先進(jìn)制造技術(shù)課件第3章.ppt

第三章先進(jìn)制造工藝技術(shù) 3 1精密成型技術(shù)3 2精密與超精密加工技術(shù)3 3超高速加工技術(shù)3 4特種加工技術(shù)3 5微細(xì)加工技術(shù)復(fù)習(xí)思考題 3 1精密成型技術(shù) 3 1 1粉末冶金粉末冶金是一種精密成型工藝 成品件可以達(dá)到相當(dāng)高的精度和表面粗糙度 可以不經(jīng)任何后續(xù)加工直接應(yīng)用 也可以進(jìn)行一定的精加工 圖3 1所示為粉末冶金工藝過(guò)程 1 粉末成型方法 1 磁動(dòng)力壓制 裝于精密模具中的松散鐵粉 經(jīng)磁場(chǎng)徑向壓制可達(dá)到很高的密度 同時(shí)克服了單軸模壓方法中限制軸向長(zhǎng)度與密度梯度的局限性 圖3 1粉末冶金工藝過(guò)程 2 爆炸壓制 爆炸壓制是得到高密度坯料的好方法 沖擊波通過(guò)粉末即可將粉末壓制成坯 光學(xué)研究表明 對(duì)于柱形試樣 為使密度均勻 沖擊波的形狀應(yīng)該是錐形的 3 新的擠壓成型法 常規(guī)金屬擠壓僅限于鋁和銅一類(lèi)延性材料 而高強(qiáng)度材料和高溫材料只能采用鍛造與機(jī)加工方法 新的擠壓法可通過(guò)調(diào)節(jié)金屬粉末 粘結(jié)劑混合系統(tǒng)的粘度來(lái)制取擠壓料 然后用擠壓塑性材料的常規(guī)擠壓機(jī)進(jìn)行擠壓 可像金屬注射成型那樣 用溶劑萃取法去除粘結(jié)劑 而后經(jīng)燒結(jié)可制得棒 管等一類(lèi)致密型材 通過(guò)調(diào)節(jié)粉末坡度與燒結(jié)參數(shù) 也可制取壁上有開(kāi)孔的管 由此制成過(guò)濾器及其他功能產(chǎn)品 4 吹氣裝粉法 因粉末流動(dòng)性差 故往往在壓模裝粉時(shí)出現(xiàn)粒度偏析 新開(kāi)發(fā)出的吹氣裝粉法將少量氣體吹入裝粉靴中 因而改善了粉末的流動(dòng)性 降低了粒度偏析 縮短了裝粉時(shí)間 5 溫壓 溫壓工藝是利用溫度與壓力使粉末致密化的 其最終密度可達(dá)7 25 7 458g cm3 各種溫壓工藝都有一定的溫度范圍 溫壓工藝應(yīng)用于汽車(chē)零件等高強(qiáng)度 小型化的開(kāi)發(fā)制造過(guò)程 2 成型工藝特點(diǎn)及研究方向粉末冶金工藝一般具有以下特點(diǎn) 1 可以得到近凈形零件 2 通過(guò)粉末合金成分的配合 可以得到符合零件性能要求的制品 3 也適合于大批量生產(chǎn) 粉末成型領(lǐng)域的主要研究方向是 1 粉末制造技術(shù) 例如急冷凝固粉末 機(jī)械合金化 MA 粉末 超微 1 m以下 粉末的制備等 2 成型及固化技術(shù) 例如冷等靜壓成型 CIP 和熱等靜壓成型 HIP 粉末鍛造 電磁成型 金屬粉末注射成型 MIM 等 新開(kāi)發(fā)的粉末材料需配以?xún)?yōu)化的固化及成型技術(shù) 另外 比較成熟的模具成型技術(shù)亦存在工藝優(yōu)化的需求 復(fù)雜零件的粉末精確成型 公差達(dá) 0 02mm 也需要高精度 智能化的成型和固化設(shè)備的支持 這些問(wèn)題共同的特點(diǎn)是對(duì)技術(shù)訣竅或經(jīng)驗(yàn)的依賴(lài)程度很大 3 1 2精密潔凈鑄造 1 精密砂型鑄造 PrecisionSandCasting 1 FM法 FM為法語(yǔ)FonteMince 薄壁鐵 的縮寫(xiě) FM法采用冷芯盒砂芯疊箱造型 在低壓下進(jìn)行澆注 這種方法已成功地用于大量生產(chǎn)壁厚僅2 8mm的球墨鑄鐵排氣管 法國(guó)一鑄造廠已建成日產(chǎn)2500根排氣管的生產(chǎn)線 1992年 其主要用戶(hù)為美國(guó)通用汽車(chē)公司Cadillac豪華型轎車(chē)部 2 Zeus法 Zeus法采用冷芯盒砂芯組芯造型 重力澆注 由于所用的工藝裝備 芯盒 制造得十分精確 因而可獲得尺寸十分精確的鋁鑄件 這種方法可以生產(chǎn)壁厚僅2 5mm的復(fù)雜鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)缸體 缸蓋 3 Cosworth法 Cosworth法 見(jiàn)圖3 2 采用冷芯盒砂芯組芯造型 但是它使用鋯砂 通常在鑄造生產(chǎn)中使用石英砂 利用電磁泵來(lái)實(shí)現(xiàn)在可控壓力下使鋁合金液由下而上地充填鑄型 由于鋯砂的熱膨脹率很小而且恒定 因而有利于獲得尺寸精確度高的鑄件 但是 由于鋯砂導(dǎo)熱性極好 比石英砂高出兩倍多 因而用它所造的砂型難以澆注出壁厚小于4mm的鋁鑄件 此外 砂芯采用機(jī)械組裝 組裝后砂型如同一個(gè)整體 也有利于確保鑄件尺寸精度 圖3 2Cosworth法示意圖 2 消失模鑄造 ExpendablePatternCastingorLostFoamProcess 消失模鑄造采用遇液體金屬后即氣化的泡沫塑料作模樣 無(wú)分型面 也不用取模 不用砂芯 同時(shí)采用無(wú)水分 無(wú)粘結(jié)劑 無(wú)附加物的干砂造型 這種方法可以生產(chǎn)出薄壁 零度拔模斜率的復(fù)雜鑄件 并可直接鑄出螺紋及曲折的通道 它可以減少機(jī)械加工工序 這種方法在大量生產(chǎn)中應(yīng)用后發(fā)現(xiàn)還有不少有待解決的技術(shù)問(wèn)題 例如 用于制造消失模的模具成本高和制造周期長(zhǎng) 消失模因剛度差在緊砂過(guò)程中易變形 鑄件表面質(zhì)量不穩(wěn)定 等等 B 工藝過(guò)程 P104 3 擠壓鑄造 SqueezeCasting 所謂 擠壓鑄造 是指將液體金屬在不受擾動(dòng) 不卷進(jìn)空氣的條件下充填金屬鑄型 隨后又使鑄件在高壓下完成凝固過(guò)程 從而獲得優(yōu)質(zhì)可熱處理的鑄件的工藝方法 這種最初作為液態(tài)沖壓而開(kāi)發(fā)的 擠壓鑄造 目前則一般是指一種由截面尺寸很大的澆道將液態(tài)金屬引入型腔的鑄造方法 這樣就能使鑄件在凝固過(guò)程中能得到充分的補(bǔ)縮 今天被普遍接受的 擠壓鑄造 定義是 一種具有低的充型速率 最低限度的擾動(dòng) 并在整個(gè)凝固期間保持高壓的工藝方法 它能穩(wěn)定地制造進(jìn)行固熔熱處理的高度整體性的鑄件 汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)鋁合金活塞可以由加熱的含超過(guò)25 陶瓷或耐磨金屬纖維的預(yù)制件擠壓鑄造而成 該工藝方法將增強(qiáng)材料安放在需要的部位 如活塞圓頂或上活塞環(huán)槽處 以達(dá)到耐熱及耐磨等目的 4 半固態(tài)鑄造 Semi solidMetalCasting 半固態(tài)鑄造的過(guò)程是 將一專(zhuān)門(mén)的連續(xù)鑄造鋁合金的坯料仔細(xì)地加熱到其中含有一定的液態(tài)容積組分的溫度 這一粥狀坯料隨后被擠壓到一金屬型腔內(nèi)以形成一近終形 致密的鑄件 然后可以通過(guò)熱處理來(lái)進(jìn)一步改善其性能 半固態(tài)鑄造示意圖如圖3 3所示 圖3 3半固態(tài)鑄造示意圖 圖3 4半固態(tài)鑄造及擠壓鑄造獲得的A1Si7Mg A356 357 合金機(jī)械性能 5 壓力鑄造壓力鑄造是在高壓作用下 將金屬熔液以較高的速度壓入高精度的型腔內(nèi) 力求在壓力下快速凝固 以獲得優(yōu)質(zhì)鑄件的高效率鑄造方法 