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1、第13章 现代加工技术,教学基本要求 1.了解现代加工的特点与分类。 2.了解电火花、电解、超声波、激光等现代加工的基本原理和应用范围。 3.了解先进制造技术的概念与内容。,1 概述,现代加工不仅用机械能而更多的应用电能、化学能、声能、光能、磁能等进行加工。与传统的切屑加工相比较,其特点是切除材料的能量不主要靠机械能,主要为其他形式的能量； “以柔克刚”;工具与工件间无显著机械切削力; 加工能量易于控制、转换,可复合成新的工艺技术,适应加工范围广。,2 电火花加工,电火花加工, 加工时,脉冲电源的两极分别接工具电极、工件电极。 极间电压将绝缘液体介质击穿,通道截面很小,放电时间极短,能量高度集
2、中,放电产生瞬间高温 使材料熔化至汽化,以形成一个小凹坑。 周而复始 地循环,工具电极不断地向工件进给,它的形状就复制在工件上,形成所需要加工表面。,电火花加工可加工任何硬、脆、软、韧和高熔点的导电材料。 “切削力”、热效应影响极小； 易于自动控制。 电火花加工可以进行成形穿孔、磨削、线电极加工、展成加工、非金属电火花加工和表面强化等,3 电解加工,电解加工零件加工时,工件接直流电源的正极(阳极),按形状要求制成的工具接负极(阴极)具有一定压力的电解液从两极间隙中高速流过。 阳极工件上与工具阴极的对应部位迅速溶解,并被高速的电解液冲走。 同时工具阴极以一定速度向工件进给,达到预定的加工深度时,
3、就获得所需要的加工形状.,电解加工加工范围广,不受材料本身硬度、强度的限制,可以加工淬硬钢材、硬质合金、不锈钢、耐热合金等高硬、高强度及韧性的导电材料。具体可加工叶片、锻模等各种复杂形面。 无机械切削力和切削热的作用。 加工后工件精细。 在加工炮膛膛线、花键孔、深孔、内齿轮、链轮、叶片、异形零件及模具等获得广泛的应用。,4 超声波加工,以超声振动为动力,工具端面迫使工作液中悬浮的磨粒以很大的速度撞击和研磨工件,把加工区域内的材料破碎成细微粒并打击下来,实现加工。 能加工硬质合金、淬火的钢材等导电材料,更适合于加工玻璃、陶瓷、半导体锗、硅片等非金属脆硬材料,也可清洗、焊接、探伤、测量、冶金等其他
4、方面。,5 激光加工,将激光高度集中起来,聚焦成极小的光斑,获得功率密度极高,能提供足够的热量来熔化或汽化材料,可非接触加工,适合材料的微细加工。 当激光器中工作物质钇铝石榴石受到光泵的激发后,辐射跃迁,造成光放大,通过谐振腔内的反射镜的反馈作用产生振荡,再通过透镜聚焦形成高能光束,照射在工件表面上,可进行加工。,激光加工可加工以往认为难加工的任何材料,非接触式加工,不会污染材料,加工速度快、热影响区小,变形也小,易于实现控制。 激光加工有:打精细微孔,切割,焊接,热处理,形成自淬火。 目前已有：表面相变硬化,表面合金化,表面非晶态化,激光“上亮”和表面冲击硬化等;存储;激光还在划线、调动平衡
5、、微调等多方面有新用途。,6 离子束加工,在真空条件下,将离子源产生的离子束经过加速聚焦,使之打到工件表面。带正电荷的离子,其质量非常大,加速到较高速度时,产生的强大撞击动能可以实现加工。 离子束加工可控性好,可将材料的原子一层层地铣削下来,使工件加工的精度、表面粗糙度的控制近乎极限。 一台设备,既可用于加工,又可用于蚀刻、熔化、热处理、焊接等。,1 概述,快速成形技术,也称快速原形技术,与通常的零件的切削成形有较大的差异,传统的零件切削是 将坯体化大为小而获得零件形状的,或者说是通过材料减法完成的。 则快速成形法是将坯体分解为薄片,后堆积,是像应用“一砖一瓦建造大厦”一样以积小为大的过程,
