第一篇：精密模具工廠那些先進的加工設備與技術

精密模具工廠那些先進的加工設備與技術（來源：前沿數控技術）

精密模具的制造離不開那些先進的加工設備。模具制造的主要工藝有CNC銑削、慢走絲線切割、電火花、磨、車、測量、自動化等等。本文介紹了這些工藝的先進設備與技術，一起來看看吧。

一、CNC銑削加工

可以說塑膠模具制造行業的迅猛發展主要得益于CNC銑削技術的革新。從傳統的普通銑床到三軸加工中心，再發展到如今的五軸高速銑削，使得再怎么復雜的三維型面零件的加工幾乎都可成為現實，材料的硬度也不再是局限問題。塑膠模具的主要型腔、型面都由CNC銑削加工來完成。

高速銑加工采用小徑銑刀（典型刀具是整體硬質合金球頭銑刀，端銑刀和波紋銑刀），高轉速（主軸轉速可達40,000 rpm）、小周期進給量，使得生產效率大幅度提高，精度能穩定達到5μm；同時由于銑削力低，工件熱變形減少，銑削深度較小，而進給較快（直線電機，高達80m/min的快移速度，高達2g的加速度），表面光潔度可達 Ra<0.15 μm。高速銑可加工60HRC的淬硬模具鋼件，因此高速銑加工允許在熱處理以后再進行切削加工，使模具制造工藝大大簡化。

國外先進的CNC銑削設備制造商有瑞士GF加工方案、德國DMG、德國哈默、日本牧野、德國羅德斯、德國OPS、德國巨浪、德國因代克斯、日本山崎馬扎克、日本大偎、美國哈斯等等。

二、慢走絲線割加工

慢走絲線割加工主要用于各種沖模、塑料模、粉末冶金模等二維及三維直紋面零件的加工。其中加工沖壓模所占的比例要數最大，沖壓模的凸模、凸模固定板、凹模及卸料板等眾多精密型孔的加工，慢走絲線割加工是不可缺少的關鍵技術。在注塑模具制造中，常見應用有鑲件孔、頂針孔、斜頂孔、型腔清角及滑塊等加工，一般來說加工精度要求沒有沖壓模具那么高。

慢走絲加工是一種高精密的加工方法，高端的機床可達到小于3μm的加工精度，表面粗糙度可達Ra0.05μm。目前已可實現0.02～0.03㎜的電極絲的自動穿絲切割，實用的切割效率可達200㎜2/min左右。

國外先進的慢走絲設備制造商有瑞士GF加工方案、日本三菱、日本西部、日本沙迪克、日本牧野、日本法蘭克等等。

三、電火花加工

電火花加工適用于精密小型腔、窄縫、溝槽、拐角等復雜部件的加工。當刀具難于夠到復雜表面時，在需要深度切削的地方，在長徑比特別高的地方，電火花加工工藝優于銑削加工。對于高技術零件的加工，銑削電極再放電可提高成功率，相比高昂貴的刀具費用相比，放電加工更合適。另外，在規定了要作電火花精加工的地方，用電火花加工來提供火花紋表面。

在高速銑加工迅速發展的今天，電火花加工發展空間受到了一定的擠壓。在此同時，高速銑也給電火花加工帶來了更大的技術進步。如：采用高速銑來制造電極，由于狹小區域加工的實現和高質量的表面結果，讓電極的設計數量大大降低。另外用高速銑來制造電極也可以使生產效率提高到一個新的層次，并能保證電極的高精度，這樣使電火花加工的精度也提高了。如果型腔的大部分加工由高速銑來完成，則電火花加工只作為輔助手段去清角修邊，這樣留量更均勻、更少。

精密放電機在加工面積小于20平方厘米的情況下，可實現Ra<0.1μm的鏡面電火花加工，及實現均勻一致的亞光表面及各級紋面加工。對于微細零件，如連接器，可實現清角小于0.02mm、加工精度在5μm以內的結果。機床的工藝專家系統，針對大眾化的加工情況，智能生成的放電參數即可實現優異的加工結果，對于特殊、復雜零件的放電，提供了專用的工藝模塊，如IC、LED、連接器、大型腔、窄縫、RSM紋面等，這些優化的工藝是專家經驗的集成。在機床配以快速裝夾定位夾具與電極自動更換裝置的情況下，即可長時間的無人化自動放電加工。

國外先進的電火花加工設備制造商有瑞士GF加工方案、日本牧野、德國OPS、日本沙迪克、日本三菱、德國艾克索、西班牙歐納等等。

四、磨床加工

磨床是對零件表面進行精加工的精密設備，尤其是淬硬工件。模具加工使用的磨床主要是平面磨床、萬能內外圓磨床、坐標磨（PG光學曲線磨床）。

小平磨床主要用來加工小尺寸的模具零件，如精密鑲件、精密模仁、滑塊等。大水磨床常用于較大尺寸的模板加工?，F在，平面磨床砂輪線速度和工作臺運動高速化已成為普遍潮流，由于采用了直線導軌、直線電機、靜壓絲杠等先進的功能部件技術，運動速度有很大進步，另外還不斷完善了砂輪修整技術。磨頭的垂直進給量最小可達到0.1μm，磨削表面粗糙度Ra<0.05μm，加工精度可控制在1μm以內，實現了超精磨削加工。

國外先進的磨床設備制造商以斯來福臨集團為代表，它先后并購了許多世界頂級的磨床制造商，包括斯圖特(STUDER)、保寧(BLOHM)、美蓋勒(MAEGERLE)、瓊格(JUNG)公司、肖特(SCHAUD)、米克羅莎（MIKROSA)、伊瓦格(EWAG)和瓦爾特（WALTER）。斯來福臨旗下各知名企業生產不同種類的磨床，能提供全面的磨削解決方案。國內精密模具廠在平面磨削方面，大多使用日本的平面磨床，例如日本岡本磨床。

模具回轉體零件，并且精度要求高，表面光潔度要好的情況，甚至是復雜的曲面零件，就需要使用高精度外圓磨床來完成，比如瓶胚注塑模具的哈夫鑲塊零件。使用高速旋轉砂輪進行磨削加工，可加工硬度較高材料，如淬硬模具鋼、硬質合金等。瑞士斯圖特萬能內外圓磨床為中型單一部件和批量工件磨削所設計的，適用于為個性化需求定制方案（外圓磨削，非圓成型磨削，螺紋磨削，內圓磨削）。

光學曲線磨床可以磨削孔距精度很高的孔以及各種輪廓形狀。用繪圖儀配合加工，繪圖儀刻畫出所需加工的圖形在膠片上，膠片貼在投影幕上并校正，加工者將根據膠片上的成型來進行成型加工。光學投影研磨適合高硬度材料的成型研磨，例如材質為鎢鋼件或硬質合金的工件，偶爾也加工一些高速鋼工件。一般加工連接器沖模用刀口及沖頭，端子，精密的半行程沖子，下模入塊和脫料板入子等之類的工件。

比較有名的光學曲線磨床有瑞士HAUSER、美國MOORE、日本AMADA。日本AMADA光學曲線磨床機其主軸最高轉速可達到30000轉，加工的精度在2μm以內，加工的最小內R角為R0.03mm，外R角為R0.02mm，加工異形沖子最薄處可達到0.06mm，其加工的溝槽深徑比在2:1左右，表面粗糙度Ra可達0.025μm。

五、數控車床

數控車床也是模具車間常用的加工設備。其加工范圍是所有回轉體零件。由于數控技術的高度發展，復雜形狀的回轉體可以通過編程來簡易實現，并且機床可以自動更換刀具，大幅度提高了生產效率。數控車床的加工精度與制造技術日趨完善，甚至有以車代磨的趨勢。常用來加工模具中的圓形鑲件、撐頭、定位環等零件，在筆模、瓶口模具中應用廣泛。事實上，先進的數控車床其功能已不再局限于“車”，已拓展為車銑復合一體機床，一個復雜、多工序的零件，甚至可以一次性全部加工搞定。

國外先進的數控車削機床制造商有德國DMG、瑞士托納斯、日本山崎馬扎克、德國舒特、美國哈挺、美國哈斯等等。

六、測量

從模具設計初期所涉及的數字化測繪，到模具加工工序測量，到模具驗收測量和后期的模具修復測量，高精密測量設備發揮著重要的作用。主要有三坐標測量機、影像測量儀，還有適合大型模具現場測量的便攜式關節臂測量機等等。

