先进制造技术-第2版-教学-第3章课件

1、第3章 先进制造工艺技术重点提示： - 分析机械制造工艺内涵及其发展 - 介绍铸、锻、冲等受迫成形技术 - 超精密加工材料去除成形技术 - 高速切削和磨削加工技术 - 增材制造技术 - 微纳制造技术 - 表面工程技术 - 再制造技术 - 仿生制造技术3.1.1 机械制造工艺内涵3.1.2 先进制造工艺的产生和发展3.1.3 先进制造工艺技术特点3.1 先进制造工艺技术概述传统机械制造工艺三步曲： 零件毛坯的成形准备阶段 机械切削加工阶段 表面改性处理阶段 上述阶段划分逐渐模糊、交叉，甚至合而为一1、机械制造工艺内涵机械制造工艺定义原材料成品半成品方法和手段改变形状,尺寸,性能,位置机床、工具机

2、械制造工艺流程堆积成形 将材料有序地合并堆积成形，如快速原形制造、焊接等。机械零件成形方法： 受迫成形 在特定边界和外力约束下成形 如铸造、锻压、粉末冶金和注射成形等；去除成形 将材料从基体中分离出去成形如车、铣、刨、磨、电火花、激光切割；2、先进制造工艺的产生和发展1)纳米级机械加工精度 -18世纪，其加工精度为1mm； -19世纪末，0.05mm； -20世纪初，m级过渡； -20世纪50年代末，实现了m级的加工精度； -进入21世纪，达到10nm的精度水平，当前机床精度每8年提高一倍。2)超高速切削加工速度 -20世纪前，碳素钢，耐热温度低于200C，10m/min； -20世纪初，高速

3、钢，500-600C，30-40m/min； -20世纪30年代，硬质合金，800-1000C，数百米/min; -目前，陶瓷、金刚石、立方氮化硼，1000C以上，一千至数千米/min。 近一个世纪内，切削加工速度提高100多倍。3）新型工程材料的应用 类型：超硬材料、超塑材料、高分子材料、复合材料、工程陶瓷等 贡献：改善刀具切削性能，改进加工设备； 促进特种加工工艺发展。4）工艺制造装备自动化和数字化 -单机自动化 系统自动化 -刚性自动化 柔性自动化 综合自动化5）零件毛坯成形在向少/无余量发展 如：熔模精密铸造、精密锻造、精密冲裁、冷温挤压等新工艺。6）优质清洁表面工程技术形成和发展 表

4、面工程：是通过表面涂覆、表面改性、表面加工、表面复合处理改变 零件表面形态、化学成分和组织结构，获取与基体材料不同性能的 技术。 如：电刷镀、化学镀、气相沉积、热喷涂、激光表面、离子注入等。7）新型成形工艺的产生和应用 如：多点成形、数控渐进成形、快速原型、金属喷射等新型成形工艺。优质 产品质量高性能好、尺寸精确表面光洁、使用寿命和可靠性高。高效 极大提高劳动生产率高，大大降低操作者劳动强度和生产成本。低耗 大大节省原材料和能源消耗，提高自然资源利用率。洁净 零排放或少排放，不污染环境，符合环境保护要求。灵活 快速响应市场和生产过程变化，多品种柔性生产，适应多变的消 费市场需求。3、先进制造工

5、艺技术特点3.2 材料受迫成形工艺技术3.2.1 精密洁净铸造成形技术3.2.2 精确高效金属塑性成形技术3.2.3 粉末锻造成形技术3.2.4 高分子材料注射成形技术1、（1）精密铸造成形技术： -具有熔体洁净、组织细密、表面光洁、尺寸精密特征； -可减少原材料消耗，降低生产成本； -便于实现工艺过程自动化； -改善环境，使铸造生产绿色化； -保证铸件机械性能，达到少/无切削目的 。 1）自硬砂精确砂型铸造 -粘土砂造型 铸件质量差，生产效率低，劳动强度大，环境污染严重。 -自硬树脂砂造型 高强度、高精度、高溃散性；适合复杂铸件型芯制 作；铸件壁厚可 2.5mm。 2）高紧实砂型铸造- 可提

6、高铸型强度， 减少金属液浇注凝固时型壁移动；- 降低金属消耗、减少缺陷，提高精度、粗糙度提高2-3级。 3）消失模铸造 -利用泡沫塑料作为铸造模型，四周填砂，不分上下模； -泡沫塑料在浇注过程中气化； -可避免砂型溃散，可消除起模斜度，减小铸件壁厚； -能够获得光洁表面、尺寸精确，无飞边、少无余量精密铸件。1、精密洁净铸造成形技术高紧实气冲造型 泡沫塑料模芯 砂型制造 溶液浇注 成型铸件 消失模铸造过程4）特种铸造技术 类型：压力铸造、低压铸造、熔模铸造、真空铸造、挤压铸造等。 压力铸造：金属模具，以压力浇注取代重力浇注； 铸件精确、表面光洁、内部致密。金属模压铸成型 合型 压铸 开模（2）洁

