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1、先进制造技术,王赟,Advanced Manufacturing Technology(AMT),先进制造工艺技术概论快速原型制造技术超高速加工技术超精密加工技术 现代特种加工技术微细加工技术,第三章 先进制造工艺技术,通过本章的学习，了解先进制造工艺技术的基本特征及发展趋势;掌握先进制造工艺技术中超高速加工技术、超精密加工技术、特种加工技术、快速原型制造技术以及微细加工技术的基本概念、关键支撑技术及发展应用；了解这些先进技术手段在日常生活以及现代机械产品中的实际应用;通过本章的学习，使学生获得先进制造工艺技术的基本知识，为进一步学习专业课程打下坚实的基础。,教学目标,了解先进制造工艺技术的定
2、义、内涵及现状。掌握超高速加工技术相关的基础知识,了解其现状及应用。掌握超精密加工技术相关的基础知识,了解其现状及应用。了解快速原型制造技术相关内容,掌握几种典型的快速原型工艺方法。,教学要求,机械制造工艺的定义,机械制造工艺是将各种原材料通过改变其形状、尺寸、性能或相对位置，使之成为成品或半成品的方法和过程。,先进制造工艺技术概论,原材料,成品半成品,改变形状,尺寸,性能,位置,机床、工具,机械制造工艺的基本概念,按其功能的不同，可将机械制造工艺分为如下三个阶段：零件毛坯的成形准备阶段，包括原材料切割、焊接、铸造、锻压加工成形等机械切削加工阶段，包括车削、钻削、铣削、刨削、镗削、磨削加工等表
3、面改性处理阶段，包括热处理、电镀、化学镀、热喷涂、涂装等,先进制造工艺技术概论,机械制造工艺流程图,制造加工精度 18世纪，其加工精度为1mm；19世纪末，0.05mm；20世纪初，m级过渡；20世纪50年代末，实现了m级的加工精度；目前达到10nm的精度水平。切削加工速度 20世纪前，碳素钢，耐热温度低于200C，10m/min；20世纪初，高速钢，500-600C，30-40m/min；20世纪30年代，硬质合金，800-1000C，数百米/min;目前陶瓷、金刚石、立方氮化硼，1000C以上，一千至数千米/min。,先进制造工艺的产生和发展,切削速度随刀具材料的变更而提高,新型工程材料的
4、应用类型：超硬材料、超塑材料、高分子材料、复合材料、工程陶瓷等对制造工艺贡献：改善刀具切削性能，改进加工设备；促进特种加工工艺发展。自动化和数字化工艺装备的发展 单机自动化 系统自动化 刚性自动化 柔性自动化 综合自动化,先进制造工艺的产生和发展,毛坯成形技术在向少、无余量发展 如：熔模精密铸造、精密锻造、精密冲裁、冷温挤压等新工艺。表面工程技术的形成和发展表面工程：通过表面涂覆、表面改性、表面加工、表面复合处理改变零件表面形态、化学成分和组织结构，以获取与基体材料不同性能的一项应用技术。如：电刷镀、化学镀、物理气相沉积、化学气象沉积、热喷涂、化学热处理、激光表面处理、离子注入等。,先进制造工
5、艺的产生和发展,先进制造工艺的特点,优质以先进制造工艺加工制造出的产品质量高、性能好、尺寸精确、表面光洁、组织致密、无缺陷杂质、使用性能好、使用寿命和可靠性高高效与传统制造工艺相比，先进制造工艺可极大地提高劳动生产率，大大降低了操作者的劳动强度和生产成本,低耗先进制造工艺可大大节省原材料消耗，降低能源的消耗，提高了对日益枯竭的自然资源的利用率洁净应用先进制造工艺可做到零排放或少排放，生产过程不污染环境，符合日益增长的环境保护要求,第二节 快速原型制造技术,快速成形制造技术的概念快速成形制造的基本过程快速成形制造的主要方法快速成形制造的主要特征快速成形制造技术的应用,主要内容：,传统制造工艺材料
