1、第三章第三章 先进制造工艺与装备先进制造工艺与装备3.1先进成型技术v3.1.1精密铸造成型技术精密铸造成型技术优点：优点：1）铸件尺寸精确，少切削或无切削。）铸件尺寸精确，少切削或无切削。2）铸件内部质量好，力学性能高。）铸件内部质量好，力学性能高。3）降低金属消耗与废品率）降低金属消耗与废品率4）简化工序，实现机械化、自动化。）简化工序，实现机械化、自动化。5）改善劳动条件，提高劳动生产率。）改善劳动条件，提高劳动生产率。1.熔模铸造v熔模铸造又称失蜡法精密铸造，是一种少切熔模铸造又称失蜡法精密铸造，是一种少切削或无切削的精密铸造工艺，是精密铸造行削或无切削的精密铸造工艺，是精密铸造行业中
2、的一项优异的工艺技术，其应用非常广业中的一项优异的工艺技术，其应用非常广泛。泛。v所谓熔模精密铸造工艺，简单说就是用易熔所谓熔模精密铸造工艺，简单说就是用易熔材料（例如蜡料或塑料）制成可熔性模型材料（例如蜡料或塑料）制成可熔性模型（简称熔模或模型），在其上涂覆若干层特（简称熔模或模型），在其上涂覆若干层特制的耐火涂料，经过干燥和硬化形成一个整制的耐火涂料，经过干燥和硬化形成一个整体型壳后，再用蒸汽或热水从型壳中熔掉模体型壳后，再用蒸汽或热水从型壳中熔掉模型，然后把型壳置于砂箱中，在其四周填充型，然后把型壳置于砂箱中，在其四周填充干砂造型，最后将铸型放入焙烧炉中经过高干砂造型，最后将铸型放入焙烧
3、炉中经过高温焙烧（如采用高强度型壳时，可不必造型温焙烧（如采用高强度型壳时，可不必造型而将脱模后的型壳直接焙烧），铸型或型壳而将脱模后的型壳直接焙烧），铸型或型壳经焙烧后，于其中浇注熔融金属而得到铸件。经焙烧后，于其中浇注熔融金属而得到铸件。主要特点：主要特点：v铸件尺寸精度较高铸件尺寸精度较高 v铸造复杂的铸件。如喷气式发动机的叶片，铸造复杂的铸件。如喷气式发动机的叶片，其流线型外廓与冷却用内腔，用机械加工工其流线型外廓与冷却用内腔，用机械加工工艺几乎无法形成。艺几乎无法形成。v合金不受限制，特别可以精密铸造高温合金合金不受限制，特别可以精密铸造高温合金铸件。铸件。2.压力铸造压力铸造v压力
4、铸造（简称压铸）的实质是在高压作用压力铸造（简称压铸）的实质是在高压作用下，使液态或半液态金属以较高的速度充填下，使液态或半液态金属以较高的速度充填压铸型型腔，并在压力下成型和凝固而获得压铸型型腔，并在压力下成型和凝固而获得铸件的方法。铸件的方法。v高压、高速是压力铸造的重要特征。高压、高速是压力铸造的重要特征。压铸有以下三方面优点压铸有以下三方面优点：v1.产品质量好产品质量好铸件尺寸精度高；表面光洁度好；强度和硬度较高，强度一铸件尺寸精度高；表面光洁度好；强度和硬度较高，强度一般比砂型铸造提高般比砂型铸造提高2530，但延伸率降低约，但延伸率降低约70；尺寸稳；尺寸稳定，互换性好；可压铸薄
5、壁复杂的铸件。例如，当前锌合金定，互换性好；可压铸薄壁复杂的铸件。例如，当前锌合金压铸件最小壁厚可达压铸件最小壁厚可达0.3mm；铝合金铸件可达；铝合金铸件可达0.5mm；最；最小铸出孔径为小铸出孔径为0.7mm；最小螺距为；最小螺距为0.75mm。v2.生产效率高生产效率高机器生产率高，例如国产机器生产率高，例如国产J3型卧式冷空压铸机平均八小时型卧式冷空压铸机平均八小时可压铸可压铸600700次；压铸型寿命长，一付压铸型，寿命可次；压铸型寿命长，一付压铸型，寿命可达几十万次，甚至上百万次；易实现机械化和自动化。达几十万次，甚至上百万次；易实现机械化和自动化。v3.经济效果优良经济效果优良由
6、于压铸件尺寸精确，表面光洁等优点。一由于压铸件尺寸精确，表面光洁等优点。一般不再进行机械加工而直接使用，或加工量般不再进行机械加工而直接使用，或加工量很小，所以既提高了金属利用率，又减少了很小，所以既提高了金属利用率，又减少了大量的加工设备和工时；铸件价格便宜；可大量的加工设备和工时；铸件价格便宜；可以采用组合压铸以其他金属或非金属材料。以采用组合压铸以其他金属或非金属材料。既节省装配工时又节省金属。既节省装配工时又节省金属。缺点缺点 1.压铸时由于液态金属充填型腔速度高，流态不稳压铸时由于液态金属充填型腔速度高，流态不稳定，故采用一般压铸法，铸件易产生气孔，不定，故采用一般压铸法，铸件易产生
7、气孔，不能进行热处理；能进行热处理；2.对内凹复杂的铸件，压铸较为困难；对内凹复杂的铸件，压铸较为困难；3.高熔点合金（如铜，黑色金属），压铸型寿命较高熔点合金（如铜，黑色金属），压铸型寿命较低；低；4.不宜小批量生产，其主要原因是压铸型制造成本不宜小批量生产，其主要原因是压铸型制造成本高，压铸机生产效率高，小批量生产不经济。高，压铸机生产效率高，小批量生产不经济。（P90轿车缸体例子）轿车缸体例子）3.消失模铸造消失模铸造v最普遍实用的方法是把涂有耐火材料涂层的最普遍实用的方法是把涂有耐火材料涂层的模型放入砂箱，模型四周用干砂充填紧实，模型放入砂箱，模型四周用干砂充填紧实，浇注液态金属，取代
