1、 第七章 加工中心自动编程与操作返回索引1 加工中心简介加工中心简介加工中心加工中心简简介介1.1 加工中心的特点加工中心是带有刀库和自动换刀装置的数控机床，集铣削、钻削、铰削、镗削、攻螺纹和切螺纹于一身，综合加工能力较强。全封闭防护 工序集中，加工连续进行 使用多把刀具，自动进行刀具交换 多个工作台，自动进行工作台交换 功能强大，趋向复合加工 高自动化、高精度、高效率 高投入，在适当的条件下才能发挥最佳效益主要加工对象：1）既有平面又有孔系的零件 箱体类零件 盘、套、板类零件 2)复杂曲面类零件 凸轮类 整体叶轮类 模具类 3）外型不规则零件 4）加工精度要求高的中小批量零件 5）新产品试制
2、中的零件1.2 加工中心刀具及加工范围铣削铣削 加工中心可铣削平面、台阶面、各种沟槽以及复杂的曲面。钻削钻削 加工中心可钻削各种规格的孔，包括螺纹孔。镗削加工镗削加工1.3 加工中心的组成 基础部件：基础部件：基础部件是加工中心的基础结构，它主要由床身、工作台、立柱三大部分组成；（一般为铸铁）主轴部件：主轴部件：主轴部件由主轴箱、主轴电机、主轴和主轴轴承等零部件组成，主轴是加工中心切削加工的功率输入部件，它的起动、停止、变速、换向等都由数控系统控制。主轴的旋转精度和定位精度是影响加工精度的重要因素。数控系统：数控系统：数控系统由CNC装置、可编程序控制器、伺服驱动系统等组成。自动换刀系统：自动
3、换刀系统：自动换刀系统由刀库和换刀装置组成。工件在一次装夹后，可连续完成对工件表面自动进行钻孔、扩孔、铰孔、镗孔、攻螺纹、铣削等多工步的加工。辅助装置：辅助装置：润滑、冷却、排屑、液压、气动等 2 自动编程概述自自动编动编程程2.1 手工编程与自动编程手工编程手工编程 概念：概念：手工编程指主要由人工来完成数控编程中各个阶段的工作。特点：特点：耗费时间较长，容易出现错误，无法胜任复杂形状零件的编程。据国外资料统计，当采用手工编程时，一段程序的编写时间与其在机床上运行加工的实际时间之比，平均约为30：1；而数控机床不能开动的原因中有20%30%是由于加工程序编制困难，编程时间较长。应用：应用：一
4、般对几何形状不太复杂的零件，所需的加工程序不长，计算比较简单，用手工编程比较合适。自动编程自动编程概念：概念：也称为计算机辅助零件编程，即数控机床的程序编制的工作的大部分或一部分是由计算机来完成的。特点：特点：自动编程具有编程速度快、周期短、质量高、使用方便等优点。应用：应用：能完成用手工编程无法编制的复杂零件的数控加工程序，而且零件越是复杂，其经济效益越好。APT语语言自言自动编动编程程图图形交互自形交互自动编动编程程自自动编动编程方式程方式2.2 自动编程方式的分类APIAPI语言自动编程语言自动编程APT（Automatically Programmed Tool）语言是一种对工件、刀具
5、的几何形状及刀具相对于工件的运动进行定义时用的一种接近于英语的符号语言，把用此语言编写的零件程序输入计算机，进行APT处理程序经过编译和运算，输出刀具加工轨迹，然后再经过后置处理，转化为数控机床所需的指令格式。特点：采用数控语言编程具有程序简练、走刀控制灵活等优点，使数控加工编程从面向机床指令的“汇编语言”级，上升到面向元素点、线、面的高级语言级。缺点：1）零件的设计与加工之间用图纸传递数据，阻碍了设计与制造的一体化。2）图纸的解释、工艺过程规划要工艺人员完成，对用户的技术水平要求较高。3）系统本身缺少对零件形状、刀具运动轨迹的直观图形显示和刀具轨迹的验证手段。图形交互自动编程图形交互自动编程
6、以图形要素为输入方式。从零件及刀具几何形状的输入、显示和修改，刀具运动的定义，刀具轨迹的生成，加工过程的动态仿真显示，直至数控加工程序的产生都是在图形交互方式下得到的。特点：具有速度快、精度高、直观性好、使用简便、便于检查等优点。目前以成为国内外先进的目前以成为国内外先进的CAD/CAMCAD/CAM软件普遍采用的数控编程方法。软件普遍采用的数控编程方法。国外：CIMATRON、MASTERCAM、SIMENS NX(UG NX)、CATIA、PRO/E 国内：CAXA 2.3 自动编程流程原有零件图形图形转换CAD 造型CAM 刀路程序后置处理数控加工程序加工中心零件图纸2.4 数控加工应注
