现代制造工艺技术和快速制造技术

1、现代制造工艺技术和快速制造技术 现代制造工艺技术是机械制造工艺不断变化和发展后所形成的制造工艺技术，包括常规工艺经优化后形成的新工艺，以及不断出现和发展的新型加工方法。其主要体系由现代技术、现代表面工程技术以及现代制造加工技术等技术构成。 现代制造工艺技术的发展方向是：加工精度和速度不断提高；新材料和重大技术装备的出现促进制造工艺变革；优质清洁表面工程技术获得进一步发展；精密成形技术取得较大进展。即：优质、高效、低耗、灵捷、洁净。 本章主要介绍现代制造加工技术和快速制造技术。第二章 现代制造工艺技术2.1 超高速切削技术 2.2 高效磨削技术2.3 精密和超精密加工技术2.4 微细加工技术2.

2、5 快速制造技术2.1 超高速切削技术 2.1.1 超高速切削技术的内涵 德国人Carl Salmon博士于1931年4月提出了超高速切削技术，并作出了Carl Salmon曲线（图21）图21 Carl Salmon曲线2.1.1 超高速切削技术的内涵 实践证明，切削速度提高10倍、进给速度提高20倍，远远超越传统的切削“禁区”（图2-1中的不可切削区）后，切削机理发生了根本的变化。其显著标志是使被加工塑性金属材料在切除过程中的剪切滑移速度达到或超过某一阈值，开始趋向最佳切除条件，因而被加工材料切除所消耗的能量、切削力、工件表面温度、刀具磨具磨损、加工表面质量等均明显优于传统切削速度下的指标

3、，加工效率大大高于传统切削速度下的加工效率。 结果是单位功率的金属切除率提高了30%40%，切削力降低了30%，刀具的使用寿命提高了70%，留于工件的切削热量大幅度降低，切削振动几乎消失。切削加工发生了本质性的飞跃，一系列在常规切削加工中备受困扰的问题得到了解决。 因此，超高速切削技术是21世纪切削加工领域的重大技术课题之一，是切削加工领域新的里程碑。2.1.1 超高速切削技术的内涵 目前世界上还没有对超高速切削技术有严格的定义。 一般认为是：采用超硬材料刀具、磨具和能可靠地实现高速运动的高精度、高自动化、高柔性的制造设备，以极大的提高切削速度(比常规高10倍左右)来达到提高材料切除率、加工精

4、度和加工质量的一种集高效、优质和低耗于一身的现代制造工艺技术。2.1.1 超高速切削技术的内涵 超高速切削中的“超高速”是一个相对概念，不能简单地用某一具体切削速度或主轴转速数值来定义。德国Darmstadt工业大学给出了7种常用材料的超高速切削加工的速度范围如表2-1。 不同加工方法：车削：7007000m/min；铣削：3006000m/min；钻削：2001100m/min；磨削：高于150m/s。2.1.2 超高速切削技术的特点 1. 加工效率高 切削速度：传统加工的10倍； 进给速度：传统加工的510倍； 材料切除率 ：提高36倍； 加工时间：传统加工的1/3. 2. 切削力小、刀具

5、寿命长 切削力至少下降30%；可减少加工变形，提高零件的加工精度；单位功率材料切除率可提高约40%；刀具寿命提高约70%。 在切削速度方面，超高速切削比常规切削的切削速度几乎高了一个数量级；在切削原理上突破了对传统切削的认识。由于切削机理的改变，使得高速切削表现了以下几个特点：2.1.2 超高速切削技术的特点 3. 热变形小 加工过程极为迅速，切屑带走95%的热量，热变形小；因而适合加工易发生热变形的工件. 4. 加工精度高、表面质量好 切削力和切削热的降低，使刀具和零件的变形减小，零件表面的残余应力下降，从而容易保证工件的尺寸精度和表面质量。 5. 加工过程稳定 激振频率远远高于工艺系统固有

6、频率，不会造成工艺系统振动；因而加工过程平稳。2.1.2 超高速切削技术的特点 6. 能加工各种难加工材料 例如航空和动力部门大量采用镍基合金和钛合金，现在采用超高速切削，其切削速度为常规切削速度的10 倍左右，不仅大幅度提高生产率，而且可有效地减少刀具磨损。 7. 加工成本低 单位时间的金属切除率高、能耗低、零件加工时间短，从而有效地提高了能源和设备利用率，降低了生产成本。 2.1.3 超高速切削技术的应用 1. 汽车领域 汽车工业是超高速切削加工技术的一个重要领域。以前为提高生产率，多采用流水线作业，但其缺乏柔性，不适应技术的快速变化。Ford汽车公司采用HVM800型卧式加工中心组成的柔

