特种加工技术

近年来开发的较为成熟的用于SLS工艺的材料如表8-1所示。
为了提高原型的强度，用于SLS工艺材料的研究 转向金属和陶瓷，这也正是SLS工艺优越于SL、 LOM工艺之处。 近年来，金属粉末的制取越来越多地采用雾化 法。主要有两种方式：离心雾化法和气体雾化法。 它们的主要原理是使金属熔融，高速将金属液滴 甩出并急冷，随后形成粉末颗粒。 SLS工艺还可以采用其他粉末，比如聚碳酸脂 粉末，当烧结环境温度控制在聚碳酸脂软化点附 近时，其线胀系数较小，进行激光烧结后，被烧 结的聚碳酸脂材料翘曲较小，具有很好的工艺性 能。
三、SLS选择性激光粉末烧结成形设备和应用 此类国产设备有华中科技大学研制的HRPS型系列激光 粉末烧结系统和清华大学研制的 AFS —300型激光快速成 形机。图8-4为两种激光粉末烧结成形设备的外形。
图8-5为AFS — 300型激光选择性粉 末烧结快速成形机 的结构组成示意图。 机械结构主要由基 架、工作台、铺粉 机构、两个活塞缸、 集料箱、加热灯和 通风除尘装置组成。
图8-6为激光烧结成形 机光路系统的主要组成部 件，有：激光器、反射镜、 扩束聚焦系统、扫描器、 光束合成器、指示光源。 其中的激光器为最大输出 功率为50W的CO2激光器， 扫描器由两个相互垂直的 反射镜组成。每个反射镜 有一个振动电动机驱动， 激光束先入射到X镜，从X 镜反射到Y镜，再由Y镜反 射到加工表面，电动机驱 动反射镜振动，同时激光 束在有效视场内扫描。
X、Y方向工作台主要完成聚焦镜头在液面上的二维精 确扫描，实现每一层的固化。采用步进电动机驱动、精密 同步带传动、精密导轨导向的运动方式，如图8-2c所示。 光学系统的光源采用紫外汞氙灯，用椭圆面反射罩实 现第一次反射聚焦，聚焦后经光纤耦合传导，再经透镜实 现二次聚焦，最后将光照射到树脂液面上，光路原理如图 8-2d所示。 光敏树脂液相固化成形的应用有很多方面，可直接制 作各种树脂功能件，用作结构验证和功能测试；可制作比 较精细和复杂的零件；可制造出有透明效果的制件；制作 出来的原型件可快速翻制各种模具，如硅橡胶模、金属冷 喷模、陶瓷模、合金模、电铸模、环氧树脂模和气化模等。
第八章 快速成形技术
20世纪80年代后发展起来的快速成形技术（Rapid Protoyping简称RP），被认为是近20年来制造领域的一次 重大突破，其对制造业的影响可与20世纪50-60年代的数 控技术相比。快速成形技术综合了机械工程、CAD、数控 技术、激光技术及材料科学技术，可以自动、直接、快速、 精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造 零件，从而可以对产品设计进行快速评估、修改及功能试 验，大大缩短了产品的研制周期。而以RP系统为基础发展 起来并已成熟的快速工装模具制造、快速精铸技术则可实 现零件的快速制造。它是基于一种全新的制造概念——增 材加工法。由于CAD技术和光、机、电控制技术的发展， 这种新型的样件制造工艺就日益在生产中获得应用。
第二节 选择性激光粉末烧结成形
选择性激光粉末烧结成形（SLS—Selected Laser Sintering）工艺又称为选区激光烧结，有 美国德克萨斯大学奥汀分校的C.R.Decgard于1989 年研制成功。该方法已被美国DTM公司商品化。 一、选择性激光粉末烧结成形—SLS工艺原理 SLS工艺是利用粉末材料（金属粉末或非金属 粉末）在激光照射下烧结的原理，在计算机控制 下层层堆积成形。
第二节 特种加工的分类
特种加工的分类还没有明确的规定,一般按能 量来源和作用形式及加工原理可分为表1-1所示的 形式.
