特种加工与先进制造技术复习课程.ppt

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1、特种加工与先进制造技术9.1概述5)两种或两种以上的不同类型的能量可相互组合形成新的复合两种或两种以上的不同类型的能量可相互组合形成新的复合加工，其加工，其综合加工效果明显综合加工效果明显，且便于推广使用。，且便于推广使用。9.2电火花加工电火花加工9.2.1电火花加工的电火花加工的原理原理9.2.2电火花加工的电火花加工的特点特点9.2.3电火花加工的电火花加工的分类及应用分类及应用9.2.4电火花电火花加工机床加工机床9.2.1电火花加工的原理电火花加工的原理1)工具电极和工件电极之间必须工具电极和工件电极之间必须保持一定的间隙保持一定的间隙。2)必须采用必须采用脉冲电源脉冲电源。3)必须

2、在有必须在有一定绝缘性能的流动的工作液一定绝缘性能的流动的工作液中进行火花放电，这中进行火花放电，这有利于产生脉冲性火花放电，并排除放电间隙中的电蚀物，还有利于产生脉冲性火花放电，并排除放电间隙中的电蚀物，还可以对电极及工件表面起可以对电极及工件表面起较好的冷却作用较好的冷却作用。图9-1电火花加工原理示意图1工件2脉冲电源3自动进给调节装置4工具5工作液6过滤器7工作液泵1.主要优点主要优点1)适合于任何适合于任何难切削材料难切削材料的加工。的加工。2)可以可以加工特殊及复杂形状加工特殊及复杂形状的表面和零件。的表面和零件。3)脉冲参数可任意调节脉冲参数可任意调节，加工中只要更换工具电极或采

3、用阶梯，加工中只要更换工具电极或采用阶梯形工具电极就可以在同一机床上连续进行粗加工、半精加工和形工具电极就可以在同一机床上连续进行粗加工、半精加工和精加工。精加工。9.2.2电火花加工的特点电火花加工的特点2.局限性局限性1)主要用于加工金属等导电材料主要用于加工金属等导电材料，但在一定条件下也可以加工，但在一定条件下也可以加工半导体和非导体材料。半导体和非导体材料。2)一般加工速度较慢一般加工速度较慢，因此通常安排工艺时多采用切削加工来，因此通常安排工艺时多采用切削加工来去除大部分余量，然后再进行电火花加工以求提高生产率。去除大部分余量，然后再进行电火花加工以求提高生产率。3)存在电极损耗存

4、在电极损耗。9.2.3电火花加工的分类及应用电火花加工的分类及应用(1)电火花成形加工电火花成形加工电极与工件之间只有一个相对的伺服进电极与工件之间只有一个相对的伺服进给运动，电极为成形电极，与被加工表面具有相同的截面形状，给运动，电极为成形电极，与被加工表面具有相同的截面形状，主要用于穿孔加工和型腔加工。主要用于穿孔加工和型腔加工。(2)电火花线切割加工电火花线切割加工电极为沿轴线移动的线电极，工件作电极为沿轴线移动的线电极，工件作X、Y方向的进给运动，主要用于各种通孔、异形通孔的加工。方向的进给运动，主要用于各种通孔、异形通孔的加工。(3)电火花磨削和镗磨电火花磨削和镗磨电极与工件相对旋转

5、，电极与工件有电极与工件相对旋转，电极与工件有径向和轴向的进给，主要用于加工高精度和小表面粗糙度值的径向和轴向的进给，主要用于加工高精度和小表面粗糙度值的小孔。小孔。(4)电火花同步共轭回转加工电火花同步共轭回转加工电极与工件都作旋转运动，电电极与工件都作旋转运动，电极相对工件可作纵、横向进给运动，主要用于加工异形齿轮、极相对工件可作纵、横向进给运动，主要用于加工异形齿轮、螺纹环规、内外回转体等。螺纹环规、内外回转体等。9.2.3电火花加工的分类及应用电火花加工的分类及应用(5)电火花高速小孔加工电火花高速小孔加工电极为大于电极为大于0.3mm的细管，管内冲的细管，管内冲高压工作液，且电极一边

6、旋转一边作垂直进给运动，主要用于高压工作液，且电极一边旋转一边作垂直进给运动，主要用于线切割预穿丝孔的加工。线切割预穿丝孔的加工。(6)电火花表面强化与刻字电火花表面强化与刻字电极在工件表面一边上下振动，电极在工件表面一边上下振动，一边相对移动，每一次振动都和工件接触一次，主要用于模具一边相对移动，每一次振动都和工件接触一次，主要用于模具刃口、量刃具表面的强化和镀覆以及刻字、打印记等。刃口、量刃具表面的强化和镀覆以及刻字、打印记等。9.2.4电火花加工机床电火花加工机床(1)脉冲电源脉冲电源它是指把直流或工频交流电转变成一定频率的它是指把直流或工频交流电转变成一定频率的单向脉冲电流，提供电火花

