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1、Y机械制造技术,1,第5章 现代制造技术及其发展,崔明铎 主编,Y机械制造技术,2,教学基本要求,1.了解数控机床的基本组成与工作原理、数控机床的分类及主要性能指标。2.熟悉数控机床加工的工艺过程、特点、应用范围及数控机床编程内容和方法。3.掌握快速成形的方法、分类与特点；熟悉快速成形的应用及其发展趋势。4.熟知电火花、电解、超声波、激光等现代加工的基本原理和应用范围。,Y机械制造技术,3,1 数控加工技术,数控机床是在传统机床技术基础上,利用数字控制等自动控制技术和微电子技术发展起来机电一体化的机床。一、数控机床的特点与应用 1.加工精度高,质量稳定。2.适应性强,柔性好。3.准备周期短,效
2、率高.,Y机械制造技术,4,4.具有良好的经济效益 5.劳动强度低,自动化程度高 二、数控机床的分类 1.按工艺用途分类 普通数控机床 数控铣、车、钻、磨床等。加工中心 是带有刀库和自动换刀装置的数控机床。2.按运动方式分类(1)点位控制系统,Y机械制造技术,5,(2)点位直线控制系统(3)轮廓控制系统 三、数控编程简述 1.程序编制的概念及分类 程序编制指从分析零件图纸到获得数控机床所需控制介质的全过程。程序编制方法：手工编程和自动编程。按输入的编程信息及处理方式不同,分：数控语言编程系统,Y机械制造技术,6,编程人员根据零件图样的要求,使用数控语言,编写零件加工的源程序。最具代表性的数控语
3、言是美国的APT语言,此外还有德国的EXAPT语言和日本的FAPT语言。我国也准备以此为基础上制定国家标准(GB)。图形交互式自动编程 以加工零件的CAD模型为基础的集加工工艺过程及编程为一体的图形交互式自动编程方法。,Y机械制造技术,7,与APT语言编程相比具有直观形象、编程速度快、效率高、准确性好等优点。2.图形交互式自动编程的基本步骤 图样分析；(2)辅助准备；(3)工艺处理；(4)数学处理；(5)填写加工程序单；(6)制备控制介质；(7)程序校验 四、数控程序结构和指令【为方便接受讲解,以下内容上机时讨论】,Y机械制造技术,8,2现代制造技术,现代加工不仅用机械能而更多的应用电能、化学
4、能、声能、光能、磁能等进行加工。与传统的切屑加工相比,其特点是切除材料的能量不主要靠机械能,主要为其他形式能量；“以柔克刚”;工具与工件间无显著机械切削力;加工能量易于控制、转换,可复合成新的工艺技术,适应加工范围广。,Y机械制造技术,9,一、电火花加工 电火花加工,加工时,脉冲电源的两极分别接工具电极、工件电极。极间电压将绝缘液体介质击穿,通道截面很小,放电时间极短,能量高度集中,放电产生瞬间高温使材料熔化至汽化,形成一个小凹坑,Y机械制造技术,10,周而复始地循环,工具电极不断地向工件进给,其形状就复制在工件上,形成所需要加工表面。,电火花加工可加工任何硬、脆、软、韧和高熔点的导电材料。“
5、切削力”、热效应影响极小;易于自动控制。,电火花可成形穿孔、磨削、线电极加工、展成加工、非金属电火花加工和表面强化等,Y机械制造技术,11,二、电解加工 电解加工零件时,工件接直流电源的正极(阳极),按形状要求制成的工具接负极(阴极)具有一定压力的电解液从两极间隙中高速流过。阳极工件上与工具阴极的对应部位迅速溶解,并被高速的电解液冲走。同时工具阴极以一定速度向工件进给,达到预定的加工深度时,就获得所需要的加工形状.,Y机械制造技术,12,电解加工加工范围广,不受材料本身硬度、强度的限制,可以加工淬硬钢材、硬质合金、不锈钢、耐热合金等高硬、高强度及韧性导电材料。,在加工炮膛膛线、花键孔、深孔、内