8、泡沫塑料模型，这种铸浇注液态金属，取代泡沫塑料模型，这种铸造工艺被称为：消失模铸造（造工艺被称为：消失模铸造（EPC）图图1 消失模工艺的砂箱和浇注示意图消失模工艺的砂箱和浇注示意图 消失模铸工艺的优点消失模铸工艺的优点 v技术方面技术方面 1）模型设计的自由度增大）模型设计的自由度增大 新工艺有可能进行造型设计，并完全可以从第一阶新工艺有可能进行造型设计，并完全可以从第一阶段就能在模型上增加一些附加功能。例如：柴油预段就能在模型上增加一些附加功能。例如：柴油预热器有一个特殊功能部件，它可采用消失模铸造工热器有一个特殊功能部件，它可采用消失模铸造工艺进行制造，而不能采用传统铸造方法生产。艺进行
9、制造，而不能采用传统铸造方法生产。2）免除了铸件生产中使用的砂芯）免除了铸件生产中使用的砂芯 3）很多铸件可以不要冒口补缩）很多铸件可以不要冒口补缩 4）提高铸件精度）提高铸件精度 可获得形状结构复杂，可可获得形状结构复杂，可100重复生产高精度铸件，重复生产高精度铸件，可使铸件壁厚偏差控制在可使铸件壁厚偏差控制在-0.15 0.15mm之间。之间。5）在模型接合面不产生飞边）在模型接合面不产生飞边 v6）具有减轻铸件重量约）具有减轻铸件重量约1/3的优势的优势 7）减少加工余量）减少加工余量 可以减小机加工余量，对某些零件甚至可以可以减小机加工余量，对某些零件甚至可以不加工。这就大大减少了机
10、加工和机床投资。不加工。这就大大减少了机加工和机床投资。8）与传统空腔铸造相比，模具投资下降。）与传统空腔铸造相比，模具投资下降。9）完全消除了传统的落砂和出芯工序）完全消除了传统的落砂和出芯工序 图图2 消失模模型和铸件消失模模型和铸件 经济方面经济方面 v1）可整体生产复杂铸件）可整体生产复杂铸件 采用新工艺设计，分块模型可胶合组成整体模型，铸成复杂采用新工艺设计，分块模型可胶合组成整体模型，铸成复杂整体部件，对比原先多个铸件组合装配部件（如柴油预热器）整体部件，对比原先多个铸件组合装配部件（如柴油预热器）而言，可获益而言，可获益1到到10倍。倍。2）减少车间人员）减少车间人员 建立消失模
11、铸造工厂，所雇员工数量少于传统铸造工厂，因建立消失模铸造工厂，所雇员工数量少于传统铸造工厂，因此应当考虑这一因素。此应当考虑这一因素。3）铸造工艺灵活）铸造工艺灵活 铸造工艺的灵活性非常重要，因为新工艺有可能同时生产在铸造工艺的灵活性非常重要，因为新工艺有可能同时生产在砂箱中变化放置大量类似的或不同的铸件，浇注系统也因此砂箱中变化放置大量类似的或不同的铸件，浇注系统也因此十分灵活。同时还改善了工作条件。十分灵活。同时还改善了工作条件。图图3 消失模铸造车间消失模铸造车间 3.1.2精密塑性成形技术精密塑性成形技术v1.零件轧制成形零件轧制成形 零件轧制技术是冶金轧制技术与机械锻压加零件轧制技术
12、是冶金轧制技术与机械锻压加工技术交叉、延伸与发展的产物。由于零件工技术交叉、延伸与发展的产物。由于零件轧制技术具有高效、低耗、清洁等优点，因轧制技术具有高效、低耗、清洁等优点，因此其应用受到国内外的广泛重视。此其应用受到国内外的广泛重视。v与机械制造中的与机械制造中的切削切削(其成形特征为连续、局其成形特征为连续、局部、去除成形部、去除成形)、锻造锻造(其成特征为断续、整其成特征为断续、整体、塑性成形体、塑性成形)方法比较，轧制方法成形特征方法比较，轧制方法成形特征是连续、局部、塑性成形。是连续、局部、塑性成形。v零件轧制较之锻造也有其不足之处，即模具零件轧制较之锻造也有其不足之处，即模具复杂
13、、尺寸大、设备通用性差、工艺调整难复杂、尺寸大、设备通用性差、工艺调整难度大等。因此，轧制技术适合于批量大的零度大等。因此，轧制技术适合于批量大的零件生产和专业化工厂的生产。件生产和专业化工厂的生产。2.零件轧制成形的优缺点零件轧制成形的优缺点v(1)零件轧制的基本类型零件轧制的基本类型 零件轧制又称回转成形，其特征是工具或工零件轧制又称回转成形，其特征是工具或工件回转，或工具与工件都回转。零件形状不件回转，或工具与工件都回转。零件形状不同，轧制方式不同，零件轧机形式也不同见同，轧制方式不同，零件轧机形式也不同见P101图图3-102.汽车覆盖件成形汽车覆盖件成形v汽车覆盖件大多是大型薄板冲压