7、净（绿色）铸造技术 1）洁净能源 以感应电炉代替冲天炉，减轻对空气的污染 2）无砂或少砂特种铸造 如压力铸造、金属型铸造、挤压铸造等 3）清洁无毒工艺材料 使用无毒无味变质剂、精炼剂、粘结剂等 4）高溃散性型砂工艺 树脂砂、酯硬化水玻璃砂工艺 5）废弃物再生和综合利用 旧型砂再生回收、熔炼炉渣处理和综合利用 6）铸造机器人或机械手 以代替工人在恶劣条件下工作（3） 铸造过程计算机模拟 -铸造过程计算机仿真：在计算机上进行虚拟浇铸，分析预测铸液充 填及凝固过程，预测不合理铸造工艺缺陷，对不同铸造工艺方案 作出最优的选择。 -铸造过程仿真发展：60年代丹麦学者开始用计算机对铸件凝固过程 进行模拟，

8、随后西方工业国家相继开发了铸造过程计算机模拟软 件，如：德国 MACMAsoft 软件 英国 Procast 软件 清华大学 Flsoft 软件等2、精确高效金属塑性成形工艺 模锻坯料 普通模锻 精密模锻锥齿轮的精密模锻工艺（1）金属塑性成形：通过材料塑性变形实现所要求的形状、尺寸和 性能，包括锻造、冲压、轧制、挤压等工艺。 1）精密模锻：利用模锻设备锻造出锻件形状复杂、精度高的模锻 工艺，比普通锻件高1-2个精度等级。 2）超塑性成形工艺 -超塑性现象：在一定内部条件（晶粒形状、相变）和外部条件 （温度、应变速率）下，金属材料呈现出异常低的流变抗力、 异常高的延伸率现象。每种金属都存在一定的

9、超塑性，目前 已知锌、铝、铜等合金超塑性达1000%，有的甚至达2000%。 -金属超塑性类型： 细晶超塑性（恒温超塑性） 内在条件：具有均匀、稳定等轴细晶组织（10m）； 外在条件：特定温度和变形速率（10-4-10-5min-1）。 相变超塑性（环境超塑性） 在材料相变点温度循环变化，同时对试样加载。-超塑性成形工艺的应用 例1：飞机钛合金组合件用超塑性成形工艺可一次整体成形， 大大减轻了构件的质量，提高了结构的强度。 例2：超塑性等温模锻，薄板加热到超塑性温度，在压力作用 下产生超塑性变形，直至同模具贴合为止。超塑性气压模锻成形3）精密冲裁 呈纯剪切分离冲裁工艺，通过模具改进提高精度，可

10、达IT6-9级，Ra1.6-0.4m。三种光洁冲裁凹模结构 椭圆凹模 圆角凹模 倒角刃口负间隙冲裁带齿圈压板精冲4）辊轧工艺 用轧辊对坯料连续变形加工工艺，生产率高、质量好、材料消耗少。辊锻轧制辗环轧制粉末冶金：将各种金属和非金属粉料混合压制成形，经高温烧结和必要后续处理来制取金属制品的成形工艺方法。粉末冶金工艺特点： 可得到一般熔炼方法难以获得的复合材料制品，如硬质合金； 可制取质量均匀的多孔性制品，如含油轴承； 尺寸准确、表面光洁，具有少/无切削特性，如粉末冶金齿轮。粉末锻造：将粉末冶金件进行再次精密锻造的工艺方法。粉末锻造工艺特点： 克服粉末冶金件密实度低的不足，兼具粉末冶金和锻压工艺优

11、点； 成形精度高，力学性能好，组织无偏析、无各向异性； 疲劳寿命高，比普通锻造提高20%。3、粉末锻造成形工艺后续处理模压成形型坯烧结锻前加热锻 造粉末制取粉末锻造粉末冶金 + 精密锻造粉末冶金过程锻造过程粉末锻造成形工艺过程 粉末锻造模具4、高分子材料注射成形粉状塑料注入螺杆推进送进加热区通过分流梭喷嘴喷出注入模腔冷却成形高分子材料注射成形：将高分子材料从料斗送入料筒，由柱塞将其送入加热区融化，通过分流梭和喷嘴，将熔融材料注入模具模腔冷却后成形。1）气体辅助成形： 将惰性气体注入，在成品较厚部分形成空腔，使成品壁厚均匀，可防止缩痕或翘曲产生。气体辅助注射成形原理2）注射压缩成形：可采用较低的

12、注射压力成形薄壁制品，适用于流动性较差的制品。整体压缩注射成形3）模具滑合成形法 适用于中空制品和不同材料复合体模具滑合成形动作原理4）剪切场控制取向成形法：使材料纤维取向与流动方向一致，可提高熔接痕强度，消除缩孔和缩痕。剪切场控制取向成形法原理5）直接注射成形法 不需混炼造粒过程，可将填充剂均匀地分散在基体树脂中，直接注射成制品。直接注射成形机螺杆压缩段剖面图3.3.1 超精密加工概述3.3.2 超精密切削加工3.3.3 超精密磨削加工3.3.4 超精密加工机床设备3.3.5 超精密加工支持环境3.3 超精密加工技术当前精密、超精密加工达到的精度范围 1、超精密加工概述分类加工精度表面粗糙度

