分类加L方法 精度表面粗度 加工工具 被加工材料 R。{ 精密电解磨斯 工具极,电解液 20~1 008-001导电膈色金厲!轧辊、刀具刃磨 硬质合金 精密电解研磨 工具极、电解液 1-0.1 0.025~0.08 平面、外圓、孔 精密电解抛光 工具极、电解液 平面、外圆 磨料 10-10.05-0.008导电金属 面 超声放发生器 难加工材料 精密超声车削换能器、变幅析!5 外圆、孔、端面 0.1-0.01 复合加 面 超声波发生器 精密超声磨换能器、变幅杆 3-1 0.1-0.0 外國、孔、端面 砂轮 超声波发生器 橢密超声研磨换能器、变幅杆、1~0 005-Da黑色金属等硬嗽外圃、孔、平面 研磨剂研具 材料 研具、料 机械化学研麝学括 01-0010025-008篇色金篇、非金外圃、孔、平面、 属材料 抛光器、增压活 机械化学抛光 外國、孔、平面 化抛光液 各种树料 化学机械抛光 抛光器、化学活 外、孔、平面 化抛光液 0.0l 型面 2精密加工和超精密加工机理及工艺原则 2.1加工概念的扩展 211材料的生长堆积加工 长期以来,人们对加工的概念总是局限于经过各种各样的切削等加工,从毛坯上将多余的 材料分离出去面形成零件。近年来,出现了采用生长、雄积方法来生成零件,在加工过程中, 材料由少变多,逐步增长,与分离去除的原理正好相反,这种在加工概念上的变化,具有十分 重要的意义。 材料的生长堆积加工大体上可以分为以下几类。 (1)生长如分子束外延、电铸、拉单晶等都是使材料逐渐增长,形成毛坏或零件。例 如,电动剃须刀的网刃就是用精密电铸的方法制成的,其制作过程如图01所示。 l)在铜板或铝板上涂敷光致抗蚀剂,将所需图形的照相底板与它贴紧,进行曝光、显影、 定影后,得到由导体区(铜或铝)和绝缘区(光致抗蚀剂)所形成的所需图形,称为光刻 2)如果需要曲面网刃,则应将具有抗蚀剂图形的金属板弯曲成形
电镀沉积 光致扰蚀剂 金麟片 图01电动剃须刀网刃的精密电铸 a)光刻b)弯曲成形c)电镀沉积d)分离 3)电镀沉积镍至一定厚度。 4)将镍质网刃从金属板上剥离下来,即可得到所需网刃。对于铜板,在电镀之前,应进 行分离处理,以便镍质网刃能剥离下来。 2)堆积如涂层、电镀、刷镀、堆焊等是在工件表面上堆积一层,其目的是改变工件表 层的物理、力学性质(耐磨、防蚀、装饰等),或为了增大零件的尺寸,以便进行修复。以磁盘为 例,它是计算机的信息载体,分为硬磁盘和软磁盘两种,其制作过程如下: 1)基片成形加工对于硬磁盘是用特制的材质均匀的铝板,剪切冲制后在超精密金刚石刀 具车削成形,表面达镜面后消除残余应力并进行氧化保护;对于软磁盘,可采用精密注塑成形。 2)磁性材料的涂敷将y三氧化二铁微粉与粘接剂混合均匀后涂敷于基片表面上,磁粉 与粘接剂混合均匀和涂敷均匀十分关键,为此可采用球磨混合方法和离心力甩涂方法,甩涂 时,基片旋转,使涂料流满,继而高速旋转,利用离心力使所涂厚度均匀并达到所需层厚,然 后进行干燥;同样,在基片反面也行涂敷。这种方法通常称之为甩涂,或称离心涂敷。 磁性材料涂敷的方法很多,常用的还有电镀、印刷等,可得到高质量的涂层。 3)涂层面的精密加工利用精密研磨、精密砂带研抛等使涂层面得到高糟度和低表面粗 糙度。之后,对于甩涂盘,还要进行高点铲刮工艺,去除涂层表面因磁粉与粘接剂混合不匀所 形成的高点。 (3)分层制造即快速成形制造( RPM-Rapid Prototype(Par) Manufacturing),又称快速原型 (零件)制造。可分为平面分层、曲面分层和卷绕成形制造三大类。平面分层的原理是将一个三 维实体在某坐标上分割为若干层有一定厚度的三维实体,由于层厚很小,可按二维实体制造, 再将它们堆积起来构成三维实体零件。