14、件汽车覆盖件大多是大型薄板冲压件（1）汽车覆盖件的结构特点）汽车覆盖件的结构特点1）总体尺寸大）总体尺寸大2）相对厚度小）相对厚度小3）形式复杂）形式复杂4）轮廓内部带有局部形状）轮廓内部带有局部形状v把汽车覆盖件的结构组成进行分解，可以先把汽车覆盖件的结构组成进行分解，可以先确定各基本形状的变形特点，再把各基本形确定各基本形状的变形特点，再把各基本形状之间的相互影响考虑进去，就能够分析出状之间的相互影响考虑进去，就能够分析出汽车覆盖件的主要变形特点，判断出各部位汽车覆盖件的主要变形特点，判断出各部位的成形难点，预先制定相点策。的成形难点，预先制定相点策。v基本形状主要有直壁轴对称形状基本形状
15、主要有直壁轴对称形状(包括变异的包括变异的直壁椭圆形状直壁椭圆形状)、曲面轴对称形状、圆锥体形、曲面轴对称形状、圆锥体形状以及盒形形状等状以及盒形形状等v每种基本形状都可分解成由法兰形状、轮廓每种基本形状都可分解成由法兰形状、轮廓形状、侧壁形状、底部形状组成。形状、侧壁形状、底部形状组成。（2）汽车覆盖件的冲压成形特点）汽车覆盖件的冲压成形特点1）一次拉伸成形）一次拉伸成形2）拉胀复合成形）拉胀复合成形3）局部成形）局部成形4）变形路径变化）变形路径变化（3）汽车覆盖件设计的生产流程）汽车覆盖件设计的生产流程v制件设计制件设计-工艺分析工艺分析-计算机模拟计算机模拟-模具设计模具设计-制制造造
16、-调试调试-返修。返修。v计算机模拟计算机模拟1）使用软件：美国的）使用软件：美国的DynaForm；日本的；日本的AutoForm2）特点：）特点：a）缩短模具制造时间）缩短模具制造时间 b）节省费用）节省费用 c）提高零件的质量和使用性能）提高零件的质量和使用性能 d）降低零件的废品率）降低零件的废品率 f）减少原材料浪费）减少原材料浪费3.1.3快速原型制造快速原型制造快速原型制造快速原型制造 Rapid Prototype Manufacturing 简称简称 RPM九十年代发展起来的一项高新技术。九十年代发展起来的一项高新技术。RPM技术是在现代技术是在现代 CAD/CAM 技术、激
17、光技术、计技术、激光技术、计算机数控技术、精密伺服驱动技术算机数控技术、精密伺服驱动技术以及以及新材料技术新材料技术的基础上集成发展起来的的基础上集成发展起来的RPM技术在不需要任何刀具、模具及工装卡具的情况技术在不需要任何刀具、模具及工装卡具的情况下，可将下，可将任意复杂形状任意复杂形状的设计方案快速转换为三维的设计方案快速转换为三维的的实体模型或样件实体模型或样件，这就是，这就是 RPM技术所具有的潜技术所具有的潜在的革命意义。在的革命意义。1.RPM技术的基本原理技术的基本原理 将计算机内的三维实体模型进行分层切片得到各层将计算机内的三维实体模型进行分层切片得到各层截面的轮廓，计算机据此
18、信息控制激光器（或喷嘴）截面的轮廓，计算机据此信息控制激光器（或喷嘴）有选择性地切割一层又一层的片状材料。形成一系有选择性地切割一层又一层的片状材料。形成一系列具有一个微小厚度的片状实体，再采用粘接、聚列具有一个微小厚度的片状实体，再采用粘接、聚合、熔结、焊接或化学反应等手段使其逐层堆积成合、熔结、焊接或化学反应等手段使其逐层堆积成一体，制造出所设计的三维模型或样件。一体，制造出所设计的三维模型或样件。RPM技术的基本原理图技术的基本原理图三维CAD模型分层切片各层截面的轮廓激光器（或喷嘴）按各层截面轮廓切割、固化或烧结微小厚度的片状实体逐层堆积三维模型或样件2.快速原型制造工艺1.材料累加法
19、（Material Increase Manufacturing）2.材料去除法:三维雕刻机（Material Increase Manufacturing）成型工艺加工能量（1）Laser beam(激光束)RP（2）Lamp(光照)RP（3）Heat energy(热能)RP（4）Mechanical energy(机械能)RP1.光固化成型工艺 (SLAStereo lithography Apparatus)2.分层实体制造工艺(LOMLaminated Object Manufacturing)3.选择性激光烧结工艺 (SLSSelected Laser Sintering)4.熔融
20、沉积造型工艺 (FDMFused Deposition Modeling)5.三维打印工艺（2DPThree-dimensional printing）3.快速原型制造特点快速原型制造特点1.结合结合CAD/CAM 技术、激光技术、计算机数控技术、技术、激光技术、计算机数控技术、精密伺服驱动技术精密伺服驱动技术以及以及新材料技术，真正意义上的新材料技术，真正意义上的数字化制造。数字化制造。2.可将可将任意复杂形状任意复杂形状的设计方案快速的设计方案快速转换转换为三维的为三维的实实体模型或样件体模型或样件3.CAD直接驱动，直接驱动，快速快速、准确准确、以及、以及制造复杂模型。制造复杂模型。4.
