机械制造技术基础(第三版)第七章

1、西安交通大学第七章第七章 先进制造技术先进制造技术西安交通大学西安交通大学 先进制造技术研究所先进制造技术研究所第七章第七章 先进制造技术先进制造技术第一节第一节 快速成形制造技术快速成形制造技术第二节第二节 精密超精密加工技术精密超精密加工技术第三节第三节 微机械及其微细加工技术微机械及其微细加工技术西安交通大学西安交通大学 先进制造技术研究所先进制造技术研究所前言前言*模型制作定向*分层处理*加支撑图1.1 快速成型技术工艺过程示意图CAD造型系统STL模型CAD模型加工文件快速成型系统数据准备处理成型过程成型制作*实体造型方法*STL输出接口*其它数据接口成型零件快速成型技术工艺过程示意

2、图快速成型技术工艺过程示意图西安交通大学西安交通大学 先进制造技术研究所先进制造技术研究所第一节第一节 快速成形制造技术快速成形制造技术一、简介一、简介 快速成形技术是快速成形技术是上世纪上世纪80年代年代初期初期发展起来的发展起来的,可根据可根据CAD模模型快速制造出样件或零件；型快速制造出样件或零件； 它是一种它是一种材料累加材料累加 (Material Increase)制造方法，即通过材料制造方法，即通过材料的有序累加而完成三维成形的；的有序累加而完成三维成形的； 集成了集成了CNC技术、材料技术、技术、材料技术、激光技术以及激光技术以及CAD技术等现代技术等现代的科技成果；的科技成果

3、； 制造的柔性极高制造的柔性极高,完全符合灵捷完全符合灵捷制造制造(Agile)的思想。的思想。 采用快速铸造技术生产的四缸发动机采用快速铸造技术生产的四缸发动机的蜡模的蜡模西安交通大学西安交通大学 先进制造技术研究所先进制造技术研究所第一节第一节 快速成形制造技术快速成形制造技术一、简介一、简介 快速成形技术与数控加工、铸造、金属冷喷涂、硅胶快速成形技术与数控加工、铸造、金属冷喷涂、硅胶模制作等制造手段的密切结合，已成为当前模型、模模制作等制造手段的密切结合，已成为当前模型、模具和零件制造的强有力手段，在航空航天、汽车、家具和零件制造的强有力手段，在航空航天、汽车、家电以及生物制造工程等众多

4、领域得到了广泛的应用。电以及生物制造工程等众多领域得到了广泛的应用。 西安交通大学西安交通大学 先进制造技术研究所先进制造技术研究所第一节第一节 快速成形制造技术快速成形制造技术 快速成型技术的优点：快速成型技术的优点：v计算机辅助设计的零件的实物模型可以在很短时间内计算机辅助设计的零件的实物模型可以在很短时间内成形出来，从而可以很快对加工能力和设计结果进行成形出来，从而可以很快对加工能力和设计结果进行评估评估 ；v能制造任意复杂实体零件，而无须任何工装夹具，可能制造任意复杂实体零件，而无须任何工装夹具，可实现自由制造实现自由制造(Free Form Fabrication) ；v采用适当的材

5、料和后续工艺，可以直接获得最终产品采用适当的材料和后续工艺，可以直接获得最终产品或模具。或模具。 西安交通大学西安交通大学 先进制造技术研究所先进制造技术研究所第一节第一节 快速成形制造技术快速成形制造技术二、快速成型的基本原二、快速成型的基本原理理 从成形的全过程来看，从成形的全过程来看，快速成形过程可以描述快速成形过程可以描述为离散为离散/ /堆积过程堆积过程 ； 离散：离散：从从CADCAD模型中获模型中获得这些点、线、面的几得这些点、线、面的几何信息；何信息； 堆积：堆积：把它与成形参数把它与成形参数信息结合信息结合, ,转换为控制转换为控制成形机工作的成形机工作的NCNC代码代码,

6、,控制材料有规律地、精控制材料有规律地、精确地迭加起来。确地迭加起来。层粘接层制造层准备层信息处理分层面型化处理堆积离散成型机堆积制造计算机信息处理实体模型CAD 模型西安交通大学西安交通大学 先进制造技术研究所先进制造技术研究所第一节第一节 快速成形制造技术快速成形制造技术 三维建模及模型的面型化三维建模及模型的面型化(Tessallation(Tessallation) ) v在三维在三维CAD设计软件（如设计软件（如Pro/E、UG、SolidWorks、SolidEdge等）中等）中获得描述该零件的获得描述该零件的CAD文件；文件；v用平面三角面片近似代替模型表面；用平面三角面片近似代

7、替模型表面；v每个三角面片用四个数据项表示每个三角面片用四个数据项表示,即即三个顶点坐标和法向矢量三个顶点坐标和法向矢量,而整个而整个CAD模型就是这样一组矢量的集合；模型就是这样一组矢量的集合；v通过控制通过控制CAD软件系统的输出精度软件系统的输出精度控制参数，可减小曲面近似处理误控制参数，可减小曲面近似处理误差。差。 （a） 零件的三维模型（b）模型的三角形面片处理西安交通大学西安交通大学 先进制造技术研究所先进制造技术研究所第一节第一节 快速成形制造技术快速成形制造技术 CADCAD模型的离散化处理模型的离散化处理v通过专用的分层程序将三维实体模型通过专用的分层程序将三维实体模型（已转

8、化为（已转化为STL格式）分层；格式）分层；v通过一簇平行平面沿制作方向与通过一簇平行平面沿制作方向与CAD模型相截；模型相截；v平行平面之间的距离就是分层的厚度平行平面之间的距离就是分层的厚度,也就是成型时堆积的单层厚度也就是成型时堆积的单层厚度 ；v切片层的厚度直接影响零件的表面粗切片层的厚度直接影响零件的表面粗糙度和整个零件的型面精度，糙度和整个零件的型面精度，v轮廓是由求交后的一系列交点顺序连轮廓是由求交后的一系列交点顺序连成的折线段构成；成的折线段构成；v层厚大层厚大,丢失的轮廓信息多丢失的轮廓信息多,将导致在成将导致在成型过程中产生了型面误差。型过程中产生了型面误差。 （c） 零件

