先进制造技术第三章课件
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先进制造技术课件第3章课件
第三章 先进制造工艺技术
粉末冶金的定义: 将各种金属和非金属粉料均匀混合后压制成 形，再经高温烧结和必要的后续处理来制取金属 材料及其制品的成形工艺方法。
第三章 先进制造工艺技术
3.2.4 高分子材料注射成形
注射成形工艺过程 粉状塑料注入 冷却成形 注入模腔 螺杆推进 喷嘴喷出 送进加热区 通过分流梭
第三章 先进制造工艺技术
（2）变形工艺 变形工艺主要包括使工件的原 始几何形状从一种状态改变为另一种状态，如锻造、 冲压、轧制、挤压、拉拔等。锻造是让加热到一定 温度的金属在冲击力或压力作用下产生较大塑性变 形，形成所需要的工件形状；冲压则是利用模具使 材料在压力作用下产生变形或分离。变形工艺适用 于铁碳合金、不锈钢、耐热钢、轻有色金属、重有 色金属等。锻造常用于一些重要毛坯（轴、齿轮等） 的生产，冲压制品在汽车、家用电器等行业有广泛 用途。
第三章 先进制造工艺技术
3.1.1 机械制造工艺定义与内涵
机械制造工艺定义
改变形状,尺寸,性能,位置
原材料 机床、工具
成品 半成品
机械制造工艺技术是指将原材料转化成具有一定几何 形状、一定材料性能和精度要求的可用零件的一切过 程和方法的总称 机械制造工艺三阶段： ①零件毛坯的成形准备阶段 ②机械切削加工阶段 ③表面改性处理阶段
第三章 先进制造工艺技术
（6）特种加工工艺 特种加工是利用化学、电 化学、物理（声、光、热、磁）等方法对材料进行 加工,特种加工工艺主要用于各种高硬难熔及具有 特殊物理机械性能的材料和精密细小、形状复杂、 难以用传统切削加工工艺加工的零件。与机械加工 方法相比，它具有一系列特点，能解决大量普通机 械加工方法难以解决甚至不能解决的问题。因而， 自其产生以来得到迅速发展，不断充实与扩展机械 制造工艺，促进工艺水平的提高。随着新材料的大 量涌现，特种加工工艺也在不断发展。
先进制造技术教学课件PPT先进制造工艺技术.ppt
19子线分析
手段：优化加工方法；开发和研制新型刀具材料；研
制超精密机床；对加工精度进行监控。
2020/7/2
7
21世纪的超精密加工将向分子级、原子级精度推进
2020/7/2
8
（2）切削加工速度迅速提高
刀具材料发展。
2020/7/2
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20世纪前，碳素钢，耐热温度低于200ºC，切削速度不超 过10m/min；
、电火花、激光切割；
• 堆积成形 将材料有序地合并 堆积成形，如快速原形制造、焊 接等。
2020/7/2
6
二、先进制造工艺的产生和发展
先进制造工艺是在传统的机械制造工艺基础上发展来的， 优化后的工艺和新型加工方法。是核心和基础。
（1）制造加工精度不断提高
18世纪，其加工精度为1mm； 19世纪末，0.05mm； 20世纪初，μm级过渡； 20世纪50年代末，实现了μm级的加工精度； 目前达到10nm的精度水平。
1900
2020/7/2
普通加工
加工设备 车床,铣床
精密车床 磨床
测量仪器 卡尺
百分尺 比较仪
精密加工
坐标镗床 坐标磨床
气动测微仪 光学比较仪
金刚石车床 光学磁尺
精密磨床
电子比较仪
超精密加工
超精密磨床 激光测长仪 精密研磨机 圆度仪轮廓仪
超高精密磨床 激光高精度 超精密研磨机 测长仪
1920 1940
代 码
名称
0
1
2
3
4
5
6
7 89
中类名称
0 铸造
砂型铸造 特种铸造
1 压力加工
锻造
轧制
冲压 挤压 旋压 拉拔
先进制造技术课件(PPT 28页)
第一章先进制造技术概述
2、先进制造技术的特点 （2）. 先进制造技术是面向新世纪的技术系统，它的目的很 明确，即提高制造业的综合效益（包括经济效益、社会效益 和环境生态效益），赢得激烈的国际市场竞争。 （3）.先进制造技术并不抛弃传统技术，而是不断用科技新 手段去研究它，并运用科技新成果去改造它，充实它。特别 是利用先进技术研究传统工艺的成形原理，建立数学模型， 并利用优化设计技术进行传统工艺方法的优化。
第一章先进制造技术概述
2、先进制造技术的特点 （7）.先进制造技术不是一项具体技术，它是利用系统工程 技术将各种相关技术集成的一个有机整体。 （8）. 先进制造技术特别强调环境保护，既要求其产品是所 谓的“绿色商品”，又要求产品的生产过程是环保型的。
第一章先进制造技术概述
3. 先进制造技术特点的具体体现 （1）.高效率 在提高生产效率方面，提高自动化程度是各国致力发展的方 向。近些年来，计算机数控（CNC）、计算机辅助设计与制 造（CAD∕CAM）、柔性制造系统（FMS）和计算机集成 制造系统（CIMS）发展非常迅速。各种新理论层出不穷， 如敏捷制造、快速原型制造、并行工程、及时生产、虚拟制 造，集成相关信息和资源，其本质均是实现高效率、自动化 生产的思想。就应用于实践的CNC、FMC、FMS来看，已 有力地显示出其有柔性化、自动化、资源共享和高效率的强 大生命力。
第一章先进制造技术概述
（2） 、高精度
