先进制造技术第3章

第3章先进制造工艺技术内容要点：

--机械制造工艺内涵及其发展

--铸、锻、冲等受迫成形工艺

--基于机械能的切削加工材料去除成形

--基于非机械能的特种加工材料去除成形--增材制造

--表面工程

--微纳制造

--再制造技术

--仿生制造技术3.1.1机械制造工艺流程及其分类3.1.2先进制造工艺的产生和发展3.1.3先进制造工艺技术特点3.1概述机械制造工艺流程：

1）毛坯制备阶段--如切割、焊接、铸造、锻压等；

2）机械加工成形阶段—如车削、铣削、刨削、镗削、磨削等：

3）表面改性处理阶段—如热处理、电镀、化学镀、热喷涂等；

上述阶段划分逐渐模糊、交叉，甚至合而为一3.1.1机械制造工艺流程及其分类机械制造工艺：原材料成品半成品方法和手段改变形状,尺寸,性能,位置机床、工具常见机械制造工艺流程3）堆积成形

将材料有序地合并堆积成形

工艺，如快速原形制造、焊接等。机械零件成形方法：1）材料受迫成形在特定边界和外力约束下

成形工艺，如铸造、锻压、注射成形等。2）材料去除成形

通过机械能切削加工工艺将材料从基体中

分离去除，如车、铣、刨、磨等。

通过非机械能特种加工工艺将材料分离去除，

如电火花加工、电解加工、激光加工等。2、先进制造工艺的产生和发展1)纳米级机械加工精度

--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；

--进入21世纪，达到10nm的精度水平，当前机床精度每8年提高一倍。2)超高速切削加工速度

--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。

近一个世纪内，切削加工速度提高100多倍。3）新型工程材料的应用推动制作工艺的进步

类型：超硬材料、超塑材料、高分子材料、复合材料、工程陶瓷等

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）制造工艺装备转向数字化和柔性化

--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5）材料成形向少无余量方向发展

如：熔模精密铸造、精密锻造、精密冲裁、冷温挤压等新工艺。6）优质清洁表面工程技术形成

表面工程：是通过表面涂覆、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，获取与基体材料不同性能的技术。如：电刷镀、化学镀、气相沉积、热喷涂、激光表面、离子注入等。7）新型成形工艺的产生与应用

如：多点成形、数控渐进成形、快速原型、金属喷射等新型成形工艺。1）优质产品质量高性能好、尺寸精确表面光洁、使用寿命和可靠性高。2）高效

极大提高劳动生产率高，大大降低操作者劳动强度和生产成本。3）低耗大大节省原材料和能源消耗，提高自然资源利用率。4）洁净零排放或少排放，不污染环境，符合环境保护要求。5）灵活快速响应市场和生产过程变化，多品种柔性生产，适应多变的消费市场需求。3.1.3先进制造工艺技术特点3.2材料受迫成形工艺技术3.2.1精密洁净铸造成形技术3.2.2精确高效金属塑性成形技术3.2.3高分子材料注射成形技术1、精密铸造成形技术1）精确砂型铸造

--粘土砂造型

铸件质量差，生产效率低，环境污染严重。

--自硬树脂砂造型

高强度、高精度、高溃散性；适合复杂铸件制作；

铸件壁厚可<2.5mm。

2）高紧实砂型铸造如气冲造型--可提高铸型强度，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。3.2.1精密洁净铸造成形技术高紧实气冲造型

3）消失模铸造

--利用泡沫塑料作为铸造模型，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；

--能够获得光洁表面、尺寸精确，无飞边、少无余量精密铸件。消失模铸造工艺过程4）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：金属模具，以压力浇注取代重力浇注；铸件精确、表面光洁、内部致密。金属模压铸成型

合型压铸开模2、洁净绿色铸造

1）洁净能源

以感应电炉代替冲天炉，减轻对空气的污染；

2）无砂或少砂特种铸造

如压力铸造、金属型铸造、挤压铸造等；

3）清洁无毒工艺材料

使用无毒无味变质剂、精炼剂、粘结剂等；

4）高溃散性型砂工艺

树脂砂、酯硬化水玻璃砂工艺；

5）废弃物再生和综合利用

旧型砂再生回收、熔炼炉渣处理和综合利用；

6）自动化作业采用铸造机器人或机械手代替工人在恶劣条件下工作3、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。铸造过程计算机模拟软件，如：

