机械制造技术基础7a课件

1、第7章 机械制造技术的发展本章要点制造自动化技术的发展精密加工与超精密加工非传统加工方法先进制造技术1机械制造技术基础 第7章 制造技术的发展Development of Manufacturing Technology7.1 制造自动化技术的发展Development of Automation Technology for Manufacturing27.1.1 制造自动化技术的主要形式 表1-1 三种自动化形式比较比较项目刚性自动化柔性自动化综合自动化实现目标 减轻工人劳动强度，节省劳动力，保证加工质量，降低生产成本 减轻工人劳动强度，节省劳动力，保证加工质量，降低生产成本，缩短产品制造

2、周期 除左外，提高设计工作与管理工作效率和质量，提高对市场的响应能力控制对象物流物流物流，信息流特点 通过机、电、液气等硬件控制方式实现，因而是刚性的，变动困难 以硬件为基础，以软件为支持，改变程序即可实现所需的转变，因而是柔性的 不仅针对具体操作和工人的体力劳动，而且涉及脑力劳动以及设计、经营管理等各方面典型系统与装备 自动机床、组合机床，机械手，自动生产线 NC机床，加工中心，工业机器人，DNC，FMC，FMS CAD/CAM系统，MRP，CIMS应用范围大批大量生产多品种、中小批量生产各种生产类型关键技术 继电器程序控制技术，经典控制论 数控技术，计算机控制，GT，现代控制论 系统工程，

3、信息技术，计算机技术，管理技术37.1.1 制造自动化技术的主要形式 图7-1 汽车后桥齿轮箱加工自动线刚性自动化20年代47.1.1 制造自动化技术的主要形式 柔性自动化50年代图7-2 焊接机器人综合自动化70年代图7-3 综合自动化57.1.2 自动化加工技术 本节仅讨论中小批量生产中广泛使用的柔性制造系统（Flexible Manufacturing SystemFMS） 柔性制造系统的组成 图7-4 FMS的组成自动仓库工厂计算机中央计算机物流控制计算机运输小车加工单元1加工单元2加工单元n信 息 传 输 网 络工夹具站67.1.2 自动化加工技术 加工单元CNC（MC）机床工作台架

4、（暂存工件）机器人或托盘交换装置检测、监控装置设备运行状态监控与检测（图7-5） 传感器群信号采集预处理特征提取状态识别诊断决策预维修决策监控检测报告正常状态模式预诊断知识库预维修知识库学习训练匹配状态异常报警预知故障报警输出图7-5 设备运行状态监控与检测框图77.1.2 自动化加工技术 传输装置 滚式链式（传送带由于柔性差，目前较少使用）带式有轨无轨（AGV）固定路线随机路线电磁式（图7-8）光电式（图7-9）传送带运输小车机器人固定式机器人行走式机器人107.1.2 自动化加工技术 切屑处理系统断屑 加工部位封闭排屑 机床、工夹具设计要便于排屑 冷却液冲，或压缩空气吹切屑输送（通常采用地

5、下输送管道）切屑再处理（打包）117.1.2 自动化加工技术 工厂计算机：制定、修改、更新生产（作业）计划； 对中央计算机和物流计算机进行控制。 单元控制器：监视与控制机床加工、检测、上下料 物流计算机：根据工厂计算机制定的作业计划对自动仓 库、堆垛机、缓冲站、运输小车等进行监 视与控制。 中央计算机：根据工厂计算机制定的作业计划对各加工 单元进行监视与控制。 信息传输网络：在控制计算机与单元控制器之间进行信 息传递。 计算机控制系统127.1.2 自动化加工技术 冲床图7-13 冲压FMS FMS实例（2）16十分之一原则：测量不准确度工件容差的1/10三分之一原则：测量精密度工件许用精密度

6、的1/3（用标准差表示）7.1.3 自动检测技术 自动化传送和装卸被测件；自动完成检测过程；传送/装卸与检测过程全部自动化。 自动检测内容多采用传感器/计算机反馈控制系统 自动检测系统接触式传感器：检测尺寸、形状、相互位置非接触式传感器（光学、非光学）：无接触变形，速度快 自动检测传感技术 “十分之一” 与“三分之一”原则177.1.3 自动检测技术 离线检测：过程稳定，超差风险小PROCAUTPROCAUTPROCAUTINSPMAN抽样离线检测PROCAUTINSPMAN在线/过程中检测反馈信号在线/过程后检测PROCAUTINSPMANSORTAUT分类指令成品废品图7-14 三类检测

7、离线与在线检测在线/过程中检测：实时，瓶颈工序在线/过程后检测：滞后时间短，应用较多187.1.3 自动检测技术 坐标测量机a） b） c） d）图7-15 坐标测量机的结构形式结构形式悬臂式结构：测头易于接近工件，刚性差桥式结构：刚性好，应用广泛立柱式结构：结构与立车相似门架式结构：结构与门式起重机相似，用于大件测量197.1.3 自动检测技术 可完成测量项目 表7-2 坐标测量机可完成的测量项目可完成的测量项目测量原理尺寸孔径与孔中心线坐标圆柱体轴心线与直径球心坐标与球面半径平面度两平面夹角两平面的平行度两条线的交点与交角由两个给定面坐标的差值确定尺寸测量孔上3点，计算确定孔径与孔中心线坐

8、标测量圆柱面上3点，计算确定轴心线与直径测量球面上4点，计算确定球心坐标与球面半径用3点接触法测定，与理想平面比较确定平面度按平面上3个触点最小值规定平面，再计算夹角根据两平面交角确定平行度先确定两线夹角，再测定交点217.1.3 自动检测技术 实物照片 22机械制造技术基础 第7章 制造技术的发展Development of Manufacturing Technology7.2 精密制造技术Precision Manufacturing Technology237.2.1 精密与超精密加工技术精密加工 在一定的发展时期，加工精度和表面质量达到较高程度的加工工艺。 超精密加工 在一定的发展时

