先進制造技術(shù)課件第3章.ppt

第三章先進制造工藝技術(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 成品件可以達到相當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 也可以進行一定的精加工 圖3 1所示為粉末冶金工藝過程 1 粉末成型方法 1 磁動力壓制 裝于精密模具中的松散鐵粉 經(jīng)磁場徑向壓制可達到很高的密度 同時克服了單軸模壓方法中限制軸向長度與密度梯度的局限性 圖3 1粉末冶金工藝過程 2 爆炸壓制 爆炸壓制是得到高密度坯料的好方法 沖擊波通過粉末即可將粉末壓制成坯 光學(xué)研究表明 對于柱形試樣 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延性材料 而高強度材料和高溫材料只能采用鍛造與機加工方法 新的擠壓法可通過調(diào)節(jié)金屬粉末 粘結(jié)劑混合系統(tǒng)的粘度來制取擠壓料 然后用擠壓塑性材料的常規(guī)擠壓機進行擠壓 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 管等一類致密型材 通過調(diào)節(jié)粉末坡度與燒結(jié)參數(shù) 也可制取壁上有開孔的管 由此制成過濾器及其他功能產(chǎn)品 4 吹氣裝粉法 因粉末流動性差 故往往在壓模裝粉時出現(xiàn)粒度偏析 新開發(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性 降低了粒度偏析 縮短了裝粉時間 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)用于汽車零件等高強度 小型化的開發(fā)制造過程 2 成型工藝特點及研究方向粉末冶金工藝一般具有以下特點 1 可以得到近凈形零件 2 通過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 新開發(fā)的粉末材料需配以優(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 0 02mm 也需要高精度 智能化的成型和固化設(shè)備的支持 這些問題共同的特點是對技術(shù)訣竅或經(jīng)驗的依賴程度很大 3 1 2精密潔凈鑄造 1 精密砂型鑄造 PrecisionSandCasting 1 FM法 FM為法語FonteMince 薄壁鐵 的縮寫 FM法采用冷芯盒砂芯疊箱造型 在低壓下進行澆注 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 其主要用戶為美國通用汽車公司Cadillac豪華型轎車部 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)動機缸體 缸蓋 3 Cosworth法 Cosworth法 見圖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 利用電磁泵來實現(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 砂芯采用機械組裝 組裝后砂型如同一個整體 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 無分型面 也不用取模 不用砂芯 同時采用無水分 無粘結(jié)劑 無附加物的干砂造型 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)問題 例如 用于制造消失模的模具成本高和制造周期長 消失模因剛度差在緊砂過程中易變形 鑄件表面質(zhì)量不穩(wěn)定 等等 B 工藝過程 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 不卷進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程中能得到充分的補縮 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 并在整個凝固期間保持高壓的工藝方法 它能穩(wěn)定地制造進行固熔熱處理的高度整體性的鑄件 汽車發(fā)動機鋁合金活塞可以由加熱的含超過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)鑄造的過程是 將一專門的連續(xù)鑄造鋁合金的坯料仔細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 然后可以通過熱處理來進一步改善其性能 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6 8級 部分可達5級 鑄件的表面粗糙度可達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 在極短的時間內(nèi) 充填時間一般為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)展起來的一種精密鑄造方法 熔模鑄造的鑄件質(zhì)量可達鑄件一級精度 熔模鑄造常用于壓型制造方法中 機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以上 粗糙度可達Ra6 3 1 6 m 尺寸精度在100mm上可控制在 0 20mm以內(nèi) 8 殼型鑄造殼型鑄造用人造樹脂作型砂粘結(jié)劑 型砂在硬化后具有很高的強度 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鋼及有色金屑為 1 0 對鑄造件為 0 75 表面粗糙度可達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 采用模鍛方法實現(xiàn)精密成型 這是現(xiàn)代機械零件的重要成型方法之一 機械零件中很多承力件 保安件 傳動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 無氧化或少氧化加熱和冷卻手段 另外 對備坯和后續(xù)切削加工常有特殊要求 一般用于難于切削加工或費工時的零件 以及對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Ra3 2 0 