打打入入工工件件表表层层，其其电电荷荷被被中中和和，并并留留在在工工件件中中（置置换换原原子子或或填填隙隙原原子子），从从而而改改变变工工件件材料和性质。材料和性质。X X 可可用用于于半半导导体体掺掺杂杂（在在单单晶晶硅硅内内

41、注注入入磷磷或或硼硼等等杂杂质质，用用于于晶晶体体管管、集集成成电电路路、太太阳阳能能电电池池制制作作），金金属属材材料料改改性性（提提高高刀刀具具刃刃口口硬硬度度）等方面。等方面。离子束溅射注入加工 离子束曝光X X 用用在在大大规规模模集集成成电电路路制制作作中中，与与电电子子束束相相比比有有更更高高的的灵灵敏敏度度和和分分辨率。辨率。407.3.1 特种加工技术特种加工技术qq 激光加工激光加工 工作原理：工作原理：激激光光是是一一种种受受激激辐辐射射而而得得到的加强光到的加强光。其基本特征：其基本特征：强度高，亮度大强度高，亮度大 波长频率确定，单色性好波长频率确定，单色性好 相干性好

42、，相干长度长相干性好，相干长度长 方方向向性性好好，几几乎乎是是一一束束平平行光行光 当当激激光光束束照照射射到到工工件件表表面面时时，光光能能被被吸吸收收，转转化化成成热热能能，使使照照射射斑斑点点处处温温度度迅迅速速升升高高、熔熔化化、气气化化而而形形成成小小坑坑，由由于于热热扩扩散散，使使斑斑点点周周围围金金属属熔熔化化，小小坑坑内内金金属属蒸蒸气气迅迅速速膨膨胀胀，产产生生微微型型爆爆炸炸，将将熔熔融融物物高高速速喷喷出出并并产产生生一一个个方方向向性性很很强强的的反反冲冲击击波波，于于是是在在被被加工表面上打出一个上大下小的孔。加工表面上打出一个上大下小的孔。激光器激光器工件工件工作

43、台工作台激光加工原理图激光加工原理图光阑光阑反射镜反射镜聚焦镜聚焦镜电源激光加工417.3.1 特种加工技术特种加工技术 激光器：激光器：固体激光器固体激光器混合气体：氦约80%，氮约15%，CO2 约5%通过高压直流放电进行激励波长10.6m，为不可见光能量效率5%15%反射凹镜反射平镜电极放电管CO2气体冷却水进口冷却水出口激光高压直流电源CO2激光器示意图 气体激光器：气体激光器：COCO2 2激光器激光器1-全反射镜 2-谐振腔 3、10-冷却水 4-工作物质 5-玻璃套管 6-部分反射镜 7-激光束 8-聚光器 9-氙灯 11-电源 固体激光器结构示意图YAGYAG（结结晶晶母母材材

44、由由钇钇、铝铝和石榴石构成）激光器和石榴石构成）激光器红宝石激光器红宝石激光器427.3.1 特种加工技术特种加工技术 激光加工特点：激光加工特点：加加工工材材料料范范围围广广，适适用用于于加加工工各各种种金金属属材材料料和和非非金金属属材材料料，特特别别适用于加工高熔点材料，耐热合金及陶瓷、宝石、金刚石等硬脆材料。适用于加工高熔点材料，耐热合金及陶瓷、宝石、金刚石等硬脆材料。加加工工性性能能好好，工工件件可可离离开开加加工工机机进进行行加加工工，可可透透过过透透明明材材料料加加工工，可在其他加工方法不易达到的狭小空间进行加工。可在其他加工方法不易达到的狭小空间进行加工。非接触加工方式，热变形

45、小，加工精度较高。非接触加工方式，热变形小，加工精度较高。可可进进行行微微细细加加工工。激激光光聚聚焦焦后后焦焦点点直直径径理理论论上上可可小小至至11以以下下，实实际上可实现际上可实现0.01mm0.01mm的小孔加工和窄缝切割。的小孔加工和窄缝切割。加工速度快，效率高。加工速度快，效率高。激激光光加加工工不不仅仅可可以以进进行行打打孔孔和和切切割割，也也可可进进行行焊焊接接、热热处处理理等等工工作。作。激光加工可控性好，易于实现自动控制。加工设备昂贵。激光加工可控性好，易于实现自动控制。加工设备昂贵。437.3.1 特种加工技术特种加工技术 激光加工应用：激光加工应用：激激光光热热处处理理