在有色金屬的各種精密鑄造工藝中 壓力鑄造所占的比例最大 壓力鑄造件的線性尺寸精度可達(dá)6 8級(jí) 部分可達(dá)5級(jí) 鑄件的表面粗糙度可達(dá)Rg3 2pm以上 壓鑄工藝流程如圖3 5所示 圖3 5壓鑄工藝流程 壓力鑄造 壓鑄 機(jī)械化程度和生產(chǎn)效率很高的特種鑄造方法 金屬零件的精密成形工藝1 工作原理將熔融的金屬在高壓 幾 幾十MPa 500Mpa 下 在極短的時(shí)間內(nèi) 充填時(shí)間一般為0 01 0 21s內(nèi) 以極高的速度 充填速度一般為0 5 50M S 120m s 充填模具的型腔內(nèi) 持續(xù)地高壓使之在壓力下凝固結(jié)晶 2 工作過(guò)程1 定量吸液屬于定量鑄造 2 壓射填充壓力不同得到低高壓不同的壓力鑄造方法 3 冷卻凝固4 壓頭返回取出鑄件 6 熔模鑄造熔模鑄造是由古代失陷鑄造發(fā)展起來(lái)的一種精密鑄造方法 熔模鑄造的鑄件質(zhì)量可達(dá)鑄件一級(jí)精度 熔模鑄造常用于壓型制造方法中 機(jī)械加工壓型是用碳鋼 鋁 銅等材料制成的 導(dǎo)熱性好 尺寸精確 粗糙度高 還可鍍鉻拋光 生產(chǎn)出的鑄件質(zhì)量很高 熔模鑄造適用于生產(chǎn)批量大 精度要求高 難加工材料的零件 圖3 6所示為熔模鑄造工藝流程 圖3 6熔模鑄造工藝流程 7 陶瓷型鑄造陶瓷型鑄造用陶瓷漿作為造型材料灌漿成型 經(jīng)高溫焙燒后 再行合箱澆注金屬液 鑄成零件 陶瓷型鑄造的整體型適用于形狀復(fù)雜的小鑄型和各種型芯 薄殼型適用于中大鑄型 陶瓷型鑄造一般模樣的粗糙度比澆得的鑄件粗糙度高兩級(jí)以上 粗糙度可達(dá)Ra6 3 1 6 m 尺寸精度在100mm上可控制在 0 20mm以?xún)?nèi) 8 殼型鑄造殼型鑄造用人造樹(shù)脂作型砂粘結(jié)劑 型砂在硬化后具有很高的強(qiáng)度 故鑄型可制成薄壁殼型 而型砂可制成空心的薄壁殼芯 由于成本高 殼型鑄造常用于制造殼芯 殼型鑄造的尺寸誤差對(duì)鋼及有色金屑為 1 0 對(duì)鑄造件為 0 75 表面粗糙度可達(dá)Ra6 3 1 6 m 廢品率可控制在1 2 的范圍內(nèi) 除上面介紹的幾種精鑄工藝外 其他還有金屬型鑄造 真空密封造型 液態(tài)擠壓鑄造等精密成型工藝 3 1 3精密鍛造精確鍛造成型的定義是 至少鍛件的部分表面的尺寸和形狀精度達(dá)到可直接用于裝配或僅需磨削加工即可裝配的程度 金屬坯料加熱到鍛造溫度 采用模鍛方法實(shí)現(xiàn)精密成型 這是現(xiàn)代機(jī)械零件的重要成型方法之一 機(jī)械零件中很多承力件 保安件 傳動(dòng)件都采用了熱鍛成型工藝 精密鍛造的工藝流程與熱模鍛工藝相比 通常需要增加精密鍛壓工序 并且需要有制造精密鍛模 無(wú)氧化或少氧化加熱和冷卻手段 另外 對(duì)備坯和后續(xù)切削加工常有特殊要求 一般用于難于切削加工或費(fèi)工時(shí)的零件 以及對(duì)使用性能有較高要求的零件 如齒輪 渦輪扭曲葉片 航空零件 電器零件等 精密模鍛件的精度約為普通鍛件的1 3 粗糙度可達(dá)Ra3 2 0 8 m 不需機(jī)械加工或進(jìn)行少量加工即可直接用來(lái)裝配 精密鍛造常用于齒輪和葉片的精密制造 對(duì)于齒輪的精鍛 齒形精度可達(dá)7 9級(jí) 對(duì)于葉片的精鍛 葉片的長(zhǎng)度可達(dá)1700mm 弦寬400mm 扭曲角80 以上 并可鍛出拉筋凸臺(tái) 可獲得高精度鍛件的精鍛工藝機(jī)器有 模鍛中的熱模鍛壓力機(jī) 平鍛機(jī) 螺旋壓力機(jī) 高速錘 多向模鍛水壓機(jī) 模鍛水壓機(jī) 精密鍛軸機(jī) 精鍛工藝有擠壓中的冷擠壓 溫?zé)釘D壓 鐓鍛以及楔形模橫軋 螺旋孔型斜軋 仿形斜軋 輾軋 擺動(dòng)輾壓等 1 冷擠壓 冷擠壓是將坯料放在模具中 在室溫下用壓力機(jī)加壓 使金屬在模腔內(nèi)受三向壓應(yīng)力而產(chǎn)生塑性變形 形成所需的形狀 尺寸及一定性能的零件的加工方法 冷擠壓的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)約原材料 材料利用率在80 以上 有時(shí)可達(dá)93 生產(chǎn)率高 精度及粗糙度高 精度7級(jí) 粗糙度可達(dá)Ra1 6 0 2 m 一般冷擠壓加工的零件不再需要切削加工 極個(gè)別情況下 只需精磨即可 冷擠壓加工常用來(lái)提高材料的機(jī)械性能 以及加工某些形狀復(fù)雜及難加工的材料 2 特種軋制 特種軋制可用于齒輪和絲桿的少無(wú)切削加工 冷軋絲桿在室溫下利用一對(duì)旋轉(zhuǎn)的軋輥加壓工件 使工件逐漸發(fā)生塑性變形而形成與軋輥孔型相同的螺紋形狀 冷軋絲桿的粗糙度可達(dá)Ra0 8 m以上 精度可達(dá)8級(jí)以上 熱軋齒輪將齒輪坯料外緣加熱至良好的塑性狀態(tài) 用帶齒的軋輪將坯料軋出輪齒 除一些精度要求低的機(jī)械外 軋后的齒輪尚需某些后續(xù)工序以提高齒形的精度 常用的后續(xù)加工法有切削法 磨齒和剃齒 和擠壓法 冷精軋 溫精軋 推擠等 3 其他壓力加工少無(wú)切削工藝主要指輥鍛 頂鐓 電熱鐓 精密下料等 輥鍛是把軋制工藝應(yīng)用到鍛造生產(chǎn)中而發(fā)展起來(lái)的一種鍛造新工藝 輥鍛過(guò)程是指使坯料通過(guò)一對(duì)裝有扇形模塊的回轉(zhuǎn)鍛輥 借助模槽使其產(chǎn)生塑性變形 而獲得所需的鍛件 頂鐓是利用坯料不變形部分進(jìn)行定位和夾緊 用模子對(duì)加熱或不加熱的一端施加壓力進(jìn)行局部鐓粗變形的一種工藝 包括沖孔 冷鐓 生產(chǎn)各種緊固件 電熱鐓是在對(duì)坯料進(jìn)行電加熱的同時(shí)進(jìn)行局部鐓粗的一種少無(wú)切削工藝 下料 是生產(chǎn)中 小型鍛件的第一道工序 由于各種精密鍛造技術(shù)的出現(xiàn) 對(duì)精密下料的要求也越來(lái)越高 由于精密下料可以提高生產(chǎn)率和材料利用率 因而下料精度也越來(lái)越受到重視 目前主要采用精密剪切下料技術(shù) 3 1 4精密沖裁精密沖裁簡(jiǎn)稱(chēng)精沖 在一定條件下可取代切削加工 具有優(yōu)質(zhì) 高效 低耗 面廣的特點(diǎn) 適合于組織自動(dòng)化生產(chǎn) 精沖件的尺寸公差可達(dá)IT7 IT8級(jí) 剪切面粗糙度可達(dá)Ra2 4 0 4 m 相當(dāng)于磨削 和切削加工相比 精沖一般可提高工效10倍左右 實(shí)現(xiàn)精密沖裁有效的方法之一是采用 v 形環(huán)強(qiáng)力壓邊精密沖裁技術(shù) 采用這種技術(shù) 只需一次沖壓行程即可獲得高粗糙度和高精度的制件 是提高沖裁件精度的一種經(jīng)濟(jì)而有效的方法 精密沖裁工藝過(guò)程如圖3 7所示 a 為沖裁起始位置 b 為模具閉合 壓邊圈 頂件板壓緊坯料 c 為在壓邊力和頂件反力的作用下進(jìn)行沖裁 d 為沖裁完畢 e 為模具開(kāi)啟 從凸模上卸下余料 從凹模內(nèi)推出制件 f 為取走制件和余料 準(zhǔn)備下一循環(huán) 圖3 7精密沖裁工藝過(guò)程 3 1 5精密焊接1 精確焊接成型技術(shù)可以達(dá)到精確成型制造目的的焊接工藝主要有高能密度焊接方法 如激光焊和電子束焊 以及固態(tài)焊接 擴(kuò)散焊和焊熔近終成型技術(shù)等 激光焊接是用激光束將被焊材料加熱至熔化溫度以上熔合而成焊接接頭的方法 當(dāng)激光功率密度達(dá)到105 107W cm2時(shí) 激光小孔效應(yīng)可使焊縫深寬比達(dá)12以上 熱影響區(qū)小 焊接變形小 適于焊接尺寸精度要求高的部件 但激光焊接對(duì)焊件的裝備精度要求高 并要求激光束能沿焊縫長(zhǎng)度精確掃描 因此 焊接過(guò)程和焊接質(zhì)量的實(shí)時(shí)檢測(cè)與閉環(huán)控制 以及對(duì)特種材料的激光焊接的研究將影響激光焊接的技術(shù)水平和應(yīng)用范圍 3 激光焊接 激光是利用原子受激輻射的原理 使工作物質(zhì)受激而產(chǎn)生一種單色性好 方向性強(qiáng) 相干性強(qiáng) 亮度高的光束 能量密度為1013W cm2 在1 1000秒的時(shí)間內(nèi)能將光能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?