7、意的策略应留有足够的自动换刀空间，以避免与工件或夹具碰撞。应设置合理的安全平面。最终轮廓一次走刀完成 为保证工件轮廓表面加工后的粗糙度要求，最终轮廓应安排在最后一次走刀中连续加工出来。选择切入切出方向 考虑刀具的进、退刀（切入、切出）路线时，刀具的切出或切入点应在沿零件轮廓的切线上，以保证工件轮廓光滑；应避免在工件轮廓面上垂直上、下刀而划伤工件表面；尽量减少在轮廓加工切削过程中的暂停（切削力突然变化造成弹性变形），以免留下刀痕。图1 外轮廓加工刀具的 切入和切出图2 无交点内轮廓加工刀具的切入和切出刀路轨迹的生成运动轨迹仿真后置处理CAM几何造型CAD加 工自自动动加工加工3 Cimatron
8、自动编程实例零件模型加工程序3.1 几何造型 几何造型就是利用图形交互自动编程软件的图形绘制、编辑修改、曲线曲面造型等有关指令，将零件被加工部位的几何图形准确地绘制在计算机屏幕上。同时，计算机自动生成零件的图形数据文件，这些图形数据是下一步刀路轨迹计算的依据。自动编程过程中，软件将根据加工要求自动提取这些数据，进行分析判断和必要的数学处理，以形成加工的刀路轨迹数据。3.2 刀路轨迹的生成 刀路轨迹的生成是人机交互进行的。首先在刀路轨迹生成菜单中选择所需的菜单项，然后根据屏幕提示，用光标选择相应的图形目标，指定相应的坐标点，输入所需的各种参数。软件将自动从图形文件中提取编程所需的信息进行分析判断
9、，计算出节点数据，并将其转换成刀路数据，存入指定的刀路文件中或直接进行后置处理生成数控加工程序，同时在屏幕上显示出刀路轨迹图形。3.3 运动轨迹仿真 主要用来检验数控程序编制的正确性，刀具与工件被加工轮廓的干涉等。可以采用动画显示的方法。3.3 后置处理 后置处理的目的是形成数控加工指令文件。后置处理程序是根据数控机床的要求设计出的程序，它可以把刀路数据、有关的工艺参数和辅助信息等转换成数控系统所能接受的NC代码指令和程序格式。第八章第八章 装装 配配返回索引 任何一台机器设备都是有许多零件所任何一台机器设备都是有许多零件所组成，将若干合格的零件按规定的技术要组成，将若干合格的零件按规定的技术
10、要求组合成部件，或将若干个零件和部件组求组合成部件，或将若干个零件和部件组合成机器设备，并经过调整、检验等成为合成机器设备，并经过调整、检验等成为合格产品的工艺过程称为装配。合格产品的工艺过程称为装配。1、装配的概念、装配的概念 第八章 零件表面的加工方案 2.装配的工艺过程装配的工艺过程 装配是机器制造中的最后一道工序，装配是机器制造中的最后一道工序，因此它是保证机器达到各项技术要求的关因此它是保证机器达到各项技术要求的关键。装配工作的好坏，对产品的质量起着键。装配工作的好坏，对产品的质量起着重要的作用。重要的作用。2.1 装配前的准备工作（1）研究和熟悉装配图的技术条件，了 解产品的结构和
11、零件作用，以及相 连接关系。（2）确定装配的方法、程序和所需的工 具。（3）领取和清洗零件。2.2 装配装配 装配又有组件装配、装配又有组件装配、部件装配和总装配之分，部件装配和总装配之分，整个装配过程要按次序进整个装配过程要按次序进行。行。1）组件装配）组件装配 将若干零将若干零件安装在一个基础零件上件安装在一个基础零件上而构成组件。如减速器中而构成组件。如减速器中一根传动轴，就由轴、齿一根传动轴，就由轴、齿轮、键等零件装配而成的轮、键等零件装配而成的组件。组件。2.2 装配装配 2）部件装配）部件装配 将若干个零件、组件安装在另将若干个零件、组件安装在另 一个基础零件上而构成部件（独立机一
12、个基础零件上而构成部件（独立机 构）。如车床的床头箱、进给箱、尾架构）。如车床的床头箱、进给箱、尾架 等。等。3）总装配）总装配 将若干个零件、组件、部件组将若干个零件、组件、部件组 合成整台机器的操作过程称为总装配。合成整台机器的操作过程称为总装配。例如车床就是把几个箱体等部件、组例如车床就是把几个箱体等部件、组 件、零件组合而成。件、零件组合而成。2.3 装配工作的技术要求装配工作的技术要求（1）装配时，应检查零件与装配有关的形状和尺）装配时，应检查零件与装配有关的形状和尺寸精度是否合格，检查有无变形、损坏等，并应注寸精度是否合格，检查有无变形、损坏等，并应注意零件上各种标记，防止错装。意
