机械制造基础(第三版-乔世民)全套-第11章先进制造技术

（3）精密研磨和抛光
精密研磨和抛光技术意指：使用超细粒度的自由磨料， 在研具的作用和带动下冲击加工表面，产生压痕和微裂纹， 依次去除表面的微细突出处，加工出Ra=0.01~0.02µm的镜面。 由于研磨剂含有化学活性剂，故研磨、抛光工具加工是一种 机械与化学的复合作用过程。 • 研磨、抛光常作为大规模集成电路的硅基片、标准量快、 光学平面镜、棱镜、高精度钢球、计量用标准球等的最后精 加工工序。
机械制造基础
第11章 先进制造技术
随着现代科学技术的进步，特别是微电子技术、计算 机技术、信息技术等与制造技术的深度结合，制造工业的面 貌发生了深刻的变化，形成了先进（现代）制造体系。先进 制造技术的内涵及范围很广，本章扼要介绍先进制造工程加 工技术中的数控加工技术、快速成形技术、超精密与纳米加 工技术、工业机器人、柔性制造技术的概念和应用场合。
（2）用途
• 能用于制造业中快速产品开发（不受形状复杂限制）、 快速工具制造、模具制造、微型机械制造、小批零件生 产。 用于与美学有关的工程设计，如建筑设计、桥梁设计、 古建筑恢复等，以及首饰、灯饰等的制作设计。
在医学上可用于颅外科、体外科、牙科等制造颅骨、假 肢、关节、整形。 可用于考古等康复考古工程。 可制作三维地图、光弹模型制作等。
• 激光选区烧结法的主要特点是：不需制作支撑；成形零件 的机械性能好，强度高；粉末较松散，烧结后精度不高， Z轴精度难以控制。
11.2.4快速成形技术的特点和用途 （1）主要特点
用RP制造技术可以制造任意复杂的三维几何实体零件。 并且在制造过程中省掉了一系列技术准备，无需专用夹具和 工具，也无需人工干预或较少干预。因此零件制造的设备少， 占地少，时间快，成本低。通过CAD模型的直接驱动对原型 的快速制造、检验、实样分析研究，可以将新产品开发的风 险减到最小程度。
• 光固化法是目前应用最广泛的快速成形制造方法。光固化 的主要特点是：制造精度高（±0.1mm）、表面质量好、 原材料利用率接近100%；能制造形状复杂（如腔体等）及 特别精细（如首饰、工艺品等）的零件；能使用成形材料 较脆、材料固化伴随一定收缩的材料制造所需零件。
（2）选择性层片粘结
选择性层片粘结又称分层实体制造、叠层制造法（LOM， Laminated Object Manufacturing）。
• 闭环控制系统 闭环控制是在机床移动部件上直接安装直线位移检测装置， 将测量的实际位移值反馈到数控装置中，与输入的指令位 移值进行比较，用差值对机床进行控制，使移动部件按照 实际需要的位移量运动，最终实现移动部件的精确运动和 定位。闭环控制的数控机床，加工精度高、速度快，但现 场调试、维修困难，成本高，系统稳定性控制也较困难， 主要用于高精度数控机床。
11.2.2快速成形技术的工作原理
RP技术是一种基于离散堆积成形思想的数字化成型技 术。根据生产需要，先由三维实体CAD软件设计出所需要零 件的计算机三维曲面或实体模型（亦称电子模型），然后根 据工艺要求，将其按一定厚度进行分层，把原来的三维实体 模型变成二维平面（截面）信息；再将分层后的数据进行一 定的处理，加入工艺参数，产生数控代码；最后在计算机控 制下，数控系统以平面加工方式，把原来很复杂的三维制造 转化为一系列有序的低维（二维）薄片层的制造并使它们自 动粘结叠 加成形。
• 叠层法在成形过程中首先在基板上铺上一层箔材（如纸箔、 陶瓷箔、金属箔或其它材质基的箔材），再用一定功率的 CO2激光器在计算机控制下按分层信息切出轮，同时将非 零件的多余部分按一定网络形状切成碎片去除掉。加工完 上一层后，重新铺上一层箔材，用热辊碾压，使新铺上的 一层箔材在粘结剂作用下粘结在已成形体上，再用激光器 切割该层形状。重复上述过程，直至加工完毕。最后去除 掉切碎的多余部分即可得到完整的原形零件。
•
• • •
11.3超精密与纳米加工技术 11.3.1超精密加工技术