7、性生产线加工汽车发动机零件，其生产率与组合机床自动线相当，但建线投入减少了40%，生产准备时间也少得多。 2. 模具领域 可以实现淬火硬度达到60HRC（某些情况下可达70HRC）的淬硬模具的切削加工，加工时间仅为电加工的25%左右，加工费用可节省50%以上。 20世纪80年代以来，航空和模具工业的快速发展极大的推动了超高速切削技术的发展。据统计，美国和日本大约有30%的公司已使用超高速切削技术；德国甚至超过了40%。超高速切削技术是未来切削加工的发展方向。2.1.3 超高速切削技术的应用 3. 航空、航天领域 采用高速切削后，切削速度达到了1001000m/min，不仅大幅度提高生产率，还能

8、有效减少刀具磨损，提高工件表面的加工质量。因此，飞机制造业是最早采用高速铣削的行业。 图22所示为采用“整体制造法”制造的铝制螺旋片；壁厚最薄处只有mm，壁高20mm。采用超高速切削技术后，在保证质量的基础上，加工效率还会大大提高。 2.1.3 超高速切削技术的应用图22 铝制螺旋片 尺寸：8080402.1.4 超高速切削加工的关键技术 1. 超高速切削机床 基本要求见表23.超高速切削加工技术是一项复杂的系统工程，能否实现有赖于机床、刀具等技术。VCP/UCP 600 /800主轴转速：12000/20000/42000 转/分工作行程：X轴：600/530mm Y轴: 450 mm Z轴

9、: 450mm快移速度：22 米/分工作进给：15 米/分刀库容量：30把VCP/UCP 710主轴转速：12000/20000/42000 转/分工作行程：X轴：710mm Y轴: 550 mm Z轴: 500mm快移速度：30 米/分工作进给：20 米/分刀库容量：30把VCP/UCP 1000/1350主轴转速：12000/15000/24000 转/分工作行程：X轴：1000/800mm Y轴: 1000 mm Z轴: 875mm快移速度：30 米/分工作进给：20 米/分刀库容量：30/46/60/92把几种常见（超）高速加工中心的技术数据：2.1.4 超高速切削加工的关键技术 1.

10、 超高速切削机床 主要技术包括以下几个方面： 1）超高速主轴单元 电机和机床主轴合二为一，构成了所谓的“电主轴单元”；采用高速精密轴承，主要有陶瓷轴承、磁悬浮轴承和空气轴承等；采用大功率、宽调速交流变频电机直接驱动；结构设计上保证主轴单元具有良好的动刚性、抗振性、热特性和良好的动平衡性能；配有高效冷却与润滑系统；采用先进的控制技术。 超高速电主轴结构如下图所示： 2.1.4 超高速切削加工的关键技术超高速电主轴结构1、2 、 5密封圈;3定子;4转子;6旋转变压器转子;7旋转变压器定子;8螺母2.1.4 超高速切削加工的关键技术 2）快速进给系统 要求进给系统能瞬时达到高速、瞬时停止，还要具有

11、很高的定位精度。采用的主要技术措施是大幅度减轻移动部件重量以及采用新开发的多头螺纹行星滚珠丝杠，或采用直线电机，省去了中间传动件。 3）支承及辅助单元 用人造花岗岩来制作机床基础支承件；材料的阻尼特性为铸铁的710倍，密度却只有铸铁的1/3。 夹具的要求是高刚度、高精度动平衡、轻量化、高效自动化和柔性化。 2.1.4 超高速切削加工的关键技术 2. 对刀具和刀柄的要求 刀具材料除了具有普通刀具材料的要求以外，还要求： 可靠性； 高耐热性和抗热冲击性； 良好的高温力学性能； 适应各种难加工材料和新型加工材料的要求。 目前适合于超高速切削加工的刀具材料主要有涂层刀具、金属陶瓷刀具、立方氮化硼刀具和