7、加工所需要的放电能量。单向脉冲电流，提供电火花加工所需要的放电能量。(2)自动进给调节系统自动进给调节系统在电火花加工过程中，工具与工件必在电火花加工过程中，工具与工件必须保持一定的间隙。须保持一定的间隙。(3)工作液循环过滤系统工作液循环过滤系统它包括工作液箱、电动机、泵、过它包括工作液箱、电动机、泵、过滤装置、工作液槽、油杯、管道、阀门以及测量仪表等。滤装置、工作液槽、油杯、管道、阀门以及测量仪表等。(4)机床本体机床本体机床本体由床身、立柱、主轴头、工作台及液机床本体由床身、立柱、主轴头、工作台及液槽等组成。槽等组成。图9-2电火花穿孔加工a)圆孔b)方槽c)异形孔d)弯孔9.2.4电火

8、花加工机床图9-3电火花型腔加工1工件2工作电极图9-4电火花线切割工作原理图1工作液2泵3喷嘴4导向器5工件6丝筒7脉冲电源8电极丝9坐标工作台10数控装置11步进电动机9.3电化学加工电化学加工9.3.1电解加工电解加工9.3.2电解磨削电解磨削9.3.1电解加工电解加工1.电解加工的电解加工的原理原理2.电解加工的电解加工的特点特点3.电解加工电解加工机床机床4.电解加工的电解加工的应用应用1.电解加工的原理电解加工的原理图9-6电解加工原理图1直流电源2工件3工作电极4电解液5进给机构2.电解加工的特点电解加工的特点l在简单的进给运动中一次可加工出形状复杂的型面、型腔，在简单的进给运动

9、中一次可加工出形状复杂的型面、型腔，生产率比电火花加工高生产率比电火花加工高5-105-10倍。倍。l可以加工高硬度、高强度和高韧性等难切削的金属材料，如可以加工高硬度、高强度和高韧性等难切削的金属材料，如淬火钢、高温合金、钛合金等。淬火钢、高温合金、钛合金等。l加工中无切削力，适合加工薄壁零件。加工中无切削力，适合加工薄壁零件。l工具电极无损耗。工具电极无损耗。l加工后零件表面无残余应力、无毛刺。加工后零件表面无残余应力、无毛刺。l加工出的零件尺寸精度不高，电解液对机床有腐蚀作用，电加工出的零件尺寸精度不高，电解液对机床有腐蚀作用，电解产物回收较困难。解产物回收较困难。9.3.2电解磨削电解

10、磨削1.电解磨削电解磨削原理原理2.电解磨削的电解磨削的特点特点3.电解磨削的电解磨削的应用应用1.电解磨削原理图9-7电解磨削原理图1导电砂轮2电解液3工件1.电解磨削原理图9-8电解磨削加工过程原理图1磨粒2结合剂3电极间隙及电解液4工件5阳极薄膜2.电解磨削的特点电解磨削的特点(1)加工范围广，效率高加工范围广，效率高由于它主要是电解作用，因此只要由于它主要是电解作用，因此只要选择合适的电解液，就可以用来加工任何高硬度与高韧性的金选择合适的电解液，就可以用来加工任何高硬度与高韧性的金属材料，例如磨削硬质合金时，与普通的金刚石砂轮磨削相比属材料，例如磨削硬质合金时，与普通的金刚石砂轮磨削相

11、比较，电解磨削的加工效率要高较，电解磨削的加工效率要高35倍。倍。(2)提高加工精度及表面质量提高加工精度及表面质量因为砂轮并不主要磨削金属，因为砂轮并不主要磨削金属，磨削力和磨削热都很小，不会产生磨削毛刺、裂纹、烧伤现象，磨削力和磨削热都很小，不会产生磨削毛刺、裂纹、烧伤现象，一般表面粗糙度值可小于一般表面粗糙度值可小于Ra0.16m，而加工精度与机械磨削，而加工精度与机械磨削相近。相近。2.电解磨削的特点电解磨削的特点(3)砂轮的磨损量小砂轮的磨损量小如磨削硬质合金时，用普通机械磨削，如磨削硬质合金时，用普通机械磨削，碳化硅砂轮的磨损量为磨损掉硬质合金质量的碳化硅砂轮的磨损量为磨损掉硬质合

12、金质量的400600；用电解磨削，砂轮的磨损量只有磨损掉硬质合金质量的用电解磨削，砂轮的磨损量只有磨损掉硬质合金质量的50100。3.电解磨削的应用电解磨削的应用电解加工是继电火花加工之后发展较快、应用较广泛的一项新电解加工是继电火花加工之后发展较快、应用较广泛的一项新工艺。可进行深孔扩孔加工、型孔的加工、型腔的加工、套料工艺。可进行深孔扩孔加工、型孔的加工、型腔的加工、套料加工、叶片加工、电解倒棱去毛刺、电解刻字、电解抛光等。加工、叶片加工、电解倒棱去毛刺、电解刻字、电解抛光等。目前在国内外已成功地应用于目前在国内外已成功地应用于枪炮、航空发动机、火箭等制造枪炮、航空发动机、火箭等制造业业9

