【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 81 RPM技術(shù)的應(yīng)用 ◆ 實(shí)例 2：藝術(shù)模型 快速原型制造技術(shù)發(fā)展趨勢(shì) 快速原型制造技術(shù) 發(fā)展趨勢(shì) RPM發(fā)展趨勢(shì) 一、研制更適合于 RPM的新型材料 二、面向制造的 RPM 三、 RPM技術(shù)的智能化、桌面化和網(wǎng)絡(luò)化 四、功能強(qiáng)大的 RPM軟件的開發(fā) 五、生物制造和生長(zhǎng)成形 研制更適合于 RPM的新型材料 ? 目前商業(yè)化應(yīng)用的成形材料有：丙烯酸基光固化樹脂、環(huán)氧基光固化樹脂、涂覆紙、纖維混紡料、精鑄石蠟、聚脂石蠟、 ABS、 MABS、纖細(xì)尼龍、尼龍復(fù)合物 (NylonComposite)、聚碳酸脂 (Polycarbonate)、金屬粉末、覆膜陶瓷粉等。 ? 用于快速模具制造和功能零件的 材料 還不成熟，強(qiáng)度、精度、性能和壽命方面還達(dá)不到使用要求。 ? 以材料科學(xué)、有機(jī)化學(xué)等為基礎(chǔ)，研究開發(fā)性能相當(dāng)甚至超過(guò)金屬材料的復(fù)合材料、陶瓷材料，與醫(yī)學(xué)、生物學(xué)結(jié)合開發(fā)具有活性的生物材料，用快速原型技術(shù)制造人體內(nèi)臟器官或四肢以輔助醫(yī)療診斷和外科手術(shù)等都已成為 RPM發(fā)展方向。 面向制造的 RPM ① 研究新的成形工藝和完善現(xiàn)有的制造工藝 ② 與傳統(tǒng)的制造工藝結(jié)合，形成快速的產(chǎn)品開發(fā) /制造系統(tǒng) ③ 提高制造精度和表面質(zhì)量 ④ 提高制造速度 RPM技術(shù)的智能化、桌面化和網(wǎng)絡(luò)化 研究加工參數(shù)的智能設(shè)定可降低操作人員對(duì)經(jīng)驗(yàn)的依賴，穩(wěn)定加工的質(zhì)量。適當(dāng)引入人工智能（ AI）和專家系統(tǒng)，自動(dòng)選擇出最佳的工藝參數(shù)。此外智能選擇系統(tǒng)可根據(jù)用戶的需求，綜合考慮各項(xiàng)指標(biāo)，選擇出最適合用戶要求的低成本、短周期、材料適宜的 RPM系統(tǒng)?？傊悄芑?RPM技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。 ? 桌面化 ? 網(wǎng)絡(luò)化：遠(yuǎn)程設(shè)計(jì)和制造，全球協(xié)作。 功能強(qiáng)大的 RPM軟件的開發(fā) 隨著 RPM技術(shù)的不斷發(fā)展，軟件所面臨的問(wèn)題日益突出，特別是 STL文件自身的缺陷和不足，所以開發(fā)一種功能強(qiáng)大且具備 RPM數(shù)據(jù)處理 （分層處理）方法的應(yīng)用軟件尤顯重要。 軟件可以將目前平面等厚的分層方式拓寬為曲面分層、非均勻分層或直接從曲面模型中分層，此外可采用更精確、快速的數(shù)學(xué)算法來(lái)提高成形精度。 五、生物制造和生長(zhǎng)成形 ? 生物制造是將生物技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)和制造科學(xué)相互結(jié)合從而解決人類的健康保健問(wèn)題。研究的是如何制造能夠改變或復(fù)現(xiàn)生命體或者一部分功能的“生命零件”。 五、生物制造和生長(zhǎng)成形 ? 快速原型非常適合生物制造的要求： ? 