8 m 不需機械加工或進行少量加工即可直接用來裝配 精密鍛造常用于齒輪和葉片的精密制造 對于齒輪的精鍛 齒形精度可達7 9級 對于葉片的精鍛 葉片的長度可達1700mm 弦寬400mm 扭曲角80 以上 并可鍛出拉筋凸臺 可獲得高精度鍛件的精鍛工藝機器有 模鍛中的熱模鍛壓力機 平鍛機 螺旋壓力機 高速錘 多向模鍛水壓機 模鍛水壓機 精密鍛軸機 精鍛工藝有擠壓中的冷擠壓 溫熱擠壓 鐓鍛以及楔形模橫軋 螺旋孔型斜軋 仿形斜軋 輾軋 擺動輾壓等 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)點是節(jié)約原材料 材料利用率在80 以上 有時可達93 生產(chǎn)率高 精度及粗糙度高 精度7級 粗糙度可達Ra1 6 0 2 m 一般冷擠壓加工的零件不再需要切削加工 極個別情況下 只需精磨即可 冷擠壓加工常用來提高材料的機械性能 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切削加工 冷軋絲桿在室溫下利用一對旋轉(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Ra0 8 m以上 精度可達8級以上 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)展起來的一種鍛造新工藝 輥鍛過程是指使坯料通過一對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行定位和夾緊 用模子對加熱或不加熱的一端施加壓力進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 電熱鐓是在對坯料進行電加熱的同時進行局部鐓粗的一種少無切削工藝 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) 對精密下料的要求也越來越高 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稱精沖 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 適合于組織自動化生產(chǎn) 精沖件的尺寸公差可達IT7 IT8級 剪切面粗糙度可達Ra2 4 0 4 m 相當于磨削 和切削加工相比 精沖一般可提高工效10倍左右 實現(xiàn)精密沖裁有效的方法之一是采用 v 形環(huán)強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)濟而有效的方法 精密沖裁工藝過程如圖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行沖裁 d 為沖裁完畢 e 為模具開啟 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 準備下一循環(huán) 圖3 7精密沖裁工藝過程 3 1 5精密焊接1 精確焊接成型技術(shù)可以達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 當激光功率密度達到105 107W cm2時 激光小孔效應(yīng)可使焊縫深寬比達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 但激光焊接對焊件的裝備精度要求高 并要求激光束能沿焊縫長度精確掃描 因此 焊接過程和焊接質(zhì)量的實時檢測與閉環(huán)控制 以及對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 相干性強 亮度高的光束 能量密度為1013W cm2 在1 1000秒的時間內(nèi)能將光能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?溫度可達1萬 以上 所以極易熔化或汽化一些對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 分類脈沖激光焊接和連續(xù)激光焊接兩類 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 從廉價的汽車齒輪到貴重的噴氣發(fā)動機部件 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 近年來國內(nèi)外發(fā)展起來的新型結(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)和機械性能 但在實際應(yīng)用中 這些材料之間的連接問題是必須解決的課題 目前最常用的方法有瞬間液相擴散釬焊和固態(tài)連接方法如擴散焊等 擴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)過精密加工的零部件而不影響其原有精度 5 擴散焊 1 概念在真空或保護氣氛下 平整光潔的焊接表面在熱和壓力的同時作用下 發(fā)生微觀塑性流變后相互緊密接觸 原子相互擴散 并經(jīng)一定時間保溫 使焊接區(qū)的成分和組織均勻化 達到完全的冶金連接的過程 2 特點和應(yīng)用1 擴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 彌散強化的高溫合金 纖維強化的硼 鋁復(fù)合材料 2 可以焊接不同類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世紀科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展 對于水下 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 例如 利用微波能的體積加熱和相選擇加熱特點進行焊接 在陶瓷材料的制備和連接等方面已取得了一定進展 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由于溫度不均勻而導(dǎo)致開裂的弊病 使快速加工陶瓷材料成為可能 同時微波的某些熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)使陶瓷材料中的物理過程異于普通加熱方法 導(dǎo)致了燒結(jié)與連接過程的加速 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現(xiàn)太空焊接與釬焊的新型熱源 