6、去除法：车、铣、刨、磨等成型与拼合法：锻造、铸造、冲压、拉拔、焊接等,快速成形技术,快速成形技术,“快速成形”（Rapid Prototyping:RP）全新的制造理念增材加工法基于离散/堆积成形原理的一种先进制造技术；机械工程、CAD、数据处理技术、数控技术、激光技术、材料科学技术等先进技术的集成；20年来制造领域的重大突破，其对制造业的影响可与5060年代数控技术相比。,CAD/CAM 技术,RP 技术,激光技术,数控技术,新材料技术,快速成形技术,快速成形技术,基本原理,RP制造的基本过程,RPM技术的原理和特点,基于“材料逐层堆积”的制造理念，将复杂的三维加工分解为简单的材料二维添加的
7、组合。,在CAD模型的直接驱动下，快速制造任意复杂形状的三维实体。,快速成形技术,快速原型制造的基本过程,CAD建模,由CAD软件设计出所需零件的计算机三维曲面或实体模型,分层,将三维模型沿一定方向（通常为Z向）离散成一系列有序的二维层片（习惯称为分层）,层面信息处理,根据每层轮廓信息，进行工艺规划，选择加工参数，自动生成数控代码,三维CAD模型设计,在PC机或图形工作站上用三维软件pro/E solidworksUGCATIA 等设计零件的三维CAD模型。,CAD模型的近似处理,用STL文件格式进行数据转换，将三维实体表面用一系列相连的小三角形逼近，得到STL格式的三维近似模型文件。,典型的
8、STL文件,对STL文件切片处理,切片是将模型以片层的方式来描述，片层的厚度通常在50m500m之间；无论零件形状多么复杂，对每一层来说却是简单的平面矢量扫描组（如图），轮廓线代表了片层的边界。,切片处理,层面加工与粘接,成形机制造一系列层片并自动将它们联接起来，得到三维物理实体,层层堆积,后处理,清理零件表面，去除辅助支撑结构,1892年，JEBLanther在他的美国专利(#473901)中，曾建议用分层制造法构成地形图。这种方法的原理是，将地形图的轮廊线压印在一系列的蜡片上，然后按轮廓线切割蜡片，并将其粘结在一起，熨平表面，从而得到三维地形图。,RP技术的产生历程,1902年，Carlo
9、 Baese在他的美国专利(#774549)中，提出了用光敏聚合物制造塑料件的原理，这是现代第一种快速原型技术“立体平板印刷术”(Stereo Lithography)的初始设想。,1940年，Perera提出了在硬纸板上切割轮廓线，然后将这些纸板粘结成三维地形图的方法。,50年代之后，出现了几百个有关快速成型技术设想及专利。,RP技术的产生历程,1976年，Paul L Dimatteo 在他的美国专利(#3932923)中，进一步明确地提出先用轮廓跟踪器将三维物体转化成许多二维轮廓薄片，然后用激光切割这些薄片（下图），这些设想与现代另一种快速成型技术“层积实体制造(Laminated Ob
10、ject Manufacturing)的原理极为相似。,RP技术的产生历程,1986年，Charles W Hull在他的美国专利(#4575330)中，提出了一个利用激光照射液态光敏树脂，从而分层制作三维物体的快速成型机的方案。,1988年，美国3D system公司据此专利生产出了第一台现代快速成型机SLA250，开创了快速成型技术发展的新纪元。,RP技术的产生历程,在此后的10年内，涌现了10多种不同形式的快速原型技术和相应的快速原型设备，如薄形材料选择性切割（LOM）、丝状材料选择性熔融(FDM)和粉末材料选择性烧结(SLS)等，并且在工业、医疗及 其它领域得到了普遍的应用。,SLA-