6、形象的说是加法完成的,又称为堆积成形。,一、快速成形的特点 1.可造形状复杂件 不用模具,制造出形状结构、内腔复杂的零件,模具型腔件等,如汽轮机叶轮,手机机壳、医用骨骼与牙齿等。 2技术复杂程度高 3.制形快造物敏捷 从计算机设计三维立体图形,到制出实体零件,只需几个小时或几十个小时。,4.远程设计异地造 快速成形技术可容易地实现远程制造。 5.环保低碳废料少 6.成本降低效果显 对工件几何构成复杂性不敏感,对形状很复杂的零件,均可充分体现设计细节,且尺寸和形状精度大为提高,不需要进一步加工。 制作过程不需要工装夹具、刀具、模具的投入,效率高,易于自动控制,成本很低。,2 熔熔沉积快速成形,熔
7、融沉积快速成形技术,又称熔融堆积成形、熔融挤出成形,英文缩写FDM。 成形材料有ABS塑料、石蜡、低熔点金属、橡胶、聚酯等热塑性塑料的线材。 制造熔模铸造的蜡型、制造供新产品观感评价和性能测试的样件、结构分析和装配校合的样件,以及以往需要用模具生产的单件或小批量制件。,一、工艺成形基本原理 成形时,丝状成形材料和支撑材料由供丝机构送至各自对应的微细喷头,并被加热至熔融状态或半熔融状态。 喷头在计算机的控制下,按照分层数据控制的零件截面轮廓和填充轨迹作X-Y平面运动；在恒定压力作用下,将熔材以较低的速度连续地挤喷出并控制其流量。 材料被选择性的沉积在层面指定位置后迅速凝,固,形成截面轮廓,并与周
8、围的材料凝结。 一层堆积成形完成后,成形平台下降一层片的厚度(一般为0.250.75mm),再进行下一层的沉积 各层叠加,最终形成三维产品。 根据成形零件时材料形态,可分为熔融喷射和熔融挤压两种成形方式,FDM属于熔融挤压工艺。 在FDM中,其成形件的每个层片是由丝状材料受控聚集形成的. 二、工艺特点,1.成形材料很广泛 低熔点的蜡或塑料熔融时与高熔点的金属粉末、陶瓷粉末、玻璃纤维、碳纤维等混合成多相成形材料。并且可选用各种色彩的工程材料。 2.设备简单成本低 FDM靠材料熔融实现连接成形,用液化器代替了激光器,简化了设备,制作费用大大降低。 3.应用环境无限制 使用无毒的原材料, 对环境无污
9、染,适宜安装于,办公桌上使用,很方便。 4.易造形状复杂件 5.制件稳定变形小 6.耗材节省寿命长 7.支撑结构造除易 采用水溶性支撑材料,快速构建支撑结构,简单易行,去除快捷,无需化学清洗. 当然,FDM也存在问题,如只适合成形中、小塑料件,成形速度较慢,且原材料价格昂贵等。,3 其他快速成形工艺简介,一、光敏树脂液相固化快速成形 光敏树脂液相固化成形(SLA),又称光固化立体造形、立体印刷、光造形。 SLA是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的. 这种液态材料在一定波长和功率的紫外激光的照射下能迅速发生光聚合反应,分子量急剧增大,材料也就从液态转变成固态。,1.工艺原理 在储液槽中盛满液态光