德国的MACMAsoft软件英国的Procast软件清华大学Flsoft软件等3.2.2精确高效金属塑性成形技术

模锻坯料普通模锻精密模锻锥齿的精密模锻工艺金属塑性成形：通过材料塑性变形实现所要求的形状、尺寸和性能，

包括锻造、冲压、轧制、挤压等工艺。

1、精密模锻

是利用模锻设备锻造出形状复杂、精度较高锻件工艺方法。2、精密冲裁

呈纯剪切分离冲裁工艺，通过模具改进提高精度，

可达IT6-9级，Ra1.6-0.4µm。

1）光整冲裁采用小圆角、较小冲模间隙进行冲裁的工艺。2）负间隙冲裁凸模尺寸大于凹模型腔尺寸，其冲裁间隙为负值。

3）带齿圈压板冲裁在模具结构上多了一个齿圈压板和一个顶出杆。a)光整冲裁b)负间隙冲裁c)带齿圈压板冲裁精密冲裁模具结构3、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4、超塑性成形工艺

超塑性现象：在一定内部条件和外部条件下，金属材料呈现异常低的流变抗力、异常高的延伸率现象。每种金属都存在一定的超塑性，如锌、铝、铜等合金超塑性达1000%，有的甚至达2000%。

金属超塑性类型：

1）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）。

2）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。超塑性成形工艺的应用：例1：飞机钛合金组合件用超塑性成形工艺可一次整体成形，大大减轻

了构件的质量，提高了结构的强度。例2：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。超塑性气压成形工艺铝合金汽车覆盖件快速超塑性成形工艺

超塑性成形效率较低，可采用热冲压与超塑性复合成形工艺，将大大提高其成形效率，如下图：3.2.3高分子材料注射成形技术高分子材料注射成形：是将高分子材料从料斗送入料筒，由柱塞将其送入加热区融化，通过分流梭和喷嘴，将熔融材料注入模具模腔冷却后成形。注射成形原理示意图1）气体辅助成形：利用熔融塑料在模具型腔内冷却前的时间差，将具有一定压力的惰性气体注入成形体内，在其较厚部分形成空腔，致使成品壁厚均匀，防止缩痕或翘曲现象产生。气体辅助注射成形原理a)注入塑料熔体b)气体穿透c)保压冷却d制品脱模2）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。注射压缩成形工艺原理图3）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图4）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3.3.1超精密加工概述3.3.2超精密切削加工3.3.3超精密磨削加工3.3.4超精密加工机床设备3.3.5超精密加工支持环境3.3超精密切割加工技术当前精密、超精密加工达到的精度范围

3.3.1超精密加工概念分类加工精度表面粗糙度普通加工低于1μm大于Ra0.1μm精密加工0.1-1μmRa0.01-0.1μm超精密加工高于0.1μm小于Ra0.01μm0.0011nmµm1001010.10.01192019401960198020002020

原子间距离精密加工超精加工常规加工加工精度级别与年代的关系曲线超精密加工所涉及的技术范围：1）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；2）超精密加工的刀具、磨具及其制备

刀具的刃磨、超硬砂轮的修整；3）超精密加工机床设备

机床精度、刚度、抗振性、微量进给机构；4）精密测量及补偿技术

具有在线测量和误差补偿；5）严格的工作环境

恒温、净化、防振和隔振等。

3.3.2超精密切削加工超精密切削加工：用于金刚石刀具切削非铁类金属以及玻璃、大理石、碳素

纤维等非金属材料。1、超精密切削对刀具的要求：

1）极高硬度、极高耐用度和极高弹性模量，保证刀具寿命和尺寸耐用度；

2）刃口能磨得极其锋锐，刃口圆弧半径ρ值极小，能实现超薄切削厚度；

3）刀刃无缺陷，避免刃形复印在加工表面；

4）抗粘结性好、化学亲和性小、摩擦系数低、能得到极好加工表面完整性。2、金刚石刀具性能特征：

1）极高的硬度HV6000-10000,而TiC仅为HV3200，WC为HV2400；

2）能磨出锋锐刃口刃口半径可达纳米，普通刀具5-30μm；

3）与有色金属摩擦系数低、亲和力小与铝的摩擦系数仅为0.06-0.13；

4）耐磨性好，刀刃强度高刀具磨损极慢，刀具耐用度极高。

天然单晶金刚石：被公认为

是最理想不能替代的超精密切削刀具材料3、超精密切削时的最小切削厚度：如图：A点为极限临界点，其位置由切削变形剪切角θ确定，剪切角θ又与摩擦系数μ和刀刃圆弧半径有关：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超精密磨削：是铁素类金属、脆性材料超精密加工的主要手段，磨削精度<=0.1μm，表面粗糙度<Ra0.025。关键技术：砂轮的选择、砂轮的修整、磨削用量和高精度磨削机床。1、超精密磨削砂轮：

金刚石砂轮：较强磨削能力，较高磨削效率，磨削速度12-30m/s；

CBN砂轮：较好热稳定性和化学惰性，磨削速度80-数百米/s。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：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。