3 焊接生產(chǎn)自動化和焊接過程的智能控制焊接生產(chǎn)自動化將突出表現(xiàn)為生產(chǎn)系統(tǒng)的柔性化和焊接控制系統(tǒng)的智能化 焊接是機器人應(yīng)用的重要領(lǐng)域 過去以較為簡單的點位點焊機器人的運動控制為主 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 由于焊接過程要產(chǎn)生熱變形及工件裝配的隨機誤差 示教 再現(xiàn)方式的軌跡控制很難適應(yīng) 需要發(fā)展能識別環(huán)境并隨時精確跟蹤軌跡及調(diào)節(jié)焊接參數(shù)和姿態(tài)的智能焊接機器人 研究其傳感及控制技術(shù) 焊接過程控制中 多個參量常常在一個范圍內(nèi)波動而又相互影響 沒有絕對分明的定量界限 因此 模糊數(shù)學(xué)及模糊控制理論已被列入焊接過程控制并成為研究熱點 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)指在計算機控制與管理下 由零件CAD模型直接驅(qū)動 采用材料精確堆積復(fù)雜三維實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)展趨勢以及激烈的市場競爭對制造技術(shù)發(fā)展的重大影響 2 快速原型技術(shù)的特點快速原型 RapidPrototyping RP 技術(shù)自1988年第一臺商業(yè)機種問市后 即在世界各地形成一股旋風 工業(yè)界 學(xué)術(shù)界 醫(yī)學(xué)界等 莫不紛紛投入人力 財力與物力以應(yīng)用或研發(fā)此被號稱為 21世紀CNC工具機 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為 1 加工是一種加層行為 不需擔心刀具路徑 2 無需使用夾具及模具 節(jié)省成本 3 對于小數(shù)量之生產(chǎn)需求 經(jīng)濟效益顯著 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)樹脂和固體材料三大類 各有其不同的特點及應(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) 因為任何可制成粉末的材料均可用這種方式制作 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)樹脂方面 目前投入的廠商數(shù)量最多 市場占有率也最多 其中又可分為液態(tài)光硬化樹脂 PhotoPolymer 及熔化固化型 Melting Solidification 兩類 利用液態(tài)光硬化樹脂較為知名的廠商有美國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Stratasys公司的FusedDepositedModeling FDM 美國3DSystems公司的ThermoJetModeling 美國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 任何可制成片材的材料均可用這種方法 但因為能量裝置 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相似的機器 但可能因為專利問題而無法在國際上行銷 其中 固體材料類的薄片積層法具有材料價格低廉 加工迅速 成型簡單等特點 快速原型應(yīng)用包羅萬象 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)計驗證的概念原型 ConceptModel 上 但是作為功能評估用的實物模型因要求較高的強度及硬度 因而只有極少數(shù)的幾種適用 同時工業(yè)原型機器價格昂貴 因此其生命周期與適用性必然受限 而且由于近年來市場上工業(yè)產(chǎn)品生命周期愈來愈短 企業(yè)界必須使用快速原型技術(shù)將產(chǎn)品開發(fā)過程縮短 因此 快速原型技術(shù)是縮短產(chǎn)品開發(fā)過程的最有效方法 1 利用激光固化樹脂材料的光造型法光造型裝置中 一直以美國3DSystems公司的SLA型產(chǎn)品獨占鰲頭 并形成壟斷市場 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)匯集成一支細光束 該光束在計算機控制下 有選擇地掃描液升降裝置容器中的光敏樹脂表面 利用光敏樹脂遇紫外光凝固的機理 一層一層固化光敏樹脂 每固化一層 工作臺下降一精確距離 并按新一層表面幾何信息使激光掃描器對液面進行掃描 使新一層樹脂固化并緊緊粘在前一層已固化的樹脂上 如此反復(fù)進行 直至制作生成零件實體模型 激光立體造型制造精度目前可達 0 1mm 主要用于制作產(chǎn)品的樣品和實驗?zāi)Ｐ?此外 日本開發(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公司開發(fā)的LOM裝置應(yīng)用最廣 該裝置采用專用滾筒紙 由熱軋輥使紙張加熱連接 然后用激光將紙切斷 待熱軋輥自動離開后 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 約為木模制作時間的1 5以下 并可簡便地分析設(shè)計構(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)樹脂粉末的方法制作樣件 工作時 由CO2激光器發(fā)出的光束在計算機控制下 根據(jù)幾何形體各層橫截面的幾何信息對材料粉末進行掃描 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 激光動態(tài)精度可達 0 09mm 并具有自動激光補償功能 原型強度高 聚碳酸脂其彎曲強度可達34 5MPa 尼龍可達55MPa 因此 可用原型進行功能試驗和裝配模擬 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2000年12月在德國法蘭克福Euro Mold和2001年5月辛辛那提SME RPM會議上對RP技術(shù)的發(fā)展方向進行了熱烈討論 面向市場的非定制生產(chǎn)不斷擴大 