第一篇：精密模具工廠那些先進(jìn)的加工設(shè)備與技術(shù)

精密模具工廠那些先進(jìn)的加工設(shè)備與技術(shù)（來源：前沿?cái)?shù)控技術(shù)）

精密模具的制造離不開那些先進(jìn)的加工設(shè)備。模具制造的主要工藝有CNC銑削、慢走絲線切割、電火花、磨、車、測(cè)量、自動(dòng)化等等。本文介紹了這些工藝的先進(jìn)設(shè)備與技術(shù)，一起來看看吧。

一、CNC銑削加工

可以說塑膠模具制造行業(yè)的迅猛發(fā)展主要得益于CNC銑削技術(shù)的革新。從傳統(tǒng)的普通銑床到三軸加工中心，再發(fā)展到如今的五軸高速銑削，使得再怎么復(fù)雜的三維型面零件的加工幾乎都可成為現(xiàn)實(shí)，材料的硬度也不再是局限問題。塑膠模具的主要型腔、型面都由CNC銑削加工來完成。

高速銑加工采用小徑銑刀（典型刀具是整體硬質(zhì)合金球頭銑刀，端銑刀和波紋銑刀），高轉(zhuǎn)速（主軸轉(zhuǎn)速可達(dá)40,000 rpm）、小周期進(jìn)給量，使得生產(chǎn)效率大幅度提高，精度能穩(wěn)定達(dá)到5μm；同時(shí)由于銑削力低，工件熱變形減少，銑削深度較小，而進(jìn)給較快（直線電機(jī)，高達(dá)80m/min的快移速度，高達(dá)2g的加速度），表面光潔度可達(dá) Ra<0.15 μm。高速銑可加工60HRC的淬硬模具鋼件，因此高速銑加工允許在熱處理以后再進(jìn)行切削加工，使模具制造工藝大大簡(jiǎn)化。

國(guó)外先進(jìn)的CNC銑削設(shè)備制造商有瑞士GF加工方案、德國(guó)DMG、德國(guó)哈默、日本牧野、德國(guó)羅德斯、德國(guó)OPS、德國(guó)巨浪、德國(guó)因代克斯、日本山崎馬扎克、日本大偎、美國(guó)哈斯等等。

二、慢走絲線割加工

慢走絲線割加工主要用于各種沖模、塑料模、粉末冶金模等二維及三維直紋面零件的加工。其中加工沖壓模所占的比例要數(shù)最大，沖壓模的凸模、凸模固定板、凹模及卸料板等眾多精密型孔的加工，慢走絲線割加工是不可缺少的關(guān)鍵技術(shù)。在注塑模具制造中，常見應(yīng)用有鑲件孔、頂針孔、斜頂孔、型腔清角及滑塊等加工，一般來說加工精度要求沒有沖壓模具那么高。

慢走絲加工是一種高精密的加工方法，高端的機(jī)床可達(dá)到小于3μm的加工精度，表面粗糙度可達(dá)Ra0.05μm。目前已可實(shí)現(xiàn)0.02～0.03㎜的電極絲的自動(dòng)穿絲切割，實(shí)用的切割效率可達(dá)200㎜2/min左右。

國(guó)外先進(jìn)的慢走絲設(shè)備制造商有瑞士GF加工方案、日本三菱、日本西部、日本沙迪克、日本牧野、日本法蘭克等等。

三、電火花加工

電火花加工適用于精密小型腔、窄縫、溝槽、拐角等復(fù)雜部件的加工。當(dāng)?shù)毒唠y于夠到復(fù)雜表面時(shí)，在需要深度切削的地方，在長(zhǎng)徑比特別高的地方，電火花加工工藝優(yōu)于銑削加工。對(duì)于高技術(shù)零件的加工，銑削電極再放電可提高成功率，相比高昂貴的刀具費(fèi)用相比，放電加工更合適。另外，在規(guī)定了要作電火花精加工的地方，用電火花加工來提供火花紋表面。

在高速銑加工迅速發(fā)展的今天，電火花加工發(fā)展空間受到了一定的擠壓。在此同時(shí)，高速銑也給電火花加工帶來了更大的技術(shù)進(jìn)步。如：采用高速銑來制造電極，由于狹小區(qū)域加工的實(shí)現(xiàn)和高質(zhì)量的表面結(jié)果，讓電極的設(shè)計(jì)數(shù)量大大降低。另外用高速銑來制造電極也可以使生產(chǎn)效率提高到一個(gè)新的層次，并能保證電極的高精度，這樣使電火花加工的精度也提高了。如果型腔的大部分加工由高速銑來完成，則電火花加工只作為輔助手段去清角修邊，這樣留量更均勻、更少。

精密放電機(jī)在加工面積小于20平方厘米的情況下，可實(shí)現(xiàn)Ra<0.1μm的鏡面電火花加工，及實(shí)現(xiàn)均勻一致的亞光表面及各級(jí)紋面加工。對(duì)于微細(xì)零件，如連接器，可實(shí)現(xiàn)清角小于0.02mm、加工精度在5μm以內(nèi)的結(jié)果。機(jī)床的工藝專家系統(tǒng)，針對(duì)大眾化的加工情況，智能生成的放電參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的加工結(jié)果，對(duì)于特殊、復(fù)雜零件的放電，提供了專用的工藝模塊，如IC、LED、連接器、大型腔、窄縫、RSM紋面等，這些優(yōu)化的工藝是專家經(jīng)驗(yàn)的集成。在機(jī)床配以快速裝夾定位夾具與電極自動(dòng)更換裝置的情況下，即可長(zhǎng)時(shí)間的無(wú)人化自動(dòng)放電加工。

國(guó)外先進(jìn)的電火花加工設(shè)備制造商有瑞士GF加工方案、日本牧野、德國(guó)OPS、日本沙迪克、日本三菱、德國(guó)艾克索、西班牙歐納等等。

四、磨床加工

磨床是對(duì)零件表面進(jìn)行精加工的精密設(shè)備，尤其是淬硬工件。模具加工使用的磨床主要是平面磨床、萬(wàn)能內(nèi)外圓磨床、坐標(biāo)磨（PG光學(xué)曲線磨床）。

小平磨床主要用來加工小尺寸的模具零件，如精密鑲件、精密模仁、滑塊等。大水磨床常用于較大尺寸的模板加工?，F(xiàn)在，平面磨床砂輪線速度和工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)高速化已成為普遍潮流，由于采用了直線導(dǎo)軌、直線電機(jī)、靜壓絲杠等先進(jìn)的功能部件技術(shù)，運(yùn)動(dòng)速度有很大進(jìn)步，另外還不斷完善了砂輪修整技術(shù)。磨頭的垂直進(jìn)給量最小可達(dá)到0.1μm，磨削表面粗糙度Ra<0.05μm，加工精度可控制在1μm以內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了超精磨削加工。

國(guó)外先進(jìn)的磨床設(shè)備制造商以斯來福臨集團(tuán)為代表，它先后并購(gòu)了許多世界頂級(jí)的磨床制造商，包括斯圖特(STUDER)、保寧(BLOHM)、美蓋勒(MAEGERLE)、瓊格(JUNG)公司、肖特(SCHAUD)、米克羅莎（MIKROSA)、伊瓦格(EWAG)和瓦爾特（WALTER）。斯來福臨旗下各知名企業(yè)生產(chǎn)不同種類的磨床，能提供全面的磨削解決方案。國(guó)內(nèi)精密模具廠在平面磨削方面，大多使用日本的平面磨床，例如日本岡本磨床。

模具回轉(zhuǎn)體零件，并且精度要求高，表面光潔度要好的情況，甚至是復(fù)雜的曲面零件，就需要使用高精度外圓磨床來完成，比如瓶胚注塑模具的哈夫鑲塊零件。使用高速旋轉(zhuǎn)砂輪進(jìn)行磨削加工，可加工硬度較高材料，如淬硬模具鋼、硬質(zhì)合金等。瑞士斯圖特萬(wàn)能內(nèi)外圓磨床為中型單一部件和批量工件磨削所設(shè)計(jì)的，適用于為個(gè)性化需求定制方案（外圓磨削，非圓成型磨削，螺紋磨削，內(nèi)圓磨削）。

光學(xué)曲線磨床可以磨削孔距精度很高的孔以及各種輪廓形狀。用繪圖儀配合加工，繪圖儀刻畫出所需加工的圖形在膠片上，膠片貼在投影幕上并校正，加工者將根據(jù)膠片上的成型來進(jìn)行成型加工。光學(xué)投影研磨適合高硬度材料的成型研磨，例如材質(zhì)為鎢鋼件或硬質(zhì)合金的工件，偶爾也加工一些高速鋼工件。一般加工連接器沖模用刀口及沖頭，端子，精密的半行程沖子，下模入塊和脫料板入子等之類的工件。

比較有名的光學(xué)曲線磨床有瑞士HAUSER、美國(guó)MOORE、日本AMADA。日本AMADA光學(xué)曲線磨床機(jī)其主軸最高轉(zhuǎn)速可達(dá)到30000轉(zhuǎn)，加工的精度在2μm以內(nèi)，加工的最小內(nèi)R角為R0.03mm，外R角為R0.02mm，加工異形沖子最薄處可達(dá)到0.06mm，其加工的溝槽深徑比在2:1左右，表面粗糙度Ra可達(dá)0.025μm。

五、數(shù)控車床

數(shù)控車床也是模具車間常用的加工設(shè)備。其加工范圍是所有回轉(zhuǎn)體零件。由于數(shù)控技術(shù)的高度發(fā)展，復(fù)雜形狀的回轉(zhuǎn)體可以通過編程來簡(jiǎn)易實(shí)現(xiàn)，并且機(jī)床可以自動(dòng)更換刀具，大幅度提高了生產(chǎn)效率。數(shù)控車床的加工精度與制造技術(shù)日趨完善，甚至有以車代磨的趨勢(shì)。常用來加工模具中的圓形鑲件、撐頭、定位環(huán)等零件，在筆模、瓶口模具中應(yīng)用廣泛。事實(shí)上，先進(jìn)的數(shù)控車床其功能已不再局限于“車”，已拓展為車銑復(fù)合一體機(jī)床，一個(gè)復(fù)雜、多工序的零件，甚至可以一次性全部加工搞定。

國(guó)外先進(jìn)的數(shù)控車削機(jī)床制造商有德國(guó)DMG、瑞士托納斯、日本山崎馬扎克、德國(guó)舒特、美國(guó)哈挺、美國(guó)哈斯等等。

六、測(cè)量

從模具設(shè)計(jì)初期所涉及的數(shù)字化測(cè)繪，到模具加工工序測(cè)量，到模具驗(yàn)收測(cè)量和后期的模具修復(fù)測(cè)量，高精密測(cè)量設(shè)備發(fā)揮著重要的作用。主要有三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、影像測(cè)量?jī)x，還有適合大型模具現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的便攜式關(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī)等等。