溫度可達(dá)1萬(wàn) 以上 所以極易熔化或汽化一些對(duì)激光有吸收能力的金屬和非金屬材料 可用于金屬或非金屬的焊接 1 分類(lèi)脈沖激光焊接和連續(xù)激光焊接兩類(lèi) 用于激光焊接的激光器有 CO2氣體 YAG固體按焊縫形成原理分為傳熱熔化焊和深穿入焊兩種 電子束焊接經(jīng)過(guò)近40年的發(fā)展已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用 它可以焊接幾乎所有用熔焊方法可焊的金屬材料 從廉價(jià)的汽車(chē)齒輪到貴重的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)部件 從極小的微型壓力傳感器到較大的航天器外殼 從極薄的工件到厚達(dá)300mm的厚板 既可用于單件生產(chǎn)也可用于大批量制造 電子束焊接方法可以將精加工后的零件組焊在一起而保證構(gòu)件的整體精度 因此 它在航空航天工業(yè)及核工業(yè)的重要部件焊接中具有重要意義 近年來(lái)國(guó)內(nèi)外發(fā)展起來(lái)的新型結(jié)構(gòu)材料 如陶瓷 復(fù)合材料 特殊合金 具有優(yōu)異的物理 化學(xué)和機(jī)械性能 但在實(shí)際應(yīng)用中 這些材料之間的連接問(wèn)題是必須解決的課題 目前最常用的方法有瞬間液相擴(kuò)散釬焊和固態(tài)連接方法如擴(kuò)散焊等 擴(kuò)散焊是一種可以連接物理 化學(xué)性能差別很大的異種材料的固態(tài)連接方法 如陶瓷與金屬 并可以連接截面形狀和尺寸差異大的材料 以及連接經(jīng)過(guò)精密加工的零部件而不影響其原有精度 5 擴(kuò)散焊 1 概念在真空或保護(hù)氣氛下 平整光潔的焊接表面在熱和壓力的同時(shí)作用下 發(fā)生微觀塑性流變后相互緊密接觸 原子相互擴(kuò)散 并經(jīng)一定時(shí)間保溫 使焊接區(qū)的成分和組織均勻化 達(dá)到完全的冶金連接的過(guò)程 2 特點(diǎn)和應(yīng)用1 擴(kuò)散焊母材不加熱或熔化 適合于焊接一般方法難以焊接的材料 彌散強(qiáng)化的高溫合金 纖維強(qiáng)化的硼 鋁復(fù)合材料 2 可以焊接不同類(lèi)型的材料如異種金屬 金屬與陶瓷等冶金上完全互不相溶的材料 3 可以焊接結(jié)構(gòu)復(fù)雜和厚薄相差大的金屬 4 接頭的成分 組織與性能完全相同或基本相同 焊前要求 焊件表面必須進(jìn)行精密加工 磨平拋光 清洗油污 焊熔近終成型技術(shù)是一種新發(fā)展的快速零件 原型 制造技術(shù) 其實(shí)質(zhì)是采用成型熔化制成全部由焊縫組成的零件 通?？刹捎靡呀?jīng)成熟的焊接技術(shù) 按照零件的需求連續(xù)逐層堆焊 直至達(dá)到零件的最終尺寸 這種方法的優(yōu)越性在于新制構(gòu)件的尺寸 形狀幾乎不受限制 目前已制成最大外徑達(dá)5 8m 重5 105kg的部件 其金屬材料利用率高 由于接近凈成型 只需少量加工即可 焊接材料利用率達(dá)80 以上 化學(xué)成分均勻 沖擊韌性 斷裂韌性均顯著改善 2 特種材料及特種環(huán)境下的新型焊接技術(shù)隨著21世紀(jì)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展 對(duì)于水下 太空等特種環(huán)境以及陶瓷 光纜 復(fù)合材料 微電子產(chǎn)品等新型材料 一方面原有的焊接技術(shù)仍在發(fā)展以適應(yīng)新的要求 另一方面 不斷有新的焊接方法涌現(xiàn)出來(lái) 例如 利用微波能的體積加熱和相選擇加熱特點(diǎn)進(jìn)行焊接 在陶瓷材料的制備和連接等方面已取得了一定進(jìn)展 微波體積加熱使陶瓷材料整體升溫 避免了陶瓷材料在快速加熱時(shí)由于溫度不均勻而導(dǎo)致開(kāi)裂的弊病 使快速加工陶瓷材料成為可能 同時(shí)微波的某些熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)使陶瓷材料中的物理過(guò)程異于普通加熱方法 導(dǎo)致了燒結(jié)與連接過(guò)程的加速 與電子束作為熱源相媲美 在真空條件下的陰極電弧可望成為實(shí)現(xiàn)太空焊接與釬焊的新型熱源 3 焊接生產(chǎn)自動(dòng)化和焊接過(guò)程的智能控制焊接生產(chǎn)自動(dòng)化將突出表現(xiàn)為生產(chǎn)系統(tǒng)的柔性化和焊接控制系統(tǒng)的智能化 焊接是機(jī)器人應(yīng)用的重要領(lǐng)域 過(guò)去以較為簡(jiǎn)單的點(diǎn)位點(diǎn)焊機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制為主 現(xiàn)在則要求制造能夠精確控制軌跡的多自由度的弧焊機(jī)器人 由于焊件形狀各異 焊縫的曲線多樣 因而要求焊接軌跡及規(guī)范參數(shù)的控制具有柔性 即發(fā)展以弧焊機(jī)器人為主體配合多自由度工件轉(zhuǎn)胎架的柔性制造系統(tǒng) FMS 同時(shí) 由于焊接過(guò)程要產(chǎn)生熱變形及工件裝配的隨機(jī)誤差 示教 再現(xiàn)方式的軌跡控制很難適應(yīng) 需要發(fā)展能識(shí)別環(huán)境并隨時(shí)精確跟蹤軌跡及調(diào)節(jié)焊接參數(shù)和姿態(tài)的智能焊接機(jī)器人 研究其傳感及控制技術(shù) 焊接過(guò)程控制中 多個(gè)參量常常在一個(gè)范圍內(nèi)波動(dòng)而又相互影響 沒(méi)有絕對(duì)分明的定量界限 因此 模糊數(shù)學(xué)及模糊控制理論已被列入焊接過(guò)程控制并成為研究熱點(diǎn) 由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)能從大量輸入 輸出樣本中學(xué)習(xí)到輸入 輸出的非線性函數(shù)關(guān)系 這一特點(diǎn)可在模糊控制中用于確定模糊規(guī)則和調(diào)整模型理論中的隸屬關(guān)系 因而模糊數(shù)學(xué)與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的結(jié)合將在焊接過(guò)程控制中有很大應(yīng)用前景 3 1 6快速原型技術(shù)1 快速原型技術(shù)快速原型技術(shù)指在計(jì)算機(jī)控制與管理下 由零件CAD模型直接驅(qū)動(dòng) 采用材料精確堆積復(fù)雜三維實(shí)體的原型或零件制造技術(shù) 