在提高精度方面，从精密加工发展到超精密加工，这是世界 各主要工业发达国家致力发展的方向。例如，超大规模集成电 路、导弹火控系统、惯导陀螺、精密仪器、精密雷达、精机 床等都需要采用超精密加工技术。众所周知，在飞机、潜艇等 军事设施中使用的精密陀螺、复印机的磁鼓、大型天文望远镜 以及大规模集成电路的硅片等高新技术产品都需要超精密加工 技术的支持。精密加工是指加工精度在0.1-1µm之间，表面粗 糙度Ra在0.1µm以下的加工方法；而加工精度控制在0.1µm 以下，表面粗糙度Ra在0.02µm以下的加工方法则称为超精密 加工。
先进制造技术3
先进制造技术3
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第3章 先进制造工艺
本章要点
超精密加工技术 高速加工关键技术 特种加工技术的特点 几种快速原型制造技术 绿色加工技术及其应用
2
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第3章 先进制造工艺 Advanced Manufacturing
Process
3.1 概述 Introduction
3
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L4 （100）
L2
L3
（111）
（110）
a）4 次对称轴 和（100）晶面
b）2 次对称轴 和（110）晶面
c）3 次对称轴 和（111）晶面
图7-20 八面体的晶轴和镜晶面
17
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3.2.2 金刚石超精密加工技术
➢ 金刚石晶体的面网距和解理现象
◎金刚石晶体的（111）晶面面网密度最大，耐磨性最好。
➢ 间接式进化加工：借助于直接式“进化”加工原则， 生产出第二代工作母机，再用此工作母机加工工件。适 用于批量生产。
◆ 微量切削机理 背吃刀量小于晶粒大小，切削在晶粒内进行，与传统切
削机理完全不同。
◆ 特种加工与复合加工方法应用越来越多
传统切削与磨削方法存在加工精度极限，超越极限需采
用新的方法。
11
6
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第3章 先进制造工艺 Advanced Manufacturing
Process
3.2 超精密加工技术 Super-precision Machining
Technology
7
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3.2.1 概述
超精密加工技术的概念
◆超精密加工技术是指被加工零件的尺寸精度高于0.1μm， 表面粗糙度Ra在0.1~0.025μm之间，以及所用机床定位精 度的分辨率和重复性高于0.01μm的加工技术，亦称之为 亚微米级加工技术，且正在向纳米级加工技术发展。目前， 超精密加工从单一的金刚石车削，到现代的超精密磨削、 研磨、抛光等多种方法的综合运用，已成为现代制造技术 中的一个重要组成部分。超精密加工技术主要包括:超精 密加工的机理，超精密加工的设备制造技术，超精密加工 工具及刃磨技术，超精密测量技术和误差补偿技术，超精 密加工工作环境等。
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第3章 先进制造工艺
本章要点
超精密加工技术 高速加工关键技术 特种加工技术的特点 几种快速原型制造技术 绿色加工技术及其应用
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第3章 先进制造工艺 Advanced Manufacturing
Process
3.1 概述 Introduction
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L4 （100）
L2
L3
（111）
（110）
a）4 次对称轴 和（100）晶面
b）2 次对称轴 和（110）晶面
c）3 次对称轴 和（111）晶面
图7-20 八面体的晶轴和镜晶面
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3.2.2 金刚石超精密加工技术
➢ 金刚石晶体的面网距和解理现象
◎金刚石晶体的（111）晶面面网密度最大，耐磨性最好。
➢ 间接式进化加工：借助于直接式“进化”加工原则， 生产出第二代工作母机，再用此工作母机加工工件。适 用于批量生产。
◆ 微量切削机理 背吃刀量小于晶粒大小，切削在晶粒内进行，与传统切
削机理完全不同。
◆ 特种加工与复合加工方法应用越来越多
传统切削与磨削方法存在加工精度极限，超越极限需采
用新的方法。
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第3章 先进制造工艺 Advanced Manufacturing
Process
3.2 超精密加工技术 Super-precision Machining
Technology
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3.2.1 概述
超精密加工技术的概念
