先进制造系统

先进制造系统第一页，共一百二十二页，2022年，8月28日课堂作业：1、优化设计的步骤2、可靠性设计的主要内容和指标3、价值工程的含义4、模型重构技术的基本步骤5、绿色设计的原则第二页，共一百二十二页，2022年，8月28日第一节

概述

3.1.1机械制造工艺定义与内涵3.1.2先进制造工艺的产生和发展

3.1.3先进制造工艺的技术特点第三页，共一百二十二页，2022年，8月28日机械制造工艺三阶段：

①零件毛坯的成形准备阶段②机械切削加工阶段③表面改性处理阶段上述阶段划分逐渐模糊、交叉，甚至合而为一3.1.1机械制造工艺定义与内涵原材料成品半成品机械制造工艺定义改变形状,尺寸,性能,位置机床、工具第四页，共一百二十二页，2022年，8月28日机械制造工艺流程第五页，共一百二十二页，2022年，8月28日先进制造工艺是在不断变化和发展的传统机械制造工艺基础上逐步形成的一种制造工艺技术，是高新技术产业化和传统工艺高新技术化的结果。先进制造工艺是先进制造技术的核心和基础，一个国家的制造工艺技术水平的高低，在很大程度上决定了其制造业在国际市场的竞争实力。3.1.2先进制造工艺的产生和发展第六页，共一百二十二页，2022年，8月28日(1)制造加工精度不断提高

18世纪，其加工精度为1mm；19世纪末，0.05mm；20世纪初，μm级过渡；20世纪50年代末，实现了μm级的加工精度；目前达到10nm的精度水平。先进制造工艺的发展表现：第七页，共一百二十二页，2022年，8月28日（2）切削加工速度迅速提高20世纪前，碳素钢，耐热温度低于200ºC，10m/min；20世纪初，高速钢，500-600ºC，30-40m/min；20世纪30年代，硬质合金，800-1000ºC，数百米/min;目前陶瓷、金刚石、立方氮化硼，1000ºC以上，一千至数千米/min。第八页，共一百二十二页，2022年，8月28日切削速度随刀具材料的变更而提高第九页，共一百二十二页，2022年，8月28日（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、工程陶瓷等对制造工艺贡献：

①改善刀具切削性能，改进加工设备；②促进特种加工工艺发展。（4）自动化和数字化工艺装备的发展

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

第十页，共一百二十二页，2022年，8月28日（5）毛坯成形技术在向少、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）表面工程技术的形成和发展表面工程：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，以获取与基体材料不同性能的一项应用技术。如：电刷镀、化学镀、物理气相沉积、化学气象沉积、热喷涂、化学热处理、激光表面处理、离子注入等第十一页，共一百二十二页，2022年，8月28日3.1.3先进制造工艺的技术特点（1）优质（2）高效（3）低耗（4）洁净（5）灵活第十二页，共一百二十二页，2022年，8月28日第二节材料受迫成形工艺技术3.2.1精密洁净铸造成形3.2.2精确高效金属塑性成形工艺3.2.3粉末锻造成形工艺3.2.4高分子材料注射成形第十三页，共一百二十二页，2022年，8月28日机械零件成形方法：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；堆积成形将材料有序地合并堆积成形，如快速原形制造、焊接等第十四页，共一百二十二页，2022年，8月28日A、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

低劳动强度，适合于各种复杂铸件型芯制作铸件壁厚可<2.5mm3.2.1精密洁净铸造成形（1）精确铸造成形技术第十五页，共一百二十二页，2022年，8月28日B、高紧实砂型铸造可提高铸型强度、刚度和硬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

气冲造型第十六页，共一百二十二页，2022年，8月28日C、消失模铸造

利用泡沫塑料作为铸造模型，并在其四周填砂，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表面光洁、尺寸精确无飞边、少无余量精密铸件泡沫塑料模