9、的分层离散西安交通大学西安交通大学 先进制造技术研究所先进制造技术研究所第一节第一节 快速成形制造技术快速成形制造技术 层片的制造与堆积层片的制造与堆积 v根据截面轮廓，单独分析处理每一根据截面轮廓，单独分析处理每一层轮廓信息，编译一系列后续数控层轮廓信息，编译一系列后续数控指令。下图显示了截面指令。下图显示了截面A-A的工作路的工作路径。径。v在计算机控制下，快速成型系统中在计算机控制下，快速成型系统中的成型头（激光扫描头、喷头、切的成型头（激光扫描头、喷头、切割刀等）在割刀等）在X-Y平面内自动按截面轮平面内自动按截面轮廓进行层制造，得到一层层截面。廓进行层制造，得到一层层截面。v每层截面

10、成型后，下一层材料被送每层截面成型后，下一层材料被送至已成型的层面上，进行后一层的至已成型的层面上，进行后一层的成型，并与前一层相粘接，从而一成型，并与前一层相粘接，从而一层层的截面累加在一起，形成三维层层的截面累加在一起，形成三维零件。零件。（d）对图（c）的截面A-A进行加工西安交通大学西安交通大学 先进制造技术研究所先进制造技术研究所第一节第一节 快速成形制造技术快速成形制造技术三、三、 快速成型的工艺方法快速成型的工艺方法液体材料SLLTPBISHISRP 工艺方法及其分类粉状材料BMP3DWFDMSDMSLSGPD3DPTSFSF片状材料LOMSFPSGCES目前快速成型主要工艺方法

11、及其分类液体树脂固化熔融材料固化激光熔合材料粘结剂粘结材料粘性片材的粘结UV粘结片状材料西安交通大学西安交通大学 先进制造技术研究所先进制造技术研究所第一节第一节 快速成形制造技术快速成形制造技术 熔积成型法（熔积成型法（Fused Deposition Modeling） (a) 熔积法成型的示意图v龙门架式的机械控制喷头可以龙门架式的机械控制喷头可以在工作台的两个方向移动，工作在工作台的两个方向移动，工作台可以根据需要向上或向下移动台可以根据需要向上或向下移动 ；v热塑性塑料或蜡制的熔丝从加热塑性塑料或蜡制的熔丝从加热小口处挤出。最初的一层是按热小口处挤出。最初的一层是按照预定的轨迹以固定

12、的速率将熔照预定的轨迹以固定的速率将熔丝挤出在泡沫塑料基体上形成的；丝挤出在泡沫塑料基体上形成的；vFDM工艺的关键是保持半流动工艺的关键是保持半流动成型材料刚好在熔点之上（通常成型材料刚好在熔点之上（通常控制在比熔点高控制在比熔点高1左右）。左右）。 西安交通大学西安交通大学 先进制造技术研究所先进制造技术研究所第一节第一节 快速成形制造技术快速成形制造技术 FDM 制作复杂的零件时，必须添加工艺支撑制作复杂的零件时，必须添加工艺支撑 (b) (b) 在快速原型机器中常用的支撑结构在快速原型机器中常用的支撑结构(a) (a) 有一个突出截面需要支撑材料的零件有一个突出截面需要支撑材料的零件快

13、速原型支撑结构图西安交通大学西安交通大学 先进制造技术研究所先进制造技术研究所第一节第一节 快速成形制造技术快速成形制造技术v 在在FDM机器中层的厚度由挤出丝的直径决定；机器中层的厚度由挤出丝的直径决定；v 通常是从通常是从0.50mm到到0.25mm（从（从0.02in到到0.01in）这个值代表了在）这个值代表了在垂直方向所能达到的最好的公差范围；垂直方向所能达到的最好的公差范围；v 在在xy平面，只要熔丝能够挤出到特征上，尺寸的精确度可以达平面，只要熔丝能够挤出到特征上，尺寸的精确度可以达到到0.025mm（0.001in）。）。 FDM的优点：的优点：v 材料的利用率高；材料的利用率

14、高；v 材料的成本低；材料的成本低；v 可选用的材料种类多；可选用的材料种类多；v 工艺干净、简单、易于操作且对环境的影响小。工艺干净、简单、易于操作且对环境的影响小。西安交通大学西安交通大学 先进制造技术研究所先进制造技术研究所第一节第一节 快速成形制造技术快速成形制造技术 FDMFDM缺点缺点v精度低；结构复杂的零件不易制造；精度低；结构复杂的零件不易制造；v表面质量差；成型效率低，不适合制造大型零件；表面质量差；成型效率低，不适合制造大型零件；v该工艺适合于中等复杂程度的中小原型产品的概念建该工艺适合于中等复杂程度的中小原型产品的概念建模以及形状和功能测试；模以及形状和功能测试；v由于甲

15、基丙烯酸由于甲基丙烯酸ABS材料具有较好的化学稳定型，可材料具有较好的化学稳定型，可采用伽马射线消毒，特别适用于医用。采用伽马射线消毒，特别适用于医用。西安交通大学西安交通大学 先进制造技术研究所先进制造技术研究所第一节第一节 快速成形制造技术快速成形制造技术2.光固化法（光固化法（Stereolithography） 采用紫外光致凝液态光敏树脂（固化）到特定形状；采用紫外光致凝液态光敏树脂（固化）到特定形状； 计算机控制下的紫外激光束对液态树脂逐点扫描，使被扫计算机控制下的紫外激光束对液态树脂逐点扫描，使被扫描区的树脂薄层产生光聚合反应，形成零件的一个薄层截描区的树脂薄层产生光聚合反应，形成