21、不需要任何刀具，模具及工装卡具的情况下，直接不需要任何刀具，模具及工装卡具的情况下，直接制造，方便快捷。制造，方便快捷。5.原材料的种类繁多；原材料的种类繁多；提高提高了新产品开发的一次了新产品开发的一次成功成功率率，缩短缩短了了开发周期开发周期，降低降低了了研发成本研发成本。4.快速原型应用领域快速原型应用领域 1.工业造型、模具、工业造型、模具、家电、电子仪表、轻工、家电、电子仪表、轻工、塑料、玩具、航空航天、军工、机械、汽车、塑料、玩具、航空航天、军工、机械、汽车、摩托车、内燃机、建筑规划及模型、科研、摩托车、内燃机、建筑规划及模型、科研、医疗医疗等。等。2.应用体现：应用体现：a）支持
22、快速产品开发）支持快速产品开发 b）支持快速模具制造）支持快速模具制造 c）支持医用实体制造）支持医用实体制造3.2先进切削技术与机床先进切削技术与机床v3.2.1超精密切削加工技术超精密切削加工技术 1概述概述 v 精密和超精密加工技术的发展，直接影响到一个国家尖端精密和超精密加工技术的发展，直接影响到一个国家尖端技术和国防工业的发展，因此世界各国对此都极为重视，投技术和国防工业的发展，因此世界各国对此都极为重视，投入很大力量进行研究开发，同时实行技术保密，控制关键加入很大力量进行研究开发，同时实行技术保密，控制关键加工技术及设备出口。工技术及设备出口。v 从目前机械加工的工艺水平来看，超精
23、密加工一般指加工从目前机械加工的工艺水平来看，超精密加工一般指加工精度精度0.1m，表面粗糙度，表面粗糙度Ra值值0.025m的加工。同时也的加工。同时也包含加工尺寸在亚微米级的微细加工。包含加工尺寸在亚微米级的微细加工。v 随着航空航天、高精密仪器仪表、惯导平台、光学和激光随着航空航天、高精密仪器仪表、惯导平台、光学和激光等技术的迅速发展和多领域的广泛应用，对各种高精度复杂等技术的迅速发展和多领域的广泛应用，对各种高精度复杂零件、光学零件、高精度平面、曲面和复杂形状的加工需求零件、光学零件、高精度平面、曲面和复杂形状的加工需求日益迫切。日益迫切。v我国目前已是一个我国目前已是一个“制造大国制
24、造大国”，制造业规模名列世界第四，制造业规模名列世界第四位，仅次于美国、日本和德国，近年来在精密加工技术和精位，仅次于美国、日本和德国，近年来在精密加工技术和精密机床设备制造方面也取得了不小进展。但我国还不是一个密机床设备制造方面也取得了不小进展。但我国还不是一个“制造强国制造强国”，与发达国外相比仍有较大差距。，与发达国外相比仍有较大差距。v我国每年虽有大量机电产品出口，但多数是技术含量较低、我国每年虽有大量机电产品出口，但多数是技术含量较低、价格亦较便宜的中低档产品；而从国外进口的则大多是技术价格亦较便宜的中低档产品；而从国外进口的则大多是技术含量高、价格昂贵的高档产品。含量高、价格昂贵的
25、高档产品。v目前我国每年需进口大量国内尚不能生产的精密数控机床设目前我国每年需进口大量国内尚不能生产的精密数控机床设备和仪器，例如，备和仪器，例如，2003年我国进口了价值年我国进口了价值41.6亿美元的机床，亿美元的机床，而出口机床仅为而出口机床仅为3.8亿美元，且主要为低精度的普通机床。亿美元，且主要为低精度的普通机床。2004年我国进口机床为年我国进口机床为57.8亿美元，出口机床仅为亿美元，出口机床仅为5.2亿美亿美元。元。2005年我国机床总产值约为年我国机床总产值约为50亿美元，出口机床为亿美元，出口机床为8亿亿美元，而进口机床则达到美元，而进口机床则达到67亿美元。亿美元。图图1
26、 超精密切削加工机床示例（图为超精密切削加工机床示例（图为SHPERE-200超精密球面镜机床）超精密球面镜机床）2.超精密切削加工技术的研发现状超精密切削加工技术的研发现状v美、英、德等国在上世纪七十年代（日本在八十年美、英、德等国在上世纪七十年代（日本在八十年代）即开始生产超精密机床产品，并可批量供货。代）即开始生产超精密机床产品，并可批量供货。在大型超精密机床方面，美国的在大型超精密机床方面，美国的LLL国家实验室于国家实验室于1986年研制成功两台大型超精金刚石车床：一台为年研制成功两台大型超精金刚石车床：一台为加工直径加工直径2.1m的卧式的卧式DTM-3金刚石车床，另一台为金刚石车