是一種基于離散 堆積成型原理的新型制造方法 快速原型技術(shù)的出現(xiàn) 反映了現(xiàn)代制造技術(shù)本身的發(fā)展趨勢(shì)以及激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)制造技術(shù)發(fā)展的重大影響 2 快速原型技術(shù)的特點(diǎn)快速原型 RapidPrototyping RP 技術(shù)自1988年第一臺(tái)商業(yè)機(jī)種問(wèn)市后 即在世界各地形成一股旋風(fēng) 工業(yè)界 學(xué)術(shù)界 醫(yī)學(xué)界等 莫不紛紛投入人力 財(cái)力與物力以應(yīng)用或研發(fā)此被號(hào)稱(chēng)為 21世紀(jì)CNC工具機(jī) 之最新科技 快速原型技術(shù)與傳統(tǒng)加工程序比較其特點(diǎn)為 1 加工是一種加層行為 不需擔(dān)心刀具路徑 2 無(wú)需使用夾具及模具 節(jié)省成本 3 對(duì)于小數(shù)量之生產(chǎn)需求 經(jīng)濟(jì)效益顯著 表3 1快速原型技術(shù)與傳統(tǒng)切削方法的比較 3 快速原型技術(shù)的分類(lèi)及應(yīng)用一般而言 快速原型依其原料供應(yīng)方法不同 主要可分成粉末 液態(tài)樹(shù)脂和固體材料三大類(lèi) 各有其不同的特點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域 在粉末方面 有DTM公司的SelectiveLaserSintering SLS MIT大學(xué)發(fā)展的3DPrinting 德國(guó)EOS公司發(fā)展的EOS P與EOS M系列 粉末成型是目前最被看好的技術(shù) 因?yàn)槿魏慰芍瞥煞勰┑牟牧暇捎眠@種方式制作 由于它可以直接制作金屬件 因而利用這種特性可將它應(yīng)用在快速模具 RapidTooling 上 翻制大量生產(chǎn)用的產(chǎn)品 延伸了快速原型的應(yīng)用領(lǐng)域 在液態(tài)樹(shù)脂方面 目前投入的廠商數(shù)量最多 市場(chǎng)占有率也最多 其中又可分為液態(tài)光硬化樹(shù)脂 PhotoPolymer 及熔化固化型 Melting Solidification 兩類(lèi) 利用液態(tài)光硬化樹(shù)脂較為知名的廠商有美國(guó)3DSystems公司的StereoLithographyApparatus SLA 以色列Cubital公司的SolidGroundCuring SGC 日本NTT CMET公司的SolidObjectUltra VioletLaserPrinter SOUP 等 利用噴嘴技術(shù)的廠商有美國(guó)Stratasys公司的FusedDepositedModeling FDM 美國(guó)3DSystems公司的ThermoJetModeling 美國(guó)PerceptionSystems公司的BallisticParticleManufacturing BPM 等 在固體材料成型方面 一般使用片狀材料粘著 GlueingSheets 的方式加工 從加工原理看來(lái) 任何可制成片材的材料均可用這種方法 但因?yàn)槟芰垦b置 廢料去除及工件定位等因素的限制 目前大都以使用紙張為主 其中較為知名的有美國(guó)Helisys公司的薄片積層法 LaminatedObjectManufacturing LOM 日本KIRA公司的選擇性粘著與熱壓法 SelectiveAdditiveandHotPress SAHP 目前新加坡亦有與LOM相似的機(jī)器 但可能因?yàn)閷?zhuān)利問(wèn)題而無(wú)法在國(guó)際上行銷(xiāo) 其中 固體材料類(lèi)的薄片積層法具有材料價(jià)格低廉 加工迅速 成型簡(jiǎn)單等特點(diǎn) 快速原型應(yīng)用包羅萬(wàn)象 目前使用范圍由工業(yè)推展至醫(yī)學(xué) 藝術(shù) 地理信息及人文科學(xué)等 如果以目前應(yīng)用最成熟的工業(yè)原型與模型為例 可以應(yīng)用在供設(shè)計(jì)驗(yàn)證的概念原型 ConceptModel 上 但是作為功能評(píng)估用的實(shí)物模型因要求較高的強(qiáng)度及硬度 因而只有極少數(shù)的幾種適用 同時(shí)工業(yè)原型機(jī)器價(jià)格昂貴 因此其生命周期與適用性必然受限 而且由于近年來(lái)市場(chǎng)上工業(yè)產(chǎn)品生命周期愈來(lái)愈短 企業(yè)界必須使用快速原型技術(shù)將產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程縮短 因此 快速原型技術(shù)是縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程的最有效方法 1 利用激光固化樹(shù)脂材料的光造型法光造型裝置中 一直以美國(guó)3DSystems公司的SLA型產(chǎn)品獨(dú)占鰲頭 并形成壟斷市場(chǎng) 其工作原理如圖3 8所示 由激光器發(fā)出的紫外光 經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)匯集成一支細(xì)光束 該光束在計(jì)算機(jī)控制下 有選擇地掃描液升降裝置容器中的光敏樹(shù)脂表面 利用光敏樹(shù)脂遇紫外光凝固的機(jī)理 一層一層固化光敏樹(shù)脂 每固化一層 工作臺(tái)下降一精確距離 并按新一層表面幾何信息使激光掃描器對(duì)液面進(jìn)行掃描 使新一層樹(shù)脂固化并緊緊粘在前一層已固化的樹(shù)脂上 如此反復(fù)進(jìn)行 直至制作生成零件實(shí)體模型 激光立體造型制造精度目前可達(dá) 0 1mm 主要用于制作產(chǎn)品的樣品和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?此外 日本開(kāi)發(fā)的SOLIFORM可直接制作注射成型模具和真空注塑模具 圖3 8立體光造型技術(shù)原理 2 紙張疊層造型法紙張疊層造型法目前以Helisys公司開(kāi)發(fā)的LOM裝置應(yīng)用最廣 該裝置采用專(zhuān)用滾筒紙 由熱軋輥使紙張加熱連接 然后用激光將紙切斷 待熱軋輥?zhàn)詣?dòng)離開(kāi)后 再由激光將紙張裁切成所要求的形狀 其原理如圖3 9所示 LOM可制作一些光造型法難以制作的大型零件和厚壁樣件 且制作成本低廉 約為光造型法的1 2 速度高 約為木模制作時(shí)間的1 5以下 并可簡(jiǎn)便地分析設(shè)計(jì)構(gòu)思和功能 圖3 9紙張疊層造型原理 3 熱可塑造型法熱可塑造型法以DTM公司開(kāi)發(fā)的選擇性激光燒結(jié) SelectiveLaserSintering SLS 應(yīng)用較多 該方法用CO2激光熔融燒結(jié)樹(shù)脂粉末的方法制作樣件 工作時(shí) 由CO2激光器發(fā)出的光束在計(jì)算機(jī)控制下 根據(jù)幾何形體各層橫截面的幾何信息對(duì)材料粉末進(jìn)行掃描 激光掃描處粉末熔化并凝固在一起 然后 鋪上一層新粉末 再用激光掃描燒結(jié) 如此反復(fù) 直至制成所需樣件 其原理如圖3 10所示 圖3 10選擇性激光燒結(jié)原理 SLS技術(shù)造型速度快 