人們需要既滿足客戶個性化需求又可進行大批量生產(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)計和制造更緊密地結(jié)合起來 具體表現(xiàn)為 兩個統(tǒng)一 通過CAD模型直接驅(qū)動工具和材料來成型 進一步將成型的過程與物理過程統(tǒng)一起來 采用離散 堆積成型原理 將材料制備與材料成型過程統(tǒng)一起來 RP技術(shù)朝兩個方向發(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 日益受到RP設(shè)備開發(fā)商和用戶的關(guān)注 這種設(shè)備的特點是價格便宜 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為先 我國清華大學(xué)激光快速成型中心也在開發(fā)適合中國國情的 三維打印機 它將比國外設(shè)備有更好的性價比 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)是當今世界上發(fā)展迅速的先進制造技術(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 RM從RP中分化出來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)展的最新動態(tài) 對我國快速成型事業(yè)的健康發(fā)展以及制造業(yè)都有深遠的意義 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 位置和尺寸精度達到微米和亞微米范圍的機械加工方法 精密和超精密只是相對而言的 其間的界限隨時間的推移而不斷變化 因此精密和超精密在不同的時期必須使用不同的尺度來區(qū)分 1983年日本的Taniguchi教授在考查了許多超精密加工實例的基礎(chǔ)上對超精密加工的現(xiàn)狀進行了完整的綜述 并對其發(fā)展趨勢進行了預(yù)測 他把精密和超精密加工的過去 現(xiàn)狀和未來系統(tǒng)地歸納為圖3 11所示的幾條曲線 圖3 11加工精度在不同時期的進展曲線 2 精密加工與超精密加工的特點 1 蛻化 和 進化 加工原則 一般加工時 工作母機 機床 的精度總是要比被加工零件的精度高 這一規(guī)律稱為 蛻化 原則 或稱 母性 原則 對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 有時甚至已不可能 這時可利用精度低于工件精度要求的機床設(shè)備 借助工藝手段和特殊工具 直接加工出精度高于 母機 的工件 這是直接式的 進化 加工 另外 用較低精度的機床和工具 制造出加工精度比 母機 精度更高的機床和工具 即第二代 母機 和工具 用第二代 母機 加工高精度工件 這是間接式的 進化 加工 兩者統(tǒng)稱 進化 加工 或稱創(chuàng)造性加工 2 微量切除 極薄切削 超精密加工時 背吃刀量極小 是微量切除和超微量切除 因此對刀具刃磨 砂輪修整和機床均有很高要求 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綜合性技術(shù) 要達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 測試手段和測試設(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系統(tǒng)工程 不僅復(fù)雜 而且難度大 4 與自動化聯(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)域包含以下幾個方面 1 超精密加工機理 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 超精密加工機床設(shè)備 4 精密測量及補償技術(shù) 5 嚴格的工作環(huán)境 4 精密與超精密加工的應(yīng)用與進展超精密加工技術(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儀表的精度決定的 而慣性儀表的關(guān)鍵部件是陀螺儀 如果1kg重的陀螺轉(zhuǎn)子 其質(zhì)量中心偏離對稱軸0 5nm 則會引起100m的射程誤差和50m的軌道誤差 美國民兵 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)彈高出一個數(shù)量級 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潤滑軸承 其孔和軸的表面粗糙度達到1nm 其圓度和圓柱度均以nm為單位 紅外探測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 若將飛機發(fā)電機轉(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)電機的壓縮效率將從89 提高到94 傳動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 計算機磁盤的存儲量在很大程度上取決于磁頭與磁盤之間的距離 即所謂 飛行高度 目前已達到0 3 m 近期內(nèi)可爭取達到0 15 m 為了實現(xiàn)如此微小的 飛行高度 要求加工出極其平坦 光滑的磁盤基片及涂層 超精密加工所能達到的精度 表面粗糙度 加工尺寸范圍和幾何形狀是一個國家制造技術(shù)水平的重要標志之一 美國是開展超精密加工技術(shù)研究最早的國家 也是迄今處于世界領(lǐng)先地位的國家 早在20世紀50年代末 由于航天等尖端技術(shù)發(fā)展的需要 美國首先發(fā)展了金剛石刀具的超精密切削技術(shù) 稱為 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 簡稱CUPE 享有較高聲譽 它是當今世界精密工程的研究中心之一 是英國超精密加工技術(shù)水平的獨特代表 如CUPE生產(chǎn)的Nanocentre 納米加工中心 既可進行超精密車削又帶有磨頭 也可進行超精密磨削 加工工件的形狀精度可達0 1 m 表面粗糙度Ra 10nm 我國的超精密加工技術(shù)在20世紀70年代末有了長足進步 80年代中期出現(xiàn)了具有世界水平的超精密機床和部件 北京機床研究所是國內(nèi)進行超精密加工技術(shù)研究的主要單位之一 