三坐標檢測是檢驗工件的一種精密測量方法。運用三坐標測量機，基于空間點坐標的采集和計算，對工件進行形位公差的檢驗和測量，判斷該工件的誤差是不是在公差范圍之內。探測系統一般由測頭和接觸式探針構成，探針與被測工件的表面輕微接觸，獲得測量點的坐標。

在測量過程中，坐標測量機將工件的各種幾何元素的測量轉化為這些幾何元素上點的坐標位置，再由軟件根據相應幾何形狀的數學模型計算出這些幾何元素的尺寸、形狀、相對位置等參數。坐標測量機很容易與CAD連接，把測量結果實時反饋給設計及生產部門，借以改進產品設計或生產流程。三坐標檢測有時也運用到逆向工程設計。國外典型的設備制造商有瑞典海克斯康、德國蔡司、德國萊茲、日本三豐等等。

影像測量儀利用影像測頭采集工件的影像，通過數位圖像處理技術提取各種復雜形狀工件表面的坐標點，再利用坐標變換和資料處理技術轉換成坐標測量空間中的各種幾何要素，從而計算得到被測工件的實際尺寸、形狀和相互位置關系，可以對復雜的工件輪廓和表面形狀進行精密測量。典型的設備有瑞典?？怂箍怠⑷毡灸峥?、日本三豐等。

七、快速裝夾定位系統與自動化

以上介紹了六種模具制造的工藝。事實上，一個模具零件往往需要使用多種工藝才能得以制造完成。這個過程中，零件要進行不斷的裝夾與校正，花費了大量的時間，機床也是處于閑置狀態，昂貴的設備其加工能力并未得到充分的利用。隨著制造業領域的競爭日益激烈。更短的生產周期是這一發展趨勢。

國外的夾具制作商，采用一套穩定而精確的基準系統，實現了銑削、車、測量、電火花加工等工藝的統一基準互換，在機床上只需一分鐘左右快速完成電極的裝夾與找正，重復定位精度在3μm以內，最大限度地縮短了設定時間，大幅度提高了機床的實際運行時間。事實證明，這是現代化生產的一項必不可少的條件。

國外先進的快速裝夾定位系統制造商主要有瑞士GF加工方案System 3R夾具、瑞士EROWA夾具等等。

在使用了快速裝夾定位系統時，已經具備了自動化的基礎。先進的模具車間通過配備機器人與柔性系統管理軟件，形成了模具加工中心自動化單元。國外先進的制造商已開始從單純的設備提供商，發展為成套解決方案的供應商。從目前來看，無人化的模具制造成套方案還只能適應專業類模具制造廠商，對于品種繁多，各式各樣的復雜模具的制造，由于需要花費更多的前期預調與準備時間，還未得以很好的推廣，但自動化發展是一個趨勢，一定會有更完善的發展。

第二篇：超精密加工與超高速加工技術

超精密加工與超高速加工技術

一、技術概述

超高速加工技術是指采用超硬材料的刃具，通過極大地提高切削速度和進給速度來提高材料切除率、加工精度和加工質量的現代加工技術。

超高速加工的切削速度范圍因不同的工件材料、不同的切削方式而異。目前，一般認為，超高速切削各種材料的切速范圍為：鋁合金已超過1600m/min，鑄鐵為1500m/min，超耐熱鎳合金達300m/min，鈦合金達150-1000m/min，纖維增強塑料為2000-9000m/min。各種切削工藝的切速范圍為：車削700-7000m/min，銑削300-6000m/min，鉆削200-1100m/min，磨削250m/s以上等等。

超高速加工技術主要包括：超高速切削與磨削機理研究，超高速主軸單元制造技術，超高速進給單元制造技術，超高速加工用刀具與磨具制造技術，超高速加工在線自動檢測與控制技術等。

超精密加工當前是指被加工零件的尺寸精度高于0.1μ

m，表面粗糙度Ra小于0.025μ m，以及所用機床定位精度的分辨率和重復性高于0.01μ

m的加工技術，亦稱之為亞微米級加工技術，且正在向納米級加工技術發展。

超精密加工技術主要包括：超精密加工的機理研究，超精密加工的設備制造技術研究，超精密加工工具及刃磨技術研究，超精密測量技術和誤差補償技術研究，超精密加工工作環境條件研究。

二、現狀及國內外發展趨勢

1．超高速加工

工業發達國家對超高速加工的研究起步早，水平高。在此項技術中，處于領先地位的國家主要有德國、日本、美國、意大利等。

在超高速加工技術中，超硬材料工具是實現超高速加工的前提和先決條件，超高速切削磨削技術是現代超高速加工的工藝方法，而高速數控機床和加工中心則是實現超高速加工的關鍵設備。目前，刀具材料已從碳素鋼和合金工具鋼，經高速鋼、硬質合金鋼、陶瓷材料，發展到人造金剛石及聚晶金剛石（PCD）、立方氮化硼及聚晶立方氮化硼（CBN）。切削速度亦隨著刀具材料創新而從以前的12m/min提高到1200m/min以上。砂輪材料過去主要是采用剛玉系、碳化硅系等，美國G．E公司50年代首先在金剛石人工合成方面取得成功，60年代又首先研制成功CBN。90年代陶瓷或樹脂結合劑CBN砂輪、金剛石砂輪線速度可達125m/s，有的可達150m/s，而單層電鍍CBN砂輪可達250m/s。因此有人認為，隨著新刀具（磨具）材料的不斷發展，每隔十年切削速度要提高一倍，亞音速乃至超聲速加工的出現不會太遙遠了。

在超高速切削技術方面，1976年美國的Vought公司研制了一臺超高速銑床，最高轉速達到了20000rpm。特別引人注目的是，聯邦德國Darmstadt工業大學生產工程與機床研究所（PTW）從1978年開始系統地進行超高速切削機理研究，對各種金屬和非金屬材料進行高速切削試驗，聯邦德國組織了幾十家企業并提供了2000多萬馬克支持該項研究工作，自八十年代中后期以來，商品化的超高速切削機床不斷出現，超高速機床從單一的超高速銑床發展成為超高速車銑床、鉆銑床乃至各種高速加工中心等。瑞士、英國、日本也相繼推出自己的超高速機床。日本日立精機的HG400III型加工中心主軸最高轉速達36000-40000r/min，工作臺快速移動速度為36~40m/min。采用直線電機的美國Ingersoll公司的HVM800型高速加工中心進給移動速度為60m/min。

在高速和超高速磨削技術方面，人們開發了高速、超高速磨削、深切緩進給磨削、深切快進給磨削（即HEDG）、多片砂輪和多砂輪架磨削等許多高速高效率磨削，這些高速高效率磨削技術在近20年來得到長足的發展及應用。德國Guehring Automation公司1983年制造出了當時世界第一臺最具威力的60kw強力CBN砂輪磨床，Vs達到140-160m/s。德國阿享工業大學、Bremen大學在高效深磨的研究方面取得了世界公認的高水平成果，并積極在鋁合金、鈦合金、因康鎳合金等難加工材料方面進行高效深磨的研究。德國Bosch公司應用CBN砂輪高速磨削加工齒輪齒形，采用電鍍CBN砂輪超高速磨削代替原須經滾齒及剃齒加工的工藝，加工16MnCr5材料的齒輪齒形，Vs＝155m/s，其Q達到811mm3/mm.s，德國Kapp公司應用高速深磨加工泵類零件深槽，工件材料為100Cr6軸承鋼，采用電鍍CBN砂輪，Vs達到300m/s，其Q`＝140mm3/mm.s，磨削加工中，可將淬火后的葉片泵轉子10個一次裝夾，一次磨出轉子槽，磨削時工件進給速度為1.2m/min，平均每個轉子加工工時只需10秒鐘，槽寬精度可保證在2μ m，一個砂輪可加工1300個工件。目前日本工業實用磨削速度已達200m/s，美國Conneticut大學磨削研究中心，1996年其無心外圓高速磨床上，最高砂輪磨削速度達250m/s。

近年來，我國在高速超高速加工的各關鍵領域如大功率高速主軸單元、高加減速直線進給電機、陶瓷滾動軸承等方面也進行了較多的研究，但總體水平同國外尚有較大差距，必須急起直追。