13、普通加工1mRa0.1m精密加工0.1-1mRa0.01-0.1m超精密加工高于0.1m小于Ra0.01m超精密加工内涵：使零件形状、位置和尺寸精度达到微米和亚微米级的机械加工方法。0.0011nmm1001010.10.011920 1940 1960 1980 2000 2020 原子间距离精密加工超精加工常规加工当前常规加工达到微米级精度，在30年前 就是精密加工，60年前就是超精密加工超精密加工技术必要性：提高产品性能稳定性和可靠性；促进产品小型化；增强零件的互换性。应用举例：1kg陀螺其质心偏离0.5nm，会引起100m导弹射程误差，50m轨道误差；民兵型洲际导弹陀螺仪精度为0.03

14、-0.05，命中精度误差为500m；MX战略导弹陀螺仪精度提高一个数量级，命中精度误差只有50-150m；人造卫星轴承孔轴表面粗糙度1nm，其圆度和圆柱度均以nm为单位；飞机发动机叶片加工精度由 60m12m，粗糙度由 Ra0.5m0.2m，则发动机效率 89% 94%；磁盘磁头与磁盘间距离，目前已达到0.3m，近期内可达到0.15m。超精密加工所涉及的技术范围 超精密加工机理 刀具磨损、积屑瘤生成规律、磨削机理、加工参数对表面质量的影响等有其特殊性； 超精密加工的刀具、磨具及其制备 刀具的刃磨、超硬砂轮的修整； 超精密加工机床设备 机床精度、刚度、抗振性、微量进给机构； 精密测量及补偿技术

15、有相应级别的测量装置，具有在线测量和误差补偿； 严格的工作环境 恒温、净化、防振和隔振等。2、超精密切削加工1）超精密切削加工：通常采用金刚石刀具进行超精密切削铜、铝等非铁类 金属材料，以及玻璃、大理石、碳素纤维等非金属材料。2）超精密切削对刀具的要求： -极高硬度、极高耐用度和极高弹性模量，保证刀具寿命和尺寸耐用度； -刃口能磨得极其锋锐，刃口圆弧半径值极小，能实现超薄切削厚度； -刀刃无缺陷，避免刃形复印在加工表面； -抗粘结性好、化学亲和性小、摩擦系数低、能得到极好加工表面完整性。3）天然单晶金刚石刀具性能： -极高的硬度 HV6000-10000,而TiC仅为HV3200，WC为HV2

16、400； -能磨出锋锐刃口 刃口半径可达纳米，普通刀具5-30m； -与有色金属摩擦系数低、亲和力小 与铝的摩擦系数仅为0.06-0.13； -耐磨性好，刀刃强度高 刀具磨损极慢，刀具耐用度极高。 天然单晶金刚石被公认为不可代替的超精密切削刀具材料，但仅用于有色金属的切削加工。超精密切削时的最小切削厚度： 如图：A点为极限临界点，其位置由切削变形剪切角确定，剪切角又与摩擦系数和刀刃圆弧半径有关： 当=0.12时，可得： hDmin=0.322 当=0.26时，可得： hDmin=0.249 若hDmin=1nm，要求刀具刃口半径为3-4nm。极限切削厚度与刃口半径的关系1）超精密磨削：是铁素类

17、金属、脆性材料超精密加工的主要手段，磨削 精度=0.1m，表面粗糙度1*106即可称之为高速切削加工。高速切削机床-主轴转速在20000r/min以上，甚至62000r/min；快速进给40-120m/min；高速切削机理研究-包括切屑成形机理、切削力、切削热等，铝合金材料研究较为成熟，黑色金属、难加工材料加工机理尚处探索阶段。应用：航空工业-飞机铝合金零件、薄层腹板件等直接高速切削加工，不再铆接。汽车制造-高速加工中心将柔性生产线效率提高到组合机床生产线水平。模具制造-对淬硬钢模具型腔直接加工，省略电加工和手工研磨等工序。2、高速加工发展与应用高速主轴-电主轴：精度高、振动小、噪音低、结构紧

18、凑3、高速切削加工关键技术（高速主轴、快速进给系统、高性能CNC、先进机床结构、刀具系统）主轴轴承： 陶瓷混合轴承-轴承滚珠为氮化硅陶瓷。密度低，离心力小； 弹性模量高，刚度大；摩擦系数低。 轴承润滑：油脂润滑、油雾润滑、油气润滑等。 气浮轴承-高回转精度、高转速、低温升，承载能力低。 液体静压-运动精度高，动态刚度大，有油升影响。 磁浮轴承-间隙一般在0.1mm左右，允许更高转速，达4.0*106以上， 控制结构复杂。快速进给系统： 滚珠丝杆+伺服电机：加速度达0.40.6g ， 进给速度达40-60m/min。 直线电机：没有机械传动间隙和弹性变形，没有反向间隙，是未来机床进给传动的基本形