9、期，加工精度和表面质量达到最高程度的加工工艺。概述瓦特改进蒸汽机 镗孔精度 1mm 20 世纪 40 年代 最高精度 1m 20 世纪 末 精密加工：0.1m，Ra 0.01m（亚微米加工） 超精密加工： 0.01m ，Ra 0.001m（纳米加工）微细加工 微小尺寸的精密加工 超微细加工 微小尺寸的超精密加工24 零件 加 工 精 度 表面粗糙度 激光光学零件 形状误差 0.1m Ra 0.010.05m 多面镜 平面度误差 0.04m Ra 0.02m 磁头 平面度误差 0.04m Ra 0.02m 磁盘 波度 0.01 0.02m Ra 0.02m 雷达导波管 平面度垂直度误差 0.1m

10、 Ra 0.02m 卫星仪表轴承 圆柱度误差 0.01m Ra 0.002m 天体望远镜 形状误差 0.03m Ra 0.01m 表7-3 几种典型精密零件的加工精度 几种典型精密零件的加工精度（表7-3） 精密加工与超精密加工的发展（图7-17）7.2.1 精密与超精密加工技术257.2.1 精密与超精密加工技术图7-17 精密加工与超精密加工的发展（Taniguchi，1983）普通加工精密加工超精密加工超高精密磨床超精密研磨机离子束加工分子对位加工车床,铣床卡尺加工设备测量仪器精密车床磨床百分尺比较仪坐标镗床坐标磨床气动测微仪光学比较仪金刚石车床精密磨床光学磁尺电子比较仪超精密磨床精密研

11、磨机激光测长仪圆度仪轮廓仪激光高精度测长仪扫描电镜电子线分析仪加工误差（m）10010110210-210-110-3190019201940196019802000年份26 精密与超精密加工技术是一个国家制造业水平重要标志例：美国哈勃望远镜形状精度0.01m；超大规模集成电路最小线宽0.1m，日本金刚石刀具刃口钝圆半径达2nm 精密加工与超精密加工技术是先进制造技术基础和关键例：美国陀螺仪球圆度0.1m，粗糙度Ra0.01m，导弹命中精度控制在50m范围内；英国飞机发电机转子叶片加工误差从60m降至12m，发电机压缩效率从89%提高到94%；齿形误差从3-4m减小1m，单位重量齿轮箱扭矩可提

12、高一倍 精密加工与超精密加工技术是新技术的生长点精密与超精密加工技术涉及多种基础学科和多种新兴技术，其发展无疑会带动和促进这些相关科学技术的发展 精密与超精密加工地位7.2.1 精密与超精密加工技术27结合加工 分类 加工机理 加工方法示例去除加工电物理加工 电火花加工（电火花成形，电火花线切割）电化学加工 电解加工、蚀刻、化学机械抛光力学加工 切削、磨削、研磨、抛光、超声加工、喷射加工热蒸发（扩散、溶解） 电子束加工、激光加工附着加工注入加工化学 化学镀、化学气相沉积电化学 电镀、电铸热熔化 真空蒸镀、熔化镀化学 氧化、氮化、活性化学反映电化学 阳极氧化热熔化 掺杂、渗碳、烧结、晶体生长力物

13、理 离子注入、离子束外延连续加工热物理 激光焊接、快速成形化学 化学粘接变形加工热流动 精密锻造、电子束流动加工、激光流动加工粘滞流动 精密铸造、压铸、注塑分子定向 液晶定向表7-4 精密与超精密加工分类7.2.1 精密与超精密加工技术28 直接式进化加工：利用低于工件精度的设备、工具，通过工艺手段和特殊工艺装备，加工出所需工件。适用于单件、小批生产。 间接式进化加工：借助于直接式“进化”加工原则，生产出第二代工作母机，再用此工作母机加工工件。适用于批量生产。“进化”加工原则背吃刀量小于晶粒大小，切削在晶粒内进行，与传统切削机理完全不同。 微量切削机理 特种加工与复合加工方法应用越来越多传统切

14、削与磨削方法存在加工精度极限，超越极限需采用新的方法。 精密与超精密加工特点7.2.1 精密与超精密加工技术29要达到加工要求，需综合考虑工件材料、加工方法、加工设备与工具、测试手段、工作环境等诸多因素，是一项复杂的系统工程，难度较大。 形成综合制造工艺广泛采用计算机控制、适应控制、再线检测与误差补偿技术，以减小人的因素影响，保证加工质量。 与自动化技术联系紧密精密与超精密加工设备造价高，难成系列。常常针对某一特定产品设计（如加工直径3m射电天文望远镜的超精密车床，加工尺寸小于1mm微型零件的激光加工设备）。 与高新技术产品紧密结合 加工与检测一体化精密检测是精密与超精密加工的必要条件，并常常

15、成为精密与超精密加工的关键。7.2.1 精密与超精密加工技术30 切削在晶粒内进行 切削力原子结合力（剪切应力达 13000 N/ mm2） 刀尖处温度极高，应力极大，普通刀具难以承受 高速切削（与传统精密切削相反），工件变形小，表层高温不会波及工件内层，可获得高精度和好表面质量金刚石超精密加工技术 用于铜、铝及其合金精密切削（切铁金属，由于亲合作用，产生“碳化磨损”，影响刀具寿命和加工质量） 加工各种红外光学材料如锗、硅、ZnS和ZnSe等 加工有机玻璃和各种塑料 典型产品：光学反射镜、射电望远镜主镜面、大型投影电视屏幕、照像机塑料镜片、树脂隐形眼镜镜片等 应用 机理、特点7.2.1 精密与

16、超精密加工技术31 加工设备 要求高精度、高刚度、良好稳定性、抗振性及数控功能等。 关键技术7.2.1 精密与超精密加工技术图7-18 Moore金刚石车床回转工作台工件刀具主轴传动带主轴电机空气垫刀具夹持器如美国Moore公司M-18AG金刚石车床，主轴采用空气静压轴承，转速5000转/分，径跳0.1m；液体静压导轨，直线度达 0.05/100mm；数控系统分辨率0.01 。32车床主轴装在横向滑台（X轴）上，刀架装在纵向滑台（Z轴）上。可解决两滑台的相互影响问题，而且纵、横两移动轴的垂直度可以通过装配调整保证，生产成本较低，已成为当前金刚石车床的主流布局。 图7-19 T形布局的金刚石车床