◆超精密加工技术是指被加工零件的尺寸精度高于0.1μm， 表面粗糙度Ra在0.1~0.025μm之间，以及所用机床定位精 度的分辨率和重复性高于0.01μm的加工技术，亦称之为 亚微米级加工技术，且正在向纳米级加工技术发展。目前， 超精密加工从单一的金刚石车削，到现代的超精密磨削、 研磨、抛光等多种方法的综合运用，已成为现代制造技术 中的一个重要组成部分。超精密加工技术主要包括:超精 密加工的机理，超精密加工的设备制造技术，超精密加工 工具及刃磨技术，超精密测量技术和误差补偿技术，超精 密加工工作环境等。
先进制造技术课件(PPT292页)
在几何形体上，极大、极小、 极厚、极薄、极平、极柔、极圆、 极方以及奇形怪状；在物理性能 上，极高硬度、极高塑性、极大 弹性、极大脆性、极强磁性、极 强辐射性、极强腐蚀性，奇性怪 能。
极端制造（纳米技术）
美国赖斯大学的科学家2005年利用纳米 技术制造出了世界上最小汽车。
极端性能
喷墨打印时加热器在十万分之一秒内 升温至三百多度，使喷嘴内形成约100 大气压。由此从喷嘴中喷出直径为1微 米、体积为4微微升（最小墨滴量仅为 1.3微微升）的墨滴，速度每秒24000 滴 每个喷嘴的直径只有1微米，相当于一 根头发的1/70。
“智”：智能化制造
所谓智能制造系统是一种由智能机 器和人类专家共同组成的人机一体化智 能系统，它在制造过程中能进行智能活 动，诸如分析、推理、判断、构思和决 策等。
“智”：智能化制造
智能制造技术的宗旨在于通过人与 智能机器的合作共事，去扩大、延伸 和部分地取代人类专家在制造过程中 的脑力劳动，以实现制造过程的优化。 将智能技术注入先进制造技术和产品， 可使之具有智慧，能部分代替人的脑 力劳动。
将数字技术用于制造过程，可大 大提高制造过程的柔性和加工过 程的集成性，从而提高制造过程 的质量和效率。
三维扫描、CAD、CAE、CAM 等的集成。
“精”：精密化制造 精密制造技术是指零件毛坯成形后 余量小或无余量、零件毛坯加工后精 度达亚微米级的生产技术总称。
一般认为：0.1nm-100nm为纳米 尺度空间，100nm-1000nm为亚微 米体系。
4、All that you do, do with your might; things done by halves are never done right. ----R.H. Stoddard, American poet做一切事都应尽力而为，半途而废永远不行6.17.20216.17.202110:5110:5110:51:1910:51:19
极端制造（纳米技术）
美国赖斯大学的科学家2005年利用纳米 技术制造出了世界上最小汽车。
极端性能
喷墨打印时加热器在十万分之一秒内 升温至三百多度，使喷嘴内形成约100 大气压。由此从喷嘴中喷出直径为1微 米、体积为4微微升（最小墨滴量仅为 1.3微微升）的墨滴，速度每秒24000 滴 每个喷嘴的直径只有1微米，相当于一 根头发的1/70。
“智”：智能化制造
所谓智能制造系统是一种由智能机 器和人类专家共同组成的人机一体化智 能系统，它在制造过程中能进行智能活 动，诸如分析、推理、判断、构思和决 策等。
“智”：智能化制造
智能制造技术的宗旨在于通过人与 智能机器的合作共事，去扩大、延伸 和部分地取代人类专家在制造过程中 的脑力劳动，以实现制造过程的优化。 将智能技术注入先进制造技术和产品， 可使之具有智慧，能部分代替人的脑 力劳动。
将数字技术用于制造过程，可大 大提高制造过程的柔性和加工过 程的集成性，从而提高制造过程 的质量和效率。
三维扫描、CAD、CAE、CAM 等的集成。
“精”：精密化制造 精密制造技术是指零件毛坯成形后 余量小或无余量、零件毛坯加工后精 度达亚微米级的生产技术总称。
一般认为：0.1nm-100nm为纳米 尺度空间，100nm-1000nm为亚微 米体系。
4、All that you do, do with your might; things done by halves are never done right. ----R.H. Stoddard, American poet做一切事都应尽力而为，半途而废永远不行6.17.20216.17.202110:5110:5110:51:1910:51:19
先进制造技术完整文字ppt课件
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（二）叠(分）层实体制造技术
（LOM技术，Laminated Object Manufacturing ）
工业设计依托高水平的制造技术，新技 术的涌现促进了设计风格的变化，而工业 设计也赋予了技术一种视觉形式，创造了 崭新的现代生活方式，并提供了一系列表 现现代化确切含义的符号。
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2
三、产品开发战略的演变：
60年代: “如何做得更多”。 70年代: “如何做得更便宜”。 80年代：“如何做得更好”。 90年代：“做得更快”。
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“集”：集成化制造
“集成化”是技术的集成，是管理的集成， 是技术与管理的集成。现代的制造技术就是 集成的技术，先进制造技术就是制造技术、 信息技术、管理科学与有关科学技术的集成。