19、式。进给速度可达300m/min，加速度可达2.5-10g。直线电机组成结构3 基座 4 磁性轨道 5 直线电机 6 直线导轨 7 直线光栅 8 平台 9 接口电缆 10 防护罩先进机床结构： 要求床身有足够刚度、强度，高阻尼和热稳定性；立柱与底座为整体结构；高阻尼特性材料-聚合物混凝土；防弹玻璃观察窗。 常用结构有龙门式、并联式机床结构。重心驱动龙门式机床结构： -重心驱动即为驱动力作用于移动部件的重心，抑制加减速所引起的振动干扰，可提高加减速性能。 -从0到12000r/min加速时间仅为1.1s。并联式机床结构：用各类杆系机构驱动主轴部件，形成所需的刀具运动。机床结构简单紧凑、刚度高、动

20、态性能好。METROM P800型高速5面加工机床主轴：24000r/min, 14kW 工作台直径：800mm电滚珠丝杠回转工作台主轴部件万向铰链高速切削刀具系统： 对刀具系统要求：切削热更多流向刀具，要求抗磨损，红硬性好； 转速高，要求良好的动平衡，安全可靠定位。 刀具材料选用：硬质合金涂层刀具、陶瓷刀具、聚晶金刚石刀具、 立方氮化硼刀具。 双定位刀柄结构：当转速超过10000r/min时，刀具离心力将使主轴锥 孔扩张，降低刀柄连接刚度，双定位结构刀柄锥部和端面同时 与主轴定位，轴向重复定位精度可达0.001mm。HSK刀柄高速磨削速度： 常规磨削速度： 50m/min; 最高磨削速度：

21、达500m/s； 实用高速磨削速度： 100m/s-250m/s。高速磨削特点： -提高磨削效率和磨削精度; -若切除率不变，则单磨粒切削厚度降低，磨削力减小； -若维持切削力不变，可提高进给率，缩短加工时间，提高生产效率； -可磨代车，以磨代铣，大幅度提高生产效率，降低生产成本。 4、高速磨削加工关键技术高速主轴在线动平衡：由于砂轮组织结构不规则性，任何微小不平衡均引起较大离心力，加剧磨削振动，为此必须配备在线自动动平衡装置。高速主轴动平衡系统1信息传送单元 2紧固发兰盘 3电子驱动平衡块 4-磨床主轴 高速磨床结构 具有高动态精度、高阻尼、高抗振性和热稳定性。直线电机驱动高速平面磨床磨削速

22、度125m/s，工作台往复1000st/min，是普通磨床10倍。高速磨削砂轮： 砂轮基体-必须考虑高速离心力作用； 砂轮磨粒-立方氮化硼、金刚石。高速砂轮典型结构变截面等力矩腹板结构，无中心法兰孔，通过多个小螺孔与主轴安装固定，以降低法兰孔应力。冷却润滑液冷却润滑液流速对冷却润滑效果的影响V液大于等于V砂： 润滑效果好V液小于V砂： 清洗效果好3.5.1 增材制造技术的基本原理3.5.2 增材制造主要工艺方法3.5.3 增材制造技术的应用3.5.4 增材制造技术存在的局限3.5 增材制造技术增材制造：基于材料逐层累加原理成形的工艺技术。于20世纪80年代诞 生，又被称为快速原型制造、实体自由

23、制造。特点：无需毛坯准备，无需刀具、夹具、模具辅助工具，可快速、精确 制造出任意复杂形状零件，减少加工工序，缩短生产周期。增材制造工艺过程：1、增材制造技术基本原理增材制造工艺过程：建立三维实体模型 应用三维CAD系统构建三维实体模型；或通过不同测量设备对三维实体进行反求，继而建立实体CAD模型。生成数据转换文件 将建立的三维实体模型转换为增材制造系统所要求的STL三角化文件。分层切片 对STL三角化文件进行切片处理，实现三维实体模型向二维薄片模型的转化。切片厚度根据制造精度设定，厚度愈小，精度愈高。逐层堆积成形 根据制造对象要求，用粉材、丝材、片材等完成各切片层成形，通过一层层堆积，最终完成

24、实体成形。成形实体的后处理 实体成形后，去除不必要的支撑结构材料，根据要求进行固化、修补、打磨、表面强化等后处理工序。光敏液相固化法(SLA) 特点：可成形任意复杂形状零件；成形精度高，达0.1mm；材料利用率高，性能可靠。 不足：材料昂贵，制造过程需要设计支撑，加工环境有气味。 2、增材制造主要工艺方法1）快速原型制造工艺方法SLA工艺原理图 叠层实体制造法 （LOM） 特点：成形速度快，成形材料便宜，无相变、无热应力、形状和尺寸精度稳定 不足：成形后废料剥离费时，不宜制作薄壁零件。LOM工艺原理图 选区激光烧结法(SLS) 特点：取材广泛，包括各种可熔粉末材料，不需要支撑材料。SLS工艺原