13、.4超声波加工超声波加工9.4.1超声波加工的超声波加工的原理原理9.4.2超声波加工的超声波加工的特点特点9.4.3超声波加工超声波加工机床机床9.4.4超声波加工的超声波加工的应用应用9.4.1超声波加工的原理图9-9超声波加工原理图1工件2磨料悬浮液3工具4变幅杆5换能器6超声波发生器9.4.2超声波加工的特点超声波加工的特点1)适合于加工适合于加工各种硬脆材料各种硬脆材料，特别是不导电的非金属材料，例，特别是不导电的非金属材料，例如玻璃、陶瓷如玻璃、陶瓷(氧化铝、氮化硅等氧化铝、氮化硅等)、石英、锗、硅、石墨、玛、石英、锗、硅、石墨、玛瑙、宝石、金刚石等。瑙、宝石、金刚石等。2)由于工

14、具可用较软的材料由于工具可用较软的材料做成较复杂的形状做成较复杂的形状，故不需要使工，故不需要使工具和工件作比较复杂的相对运动，因此超声加工机床的结构比具和工件作比较复杂的相对运动，因此超声加工机床的结构比较较简单，操作、维修方便简单，操作、维修方便。3)由于去除加工余量是靠极小的由于去除加工余量是靠极小的磨料瞬时局部的撞击作用磨料瞬时局部的撞击作用，所，所以工具对工件加工表面宏观作用力小，热影响小，以工具对工件加工表面宏观作用力小，热影响小，不会引起变不会引起变形和烧伤。形和烧伤。9.4.3超声波加工机床图9-10超声波加工机床1支架2平衡重锤3工作台4工具5振幅扩大棒6换能器7导轨8标尺9

15、.4.4超声波加工的应用超声波加工的应用(1)型孔、型腔加工型孔、型腔加工超声波加工的生产率比电火花、电解加超声波加工的生产率比电火花、电解加工等低，但加工精度和表面质量较好，用于脆硬材料的圆孔、工等低，但加工精度和表面质量较好，用于脆硬材料的圆孔、型孔、型腔、微细孔等的加工。型孔、型腔、微细孔等的加工。(2)切割加工切割加工目前用普通机床对脆硬材料进行切割加工较困目前用普通机床对脆硬材料进行切割加工较困难，通常可用超声加工的方法进行切割，如切割单晶硅片、陶难，通常可用超声加工的方法进行切割，如切割单晶硅片、陶瓷等脆硬材料。瓷等脆硬材料。(3)复合加工复合加工在超声加工硬质合金、耐热合金等硬质

16、金属材在超声加工硬质合金、耐热合金等硬质金属材料时，加工速度较低，工具损耗加大。料时，加工速度较低，工具损耗加大。(4)超声波清洗超声波清洗超声波清洗主要是基于超声波频振动在液体超声波清洗主要是基于超声波频振动在液体中产生的交变冲击波和空化作用。中产生的交变冲击波和空化作用。9.4.4超声波加工的应用(5)焊接加工焊接加工超声波焊接的原理是利用超声波振动作用，去超声波焊接的原理是利用超声波振动作用，去除工件表面的氧化膜，显露出新的本体表面，在两个被焊接的除工件表面的氧化膜，显露出新的本体表面，在两个被焊接的工件表面分子的高速振动撞击下，摩擦发热并亲和粘接在一起。工件表面分子的高速振动撞击下，摩

17、擦发热并亲和粘接在一起。9.5激光加工激光加工9.5.1激光加工的原理激光加工的原理9.5.2激光加工的特点激光加工的特点9.5.3激光加工的应用激光加工的应用9.5.1激光加工的原理图9-11固体激光器结构示意图1全反射镜2工作物质3玻璃套管4部分反射镜5聚光器6氙灯7激光器电源9.5.2激光加工的特点激光加工的特点1)由于它的功率密度高，几乎可以由于它的功率密度高，几乎可以加工任何材料加工任何材料。2)激光光斑大小可以聚焦到微米级，输出功率可以调节，因此激光光斑大小可以聚焦到微米级，输出功率可以调节，因此可用以可用以精密微细加工精密微细加工。3)加工所用工具是激光束，是非接触加工，所以没有

18、明显的机加工所用工具是激光束，是非接触加工，所以没有明显的机械力，械力，没有工具损耗问题没有工具损耗问题。4)激光加工是一种热加工，影响因素很多，因此，精微加工时激光加工是一种热加工，影响因素很多，因此，精微加工时的精度，尤其是的精度，尤其是重复精度和表面粗糙度不易保证重复精度和表面粗糙度不易保证。5)加工中容易产生金属气体及火星等飞溅物，加工中容易产生金属气体及火星等飞溅物，要注意通风，操要注意通风，操作者应戴防护眼镜。作者应戴防护眼镜。9.5.3激光加工的应用激光加工的应用(1)激光打孔激光打孔利用激光几乎可以在任何材料上打微型小孔。利用激光几乎可以在任何材料上打微型小孔。(2)激光切割激

