第3章 现代制造工艺

第3章先进制造工艺本章要点超精密加工技术特种加工技术的特点几种快速原型制造技术

高速加工关键技术绿色加工技术及其应用1第3章

先进制造工艺AdvancedManufacturingProcess河南省精品课程“先进制造技术”3.1概述Introduction23.1.1概述◆定义先进制造工艺技术是指研究与物料处理过程和物料直接相关的各项技术，要求实现优质、高效、低耗、清洁和灵活。◆特点先进制造工艺技术的定义与内容优质高效低耗清洁灵活33.1.1概述◆先进制造工艺技术的内容

精密、超精密加工技术。它是指对工件表面材料进行去除，使工件的尺寸、表面性能达到产品要求所采取的技术措旌。当前，纳米(nm)加工技术代表了制造技术的最高精度水平。超精加工材料由金属扩大到非金属。根据加工的尺寸精度和表面粗糙度，可大致分为三个不同的档次，如表3-1所示。表3-1精密加工的尺寸精度和表面粗糙度尺寸精度/μm表面粗糙度/μm精密加工3～0.30.3～0.03超精密加工（亚微米加工）0.3～0.030.3～0.005纳米加工＜0.03＜0.00543.1.1概述精密成形制造技术。它是指工件成形后只需少量加工或无须加工就可用作零件的成形技术。它是多种高新技术与传统的毛坯成形技术融为一体的综合技术。它正在从近净成形工艺(NearNetShapeProcess)向净成形工艺(NetShapeProcess)的方向发展。特种加工技术。它是指那些不属于常规加工范畴的加工。例如，高能束流(电子束、离子束、激光束)加工、电加工(电解和电火花加工)、超声波加工、高压水射流加工以及多种能源的组合加工。表面工程技术。它是指采用物理、化学、金属学、高分子化学、电学、光学和机械学等技术及其组合，提高产品表面耐磨、耐蚀、耐热、耐辐射、抗疲劳等性能的各项技术。它主要包括热处理、表面改性、制膜和涂层等技术。

5第3章

先进制造工艺AdvancedManufacturingProcess河南省精品课程“先进制造技术”3.2超精密加工技术Super-precisionMachiningTechnology63.2.1概述◆超精密加工技术是指被加工零件的尺寸精度高于0.1μm，表面粗糙度Ra在0.1~0.025μm之间，以及所用机床定位精度的分辨率和重复性高于0.01μm的加工技术，亦称之为亚微米级加工技术，且正在向纳米级加工技术发展。目前，超精密加工从单一的金刚石车削，到现代的超精密磨削、研磨、抛光等多种方法的综合运用，已成为现代制造技术中的一个重要组成部分。超精密加工技术主要包括:超精密加工的机理，超精密加工的设备制造技术，超精密加工工具及刃磨技术，超精密测量技术和误差补偿技术，超精密加工工作环境等。超精密加工技术的概念

超精密加工的发展7图3-1精密加工与超精密加工的发展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（μm）10010110210-210-110-3190019201940196019802000年份3.2.1概述8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3-2精密与超精密加工分类3.2.1概述9

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3.2.1概述10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、在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，并常常成为精密与超精密加工的关键。3.2.1概述11切削在晶粒内进行切削力＞原子结合力（剪切应力达13000N/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3.2.2金刚石超精密加工技术12★

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。◆

关键技术图7-18Moore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＜0.1μm；液体静压导轨，直线度达0.05μ/100mm；数控系统分辨率0.01μ。3.2.2金刚石超精密加工技术13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7-19T形布局的金刚石车床

T形布局（图7-19）3.2.2金刚石超精密加工技术14

金刚石车床主要性能指标（表7-5）数控系统分辩率/μm400×2005000～1000050000.1～0.01≤0.2/100≤0.1≤0.1≤1/150≤2/100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(±2σ)/μm主轴径向圆跳动/μm滑台运动的直线度/μm主轴前静压轴承（φ100mm）的刚度/（N/μm）主轴后静压轴承（φ80mm）的刚度/（N/μm）纵横滑台的静压支承刚度/（N/μm）表7-5金刚石车床主要性能指标主轴轴向圆跳动/μm横滑台对主轴的垂直度/μm3.2.2金刚石超精密加工技术15◆