27、床，另一台为加工直径加工直径1.65m的的LODTM立式大型光学金刚石车床。立式大型光学金刚石车床。其中，其中，LODTM立式大型光学金刚石车床被公认为立式大型光学金刚石车床被公认为世界上精度最高的超精密机床。美国后来又研制出世界上精度最高的超精密机床。美国后来又研制出大型大型6轴数控精密研磨机，用于大型光学反射镜的轴数控精密研磨机，用于大型光学反射镜的精密研磨加工。精密研磨加工。v英国的英国的Cranfield精密加工中心于精密加工中心于1991年研制年研制成功成功OAGM-2500多功能三坐标联动数控磨多功能三坐标联动数控磨床（工作台面积床（工作台面积2500mm2500mm），可），可加
28、工（磨削、车削）和测量精密自由曲面。加工（磨削、车削）和测量精密自由曲面。该机床采用加工件拼合方法，还可加工出天该机床采用加工件拼合方法，还可加工出天文望远镜中直径文望远镜中直径7.5m的大型反射镜。的大型反射镜。v日本的多功能和高效专用超精密机床发展较日本的多功能和高效专用超精密机床发展较快，对日本微电子和家电工业的发展起到了快，对日本微电子和家电工业的发展起到了很好的促进作用。很好的促进作用。我国超精密机床的发展情况我国超精密机床的发展情况 v在过去相当长一段时期，由于受到西方国家的禁运在过去相当长一段时期，由于受到西方国家的禁运限制，我国进口国外超精密机床严重受限。但当限制，我国进口国外
29、超精密机床严重受限。但当1998年我国自己的数控超精密机床研制成功后，西年我国自己的数控超精密机床研制成功后，西方国家马上对我国开禁，我国现在已经进口了多台方国家马上对我国开禁，我国现在已经进口了多台超精密机床。超精密机床。v必须承认，在超棈密机床技术方面，我们与国外先必须承认，在超棈密机床技术方面，我们与国外先进水平相比还有相当大的差距，国产超精密机床的进水平相比还有相当大的差距，国产超精密机床的质量水平尚待进一步提高质量水平尚待进一步提高。超精密加工主要影响因素超精密加工主要影响因素v（1）加工机床）加工机床 要求机床高精度、高刚度、高稳定性、自动化，并要求机床高精度、高刚度、高稳定性、自
30、动化，并与加工与加工 材料相结合；例如，有色金属材料（如铜、材料相结合；例如，有色金属材料（如铜、铝合金）宜进行车削或铣削加工；黑色金属材料铝合金）宜进行车削或铣削加工；黑色金属材料（如钢等）则宜选磨削与研、抛等工艺，否则得不（如钢等）则宜选磨削与研、抛等工艺，否则得不到预期的加工效果等。到预期的加工效果等。v（2）加工刀具）加工刀具 刀具材料主要又金刚石、立方氮化硼、陶瓷等。例刀具材料主要又金刚石、立方氮化硼、陶瓷等。例如，有色金属材料（如铜、铝合金）宜用单点金刚如，有色金属材料（如铜、铝合金）宜用单点金刚石刀具进行车削或铣削加工；石刀具进行车削或铣削加工；v（3）加工材料）加工材料 被加工
31、工件的材质要密实；各向的同一性要被加工工件的材质要密实；各向的同一性要好（最好为单晶）；表层硬度和弹性模量要好（最好为单晶）；表层硬度和弹性模量要恒定一致；可加工性要好；材料的化学成份恒定一致；可加工性要好；材料的化学成份与机械物理性能都应达到相应的数量级。与机械物理性能都应达到相应的数量级。v（4）测量）测量 具有能实现纳米级（具有能实现纳米级（1nm 10nm）增量进给）增量进给的机床和分辨力优于的机床和分辨力优于0.1nm的测量设备，如的测量设备，如激光干涉仪，扫描隧道显微镜和原子力显微激光干涉仪，扫描隧道显微镜和原子力显微镜等。镜等。v（5）加工环境）加工环境 加工环境要严格恒温、隔振
32、和净化。恒温室（第一加工环境要严格恒温、隔振和净化。恒温室（第一分隔区）中的温度波动不得大于分隔区）中的温度波动不得大于0.1C；加工区；加工区（第二分隔区）中则不应超过（第二分隔区）中则不应超过0.01C；环境的；环境的相对湿度要保持在相对湿度要保持在55%-60%以内；大气压力（如用以内；大气压力（如用激光测量仪时）应保持激光测量仪时）应保持1MPa0.1%；机床地基的；机床地基的隔振系统固有频率隔振系统固有频率2Hz；加工区的净化度应为每立；加工区的净化度应为每立方英尺中大于方英尺中大于0.5m的微粒含量应不多于的微粒含量应不多于100-10000颗。颗。4发展趋势发展趋势v（1）高精度