19、光切割激光切割的原理和激光打孔的原理基本相同，激光切割的原理和激光打孔的原理基本相同，所不同的是工件与激光束有相对移动，在实际生产中一般都是所不同的是工件与激光束有相对移动，在实际生产中一般都是工件移动。工件移动。(3)激光焊接激光焊接激光焊接与激光打孔的原理稍有不同，焊接时激光焊接与激光打孔的原理稍有不同，焊接时不需要那么高的能量密度使工件材料气化蚀除，因此，通常可不需要那么高的能量密度使工件材料气化蚀除，因此，通常可通过减小激光输出功率和照射时间来实现，使工件材料在加工通过减小激光输出功率和照射时间来实现，使工件材料在加工区熔融而粘合在一起。区熔融而粘合在一起。9.5.3激光加工的应用(4

20、)激光热处理激光热处理激光热处理的过程是将激光束扫射零件表面，激光热处理的过程是将激光束扫射零件表面，其红外光能量被工件表面吸收而迅速达到极高的温度，使金属其红外光能量被工件表面吸收而迅速达到极高的温度，使金属产生相变，随着激光束离开工件表面，工件表面的热量迅速向产生相变，随着激光束离开工件表面，工件表面的热量迅速向内部传递而形成极高的冷却速度，使工件表面相变硬化。内部传递而形成极高的冷却速度，使工件表面相变硬化。(5)激光微调激光微调激光微调就是利用激光照射电阻膜表面，将一激光微调就是利用激光照射电阻膜表面，将一部分电阻膜气化去除，以减小导电膜的截面积来增加阻值，它部分电阻膜气化去除，以减小

21、导电膜的截面积来增加阻值，它主要用于调整厚膜及薄膜电路中的电阻、电容，同时可进行多主要用于调整厚膜及薄膜电路中的电阻、电容，同时可进行多种功能微调。种功能微调。9.6电子束加工电子束加工9.6.1电子束加工电子束加工原理和特点原理和特点9.6.2电子束加工的电子束加工的特点特点9.6.3电子束电子束加工设备加工设备9.6.4电子束加工的电子束加工的应用应用9.6.1电子束加工原理和特点图9-12电子束加工原理图1阴极2集束极3阳极4聚焦线圈5偏转线圈6工件9.6.2电子束加工的特点电子束加工的特点1)由于电子束能够极其微细地聚焦，所以加工面积可以很小，由于电子束能够极其微细地聚焦，所以加工面积

22、可以很小，是一种是一种精密微细的加工方法精密微细的加工方法。2)电子束能量密度很高，在极微小束斑上能达到电子束能量密度很高，在极微小束斑上能达到106109W/cm2，使照射部分的温度超过材料的熔化和气化温度，使照射部分的温度超过材料的熔化和气化温度，去除材料主要靠瞬时蒸发，去除材料主要靠瞬时蒸发，是一种非接触式加工是一种非接触式加工。3)由于电子束加工在真空中进行，因而污染少，加工表面不氧由于电子束加工在真空中进行，因而污染少，加工表面不氧化，特别适用于加工易氧化的金属及合金材料，化，特别适用于加工易氧化的金属及合金材料，以及纯度要求以及纯度要求极高的半导体材料。极高的半导体材料。4)由于电

23、子束的能量密度高，而且能量利用率可达由于电子束的能量密度高，而且能量利用率可达90以上，以上，因而加工生产率很高。因而加工生产率很高。9.6.2电子束加工的特点5)可以通过磁场或电场对电子束的可以通过磁场或电场对电子束的强度、位置、聚焦强度、位置、聚焦等进行直等进行直接控制，所以整个加工过程便于实现自动化。接控制，所以整个加工过程便于实现自动化。6)电子束加工需要一套专用设备和电子束加工需要一套专用设备和真空系统，价格较贵，真空系统，价格较贵，因而因而生产应用有一定局限性。生产应用有一定局限性。9.6.3电子束加工设备图9-13电子束加工设备结构示意图1工件2工作台3真空室门窗4观察筒5、14

24、抽气6电子枪7加速电压控制室8束流强度控制板9束流聚焦控制10束流位置控制11截止阀12电子束13驱动电动机9.6.4电子束加工的应用电子束加工的应用(1)打孔打孔电子束打孔不仅可以加工各种直的型孔电子束打孔不仅可以加工各种直的型孔(包括锥孔和包括锥孔和斜孔斜孔)和型面，而且也可以加工弯孔和曲面。和型面，而且也可以加工弯孔和曲面。(2)焊接焊接电子束焊接是利用电子束作为热源的一种焊接工艺。电子束焊接是利用电子束作为热源的一种焊接工艺。(3)热处理热处理电子束热处理是把电子束作为热源，并适当控制电子束热处理是把电子束作为热源，并适当控制电子束的功率密度，使金属表面加热而不熔化，达到热处理的电子束

25、的功率密度，使金属表面加热而不熔化，达到热处理的目的。目的。9.7离子束加工离子束加工9.7.1离子束加工的离子束加工的原理原理灯丝发射电子，电子向下作高速螺旋运动。氩气在高速电子的灯丝发射电子，电子向下作高速螺旋运动。氩气在高速电子的撞击下被电离成离子，经过电场加速聚焦，使之打到工件表面。撞击下被电离成离子，经过电场加速聚焦，使之打到工件表面。由于离子带正电荷，其质量比电子大数千、数万倍，所以离子由于离子带正电荷，其质量比电子大数千、数万倍，所以离子束加速到较高的速度时，具有很大的撞击动能来加工工件。束加速到较高的速度时，具有很大的撞击动能来加工工件。9.7.2离子束加工的特点离子束加工的特