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3.2.2金刚石超精密加工技术16金刚石晶体的面网距和解理现象◎金刚石晶体的（111）晶面面网密度最大，耐磨性最好。◎（100）与（110）面网的面间距分布均匀；（111）面网的面间距一宽一窄（图7-21）图7-21（111）面网C原子分布和解理劈开面劈开面◎在距离大的（111）面之间，只需击破一个共价键就可以劈开，而在距离小的（111）面之间，则需击破三个共价键才能劈开。◎在两个相邻的加强（111）面之间劈开，可得到很平的劈开面，称之为“解理”。3.2.2金刚石超精密加工技术17金刚石刀具刃磨—通常在铸铁研磨盘上进行研磨

—晶向选择应使晶向与主切削刃平行

—圆角半径越小越好（理论可达到1nm）单晶金刚石456.46.412AA66A-A35RR=1.6～4.86.46.45B16B-B110～120RR=0.5～1.2B000000000图7-22金刚石刀具角度金刚石刀具角度（图7-22）3.2.2金刚石超精密加工技术18金刚石车床加工4.5mm陶瓷球图3-2金刚石车床及其加工照片3.2.2金刚石超精密加工技术19◆

砂轮材料：金刚石，立方氮化硼（CBN）可加工各种高硬度、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—①用碳化硅砂轮（或金刚石笔）修整，获得所需形状；②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：3.2.3超硬磨料砂轮超精密磨削20进给＋－图3-3ELID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（ElectrolyticIn-ProcessDressing）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。3.2.3超硬磨料砂轮超精密磨削21◆

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＜1μm。为此对机床要求：①高的定位精度和运动精度。以免因磨粒切削深度超过1μm时，导致转变为脆性磨削。②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，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）。

3.2.3超硬磨料砂轮超精密磨削22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3-4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3.2.3超硬磨料砂轮超精密磨削23图7-26用于磨削管件的砂带磨床（带有行星系统）3.2.3超硬磨料砂轮超精密磨削24

几种常见砂带磨削方式（图7-27）图7-27几种砂带磨削形式a）砂带无心外圆磨削（导轮式）工件导轮接触轮主动轮砂带工件接触轮主动轮砂带b）砂带定心外圆磨削（接触轮式）c）砂带定心外圆磨削（接触轮式）工件接触轮主动轮砂带接触轮砂带工件d）砂带内圆磨削（回转式）工件支承板主动轮砂带工作台e）砂带平面磨削（支承板式）f）砂带平面磨削（支承轮式）支承轮工件砂带接触轮3.2.3超硬磨料砂轮超精密磨削25

砂带磨削特点1）砂带与工件柔性接触，磨粒载荷小，且均匀，工件受力、热作用小，加工质量好（Ra值可达0.02μm）。3）强力砂带磨削，磨削比（切除工件重量与砂轮磨耗重量之比）高，有“高效磨削”之称。4）制作简单，价格低廉，使用方便。5）可用于内外表面及成形表面加工。磨粒规格涂层粘接剂基带图7-28静电植砂砂带结构2）静电植砂，磨粒有方向性，尖端向上（图7-28），摩擦生热小，磨屑不易堵塞砂轮，磨削性能好。3.2.3超硬磨料砂轮超精密磨削26工件小间隙加压抛光轮悬浮液微粉(磨粒)图7-29弹性发射加工原理抛光轮与工件表面形成小间隙，中间置抛光液，靠抛光轮高速回转造成磨料的“弹性发射”进行加工。工作原理（图7-29）机理：微切削＋被加工材料的微塑性流动作用★弹性发射加工◆