13、零件上各种标记，防止错装。（2）固定连接的零部件，不允许有间隙。活动的）固定连接的零部件，不允许有间隙。活动的零件能在正常的间隙下，灵活均匀地按规定方向运零件能在正常的间隙下，灵活均匀地按规定方向运动，不应有跳动。动，不应有跳动。（3）各运动部件（或零件）的接触表面，必须保）各运动部件（或零件）的接触表面，必须保证有足够的润滑，若有油路，必须畅通。证有足够的润滑，若有油路，必须畅通。（4）各种管道和密封部位，装配后不得有渗漏现）各种管道和密封部位，装配后不得有渗漏现象。象。（5）试车前，应检查个部件连接的可靠性和运动）试车前，应检查个部件连接的可靠性和运动的灵活性，各操纵手柄是否灵活和手柄位置
14、是否在的灵活性，各操纵手柄是否灵活和手柄位置是否在合适的位置；试车前，从低速到高速逐步进行。合适的位置；试车前，从低速到高速逐步进行。第八章 零件表面的加工方案 3、典型零件装配方法、典型零件装配方法3.1 螺钉、螺母的装配螺钉、螺母的装配 螺钉、螺母的装配是用螺纹的连接装配，它在机螺钉、螺母的装配是用螺纹的连接装配，它在机器制造中广泛使用。装拆、更换方便，易于多次装拆等器制造中广泛使用。装拆、更换方便，易于多次装拆等优点。螺钉、螺母装配中的注意事项：优点。螺钉、螺母装配中的注意事项：（1）螺纹配合应做到用手能自由旋入，过紧会咬坏）螺纹配合应做到用手能自由旋入，过紧会咬坏螺纹，过松则受力后螺纹
15、会断裂。螺纹，过松则受力后螺纹会断裂。3.1 螺钉、螺母的装配 (2)螺母端面应与螺纹轴线垂直，以受力均匀。（3）装配成组螺钉、螺母时，为保证零件贴合 面受力均匀，应按一定要求旋紧，并且不 要一次完全旋紧，应按次序分两次或三次 旋紧。3.1 螺钉、螺母的装配（4）对于在变载荷和振动载荷下工作的螺纹连接，必须采用防松保险装置。3.2 滚动轴承的装配滚动轴承的装配 滚动轴承的装配多数为较小的过盈配合，装配时滚动轴承的装配多数为较小的过盈配合，装配时常用手锤或压力机压装。轴承装配到轴上时，应通过常用手锤或压力机压装。轴承装配到轴上时，应通过垫套施力于内圈端面上；轴承装配到机体孔内时，则垫套施力于内圈
16、端面上；轴承装配到机体孔内时，则应施力于外圈端面上；若同时压到轴上和机体孔中时，应施力于外圈端面上；若同时压到轴上和机体孔中时，则内外圈端面应同时加压。则内外圈端面应同时加压。3.2 滚动轴承的装配 如果没有专用垫套时，也可用手锤、铜棒沿着轴承端面四周对称均匀地敲入，用力不能太大。如果轴承与轴是较大过盈配合时，可将轴承吊放到8090的热油中加热，然后趁热装配。3.3 齿轮的装配齿轮的装配 齿轮装配的主要技术要求是保证齿轮传递运动齿轮装配的主要技术要求是保证齿轮传递运动的准确性、平稳性、轮齿表面接触斑点和齿侧间隙的准确性、平稳性、轮齿表面接触斑点和齿侧间隙合乎要求等。合乎要求等。轮齿表面接触斑点
17、可用涂色法检验，先在主动轮齿表面接触斑点可用涂色法检验，先在主动轮的工作齿面上涂上红丹，使相啮合的齿轮在轻微轮的工作齿面上涂上红丹，使相啮合的齿轮在轻微的制动下运转，然后看从动轮啮合齿面上接触斑点的制动下运转，然后看从动轮啮合齿面上接触斑点的位置和大小。的位置和大小。3.3 齿轮的装配齿轮的装配3.3 齿轮的装配 齿侧间隙一般可用后簿规插入齿侧间隙中检查。后簿规是由一套后簿不同的钢片组成，每片的厚度值都标注在它的表面上。4、拆卸工作的要求、拆卸工作的要求1)机器拆卸工作，应按其结构的不同，预先考虑操作顺机器拆卸工作，应按其结构的不同，预先考虑操作顺 序，以免先后倒置，或贪图省事猛拆猛敲，造成零
18、件的损伤或变形。序，以免先后倒置，或贪图省事猛拆猛敲，造成零件的损伤或变形。2)拆卸的顺序，应与装配的顺序相反。拆卸的顺序，应与装配的顺序相反。3)拆卸时，使用的工具必须保证对合格零件不会发生损伤，严禁用手锤直接拆卸时，使用的工具必须保证对合格零件不会发生损伤，严禁用手锤直接在零件的工作表面上敲击。在零件的工作表面上敲击。4)拆卸时，零件的旋松方向必须辨别清楚。拆卸时，零件的旋松方向必须辨别清楚。5)拆下的零部件必须有次序、有规则地放好，并按原来结构套在一起，配合拆下的零部件必须有次序、有规则地放好，并按原来结构套在一起，配合件上做记号，以免搞乱。对丝杠、长轴类零件必须将其吊起，防止变形。件上