在发展过程中也形成了某些介于常规机械加工和特种 加工工艺之间的过渡性工艺。例如在切削过程中引入的超 声振动或低频振动切削,在切削过程中通以低电压大电流 的导电切削、加热切削以及低温切削等。这些加工方法是 在切削加工的基础上发展起来的,目的是改善切削的条件, 基本上还属于切削加工。 在特种加工范围内还有一些属于减小表面粗糙度值或 改善表面性能的工艺,前者如电解抛光、化学抛光、离子 束抛光等,后者如电火花表面强化、镀覆、刻字,激光表面 处理、改性,电子束暴光,离子镀、离子束注入掺杂等。 随着半导体大规模集成电路生产发展的需要,上述提到 的电子束、离子束加工,就是近年来提出的超精微加工,即 所谓原子、分子单位的纳米加工方法。 此外,还有一些不属于尺寸加工的特种加工,如液中放 电成形加工、电磁成形加工、爆炸成形加工及放电烧结等 等,本书中未予阐述。
SL方法是目前RP技术领域中研究得最多 的方法，也是技术上最为成熟的方法。RP 工艺成形的零件精度较高。多年的研究改 进了截面扫描方式和树脂成形性能，使该 工艺的精度能达到或小于0.1mm。
二、特点和成形材料 这种方法的特点是精度高表面质量好、原材料 利用率将近100%，能制造形状特别复杂（如空心 零件）、特别精细（如首饰、工艺品等）的零件。 制作出来的原型件，可快速翻制各种模具。 SL工艺的成形材料称为光固化树脂（或称光敏 树脂），光固化树脂可以分为三类：自由基光固 化树脂、阳离子光固化树脂和混杂型光固化树脂。 自由基光固化树脂、阳离子光固化树脂和混杂 型光固化树脂各有许多优点，目前的趋势是使用 混杂型光固化树脂。
图8-1为SL工艺原理图。液槽中 盛满液态光敏树脂，激光束在偏 转镜作用下，在液体表面上扫描 到的地方，液体就固化。成形开 始时，工作平台在液面下一个确 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。当一层扫描完成后， 未被照射的地方仍是液态树脂。 然后升降台带动平台下降一层高 度（约0.1mm），已成型的层面上 又布满一层液态树脂，刮平器将 粘度较大的树脂液面刮平，然后 在进行下一层的扫描，新固化的 一层牢固地粘在前一层上，如此 重复，直到整个零件制造完毕， 得到一个三维实体原型。
我国于20世纪90年代初先后有武汉华中科技大学快速 制造中心，陕西省激光快速成形与模具制造工程研究中心、 西安交通大学先进制造技术研究所，北京隆源自动成型系 统有限公司，北京清华大学殷华实业有限公司等在快速成 形工艺研究、成形设备开发、数控处理及控制软件、新材 料的研发等方面做了大量卓有成效的工作，赶上了世界发 展的步伐并有所创新，现都已开发研制出系列化的快速成 形商品化设备可供订购，并定期举办快速成形技术培训班。 我国中国机械工程学会下属的特种加工学会，于2001年增 设了快速成形专业委员会，开展快速成形技术的普及和提 高工作。 在众多的快速成形工艺中，具有代表性的工艺是：光 敏树脂液相固化成形、选择性粉末烧结成形、薄片分层叠 加成形和熔丝堆积成形等4种。以下对这些典型工艺的原 理、特点等分别进行阐述。
SLS工艺的特点是材料适应面广，不仅能制造塑料零件， 还能制造陶瓷、石蜡等材料的零件。特别是可以直接制造 金属零件，这使SLS工艺颇具吸引力。 另一特点是SLS工艺无需加支撑，因为没有被烧结的粉 末起到了支撑的作用。因此可以烧结制造空心、多层缕空 的复杂零件。 SLS烧结成形用的材料，早期采用蜡粉及高分子塑料粉， 用金属或陶瓷粉进行粘接或烧结的工艺也已达到实用阶段。 任何受热粘结的粉末都有被用作SLS原材料的可能性，原 则上这包括了塑料、陶瓷、金属粉末及它们的复合粉。
GRS快速成型机采用普通紫外光源,通过光纤将经过一次聚焦后的普 通紫外光导入透镜,经过二次聚焦后,照射在树脂液面上.二次聚焦镜夹 持在二维数控工作台上,实现X-Y二维扫描运动,配合Z轴升降运动,从而 获得三维实体. Z轴升降工作台主要完成托板的升降运动.在制作过程中,进行每一 层的向下步进,制作完成后,工作台快速提升出树脂液面,以方便零件的 取出.其运动形式采用步进电动机驱动,导轨导向的形式,以保证Z向的运 动精度.结构包括步进电动机、滚珠丝杠副、导轨副、吊梁、托板、立 板,如图8-2b所示.