游离磨料加工抛光轮：由聚氨基甲酸（乙）酯制成，磨料直径0.1～0.01μm3.2.3超硬磨料砂轮超精密磨削27工作原理（图7-30）抛光工具上开有锯齿槽，靠楔形挤压和抛光液的反弹，增加微切削作用。机理：微切削作用。抛光工具图7-30液体动力抛光小间隙工件工具运动方向抛光液磨粒工作原理（图7-31）活性抛光液和磨粒与工件表面产生固相反应，形成软粒子，使其便于加工。机理：机械+化学作用，称为“增压活化”。★液体动力抛光★机械化学抛光抛光工具活性抛光液图7-31机械化学抛光小间隙工件工具运动方向加压3.2.3超硬磨料砂轮超精密磨削28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0.01μm。激光测量3.2.4激光测量29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）3.2.4激光测量30

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+Δf2f1氦氖激光器轴向强磁场NS1/4波片分光镜透镜组f1f2f1f2移动反射棱镜f2f2+Δf2偏振分光镜f1f1ΔfΔf

+Δf2由于移动反射棱镜随被测件移动，频率f2变成f2±Δf2。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±

Δf2）=Δf+Δf2

经分光镜，折射一小部分，经干涉测量仪获得拍频Δf（=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±Δf2的具有长度单位当量的电信号。由于使用频率差Δf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。3.2.4激光测量31图7-34双频激光测量系统3.2.4激光测量32◆恒温——要求：±1℃～±0.01℃

实现方法：大、小恒温间+局部恒温（恒温罩，恒温油喷淋）◆恒湿——要求：相对湿度35%～45%，波动±10%～±1%实现方法：采用空气调节系统

◆净化——要求：10000～100级（100级系指每立方英尺空气中所含大于0.5μm尘埃个数不超过100）

实现方法：采用空气过滤器，送入洁净空气◆隔振——要求：消除内部、隔绝外部振动干扰

实现方法：隔振地基，隔振垫层，空气弹簧隔振器精密与超精密加工环境3.2.5超精密加工环境33第3章

先进制造工艺AdvancedManufacturingProcess河南省精品课程“先进制造技术”3.3微细与纳米加工技术Micro/Nanometric

MachiningTechnology34微细加工——通常指1mm以下微细尺寸零件的加工，其加工误差为0.1μm～10μm。超微细加工——通常指1μm以下超微细尺寸零件的加工，其加工误差为0.01μm～0.1μm。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3.3.1微细与超微细加工技术35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3-3微细与超微细加工机理与加工方法3.3.1微细与超微细加工技术36◆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3-35）。铣刀的回转半径（可小到5μm）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3-35单晶金刚石铣刀刀头形状3.3.1微细与超微细加工技术37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◆

FANUCROBOnanoUi型微型超精密加工机床（图3-36）

3.3.1微细与超微细加工技术38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3-36FANUC微型超精密加工机床3.3.1微细与超微细加工技术39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）——磁场作用引起晶体发生应变。◆

直接线性驱动（直线电机驱动）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3-37）。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。3.3.1微细与超微细加工技术40图3-37电磁驱动装置（直线电机）工作原理逆压电元件电磁铁1电磁铁2逆压电元件电磁铁1电磁铁2电磁铁2去掉励磁，松开逆压电元件电磁铁1电磁铁2逆压电元件加励磁电压，伸长Δ逆压电元件电磁铁1电磁铁2电磁铁2加励磁，夹紧电磁铁1去掉励磁，松开逆压电元件电磁铁1电磁铁2逆压电元件去掉励磁电压，恢复原长，电磁铁1移动Δ逆压电元件电磁铁1电磁铁2电磁铁加励磁，夹紧ΔΔ3.3.1微细与超微细加工技术41图3-38直线电机驱动定位平台(YOKOGAWA公司）

3.3.1微细与超微细加工技术42直线驱动与伺服电机驱动比较（表3-7）表3-7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(μm/300mm)5～100.5～1.0

