第七章先进制造技术第一、二、三节

◆ 它 将 计 算 机 辅 助 设 计 （ CAD ） 、 计 算 机 辅 助 制 造 （CAM）、计算机数控（CNC）、精密伺服驱动、新材 料等先进技术集于一体，依据计算机上构成的产品三维设 计模型，对其进行分层切片，得到各层截面的轮廓。
◆按照这些轮廓，激光束选择性地切割一层层的箔材（或
固化一层层的液态树脂，或烧结一层层的粉末材料），或
➢ 材料累加法——传统的累加方法有焊接、粘接或铆接
等，通过不可拆卸连接使物料结合成一个整体，形成零
件。近几年才发展起来的快速原型制造技术（RPM），
是材料累加法的新发展。
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第一节 快速原型制造技术（RPM）
◆快速原型制造（Rapid Photograph Manufacturing — RPM），又称“快速成形技术”（ Rapid Photograph — RP）或“分层制造”（Layer Manufacturing — LM）， 是20世纪80年代后期迅速发展起来的一种新型制造技术。
塑料 铝合金 铜
300-6000 m/min 铸铁
◎钻削： 200-1100 m/min ◎磨削： 50-300 m/s
钢 钛合金 镍合金
10
100
1000
切削速度V（m/min）
10000
图3-32 高速与超高速切削速度范围 12
、 高速加工的特点
➢ 加工效率高：进给率较常规切削提高5-10倍，材料去除 率可提高3-6倍 ➢ 切削力小：较常规切削至少降低30%，径向力降低更明 显。有利于减小工件受力变形，适于加工薄壁件和细长件 ➢ 切削热小：加工过程迅速，95%以上切削热被切屑带走， 工件积聚热量极少，温升低，适合于加工熔点低、易氧化 和易于产生热变形的零件 ➢ 加工精度高：刀具激振频率远离工艺系统固有频率，不 易产生振动；又切削力小、热变形小、残余应力小，易于 保证加工精度和表面质量 ➢ 工序集约化：可获得高的加工精度和低的表面粗糙度， 并在一定条件下，可对硬表面进行加工，从而可使工序集 约化。这对于模具加工具有特别意义(工序集约化是指在一 台实现或尽可能完成从毛坯至成品的全部加工工序). 13
喷射源选择性地喷射一层层的粘结剂或热熔材料等，形成
一个个薄层，并逐步迭加成三维实体（见图2-1）。
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构造三维模型 模型近似处理
切片处理
激光
喷射源
固化树脂 切割箔材 烧结粉末
喷粘结剂 喷热熔材料
三维产品（样品/模具）
表面处理 图2-1 快速成型过程
5
设计
设计
快速成形 去除加工
铸造 锻压 焊接
模具
模具
图2-2a 快速成型机床及快速成型件
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第二节 高速加工和精密超精密加工
一、 高速加工 （一）概述
1931年德国切削物理学家C.J.Salomom在“高速切削原理”一文 中给出了著名的“Salomom曲线”——对应于一定的工件材料存在一 个临界切削速度，此点切削温度最高，超过该临界值，切削速度增加， 切削温度反而下降。
快速加工技术的主要持点： 能直接由三维CAD模型制造形状复杂的原型，缩短了产品 开发周期，降低了生产成本．使产品能迅速投入市场。 可制造任意复杂的高精度零件，而无需任何工具。 它是创造性设计的有效工具，也能比较容易制造出试验模 型，可在加工生产前找出设计中存在的不足之处，并迅速加 以修改。
快速成型技术在应用中存在的问题：系统造价昂贵、运行 费用高，加工用材价格偏高，能够处理的材料种类有限，与 CAD系统的接口尚无通用格式。
一般认为高速加工的速度范围是普通加工的5～10倍。 随着高速机床设备和刀具等关键技术领域的突破性进展，高 速加工的速度范围还会不断扩展。
2、高速加工的切削速度范围
➢ 高速加工切削速度范围因不同的工件材料而异，见图3-32
➢ 高速加工切削速度范围随加工方法不同也有所不同
◎车削： 700-7000 m/min ◎铣削：
如 从 加 工 方 法 的 角 度 ， 车 削 加 工 速 度 范 围 是 700 ～ 7000m/min，铣削加工速度范围是300～6000m/min，钻削加 工的速度范围是200～1100m/min， 150～360m/min。
从材料的角度，目前铝合金的高速切削范围是1500～ 5500m/min，铸铁的高速切削范围是750～4500m/min，普通 钢的高速切削范围是600～800m/min。
切削温度/℃
1600
1200
青铜
铸铁
800
钢
硬质合金980℃ Stelite合金850℃ 高速钢650℃
400
软铝
非铁金属
碳素工具钢450℃
0 切削不 切削适应区 适应区
600
1200
切削适应区
1800
2400
3000
切削速度v/(m/min)
图3-31 Salomon切削温度与切削速度曲线
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高速切削是个相对的概念，如果加工方法和切削材料不 同，高速切削的速度范围也就不同。
1、 高速加工定义
➢ 尚无统一定义，一般认为高速加工是指采用超硬材料的 刀具，通过极大地提高切削速度和进给速度，来提高材料 切除率、加工精度和加工表面质量的现代加工技术。 ➢ 以切削速度和进给速度界定：高速加工的切削速度和进 给速度为普通切削的5～10倍。 ➢ 以主轴转速界定：高速加工的主轴转速≥10000 r/min。 9
第七章 先进制造技术
本章要点
快速原型制造技术 高速加工和精密超精 密加工 微机械及其微细加工技术
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先进制造技术
• 在新产品的开发过程中，总是需要对 所设计的零件或整个系统在投入大量资金 组织加工或装配之前加工一个简单的例子 或原型。在准备制造和销售一个复杂的产 品系统之前，工作原型可以对产品设计进 行评价、修改和功能验证。
毛坯 （大于工件）
半成品
半成品
模具
工件
样品
a）
b）
图2-2 传统加工与快速成型比较
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快速成型技术是将计算机辅助制造、计算机数字控制、精 密伺服驱动、激光与材料技术于一体的现代技术。其基本思 路起源于三维实体被切成一系列连续切片的逆过程．即只需 用三维的制造方法制作成一系的薄切片．便可堆积成所需的 三维零件。
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零件成形方法
➢ 材料成形法——进入工艺过程物料初始重量近似等于 加工后最终重量。如铸造、压力加工、粉末冶金、注塑 成形等，这些方法多用于毛坯制造，但也可直接成形零 件。
➢ 材料去除法——零件的最终几何形状局限在毛坯的初 始几何形状范围内，零件形状的改变是通过去除一部分 材料，减少一部分重量来实现的。如切削与磨削，电火 花加工、电解加工等特种加工等。