造型

浇注过程

铸件

第十七页，共一百二十二页，2022年，8月28日D、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，以压力浇注取代重力浇注，铸件精确、表面光洁、内部致密。金属模压铸机压铸过程合型压铸开模第十八页，共一百二十二页，2022年，8月28日洁净的能源以感应电炉代替冲天炉，减轻对空气的污染无砂和少砂铸造如压力铸造、金属型铸造、挤压铸造等清洁无毒材料使用无毒无味变质剂、精炼剂、粘结剂等（2）清洁（绿色）铸造技术第十九页，共一百二十二页，2022年，8月28日高溃散性型砂工艺树脂砂、酯硬化水玻璃砂工艺废弃物再生和综合利用铸造旧砂再生回收、熔炼炉渣处理和综合利用铸造机器人或机械手以代替工人在恶劣条件下工作第二十页，共一百二十二页，2022年，8月28日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随后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。铸造过程计算机模拟第二十一页，共一百二十二页，2022年，8月28日（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。3.2.2精确高效金属塑性成形工艺模锻坯料普通模锻去氧化皮精密模锻锥齿轮的精密模锻工艺第二十二页，共一百二十二页，2022年，8月28日（2）超塑性成形

超塑性现象：在一定内部条件（如晶粒形状、相变）和外部条件（如温度、应变速率）下，呈现出异常低的流变抗力、异常高的延伸率现象。目前已知锌、铝、铜等合金超塑性达1000%，有的甚至达2000%。第二十三页，共一百二十二页，2022年，8月28日金属超塑性类型：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（<10µm）；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。第二十四页，共一百二十二页，2022年，8月28日超塑性成形工艺应用飞机钛合金组合件原需几十个零件组成，用超塑性成形后，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。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。超塑性气压成形第二十五页，共一百二十二页，2022年，8月28日（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三种光洁冲裁凹模结构椭圆凹模圆角凹模倒角刃口第二十六页，共一百二十二页，2022年，8月28日负间隙冲裁带齿圈压板精冲精密冲裁第二十七页，共一百二十二页，2022年，8月28日辊轧工艺

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。辊锻轧制辗环轧制第二十八页，共一百二十二页，2022年，8月28日3.2.3粉末锻造成形工艺粉末制取粉末锻造成形工艺粉末冶金

+精密锻造模压成形型坯烧结锻前加热锻造后续处理粉末铸造成形是将传统的粉末冶金和精密锻造结合起来的一种新工艺。第二十九页，共一百二十二页，2022年，8月28日粉末锻造件优点：能源消耗低，材料利用率高为普通锻造能耗49%，材料利用率达90%，普通锻造仅40-60%；锻件精度高，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%，高速钢工具寿命可提高两倍以上。

粉末锻造模具第三十页，共一百二十二页，2022年，8月28日注射成形原理3.2.4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注射成形工艺过程冷却成形第三十一页，共一百二十二页，2022年，8月28日气体辅助成形：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。注射成形新技术气体辅助注射成形原理第三十二页，共一百二十二页，2022年，8月28日注射压缩成形：可采用较低的注射压力成形薄壁制品，适用于流动性较差的制品。整体压缩注射成形第三十三页，共一百二十二页，2022年，8月28日模具滑合成形法

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第三十四页，共一百二十二页，2022年，8月28日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第三十五页，共一百二十二页，2022年，8月28日直接注射成形法

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第三十六页，共一百二十二页，2022年，8月28日第三节超精密加工技术

3.3.1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超精密加工的机床设备3.3.5超精密加工环境第三十七页，共一百二十二页，2022年，8月28日（1）目前精密、超精密加工内涵

3.3.1概述分类加工精度表面粗糙度普通加工1μmRa0.1μm精密加工0.1-1μmRa0.01-0.1μm超精密加工高于0.1μm小于Ra0.01μm第三十八页，共一百二十二页，2022年，8月28日（2）超精密加工技术发展起因提高产品性能和质量，提高稳定性和可靠性；促进产品的小型化；增强零件的互换性，提高装配生产率。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；º，命中精度误差为500m；第三十九页，共一百二十二页，2022年，8月28日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60μm→12μm，粗糙度由Ra0.5μm→0.2μm，则发动机效率89%→94%；磁盘磁头与磁盘间距离，近期达到0.01-0.005μm。第四十页，共一百二十二页，2022年，8月28日（3）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、磨具及其制备技术包括刀具的刃磨、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；