重复定位精度(μm)±2～±5±0.1～±0.2

最高速度(m/min)20～5060～200

最大加速度(g)1～22～10

寿命(h)6000～10000500003.3.1微细与超微细加工技术43电极线沿着导丝器中的槽以5～10mm/min的低速滑动，可加工圆柱形的轴（图3-39）。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3-40）。◆

线放电磨削法（WEDG）

图3-40WEDG可加工的各种截形杆微细电加工

图3-39WEDG工作原理Ⅰ－ⅠⅠⅠ工件金属丝导丝器3.3.1微细与超微细加工技术44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）掩膜电子束图3-41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3.3.1微细与超微细加工技术45要求：定位精度0.1μm，重复定位精度0.01μm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3-42

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）3.3.1微细与超微细加工技术46利用氩（Ar）离子或其它带有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3-43

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3.3.1微细与超微细加工技术47◎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3-44

离子束去除加工装置◎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。3.3.1微细与超微细加工技术48◎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3-45），大规模集成电路芯片刻蚀等。图3-45离子束加工金刚石制品离子束离子束r=0.01μm预加工终加工a)金刚石压头r=0.01μm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。3.3.1微细与超微细加工技术49

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）离子束源靶溅射材料溅射粒子工件真空图3-46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）。3.3.1微细与超微细加工技术50◎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的灵敏度和分辨率。3.3.1微细与超微细加工技术51◆

通常指纳米级（0.1nm～100nm）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。3.3.2纳米技术52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.Rohrer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。G.BinningH.Rohrer3.3.2纳米技术53STM图3-48STM工作过程演示图3-47STM实物照片

3.3.2纳米技术54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

图3-49用STM移动分子组成的IBM字样图3-50用STM观察石墨原子排列3.3.2纳米技术55当探针与试件表面距离达1nm时，形成隧道结（图3-51）。当偏压Ub小于势垒高度φ时，隧道电流密度为：式中h——普郎克常数；

e——电子电量；

ka，k0

——系数。由上式可见，探针与试件表面距离d对隧道电流密度非常敏感，这正是STM的基础。φ1φ2d试件STM探针Ub图3-51STM隧道结3.3.2纳米技术56

两种测量模式（2）恒电流测量模式（图3-52b）：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3-52STM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3-52a）：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。3.3.2纳米技术57

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3-53STM针尖3.3.2纳米技术58（2）隧道电流反馈控制（图3-54）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3-54隧道电流反馈控制系统原理框图D/A3.3.2纳米技术59（3）纳米级扫描运动——压电陶瓷扫描管（图3-55）（4）信号采集与数据处理——由软件完成。ΔXΔZ陶瓷管金属膜+UX-UX-UY+UYUZa）LL0b）图3-55压电陶瓷扫描管结构及工作原理当陶瓷管内壁接地，X轴两外壁电极电压相反时，陶瓷管一侧伸长，另一侧缩短，形成X方向扫描(图3-55b)。若两外壁电极电压相同，则陶瓷管伸长或缩短，形成Z方向位移。压电陶瓷扫描管结构见图3-55a，其工作原理见图3-55b。3.3.2纳米技术60◆

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0.5～1nm，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。3.3.2纳米技术61◎AFM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3-56）STM驱动AFM扫描驱动AFM探针STM探针试件微力簧片图3-56AFM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。3.3.2纳米技术62图3-57AFM实物照片扫描探针磁盘图像3.3.2纳米技术63LIGA（LithographicGaluanoformungAbformung）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铸铸型注射成形零件图3-58LIGA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3-58）：3.3.2纳米技术64图3-59LIGA工作现场3.3.2纳米技术65

50μm图3-60X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0.1～0.5mm，高宽比大于200的三维微结构（图3-60），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、化工等领域可以实现大批量复制，成本较低3.3.2纳米技术66第3章

