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1、先进制造技术基础第3章 先进制造工艺技术北京大学出版社大机械系列规划教材之3-1 先进制造工艺技术概论3-2 超高速加工技术 3-3 超精密加工技术 第3章 先进制造工艺技术3-4 快速原型制造技术 3-5 现代特种加工技术 3-6 微细加工技术 先进制造技术基础第3章 先进制造工艺技术北京大学出版社大机械系列规划教材之教学时数：14 学时教学目标：Q 通过本章的学习，了解先进制造工艺技术的基本特征及 发展趋势;Q 掌握先进制造工艺技术中超高速加工技术、超精密加工 技术、特种加工技术、快速原型制造技术以及微细加工 技术的基本概念、关键支撑技术及发展应用 ；Q 通过实例分析了解这些先进技术手段在
2、日常生活以及现 代机械产品中的实际应用。Q 通过本章的学习，使学生获得先进制造工艺技术的基本 知识，为进一步学习专业课程打下坚实的基础。先进制造技术基础第3章 先进制造工艺技术北京大学出版社大机械系列规划教材之教学要求：Q 了解先进制造工艺技术的定义、内涵及现状 。Q 掌握超高速加工技术相关的基础知识，了解其现状及应用 。Q 掌握超精密加工技术相关的基础知识，了解其现状及应用 。Q 了解快速原型制造技术相关内容，掌握几种典型的快速原型 工艺方法 。先进制造技术基础第3章 先进制造工艺技术北京大学出版社大机械系列规划教材之3.1.1机械制造工艺的定义和内涵 机械制造工艺是将各种原材料通过改变其形
3、状、尺 寸、性能或相对位置，使之成为成品或半成品的方法和 过程。按其功能的不同，机械制造工艺分为三个阶段：零 件毛坯的成形准备阶段，包括原材料切割、焊接、铸造 、锻压加工成形等；机械切削加工阶段，包括车削、钻 削、铣削、刨削、镗削、磨削加工等；表面改性处理阶 段，包括热处理、电镀、化学镀、热喷涂、涂装等。 图 3.1为机械制造工艺流程图 。3-1先进制造工艺技术概论先进制造技术基础第3章 先进制造工艺技术北京大学出版社大机械系列规划教材之图3.1 机械制造工艺流程图先进制造技术基础第3章 先进制造工艺技术北京大学出版社大机械系列规划教材之3.1.2先进制造工艺的发展趋势 (1) 加工精度和加工
4、速度不断提高 （2）材料科学促进制造工艺变革 （3）自动化和数字化工艺装备的发展提高了机 械加工的效率 （4）优质清洁表面工程技术获得进一步发展 3.1.3先进制造工艺的特点 （1）优质 （2）高效 （3）低耗 （4）洁净 （5）灵活 先进制造技术基础第3章 先进制造工艺技术北京大学出版社大机械系列规划教材之3.2.1超高速加工技术的内涵和特点 超高速加工技术是指采用超硬材料的刀具磨具和能 可靠地实现高速运动的高精度、高自动化、高柔性的制 造设备，以极大地提高切削速度来达到提高材料切除率 、加工精度和加工质量地现代制造加工技术。 2.超高速加工的特点（1）大幅度提高切削、磨削效率，减少设备使用
5、台数 （2）切削力、磨削力小，工件加工精度高 （3）加工能耗低，节省制造资源 （4）简化了工艺流程，降低生产成本 1.超高速加工的定义3-2 超高速加工技术 先进制造技术基础第3章 先进制造工艺技术北京大学出版社大机械系列规划教材之3.2.2超高速切削的关键技术1.刀具技术超高速切削对刀具的要求：高硬度、高强度和耐磨性 ；韧性高，抗冲击能力强；高的热硬性和化学稳定性； 抗热冲击能力强等。常用的刀具材料有：涂层刀具：在刀具基体上涂覆金属化合物薄膜，以获得 远高于基体的表面硬度和优良的切削性能。 金属陶瓷刀具：与硬质合金刀具相比可承受更高的切削 速度，陶瓷刀具与金属材料的亲和力小，热扩散磨损小 ，