2．超精密加工

超精密加工技術在國際上處于領先地位的國家有美國、英國和日本。這些國家的超精密加工技術不僅總體成套水平高，而且商品化的程度也非常高。

美國是開展超精密加工技術研究最早的國家，也是迄今處于世界領先地位的國家。早在50年代末，由于航天等尖端技術發展的需要，美國首先發展了金剛石刀具的超精密切削技術，稱為“SPDT技術”（Single Point Diamond Turning）或“微英寸技術”（1微英寸＝0.025μ m），并發展了相應的空氣軸承主軸的超精密機床。用于加工激光核聚變反射鏡、戰術導彈及載人飛船用球面非球面大型零件等等。如美國LLL實驗室和Y－12工廠在美國能源部支持下，于1983年7月研制成功大型超精密金剛石車床DTM－3型，該機床可加工最大零件?2100mm、重量4500kg的激光核聚變用的各種金屬反射鏡、紅外裝置用零件、大型天體望遠鏡（包括X光天體望遠鏡）等。該機床的加工精度可達到形狀誤差為28nm（半徑），圓度和平面度為12.5nm，加工表面粗糙度為Ra4.2nm。該機床與該實驗室1984年研制的LODTM大型超精密車床一起仍是現在世界上公認的技術水平最高、精度最高的大型金剛石超精密車床。

在超精密加工技術領域，英國克蘭菲爾德技術學院所屬的克蘭菲爾德精密工程研究所（簡稱CUPE）享有較高聲譽，它是當今世界上精密工程的研究中心之一，是英國超精密加工技術水平的獨特代表。如CUPE生產的Nanocentre（納米加工中心）既可進行超精密車削，又帶有磨頭，也可進行超精密磨削，加工工件的形狀精度可達0.1μ m，表面粗糙度Ra<10nm。

日本對超精密加工技術的研究相對于美、英來說起步較晚，但是當今世界上超精密加工技術發展最快的國家。日本的研究重點不同于美國，前者是以民品應用為主要對象，后者則是以發展國防尖端技術為主要目標。所以日本在用于聲、光、圖象、辦公設備中的小型、超小型電子和光學零件的超精密加工技術方面，是更加先進和具有優勢的，甚至超過了美國。

我國的超精密加工技術在70年代末期有了長足進步，80年代中期出現了具有世界水平的超精密機床和部件。北京機床研究所是國內進行超精密加工技術研究的主要單位之一，研制出了多種不同類型的超精密機床、部件和相關的高精度測試儀器等，如精度達0.025μ m的精密軸承、JCS－027超精密車床、JCS－031超精密銑床、JCS－035超精密車床、超精密車床數控系統、復印機感光鼓加工機床、紅外大功率激光反射鏡、超精密振動－位移測微儀等，達到了國內領先、國際先進水平。航空航天工業部三零三所在超精密主軸、花崗巖坐標測量機等方面進行了深入研究及產品生產。哈爾濱工業大學在金剛石超精密切削、金剛石刀具晶體定向和刃磨、金剛石微粉砂輪電解在線修整技術等方面進行了卓有成效的研究。清華大學在集成電路超精密加工設備、磁盤加工及檢測設備、微位移工作臺、超精密砂帶磨削和研拋、金剛石微粉砂輪超精密磨削、非圓截面超精密切削等方面進行了深入研究，并有相應產品問世。此外中科院長春光學精密機械研究所、華中理工大學、沈陽第一機床廠、成都工具研究所、國防科技大學等都進行了這一領域的研究，成績顯著。但總的來說，我國在超精密加工的效率、精度可靠性，特別是規格（大尺寸）和技術配套性方面與國外比，與生產實際要求比，還有相當大的差距。

超精密加工技術發展趨勢是：向更高精度、更高效率方向發展；向大型化、微型化方向發展；向加工檢測一體化方向發展；機床向多功能模塊化方向發展；不斷探討適合于超精密加工的新原理、新方法、新材料。21世紀初十年將是超精密加工技術達到和完成納米加工技術的關鍵十年。

三、“十五”目標及主要研究內容

1．目標

超高速加工到2005年基本實現工業應用，主軸最高轉速達15000r/min，進給速度達40-60m/min，砂輪磨削速度達100-150m/s；超精密加工基本實現亞微米級加工，加強納米級加工技術應用研究，達到國際九十年代初期水平。

2．主要研究內容

（1）超高速切削、磨削機理研究。對超高速切削和磨削加工過程、各種切削磨削現象、各種被加工材料和各種刀具磨具材料的超高速切削磨削性能以及超高速切削磨削的工藝參數優化等進行系統研究。

（2）超高速主軸單元制造技術研究。主軸材料、結構、軸承的研究與開發；主軸系統動態特性及熱態性研究；柔性主軸及其軸承的彈性支承技術研究；主軸系統的潤滑與冷卻技術研究；主軸的多目標優化設計技術、虛擬設計技術研究；主軸換刀技術研究。

（3）超高速進給單元制造技術研究。高速位置芯片環的研制；精密交流伺服系統及電機的研究；系統慣量與伺服電機參數匹配關系的研究；機械傳動鏈靜、動剛度研究；加減速控制技術研究；精密滾珠絲杠副及大導程絲杠副的研制等。

（4）超高速加工用刀具磨具及材料研究。研究開發各種超高速加工（包括難加工材料）用刀具磨具材料及制備技術，使刀具的切削速度達到國外工業發達國家90年代末的水平，磨具的磨削速度達到150m/s以上。

（5）超高速加工測試技術研究。對超高速加工機床主軸單元、進給單元系統和機床支承及輔助單元系統等功能部位和驅動控制系統的監控技術，對超高速加工用刀具磨具的磨損和破損、磨具的修整等狀態以及超高速加工過程中工件加工精度、加工表面質量等在線監控技術進行研究。

（6）超精密加工的加工機理研究?！斑M化加工”及“超越性加工”機理研究；微觀表面完整性研究；在超精密范疇內的對各種材料（包括被加工材料和刀具磨具材料）的加工過程、現象、性能以及工藝參數進行提示性研究。

（7）超精密加工設備制造技術研究。納米級超精密車床工程化研究；超精密磨床研究；關鍵基礎件，如軸系、導軌副、數控伺服系統、微位移裝置等研究；超精密機床總成制造技術研究。

（8）超精密加工刀具、磨具及刃磨技術研究。金剛石刀具及刃磨技術、金剛石微粉砂輪及其修整技術研究。

（9）精密測量技術及誤差補償技術研究。納米級基準與傳遞系統建立；納米級測量儀器研究；空間誤差補償技術研究；測量集成技術研究。

（10）超精密加工工作環境條件研究。超精密測量、控溫系統、消振技術研究；超精密凈化設備，新型特種排屑裝置及相關技術的研究

第三篇：Chapt.7_精密與特種加工技術(課件)

第一章

概

論

第一節

精密與特種加工的產生背景

機械制造面臨著一系列嚴峻的任務：

⑴ 解決各種難切削材料的加工問題。

⑵ 解決各種特殊復雜型面的加工問題。

⑶ 解決各種超精密、光整零件的加工問題。

⑷ 特殊零件的加工問題。

第二節

精密與特種加工的特點 及其對機械制造領域的影響

精密與特種加工是一門多學科的綜合高級技術；

精密加工包括微細加工、光整加工和精整加工等，與特種加工關系密切。

特種加工是指利用機、光、電、聲、熱、化學、磁、原子能等能源來進行加工的非傳統加工方法（NTM，Non-Traditional Machining），它們與傳統切削加工的不同特點主要有： ① 主要不是依靠機械能；

② 刀具的硬度可以低于被加工工件材料的硬度； ③ 在加工過程中，工具和工件之間不存在顯著的 機械切削力作用。

精密與特種加工技術引起了機械制造領域內的許多變革：

⑴ 提高了材料的可加工性。

⑵ 改變了零件的典型工藝路線。

⑶ 大大縮短新產品試制周期。

⑷ 對產品零件的結構設計產生很大的影響。

⑸ 對傳統的結構工藝性好與壞的衡量標準產生重要影響。

第三節

精密與特種加工的方法及分類

1．加工成形的原理

分為去除加工、結合加工、變形加工三大類。

去除加工又稱為分離加工，是從工件上去除多余的材料。

結合加工是利用理化方法將不同材料結合在一起。

又可分為附著、注入、連接三種。

變形加工又稱為流動加工，是利用力、熱、分子運動等手段使工件產生變形，改變其尺寸、形狀和性能。

2．加工方法機理

按機理精密與特種加工分為傳統加工、非傳統加工、復合加工。

第四節 精密與特種加工技術的地位和作用

先進制造技術已經是一個國家經濟發展的重要手段之一。

發展先進制造技術是當前世界各國發展國民經濟的主攻方向和戰略決策，同時又是一個國家獨立自主、繁榮富強、經濟持續穩定發展、科技保持先進領先的長遠大計。

從先進制造技術的技術實質而論，主要有精密、超精密加工技術和制造自動化兩大領域。

精密與特種加工技術水平是一個國家制造工業水平的重要標志之一。

精密與特種加工技術已經成為國際競爭中取得成功的關鍵技術。產品的實際制造，必然要依靠精密加工技術。第二章

金剛石刀具精密切削加工

第一節

概

述

精密與超精密加工和制造自動化是先進制造技術的兩大領域。

加工精度在0.1~1μm，表面粗糙度Ra在0.02~0.1μm之間的加工稱為精密加工；加工精度高于0.1μm，表面粗糙度Ra小于0.01μm的加工稱為超精密加工。