3.3.3超精密磨削加工2、超硬磨料砂轮修整

1）车削法--用金刚笔车削金刚石砂轮，修整成本高；

2）磨削法--用普通砂轮对磨，修整效率和质量较好，普通砂轮消耗大；

3）喷射法--将碳化硅、刚玉等磨粒高速喷射砂轮表面，去除部分结合剂，使超硬磨粒突出；

4）电解在线修锐法（ELID)--应用电解原理完成砂轮修锐过程；

5）电火花修整--应用电火花放电原理完成砂轮修整。在线电解修锐法（ELID)电火花修整法

3、磨削速度和磨削液

金刚石砂轮—热稳定性为700~800ºC，通常磨削速度为12~30m/s。立方氮化硼砂轮--热稳定性较好，磨削速度100m/s以上。

磨削液：

--磨削液具有润滑、冷却、清洗、渗透性、防锈等功能；

--湿磨比干磨可提高砂轮寿命40%左右;--油性磨削液：主要成分是矿物油，润滑性能好；

--水溶性磨削液：主要成分是水，冷却性能好；

--金刚石砂轮磨削硬质合金时，普遍采用煤油；

--CBN砂轮磨削时宜采用油性液，一般不用水溶性液。3.3.4超精密加工机床设备超精密机床：高精度、高刚度、高加工稳定性和高度自动化程度的机床。其关键部件有：主轴部件、床身、导轨、驱动部件等。1、精密主轴部件滚动轴承

回转精度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。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。1-径向液压轴承

2-止推液压轴承

3-真空吸盘

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

典型液体静压轴承主轴结构

双半球空气轴承主轴2、床身与导轨

--床身:要求抗振衰减能力强、热膨胀系数低、尺寸稳定性好。床身材料：多采用人造花岗岩，稳定性好、膨胀系数低、硬度高、耐磨、不生锈，可铸造成型，克服天然花岗岩有吸湿性不足。

--精密导轨：高直线度、低摩擦系数、不能有爬行。导轨类型：液体静压导轨、空气静压导轨。1-静压空气

2-移动工作台

3-底座

平面空气静压导轨示意图3、微量进给装置

要求：

分辨率达到0.001-0.01μm；精、粗进给分开，提高微位移精度和稳定性；低摩擦系数和高稳定性；末级传动元件必须有很高的刚度；工艺性好，容易制造；具有自动控制功能，动态性能好。双T形弹性变形微进给装置原理图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，最大位移15-16μm分辨率0.01μm静刚度60N/μm1-刀夹2-机座3-压电陶瓷4-后垫块5-电感测头

6-弹性支承

压电陶瓷微进给装置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

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。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3.3.5超精密加工环境1-隔振空气弹簧2-床身3-工作台

美国LLL实验室超精密机床隔振基础最小分辨率5nm，表面粗糙度Ra0.008um不圆度0.1um，

主轴回转精度0.05um，导轨直线度0.1um/100mm超精密数控车床NAM-800(北京机床所）3.4.1高速加工概念及特点3.4.2高速切削加工技术3.4.3高速磨削加工技术3.4.4高速干切削技术3.4高速切削加工技术3.4.1高速加工概念及特点超高速切削概念示意图

Salomon切削理论：

工件材料均有一个临界切削速度，在该速度下有最高切削温度。高速切削速度：铝合金：1000-7000m/min

灰铸铁：800-3000m/min

铜：900-5000m/min

钢：500-2000m/min

钛：100-1000m/min常见几种材料高速切削速度区域高速切削特点：

1）切削力低--切削变形小，切屑流出速度加快，切削力比常规速度降低30-90%；

2）热变形小--温升不超过3ºC，90%切削热被切屑带走；

3）材料切除率高--单位时间内切除率可提高3-5倍；

4）显著提高加工质量--切削激振频率远高于机床系统固有频率，加工

平稳、振动小。

5）可简化工艺流程--工件加工可在一道工序中完成，称为“一次过技术”（Onepassmaching）。

3.4.2高速切削加工技术关键技术：高速切削机理、高速切削刀具、高速切削机床、

高速切削安全防护、高速切削测试及监控等。1、高速主轴单元

要求：先进主轴结构、低摩擦长寿命主轴轴承、良好润滑和散热条件。通常采用“电主轴”结构形式。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。2、快速进给系统

滚珠丝杆+伺服电机：加速度一般为0.4－0.6g，进给速度为40-60m/min。

直线电机零驱动装置：没有机械传动间隙和弹性变形，是未来机床进给传动的基本形式，进给速度可达300m/min，加速度可达2.5-10g。直线电机组成结构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防护罩直线电机零驱动装置3、先进机床结构

