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1、第9章 先进加工技术,了解常见的先进加工技术。 了解先进加工技术的加工原理。 了解先进加工技术的应用情况。,要点提示,第9章 先进加工技术,9.1快速成形制造技术 快速成形制造(Rapid Prototyping Manufacturing)，又称为RP，该技术诞生于20世纪80年代后期，是基于材料堆积法的一种高新制造技术，被认为是近20年来制造领域的一个重大成果。 9.1.1概述 RP技术综合了机械工程、CAD、数控技术、激光技术及材料科学技术，可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件，从而可以对产品设计进行快速评估、修改及功能试验。,第9章 先进加工技术
2、,9.1.2加工原理 快速成形制造又称为层加工(layered manufacturing)，其基本原理是根据三维CAD模型对其进行分层切片，从而得到各层截面的轮廓。依照这样的截面轮廓，用计算机控制激光束固化一层层的液态光敏树脂(或切割一层层的纸，烧结一层层的粉末材料)，或利用某种热源有选择性地喷射出一层层热熔材料，从而形成各种不同截面并逐步叠加成三维产品。层加工法弥补了现存的、传统的材料切削加工方法的不足。它不含有切削、装夹和其他一些操作，从而可以节省大量的时间，所以称为快速制造。,第9章 先进加工技术,9.1.3方法 国内外已较为成熟的快速成型制造技术的具体工艺有30多种，按照采用材料及对
3、材料处理方式的不同，可归纳为以下六种方法： 立体印刷(Stereo Lithography Apparatus，SLA) 又称立体光刻、光造型，其原理如图9-1所示。,图9-1 SLA法原理 1-激光束2-扫描镜3-z轴升降4-树脂槽 5-托盘6-光敏树脂7-零件原型,第9章 先进加工技术,分层实体制造(Laminated Object Manufacturing，LOM) LOM法是根据零件分层几何信息切割箔材和纸等，将所获得的层片粘接成三维实体，其性能接近木模，其原理如图9-2所示。,图9-2 LOM法原理 1-x-y扫描系统 2-光路系统 3-激光器 4-加热器 5-纸料 6-滚筒7-工
4、作平台 8-边角料 9-零件原型,第9章 先进加工技术,选择性激光烧结(Selective Laser Sintering，SLS) SLS采用CO2激光器，使用的材料为多种粉末材料，可以直接制造真空注射模，其原理如图9-3所示。,图9-3 SLS法原理 1-扫描镜2-透镜3-激光器4-压平辊子 5-零件原型6-激光束,第9章 先进加工技术,熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling，FDM) 熔融沉积成型是一种不使用激光器的加工方法，其原理，如图9-4所示。,图9-4 FDM法原理 1-加热装置2-丝材3-z向送丝4-x-y驱动 5-零件原型,第9章 先进加工技术,三维
5、打印(ThreeDimensional Printing，3D-P) 三维打印也称粉末材料选择性粘接，其原理，如图9-5所示。,图9 - 5 3D-P原理,第9章 先进加工技术,固基光敏液相法(So1id Ground Curing，SGC) 固基光敏液相法的工艺原理，如图9-6所示。,图9-6 固基光敏液相法(SGC)原理 L-加工面 2-均匀施加光敏液材料 3-掩膜紫外光曝光 4-清除未固化原料 5-填蜡 6-磨平 7-成形件 8-蜡 9-零件,第9章 先进加工技术,9.1.4应用 快数成形加工主要适合于新产品开发、快速单件及小批量零件制造、复杂形状零件的制造、模具设计于制造，也适合于难以