19、做记号，以免搞乱。对丝杠、长轴类零件必须将其吊起，防止变形。复习思考题复习思考题1.加热法装配的理论依据是什么？加热法装配的理论依据是什么？2.拆卸工作何装配工作的步骤有何不同？拆卸工作何装配工作的步骤有何不同？第九章快速成形制造技术 在制造业日趋国际化的2121世纪，缩短产品开发周期和减少开发新产品投资风险成为企业赖以生存的关键之一，因此相继涌现出大量的先进制造理念及制造技术，其中典型的是2020世纪8080年代末、9090年代初发展起来的快速成形（rapid prototyping rapid prototyping&manufacturing&manufacturing简称RPRP）技术
20、。它能自动、直接、快速、精确地将设计思想转化为具有一定功能的原形或直接制造零件/模具。快速成形是一种基于离散/堆积成形思想的新型成形技术，是将计算机设计产生的实体模型，由层层堆积的方式，以快速、自动化的流程制作出来。所有PR制造的本质：模型离散与层片叠加过程的统一。1、通过三维、通过三维CAD软件建立物理实体的三维软件建立物理实体的三维CAD数数字模型；字模型；2、按照一定的准则将该模型离散为一系列有序的、按照一定的准则将该模型离散为一系列有序的单元，通常在单元，通常在Z向将其按一定的厚度向将其按一定的厚度进行离散，使原来的三维实体模型进行离散，使原来的三维实体模型离散为一系列的层片模型；离散
21、为一系列的层片模型；3、根据每个层片的轮廓信息，加入、根据每个层片的轮廓信息，加入加工参数，生成加工参数，生成NC代码；代码；4、由快速成形机制造出一系列层片、由快速成形机制造出一系列层片并将它们连接起来，得到一个三维并将它们连接起来，得到一个三维物体。物体。传统加工传统加工 快速成形快速成形 1 1、快速成形技术采用离散、快速成形技术采用离散/堆积成形的原理，自动完成从堆积成形的原理，自动完成从 电子模型（电子模型（CADCAD）到物理模型（原型和零件）的转换。）到物理模型（原型和零件）的转换。2 2、快速成形技术具有高度的柔性。、快速成形技术具有高度的柔性。3 3、快速成形技术实现了机械工
22、程学科多年来追求的两大、快速成形技术实现了机械工程学科多年来追求的两大 先进目标，即材料提取（气、液、固相）过程与制造先进目标，即材料提取（气、液、固相）过程与制造 过程一体化和设计过程一体化和设计(CAD)(CAD)与制造与制造(CAM)(CAM)一体化。一体化。4 4、通过对一个、通过对一个CADCAD模型的修改或重组就可获得一个新零件模型的修改或重组就可获得一个新零件 的设计和加工信息。从几小时到几十小时制造一个零的设计和加工信息。从几小时到几十小时制造一个零 件，具有突出快速制造的优点。件，具有突出快速制造的优点。5 5、与反求工程（、与反求工程（(Reverse Engineerin
23、g)(Reverse Engineering)相结合，成为快相结合，成为快 速开发新产品的有力工具。速开发新产品的有力工具。1、新产品开发过程中的设计验证与功能验证新产品开发过程中的设计验证与功能验证 PRPR技术可快速地将产品设计模型转换成实物或零件，这样可方便地验证设技术可快速地将产品设计模型转换成实物或零件，这样可方便地验证设计人员的设计思想和产品结构的合理性、可装配性、美观性，发现设计问题可计人员的设计思想和产品结构的合理性、可装配性、美观性，发现设计问题可及时修改。及时修改。2 2、可制造性、可装配性检验和供货询价、市场宣传、可制造性、可装配性检验和供货询价、市场宣传 对有限空间的复
24、杂系统，如汽车、卫星、导弹的可制造性和可装配性用对有限空间的复杂系统，如汽车、卫星、导弹的可制造性和可装配性用PRPR方法进行检验和设计，将大大降低此类系统的设计制造难度，对于难以确定的方法进行检验和设计，将大大降低此类系统的设计制造难度，对于难以确定的复杂零件，可以用复杂零件，可以用PRPR技术进行试生产以确定最佳的合理的工艺。此外，技术进行试生产以确定最佳的合理的工艺。此外，PRPR原型原型还是产品从设计到商品化各个环节中进行交流的有效手段。比如为客户提供产还是产品从设计到商品化各个环节中进行交流的有效手段。比如为客户提供产品样件，进行市场宣传等。品样件，进行市场宣传等。3、单件、小批量和
25、特殊复杂零件的直接生产、单件、小批量和特殊复杂零件的直接生产 对于高分子材料的零部件，可用高强度的工程塑料直接快速成形，满对于高分子材料的零部件，可用高强度的工程塑料直接快速成形，满足使用要求足使用要求;对于复杂金属零件，可通过快速铸造或直接金属件成型获得对于复杂金属零件，可通过快速铸造或直接金属件成型获得。该项应用对于航空、航天及国防工业有特殊意义。该项应用对于航空、航天及国防工业有特殊意义。4、快速模具制造、快速模具制造 通过各种转换技术将通过各种转换技术将RPRP原型转换成各种快速模具，如低熔点合金模、原型转换成各种快速模具，如低熔点合金模、硅胶模、金属冷喷模、陶瓷模等，进行中小批量零件