要求：有足够刚度、强度、高阻尼和热稳定性；

立柱与底座为整体结构；高阻尼特性材料-聚合物混凝土；

防弹玻璃观察窗；常用结构有龙门式、并联式机床结构。重心驱动：驱动力作用于移动

部件重心，可提高加减

速性能。重心驱动龙门式机床结构

并联式机床结构：用杆系机构驱动主轴部件，机床结构简单紧凑、刚度高、动态性能好。METROMP800型高速5面并联加工机床主轴：24000r/min,14kW工作台直径：800mm4、高速切削刀具系统要求：抗磨损、红硬性好；良好的动平衡，安全可靠定位。

常用刀具：硬质合金涂层刀具、陶瓷刀具、聚晶金刚石刀具、CBN刀具。

刀柄结构：当转速高于10000r/min，离心力将使主轴锥孔扩张，降低刀

柄连接刚度，采用双定位刀柄结构，其锥部和端面同时与主轴定位，

重复定位精度可达0.001mm。

HSK刀柄联结结构5、高性能CNC控制系统

要求：1）高运算速度和控制精度，以满足复杂曲面高速加工要求；2）具有加速预插补、前馈控制、钟形加减速控制、

精密矢量补偿和最佳拐角减速控制等功能；3）极高运动轨迹控制精度，优异动力学特征。高速磨削速度：常规磨削速度：<35m/min；高速磨削速度：>50m/min;

最高磨削速度：达500m/s；实用高速磨削速度：100m/s-250m/s。高速磨削特点：提高磨削效率和磨削精度;若切除率不变，则单磨粒切削厚度降低，磨削力减小；若维持切削力不变，可提高进给率，缩短加工时间，提高生产效率；可磨代车，以磨代铣，大幅度提高生产效率，降低生产成本。

3.4.3高速磨削加工技术1、高速主轴

在线动平衡：由于砂轮组织结构不规则性，任何微小不平衡均引起较大离心力，加剧磨削振动，为此必须配备在线自动动平衡装置。高速主轴一种动平衡装置1信息传送单元2紧固发兰盘3电子驱动平衡块4-磨床主轴

2、高速磨床结构

应具有高动态精度、高阻尼、高抗振性和热稳定性。高速高往复运动平面磨床磨削速度125m/s，工作台往复1000st/min，是普通磨床10倍。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、金刚石。高速砂轮典型结构变截面等力矩腹板结构，无中心法兰孔，通过多个小螺孔与主轴安装固定，以降低法兰孔应力。4、冷却润滑液

作用：提高磨削切除率、延长砂轮使用寿命、降低工件表面粗糙度，

担负着冷却、润滑、清洗以及传送切屑的任务。

出口流速对高速磨削效果影响：

出口流速接近砂轮圆周线速度时：润滑效果最好，清洗效果很小；

出口流大于砂轮圆周速度时：润滑减弱，清洗效果增强。冷却润滑液流速对冷却润滑效果的影响a)v冷接近v砂b)v冷大于v砂1、高速干切削技术内涵

切削液负面影响：

①切削液相关成本占零件加工总成本的14~17%；

②对环境污染严重，不符合可持续发展；

③烟雾和异味直接危害操作工身体健康。

高速干切削：不使用或使用微量的切削液。

高速干切削优点：

对环境污染小；简化了生产系统；大幅度降低生产成本，已在较多制

造领域得到成功的应用。3.4.4高速干切削技术2、高速干切削机床

1）采用高速切削机床

高速切削加工90%切削热由切屑带走，工件基本

保持室温状态，这是高速干切削技术提出的初衷和基础。

2）便于排屑的机床结构

使切屑利用自重自动排出，不致使切削热传递

给机床部件引起热变形，如将采用倾斜或倒立式布局结构。

3）采用热平衡和热补偿技术

采用对称结构机床基础件，从结构上实现

热平衡，采用热膨胀系数较低的结构材料，对机床温升及时热补偿。3、高速干切削刀具

1）选用性能优越的刀具材料

刀具材料具有热硬度、耐磨性和热稳定性

等性能，如超细硬质合金、金属陶瓷、CBN等新型刀具材料。2）先进的刀具涂层技术

涂层刀具是当前高速干切削最常用刀具技术，

可减小摩擦因数，提高自润滑性能，降低导热率。3）优化刀具结构

采用大前角、大刃倾角、负倒棱结构，减少切屑与前

刀面接触面，加强刀刃强度。4、高速准干切削

准干切削技术：若难以完全干切削，可采用最少量润滑技术（MQL），

即将极微量切削液与压缩空气混合雾化，将之喷向切削区对刀具与切屑

进行润滑，可显著改善切削区的加工条件，降低刀具磨损。

准干切削技术效果：

湿切削：典型加工中心每分钟需消耗20~100L切削液；

准干切削：每小时仅需0.03~0.2L切削液，切屑可直接回收利用。

钻削效果试验：铝合金工件钻孔试验。--没有采用冷却液纯干钻削：钻16个孔，切屑粘结钻头不能继续使用；

准干钻削：钻出了320个合格孔，钻头仍没有明显的磨损和粘结。3.5基于非机械能的特种加工技术3.5.1特种加工概述3.5.2电火花加工3.5.3电化学加工3.5.4高能束流加工3.5.1特种加工概述特种加工：是采用如电能、热能、光能、化学能、声能等非机械能实现