超精密加工是指被加工零件的尺寸公差为 0.1~0.01µm 数量级，表面粗糙度Ra值在0.03~0.005µm数量级的加工技术。 加工时所使用的设备，其分辨率和重复精度应为0.01µm数量 级。超精密加工方法有金刚石刀具精密切削、精密和镜面磨 削、精密研磨和抛光等方式。
11.2.3快速成形技术的工艺方法
RP技术的具体工艺有很多种，根据采用的材料和对材 料的处理方式不同，选择其中3种方法的工艺原理进行介绍。
（1）选择性液体固化
选择性液体固化又称光固化法。该方法的典型实现工 艺有立体光刻（SL，Stereolithography）。
百度文库
• 其工艺原理是在成形过程中，计算机控制的紫外激光束按 零件的各分层截面信息在树脂表面进行逐点扫描，使被扫 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。头一层固化完后，升降台下移一个层厚的距离， 再在原先固化好的树脂表面上覆盖一层液态树脂，再进行 扫描加工，新生成的固化层牢固地粘结在前一层上。重复 上述步骤，直到形成一个三维实体零件。
•
•
价格昂贵，不允许报废的关键零件；
需要生产周期短的急需零件。
11.2快速成形技术 11.2.1快速成形技术的概念
快速成形（RP，Rapid Prototyping ）技术是运用堆 积成形法，由CAD模型直接驱动的快速制造任意复杂形状三 维实体零件的技术总称。
RP技术的成形原理不同于常规制造的去除法（切削加 工厂、电火花加工等）和变形法（铸造、锻造等），而是利 用光、电、热等手段，通过固化、烧结、粘结、熔结、聚合 作用或化学作用等方式，有选择地固化（或粘结）液体（或 固体）材料，实现材料的迁移和堆积，形成所需要的原形零 件。因此，RP制造技术好象燕子衔泥垒窝一样，是一种分层 制造的材料累加方法。RP制造技术可直接从CAD模型中产生 三维物体，它综合了机械工程、自动控制、激光、计算机和 材料等学科的技术。
3）按伺服系统的类型分类
• 开环控制
这类数控机床的伺服系统不带位置检测元件，伺服驱动元 件一般为功率步进电动机。数控装置输出的控制脉冲通过 步进驱动电路，不断改变步进电动机的供电状态，使步进 电动机转过相应步距角，再经过机械传动链驱动，实现运 动部件的直线位移。移动部件的移动速度和位移量是由输 入脉冲的频率和脉冲数所决定的。开环控制系统结构简单， 调整方便，精度低，一般用于加工精度要求不高的中小型 数控机床，特别是经济型数控机床。
（2）数控机床的基本组成
数控机床的基本组成包括加工程序、输入装置、数控系统、 伺服系统和辅助控制装置、检测装置及机床本体。
11.1.3数控机床的分类
1）按工艺用途分类
• 金属切削类数控机床 这类数控机床有与普通通用机床种类相同的数控车床、铣 床、镗床、钻床、磨床、齿轮加工机床等。此外，还有带 有刀库和自动换刀装置的加工中心机床（例如，镗铣加工 中心、车削中心等）。
• 金属成型类机床 包括数控冲床、弯管机、折弯机、板材成形加工机床等。 • 特种加工机床 包括数控线切割机床、电火花加工机床、激光切割机床和 高压水切割机床等。
• 其它数控设备
如数控火焰切割机、数控自动装配机、数控多坐标测量机、 自动绘图机及工业机器人等。
2）按控制运动方式分类
• 点位控制 点位控制数控机床的特点是机床运动部件只能实现从一个 位置到另一个位置的精确定位，在移动和定位过程中不进 行任何加工。数控系统只需要控制行程起点和终点的坐标 值，而不控制运动部件的运动轨迹，数控钻床、数控镗床、 数控点焊机均属于点位控制。
• 半闭环控制系统 半闭环控制是在伺服电动机的轴上或滚珠丝杠的端部装有 角位移检测装置，通过检测丝杠的转角间接地检测移动部 件的实际位移，然后反馈到数控装置中去，并对误差进行 修正。半闭环控制调试比较方便，并且具有很好的稳定性， 广泛应用于各类中等精度以上连续控制的数控机床中。
除了上述三种分类方法以外，目前出现了按所使用的 数控装置结构进行分类，即硬件数控（NC）和计算机数控 （CNC，亦称软件数控）；也有按控制坐标轴数与联动轴数 的分类方法，如三轴二联动、四轴四联动等；还有按功能水 平的高低分类，如高档数控、中档数控和低档数控（又称经 济型数控）等。