三坐標(biāo)檢測(cè)是檢驗(yàn)工件的一種精密測(cè)量方法。運(yùn)用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，基于空間點(diǎn)坐標(biāo)的采集和計(jì)算，對(duì)工件進(jìn)行形位公差的檢驗(yàn)和測(cè)量，判斷該工件的誤差是不是在公差范圍之內(nèi)。探測(cè)系統(tǒng)一般由測(cè)頭和接觸式探針構(gòu)成，探針與被測(cè)工件的表面輕微接觸，獲得測(cè)量點(diǎn)的坐標(biāo)。

在測(cè)量過程中，坐標(biāo)測(cè)量機(jī)將工件的各種幾何元素的測(cè)量轉(zhuǎn)化為這些幾何元素上點(diǎn)的坐標(biāo)位置，再由軟件根據(jù)相應(yīng)幾何形狀的數(shù)學(xué)模型計(jì)算出這些幾何元素的尺寸、形狀、相對(duì)位置等參數(shù)。坐標(biāo)測(cè)量機(jī)很容易與CAD連接，把測(cè)量結(jié)果實(shí)時(shí)反饋給設(shè)計(jì)及生產(chǎn)部門，借以改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)或生產(chǎn)流程。三坐標(biāo)檢測(cè)有時(shí)也運(yùn)用到逆向工程設(shè)計(jì)。國(guó)外典型的設(shè)備制造商有瑞典海克斯康、德國(guó)蔡司、德國(guó)萊茲、日本三豐等等。

影像測(cè)量?jī)x利用影像測(cè)頭采集工件的影像，通過數(shù)位圖像處理技術(shù)提取各種復(fù)雜形狀工件表面的坐標(biāo)點(diǎn)，再利用坐標(biāo)變換和資料處理技術(shù)轉(zhuǎn)換成坐標(biāo)測(cè)量空間中的各種幾何要素，從而計(jì)算得到被測(cè)工件的實(shí)際尺寸、形狀和相互位置關(guān)系，可以對(duì)復(fù)雜的工件輪廓和表面形狀進(jìn)行精密測(cè)量。典型的設(shè)備有瑞典海克斯康、日本尼康、日本三豐等。

七、快速裝夾定位系統(tǒng)與自動(dòng)化

以上介紹了六種模具制造的工藝。事實(shí)上，一個(gè)模具零件往往需要使用多種工藝才能得以制造完成。這個(gè)過程中，零件要進(jìn)行不斷的裝夾與校正，花費(fèi)了大量的時(shí)間，機(jī)床也是處于閑置狀態(tài)，昂貴的設(shè)備其加工能力并未得到充分的利用。隨著制造業(yè)領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)日益激烈。更短的生產(chǎn)周期是這一發(fā)展趨勢(shì)。

國(guó)外的夾具制作商，采用一套穩(wěn)定而精確的基準(zhǔn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了銑削、車、測(cè)量、電火花加工等工藝的統(tǒng)一基準(zhǔn)互換，在機(jī)床上只需一分鐘左右快速完成電極的裝夾與找正，重復(fù)定位精度在3μm以內(nèi)，最大限度地縮短了設(shè)定時(shí)間，大幅度提高了機(jī)床的實(shí)際運(yùn)行時(shí)間。事實(shí)證明，這是現(xiàn)代化生產(chǎn)的一項(xiàng)必不可少的條件。

國(guó)外先進(jìn)的快速裝夾定位系統(tǒng)制造商主要有瑞士GF加工方案System 3R夾具、瑞士EROWA夾具等等。

在使用了快速裝夾定位系統(tǒng)時(shí)，已經(jīng)具備了自動(dòng)化的基礎(chǔ)。先進(jìn)的模具車間通過配備機(jī)器人與柔性系統(tǒng)管理軟件，形成了模具加工中心自動(dòng)化單元。國(guó)外先進(jìn)的制造商已開始從單純的設(shè)備提供商，發(fā)展為成套解決方案的供應(yīng)商。從目前來看，無(wú)人化的模具制造成套方案還只能適應(yīng)專業(yè)類模具制造廠商，對(duì)于品種繁多，各式各樣的復(fù)雜模具的制造，由于需要花費(fèi)更多的前期預(yù)調(diào)與準(zhǔn)備時(shí)間，還未得以很好的推廣，但自動(dòng)化發(fā)展是一個(gè)趨勢(shì)，一定會(huì)有更完善的發(fā)展。

第二篇：超精密加工與超高速加工技術(shù)

超精密加工與超高速加工技術(shù)

一、技術(shù)概述

超高速加工技術(shù)是指采用超硬材料的刃具，通過極大地提高切削速度和進(jìn)給速度來提高材料切除率、加工精度和加工質(zhì)量的現(xiàn)代加工技術(shù)。

超高速加工的切削速度范圍因不同的工件材料、不同的切削方式而異。目前，一般認(rèn)為，超高速切削各種材料的切速范圍為：鋁合金已超過1600m/min，鑄鐵為1500m/min，超耐熱鎳合金達(dá)300m/min，鈦合金達(dá)150-1000m/min，纖維增強(qiáng)塑料為2000-9000m/min。各種切削工藝的切速范圍為：車削700-7000m/min，銑削300-6000m/min，鉆削200-1100m/min，磨削250m/s以上等等。

超高速加工技術(shù)主要包括：超高速切削與磨削機(jī)理研究，超高速主軸單元制造技術(shù)，超高速進(jìn)給單元制造技術(shù)，超高速加工用刀具與磨具制造技術(shù)，超高速加工在線自動(dòng)檢測(cè)與控制技術(shù)等。

超精密加工當(dāng)前是指被加工零件的尺寸精度高于0.1μ

m，表面粗糙度Ra小于0.025μ m，以及所用機(jī)床定位精度的分辨率和重復(fù)性高于0.01μ

m的加工技術(shù)，亦稱之為亞微米級(jí)加工技術(shù)，且正在向納米級(jí)加工技術(shù)發(fā)展。

超精密加工技術(shù)主要包括：超精密加工的機(jī)理研究，超精密加工的設(shè)備制造技術(shù)研究，超精密加工工具及刃磨技術(shù)研究，超精密測(cè)量技術(shù)和誤差補(bǔ)償技術(shù)研究，超精密加工工作環(huán)境條件研究。

二、現(xiàn)狀及國(guó)內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì)

1．超高速加工

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）、立方氮化硼及聚晶立方氮化硼（CBN）。切削速度亦隨著刀具材料創(chuàng)新而從以前的12m/min提高到1200m/min以上。砂輪材料過去主要是采用剛玉系、碳化硅系等，美國(guó)G．E公司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。90年代陶瓷或樹脂結(jié)合劑CBN砂輪、金剛石砂輪線速度可達(dá)125m/s，有的可達(dá)150m/s，而單層電鍍CBN砂輪可達(dá)250m/s。因此有人認(rèn)為，隨著新刀具（磨具）材料的不斷發(fā)展，每隔十年切削速度要提高一倍，亞音速乃至超聲速加工的出現(xiàn)不會(huì)太遙遠(yuǎn)了。

在超高速切削技術(shù)方面，1976年美國(guó)的Vought公司研制了一臺(tái)超高速銑床，最高轉(zhuǎn)速達(dá)到了20000rpm。特別引人注目的是，聯(lián)邦德國(guó)Darmstadt工業(yè)大學(xué)生產(chǎn)工程與機(jī)床研究所（PTW）從1978年開始系統(tǒng)地進(jìn)行超高速切削機(jī)理研究，對(duì)各種金屬和非金屬材料進(jìn)行高速切削試驗(yàn)，聯(lián)邦德國(guó)組織了幾十家企業(yè)并提供了2000多萬(wàn)馬克支持該項(xiàng)研究工作，自八十年代中后期以來，商品化的超高速切削機(jī)床不斷出現(xiàn)，超高速機(jī)床從單一的超高速銑床發(fā)展成為超高速車銑床、鉆銑床乃至各種高速加工中心等。瑞士、英國(guó)、日本也相繼推出自己的超高速機(jī)床。日本日立精機(jī)的HG400III型加工中心主軸最高轉(zhuǎn)速達(dá)36000-40000r/min，工作臺(tái)快速移動(dòng)速度為36~40m/min。采用直線電機(jī)的美國(guó)Ingersoll公司的HVM800型高速加工中心進(jìn)給移動(dòng)速度為60m/min。

在高速和超高速磨削技術(shù)方面，人們開發(fā)了高速、超高速磨削、深切緩進(jìn)給磨削、深切快進(jìn)給磨削（即HEDG）、多片砂輪和多砂輪架磨削等許多高速高效率磨削，這些高速高效率磨削技術(shù)在近20年來得到長(zhǎng)足的發(fā)展及應(yīng)用。德國(guó)Guehring Automation公司1983年制造出了當(dāng)時(shí)世界第一臺(tái)最具威力的60kw強(qiáng)力CBN砂輪磨床，Vs達(dá)到140-160m/s。德國(guó)阿享工業(yè)大學(xué)、Bremen大學(xué)在高效深磨的研究方面取得了世界公認(rèn)的高水平成果，并積極在鋁合金、鈦合金、因康鎳合金等難加工材料方面進(jìn)行高效深磨的研究。德國(guó)Bosch公司應(yīng)用CBN砂輪高速磨削加工齒輪齒形，采用電鍍CBN砂輪超高速磨削代替原須經(jīng)滾齒及剃齒加工的工藝，加工16MnCr5材料的齒輪齒形，Vs＝155m/s，其Q達(dá)到811mm3/mm.s，德國(guó)Kapp公司應(yīng)用高速深磨加工泵類零件深槽，工件材料為100Cr6軸承鋼，采用電鍍CBN砂輪，Vs達(dá)到300m/s，其Q`＝140mm3/mm.s，磨削加工中，可將淬火后的葉片泵轉(zhuǎn)子10個(gè)一次裝夾，一次磨出轉(zhuǎn)子槽，磨削時(shí)工件進(jìn)給速度為1.2m/min，平均每個(gè)轉(zhuǎn)子加工工時(shí)只需10秒鐘，槽寬精度可保證在2μ m，一個(gè)砂輪可加工1300個(gè)工件。目前日本工業(yè)實(shí)用磨削速度已達(dá)200m/s，美國(guó)Conneticut大學(xué)磨削研究中心，1996年其無(wú)心外圓高速磨床上，最高砂輪磨削速度達(dá)250m/s。

近年來，我國(guó)在高速超高速加工的各關(guān)鍵領(lǐng)域如大功率高速主軸單元、高加減速直線進(jìn)給電機(jī)、陶瓷滾動(dòng)軸承等方面也進(jìn)行了較多的研究，但總體水平同國(guó)外尚有較大差距，必須急起直追。

2．超精密加工

超精密加工技術(shù)在國(guó)際上處于領(lǐng)先地位的國(guó)家有美國(guó)、英國(guó)和日本。這些國(guó)家的超精密加工技術(shù)不僅總體成套水平高，而且商品化的程度也非常高。