第四十一页，共一百二十二页，2022年，8月28日精密测量及补偿技术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。第四十二页，共一百二十二页，2022年，8月28日（1）超精密切削对刀具的要求

极高的硬度、极高的耐用度和极高的弹性模量，保证刀具寿命和尺寸耐用度；刃口能磨得极其锋锐，刃口半径ρ值极小，能实现超薄的切削厚度；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、能得到极好的加工表面完整性。3.3.2超精密切削加工第四十三页，共一百二十二页，2022年，8月28日（2）天然单晶金刚石刀具的性能特征极高的硬度HV6000-10000,而TiC仅为HV2400，WC为HV2400；能磨出锋锐刃口刃口半径可达纳米，普通刀具5-30μm；与有色金属摩擦系数低、亲和力小与铝的摩擦系数仅为；耐磨性好，刀刃强度高刀具磨损极慢，刀具耐用度极高。第四十四页，共一百二十二页，2022年，8月28日（2）天然单晶金刚石刀具的性能特征

天然单晶金刚石被公认为不能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.第四十五页，共一百二十二页，2022年，8月28日（3）超精密切削时的最小切削厚度

如图：A点位置与摩擦系数μ（剪切角θ）有关：当μ=0.12时，可得：hDmin=0.322ρ当μ=0.26时，可得：hDmin=0.249ρ若hDmin=1nm，要求刀具刃口半径ρ为3-4nm。

极限切削厚度与刃口半径的关系第四十六页，共一百二十二页，2022年，8月28日超精密磨削：是最主要黑色金属超精密加工手段，精度<=0.1μm，表面粗糙度<Ra0.025μm。(1)超精密磨削砂轮金刚石砂轮：较强的磨削能力，较高的磨削效率，磨削速度12-30m/s；CBN砂轮：较好的热稳定性和化学惰性，价格较贵，磨削速度80-100m/s。3.3.3超精密磨削加工第四十七页，共一百二十二页，2022年，8月28日超硬磨料砂轮结合剂：

树脂结合剂：能保持良好锋利性，磨粒保持力小；

金属结合剂：耐磨性好，磨粒保持力大，自锐性差，砂轮修整困难。

陶瓷粘结剂：化学稳定性高、耐热、耐酸碱，脆性较大。

第四十八页，共一百二十二页，2022年，8月28日(2)超硬磨料砂轮的修整车削法用金刚笔车削金刚石砂轮，修整成本高；磨削法用普通砂轮进行对磨，修整效率和质量较好，普通砂轮磨损消耗量较大；喷射法将碳化硅、刚玉等磨粒高速喷射到砂轮表面，去除部分结合剂，使超硬磨粒突出；

电解在线修锐法（ELID)应用电解原理完成砂轮修锐过程；

电火花修整

应用电火花放电原理完成砂轮修整。第四十九页，共一百二十二页，2022年，8月28日在线电解修锐法电火花修整法

第五十页，共一百二十二页，2022年，8月28日(3)磨削速度和磨削液金刚石

12-30m/s立方氮化硼 80-100m/s热稳定性好；磨削液的作用润滑、冷却、清洗，渗透性、防锈、提高切削性能；油性液润滑性能好，水溶性液冷却性能好。第五十一页，共一百二十二页，2022年，8月28日（1）精密主轴部件滚动轴承

回转精度达1μm,表面粗糙度Ra0.04-0.02μm；液体静压轴承

回转精度≤0.1μm，刚度阻尼大，转动平稳；不足：液压油温升高，影响主轴精度，会将空气带入液压油降低轴承刚度；应用：一般用于大型超精密机床。

超精密加工机床设备第五十二页，共一百二十二页，2022年，8月28日空气静压轴承高回转精度、工作平稳，温升小；不足：刚度较低，承载能力不高；应用：超精密机床中得到广泛的应用。第五十三页，共一百二十二页，2022年，8月28日典型液体静压轴承主轴结构原理图1-径向液压轴承2-止推液压轴承