6、齿轮、链轮、叶片、异形零件及模具等获广泛应用。无机械切削力和切削热的作用。加工后工件精细。,Y机械制造技术,13,三、超声波加工 以超声振动为动力,工具端面迫使工作液中悬浮磨粒以很大的速度撞击和研磨工件,把加工区域内的材料破碎成细微粒并打击下来,实现加工。,Y机械制造技术,14,超声波能加工硬质合金、淬火的钢材等导电材料,更适合于加工玻璃、陶瓷、半导体锗、硅片等非金属脆硬材料,也可清洗、焊接、探伤、测量、冶金等其他方面。四、激光加工,将激光高度集中起来,聚焦成极小的光斑,获得功率密度极高,能提供足够的热量熔化,Y机械制造技术,15,或汽化材料,可非接触加工,适合材料的微细加工 当激光器中工作物
7、质钇铝石榴石受到光泵的激发后,辐射跃迁,造成光放大,通过谐振腔内的反射镜的反馈作用产生振荡,再通过透镜聚焦形成高能光束,照射在工件表面上,可进行加工。激光可加工以往认为难加工任何材料,非接触式加工,不会污染材料,加工速度快、热影响区小,变形也小,易于实现控制。激光加工有:打精细微孔,切割,焊接,热处理,Y机械制造技术,16,形成自淬火。目前已有:表面相变硬化、表面合金化、表面非晶态化、激光“上亮”和表面冲击硬化等。存储、激光还在划线、调动平衡、微调等多方面有新用途。五、电子束加工 在精密微细加工方面,电子束和离子束是近年来发展很快的两种现代加工技术。真空里电子枪旁热阴极发射电子在高电压作,Y机
8、械制造技术,17,用下被加速到很高的速度,然后通过电子透镜聚焦形成高能量密度的电子束。,当电子束冲击到工件时,在极短的时间内使受冲击部位的温度升高到几千摄氏度以上,使材料瞬间熔化或汽化,从而达到去除材料的目的。电子高速动能转换热能,Y机械制造技术,18,电子束加工的特点 加工材料的范围广泛 且与材料的强度无关，对脆性、韧性、导体、非导体及半导体材料都可加工。加工速度快,效率非常高。精密微细的加工 能加工微孔、窄缝、半导体集成电路等.瞬时加热变形少 真空加工氧化少,Y机械制造技术,19,可控制性能好 电子束加工设备价格高,有局限性,除特定需要,一般为激光加工所代替。在应用上：高速打孔 孔径小至0
9、.02mm。喷气发动机上的冷却孔等孔径微小,孔数多达百万个,适合采用电子束打孔。加工形孔、弯孔和曲面 如：为使人造纤维透气性好,更具松软和弹性,人造纤维的喷丝头形孔常设计成各种异形截面。,Y机械制造技术,20,六、离子束加工 在真空条件下,将离子源产生的离子束经过加速聚焦,使之打到工件表面。带正电荷的离子,其质量非常大,加速到较高速度时,产生的强大撞击动能可以实现加工。离子束加工可控性好,可将材料的原子一层层地铣削下来,使工件加工的精度、表面粗糙度的控制近乎极限。一台设备,既可用加工,又可用于蚀刻、熔化、,Y机械制造技术,21,热处理、焊接等。七、电铸加工 电铸材料为阳极,可导电的原模样作阴极
10、,用电铸材料的金属盐溶液作电铸镀液,在直流电源的作用下,阳极上的金属原子以金属离子进入镀液,在阴极上获得电子成为金属原子而沉积镀覆在阴极原模表面,阳极金属源源不断成为金属离子补充溶解进入电铸镀液,保持浓度基本不变;,Y机械制造技术,22,阴极原模上电铸层逐渐加厚,当达到预定厚度时即可取出,设法与原模样分离,可获得与原模样面凹凸相反的电铸件。电铸加工特点与应用 能准确、精密地复制复杂形面和细微纹路 如唱片模、工艺品模、纸币、邮票等印刷板。可获得高纯度的金属制品 能获尺寸精度高、表面粗糙度低于光滑的复制品,Y机械制造技术,23,制造复杂、高精度的空心零件和薄壁零件如波导管等。制造表面粗糙度标准样块
11、 如：反光镜、表盘、异形孔喷嘴等特殊零件。电铸加工生产周期长,凸尖、凹洼处铸层不够均匀、原模样上有伤疵也会“如实”拷贝。,Y机械制造技术,24,3 快速成形技术,快速成形技术,也称快速原形技术,与通常的零件的切削成形有较大的差异,传统的零件切削是 将坯体化大为小而获得零件形状的,或者说是通过材料减法完成的。则快速成形法是将坯体分解为薄片,后堆积,是像应用“一砖一瓦建造大厦”一样以积小为大的过程,形象的说是加法完成的,又称堆积成形。,Y机械制造技术,25,一、快速成形的特点 1.可造形状复杂件 不用模具,制造出形状结构、内腔复杂的零件,模具型腔件等,如汽轮机叶轮,手机机壳、医用骨骼与牙齿等。2技