16、零件的一个薄层截面。面。光固化成型原理图工作台下降一个层厚，在已固工作台下降一个层厚，在已固化好的树脂上表面再敷上一层化好的树脂上表面再敷上一层新的液态树脂，并保证上表面新的液态树脂，并保证上表面位置不变，然后通过激光扫描位置不变，然后通过激光扫描使本层固化，并要求牢固地粘使本层固化，并要求牢固地粘接在前一层上，该过程一直重接在前一层上，该过程一直重复操作到达到复操作到达到b b高度。高度。西安交通大学西安交通大学 先进制造技术研究所先进制造技术研究所第一节第一节 快速成形制造技术快速成形制造技术 这时可以注意到工作台在垂直方向下降了距离这时可以注意到工作台在垂直方向下降了距离ab。到达。到达

17、b高度后，层片截面尺寸发生了变化，由于出现悬臂部位，高度后，层片截面尺寸发生了变化，由于出现悬臂部位，此处应添加类似于此处应添加类似于FDM的支撑，该过程重复进行堆积出的支撑，该过程重复进行堆积出从高度从高度b到到c的圆柱环形截面；的圆柱环形截面； 零件制造结束后从工作台上取下，去掉支撑结构，即可获零件制造结束后从工作台上取下，去掉支撑结构，即可获得三维零件；得三维零件； 能达到的最小公差取决于激光能达到的最小公差取决于激光的聚焦程度：通常是的聚焦程度：通常是0.0125mm(0.0005in）。倾斜的表面也可）。倾斜的表面也可以有很好的表面质量。以有很好的表面质量。 光固化成型原理图西安交通

18、大学西安交通大学 先进制造技术研究所先进制造技术研究所第一节第一节 快速成形制造技术快速成形制造技术 SL工艺优点工艺优点:v精度较高，一般尺寸精度控制在精度较高，一般尺寸精度控制在0.1mm；v表面质量好；原材料的利用率接近表面质量好；原材料的利用率接近100；v能制造形状特别复杂、特别精细的零件；能制造形状特别复杂、特别精细的零件；v设备的市场占有率很高。设备的市场占有率很高。 缺点缺点v是需要设计支撑；是需要设计支撑；v可以选择的材料种类有限；可以选择的材料种类有限；v容易发生翘曲变形；容易发生翘曲变形；v材料价格较贵。材料价格较贵。该工艺适合于比较复杂的中小件。该工艺适合于比较复杂的中

19、小件。西安交通大学西安交通大学 先进制造技术研究所先进制造技术研究所第一节第一节 快速成形制造技术快速成形制造技术3.3.激光选区烧结（激光选区烧结（Selective Laser SinteringSelective Laser Sintering） 将非金属（或普通金属）粉末有选择地烧结成形的工艺。将非金属（或普通金属）粉末有选择地烧结成形的工艺。此工艺中的一些基本原理如图所示。该法采用此工艺中的一些基本原理如图所示。该法采用CO2激光器激光器作为能源，目前使用的造型材料多为各种粉末材料作为能源，目前使用的造型材料多为各种粉末材料。 激光选区烧结工艺路线图西安交通大学西安交通大学 先进制造

20、技术研究所先进制造技术研究所第一节第一节 快速成形制造技术快速成形制造技术 SLS工艺的优点工艺的优点v原型件的机械性能好，强度高；无须设计和构建支撑；原型件的机械性能好，强度高；无须设计和构建支撑；v可选用的材料种类多；原材料的利用率接近可选用的材料种类多；原材料的利用率接近100。 缺点缺点v原型表面粗糙；原型件疏松多孔，需要进行后处理；原型表面粗糙；原型件疏松多孔，需要进行后处理；能量消耗高；成产效率低；成型过程需要不断充氮气，能量消耗高；成产效率低；成型过程需要不断充氮气，成本较高；成型过程产生有毒气体，对环境有一定的成本较高；成型过程产生有毒气体，对环境有一定的污染。污染。 SLS工

21、艺特别适合制作功能测试零件。可用于直接制造工艺特别适合制作功能测试零件。可用于直接制造金属模具。与熔模铸造工艺相接特别适合进行小批量比较金属模具。与熔模铸造工艺相接特别适合进行小批量比较复杂的中小零件的生产。复杂的中小零件的生产。西安交通大学西安交通大学 先进制造技术研究所先进制造技术研究所第一节第一节 快速成形制造技术快速成形制造技术4.叠层制造（叠层制造（Lamited Object Manufacturing） 位于上方的激光器按照位于上方的激光器按照CAD分层模型所获数据，用激光束分层模型所获数据，用激光束将纸切割成所制零件的内外轮廓将纸切割成所制零件的内外轮廓; 新的一层纸再叠加在上

22、面，通过热压装置和下面已切割层新的一层纸再叠加在上面，通过热压装置和下面已切割层粘合在一起，激光束再次切割，整个零件的制作就是这样粘合在一起，激光束再次切割，整个零件的制作就是这样反复的过程。反复的过程。 (a) 叠层制造工艺原理图(b) 由叠层制造法制造的机轴零件图西安交通大学西安交通大学 先进制造技术研究所先进制造技术研究所第一节第一节 快速成形制造技术快速成形制造技术 LOM工艺优点工艺优点v无须设计和构建支撑；无需填充扫描，成型效率高；无须设计和构建支撑；无需填充扫描，成型效率高；成型件的内应力和翘曲变形小；制造成本低。成型件的内应力和翘曲变形小；制造成本低。缺点缺点 材料利用率低；表

23、面质量差；后处理难度大，尤其是材料利用率低；表面质量差；后处理难度大，尤其是中空零件的内部残余废料不易去除；可以选择的材料中空零件的内部残余废料不易去除；可以选择的材料种类有限，常用的主要是纸；对环境有一定的污染。种类有限，常用的主要是纸；对环境有一定的污染。 LOM工艺适合制作大中型原型件，翘曲变形小和形状工艺适合制作大中型原型件，翘曲变形小和形状简单的实体类零件。通常用于产品设计的概念建模和简单的实体类零件。通常用于产品设计的概念建模和功能测试零件，且由于制成的零件具有木质属性，特功能测试零件，且由于制成的零件具有木质属性，特别适用于直接制作砂型铸造模。别适用于直接制作砂型铸造模。西安交通