12、聚晶金刚石刀具等几种。2.1.4 超高速切削加工的关键技术 目前超高速切削机床普遍采用的是日本的BIG-PLUS刀柄系统（图2-3）和德国的HSK刀柄系统（图2-4）。图2-3 BIG-PLUS刀柄系统 2.1.4 超高速切削加工的关键技术图2-4 HSK刀柄系统2.2 高效磨削技术 1. 高速重负荷荒磨（或修磨） 其砂轮线速度普遍达到了80m/s，有的高达120m/s；磨削法向力通常达到了1000012000N，有的高达30000N；磨削功率一般为100150kW，有的高达300kW；材料去除率可达150kg/h。 主要用于钢坯的修磨，磨除钢坯的表面缺陷层（夹渣、结疤、气泡、裂纹和脱碳层），

13、以保证钢材成品的最终质量和成材率。 主要特点是：采用定负荷自由磨削方式磨除一定厚度的缺陷层金属，背吃刀量和进给量均不确定；在磨削过程中不修整砂轮，为确保砂轮既有自锐能力，消耗又不致过大，应选择合适砂轮；多采用干磨方式，工件表面易烧伤。磨削材料磨除率=磨屑平均切断面积*磨屑平均长度*单位时间内作用磨粒数2.2 高效磨削技术 2. 缓进给大切深磨削 以较大的切削深度（ap 10mm）和很小的纵向进给速度（vW =3300mm/min，普通磨削的vW =2002500mm/min）来磨削工件，故也称深磨削或蠕动磨削。 主要特点是： 生产效率高； 工件的形状精度稳定； 减小了砂轮的冲击损伤； 扩大了磨

14、削工艺范围 ； 磨床功率大、成本高，工件易产生磨削烧伤 。 2.2 高效磨削技术 3. 高速与超高速磨削 普通砂轮的线速度为30-35m/s,当砂轮的线速度4550m/s，则被称为高速磨削HSG（High Speed Grinding）。砂轮线速度大15080m/s时，则被称为超高速磨削。 其主要特点是： 生产率高、砂轮寿命长 ； 磨削精度高、表面粗糙度低 ； 减轻磨削表面烧伤和裂纹 。 超高速磨削可以大幅度提高磨削生产效率、延长砂轮使用寿命或减小磨削表面粗糙度，并可对硬脆材料实现延性域磨削，对高塑性及其他难磨削材料进行磨削也有良好的表现。 2.2 高效磨削技术 4. 高效深切磨削（HEDG）

15、 HEDG在切深mm，工件速度vw 10m/min，砂轮速度vs = 80200m/s的条件下进行磨削。其工艺特征是砂轮高速度，工件进给快速及大的磨削深度，既能达到高的金属切除率，又能获得高质量的加工表面。是缓进给磨削和超高速磨削的结合。 其实现条件是： 砂轮应具有良好的耐磨性，高的动平衡性能和抗裂性能； 磨床应具有高动态精度、抗振性和热稳定性； 磨床主轴应具有较高的回转精度和刚度。砂轮主轴转速在万以上。 磨削液供给方法采用高压喷射法，砂轮内冷却法、空气挡板辅助截断气流法等 。2.2 高效磨削技术 5. 宽砂轮和多砂轮磨削 （1）宽砂轮磨削 外圆磨削砂轮宽度达300mm，平面磨削砂轮宽度达40

16、0mm，无心磨削砂轮宽度达8001000mm；加工精度达IT6，表面粗糙度Ram。 其主要特点是： 磨削宽度大，磨削力、磨削功率大，磨削时的热量多。 砂轮修整后可磨成形面，能保证零件成形精度，采用切入磨削形式，比纵向往复磨削效率高。 砂轮宽度大，主轴悬臂伸长度长。 为保证工件的形位精度，砂轮硬度在圆周和轴向均匀性要好。否则因砂轮磨损不均匀，影响零件的精度和表面质量。2.2 高效磨削技术2）多砂轮磨削 多砂轮磨削是在一台磨床上安装了多片砂轮，可同时加工零件的几个表面。多砂轮磨削的砂轮片数可多达8片以上，砂轮组合宽度达9001000mm。在生产线上，采用多砂轮磨床可减少磨床数量和占地面积。多砂轮磨

17、削主要用在外圆和平面磨床上，内圆磨床也可采用同轴多片砂轮磨同心孔。 2.2 高效磨削技术 6. 恒压力磨削 恒压力磨削是切入磨削的一种类型，在磨削过程中无论其他因素（如磨削余量、硬度、砂轮磨钝程度等）如何变化，砂轮与工件之间始终保待预选的压力不变，因此称恒压力磨削，也称作控制力磨削。恒压力磨削，避免荷了超负荷切削，工艺系统弹性变形小，有利干获得正确的几何形状与低的表面粗糙度值。2.2 高效磨削技术 7. 砂带磨削 如图25所示。20世纪60年代以来，发展迅猛；发达国家已占磨削工作的1/2。图2-5 砂带磨削示意图 2.2 高效磨削技术 其主要特点是： 设备简单； 可磨削复杂型面； 生产效率高；

