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1、第九章 其他先进制造技术,超高速加工技术： 采用超硬材料的刀具和磨具，能可靠地实现高速运动的自动化制造设备，极大地提高材料的切除率，并保证加工精度和加工质量的现代制造加工技术。 超高速加工包括超高速切削和超高速磨削。 超高速切削（Super High-speed Cutting）:采用比常规速度高得多的切削速度进行加工的一种高效新工艺方法。,以切削速度和进给速度界定： 高速加工的切削速度和进给速度为普通切削的510倍。 以主轴转速界定：高速加工的主轴转速10000 r/min。,1 超高速加工技术,高速加工切削速度范围因不同的工件材料而异,车削(Turing)：700-7000 m/min 铣
2、削(Milling)：300-6000 m/min 钻削(Drilling)：200-1100 m/min 磨削(Grinding)：50-300 m/s 镗削（Boring）：35-75m/min,高速加工切削速度范围随加工方法不同也有所不同,1. 高速加工切削速度的范围,铝合金(Aluminum Alloy)：1000-7000 m/min 铜(Cu)：900-5000 m/min 钢(Steel)：500-2000 m/min 灰铸铁(Gray cast iron)：800-3000 m/min 钛(Ti)：100-1000m/min,德国切削物理学家Carl Salmon 博士1929
3、年进行了超高速模拟实验。,2. 切削理论的提出,图2 切削速度变化和切削温度的关系,在1931 年4 月，根据实验曲线，提出著名的“萨洛蒙曲线”和高速切削理论。,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%，可高质量地加工出薄壁零件；,3.高速加工的特点,材料切除率高 单位时间内切除率可提高3-5倍；,图 3 加工零件,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 machining）。,A为高速切削加工时的热传导过程 B为传统加工的热传导过程 图4 热传导对比图,热变形
4、小 温升不超过3C，90%切削热被切屑带走；,图5 HSM600U型数控五轴高速加工中心生产厂家：瑞士Mikron 主轴转速：最高42000 rpm 主轴功率：13 KW 进给速度：最高40 m / min 定位精度：0.008 mm 重复定位精度：0.005mm,高速加工技术的发展与应用,图6 HSM 系列高速五轴联动小型立式加工中心,图9 HSM400,加工极高表面光洁度的硬钢HRC62、铝、铜、塑料工件,图7 HSM800,图8 HSM600,高速切削加工应用 （1）航空航天领域。 大型整体结构件、薄壁类零件和叶轮零件等。,图10 波音公司的F15战斗机的起动减速板,铝合金整体零件： 整
5、体零件“掏空”， 切除量大 零件有薄壁，要求小 切削力 小直径刀具 较长的刀具悬伸,图11 高速铣削典型工件,（2）汽车制造。,（3）模具制造。,生产剃须刀的石墨电极,生产球形柄用的铜电极,图15 高速切削加工电火花加工用工具电极,（4）难加工材料领域。硬金属材料（HRC5562），可代替磨削，精度可达IT5IT6级，粗糙度可达0.21um。,（5）超精密微细切削加工领域。,粗铣整体铝板； 精铣去口； 钻680个直径为3mm的小孔。 时间为32min。,图16 高速切削加工医用药盒,高速切削加工的关键技术,1. 高速主轴,高速化指标：dm n值，至少达到1106,电主轴：交流伺服电动机内置式集