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“快”：敏捷化制造
即指对市场的快速响应，对生产的快速 重组，这两个快速必然要求生产模式有高 度柔性与高度敏捷性 ．
敏捷制造、动态联盟、快速成型技术、 快速模具技术等。
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18
绿色制造 “绿”：绿色制造
又称清洁制造，其目标是使产品从设计、 生产、运输到报废处理的全过程对环境的负 面影响达到最小”.其内涵是产品生命周期的 全过程均具有绿色性。
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我国改革开放取得巨大成就，保持着世界上最 快的经济发展速度，但是仍然沿袭着粗放型的经 济增长模式。例如近年我国年GDP约占全世界 GDP的4%。但各类资源消费总量约合50亿吨。 其中钢铁、煤炭、水泥分别占全世界总消费量的 30%、31%和40%。
(2)被扫描区域的树脂薄层产生光聚合反应而固 化，形成零件的一个薄层。
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41
《先进制造技术》课件(全套)
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河南省精品课程“先进制造技术”
第1章
概述
Introduction
1.3 先进制造技术的特点和发展趋势
Characteristics of Advanced Manufacturing Technology And Its Developing Trend
……
与大、小制造概念相对应，对于制造技术的理解也 有广义和狭义之分。广义理解制造技术涉及生产活动的 各个方面和生产的全过程，制造技术被认为是一个从产 品概念到最终产品的集成活动，是一个功能体系和信息 处理系统。
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1.1.2 制造系统
制造系统结构
经营管理 财务
经营管理信息流 生产管理信息流 技术信息流 物质流
制造业是高技术产业化的载体和实现现代化的重基石
20世纪兴起的核技术、空间技术、信息技术、生物医学技 术等高新技术无一不是通过制造业的发展而产生并转化为规 模生产力的。其直接结果是导致诸如集成电路、计算机、提 动通信设备、国际互联网、机器人、核电站、航天飞机等产 品相继问世，并由此形成了制造业中的高新技术产业。
生产 技术 信息 产品 设计 产品 设计 信息 工艺 过程 计划 工艺 过程 信息
需求 订货 信息
综合 生产 计划
生产 计划 信息
生产 进度 计划
进度 计划 信息
作业 计划
作业 计划 信息
生产 实施
生产 结果 数据
生产 控制
生产 控制 信息
计划阶段
实施阶段
控制阶段
图1-6 制造系统的程序特性
研究制造系统程序特性，主要从管理角度出发如何使 生产活动达到最佳化。
制造业是国家安全的重要保障
美国在一段相当长时间内忽视了制造技术的发展，结果 导致经济衰退，竞争力下降，出现在家电、汽车等行业不 敌日本的局面。20世纪80年代，发生了轰动一时的“东芝 事件” 。美国重新关注制造业的发展，至 1994 年美国汽 车产量重新超过日本。
先进制造技术ppt课件
有液体静压导轨、空气静压导轨。
15
铸造过程计算机模拟
铸造过程计算机仿真 在计算机上进行虚拟浇铸，分析预测 铸液充填及凝固过程，预测不合理铸造工艺缺陷，对不同铸 造工艺方案作出最优的选择。 铸造过程仿真发展 • 60年代丹麦学者开始用计算机对铸件凝固过程进行模拟 • 随后工业国家相继开发了铸造过程计算机模拟软件，如：
德国 MACMAsoft 软件， 英国 Procast 软件， 清华大学 Flsoft 软件等。
超塑性 气压成形
19
精密冲裁 呈纯剪切分离冲裁工艺，通过模具改进提高 精度，可达IT6-9级，Ra1.6-0.4µm。
椭圆凹模
圆角凹模
三种光洁冲裁凹模结构
倒角刃口
20
精密冲裁
负间隙冲裁
带齿圈压板精冲
21
辊轧工艺 用轧辊对坯料连续变形加工工艺，生产率 高、质量好、材料消耗少。
辊锻轧制
辗环轧制
22
气冲造型
12
消失模铸造 利用泡沫塑料作为铸造模型，并在其四 周填砂，不分上下模，泡沫塑料在浇注过程中气化。
• 可避免砂型溃散 • 可消除起模斜度，减小铸件壁厚 • 能够获得表面光洁、尺寸精确 • 无飞边、少无余量精密铸件
泡沫塑料模 造型
浇注过程
铸件
13
特种铸造技术 类型：压力铸造、低压铸造、熔模铸造
9
机械零件成形方法：
• 受迫成形 在特定边界和外力约束下 成形，如铸造、锻压、粉末冶金和注射 成形等； • 去除成形 将材料从基体中分离出去 成形，如车、铣、刨、磨、电火花、激 光切割； • 堆积成形 将材料有序地合并堆积成 形，如快速原形制造、焊接等。
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3.2.1 精密洁净铸造成形
