机械制造技术基础第六章2

机械制造技术基础

第6章

制造技术的发展DevelopmentofManufacturingTechnology6.1

制造自动化技术的发展DevelopmentofAutomationTechnologyforManufacturing16.1.1制造自动化技术的主要形式

图6-1汽车后桥齿轮箱加工自动线刚性自动化20年代26.1.1制造自动化技术的主要形式

柔性自动化50年代图6-2焊接机器人综合自动化70年代图6-3综合自动化36.1.1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，MRPⅡ，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，信息技术，计算机技术，管理技术46.1.2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（FlexibleManufacturingSystem——FMS）

柔性制造系统的组成图6-4FMS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56.1.2自动化加工技术

加工单元CNC（MC）机床工作台架（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6-5）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6-5设备运行状态监控与检测框图6钻头破损检测器内存有以往采集的钻头破损的信号或钻头破损模拟信号，与检测信号进行比较。当钻头破损被确认后，发出换刀信号。6.1.2自动化加工技术◆加工过程监控与检测重点是刀具磨损、破损监控与检测。图6-6为声发射钻头破损检测装置示意图。加工过程中，一旦钻头破损，声发射传感器检测到钻头破损信号，将其送至钻头破损检测器进行处理。钻头破损检测器图6-6声发射钻头破损检测装置系统图交换机床控制器工件折断工作台声发射传感器破损信号76.1.2自动化加工技术物料传输系统又称立体仓库或自动化仓库系统（AutomatedStorageandRetrieva1System一AS／RS），由高层料架、堆垛机、控制计算机和物料识别装置等组成。具有自动化程度高、料位空间尺寸和额定存放重量大、料位总数可根据实际需求扩展、占地面积小等优点。◆自动仓库（图6-7）图6-7自动仓库运输小车出入库装卸站堆垛机料架86.1.2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（通常采用地下输送管道）切屑再处理（打包）96.1.2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106.1.2自动化加工技术◆

JCS-FMS-1控制级结构中央管理计算机FM-11AD2+物流控制计算机局域网络LAN文件库自动编程机单元控制机CNC车床CNC磨床单元控制机立式MC卧式MC单元控制机CNC车床管理级单元级设备级图6-10JCS-FMS-1控制级结构116.1.2自动化加工技术

FMS特点 除毛坯准备与毛坯安装外全部自动化 可在不停机的条件下实现加工工件的自动转换 24小时运行，只一班有人◆以GT为基础——生产零件的品种由4至100种不等（20～30种居多）生产零件的批量由40至2000件不等（50～200件居多）大部分加工对象为相似零件（个别例外）◆具有较大柔性——可加工多种零件没有固定的生产节拍故障可容（一台机床出现故障，其它机床可进行拟补）◆高度自动化——◆控制与管理相结合——可自动实现系统内的计划、调度126.1.2自动化加工技术图6-12飞机零件加工FMS（Cincinnati）1—装卸站2—运输小车3—MC4—切屑处理站5—清洗站6—检测站7—手工检测站8—计算机室9—小车维修站10—包装站

FMS实例（1）136.1.2自动化加工技术冲床图6-13冲压FMS

FMS实例（2）14十分之一原则：测量不准确度≤工件容差的1/10三分之一原则：测量精密度≤工件许用精密度的1/3（用标准差σ表示）6.1.3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156.1.3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6-14三类检测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166.1.3自动检测技术坐标测量机（CMM）a）b）c）d）图6-15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176.1.3自动检测技术操作控制手动控制：人工完成计算机辅助手动控制：计算机完成数据处理和相关计算计算机辅助电动控制：电机驱动测头，计算机完成数据处理和相关计算直接计算机控制：同CNC编程方法

示教再现编程：似机器人编程数控编程：离线186.1.3自动检测技术

CMM可完成测量项目

表6-2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196.1.3自动检测技术实物照片

图6-16坐标测量机实物照片20机械制造技术基础

第6章

制造技术的发展DevelopmentofManufacturingTechnology6.2精密制造技术PrecisionManufacturingTechnology216.2.1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1mm20世纪40年代——最高精度1μm20世纪末——精密加工：≤0.1μm，Ra

≤0.01μm（亚微米加工）超精密加工：≤0.01μm，Ra≤

0.001μm（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22零件加工精度表面粗糙度激光光学零件形状误差0.1μmRa0.01～0.05μm

多面镜平面度误差0.04μmRa＜0.02μm

磁头平面度误差0.04μmRa＜0.02μm

磁盘波度0.01～0.02μmRa＜0.02μm雷达导波管平面度垂直度误差＜0.1μmRa＜0.02μm卫星仪表轴承圆柱度误差＜0.01μmRa＜0.002μm

天体望远镜形状误差＜0.03μmRa＜0.01μm表6-3

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6-3）◆精密加工与超精密加工的发展（图6-17）6.2.1精密与超精密加工技术236.2.1精密与超精密加工技术图6-17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24