1）“生物零件”應(yīng)該為每個(gè)個(gè)體的人設(shè)計(jì)和制造，快速原型能夠提供個(gè)性服務(wù)，成形任意復(fù)雜的形狀； 2） RP能夠直接操縱材料狀態(tài)，使之與物理位置匹配； 3） RP能夠直接操縱數(shù)字化的材料單元，為信息直接轉(zhuǎn)換成物理實(shí)現(xiàn)提供最快的方式。 先進(jìn)切削 技術(shù) 89 90 第 3章 先進(jìn)制造工藝 Advanced Manufacturing Process 課程 “ 先進(jìn)制造技術(shù) ” 先進(jìn)切削 技術(shù) Advanced Machining Technology 91 概述 ◆ 超精密加工技術(shù)是指被加工零件的尺寸精度高于 ，表面粗糙度 Ra在 之間 ， 以及所用機(jī)床定位精度的分辨率和重復(fù)性高于 的加工技術(shù) ， 亦稱之為亞微米級(jí)加工技術(shù) ， 且正在向納米級(jí)加工技術(shù)發(fā)展 。 目前 ，超精密加工從單一的 金剛石車削 ， 到現(xiàn)代的 超精密磨削 、研磨 、 拋光 等多種方法的綜合運(yùn)用 ， 已成為現(xiàn)代制造技術(shù)中的一個(gè)重要組成部分 。 超精密加工技術(shù)主要包括 :超精密加工的機(jī)理 ， 超精密加工的設(shè)備制造技術(shù) ， 超精密加工工具及刃磨技術(shù) ， 超精密測(cè)量技術(shù)和誤差補(bǔ)償技術(shù) ， 超精密加工工作環(huán)境等 。 超精密加工技術(shù)的概念 超精密加工的發(fā)展 92 圖 31 精密加工與超精密加工的發(fā)展 普通加工 精密加工 超精密加工 超高精密磨床 超精密研磨機(jī) 離子束加工 分子對(duì)位加工 車床 ,銑床 卡尺 加工設(shè)備 測(cè)量?jī)x器 精密車床 磨床 百分尺 比較儀 坐標(biāo)鏜床 坐標(biāo)磨床 氣動(dòng)測(cè)微儀 光學(xué)比較儀 金剛石車床 精密磨床 光學(xué)磁尺 電子比較儀 超精密磨床 精密研磨機(jī) 激光測(cè)長(zhǎng)儀 圓度儀輪廓儀 激光高精度測(cè)長(zhǎng)儀 掃描電鏡 電子線分析儀 加工誤差（μm） 100 101 102 102 101 103 1900 1920 1940 1960 1980 2023 年份 概述 93 結(jié)合加工 分類 加工機(jī)理 加工方法示例 去除加工 電物理加工 電火花加工（電火花成形，電火花線切割） 電化學(xué)加工 電解加工、蝕刻、化學(xué)機(jī)械拋光 力學(xué)加工 切削、磨削、研磨、拋光、超聲加工、噴射加工 熱蒸發(fā)（擴(kuò)散、溶解） 電子束加工、激光加工 附著加工 注入加工 化學(xué) 化學(xué)鍍、化學(xué)氣相沉積 電化學(xué) 電鍍、電鑄 熱熔化 真空蒸鍍、熔化鍍 化學(xué) 氧化、氮化、活性化學(xué)反映 電化學(xué) 陽(yáng)極氧化 熱熔化 摻雜、滲碳、燒結(jié)、晶體生長(zhǎng) 力物理 離子注入、離子束外延 連續(xù)加工 熱物理 激光焊接、快速成形 化學(xué) 化學(xué)粘接 變形加工 熱流動(dòng) 精密鍛造、電子束流動(dòng)加工、激光流動(dòng)加工 粘滯流動(dòng) 精密鑄造、壓鑄、注塑 分子定向 液晶定向 表 32 精密與超精密加工分類 概述 94 ? 直接式進(jìn)化加工 ：利用低于工件精度的設(shè)備 、 工具 ，通過(guò) 工藝手段和特殊工藝裝備 ， 加工出所需工件 。 適用于單件 、 小批生產(chǎn) 。 ? 