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铸造过程计算机模拟
铸造过程计算机仿真 在计算机上进行虚拟浇铸，分析预测 铸液充填及凝固过程，预测不合理铸造工艺缺陷，对不同铸 造工艺方案作出最优的选择。 铸造过程仿真发展 • 60年代丹麦学者开始用计算机对铸件凝固过程进行模拟 • 随后工业国家相继开发了铸造过程计算机模拟软件，如：
德国 MACMAsoft 软件， 英国 Procast 软件， 清华大学 Flsoft 软件等。
超塑性 气压成形
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精密冲裁 呈纯剪切分离冲裁工艺，通过模具改进提高 精度，可达IT6-9级，Ra1.6-0.4µm。
椭圆凹模
圆角凹模
三种光洁冲裁凹模结构
倒角刃口
20
精密冲裁
负间隙冲裁
带齿圈压板精冲
21
辊轧工艺 用轧辊对坯料连续变形加工工艺，生产率 高、质量好、材料消耗少。
辊锻轧制
辗环轧制
22
气冲造型
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消失模铸造 利用泡沫塑料作为铸造模型，并在其四 周填砂，不分上下模，泡沫塑料在浇注过程中气化。
• 可避免砂型溃散 • 可消除起模斜度，减小铸件壁厚 • 能够获得表面光洁、尺寸精确 • 无飞边、少无余量精密铸件
泡沫塑料模 造型
浇注过程
铸件
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特种铸造技术 类型：压力铸造、低压铸造、熔模铸造
9
机械零件成形方法：
• 受迫成形 在特定边界和外力约束下 成形，如铸造、锻压、粉末冶金和注射 成形等； • 去除成形 将材料从基体中分离出去 成形，如车、铣、刨、磨、电火花、激 光切割； • 堆积成形 将材料有序地合并堆积成 形，如快速原形制造、焊接等。
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3.2.1 精密洁净铸造成形
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有液体静压导轨、空气静压导轨。
平面型空气静压导轨示意图 1-静压空气 2-移动工作台 3-底座
微量进给装置 微量进给装置要求：
• 分辨率达到0.001-0.01μm； • 精微进给与粗进给分开； • 低摩擦和高稳定性； • 末级传动元件必须有很高的刚度； • 工艺性好，容易制造； • 应能实现微进给的自动控制，动态性能好。
普通砂轮磨损消耗量较大； • 喷射法 将碳化硅、刚玉等磨粒高速喷射到砂轮表面，
去除部分结合剂，使超硬磨粒突出； •电解在线修锐法（ELID) 应用电解原理完成砂轮修锐过程； •电火花修整 应用电火花放电原理完成砂轮修整。
在线电解修锐法
电火花修整法
3.3.4 超精密加工机床设备
精密主轴部件 •滚动轴承 回转精度达1μm,表面粗糙度Ra0.04-0.02μm； •液体静压轴承 回转精度≤0.1μm，刚度阻尼大，转动平稳；
超精密加工所涉及的技术范围 • 超精密加工机理 刀具磨损、积屑瘤生成规律、磨削 机理、加工参数对表面质量的影响等有其特殊性； • 超精密加工的刀具、磨具及其制备 刀具的刃磨、超硬 砂轮的修整； • 超精密加工机床设备 机床精度、刚度、抗振性、微量 进给机构； • 精密测量及补偿技术 有相应级别的测量装置，具有在 线测量和误差补偿； • 严格的工作环境 恒温、净化、防振和隔振等。
粉末锻造模具
3.2.4 高分子材料注射成形
注射成形工艺过程
粉状塑料注入
螺杆推进
送进加热区
冷却成形 注入模腔
喷嘴喷出 通过分流梭
注射成形原理
注射成形新技术
气体辅助成形： 将惰性气体注入，在成品较厚部分形成空腔 ，使成品壁厚均匀，可防止缩痕或翘曲产生。
气体辅助注射成形原理
注射压缩成形：可采用较低的注射压力成形薄壁制 品，适用于流动性较差的制品。
极限切削厚度与刃口半径的关系
3.3.3 超精密磨削加工
超精密磨削：是最主要黑色金属超精密加工手段， 精度<=0.1μm，表面粗糙度<Ra0.025。
超精密磨削砂轮 金刚石砂轮：较强的磨削能力，较高的磨削效率， 磨削速度12-30m/s； CBN砂轮：较好的热稳定性和化学惰性，价格较贵， 磨削速度80-100 m/s。
• 新型工程材料的应用 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： ①改善刀具切削性能，改进加工设备； ②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
•毛坯成形技术在向少、无余量发展
Ra0.01-0.1μm 小于Ra0.01μm
超精密加工技术发展起因 • 提高产品性能和质量，提高稳定性和可靠性； • 促进产品的小型化； • 增强零件的互换性，提高装配生产率。
举例：
•1kg陀螺其质心偏离0.5nm，会引起100m导弹射程误差，50m轨道误差；
•民兵Ⅲ型洲际导弹陀螺仪精度为0.03-0.05º，命中精度误差为500m；
气冲造型
消失模铸造 利用泡沫塑料作为铸造模型，并在其四 周填砂，不分上下模，泡沫塑料在浇注过程中气化。