25、理图1-激光器 2-激光窗 3-加工平面 4-生成零件 5-原料粉末 6-铺粉滚筒熔丝沉积成形法(FDM) 特点：无需激光系统，设备简单，运行费用便宜，尺寸精度高，表面光洁度好，适合薄壁零件。 不足：需要支撑材料。FDM工艺原理图 2）金属零件直接制造工艺方法同轴送粉激光熔覆( LENS) 将金属粉末送入激光束熔池中融化，将熔融金属液逐点逐线熔覆截面层叠加成形。 特点：惰性气体保护, 熔覆层组织致密，力学性能高，可达锻件性能。 不足：难以成形复杂精细结构，粉材利用率偏低，主要用于毛坯成形。 LENS工艺原理图 粉末床选择性激光熔化( SLM)： 利用高能束激光熔化铺设在粉床上薄层 粉末，逐层熔

26、化堆积成形。 与SLS区别：SLS非完全熔化，而SLM是将金属粉末完全冶金熔化， 激 光器功率密度高，成形件致密，达锻件水平。 不足：工艺成形效率较低，可重复性及可靠性有待优化。 SLM工艺原理图电子束熔化技术（EBM）： EBM 与 SLM工艺成形原理相似，差别为热 源不同，前者为电子束，后者激光束。 特点：是以电子束为热源，能量吸收率高，材料润湿性增强，冶金结合 强度高。 不足：需要预热，影响成形效率，成形室须为高真空，系统复杂， 3) 三维打印工艺方法（3DP） 粘接型3DP 与SLS工艺类似，通过喷头在材料粉末上喷射出的粘接剂进 行粘接成形，以此打印出零件的一个个截面层。 粘接剂型3D

27、P原理图 光敏固化型3DP 打印头喷出的是液态光敏树脂，利用紫外光对其进行固 化，类似于行式打印机。熔融涂覆型3DP 即为熔丝沉积成形工艺FDM，成形材料为热塑性材料， 包括蜡、ABS、尼龙等。光敏固化型3DP原理图FDM工艺原理图 3、增材制造技术应用航空航天 可选择激光烧结工艺成形战斗机尼龙环境风道，可采用金属烧结 技术制造金属飞机零件。汽车工业 可制造完整车身，定制化仪表盘，制造复杂结构进风口零件等。医疗 采用增材制造技术定制假体、制造颅骨模型、牙冠、骨骼等。工艺装备 由增材制造技术制造包括夹具、量具、模具、金属浇注模型等。产品原型 3DP模型可让设计制造部门更好评价、改进创新产品。文物

28、保护 用3DP复制品保护原始作品不受环境或意外事件的伤害。建筑设计 可用3D打印机打印的建筑模型。工艺饰品 如个性笔筒、浮雕、戒指等。生产效率的局限 与传统批量生产工艺相比，成形效率较低，从而提高了生产成本。如：当前金属材料成形效率为1003 000g/h，生产成本为10100元/g。制造精度的局限 无论是尺寸精度还是表面质量上与传统切削加工技术相比还有较大差距，目前精度仅控制在0.1mm左右。材料范围的局限 目前可用于增材制造的材料不超过100种，而在工业实际应用中的工程材料可能已经超过10000种。4、增材制造技术存在的局限3.6.1 微纳制造技术概念3.6.2 微制造工艺技术3.6.3

29、纳制造工艺技术3.6 微纳制造技术微纳制造技术：是指尺度为毫米、微米和纳米量级零件、部件、系统的 设计、加工、组装、集成与应用技术。微制造 有两种不同微制造工艺： 基于半导体制造工艺：光刻、LIGA技术、键合技术、封装技术等； 机械微加工：微细磨削、车削、铣削、钻削、微冲压、微成形等。纳制造 是指具有特定功能的纳米尺度结构、器件和系统的制造技术，包 括纳米压印技术、刻划技术、原子操纵技术等。微纳制造特征： -体积小、精度高、重量轻； -微纳机械体积小，热膨胀、噪声、挠曲等影响小，抗干扰性能强； -能量消耗远小于传统机械，灵敏度、工作效率高，不存在信号延迟， 可进行高速工作； -可集传感器、执行

30、器、信号处理和电子控制电路为一体，易于实现多 功能化和智能化。1、微纳制造技术概念1）机械微加工技术 加工10um10mm范围的微小零件，是用“小机床加工小零件”，其关键技术是微机械加工机床设备。2、微制造工艺技术微型超精密加工机床及微加工件微细电火花加工微汽车模具 a)加工成形的微汽车模具 b)浇筑的微塑料汽车光刻加工工艺示例2)光刻工艺技术 是加工半导体结构及集成电路微图形结构关键工艺。 氧化，形成SiO2氧化层； 涂胶，涂覆光致抗蚀剂； 曝光，对掩膜曝光； 显影，溶解抗蚀剂，显影图形； 刻蚀，腐蚀图形； 去胶，去除抗蚀剂； 扩散，扩散杂质增强性能。 制作双固定多晶硅微桥3）牺牲层工艺技术