先进制造工艺AdvancedManufacturingProcess河南省精品课程“先进制造技术”3.4高速加工技术HighSpeedMachiningTechnology673.4.1高速加工技术概述1978年，CIRP(国际生产工程协会)提出以线速度为500~7000m/min的切削为高速切削。

ISO1940标准规定，主轴转速高于8000rev/min为高速切削。德国Darmstadt工业大学提出以高于5~10倍普通切削速度的切削定义为高速切削。主轴轴承孔直径与主轴最大转速乘积达(5~2000)×105mm·rev/min高速加工技术定义68高速切削不能简单地用某一具体的切削速度值来定义，对于不同的工件材料，其高速切削的速度范围是不同的。考虑到目前的生产实际，不同工件材料切削速度范围的划分如图3-1所示。

3.4.1高速加工技术概述693.4.1高速加工技术概述不同加工工艺的高速/超高速切削速度范围加工工艺切削速度范围/(m/min)车700~7000铣300~6000钻200~1100拉30~75铰20~500锯50~500磨5000~10000各种材料高速/超高速切削速度范围加工材料切削速度范围/(m/min)铝合金2000~7500铜合金900~5000钢600~3000铸铁800~3000耐热合金500以上钛合金150~1000纤维增强塑料2000~900070萨洛蒙曲线

1931年4月德国切削物理学家萨洛蒙(CarlSalomon)曾根据一些实验曲线，即人们常提及的著名的“萨洛蒙曲线”(图3-2)，提出了超高速切削的理论。超高速切削理论的诞生3.4.2超高速加工的机理

图3-2切削速度和切削温度关系曲线71超高速切削的概念

超高速切削的概念可用图3-3表示。萨洛蒙指出：在常规切削速度范围内(图3-3中A区)，切削温度随切削速度的增大而升高。但是，当切削速度增大到某一数值vc之后，切削速度再增加，切削温度反而降低。图3-3中B区在美国被称为“死谷”(Deadvalley)。如果能越过这个“死谷”而在超高速区(图3-3中C区)进行加工，则有可能用现有刀具进行超高速切削。图3-3超高速切削概念示意图3.4.2超高速加工的机理

723.4.3高速加工技术的特点和优势

弹道切削试验得出结论为：随切削速度提高，塑性材料的切屑形态将从带状或片状向碎屑状演变，单位切削力初期呈上升趋势，而后急剧下降，超高速条件下刀具磨损比普通速度下减少95%，且几乎不受切削速度的影响，金属切除效率可提高50~1000倍。而美国空军和海军的超高速铣削实验研究表明，铣削力克减少70%，成功实现了厚度为0.33mm的薄壁件的铣削，刀具磨损主要取决于刀具材料的导热性。日本人的超高速切削试验结果表明，超高速下切屑的形成完全是剪切作用的结果，随着切削速度的提高，剪切角急剧增大，工件材料的变质层厚度与普通速度下相比降低了50%，加工表面残余应力及塑性区深度可分别减少90~95%和85~90%。73切削力小，切削温度低。和常规切削加工相比，高速切削加工切削力至少可降低30％，这对于加工刚性较差的零件(如细长轴、薄壁件)来说，可减少加工变形，提高零件加工精度。同时，采用超高速切削，单位功率材料切除率可提高40％以上，有利于延长刀具使用寿命，通常刀具寿命可提高约70％。工件热变形减少。95％以上的切削热来不及传给工件，而被切屑迅速带走，零件不会由于温升导致弯翘或膨胀变形。因而，超高速切削特别适合于加工容易发生热变形的零件。加工效率高。超高速切削加工比常规切削加工的切削速度高5～10倍，进给速度随切削速度的提高也可相应提高5～10倍，这样，单位时间材料切除率可提高3—6倍，因而零件加工时间通常可缩减到原来的1／3。3.4.3高速加工技术的特点和优势74加工精度高、加工质量好。

由于超高速切削加工的切削力和切削热影响小，使刀具和工件的变形小，工件表面的残余应力小，保持了尺寸的精确性。同时，由于切屑被飞快地切离工件，可以使工件达到较好的表面质量。