18、 加工精度高 操作方便2.3 精密和超精密加工技术 目前所说的精密加工是指加工精度达到1m，表面粗糙度Ra在m的加工工艺。而超精加工则是指加工尺寸精度高于m，表面粗糙度Ra小于m的精密加工方法。 根据加工方法的机理和特点不同，精密加工和超精密加工方法可分为以下几大类。 2.3.1 精密和超精密加工方法与分类 1. 机械超精密加工技术 包括金刚石刀具超精密切削、金刚石微粉砂轮超精密磨削、精密研磨和抛光等一些传统加工方法（表2-5）。 2.3.1 精密和超精密加工方法与分类表2-5 传统（机械）精密和超精密加工方法及加工精度（m）（续） 2.3.1 精密和超精密加工方法与分类 2.非机械超精密加工

19、技术 包括精密电火花加工、精密电解加工、精密超声加工、电子束加工、离子束加工、激光束加工等一些非传统加工方法；也称为特种精密加工方法。 3.复合超精密加工方法 包括传统加工方法的复合、特种加工方法的复合以及传统加工方法和特种加工方法的复合（例如机械化学抛光、精密电解磨削、精密超声珩磨等）。 2.3.1 精密和超精密加工方法与分类 1. 金刚石刀具超精密加工的应用 如表26所示。 2.3.2 金刚石刀具超精密加工表2-6 金刚石刀具超精密切削的零件实例（续） 2.3.2 金刚石刀具超精密加工 2. 超精密车削用金刚石车刀 金刚石刀具的主切削刃和副切削刃之间采用过渡刃，对加工表面起修光作用。可以把

20、刀刃设计成圆弧形或带直线修光刃的折线形，以减少切削残留面积对表面粗糙度的影响。 图2-6 通用金刚石精车刀的几何角度 2.3.2 金刚石刀具超精密加工 3.金刚石刀具超精密切削切削参数的选择 1）切削速度 不使用切削液，应选择合适的切削速度，以防积屑瘤的生成。使用切削液，积屑瘤不易生成 ，切削速度对表面粗糙度影响较小。 2）进给量 超精密切削时采用很小的进给量，但进给量的数值也不宜小于刀具刃口的钝圆半径。 3）背吃刀量 背吃刀量大，切削力大，切削变形大，表面层残留变形大；但背吃刀量太小时，因刀具存在切削刃钝圆半径而不易产生切屑，切削力反而增加、使表面残余应力反而增加。 2.3.2 金刚石刀具超

21、精密加工金刚石刀具超精密车削时的切削用量可参考表2-7。 2.3.2 金刚石刀具超精密加工 2.3.3 精密和超精密磨削加工 精密和超精密磨削加工是利用细粒度磨粒和微粉对工件进行磨削，以得到高加工精度和低表面粗糙度的一种工艺方法。对于铜、铝及其合金等软金属，采用金刚石刀具超精密车削加工是十分有效的；而对于黑色金属、硬脆材料等，用精密和超精密磨料加工是当前最常用的加工手段。 精密和超精密磨削加工分为固结磨料加工和游离磨料加工两类。固结磨料加工是指采用烧结、粘接、涂覆等办法，将磨粒或微粉与结合剂均匀地结合，并固结成一定形状和强度的磨具，如砂轮、砂带等，形成精密和超精密磨削；游离磨料加工是指磨料在加

22、工时呈游离状态，如研磨抛光等。精密和超精密磨削加工方法的类型见图2-7。 2.3.3 精密和超精密磨削加工 1.精密磨削加工（普通磨料砂轮精密磨削和超硬磨料砂轮精密磨削 ） 1）普通磨料砂轮精密磨削 加工精度：1；表面粗糙度：。其影响因素主要有： 砂轮选择：主要考虑磨粒材料、粒度、结合剂，织织和硬度等 砂轮修整：可分为初修、精修和光修。普通磨料砂轮精密磨削时的砂轮修整用量可参考表2-8。 2.3.3 精密和超精密磨削加工表2-8 普通磨料砂轮精密磨削时的砂轮修整用量 2.3.3 精密和超精密磨削加工 磨床选择：精密磨床上需满足以下要求：a.机床几何精度和刚度高；b.由于普通砂轮精密磨削时砂轮的