6、其高温硬度优于硬质合金，故耐磨损、耐高温 立方氮化硼（CBN）刀具：突出优点是热稳定性好，化 学惰性大 聚晶金刚石（PCD）刀具：摩擦因数低，耐磨性极强， 具有良好的导热性 先进制造技术基础第3章 先进制造工艺技术北京大学出版社大机械系列规划教材之刀柄结构(1) BIG-PLUS刀柄系统结构上采用7：24锥度， 其结构设计可减小刀柄装入主 轴时（锁紧前）与端面的间隙 ，锁紧后可利用主轴内孔的弹 性膨胀对该间隙进行补偿，使 刀柄与主轴端面贴紧，下半部 为普通BT刀柄。先进制造技术基础第3章 先进制造工艺技术北京大学出版社大机械系列规划教材之(2)德国的HSK刀柄系统HSK：德阿亨工业大学(90年
7、代) 双面加紧1996 德国DIN标准2001年 ISO12164先进制造技术基础第3章 先进制造工艺技术北京大学出版社大机械系列规划教材之2.超高速切削机床 电主轴（内装式电机主轴） ：无壳体电机 转子 空心套在主轴上 定子（带冷却套） 主轴壳体=电机机座 1，2，5密封圈；3定子；4转子；6旋转变压器转子；7 旋转变压器定子；8螺母 先进制造技术基础第3章 先进制造工艺技术北京大学出版社大机械系列规划教材之高速精密轴承技术陶瓷轴承：日东北大学 30000 r/min磁悬浮轴承：工作原理是利用电磁力将转子悬浮于 空间的一种新型高性能智能化轴承。德GMN公司 4000070000r/min 空
8、气轴承：日东芝ASV4加工中心30000 r/min 国内电主轴：洛阳轴承研究所 （加工中心 铣 车）先进制造技术基础第3章 先进制造工艺技术北京大学出版社大机械系列规划教材之快速进给系统高速度 进给速度不低于20 m/min高加速度 12g或更高高精度 高可靠性 高安全性 直线电动机传动 （昂贵 应用技术不完善） (10m/s 210g)直线电机从原理上就是将普通的旋转电机沿过轴线的平 面剖开，并展成一直线而成。由定子演变而来的一侧为直线 电机的初级，有转子演变而来的一侧为直线电机的次极。当 交流电通入绕组时，就会在直线电机的初、次极之间产生磁 场，使其相对运动。先进制造技术基础第3章 先进
9、制造工艺技术北京大学出版社大机械系列规划教材之高速加工机床直线电机原理图 支承制造技术 指超高速加工机床的支承构件，如床身、立柱、箱 体、工作台、底座、拖板和刀架等的制造技术。先进制造技术基础第3章 先进制造工艺技术北京大学出版社大机械系列规划教材之一:改革床身结构Gidding和Lewis公司在其RAM高速加工中心上将 立柱与底座合为一个整体，使机床整体刚性得以提高 ； 二:使用高阻尼特性材料,如聚合物混凝土。日本牧野高速机床的主轴油温与机床床身的温度 通过传感控制保持一致，协调了主轴与床身的热变形 。 3.超高速切削机理4.超高速切削工艺传统加工 低转速、大切深、缓进给、单行程高速加工 高
10、转速、中（小）切深、快进给、多行程工艺特点先进制造技术基础第3章 先进制造工艺技术北京大学出版社大机械系列规划教材之3.2.3超高速磨削的相关技术超高速磨削（V150m/s）是近年迅猛发展的一项先 进制造技术，被誉为“现代磨削技术的最高峰”。 先进制造技术基础第3章 先进制造工艺技术北京大学出版社大机械系列规划教材之1. 超高速磨削用砂轮 硬度及其选择普通磨具硬度低、 磨粒易脱落超硬磨具无硬度项指标。磨具的强度高速回转时，抵抗因离心力的作 用而自身破碎的能力。磨具的形状和尺寸及其基体材料根据机床规格和加工情况选择磨具的形状和尺寸。 基体材料： 金属结合剂 铁或铜合金；树脂结合剂 铝及合金或电木