很明显,零件分割的层数越多,则层厚越小,所堆积的 零件精度越高,因此,分层所需的处理工作量很大,计算机技术的发展提供了有利条件。 目前,平面快速成形制造方法很多,主要有: 1)光固化立体造型其原理如图02a所示,液槽中盛有紫外激光固化的液态光敏树脂, 开始成形时,工作台台面在液面下一个层高,将激光聚焦至光固化树脂表面,按该层图形进行 扫描,完成一个层面的固化建造。继而升降台带动工作台下降一个层高,使液面覆盖一层,形 成第二层树脂,再按第二层图形进行扫描,第二个层面固化并与第一层面牢固地粘在一起,如 此重复,直至零件造型完毕。 2)分层实体制造其示意图如图02b所示,采用激光或刀具从箔材(金属、纸等)上切割 出一个层面,并将非零件所需部分切成小块以便去除,再在层面上铺上一层箔材,用热压辊辗 压以固化粘接剂,使新铺上的→层箔材平整地牢固地粘接在前一层上,切割该层图形,如此反 复将所有层面切割出迭加而成三维实体零件
紫外激光器 环氧或丙烯酸光敏树脂 层框和碎小方块 透僦系统 微光器 成形零件 液面 热压辊 块体 计算机 供箔卷 激光器 计算机 激光東 此扫播 水平据 快速原型 已烧结粉末 未烧结粉末 选加过程 三维成形 图02快速成形制造 a)光固化立体造型b)分层实体制造c)选择性激光烧结d)熔融沉积成形e)喷射印丽成形 3)选择性激光烧结其原理如图02e所示,先在工作台上铺上一层密实平整的粉末,用 激光束聚焦按所需层面图形扫描,从而熔结成一个层面,再在其上铺上一层粉末,进行第二层 熔结,并与第一层熔接,如此选加成一个三维实体粉末烧结零件。它又分为直接熔接和间接熔 接两种,前者为直接熔化粉末,多用于非金属;后者为熔化粉末表面的粘接涂层,形成半成 品,再进行烧结,多用于金属粉末。 4)熔融沉积成形其原理如图02d所示,将丝状热熔性材料(如蜡、尼龙、塑料等)通过 个熔化器熔化,由一个喷头挤压出丝,按层面图形沉积一个层面,然后用同样方法建造第二个 层面,并与前一个层面熔结在一起,这样层层扫描堆积形成一个三维实体。 5)喷射印刷成形其制作原理如图02e所示,将热熔成形材料熔融后由喷头喷出,扫描 成形建造出一个层面,逐层堆积形成三维实体零件。 快速成形制造多用于零件、模具、饰品、人造脏器等制造
2】2表面工程技术 长期以来,“加工”是指利用切削等方法去除多余材料,“处理”是指利用热能改变材料表 层的力学性能,统称热处理。现代制造技术的发展使“处理”的概念大为扩展,不仅包含表面 处理的含义,更涉及表面加工的内涵,形成了以“表面”为研究对象的表面工程。 表面工程是由材料学、冶金学、机械学、物理学、化学、电子学等多学科交叉、综合而发 展起来的新兴学科,是制造技术的重要组成部分,与精密加工和超精密加工的关系尤为密切。 表面工程的体系结构如图03所示,可以看出,表面技术可分为单一技术和复合技术两大 类,主要的单一技术有以下几种: 表面工程 表面技术 丧面加工原职 表面质量 表面工程 基础理论 合表面技术 检测与控制 L技术设计 物 面失效分析 力现分程 与1升|重 何学 防复|沉‖积熔处 积 图03表面工程体系结构 (1)原子分子沉积沉积物以原子、分子、离子和粒子等形态在材料表面上沉积,形成外 加覆盖层,如电镀、离子镀、化学气相沉积、物理气相沉积、微光真空镀膜等。 (2)颗粒沉积沉积物以宏观尺度的颗粒形态在材料表面上形成覆盖层,如热喷涂、喷 漆、喷塑、热浸镀、刷涂、刷镀、堆焊、激光涂敷等。 (3)表面重熔通过表面加热手段使工件表层金属快速熔化后凝固,以弥补表面的微缺 陷,如气孔、砂眼、裂纹等,同时使表面光整、沽亮。利用激光进行表面重熔,效果良好,俗 称激光上光。 (4)表面改性处理通过渗人和注入一些化学元素以改变表层材料的化学成分,或通过表 层冷热处理进行相变以改变表层材料的组织结构,统称为表面改性处理,其目的是改变材料层 的力学、机被性质。表面改性处理的方法有离子渗、扩散渗、磷化、离子溅射注入、激光固态 相变等。 (5)连接指两种材料通过物理、化学等方法连接在一起,形成复合层,如包金属箔、贴 片、焊接、化学粘接等。 单一表面技术由于其局限性,往往不能满足日益发展的工况需求,从而出现了复合表面技 术、又称之为第二代表面技术,例如:热喷涂与激光重熔的复合,多层薄膜的复合等,复合表 面技术使材料表面的性能更加优越,极有前途,值得进一步研究发展