26、点(1)加工精度高，易精确控制加工精度高，易精确控制离子束可以通过离子光学系统离子束可以通过离子光学系统进行聚焦扫描，共聚焦光斑可达进行聚焦扫描，共聚焦光斑可达1m以内，因而可以精确控制以内，因而可以精确控制尺寸范围。尺寸范围。(2)污染少污染少离子束加工在高真空中进行，污染少，特别适合离子束加工在高真空中进行，污染少，特别适合于加工易氧化的金属、合金及半导体材料。于加工易氧化的金属、合金及半导体材料。(3)加工应力、变形极小加工应力、变形极小离子束加工是一种原子级或分子级离子束加工是一种原子级或分子级的微细加工，作为一种微观作用，其宏观压力很小，适合于各的微细加工，作为一种微观作用，其宏观压

27、力很小，适合于各类材料的加工，而且加工表面质量高。类材料的加工，而且加工表面质量高。9.7.3离子束加工设备离子束加工设备与电子束加工设备相似，包括离子源、真空系离子束加工设备与电子束加工设备相似，包括离子源、真空系统、控制系统和电源四个部分。但对于不同的用途，离子束加统、控制系统和电源四个部分。但对于不同的用途，离子束加工设备有所不同。工设备有所不同。9.7.4离子束加工的应用离子束加工的应用(1)刻蚀刻蚀离子束刻蚀是通过用离子轰击工件，将工件材料原离子束刻蚀是通过用离子轰击工件，将工件材料原子从工件表面去除的工艺过程，是一个撞击溅射过程。子从工件表面去除的工艺过程，是一个撞击溅射过程。(2

28、)镀膜镀膜离子镀膜加工包括溅射镀膜和离子镀两种方式。离子镀膜加工包括溅射镀膜和离子镀两种方式。(3)离子注入离子注入离子注入是将工件放在离子注入机的真空靶中，离子注入是将工件放在离子注入机的真空靶中，在几十至几百千伏的电压下，把所需元素的离子注入工件表面。在几十至几百千伏的电压下，把所需元素的离子注入工件表面。9.8水射流加工水射流加工9.8.1水射流加工的水射流加工的原理原理9.8.2水射流加工的水射流加工的特点特点9.8.3水射流加工的水射流加工的应用应用9.8.1水射流加工的原理20世纪世纪70年代，高压水射流开始应用于工业切割领域年代，高压水射流开始应用于工业切割领域,基于其基于其在效

29、率、环保、使用范围等方面的卓越表现，使之在在效率、环保、使用范围等方面的卓越表现，使之在30多年来多年来得以迅速发展，成为越来越被普及的加工方式。得以迅速发展，成为越来越被普及的加工方式。9.8.2水射流加工的特点(1)切割品质优异切割品质优异水射流是一种冷加工方式，水射流是一种冷加工方式，“水刀水刀”不磨不磨损且半径很小，能加工具有锐边轮廓的小圆弧。损且半径很小，能加工具有锐边轮廓的小圆弧。(2)几乎没有材料和厚度的限制几乎没有材料和厚度的限制无论是金属类如普通钢板、无论是金属类如普通钢板、不锈钢、铜、钛、铝合金等，或是非金属类如石材、陶瓷、玻不锈钢、铜、钛、铝合金等，或是非金属类如石材、陶

30、瓷、玻璃、橡胶、纸张及复合材料，皆可适用。璃、橡胶、纸张及复合材料，皆可适用。(3)节约成本节约成本该技术不需二次加工，既可钻孔也可切割，降该技术不需二次加工，既可钻孔也可切割，降低了切割时间及制造成本。低了切割时间及制造成本。(4)清洁环保无污染清洁环保无污染在切割过程中不产生弧光、灰尘及有毒在切割过程中不产生弧光、灰尘及有毒气体，操作环境整洁，符合环保要求。气体，操作环境整洁，符合环保要求。9.8.3水射流加工的应用图9-14磨料射流加工a)磨料射流系统示意图b)磨料射流切割铝板材1工件2磨料喷嘴3水射流喷嘴4磨料9.9超精密加工技术9.9.1超精密加工的特征超精密加工的特征9.9.2超精

31、密加工的设备超精密加工的设备9.9.3超精密切削加工的刀具超精密切削加工的刀具9.9.1超精密加工的特征通常按照加工精度划分，可将机械加工分为一般加工、精密加通常按照加工精度划分，可将机械加工分为一般加工、精密加工和超精密加工。由于技术的不断发展，划分的界限将随着历工和超精密加工。由于技术的不断发展，划分的界限将随着历史进程而逐渐向前推移，过去的精密加工对于今天来说已经是史进程而逐渐向前推移，过去的精密加工对于今天来说已经是普通加工，因此，普通加工，因此，精密和超精密是相对的，在不同的时期有不精密和超精密是相对的，在不同的时期有不同的界定。同的界定。9.9.2超精密加工的设备图9-15美国LL