24、大学西安交通大学 先进制造技术研究所先进制造技术研究所第一节第一节 快速成形制造技术快速成形制造技术四、基于快速成型的快速模具技术（四、基于快速成型的快速模具技术（Rapid Tooling,简称简称RT）快速模具按模具制造方式可分为：快速模具按模具制造方式可分为： 直接制模法；直接制模法； 间接制模法。间接制模法。 1.直接制模法直接制模法(Direct ToolingDT) 将模具将模具CAD的结果由的结果由RP系统直接制造成型；系统直接制造成型； 用用RP技术直接制造的模具经表面处理后可直接用于生技术直接制造的模具经表面处理后可直接用于生产中；产中； 直接制造金属模具的技术和方法正在研究

25、之中直接制造金属模具的技术和方法正在研究之中。西安交通大学西安交通大学 先进制造技术研究所先进制造技术研究所第一节第一节 快速成形制造技术快速成形制造技术2.2.间接制模法间接制模法 以以RP原型作样件原型作样件(或叫模样或叫模样)间接制造模具的方法。间接制造模具的方法。 RPM技术能够更快、更好、更方便地设计并制造出各技术能够更快、更好、更方便地设计并制造出各种复杂的原型种复杂的原型(样件样件)。 一般可使模具制造周期和制造成本降低一般可使模具制造周期和制造成本降低1/2，大大提高，大大提高了生产效率和产品质量。了生产效率和产品质量。其方法则根据零件的生产批量的大小而不同。常用的有：其方法则

26、根据零件的生产批量的大小而不同。常用的有： 用用RP原型制作简易模具原型制作简易模具1)用快速成型件作母模，制作硅橡胶模用快速成型件作母模，制作硅橡胶模 当制造的零件件数较少（当制造的零件件数较少（批量在批量在2050件件）时，一般）时，一般采用这种硅橡胶模；采用这种硅橡胶模； 同钢模的生产周期（同钢模的生产周期（1618周周）相比，它的制作周期）相比，它的制作周期为为1周左右。周左右。 西安交通大学西安交通大学 先进制造技术研究所先进制造技术研究所第一节第一节 快速成形制造技术快速成形制造技术2)2)以快速成型件作母模，进行树脂型复合制模以快速成型件作母模，进行树脂型复合制模 以液态的环氧树

27、脂与有机或无机材料复合为基体材料，以液态的环氧树脂与有机或无机材料复合为基体材料，以以RP原型为基准浇铸模具的一种制模方法。原型为基准浇铸模具的一种制模方法。 这种方法制造的模具寿命为这种方法制造的模具寿命为1001000件。为延长模具件。为延长模具寿命，通常在环氧树脂中添加各种添加剂。寿命，通常在环氧树脂中添加各种添加剂。 工艺简单、模具传导率高、强度高及型面不加工的特工艺简单、模具传导率高、强度高及型面不加工的特点，适于塑料注射模、薄板拉伸模及吸塑模和聚氨酯点，适于塑料注射模、薄板拉伸模及吸塑模和聚氨酯发泡成型模。同钢模的生产周期相比，其制作周期为发泡成型模。同钢模的生产周期相比，其制作周

28、期为12周。周。西安交通大学西安交通大学 先进制造技术研究所先进制造技术研究所第一节第一节 快速成形制造技术快速成形制造技术3)3)金属喷涂（金属喷涂（Metal SprayingMetal Spraying）制模法）制模法 以以RP原型作样件，将低熔点的熔化金属（如锌铝合金）原型作样件，将低熔点的熔化金属（如锌铝合金）充分雾化后以一定的速度喷射到样件的表面，形成模充分雾化后以一定的速度喷射到样件的表面，形成模具型腔表面，充填背衬复合材料；具型腔表面，充填背衬复合材料； 这种模具用于这种模具用于3000件以下的注塑件生产。同钢模生产件以下的注塑件生产。同钢模生产周期相比，其制作周期为周期相比，

29、其制作周期为34周。周。 特点：特点：工艺简单，周期短；型腔表面及其精细花纹一工艺简单，周期短；型腔表面及其精细花纹一次同时形成；不需机加工；模具尺寸精度高。次同时形成；不需机加工；模具尺寸精度高。 西安交通大学西安交通大学 先进制造技术研究所先进制造技术研究所第一节第一节 快速成形制造技术快速成形制造技术 用用RP原型快速制作钢模原型快速制作钢模1)1)陶瓷型精密铸造法制造钢陶瓷型精密铸造法制造钢/ /铁型腔铁型腔 制作钢制作钢/铁型腔，将铁型腔，将RP原型置于陶瓷沙浆中，形成模壳原型置于陶瓷沙浆中，形成模壳在炉中固化模壳，烧去在炉中固化模壳，烧去RP原型原型在炉中预热模壳在炉中预热模壳在模

30、壳浇铸钢在模壳浇铸钢/铁型腔铁型腔型腔表面抛光型腔表面抛光加入浇注系统加入浇注系统和冷却系统等和冷却系统等批量生产用注塑模。批量生产用注塑模。2)消失模铸生产模具消失模铸生产模具 工艺简单和尺寸精度高，广泛应用于生产汽车覆盖件工艺简单和尺寸精度高，广泛应用于生产汽车覆盖件模具。用于失蜡铸造工艺制造钢模具。用于失蜡铸造工艺制造钢/铁型腔模具。另外在铁型腔模具。另外在单件生产复杂模具时，也可直接用单件生产复杂模具时，也可直接用RP原型代替蜡模。原型代替蜡模。西安交通大学西安交通大学 先进制造技术研究所先进制造技术研究所第七章第七章 先进制造技术先进制造技术第一节第一节 快速成形制造技术快速成形制造