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0.01μm；超大规模集成电路最小线宽0.1μm，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0.1μm，粗糙度Ra0.01μm，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60μm降至12μm，发电机压缩效率从89%提高到94%；齿形误差从3-4μm减小1μm，单位重量齿轮箱扭矩可提高一倍

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6.2.1精密与超精密加工技术25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6-4精密与超精密加工分类6.2.1精密与超精密加工技术26

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6.2.1精密与超精密加工技术27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，并常常成为精密与超精密加工的关键。6.2.1精密与超精密加工技术28金刚石车床加工4.5mm陶瓷球6.2.1精密与超精密加工技术图6-23金刚石车床及其加工照片29图6-26用于磨削管件的砂带磨床（带有行星系统）6.2.1精密与超精密加工技术30图6-34双频激光测量系统6.2.1精密与超精密加工技术31◆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6.2.1精密与超精密加工技术32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6.2.2微细与超微细加工技术33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6-6微细与超微细加工机理与加工方法6.2.2微细与超微细加工技术34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6-41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6.2.2微细与超微细加工技术35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6-43

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6.2.2微细与超微细加工技术36◎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6.2.2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6-44

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。37◎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6-45），大规模集成电路芯片刻蚀等。图6-45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。6.2.2微细与超微细加工技术38

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6-46）离子束源靶溅射材料溅射粒子工件真空图6-46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）。6.2.2微细与超微细加工技术39◎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。6.2.2微细与超微细加工技术40◆

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。6.2.3纳米技术41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。6.2.3纳米技术G.BinningH.Rohrer42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6-49用STM移动分子组成的IBM字样图6-50用STM观察石墨原子排列43LIGA（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6-58LIGA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6-58）：6.2.3纳米技术44图6-59LIGA工作现场6.2.3纳米技术45

50μm图6-60X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6-60），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6.2.3纳米技术可以实现大批量复制，成本较低46机械制造技术基础

第6章

制造技术的发展DevelopmentofManufacturingTechnology6.3特种加工技术NontraditionalmachiningTechnology47

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。6.3.1特种加工技术概述48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6.3.1特种加工技术概述49

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。6.3.1特种加工技术概述50

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6-61）等。工件（陶瓷滚柱）磁性材料磁极振动运动图6-61磁力抛光示意图NS6.3.1特种加工技术概述51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6-63）。

◆

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6.3.2几种代表性特种加工方法图6-63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Real52图6-64电火花加工机床6.3.2几种代表性特种加工方法53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6-65）。同时，丝架可作小角度摆动，可切割出斜面。电火花加工类型6.3.2几种代表性特种加工方法图6-65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RealReal54电火花线切割机床（快走丝）图7-68电火花线切割加工加工过程显示6.3.2几种代表性特种加工方法55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。7.3.2几种代表性特种加工方法56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6-69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6.3.2几种代表性特种加工方法57

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7.3.2几种代表性特种加工方法58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。6.3.2几种代表性特种加工方法电解磨削（图6-70）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图6-70电解磨削原理图59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6-71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6-71）6.3.2几种代表性特种加工方法60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6.3.2几种代表性特种加工方法61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6-72）激光加工6.3.2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6-72激光加工原理图光阑反射镜聚焦镜电源Real62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6.3.2几种代表性特种加工方法63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。6.3.2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。Real64图6-76激光焊接图6-75激光切割7.3.2几种代表性特种加工方法65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7-77）6.3.2几种代表性特种加工方法变幅杆超声波发生器图6-77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66图6-78超声波加工机床图6-79超声波加工样件6.3.2几种代表性特种加工方法67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6.3.2几种代表性特种加工方法68工作原理：加工装置（图6-80）喷嘴材料及工作条件（表6-11）项目材料孔径/mm至工件距离/mm喷射角度/°参数金刚石，蓝宝石，淬火钢0.075～0.42.5～500～30表7-11喷嘴材料及工作条件图6-80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d6.3.2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”。69机械制造技术基础

第6章

制造技术的发展DevelopmentofManufacturingTechnology6.4先进制造技术AdvancedManufacturingTechnology706.4.1AMT产生背景

AMT首先由美国于20世纪80年代末提出

长期以来，美国政府只对基础研究、卫生健康、国防技术等给予经费支持，而对产业技术不予支持，主张产业技术通过市场竞争，由企业自主发展

20世纪70年代，一批美国学者不断鼓吹美国已进入“后工业化社会”，认为制造业是“夕阳工业”，主张经济重心由制造业转向高科技产业和第三产业

结果：导致美国在经济上竞争力下降，贸易逆差巨增，日本家电、汽车大量涌入并占领了美国市场。（20世纪60年代美国汽车产量占世界汽车总产量的2/3，而到了80年代下降到不足1/3）716.4.1AMT产生背景

20世纪80年代,美国政府开始认识到问题的严重性

白宫一份报告称“美国经济衰退已威胁到国家安全”