32、NL的大型金刚石超精密切削机床1主轴2高速刀具伺服系统3刀具轴4X轴滑板5上部机架6主机架7气动支架9.9.3超精密切削加工的刀具图9-16金刚石刀具切削刃形状示意图9.9.3超精密切削加工的刀具图9-17金刚石车刀切削部分示意图9.10纳米加工技术纳米加工技术9.10.1纳米技术纳米技术概述概述9.10.2纳米加工的纳米加工的物理实质物理实质9.10.3纳米级纳米级加工精度加工精度9.10.4纳米加工中的纳米加工中的LIGA技术技术9.10.5原子级原子级加工技术加工技术9.10.1纳米技术概述20世纪世纪80年代诞生的纳米科学技术的出现标志着人类改造自然年代诞生的纳米科学技术的出现标志着人

33、类改造自然的能力已延伸到原子、分子水平，标志着人类科学技术已进入的能力已延伸到原子、分子水平，标志着人类科学技术已进入一个新的时代一个新的时代纳米科学技术时代，也标志着人类即将从纳米科学技术时代，也标志着人类即将从“毫米文明毫米文明”、“微米文明微米文明”迈向迈向“纳米文明纳米文明”时代时代9.10.2纳米加工的物理实质表9-2不同材料的原子间结合能密度9.10.3纳米级加工精度纳米级加工精度1.纳米级尺寸精度纳米级尺寸精度2.纳米级几何形状精度纳米级几何形状精度3.纳米级表面质量纳米级表面质量1.纳米级尺寸精度(1)较大尺寸的绝对精度很难达到纳米级较大尺寸的绝对精度很难达到纳米级零件材料的稳

34、定性、零件材料的稳定性、内应力、本身质量造成的变形等内部因素和环境的温度变化、内应力、本身质量造成的变形等内部因素和环境的温度变化、气压变化、测量误差等都将产生尺寸误差。气压变化、测量误差等都将产生尺寸误差。(2)较大尺寸的相对精度或重复精度达到纳米级较大尺寸的相对精度或重复精度达到纳米级这在某些超这在某些超精密加工中会遇到，例如某些高精度孔和轴的配合，某些精密精密加工中会遇到，例如某些高精度孔和轴的配合，某些精密机械零件的个别关键尺寸，超大规模集成电路制造过程中要求机械零件的个别关键尺寸，超大规模集成电路制造过程中要求的重复定位精度等，现在使用激光干涉测量和的重复定位精度等，现在使用激光干涉

35、测量和X射线干涉测量射线干涉测量法都可以达到法都可以达到级的测量分辨率和重复精度，可以保证这部分级的测量分辨率和重复精度，可以保证这部分加工精度的要求。加工精度的要求。1.纳米级尺寸精度(3)微小尺寸加工达到纳米级精度微小尺寸加工达到纳米级精度这是精密机械、微型机械这是精密机械、微型机械和超微型机械中遇到的问题，无论是加工或测量都需要继续研和超微型机械中遇到的问题，无论是加工或测量都需要继续研究发展。究发展。9.10.4纳米加工中的LIGA技术LIGA(德语德语Lithographie Galvanoformung und Abformung)技技术是术是20世纪世纪80年代中期由德国年代中期

36、由德国W.Ehrfeld教授等人发明的，是教授等人发明的，是使用使用X射线的深度光刻与电铸相结合，射线的深度光刻与电铸相结合，实现高深宽比的微细构实现高深宽比的微细构造的微细加工技术，简称光刻电铸。造的微细加工技术，简称光刻电铸。它是最新发展的深度光刻、它是最新发展的深度光刻、电铸成形和塑注成形的复合微细加工技术电铸成形和塑注成形的复合微细加工技术9.10.5原子级加工技术图9-18纳米加工示例9.11超高速加工技术超高速加工技术9.11.1超高速加工技术概述超高速加工技术概述9.11.2超高速加工的原理超高速加工的原理9.11.3超高速加工技术的优越性超高速加工技术的优越性9.11.4超高速

37、切削机床超高速切削机床9.11.5超高速切削的刀具技术超高速切削的刀具技术9.11.1超高速加工技术概述表9-3不同加工工艺的切削速度范围表9-4各种材料的切削速度范围9.11.2超高速加工的原理图9-19Salomon提出的切削速度与切削温度曲线9.11.2超高速加工的原理图9-20超高速切削概念示意图9.11.3超高速加工技术的优越性超高速加工技术的优越性1.超高速超高速切削加工切削加工的优越性的优越性2.超高速超高速磨削加工磨削加工的优越性的优越性1.超高速切削加工的优越性(1)加工效率高加工效率高高速切削加工比常规切削加工的切削速度高高速切削加工比常规切削加工的切削速度高510倍，进给