11、250机型,RP技术的产生历程,总之，快速成型技术带来了制造方式的变革，采取分层叠加(离散堆积)的制造方式。,快速成形技术在我国的发展,快速成形技术在我国的发展,快速成形技术的分类,RP技术的具体工艺不下30余种，根据采用材料及对材料处理方式的区别，大致分为四大类：光敏树脂液相固化成形选择性激光粉末烧结成形薄片分层叠加成形熔丝堆积成形,1.光敏树脂液相固化成形,光敏树脂液相固化成形（Stereo Lithography Apparatus:SLA）又称立体光刻、固化立体造型研究最多、技术最成熟的快速成形技术1988年，美国3D systems公司推出商品化的第一台型快速原型成形机SLA-250
12、，SLA型成型机占据RP市场较大的份额。,1.光敏树脂液相固化成形,SLA基本原理图,基于液态光敏树脂的光聚合原理。液态材料在一定波长和强度的紫外光的照射下能迅速发生光聚合反应，分子量急剧增大，材料由液体转变成固态。,过程、原理,激光聚集到液态光固化材料（如光固化树脂）表面逐点扫描，令其有规律地固化（由点到线到面）,完成一个层面的建造,升降移动一个层片厚度的距离，重新覆盖一层液态材料,第二层就牢固地粘贴到第一层上，由此层层迭 加成为一个三维实体。,进行第二层扫描，再建造一个层面,后处理,剥离、固化（紫外烘30min以上）、修补、打磨抛光等,1.光敏树脂液相固化成形,特点精度高、表面质量好、原材
13、料利用率近100，能制造出形状特别复杂（空心）、特别精细（首饰、工艺品等）的零件。成形材料光固化树脂材料包括齐聚物、反应性稀释物和光引发剂根据光引发剂引发机理不同分为：自由基光固化树脂、阳离子光固化树脂、混杂型光固化树脂。,SLA成形设备,1.光敏树脂液相固化成形,SLA成形的应用直接制作树脂功能件，用于结构验证和功能测试；制作较复杂和精细的零件；制作原型用于快速翻制模具。,照相机激光树脂原型,鼠标外壳激光树脂原型,应用案例,西安交大 23h原型 2天硅橡胶模 3天内 3万元,传统（从设计思想到实物）,10件 30天 10万元,SLA方法是目前快速成形技术领域中研究得最多的方法，也是技术上最为
14、成熟的方法。,特点,SLA 工艺成形的零件精度较高，能达到0.1mm；产品透明美观，可直接做力学实验。,局限性：,需要支撑,树脂收缩导致精度下降,光固化树脂价格昂贵,有一定的毒性,产品不能溶解，不利于环保,2.选择性激光粉末烧结成形,选择性激光粉末烧结成形（Selected Laser Sintering）又称选区激光烧结。1989年美国德克萨斯大学奥斯汀分校C.R.Dechard研制成功，美国DTM公司商品化。,2.选择性激光粉末烧结成形,SLS工艺原理利用粉末材料（非金属粉：蜡、工程塑料、尼龙等和金属粉：铁，钴，铬以及它们的合金）在激光照射下烧结的原理，在计算机控制下层层堆积成形。,SLS
15、基本原理图,SLS工艺原理图,2.选择性激光烧结（SLS）,原理、过程,工作台上铺上一层粉末（可加粘结剂）,很好密实度和平整度,用激光器在上面扫描出零件截面,高强度的CO2激光器,有选择地将粉末熔化或粘接，形成一个层面,利用滚子铺粉压实,后置处理,去附粉、打磨等,激光粉末烧结成形原理,激光束烧结,铺粉,激光束扫描头,激光粉末烧结成形原理,去掉未烧结的粉,激光粉末烧结成形原理,渗入树脂或蜡,激光粉末烧结成形原理,打磨、后处理,SLS成形设备组成,2.选择性激光粉末烧结成形,SLS成形设备,采用进口激光器,采用国产激光器,2.选择性激光粉末烧结成形,特点粉床上未被烧结部分成为烧结部分的支撑结构，因