3-真空吸盘

双半球空气轴承主轴1-前轴承2-供气孔3-后轴承4-定位环5-旋转变压器6-无刷电动机

7-外壳8-轴9-多孔石墨

第五十四页，共一百二十二页，2022年，8月28日（2）床身和精密导轨床身要求：抗振、热膨胀系数低、尺寸稳定性好床身材料：多采用人造花岗岩，尺寸稳定性好、热膨胀系数低、硬度高、耐磨、不生锈、可铸造成形，克服了天然花岗岩有吸湿性不足。导轨要求：高直线精度，不得爬行，有液体静压导轨、空气静压导轨。第五十五页，共一百二十二页，2022年，8月28日平面型空气静压导轨示意图1-静压空气2-移动工作台3-底座

第五十六页，共一百二十二页，2022年，8月28日（3）微量进给装置微量进给装置要求：分辨率达到0.001-0.01μm；精微进给与粗进给分开；低摩擦和高稳定性；末级传动元件必须有很高的刚度；工艺性好，容易制造；应能实现微进给的自动控制，动态性能好。第五十七页，共一百二十二页，2022年，8月28日双T形弹性变形微进给装置1-微位移刀夹2、3-T形弹簧4-驱动螺钉5-固定端6-动端

分辨率0.01μm，最大位移20μm，静刚度70N/μm，第五十八页，共一百二十二页，2022年，8月28日最大位移15-16μm分辨率0.01μm静刚度60N/μm压电陶瓷微进给装置1-刀夹2-机座3-压电陶瓷4-后垫块5-电感测头6-弹性支承

第五十九页，共一百二十二页，2022年，8月28日（1）净化的空气环境

1μm直径尘埃会拉伤磁盘表面而不能正确记录信息；100级超精密加工空气洁净度要求：≥0.5μm直径尘埃个数≤100个/ft3而办公室百万个/(ft)3，手术室5万个/(ft)3

超精密加工环境第六十页，共一百二十二页，2022年，8月28日（2）恒定的温度环境

100mm长铝合金零件，温度变化1ºC将产生2.25μm的误差；若要求确保0.1μm加工精度，环境温度应保持±0.05ºC范围内；当前，已出现±0.01ºC的恒温环境，需多级恒温。

超精密加工环境第六十一页，共一百二十二页，2022年，8月28日（3）较好的抗振动干扰环境防振：消除自身振动干扰隔振：阻止外部振动美国LLL实验室超精密机床隔振基础1-隔振空气弹簧2-床身3-工作台

第六十二页，共一百二十二页，2022年，8月28日第四节高速加工技术

3.4.1高速加工的概念与特征3.4.2高速加工技术的发展与应用3.4.3高速切削加工的关键技术3.4.4高速磨削加工第六十三页，共一百二十二页，2022年，8月28日3.4.1高速加工的概念与特征超高速切削概念示意图

Salomon切削理论高速切削铝合金：1000-7000m/min灰铸铁：800-3000m/min铜：900-5000m/min钢：500-2000m/min钛：100-1000m/min第六十四页，共一百二十二页，2022年，8月28日高速切削特征切削力低切削变形小，切屑流出速度加快，切削力比常规降低30-90%；热变形小温升不超过3ºC，90%切削热被切屑带走；材料切除率高单位时间内切除率可提高3-5倍；高精度切削激振频率远高于机床系统固有频率，加工平稳、振动小。减少工序工件加工可在一道工序中完成，称为“一次过”技术（Onepassmaching）第六十五页，共一百二十二页，2022年，8月28日高速切削机床主轴转速在20000r/min以上，甚至62000r/min；快速进给40-80m/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。

3.4.2高速加工发展与应用第六十六页，共一百二十二页，2022年，8月28日高速切削加工应用航空工业--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，省电加工和手工研磨等工序。第六十七页，共一百二十二页，2022年，8月28日1、高速主轴精度高、振动小、噪音低、结构紧凑高速化指标：dmn（直径x转速）>1*106即为高速，5-10倍于常规速度。3.4.3高速切削加工关键技术第六十八页，共一百二十二页，2022年，8月28日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。第六十九页，共一百二十二页，2022年，8月28日2、快速进给系统滚珠丝杆+伺服电机：加速度达0.6g，进给速度达40-60m/min。直线电机：进给速度可达160m/min，加速度可达2.5-10g。消除了机械传动间隙和弹性变形，几乎没有反向间隙，是未来机床进给传动的基本形式。第七十页，共一百二十二页，2022年，8月28日直线电机结构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防护罩第七十一页，共一百二十二页，2022年，8月28日3、高性能的CNC控制系统