26、的生产，满足产品更硅胶模、金属冷喷模、陶瓷模等，进行中小批量零件的生产，满足产品更新换代快、批量越来越小的发展趋势。新换代快、批量越来越小的发展趋势。汽车、摩托车:外形及外形及内饰件的设计、改型、内饰件的设计、改型、装配试验，发动机、汽装配试验，发动机、汽缸头试制。缸头试制。家电:各种家电产品的各种家电产品的外形与结构设计，装配外形与结构设计，装配试验与功能验证，市场试验与功能验证，市场传，模具制造。传，模具制造。方菱外罩航空、航天:特殊零件特殊零件的直接制造，叶轮、的直接制造，叶轮、涡轮、叶片的试制，涡轮、叶片的试制，发动机的试制、装配发动机的试制、装配试验。试验。通讯产品:产品外形与产品外
27、形与结构设计，装配试验结构设计，装配试验,功能验证，模具制造功能验证，模具制造叶轮叶轮工业:各种产品的设各种产品的设计、验证、装配，计、验证、装配，市场宣传，玩具、市场宣传，玩具、鞋类模具的快速制鞋类模具的快速制造。造。增压泵叶轮玩具轿车砂型铸造模子医疗:医疗器械的医疗器械的设计、试产、试用，设计、试产、试用，CTCT扫描信息的实物扫描信息的实物化，手术模拟，人化，手术模拟，人体骨关节的配制。体骨关节的配制。国防:各种武器零各种武器零部件的设计、装配、部件的设计、装配、试制，特殊零件的试制，特殊零件的直接制作，遥感信直接制作，遥感信息的模型制作。息的模型制作。颅 骨下 颌 骨 快速成型技术不仅
28、在制造原理上与传统快速成型技术不仅在制造原理上与传统方法迥然不同，更重要的是在目前产业策略方法迥然不同，更重要的是在目前产业策略以市场响应速度为第一的状况下，快速成型以市场响应速度为第一的状况下，快速成型技术可以缩短产品开发周期，降低开发成本技术可以缩短产品开发周期，降低开发成本,提高企业的竞争力。提高企业的竞争力。目前世界上已经出现了几十种快速成形目前世界上已经出现了几十种快速成形工艺，而且新的成形工艺还在不断涌现，根工艺，而且新的成形工艺还在不断涌现，根据据RP的成形方式将其分为激光成形和微滴成的成形方式将其分为激光成形和微滴成形两大部分形两大部分。（1）立体印刷）立体印刷SLA(Ster
29、eo lithergraphy Apparatus)通过紫外激光使光敏树脂固化堆通过紫外激光使光敏树脂固化堆积成形。积成形。通过激光技术将成形材料分离、熔化、固通过激光技术将成形材料分离、熔化、固化和粘结的化和粘结的RP成形工艺。成形工艺。成形过程成形过程:液槽中盛满液态光敏树脂，一定液槽中盛满液态光敏树脂，一定波长的激光光束按计算机的控制指令波长的激光光束按计算机的控制指令在液面上有选择地逐点扫描固化，每在液面上有选择地逐点扫描固化，每层扫描固化后的树脂便形成一个二维层扫描固化后的树脂便形成一个二维图形；一层扫描结束后，升降台下降图形；一层扫描结束后，升降台下降一层厚度，然后进行第二层扫描，
30、同一层厚度，然后进行第二层扫描，同时新固化的一层牢固地粘在前一层上时新固化的一层牢固地粘在前一层上，如此重复直至整个成形过程结束。，如此重复直至整个成形过程结束。立体印刷的工艺原理立体印刷的工艺原理（2）叠层实体制造）叠层实体制造LOM(Laminated Object Manufacturing)通过通过CO2 激光切割很薄的纸激光切割很薄的纸、塑料薄膜、金属薄带等逐层叠加堆积成形。、塑料薄膜、金属薄带等逐层叠加堆积成形。CO2激光器热压辊控制计算机供料轴加工平面升降台收料轴料带叠层实体制造的工艺原理叠层实体制造的工艺原理成形过程成形过程：根据：根据CAD模型各层切模型各层切片的平面几何信息
31、驱动激光头，对片的平面几何信息驱动激光头，对涂覆有热敏胶的纤维纸（厚度涂覆有热敏胶的纤维纸（厚度0.1mm或或0.2mm）进行分层实体）进行分层实体切割；随后工作台下降一定高度，切割；随后工作台下降一定高度，送进机构又将新的一层材料铺上并送进机构又将新的一层材料铺上并用热压滚筒压，使其紧粘在已经成用热压滚筒压，使其紧粘在已经成形的基体上，激光头再次进行切割形的基体上，激光头再次进行切割运动切除第二层平面轮廓；如此重运动切除第二层平面轮廓；如此重复直至整个三维零件制作完成。复直至整个三维零件制作完成。（3）选择性激光烧结）选择性激光烧结SLS(Selective Laser Sintering)