美國(guó)是開展超精密加工技術(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)，稱為“SPDT技術(shù)”（Single Point Diamond Turning）或“微英寸技術(shù)”（1微英寸＝0.025μ 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非球面大型零件等等。如美國(guó)LLL實(shí)驗(yàn)室和Y－12工廠在美國(guó)能源部支持下，于1983年7月研制成功大型超精密金剛石車床DTM－3型，該機(jī)床可加工最大零件?2100mm、重量4500kg的激光核聚變用的各種金屬反射鏡、紅外裝置用零件、大型天體望遠(yuǎn)鏡（包括X光天體望遠(yuǎn)鏡）等。該機(jī)床的加工精度可達(dá)到形狀誤差為28nm（半徑），圓度和平面度為12.5nm，加工表面粗糙度為Ra4.2nm。該機(jī)床與該實(shí)驗(yàn)室1984年研制的LODTM大型超精密車床一起仍是現(xiàn)在世界上公認(rèn)的技術(shù)水平最高、精度最高的大型金剛石超精密車床。

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CUPE）享有較高聲譽(yù)，它是當(dāng)今世界上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)0.1μ m，表面粗糙度Ra<10nm。

日本對(duì)超精密加工技術(shù)的研究相對(duì)于美、英來說起步較晚，但是當(dāng)今世界上超精密加工技術(shù)發(fā)展最快的國(guó)家。日本的研究重點(diǎn)不同于美國(guó)，前者是以民品應(yīng)用為主要對(duì)象，后者則是以發(fā)展國(guó)防尖端技術(shù)為主要目標(biāo)。所以日本在用于聲、光、圖象、辦公設(shè)備中的小型、超小型電子和光學(xué)零件的超精密加工技術(shù)方面，是更加先進(jìn)和具有優(yōu)勢(shì)的，甚至超過了美國(guó)。

我國(guó)的超精密加工技術(shù)在70年代末期有了長(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型的超精密機(jī)床、部件和相關(guān)的高精度測(cè)試儀器等，如精度達(dá)0.025μ m的精密軸承、JCS－027超精密車床、JCS－031超精密銑床、JCS－035超精密車床、超精密車床數(shù)控系統(tǒng)、復(fù)印機(jī)感光鼓加工機(jī)床、紅外大功率激光反射鏡、超精密振動(dòng)－位移測(cè)微儀等，達(dá)到了國(guó)內(nèi)領(lǐng)先、國(guó)際先進(jìn)水平。航空航天工業(yè)部三零三所在超精密主軸、花崗巖坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等方面進(jìn)行了深入研究及產(chǎn)品生產(chǎn)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)在金剛石超精密切削、金剛石刀具晶體定向和刃磨、金剛石微粉砂輪電解在線修整技術(shù)等方面進(jìn)行了卓有成效的研究。清華大學(xué)在集成電路超精密加工設(shè)備、磁盤加工及檢測(cè)設(shè)備、微位移工作臺(tái)、超精密砂帶磨削和研拋、金剛石微粉砂輪超精密磨削、非圓截面超精密切削等方面進(jìn)行了深入研究，并有相應(yīng)產(chǎn)品問世。此外中科院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械研究所、華中理工大學(xué)、沈陽(yáng)第一機(jī)床廠、成都工具研究所、國(guó)防科技大學(xué)等都進(jìn)行了這一領(lǐng)域的研究，成績(jī)顯著。但總的來說，我國(guó)在超精密加工的效率、精度可靠性，特別是規(guī)格（大尺寸）和技術(shù)配套性方面與國(guó)外比，與生產(chǎn)實(shí)際要求比，還有相當(dāng)大的差距。

超精密加工技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)是：向更高精度、更高效率方向發(fā)展；向大型化、微型化方向發(fā)展；向加工檢測(cè)一體化方向發(fā)展；機(jī)床向多功能模塊化方向發(fā)展；不斷探討適合于超精密加工的新原理、新方法、新材料。21世紀(jì)初十年將是超精密加工技術(shù)達(dá)到和完成納米加工技術(shù)的關(guān)鍵十年。

三、“十五”目標(biāo)及主要研究?jī)?nèi)容

1．目標(biāo)

超高速加工到2005年基本實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用，主軸最高轉(zhuǎn)速達(dá)15000r/min，進(jìn)給速度達(dá)40-60m/min，砂輪磨削速度達(dá)100-150m/s；超精密加工基本實(shí)現(xiàn)亞微米級(jí)加工，加強(qiáng)納米級(jí)加工技術(shù)應(yīng)用研究，達(dá)到國(guó)際九十年代初期水平。

2．主要研究?jī)?nèi)容

（1）超高速切削、磨削機(jī)理研究。對(duì)超高速切削和磨削加工過程、各種切削磨削現(xiàn)象、各種被加工材料和各種刀具磨具材料的超高速切削磨削性能以及超高速切削磨削的工藝參數(shù)優(yōu)化等進(jìn)行系統(tǒng)研究。

（2）超高速主軸單元制造技術(shù)研究。主軸材料、結(jié)構(gòu)、軸承的研究與開發(fā)；主軸系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性及熱態(tài)性研究；柔性主軸及其軸承的彈性支承技術(shù)研究；主軸系統(tǒng)的潤(rùn)滑與冷卻技術(shù)研究；主軸的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)、虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)研究；主軸換刀技術(shù)研究。

（3）超高速進(jìn)給單元制造技術(shù)研究。高速位置芯片環(huán)的研制；精密交流伺服系統(tǒng)及電機(jī)的研究；系統(tǒng)慣量與伺服電機(jī)參數(shù)匹配關(guān)系的研究；機(jī)械傳動(dòng)鏈靜、動(dòng)剛度研究；加減速控制技術(shù)研究；精密滾珠絲杠副及大導(dǎo)程絲杠副的研制等。

（4）超高速加工用刀具磨具及材料研究。研究開發(fā)各種超高速加工（包括難加工材料）用刀具磨具材料及制備技術(shù)，使刀具的切削速度達(dá)到國(guó)外工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家90年代末的水平，磨具的磨削速度達(dá)到150m/s以上。

（5）超高速加工測(cè)試技術(shù)研究。對(duì)超高速加工機(jī)床主軸單元、進(jìn)給單元系統(tǒng)和機(jī)床支承及輔助單元系統(tǒng)等功能部位和驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的監(jiān)控技術(shù)，對(duì)超高速加工用刀具磨具的磨損和破損、磨具的修整等狀態(tài)以及超高速加工過程中工件加工精度、加工表面質(zhì)量等在線監(jiān)控技術(shù)進(jìn)行研究。

（6）超精密加工的加工機(jī)理研究?！斑M(jìn)化加工”及“超越性加工”機(jī)理研究；微觀表面完整性研究；在超精密范疇內(nèi)的對(duì)各種材料（包括被加工材料和刀具磨具材料）的加工過程、現(xiàn)象、性能以及工藝參數(shù)進(jìn)行提示性研究。

（7）超精密加工設(shè)備制造技術(shù)研究。納米級(jí)超精密車床工程化研究；超精密磨床研究；關(guān)鍵基礎(chǔ)件，如軸系、導(dǎo)軌副、數(shù)控伺服系統(tǒng)、微位移裝置等研究；超精密機(jī)床總成制造技術(shù)研究。

（8）超精密加工刀具、磨具及刃磨技術(shù)研究。金剛石刀具及刃磨技術(shù)、金剛石微粉砂輪及其修整技術(shù)研究。

（9）精密測(cè)量技術(shù)及誤差補(bǔ)償技術(shù)研究。納米級(jí)基準(zhǔn)與傳遞系統(tǒng)建立；納米級(jí)測(cè)量?jī)x器研究；空間誤差補(bǔ)償技術(shù)研究；測(cè)量集成技術(shù)研究。

（10）超精密加工工作環(huán)境條件研究。超精密測(cè)量、控溫系統(tǒng)、消振技術(shù)研究；超精密凈化設(shè)備，新型特種排屑裝置及相關(guān)技術(shù)的研究

第三篇：Chapt.7_精密與特種加工技術(shù)(課件)

第一章

概

論

第一節(jié)

精密與特種加工的產(chǎn)生背景

機(jī)械制造面臨著一系列嚴(yán)峻的任務(wù)：

⑴ 解決各種難切削材料的加工問題。

⑵ 解決各種特殊復(fù)雜型面的加工問題。

⑶ 解決各種超精密、光整零件的加工問題。

⑷ 特殊零件的加工問題。

第二節(jié)

精密與特種加工的特點(diǎn) 及其對(duì)機(jī)械制造領(lǐng)域的影響

精密與特種加工是一門多學(xué)科的綜合高級(jí)技術(shù)；

精密加工包括微細(xì)加工、光整加工和精整加工等，與特種加工關(guān)系密切。

特種加工是指利用機(jī)、光、電、聲、熱、化學(xué)、磁、原子能等能源來進(jìn)行加工的非傳統(tǒng)加工方法（NTM，Non-Traditional Machining），它們與傳統(tǒng)切削加工的不同特點(diǎn)主要有： ① 主要不是依靠機(jī)械能；

② 刀具的硬度可以低于被加工工件材料的硬度； ③ 在加工過程中，工具和工件之間不存在顯著的 機(jī)械切削力作用。

精密與特種加工技術(shù)引起了機(jī)械制造領(lǐng)域內(nèi)的許多變革：

⑴ 提高了材料的可加工性。

⑵ 改變了零件的典型工藝路線。

⑶ 大大縮短新產(chǎn)品試制周期。

⑷ 對(duì)產(chǎn)品零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)產(chǎn)生很大的影響。

⑸ 對(duì)傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)工藝性好與壞的衡量標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生重要影響。

第三節(jié)

精密與特種加工的方法及分類

1．加工成形的原理

分為去除加工、結(jié)合加工、變形加工三大類。

去除加工又稱為分離加工，是從工件上去除多余的材料。

結(jié)合加工是利用理化方法將不同材料結(jié)合在一起。

又可分為附著、注入、連接三種。

變形加工又稱為流動(dòng)加工，是利用力、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。

2．加工方法機(jī)理

按機(jī)理精密與特種加工分為傳統(tǒng)加工、非傳統(tǒng)加工、復(fù)合加工。

第四節(jié) 精密與特種加工技術(shù)的地位和作用

先進(jìn)制造技術(shù)已經(jīng)是一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要手段之一。

發(fā)展先進(jìn)制造技術(shù)是當(dāng)前世界各國(guó)發(fā)展國(guó)民經(jīng)濟(jì)的主攻方向和戰(zhàn)略決策，同時(shí)又是一個(gè)國(guó)家獨(dú)立自主、繁榮富強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展、科技保持先進(jìn)領(lǐng)先的長(zhǎng)遠(yuǎn)大計(jì)。

從先進(jìn)制造技術(shù)的技術(shù)實(shí)質(zhì)而論，主要有精密、超精密加工技術(shù)和制造自動(dòng)化兩大領(lǐng)域。

精密與特種加工技術(shù)水平是一個(gè)國(guó)家制造工業(yè)水平的重要標(biāo)志之一。

精密與特種加工技術(shù)已經(jīng)成為國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中取得成功的關(guān)鍵技術(shù)。產(chǎn)品的實(shí)際制造，必然要依靠精密加工技術(shù)。第二章

金剛石刀具精密切削加工

第一節(jié)