間接式進(jìn)化加工 ：借助于直接式 “ 進(jìn)化 ” 加工原則 ，生產(chǎn)出第二代工作母機(jī) ， 再用此工作母機(jī)加工工件 。 適用于批量生產(chǎn) 。 ◆ “ 進(jìn)化”加工原則 背吃刀量小于晶粒大小 ， 切削在晶粒內(nèi)進(jìn)行 ， 與傳統(tǒng)切削機(jī)理完全不同 。 ◆ 微量切削機(jī)理 ◆ 特種加工與復(fù)合加工方法應(yīng)用越來(lái)越多 傳統(tǒng)切削與磨削方法存在加工精度極限 ， 超越極限需采用新的方法 。 ? 精密與超精密加工特點(diǎn) 概述 95 要達(dá)到加工要求 ， 需綜合考慮工件材料 、 加工方法 、 加工設(shè)備與工具 、 測(cè)試手段 、 工作環(huán)境等諸多因素 ， 是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程 ， 難度較大 。 ◆ 形成綜合制造工藝 廣泛采用計(jì)算機(jī)控制 、 適應(yīng)控制 、 在線檢測(cè)與誤差補(bǔ)償技術(shù) ， 以減小人的因素影響 ， 保證加工質(zhì)量 。 ◆ 與自動(dòng)化技術(shù)聯(lián)系緊密 精密與超精密加工設(shè)備造價(jià)高 ， 難成系列 。 常常針對(duì)某一特定產(chǎn)品設(shè)計(jì) （ 如加工直徑 3m射電天文望遠(yuǎn)鏡的超精密車床 ， 加工尺寸小于 1mm微型零件的激光加工設(shè)備 ） 。 ◆ 與高新技術(shù)產(chǎn)品緊密結(jié)合 ◆ 加工與檢測(cè)一體化 精密檢測(cè)是精密與超精密加工的必要條件 ， 并常常成為精密與超精密加工的關(guān)鍵 。 概述 金剛石超精密加工技術(shù) 96 ? 切削在晶粒內(nèi)進(jìn)行 ? 切削力＞原子結(jié)合力 （ 剪切應(yīng)力達(dá) 13000 N/ mm2） ? 刀尖處溫度 極高 ， 應(yīng)力極大 ， 普通刀具難以承受 ? 高速切削 （ 與傳統(tǒng)精密切削相反 ） ， 工件變形小 ， 表層高溫不會(huì) 波及工件內(nèi)層 ， 可獲得高精度和好表面質(zhì)量 ? 用于銅 、 鋁及其合金精密切削 （ 切鐵金屬 ， 由于親合作用 ， 產(chǎn)生 “ 碳化磨損 ” ， 影響刀具壽命和加工質(zhì)量 ） ? 加工各種 紅外光學(xué) 材料如鍺 、 硅 、 ZnS和 ZnSe等 ? 加工有機(jī)玻璃和各種塑料 ? 典型產(chǎn)品：光學(xué)反射鏡 、 射電望遠(yuǎn)鏡主鏡面 、 大型投影電視屏幕 、 照像機(jī)塑料鏡片 、 樹脂隱形眼鏡鏡片等 ◆ 應(yīng)用 ◆ 機(jī)理、特點(diǎn) 金剛石超精密加工技術(shù) 97 ★ 加工設(shè)備 ? 要求高精度 、 高剛度 、良好穩(wěn)定性 、 抗振性及數(shù)控功能等 。 ◆ 關(guān)鍵技術(shù) 圖 32 Moore金剛石車床 回轉(zhuǎn)工作臺(tái) 工件 刀具 主軸 傳動(dòng)帶 主軸電機(jī) 空氣墊 刀具夾持器 ?如美國(guó) Moore公司 M18AG金剛石車床 ， 主軸采用 空氣靜壓軸承 ，轉(zhuǎn)速 5000轉(zhuǎn) /分 ， 徑跳＜； 液體靜壓導(dǎo)軌 ，直線度達(dá) ；數(shù) 控 系 統(tǒng) 分 辨 率 μm。 金剛石超精密加工技術(shù) 98 車床主軸裝在橫向滑臺(tái)（ X軸）上，刀架裝在縱向滑臺(tái)（ Z軸）上?？山鉀Q兩滑臺(tái)的相互影響問(wèn)題，而且縱、橫兩移動(dòng)軸的垂直度可以通過(guò)裝配調(diào)整保證，生產(chǎn)成本較低，已成為當(dāng)前金剛石車床的主流布局。 