17、 T形布局（图7-19）7.2.1 精密与超精密加工技术33 金刚石车床主要性能指标（表7-5）数控系统分辩率 /m40020050001000050000. 10.010. 2/1000. 10. 11/1502/100径向1140轴向1020640720最大车削直径和长度 /mm最高转速 r/mm最大进给速度mm /min重复精度(2) / m主轴径向圆跳动 / m滑台运动的直线度 / m主轴前静压轴承（100mm）的刚度 /（N/m）主轴后静压轴承（80mm）的刚度 /（N/m）纵横滑台的静压支承刚度 /（N/m）表7-5 金刚石车床主要性能指标主轴轴向圆跳动 / m横滑台对主轴的垂直度

18、 / m7.2.1 精密与超精密加工技术34 金刚石刀具 超精切削刀具材料：天然金刚石，人造单晶金刚石 金刚石的晶体结构：规整的单晶金刚石晶体有八面体、十二面体和六面体，有三根4次对称轴，四根3次对称轴和六根2次对称轴（图7-20）。a）4 次对称轴和（100）晶面L4（100）（110）L2L3（111）b）2 次对称轴和（110）晶面c）3 次对称轴和（111）晶面图7-20 八面体的晶轴和镜晶面7.2.1 精密与超精密加工技术35金刚石车床加工4.5mm陶瓷球7.2.1 精密与超精密加工技术图7-23 金刚石车床及其加工照片36 砂轮材料：金刚石，立方氮化硼（CBN） 可加工各种高硬度、

19、高脆性金属及非金属材料（铁金属用CBN） 耐磨性好，耐用度高，磨削能力强，磨削效率高 磨削力小，磨削温度低，加工表面好 特点： 分整形与修锐（去除结合剂，露出磨粒）两步进行 常用方法 用碳化硅砂轮（或金刚石笔）修整，获得所需形状； 电解修锐（适用于金属结合剂砂轮），效果好，并可在线修整 砂轮修整：超硬磨料砂轮精密与超精密磨削7.2.1 精密与超精密加工技术37进给图7-24 ELID磨削原理电源金刚石砂轮（铁纤维结合剂）冷却液冷却液电刷 ELID（Electrolytic In-Process Dressing）使用ELID磨削，冷却液为一种特殊电解液。通电后，砂轮结合剂发生氧化，氧化层阻止电

20、解进一步进行。在切削力作用下，氧化层脱落，露出了新的锋利磨粒。由于电解修锐连续进行，砂轮在整个磨削过程保持同一锋利状态。 7.2.1 精密与超精密加工技术38 塑性（延性）磨削 磨削脆性材料时，在一定工艺条件下，切屑形成与塑性材料相似，即通过剪切形式被磨粒从基体上切除下来。磨削后工件表面呈有规则纹理，无脆性断裂凹凸不平，也无裂纹。 塑性磨削工艺条件： （1）切削深度小于临界切削深度，它与工件材料特性和磨粒的几何形状有关。一般临界切削深度1m。 为此对机床要求：高的定位精度和运动精度。以免因磨粒切削深度超过1m时，导致转变为脆性磨削。高的刚性。因为塑性磨削切削力远超过脆性磨削的水平，机床刚性低，

21、会因切削力引起的变形而破坏塑性切屑形成的条件。 （2）磨粒与工件的接触点的温度高到一定程度时，工件材料的局部物理特性会发生变化，导致切屑形成机理的变化（已有试验作支持）。 7.2.1 精密与超精密加工技术39砂带：带基材料为聚碳酸脂薄膜，其上植有细微砂粒。砂带在一定工作压力下与工件接触并作相对运动，进行磨削或抛光。有开式（图7-25）和闭式两种形式，可磨削平面、内外圆表面、曲面等（图7-27）。接触轮硬磁盘装在主轴真空吸盘上图7-25 砂带磨削示意图V砂带砂带轮卷带轮F-径向进给f-径向振动 精密与超精密砂带磨削7.2.1 精密与超精密加工技术40图7-26 用于磨削管件的砂带磨床（带有行星系

22、统）7.2.1 精密与超精密加工技术41 激光由于其优良的特性（强度高，亮度大，单色性、相干性、方向性好等）在精密测量中得到广泛应用。 可以测量长度，小角度，直线度，平面度，垂直度等； 也可以测量位移，速度，振动，微观表面形貌等； 还可以实现动态测量，在线测量，并易于实现测量自动化。 激光测量精度目前可达0.01m。 激光测量7.2.1 精密与超精密加工技术42受射透镜平行光管透镜边缘传感闸门电路计数器显示图震荡器伺服系统扫描镜工件测定区光检测器激光发生器 采用平行光管透镜将激光准确地调整到多角形旋转扫描镜上聚焦。通过激光扫描被测工件两端，根据扫描镜旋转角、扫描镜旋转速度，透镜焦距等数据计算出

23、被测工件的尺寸。 图7-32 激光扫描尺寸计量系统 激光高速扫描尺寸计量系统（图7-32）7.2.1 精密与超精密加工技术43 双频激光测量（图7-33）固定反射棱镜图7-33 双频激光测量系统原理图干涉测量仪f2 +f2f1氦氖激光器轴向强磁场NS1/4波片分光镜透镜组f1 f2f1 f2移动反射棱镜f2f2 +f2偏振分光镜f1f1ff +f27.2.1 精密与超精密加工技术由于移动反射棱镜随被测件移动，频率f2变成 f2f2 。两路反射回来的光经偏振分光镜汇合一起，再经反射镜和干涉测量仪获得拍频信号，其频率为：f1（ f2 f2 ）= f + f2 经分光镜，折射一小部分，经干涉测量仪获