加工过程稳定。

超高速旋转刀具切削加工时的激振频率高，已远远超出“机床一工件一刀具”系统的固有频率范围，不会造成工艺系统振动，使加工过程平稳，有利于提高加工精度和表面质量。加工成本降低可实现绿色制造。高速加工通常采用干切削方式，使用压缩空气进行冷却，无需切削液及其设备，从而降低了成本，是绿色制造技术。

3.4.3高速加工技术的特点和优势75高速切削的应用领域★汽车工业（发动机,齿轮箱）

★航空航天工业（整体结构件、框体、薄壁件）★模具工具制造（钢及铸件的半精/精加工）★难加工材料（陶瓷、复合材料、钛合金、镍基高温合金、不锈钢）★超精密微细切削加工（精密零件，群孔）3.4.3高速加工技术的特点和优势铝制磁通补偿器尺寸:80x100x40mm

技术数据:

粗铣:8min

精铣:11min

铣方孔:3min

刚性攻丝:1min

总加工时间:23min

总费用:约

60US$

采用铸模法的预算

铸模费用:5000US$

铸造费用:20US$

加工费用:10US$76高速切削机床★高速切削对机床的特殊要求3.4.4高速加工的关键技术主轴转速高，输出功率大：常规机床转速一般为2000r/min，而高速切削机床则为10000~100000r/min；主轴电动机功率为15~80kW进给速度高：约为常规机床的10倍（60~100m/min）主轴转速和进给速度的加速度高：从启动到达到最高转速要在1~2s内完成，工作台的加、减速度有常规的0.1~0.2g提高到1~2g。机床静、动态特性好：除具有足够的静刚度外，还必须有很高的动刚度和热刚度其它功能部件性能高：快速换刀、快速工作台交换、快速排屑装置、安全保护、检测装置77高速切削机床的关键技术3.4.4高速加工的关键技术783.4.4高速加工的关键技术ControlTechnologyMachineToolsToolingMachiningTechniquesMachineCommunicationsToolpathCAMSystemMold&DieCADSystemKeyElementsof