材料去除的机械加工工艺方法。特征加工特征：1）不受被加工材料物理和机械性能的限制，可加工各种硬、软、脆、热敏

、耐腐蚀、高熔点、高强度以及特殊性能的金属和非金属材料。2）属于非接触加工非常适合于其刚性极低或柔性材料的零件加工。3）易于获得良好的表面质量，不会引起剧烈的弹、塑性变形，残余应力、

冷作硬化影响程度。4）加工能量易于控制和转换，使复杂型面、型腔、异型孔、微小孔、深孔

、窄缝等难以成形的零件加工成为可能。5）易于实现复合加工，大大提高机械加工工艺能力，扩大加工工艺范围。1、电火花加工原理

是在一定液体介质中利用工具和工件两电极之间脉冲火花放电时的电蚀作用来蚀除多余的金属。基本条件：

①必须提供脉冲电源；

②具有一定绝缘强度的液体介质；

③必须保持一定的放电间隙；

④足够的脉冲放电强度。3.5.2电火花加工1工件2脉冲电源

3伺服系统

4工具电极

5工作液

6过滤器

7液泵电火花加工基本过程：a）电极间工作液的电离、击穿并形成放电通道；b）电极材料熔化和气化，工作液被热分解、气化膨胀；c）电极材料抛出

d）电极间工作液的消电离2、电火花加工优点和局限性电火花加工优点：1）可加工任何难切削导电材料，如聚晶金刚石、立方氮化硼等超硬材料。2）可加工任何复杂形状的型面零件，没有宏观切削力，可将工具电极的结

构形状完全复制到工件上，特别表面形状复杂的零件型面加工。电火花加工局限性：1）主要用于金属导电材料的加工。2）加工速度较慢，可先用切削加工去除大部分工件余量，然后再用电火花

成形加工。3）存在电极损耗，会影响成形精度。3、电火花加工机床1）电火花成型加工机床

机床本体单元：包括机床床身、立柱、工作台等主要机械部件。主轴单元：主要由主轴伺服进给系统、导向机构、工具电极装夹机构以及平动头组成。控制单元：负责对脉冲电源以及进给调节系统的控制。工作液循环及过滤单元：由液压油箱、电动机、液压泵、过滤装置、油杯、管道和阀门等组成。2）电火花线切割机床

1绝缘板2工件3脉冲电源4钼丝5导向6支架7储丝筒a)线切割工艺b)机床构成图快走丝线切割加工原理图慢走丝线切割机床原理及结构组成1脉冲电源2工件3工作液箱4去离子水5泵6储丝筒7工作台8X轴电机9数控装置10Y轴电机11卷丝筒1、电化学加工机理

是利用电化学反应对金属材料进行加工的。电解加工：在阳极表面金属原子失去电子成为正离子溶入电解液的现象。电铸加工：在阴极表面电解液中的正金属离子得到电子而还原成金属原子沉积其表面的现象。3.5.3电化学加工电解液中的电化学反应2、电解加工1）电解加工过程

将工件接正极，工具接电极，电解液在两电极间流过，电化学阳极溶解作用是工件逐渐被电解腐蚀，废屑被高速电解液冲走。

加工开始时，距离较近地方电流密度较大，溶解速度较快，逐步加工至工件表面完全与阴极工作面完全相反的形状为止。

1电源2工件阳极3工具阴4机床主轴

5电解液泵6电解液槽电解加工成形过程（2）电解加工工艺特点与局限性电解加工工艺特点：1）加工范围广，不受金属材料自身力学性能的限制。2）生产效率较高，其生产率大致为电火花加工的5～10倍。3）加工质量好，加工精度±0.05～0.1mm，表面粗糙度Ra1.25～0.2μm。4）没有切削力，没有残余应力和加工变形，没有飞边和毛刺。5）工具阴极无溶解反应，在理论上工具电极不会损耗，可长期使用。电解加工局限性：1）加工精度的稳定性不高，影响电解加工因素较多，控制比较困难。2）单件小批量的生产成本较高，工具阴极制备周期较长、成本高。3）附属设备多，一次性投资较大。4）电解液需要处理，否则会污染环境。3、电铸加工