快速响应伺服控制，32/64位，多CPU，具有加速预插补、前馈控制、钟形加减速、精确矢量补偿和最佳拐角减速控制等功能。第七十二页，共一百二十二页，2022年，8月28日4、先进的机床结构

结构特点：床身足够刚度、强度，高阻尼特性和热稳定性；立柱和底座整体结构；使用高阻尼特性材料（聚合物混凝土）；防弹玻璃观察窗。新型机床结构：并联机床结构。第七十三页，共一百二十二页，2022年，8月28日六杆并联机床第七十四页，共一百二十二页，2022年，8月28日5、高速切削的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；必须良好的平衡，可靠定位。刀具材料：硬质合金涂层刀具、陶瓷刀具、聚晶金刚石刀具、立方氮花硼刀具。双定位刀柄结构：当超过15000r/min时，离心力将使主轴锥孔扩张，降低刀柄连接刚度；该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。

第七十五页，共一百二十二页，2022年，8月28日HSK型刀柄及其联接结构第七十六页，共一百二十二页，2022年，8月28日高速磨削：最高磨削速度达500m/s；实际应用磨削速度在100m/s-250m/s。高速磨削特点：若切除率不变，则单磨粒切削厚度降低，磨削力减小；维持原切削力，可提高进给速度，降低加工时间，提高生产效率；可使粗精合而为一。3.4.3高速磨削加工第七十七页，共一百二十二页，2022年，8月28日1、高速主轴须配有连续自动动平衡装置高速磨削关键技术：高速主轴动平衡系统1-信号传送单元2-紧固法兰盘3-内装电子驱动平衡块4-磨床主轴

第七十八页，共一百二十二页，2022年，8月28日2、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度达125m/s，工作台往复运动达1000st/min，是普通磨床的10倍第七十九页，共一百二十二页，2022年，8月28日3、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--立方氮化硼和金刚石。高速砂轮典型结构腹板变截面等力矩结构，无中心法兰孔多个小螺孔安装固定，降低法兰孔应力第八十页，共一百二十二页，2022年，8月28日4、冷却润滑液V液大于等于V砂：

润滑效果好V液小于V砂：

清洗效果好a)V液大于V砂b)V液略大于V砂c)V液=V砂冷却润滑液出口流速的影响第八十一页，共一百二十二页，2022年，8月28日第五节快速原型制造技术

3.5.1RPM技术的产生和发展3.5.2RPM技术原理3.5.3典型的RPM工艺方法3.5.4RPM技术的应用第八十二页，共一百二十二页，2022年，8月28日设计人员三维实体产品RPS分层切片数据文件CAD模型三维数字化仪等CAD造型系统80年代末RPM技术首先在美国问世；工业国家称RPM技术是继数控技术后又一场技术革命；我国92年进入RPM领域；清华大学、西安交通大学、华中科技大学、北京隆源等单位在RMP设备、材料和软件方面先后完成了开发和产业化过程；我国MRP许多关键技术达到或领先国际先进水平。

3.5.1RPM技术的产生与发展第八十三页，共一百二十二页，2022年，8月28日

CAD模型建立STL文件生成分层切片。快速堆积成型

RPS分层切片STL文件CAD模型三维数字化仪等CAD造型系统3.5.2RPM技术原理第八十四页，共一百二十二页，2022年，8月28日1、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，光敏树脂有一定毒性。3.5.3典型的RPM工艺方法SLA工艺原理图

第八十五页，共一百二十二页，2022年，8月28日2、选区片层粘结法（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

第八十六页，共一百二十二页，2022年，8月28日3、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工艺原理图1-激光器2-铺粉滚筒3-激光窗