31、 是制作各种微腔和微桥结构的重要工艺手段，通过腐蚀牺牲层材料获得一个个空腔结构。 在硅基片上沉淀SiO2或磷玻璃作为牺牲层，并腐蚀成所需图案； 在牺牲层表面沉淀多晶硅作为结构层材料，光刻所需形状； 腐蚀去除牺牲层得到分离的微桥结构。 LIGA工艺过程LIGA树脂胎膜和金属微结构件4）LIGA技术 集光刻、电铸成形和微注塑3种技术为一体的三维立体微 细加工的复合技术。 光刻，对光敏胶进行感光、显影，得到精确的立体光敏胶模型； 电铸，用光刻得到的光敏胶模型作为电铸胎膜，在胎膜上沉积一层 薄金属层得到精确的微金属结构件； 注塑，将电铸制成的微金属结构件作为注塑模具进行批量生产；3、纳制造工艺技术 S

32、TM工作原理1）扫描探针显微镜工作原理 隧道效应： 当探针与样件间距离非常接近时(1nm)，在外加电场作用下产生与两电极间距离相关的隧道电流，电极距离每减少0.1nm，隧道电流将增加一个数量级。 扫描隧道显微镜STM：通过隧道电流变化检测样件表面的形貌，若控制隧道电流不变，则探针针尖将随着表面起伏而上下波动，用于导体材料测量。原子力显微镜AFM ：用于非导体材料测量，工作原理为：当两物体间距离小于原子直径时(0.3nm)，将产生两物体间的排斥力。若将AFM探针安装在非常软的微弹簧片上，当探针在样件表面扫描时，微弹簧压力基本不变，探针将随样件表面起伏跟随升降，通过STM或激光显微镜检测探针升降便

33、获知样件表面形貌。AFM工作原理2）基于AFM的纳米加工 在AFM上应用高硬度金刚石探针作为切削刃，通过改变探针作用力和探针几何形状，便可实现进行纳米级2D及3D可控切削加工。哈工大用AFM探针，经多次刻划，刻划加工出“HIT”微结构3）基于STM的原子操纵 是借助扫描隧道显微镜STM实现的一种纳米级微细加工技术 。 在STM针尖和样品表面间施加适当的电压脉冲，在针尖和样品之间将产生强大的电场，样品表面上的原子在强电场作用下可实现单原子的移动和提取操纵。 78个原子的围栏35个原子的IBM字母48个原子的人工围栏101原子的汉字移走原子形成“中国”沟槽3.7.1 表面改性技术3.7.2 表面覆

34、层技术3.7.3 复合表面处理技术3.7 表面工程技术1、表面改性技术激光表面合金化原理图表面改性：采用特定工艺手段使零件表面获得不同于基体的组织结构和性能的技术。1）激光表面改性 采用大功率密度激光束，以非接触方式加热材料表面，使金属材料表面瞬间被加热或融化后快速冷却，实现表面改性的目的，具有能量集中、加热时间短，影响区域小，材料变形小，效率高成本低的特点。 激光表面淬火：激光束扫描工件表面，使其温度急剧上升、快速冷却， 使工件表面材料相变硬化。无需淬火介质和表面保护，工艺简单环保。 激光表面合金化：将某类合金粉材涂敷基体表面，用高能激光束使合金 粉涂层与基体金属表面快速混合融化，在极短时间

35、冷却、凝固形成结合 力强、硬度高、耐磨性好的新合金层。2）电子束表面改性 将高速电子束照射金属表面，与基体金属的电子发生碰撞，从而使金属表层温度迅速升高，实现表面改性目的。其特点：实现快速加热和自冷淬火。运行成本低，仅为激光处理的一半。控制处理简单，不需要工件转动和移动；与金属表面偶合性好，不受反光的影响。但需在真空环境下完成，实际收到限制。电子束表面改性原理图3）离子注入表面改性 利用离子注入机将杂质原子以等离子形式加速注入硅半导体晶体内，用于改变其导电特性。特点：-在真空环境下运行，注入的离子具有极高纯度； -可注入任何元素材料； -注入温度任意控制，不发生氧化、不变形，不产生退火软化；

36、-可调整离子注入深度及其分布； -注入深度在 1um以内，样件尺寸基本不变。离子注入装置示意图表面覆层技术：用少量材料在产品表面制备一层保护强化层或装饰层，提高产品耐磨、耐蚀、耐/隔热、抗疲劳、抗辐射功能，有电镀、化学镀、电刷镀、热喷涂、电火花喷敷、气相沉积等工艺方法。1）热喷涂技术 火焰喷涂：用氧-乙炔喷枪将粉末材料送入火焰区加热熔化，借助高速气流，使其雾化成溶液颗粒喷向基体表面。特点：设备简单，手工操作，成本低，但喷射速度低、粘结强度不高。 等离子喷涂：利用等离子焰流将喷涂材料加热熔融后，喷射到基体表面形成很薄的涂层。特点：焰流温度可达10000C以上，可喷涂任何固态材料，涂层致密，结合强