6、成化结构。转子套装 在机床的主轴上，定子安装在主轴单元的壳体中，采用水冷 或油冷。精度高、振动小、噪声低、结构紧凑。,采用的轴承有：滚动轴承（陶瓷轴承）、磁浮轴承、气 体静压轴承、液体静压轴承。,陶瓷球轴承,陶瓷轴承高速主轴结构,磁浮轴承主轴结构,2.快速进给系统,伺服电动机+大导程高速精密滚珠丝杠副； 直流直线电机、交流永磁同步直线电动机、交流感应异步直线电动机的进给系统。,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 图20 结构图,3.高性能的CNC控制系统,图21 六杆机床（并联机床结构）,4.先进的机床结构,超精密加工是指被加工
7、零件的尺寸精度为0.10.01m，加工表面粗糙度达Ra0.030.0051m数量级的加工技术。随着加工技术的发展，超精密加工的技术指标也在不断变化。 一般加工：精度10m左右，Ra0.30.8m； 精密加工：精度100.1m左右，Ra0.30.03m； 超精密加工：精度0.10.01m左右，Ra0.030.05m； 纳米加工：精度高于0.001m，Ra小于0.005m。 超精密加工的主要方法有： 1）金刚石刀具超精密切削； 2）精密和镜面磨削； 3）精密研磨和抛光；,第2节 超精密加工技术,1.金刚石刀具超精密切削 金刚石刀具拥有很高的高温强度和硬度，而且材质细密，经过精细研磨，切削刃可磨得极
8、为锋利，表面粗糙度值很小，因此可进行镜面切削。 金刚石刀具超精密切削主要用于加工铜、铝等有色金属，如高密度硬磁盘的铝合金基片、激光器的反射镜、复印机的硒鼓、光学平面镜，凹凸镜、抛物面镜等。,2.精密和镜面磨削 磨削时尺寸精度和几何精度主要靠精密磨床保证，可达亚微米级精度（指精度为110-2m）。在某些超精密磨床上可磨出十纳米精度的工件。在精密磨床上使用细粒度磨粒砂轮可磨削出Ra=0.10.05m的表面。使用金属结合剂砂轮的在线电解修整砂轮的镜面磨削技术可得到 Ra0.010.002m的镜面。,3.精密研磨和抛光 精密研磨和抛光技术意指：使用超细粒度的自由磨料，在研具的作用和带动下加工表面，产生
9、压痕和微裂纹，依次去除表面的微细突出处，加工出Ra0.010.02m的镜面。 超精密加工是以精密元件为加工对象。超精密加工必须具有稳定的加工环境，即必须在恒温、超净、防振等条件下进行。另外，精密测量是超精密加工的必要手段，否则无法判断加工精度。,纳米（Nanometer）,是一个长度单位，简写为nm。 1nm=10-3m=10-9m。纳米技术是20世纪80年代末期诞生并在蓬勃发展的一种高新科学技术。纳米不仅是一个空间尺度上的概念，而且是一种新的思维方式，即生产过程越来越细，以至于在纳米尺度上直接由原子、分子的排布制造的具有特定功能的产品。 1.纳米技术的含义 纳米技术是指纳米级（0.1100n
10、m）的材料、设计、制造、测量、控制和产品的技术。它将加工和测量精度从微米级提高到纳米级。 2.纳米技术的主要内容 纳米技术是一门多学科交叉的高新技术，从基础研究角度来看，纳米技术包括：纳米生物学、纳米电子学、纳米化学、纳米材料和纳米机械学等新学科。,4、纳米加工技术,纳米级加工是指：加工精度高于10-3m，表面粗糙度 Ra小于0.005m，达到纳米级精度。包括纳米级 尺寸精度、纳米级几何形状精度和纳米级表面质量。 纳米级加工方法包括：机械加工、化学腐蚀、能量束加 工、复合加工、扫描隧道显微加工等。 纳米级机械加工方法包括：单晶金刚石刀具的超精密磨 削；金刚石砂轮和立方氮化硼砂轮的超精密磨削及
11、镜面磨削；衍磨和砂带抛光等固定磨料工具的加工；衍磨、抛光等自由磨料的加工等。,在达到纳米层次后，决非几何上的“相似缩小”，而出现一系列新现象和规律。量子效应、波动特性、微观涨落等不可忽略，甚至成为主导因素。,切削在晶粒内进行； 切削力原子结合力（剪切应力达13000N/ mm2）； 刀尖处温度极高，应力极大，普通刀具难以承受 高速切削（与传统精密切削相反），工件变形小，表层高温不会波及工件内层，可获得高精度和好表面质量。, 机理、特点, 应用, 应用实例,棱镜加工,光学玻璃加工,摄像头：要求下表面能够很好的反光成像, 应用实例,后视镜,室外广角镜, 金刚石刀具,超精切削刀具材料：天然金刚石，人