38、速度随切削速度的提高也可相应提高倍，进给速度随切削速度的提高也可相应提高510倍，倍，这样，单位时间材料切除率可提高这样，单位时间材料切除率可提高36倍，因而零件加工时间倍，因而零件加工时间通常可缩减到原来的通常可缩减到原来的1/3，从而提高了加工效率和设备利用率，从而提高了加工效率和设备利用率，缩短生产周期。缩短生产周期。(2)切削力小切削力小和常规切削加工相比，高速切削加工切削力至和常规切削加工相比，高速切削加工切削力至少可降低少可降低30，这对于加工刚度较差的零件，这对于加工刚度较差的零件(如细长轴、薄壁如细长轴、薄壁件件)来说，可减少加工变形，提高零件加工精度。来说，可减少加工变形，提

39、高零件加工精度。(3)热变形小热变形小高速切削加工过程极为迅速，高速切削加工过程极为迅速，95以上的切削以上的切削热来不及传给工件，而被切屑迅速带走，零件不会由于温升导热来不及传给工件，而被切屑迅速带走，零件不会由于温升导致弯翘或膨胀变形。致弯翘或膨胀变形。1.超高速切削加工的优越性(4)加工精度高、加工质量好加工精度高、加工质量好由于高速切削加工的切削力和由于高速切削加工的切削力和切削热影响小，使刀具和工件的变形小，保持了尺寸的精确性，切削热影响小，使刀具和工件的变形小，保持了尺寸的精确性，另外，由于切屑被飞快地切离工件，切削力利切削热影响小，另外，由于切屑被飞快地切离工件，切削力利切削热影

40、响小，从而使工件表面的残余应力小，达到较好的表面质量。从而使工件表面的残余应力小，达到较好的表面质量。(5)加工过程稳定加工过程稳定高速旋转刀具切削加工时的激振频率高，高速旋转刀具切削加工时的激振频率高，已远远超出已远远超出“机床机床工件工件刀具刀具”系统的固有频率范围，不会系统的固有频率范围，不会造成工艺系统振动，使加工过程平稳，有利于提高加工精度和造成工艺系统振动，使加工过程平稳，有利于提高加工精度和表面质量。表面质量。1.超高速切削加工的优越性(6)良好的技术经济效益良好的技术经济效益采用高速切削加工将能取得较好的采用高速切削加工将能取得较好的技术经济效益，如缩短加工时间，提高生产率；可

41、加工刚度差技术经济效益，如缩短加工时间，提高生产率；可加工刚度差的零件；零件加工精度高、表面质量好；提高了刀具寿命和机的零件；零件加工精度高、表面质量好；提高了刀具寿命和机床利用率；节省了换刀辅助时间和刀具刃磨费用等。床利用率；节省了换刀辅助时间和刀具刃磨费用等。2.超高速磨削加工的优越性(1)可以大幅度提高磨削效率可以大幅度提高磨削效率在磨削力不变的情况下，在磨削力不变的情况下，200m/s超高速磨削的金属切除率比超高速磨削的金属切除率比80m/s磨削提高磨削提高150，而，而340m/s时比时比180m/s时提高时提高200。(2)磨削力小，零件加工精度高磨削力小，零件加工精度高当磨削效率

42、相同时，当磨削效率相同时，200m/s时的磨削力仅为时的磨削力仅为80m/s时的时的50。(3)可以获得低粗糙度表面可以获得低粗糙度表面其他条件相同时，其他条件相同时，33m/s、100m/s和和200m/s速度下磨削表面粗糙度分别为速度下磨削表面粗糙度分别为Ra2.0m、Ra1.4m、Ra1.1m。(4)可大幅度延长砂轮寿命，可大幅度延长砂轮寿命，有助于实现磨削加工的自动化有助于实现磨削加工的自动化在磨削力不变条件下，以在磨削力不变条件下，以200m/s磨削时砂轮寿命比以磨削时砂轮寿命比以80m/s磨磨削时提高削时提高1倍，而在磨削效率不变条件下砂轮寿命可提高倍，而在磨削效率不变条件下砂轮寿

43、命可提高7.8倍。倍。2.超高速磨削加工的优越性(5)可以改善加工表面完整性可以改善加工表面完整性超高速磨削可以越过容易产生超高速磨削可以越过容易产生磨削烧伤的区域，在大磨削用量下磨削时反而不产生磨削烧伤。磨削烧伤的区域，在大磨削用量下磨削时反而不产生磨削烧伤。9.11.4超高速切削机床1.超高速切削的主轴系统超高速切削的主轴系统2.超高速轴承技术超高速轴承技术3.超高速切削机床的进给系统超高速切削机床的进给系统3.超高速切削机床的进给系统1)惯性小，加速度高，可达惯性小，加速度高，可达1g10g，速度高，可达，速度高，可达60m/min150m/min，易于高速精定位易于高速精定位。2)无中

44、间传动环节，不存在反向间隙和摩擦磨损等问题，无中间传动环节，不存在反向间隙和摩擦磨损等问题，精度精度高、可靠性好，使用寿命长。高、可靠性好，使用寿命长。3)刚性好，动态特性好。刚性好，动态特性好。4)行程长度不受限制行程长度不受限制，并且在一个行程全长内可以安装使用多，并且在一个行程全长内可以安装使用多个工作台。个工作台。9.11.5超高速切削的刀具技术切削刀具材料的迅速发展是超高速切削得以实施的工艺基础。切削刀具材料的迅速发展是超高速切削得以实施的工艺基础。超高速切削加工要求刀具材料与被加工材料的化学亲合力要小，超高速切削加工要求刀具材料与被加工材料的化学亲合力要小，并且具有优异的并且具有优