1）电铸加工原理

在电场作用下，电铸液中的金属正离子获得电子而还原成为金属原子沉积在阴极原模表面，通过不断沉积过程使镀覆层不断加厚，达到预定厚度时终止电铸过程，可获得与原模型面完全凹凸相反的电铸件。电铸加工原理图（2）电铸加工特点与应用1）能够准确、精密地电铸复制复杂型面和微细纹路，如唱片等。2）可获得尺寸精度高复制品，同一芯模生产的电铸件一致性较好。3）可把复杂零件的内(外)表面复制成原模，适用性广泛。4）主要用于复制精细的轮廓表面花纹、注塑模具、粗糙度样规等。（3）电铸加工工艺过程

1）原模选择与前处理

金属原模：主要是对原模表面进行钝化处理，以便电铸后脱模；

非金属原模：主要是导电化处理，即原模表面金属化。

2）电铸作业：需注意：

①电铸液必须连续过滤，以除去电解质沉淀、阳极夹杂物等；

②必须搅拌电铸液，以减少电铸液浓差极化，增大电流密度；

③严格控制电铸液成分、浓度、酸碱度、温度以及电流密度。3）电铸后处理

衬背：是用于加固电铸制品，避免脱模或后续加工时损坏；

脱模：是将电铸件与原模进行分离。高能束流加工：是以具有很高能量密度的束流聚焦在工件表面，完成材料去除、连接、生长、改性等加工任务，包括激光束加工、电子束加工、离子束加工以及水射流加工等。1、激光加工（1）激光加工原理

利用高功率密度激光束聚焦材料部位，有光能转换为热能，在其高温作用下，将材料瞬发生熔化和气化，以达到材料加热或去除加工的目的。3.5.4高能束流加工2）激光加工的特点

功率密度高，几乎可以加工所有金属和非金属材料。激光光斑可聚焦到微米、亚微米级，可用于精密、微细加工。属于非接触加工，没有明显机械力，没有工具损耗和机械加工变形。热影响区域小，工件变形小，可通过透明介质进行加工。是一种瞬时局部融化、气化的热加工，其影响因素多，须反复试验，才能达到精微加工要求。光洁表面或透明材料加工时，须预进行色化或打毛处理。3）激光加工的应用

激光打孔，如宝石轴承、钻石拉丝模、化学纤维喷嘴等小孔的加工。激光切割，可实现不同形状金属和非金属零件的切割加工。激光焊接，无需焊料和焊剂，热影响区小、焊接质量高。激光打标，可刻蚀打标所需要的文字或图案。激光表面处理，使零件表面获得耐磨、耐腐蚀、耐高温等特有性能。不同类型的激光表面处理工艺2、电子束加工1）电子束加工原理在真空条件下将电子束进行聚焦，并以极高速度冲击到工件表面，在极短时间内将其动能转化为热能，在瞬时高温下引发工件材料熔化和气化，以达到加工的目的。1工作台2偏转线圈3电磁透镜4光阑5加速阳极6发射阴极7控制栅极8观察系统9真空室门10工件电子束加工装置结构示意图3、离子束加工

在真空条件下离子束经过加速、聚焦，以较高的动能轰击工件表面，利用离子微观机械撞击机理实现对工件材料的加工。a）离子刻蚀：将离子束斜射到靶材表面，其表面原子经撞击被剥离，形成原子尺度的切削加工。b）离子溅射沉积：将离子束倾斜轰击靶材，靶材表面原子轰击出来并沉积在工件表面上，为其镀上了一层薄膜材料。c）离子镀：当靶材溅射的原子沉积工件表面同时，用离子束轰击工件表面以增强膜材的结合力。D）离子注入：采用高能量离子束直接轰击材料表面，使离子钻进材料表面层，使其化学成分和机械物理性能均得到改变。1离子源2吸极3离子束

4工件5靶材4、水射流切割加工应用高压和高速水流对工件材料的冲击作用以达到材料切割去除的目的。水射流切割特点：1）切割品质优异，属于“冷加工”属性，无热量产生，切削力小，没有机械应力与应变，适合低熔点、易燃易爆品以及有爆炸危险场合使用。2）切割能力强，没有材料和厚度的限制，既可切割金属类硬脆性材料。3）清洁、环保无污染，“无尘切割”，对环境和操作者无危害。4）蓝宝石喷嘴，不易磨损，不需要磨刀。5）若水射流中混入磨料颗粒，具有更强的切割能力。3.5.1增材制造技术基本原理3.5.2增材制造主要工艺技术3.5.3增材制造技术的应用3.5.4增材制造技术的局限3.5增材制造技术增材制造：是基于离散-堆积原理，通过材料逐层累加方式成形的工艺技术。于20世纪80年代诞生，又被称为快速原型制造、实体自由制造。特点：无需毛坯准备，无需刀具、夹具、模具辅助工具，可快速、精确制造出任意复杂形状零件，减少加工工序，缩短生产周期。增材制造工艺过程：3.5.1增材制造技术基本原理增材制造工艺过程：