24、得拍频f（= f1 f2）的参考信号。大部分激光到偏振分光镜：垂直线偏振光f1被反射，再经固定反射棱镜反射回来；水平线偏振光 f2全部透射，再经移动反射棱镜反射回来。该信号与参考信号比较， 获得f2 的具有长度单位当量的电信号。由于使用频率差f 进行测量，使其不受环境变化影响，可获得高的测量精度和测量稳定性。氦氖激光器发出的激光，在轴向强磁场作用下，产生频率 f1和f2旋向相反的圆偏振光，经1/4波片形成频率f1的垂直线偏振光和频率f2的水平线偏振光。经透镜组成平行光束。44图7-34 双频激光测量系统7.2.1 精密与超精密加工技术45 微细加工 通常指1mm以下微细尺寸零件的加工，其加工误

25、差为0.1m 10m 。 超微细加工 通常指1m以下超微细尺寸零件的加工，其加工误差为0.01m 0.1m。 精度表示方法一般尺寸加工，其精度用误差尺寸与加工尺寸比值表示；微细加工，其精度用误差尺寸绝对值表示。“加工单位” 去除一块材料的大小，对于微细加工，加工单位可以到分子级或原子级。 微切削机理切削在晶粒内进行，切削力要超过晶体内分子、原子间的结合力，单位面积切削阻力急剧增大。概述7.2.2 微细与超微细加工技术46热流动加工（火焰，高频，热射线，激光）压铸，挤压，喷射，浇注微离子流动加工热表面流动粘滞性流动摩擦流动变形加工(流动加工)化学镀，气相镀（电镀，电铸）氧化，氮化（阳极氧化）（真

26、空）蒸镀，晶体增长，分子束外延烧结，掺杂，渗碳，（侵镀，熔化镀）溅射沉积，离子沉积（离子镀）离子溅射注入加工化学(电化学)附着化学(电化学)结合热附着扩散(熔化)结合物理结合注入结合加工(附着加工)车削，铣削，钻削，磨削蚀刻，化学抛光，机械化学抛光电解加工，电解抛光电子束加工，激光加工，热射线加工扩散去除加工，熔化去除加工离子束溅射去除加工，等离子体加工机械去除化学分解电解蒸发扩散与熔化溅射分离加工(去除加工)加工方法加工机理表7-6 微细与超微细加工机理与加工方法7.2.2 微细与超微细加工技术47主要采用铣、钻和车三种形式，可加工平面、内腔、孔和外圆表面。刀具：多用单晶金刚石车刀、铣刀（图

27、7-35）。铣刀的回转半径（可小到5m）靠刀尖相对于回转轴线的偏移来得到。当刀具回转时，刀具的切削刃形成一个圆锥形的切削面。微细机械加工图7-35 单晶金刚石铣刀刀头形状7.2.2 微细与超微细加工技术48微小位移机构 ，微量移动应可小至几十个纳米 。高灵敏的伺服进给系统。要求低摩擦的传动系统和导轨支承系统，以及高跟踪精度的伺服系统。 高的定位精度和重复定位精度，高平稳性的进给运动。低热变形结构设计。 刀具的稳固夹持和高的安装精度。 高的主轴转速及动平衡。 稳固的床身构件并隔绝外界的振动干扰。 具有刀具破损检测的监控系统。 微细机械加工设备 FANUC ROBO nano Ui 型微型超精密加

28、工机床（图7-36） 7.2.2 微细与超微细加工技术49 机床有X、Z、C、B四个轴，在B 轴回转工作台上增加A轴转台后，可实现5轴控制，数控系统的最小设定单位为1nm。可进行车、铣、磨和电火花加工。 旋转轴采用编码器半闭环控制，直线轴则采用激光全息式全闭环控制。 为了降低伺服系统的摩擦，导轨、丝杠螺母副以及伺服电机转子的推力轴承和径向轴承均采用气体静压结构。图7-36 FANUC 微型超精密加工机床7.2.2 微细与超微细加工技术50 载流导体： 逆压电材料（如压电陶瓷PZT）电场作用引起晶体内正负电荷重心位移（极化位移），导致晶体发生形变。 磁致伸缩材料（如某些强磁材料）磁场作用引起晶体

29、发生应变。 直接线性驱动（直线电机驱动）7.2.2 微细与超微细加工技术 工作原理：载流导体在电场（或磁场）作用下产生微小形变，并转化为微位移（图7-37） 。 特点： 结构简单，运行可靠，传动效率高。 进给量可调，进给速度范围宽，加速度大。 行程不受限制。 运动精度高。 技术复杂。51图7-38 直线电机驱动定位平台(YOKOGAWA公司） 7.2.2 微细与超微细加工技术52 直线驱动与伺服电机驱动比较（表7-7）表7-7 直线驱动与伺服电机驱动比较 性 能 伺服电机滚珠丝杠 直线驱动 定位精度(m/300mm) 510 0.51.0 重复定位精度(m) 25 0.10.2 最高速度(m/

30、min) 2050 60200 最大加速度(g) 12 210 寿命(h) 600010000 500007.2.2 微细与超微细加工技术53电极线沿着导丝器中的槽以510mm/min的低速滑动，可加工圆柱形的轴（图7-39）。如导丝器通过数字控制作相应的运动，还可加工出各种形状的杆件（图7-40 ）。 线放电磨削法（WEDG） 图7-40 WEDG 可加工的各种截形杆微细电加工 图7-39 WEDG工作原理工件金属丝导丝器7.2.2 微细与超微细加工技术54离子束4. 刻蚀（形成沟槽）5. 沉积（形成电路）6. 剥膜（去除光致抗蚀剂）3. 显影、烘片（形成窗口）窗口2. 曝光（投影或扫描）掩