45、异的力学性能、热稳定性、抗冲击性和耐磨性力学性能、热稳定性、抗冲击性和耐磨性。目。目前适合于超高速切削的刀具材料主要有涂层刀具、金属陶瓷刀前适合于超高速切削的刀具材料主要有涂层刀具、金属陶瓷刀具、陶瓷刀具、立方氮化硼、聚晶金刚石具、陶瓷刀具、立方氮化硼、聚晶金刚石(PCD)刀具等。刀具等。9.12快速原型技术快速原型技术9.12.1快速原型技术的快速原型技术的基本原理基本原理9.12.2快速原型的快速原型的软件系统软件系统9.12.3快速原型技术的快速原型技术的典型方法典型方法9.12.4快速原型技术的快速原型技术的特点特点9.12.5快速原型技术的快速原型技术的应用与发展趋势应用与发展趋势9

46、.12.1快速原型技术的基本原理快速原型技术的基本原理1.构造产品的构造产品的三维三维CAD模型模型2.三维模型的三维模型的近似处理近似处理3.三维模型的三维模型的Z向离散化，即向离散化，即分层处理分层处理4.处理层片信息，处理层片信息，生成数控代码生成数控代码5.逐层堆积制造逐层堆积制造6.后处理后处理9.12.2快速原型的软件系统1)CAD造型软件的功能是进行零件的三维设计及模型的造型软件的功能是进行零件的三维设计及模型的近似处近似处理。理。2)分层处理软件对分层处理软件对CAD软件输出的近似模型软件输出的近似模型进行检验进行检验，确定其，确定其合理性并修复错误、作几何变换、选择成形方向，

47、进行分层计合理性并修复错误、作几何变换、选择成形方向，进行分层计算以获取层片信息。算以获取层片信息。3)成形控制软件的功能是进行成形控制软件的功能是进行加工参数设定、生成数控代码、加工参数设定、生成数控代码、控制实时加工。控制实时加工。9.12.3快速原型技术的典型方法1.光固化成形光固化成形工艺工艺(SLA)2.叠层实体制造叠层实体制造工艺工艺(LOM)3.选择性激光烧结选择性激光烧结工艺工艺(SLS)4.熔融沉积熔融沉积制造工艺制造工艺(FDM)1.叠层实体制造工艺(LOM)图9-21SLA工艺原理图1激光器2扫描系统3刮刀4液槽5可升降工作台2.叠层实体制造工艺(LOM)图9-22LOM

48、工艺原理图1计算机2激光切割系统3热粘压机构4导向辊5工作台6原材料7原材料存储及送进机构3.熔融沉积制造工艺(FDM)图9-23SLS工艺原理图1扫描镜2激光束3激光器4平整滚5粉末4.熔融沉积制造工艺(FDM)图9-24FDM工艺原理图1喷头2工件3料丝9.12.4快速原型技术的特点1)高度高度柔性柔性。2)成形的成形的快速性快速性。3)全数字化全数字化的制造技术。的制造技术。4)无切割、噪声和振动无切割、噪声和振动等，有利于环保。等，有利于环保。9.12.5快速原型技术的应用与发展趋势1.RP技术在技术在新产品开发新产品开发中的应用中的应用2.基于基于RP的的快速模具快速模具技术技术3.

49、RP技术在技术在医学领域医学领域中的应用中的应用4.RP技术在技术在铸造领域铸造领域中的应用中的应用1.RP技术在新产品开发中的应用一般而言，产品投放市场的周期由设计、试制、试验、征求用一般而言，产品投放市场的周期由设计、试制、试验、征求用户意见、修改定型、正式生产和市场推销等环节所需的时间组户意见、修改定型、正式生产和市场推销等环节所需的时间组成。采用成。采用RP技术之后，从技术之后，从产品设计的最初阶段开始产品设计的最初阶段开始，设计者、，设计者、制造者、推销者和用户都能在第一时间拿到实实在在的样品甚制造者、推销者和用户都能在第一时间拿到实实在在的样品甚至小批量生产的产品，因而可以及早地、

50、充分地进行评价至小批量生产的产品，因而可以及早地、充分地进行评价2.基于RP的快速模具技术传统的模具制造过程集机械加工、数控加工、电加工、铸造等传统的模具制造过程集机械加工、数控加工、电加工、铸造等先进的制造工艺与设备和加工者高超的技艺于一身，生产出高先进的制造工艺与设备和加工者高超的技艺于一身，生产出高精度、高寿命的模具，精度、高寿命的模具，用于大批量生产各种各样的金属、塑料、用于大批量生产各种各样的金属、塑料、橡胶、陶瓷、玻璃等制品橡胶、陶瓷、玻璃等制品，为社会创造出无限的财富。，为社会创造出无限的财富。3.RP技术在医学领域中的应用人体的骨骼和内部器官具有极其复杂的结构，要真实地复制人人