1）三维模型建立应用三维CAD系统构建三维实体模型或通过不同测量设备对三维实体进行反求，继而建立实体CAD模型。

2）模型数据转换将建立的三维实体模型转换为增材制造系统所要求的STL三角化文件。

3）分层切片对STL三角化文件进行切片处理，实现三维实体模型向二维薄片模型的转化。切片厚度根据制造精度设定，厚度愈小，精度愈高。

4）逐层堆积成形根据制造对象要求，用粉材、丝材、片材等完成各切片层成形，通过一层层堆积，最终完成实体成形。

5）成形实体的处理实体成形后，去除不必要的支撑结构材料，根据要求进行固化、修补、打磨、表面强化等后处理工序。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，制造过程需要设计支撑，加工环境有气味。3.5.2增材制造主要工艺技术SLA工艺原理图

2）叠层实体制造法

（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

3）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

4）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。1-激光器

2-激光窗3-加工平面

4-生成零件5-原料粉末

6-铺粉滚筒SLS工艺原理图5）三维打印法（3DP）粉末粘接型3DP

：与SLS工艺类似，通过喷头在材料粉末上喷射出的粘接剂进行粘接成形，以此打印出零件的一个个截面层。

粉末粘接剂型3DP原理图光敏固化式3DP

：打印头喷出的是液态光敏树脂，利用紫外光对其进行固化，类似于行式打印机。光敏固化式3DP原理图①同轴送粉激光熔覆(LENS)

将金属粉末送入激光束熔池中融化，将熔融金属液逐点逐线熔覆截面层叠加成形。

特点：惰性气体保护,熔覆层组织致密，力学性能高，可达锻件性能。

不足：难以成形复杂精细结构，粉材利用率偏低，主要用于毛坯成形。

LENS工艺原理图

6）金属材料的增材制造技术②粉末床选择性激光熔化(SLM)：

利用高能束激光熔化铺设在粉

床上薄层粉末，逐层熔化堆积成形。

与SLS区别：SLS非完全熔化，而SLM是将金属粉末完全冶金熔化，

激光器功率密度高，成形件致密，达锻件水平。

不足：工艺成形效率较低，可重复性及可靠性有待优化。③电子束熔化技术（EBM）：

EBM与SLM工艺成形原理相似，

差别为热源不同，前者为电子束，后者激光束。

特点：是以电子束为热源，能量吸收率高，材料润湿性增强，冶金结合强度高。

不足：需要预热，影响成形效率，成形室须为高真空，系统复杂，

SLM工艺原理图3.5.3增材制造技术的应用1）航空航天可选择激光烧结工艺成形战斗机尼龙环境风道，可采用金属烧结技术制造金属飞机零件。2）汽车工业可制造完整车身，定制仪表盘，制造复杂结构进风口零件等。3）医疗采用增材制造技术定制假体、制造颅骨模型、牙冠、骨骼等。4）工艺装备制造包括夹具、量具、模具、金属浇注模型等工艺装备。5）产品原型

3DP模型可让设计制造部门更好评价、改进创新产品。6）文物保护用3DP复制品保护原始作品不受环境或意外事件的伤害。7）建筑设计可用3D打印机打印的建筑模型。8）工艺饰品如个性笔筒、浮雕、戒指等。1）生产效率的局限

与传统批量生产工艺相比，成形效率较低，从而提高了生产成本。如：当前金属材料成形效率为100~3000g/h，

生产成本为10~100元/g。2）制造精度的局限

无论是尺寸精度还是表面质量上与传统切削加工

技术相比还有较大差距，目前精度仅控制在±0.1mm左右。3）材料范围的局限

目前可用于增材制造的材料不超过100种，而在

工业实际应用中的工程材料可能已经超过10000种。3.5.4增材制造技术的局限3.6.1表面改性技术3.6.2表面覆层技术3.6.3复合表面处理技术3.6表面工程技术3.6.1表面改性技术激光表面合金化原理图表面改性：采用特定工艺手段使零件表面获得不同于基体的组织结构和性能