31、膜电子束图7-41 电子束光刻大规模集成电路加工过程 光刻加工（电子束光刻大规模集成电路）1. 涂胶（光致抗蚀剂）氧化膜光致抗蚀剂基片7.2.2 微细与超微细加工技术55要求：定位精度 0.1m，重复定位精度 0.01m导轨：硬质合金滚动体导轨，或液（气）静压导轨工作台：粗动 伺服电机 + 滚珠丝杠 微动 压电晶体电致伸缩机构图7-42 电致伸缩微动工作台XY0Py1Py2Px微动工作台工作台微动的形成：X运动： Py1 Py2 Px长度变化Y运动： Py1 Py2 Py1长度变化Z转动： Py1 Py2 加工设备（电子束光刻大规模集成电路）7.2.2 微细与超微细加工技术56利用氩（Ar）离

32、子或其它带有 10keV 数量级动能的惰性气体离子，在电场中加速，以极高速度“轰击”工件表面，进行“溅射”加工。离子束加工图7-43 离子碰撞过程模型被排斥Ar离子回弹溅射原子位移原子格点间停留离子一次溅射原子Ar离子二次溅射原子Ar离子格点置换离子位移原子工件表面工件真空7.2.2 微细与超微细加工技术57将被加速的离子聚焦成细束，射到被加工表面上。被加工表面受“轰击”后，打出原子或分子，实现分子级去除加工。 离子束溅射去除加工 四种工作方式7.2.2 微细与超微细加工技术惰性气体入口阴极中间电极电磁线圈阳极控制电极绝缘子引出电极离子束聚焦装置摆动装置工件三坐标工作台图7-44 离子束去除加

33、工装置加工装置见图2-26。三坐标工作台可实现三坐标直线运动，摆动装置可实现绕水平轴的摆动和绕垂直轴的转动。58离子束溅射去除加工可用于非球面透镜成形（需要5坐标运动），金刚石刀具和冲头的刃磨（图7-45），大规模集成电路芯片刻蚀等。图7-45 离子束加工金刚石制品离子束离子束r = 0.01m预加工终加工a) 金刚石压头r = 0.01m离子束离子束预加工终加工b) 金刚石刀具离子束溅射去除加工可加工金属和非金属材料。7.2.2 微细与超微细加工技术59 离子束溅射镀膜加工用加速的离子从靶材上打出原子或分子，并将这些原子或分子附着到工件上，形成“镀膜”。又被称为“干式镀”（图7-46）离子束

34、源靶溅射材料溅射粒子工件真空图7-46 离子束溅射镀膜加工离子镀氮化钛，即美观，又耐磨。应用在刀具上可提高寿命1-2倍。溅射镀膜可镀金属，也可镀非金属。由于溅射出来的原子和分子有相当大的动能，故镀膜附着力极强（与蒸镀、电镀相比）。7.2.2 微细与超微细加工技术60用高能离子（数十万KeV）轰击工件表面，离子打入工件表层，其电荷被中和，并留在工件中（置换原子或填隙原子），从而改变工件材料和性质。可用于半导体掺杂（在单晶硅内注入磷或硼等杂质，用于晶体管、集成电路、太阳能电池制作），金属材料改性（提高刀具刃口硬度）等方面。 离子束溅射注入加工 离子束曝光用在大规模集成电路制作中，与电子束相比有更高

35、的灵敏度和分辨率。7.2.2 微细与超微细加工技术61 通常指纳米级（0.1nm100nm）的材料、设计、制造、测量和控制技术。纳米技术涉及机械、电子、材料、物理、化学、生物、医学等多个领域。 在达到纳米层次后，决非几何上的“相似缩小”，而出现一系列新现象和规律。量子效应、波动特性、微观涨落等不可忽略，甚至成为主导因素。 纳米技术研究的主要内容纳米级精度和表面形貌测量及表面层物理、化学性能检测；纳米级加工；纳米材料；纳米级传感与控制技术；微型与超微型机械。7.2.3 纳米技术62 扫描隧道显微测量（STM） 扫描隧道显微镜1981年由在IBM瑞士苏黎世实验室工作的G.Binning 和 H.R

36、ohrer 发明，可用于观察物体 级的表面形貌。被列为20世纪80年度世界十大科技成果之一，1986年因此获诺贝尔物理学奖。 STM工作原理基于量子力学的隧道效应。当两电极之间距离缩小到1nm时，由于粒子波动性，电流会在外加电场作用下，穿过绝缘势垒，从一个电极流向另一个电极。当一个电极为非常尖锐的探针时，由于尖端放电使隧道电流加大。7.2.3 纳米技术G.Binning H.Rohrer63STM图7- 48 STM工作过程演示图7- 47 STM实物照片 7.2.3 纳米技术64通过扫描隧道显微镜操纵氙原子用35个原子排出的“IBM”字样 石墨三维图像 7.2.3 纳米技术图7- 49 用S

37、TM移动分子组成的IBM字样图7- 50 用STM观察石墨原子排列65 两种测量模式（2）恒电流测量模式（图7-52b）：探针在试件表面扫描，使用反馈电路驱动探针，使探针与试件表面之间距离（隧道间隙）不变。此时探针移动直接描绘了试件表面形貌。此种测量模式隧道电流对隧道间隙的敏感性转移到反馈电路驱动电压与位移之间的关系上，避免了非线性，提高了测量精度和测量范围。b）试件输出运动轨迹驱动电路扫描器检测电路控制器图7-52 STM工作原理扫描器检测电路a）输出试件运动轨迹（1）等高测量模式（图7-52a）：探针以不变高度在试件表面扫描，隧道电流随试件表面起伏而变化，从而得到试件表面形貌信息。7.2.