10、敏树脂,激光经过聚焦镜聚焦后形成激光束, 在液体表面上扫描,光点扫描到的地方,液体就固化。 成形开始时,工作平台在液面下确定的深度,液面始终处于激光的焦点平面内,聚焦后的光斑在液面上按计算机的指令逐点扫描即逐点固化。 扫描完一层,未被照射的地方仍是液态树脂. 然后升降台带动平台下降一层高度(约0.1mm),已成形的层面上又布满一层液态树脂,刮平器将黏度较大的树脂液面刮平; 然后再对下一层的扫描,新固化的一层牢固地黏在前一层上,如此重复,至整个实体零件制造完 2.工艺特点 尺寸精度高 SLA原型的尺寸精度可以达到0.1mm。 表面质量好 上表面可得到玻璃状的效果。,制作复制件 可以制作结构十分复
11、杂的模型。 铸件消失型 可以直接制作面向熔模精密铸造的具有中空结构的消失型。 SLA缺点有:尺寸稳定性差,设备及维护成本高 3.应用领域 制作比较精细和复杂的零件,可快速翻制各种模具,如硅橡胶模、金属冷喷模、陶瓷模等。,二、分层实体制造(LOM) LOM又称叠层实体制造, LOM法采用纸、金属箔等薄片材料,由计算机控制激光束,按模型每层的内外轮廓线切割薄片材料,得到该层的平面形状,并逐层堆放成零件原型。 分层实体制造的特点 1.成形速度快 只需使激光束沿着物体的轮廓进行切割,无需扫描整个断面,所以成形速度很快。,2.尺寸精度高 原型精度高，翘曲变形较小。 3.硬而耐高温 原型能承受200 ,高
12、的硬度和好的力学性能。 4.不必设支撑 需设计和制作支撑结构。 5.能切削细化 能切削,使零件尺寸进一步精细化。 6.废料易剥离,7.制件尺寸大 8.制作成本低 需要注意的缺点有：不能直接制作塑料原型；原型(特别是薄壁件)的抗拉强度和弹性不够好；原型易吸湿膨胀；表面易生台阶纹理等。 三、选择性激光烧结快速成形(SLS) SLS ,又称选区激光烧结、粉末材料选择性激光烧结等,与其它RP工艺相比,SLS最突出的优点在于它所使用的成型材料十分广泛.,1.选择性激光烧结的基本原理 SLS的工艺原理是应用粉末材料在激光照射下烧结的原理.在计算机控制下层层堆积成形。 成形装置由粉末缸和成形缸组成,工作时供
13、粉活塞上升,由铺粉辊筒将粉末在成形活塞上铺上均匀的一层,计算机按照原型的切片模型控制激光束的二维扫描轨迹,有选择地烧结固体粉末材料以形成零件的一个层面。 粉末完成一层后,成形活塞下降一个层厚,铺粉,系统铺上新粉,控制激光束再扫描烧结新层。 如此往复循环,逐层叠加,至所需零件成形。 最后,将未烧结的粉末回收,并取出原型。 2.选择性激光烧结的特点 材料应用广泛 可以采用多种材料 工艺简制件优 过程与零件复杂程度无关. 材料利用率高 未烧结的粉末可重复使用。 无需支撑结构 简化制造过程,高效低碳。 模具硬度较高 能生产出较硬的模具。,SLS 的缺点有： 原型结构疏松、多孔,有内应力,制件易变形; 成陶瓷、金属制件的后处理较难,需要预热和冷却,成型表面粗糙多孔, 成形过程产生有毒气体和粉尘,污染环境。 四、三维打印(3DP) 3DP,也称三维印刷或喷涂粘结. 与选择性激光烧结类似,采用陶瓷粉末、金属粉末等成形。 但材料粉末是用粘接剂将零件的截面印刷“在,材料粉末”上面并粘结成形。 它以喷头作成形源,工作类似打印头, 喷头除做X-Y平面运动外,工作台还做Z方向的垂直运动,并且喷头喷出的材料不是油墨,而是粘结剂。 2.三维打印的特点 成形快材料便宜 彩色原型是亮点 适宜内腔复杂件 缺点有：强度较低,只能做概念型模型。,