• 可避免砂型溃散 • 可消除起模斜度，减小铸件壁厚 • 能够获得表面光洁、尺寸精确 • 无飞边、少无余量精密铸件
泡沫塑料模 造型
浇注过程
铸件
特种铸造技术 类型：压力铸造、低压铸造、熔模铸造
真空铸造、挤压铸造等。 压力铸造：金属模，以压力浇注取代重力浇注，
3.2.1 精密洁净铸造成形
精确铸造成形技术
• 自硬砂精确砂型铸造 粘土砂造型 铸件质量差、生产效率低 劳动强度大、环境污染严重 自硬树脂砂造型 高强度、高精度、高溃散性 低劳动强度，适合于各种复杂铸件型芯制作 铸件壁厚可 < 2.5mm
高紧实砂型铸造 • 可提高铸型强度、刚度 和硬度 • 减少金属液浇注凝固时 型壁移动 • 降低金属消耗、减少缺 陷 • 提高精度、粗糙度提高 2-3级
超硬磨料砂轮结合剂： 树脂结合剂：能保持良好锋利性，磨粒保持力小； 金属结合剂：耐磨性好，磨粒保持力大，自锐性差，
砂轮修整困难。 陶瓷粘结剂：化学稳定性高、耐热、耐酸碱，脆性较大。
超硬磨料砂轮的修整 • 车削法 用金刚笔车削金刚石砂轮，修整成本高； • 磨削法 用普通砂轮进行对磨，修整效率和质量较好，
粉末锻造成形工艺
粉末冶金 + 精密锻造
粉末制取
模压成形
型坯烧结
后续处理
锻造
锻前加热
粉末锻造件优点：
• 能源消耗低，材料利用率高 为普通锻造能耗49%，材料利用 率达90%，普通锻造仅40-60%；
• 锻件精度高，力学性能好 组织无偏析，无各向异性；
• 疲劳寿命高 比普通锻造提 高20%，高速钢工具寿命可提 高两倍以上。
铸件精确、表面光洁、内部致密。
合型
压铸
开模
金属模压铸机压铸过程
清洁（绿色）铸造技术
•洁净的能源 以感应电炉代替冲天炉，减轻对空气的污染 •无砂和少砂铸造 如压力铸造、金属型铸造、挤压铸造等 •清洁无毒材料 使用无毒无味变质剂、精炼剂、粘结剂等 •高溃散性型砂工艺 树脂砂、酯硬化水玻璃砂工艺 •废弃物再生和综合利用 铸造旧砂再生回收、熔炼炉渣处 理和综合利用 •铸造机器人或机械手 以代替工人在恶劣条件下工作
铸造过程计算机模拟
铸造过程计算机仿真 在计算机上进行虚拟浇铸，分析预测 铸液充填及凝固过程，预测不合理铸造工艺缺陷，对不同铸 造工艺方案作出最优的选择。 铸造过程仿真发展 • 60年代丹麦学者开始用计算机对铸件凝固过程进行模拟 • 随后工业国家相继开发了铸造过程计算机模拟软件，如：
德国 MACMAsoft 软件， 英国 Procast 软件， 清华大学 Flsoft 软件等。
金属超塑性类型： • 细晶超塑性（恒温超塑性）
内在条件：具有均匀、稳定等轴细晶组织（<10µm）； 外在条件：特定温度和变形速率（10-4-10-5min-1）。 • 相变超塑性（环境超塑性） 在材料相变点温度循环变化，同时对试样加载。
超塑性成形工艺应用 •飞机钛合金组合件 原需几十个零件组成，用超塑性 成形后，可一次整体成形，大大减轻了构件的质量， 提高了结构的强度。 •超塑性等温模锻 薄板加热到超塑性温度，在压力作 用下产生超塑性变形，直至同模具贴合为止。
机械制造工艺定义
原材料
改变形状,尺寸,性能,位置
机床、工具
成品 半成品
机械制造工艺三阶段： ①零件毛坯的成形准备阶段
②机械切削加工阶段 ③表面改性处理阶段 上述阶段划分逐渐模糊、交叉，甚至合而为一
机械制造工艺流程
3.1.2 先进制造工艺的产生和发展
• 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，μm级过渡； 20世纪50年代末，实现了μm级的加工精度； 目前达到10nm的精度水平。
天然单晶金刚石刀具的性能特征 • 极高的硬度 HV6000-10000,而TiC仅为HV2400，WC为HV2400； • 能磨出锋锐刃口 刃口半径可达纳米，普通刀具5-30μm； • 与有色金属摩擦系数低、亲和力小 与铝的摩擦系数仅为 0.06-0.13； •耐磨性好，刀刃强度高 刀具磨损极慢，刀具耐用度极高 。
天然单晶金刚石被公认为 不能代替的超精密切削刀具材料
但仅用于有色金属的切削加工
超精密切削时的最小切削厚度 如图：A点位置与摩擦系数μ（剪切角θ）有关：
当μ=0.12时，可得： hDmin=0.322ρ 当μ=0.26时Байду номын сангаас可得： hDmin=0.249ρ 若hDmin=1nm，要求刀具刃口半径ρ为3-4nm。
3.2.2 精确高效金属塑性成形工艺
精密模锻 利用模锻设备锻造出锻件形状复杂、精度高的 模锻工艺，比普通锻件高1-2个精度等级。
模锻坯料 普通模锻
去氧化皮 精密模锻
锥齿轮的精密模锻工艺
超塑性成形
超塑性现象：在一定内部条件（如晶粒形状、相变） 和外部条件（如温度、应变速率）下，呈现出异常低的 流变抗力、异常高的延伸率现象。目前已知锌、铝、铜 等合金超塑性达1000%，有的甚至达2000%。
第二节 材料受迫成形工艺技术
3.2.1 精密洁净铸造成形 3.2.2 精确高效金属塑性成形工艺 3.2.3 粉末锻造成形工艺 3.2.4 高分子材料注射成形
机械零件成形方法：
• 受迫成形 在特定边界和外力约束下 成形，如铸造、锻压、粉末冶金和注射 成形等； • 去除成形 将材料从基体中分离出去 成形，如车、铣、刨、磨、电火花、激 光切割； • 堆积成形 将材料有序地合并堆积成 形，如快速原形制造、焊接等。