11、 ；陶瓷结合剂多采用陶瓷。先进制造技术基础第3章 先进制造工艺技术北京大学出版社大机械系列规划教材之（a）电镀CBN砂轮 （b）MSL CBN砂轮普通电镀砂轮与MSL砂轮MSL CBN砂轮锋利，空屑空间大，不易堵塞，在 于电镀砂轮相同的加工条件下，磨削力、功率消耗、 磨削温度会更低，甚至可接近冷态切削。但其制造成 本极高，仍处于实验室研究阶段 。 先进制造技术基础第3章 先进制造工艺技术北京大学出版社大机械系列规划教材之高速砂轮的结构和形状优化高速磨削砂轮的基体设计必须考虑高转速时离心力的 作用。在图3.9中，砂轮以铝合金为基体，腹板为一个变 截面等力矩体，优化的基体没有单独大的法兰孔，而是用
12、 多个小的螺孔代替，以充分降低基体在法兰孔附近的应力 。基体外缘的尺寸，则主要根据应用场合而定。先进制造技术基础第3章 先进制造工艺技术北京大学出版社大机械系列规划教材之3.2.4超高速加工技术的应用1. 超高速切削技术的应用 （1）航空航天工业领域 表3.2 军用飞机使用各种结构材料的重量百分比铝合金 钛合金 复合材料先进制造技术基础第3章 先进制造工艺技术北京大学出版社大机械系列规划教材之速度603m/min 进给速度 9600mm/min铝合金薄壁件 （厚0.2mm 高20mm)先进制造技术基础第3章 先进制造工艺技术北京大学出版社大机械系列规划教材之7075铝合金零件（毛坯1818kg
13、 零件14.5kg 2388*2235*82.6)主轴18000r/min，进给2.42.7m/min 刀具直径1820mm先进制造技术基础第3章 先进制造工艺技术北京大学出版社大机械系列规划教材之（2）汽车、摩托车工业领域 （3）模具工具工业领域刀具 PCD CBN 金属陶瓷 可切削硬度60HRC或更高的材料德国44%模具公司、日本30%模具公司优势：提高了加工速度 （周期短）高质量表面（小进给），省去修光工序。简化工序 （淬火后可切削）模具修复（可用原NC程序）先进制造技术基础第3章 先进制造工艺技术北京大学出版社大机械系列规划教材之（4）超精密微细切削加工领域 (a)石墨电机 （b）气轮
14、机叶片 （c）薄壁铜电机几种典型零件的超高速加工 【应用案例】 先进制造技术基础第3章 先进制造工艺技术北京大学出版社大机械系列规划教材之2. 超高速磨削技术的应用 （1）高效深磨高效深磨技术是一种集砂轮高速度、高进给速度 (0.510m/min)和大切深(0.130mm)为一体的高效率 磨削技术。高效深磨的磨削速度范围一般在60 250m/s之间。（2）超高速精密磨削超高速精密磨削是采用超高速精密磨床，并通过精密 修整微细磨料磨具，采用亚微米级以下的切深和洁净的 加工环境来获得亚微米级以下的尺寸精度。（3）难磨材料的超高速磨削 先进制造技术基础第3章 先进制造工艺技术北京大学出版社大机械系列
15、规划教材之3-3 超精密加工技术 3.3.1 概述 1.超精密加工技术的内涵 精密和超精密加工相对性： 30年代1m（超精密） 精密加工：精度0.11m，表面粗糙度在Ra0.010.1m之间超精密加工：精度高于0.1m，表面粗糙度小于Ra0.01m纳米加工：精度高于1nm，表面粗糙度小于Ra0.005m四阶段： 一般加工（一般工厂稳定达到）精度1m以上，表面粗糙度在0.1m以上先进制造技术基础第3章 先进制造工艺技术北京大学出版社大机械系列规划教材之2、精密和超精密加工技术的重要性精密和超精密加工技术的重要性超精密加工所能达到的精度、表面粗糙度、加工尺 寸范围和几何形状是一个国家制造技术水平的重要标志 之一。金刚石刀具切削刃钝圆半径日本（声称）已达到2nm， 我国亚微米水平金刚石微粉砂轮超精密磨削在日本已用于生产，使制造 水平有了大幅度提高，突出地解决了超精密磨削磨料加工 效率低的问题。先进制造技术基础第3章 先进制造工艺技术北京大学出版社大机械系列规划教材之精密和超精密加工是先进制造技术的基础和关键 计算机硬件我国集成电路的制造水平约束了计算机工业的发展。美国制造工程研究者提出的汽车制造业的“两毫米工程”使汽车质量赶上欧、日水平磁头与磁盘间距离(飞行高度