37、度高。 爆炸喷涂：将燃气和助燃气体按一定比例混合后送入燃爆室，爆炸产生高温高速气流将熔融材料液粒喷射到工件表面形成涂层。特点：温度达3300C，流速达700760m/s，爆炸频率达48次/s，涂层具有高结合强度和高致密度。2、表面覆层技术粉末火焰喷涂等离子喷涂爆炸喷涂 2）气相沉积技术 利有物理气相沉积和化学气相沉积之分。 物理气相沉积(PVD)：利用各种物理方法将镀料气化成原子、分子或离 子，直接沉积到基体表面。 真空蒸镀：将工件置于真空室，对靶材进行加热蒸发或升华使之在工 件基片表面凝聚成膜。 溅射镀膜：在真空室中利用高荷能离子轰击靶材表面，被轰击飞溅起 来的粒子在工件基片表面上沉积形成镀

38、膜，该工艺致密性好，结 合强度高，基片温度较低，但成本较高。 离子镀膜：在真空蒸镀条件下，将气体及被蒸发物质电离化为离子， 沉积在工件基片表面形成薄膜层。该工艺兼具蒸发镀沉积速度快 和溅射镀的离子轰击清洁表面的特点。 化学气相沉积CVD：在气态条件下，经化学反应生成的固态物质沉积在 经加热的基体表面的一种镀膜工艺方法。工艺过程为： 反应气体沉积在基材表面； 反应气体分子被基材表面吸附； 在基材表面产生化学反应； 化学反应生成物从基体表面扩散，从而得到CDV沉积的薄膜层。电子束蒸镀工艺示意图1-工作室 2-电子束轰击区 3电子束 4电子枪 5基片加热器 6基片 7膜层 8蒸汽流 9挡板 10真空

39、抽气系统11蒸汽发射表面 12物料熔化部分 13物料 14水冷坩埚1)复合热处理技术 渗钛与离子渗氮复合处理 可在工件表面形成硬度极高TiN化合物层； 碳氮共渗处理 显著提高零件表面的强度和硬度； 碳氮共渗与高频淬火复合强化 零件表面硬化层深度可达1.22.0mm； 激光淬火与离子渗氮复合处理 硬度可从单纯淬火的645HV提高到790HV。2)表面覆层与其他表面处理的复合技术 在工件表面形成如镀层、涂层、沉积层等各种覆层后 ，再经过适当热处理，使覆层中的金属原子向基体扩散，将增强覆层与基体结合强度，提高抗擦伤、耐磨损和耐腐蚀能力。3)离子注入与气相沉积复合表面改性 如先在试样B上用真空蒸镀生成

40、涂覆层A，然后将高能离子注入涂覆层，利用混合效应使涂层A与试样B获得了牢固的粘着性。3、复合表面处理技术3.8.1 再制造技术的内涵和意义3.8.2 无损拆解与绿色清洗技术3.8.3 无损检测与寿命评估技术3.8.4 再制造成形与加工技术3.8 再制造技术1、再制造技术的内涵和意义再制造内涵 再制造是指以废旧产品作为生产毛坯，通过专业化修复或升级改造使其质量特性不低于原有新产品水平的制造过程。再制造与维修比较：再制造源于维修又区别于维修。维修关注单一零件的修复；再制造是规模化的生产过程，产品性能量不应低于新产品。再制造与正常制造比较：再制造加工对象更苛刻，工艺更复杂，要求更严格。再制造工艺流程

41、：包括无损拆解、零部件清洗、损伤检测、寿命评估、再制造方案设计、再制造加工以及再装配等工艺流程。2、无损拆解与绿色清洗技术1）无损拆解技术 击卸法：用锤子等工具，通过冲击能量把零件拆解分离，工具简单、操 作灵活，但常常会造成零件损伤或破坏。 压卸法：用油压机进行静力拆解，常用于轴承等过盈配合件的拆解。 拉卸法：用专用顶拔器进行静力拆解，常用于配合精度高、不允许或无 法敲击零件的拆解，如带轮等。 温差法：加热配合件使之膨胀，在温差条件下失去过盈实现拆解，常用 于热装零件或尺寸较大零件的拆卸。 破坏法：对于焊接、铆接连接件，或已咬死的轴套件，可用车、锯、钻、 割等方法进行破坏拆解，需保证核心价值件

42、不受损坏。 高效、自动、绿色无损拆解：需对产品进行可拆解性设计，进行再制造拆 解工艺规划，开发新型快速、自动、无损拆解工具及装备。2）绿色清洗技术 有机溶剂清洗：用有机溶剂浸泡和喷淋，通过溶解或化学反应将表面污 染物去除。 喷射清洗：高压水射流、喷砂和干冰清洗等物理清洗方法，通过高速运 动清洗介质与待清洗表面物理冲击作用去除废旧机电产品表面污染物。 高温清洗：利用高温水或蒸汽，破坏污垢的结合力实现清洗，尤其对零 部件内部表面油污的清洗。 超声波清洗： 是利用超声波的空化效应所产生的瞬间高压轰击待清洗表 面，使表面污染物迅速脱落。 新型清洗工艺：上述清洗技术仍存在清洗效率、清洗成本、环境污染等