33、与高效率）高精度与高效率v（2）大型化与微型化）大型化与微型化v（3）加工测量一体化）加工测量一体化v（4）新材料）新材料v（5）多功能、模块化和廉价化）多功能、模块化和廉价化3.2.2超高速切削加工技术超高速切削加工技术v超高速加工技术是指采用超硬材料的刃具，通过极大地提高超高速加工技术是指采用超硬材料的刃具，通过极大地提高切削速度和进给速度来提高材料切除率、加工精度和加工质切削速度和进给速度来提高材料切除率、加工精度和加工质量的现代加工技术。量的现代加工技术。v超高速加工的切削速度范围因不同的工件材料、不同的切削超高速加工的切削速度范围因不同的工件材料、不同的切削方式而异。目前，一般认为，
34、超高速切削各种材料的切速范方式而异。目前，一般认为，超高速切削各种材料的切速范围为：铝合金已超过围为：铝合金已超过1600m/min，铸铁为，铸铁为1500m/min，超，超耐热镍合金达耐热镍合金达300m/min，钛合金达，钛合金达1501000m/min，纤维，纤维增强塑料为增强塑料为20009000m/min。各种切削工艺的切速范围为：。各种切削工艺的切速范围为：车削车削7007000m/min，铣削，铣削3006000m/min，钻削，钻削2001100m/min，磨削，磨削250m/s以上等等。以上等等。超高速切削加工特点超高速切削加工特点1.切削速度大幅度提高，进给速度提高切削速度
35、大幅度提高，进给速度提高5-10倍倍2.切削力大幅下降约在切削力大幅下降约在30%左右左右3.95%-98%的切削热被飞屑带走，工件保持冷态的切削热被飞屑带走，工件保持冷态4.高速切削，频率较高，避开机床系统的固有频率，高速切削，频率较高，避开机床系统的固有频率，系统工作平稳。系统工作平稳。5.加工许多难以加工的材料。加工许多难以加工的材料。关键技术关键技术v超高速切削刀具技术v超高速切削机床技术v超高速切削工艺技术v超高速切削加工测试技术发展趋势发展趋势v扩大材料加工范围扩大材料加工范围v实现绿色超高速加工实现绿色超高速加工v提高切削负载提高切削负载v改善驱动与控制技术改善驱动与控制技术v实
36、现安全防护与远程监控实现安全防护与远程监控v拓展加工方法种类拓展加工方法种类v改善研究与试验条件改善研究与试验条件3.2.3虚拟轴机床虚拟轴机床v机床结构技术上的突破性进展当属机床结构技术上的突破性进展当属90年代中年代中期问世的并联机床期问世的并联机床(Parallel Machine Tool)，又称虚又称虚(拟拟)轴机床轴机床(Virtual Axis Machine Tool)或并联运动学机器或并联运动学机器(Parallel Kinematics Machine)。并联机床实质上是。并联机床实质上是机器人技术与机床结构技术结合的产物，其机器人技术与机床结构技术结合的产物，其原型是并联
37、机器人操作机。原型是并联机器人操作机。DCB510并联机床 并联机床具有如下优点：并联机床具有如下优点：1)刚度重量比大：因采用并联闭环静定或非静定杆系结构，刚度重量比大：因采用并联闭环静定或非静定杆系结构，且在准静态情况下，传动构件理论上为仅受拉压载荷的二力且在准静态情况下，传动构件理论上为仅受拉压载荷的二力杆，故传动机构的单位重量具有很高的承载能力。杆，故传动机构的单位重量具有很高的承载能力。2)响应速度快：运动部件惯性的大幅度降低有效地改善了伺响应速度快：运动部件惯性的大幅度降低有效地改善了伺服控制器的动态品质，允许动平台获得很高的进给速度和加服控制器的动态品质，允许动平台获得很高的进给
38、速度和加速度，因而特别适于各种高速数控作业。速度，因而特别适于各种高速数控作业。3)环境适应性强：便于可重组和模块化设计，且可构成形式环境适应性强：便于可重组和模块化设计，且可构成形式多样的布局和自由度组合。在动平台上安装刀具可进行多坐多样的布局和自由度组合。在动平台上安装刀具可进行多坐标铣、钻、磨、抛光，以及异型刀具刃磨等加工。装备机械标铣、钻、磨、抛光，以及异型刀具刃磨等加工。装备机械手腕、高能束源或手腕、高能束源或CCD摄像机等末端执行器，还可完成精密摄像机等末端执行器，还可完成精密装配、特种加工与测量等作业。装配、特种加工与测量等作业。4)技术附加值高：并联机床具有技术附加值高：并联机