如图8-3所示，此法采用CO2激 光器做能源，目前使用的造型材 料多为各种粉末材料。在工作台 上均匀铺上一层很薄（0.10.2mm）的粉末，激光束在计算 机控制下按照零件分层轮廓有选 择性地进行烧结，一层完成后再 进行下一层烧结。全部烧结完成 后去掉多余的粉末，再进行打磨、
烧干等处理便获得零件。
二、特点和成形材料
本课程主要讲述电火花、电解、电解磨、 激光、超声、电子束、离子束等加工方法 的基本原理、基本设备、主要特点及适用 范围,表1-2为上述特种加工方法的综合比 较。
第三节 特种加工对材料可加工性和结构工艺 性等的影响
由于上述各种特种加工工艺的特点以及逐渐广泛的应 用,引起了机械制造工艺技术领域内的许多变革,例如对① 材料的可加工性②工艺路线的安排;③新产品的试制过程; ④产品零件设计的结构;⑤零件结构工艺性好、坏的衡量 标准等产生了一系列影响。 （1）提高了材料的可加工性 （2）改变了零件的典型工艺路线 （3）特种加工改变了试制新产品的模式 （4）特种加工对产品零件的结构设计带来很大的影响 （5）对传统的结构工艺性的好与坏,需要重新衡量
X镜Y镜分别驱使光点在X方向和Y方向扫描，扫描角度 通过微机接口进行数控，这样可使光点精密定位在电视场 内任一位置。扫描振镜的全扫描角（光学角）为400，电 视场的线性范围要由扫描半径确定，光点的定位精度可达 全电视场的1/65535。 指示光源—由于加工用的激光束是不可见光，这样不 便于调试和操作。用一个可见光束与激光束会并在一起， 可在调试时清晰看见激光光路，便于各光学元件的定心和 调整。 SLS激光粉末烧结的应用范围与SL工艺类似，可直接制 作各种高分子粉末材料的功能件，用作结构验证和功能测 试，并可用于装配样机。制件可直接作精密铸造用的蜡模 和砂型、型芯，制作出来的原型件可快速翻制各种模具， 如硅橡胶模、金属冷喷模、陶瓷模、合金模、电铸模、环 氧树脂和气化模等。
第一章 概论 第八章 快速成形技术
第一章 概论
第一节 特种加工的产生及发展 第二节 特种加工的分类 第三节 特种加工对材料可加工性和 工艺性等的影响

结构
第一节 特种加工的产生及发展
机械部门新的要求: （1）解决各种难切削材料的加工问题 如硬质合金、钛 合金、耐热钢、不锈钢、淬火钢、金刚石、宝石、石英以 及锗、硅等各种高硬度、高强度、高韧性、高脆性的金属 及非金属材料的加工。 （2）解决各种特殊复杂表面的加工问题 如喷气涡轮机 叶片、整体涡轮、发动机机匣和锻压模和注射模的立体成 型表面,各种冲模、冷拔模、上特殊截面的型孔，炮管内 膛线,喷油嘴、栅网、喷丝头上的小孔、窄缝等的加工。 （3）解决各种超精、光整或具有特殊要求的零件的加工 问题 如对表面、质量和精度要求很高的航天、航空陀螺 仪、伺服阀，以及细长轴、薄壁零件、弹性元件等底刚度 零件的加工。