一、超精密加工的難點

精度難以控制； 剛度和熱變形影響； 去除層薄，切應力大； 猶如對不連續體進行切削。

二、超精密加工的方法

按加工方式分：

切削加工、磨料加工、特種加工和復合加工 按加工機理和特點分：

去除加工、結合加工和變形加工 還可分為 傳統加工、非傳統加工和復合加工

三、超精密加工的實現條件

超精密加工是多學科交叉的綜合性高新技術

① 超精密加工的機理與工藝方法； ② 超精密加工工藝裝備； ③ 超精密加工工具；

④ 超精密加工中的工件材料； ⑤ 精密測量及誤差補償技術；

⑥ 超精密加工工作環境、條件等。

在超精密加工的中，必須綜合考慮以上因素。

第二節

超精密機床及其關鍵部件

一、典型超精密機床

超精密加工對機床的基本要求：

⑴ 高精度 ⑵ 高剛度 ⑶ 高穩定性 ⑷ 高自動化

大型光學金剛石車床 ——LODTM

FG-001超精密機床

OAGM 2500大型超精密機床

AHNIO型高效專用車削、磨削超精密機床

二、超精密機床的主軸部件

主軸部件是保證超精密機床加工精度的核心。超精密加工對主軸的要求是極高的回轉精度，轉動平穩，無振動。

液體靜壓軸承主軸

空氣靜壓軸承主軸

⑴ 雙半球空氣軸承主軸

⑵ 徑向—推力空氣靜壓軸承主軸

⑶ 球形—徑向空氣軸承主軸

⑷ 立式空氣軸承主軸

主軸的驅動方式

⑴ 柔性聯軸器驅動

⑵ 內裝式同軸電動機驅動

超精密機床主軸和軸承的材料

應考慮以下主要因素：① 耐磨損；② 不易生銹腐蝕；③ 熱膨脹系數小；④ 材料的穩定性好。

制造空氣主軸和軸承的材料主要有： ① 經表面氮化和低溫穩定處理的38CrMoAl氮化鋼；

② 不銹鋼；

③ 多孔石墨和軸承鋼。

另外還有銦鋼、花崗巖、微晶玻璃和陶瓷等。

三、精密導軌部件

超精密機床的總體布局

T形布局

十字形布局

R-θ 布局

立式結構布局

常用的導軌部件 ⑴ 液體靜壓導軌

花崗巖靜壓導軌

⑵ 空氣靜壓導軌和氣浮導軌

空氣靜壓導軌

氣浮導軌

床身及導軌的材料

常用的床身及導軌材料有優質耐磨鑄鐵、花崗巖、人造花崗巖等。

微量進給裝置

超精密機床的進給系統—般采用精密滾珠絲杠副、液體靜壓和空氣靜壓絲杠副。

高精度微量進給裝置則有電致伸縮式、彈性變形式、機械傳動或液壓傳動式、熱變形式、流體膜變形式、磁致伸縮式等。

目前高精度微量進給裝置的分辨力可達到0.001~0.01μm。

精密和超精密微位移機構應滿足以下設計要求：

① 精微進給和粗進給分開。

② 運動部分必須是低摩擦和高穩定度的。

③ 末級傳動元件必須有很高的剛度。

④ 內部連接必須可靠，盡量采用整體結構或剛性連接。

⑤ 工藝性好，容易制造。

⑥ 具有好的動特性。

⑦ 能實現微進給的自動控制。

⑴ 壓電和電致伸縮微進給裝置

⑵ 摩擦驅動裝置

⑶ 機械結構彈性變形微量進給裝置

第五節

金剛石刀具的結構

衡量金剛石刀具質量的標準：

① 能否加工出高質量的超光滑表面；

② 能否有較長的切削時間保持刀刃鋒銳。設計金剛石刀具時最主要問題有三個： ① 確定切削部分的幾何形狀；

② 選擇合適的晶面作為刀具的前后面；

③ 確定金剛石在刀具上的固定方法和刀具結構。

一、金剛石刀具切削部分的幾何形狀

⑴ 刀頭形式

金剛石刀具刀頭一般采用在主切削刃和副切削刃之間加過渡刃。國內多采用直線修光刃，國外標準的金剛石刀具，推薦的修光刃圓弧半徑R=0.5~3mm。

金剛石刀具的主偏角一般為30?~90?，以45?主偏角應用最為廣泛。

⑵ 前角和后角

根據加工材料不同，金剛石刀具的前角可取0?~5?，后角一般可取5?~6?。

美國EI Contour精密刀具公司的標準金剛石車刀結構如上圖所示。該車刀采用圓弧修光刃，修光刃圓弧半徑R=0.5~1.5mm。后角采用10?，刀具前角可根據加工材料由用戶選定。

一種可用于車削鋁合金、銅、黃銅的通用金剛石車刀結構如右圖所示。可獲得粗糙度Ra < 0.02~ 0.005μm的表面。

二、選擇合適的晶面作為金剛石刀具前、后面

三、金剛石刀具上的金剛石固定方法 ⑴ 機械夾固

⑵ 用粉末冶金法固定 ⑶ 使用粘結或釬焊固定

國內外的金剛石刀具使用者一般都不自己磨刀；

Sumitomo公司推出一次性使用不重磨的精密金剛石刀具。

第三章

精密與超精密磨料加工

黑色金屬、硬脆材料的精密與超精密加工，主要是應用精密和超精密磨料加工。

所謂精密和超精密磨料加工，就是利用細粒度的磨粒和微粉對黑色金屬、硬脆材料等進行加工，以得到高加工精度和低表面粗糙度值。

精密和超精密磨料加工可分為固結磨料和游離磨料加工兩大類。

第一節

精密磨削

精密磨削是指加工精度為1~0.1μm、表面粗糙度為Ra0.2~0.025μm的磨削方法。

一、精密磨削機理

靠砂輪的具有微刃性和等高性的磨粒實現的。⑴ 微刃的微切削作用

⑵ 微刃的等高切削作用

⑶ 微刃的滑擠、摩擦、拋光作用

二、磨削用量

三、精密磨削砂輪

1．砂輪磨料

精密磨削時所用砂輪的磨料以易于產生和保持微刃及其等高性為原則。

鋼件及鑄鐵件，以采用剛玉磨料為宜。碳化硅磨料主要應用于有色金屬加工。

2．砂輪粒度

粗粒度的微切削作用；細粒度的摩擦拋光作用。

3．砂輪結合劑

超精密加工用金屬類、陶瓷類結合劑

四、精密磨削中的砂輪修整

有單粒金剛石修整、金剛石粉末燒結型修整器修整和金剛石超聲波修整等。

修整用量有：修整導程、修整深度、修整次數和光修次數。

五、超精密磨削

超精密磨削是指加工精度達到或高于0.1μm、表面粗糙度低于Ra0.025μm的砂輪磨削方法，適宜于對鋼、鐵材料及陶瓷、玻璃等硬脆材料的加工。

鏡面磨削是屬于精密磨削和超精密磨削范疇的加工，是指加工表面粗糙度達到Ra0.02~0.01μm、表面光澤如鏡的磨削方法。

影響超精密磨削的因素有：超精密磨削機理、被加工材料、砂輪及其修整、超精密磨床、工件的定位夾緊、檢測及誤差補償、工作環境、操作水平等。超精密磨削需要—個高穩定性的工藝系統，對力、熱、振動、材料組織、工作環境的溫度和凈化等都有穩定性的要求，并有較強的抗擊來自系統內外的各種干擾的能力。