概

述

精密與超精密加工和制造自動(dòng)化是先進(jìn)制造技術(shù)的兩大領(lǐng)域。

加工精度在0.1~1μm，表面粗糙度Ra在0.02~0.1μm之間的加工稱為精密加工；加工精度高于0.1μm，表面粗糙度Ra小于0.01μm的加工稱為超精密加工。

一、超精密加工的難點(diǎn)

精度難以控制； 剛度和熱變形影響； 去除層薄，切應(yīng)力大； 猶如對(duì)不連續(xù)體進(jìn)行切削。

二、超精密加工的方法

按加工方式分：

切削加工、磨料加工、特種加工和復(fù)合加工 按加工機(jī)理和特點(diǎn)分：

去除加工、結(jié)合加工和變形加工 還可分為 傳統(tǒng)加工、非傳統(tǒng)加工和復(fù)合加工

三、超精密加工的實(shí)現(xiàn)條件

超精密加工是多學(xué)科交叉的綜合性高新技術(shù)

① 超精密加工的機(jī)理與工藝方法； ② 超精密加工工藝裝備； ③ 超精密加工工具；

④ 超精密加工中的工件材料； ⑤ 精密測(cè)量及誤差補(bǔ)償技術(shù)；

⑥ 超精密加工工作環(huán)境、條件等。

在超精密加工的中，必須綜合考慮以上因素。

第二節(jié)

超精密機(jī)床及其關(guān)鍵部件

一、典型超精密機(jī)床

超精密加工對(duì)機(jī)床的基本要求：

⑴ 高精度 ⑵ 高剛度 ⑶ 高穩(wěn)定性 ⑷ 高自動(dòng)化

大型光學(xué)金剛石車床 ——LODTM

FG-001超精密機(jī)床

OAGM 2500大型超精密機(jī)床

AHNIO型高效專用車削、磨削超精密機(jī)床

二、超精密機(jī)床的主軸部件

主軸部件是保證超精密機(jī)床加工精度的核心。超精密加工對(duì)主軸的要求是極高的回轉(zhuǎn)精度，轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)，無(wú)振動(dòng)。

液體靜壓軸承主軸

空氣靜壓軸承主軸

⑴ 雙半球空氣軸承主軸

⑵ 徑向—推力空氣靜壓軸承主軸

⑶ 球形—徑向空氣軸承主軸

⑷ 立式空氣軸承主軸

主軸的驅(qū)動(dòng)方式

⑴ 柔性聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)

⑵ 內(nèi)裝式同軸電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)

超精密機(jī)床主軸和軸承的材料

應(yīng)考慮以下主要因素：① 耐磨損；② 不易生銹腐蝕；③ 熱膨脹系數(shù)?。虎?材料的穩(wěn)定性好。

制造空氣主軸和軸承的材料主要有： ① 經(jīng)表面氮化和低溫穩(wěn)定處理的38CrMoAl氮化鋼；

② 不銹鋼；

③ 多孔石墨和軸承鋼。

另外還有銦鋼、花崗巖、微晶玻璃和陶瓷等。

三、精密導(dǎo)軌部件

超精密機(jī)床的總體布局

T形布局

十字形布局

R-θ 布局

立式結(jié)構(gòu)布局

常用的導(dǎo)軌部件 ⑴ 液體靜壓導(dǎo)軌

花崗巖靜壓導(dǎo)軌

⑵ 空氣靜壓導(dǎo)軌和氣浮導(dǎo)軌

空氣靜壓導(dǎo)軌

氣浮導(dǎo)軌

床身及導(dǎo)軌的材料

常用的床身及導(dǎo)軌材料有優(yōu)質(zhì)耐磨鑄鐵、花崗巖、人造花崗巖等。

微量進(jìn)給裝置

超精密機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)—般采用精密滾珠絲杠副、液體靜壓和空氣靜壓絲杠副。

高精度微量進(jìn)給裝置則有電致伸縮式、彈性變形式、機(jī)械傳動(dòng)或液壓傳動(dòng)式、熱變形式、流體膜變形式、磁致伸縮式等。

目前高精度微量進(jìn)給裝置的分辨力可達(dá)到0.001~0.01μm。

精密和超精密微位移機(jī)構(gòu)應(yīng)滿足以下設(shè)計(jì)要求：

① 精微進(jìn)給和粗進(jìn)給分開。

② 運(yùn)動(dòng)部分必須是低摩擦和高穩(wěn)定度的。

③ 末級(jí)傳動(dòng)元件必須有很高的剛度。

④ 內(nèi)部連接必須可靠，盡量采用整體結(jié)構(gòu)或剛性連接。

⑤ 工藝性好，容易制造。

⑥ 具有好的動(dòng)特性。

⑦ 能實(shí)現(xiàn)微進(jìn)給的自動(dòng)控制。

⑴ 壓電和電致伸縮微進(jìn)給裝置

⑵ 摩擦驅(qū)動(dòng)裝置

⑶ 機(jī)械結(jié)構(gòu)彈性變形微量進(jìn)給裝置

第五節(jié)

金剛石刀具的結(jié)構(gòu)

衡量金剛石刀具質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)：

① 能否加工出高質(zhì)量的超光滑表面；

② 能否有較長(zhǎng)的切削時(shí)間保持刀刃鋒銳。設(shè)計(jì)金剛石刀具時(shí)最主要問題有三個(gè)： ① 確定切削部分的幾何形狀；

② 選擇合適的晶面作為刀具的前后面；

③ 確定金剛石在刀具上的固定方法和刀具結(jié)構(gòu)。

一、金剛石刀具切削部分的幾何形狀

⑴ 刀頭形式

金剛石刀具刀頭一般采用在主切削刃和副切削刃之間加過渡刃。國(guó)內(nèi)多采用直線修光刃，國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)的金剛石刀具，推薦的修光刃圓弧半徑R=0.5~3mm。

金剛石刀具的主偏角一般為30?~90?，以45?主偏角應(yīng)用最為廣泛。

⑵ 前角和后角

根據(jù)加工材料不同，金剛石刀具的前角可取0?~5?，后角一般可取5?~6?。

美國(guó)EI Contour精密刀具公司的標(biāo)準(zhǔn)金剛石車刀結(jié)構(gòu)如上圖所示。該車刀采用圓弧修光刃，修光刃圓弧半徑R=0.5~1.5mm。后角采用10?，刀具前角可根據(jù)加工材料由用戶選定。

一種可用于車削鋁合金、銅、黃銅的通用金剛石車刀結(jié)構(gòu)如右圖所示?？色@得粗糙度Ra < 0.02~ 0.005μm的表面。

二、選擇合適的晶面作為金剛石刀具前、后面

三、金剛石刀具上的金剛石固定方法 ⑴ 機(jī)械夾固

⑵ 用粉末冶金法固定 ⑶ 使用粘結(jié)或釬焊固定

國(guó)內(nèi)外的金剛石刀具使用者一般都不自己磨刀；

Sumitomo公司推出一次性使用不重磨的精密金剛石刀具。

第三章

精密與超精密磨料加工

黑色金屬、硬脆材料的精密與超精密加工，主要是應(yīng)用精密和超精密磨料加工。

所謂精密和超精密磨料加工，就是利用細(xì)粒度的磨粒和微粉對(duì)黑色金屬、硬脆材料等進(jìn)行加工，以得到高加工精度和低表面粗糙度值。

精密和超精密磨料加工可分為固結(jié)磨料和游離磨料加工兩大類。

第一節(jié)

精密磨削

精密磨削是指加工精度為1~0.1μm、表面粗糙度為Ra0.2~0.025μm的磨削方法。

一、精密磨削機(jī)理

靠砂輪的具有微刃性和等高性的磨粒實(shí)現(xiàn)的。⑴ 微刃的微切削作用

⑵ 微刃的等高切削作用

⑶ 微刃的滑擠、摩擦、拋光作用

二、磨削用量

三、精密磨削砂輪

1．砂輪磨料

精密磨削時(shí)所用砂輪的磨料以易于產(chǎn)生和保持微刃及其等高性為原則。

鋼件及鑄鐵件，以采用剛玉磨料為宜。碳化硅磨料主要應(yīng)用于有色金屬加工。

2．砂輪粒度

粗粒度的微切削作用；細(xì)粒度的摩擦拋光作用。

3．砂輪結(jié)合劑

超精密加工用金屬類、陶瓷類結(jié)合劑

四、精密磨削中的砂輪修整

有單粒金剛石修整、金剛石粉末燒結(jié)型修整器修整和金剛石超聲波修整等。

修整用量有：修整導(dǎo)程、修整深度、修整次數(shù)和光修次數(shù)。

五、超精密磨削

超精密磨削是指加工精度達(dá)到或高于0.1μm、表面粗糙度低于Ra0.025μm的砂輪磨削方法，適宜于對(duì)鋼、鐵材料及陶瓷、玻璃等硬脆材料的加工。

鏡面磨削是屬于精密磨削和超精密磨削范疇的加工，是指加工表面粗糙度達(dá)到Ra0.02~0.01μm、表面光澤如鏡的磨削方法。

影響超精密磨削的因素有：超精密磨削機(jī)理、被加工材料、砂輪及其修整、超精密磨床、工件的定位夾緊、檢測(cè)及誤差補(bǔ)償、工作環(huán)境、操作水平等。超精密磨削需要—個(gè)高穩(wěn)定性的工藝系統(tǒng)，對(duì)力、熱、振動(dòng)、材料組織、工作環(huán)境的溫度和凈化等都有穩(wěn)定性的要求，并有較強(qiáng)的抗擊來自系統(tǒng)內(nèi)外的各種干擾的能力。

1．超精密磨削機(jī)理

單顆粒磨削的切入模型如圖所示。說明：

① 可視為一彈性系統(tǒng)

②平面磨削的切屑形狀如圖所示

③ 磨削過程分為彈性區(qū)、塑性區(qū)、切削區(qū)、塑性區(qū)，最后為彈性區(qū)

④ 存在微切削作用、塑性流動(dòng)、彈性破壞作用和滑擦作用

磨削狀態(tài)與磨削系統(tǒng)的剛度密切相關(guān)。2．超精密磨削工藝

超精密磨削的砂輪選擇、砂輪修整、磨削液選擇等問題與精密磨削和超硬磨料砂輪磨削有關(guān)問題類同。

超精密磨削的磨削用量。

六、超硬磨料砂輪磨削

超硬磨料砂輪磨削主要是指用金剛石砂輪和立方氮化硼砂輪加工硬質(zhì)合金、陶瓷、玻璃、半導(dǎo)體材料及石材等高硬度、高脆性材料。其突出特點(diǎn)為： ① 磨削能力強(qiáng)，耐磨性好，耐用度高，易于控制加工尺寸及實(shí)現(xiàn)加工自動(dòng)化。② 磨削力小，磨削溫度低，加工表面質(zhì)量好，無(wú)燒傷、裂紋和組織變化。③ 磨削效率高。④ 加工成本低。