32、通过通过CO2 激光选择性烧结粉末材料激光选择性烧结粉末材料逐层叠加堆积成形。逐层叠加堆积成形。成形过程：成形过程：用塑料、陶瓷用塑料、陶瓷、石蜡、金属、石蜡、金属的粉末，在激的粉末，在激光的照射下烧光的照射下烧结，由计算机结，由计算机控制，分层堆控制，分层堆积烧结成形。积烧结成形。n激光器n扫描镜n激光束n平整滚筒n粉末选择性激光烧结成形的工艺原理 通过微滴技术将成形材料微滴化堆积成 形或将粘结剂微滴化粘结成形材料堆积成形 的RP成形工艺。2、典型的微滴成形工艺（1）熔融沉积制造）熔融沉积制造FDM(Fused Deposition Manufacturing)将将ABS、蜡、尼龙等材料在、
33、蜡、尼龙等材料在喷头内加热后从细微的喷管中喷出，以连续的喷头内加热后从细微的喷管中喷出，以连续的微滴形成丝材堆积成形。微滴形成丝材堆积成形。成形过程：成形过程：直接由计算机控制的喷头挤出热塑材料堆积直接由计算机控制的喷头挤出热塑材料堆积成原型的每一薄层；整个模型从基座开始，由成原型的每一薄层；整个模型从基座开始，由下而上逐层生成。下而上逐层生成。模型Pattern 计算机Computer 丝 Filament 喷头Heated head 丝轮Filament SupplyModel Created 快速原型V熔融沉积成形的工作原理熔融沉积成形的工作原理（2）三维印刷）三维印刷3DP(Three
34、 Dimensional Printing)将粘结剂从喷头喷出，粘结粉末将粘结剂从喷头喷出，粘结粉末材料堆积成形。它与材料堆积成形。它与SLS工艺类似，采用粉工艺类似，采用粉末材料成形，如陶瓷粉末、金属粉末。所不末材料成形，如陶瓷粉末、金属粉末。所不同的是材料粉末不是通过烧结连接起来的，同的是材料粉末不是通过烧结连接起来的，而是通过喷头用黏结剂（如硅胶）将零件的而是通过喷头用黏结剂（如硅胶）将零件的截面截面“印刷印刷”在材料粉末上面。在材料粉末上面。（3）三维焊接）三维焊接3DW(3D Welding)采用堆焊原采用堆焊原理将金属丝线堆积成形的直接金属型成形工理将金属丝线堆积成形的直接金属型成
35、形工艺。艺。MEM工艺原理：工艺原理：熔融挤压成熔融挤压成形（类似于形（类似于FDM工艺）工艺）成形过程：成形过程：将丝状热熔型材将丝状热熔型材料（如料（如ABS）通过液化器熔）通过液化器熔化，而后挤压喷出并堆积一化，而后挤压喷出并堆积一个层片，然后将第二个层片个层片，然后将第二个层片用同样的方法加工，并与前用同样的方法加工，并与前一个层面熔结在一起，如此一个层面熔结在一起，如此层层堆积而获得一个三维实层层堆积而获得一个三维实体。体。原型 喷头 丝材 喷头 MEM工艺原理工艺原理 MEM工艺有以下优点：工业:各种产品的设计、验证、装配，市场宣传，玩具、鞋类模具的快速制造。后处理：原型后处理简单
36、、方便。工艺适用范围：MEM工艺适用于薄壳体零件及微小零件，如电器外壳、手机外壳、玩具等，可以作为概念型直接验证设计。MEM-350快速成形系统的主要参数如下：快速成形系统的主要参数如下：系统配置主机操作系统Windows98、2K、XP工艺MEM-熔融挤压成形材料ABS扫描速度0-80mm/s成形空间350mm(长)350mm(宽)350mm(高)精度0.2mm/100mm电源4KW,200-240VAC,50/60Hz主机尺寸900mm(长)1200mm(宽)1800mm(高)重量约500公斤MEM-350外观外观 图图1及图及图2为为MEM350的机械结构示意图。的机械结构示意图。整个系
37、统由整个系统由系统主框架、系统主框架、XYZ扫描运动系统、喷扫描运动系统、喷头及送丝机构、加热及温控系统、数控系统等头及送丝机构、加热及温控系统、数控系统等几几个主要部分组成。个主要部分组成。图1 MEM-350 Z向结构 图2 MEM350 XY扫描系统 MEM350控制系统由两部分组成：控制系统由两部分组成：运动控运动控制系统制系统和和温度控制系统温度控制系统。在系统中，计算机通过。在系统中，计算机通过数控卡控制数控卡控制XYZ扫描运动系统，喷头及送丝机构扫描运动系统，喷头及送丝机构也通过数控卡进行控制。也通过数控卡进行控制。计算机（PC）位控 模块 转接板 驱动器 驱动器 驱动器 电机