12、术复杂程度高 3.制形快造物敏捷 从计算机设计三维立体图形,到制出实体零件,只需几个小时或几十个小时。,Y机械制造技术,26,4.远程设计异地造 快速成形技术可容易地实现远程制造。5.环保低碳废料少 6.成本降低效果显 对工件几何构成复杂性不敏感,对形状很复杂的零件,均可充分体现设计细节,且尺寸和形状精度大为提高,不需要进一步加工。制作过程不需要工装夹具、刀具、模具的投入,效率高,易于自动控制,成本很低。,Y机械制造技术,27,二、熔熔沉积快速成形 熔融沉积快速成形技术,又称熔融堆积成形、熔融挤出成形,英文缩写FDM。成形材料有ABS塑料、石蜡、低熔点金属、橡胶、聚酯等热塑性塑料的线材。制造熔
13、模铸造的蜡型、制造供新产品观感评价和性能测试的样件、结构分析和装配校合的样件,以及以往需要用模具生产的单件或小批量制件。,Y机械制造技术,28,1.工艺成形基本原理 成形时,丝状成形材料和支撑材料由供丝机构送至各自对应的微细喷头,并被加热至熔融状态或半熔融状态。喷头在计算机的控制下,按照分层数据控制的零件截面轮廓和填充轨迹作X-Y平面运动；在恒定压力作用下,将熔材以较低的速度连续地挤喷出并控制其流量。材料被选择性的沉积在层面指定位置迅速凝,Y机械制造技术,29,固,形成截面轮廓,并与周围的材料凝结。一层堆积成形完成后,成形平台下降一层片的厚度(多为0.250.75mm),再施下一层的沉积;各层
14、叠加,最终形成三维产品。根据成形零件时材料形态,可分为熔融喷射和熔融挤压两种成形方式,FDM属于熔融挤压工艺。在FDM中,其成形件的每个层片是由丝状材料受控聚集形成的.2.工艺特点,Y机械制造技术,30,(1)成形材料很广泛 低熔点的蜡或塑料熔融时与高熔点的金属粉末、陶瓷粉末、玻璃纤维、碳纤维等混合成多相成形材料。并且可选用各种色彩的工程材料。(2)设备简单成本低 FDM靠材料熔融实现连接成形,用液化器代替了激光器,简化了设备,制作费用大大降低。(3)应用环境无限制 使用无毒原材料,对环境无污染,适宜安装于,Y机械制造技术,31,办公桌上使用,很方便。(4)易造形状复杂件;(5)制件稳定变形小
15、;(6)耗材节省寿命长;(7)支撑结构造除易。采用水溶性支撑材料,快速构建支撑结构,简单易行,去除快捷,无需化学清洗。当然,FDM也存在问题,如只适合成形中、小塑料件,成形速度较慢,且原材料价格昂贵等。,Y机械制造技术,32,三、光敏树脂液相固化快速成形 光敏树脂液相固化成形(SLA),又称光固化立体造形、立体印刷、光造形。SLA是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的.这种液态材料在一定波长和功率的紫外激光的照射下能迅速发生光聚合反应,分子量急剧增大,材料也就从液态转变成固态。1.工艺原理 在储液槽中盛满液态光敏树脂,激光经过聚焦,Y机械制造技术,33,聚焦后形成激光束,在液体表面上扫描,光点扫
16、描到的地方,液体就固化。,成形开始时,工作平台在液面下确定的深度,液面始终处于激光的焦点平面内,聚焦后的光斑在液面上按计算机的指令逐点扫描即逐点固化。扫描完一层,未被照射的地方仍是液态树脂。,Y机械制造技术,34,然后升降台带动平台下降一层高度(约0.1mm),已成形的层面上又布满一层液态树脂,刮平器将黏度较大的树脂液面刮平;然后再对下一层的扫描,新固化的一层牢固地黏在前一层上,如此重复,至整个实体零件制造完 2.工艺特点 尺寸精度高 SLA原型的尺寸精度可以达到0.1mm。表面质量好,Y机械制造技术,35,上表面可得到玻璃状的效果。制作复制件 可以制作结构十分复杂的模型。铸件消失型 可以直接