一般制品僅需1到2天即可完成 造型精度高 每層粉末最小厚度約0 07mm 激光動(dòng)態(tài)精度可達(dá) 0 09mm 并具有自動(dòng)激光補(bǔ)償功能 原型強(qiáng)度高 聚碳酸脂其彎曲強(qiáng)度可達(dá)34 5MPa 尼龍可達(dá)55MPa 因此 可用原型進(jìn)行功能試驗(yàn)和裝配模擬 以獲取最佳曲面并觀察配合狀況 4 快速原型技術(shù)的歷史 現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)2000年12月在德國(guó)法蘭克福Euro Mold和2001年5月辛辛那提SME RPM會(huì)議上對(duì)RP技術(shù)的發(fā)展方向進(jìn)行了熱烈討論 面向市場(chǎng)的非定制生產(chǎn)不斷擴(kuò)大 人們需要既滿(mǎn)足客戶(hù)個(gè)性化需求又可進(jìn)行大批量生產(chǎn)的低成本生產(chǎn)方式 A Toffler 1970年 B J Pine 1993年 D Anderson 1999年 就提出過(guò)批量定制 MassCustomization 的概念和方法體系 其工藝的核心技術(shù)是快速制造 RapidManufacturing RM RM技術(shù)使設(shè)計(jì)和制造更緊密地結(jié)合起來(lái) 具體表現(xiàn)為 兩個(gè)統(tǒng)一 通過(guò)CAD模型直接驅(qū)動(dòng)工具和材料來(lái)成型 進(jìn)一步將成型的過(guò)程與物理過(guò)程統(tǒng)一起來(lái) 采用離散 堆積成型原理 將材料制備與材料成型過(guò)程統(tǒng)一起來(lái) RP技術(shù)朝兩個(gè)方向發(fā)展 發(fā)展方向一 RP仍然保留制造概念模型的部分 并朝著桌面化發(fā)展 隨著快速成型技術(shù)的發(fā)展 一種適合環(huán)境和桌面化的小型 三維打印機(jī) 日益受到RP設(shè)備開(kāi)發(fā)商和用戶(hù)的關(guān)注 這種設(shè)備的特點(diǎn)是價(jià)格便宜 外觀小巧 成型空間較小 有一定的造型精度 這方面的發(fā)展以以色列的概念模型機(jī)為先 我國(guó)清華大學(xué)激光快速成型中心也在開(kāi)發(fā)適合中國(guó)國(guó)情的 三維打印機(jī) 它將比國(guó)外設(shè)備有更好的性?xún)r(jià)比 RP技術(shù)發(fā)展方向二 朝制造功能性模型 零件 方向發(fā)展 主要應(yīng)用于批量定制 材料梯度 功能梯度零件以及金屬成型零件 總之 快速成型技術(shù)是當(dāng)今世界上發(fā)展迅速的先進(jìn)制造技術(shù)之一 在RP繼續(xù)朝著向化設(shè)備概念原型方面發(fā)展的同時(shí) RM從RP中分化出來(lái)成為批量定制的核心工藝 并向材料梯度 功能梯度零件 生物制造以及直接金屬成型零件方向迅猛發(fā)展 關(guān)注其發(fā)展的最新動(dòng)態(tài) 對(duì)我國(guó)快速成型事業(yè)的健康發(fā)展以及制造業(yè)都有深遠(yuǎn)的意義 3 2精密與超精密加工技術(shù) 3 2 1精密與超精密加工技術(shù)概述1 精密加工與超精密加工定義精密加工和超精密加工的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛 它包括所有能使零件的形狀 位置和尺寸精度達(dá)到微米和亞微米范圍的機(jī)械加工方法 精密和超精密只是相對(duì)而言的 其間的界限隨時(shí)間的推移而不斷變化 因此精密和超精密在不同的時(shí)期必須使用不同的尺度來(lái)區(qū)分 1983年日本的Taniguchi教授在考查了許多超精密加工實(shí)例的基礎(chǔ)上對(duì)超精密加工的現(xiàn)狀進(jìn)行了完整的綜述 并對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了預(yù)測(cè) 他把精密和超精密加工的過(guò)去 現(xiàn)狀和未來(lái)系統(tǒng)地歸納為圖3 11所示的幾條曲線 圖3 11加工精度在不同時(shí)期的進(jìn)展曲線 2 精密加工與超精密加工的特點(diǎn) 1 蛻化 和 進(jìn)化 加工原則 一般加工時(shí) 工作母機(jī) 機(jī)床 的精度總是要比被加工零件的精度高 這一規(guī)律稱(chēng)為 蛻化 原則 或稱(chēng) 母性 原則 對(duì)于精密加工和超精密加工 由于被加工零件的精度要求很高 用高精度的 母機(jī) 有時(shí)甚至已不可能 這時(shí)可利用精度低于工件精度要求的機(jī)床設(shè)備 借助工藝手段和特殊工具 直接加工出精度高于 母機(jī) 的工件 這是直接式的 進(jìn)化 加工 另外 用較低精度的機(jī)床和工具 制造出加工精度比 母機(jī) 精度更高的機(jī)床和工具 即第二代 母機(jī) 和工具 用第二代 母機(jī) 加工高精度工件 這是間接式的 進(jìn)化 加工 兩者統(tǒng)稱(chēng) 進(jìn)化 加工 或稱(chēng)創(chuàng)造性加工 2 微量切除 極薄切削 超精密加工時(shí) 背吃刀量極小 是微量切除和超微量切除 因此對(duì)刀具刃磨 砂輪修整和機(jī)床均有很高要求 3 形成了綜合制造工藝系統(tǒng) 精密加工和超精密加工是一門(mén)綜合性技術(shù) 要達(dá)到高精度和高表面質(zhì)量 還要考慮加工方法的選擇 加工工具及材料的選擇 被加工材料的結(jié)構(gòu)及質(zhì)量 加工設(shè)備的結(jié)構(gòu)及技術(shù)性能 測(cè)試手段和測(cè)試設(shè)備的精度 恒溫凈化防振的工作環(huán)境 工件的定位與夾緊方式以及人的技藝等諸多因素 因此 精密與超精密加工是一個(gè)系統(tǒng)工程 不僅復(fù)雜 而且難度大 4 與自動(dòng)化聯(lián)系十分緊密 5 特種加工方法和復(fù)合加工方法 6 加工檢測(cè)一體化 3 超精密加工所涉及的技術(shù)范圍超精密加工所涉及的技術(shù)領(lǐng)域包含以下幾個(gè)方面 1 超精密加工機(jī)理 2 超精密加工的刀具 磨具及其制備技術(shù) 包括金剛石刀具的制備和刃磨 修整等 是超精密加工重要的關(guān)鍵技術(shù) 3 超精密加工機(jī)床設(shè)備 4 精密測(cè)量及補(bǔ)償技術(shù) 5 嚴(yán)格的工作環(huán)境 4 精密與超精密加工的應(yīng)用與進(jìn)展超精密加工技術(shù)在尖端產(chǎn)品和現(xiàn)代化武器制造中占有非常重要的地位 例如 導(dǎo)彈的命中精度是由慣性?xún)x表的精度決定的 而慣性?xún)x表的關(guān)鍵部件是陀螺儀 如果1kg重的陀螺轉(zhuǎn)子 其質(zhì)量中心偏離對(duì)稱(chēng)軸0 5nm 則會(huì)引起100m的射程誤差和50m的軌道誤差 美國(guó)民兵 型洲際導(dǎo)彈系統(tǒng)陀螺儀的精度為0 03 0 05 其命中精度的概率誤差為500m 而MX戰(zhàn)略導(dǎo)彈 可裝載10個(gè)核彈頭 制導(dǎo)系統(tǒng)陀螺儀精度比民兵 型導(dǎo)彈高出一個(gè)數(shù)量級(jí) 從而保證命小精度的概率誤差只有50 150m 人造衛(wèi)星的儀表軸承是真空無(wú)潤(rùn)滑軸承 其孔和軸的表面粗糙度達(dá)到1nm 