• 切削加工速度 20世纪前，碳素钢，耐热温度低于200ºC，10m/min； 20世纪初，高速钢，500-600ºC，30-40m/min； 20世纪30年代，硬质合金，800-1000ºC， 数百米/min; 目前陶瓷、金刚石、立方氮化硼，1000ºC以上， 一千至数千米/min。
切削速度随刀具材料的变更而提高
第三章 先进制造工艺技术
3.1 概述 3.2 材料受迫成形工艺技术 3.3 超精密加工技术 3.4 高速加工技术 3.5 快速原型制造技术 3.6 微细加工技术 3.7 表面工程技术 3.8 现代特种加工技术
第一节 概述
3.1.1 机械制造工艺定义与内涵 3.1.2 先进制造工艺的产生和发展
3.1.1 机械制造工艺定义与内涵
整体压缩注射成形
模具滑合成形法 适用于中空制品和不同材料复合体 模具滑合成形动作原理
剪切场控制取向成形法：使材料纤维取向与流动方向一 致，可提高熔接痕强度，消除缩孔和缩痕。
剪切场控制取向成形法原理
直接注射成形法 不需混炼造粒过 程，可将填充剂 均匀地分散在基 体树脂中，直接 注射成制品。
平面型空气静压导轨示意图 1-静压空气 2-移动工作台 3-底座
微量进给装置 微量进给装置要求：
• 分辨率达到0.001-0.01μm； • 精微进给与粗进给分开； • 低摩擦和高稳定性； • 末级传动元件必须有很高的刚度； • 工艺性好，容易制造； • 应能实现微进给的自动控制，动态性能好。
普通砂轮磨损消耗量较大； • 喷射法 将碳化硅、刚玉等磨粒高速喷射到砂轮表面，
去除部分结合剂，使超硬磨粒突出； •电解在线修锐法（ELID) 应用电解原理完成砂轮修锐过程； •电火花修整 应用电火花放电原理完成砂轮修整。
在线电解修锐法
电火花修整法
3.3.4 超精密加工机床设备
精密主轴部件 •滚动轴承 回转精度达1μm,表面粗糙度Ra0.04-0.02μm； •液体静压轴承 回转精度≤0.1μm，刚度阻尼大，转动平稳；
超精密加工所涉及的技术范围 • 超精密加工机理 刀具磨损、积屑瘤生成规律、磨削 机理、加工参数对表面质量的影响等有其特殊性； • 超精密加工的刀具、磨具及其制备 刀具的刃磨、超硬 砂轮的修整； • 超精密加工机床设备 机床精度、刚度、抗振性、微量 进给机构； • 精密测量及补偿技术 有相应级别的测量装置，具有在 线测量和误差补偿； • 严格的工作环境 恒温、净化、防振和隔振等。
粉末锻造模具
3.2.4 高分子材料注射成形
注射成形工艺过程
粉状塑料注入
螺杆推进
送进加热区
冷却成形 注入模腔
喷嘴喷出 通过分流梭
注射成形原理
注射成形新技术
气体辅助成形： 将惰性气体注入，在成品较厚部分形成空腔 ，使成品壁厚均匀，可防止缩痕或翘曲产生。
气体辅助注射成形原理
注射压缩成形：可采用较低的注射压力成形薄壁制 品，适用于流动性较差的制品。
极限切削厚度与刃口半径的关系
3.3.3 超精密磨削加工
超精密磨削：是最主要黑色金属超精密加工手段， 精度<=0.1μm，表面粗糙度<Ra0.025。
超精密磨削砂轮 金刚石砂轮：较强的磨削能力，较高的磨削效率， 磨削速度12-30m/s； CBN砂轮：较好的热稳定性和化学惰性，价格较贵， 磨削速度80-100 m/s。
• 新型工程材料的应用 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： ①改善刀具切削性能，改进加工设备； ②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
•毛坯成形技术在向少、无余量发展
Ra0.01-0.1μm 小于Ra0.01μm
超精密加工技术发展起因 • 提高产品性能和质量，提高稳定性和可靠性； • 促进产品的小型化； • 增强零件的互换性，提高装配生产率。
举例：
•1kg陀螺其质心偏离0.5nm，会引起100m导弹射程误差，50m轨道误差；
•民兵Ⅲ型洲际导弹陀螺仪精度为0.03-0.05º，命中精度误差为500m；
气冲造型
消失模铸造 利用泡沫塑料作为铸造模型，并在其四 周填砂，不分上下模，泡沫塑料在浇注过程中气化。
• 可避免砂型溃散 • 可消除起模斜度，减小铸件壁厚 • 能够获得表面光洁、尺寸精确 • 无飞边、少无余量精密铸件
泡沫塑料模 造型
浇注过程
铸件
特种铸造技术 类型：压力铸造、低压铸造、熔模铸造
真空铸造、挤压铸造等。 压力铸造：金属模，以压力浇注取代重力浇注，
3.2.1 精密洁净铸造成形
精确铸造成形技术
• 自硬砂精确砂型铸造 粘土砂造型 铸件质量差、生产效率低 劳动强度大、环境污染严重 自硬树脂砂造型 高强度、高精度、高溃散性 低劳动强度，适合于各种复杂铸件型芯制作 铸件壁厚可 < 2.5mm
高紧实砂型铸造 • 可提高铸型强度、刚度 和硬度 • 减少金属液浇注凝固时 型壁移动 • 降低金属消耗、减少缺 陷 • 提高精度、粗糙度提高 2-3级
超硬磨料砂轮结合剂： 树脂结合剂：能保持良好锋利性，磨粒保持力小； 金属结合剂：耐磨性好，磨粒保持力大，自锐性差，
砂轮修整困难。 陶瓷粘结剂：化学稳定性高、耐热、耐酸碱，脆性较大。
超硬磨料砂轮的修整 • 车削法 用金刚笔车削金刚石砂轮，修整成本高； • 磨削法 用普通砂轮进行对磨，修整效率和质量较好，
粉末锻造成形工艺