31、技术第二节第二节 精密超精密加工技术精密超精密加工技术第三节第三节 微机械及其微细加工技术微机械及其微细加工技术西安交通大学西安交通大学 先进制造技术研究所先进制造技术研究所第二节第二节 精密超精密加工技术精密超精密加工技术一、一、 精密和超精密加工的基本概念精密和超精密加工的基本概念1 1加工精度和加工方法加工精度和加工方法 精密加工：精密加工：获得微米至亚微米的加工；获得微米至亚微米的加工； 超精密加工：超精密加工：获得亚微米以上精度的加工。获得亚微米以上精度的加工。 项目项目 精密加工精密加工 超精密加工超精密加工尺寸精度尺寸精度圆度圆度圆柱度圆柱度平面度平面度表面粗糙度表面粗糙度2.5

32、0.750.70.21.250.381.250.380.20.050.30.250.380.060.250.130.250.130.030.01西安交通大学西安交通大学 先进制造技术研究所先进制造技术研究所第二节第二节 精密超精密加工技术精密超精密加工技术 精密切削加工技术中的车削和磨削精密切削加工技术中的车削和磨削:v超精密切削加工是一种微量切削加工方法，一般采取超精密切削加工是一种微量切削加工方法，一般采取刀具切削刀具切削或或磨具切削磨具切削这两种工艺。这两种工艺。v采用采用刀具刀具切削的超精密加工方法有切削的超精密加工方法有超精密车削超精密车削、超精超精密铣削密铣削、超精密拉削超精密拉削

33、以及以及超精密铰削超精密铰削等方法。等方法。v采用采用磨具磨具切削的超精密加工方法主要有切削的超精密加工方法主要有超精密磨削超精密磨削、珩磨珩磨、研磨研磨以及用以及用游离磨粒磨削游离磨粒磨削的加工方法。的加工方法。 西安交通大学西安交通大学 先进制造技术研究所先进制造技术研究所第二节第二节 精密超精密加工技术精密超精密加工技术 2 2超精密加工条件超精密加工条件影响超精密加工精度和表面质量的主要影响因素影响超精密加工精度和表面质量的主要影响因素 :超 精 密 加 工 精 度及 表 面 质 量加 工 环 境检 测 及 计 量 技 术其 它操 作 者 水 平误 差 分 析 及 补 偿机 床 设 备

34、刀 具 或 磨 具微 切 削 加 工 机 理主 轴 、 导 轨 、 进 给 机 构 的 静 动 特 性热 变 形微 切 削 机 理切 削 材 料 性 能刀 具 磨 具 切 削性 能刀 具 磨 具 材 料振 源热 源环 境 污 染专 业 技 术 知 识技 巧 、 熟 练 程度西安交通大学西安交通大学 先进制造技术研究所先进制造技术研究所第二节第二节 精密超精密加工技术精密超精密加工技术二、超精密车削二、超精密车削1车床的精度车床的精度用于超精密车削的车床，必须具备以下条件：用于超精密车削的车床，必须具备以下条件：主轴能以高精度高速度旋转，且具有足够的刚度；主轴能以高精度高速度旋转，且具有足够的刚

35、度；直线导轨的直线进给精度高，不产生爬行及微小的振直线导轨的直线进给精度高，不产生爬行及微小的振动；动；进给机构能够实现准确的微量进给，且进给平稳、均进给机构能够实现准确的微量进给，且进给平稳、均匀、无振动；匀、无振动；关键结构部件精度高，具有足够的刚度。关键结构部件精度高，具有足够的刚度。西安交通大学西安交通大学 先进制造技术研究所先进制造技术研究所第二节第二节 精密超精密加工技术精密超精密加工技术 为满足上述基本条件，为满足上述基本条件，超精密车床设计和制造超精密车床设计和制造所所采用的技术和工艺已远远超出了传统车床设计制采用的技术和工艺已远远超出了传统车床设计制造的范畴。在车床的结构上，

36、主要采取以下主要造的范畴。在车床的结构上，主要采取以下主要措施：措施：1 1）主轴）主轴 提高提高主轴旋转精度主轴旋转精度的关键零件是支撑它的轴承。的关键零件是支撑它的轴承。 超精密加工用的主轴轴承，主要有超精密加工用的主轴轴承，主要有滚动轴承滚动轴承、液体静液体静压、动压轴承、空气静压、动压轴承压、动压轴承、空气静压、动压轴承以及以及磁悬浮轴承磁悬浮轴承等。等。西安交通大学西安交通大学 先进制造技术研究所先进制造技术研究所第二节第二节 精密超精密加工技术精密超精密加工技术2 2）直线导轨）直线导轨 直线导轨可分为：滑动导轨、滚动导轨、液体静压导直线导轨可分为：滑动导轨、滚动导轨、液体静压导轨

37、、空气静压导轨以及磁悬浮导轨；轨、空气静压导轨以及磁悬浮导轨； 对精密加工用的导轨对精密加工用的导轨，经常采用高分子材料制造的滑，经常采用高分子材料制造的滑动导轨（摩擦系数低）、高精度滚动导轨以及液体静动导轨（摩擦系数低）、高精度滚动导轨以及液体静压导轨；压导轨； 对超精密加工用的导轨对超精密加工用的导轨，则采用专门设计制造的液体，则采用专门设计制造的液体静压导轨和空气静压导轨比较合适。静压导轨和空气静压导轨比较合适。 3）进给机构）进给机构 进给机构主要有：进给机构主要有：滑动丝杠进给机构滑动丝杠进给机构、滚动丝杠滚动丝杠、液液体静压丝杠体静压丝杠、空气静压丝杠空气静压丝杠、静压油缸进给机构

38、静压油缸进给机构、直直流线性电机进给机构流线性电机进给机构以及以及微量进给机构。微量进给机构。 西安交通大学西安交通大学 先进制造技术研究所先进制造技术研究所第二节第二节 精密超精密加工技术精密超精密加工技术4 4）机床热变形控制）机床热变形控制 首先，要减少发热源。首先，要减少发热源。 其次，采用热对称结构，选用低热变形复合材料，以其次，采用热对称结构，选用低热变形复合材料，以从结构上使热变形得到抑制。从结构上使热变形得到抑制。 第三，以恒温的方式控制热变形。第三，以恒温的方式控制热变形。 第四，对热变形误差进行补偿控制等等第四，对热变形误差进行补偿控制等等 。西安交通大学西安交通大学 先进