1．超硬磨料砂輪磨削工藝

⑴ 磨削用量 ⑵ 磨削液：要求磨削液有良好的潤(rùn)滑性、冷卻性、清洗性和滲透性。

2．超硬磨料砂輪修整

修整是整形和修銳的總稱。

整形是使砂輪具有—定精度要求的幾何形狀； 修銳是去除磨粒間的結(jié)合劑，使磨粒突出結(jié)合劑一定高度，形成良好的切削刃和足夠的容屑空間。

超硬磨料砂輪修整的方法：① 車削法；② 磨削法；③ 滾壓擠軋法；④ 噴射法；⑤ 電加工法；⑥ 超聲波振動(dòng)修整法。

第二節(jié)

精密研磨與拋光

一、研磨加工機(jī)理

精密研磨屬于游離磨粒切削加工，是在剛性研具上注入磨料，在—定壓力下，通過研具與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，借助磨粒的微切削作用，除去微量的工件材料，以達(dá)到高級(jí)幾何精度和優(yōu)良表面粗糙度的加工方法。

1．硬脆材料的研磨

硬脆材料研磨的加工模型如圖所示。

研磨磨粒為1μm的氧化鋁和碳化硅等。

2．金屬材料的研磨

金屬材料研磨相當(dāng)于普通切削和磨削的切削深度極小時(shí)的狀態(tài)。

二、拋光加工機(jī)理

拋光是指用低速旋轉(zhuǎn)的軟質(zhì)彈性或粘彈性材料拋光盤，或高速旋轉(zhuǎn)的低彈性材料拋光盤，加拋光劑，具有一定研磨性質(zhì)地獲得光滑表面的加工方法。

拋光使用的磨粒是1μm以下的微細(xì)磨粒。

拋光加工模型如圖3-9所示。

拋光加工是磨粒的微小塑性切削作用和加工液的化學(xué)性溶析作用的結(jié)合。

三、精密研磨、拋光的主要工藝因素

精密研磨拋光的主要工藝因素如表3-5所示。

在一定的范圍內(nèi)，增加研磨壓力可提高研磨效率。

超精密研磨對(duì)研磨運(yùn)動(dòng)軌跡有以下基本要求： ① 工件相對(duì)研磨盤作平面平行運(yùn)動(dòng)，使工件上各點(diǎn)具有相同或相近的研磨行程。

② 工件上任一點(diǎn)不出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)軌跡的周期性重復(fù)。

③ 避免曲率過大的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)角，保證研磨運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。

④ 保證工件走遍整個(gè)研磨盤表面，以使研磨盤磨損均勻，進(jìn)而保證工件表面的平面度。

⑤ 及時(shí)變換工件的運(yùn)動(dòng)方向，以減小表面粗糙度值并保證表面均勻一致。

四、研磨盤與拋光盤

1．研磨盤

研磨盤是涂敷或嵌入磨料的載體。

研磨對(duì)研磨盤加工面的幾何精度要求很高。

研磨盤材料硬度要低于工件材料硬度，且組織均勻致密、無(wú)雜質(zhì)、無(wú)異物、無(wú)裂紋和無(wú)缺陷，并有一定的磨料嵌入性和浸含性。

常用的研磨盤材料有鑄鐵、黃銅、玻璃等。

研磨盤的結(jié)構(gòu)要具有良好的剛性、精度保持性、耐磨性、排屑性和散熱性。為了獲得良好的研磨表面，常在研磨盤面上開槽。開槽的目的為：

① 存儲(chǔ)多余的磨粒；

② 作為向工件供給磨粒的通道；

③ 作為及時(shí)排屑的通道。

固著磨料研磨盤是一種適用于陶瓷、硅片、水晶等脆性材料精密研磨的研具，具有表面精度保持性好、研磨效率高的優(yōu)點(diǎn)。

2．拋光盤

拋光盤平面精度及其精度保持性是實(shí)現(xiàn)高精度平面拋光的關(guān)鍵。

五、研磨劑與拋光劑

對(duì)研磨用磨粒的基本要求： ① 形狀、尺寸均勻一致；

② 能適當(dāng)?shù)仄扑?，以使切削刃鋒利； ③ 熔點(diǎn)高于工件熔點(diǎn)； ④ 在研磨液中容易分散。

對(duì)于拋光粉用磨粒，除上述要求外，還要考慮與工件材料作用的化學(xué)活性。

研磨拋光加工液主要作用是冷卻、潤(rùn)滑、均布研磨盤表面磨粒及排屑。對(duì)研磨拋光液的要求： ① 有效地散熱，以防止研磨盤和工件熱變形； ② 粘附低，以保證磨料的流動(dòng)性； ③ 不污染工件；

④ 物理、化學(xué)性能穩(wěn)定，不分解變質(zhì)； ⑤ 能較好地分散磨粒。

六、非接觸拋光

非接觸拋光是指在拋光中工件與拋光盤互不接觸，依靠拋光劑沖擊工件表面，以獲得加工表面完美結(jié)晶性和精確形狀的拋光方法，其去除量?jī)H為幾個(gè)到十幾個(gè)原子級(jí)。

1．彈性發(fā)射加工

彈性發(fā)射加工是指加工時(shí)研具與工件互不接觸，通過微粒子沖擊工件表面，對(duì)物質(zhì)的原子結(jié)合產(chǎn)生彈性破壞，以原子級(jí)的加工單位去除工件材料，從而獲得無(wú)損傷的加工表面。

彈性發(fā)射加工原理

彈性發(fā)射加工方法如圖所示

對(duì)加工頭和工作臺(tái)實(shí)施數(shù)控，可實(shí)現(xiàn)曲面加工。EEM的數(shù)控加工裝置如圖3-11所示。

2．浮動(dòng)拋光

浮動(dòng)拋光裝置如圖所示 拋光機(jī)理

超精密拋光盤的制作是實(shí)現(xiàn)浮動(dòng)拋光加工的關(guān)鍵。

3．動(dòng)壓浮離拋光 動(dòng)壓浮離拋光平面非接觸拋光裝置如圖所示

工作原理

加工過程中無(wú)摩擦熱和工具磨損，標(biāo)準(zhǔn)平面不會(huì)變化

該方法主要用于半導(dǎo)體基片和各種功能陶瓷材料及光學(xué)玻璃平晶的拋光，可同時(shí)進(jìn)行多片加工。4．非接觸化學(xué)拋光

通過向拋光盤面供給化學(xué)拋光液，使其與被加工面作相對(duì)滑動(dòng)，用拋光盤面來去除被加工件面上產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)生成物。這種以化學(xué)腐蝕作用為主，機(jī)械作用為輔的加工，又稱為化學(xué)機(jī)械拋光。水面滑行拋光借助于流體壓力使工件基片從拋光盤面上浮起，利用具有腐蝕作用的液體作加工液完成拋光。

5．切斷、開槽及端面拋光 采用非接觸端面拋光可實(shí)現(xiàn)對(duì)溝槽的壁面、垂直柱狀軸斷面進(jìn)行鏡面加工。

端面非接觸鏡面拋光裝置示意圖如圖所示。

該方法可用于直徑0.1mm左右的光導(dǎo)纖維線路零件的端面鏡面拋光以及精密元件的切斷。

第四篇：先進(jìn)加工技術(shù)

工程訓(xùn)練報(bào)告

先進(jìn)加工技術(shù)----3D打印

學(xué)院：機(jī)械與汽車工程學(xué)院

班級(jí)：機(jī)械13--4 姓名：姜暉

學(xué)號(hào)：201301011215

先進(jìn)加工技術(shù)--------3D打印

眾所周知，傳統(tǒng)的打印技術(shù)及其所配套的打印設(shè)備只能進(jìn)行簡(jiǎn)單或者稍微復(fù)雜的二維平面打印。然而，隨著時(shí)代的發(fā)展，特別是對(duì)于加工效率，加工精度的要求日益增長(zhǎng)的情況下，傳統(tǒng)的二維打印越來越力不從心，在一次次高科技革命的推動(dòng)下，3D打印應(yīng)運(yùn)而生。

3D打印，也稱為3D立體打印技術(shù)，即快速成型技術(shù)的一種，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。

3D打印技術(shù)最早出現(xiàn)于20世紀(jì)90年代，是利用光固化和紙層疊等技術(shù)的最新快速成型裝置。原理方面與傳統(tǒng)的二維打印機(jī)相同，打印盒內(nèi)裝有粉末等打印材料與電腦連接后，通過電腦控制把“打印材料”一層層疊加起來，最終把計(jì)算機(jī)上的藍(lán)圖變成實(shí)物的一種快速成型技術(shù)。

相對(duì)于傳統(tǒng)打印機(jī)，3D打印機(jī)所用原理基本相同，但是所用的原料并不相同，傳統(tǒng)打印機(jī)所用的材料是墨粉和各種紙張，而3D打印機(jī)內(nèi)裝有金屬、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”，是實(shí)實(shí)在在的原材料，當(dāng)打印機(jī)與電腦連接后，在電腦進(jìn)行控制下，按照設(shè)計(jì)人員設(shè)定的三維立體模型，將原材料一層一層疊加起來，將計(jì)算機(jī)的立體模型變?yōu)橐粋€(gè)實(shí)實(shí)在在的立體產(chǎn)品。

3D打印存在著許多不同的技術(shù)。它們的不同之處在于以可用的材料的方式，并以不同層構(gòu)建創(chuàng)建部件。3D打印常用材料有尼龍玻纖、耐用性尼龍材料、石膏材料、鋁材料、鈦合金、不銹鋼、鍍銀、鍍金、橡膠類材料。

介紹了3D打印技術(shù)，就不得不介紹3D打印的工作過程.3D打印最重要的一個(gè)過程就是設(shè)計(jì)過程，3D打印的設(shè)計(jì)過程是：先通過計(jì)算機(jī)建模軟件建模，再將建成的三維模型“分區(qū)”成逐層的截面，即切片，從而指導(dǎo)打印機(jī)逐層打印。

其次便是相切面包一樣，對(duì)模型進(jìn)行切片處理：打印機(jī)通過讀取文件中的橫截面信息，用液體狀、粉狀或片狀的材料將這些截面逐層地打印出來，再將各層截面以各種方式粘合起來從而制造出一個(gè)實(shí)體。這種技術(shù)的特點(diǎn)在于其幾乎可以造出任何形狀的物品。

打印機(jī)打出的截面的厚度（即Z方向）以及平面方向即X-Y方向的分辨率是以dpi（像素每英寸）或者微米來計(jì)算的。一般的厚度為100微米，即0.1毫米，也有部分打印機(jī)如ObjetConnex 系列還有三維 Systems' ProJet 系列可以打印出16微米薄的一層。而平面方向則可以打印出跟激光打印機(jī)相近的分辨率。打印出來的“墨水滴”的直徑通常為50到100個(gè)微米。用傳統(tǒng)方法制造出一個(gè)模型通常需要數(shù)小時(shí)到數(shù)天，根據(jù)模型的尺寸以及復(fù)雜程度而定。而用三維打印的技術(shù)則可以將時(shí)間縮短為數(shù)個(gè)小時(shí)，當(dāng)然其是由打印機(jī)的性能以及模型的尺寸和復(fù)雜程度而定的。