圖 33 T形布局的金剛石車床 X軸滑臺(tái)主軸刀架光路護(hù)罩基座z軸滑臺(tái)周緣護(hù)板? T形布局（圖 33） 金剛石超精密加工技術(shù) 99 ? 金剛石車床主要性能指標(biāo)（表 75） 數(shù)控系統(tǒng)分辯率 /μm 400 200 5000～ 10000 5000 0. 1～ ≤0. 2/100 ≤0. 1 ≤0. 1 ≤1/150 ≤2/100 徑向 1140 軸向 1020 640 720 最大車削直徑和長(zhǎng)度 /mm 最高轉(zhuǎn)速 r/mm 最大進(jìn)給速度 mm /min 重復(fù)精度 (177。 2σ) / μ m 主軸徑向圓跳動(dòng) / μ m 滑臺(tái)運(yùn)動(dòng)的直線度 / μ m 主軸前靜壓軸承（ φ100mm）的剛度 /（ N/μm） 主軸后靜壓軸承（ φ80mm）的剛度 /（ N/μm） 縱橫滑臺(tái)的靜壓支承剛度 /（ N/μm） 表 75 金剛石車床主要性能指標(biāo) 主軸軸向圓跳動(dòng) / μ m 橫滑臺(tái)對(duì)主軸的垂直度 / μ m 金剛石超精密加工技術(shù) 100 ◆ 金剛石刀具 ? 超精切削刀具材料： 天然金剛石，人造單晶金剛石 ? 金剛石的晶體結(jié)構(gòu)：規(guī)整的單晶金剛石晶體有八面體 、十二面體和六面體 ， 有三根 4次對(duì)稱軸 ， 四根 3次對(duì)稱軸和六根 2次對(duì)稱軸 （ 圖 34） 。 a） 4 次對(duì)稱軸和（ 100）晶面 L4 （ 100） （ 110） L2 L3 （ 111） b） 2 次對(duì)稱軸和（ 110）晶面 c） 3 次對(duì)稱軸和（ 111）晶面 圖 34 八面體的晶軸和鏡晶面 金剛石超精密加工技術(shù) 101 ? 金剛石晶體的面網(wǎng)距和解理現(xiàn)象 ◎ 金剛石晶體的（ 111）晶面面網(wǎng)密度最大，耐磨性最好。 ◎ （ 100）與（ 110）面網(wǎng)的面間距分布均勻；（ 111）面網(wǎng)的面間距一寬一窄（圖 35） 圖 35 （ 111）面網(wǎng) C原子分布和解理劈開面 劈開面 ◎ 在距離大的 （ 111）面之間 ， 只需擊破一個(gè)共價(jià)鍵就可以劈開 ， 而在距離小的 （ 111） 面之間 ， 則需擊破三個(gè)共價(jià)鍵才能劈開 。 ◎ 在兩個(gè)相鄰的加強(qiáng)（ 111） 面之間劈開 ，可得到很平的劈開面 ，稱之為 “ 解理 ” 。 金剛石超精密加工技術(shù) 102 ? 金剛石刀具刃磨 — 通常在鑄鐵研磨盤上進(jìn)行研磨 — 晶向選擇應(yīng)使晶向與主切削刃平行 — 圓角半徑越小越好 （ 理論可達(dá)到 1nm） 單晶金剛石 45 12 A A 6 6 AA 35 R R= ～ 5 B 1 6 BB 110 ～ 120 R R= ～ B 0 0 0 0 0 0 0 0 0 圖 36 金剛石刀具角度 ?金剛石刀具角度 （ 圖 36） 金剛石超精密加工技術(shù) 103 金剛石車床 加工 圖 37 金剛石車床及其加工照片 金剛石超精密加工技術(shù) 超硬磨料砂輪超精密磨削 104 ◆ 砂輪材料： 金剛石，立方氮化硼（ CBN） ? 可加工各種高硬度 、 高脆性金屬及非金屬材料 （ 鐵金屬用 CBN） ? 耐磨性好 ， 耐用度高 ， 磨削能力強(qiáng) ， 磨削效率高 ? 磨削力小 ， 磨削溫度低 ， 加工表面好 ◆ 特點(diǎn)： ? 分整形與修銳（去除結(jié)合劑，露出磨粒）兩步進(jìn)行 ? 常用方法 — ① 用