HighSpeedMachining79高速主轴部件的性能直接决定了机床所能达到的切削速度、加工精度和应用范围，是高速机床的核心部件。高速主轴一般做成电主轴的结构形式，其关键技术包括：高速主轴轴承、无外壳主轴电动机及其控制模块、润滑冷却系统、主轴刀柄接口、刀具夹紧方式和刀具动平衡等。普通机床主轴：电动机到主轴的中间传动链长、转动惯量大、对运动指令的反应滞后、噪声污染严重高速机床电主轴：电动机和机床主轴合而为一，传动链长度为零；主轴运动灵敏度、运动精度和工作可靠性高；可从机床传动系统的整体结构中相对独立出来做成主轴单元瑞士：IBAG,FISHER德国：GMN,FAG冷却移动轴承固定轴承高速主轴单元3.4.4高速加工的关键技术80陶瓷轴承高速主轴结构陶瓷球轴承密封圈旋转变压器电主轴陶瓷球轴承冷却水出口冷却水入口高速主轴单元3.4.4高速加工的关键技术81高速直线电机进给系统3.4.4高速加工的关键技术★普通NC机床的进给系统：滚珠丝杠副+旋转伺服电机丝杠扭转刚度低，限制了运动速度和加速度的提高；进给系统机械传动链较长，各环节误差相叠加会形成较大的综合传动误差和非线性误差，影响加工精度；机械传动存在链结构复杂、机械噪声大、传动效率低、磨损快。★高速进给系统：高速滚珠丝杠螺母+旋转伺服电机采用大导程、多头高速滚珠丝杠，并进行预拉伸，提高丝杠的刚度；采用小直径氮化硅陶瓷球滚珠，减少其运动时的离心力和陀螺力矩；丝杠采用中空结构，并采用空心强冷却技术以减少高速滚珠丝杠运转时由于摩擦产生温升而造成的丝杠热变形；采用传感器对螺母的预紧力进行检测，实现对螺母预加载荷的自适应控制；丝杠和螺母副的制造难度较大，速度和加速度存在一定的非线性特征，全闭环时系统稳定性不易得到保证。★直线电机进给驱动系统：直线电机作为进给伺服系统的执行元件电动机直接驱动机床工作台，传动链长度为零；不受离心力的影响，结构简单、重量轻，容易实现很高的进给速度（80~180m/min）和加速度（2~10g）；动态性能好、运动精度高（0.1~0.01μm）、运动行程不影响系统的刚度；无机械磨损。82高速加工对CNC系统的要求3.4.4高速加工的关键技术★数字主轴控制系统和数字伺服轴驱动系统应该具有高速响应特性；采用气浮、液压或磁悬浮轴承时，要求主轴支撑系统能根据不同的加工材料、不同的刀具材料以及加工过程中的动态变化自动调整相关参数；工件加工的精度检测装置应选用具有高跟踪特性和分辨率的检测元件（双频激光干涉仪）。★进给驱动的控制系统应具有很高的控制精度和动态响应特性，以满足高进给速度和高进给加速度。★为适应高速切削，要求单个程序段处理时间短；为保证高速下的加工精度，要有前馈和大量的超前程序段处理功能；要求快速行程刀具路径，刀具路径尽可能圆滑，走样条曲线而不是逐点跟踪，少转折点、无尖转点；程序算法应保证高精度；遇到干扰能迅速调整，保持合理的进给速度，避免刀具振动。83机床的床身第一代高速铣龙门结构铸铁床身第二代高速铣O形结构人造大理石床身大质量的人造大理石床身极高的热稳定性保证了极好的零件加工精度良好的吸振性能，是铸铁的6倍可降低刀具的磨损，延长刀具寿命高速切削机床结构设计3.4.4高速加工的关键技术84高速切削刀具技术3.4.4高速加工的关键技术高速切削刀具机构及其安全性。

高速切削时，可转位面铣刀不允许采用摩擦力夹紧方式，而采用带中心孔的刀片，使用合适的预紧力用螺钉夹紧；还可采用带卡位的空刀槽，以保证刀具的精确定位合高速旋转时的可靠连接。刀体的设计应减轻质量，减小直径，增加高度；铣刀结构尽量避免采用贯通式刀槽，以减少尖角和应力集中；对刀具、夹头、主轴及其组合分别进行静、动平衡（刀体径向上安装微调螺钉进行微细平衡），以避免高速回转刀具的动不平衡影响机床主轴和轴承的使用寿命，影响工件已加工表面的质量和刀具寿命。853.4.4高速加工的关键技术高速切削刀具与机床的连接（夹持系统）