其圓度和圓柱度均以nm為單位 紅外探測(cè)器中接收紅外線的反射鏡是紅外導(dǎo)彈的關(guān)鍵零件 其加工質(zhì)量的好壞決定了導(dǎo)彈的命中率 要求反射鏡表面的粗糙度Ra 0 0l 0 015 m 再如 若將飛機(jī)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子葉片的加工精度由60 m提高到12 m 而加工表面粗糙度Ra由0 5 m減少到0 2 m 則發(fā)電機(jī)的壓縮效率將從89 提高到94 傳動(dòng)齒輪的齒形及齒距誤差若能從目前的3 6 m降低到1 m 則單位齒輪箱重量所能傳遞的扭矩提高近一倍 計(jì)算機(jī)磁盤(pán)的存儲(chǔ)量在很大程度上取決于磁頭與磁盤(pán)之間的距離 即所謂 飛行高度 目前已達(dá)到0 3 m 近期內(nèi)可爭(zhēng)取達(dá)到0 15 m 為了實(shí)現(xiàn)如此微小的 飛行高度 要求加工出極其平坦 光滑的磁盤(pán)基片及涂層 超精密加工所能達(dá)到的精度 表面粗糙度 加工尺寸范圍和幾何形狀是一個(gè)國(guó)家制造技術(shù)水平的重要標(biāo)志之一 美國(guó)是開(kāi)展超精密加工技術(shù)研究最早的國(guó)家 也是迄今處于世界領(lǐng)先地位的國(guó)家 早在20世紀(jì)50年代末 由于航天等尖端技術(shù)發(fā)展的需要 美國(guó)首先發(fā)展了金剛石刀具的超精密切削技術(shù) 稱(chēng)為 SPDT技術(shù) SinglePointDiamondTurning 或 微英寸技術(shù) 1微英寸 0 025 m 并發(fā)展了相應(yīng)的空氣軸承主軸的超精密機(jī)床 用于加工激光核聚變反射鏡 戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈及載人飛船用球面及非球面大型零件等 在超精密加工技術(shù)領(lǐng)域 英國(guó)克蘭菲爾德技術(shù)學(xué)院所屬的克蘭菲爾德精密工程研究所 簡(jiǎn)稱(chēng)CUPE 享有較高聲譽(yù) 它是當(dāng)今世界精密工程的研究中心之一 是英國(guó)超精密加工技術(shù)水平的獨(dú)特代表 如CUPE生產(chǎn)的Nanocentre 納米加工中心 既可進(jìn)行超精密車(chē)削又帶有磨頭 也可進(jìn)行超精密磨削 加工工件的形狀精度可達(dá)0 1 m 表面粗糙度Ra 10nm 我國(guó)的超精密加工技術(shù)在20世紀(jì)70年代末有了長(zhǎng)足進(jìn)步 80年代中期出現(xiàn)了具有世界水平的超精密機(jī)床和部件 北京機(jī)床研究所是國(guó)內(nèi)進(jìn)行超精密加工技術(shù)研究的主要單位之一 研制出了多種不同類(lèi)型的超精密機(jī)床 部件和相關(guān)的高精度測(cè)試儀器等 在2000年北京第七屆國(guó)際機(jī)床展覽會(huì)上 北京機(jī)床研究所展出一臺(tái)納米超精密車(chē)床 采用氣浮主軸軸承和納米級(jí)光柵全閉環(huán)控制 光柵最小分辨率為5nm 加工表面粗糙度可達(dá)0 008 m 主軸回轉(zhuǎn)精度為0 05 m 3 2 2超精密加工方法根據(jù)加工方法的機(jī)理和特點(diǎn) 精密和超精密加工方法可以分為去除加工 結(jié)合加工和變形加工三大類(lèi) 如表3 2所示 表3 2精密和超精密加工方法 1 去除加工去除加工又稱(chēng)為分離加工 是指從工件上去除一部分材料 超精密加工包括超精密切削 車(chē)削 銑削 超精密磨削 超精密研磨和超微細(xì)加工 超精密加工方法應(yīng)針對(duì)不同零件的精度要求而選擇 其所獲得的尺寸精度 形狀精度和表面粗糙度是普通精密加工所無(wú)法達(dá)到的 1 超精密切削 超精密切削借助鋒利的金剛石刀具對(duì)工件進(jìn)行車(chē)削或銑削 主要用于加工低粗糙度和高形狀精度的有色金屬或非金屬零件 如非球面反射鏡 磁盤(pán)鋁基底 VTR輥軸 有色金屬軸套和塑料多面棱鏡等 甚至可以直接加工納米級(jí)表面的硬脆材料 超精密金剛石刀具鏡面車(chē)削加工人造衛(wèi)星儀器軸承 真空無(wú)潤(rùn)滑軸承 其孔和軸的表面粗糙度達(dá)到1nm 圓度和圓柱度均為納米級(jí)精度 超精密車(chē)削可達(dá)到0 005 m的粗糙度和0 1 m的非球面形狀精度 2 超精密磨削 超精密磨削是利用磨具上尺度均勻性好 近似等高的磨粒 金剛石砂輪和CBN砂輪 對(duì)被加工零件表面進(jìn)行摩擦 耕犁及切削的過(guò)程 主要用于硬度較高的金屬和非金屬零件 如對(duì)加工尺寸及形狀精度要求很高的伺服閥 空氣軸承主軸 陀螺儀超精密軸承 光學(xué)玻璃基片等 超精密磨削可達(dá)到0 002 m的表面粗糙度和0 01 m的圓度 3 超精密研磨 超精密研磨 拋光 通常選用粒度大小只有幾納米的研磨微粉 對(duì)加工表面進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間研磨以達(dá)到極高的表面質(zhì)量 主要用于加工高表面質(zhì)量與低面型精度的集成電路芯片和各種光學(xué)平面及藍(lán)寶石窗等 例如超精密光學(xué)零件激光陀螺反射鏡的平面度達(dá)0 05 m 表面粗糙度達(dá)0 001 m 它是由超精密拋研加工后再進(jìn)行鍍膜而成的 最終要求反射率達(dá)99 99 4 超微細(xì)加工 超微細(xì)加工是指各種的納米加工技術(shù) 主要包括激光 電子束 離子束 微操作等加工手段 它也是獲得現(xiàn)代超精產(chǎn)品的一種重要途徑 2 結(jié)合加工利用物理和化學(xué)方法 將不同材料結(jié)合 Bonding 在一起 按結(jié)合的機(jī)理 方法 強(qiáng)弱等 結(jié)合加工又分為附著 Deposition 注入 Injection 和連接 Jointed 三種 附著加工又稱(chēng)為沉積加工 是指在工件表面上覆蓋一層物質(zhì) 這是一種弱結(jié)合 其典型的加工方法是鍍 注入加工又稱(chēng)為滲入加工 是指在工件表面上注入某些元素 使之與基體材料產(chǎn)生物理化學(xué)反應(yīng) 這是一種具有共價(jià)鍵 離子鍵 金屬鍵的強(qiáng)結(jié)合 用以改變工件表層材料的力學(xué)機(jī)械性質(zhì) 如滲碳 滲氮等 連接是指將兩種相同或不同材料通過(guò)物化方法連接在一起 如焊接 粘接等 3 變形加工變形加工又稱(chēng)為流動(dòng)加工 它利用力 熱 分子運(yùn)動(dòng)等手段使工件產(chǎn)生變形 改變其尺寸 形狀和性能 多年來(lái) 傳統(tǒng)加工的概念一直局限于去除加工和表面結(jié)合加工 近年來(lái) 人們提出了電鑄 晶體生長(zhǎng) 分子束外延和快速成型等加工方法 突破了傳統(tǒng)加工的概念 3 2 3超精密加工刀具 1 超精密切削對(duì)刀具的要求為實(shí)現(xiàn)超精密切削 刀具應(yīng)具有如下性能 1 極高的硬度 耐用度和彈性模量 以保證刀具有很長(zhǎng)的壽命和很高的尺寸耐用度 2 刃口能磨得極其鋒銳 刀口半徑 值極小 能實(shí)現(xiàn)超薄的切削厚度 3 刀刃無(wú)缺陷 因切削時(shí)刃形將復(fù)印在加工表面上 故不能得到超光滑的鏡面 4 與工件材料的抗粘結(jié)性好 化學(xué)親和性小 摩擦系數(shù)低 