39、床具有“硬件硬件”简单，简单，“软件软件”复复杂的特点，是一种技术附加值很高的机电一体化产品，因此杂的特点，是一种技术附加值很高的机电一体化产品，因此可望获得高额的经济回报。可望获得高额的经济回报。并联机床发展趋势并联机床发展趋势1.结构多样化结构多样化2.小型化与简单化小型化与简单化3.混联化混联化4.群组化群组化一、加工理论基础一、加工理论基础 1 1、原理：、原理：电火花加工是利用浸在工作液中的两极电火花加工是利用浸在工作液中的两极间脉冲放电时产生的电蚀作用蚀除导电材料的特种加工方间脉冲放电时产生的电蚀作用蚀除导电材料的特种加工方法，又称放电加工或电蚀加工，英文简称法，又称放电加工或电蚀
40、加工，英文简称EDM.EDM.3.3.1电火花加工技术电火花加工技术3.3现代特种加工技术现代特种加工技术 1工件 2脉冲电源 3自动进给调节系统 4工具 5工作液 6过滤器 7工作液泵 电火花加工原理示意图32145672.电火花加工的机理：电火花加工的机理：电火花加工基于电火花腐蚀原理电火花加工基于电火花腐蚀原理,在电火花通道中在电火花通道中产生瞬时高温产生瞬时高温,使局部金属融化使局部金属融化,甚至汽化甚至汽化,从而将金从而将金属蚀除下来。分为以下几个阶段：属蚀除下来。分为以下几个阶段：(1)极间介质的电离、击穿极间介质的电离、击穿,形成放电通道形成放电通道放电通道是有大量带正电和负电的
41、粒子以及中型粒放电通道是有大量带正电和负电的粒子以及中型粒子组成子组成,带电粒子高速运动带电粒子高速运动,相互碰撞相互碰撞,产生大量热能产生大量热能,使通道温度升高使通道温度升高,通道中心温度可达到通道中心温度可达到10000摄氏摄氏度以上。在放电的同时还伴随着光效应和声效应度以上。在放电的同时还伴随着光效应和声效应,这就形成了肉眼所能看到的电火花。这就形成了肉眼所能看到的电火花。液体介质被电离、击穿液体介质被电离、击穿,形成放电通道形成放电通道,产生大量的产生大量的热能热能,使工作液汽化使工作液汽化,进而气化进而气化,然后高温向四周扩然后高温向四周扩散散,使两电极表面的金属材料开始融化直至沸
42、腾气使两电极表面的金属材料开始融化直至沸腾气化。化。(3)电极材料的抛出电极材料的抛出正负电极间产生的电火花使放电通道产生高温高压。正负电极间产生的电火花使放电通道产生高温高压。工作液和金属汽化后不断向外膨胀工作液和金属汽化后不断向外膨胀,熔融金属液体熔融金属液体和蒸汽被抛抛入到工作液中。加工中看到的桔红色和蒸汽被抛抛入到工作液中。加工中看到的桔红色火花就是被抛出的高温金属熔滴和碎屑。火花就是被抛出的高温金属熔滴和碎屑。(2)电极表面材料的融化电极表面材料的融化,汽化热膨胀汽化热膨胀(4)极间介质的消电离极间介质的消电离为了保证电火花加工过程的正常进行为了保证电火花加工过程的正常进行,在两次放
43、电在两次放电之间必须有足够的时间间隔让电蚀产物充分排除之间必须有足够的时间间隔让电蚀产物充分排除,恢复放电通道的绝缘性恢复放电通道的绝缘性,使工作液介质消电离。使工作液介质消电离。实际上实际上,电火花加工是电力、磁力、热力、流体动电火花加工是电力、磁力、热力、流体动力、电化学和胶体化学等综合作用的过程。到目力、电化学和胶体化学等综合作用的过程。到目前为止前为止,人们对电火花加工过程的了解还有限人们对电火花加工过程的了解还有限,需要需要进一步研究。进一步研究。（1）加工难以用金属切削方法加工的）加工难以用金属切削方法加工的零件零件,不受材料硬度影响。不受材料硬度影响。（2）由于工具电极与工件电极
44、不直接）由于工具电极与工件电极不直接接触接触,没有机械切削力。所以在制作工具没有机械切削力。所以在制作工具电极时不必考虑其受力特性。电极时不必考虑其受力特性。二、电火花加工的优点二、电火花加工的优点：（3）电火花加工是通过脉冲放电来蚀除）电火花加工是通过脉冲放电来蚀除金属材料的金属材料的,而脉冲电源的参数随时可调而脉冲电源的参数随时可调,因此在同一情况下因此在同一情况下,只需调整电参数即可只需调整电参数即可切换粗、半精、精、超精加工。切换粗、半精、精、超精加工。(6)线切割加工有厚度极限。线切割加工有厚度极限。三、电火花加工的局限性：三、电火花加工的局限性：(1)电火花加工生产效率低。电火花加