4-加工平面5-原料粉末6-生成零件

第八十七页，共一百二十二页，2022年，8月28日4、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

第八十八页，共一百二十二页，2022年，8月28日3.5.4RPM技术的应用RPM的应用

第八十九页，共一百二十二页，2022年，8月28日快速模具制造工艺方法

第九十页，共一百二十二页，2022年，8月28日第六节微细加工技术

3.6.1微机械及其特征3.6.2微细加工工艺方法3.6.3微细加工技术的发展与趋势第九十一页，共一百二十二页，2022年，8月28日微小机械1-10mm；微机械1μm-1mm；纳米机械1nm-1μm。体积小、精度高、重量轻如直径如发丝的齿轮、开动3mm大小的汽车、花生米大的飞机、在5mm2内放置1000台的微型发动机。性能稳定、可靠性高微机械体积小，热膨胀、噪声、挠曲等影响小，具有抗干扰性，可在较差环境下稳定的工作。3.6.1微机械及其特征第九十二页，共一百二十二页，2022年，8月28日能耗低、灵敏度、工作效率高不存在信号延迟问题，可进行高速工作。消耗的能量远小于传统机械如5*5*0.7mm3微型泵流速是比其体积大得多的小型泵流量的1000倍。多功能和智能化集传感器、执行器、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。制造成本低类似半导体制造工艺。

3.6.1微机械及其特征第九十三页，共一百二十二页，2022年，8月28日1、超微机械加工利用超小型机床制作毫米级以下的微机械零件难点：微型刀具制造、刀具姿态、加工基准定位等3.6.2微细加工工艺方法微型超精密加工机床结构示意图为车、铣、磨、电火花加工的多功能微型加工机床，最小设定单位为1nm，单晶金刚石刀具，刀尖圆弧半径为100nm左右第九十四页，共一百二十二页，2022年，8月28日2、光刻加工氧化硅晶片表面形成一层氧化层；涂胶涂光致抗蚀剂；曝光通过掩模曝光；显影曝光部分溶解去除；腐蚀未被覆盖部分腐蚀掉；去胶将光致抗蚀剂去除；扩散--向需要杂质的部分扩散杂质，以完成整个光刻加工过程。光刻加工工艺示例

第九十五页，共一百二十二页，2022年，8月28日3、体刻蚀加工技术体微机械加工：用腐蚀方法将硅基片有选择性地去除部分材料的方法。各向同性腐蚀：以相同速度对所有晶向进行刻蚀；各向异性腐蚀：在不同晶面，以不同速率进行刻蚀，利用晶格取向，可制作如桥、梁、薄膜等不同的结构。第九十六页，共一百二十二页，2022年，8月28日4、面刻蚀加工技术l在硅基片上淀积磷玻璃牺牲层材料；l腐蚀牺牲层形成所需形状；l淀积和腐蚀结构材料薄膜层；l除去牺牲层就得到分离空腔微桥结构。制作双固定多晶硅桥工艺第九十七页，共一百二十二页，2022年，8月28日5、LIGA技术LIGA技术是由制版、电铸和微注塑工艺组成，是全新的三维立体微细加工技术。在光致抗蚀剂上生成曝光图形实体；用曝光蚀刻的图形实体作电铸用胎膜，在胎膜上沉积金属形成金属微结构件；用金属微结构件作为注塑模具注塑出所需的微型零件。LIGA工艺过程第九十八页，共一百二十二页，2022年，8月28日6、封接技术目的：将微机械件连接在一起，使其满足使用要求。方法：反应封接、淀积密封膜和键合技术。反应封接：是将多晶硅结构与硅基片通过氧化反应封接在一起。第九十九页，共一百二十二页，2022年，8月28日淀积密封膜：是用化学气相淀积法在构件和衬底之间淀积密封膜。硅-硅直接键合：在高温下依靠硅原子力量直接键合在一起形成一个整体；静电键合：将硅和玻璃之间加上电压产生静电引力而使两者结合成一体。第一百页，共一百二十二页，2022年，8月28日7、分子装配技术扫描隧道显微镜STM、原子力显微镜AFM具有0.01nm分辨率，是精度最高的表面形貌观测仪。利用其探针尖端可以俘获和操纵分子和原子，并可按照需要拼成一定的结构，进行分子和原子的装配制作微机械。第一百零一页，共一百二十二页，2022年，8月28日中国科学院化学研究所用原子摆成中国地图；美国的IBM公司用扫描隧道显微镜STM操纵35个氙原子，在镍板上拼出了“IBM”三个字母；第一百零二页，共一百二十二页，2022年，8月28日加工方法多样化两个领域：微机械加工、半导体化学加工；从单一加工技术向组合加工技术发展。从单纯硅材料向着多种类型材料发展如玻璃、陶瓷、树脂等。提高微细加工的经济性LIGA出现是微机械进行批量生产的范例。3.6.3微细加工技术的发展与趋势第一百零三页，共一百二十二页，2022年，8月28日第七节表面工程技术