研制出了多種不同類型的超精密機床 部件和相關(guān)的高精度測試儀器等 在2000年北京第七屆國際機床展覽會上 北京機床研究所展出一臺納米超精密車床 采用氣浮主軸軸承和納米級光柵全閉環(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)加工方法的機理和特點 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 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 車削 銑削 超精密磨削 超精密研磨和超微細加工 超精密加工方法應(yīng)針對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法達到的 1 超精密切削 超精密切削借助鋒利的金剛石刀具對工件進行車削或銑削 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表面的硬脆材料 超精密金剛石刀具鏡面車削加工人造衛(wèi)星儀器軸承 真空無潤滑軸承 其孔和軸的表面粗糙度達到1nm 圓度和圓柱度均為納米級精度 超精密車削可達到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 對被加工零件表面進行摩擦 耕犁及切削的過程 主要用于硬度較高的金屬和非金屬零件 如對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 對加工表面進行長時間研磨以達到極高的表面質(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0 05 m 表面粗糙度達0 001 m 它是由超精密拋研加工后再進行鍍膜而成的 最終要求反射率達99 99 4 超微細加工 超微細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)合的機理 方法 強弱等 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) 這是一種具有共價鍵 離子鍵 金屬鍵的強結(jié)合 用以改變工件表層材料的力學(xué)機械性質(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為流動加工 它利用力 熱 分子運動等手段使工件產(chǎn)生變形 改變其尺寸 形狀和性能 多年來 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 人們提出了電鑄 晶體生長 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 超精密切削對刀具的要求為實現(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 能實現(xiàn)超薄的切削厚度 3 刀刃無缺陷 因切削時刃形將復(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 無雜質(zhì) 無缺陷 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值昂貴 但被一致公認為是理想的 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 故一般稱為超硬磨料砂輪 金剛石砂輪有較強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有較大的優(yōu)勢 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)定性和較強的化學(xué)惰性 其熱穩(wěn)定性可達1250 1350 而金剛石磨料只有700 800 雖然當前立方氮化硼磨料的應(yīng)用不如金剛石磨料廣 且價格也比較貴 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 樹脂結(jié)合劑 樹脂結(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 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床的圓度基準 也是保證機床加工精度的核心 主軸要求達到極高的回轉(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 主軸運轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的熱量和主軸驅(qū)動裝置產(chǎn)生的熱量對機床精度有很大影響 故必須嚴格控制溫升和熱變形 為了獲得平穩(wěn)的旋轉(zhuǎn)運動 超精密機床主軸廣泛采用空氣靜壓軸承 主軸驅(qū)動采用皮帶卸載驅(qū)動和磁性聯(lián)軸節(jié)驅(qū)動方式 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的滾動軸承 如瑞士Shaublin精密車床采用滾動軸承 其加工精度可達1 m 表面粗糙度達0 04 0 02 m 制造如此高精度的滾動軸承主軸是極為不易的 希望更進一步提高主軸精度更是困難 目前 超精密機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)動平穩(wěn) 無振動 圖3 12所示為典型的液體靜壓軸承主軸結(jié)構(gòu)原理圖 壓力油通過節(jié)流孔進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 當軸受力偏歪時 耦合面間泄油的間隙改變 造成相對油腔中油壓不等 油的壓力差將推動軸回向原來的中心位置 液體靜壓軸承也有明顯的缺陷 如工作時油溫會升高 將造成熱變形 影響主軸精度 會將空氣帶入油源 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)軌床身是機床的基礎(chǔ)部件 應(yīng)具有抗振衰減能力強 熱膨脹系數(shù)低 尺寸穩(wěn)定性好等特點 目前 超精密機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 還可鑄造成型 克服了天然花崗巖有吸濕性的不足 并加強了對振動的衰減能力 超精密機床導(dǎo)軌部件要求有極高的直線運動精度 