38、3 纳米技术66 关键技术：（1）STM探针金属丝经化学腐蚀，在腐蚀断裂瞬间切断电流，获得尖峰，曲率半径为10nm左右。图7-53 STM针尖7.2.3 纳米技术67（2）隧道电流反馈控制（图7-54）7.2.3 纳米技术计算机差分比较积分放大比例放大高压放大A/DXYZ控制信号设定电压前置放大对数放大（线性化）探针压电陶瓷试件图7-54 隧道电流反馈控制系统原理框图D/A68 原子力显微镜（AFM） 当两原子间距离缩小到 级时，原子间作用力显示出来，造成两原子势垒高度降低，两者之间产生吸引力。而当两原子间距离继续缩小至原子直径时，由于原子间电子云的不相容性，两者之间又产生排斥力。 AFM两种

39、测量模式： 接触式探针针尖与试件表面距离0.5nm，利用原子间的排斥力。由于分辨率高，目前采用较多。其工作原理是：保持探针与被测表面间的原子排斥力一定，探针扫描时的垂直位移即反映被测表面形貌。 非接触式探针针尖与试件表面距离为0.51nm，利用原子间的吸引力。 为解决非导体微观表面形貌测量，借鉴扫描隧道显微镜原理，C.Binning 于1986年发明原子力显微镜。7.2.3 纳米技术69AFM探针被微力弹簧片压向试件表面，原子排斥力将探针微微抬起。达到力平衡。 AFM探针扫描时，因微力簧片压力基本不变，探针随被测表面起伏。 AFM结构（图7-56）STM驱动AFM扫描驱动AFM探针STM探针试

40、件微力簧片图7-56 AFM结构简图在簧片上方安装STM探针， STM探针与簧片间产生隧道电流，若控制电流不变，则STM探针与AFM探针（微力簧片）同步位移，于是可测出试件表面微观形貌。7.2.3 纳米技术70图7-57 AFM实物照片扫描探针磁盘图像7.2.3 纳米技术71LIGA（Lithographic Galuanoformung Abformung ） 1）以同步加速器放射的短波长（1nm）X射线作为曝光光源，在厚度达0.5mm的光致抗蚀剂上生成曝光图形的三维实体； 2）用曝光蚀刻图形实体作电铸模具，生成铸型； 3）以生成的铸型作为模具，加工出所需微型零件。X射线曝光腐蚀溶解抗蚀剂电

41、铸铸型注射成形零件图7-58 LIGA制作零件过程 LIGA由深层同步X射线光刻、电铸成形、塑注成形组合而成。包括三个主要工序（图7-58）：7.2.3 纳米技术72图7-59 LIGA工作现场7.2.3 纳米技术73 50 m 图7-60 X射线刻蚀的三维实体 LIGA特点用材广泛，可以是金属及其合金、陶瓷、聚合物、玻璃等可以制作高度达0.10.5mm，高宽比大于200的三维微结构（图7-60），形状精度达亚微米 LIGA代表产品及应用微传感器、微电机、微机械零件、微光学元件、微波元件、真空电子元件、微型医疗器械等广泛应用于加工、测量、自动化、电子、生物、医学、化工等领域7.2.3 纳米技术

42、可以实现大批量复制，成本较低74机械制造技术基础 第7章 制造技术的发展Development of Manufacturing Technology7.3 特种加工技术Nontraditional machining Technology75 非传统加工又称特种加工，通常被理解为别于传统切削与磨削加工方法的总称。 非传统加工方法 产生于二次大战后。两方面问题传统机械加工方法难于解决： 1）难加工材料的加工问题。宇航工业等对材料高强度、高硬度、高韧性、耐高温、耐高压、耐低温等的要求，使新材料不断涌现。 2）复杂形面、薄壁、小孔、窄缝等特殊工件加工问题。 为解决上面两方面问题，出现了非传统加工方

43、法。 非传统加工方法将电、磁、声、光等物理量及化学能量或其组合直接施加在工件被加工的部位上，从而使材料被去除、累加、变形或改变性能等。 7.3.1 特种加工技术概述76 非传统加工方法主要不是依靠机械能，而是用其它能量（如电能、光能、声能、热能、化学能等）去除材料。 非传统加工方法由于工具不受显著切削力的作用，对工具和工件的强度、硬度和刚度均没有严格要求。 一般不会产生加工硬化现象。且工件加工部位变形小，发热少，或发热仅局限于工件表层加工部位很小区域内，工件热变形小，加工应力也小，易于获得好的加工质量。 加工中能量易于转换和控制，有利于保证加工精度和提高加工效率。 非传统加工方法的材料去除速度

44、，一般低于常规加工方法，这也是目前常规加工方法仍占主导地位的主要原因。 非传统加工方法特点7.3.1 特种加工技术概述77 机械过程 利用机械力，使材料产生剪切、断裂，以去除材料。如超声波加工、水喷射加工、磨料流加工等。 非传统加工方法分类（按加工机理和采用的能源划分） 热学过程 通过电、光、化学能等产生瞬时高温，熔化并去除材料，如电火花加工、高能束加工、热力去毛刺等。 电化学过程 利用电能转换为化学能对材料进行加工，如电解加工、电铸加工（金属离子沉积）等。 化学过程 利用化学溶剂对材料的腐蚀、溶解，去除材料，如化学蚀刻、化学铣削等。7.3.1 特种加工技术概述78 复合过程 利用机械、热、化

45、学、电化学的复合作用，去除材料。常见的复合形式有： 机械化学复合如机械化学抛光、电解磨削、电镀珩磨等。 机械热能复合如加热切削、低温切削等。 热能化学能复合如电解电火花加工等。 其它复合过程如超声切削、超声电解磨削、磁力抛光（图7-61）等。工件（陶瓷滚柱）磁性材料磁极振动运动图7-61 磁力抛光示意图NS7.3.1 特种加工技术概述79 拓宽现有非传统加工方法的应用领域。 探索新的加工方法，研究和开发新的元器件。 优化工艺参数，完善现有的加工工艺。 向微型化、精密化发展。 采用数控、自适应控制、CAD/CAM、专家系统等技术，提高加工过程自动化、柔性化程度。 发展趋势图7-62 EI 收录文