能得到極好的加工表面完整性 2 金剛石刀具的性能特征目前 超精密切削刀具用的金剛石為大顆粒 0 5 1 5克拉 1克拉 20mg 無(wú)雜質(zhì) 無(wú)缺陷 淺色透明的優(yōu)質(zhì)天然單晶金剛石 具有如下的性能特征 1 具有極高的硬度 其硬度達(dá)到6000 10000HV 而TiC僅為3000HV WC為2400HV 2 能磨出極其鋒銳的刃口 且切削刃沒(méi)有缺口 崩刃等現(xiàn)象 普通切削刀具的刃口圓弧半徑只能磨到5 30 m 而天然單晶金剛石刃口圓弧半徑可小到數(shù)納米 沒(méi)有其他任何材料可以磨到如此鋒利的程度 3 熱化學(xué)性能優(yōu)越 具有導(dǎo)熱性能好 與有色金屬間的摩擦系數(shù)低 親和力小等特征 4 耐磨性好 刀刃強(qiáng)度高 金剛石摩擦系數(shù)小 和鋁之間的摩擦系數(shù)僅為0 06 0 13 如切削條件正常 則刀具磨損極慢 刀具耐用度極高 因此 天然單晶金剛石雖然價(jià)值昂貴 但被一致公認(rèn)為是理想的 不能代替的超精密切削的刀具材料 3 超精密磨削砂輪在超精密磨削中所使用的砂輪 其材料多為金剛石 立方氮化硼磨料 因其硬度極高 故一般稱(chēng)為超硬磨料砂輪 金剛石砂輪有較強(qiáng)的磨削能力和較高的磨削效率 在加工非金屬硬脆材料 硬質(zhì)合金 有色金屬及其合金時(shí)有較大的優(yōu)勢(shì) 由于金剛石易于與鐵族元素產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)和親和作用 故對(duì)于硬而韌 高溫硬度高 熱導(dǎo)率低的鋼鐵材料 用立方氮化硼砂輪磨削較好 立方氮化硼比金剛石有較好的熱穩(wěn)定性和較強(qiáng)的化學(xué)惰性 其熱穩(wěn)定性可達(dá)1250 1350 而金剛石磨料只有700 800 雖然當(dāng)前立方氮化硼磨料的應(yīng)用不如金剛石磨料廣 且價(jià)格也比較貴 但它是一種很有發(fā)展前途的磨具磨料 超硬磨料砂輪通常采用如下幾種結(jié)合劑形式 1 樹(shù)脂結(jié)合劑 樹(shù)脂結(jié)合劑砂輪能夠保持良好的鋒利性 可加工出較好的工件表面 但耐磨性差 磨粒的保持力小 2 金屬結(jié)合劑 金屬結(jié)合劑砂輪有很好的耐磨性 磨粒保持力大 形狀保持性好 磨削性能好 但自銳性差 砂輪修整困難 常用的結(jié)合劑材料有青銅 電鍍金銅和鑄鐵纖維等 3 陶瓷結(jié)合劑 它是以硅酸鈉作為主要成分的玻璃質(zhì)結(jié)合劑 具有化學(xué)穩(wěn)定性高 耐熱 耐酸堿等特點(diǎn) 但脆性較大 3 2 4超精密加工設(shè)備 1 精密主軸部件精密主軸部件是超精密機(jī)床的圓度基準(zhǔn) 也是保證機(jī)床加工精度的核心 主軸要求達(dá)到極高的回轉(zhuǎn)精度 精度范圍為0 02 0 1 m 此外 主軸還要具有相應(yīng)的剛度 以抵抗受力后的變形 主軸運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的熱量和主軸驅(qū)動(dòng)裝置產(chǎn)生的熱量對(duì)機(jī)床精度有很大影響 故必須嚴(yán)格控制溫升和熱變形 為了獲得平穩(wěn)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 超精密機(jī)床主軸廣泛采用空氣靜壓軸承 主軸驅(qū)動(dòng)采用皮帶卸載驅(qū)動(dòng)和磁性聯(lián)軸節(jié)驅(qū)動(dòng)方式 精密主軸具有極高的回轉(zhuǎn)精度 其關(guān)鍵在于所用的精密軸承 早期的精密主軸采用超精密級(jí)的滾動(dòng)軸承 如瑞士Shaublin精密車(chē)床采用滾動(dòng)軸承 其加工精度可達(dá)1 m 表面粗糙度達(dá)0 04 0 02 m 制造如此高精度的滾動(dòng)軸承主軸是極為不易的 希望更進(jìn)一步提高主軸精度更是困難 目前 超精密機(jī)床的主軸廣泛采用液體靜壓軸承和空氣靜壓軸承 液體靜壓軸承回轉(zhuǎn)精度很高 0 1 m 且剛度和阻尼大 因此轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn) 無(wú)振動(dòng) 圖3 12所示為典型的液體靜壓軸承主軸結(jié)構(gòu)原理圖 壓力油通過(guò)節(jié)流孔進(jìn)入軸承耦合面間的油腔 主軸在軸套內(nèi)懸浮 不產(chǎn)生固體摩擦 當(dāng)軸受力偏歪時(shí) 耦合面間泄油的間隙改變 造成相對(duì)油腔中油壓不等 油的壓力差將推動(dòng)軸回向原來(lái)的中心位置 液體靜壓軸承也有明顯的缺陷 如工作時(shí)油溫會(huì)升高 將造成熱變形 影響主軸精度 會(huì)將空氣帶入油源 將降低液體靜壓軸承的剛度 液體靜壓軸承一般用于大型超精密機(jī)床 圖3 12典型液體靜壓軸承主軸結(jié)構(gòu)原理圖 圖3 13球面支承結(jié)構(gòu)的空氣靜壓軸承主軸 2 床身和精密導(dǎo)軌床身是機(jī)床的基礎(chǔ)部件 應(yīng)具有抗振衰減能力強(qiáng) 熱膨脹系數(shù)低 尺寸穩(wěn)定性好等特點(diǎn) 目前 超精密機(jī)床床身多采用人造花崗巖制造 人造花崗巖是由花崗巖碎粒用樹(shù)脂粘結(jié)而成的 它不僅具有花崗巖材料尺寸穩(wěn)定性好 熱膨脹系數(shù)低 硬度高 耐磨且不生銹等特點(diǎn) 還可鑄造成型 克服了天然花崗巖有吸濕性的不足 并加強(qiáng)了對(duì)振動(dòng)的衰減能力 超精密機(jī)床導(dǎo)軌部件要求有極高的直線運(yùn)動(dòng)精度 不能有爬行 導(dǎo)軌耦合面不能有磨損 而液體靜壓導(dǎo)軌 氣浮導(dǎo)軌和空氣靜壓導(dǎo)軌均具有運(yùn)動(dòng)平穩(wěn) 無(wú)爬行 摩擦系數(shù)接近于零的特點(diǎn) 故在超精密機(jī)床中得到廣泛的使用 圖3 14所示為日本日立精工超精密機(jī)床所用的空氣靜壓導(dǎo)軌 其導(dǎo)軌的上下 左右均在靜壓空氣的約束下 整個(gè)導(dǎo)軌浮在中間 基本沒(méi)有摩擦力 有較好的剛度和運(yùn)動(dòng)精度 圖3 14平面型空氣靜壓導(dǎo)軌 3 微量進(jìn)給裝置高精度微量進(jìn)給裝置是超精密機(jī)床的一個(gè)關(guān)鍵部件 它對(duì)實(shí)現(xiàn)超薄切削 高精度尺寸加工和實(shí)現(xiàn)在線誤差補(bǔ)償有著十分重要的作用 目前 高精度微量進(jìn)給裝置分辨率已可達(dá)到0 001 0 01 m 在超精密加工中 要求微量進(jìn)給裝置滿(mǎn)足如下要求 微進(jìn)給與粗進(jìn)給分開(kāi) 以提高微位移的精度 分辨率和穩(wěn)定性 運(yùn)動(dòng)部分必須具有低摩擦和高穩(wěn)定性 以便實(shí)現(xiàn)很高的重復(fù)精度 末級(jí)傳動(dòng)元件必須有很高的剛度 即夾固刀具處必須是高剛度的 工藝性好 容易制造 應(yīng)能實(shí)現(xiàn)微進(jìn)給自動(dòng)控制 動(dòng)態(tài)性能好 微量進(jìn)給裝置有機(jī)械或液壓傳動(dòng)式 彈性變形式 熱變形式 流體膜變形式 磁致伸縮式 壓電陶瓷式等多種結(jié)構(gòu)形式 圖3 15所示是一種雙T形彈性變形式微量進(jìn)給裝置的工作原理圖 當(dāng)驅(qū)動(dòng)螺釘4前進(jìn)時(shí) 