43、问题，需继续研究新型清洗工艺。3、无损检测与寿命评估技术无损检测：利用声、光、磁、电等特性，在不损害检测对象前提下，检查 被测对象是否存在缺陷以及缺陷的位置、性质等。超声检测：由发射探头向被测件发射超声波，由接收探头接收由反射法反 射回来的反射波，以此信息判断是否存在材料缺陷及缺陷位置和程度。X射线检测：利用X射线在被测件基体材料与存在缺陷中的衰减特性不同进 行检测的，主要用于船舶、航天、航空、化工等领域铸件、焊缝等。磁粉检测：利用材料缺陷与基体材料的磁导率进行检测，当穿过基体的磁力 线遇到材料缺陷时，磁力线逸出被测表面形成漏磁场，吸附表面磁性粉粒.声发射检测：通过材料中因缺陷塑性变形或相变等

44、引起材料应变能快速释放 而产生的应力波称为声发射检测，主要用于锅炉、压力容器、焊缝等。激光全息检测：是利用激光全息照相来检验物体表面和内部的缺陷，主要应 用于航空、航天、军事等领域以及一些常规方法难以检测的零部件。再制造毛坯剩余寿命评估：预测再制造毛坯剩余寿命、再制造零件服役寿命 ，判断毛坯有无再制造价值 ，这是世界前沿性的基础课题。4、再制造成形与加工技术热喷涂修复转轴1）热喷涂修复技术 热喷涂：利用气体、液体、电弧、等离子束、激光束等热源将粉状材料加 热熔融为液体微粒，以一定速度喷向工件表面，以形成特定的涂层。 特点：不受基体材料限制，可喷涂材料广泛，操作灵活方便，形成耐磨、 耐蚀、隔热、

45、抗氧化、绝缘、导电、防辐射等功能涂层。电刷镀工艺原理2）电刷镀修复技术 电刷镀原理：利用电解方法使电镀液中的金属离子在零件表面还原并沉 积，形成具有一定结合力和厚度的电刷镀层。 特点： -工艺简单，操作灵活方便，经济实用，可现场修复大型精密设备。 -允许使用较高电流密度，沉积速度快。 -配备不同形状刷镀笔，可修复各种结构复杂零部件。 -电刷镀溶液种类多，应用范围广，适用各种不同需要。 -可多层刷镀，形成不同性能复合层。纳米复合电刷镀技术：加入一定量不溶性纳米微粒均匀悬浮在镀液中，这些纳米微粒能够吸附镀液中金属正离子，一同沉积在工件表面，从而获得纳米复合镀层。纳米微粒有纳米铜、石墨、SiO2、T

46、iC、氮化物、硼化物、硫化物、尼龙粉等。纳米复合电刷镀特点：镀层组织更紧密，晶粒更细小，硬度、耐磨性、抗疲劳性能等均比普通金属刷镀层或合金刷镀层好。 预置法合金化处理硬质粒子喷射法合金化处理3）激光修复技术 激光表面淬火：以高能密度激光束快速照射材料表面，使作用区材料温 度急剧上升形成奥氏体，加热区停止照射后急冷实现自冷淬火，达到 提高材料表面硬度和耐磨性目的。 激光表面合金化： 用激光束将一种或多种合金元素快速熔入基体表面， 使母材与合金材料同时熔化，形成细密均匀的表面合金层，有预置 法和硬质粒子喷射法不同工艺。 预置法：将合金粉末首先涂敷在材料表面，然后用激光束加热熔化。 硬质粒子喷射法：

47、激光束将硬质颗粒熔融后喷进熔池得到合金层。激光表面熔凝处理 用高密度激光束在金属表面扫描很薄的熔化层，通 过基材吸热作用迅速冷却凝固，可产生特殊微观组织结构，可提高 材料表面的耐磨、抗氧化和抗腐蚀性能。激光表面熔覆处理 与激光表面合金化工艺类似，区别是该工艺熔覆层 几乎不受基体材料成分的干扰和影响，熔覆层厚度可准确控制，稀 释度小，加热变形小，熔覆层与基体为冶金结合，十分牢固。激光冲击强化 激光束透过约束层照射在金属表面的涂层材料上，涂层 材料吸收激光能量后迅速气化，形成高温、高压等离子体，该等离 子体吸收激光能量急剧升温膨胀爆炸，形成高强度冲击波作用于金 属表面，致使金属材料表层发生塑性变形

48、，获得较高残余压应力， 形成冲击强化区，从而改善材料表面性能。激光冲击强化原理图3.9.1 仿生制造的内涵及研究内容3.9.2 仿生机构及系统制造3.9.3功能性表面仿生制造3.9.4生物组织及器官制造3.9.5生物加工成形制造3.9 仿生制造技术1、仿生制造内涵及研究内容1）仿生制造技术内涵 仿生制造：借助于生物形体和生长机制进行加工成形，制造仿生结构、 仿生表面、仿真装备和生物器官等，其制造过程是向生物体学习，实 现诸如自我发展、自组织、自适应和进化等功能 。 制造过程与生命过程比较： 制造过程：是“他成形”，通过机械、物理、化学等方式强制成形。 生命过程：是“自成形”，靠生物本身自我生长、发展、自组织