38、X 电机 Y 电机 Z 成型材料温控器 压力控制系统 I/O 接 口板 加热元件 测温元件 成型室温控器 加热元件 测温元件 驱动器 检测系统 送丝电机 驱 动 器 USB 或串口连接线 MEM-350控制系统原理图 第十章先进制造技术 10.1非传统加工技术10.1.1激光加工激光加工10.1.2高压水射流加工高压水射流加工10.1.3高速加工高速加工F 10.1.1激光加工 定义：激光加工技术是涉及光、机、电、计算机和材料等多个学科的综合性高新技术。激光加工是利用能量密度很高的激光束使工件材料熔化、汽化和蒸发而予以去除的高能束加工。原理 激光束照射材料 材料吸收光能 光能转变为热能使材料加
39、热 经由熔融和气化使材料去除或破坏。激光加工的特点（1）可以加工任何材料。（2）可用于精密微细加工。（3）激光加工是属于非接触性加工。（4）激光加工装置比较简单。（5）是一种热加工，影响因素很多。激光加工原理 激光加工的应用 激光切割 可切割任意的自由形状，不需要更换工具，效率高 激光打孔 原理：先在工件表面瞬间发生熔融、蒸发、去除表层材料；其次，表层下的材料迅速达到蒸发温度以上，发生爆炸，附近的熔融区域和松散状态的部分飞散而形成孔。特点：1.激光打孔速度快,效率高,经济效益好。2.激光打孔可获得大的深径比。3.激光打孔可在硬、脆、软等各类材料上进行。4.激光打孔无工具损耗。5.激光打孔适合于
40、数量多、高密度的群孔加工。6.用激光可在难加工材料倾斜面上加工小孔 激光加工的应用(续)激光焊接 热导焊：激光功率密度较低，工件吸收激光后，仅达到表面融化，然后依靠热传导向工件内部传递热量形成熔池。这种焊接模式熔深浅，深宽比较小。深熔焊：激光功率密度高，工件吸收激光后迅速熔化乃至汽化，熔化后的金属在蒸汽压力作用下形成小孔激光束可直照孔底，使小孔不断延伸，直至小孔内的蒸气压力与液体金属的表面张力和重力平衡为止。小孔随着激光束沿焊接方向移动时，小孔前方熔化的金属绕过小孔流向后方，凝固后形成焊缝。这种焊接模式熔深大，深宽比也大。激光加工的应用(续)激光焊接 深熔焊过程产生的金属蒸气和保护气体，在激光
41、作用下发生电离，从而在小孔内部和上方形成等离子体。等离子体对激光有吸收、折射和散射作用，因此一般来说熔池上方的等离子体会削弱到达工件的激光能量。并影响光束的聚焦效果、对焊接不利。通常可辅加侧吹气驱除或削弱等离子体。由于经聚焦后的激光束光斑小，功率密度高，比电弧焊高几个数量级，因而激光焊接具有传统焊接方法无法比拟的显著优点：加热范围小，焊缝和热影响区窄，接头性能优良；残余应力和焊接变形小，可以实现高精度焊接；可对高熔点、高热导率，热敏感材料及非金属进行焊接；焊接速度快，生产率高；具有高度柔性，易于实现自动化。10.1.2高压水射流加工n高压水射流加工是以水为介质，通过高压发生设备，其压力可达70
42、400Mpa，再经过贮液能器使高压流体平稳，最后由喷嘴形成 300900m/s 的高速流体束流，喷射到工件表面，从而达到去除材料的加工目的n在普通射流中加入磨料磨粒则形成磨料水射流，此时，水射流作为载体使磨料粒子加速，由于磨料质量大，硬度高，所以，磨料射流较之水射流动能更大，切割效果更强。n高压水射流加工装置基本上由液压系统（供水系统、增压系统、高压水路系统、磨料供给系统）、切割系统（WJ/AWJ 喷嘴切割装置）、数控运动控制系统和外围设备（CAD/CAM 系统和全封闭防护罩等）组成。n喷嘴的材料应具有良好的耐磨性、耐腐蚀性和承受高压的性能。常用的材料有硬质合金、蓝宝石、红宝石和金刚石。10.
43、1.3高速加工 定义：通常采用的切削速度和进给速度比常规加工高 510 倍的加工方式就是高速加工，但它并非普通意义上的采用大的切削用量来提高加工效率的一种加工方式，而是采用高转速、快进给、小切深和小步距来去除余量，完成零件加工的过程。优势：单位时间内的材料切除率可增加 36 倍，缩短零件的切削加工工时，提高生产效率；切削力至少降低 30，径向切削力小，有利于加工薄壁、细长等刚性差的零件；95以上的切削热被切屑带走，工件保持冷态，适合于加工易热变形工件；激振频率高，工作平稳振动小，可加工非常紧密、光洁的零件，表面残余应力小，可省去铣削后的精加工工序。10.2超精加工技术和纳米加工技术 10.2.