1．超精密磨削機理

單顆粒磨削的切入模型如圖所示。說明：

① 可視為一彈性系統

②平面磨削的切屑形狀如圖所示

③ 磨削過程分為彈性區、塑性區、切削區、塑性區，最后為彈性區

④ 存在微切削作用、塑性流動、彈性破壞作用和滑擦作用

磨削狀態與磨削系統的剛度密切相關。2．超精密磨削工藝

超精密磨削的砂輪選擇、砂輪修整、磨削液選擇等問題與精密磨削和超硬磨料砂輪磨削有關問題類同。

超精密磨削的磨削用量。

六、超硬磨料砂輪磨削

超硬磨料砂輪磨削主要是指用金剛石砂輪和立方氮化硼砂輪加工硬質合金、陶瓷、玻璃、半導體材料及石材等高硬度、高脆性材料。其突出特點為： ① 磨削能力強，耐磨性好，耐用度高，易于控制加工尺寸及實現加工自動化。② 磨削力小，磨削溫度低，加工表面質量好，無燒傷、裂紋和組織變化。③ 磨削效率高。④ 加工成本低。

1．超硬磨料砂輪磨削工藝

⑴ 磨削用量 ⑵ 磨削液：要求磨削液有良好的潤滑性、冷卻性、清洗性和滲透性。

2．超硬磨料砂輪修整

修整是整形和修銳的總稱。

整形是使砂輪具有—定精度要求的幾何形狀； 修銳是去除磨粒間的結合劑，使磨粒突出結合劑一定高度，形成良好的切削刃和足夠的容屑空間。

超硬磨料砂輪修整的方法：① 車削法；② 磨削法；③ 滾壓擠軋法；④ 噴射法；⑤ 電加工法；⑥ 超聲波振動修整法。

第二節

精密研磨與拋光

一、研磨加工機理

精密研磨屬于游離磨粒切削加工，是在剛性研具上注入磨料，在—定壓力下，通過研具與工件的相對運動，借助磨粒的微切削作用，除去微量的工件材料，以達到高級幾何精度和優良表面粗糙度的加工方法。

1．硬脆材料的研磨

硬脆材料研磨的加工模型如圖所示。

研磨磨粒為1μm的氧化鋁和碳化硅等。

2．金屬材料的研磨

金屬材料研磨相當于普通切削和磨削的切削深度極小時的狀態。

二、拋光加工機理

拋光是指用低速旋轉的軟質彈性或粘彈性材料拋光盤，或高速旋轉的低彈性材料拋光盤，加拋光劑，具有一定研磨性質地獲得光滑表面的加工方法。

拋光使用的磨粒是1μm以下的微細磨粒。

拋光加工模型如圖3-9所示。

拋光加工是磨粒的微小塑性切削作用和加工液的化學性溶析作用的結合。

三、精密研磨、拋光的主要工藝因素

精密研磨拋光的主要工藝因素如表3-5所示。

在一定的范圍內，增加研磨壓力可提高研磨效率。

超精密研磨對研磨運動軌跡有以下基本要求： ① 工件相對研磨盤作平面平行運動，使工件上各點具有相同或相近的研磨行程。

② 工件上任一點不出現運動軌跡的周期性重復。

③ 避免曲率過大的運動轉角，保證研磨運動平穩。

④ 保證工件走遍整個研磨盤表面，以使研磨盤磨損均勻，進而保證工件表面的平面度。

⑤ 及時變換工件的運動方向，以減小表面粗糙度值并保證表面均勻一致。

四、研磨盤與拋光盤

1．研磨盤

研磨盤是涂敷或嵌入磨料的載體。

研磨對研磨盤加工面的幾何精度要求很高。

研磨盤材料硬度要低于工件材料硬度，且組織均勻致密、無雜質、無異物、無裂紋和無缺陷，并有一定的磨料嵌入性和浸含性。

常用的研磨盤材料有鑄鐵、黃銅、玻璃等。

研磨盤的結構要具有良好的剛性、精度保持性、耐磨性、排屑性和散熱性。為了獲得良好的研磨表面，常在研磨盤面上開槽。開槽的目的為：

① 存儲多余的磨粒；

② 作為向工件供給磨粒的通道；

③ 作為及時排屑的通道。

固著磨料研磨盤是一種適用于陶瓷、硅片、水晶等脆性材料精密研磨的研具，具有表面精度保持性好、研磨效率高的優點。

2．拋光盤

拋光盤平面精度及其精度保持性是實現高精度平面拋光的關鍵。

五、研磨劑與拋光劑

對研磨用磨粒的基本要求： ① 形狀、尺寸均勻一致；

② 能適當地破碎，以使切削刃鋒利； ③ 熔點高于工件熔點； ④ 在研磨液中容易分散。

對于拋光粉用磨粒，除上述要求外，還要考慮與工件材料作用的化學活性。

研磨拋光加工液主要作用是冷卻、潤滑、均布研磨盤表面磨粒及排屑。對研磨拋光液的要求： ① 有效地散熱，以防止研磨盤和工件熱變形； ② 粘附低，以保證磨料的流動性； ③ 不污染工件；

④ 物理、化學性能穩定，不分解變質； ⑤ 能較好地分散磨粒。

六、非接觸拋光

非接觸拋光是指在拋光中工件與拋光盤互不接觸，依靠拋光劑沖擊工件表面，以獲得加工表面完美結晶性和精確形狀的拋光方法，其去除量僅為幾個到十幾個原子級。

1．彈性發射加工

彈性發射加工是指加工時研具與工件互不接觸，通過微粒子沖擊工件表面，對物質的原子結合產生彈性破壞，以原子級的加工單位去除工件材料，從而獲得無損傷的加工表面。

彈性發射加工原理

彈性發射加工方法如圖所示

對加工頭和工作臺實施數控，可實現曲面加工。EEM的數控加工裝置如圖3-11所示。

2．浮動拋光

浮動拋光裝置如圖所示 拋光機理

超精密拋光盤的制作是實現浮動拋光加工的關鍵。

3．動壓浮離拋光 動壓浮離拋光平面非接觸拋光裝置如圖所示

工作原理

加工過程中無摩擦熱和工具磨損，標準平面不會變化

該方法主要用于半導體基片和各種功能陶瓷材料及光學玻璃平晶的拋光，可同時進行多片加工。4．非接觸化學拋光

通過向拋光盤面供給化學拋光液，使其與被加工面作相對滑動，用拋光盤面來去除被加工件面上產生的化學反應生成物。這種以化學腐蝕作用為主，機械作用為輔的加工，又稱為化學機械拋光。水面滑行拋光借助于流體壓力使工件基片從拋光盤面上浮起，利用具有腐蝕作用的液體作加工液完成拋光。

5．切斷、開槽及端面拋光 采用非接觸端面拋光可實現對溝槽的壁面、垂直柱狀軸斷面進行鏡面加工。

端面非接觸鏡面拋光裝置示意圖如圖所示。

該方法可用于直徑0.1mm左右的光導纖維線路零件的端面鏡面拋光以及精密元件的切斷。

第四篇：先進加工技術

工程訓練報告

先進加工技術----3D打印

學院：機械與汽車工程學院

班級：機械13--4 姓名：姜暉

學號：201301011215

先進加工技術--------3D打印

眾所周知，傳統的打印技術及其所配套的打印設備只能進行簡單或者稍微復雜的二維平面打印。然而，隨著時代的發展，特別是對于加工效率，加工精度的要求日益增長的情況下，傳統的二維打印越來越力不從心，在一次次高科技革命的推動下，3D打印應運而生。

3D打印，也稱為3D立體打印技術，即快速成型技術的一種，它是一種以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。

3D打印技術最早出現于20世紀90年代，是利用光固化和紙層疊等技術的最新快速成型裝置。原理方面與傳統的二維打印機相同，打印盒內裝有粉末等打印材料與電腦連接后，通過電腦控制把“打印材料”一層層疊加起來，最終把計算機上的藍圖變成實物的一種快速成型技術。

相對于傳統打印機，3D打印機所用原理基本相同，但是所用的原料并不相同，傳統打印機所用的材料是墨粉和各種紙張，而3D打印機內裝有金屬、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”，是實實在在的原材料，當打印機與電腦連接后，在電腦進行控制下，按照設計人員設定的三維立體模型，將原材料一層一層疊加起來，將計算機的立體模型變為一個實實在在的立體產品。