傳統(tǒng)的制造技術(shù)如注塑法可以以較低的成本大量制造聚合物產(chǎn)品，而三維打印技術(shù)則可以以更快，更有彈性以及更低成本的辦法生產(chǎn)數(shù)量相對(duì)較少的產(chǎn)品。一個(gè)桌面尺寸的三維打印機(jī)就可以滿足設(shè)計(jì)者或概念開發(fā)小組制造模型的需要。

完成以上步驟后，便只剩下完成打印了：三維打印機(jī)的分辨率對(duì)大多數(shù)應(yīng)用來說已經(jīng)足夠（在彎曲的表面可能會(huì)比較粗糙，像圖像上的鋸齒一樣），要獲得更高分辨率的物品可以通過如下方法：先用當(dāng)前的三維打印機(jī)打出稍大一點(diǎn)的物體，再稍微經(jīng)過表面打磨即可得到表面光滑的“高分辨率”物品。

有些技術(shù)可以同時(shí)使用多種材料進(jìn)行打印。有些技術(shù)在打印的過程中還會(huì)用到支撐物，比如在打印出一些有倒掛狀的物體時(shí)就需要用到一些易于除去的東西（如可溶的東西）作為支撐物。

現(xiàn)行的3D打印有多種成型方法，每項(xiàng)各有利弊：

電子束是3D金屬打印成型最快方法電子束快速成型技術(shù)目前還有一些技術(shù)難點(diǎn)尚待進(jìn)一步研究，比如成型過程中廢熱高，金屬構(gòu)件中金相結(jié)構(gòu)控制較為困難，特別是成型時(shí)間長(zhǎng)，先凝固的部分經(jīng)受的高溫時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)金屬晶態(tài)成長(zhǎng)控制困難，進(jìn)而引起大尺度構(gòu)件應(yīng)力復(fù)雜等等。

電子束成型對(duì)復(fù)雜腔體，扭轉(zhuǎn)體，薄壁腔體等成型效果不佳，他的成形點(diǎn)陣精度在毫米級(jí)，所以成型以后仍然需要傳統(tǒng)的精密機(jī)械加工，也需要傳統(tǒng)的熱處理，甚至鍛造等等。

但電子束快速成型速度快，是目前3D金屬打印類打印速度最快的，可達(dá)15KG／小時(shí)，設(shè)備工業(yè)化成熟度高，基本可由貨架產(chǎn)品組合，生產(chǎn)線構(gòu)建成本低，具有很強(qiáng)的工業(yè)普及基礎(chǔ)，同時(shí)，電子束快速成型設(shè)備同時(shí)還能具有一定的焊接能力和金屬構(gòu)件表面修復(fù)能力，應(yīng)用前景廣泛。在發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，目前美國(guó)和中國(guó)在電子束控制單晶金屬近凈形成型技術(shù)方面正積極研究，一旦獲得突破，傳統(tǒng)的單晶渦輪葉片生產(chǎn)困難和生產(chǎn)成本高的問題將獲得極大的改善，從而大大提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，并對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)研制改進(jìn)等提供了極大的助力。

由于電子束成形精度受到電子束聚焦和掃描控制能力的限制，激光作為更高精度的能量介質(zhì)引起高度重視，激光成形技術(shù)幾乎是和電子束成形技術(shù)同步起步發(fā)展，但是，由于穩(wěn)定的10KW以上級(jí)的大功率激光器到2008年才開始逐步工業(yè)化，所以激光成形技術(shù)在最近才出現(xiàn)噴涌的盛況。

激光數(shù)字成型技術(shù)主要有兩個(gè)類別，一是激光近凈成形制造（LENS）、金屬直接沉積（DMD），這個(gè)類別的技術(shù)和電子束快速成型類似，也是利用控制掃描區(qū)域形成控制的熔融區(qū)，用金屬絲或金屬粉同步掃描點(diǎn)添加，金屬熔融沉積，這項(xiàng)技術(shù)算電子束快速成型的高精度的進(jìn)化成果，激光的掃描點(diǎn)陣精度可以比電子束高一個(gè)數(shù)量級(jí)，可以得到更高精度的零件，從而進(jìn)一步減少材料的耗量和機(jī)械加工的需求，同時(shí)它還能保留電子束快速成型的打印速度快的優(yōu)勢(shì)。

這類區(qū)域熔融的技術(shù)需要大尺度的腔體提供零件加工所需的真空環(huán)境，這限制了加工零件的尺寸，激光熔融區(qū)的大小和功率直接相關(guān)，越大形的構(gòu)件加工能力要求越高，由于電子束對(duì)金屬的熱效應(yīng)深度比較大，而激光熱效應(yīng)深度較小，激光成形時(shí)胚體受熱和散熱狀況要好于電子束，因此它能形成很薄的熔化區(qū)和更細(xì)密均勻的沉積構(gòu)造，凝固過程中的金相結(jié)構(gòu)更容易控制，熱應(yīng)力復(fù)雜度要低很多，可以制造更精確的形狀和更復(fù)雜零件，也能制造較薄壁的零件類型。美DRAPA，洛克希德先進(jìn)制造技術(shù)中心，和飛利浦、賓州大學(xué)等于2013年演示的先進(jìn)制造

DM概念，就是基于這類技術(shù)基礎(chǔ)。

激光3D打印幾乎可直接加工出工業(yè)零件

目前主流的激光打印機(jī)是利用硒鼓靜電吸附墨粉，激光掃描熔融墨粉形成圖像的，這種打印方式精度可達(dá)300PPI，利用激光打印和粉末冶金技術(shù)結(jié)合，新一代的最有希望的最精密成型的技術(shù)是以直接金屬激光燒結(jié)（Direct metal laser sintering，DMLS）和選區(qū)激光（selective laser sintering，SLS）為代表的激光精密數(shù)字成形。這兩者都是在基底鋪設(shè)金屬粉末，由激光掃瞄燒結(jié)，所不同的是，直接燒結(jié)是邊鋪粉邊燒，而選區(qū)燒結(jié)是先鋪整層粉末，然后激光掃描燒結(jié)，這種燒結(jié)每次沉積厚度約20－100微米，通過反復(fù)多次的沉積最終獲得三維立體的零件。

激光精密成形的優(yōu)點(diǎn)是精度高，成形點(diǎn)陣可以小于0.01毫米，可以得到近似平滑的表面，能夠處理空腔，薄壁等復(fù)雜空間扭轉(zhuǎn)體，和相互交叉穿透的復(fù)雜空腔和管路，幾乎可以加工出直接應(yīng)用的工業(yè)零件。

激光3D打印零件強(qiáng)度略小于鍛造機(jī)加件

高精度激光燒結(jié)對(duì)激光的功率要求中等，燒結(jié)點(diǎn)溫度雖然高，但是點(diǎn)陣小，每點(diǎn)陣金屬熔融凝固量很少，全過程熱釋放低，材料胚體溫度接近常溫區(qū)，較少形成復(fù)雜的熱應(yīng)力情況，金屬凝固形成的金相較為均勻細(xì)密，大多為細(xì)小的晶格態(tài)，類似于經(jīng)過鍛造的金屬構(gòu)件，獲得金屬零件強(qiáng)度略小于鍛造機(jī)加件。

美國(guó)德州大學(xué)奧斯汀分院最早于1986年提出SLS的專利，由DTM公司提供商用設(shè)備，美國(guó)麻省理工1988年提出DMLS的概念和專利，但目前商用化設(shè)備主要的供應(yīng)商都來源于歐洲，德國(guó)EOS略占優(yōu)勢(shì)，MTT 公司和 Concept Laser 公司也具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。中國(guó)于1998年以后開始開展SLS方面的研究，2000年以后，隨著商品化光纖激光器的成熟，國(guó)內(nèi)在SLS方面取得一定成果，2004年起，有至少3家公司和單位提出SLS技術(shù)應(yīng)用化的專利，在航空領(lǐng)域因材料強(qiáng)度方面的問題，早期的應(yīng)用主要在快速建立冶金應(yīng)用模具方面。

作為一種主流的高新技術(shù)，3D打印有著非常廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域：軍工，航天，醫(yī)學(xué)，甚至于建筑行業(yè)，均存在著3D打印技術(shù)的影子.3D打印技術(shù)目前在全球也是前沿技術(shù)和前沿應(yīng)用，最尖端的航空工業(yè)對(duì)這種技術(shù)最為關(guān)注也最嚴(yán)謹(jǐn)，美國(guó)90年代中期就獲得這類技術(shù)的工業(yè)嘗試，但是他們一直稱為近凈成型加工技術(shù)，F(xiàn)－22,F－35都有應(yīng)用，不過因?yàn)橐恍┘庸すに嚨仍颍绹?guó)也沒有能大規(guī)模應(yīng)用，但美國(guó)將這一技術(shù)一直作為先進(jìn)制造技術(shù)而由美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DRAPA）牽頭，組織美國(guó)30多家企業(yè)對(duì)這一技術(shù)長(zhǎng)期研究。

美國(guó)如此重視，我國(guó)自然也不甘落后。最近幾年，中國(guó)航空工業(yè)捷報(bào)頻傳，先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)殲-20，殲-31，艦載機(jī)殲-15，運(yùn)輸機(jī)運(yùn)-20一大批高新機(jī)不斷誕生，接踵而出，最為引人關(guān)注的是，在2013年全球3D打印熱潮中，以北航和西工大兩個(gè)科研主體帶動(dòng)，沈飛、成飛、西飛等數(shù)家航空制造企業(yè)為主體，成為全球第二個(gè)能夠在實(shí)際應(yīng)用中利用3D打印技術(shù)制造飛機(jī)零件的國(guó)家。

與其他的高新技術(shù)一樣，3D打印技術(shù)也有著自身的缺點(diǎn)和不足之處。

3D打印零件強(qiáng)度還難以作為飛機(jī)受力構(gòu)件

3D打印概念的出現(xiàn)是一種制造工業(yè)領(lǐng)域革命性的新技術(shù)，目前的諸多成形手段和方法都有各自的具體優(yōu)點(diǎn)和缺陷，在航空領(lǐng)域，選擇燒結(jié)SLS技術(shù)看起來潛力最大，應(yīng)用前景最廣泛，它的材料適應(yīng)范圍最廣，從鋁合金、鈦合金、高強(qiáng)度鋼、高溫合金到陶瓷都能處理，但是它屬于微觀粉末冶金的范疇，快速成形中，粉末冶金技術(shù)中因熔融——凝固過程過快，成形體中容易夾雜空穴，未完全熔融的粉末，胚體缺陷還有可能包括激光掃描線方向形成的熔融——凝固不均勻金相微觀線狀晶格排列，這些都會(huì)嚴(yán)重影響了成形件的強(qiáng)度。

目前激光選區(qū)成形的構(gòu)件大多都只能達(dá)到同牌號(hào)金屬鑄造的強(qiáng)度水平，雖然這已經(jīng)能讓構(gòu)件進(jìn)入正常的應(yīng)用領(lǐng)域，但顯然要承擔(dān)象飛機(jī)這樣的主要結(jié)構(gòu)受力構(gòu)件還是有很大限制的。