MIT的一份报告写到“经济竞争归根结底是制造技术和制造能力的竞争”，“一个国家要生活好，必须生产好”，表明美国知识界与政府之间取得了共识

1988年,美国政府投资进行大规模“21世纪制造企业战略”研究,并于其后不久提出了“先进制造技术”发展目标，制定并实施了“先进制造技术计划（ATP）”和“制造技术中心计划（MTC）”

1991年，白宫科学技术政策办公室发表“美国国家关键技术”报告，重新确立了制造业的地位726.4.1AMT产生背景

“制造业仍是美国的经济基础，美国曾多年是制造业的世界领袖，不受挑战。但近十年我们的实力每况愈下，美国公司仍擅于作出新的突破，如IBM的高温超导发现，但往往不能很好地贯彻到底，即把技术既迅速又便宜地转化为新产品和新工艺。…美国企业和政府对制造技术投资不足，与其它外国竞争者相比，美国公司在整个研究开发计划中忽视了与工艺有关的研究开发。……我们也忽视了现有技术和诀窍的传播，现在已有的新的制造技术和方法，只有少数美国公司开始采用，大部分公司仍是慢吞吞的。这个问题在雇有800万工人的35万家小型制造商中最为尖锐，他们往往缺乏取得这些技术的资源和能力……”

1993年，克林顿在硅谷发表题为“促进美国经济增长的技术——增强经济实力的新方向”的演说，对制造业给予了实质性强有力的支持。73

先进制造技术计划（ATP）为美国人提供更多高技术、高工资就业机会，促进美国经济增长；提高能源效益，减少污染，创造更加清洁的环境；使美国私人制造业在世界市场上更具有竞争力，保持美国的竞争地位；使教育系统对每个学生进行更富有挑战性的教育；鼓励科技界把确保国家安全和提高全民生活质量作为核心目标。6.4.1AMT产生背景

由美国联邦政府科学、工程和技术协调委员会（FCCSET）提出，1994年度预算为14亿美元ATP目标:74

又称“合作伙伴计划”，由美国国家标准与技术研究院（NIST）牵头

目标：面向35万家中小企业(他们不像大企业有自己的开发能力，且资金不足)，在技术拥有者（通常为政府的研究机构、国家实验室、大学）与需要这些技术的中小企业之间建立合作的桥梁，使中小企业掌握先进制造技术，或使他们具有识别、选择适用于自己企业的先进制造技术的能力

方法：一个地区设立一个中心（至95年已建立了30个中心），为中小企业展示新的制造技术和设备，并进行培训，帮助他们选用

经费：国会拨款6.4.1AMT产生背景

制造技术中心计划（MTC）75

汽车2mm工程，使轿车车身精度达到丰田水平1994年，美国汽车产量重新超过日本，重新占领欧、美市场美国Inter公司成为世界最大的芯片制造商（在此之前芯片生产也不敌日本，包括海湾战争中大出风头的“爱国者”导弹上使用的芯片也是日本制造的）20世纪90年代，经济持续增长，失业率降低到历史最低水平提出了一系列先进制造技术的新理论、新思想，如：CE，LP，AM，…6.4.1AMT产生背景

ATP&MTC

效果显著766.4.2AMT内涵与体系结构

至今尚无明确的和一致公认的定义，通过对其特征的分析和多年的实践，可以认为：◆

AMT是制造业不断吸收信息技术和现代管理技术的成果，将其综合应用于产品设计、加工、检测、管理、销售、使用、服务乃至回收的制造全过程，以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活生产，提高对动态多变市场的适应能力和竞争力的制造技术的总称。◆要点：AMT定义目标提高制造企业对市场的适应能力和竞争力强调信息技术、现代管理技术与制造技术的有机结合信息技术、现代管理技术在整个制造过程中综合应用776.4.2AMT内涵与体系结构

美国联邦政府科学、工程和技术协调委员会（FCCSET）于1994年提出AMT的分类目录，指出“AMT是制造技术和现代高技术结合而产生的一个完整的技术群”。其结构体系见图6-81。主体技术群面向制造的设计技术群（产品和工艺设计技术群）制造工艺技术群（加工和装配技术群）支撑技术群图6-81AMT结构体系制造技术基础设施78

★

产品、工艺过程和工厂设计，包括： —计算机辅助设计（CAD） —适于加工和装配的设计（DFM，DFA） —工艺过程建模和仿真 —计算机辅助工艺过程设计（CAPP） —工作环境设计 —符合环保的设计

★快速原型制造技术（快速原形法）

★并行工程

★其它◆

主体技术群之一：面向制造的设计技术群6.4.2AMT内涵与体系结构

79

6.4.2AMT内涵与体系结构

◆主体技术群之二：制造工艺技术群

★

材料生产工艺

★

加工工艺，包括：—切削加工 —材料热处理—表面涂层与改性—复合材料工艺—铸、锻、压力加工、模塑成形—电子工艺（光刻/沉积、离子注入等微细加工）

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连接与装配

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测试与检验

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环保技术

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维修技术

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其它80

6.4.2AMT内涵与体系结构

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信息技术—接口和通信—数据库技术—软件工程—决策支持系统—