3D打印存在著許多不同的技術。它們的不同之處在于以可用的材料的方式，并以不同層構建創建部件。3D打印常用材料有尼龍玻纖、耐用性尼龍材料、石膏材料、鋁材料、鈦合金、不銹鋼、鍍銀、鍍金、橡膠類材料。

介紹了3D打印技術，就不得不介紹3D打印的工作過程.3D打印最重要的一個過程就是設計過程，3D打印的設計過程是：先通過計算機建模軟件建模，再將建成的三維模型“分區”成逐層的截面，即切片，從而指導打印機逐層打印。

其次便是相切面包一樣，對模型進行切片處理：打印機通過讀取文件中的橫截面信息，用液體狀、粉狀或片狀的材料將這些截面逐層地打印出來，再將各層截面以各種方式粘合起來從而制造出一個實體。這種技術的特點在于其幾乎可以造出任何形狀的物品。

打印機打出的截面的厚度（即Z方向）以及平面方向即X-Y方向的分辨率是以dpi（像素每英寸）或者微米來計算的。一般的厚度為100微米，即0.1毫米，也有部分打印機如ObjetConnex 系列還有三維 Systems' ProJet 系列可以打印出16微米薄的一層。而平面方向則可以打印出跟激光打印機相近的分辨率。打印出來的“墨水滴”的直徑通常為50到100個微米。用傳統方法制造出一個模型通常需要數小時到數天，根據模型的尺寸以及復雜程度而定。而用三維打印的技術則可以將時間縮短為數個小時，當然其是由打印機的性能以及模型的尺寸和復雜程度而定的。

傳統的制造技術如注塑法可以以較低的成本大量制造聚合物產品，而三維打印技術則可以以更快，更有彈性以及更低成本的辦法生產數量相對較少的產品。一個桌面尺寸的三維打印機就可以滿足設計者或概念開發小組制造模型的需要。

完成以上步驟后，便只剩下完成打印了：三維打印機的分辨率對大多數應用來說已經足夠（在彎曲的表面可能會比較粗糙，像圖像上的鋸齒一樣），要獲得更高分辨率的物品可以通過如下方法：先用當前的三維打印機打出稍大一點的物體，再稍微經過表面打磨即可得到表面光滑的“高分辨率”物品。

有些技術可以同時使用多種材料進行打印。有些技術在打印的過程中還會用到支撐物，比如在打印出一些有倒掛狀的物體時就需要用到一些易于除去的東西（如可溶的東西）作為支撐物。

現行的3D打印有多種成型方法，每項各有利弊：

電子束是3D金屬打印成型最快方法電子束快速成型技術目前還有一些技術難點尚待進一步研究，比如成型過程中廢熱高，金屬構件中金相結構控制較為困難，特別是成型時間長，先凝固的部分經受的高溫時間長，對金屬晶態成長控制困難，進而引起大尺度構件應力復雜等等。

電子束成型對復雜腔體，扭轉體，薄壁腔體等成型效果不佳，他的成形點陣精度在毫米級，所以成型以后仍然需要傳統的精密機械加工，也需要傳統的熱處理，甚至鍛造等等。

但電子束快速成型速度快，是目前3D金屬打印類打印速度最快的，可達15KG／小時，設備工業化成熟度高，基本可由貨架產品組合，生產線構建成本低，具有很強的工業普及基礎，同時，電子束快速成型設備同時還能具有一定的焊接能力和金屬構件表面修復能力，應用前景廣泛。在發動機領域，目前美國和中國在電子束控制單晶金屬近凈形成型技術方面正積極研究，一旦獲得突破，傳統的單晶渦輪葉片生產困難和生產成本高的問題將獲得極大的改善，從而大大提高航空發動機的性能，并對發動機研制改進等提供了極大的助力。

由于電子束成形精度受到電子束聚焦和掃描控制能力的限制，激光作為更高精度的能量介質引起高度重視，激光成形技術幾乎是和電子束成形技術同步起步發展，但是，由于穩定的10KW以上級的大功率激光器到2008年才開始逐步工業化，所以激光成形技術在最近才出現噴涌的盛況。

激光數字成型技術主要有兩個類別，一是激光近凈成形制造（LENS）、金屬直接沉積（DMD），這個類別的技術和電子束快速成型類似，也是利用控制掃描區域形成控制的熔融區，用金屬絲或金屬粉同步掃描點添加，金屬熔融沉積，這項技術算電子束快速成型的高精度的進化成果，激光的掃描點陣精度可以比電子束高一個數量級，可以得到更高精度的零件，從而進一步減少材料的耗量和機械加工的需求，同時它還能保留電子束快速成型的打印速度快的優勢。

這類區域熔融的技術需要大尺度的腔體提供零件加工所需的真空環境，這限制了加工零件的尺寸，激光熔融區的大小和功率直接相關，越大形的構件加工能力要求越高，由于電子束對金屬的熱效應深度比較大，而激光熱效應深度較小，激光成形時胚體受熱和散熱狀況要好于電子束，因此它能形成很薄的熔化區和更細密均勻的沉積構造，凝固過程中的金相結構更容易控制，熱應力復雜度要低很多，可以制造更精確的形狀和更復雜零件，也能制造較薄壁的零件類型。美DRAPA，洛克希德先進制造技術中心，和飛利浦、賓州大學等于2013年演示的先進制造

DM概念，就是基于這類技術基礎。

激光3D打印幾乎可直接加工出工業零件

目前主流的激光打印機是利用硒鼓靜電吸附墨粉，激光掃描熔融墨粉形成圖像的，這種打印方式精度可達300PPI，利用激光打印和粉末冶金技術結合，新一代的最有希望的最精密成型的技術是以直接金屬激光燒結（Direct metal laser sintering，DMLS）和選區激光（selective laser sintering，SLS）為代表的激光精密數字成形。這兩者都是在基底鋪設金屬粉末，由激光掃瞄燒結，所不同的是，直接燒結是邊鋪粉邊燒，而選區燒結是先鋪整層粉末，然后激光掃描燒結，這種燒結每次沉積厚度約20－100微米，通過反復多次的沉積最終獲得三維立體的零件。

激光精密成形的優點是精度高，成形點陣可以小于0.01毫米，可以得到近似平滑的表面，能夠處理空腔，薄壁等復雜空間扭轉體，和相互交叉穿透的復雜空腔和管路，幾乎可以加工出直接應用的工業零件。

激光3D打印零件強度略小于鍛造機加件

高精度激光燒結對激光的功率要求中等，燒結點溫度雖然高，但是點陣小，每點陣金屬熔融凝固量很少，全過程熱釋放低，材料胚體溫度接近常溫區，較少形成復雜的熱應力情況，金屬凝固形成的金相較為均勻細密，大多為細小的晶格態，類似于經過鍛造的金屬構件，獲得金屬零件強度略小于鍛造機加件。

美國德州大學奧斯汀分院最早于1986年提出SLS的專利，由DTM公司提供商用設備，美國麻省理工1988年提出DMLS的概念和專利，但目前商用化設備主要的供應商都來源于歐洲，德國EOS略占優勢，MTT 公司和 Concept Laser 公司也具有很強的競爭力。中國于1998年以后開始開展SLS方面的研究，2000年以后，隨著商品化光纖激光器的成熟，國內在SLS方面取得一定成果，2004年起，有至少3家公司和單位提出SLS技術應用化的專利，在航空領域因材料強度方面的問題，早期的應用主要在快速建立冶金應用模具方面。

作為一種主流的高新技術，3D打印有著非常廣闊的應用領域：軍工，航天，醫學，甚至于建筑行業，均存在著3D打印技術的影子.3D打印技術目前在全球也是前沿技術和前沿應用，最尖端的航空工業對這種技術最為關注也最嚴謹，美國90年代中期就獲得這類技術的工業嘗試，但是他們一直稱為近凈成型加工技術，F－22,F－35都有應用，不過因為一些加工工藝等原因，美國也沒有能大規模應用，但美國將這一技術一直作為先進制造技術而由美國國防高級研究計劃局（DRAPA）牽頭，組織美國30多家企業對這一技術長期研究。

美國如此重視，我國自然也不甘落后。最近幾年，中國航空工業捷報頻傳，先進戰斗機殲-20，殲-31，艦載機殲-15，運輸機運-20一大批高新機不斷誕生，接踵而出，最為引人關注的是，在2013年全球3D打印熱潮中，以北航和西工大兩個科研主體帶動，沈飛、成飛、西飛等數家航空制造企業為主體，成為全球第二個能夠在實際應用中利用3D打印技術制造飛機零件的國家。