23、修整速度要求低至1015mm/min，机床工作台必须能低速进给、平稳、无爬行和冲击；c.从机床结构上和安装上采取一些减振和隔振措施，以提高其抗振性。 磨削用量：包括砂轮速度、工件速度、纵向进给量、磨削深度、走刀次数和无火花磨削次数等的选择，可参考表2-9。 2.3.3 精密和超精密磨削加工2.3.3 精密和超精密磨削加工 2）超硬磨料砂轮精密磨削 其特点和应用范围如下： （1）可用来加工各种高硬度、高脆性金属材料和非金属材料，例如陶瓷、玻璃、半导体材料、宝石、石材、硬质合金、耐热合金钢以及铜、铝等非铁金属及其合金等。 （2）磨削能力强、耐磨性好、使用寿命长、易于控制尺寸及实现加工自动化。 （3

24、）磨削力小，磨削温度低，无烧伤、裂纹和组织变化，表面质量好。用金刚石砂轮磨削硬质合金时，其磨削力只有绿碳化硅砂轮磨削时的1/41/5。 （4）由于超硬磨料有锋利的刃口，耐磨性高，有较高的材料切除率和磨削比，因此磨削效率高。 （5）超硬磨料砂轮修整难度大。 （6）金刚石砂轮和立方氮化硼砂轮价格比较昂贵，但其使用寿命长，加工效率高、工时少，综合成本不高。 2.3.3 精密和超精密磨削加工 2.超精密磨削加工 加工精度达到或高于，表面粗糙度Ra低于。主要用于磨削钢铁及其合金，例如耐热钢、钛合金、不锈钢等合金钢，特别是经过淬火处理的淬硬钢；也可用于磨削铜、铝及其合金等非铁金属。同时它还是高精度非金属硬

25、脆难加工材料（例如陶瓷、玻璃、石英、半导体、石材等）的主要加工方法。 超精密磨削应用比较成熟的首推金刚石微粉砂轮超精密磨削。 2.3.3 精密和超精密磨削加工 1）金刚石微粉砂轮 采用粒度为F240F1000的金刚石微粉作为磨料，树脂、陶瓷、金属为结合剂烧结而成；也可采用电铸法和气相沉积法制作。 金刚石微粉砂轮超精密磨削具有以下特点： （1）一种固结磨料的微量去除加工方法，比研磨、抛光等精密加工方法加工效率高； （2）磨料是粒度很细，可以同时获得极低的表面粗糙度和很高的几何尺寸和形状精度，是一种比较理想的超精密加工方法。 （3）容屑空间很小，砂轮容易堵塞；需要进行在线修整，才能保证磨削的正常进

26、行和加工质量。 （4）需要在超精密磨床上进行，设备价格昂贵，磨削成本高。 2.3.3 精密和超精密磨削加工 2）超精密磨床 2.3.3 精密和超精密磨削加工 超精密磨床多采用空气静压导轨，如图29所示。 2.3.3 精密和超精密磨削加工 超精密磨床还采用微量进给装置。如图210所示。 2.3.3 精密和超精密磨削加工 目前国内、外各种超精密磨床的加工精度和表面粗糙度能够达到的水平为： （1）尺寸精度：； （2）圆度：1m； （3）圆柱度：1/50000； （4）表面粗糙度Ra：。 2.3.3 精密和超精密磨削加工3）超精密磨削工艺 磨削参数： （1）砂轮线速度：1860m/min； （2）工件

27、线速度：410m/min； （3）工作台纵向进给速度：50100mm/min； （4）磨削深度：1m； （5）磨削横向进给次数：24； （6）无火花磨削次数：35； （7）磨削余量：25m。 3.精密砂带磨削 砂带磨削具有弹性、冷态、高效、精密、经济等特点，可加工各种金属、非铸铁和非金属材料。随着砂带基底材料的发展、磨粒与基底粘接强度的提高，以及精密砂带磨削、抛光等工艺的出现，砂带磨削已逐渐成为精密和超精密加工的重要手段。 多采用开式磨削方式。 2.3.3 精密和超精密磨削加工 需要考虑以下几类因素。 1）磨削用量 （1）砂带速度。开式砂带磨的砂带速度很低，砂带移动是为了不断有新砂粒进入切削区