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)軌均具有運動平穩(wěn) 無爬行 摩擦系數(shù)接近于零的特點 故在超精密機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 整個導(dǎo)軌浮在中間 基本沒有摩擦力 有較好的剛度和運動精度 圖3 14平面型空氣靜壓導(dǎo)軌 3 微量進給裝置高精度微量進給裝置是超精密機床的一個關(guān)鍵部件 它對實現(xiàn)超薄切削 高精度尺寸加工和實現(xiàn)在線誤差補償有著十分重要的作用 目前 高精度微量進給裝置分辨率已可達到0 001 0 01 m 在超精密加工中 要求微量進給裝置滿足如下要求 微進給與粗進給分開 以提高微位移的精度 分辨率和穩(wěn)定性 運動部分必須具有低摩擦和高穩(wěn)定性 以便實現(xiàn)很高的重復(fù)精度 末級傳動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)能實現(xiàn)微進給自動控制 動態(tài)性能好 微量進給裝置有機械或液壓傳動式 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給裝置的工作原理圖 當驅(qū)動螺釘4前進時 迫使兩個T形彈簧2 3變直伸長 從而可使微位移刀夾前進 該微量進給裝置分辨率為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 滿足切削負荷要求 圖3 15雙T形彈性變形式微量進給裝置工作原理圖 圖3 16所示為一種壓電陶瓷式微進給裝置 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 推動刀夾作微位移 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 壓電陶瓷式微進給裝置能夠?qū)崿F(xiàn)高剛度無間隙位移 能夠?qū)崿F(xiàn)極精細位移 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)境下進行 超穩(wěn)定環(huán)境主要是指恒溫 超凈和防振三個方面 由于加工零件的精度和加工方式不同 因而對超精密加工環(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行 不僅放置機床的房間應(yīng)保持恒溫 還要求機床及部件應(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)境對超精密加工也很重要 因為環(huán)境中的硬粒子會嚴重影響被加工表面的質(zhì)量 如加工256K集成電路硅晶片時 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 加工4M集成電路硅晶片時 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 3 2 6超精密加工精度的在線檢測及計量測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 即通過提高機床制造精度 保證加工環(huán)境的穩(wěn)定性等方法來減少誤差源 從而使加工誤差消失或減少 另一種是誤差補償策略 即對加工誤差進行在線檢測 實時建模與動態(tài)分析預(yù)報 再根據(jù)預(yù)報數(shù)據(jù)對誤差源進行補償 從而消除或減少加工誤差 實踐證明 在加工精度高出某一要求后 利用誤差預(yù)防技術(shù)來提高加工精度要比用誤差補償技術(shù)的費用高出很多 從這個意義上講 誤差補償技術(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相對的概念 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確切的定義 概括地說 超高速加工技術(shù)是指采用超硬材料的刀具與磨具 能可靠地實現(xiàn)高速運動 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為 一定的工件材料對應(yīng)有一個臨界切削速度 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) 進行切削 則有可能用現(xiàn)有的刀具進行高速切削 從而可大大減少切削工時 成倍地提高機床的生產(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)當指出的是 超高速加工的切削速度不僅是一個技術(shù)指標 而且是一個經(jīng)濟指標 也就是說 它不僅僅是一個技術(shù)上可實現(xiàn)的切削速度 而且必須是一個可由此獲得較大經(jīng)濟效益的高切削速度 沒有經(jīng)濟效益的高切削速度是沒有工程意義的 目前定位的經(jīng)濟效益指標是 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間減少90 同時將加工費用減少50 以此來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)展趨勢自20世紀30年代德國薩洛蒙博士首次提出高速切削概念以來 經(jīng)過50年代的機理與可行性研究 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90年代后期 商品化高速切削機床大量涌現(xiàn) 21世紀初 高速加工技術(shù)在工業(yè)發(fā)達國家得到普遍應(yīng)用 正成為切削加工的主流技術(shù) 工業(yè)發(fā)達國家對超高速加工的研究起步早 水平高 在此項技術(shù)中 處于領(lǐng)先地位的國家主要有德國 日本 美國 意大利等 在超高速加工技術(shù)中 超硬材料工具是實現(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)控機床和加工中心則是實現(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 砂輪材料過去主要采用剛玉系 碳化硅系材料 美國GE公司于20世紀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