與其他的高新技術一樣，3D打印技術也有著自身的缺點和不足之處。

3D打印零件強度還難以作為飛機受力構件

3D打印概念的出現是一種制造工業領域革命性的新技術，目前的諸多成形手段和方法都有各自的具體優點和缺陷，在航空領域，選擇燒結SLS技術看起來潛力最大，應用前景最廣泛，它的材料適應范圍最廣，從鋁合金、鈦合金、高強度鋼、高溫合金到陶瓷都能處理，但是它屬于微觀粉末冶金的范疇，快速成形中，粉末冶金技術中因熔融——凝固過程過快，成形體中容易夾雜空穴，未完全熔融的粉末，胚體缺陷還有可能包括激光掃描線方向形成的熔融——凝固不均勻金相微觀線狀晶格排列，這些都會嚴重影響了成形件的強度。

目前激光選區成形的構件大多都只能達到同牌號金屬鑄造的強度水平，雖然這已經能讓構件進入正常的應用領域，但顯然要承擔象飛機這樣的主要結構受力構件還是有很大限制的。

3D金屬打印零件表面還需進一步機械加工直接金屬激光燒結DMLS技術因為直接用激光熔融金屬絲沉積，金屬本身是致密體重熔，不易產生粉末冶金那樣的成形時的空穴，這個技術生產的構件致密度可達99％以上，接近鍛造的材料胚體，目前國際國內都主要利用這種技術制造高受力構件，它能達到同牌號金屬最 高強度的90～95％左右的水平，接近一般鍛造構件。

目前的金屬3D打印構件都不能直接形成符合要求的零件表面，它都必須經過表面的機械加工，去除表面多余的，不連續的，不光滑的金屬，才能作為最終使用的零件，因此，盡管3D打印可以獲得復雜的空間結構和一些復雜的管路和腔體，但是這些管路和腔體的機械加工很有可能無法進行，其零件的重量效率，管路流動效率等方面不一定能夠滿足實際需求，因此，盡管3D打印可能能一步直接完成很多復雜零件的成形，但其還不具備直接取代傳統機械加工的能力。

3D打印對飛機大型構件制造還存在問題

直接成形的金屬零件在生產過程中因為反復經受局部接近熔點溫度受熱，內部熱應力狀態復雜，在成形某些大型細長體，薄壁體金屬構件時，應力處理和控制還不能滿足要求，實際上到目前為止一直影響3D打印在航空業的應用也正是因為這個原因。

美國從1992年開始就不斷利用這類技術希望能夠直接生產飛機用的大型框架，粱絎，整體壁板等，正是因為應力復雜，大型構件成形過程中或成形后會產生嚴重變形，嚴重到無法使用。所以3D打印技術盡管很早就出現了，但國外航空工業界還持有相當的保守態度也是有原因的。激光3D打印工業化面臨精細度難題目前激光成形技術面臨工業化的兩個方向相互間有矛盾，一是打印精細度，目前的打印精細度SLS最高，基本在1～0.1毫米左右，而其他技術加工生成的零件表面精度則在0.8～5毫米之間，目前市場銷售的2D激光打印機點陣精度在1200DPI左右即0.02毫米，這個精度可以獲得近似光滑的曲面，提高精度受到打印耗材粉末的粒徑粗細和激光熔融金屬液態滴狀表面張力影響，要把精度提高到0.1毫米以下還有很大困難，不過鋪粉預處理、激光超快速融化——凝固等技術的出現會為提高激光成形的精度有很大幫助。

激光3D打印工業化面臨打印速度難題另一個發展方向則是提高打印速度，目前激光打印的速度還是較慢的，每小時印重量大多都在1公斤以下，最好水平也只有9公斤／小時左右，要實現工業化生產，特別是大規?；a，這個速度是不夠的，現在的激光成形基本還是單光頭單層鋪粉作業，未來為了提高打印速度和應對超大型構件打印，已經有多光頭多層鋪粉同步打印的設計出現。

激光成形目前尚屬于單一技術應用，但是在工業界，激光沖擊強化在冶金方面應用已經有10幾年的歷史了，激光打印成形實際上很有希望能夠直接集成激光沖擊強化，激光淬火等技術，它能讓激光成形的構件更加致密，且具有高級別的強度，實際上激光3D打印機都能簡單的通過軟件控制來實現激光沖擊強化的功能。

現在3D打印技術還只是露出第一縷曙光

新的制造方法需要新的一系列處理工藝配合，3D打印目前只能算一絲曙光，真正達到大規模應用產生效益，還需要很長的時間發展和積累。

3D打印技術的出現是信息革命在攻克傳統工業的最后堡壘的終結的沖鋒號，因而引發了一系列的科學技術領域研究的新課題，激光粉末冶金，微沉積金相學，微觀淬火、鍛造，激光沖擊強化等一系列機械制造，冶金等領域的課題將會讓已經暮氣沉沉的傳統冶金科學，和制造科學領域重新充滿發展的動力，在未來的數十年間，誰在這些技術領域獲得應用化的實際成果，可能會影響和顛覆現有的制造工業的基本面貌,未來可謂潛力無限。

第五篇：材料先進加工技術

1.快速凝固

快速凝固技術的發展，把液態成型加工推進到遠離平衡的狀態，極大地推動了非晶、細晶、微晶等非平衡新材料的發展。傳統的快速凝固追求高的冷卻速度而限于低維材料的制備，非晶絲材、箔材的制備。近年來快速凝固技術主要在兩個方面得到發展：①利用噴射成型、超高壓、深過冷，結合適當的成分設計，發展體材料直接成型的快速凝固技術；②在近快速凝固條件下，制備具有特殊取向和組織結構的新材料。目前快速凝固技術被廣泛地用于非晶或超細組織的線材、帶材和體材料的制備與成型。2.半固態成型

半固態成型是利用凝固組織控制的技術.20世紀70年代初期，美國麻省理工學院的Flemings教授等首先提出了半固態加工技術，打破了傳統的枝晶凝固式，開辟了強制均勻凝固的先河。半固態成型包括半固態流變成型和半固態觸變成形兩類：前者是將制備的半固態漿料直接成型，如壓鑄成型（稱為半固態流變壓鑄）；后者是對制備好的半固態坯料進行重新加熱，使其達到半熔融狀態，然后進行成型，如擠壓成型（稱為半固態觸變擠壓）3.無模成型

為了解決復雜形狀或深殼件產品沖壓、拉深成型設備規模大、模具成本高、生產工藝復雜、靈活度低等缺點，滿足社會發展對產品多樣性（多品種、小規模）的需求，20世紀80年代以來，柔性加工技術的開發受到工業發達國家的重視。典型的無模成型技術有增量成型、無摸拉拔、無模多點成型、激光沖擊成型等。4.超塑性成型技術

超塑性成型加工技術具有成型壓力低、產品尺寸與形狀精度高等特點，近年來發展方向主要包括兩個方面：一是大型結構件、復雜結構件、精密薄壁件的超塑性成型，如鋁合金汽車覆蓋件、大型球罐結構、飛機艙門，與盥洗盆等；二是難加工材料的精確成形加工，如鈦合金、鎂合金、高溫合金結構件的成形加工等。5.金屬粉末材料成型加工

粉末材料的成型加工是一種典型的近終形、短流程制備加工技術，可以實現材料設計、制備預成型一體化；可自由組裝材料結構從而精確調控材料性能；既可用于制備陶瓷、金屬材料，也可制備各種復合材料。它是近20年來材料先進制備與成型加工技術的熱點與主要發展方向之一。自1990年以來，世界粉末冶金年銷售量增加了近2倍。2003年北美鐵基粉末。相關的模具、工藝設備和最終零件產品的銷售額已達到91億美元，其中粉末冶金零件的銷售為64億美元。美國企業生產的粉末冶金產品占全球市場的一半以上?？梢灶A見，在較長一段時間內，粉末冶金工業仍將保持較高的增長速率。粉末材料成型加工技術的研究重點包括粉末注射成型膠態成型、溫壓成型及微波、等離子輔助低溫強化燒結等。6.陶瓷膠態成型