28、，控制磨削表面质量和砂带的使用寿命，而磨削的主运动是靠工件的转动或移动来实现的。 （2）工件速度。由于砂带速度非常低，切削形成主要靠工件的转动或移动，按磨削要求，工件速度可取1012m/s。 （3）纵向进给量和磨削深度。纵向进给量可参考砂轮磨削来选取，而磨削深度应比砂轮磨削时要小些。 粗磨纵向进给量mm/r，磨削深度为mm。 精磨纵向进给量为mm/r，磨削深度mm。 （4）接触压力。这是砂带磨削所特有的加工参数，直接影响磨削效率和砂带使用寿命。可根据工件材料、磨粒材料和粒度、磨削余量和表面粗糙度要求来选择，一般选取50300N，但其大小有时很难控制。 2.3.3 精密和超精密磨削加工 2）砂带

29、和接触轮的选择 应根据被加工材料、加工精度和表面粗糙度要求来选择。其中包括磨料种类、粒度、基底材料、接触轮外缘材料、形状及其硬度等。砂带选择和接触轮选择之间有一定的配合关系要求。 3）砂带磨削的冷却和润滑 砂带磨削可分为干磨和湿磨两种。湿磨时，磨削液的选择应考虑加工表面粗糙度，被加工材料、砂带粘接剂的种类和基底材料等。例如有些粘接剂为有机物，易受化学溶剂的影响，有些基底材料不防水。干磨时，当粒度大于F150时，可采用干磨剂，有效防止砂带堵塞，提高加工表面质量。 2.3.3 精密和超精密磨削加工 4.精密超精密研磨 1）油石研磨（其加工运动与普通研磨方法相同，可加工平面、外圆等。） 常用油石：

30、氨基甲酸酯油石；利用低发泡氨基甲酸脂和磨料混合制成的油石，制作方便、成本低廉； 金刚石电铸油石；利用电铸技术使金刚石颗粒的切刃位于同一切削平面上，可以研磨出极低表面粗糙度的表面 ； 超硬磨料粉末冶金油石；将金刚石和立方碳化硼等微粉与铸铁粉混合起来，用粉末冶金方法烧结成块，烧结块分两层结构，只在表层厚度含有磨粒。研磨精度高、表面质量好、效率高。 特点：加工运动与普通研磨方法相同，可以加工平面、外圆等。 2.3.3 精密和超精密磨削加工 2.3.3 精密和超精密磨削加工2）磁性研磨磁性研磨如图示，工件放在两磁极之间，工件与极间放入磁性材料，在直流磁场的作用下，磁性磨粒沿磁力线方向整齐排列，如同刷子

31、一样对被加工表面施加压力，并保持加工间隙。研磨时工件一面旋转一面作轴向振动，使磁性磨料与被加工表面之间产生相对运动。磁性研磨具有以下特点和用途：（1）研磨压力的大小随磁场中磁通密度及磁性磨料填充量的增大而增大，可以调节。（2）既可研磨磁性材料零件，又可研磨非磁性材料零件；可研磨金属材料，例如钢、铁、不锈钢、铜、铝等；也可研磨非金属材料，如陶瓷、硅片等。（3）加工精度可达1m，表面粗糙度Ra可达，对于钛合金有较好的研磨效果。（4）可加工工件的外圆、内孔等和去毛刺。由于加工间隙有14mm，磁性磨粒在未加磁场前是柔性的，因此还可以研磨成形表面。 2.3.3 精密和超精密磨削加工 5.精密超精密抛光

32、1）软质磨粒抛光 典型的软质磨粒机械抛光方法是弹性发射加工（Elastic Emission Machining，EEM）（图213）。其原理是利用水流加速微细磨粒，以尽可能小的入射角冲击工件表面，在接触点处产生瞬时高温高压而发生固相反应，造成工件表层原子晶格的空位及工件原子和磨粒原子互相扩散，形成与工件表层其他原了结合力较弱的杂质点缺陷。当这些缺陷再次受到磨粒撞击时，杂质点原子与相邻的几个原了被一并移去，同时工件表层凸出的原子也因受到很大的剪切力作用而被切除。 2.3.3 精密和超精密磨削加工 2.3.3 精密和超精密磨削加工其特点是可以用较软的颗粒，甚至比工件还要软的磨粒来抛光，在加工时不