39、制造技术研究所先进制造技术研究所第二节第二节 精密超精密加工技术精密超精密加工技术2 2超精密车削的刀具超精密车削的刀具 为了实现超微量切除，金刚石刀具是目前超精密车削为了实现超微量切除，金刚石刀具是目前超精密车削加工的主要刀具；加工的主要刀具； 金刚石车削中的一项关键技术是刀具的刃磨质量，包金刚石车削中的一项关键技术是刀具的刃磨质量，包括晶面的选择及刀刃钝圆半径的大小；括晶面的选择及刀刃钝圆半径的大小； 天然金刚石的硬度、耐磨性具有各向异性的特点。实天然金刚石的硬度、耐磨性具有各向异性的特点。实践中一般是先选定金刚石的晶向，该晶向不能与解理践中一般是先选定金刚石的晶向，该晶向不能与解理晶面平

40、行，否则会造成加工中金刚石层的整片剥落。晶面平行，否则会造成加工中金刚石层的整片剥落。西安交通大学西安交通大学 先进制造技术研究所先进制造技术研究所第二节第二节 精密超精密加工技术精密超精密加工技术2 2超精密车削的刀具超精密车削的刀具 然后，采用研磨的方法，将金刚石固定在夹具上，放然后，采用研磨的方法，将金刚石固定在夹具上，放在铸铁研磨盘上研磨，使得已选择的晶向与主切削刃在铸铁研磨盘上研磨，使得已选择的晶向与主切削刃平行。研磨剂一般选用金刚砂和润滑油。影响刃磨质平行。研磨剂一般选用金刚砂和润滑油。影响刃磨质量的主要因素是刀刃的钝圆半径。切削加工的最小切量的主要因素是刀刃的钝圆半径。切削加工的

41、最小切除量与刀具切削刃最小钝圆半径有关，而刀刃钝圆半除量与刀具切削刃最小钝圆半径有关，而刀刃钝圆半径的大小取决于刀具材料晶体的微观结构。径的大小取决于刀具材料晶体的微观结构。西安交通大学西安交通大学 先进制造技术研究所先进制造技术研究所第二节第二节 精密超精密加工技术精密超精密加工技术3 3金刚石刀具超精密加工的应用金刚石刀具超精密加工的应用 主要用于有色金属的主要用于有色金属的精密车削精密车削和和精密镗削精密镗削； 近年来它主要用来加工近年来它主要用来加工铝合金铝合金和和铜合金铜合金等等软材料软材料； 采用天然金刚石刀具加工高密度硬磁盘的铝合金片基，采用天然金刚石刀具加工高密度硬磁盘的铝合金

42、片基，使表面粗糙度值可达使表面粗糙度值可达RaO.003m，平面度，平面度0.2m，实现了，实现了对软材料的对软材料的镜面加工镜面加工； 采用数控金刚石超精密车削可加工采用数控金刚石超精密车削可加工非球面反射镜非球面反射镜和和凹面凹面镜镜； 另外，还可以车削多达另外，还可以车削多达90面的面的光学多面体光学多面体，其最大外径，其最大外径为为200mm，最大宽度为，最大宽度为70mm，加工的表面粗糙度为，加工的表面粗糙度为O.01m，平面度可达，平面度可达0.03m。zR西安交通大学西安交通大学 先进制造技术研究所先进制造技术研究所第二节第二节 精密超精密加工技术精密超精密加工技术三、超精密磨削

43、三、超精密磨削超精密磨削主要分为超精密磨削主要分为固结磨料固结磨料加工和加工和游离磨料游离磨料加工两大类加工两大类 1 1磨床的精度磨床的精度提高磨床精度的主要措施有：提高磨床精度的主要措施有： 几何精度的提高；几何精度的提高； 进给机构低速运动性能的改善；进给机构低速运动性能的改善； 减少振动；减少振动； 减小热变形等等减小热变形等等。西安交通大学西安交通大学 先进制造技术研究所先进制造技术研究所第二节第二节 精密超精密加工技术精密超精密加工技术2 2超精密磨削用的磨料磨具超精密磨削用的磨料磨具 用固结磨料的磨具进行超精密磨削可以加工出表面粗用固结磨料的磨具进行超精密磨削可以加工出表面粗糙度

44、为糙度为Ra0.1m的镜面，通常也称为的镜面，通常也称为镜面磨削镜面磨削。其使用。其使用的固结磨料磨具常见的有两种，即的固结磨料磨具常见的有两种，即细粒度的油石细粒度的油石和和细细粒度粒度的砂带的砂带。西安交通大学西安交通大学 先进制造技术研究所先进制造技术研究所第二节第二节 精密超精密加工技术精密超精密加工技术1）超精密油石磨削抛光机理 如图如图a所示，油石以一定的压力所示，油石以一定的压力F与工件接触，在沿轴与工件接触，在沿轴向往复运动的同时，在径向还以一定的频率振动。向往复运动的同时，在径向还以一定的频率振动。 西安交通大学西安交通大学 先进制造技术研究所先进制造技术研究所第二节第二节

45、精密超精密加工技术精密超精密加工技术1）超精密油石磨削抛光机理 对于图对于图b所示的短工件，如滚动轴所示的短工件，如滚动轴承内、外圈，只有油石的振动和工承内、外圈，只有油石的振动和工件的转动；件的转动； 超精加工是由油石的微细磨粒和工超精加工是由油石的微细磨粒和工件表面凸峰之间连续划擦、摩擦、件表面凸峰之间连续划擦、摩擦、切削这一过程来完成的。切削这一过程来完成的。 西安交通大学西安交通大学 先进制造技术研究所先进制造技术研究所第二节第二节 精密超精密加工技术精密超精密加工技术 开始时，油石与工件表面只有少数点相接触，接触面上比开始时，油石与工件表面只有少数点相接触，接触面上比压大，两者之间不