44、1超精密加工方法和设备超精密加工方法和设备10.2.2 LIGA技术技术10.2.3虚拟轴机床虚拟轴机床F 10.2.1超精密加工方法和设备 超精密加工技术是一门集机械、光学、电子、计算机、测量和材料科学等先进技术于一体的综合性技术。超精密加工技术通常是指被加工零件的尺寸精度低于 0.1m，表面粗糙度Ra小于0.025m的加工技术。目前超精密加工的零件精度已达到亚微米级，正在向纳米级工艺发展。按照加工方式的不同，超精密加工可分为超精密切削、超精密磨料（固结磨料和游离磨料）加工、超精密特种加工及复合加工。图 1 LLNL 的 LODTM 大直径光学超精密车床 镜面铣技术 镜面铣在超精密机床中属于
45、最简单的一类。其关键部件为高精度主轴和低摩擦高平稳定性的滑台。滑台的驱动系统是达到高精度表面的关键，最初采用气液缸驱动，后发展为平稳的钢带驱动，最近又出现了高精度、高平稳性的滚珠丝杠驱动和直线电机驱动系统。滚珠丝杠驱动具有高刚性的特点，其平稳必除电机外取决于丝杠螺母副的精度。与钢带驱动系统相比，滚珠丝杠驱动对电机的要求较低，因为电机转一周，滑台只前进一个螺距，而在钢带驱合系统中，滑台要前进带轮的一个周长。受钢带的材质和厚度的影响，带轮的直径通常在40mm以上，为了尽可能减少电机平稳性的影响，多数钢带驱动系统采用蜗轮蜗杆减速器，其性能的优劣决定了滑台运动的平稳性。应用范围较广，如镜面镜削飞机玻璃
46、的时间约是抛光的一半左右 金刚石车削技术 金刚石车床与镜面铣床相比，其机械结构更为复杂，技术要求更为严格。除了必须满足很高的运动平稳性外，还必须具有很高的定位精度和重复精度。镜面铣削平面时，对主轴只需很高的轴向运动精度，而对径向运动精度要求较低。金刚石车床则须兼备很高的轴向和径向运动精度，才能减少对工件的形状精度和表面粗糙度的影响。超精密金刚石切削的机理：切削深度小，一般在微米级。切削表面一般由工具的挤光作用形成。超精密金刚石切削用金刚石刀具：1.刀具刃口的锋利性(刃口半径越小，被切削表面的弹性恢复量就越小，加工变质层也越小。刃口圆弧半径小到10nm左右）2.切削刃的粗糙度（决定切削表面的粗糙
47、度，Ry0.1-0.27）3.刀具与被切削材料的亲和性（会加快刀具的微观磨损）4.刀具的切削刃强度高、耐磨性 应用范围：有机玻璃、塑料、高强度镍钢、工具钢、陶瓷精密和超精密磨削 精密和超精密磨削是利用细粒度的磨粒和微粉对黑色金属、脆性材料等进行加工，得到较高的加工精度和较低的表面粗糙度 加工方式：固结磨料加工 游离磨料加工 加工精度10.1um，表面粗糙度Ra0.2-0.025um 磨削机理：靠砂轮的精细修整使磨料具有微刃性和等高性，微刃的微切削作用、等高切削作用和微刃的滑挤、摩擦、抛光作用，加上无火花磨削阶段的作用 磨料的种类 金刚石（非铁系材料）立方氮化硼（铁系材料）10.2.2 LIGA
48、技术 LIGA(光刻电铸)是德语Lithographie Galvano formung und Abforming 的缩写。LIGA 技术是20 世纪80 年代处在德国卡尔斯鲁耳原子能研究中心为提出铀-235 研制微型喷嘴结构的过程中产生的。LIGA 工艺是基于X 射线光刻技术的三维微结构加工技术，在原理上LIGA 技术与全息记录的大规模复制（例如，激光唱片生产）有点相仿：1）把从同步加速器发射出的具有短波长和很高平行性的X射线作为曝光光源，可在最大厚度达0.5mm的光致抗蚀剂上生成曝光图形的三维实物；2）用曝光蚀刻的图形实物作为电铸的模具，生成铸型；3）以生成的铸型作为注射成型的模具，加工
49、所需的微型零件。与其他立体微加工技术相比，LIGA 技术具有平面内几何图形的任意性、高深宽比、高精度、小粗糙度、原料的多元性等突出优点。10.2.3虚拟轴机床 该机床的主轴单元由六根可变长度驱动杆支撑于工作台上方。六根驱动杆的另一端通过铰链固定于基础框架上。调节六驱动杆的长度，可使主轴和刀具实现六个自由度的空间运动（包括沿3 个线性虚拟轴X、Y、Z 的平移运动和沿3 个转动虚拟轴A、B、C 的旋转运动），使刀具在工件上加工出复杂的三维曲面。虚拟轴机床没有传统机床那样的笨重床身、立柱和导轨、滑座，只由杆件组成的框架式结构和长度可控的伸缩杆，结构简单，刚性好，用材少，质量轻，运动速度和运动精度高，
50、结构紧凑，动态响应速度快，易于实现高速度、高加速度和高柔性，制造方便，制造成本低，是对传统机床结构具有重大意义的革命性创新。三杆五轴虚拟轴机床10.3绿色环保制造10.3.1 绿色制造的研究内容绿色制造的研究内容10.3.2绿色制造系统绿色制造系统F 7.3.1 绿色制造的研究内容（1）绿色制造的理论体系 包括绿色制造的资源属性、建模理论、运行特性、可持续发展战略，以及绿色制造的系统特性和集成特性等。（2）绿色制造的体系结构和多生命周期工程 包括绿色制造的目标体系、功能体系、过程体系、信息结构、运行模式等。绿色制造涉及产品整个生命周期中的绿色性问题，其中大量资源如何循环使用或再生，又涉及产品多