• 点位直线控制 其特点是除了控制点与点之间的准确位置外，还需保证移 动轨迹是一条直线，一般是沿着与坐标轴平行方向作切削 运动，或是沿着与坐标轴成45º 的斜线运动。可用于加工 阶梯轴或盘类零件的数控车床或用于数控镗 床等。
• 轮廓控制 又称连续控制。其特点是能够对两个或两个以上的坐标轴 同时进行联动控制。它不仅要控制运动部件的起点与终点 坐标位置，而且要控制整个加工过程每一点的速度与位移 量，即要控制运动轨迹。用于加工平面内的直线、曲线表 面或空间曲面。轮廓控制多用数控车床、铣床、磨床和齿 轮加工机床等。
11.1.4数控机床的特点及应用范围 1）数控机床的加工特点
•
• •
加工精度高
对加工对象的适应性强 生产效率高
•
• •
自动化程度高，劳动强度低
良好的经济效益 有利于现代化管理
2）数控机床的应用范围
• • • • 多品种小批量生产的零件； 形状结构比较复杂的零件； 精度要求比较高的零件； 需要频繁改型的零件；
（1）金刚石刀具超精密切削
金刚石刀具拥有很高的高温强度和硬度，而且材质细 密，经过精细研磨，切削刃可磨得极为锋利，表面粗糙度值 很小，因此可进行镜面切削。此外，金刚石与有色金属的亲 和力极低，摩擦系数小，切削有色金属不易产生积屑。 • 金刚石刀具超精密切削主要用于加工铜、铝等有色金属， 如高密度硬磁盘的铝合金基片、激光器的反射镜、复印机的 硒鼓，光学平面镜，凹凸镜、抛物面镜等。
11.1.2数控机床的基本组成及工作原理 （1）数控机床的工作过程
数控机床加工零件的工作过程可分成以下几个步骤实现： • 根据被加工零件的图样与工艺方案，用规定的代码和程序 格式编写加工程序。
• 所编程序指令输入机床数控装置中。
• 数控装置对程序（代码）进行译码，运算之后，向机床各 坐标的伺服驱动机构和辅助控制装置发出信号，驱动机床 各运动部件，并控制所需的辅助动作。 • 机床加工出合格的零件。
• 激光选区烧结法采用CO2激光器作为能源，成形材料常选 用粉末材料（如铁、钴、铬等金属粉，也可以是蜡粉、塑 料粉、陶瓷粉等）。成形过程中，先将粉末材料预热到稍 低于其熔点的温度，再在平整滚筒的作用下将粉末铺平压 实（约100~200µm厚），CO2激光器在计算机控制下，按照 零件分层轮廓有选择性地进行烧结，烧结成一个层面。再 铺粉用平整滚筒压实，让激光器继续烧结，逐步形成一个 三维实体，再去掉多余粉末，经打磨、烘干等处理后便获 得所需零件。
• 叠层法的主要特点是：不需要制作支撑；激光只作轮廓扫 描，而不需填充扫描，成形率高；运行成本低；成形过程 中无相变且残余应力小，适合于加工较大尺寸零件；但材 料利用率较低，表面质量差。
（3）选择性粉末熔结/粘结
选择性粉末熔结/粘结又称激光选区烧结法（SLS，
Selective Laser Sintering）。
（2）精密和镜面磨削
磨削时尺寸精度和几何精度主要靠精密磨床保证，可 达亚微米级精度（指精度为1~10-2µm）。在某些超精密磨床 上可磨削出数十纳米精度的工件。在精密磨床上使用细粒度 磨粒砂轮可磨削出Ra=0.1~0.05µm的表面。使用金属结合剂 砂轮的在线电解修整砂轮的镜面磨削技术可得到 Ra=0.01~0.002µm的镜面。
11.1数控加工技术
11.1.1数字控制与数控机床的概念
• 数字控制（Numerical Control）是用数字化信号对机械 设备的运动及加工过程进行控制的一种方法，简称数控 （NC）。它是一种自动控制技术。它所控制的一般是位置、 角度、速度等机械量，也可以控制温度、压力、流量等物 理量。
• 数控机床，就是采用了数控技术的机床，或者说是装备了 数控系统的机床。国际信息处理联盟（IFIP）第5技术委 员会，对数控机床作了如下定义：数控机床是一个装有程 序控制系统的机床，该系统能够逻辑地处理具有使用号码 或其他符号编码指令规定的程序（定义中所提的程序控制 系统，就是所说的数控系统）。