16、而无需考虑支撑系统。选材较为广泛，塑料、陶瓷、石蜡、金属粉末等都可以作为烧结对象。可以直接成形金属零件。精度不高。平均精度为0.150.2mm表面粗糙度不好，不宜做薄壁件。,2.选择性激光粉末烧结成形,成形材料较为成熟的SLS工艺材料,2.选择性激光粉末烧结成形,成形材料目前研究趋势金属和陶瓷：提高原型的强度聚碳酸脂：线膨胀系数小,粉末激光烧结技术的应用,精密铸造用蜡件,组装叶轮,精密铸造用蜡件,高分子粉末烧结塑料件,金属粉末烧结,3.薄片分层叠加成形,薄层分层叠加成形（Laminated Object Manufacturing）又称叠层实体制造。美国Helisys公司与1986年研制成功，
17、并推出商品化机器。,3.分层实体制造（LOM）,LOM原理图,采用激光或刀具对片材进行切割,原理、过程,首先切割出工艺边框和原型的边缘轮廓线,将不属于原型的材料切割成网格状（碎片）,片材表面涂覆上一层热熔胶,通过升降平台的移动和箔材的送给,热压辊辗压将后铺的箔材与先前的层片粘接在一起,层层迭加、剥除、后置处理（防潮、抛光、涂覆）,分层实体制造,每层材料切割后的情况,截面轮廓被切割和叠合后所成的制品如图所示。其中，所需的工件被废料小方格包围，剔除这些小方格之后，便可得到三维工件。,截面轮廓被切割和叠合后所成的制件,LOM快速成型机,LOM产品,工艺特点,工艺简单，成型速度快，易于制造大型零件,片
18、材上切割截面轮廓，而不用扫描整个截面,零件的精度较高，激光切0.1mm，刀具切0.15mm,不存在材料相变，不易引起翘曲变形,材料广泛，成本低，用纸制原料还有利于环保,优点,缺点材料有浪费。制作完成的原型件表面粗糙，需经过后续加工。原型件易吸收外在水气，必须立即进行上漆等后处理。由于剥离废料问题，很难制作出尺寸微细之原型件。力学性能差，只适合做外形检查。不能直接做塑料工件,应用案例,北京殷化激光快速成型及模具公司,4.熔丝堆积成形,熔丝堆积成形（Fused Deposition Modeling）又称熔融沉积成形。美国学者Dr.Scott Crump于1988年研制成功，美国Helisys 公
19、司推出商品化机器。,原理、过程,FDM基本原理图,将热熔性材料通过喷头加热器熔化,（ABS、尼龙或蜡等）,喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动,同时将熔化的材料挤出,材料凝固冷却，与周围的材料凝结形成一个层面,后置处理,4.熔丝堆积成形(FDM),熔丝堆积成形FDM,FDM 产生的横截面,FDM的走丝不能交叉,否则会在层面上形成高点,工艺特点不用激光，使用、维护简单，成本较低，非常适合用于概念设计的，对原型精度和物理化学特性要求不高的三维打印机。与其他使用粉末和液态材料的工艺相比，丝材更加清洁，易于更换、保存，不会在设备中或附近形成粉末或液体污染。在塑料零件领域，FDM工艺是一种非常适宜的快速制造
20、方式，强度已经接近或超过普通注塑零件。需要支撑。,4.熔丝堆积成形,成形材料常用ABS工程塑料，对其要求是熔融温度低（提高机器寿命、减少热应力）；粘度低（有助于材料顺利挤出）；粘结性好、收缩率小等。支持材料与成形材料亲和性不能太好，使其容易剥除。,用蜡成形的零件原型，可以直接用于失蜡铸造,4.熔丝堆积成形,FDM成形设备,4.熔丝堆积成形,FDM加工的原型件,三维打印机原理（3DP）(Three dimensional printing),原理、过程,3DP基本原理图,3DP工艺与SLS工艺类似，采用粉末材料成形，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，而是通过喷头用粘