★高速刀具的夹头基本要求：刀具与夹头的连接精度要高、夹紧力要大、夹头几何尺寸要小、夹头的结构对称性要好。★高速切削刀具刀柄传统的刀具与主轴的连接采用7：24的锥孔配合方式，主轴内锥孔和刀柄在离心力的作用下发生膨胀，且前者大于后者，造成总的锥度连接刚度降低，在拉杆拉力作用下，刀具的轴向位置会发生变化，从而影响主轴的动平衡。高速切削刀具与主轴的连接类型：德国HSK系列刀柄、美国KM系列刀柄、日本NC5刀柄：抛弃原有的7：24标准锥度而采用新的设计思路美国WSU系列、日本BIG-PLUS，3CLOCK刀柄：对原有的7：24标准锥度进行改进，从而降低成本86高速切削材料高应变率刀具-切屑间的高速摩擦磨损高温高冲击刀具高速旋转高热硬性抗热硬冲击高硬度、高强度和高韧性良好的化学稳定性陶瓷刀具：金属陶瓷、Al2O3、Si3N4、Sialon——加工高温合金立方氮化硼(CBN,PCBN)：金刚石：单晶(SPD)、聚晶(PCD)、薄膜(CVD)、厚膜(TFD)涂层刀具：基体：高速钢、硬质合金、陶瓷涂层（硬）：TiCN、TiAlN、TiAlCN、CBN、Al2O3涂层（软）：MoS2、WS2——加工高强铝合金、钛合金高速铣削刀具材料3.4.4高速加工的关键技术87刀具材料优点缺点典型应用陶瓷（氧化硅、晶须增强、氧化铝、氮化硅、Sialon）耐磨性好、抗（热）冲击性能好、化学稳定性好、抗粘结性好、干式切削韧性差，脆性大，容易产生崩刃；和铝的高温亲和力大淬火铸铁、硬钢、镍基高温合金、不锈钢CBN硬度高、热稳定性好、摩擦系数小、热导率高、易产生积屑瘤强度和韧性差，抗弯强度低，易崩刃，一般只用于高硬材料的精加工淬硬钢、高温合金、工具钢、高速钢金刚石硬度极高、摩擦系数很小，热导率高、耐磨性极好、锋利性极高强度和韧性差，抗弯强度低，易崩刃，价格昂贵，不宜切削含铁和钛的材料单晶铝、单晶硅、单晶锗、铝合金、黄铜、镁合金的精密/超精密切削涂层表面硬度高、耐磨性好、抗冲击性能好耐热性和耐磨性较差，不宜切削高硬度的材料高硬铝合金、钛合金3.4.4高速加工的关键技术88第3章

先进制造工艺AdvancedManufacturingProcess河南省精品课程“先进制造技术”3.5现代特种加工技术ModernNontraditionalmachiningTechnology89

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。3.5.1特种加工技术概述90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，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3.5.1特种加工技术概述91

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。3.5.1特种加工技术概述92

复合过程利用机械、热、化学、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NS3.5.1特种加工技术概述93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7-62EI收录文章数比较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。3.5.1特种加工技术概述94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）间隙介质消电离（恢复绝缘状态）。

电火花加工3.5.2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Real95图7-64电火花加工机床3.5.2几种代表性特种加工方法96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2μs至2ms范围内，各个脉冲的能量2mJ到20J（电流为400A时）之间。3.5.2几种代表性特种加工方法97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RealReal3.5.2几种代表性特种加工方法98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3.5.2几种代表性特种加工方法99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、窄缝、栅网等。3.5.2几种代表性特种加工方法100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6～24V，极间保持0.1～1mm间隙。在间隙处通以6～60m/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3.5.2几种代表性特种加工方法101

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5～10倍）。采用振动进给和脉冲电流等新技术，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3.5.2几种代表性特种加工方法102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，效果更明显。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）3.5.2几种代表性特种加工方法103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5～10μm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）3.5.2几种代表性特种加工方法104电子束束径小（最小直径可达0.01～0.05mm），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3.5.2几种代表性特种加工方法105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）激光加工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Real3.5.2几种代表性特种加工方法106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10.6μm，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气体冷却水进口冷却水出口激光高压直流电源图7-71CO2激光器示意图气体激光器——CO2激光器（图7-71）激光器3.5.2几种代表性特种加工方法107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1μ以下，实际上可实现φ0.01mm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。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3.5.2几种代表性特种加工方法108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）。激光加工应用图7-72焦点位置对孔形状影响Real3.5.2几种代表性特种加工方法109激光热处理

◎原理：照射到金属表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。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。Real3.5.2几种代表性特种加工方法110图7-74激光焊接车身图7-73激光切割3.5.2几种代表性特种加工方法111利用工具端面作超声（16～25kHz）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0.01～0.15mm。

工作原理（图7-75）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3.5.2几种代表性特种加工方法112图7-76超声波加工机床图7-77超声波加工样件3.5.2几种代表性特种加工方法113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0.01～0.05mm。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3.5.2几种代表性特种加工方法114工作原理：加工装置（图7-78