33、会产生机械损伤，大大减少了一般抛光中所产生的微裂纹、磨粒嵌入、洼坑、麻点等缺陷。 2）浮动抛光 是一种平面度极高的非接触超精密抛光方法，浮动抛光装置如图2-14所示。高回转精度的抛光机采用高平面度平面并带有同心圆或螺旋沟槽的锡抛光盘，抛光液覆盖在整个抛光盘表面上，抛光盘及工件高速回转时，在两者之间的抛光液呈动压流体状态，并形成一层液膜，从而使工件在浮起状态下进行抛光。 2.3.3 精密和超精密磨削加工 2.3.3 精密和超精密磨削加工 3）动压浮离抛光 是另一种非接触抛光方法。平面非接触抛光装置如图2-15所示。沿圆周方向制有若干个倾斜平面的圆盘在液体中转动时，通过液体楔产生液体动压，使保持环

34、中的工件浮离圆盘表面，由浮动间隙中的粉末颗粒对工件进行抛光。加工过程中无摩擦热和工具磨损，标准平面不会变化，因此，可重复获得精密的工件表面。该方法主要用于半导体基片和各种功能陶瓷材料及光学玻璃的抛光，可同时进行多片加工。可获得的平面度和1nm的粗糙度。 2.3.3 精密和超精密磨削加工 2.3.3 精密和超精密磨削加工 4）非接触化学抛光 是一种普通的盘式化学抛光方法，通过供给抛光盘面化学抛光液，使其与被加工面作相对滑动，用抛光盘面来去除被加工件面上产生的化学反应生成物。这种抛光方法以化学腐蚀作用为主，机械作用为辅，所以又称为化学机械抛光。水面滑行抛光是一种工件与抛光盘互不接触，不使用磨料的新

35、型非接触化学抛光方法。它借助于流体压力使工件基片从抛光盘面上浮起，利用具有腐蚀作用的液体作加工液完成抛光，抛光装置如图2-16所示。 2.3.3 精密和超精密磨削加工 2.3.3 精密和超精密磨削加工2.4 微细加工技术2.4.1 微细加工技术的概念和特点 1. 微细加工技术的概念 微细加工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。在微机械研究领域中，它是微米级、亚微米级乃至纳米级微细加工的通称，即微米级微细加工，亚微米级微细加工和纳米级微细加工等。广义上的微细加工，包括精密加工和超精密加工的微小化。 微细加工技术曾广泛应用于大和超大规模集成电路的制作，是微电子行业蓬勃发展

36、；目前主要在特种新型器件、电子零件和电子装置、机械零件和装置、表面分析、材料改性等方面发挥着重要作用。特别是微机械研究和制作方面。2.4.1 微细加工技术的概念和特点 2. 微细加工技术的特点 1）多学科的制造系统工程 涉及超微量加工和处理技术、高质量和新型的材料技术、高稳定性和高净化的加工环境、高精度的计量、测试技术以及高可靠性的工况监测和质量控制技术等，体现了多学科的交义融合。 2）平面工艺是其工艺基础 平面工艺是指制作半异体基片、电子元件、电子线路及其连线、封装等一整套制造工艺技术，现在已在此基础上发展了立体工艺技术。 2.4.1 微细加工技术的概念和特点 2. 微细加工方法的分类 从机

37、理上分为分离、结合、变形三大类。见表210. 2.4.1 微细加工技术的概念和特点 2.4.2 常用微细加工技术 1. 光刻加工技术 光刻是沉积与刻蚀的结合，是光刻蚀的简称，利用化学和物理的方法，将没有光制抗蚀剂涂层的氧化膜去除。主要用在集成电路的制作中，可得到高精度微细线条高密度复杂图像。光刻加工可分为两个阶段，第一阶段为原版制作，生成工作原版或工作掩膜，第二阶段为光刻加工。 1）原版制作 （1）绘制原图；（利用绘图机在红膜上刻制原图） （2）制作缩版、殖版； （将原图用缩版机缩成规定的尺寸） （3）制作工作原版（工作掩膜）；（将母版复印形成复制版，在光刻时使用） 2）光刻加工 （1）预处理

38、；（降半导体基片切片、抛光、氧化后在其表面上形成氧化膜）（2）涂胶 ；（把光致抗蚀剂/光刻胶均匀涂覆在氧化膜上）（3）曝光 ； （光源发出的光束经工作原版在光致抗蚀剂涂层上成像）（4）显影与烘片；（曝光后的光致抗蚀剂分子结构变化可在特定溶剂中呈现出曝光图像）（5）刻蚀 ；（利用离子束溅射出去光致抗蚀剂的氧化膜部分）（6）剥膜与检查。（利用剥膜液去除光致抗蚀剂） 2.4.2 常用微细加工技术 2.4.2 常用微细加工技术 2. 光刻电铸模铸复合成形技术（LIGA） LIGA来源于德文，是电铸成型和注塑的缩写。其加工特点是： 1）波长短、分辨力高、穿透力强； 2）辐射线几乎完全平行，减少了几何畸变