21、接剂(如硅胶)将零件的截面“印刷”在材料粉末上面。用粘接剂粘接的零件强度较低，还须后处理。先烧掉粘接剂，然后在高温下渗入金属，使零件致密化,提高强度,三维打印工艺原理,几种RP工艺比较,RPM技术的发展现状,快速成形技术的应用,快速成型技术的主要应用各行业的应用状况如下:汽车、摩托车:外形及内饰件的设计、改型、装配试验，发动机、汽缸头试制。家电:各种家电产品的外形与结构设计，装配试验与功能验证，市场宣传，模具制造。通讯产品:产品外形与结构设计，装配试验，功能验证，模具制造。航空、航天:特殊零件的直接制造，叶轮、涡轮、叶片的试制，发动机的试制、装配试验。,轻工业:各种产品的设计、验证、装配，市场
22、宣传，玩具、鞋类模具的快速制造。医疗:医疗器械的设计、试产、试用，CT扫描信息的实物化，手术模拟，人体骨关节的配制。国防:各种武器零部件的设计、装配、试制，特殊零件的直接制作，遥感信息的模型制作。,利用加工的样品，找出新产品外观、结构设计缺陷，完善设计。,利用加工出的样品可以进行装配和功能验证。,利用新产品样件可先进行市场调研，投标、招标。,产品功能试验,(1)汽车、摩托车行业：外形及内饰件的设计、改型、装配试验，发动机、汽缸头试制。,发动机蜡模,汽车车灯支架,摩托车覆盖件,汽车进气管,（2）家用电器：各种家电产品的外形与结构设计，装配试验与功能验证，市场宣传，模具制造。,吸尘器,（3）通讯产
23、品：产品外形与结构设计，装配试验，功能验证，模具制造。,票据打印机,可视电话,（4）航空、航天：特殊零件的直接制造，叶轮、涡轮、叶片的试 制，发动机的试制、装配试验。,航空涡轮,发动机泵壳,燃气机S段,叶轮,(5)轻工业：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。,吹风机,小玲珑,(6)国防：各种武器零部件的设计、装配、试制，特殊零件的直接制作，遥 感信息的模型制作。,歼击机控制手柄,水坦波轮,(7)精密铸造行业的应用,进气管蜡模,飞机泵壳盖,软组织（如肾）,进行手术模拟人体骨关节的配制颅骨修复,CT扫描信息,熔融沉积快速成形制造人体骨骼模型（如颅骨、牙齿）,(8)医疗
24、：医疗器械的设计、试产、试用，CT扫描 信息的实物化,快速成型应用案例,案例1：设计验证 用于新产品外观设计验证和结构设计验证，发现设计缺陷，完善产品设计。图是某汽车车灯生产厂家新型车灯制作的样件，包括外罩、车灯架等共4件。采用AFS成型技术并结合CNC加工，仅用5天就完成了全部制作。制作出的样品不仅形状和尺寸与最终产品完全相同，而且还有较好的机械强度。设计人员将样件装在车体上，其效果看起来与真实产品几乎一样。这样可以与用户进行直接交流和反复比较，对产品的外观还可修改，达到了更理想状态。这一验证过程，使设计更趋完美，更好地满足了用户的要求。,制作样品实件，进行装配实验。图是加工的吸尘器外壳。用
25、户不仅要进行外观评价，而且要将内部部件装入样件中，进行装配实验和结构评估。如果选择传统加工方法，分块，手工粘结，预计制作吸尘器样品需2个月，费用为5万元。用快速成型技术，仅用7天就将该产品一套共十九件交给委托方。用户在装配实验中发现了几处装配干涉和结构不合理处。,案例2：装配验证,图为某摩托车厂制作的250型双缸摩托车汽缸头。这是一款新设计的发动机，用户需要10件样品进行发动机的模拟实验。该零件具有复杂的内部结构，传统机加工无法加工，只能采用铸造成型。整个过程需经过开模、制芯、组模、浇铸、喷砂和机加等工序，与实际生产过程相同。其中仅开模一项就需三个月时间。这对于小批量的样品制作无论在时间上还是