46、章数比较70年代80年代90年代20841104232142244424214441321252353316激光加工 电火花加工 超声加工 电化学加工 图7-62反映了学术界和工程界对几种非传统加工方法的关注程度。7.3.1 特种加工技术概述80 工作原理：利用工具电极与工件电极之间脉冲性火花放电，产生瞬时高温，工件材料被熔化和气化。同时，该处绝缘液体也被局部加热，急速气化，体积发生膨胀，随之产生很高的压力。在这种高压作用下，已经熔化、气化的材料就从工件的表面迅速被除去（图7-63）。 4个阶段： 1）介质电离、击穿，形成放电通道； 2）火花放电产生熔化、气化、热膨胀； 3）抛出蚀除物； 4）

47、间隙介质消电离（恢复绝缘状态）。 电火花加工7.3.2 几种代表性特种加工方法图7-63 电火花加工原理图进给系统放电间隙工具电极工件电极直流脉冲电源工作液Real81图7-64 电火花加工机床7.3.2 几种代表性特种加工方法82 电极材料要求导电，损耗小，易加工；常用材料：紫铜、石墨、铸铁、钢、黄铜等，其中石墨最常用。 工作液主要功能压缩放电通道区域，提高放电能量密度，加速蚀物排出；常用工作液有煤油、机油、去离子水、乳化液等。 放电间隙合理的间隙是保证火花放电的必要条件。为保持适当的放电间隙，在加工过程中，需采用自动调节器控制机床进给系统，并带动工具电极缓慢向工件进给。 工作要素 脉冲宽度

48、与间隔影响加工速度、表面粗糙度、电极消耗和表面组织等。脉冲频率高、持续时间短，则每个脉冲去除金属量少，表面粗糙度值小，但加工速度低。 通常放电持续时间在2s至2ms范围内，各个脉冲的能量2mJ到20J（电流为400A时）之间。7.3.2 几种代表性特种加工方法83电火花线切割加工：用连续移动的钼丝（或铜丝）作工具阴极，工件为阳极。机床工作台带动工件在水平面内作两个方向移动，可切割出二维图形（图7-65）。同时，丝架可作小角度摆动，可切割出斜面。 电火花加工类型7.3.2 几种代表性特种加工方法图7-65 电火花线切割原理图XY储丝筒导轮电极丝工件Real电火花成形加工：主要指孔加工，型腔加工等

49、RealReal84电火花线切割机床图7-66 电火花线切割加工加工过程显示7.3.2 几种代表性特种加工方法85 不受加工材料硬度限制，可加工任何硬、脆、韧、软的导电材料。 加工时无显著切削力，发热小，适于加工小孔、薄壁、窄槽、形面、型腔及曲线孔等，且加工质量较好。 脉冲参数调整方便，可一次装夹完成粗、精加工。 易于实现数控加工。 电火花加工特点 电火花加工应用 电火花成形加工：电火花打孔常用于加工冷冲模、拉丝模、喷嘴、喷丝孔等。型腔加工包括锻模、压铸模、挤压模、塑料模等型腔加工，以及叶轮、叶片等曲面加工。 电火花线切割：广泛用于加工各种硬质合金和淬硬钢的冲模、样板、各种形状复杂的板类零件、

50、窄缝、栅网等。 7.3.2 几种代表性特种加工方法86工作原理：工件接阳极，工具（铜或不锈钢）接阴极，两极间加直流电压624V，极间保持0.11mm间隙。在间隙处通以 660m/S高速流动电解液，形成极间导电通路，工件表面材料不断溶解，溶解物及时被电解液冲走。工具阴极不断进给，保持极间间隙。 图7-67 电解加工原理图电解液直流电源泵工件阳极阴极进给工具阴极电解加工7.3.2 几种代表性特种加工方法87 不受材料硬度的限制，能加工任何高硬度、高韧性的导电材料，并能以简单的进给运动一次加工出形状复杂的形面和型腔。 加工形面、型腔生产率高（与电火花加工比高510倍）。采用振动进给和脉冲电流等新技术

51、，可进一步提高生产效率和加工精度。 阴极在加工中损耗小。 加工表面质量好，无毛刺、残余应力和变形层。 设备投资大，有污染，需防护。 模具型腔、枪炮膛线、发电机叶片、花键孔、内齿轮、小而深的孔加工，电解抛光、倒棱、去毛刺等。 电解加工特点 电解加工应用7.3.2 几种代表性特种加工方法88 工件与磨轮保持一定接触压力，突出的磨料使磨轮导电基体与工件之间形成一定间隙。电解液从中流过时，工件产生阳极溶解，表面生成一层氧化膜，其硬度远比金属本身低，易被刮除，露出新金属表面，继续进行电解。电解作用与磨削作用交替进行，实现加工。 电解磨削效率比机械磨削高，且磨轮损耗远比机械磨削小，特别是磨削硬质合金时，效

52、果更明显。 7.3.2 几种代表性特种加工方法导电磨轮电解液电刷工作台工件绝缘板导电基体磨料阳极膜 电解磨削（图7-68）89真空条件下，利用电流加热阴极发射电子束，经控制栅极初步聚焦后，由加速阳极加速，通过透镜聚焦系统进一步聚焦，使能量密度集中在直径510m斑点内。高速而能量密集的电子束冲击到工件上，被冲击点处形成瞬时高温（几分之一微秒时间内升高至几千摄氏度），工件表面局部熔化、气化直至被蒸发去除。 图7-69 电子束加工原理图控制栅极加速阳极电子束斑点旁热阴极聚焦系统工件工作台电子束加工工作原理（图7-69）7.3.2 几种代表性特种加工方法90 电子束束径小（最小直径可达0.010.05

53、mm），而电子束长度可达束径几十倍，故可加工微细深孔、窄缝。 材料适应性广（原则上各种材料均能加工），特别适用于加工特硬、难熔金属和非金属材料。 非接触加工，无工具损耗；无切削力，加工时间极短，工件无变形。 加工速度高，切割1mm厚钢板，速度可达240mm/min。 在真空中加工，无氧化，特别适于加工高纯度半导体材料和易氧化的金属及合金。 加工设备较复杂，投资较大。多用于微细加工。 特点及应用7.3.2 几种代表性特种加工方法91 激光是一种受激辐射而得到的加强光。其基本特征： 强度高，亮度大 波长频率确定，单色性好 相干性好，相干长度长 方向性好，几乎是一束平行光 工作原理（图7-70）激光