22进化加工原则 221“母性”加工原则 一般加工时,作为工作母机的机床,其精度总是要比被加工零件的精度高,称之为“母 性”加工原则,是一种“蜕化”加工原则,也是目前加工的主要手段和思路。 随着各种工业的发展,对制造技术的要求也越来越高,出现了精密机床、超精密加工机 床,以便能适应技术需求,为此,机床的精度要求越来越高,技术难度也越来越大,投资也越 来越多。例如,美国加利福尼亚大学 Lawrence Livemore实验室和空军W地航空研究所等单位 合作研制的OmM大型超精密金刚石非球面车床,用于加工大型金属反射镜,在1984年由美 国国防部高级研究计划局( DARPA投资了1300万美元。该机床采用了分辨力为07m的双频 澈光测量系统,进行在线测量和误差补偿;机床内各发热部分采用油温控制可达(20± 0005)℃的大量恒温液体冷却;机床采用4个空气垫支承在防振大基地上,其中有两个空气 垫是连通的,故实际是三点定位,但支承刚度增强。该机床主轴回转精度为005m,定位误 差小于0.051ym,加工零件的最大尺寸为625mm500mm,重量1360kg。它是世界上公认为 精度最高、技术水平最高的大型金刚石超精密车床的代表作。可见,采用“母性”加工原则对 于精密加工和超精密加工而言,存在以下几个问题: 1)由于被加工零件的精度和技术要求很高,很难研制其工作母机进行加工,在技术上已 非常困难。 2)投资太大,技术经济指标很不合理,特别是在单件小批生产情况下,每件零件的生产 成本更难承受。 3)精密加工和超精密加工是一个系统工程,其组成环节很多,虽然加工设备是主要因素, 但可发挥其他组成环节的影响,如借助于工艺手段和特殊工具来弥补机床的不足。 由此应该另辟新径,采用创造性加工原则,即“进化”加工原则 222“进化”加工原则 用精度低于工件精度要求的机床设备,通过其他手段,加工出达到精度要求的零件,称之 为“进化”加工原则,它又可分为两种情况。 (1)直接式进化加工在精度低于工件精度要求的机床设备上,借助工艺手段和专用工具 等,直接加工出高于工作母机的零件,就是直接式的进化加工。例如在加工糟密丝杠时,精密丝 杠磨床的螺距精度不能满足工件要求,这时可采用计算机控制的在线检测微位移补偿装置,对加 工过程中的丝杠进行在线检测和实时补偿,使被加工丝杠的螺距精度能够达到要求。又如在镗床 上加工精密孔时,可采用浮动镗刀来保证孔径尺寸,弥补机床进给系统精度不够所带来的问题。 (2)间接式进化加工用较低精度机床和工具,通过工艺揩施制造出第二代高精度工作母 机,用第二代工作母机加工出高橢度零件,这为间接式进化加工,这对于中批和大批大量生产 是比较合适的,工厂只要能够研制出第二代工作母机,就能保证产品的高质量生产。例如,精 密滚齿机的关键零件是蜗轮蜗杆酌,其中蜗轮的分度精度影响很大,现有的通用机床(滚齿机) 不能满足精度要求,如用直接式进化加工则工作量很大,对批量生产不适合,因此采用间接式 进化加工,花大力气研制一台第二代高精度工作母机,即高精度滚齿机,便能保证高精度蜗轮 的生产,同时,也就保证了精密滚齿机产品的生产。因此,这种第二代高精度工作母机成为该 工厂的关键设备和技术,同时也是该厂技术水平和技术能力的标志。 “进化”加工原则不仅对精密加工和超精密加工有重要意义,同时对一般加工也是重要的