45、工生产效率低。(2)被加工的工件只能是导体被加工的工件只能是导体.(3)存在电极损耗存在电极损耗,这就影响了成型精度。这就影响了成型精度。(4)加工表面有变质层加工表面有变质层。(5)加工过程必须在工作液中进行。电火花加加工过程必须在工作液中进行。电火花加工时放电部位必须在工作液中工时放电部位必须在工作液中,否则将引起异常否则将引起异常放电。放电。采用成型工具电极进行仿形电火花加工的方法采用成型工具电极进行仿形电火花加工的方法四、电火花加工的分类与发展概况四、电火花加工的分类与发展概况：根据目前电火花设备使用情况来分根据目前电火花设备使用情况来分,可分为可分为3大类大类:1电火花成型加工电火花
46、成型加工2电火花线切割加工电火花线切割加工3其他类型电火花加工其他类型电火花加工利用金属线作为电极对工件进行切割的方法利用金属线作为电极对工件进行切割的方法如电火花磨削加工、电火花回转加工、电火花如电火花磨削加工、电火花回转加工、电火花研磨、珩磨以及金属电火花表面强化、刻字等研磨、珩磨以及金属电火花表面强化、刻字等.3.3.2高能束加工技术高能束加工技术v1.激光束加工技术激光束加工技术 激光是激光是20世纪的重大发明之一，它具有高亮世纪的重大发明之一，它具有高亮度、良好的单色性和相干性及方向性这四大度、良好的单色性和相干性及方向性这四大特性。特性。当激光光子携带的高能与物质相互作用并为当激光
47、光子携带的高能与物质相互作用并为改物质所吸收时，物质就具备了相应的高能改物质所吸收时，物质就具备了相应的高能量，产生加热、熔融、气化、等离子等过程。量，产生加热、熔融、气化、等离子等过程。应用上述现象对材料进行加工，称为激光束应用上述现象对材料进行加工，称为激光束加工技术。加工技术。（1）激光束加工理论基础）激光束加工理论基础光的波粒二象性光的波粒二象性亚稳态能级的工作物质、激励源、光学谐振亚稳态能级的工作物质、激励源、光学谐振腔是形成激光束的三大要素。腔是形成激光束的三大要素。高功率的激光束作用在固体表面时，固体表高功率的激光束作用在固体表面时，固体表面吸收大量的激光能量后，导致温度升高、面
48、吸收大量的激光能量后，导致温度升高、融化、气化、喷溅等现象达到加工的目的。融化、气化、喷溅等现象达到加工的目的。（2）激光加工的装备）激光加工的装备v1用于制造业中的激光系统即激光制造系统，用于制造业中的激光系统即激光制造系统，一般由激光器、激光电源、光学系统、机械一般由激光器、激光电源、光学系统、机械系统等组成，其核心为激光器。系统等组成，其核心为激光器。v激光器常见的有固体激光器、气体激光器、激光器常见的有固体激光器、气体激光器、液体激光器、半导体激光器、化学激光器以液体激光器、半导体激光器、化学激光器以及准分子激光器等。及准分子激光器等。v常用的是红宝石激光器常用的是红宝石激光器（3）激
49、光加工工艺）激光加工工艺v1）激光打孔）激光打孔 孔的直径、深度、圆度、锥度、材料的硬脆孔的直径、深度、圆度、锥度、材料的硬脆性。性。v2）激光切割）激光切割 切割速度、切割厚度、切缝的宽度。切割速度、切割厚度、切缝的宽度。2.离子束加工技术离子束加工技术v在真空条件下，将由离子源产生的离子经过电场加在真空条件下，将由离子源产生的离子经过电场加速，获得具有一定速度的离子束投射到材料表面，速，获得具有一定速度的离子束投射到材料表面，产生溅射效应和注入效应，这就是离子束加工的物产生溅射效应和注入效应，这就是离子束加工的物理基础理基础。v分子发生能量交换。离子失去的部分能量传给工件分子发生能量交换。
50、离子失去的部分能量传给工件表面的原子、分子。能量足够大时，使它们从基体表面的原子、分子。能量足够大时，使它们从基体材料中分离出来，由此产生工件材料的溅射。其余材料中分离出来，由此产生工件材料的溅射。其余能量则转化为材料晶格的振动。入射粒子与原子，能量则转化为材料晶格的振动。入射粒子与原子，分子碰撞进行能量交换，可以产生一次碰撞或多次分子碰撞进行能量交换，可以产生一次碰撞或多次碰撞。碰撞。（2）离子束的加工装备）离子束的加工装备v离子束的加工设备包括离子源（离子枪），离子束的加工设备包括离子源（离子枪），真空系统，控制系统和电源系统。对于不同真空系统，控制系统和电源系统。对于不同类的用途，离子束