6、加工材料的制造、外形设计检查、装配检验和快速反求工程等。零件的复杂程度与制造成本关系不大。无需人员干涉或较少干涉，是一种自动化的成形过程。没有或极少废弃材料，是一种环保型制造技术。具有广泛的材料适应性。,第9章 先进加工技术,9.2激光加工技术 9.2.1概述 激光加工产业每年以20%的速度增长，激光加工成为21世纪不可缺少和替代的重要加工技术。激光加工业除了广泛用于企业生产线上的在线加工外，成立激光加工中心(LASER JOB SHOP)专门对外实施产品零部件的加工业务在国外已经非常普及。2005年统计，全世界拥有各种激光加工机4万多台，主要应用于汽车、电子、电器、航空、航天、机械、冶金、能
7、源、交通等部门。激光加工服务业约有6000家激光加工中心，其中对外加工的激光加工中心在美国有1800家，从业人,第9章 先进加工技术,员约7.52万人，年收入75亿美元。欧洲约900家，日本约1500家，在中国台湾有200家。 我国已有200多家激光加工中心，其中从事缸体、缸套激光热处理的约占50%，从事激光切割的约占30%，其它为激光焊接、打孔、标刻等。 9.2.2 原理 激光加工技术是利用激光束与物质相互作用的特性对材料（包括金属与非金属）进行切割、焊接、表面处理、打孔及微加工等的一门加工技术。激光加工技术是涉及到光、机、电、材料及检测等多门学科的一门综合技术，它的研究范围,第9章 先进加
8、工技术,一般可分为： 激光加工系统 包括激光器、导光系统、加工机床、控制系统及检测系统。 激光加工工艺 包括切割、焊接、表面处理、打孔、打标、划线、微调等各种加工工艺。 9.2.3应用 激光加工技术按应用可分为：激光切割、激光焊接、激光打孔、激光热处理。激光热处理主要包括激光表面相变硬化(激光淬火)和激光退火，激光表面合金化和激光表面涂覆，激光标刻等。 激光切割,第9章 先进加工技术,激光切割是一种高能量、密度可控性好的无接触加工，具有切速快、切缝窄、切口光洁度高、变形微、热影响区小、效率高等特点。 激光焊接 激光焊接在汽车工业中已成为标准工艺，激光用于车身面板的焊接可将不同厚度和具有不同表面
9、涂镀层的金属板焊在一起，然后再进行冲压。这样制成的面板结构能达到最合理的金属组合。激光焊接的速度约为4.5m/min，而且很少变形，省去了二次加工。 激光打孔 激光打孔特别适合于加工微细深孔，最小孔径,第9章 先进加工技术,只有几微米，孔深与孔径之比可大于50。激光打孔既适合于金属材料，也适用于硬质非金属材料，既能加工圆孔，又能加工各种异形孔。 激光热处理 激光热处理主要包括激光表面相变硬化(激光淬火)和激光退火、激光表面合金化和激光表面涂覆、非晶态处理和晶粒细化处理等。工件的变形量极小，表面光洁，无氧化皮产生。激光淬火后可获得极细的马氏体晶粒，其硬度要比常规淬火后的硬度提高15%20%，硬化
10、层深度一般约1mm，心部仍保持原始组织。,第9章 先进加工技术,激光表面合金化 激光表面合金化是将外加的合金元素熔化在工件表面的薄层内，形成具有特殊性能的合金化层，从而改变工件表面层的化学成分，以提高工件表面的耐磨损、耐腐蚀和抗高温氧化等性能，达到材料局部表面改性的目的。 激光表面涂覆 激光表面涂覆是指用激光使工件受损部位熔化，熔进与原材料相同的材料使其修复，或是应用激光作用于材料，使材料表面薄层熔化，同时在固液两态间保持极高的温度梯度，在急冷条件,第9章 先进加工技术,下，使工件表面形成晶化或微晶化金属材料，有极为优异的电磁、化学、机械性能。 9.3超声波加工技术 超声波加工（USM，Ult
11、rasonic Machining）是利用超声振动的工具在有磨料的液体介质中或干磨料中，产生磨料的冲击、抛磨、液压冲击及由此产生的气蚀作用来去除材料，以及利用超声振动使工件相互结合的加工方法。 9.3.1概述 早期的超声加工主要依靠工具作超声频振动，使悬浮液中的磨料获得冲击能量，从而去除工件材料达到加工目的。但加工效率低，并随着,第9章 先进加工技术,加工深度的增加而显著降低。随着新型加工设备及系统的发展和超声加工工艺的不断完善，人们采用从中空工具内部向外抽吸式向内压入磨料悬浮液的超声加工方式，不仅大幅度地提高了生产率，而且扩大了超声加工孔的直径及孔深的范围。 近20多年来，国外采用烧结或镀金