12、造单晶金刚石,无色透明、正八面体形状的固体，加工后有夺目光泽。,经仔细琢磨后，成为装饰品钻石。,划玻璃、切割大理石、加工坚硬的金属，装在钻探机的钻头钻凿坚硬的岩层。,自然界中存在的最硬物质,熔点高。,金刚石刀具磨损的常见形式为机械磨损和破损。 机械磨损机械摩擦、非常微小； 破损本身裂纹、冲击和振动。 刀具磨损直接影响到加工质量。（具体视加工材料而定） 金刚石刀具只能安装在机床主轴转动非常平稳的高精度机床上使用。（不能有振动）。,金刚石车床,加工4.5mm陶瓷球,图 金刚石车床及其加工照片,精密切削加工,精密加工：加工精度为0.11um，表面粗糙度为0.02 0.1um。,3、增强互换性、促进自
13、动化装配应用。,提高加工精度的好处：,1、提高产品的性能与质量、稳定性和可靠性；,2、促进产品的小型化；（集成线路、磁盘容量）,精密加工技术涉及内容广泛的综合性技术：精密机床设备和工具、稳定的加工环境、运用计算机技术的实时检测和反馈补偿等。,精密加工的关键技术：,1、精密加工机床,2、金刚石刀具,3、精密切削机理,5、误差补偿,4、稳定的加工环境,6、精密测量技术,精密加工机床 研究方向：提高机床主轴的回转精度、工作台的直线运动精度以及刀具的微量进给精度。（主轴轴承和导轨） 超精密级滚动轴承液体静压或空气静压轴承。 金刚石刀具 金刚石晶面选择、金刚石刀具刃口的圆弧半径。 先进国家达到纳米级，我
14、国0.10.3um。 精密切削机理 积屑瘤的形成、毛刺的产生、切削参数及加工条件等。需深入研究以掌握其变化规律。,稳定的加工环境 恒温（加工空间和机床本身）、防振、净化（高效过滤器）。 误差补偿 消除或抵消误差本身的影响。同时防止误差累计。（一直靠提高机床制造精度来提高工件精度会使成本大大增加） 精密测量技术 高一个数量级、显微镜和激光干涉仪等。隧道显微镜分辨率达到0.1nm。,精密切削研究最早从金刚石车削开始金刚石铣削金刚石镗削，来加工型面和内孔。刀具材料从金刚石刀具材料立方氮化硼、复合陶瓷等。,精密加工的经济性： 过去尤其其昂贵的价格、高要求的加工环境在一定程度上限制精密加工的应用范围。
15、现在由于科学技术发展和生活水平的提高，精密加工深入到各个领域。机械制造业：加工工具、卡具、量具，发达国家已经开始零件的精密加工。,第3节 快速成型技术,一、RP技术概述,1、RP技术的发展历史 快速成型(Rapid Prototyping,简称RP)技术是20世纪80年代后期发展起来的, 是由CAD模型直接驱动的快速制造任意复杂形状三维物理实体的技术总称。 1986年美国3D Systems公司率先推出了称为Stereolithography Apparatus （简称SLA）的激光快速成型制造系统，引起工业界的广泛兴趣并且RP得到了异乎寻常的迅猛发展。 目前美国在RP领域处于主导地位，德国、
16、以色列、日本也处于国际领先水平。在RP领域国内有清华大学、西安交通大学、南京航空航天大学、华中科技大学，北京隆源公司等。,2、RP技术原理和成型过程 传统加工：去材法、变形法。 RP加工：材料累加法。,RP技术基本原理：离散堆积（叠加）,三维模型构建： Pro/E、UG、 SolidWorks、 激光扫描、 CT断层扫描等,三维模型的近 似处理:三角形 平面来逼近原 来的模型 （STL文件）,三维模型的切 片处理：加工 方向（Z方向） 进行分层,成型加工：成型 头（激光头或 喷头）按各截面 轮廓信息扫描,后处理：打磨、 抛光、涂挂、 烧结等,间隔一般取0.05m-0.5mm，常用0.1mm,图3、 RP成型过程图,3、RP技术的特点和影响,新产品开发的一般过程：,市场推销,生产,修改定型,RP技术的主要特点：,（1）可以制造任意复杂的三维几何实体 （2）快速性 :几个小时到几十个小时就可