39、； 3）辐射强度高，便于利用灵敏度较低而稳定性较好的抗蚀剂（光刻胶）来实现单涂层工艺； 4）发射带谱宽，降低衍射，利于获得高分辨力，并可根据掩膜材料和抗蚀剂的特点选用最佳曝光波长； 5）曝光时间短，生产率高； 6）加工时间长、工艺过程复杂、价格贵，要求层厚大、抗辐射能力强和稳定性好的掩膜基底。 2.4.2 常用微细加工技术LIGA技术可以制作最大高度为1000um，高宽比大于200的立体微结构，加工精度可达200um，可加工的材料有金属、陶瓷和玻璃等。2.4.3 纳米加工技术 1. 纳米加工的概念和特点 纳米技术是指纳米级（0. l100nm）的材料、产品设计、加工、检测、控制一系列技术。包括

40、纳米材料、纳米级精度制造技术、纳米级精度和表面质量检测、纳米级微传感器和控制技术、微型机电系统和纳米生物学等。纳米加工技术的特点： （1）加上精度达到纳米级； （加工范畴有超精密加工、超微细加工、纳米生物加工等） （2）从宏观走向微观；（不仅是尺寸上的精度提高和缩小，而是物理上的微观变化，分析是要应用纳米力学、纳米摩擦学和纳米电子学等） （3）综合系统技术；（纳米技术包括材料、产品设计、加工、装配、检测等） （4）纳米级范畴。（） 2.4.3 纳米加工技术 2. 纳米加工方法 1）传统加工的精密化 包括超精密加工和超精密特种加工等，例如超精密切削车削、超精密磨削、超精密研磨和超精密抛光等。 2

41、）传统加工的微细化 包括微细加工和超微细加工等。例如高能束加工（电子束、离子束、激光束加工）、光刻和LIGA等。 3）扫描探针显微加工 包括扫描隧道显微加工和原子力显微加工等。例如原子搬迁移动、原子提取去除和放置增添、原子吸附和脱附、探针雕刻等。 4）纳米生物加工 有去除、约束和生长三种形式。2.4.3 纳米加工技术（1）生物去除成形加工；（利用细菌生理特性对生物去除成形，如用氧化亚铁硫杆菌进行生物加工纯铁、纯铜和铜镍合金，加工出微型齿轨。）（2）生物约束成形加工；（利用形状规则、结构强度高、无危害性和利于人工培养的微生物，控制其生长过程，用化学镀实现其约束成形，可制备出具有一定几何形状的金属

42、化微生物，用于构造微结构）（3）生物生长成形加工。（主要有微生物细胞的生长成形和活性组织或物质生长成形。）2.4.3 纳米加工技术 3. 纳米级典型产品 1）纳米级器件 纳米级器件是指原子开关、原子继电器、单电子晶体管和量子点等原子级器件和量子级器件，主要是电子器件。 2）微型机械 可分为110mm的小型机械、1m1mm的微型机械和利用生物工程和分子组装可实现的1nm1m的纳米机械三个等级。 3）微型机电系统（简称MEMS） 指集微型机构、微型传感器、微型执行器、信号处理、控制电路、接口、通信、电源等于一体的微型机电器件或综合体，它是美国的惯用词。 微型机电系统在生物医学、航空航天、国防、工业

43、、农业、交通和信息等多个部门均有广泛的应用前景。2.5 快速制造技术2.5.1 快速制造技术的定义和特点 快速制造（快速成形、快速成形制造）是20世纪80年代后期发展起来的、基于离散-堆积成形原理的成形技术。包括快速原型制造、快速工/模具制造、快速零件制造、快速生物模型制造、快速铸型制造等一切有别于去除成形和受迫成形的、基于数字模型驱动的材料单元组装成形的成形科学和制造技术。 快速原型是最早出现并发展的一种快速制造技术。其产品基本不具有使用功能，而尽在设计评价时使用；但随着成形件的机械性能和精度的提高，使成形件逐渐具有设计思想评价和装配检验功能以外的功用。另外也出现了快速零件、快速工具/模具、快速生物模型等。 2.5.1 快速制造技术的定义和特点 1. 快速制造的原理 如