17、制作面向熔模精密铸造的具有中空结构的消失型。SLA缺点有:尺寸稳定性差,设备及维护成本高 3.应用领域 制作比较精细和复杂的零件,可快速翻制各种,Y机械制造技术,36,模具,如硅橡胶模、金属冷喷模、陶瓷模等。四、分层实体制造(LOM)LOM又称叠层实体制造 LOM法采用纸、金属箔等薄片材料,由计算机控制激光束,按模型每层内外轮廓线切割薄片材料,获该层平面形状,并逐层堆放成零件原型。分层实体制造的特点 成形速度快 只需使激光束沿着物体的轮廓进行切割,无需,Y机械制造技术,37,扫描整个断面,所以成形速度很快。尺寸精度高 原型精度高,翘曲变形较小。硬而耐高温 原型能承受200,高的硬度和好的力学性
18、能。不必设支撑 需设计和制作支撑结构。能切削细化 能切削,使零件尺寸进一步精细化。,Y机械制造技术,38,废料易剥离 制件尺寸大 制作成本低 需要注意的缺点有：不能直接制作塑料原型；原型(尤其薄壁件)抗拉强度和弹性不够好；原型易吸湿膨胀；表面易生台阶纹理等。五、选择性激光烧结快速成形(SLS),Y机械制造技术,39,SLS,又称选区激光烧结、粉末材料选择性激光烧结等,与其它RP工艺相比,SLS最突出的优点在于它所使用的成型材料十分广泛.1.选择性激光烧结的基本原理 SLS的工艺原理是应用粉末材料在激光照射下烧结的原理.在计算机控制下层层堆积成形。成形装置由粉末缸和成形缸组成,工作时供粉活塞上升
19、,由铺粉辊筒将粉末在成形活塞上铺上,Y机械制造技术,40,均匀的一层,计算机按照原型的切片模型控制激光束的二维扫描轨迹,有选择地烧结固体粉末材料以形成零件的一个层面。粉末完成一层后,成形活塞下降一个层厚,铺粉系统铺上新粉,控制激光束再扫描烧结新层。如此往复循环,逐层叠加,至所需零件成形。最后,将未烧结的粉末回收,并取出原型。2.选择性激光烧结的特点 材料应用广泛 可以采用多种材料,Y机械制造技术,41,工艺简制件优 过程与零件复杂程度无关.材料利用率高 未烧结的粉末可重复使用。无需支撑结构 简化制造过程,高效低碳。模具硬度较高 能生产出较硬的模具。SLS的缺点有：原型结构疏松、多孔,有内应力,
20、制件易变形;陶瓷、金属件后处理较难,需要预热和冷却,表面粗糙多孔,成形过程有毒气体粉尘,污染环境.六、三维打印(3DP),Y机械制造技术,42,3DP,也称三维印刷或喷涂粘结.与选择性激光烧结类似,采用陶瓷粉末、金属粉末等成形。但材料粉末是用粘接剂将零件的截面印刷“在材料粉末”上面并粘结成形。它以喷头作成形源,工作类似打印头,喷头除做X-Y平面运动外,工作台还做Z方向的垂直运动,并且喷头喷出的材料不是油墨,而是粘结剂。三维打印的特点 成形快材料便宜,Y机械制造技术,43,彩色原型是亮点 适宜内腔复杂件 缺点有：强度较低,只能做概念型模型。七、快速成形的发展趋势【详见P158-161课后自阅读】
21、,Y机械制造技术,44,思考与练习题,1.数控机床的主要特点是什么?2.数控机床是通过什么方法来代替人工操作机床完成零件加工的?3.什么是准备功能指令和辅助功能指令?它们的作用是什么?6.何谓模态指令?它和非模态指令有何区别?试举例说明。7.MOO、M02、M30的区别是什么?,Y机械制造技术,45,8.现代现代制造技术,又叫特种加工工艺,请问“现代”在何处？“特”在何处？9.如遇有一工件用传统工艺能加工，也可使用现代现代制造技术去完成，请问你如何抉择？10.快速成形技术与传统加工方法相比有何不同?11.叙述熔融沉积成形、选择性激光烧结、分层实体制造及三维印刷成形的工艺方法及应用。12.能否将你平时关于加工方面的一些“奇异”之想和同学们交流一下？13.你想过没有：可否将传统加工工艺与现代现代制造技术结合起来？如果有，能向你的老师、同学叙述一下吗？也许它是一项伟大发明的萌芽！,