3.7.1表面改性技术3.7.2表面覆层技术3.7.3复合表面处理技术第一百零四页，共一百二十二页，2022年，8月28日表面工程概念：

表面工程技术是通过运用各种物理、化学或机械工艺过程，来改变基体表面状态、化学成分、组织结构和应力状态等，使基体表面具有不同于基体的某种特殊性能，从而达到特定使用要求的一项应用技术。包括表面处理、表面加工、表面涂层、表面改性以及薄膜技术等内容。第一百零五页，共一百二十二页，2022年，8月28日1、激光表面改性是以高能量的激光束快速扫描工件表面，升温速度可达105-106ºC/s，冷却速度104ºC/s,快速自冷淬火,比常规淬火硬度高15-20%，淬火变形非常小，表面无须保护。3.7.1表面改性技术激光表面改性装置组成示意图1-全反射镜2-谐振腔3-部分反射镜4-导光系统5-弯曲反射镜6-聚光系统及保护气通入7-x-y移动工作台8-气体交换装置9-配电盘

10-冷却装置11-控制系统第一百零六页，共一百二十二页，2022年，8月28日2、电子束表面改性利用电子能深入金属表面，与基体金属原子核碰撞，使被处理金属表层温度迅速升高。加热和冷却速度快，能量密度大；为激光成本的1/3；结构简单；能量利用率高于激光；在真空工作，工件表面不易氧化；控制比激光容易。

电子束产生及工作示意图1-工作台2-加工室3-电磁透镜4-阳极5-栅极6-灯丝7-电源8-电子束9偏转线圈10-工件

第一百零七页，共一百二十二页，2022年，8月28日3、离子注入表面改性可注入任何元素，不受固溶度和扩散系数影响；离子注入温度易控制；不氧化、不变形、不软化，可作最终处理工艺。可控性、重复性好。可获得两层以上复合材料，复合层不易脱落。图3-52离子注入装置示意图1-离子源2-质量分析器3-高压电极4-加速管5-聚焦电极6-X扫描电极7-Y扫描电极8-中性束9-试样室第一百零八页，共一百二十二页，2022年，8月28日热喷涂技术

3.7.2表面覆层技术粉末火焰喷涂大气等离子喷涂爆炸喷涂第一百零九页，共一百二十二页，2022年，8月28日气相沉积技术物理气相沉积PVD将镀料气化成原子、分子或离子，直接沉积到基体表面。真空蒸镀将工件放入真空室内加热，使镀膜材料蒸发或升华，飞至工件表面凝聚成膜；溅射镀膜用荷能粒子轰击材料表面，使其获得足够能量，飞溅变为气相，在基体表面上沉积；离子镀膜利用气体放电使物质离子化，在气体离子轰击下把蒸发物沉积在基体上成膜。第一百一十页，共一百二十二页，2022年，8月28日化学气相沉积CVD借助气相作用和在基体表面上的化学反应生成所要求的薄膜。第一百一十一页，共一百二十二页，2022年，8月28日渗钛与离子渗氮复合热处理；渗碳、渗氮、碳氮共渗；液体碳氮共渗与高频感应加热表面淬火的复合强化；激光与离子渗氮复合处理；表面覆层技术与其他表面处理的复合技术；离子辅助涂覆；离子注入与气相沉积复合表面改性。3.7.3复合表面处理技术第一百一十二页，共一百二十二页，2022年，8月28日第八节现代特种加工技术

3.8.1激光加工3.8.2超声波加工3.8.3水射流切割加工第一百一十三页，