3D金屬打印零件表面還需進(jìn)一步機(jī)械加工直接金屬激光燒結(jié)DMLS技術(shù)因?yàn)橹苯佑眉す馊廴诮饘俳z沉積，金屬本身是致密體重熔，不易產(chǎn)生粉末冶金那樣的成形時(shí)的空穴，這個(gè)技術(shù)生產(chǎn)的構(gòu)件致密度可達(dá)99％以上，接近鍛造的材料胚體，目前國(guó)際國(guó)內(nèi)都主要利用這種技術(shù)制造高受力構(gòu)件，它能達(dá)到同牌號(hào)金屬最 高強(qiáng)度的90～95％左右的水平，接近一般鍛造構(gòu)件。

目前的金屬3D打印構(gòu)件都不能直接形成符合要求的零件表面，它都必須經(jīng)過表面的機(jī)械加工，去除表面多余的，不連續(xù)的，不光滑的金屬，才能作為最終使用的零件，因此，盡管3D打印可以獲得復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)和一些復(fù)雜的管路和腔體，但是這些管路和腔體的機(jī)械加工很有可能無(wú)法進(jìn)行，其零件的重量效率，管路流動(dòng)效率等方面不一定能夠滿足實(shí)際需求，因此，盡管3D打印可能能一步直接完成很多復(fù)雜零件的成形，但其還不具備直接取代傳統(tǒng)機(jī)械加工的能力。

3D打印對(duì)飛機(jī)大型構(gòu)件制造還存在問題

直接成形的金屬零件在生產(chǎn)過程中因?yàn)榉磸?fù)經(jīng)受局部接近熔點(diǎn)溫度受熱，內(nèi)部熱應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜，在成形某些大型細(xì)長(zhǎng)體，薄壁體金屬構(gòu)件時(shí)，應(yīng)力處理和控制還不能滿足要求，實(shí)際上到目前為止一直影響3D打印在航空業(yè)的應(yīng)用也正是因?yàn)檫@個(gè)原因。

美國(guó)從1992年開始就不斷利用這類技術(shù)希望能夠直接生產(chǎn)飛機(jī)用的大型框架，粱絎，整體壁板等，正是因?yàn)閼?yīng)力復(fù)雜，大型構(gòu)件成形過程中或成形后會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重變形，嚴(yán)重到無(wú)法使用。所以3D打印技術(shù)盡管很早就出現(xiàn)了，但國(guó)外航空工業(yè)界還持有相當(dāng)?shù)谋Ｊ貞B(tài)度也是有原因的。激光3D打印工業(yè)化面臨精細(xì)度難題目前激光成形技術(shù)面臨工業(yè)化的兩個(gè)方向相互間有矛盾，一是打印精細(xì)度，目前的打印精細(xì)度SLS最高，基本在1～0.1毫米左右，而其他技術(shù)加工生成的零件表面精度則在0.8～5毫米之間，目前市場(chǎng)銷售的2D激光打印機(jī)點(diǎn)陣精度在1200DPI左右即0.02毫米，這個(gè)精度可以獲得近似光滑的曲面，提高精度受到打印耗材粉末的粒徑粗細(xì)和激光熔融金屬液態(tài)滴狀表面張力影響，要把精度提高到0.1毫米以下還有很大困難，不過鋪粉預(yù)處理、激光超快速融化——凝固等技術(shù)的出現(xiàn)會(huì)為提高激光成形的精度有很大幫助。

激光3D打印工業(yè)化面臨打印速度難題另一個(gè)發(fā)展方向則是提高打印速度，目前激光打印的速度還是較慢的，每小時(shí)印重量大多都在1公斤以下，最好水平也只有9公斤／小時(shí)左右，要實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，特別是大規(guī)?；a(chǎn)，這個(gè)速度是不夠的，現(xiàn)在的激光成形基本還是單光頭單層鋪粉作業(yè)，未來為了提高打印速度和應(yīng)對(duì)超大型構(gòu)件打印，已經(jīng)有多光頭多層鋪粉同步打印的設(shè)計(jì)出現(xiàn)。

激光成形目前尚屬于單一技術(shù)應(yīng)用，但是在工業(yè)界，激光沖擊強(qiáng)化在冶金方面應(yīng)用已經(jīng)有10幾年的歷史了，激光打印成形實(shí)際上很有希望能夠直接集成激光沖擊強(qiáng)化，激光淬火等技術(shù)，它能讓激光成形的構(gòu)件更加致密，且具有高級(jí)別的強(qiáng)度，實(shí)際上激光3D打印機(jī)都能簡(jiǎn)單的通過軟件控制來實(shí)現(xiàn)激光沖擊強(qiáng)化的功能。

現(xiàn)在3D打印技術(shù)還只是露出第一縷曙光

新的制造方法需要新的一系列處理工藝配合，3D打印目前只能算一絲曙光，真正達(dá)到大規(guī)模應(yīng)用產(chǎn)生效益，還需要很長(zhǎng)的時(shí)間發(fā)展和積累。

3D打印技術(shù)的出現(xiàn)是信息革命在攻克傳統(tǒng)工業(yè)的最后堡壘的終結(jié)的沖鋒號(hào)，因而引發(fā)了一系列的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域研究的新課題，激光粉末冶金，微沉積金相學(xué)，微觀淬火、鍛造，激光沖擊強(qiáng)化等一系列機(jī)械制造，冶金等領(lǐng)域的課題將會(huì)讓已經(jīng)暮氣沉沉的傳統(tǒng)冶金科學(xué)，和制造科學(xué)領(lǐng)域重新充滿發(fā)展的動(dòng)力，在未來的數(shù)十年間，誰(shuí)在這些技術(shù)領(lǐng)域獲得應(yīng)用化的實(shí)際成果，可能會(huì)影響和顛覆現(xiàn)有的制造工業(yè)的基本面貌,未來可謂潛力無(wú)限。

第五篇：材料先進(jìn)加工技術(shù)

1.快速凝固

快速凝固技術(shù)的發(fā)展，把液態(tài)成型加工推進(jìn)到遠(yuǎn)離平衡的狀態(tài)，極大地推動(dòng)了非晶、細(xì)晶、微晶等非平衡新材料的發(fā)展。傳統(tǒng)的快速凝固追求高的冷卻速度而限于低維材料的制備，非晶絲材、箔材的制備。近年來快速凝固技術(shù)主要在兩個(gè)方面得到發(fā)展：①利用噴射成型、超高壓、深過冷，結(jié)合適當(dāng)?shù)某煞衷O(shè)計(jì)，發(fā)展體材料直接成型的快速凝固技術(shù)；②在近快速凝固條件下，制備具有特殊取向和組織結(jié)構(gòu)的新材料。目前快速凝固技術(shù)被廣泛地用于非晶或超細(xì)組織的線材、帶材和體材料的制備與成型。2.半固態(tài)成型

半固態(tài)成型是利用凝固組織控制的技術(shù).20世紀(jì)70年代初期，美國(guó)麻省理工學(xué)院的Flemings教授等首先提出了半固態(tài)加工技術(shù)，打破了傳統(tǒng)的枝晶凝固式，開辟了強(qiáng)制均勻凝固的先河。半固態(tài)成型包括半固態(tài)流變成型和半固態(tài)觸變成形兩類：前者是將制備的半固態(tài)漿料直接成型，如壓鑄成型（稱為半固態(tài)流變壓鑄）；后者是對(duì)制備好的半固態(tài)坯料進(jìn)行重新加熱，使其達(dá)到半熔融狀態(tài)，然后進(jìn)行成型，如擠壓成型（稱為半固態(tài)觸變擠壓）3.無(wú)模成型

為了解決復(fù)雜形狀或深殼件產(chǎn)品沖壓、拉深成型設(shè)備規(guī)模大、模具成本高、生產(chǎn)工藝復(fù)雜、靈活度低等缺點(diǎn)，滿足社會(huì)發(fā)展對(duì)產(chǎn)品多樣性（多品種、小規(guī)模）的需求，20世紀(jì)80年代以來，柔性加工技術(shù)的開發(fā)受到工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的重視。典型的無(wú)模成型技術(shù)有增量成型、無(wú)摸拉拔、無(wú)模多點(diǎn)成型、激光沖擊成型等。4.超塑性成型技術(shù)

超塑性成型加工技術(shù)具有成型壓力低、產(chǎn)品尺寸與形狀精度高等特點(diǎn)，近年來發(fā)展方向主要包括兩個(gè)方面：一是大型結(jié)構(gòu)件、復(fù)雜結(jié)構(gòu)件、精密薄壁件的超塑性成型，如鋁合金汽車覆蓋件、大型球罐結(jié)構(gòu)、飛機(jī)艙門，與盥洗盆等；二是難加工材料的精確成形加工，如鈦合金、鎂合金、高溫合金結(jié)構(gòu)件的成形加工等。5.金屬粉末材料成型加工

粉末材料的成型加工是一種典型的近終形、短流程制備加工技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)材料設(shè)計(jì)、制備預(yù)成型一體化；可自由組裝材料結(jié)構(gòu)從而精確調(diào)控材料性能；既可用于制備陶瓷、金屬材料，也可制備各種復(fù)合材料。它是近20年來材料先進(jìn)制備與成型加工技術(shù)的熱點(diǎn)與主要發(fā)展方向之一。自1990年以來，世界粉末冶金年銷售量增加了近2倍。2003年北美鐵基粉末。相關(guān)的模具、工藝設(shè)備和最終零件產(chǎn)品的銷售額已達(dá)到91億美元，其中粉末冶金零件的銷售為64億美元。美國(guó)企業(yè)生產(chǎn)的粉末冶金產(chǎn)品占全球市場(chǎng)的一半以上?？梢灶A(yù)見，在較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，粉末冶金工業(yè)仍將保持較高的增長(zhǎng)速率。粉末材料成型加工技術(shù)的研究重點(diǎn)包括粉末注射成型膠態(tài)成型、溫壓成型及微波、等離子輔助低溫強(qiáng)化燒結(jié)等。6.陶瓷膠態(tài)成型

20世紀(jì)80年代中期，為了避免在注射成型工藝中使用大量的有機(jī)體所造成的脫脂排膠困難以及引發(fā)環(huán)境問題，傳統(tǒng)的注漿成型因其幾乎不需要添加有機(jī)物、工藝成本低、易于操作制等特點(diǎn)而再度受到重視，但由于其胚體密度低、強(qiáng)度差等原因，他并不適合制備高性能的陶瓷材料。進(jìn)入90年代之后，圍繞著提高陶瓷胚體均勻性和解決陶瓷材料可靠性的問題，開發(fā)了多種原位凝固成型工藝，凝膠注模成型工藝、溫度誘導(dǎo)絮凝成形、膠態(tài)振動(dòng)注模成形、直接凝固注模成形等相繼出現(xiàn)，受到嚴(yán)重重視。原位凝固成形工藝被認(rèn)為是提高胚體的均勻性，進(jìn)而提高陶瓷材料可靠性的唯一途徑，得到了迅速的發(fā)展，已逐步獲得實(shí)際應(yīng)用。