粉末冶金 + 精密锻造
粉末制取
模压成形
型坯烧结
后续处理
锻造
锻前加热
粉末锻造件优点：
• 能源消耗低，材料利用率高 为普通锻造能耗49%，材料利用 率达90%，普通锻造仅40-60%；
• 锻件精度高，力学性能好 组织无偏析，无各向异性；
• 疲劳寿命高 比普通锻造提 高20%，高速钢工具寿命可提 高两倍以上。
铸件精确、表面光洁、内部致密。
合型
压铸
开模
金属模压铸机压铸过程
清洁（绿色）铸造技术
•洁净的能源 以感应电炉代替冲天炉，减轻对空气的污染 •无砂和少砂铸造 如压力铸造、金属型铸造、挤压铸造等 •清洁无毒材料 使用无毒无味变质剂、精炼剂、粘结剂等 •高溃散性型砂工艺 树脂砂、酯硬化水玻璃砂工艺 •废弃物再生和综合利用 铸造旧砂再生回收、熔炼炉渣处 理和综合利用 •铸造机器人或机械手 以代替工人在恶劣条件下工作
铸造过程计算机模拟
铸造过程计算机仿真 在计算机上进行虚拟浇铸，分析预测 铸液充填及凝固过程，预测不合理铸造工艺缺陷，对不同铸 造工艺方案作出最优的选择。 铸造过程仿真发展 • 60年代丹麦学者开始用计算机对铸件凝固过程进行模拟 • 随后工业国家相继开发了铸造过程计算机模拟软件，如：
德国 MACMAsoft 软件， 英国 Procast 软件， 清华大学 Flsoft 软件等。
金属超塑性类型： • 细晶超塑性（恒温超塑性）
内在条件：具有均匀、稳定等轴细晶组织（<10µm）； 外在条件：特定温度和变形速率（10-4-10-5min-1）。 • 相变超塑性（环境超塑性） 在材料相变点温度循环变化，同时对试样加载。
超塑性成形工艺应用 •飞机钛合金组合件 原需几十个零件组成，用超塑性 成形后，可一次整体成形，大大减轻了构件的质量， 提高了结构的强度。 •超塑性等温模锻 薄板加热到超塑性温度，在压力作 用下产生超塑性变形，直至同模具贴合为止。
机械制造工艺定义
原材料
改变形状,尺寸,性能,位置
机床、工具
成品 半成品
机械制造工艺三阶段： ①零件毛坯的成形准备阶段
②机械切削加工阶段 ③表面改性处理阶段 上述阶段划分逐渐模糊、交叉，甚至合而为一
机械制造工艺流程
3.1.2 先进制造工艺的产生和发展
• 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，μm级过渡； 20世纪50年代末，实现了μm级的加工精度； 目前达到10nm的精度水平。
天然单晶金刚石刀具的性能特征 • 极高的硬度 HV6000-10000,而TiC仅为HV2400，WC为HV2400； • 能磨出锋锐刃口 刃口半径可达纳米，普通刀具5-30μm； • 与有色金属摩擦系数低、亲和力小 与铝的摩擦系数仅为 0.06-0.13； •耐磨性好，刀刃强度高 刀具磨损极慢，刀具耐用度极高 。
天然单晶金刚石被公认为 不能代替的超精密切削刀具材料
但仅用于有色金属的切削加工
超精密切削时的最小切削厚度 如图：A点位置与摩擦系数μ（剪切角θ）有关：
当μ=0.12时，可得： hDmin=0.322ρ 当μ=0.26时Байду номын сангаас可得： hDmin=0.249ρ 若hDmin=1nm，要求刀具刃口半径ρ为3-4nm。
3.2.2 精确高效金属塑性成形工艺
精密模锻 利用模锻设备锻造出锻件形状复杂、精度高的 模锻工艺，比普通锻件高1-2个精度等级。
模锻坯料 普通模锻
去氧化皮 精密模锻
锥齿轮的精密模锻工艺
超塑性成形
超塑性现象：在一定内部条件（如晶粒形状、相变） 和外部条件（如温度、应变速率）下，呈现出异常低的 流变抗力、异常高的延伸率现象。目前已知锌、铝、铜 等合金超塑性达1000%，有的甚至达2000%。
第二节 材料受迫成形工艺技术
3.2.1 精密洁净铸造成形 3.2.2 精确高效金属塑性成形工艺 3.2.3 粉末锻造成形工艺 3.2.4 高分子材料注射成形
机械零件成形方法：
• 受迫成形 在特定边界和外力约束下 成形，如铸造、锻压、粉末冶金和注射 成形等； • 去除成形 将材料从基体中分离出去 成形，如车、铣、刨、磨、电火花、激 光切割； • 堆积成形 将材料有序地合并堆积成 形，如快速原形制造、焊接等。
• 切削加工速度 20世纪前，碳素钢，耐热温度低于200ºC，10m/min； 20世纪初，高速钢，500-600ºC，30-40m/min； 20世纪30年代，硬质合金，800-1000ºC， 数百米/min; 目前陶瓷、金刚石、立方氮化硼，1000ºC以上， 一千至数千米/min。
切削速度随刀具材料的变更而提高
第三章 先进制造工艺技术
3.1 概述 3.2 材料受迫成形工艺技术 3.3 超精密加工技术 3.4 高速加工技术 3.5 快速原型制造技术 3.6 微细加工技术 3.7 表面工程技术 3.8 现代特种加工技术
第一节 概述
3.1.1 机械制造工艺定义与内涵 3.1.2 先进制造工艺的产生和发展
3.1.1 机械制造工艺定义与内涵
整体压缩注射成形
模具滑合成形法 适用于中空制品和不同材料复合体 模具滑合成形动作原理
剪切场控制取向成形法：使材料纤维取向与流动方向一 致，可提高熔接痕强度，消除缩孔和缩痕。
剪切场控制取向成形法原理
直接注射成形法 不需混炼造粒过 程，可将填充剂 均匀地分散在基 体树脂中，直接 注射成制品。