26、成本上都是难以接受的。采用选区激光烧结技术，以精铸熔模材料为成型材料，在AFS成型机上仅用5天即加工出该零件的10件铸造熔模，再经熔模铸造工艺，10天后得到了铸造毛坯。经过必要的机加工，30天即完成了此款发动机的试制。,案例3：功能验证,快速成型与铸造工艺的结合称为快速铸造工艺。利用快速成型技术直接制作蜡模，快速铸造过程无须开模具，因而大大节省了制造周期和费用。图是为某汽车厂采用快速铸造方法生产的四缸发动机的蜡模及铸件，按传统金属铸件方法制造，模具制造周期约需半年，费用几十万。用快速铸造方法，快速成型铸造熔模3天，铸造10天，使整个试制任务比原计划提前了5个月。,案例4：快速铸造,发动机缸体蜡
27、模,铸造出的发动机缸体,图为某航空产品生产厂家，要生产几十件某战斗机型的控制手柄，该手柄为铝合金中空多孔结构，且外型为多曲面不规则形状，若开模生产，其成本相当可观。利用快速成型设备，迅速拿到样件，经测评合格后，用快速成型机进行小批量生产，即减少了投资，又赢得了时间。,案例5：小批量无模生产,图是采用快速铸造方法生产的燃气发动机S段，零件直径800mm，高410mm，按传统金属铸件方法制造，模具制造周期约需半年，费用几十万。用快速铸造方法，快速成型铸造熔模7天（分6段组合），拼装、组合、铸造10天，费用每件不超过2万（共6件）。,案例6：解决疑难问题,利用快速成型机先制作出产品样件再结合真空注型
28、机翻制硅胶模具，可进行小批量塑料零件的生产。这种模具寿命可达40-50件左右。完全可以满足快速小批量生产的要求。图为给一冰箱厂制作的冰箱内的内饰件。快速成型制作母模仅用3小时，用真空注型机翻制硅胶模用1天，再向模具内浇注树脂材料，三天可快速得到10件塑料件。整个过程仅5天，就完成了新产品的小批量生产。,案例7：快速模具,快速模具制造,南方某内饰件公司接到某汽车生产厂商开发内饰件（全套19件）的设计和生产，完成这些内饰件的生产任务很急，其设计定型阶段的手板制作必须在15天内完成。接到此订单后，对其欲制作的内饰件进行了合理的加工组合，充分发挥快速成型机速度快，加工不受复杂程度限制的特点，对异形复杂
29、件用激光快速成型机加工制作，而较大型简单型件则以CNC进行加工。这样，快速成型机和CNC互相补充、配合加工，提高了生产的效率，又保证了质量，按规定的时间圆满地完成了手板制作。,案例8：手板制作（快速样件）,变速箱,摩托车发动机,鞋底,照相机,各种产品和零件,车灯,核磁共振仪零件,典型快速成型零件图片,RP技术的现存问题,成形精度问题数据格式转换、环境和时间相关的制件尺寸变化等因素都会引起误差成形过程自身伴随着材料的相变和温度变化，是一个复杂的热力学过程，其尺寸控制远比机械加工困难，所以目前RP技术所能达到的最佳尺寸精度大概在0.1mm左右。而且成形速度与成形精度之间还存在矛盾，为提高成形精度而
30、减少切片层厚会降低成形效率。,RP技术的现存问题,材料范围有限目前比较成熟的RP工艺所处理的材料大概只限于树脂、蜡、某些工程塑料和纸等几种，而这些材料制成的零件，即使经过后处理也大多不能作为真正的机械零件使用。以金属材料作为RP的处理对象来直接生产金属零件和模具的工艺尚不十分成熟，如何提高直接金属成形件的尺寸精度、表面质量和机械性能并降低成本，尚有许多工作要做。,RP技术的现存问题,设备投资大、材料费用高RP工艺的研发成本高，这种研发成本必定转移到相应的工艺装备上去，加之RP设备属小批生产，因而其价格居高不下，即使是相对便宜的概念型RP设备，其价格也不太低（五、六万美元）。此外，RP工艺对材料有特殊要求，其专用成形材料价格相对偏高。设备和材料的价格也影响了RP技术的普及应用。,掌握先进制造工艺的概念；掌握快速原型制造的概念；掌握快速原型制造几种方法的基本原理和工艺过程；掌握快速原型制造技术的应用。,小结,