12、刚石的先进工具，既作超声频振动，同时又绕本身轴线以10005000r/min的高速旋转的超声旋转加工，比一般超声波加工具有更高的生产效率和孔加工的深度，同时直线性好、尺寸精度高、工具磨损小，除可加工硬脆材料外，还可加工碳化钢、二氧化钢、二氧化铁和硼环氧复合材料，以及不锈,第9章 先进加工技术,钢与钛合金叠层的材料等。目前，已用于航空、原子能工业，效果良好。 9.3.2原理 超声波加工时，高频电源联接超声换能器，将电振荡转换为同一频率、垂直于工件表面的超声机械振动，其根幅仅0.0050.01mm，再经变幅杆放大至0.050.lmm，以驱动工具端面作超声振动。此时，磨料悬浮液（磨料、水或煤油等工具
13、在超声振动和一定压力下，高速不停地冲击悬浮液中的磨粒，并作用于加工区，使该处材料变形，直至击碎成微粒和粉末。同时，由于磨料悬浮液的不断搅动，促使磨料高速抛磨工件表面，,第9章 先进加工技术,又由于超声振动产生的空化现象，在工件表面形成液体空腔，促使混合液渗入工件材料的缝隙里，而空腔的瞬时闭合产生强烈的液压冲击，强化了机械抛磨工件材料的作用，并有利于加工区磨料悬浮液的均匀搅拌和加工产物的排除。随着磨料悬浮液不断地循环，磨粒的不断更新。加工产物的不断排除，实现了超声加工的目的。总之，超声加工是磨料悬浮液中的磨粒在超声振动下的冲击、抛磨和空化现象综合切蚀作用的结果。其中，以磨粒不断冲击为主。由此可见
14、，脆硬的材料受冲击作用愈容易被破坏，故尤其适于超声加工。,第9章 先进加工技术,超声波加工是功率超声技术在制造业应用的一个重要方面；是一种加工如陶瓷、玻璃、石英、宝石、锗、硅甚至金刚石等硬脆性半导体、非导体材料有效而重要的方法。即使是电火花粗加工或半精加工后的淬火钢、硬质合金冲压模、拉丝模、塑料模具等，最终常用超声抛磨、光整加工。 9.3.3应用 超声加工从20世纪50年代开始实用性研究以来，其应用日益广泛。随着科技和材料工业的发展，新技术、新材料将不断涌现，超声加工的应用也会进一步拓宽，发挥更大的作用。目前，生产上多用于以下几个方面：,第9章 先进加工技术,成形加工 超声波加工可加工各种硬脆
15、材料的圆孔、型孔、型腔、沟槽、异形贯通孔、弯曲孔、微细孔、套料等。 切割加工 超声精密切割半导体、铁氧体、石英、宝石、陶瓷、金刚石等硬脆材料比用金刚石刀具切割具有切片薄、切口窄、精度高、生产率高、经济性好的优点。 焊接加工 超声焊接是利用超声频振动作用去除工件表面的氧化膜，使新的本体表面显露出来，并在两,第9章 先进加工技术,个被焊工件表面分子的高速振动撞击下摩擦发热,亲和粘接在一起。 超声清洗 主要用于几何形状复杂、清洗质量要求高的中、小精密零件，特别是工件上的探小孔、微孔、弯孔、盲孔、沟槽、窄缝等部位的精清洗。 超声清洗时，应合理选择工作频率和声压强度，以产生良好的空化效应，提高清洗效果。
16、此外，清洗液的温度不可过高，以防空化效应的减弱，影响清洗效果。,第9章 先进加工技术,9.4高速切削加工技术 高速切削加工是指采用超硬材料刀具、磨具和高速运动的制造设备加工制造零件的加工。高速加工的目的是通过极大地提高切削或磨削速度，来实现提高加工质量、加工精度和降低加工成本的目的。 9.4.1概述 高速切削加工技术是近20多年迅速崛起的一项先进制造技术，已成为切削加工技术发展的主流。通常认为采用的切削速度和进给速度比常规加工高510倍的加工方式为高速加工，并非传统意义上的采用大的切削用量来提高加工效率的加工方式，而是采用高转速、快进给、小切削深度和小进给量,第9章 先进加工技术,来去除余量，完成零件加工的过程。 不同的加工方式、不同材料的切削速度是不同的，各种材料的高速加工切削范围为：钢为6003000m/min；铸铁为9005000m/min；铝合金为20007500m/min；钛合金为1501000m/min；超耐热镍合金为500m/min。各种制造加工工序的切削速度范围为：车削7007000m/min；