46、能形成完整的润滑油膜，油石往复振动压大，两者之间不能形成完整的润滑油膜，油石往复振动切削工件切削工件(图图a)。 随着工件表面粗糙度逐渐降低，大量细微的切屑嵌入油石随着工件表面粗糙度逐渐降低，大量细微的切屑嵌入油石表面磨粒的间隙之中，油石表面渐趋平整、光滑，接触面表面磨粒的间隙之中，油石表面渐趋平整、光滑，接触面上比压下降，形成润滑油膜，此时油石的振动仅起到抛光上比压下降，形成润滑油膜，此时油石的振动仅起到抛光作用作用(图图b)。西安交通大学西安交通大学 先进制造技术研究所先进制造技术研究所第二节第二节 精密超精密加工技术精密超精密加工技术 随着油石相对工件进给，光滑的油石表面重新与粗糙的工随

47、着油石相对工件进给，光滑的油石表面重新与粗糙的工件表面接触，使油石的光滑表面受到破坏，因油石磨粒的件表面接触，使油石的光滑表面受到破坏，因油石磨粒的自锐性，又开始切削工件的粗糙面，从而形成油石磨粒的自锐性，又开始切削工件的粗糙面，从而形成油石磨粒的切削钝化堵塞脱落自锐切削切削钝化堵塞脱落自锐切削这一过程，直到完这一过程，直到完成加工。成加工。2）超精密砂带磨削抛光机理）超精密砂带磨削抛光机理 砂带是一种柔性的固结磨料磨具，具有很高的强度。砂带砂带是一种柔性的固结磨料磨具，具有很高的强度。砂带磨削既具有磨削既具有砂轮磨削砂轮磨削的的滑擦滑擦、刻划刻划和和切削切削这一过程，又因这一过程，又因其磨粒

48、的排布状态和本身的柔性等特点，使得砂带与工件其磨粒的排布状态和本身的柔性等特点，使得砂带与工件的作用同时兼具有的作用同时兼具有抛光抛光和和研磨研磨两种特性，可显著提高工件两种特性，可显著提高工件的的表面质量表面质量及及几何形状精度几何形状精度。 西安交通大学西安交通大学 先进制造技术研究所先进制造技术研究所第七章第七章 先进制造技术先进制造技术第一节第一节 快速成形制造技术快速成形制造技术第二节第二节 精密超精密加工技术精密超精密加工技术第三节第三节 微机械及其微细加工技术微机械及其微细加工技术西安交通大学西安交通大学 先进制造技术研究所先进制造技术研究所第三节第三节 微机械及其微细加工技术微

49、机械及其微细加工技术一、一、 简介简介 微机械在美国常被称作微型机电系统（微机械在美国常被称作微型机电系统（Microelectromechanical System, MEMS）；在日本称作微机器（）；在日本称作微机器（Micromachine）；而在欧洲）；而在欧洲则称作微系统（则称作微系统（Microsystem）。按外形尺寸，微机械可划分为）。按外形尺寸，微机械可划分为1 10mm的微小型机械的微小型机械,1 m 1mm的微机械，以及的微机械，以及1nm 1 m的纳米机的纳米机械。械。西安交通大学西安交通大学 先进制造技术研究所先进制造技术研究所第三节第三节 微机械及其微细加工技术微机

50、械及其微细加工技术微机械具有以下几个微机械具有以下几个基本特点基本特点： 体积小，精度高，重量轻。体积小，精度高，重量轻。 性能稳定，可靠性高。性能稳定，可靠性高。 能耗低，灵敏性和工作效率高。能耗低，灵敏性和工作效率高。 多功能和智能化。多功能和智能化。 适于大批量生产，制造成本低廉。适于大批量生产，制造成本低廉。西安交通大学西安交通大学 先进制造技术研究所先进制造技术研究所第三节第三节 微机械及其微细加工技术微机械及其微细加工技术产品主要应用领域研制国家及单位主要工艺方法硅压力传感器航空航天，医疗器械美国斯坦福大学，加州弗里蒙特新传感器制造公司，日本横河电机公司等异向刻蚀工艺及加硼控制法微

51、加速度传感器航空航天，汽车工业美国斯坦福大学，加州弗里蒙特新传感器制造公司，德国卡尔斯鲁核研究中心微结构技术研究所，瑞士纳沙泰尔电子和微型技术公司等制版术和刻蚀工艺，LIGA技术微型温度传感器航空航天，汽车工业美国斯坦福大学，加州弗里蒙特新传感器制造公司等制版术和刻蚀工艺螺旋状振动式压力传感器和加速度传感器航空航天，汽车工业德国慕尼黑夫琅霍费固体工艺研究所等制版术和刻蚀工艺智能传感器微机械人德国菲林根施韦宁根微技术研究所制版术和刻蚀工艺微型冷却器航空航天和电子工业，用于集成电路中美国斯坦福大学，加州弗里蒙特新传感器制造公司等制版术和异向刻蚀工艺微型干涉仪类似于电子滤波器美国IC传感器制造公司等

52、制版术和刻蚀工艺硅材油墨喷嘴计算机设备美国斯坦福大学异向刻蚀工艺分离同位素的微喷嘴核工业德国卡尔斯鲁核研究中心微结构技术研究所等LIGA技术微型泵医疗器械，电子线路日本东北大学，荷兰特温特大学，德国慕尼黑夫琅霍费固体工艺研究所等刻蚀工艺和堆装技术微型阀医疗器械德国慕尼黑夫琅霍费固体工艺研究所制版术和刻蚀工艺微型开关（密度12400个/cm2) 航空航天和武器工业美国明尼苏达州大学制版术和异向刻蚀工艺微齿轮，微弹簧及微曲柄，叶片，棘轮微执行机构，核武器安全装置美国加利福尼亚大学伯克利分校，圣迪亚国家实验室分离层技术，制版术和刻蚀工艺直径的微静电电机计算机和通讯系统的控制美国加利福尼亚大学伯克利分