54、加工7.3.2 几种代表性特种加工方法当激光束照射到工件表面时，光能被吸收，转化成热能，使照射斑点处温度迅速升高、熔化、气化而形成小坑，由于热扩散，使斑点周围金属熔化，小坑内金属蒸气迅速膨胀，产生微型爆炸，将熔融物高速喷出并产生一个方向性很强的反冲击波，于是在被加工表面上打出一个上大下小的孔。激光器工件工作台图7-70 激光加工原理图光阑反射镜聚焦镜电源Real92 固体激光器 YAG（结晶母材由钇、铝和石榴石构成）激光器 红宝石激光器混合气体：氦约80%，氮约15%， CO2 约5%通过高压直流放电进行激励波长10.6m，为不可见光能量效率5% 15%反射凹镜反射平镜电极放电管CO2气体冷却

55、水进口冷却水出口激光高压直流电源图7-71 CO2激光器示意图 气体激光器CO2激光器（图7-71）7.3.2 几种代表性特种加工方法 激光器93 加工材料范围广，适用于加工各种金属材料和非金属材料，特别适用于加工高熔点材料，耐热合金及陶瓷、宝石、金刚石等硬脆材料。 加工性能好，工件可离开加工机进行加工，可透过透明材料加工，可在其他加工方法不易达到的狭小空间进行加工。 非接触加工方式，热变形小，加工精度较高。 可进行微细加工。激光聚焦后焦点直径理论上可小至1以下，实际上可实现0.01mm的小孔加工和窄缝切割。 加工速度快，效率高。 激光加工不仅可以进行打孔和切割，也可进行焊接、热处理等工作。

56、激光加工可控性好，易于实现自动控制。加工设备昂贵。 激光加工特点7.3.2 几种代表性特种加工方法94 激光打孔 广泛应用于金刚石拉丝模、钟表宝石轴承、陶瓷、玻璃等非金属材料，和硬质合金、不锈钢等金属材料的小孔加工。 激光打孔具有高效率、低成本的特点，特别适合微小群孔加工。 焦点位置对孔的质量影响：若焦点与加工表面之间距离很大，则激光能量密度显著减小，不能进行加工。如果焦点位置偏离加工表面1mm，可以进行加工，此时加工出孔的断面形状随焦点位置不同而发生变化（图7-72）。 激光加工应用7.3.2 几种代表性特种加工方法图7-72 焦点位置对孔形状影响Real95 激光热处理 原理：照射到金属表

57、面上的激光使表面原子迅速蒸发，由此产生微冲击波会导致大量晶格缺陷形成，达到硬化。 优点：快速、不需淬火介质、硬化均匀、变形小、硬化深度可精确控制。 7.3.2 几种代表性特种加工方法 激光焊接 与打孔相比，激光焊接所需能量密度较低，因不需将材料气化蚀除，而只要将工件的加工区烧熔使其粘合在一起。 优点：没有焊渣，不需去除工件氧化膜，可实现不同材料之间的焊接，特别适宜微型机械和精密焊接。Real 激光切割 激光切割具有切缝窄、速度快、热影响区小、省材料、成本低等优点，并可以在任何方向上切割，包括内尖角。 可以切割钢板、不锈钢、钛、钽、镍等金属材料，以及布匹、木材、纸张、塑料等非金属材料。Real9

58、6图7-74 激光焊接车身图7-73 激光切割7.3.2 几种代表性特种加工方法97 利用工具端面作超声（1625kHz）振动，使工作液中的悬浮磨粒对工件表面撞击抛磨来实现加工。 超声波发生器将工频交流电能转变为有一定功率输出的超声频电振荡，通过换能器将超声频电振荡转变为超声机械振动，此时振幅一般很小，再通过振幅扩大棒（变幅杆）使固定在变幅杆端部的工具振幅增大到0.010.15mm。 工作原理（图7-75）7.3.2 几种代表性特种加工方法 变幅杆超声波发生器图7-75 超声波加工原理图振动方向工具换能器工作液喷嘴工件Real超声波加工98图7-76 超声波加工机床图7-77 超声波加工样件7

59、.3.2 几种代表性特种加工方法99 适用于加工各种脆性金属材料和非金属材料，如玻璃、陶瓷、半导体、宝石、金刚石等 。 可加工各种复杂形状的型孔、型腔、形面。 工具与工件不需作复杂的相对运动，机床结构简单。 被加工表面无残余应力，无破坏层，加工精度较高，尺寸精度可达0.010.05mm 。 加工过程受力小，热影响小，可加工薄壁、薄片等易变形零件。 生产效率较低。采用超声复合加工（如超声车削，超声磨削，超声电解加工，超声线切割等）可提高加工效率。 超声波加工特点及应用7.3.2 几种代表性特种加工方法100 工作原理： 加工装置（图7-78） 喷嘴材料及工作条件（表7-11） 项目 材料 孔径/

60、mm 至工件距离/mm 喷射角度/ 参数金刚石，蓝宝石，淬火钢0.0750.42.550030表7-11 喷嘴材料及工作条件图7-78 水喷射加工装置示意图喷嘴阀控制器蓄能器供水器过滤器泵增压器液压装置排水器工件射流d7.3.2 几种代表性特种加工方法水喷射加工利用超高压水（或水与磨料的混合液）对工件进行切割（或打孔），又称高压水切割，或“水刀”。101 工艺参数（表7-12，表7-13） 表7-12 水喷射加工常用工艺参数 工艺参数 常用值 工艺参数 常用值 压力/MPa 70450 喷射力/N 45135 流速/m/s 300900 功率/kW 1040 流量/L/s 2.5 7.5 磨料