迫使兩個(gè)T形彈簧2 3變直伸長(zhǎng) 從而可使微位移刀夾前進(jìn) 該微量進(jìn)給裝置分辨率為0 01 m 最大輸出位移為20 m 輸出位移方向的靜剛度為70N m 滿(mǎn)足切削負(fù)荷要求 圖3 15雙T形彈性變形式微量進(jìn)給裝置工作原理圖 圖3 16所示為一種壓電陶瓷式微進(jìn)給裝置 壓電陶瓷器件在預(yù)壓應(yīng)力狀態(tài)下與刀夾和后墊塊彈性變形載體粘結(jié)安裝 在電壓作用下陶瓷伸長(zhǎng) 推動(dòng)刀夾作微位移 此微位移裝置最大位移為15 16 m 分辨率為0 01 m 靜剛度為60N m 壓電陶瓷式微進(jìn)給裝置能夠?qū)崿F(xiàn)高剛度無(wú)間隙位移 能夠?qū)崿F(xiàn)極精細(xì)位移 變形系數(shù)大 具有很高的響應(yīng)頻率 圖3 16壓電陶瓷式微進(jìn)給裝置 3 2 5超精密加工環(huán)境工作環(huán)境的任何微小變化都可能影響到加工精度 使超精加工達(dá)不到要求的精度 因此 超精密加工必須在超穩(wěn)定的環(huán)境下進(jìn)行 超穩(wěn)定環(huán)境主要是指恒溫 超凈和防振三個(gè)方面 由于加工零件的精度和加工方式不同 因而對(duì)超精密加工環(huán)境的要求也有所不同 必須建立符合各自要求的特定環(huán)境 構(gòu)成超精密加工環(huán)境的基本條件如圖3 17所示 圖3 17構(gòu)成超精密加工環(huán)境的基本條件 超精密加工一般應(yīng)在多層恒溫條件下進(jìn)行 不僅放置機(jī)床的房間應(yīng)保持恒溫 還要求機(jī)床及部件應(yīng)采取特殊的恒溫措施 一般要求加工區(qū)溫度和室溫保持在 20 0 06 的范圍內(nèi) 超凈化的環(huán)境對(duì)超精密加工也很重要 因?yàn)榄h(huán)境中的硬粒子會(huì)嚴(yán)重影響被加工表面的質(zhì)量 如加工256K集成電路硅晶片時(shí) 環(huán)境的凈化要求為1立方尺空氣內(nèi)大于0 1 m的塵埃數(shù)要小于10個(gè) 加工4M集成電路硅晶片時(shí) 凈化要求為1立方尺空氣內(nèi)大于0 01 m的塵埃數(shù)要小于10個(gè) 3 2 6超精密加工精度的在線檢測(cè)及計(jì)量測(cè)試超精密加工可采取兩種減少加工誤差的策略 一種是誤差預(yù)防策略 即通過(guò)提高機(jī)床制造精度 保證加工環(huán)境的穩(wěn)定性等方法來(lái)減少誤差源 從而使加工誤差消失或減少 另一種是誤差補(bǔ)償策略 即對(duì)加工誤差進(jìn)行在線檢測(cè) 實(shí)時(shí)建模與動(dòng)態(tài)分析預(yù)報(bào) 再根據(jù)預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)對(duì)誤差源進(jìn)行補(bǔ)償 從而消除或減少加工誤差 實(shí)踐證明 在加工精度高出某一要求后 利用誤差預(yù)防技術(shù)來(lái)提高加工精度要比用誤差補(bǔ)償技術(shù)的費(fèi)用高出很多 從這個(gè)意義上講 誤差補(bǔ)償技術(shù)必將成為超精密加工的主導(dǎo)方向 圖3 18激光干涉儀和原子力顯微鏡 3 3超高速加工技術(shù) 3 3 1超高速加工的概念與內(nèi)涵超高速加工是一個(gè)相對(duì)的概念 由于不同的加工方式 不同工件材料有不同的高速加工范圍 因而很難就超高速加工的切削速度給出一個(gè)確切的定義 概括地說(shuō) 超高速加工技術(shù)是指采用超硬材料的刀具與磨具 能可靠地實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)動(dòng) 極大地提高材料切除率 并保證加工精度和加工質(zhì)量的現(xiàn)代制造加工技術(shù) 其切削速度通常比常規(guī)高10倍左右 德國(guó)切削物理學(xué)家薩洛蒙 CarlSalomon 博士于1931年提出的著名切削理論認(rèn)為 一定的工件材料對(duì)應(yīng)有一個(gè)臨界切削速度 在該切削速度下其切削溫度最高 圖3 19所示為 薩洛蒙曲線 在常規(guī)切削速度范圍內(nèi) 圖3 19中A區(qū) 切削溫度隨著切削速度的增大而提高 在切削速度達(dá)到臨界切削速度后 隨著切削速度的增大切削溫度反而下降 Salomon的切削理論給人們一個(gè)重要的啟示 如果切削速度能超越切削 死谷 圖3 19中B區(qū) 在超高速區(qū)內(nèi) 圖3 19中C區(qū) 進(jìn)行切削 則有可能用現(xiàn)有的刀具進(jìn)行高速切削 從而可大大減少切削工時(shí) 成倍地提高機(jī)床的生產(chǎn)率 圖3 19薩洛蒙曲線 表3 3不同加工工藝 加工材料超高速加工切削速度范圍 應(yīng)當(dāng)指出的是 超高速加工的切削速度不僅是一個(gè)技術(shù)指標(biāo) 而且是一個(gè)經(jīng)濟(jì)指標(biāo) 也就是說(shuō) 它不僅僅是一個(gè)技術(shù)上可實(shí)現(xiàn)的切削速度 而且必須是一個(gè)可由此獲得較大經(jīng)濟(jì)效益的高切削速度 沒(méi)有經(jīng)濟(jì)效益的高切削速度是沒(méi)有工程意義的 目前定位的經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)是 在保證加工精度和加工質(zhì)量的前提下 將通常切削速度加工的加工時(shí)間減少90 同時(shí)將加工費(fèi)用減少50 以此來(lái)衡量高切削速度的合理性 3 3 2超高速加工技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)自20世紀(jì)30年代德國(guó)薩洛蒙博士首次提出高速切削概念以來(lái) 經(jīng)過(guò)50年代的機(jī)理與可行性研究 70年代的工藝技術(shù)研究 80年代全面系統(tǒng)的高速切削技術(shù)研究 到20世紀(jì)90年代后期 商品化高速切削機(jī)床大量涌現(xiàn) 21世紀(jì)初 高速加工技術(shù)在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家得到普遍應(yīng)用 正成為切削加工的主流技術(shù) 工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)超高速加工的研究起步早 水平高 在此項(xiàng)技術(shù)中 處于領(lǐng)先地位的國(guó)家主要有德國(guó) 日本 美國(guó) 意大利等 在超高速加工技術(shù)中 超硬材料工具是實(shí)現(xiàn)超高速加工的前提和先決條件 超高速切削磨削技術(shù)是現(xiàn)代超高速加工的工藝方法 而高速數(shù)控機(jī)床和加工中心則是實(shí)現(xiàn)超高速加工的關(guān)鍵設(shè)備 目前 刀具材料已從碳素鋼和合金工具鋼 經(jīng)高速鋼 硬質(zhì)合金鋼 陶瓷材料 發(fā)展到人造金剛石及聚晶金剛石 PCD 立方氮化硼 CBN 及聚晶立方氮化硼 PCBN 切削速度亦隨著刀具材料的創(chuàng)新而從以前的12m min提高到1200m min以上 砂輪材料過(guò)去主要采用剛玉系 碳化硅系材料 美國(guó)GE公司于20世紀(jì)50年代首先在金剛石人工合成方面取得成功 60年代又首先研制成功CBN