20世紀80年代中期，為了避免在注射成型工藝中使用大量的有機體所造成的脫脂排膠困難以及引發環境問題，傳統的注漿成型因其幾乎不需要添加有機物、工藝成本低、易于操作制等特點而再度受到重視，但由于其胚體密度低、強度差等原因，他并不適合制備高性能的陶瓷材料。進入90年代之后，圍繞著提高陶瓷胚體均勻性和解決陶瓷材料可靠性的問題，開發了多種原位凝固成型工藝，凝膠注模成型工藝、溫度誘導絮凝成形、膠態振動注模成形、直接凝固注模成形等相繼出現，受到嚴重重視。原位凝固成形工藝被認為是提高胚體的均勻性，進而提高陶瓷材料可靠性的唯一途徑，得到了迅速的發展，已逐步獲得實際應用。

7.激光快速成型

激光快速成形技術，是20實際90年代中期由現代材料技術、激光技術和快速原型制造術相結合的近終形快速制備新技術。采用該技術的成形件完全致密且具有細小均勻的內部組織，從而具有優越的力學性能和物理化學性能，同時零件的復雜程度基本不受限制，并且可以縮短加工周期，降低成本。目前發達國家已進入實際應用階段，主要應用于國防高科技領域。國內激光快速成形起步稍晚于發達國家，在應用基礎研究和相關設備建設方面已有較好的前期工作，具備了通過進一步研究形成自身特色的激光快速成形技術的條件。8.電磁場附加制備與成型技術

在材料的制備與成形加工過程中，通過施加附加外場（如溫度場、磁場、電場、力場等），可以顯著改善材料的組織，提高材料的性能，提高生產效率。典型的溫度場附加制備與形加工技術有熔體過熱處理、定向凝固技術等；典型的力場附加制備與成形技術有半固態加工等；典型的電磁場附加制備與成形加工技術有電磁鑄軋技術、電磁連鑄技術、磁場附加熱處理技術、電磁振動注射成形技術等。近年來，有關電磁場附加制備與成形加工技術的研究在國際上已形成一門新的材料科學分支——材料電磁處理，并且得到迅速發展。9.先進連接技術

①鋁合金激光焊接 ②鎂合金激光焊接

③機器人智能焊接 10.表面改質改性

在材料的使用過程中，材料的表面性質和功能非常重要，許多體材料的失效也往往是從表面開始的。通過涂覆（或沉積、外延生長）表面薄層材料或特殊能量手段改變原材料表面的結構（即對處理進行表面改性），賦予較廉價的體材料以高性能、高功能的表面，可以大大提高材料的使用價值和產品的附加值，是數十年來材料表面加工處理研究領域的主要努力方向。

材料加工技術的總體發展趨勢，可以概括為三個綜合，即過程綜合、技術綜合、學科綜合。由于上述材料加工技術的總體發展趨勢，可以預見，在今后較長一段時間內，材料制備、成型與加工技術的發展將具有以下兩個主要特征：（1）性能設計與工藝設計的一體化。（2）在材料設計、制備、成型與加工處理的全過程中對材料的組織性能和形狀尺寸進行精確控制。

實際上，第一個特征實現材料技術的第五次革命、進入新材料設計與制備加工工藝時代的標志。實現第二個特征則要求具備兩個基本條件：一是計算機模擬仿真技術的高度發展；二是材料數據庫的高度完備化。基于上述材料加工技術的總體發展趨勢和特征，金屬材料加工技術的主要發展方向包括以下幾個方面。1）常規材料加工工藝的短流程化和高效化。

打破傳統材料成形與加工模式，工藝環節，實現近終形、短流程的連續化生產提高生產效率。例如，半固態流變成形、連續鑄軋、連續鑄擠等是將凝固與成形兩個過程合二為一，實行精確控制，形成以節能、降耗、提高生產效率為主要特征的新技術和新工藝。

目前國外鋁合金和鎂合金半固態加工技術已經進入較大規模工業應用階段。鋁合金半固態成型方法主要有流變壓鑄

2）發展先進的成形加工技術，實現組織與性能的精確控制

例如，非平衡凝固技術、電磁鑄軋技術、電磁連鑄技術、等溫成形技術、低溫強加工技術、先進層狀復合材料成形、先進超塑性成形、激光焊接、電子束焊接、復合熱源焊接、擴散焊接、摩擦焊接等先進技術，實現組織與性能的精確控制，不僅可以提高傳統材料的使用性能，還有利于改善難加工材料的加工性能，開發高附加值材料。

3）材料設計（包括成分設計、性能設計與工藝設計）、制備與成形加工一體化

發展材料設計、制備與成型加工一體化技術，可以實現先進材料和零部件的高效，近終形，短流程成型。典型的技術有噴射技術、粉末注射成形、激光快速成型等，是不銹鋼、高溫合金、鈦合金、難熔金屬及金屬間化合物、陶瓷材料、復合材料、梯度功能材料零部件制備成型加工的研究熱點。材料設計、制備與成形加工的一體化，是實現真正意義上的全過程的組織性能精確控制的前提和基礎。

4）開發新型制備與成形加工技術，發展新材料和新產品

塊體非晶合金制備和應用技術、連續定向凝固成形技術、電磁約束成型技術、雙結晶器連鑄與充芯連鑄復合技術、多坯料擠壓技術、微成形加工技術等，是近年來開發的新型制備與成形加工技術。這些技術在特種高性能材料或制品的制備與成形技術加工方面具有各自的特色，受到國內外的廣泛關注。

5）發展計算機數值模擬與過程仿真技術，構建完善的材料數據庫 隨著計算機技術的發展，計算材料科學已成為一門新興的交學科，是除實驗和理論外解決材料科學中實際問題的第3個重要研究方法。它可以比理論和實驗做得更深刻、更全面、更細致，可以進行一些理論和實驗暫時還做不到的研究。因此，基于知識的材料成形工藝模擬仿真是材料科學與制造科學的前沿領域和研究熱點。根據美國科學研究院工程技術委員會的測算, 模擬仿真可提高產品質量5～15倍，增加材料出品率25％，降低工程技術成本13%～30%，降低人工成本5%～20%，提高投入設備利用率30%～60%，縮短產品設計和試制周期30% ～60%等。目前，模擬仿真技術已能用在壓力鑄造、熔模鑄造等精確成形加工工藝中，而焊 接過程的模擬仿真研究也取得了可喜的進展。高性能、高保真、高效率、多學科及多尺度是模擬仿真技術的努力目標，而微觀組織模擬（從mm、μm到nm尺度）則是近年來研究的新熱點課題。通過計算機模擬，可深入研究材料的結構、組成及其各物理化學過程中宏觀、微觀變化機制，并由材料成分、結構及制備參數的最佳組合進行材料設計。計算材料科學的研究范圍包括從埃量級的量子力學計算到連續介質層次的有限元或有限差分模型分析，此范圍可分為4個層次：納米級、微觀、介觀及宏觀層次。在國外，多尺度模擬已在汽車及航天工業中得到應用。鑄件凝固過程的微觀組織模擬以晶粒尺度從凝固熱力學與結晶動力學兩方 面研究材料的組織和性能。20世紀90年代鑄造微觀模擬開始由試驗研究向實際應用發展，國內的研究雖處于起步階段，但在用相場法研究鋁合金枝晶生長、用Cellular Automaton 法研究鋁合金組織演變和汽車球墨鑄鐵件微觀組織與性能預測等方面均已取得重要進展。鍛造過程的三維晶粒度預測也有進展。6）材料的智能化制備與成形加工技術

材料的智能化制備與成形加工技術是1986年由美國材料科學界提出的“第三代”材料成形加工技術，20世紀90年代以來受到日本等先進工業國家的重視它通過綜合利用計算機技術、人工智能技術、數據庫技術和先進控制技術等，以成分、性能、工藝一體化設計與工藝控制方法，實現材料組織性能與成形加工質量，同時達到縮短研制周期、降低生產成本、減少環境負荷的目的。

材料的智能化制備與成形加工技術的研究尚處于概念形成與探索階段，被認為是21世紀前期材料成形加工新技術中最富潛力的前沿研究方向之一。其他的材料先進制備與成形加工前沿技術

電磁軟接觸連鑄、鈦合金連鑄連軋技術、高性能金屬材料噴射成形技術、輕合金半固態加工技術、泡沫鋁材料制備、鋼質蜂窩夾芯板擴散-軋制復合、金屬超細絲材制備技術、超細陶瓷粉末燃燒合成、模具表面滲注鍍復合強化、金屬管件內壁等離子體強化技術、鈦合金激光熔覆技術、非納米晶復合涂層制備技術等。