46、照照射射到到金金属属表表面面上上的的激激光光使使表表面面原原子子迅迅速速蒸蒸发发，由由此此产产生生微微冲冲击击波波会会导导致致大大量量晶晶格格缺缺陷陷形形成成，达达到到硬硬化化。其其优优点点：快快速、不需淬火介质、硬化均匀、变形小、硬化深度可精确控制。速、不需淬火介质、硬化均匀、变形小、硬化深度可精确控制。激激光光打打孔孔广广泛泛应应用用于于金金刚刚石石拉拉丝丝模模、钟钟表表宝宝石石轴轴承承、陶陶瓷瓷、玻璃等非金属材料，和硬质合金、不锈钢等金属材料的小孔加工。玻璃等非金属材料，和硬质合金、不锈钢等金属材料的小孔加工。激光打孔 激激光光切切割割激激光光切切割割具具有有切切缝缝窄窄、速速度度快快、

47、热热影影响响区区小小、省省材材料料、成成本本低低等等优优点点，并并可可以以在在任任何何方方向向上上切切割割，包包括括内内尖尖角角。可可以以切切割割钢钢板板、不不锈锈钢钢、钛钛、钽钽、镍镍等等金金属属材材料料，以以及及布布匹匹、木木材材、纸纸张张、塑料等非金属材料。塑料等非金属材料。激光切割 激激光光焊焊接接与与打打孔孔相相比比，激激光光焊焊接接所所需需能能量量密密度度较较低低，因因不不需需将将材材料料气气化化蚀蚀除除，而而只只要要将将工工件件的的加加工工区区烧烧熔熔使使其其粘粘合合在在一一起起。激激光光焊焊接接没没有有焊焊渣渣，不不需需去去除除工工件件氧氧化化膜膜，可可实实现现不不同同材材料料

48、之之间间的的焊焊接接，特别适宜微型机械和精密焊接。特别适宜微型机械和精密焊接。激光焊接447.3.1 特种加工技术特种加工技术激光焊接激光切割457.3.2 快速原型制造快速原型制造快速原型制造原理快速原型制造原理qq 快快速速原原型型制制造造（Rapid Rapid Photograph Photograph Manufacturing Manufacturing RPMRPM），又又称称“快快速速成成形形技技术术”（Rapid Rapid Photograph Photograph RPRP）或或“分分层层制制造造”（Layer Layer Manufacturing Manufactur

49、ing LMLM），是是2020世纪世纪8080年代后期迅速发展起来的一种新型制造技术。年代后期迅速发展起来的一种新型制造技术。qq 它它 将将 计计 算算 机机 辅辅 助助 设设 计计（CADCAD）、计计 算算 机机 辅辅 助助 制制 造造（CAMCAM）、计计算算机机数数控控（CNCCNC）、精精密密伺伺服服驱驱动动、新新材材料料等等先先进进技技术术集集于于一一体体，依依据据计计算算机机上上构构成成的的产产品品三三维维设设计计模模型，对其进行分层切片，得到各层截面的轮廓。型，对其进行分层切片，得到各层截面的轮廓。qq 按按照照这这些些轮轮廓廓，激激光光束束选选择择性性地地切切割割一一层层

50、层层的的箔箔材材（或或固固化化一一层层层层的的液液态态树树脂脂，或或烧烧结结一一层层层层的的粉粉末末材材料料），或或喷喷射射源源选选择择性性地地喷喷射射一一层层层层的的粘粘结结剂剂或或热热熔熔材材料料等等，形形成成一一个个个个薄层，并逐步迭加成三维实体。薄层，并逐步迭加成三维实体。467.3.2 快速原型制造快速原型制造快速原型制造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477.3.2 快速原型制造快速原型制造a）b）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去除除加加工工设计模