53、校，麻省理工学院分离层技术一些典型的微机械产品一些典型的微机械产品西安交通大学西安交通大学 先进制造技术研究所先进制造技术研究所第三节第三节 微机械及其微细加工技术微机械及其微细加工技术二、微细加工技术二、微细加工技术 微细加工微细加工（Microfabrication）起源于半导体制造工艺，）起源于半导体制造工艺，原来指加工尺度约在微米级范围的加工方式。在微机械研原来指加工尺度约在微米级范围的加工方式。在微机械研究领域中，它是微米级，亚微米级乃至毫微米级微细加工究领域中，它是微米级，亚微米级乃至毫微米级微细加工的通称。的通称。 制造微机械制造微机械常采用的微细加工又可以进一步分为常采用的微细

54、加工又可以进一步分为微米级微微米级微细加工细加工(Micro-fabrication)，亚微米级微细加工亚微米级微细加工(Sub-micro-fabrication)和和纳米级微细加工纳米级微细加工(Nano-fabrication)等。等。 广义上的微细加工技术，几乎涉及了各种现代特种加工、广义上的微细加工技术，几乎涉及了各种现代特种加工、高能束等加工方式。高能束等加工方式。西安交通大学西安交通大学 先进制造技术研究所先进制造技术研究所第三节第三节 微机械及其微细加工技术微机械及其微细加工技术从基本加工类型看，微细加工可大致分四类从基本加工类型看，微细加工可大致分四类: 分离加工分离加工将材

55、料的某一部分分离出去的加工方式；将材料的某一部分分离出去的加工方式； 接合加工接合加工同种或不同材料的附和加工或相互结合加工；同种或不同材料的附和加工或相互结合加工； 变形加工变形加工使材料形状发生改变的加工方式；使材料形状发生改变的加工方式； 材料处理或改性材料处理或改性。西安交通大学西安交通大学 先进制造技术研究所先进制造技术研究所第三节第三节 微机械及其微细加工技术微机械及其微细加工技术 加 工 类 型 加 工 机 理 加 工 方 法 分 离 加 工 化学分解（热激活式）（液体、气体、固体） 电子化学分解（电解激活式）（液体、固体） 蒸发（热式）（气体、固体） 扩散分离（热式）（固体、液

56、体、气体） 熔化分离（热式）（固体、液体、气体） 溅射（力学式）（固体） 离子化表面原子的电场发射 光刻、化学刻蚀、活性离子刻蚀、化学抛光 电解抛光、电解加工（刻蚀） 电子束加工、激光加工、热射线加工 扩散去除加工（融化） 熔化去除加工 离子溅射加工、光子直接去除加工（X射线） 用电场分离（STM加工、AFM加工） 接 合 加 工结合 增长 化学沉积及结合（固体、液体、气体） 电化学沉积及结合（固体、液体、气体） 热沉积及热结合（固体、液体、气体） 扩散结合（热式） 熔化结合（热式） 物理沉积及结合（力学式） 注入（力学式） 电子场发射 化学镀、气相镀、氧化及氮化激活反应镀ARP 电镀、阳极氧

57、化、电铸（电成型）、电泳成型 蒸发沉积、外延生长、分子束外延 烧结、发泡、离子渗氮 熔化镀、浸镀 溅射沉积、离子镀膜、离子束外延、离子束沉积 离子注入加工 STM加工 变 形 加 工 热表面流动 粘滞性流动（力学式） 摩擦流动（力学式） 塑性变形 分子定位 热流动表面加工（气体高温、高频电流、热射线、 电子束、激光） 液流（水）抛光、气体流动加工 微细粒子流抛光（研磨、压光、精研） 电磁成形、放电、悬臂弯曲、拉伸等 STM装置 材料 处理 或 改性 热激活（电子、光子、离子等） 混合沉积（电子、离子、光子束） 化学反应（电子、光子、离子等） 加能化学反应（电子、光子束、离子） 催化反应 淬硬、

58、退火（金属、半导体）、上光、硬化 扩散、混合（离子） 聚合、解聚合 表面活性抛光 反应激励不同形式的微细加工方法西安交通大学西安交通大学 先进制造技术研究所先进制造技术研究所第三节第三节 微机械及其微细加工技术微机械及其微细加工技术微机械微细加工并不仅限于微电子(Microelectronics)制造技术，更重要的是指微机械构件的加工(英文多为Micromachining)或微机械与微电子、微光学等的集成结构的制作技术。目前，微机械微细加工常用的有光刻制版、高能束刻蚀、LIGA、准LIGA等方法。微细加工得到的铁塔微模型西安交通大学西安交通大学 先进制造技术研究所先进制造技术研究所第三节第三节

59、 微机械及其微细加工技术微机械及其微细加工技术 微机械的微机械的 微细加工技术微细加工技术（Micromachining technology ）有以下有以下特点特点： 从加工对象上看，微细加工不但加工尺度极小，而且被加工对象的整体尺寸也很微小； 由于微机械对象的微小性和脆弱性，仅仅依靠控制和重复宏观的加工相对运动轨迹达到加工目的，已经很不现实。必须针对不同对象和加工要求，具体考虑不同的加工方法和手段； 微细加工在加工目的、加工设备、制造环境、材料选择与处理、测量方法和仪器等方面都有其特殊要求。西安交通大学西安交通大学 先进制造技术研究所先进制造技术研究所第三节第三节 微机械及其微细加工技术微

60、机械及其微细加工技术1、硅微加工技术、硅微加工技术 硅是最基本的微机械加工材料，微细加工技术一般都要涉及硅材料。 硅微细加工技术所用的典型加工工艺为：去除(刻蚀、激光加工、机械钻孔等)和添加( 沉积绝缘体、金属等)在衬底上在衬底上“去除去除”的悬臂梁的悬臂梁(a) 和在衬底上和在衬底上“添加添加”的悬臂梁的悬臂梁(b)西安交通大学西安交通大学 先进制造技术研究所先进制造技术研究所第三节第三节 微机械及其微细加工技术微机械及其微细加工技术体微机械加工技术体微机械加工技术 体微机械加工工艺是针对整块材料如单晶硅基片通过刻蚀（Etching）等去除部分基体或衬底材料，从而得到所需元件的体构形。在体微