7.激光快速成型

激光快速成形技術(shù)，是20實(shí)際90年代中期由現(xiàn)代材料技術(shù)、激光技術(shù)和快速原型制造術(shù)相結(jié)合的近終形快速制備新技術(shù)。采用該技術(shù)的成形件完全致密且具有細(xì)小均勻的內(nèi)部組織，從而具有優(yōu)越的力學(xué)性能和物理化學(xué)性能，同時(shí)零件的復(fù)雜程度基本不受限制，并且可以縮短加工周期，降低成本。目前發(fā)達(dá)國(guó)家已進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段，主要應(yīng)用于國(guó)防高科技領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)激光快速成形起步稍晚于發(fā)達(dá)國(guó)家，在應(yīng)用基礎(chǔ)研究和相關(guān)設(shè)備建設(shè)方面已有較好的前期工作，具備了通過進(jìn)一步研究形成自身特色的激光快速成形技術(shù)的條件。8.電磁場(chǎng)附加制備與成型技術(shù)

在材料的制備與成形加工過程中，通過施加附加外場(chǎng)（如溫度場(chǎng)、磁場(chǎng)、電場(chǎng)、力場(chǎng)等），可以顯著改善材料的組織，提高材料的性能，提高生產(chǎn)效率。典型的溫度場(chǎng)附加制備與形加工技術(shù)有熔體過熱處理、定向凝固技術(shù)等；典型的力場(chǎng)附加制備與成形技術(shù)有半固態(tài)加工等；典型的電磁場(chǎng)附加制備與成形加工技術(shù)有電磁鑄軋技術(shù)、電磁連鑄技術(shù)、磁場(chǎng)附加熱處理技術(shù)、電磁振動(dòng)注射成形技術(shù)等。近年來，有關(guān)電磁場(chǎng)附加制備與成形加工技術(shù)的研究在國(guó)際上已形成一門新的材料科學(xué)分支——材料電磁處理，并且得到迅速發(fā)展。9.先進(jìn)連接技術(shù)

①鋁合金激光焊接 ②鎂合金激光焊接

③機(jī)器人智能焊接 10.表面改質(zhì)改性

在材料的使用過程中，材料的表面性質(zhì)和功能非常重要，許多體材料的失效也往往是從表面開始的。通過涂覆（或沉積、外延生長(zhǎng)）表面薄層材料或特殊能量手段改變?cè)牧媳砻娴慕Y(jié)構(gòu)（即對(duì)處理進(jìn)行表面改性），賦予較廉價(jià)的體材料以高性能、高功能的表面，可以大大提高材料的使用價(jià)值和產(chǎn)品的附加值，是數(shù)十年來材料表面加工處理研究領(lǐng)域的主要努力方向。

材料加工技術(shù)的總體發(fā)展趨勢(shì)，可以概括為三個(gè)綜合，即過程綜合、技術(shù)綜合、學(xué)科綜合。由于上述材料加工技術(shù)的總體發(fā)展趨勢(shì)，可以預(yù)見，在今后較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，材料制備、成型與加工技術(shù)的發(fā)展將具有以下兩個(gè)主要特征：（1）性能設(shè)計(jì)與工藝設(shè)計(jì)的一體化。（2）在材料設(shè)計(jì)、制備、成型與加工處理的全過程中對(duì)材料的組織性能和形狀尺寸進(jìn)行精確控制。

實(shí)際上，第一個(gè)特征實(shí)現(xiàn)材料技術(shù)的第五次革命、進(jìn)入新材料設(shè)計(jì)與制備加工工藝時(shí)代的標(biāo)志。實(shí)現(xiàn)第二個(gè)特征則要求具備兩個(gè)基本條件：一是計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)的高度發(fā)展；二是材料數(shù)據(jù)庫(kù)的高度完備化?；谏鲜霾牧霞庸ぜ夹g(shù)的總體發(fā)展趨勢(shì)和特征，金屬材料加工技術(shù)的主要發(fā)展方向包括以下幾個(gè)方面。1）常規(guī)材料加工工藝的短流程化和高效化。

打破傳統(tǒng)材料成形與加工模式，工藝環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)近終形、短流程的連續(xù)化生產(chǎn)提高生產(chǎn)效率。例如，半固態(tài)流變成形、連續(xù)鑄軋、連續(xù)鑄擠等是將凝固與成形兩個(gè)過程合二為一，實(shí)行精確控制，形成以節(jié)能、降耗、提高生產(chǎn)效率為主要特征的新技術(shù)和新工藝。

目前國(guó)外鋁合金和鎂合金半固態(tài)加工技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入較大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用階段。鋁合金半固態(tài)成型方法主要有流變壓鑄

2）發(fā)展先進(jìn)的成形加工技術(shù)，實(shí)現(xiàn)組織與性能的精確控制

例如，非平衡凝固技術(shù)、電磁鑄軋技術(shù)、電磁連鑄技術(shù)、等溫成形技術(shù)、低溫強(qiáng)加工技術(shù)、先進(jìn)層狀復(fù)合材料成形、先進(jìn)超塑性成形、激光焊接、電子束焊接、復(fù)合熱源焊接、擴(kuò)散焊接、摩擦焊接等先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)組織與性能的精確控制，不僅可以提高傳統(tǒng)材料的使用性能，還有利于改善難加工材料的加工性能，開發(fā)高附加值材料。

3）材料設(shè)計(jì)（包括成分設(shè)計(jì)、性能設(shè)計(jì)與工藝設(shè)計(jì)）、制備與成形加工一體化

發(fā)展材料設(shè)計(jì)、制備與成型加工一體化技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)先進(jìn)材料和零部件的高效，近終形，短流程成型。典型的技術(shù)有噴射技術(shù)、粉末注射成形、激光快速成型等，是不銹鋼、高溫合金、鈦合金、難熔金屬及金屬間化合物、陶瓷材料、復(fù)合材料、梯度功能材料零部件制備成型加工的研究熱點(diǎn)。材料設(shè)計(jì)、制備與成形加工的一體化，是實(shí)現(xiàn)真正意義上的全過程的組織性能精確控制的前提和基礎(chǔ)。

4）開發(fā)新型制備與成形加工技術(shù)，發(fā)展新材料和新產(chǎn)品

塊體非晶合金制備和應(yīng)用技術(shù)、連續(xù)定向凝固成形技術(shù)、電磁約束成型技術(shù)、雙結(jié)晶器連鑄與充芯連鑄復(fù)合技術(shù)、多坯料擠壓技術(shù)、微成形加工技術(shù)等，是近年來開發(fā)的新型制備與成形加工技術(shù)。這些技術(shù)在特種高性能材料或制品的制備與成形技術(shù)加工方面具有各自的特色，受到國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注。

5）發(fā)展計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬與過程仿真技術(shù)，構(gòu)建完善的材料數(shù)據(jù)庫(kù) 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算材料科學(xué)已成為一門新興的交學(xué)科，是除實(shí)驗(yàn)和理論外解決材料科學(xué)中實(shí)際問題的第3個(gè)重要研究方法。它可以比理論和實(shí)驗(yàn)做得更深刻、更全面、更細(xì)致，可以進(jìn)行一些理論和實(shí)驗(yàn)暫時(shí)還做不到的研究。因此，基于知識(shí)的材料成形工藝模擬仿真是材料科學(xué)與制造科學(xué)的前沿領(lǐng)域和研究熱點(diǎn)。根據(jù)美國(guó)科學(xué)研究院工程技術(shù)委員會(huì)的測(cè)算, 模擬仿真可提高產(chǎn)品質(zhì)量5～15倍，增加材料出品率25％，降低工程技術(shù)成本13%～30%，降低人工成本5%～20%，提高投入設(shè)備利用率30%～60%，縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)和試制周期30% ～60%等。目前，模擬仿真技術(shù)已能用在壓力鑄造、熔模鑄造等精確成形加工工藝中，而焊 接過程的模擬仿真研究也取得了可喜的進(jìn)展。高性能、高保真、高效率、多學(xué)科及多尺度是模擬仿真技術(shù)的努力目標(biāo)，而微觀組織模擬（從mm、μm到nm尺度）則是近年來研究的新熱點(diǎn)課題。通過計(jì)算機(jī)模擬，可深入研究材料的結(jié)構(gòu)、組成及其各物理化學(xué)過程中宏觀、微觀變化機(jī)制，并由材料成分、結(jié)構(gòu)及制備參數(shù)的最佳組合進(jìn)行材料設(shè)計(jì)。計(jì)算材料科學(xué)的研究范圍包括從埃量級(jí)的量子力學(xué)計(jì)算到連續(xù)介質(zhì)層次的有限元或有限差分模型分析，此范圍可分為4個(gè)層次：納米級(jí)、微觀、介觀及宏觀層次。在國(guó)外，多尺度模擬已在汽車及航天工業(yè)中得到應(yīng)用。鑄件凝固過程的微觀組織模擬以晶粒尺度從凝固熱力學(xué)與結(jié)晶動(dòng)力學(xué)兩方 面研究材料的組織和性能。20世紀(jì)90年代鑄造微觀模擬開始由試驗(yàn)研究向?qū)嶋H應(yīng)用發(fā)展，國(guó)內(nèi)的研究雖處于起步階段，但在用相場(chǎng)法研究鋁合金枝晶生長(zhǎng)、用Cellular Automaton 法研究鋁合金組織演變和汽車球墨鑄鐵件微觀組織與性能預(yù)測(cè)等方面均已取得重要進(jìn)展。鍛造過程的三維晶粒度預(yù)測(cè)也有進(jìn)展。6）材料的智能化制備與成形加工技術(shù)

材料的智能化制備與成形加工技術(shù)是1986年由美國(guó)材料科學(xué)界提出的“第三代”材料成形加工技術(shù)，20世紀(jì)90年代以來受到日本等先進(jìn)工業(yè)國(guó)家的重視它通過綜合利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)和先進(jìn)控制技術(shù)等，以成分、性能、工藝一體化設(shè)計(jì)與工藝控制方法，實(shí)現(xiàn)材料組織性能與成形加工質(zhì)量，同時(shí)達(dá)到縮短研制周期、降低生產(chǎn)成本、減少環(huán)境負(fù)荷的目的。

材料的智能化制備與成形加工技術(shù)的研究尚處于概念形成與探索階段，被認(rèn)為是21世紀(jì)前期材料成形加工新技術(shù)中最富潛力的前沿研究方向之一。其他的材料先進(jìn)制備與成形加工前沿技術(shù)

電磁軟接觸連鑄、鈦合金連鑄連軋技術(shù)、高性能金屬材料噴射成形技術(shù)、輕合金半固態(tài)加工技術(shù)、泡沫鋁材料制備、鋼質(zhì)蜂窩夾芯板擴(kuò)散-軋制復(fù)合、金屬超細(xì)絲材制備技術(shù)、超細(xì)陶瓷粉末燃燒合成、模具表面滲注鍍復(fù)合強(qiáng)化、金屬管件內(nèi)壁等離子體強(qiáng)化技術(shù)、鈦合金激光熔覆技術(shù)、非納米晶復(fù)合涂層制備技術(shù)等。