第七章先进制造技术第一、二、三节

第一节 快速原型制造技术（RPM） 快速原型制造技术（RPM）
◆ 快速原型制造 （ Rapid Photograph Manufacturing — 快速原型制造（ RPM），又称“快速成形技术”（ Rapid Photograph — ） 又称“快速成形技术” RP）或“分层制造”（Layer Manufacturing — LM）， 分层制造” ） ） 世纪80年代后期迅速发展起来的一种新型制造技术 是20世纪 年代后期迅速发展起来的一种新型制造技术。 世纪 年代后期迅速发展起来的一种新型制造技术。 ◆ 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 ） 计算机数控（ ） 精密伺服驱动、 料等先进技术集于一体， 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。 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 按照这些轮廓，激光束选择性地切割一层层的箔材（ 固化一层层的液态树脂，或烧结一层层的粉末材料） 固化一层层的液态树脂，或烧结一层层的粉末材料），或 喷射源选择性地喷射一层层的粘结剂或热熔材料等， 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） 一个个薄层，并逐步迭加成三维实体（见图 ）。 4
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 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 Salomom在 高速切削原理” 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 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， 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。 切削温度反而下降。
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1600
切削温度/℃
钢
1200
铸铁 青铜 硬质合金980℃ Stelite合金0℃
400
非铁金属 软铝
0
600
1200
1800
2400
3000
切削不 切削适应区 适应区
切削适应区
切削速度v/(m/min)
图3-31 Salomon切削温度与切削速度曲线
加工时间
图3-35 采用高速加工缩短模具制作周期（日产汽车公司）
★ 对于复杂型面模具， 模具精加工费用往往占到模具总 对于复杂型面模具 模具， 费用的50%以上。采用高速加工可使模具精加工费用大大 以上。 费用的 以上 减少，从而可降低模具生产成本。 减少，从而可降低模具生产成本。
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超高速切削已用于加工多种零件， 超高速切削已用于加工多种零件，下图是几种加工零件实 可见多种不同材料的复杂结构零件， 例，可见多种不同材料的复杂结构零件，包含自由曲面的零件 都已可用高速切削技术加工。 等，都已可用高速切削技术加工。航空工业中的大型铝合金机 使用超高速铣削，提高了加工效率，效果非常明显。 架，使用超高速铣削，提高了加工效率，效果非常明显。
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电极制造
1毛坯 → 2粗铣 → 3半精铣 → 4热处理 →5电火花加工→6精铣 →7手工磨修 a）传统模具加工的过程
1硬化毛坯→ 2粗铣
→ 3半精铣 → 4精铣 →5手工磨修
b）高速模具加工的过程
图3-34 两种模具加工过程比较
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10 1
粗加工 传统加工方法 精加工
0.1 手工精修 0.01 0.001 高速切削 少量手工精修 100 %
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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、 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。 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． 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． 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。 三维零件。 快速加工技术的主要持点： 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 模型制造形状复杂的原型， 能直接由三维 模型制造形状复杂的原型 开发周期，降低了生产成本．使产品能迅速投入市场。 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。 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， 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 可在加工生产前找出设计中存在的不足之处， 以修改。 以修改。 快速成型技术在应用中存在的问题：系统造价昂贵、 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， 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。 系统的接口尚无通用格式。 系统的接口尚无通用格式
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高速切削是个相对的概念， 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。 高速切削的速度范围也就不同。 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 300～ m/min， 7000m/min， 铣削加工速度范围是 300 ～ 6000m/min ， 钻削加 m/min 工的速度范围是200～1100m/min 磨削加工的速度范围是 m/min， 工的速度范围是200～1100m/min，磨削加工的速度范围是 200 150～360m/min。 150～360m/min。 m/min 从材料的角度， 目前铝合金的高速切削范围是1500 1500～ 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 750～ m/min， 5500m/min， 铸铁的高速切削范围是 750 ～ 4500m/min ， 普通 m/min 钢的高速切削范围是600～800m/min。 钢的高速切削范围是600～800m/min。 600 m/min 一般认为高速加工的速度范围是普通加工的5 10倍 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， 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。 速加工的速度范围还会不断扩展。
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高速加 工实例
高速加工切削条件
加工零件示意图
毛坯材料 使用刀具 主轴转速 (r/min) 14000 进给速度 (mm/min) 2200
NAK 80 (HRC40)
Ø4 球头
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4、 高速加工的应用 、
航空航天： 航空航天： ◎带有大量薄壁、细筋的大型轻合金整体构件加工，材 带有大量薄壁、细筋的大型轻合金整体构件加工， 整体构件加工 料去除率达100-180cm /min。 料去除率达100-180cm3/min。 镍合金、钛合金加工，切削速度达200◎镍合金、钛合金加工，切削速度达200-1000 m/min 汽车工业： 汽车工业： ◎采用高速数控机床和高速加工中心组成高速柔性生产 实现多品种、 线，实现多品种、中小批量的高效生产 模具制造： 模具制造： ◎高速铣削代替传统的电火花成形加工，效率提高3-5倍 高速铣削代替传统的电火花成形加工，效率提高3 （图3 34，图3 （图3-34，图3-35 ）。 仪器仪表： 仪器仪表： ◎精密光学零件加工。
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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 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、 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， 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 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， 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， 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。 花加工、电解加工等特种加工等。 材料累加法—— 传统的累加方法有焊接 材料累加法 ——传统的累加方法有焊接 、 粘接或铆接 传统的累加方法有焊接、 通过不可拆卸连接使物料结合成一个整体， 等 ， 通过不可拆卸连接使物料结合成一个整体 ， 形成零 近几年才发展起来的快速原型制造技术（ 件 。 近几年才发展起来的快速原型制造技术（ RPM）， ） 3 是材料累加法的新发展。 是材料累加法的新发展。
铝合金 铜 铸铁 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
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3、 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 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). 能完成从毛坯至成品的全部加工工序