的技术。1、激光表面改性采用大功率激光束以非接触方式加热材料表面，使之

瞬间加热或融化，然后快速冷却以实现表面改性目的，具有能量集中、

加热时间短，材料变形小，效率高成本低的特点。

激光表面淬火：激光束使其温度急剧上升、快速冷却，使工件表面材料

相变硬化。具有无需淬火介质和表面保护等特点。激光表面合金化：将某合金粉材涂敷表面，用激光束使其与基体金属快速

混合融化，在极短时间冷却、凝固形成结合力强、硬度高、耐磨性好

的新合金层。2、电子束表面改性将高速电子束照射金属表面，与基体金属电子相互碰撞，使金属表层温度迅速升高以实现表面改性。其特点：实现快速加热和自冷淬火；运行成本低，仅为激光处理的一半；控制处理简单，无需工件移动；偶合性好，不受反光影响；需在真空下完成，应用受到限制。电子束表面改性原理图3、离子注入表面改性

利用离子注入形式加速改变表面特性。特点：--在真空环境下运行，注入的离子具有极高纯度；

--可注入任何元素材料；

--注入温度任意控制，不发生氧化、不变形，不产生退火软化；

--可调整离子注入深度及其分布；

--注入深度在1um以内，样件尺寸基本不变。离子注入装置示意图表面覆层技术：在产品表面制备保护强化层，以提高耐磨、耐蚀、抗疲劳、抗辐射等表面性能，有电镀、化学镀、电刷镀、热喷涂、电火花喷敷、气相沉积等工艺方法。1、热喷涂技术

1）火焰喷涂：用氧-乙炔喷枪将粉末材料送入火焰区加热熔化，使其雾化成溶液颗粒喷向基体表面。特点：喷射速度低、粘结强度不高。

2）等离子喷涂：利用等离子焰流将喷涂材料加热熔融后，喷射到基体表面形成很薄的涂层。特点：涂层致密，结合强度高。

3）爆炸喷涂：利用爆炸产生高温高速气流将熔融材料液粒喷射到工件表面形成涂层。特点：涂层具有高结合强度和高致密度。3.6.2表面覆层技术粉末火焰喷涂等离子喷涂爆炸喷涂2、气相沉积技术物理气相沉积PVD：利用物理方法将镀料气化成原子、分子或离子，直

接沉积到基体表面。

真空蒸镀：将工件置于真空室，对靶材进行加热蒸发或升华使之在工件基片表面凝聚成膜。

溅射镀膜：在真空室中利用高荷能离子轰击靶材表面，被轰击飞溅起来的粒子在工件基片表面上沉积形成镀膜。

离子镀膜：在真空蒸镀条件下，将气体及被蒸发物质电离化为离子，沉积在工件基片表面形成薄膜层。化学气相沉积CVD：将气态物质经化学反应生成的固态物质沉积在基体表

面的一种镀膜工艺。电子束蒸镀工艺示意图1-真空室2-加热坩埚3-电子束4-电子枪5-基片加热器6-基片7-镀膜层8-蒸汽流9-挡板10-抽真空系统溅射镀膜工艺原理图1、复合热处理技术

1）渗钛与离子渗氮复合处理可在工件表面形成硬度极高TiN化合物层；

2）碳氮共渗处理显著提高零件表面的强度和硬度；

3）碳氮共渗与高频淬火复合强化零件表面硬化层深度可达1.2~2.0mm；4）激光淬火与离子渗氮复合处理硬度可提高到790HV。2、表面覆层与其他表面处理的复合技术表面形成各种覆层后

，再经过热处理，使覆层中的金属原子向基体扩散，以增强覆层结合强度。

1）黑色金属电镀层+热扩散处理

先在零件表面电镀Cu-Sn层，然后进行热扩散处理，可得到一层锡基含铜固溶体，有较好减摩和抗咬合功能。

2）锌浴淬火

在淬火同时对零件表面也进行了镀锌处理，大大缩短了表面处理工时，降低了耗能，提高了零件表面性能。

3）喷涂+激光熔覆

应用热喷涂工艺在金属零件表面涂覆一层合金或陶瓷粉末，再用激光束对该涂覆层进行冶金化熔覆处理，大大提高涂层结合强度。3.6.3复合表面处理技术3.7.1微纳制造技术概念3.7.2微制造工艺技术3.7.3纳制造工艺技术3.7微纳制造技术微纳制造：是指尺度为微米级和纳米级的材料、设计、测量与控制的产品

或系统加工制造及其应用技术。微制造：其尺度及精度为0.1~100μm微米级制造工艺技术。

1）传统加工工艺方法：如微细车削、铣削、磨削或微细电解、电火花、

超声波、等离子束等特种加工工艺实现；2）半导体加工工艺：如光刻、LIGA技术、键合技术、封装技术等；纳制造：其尺度及精度为0.1~100nm纳米级制造工艺技术。1）纳米光刻工艺：实现纳米级微结构器件的制备；

2）基于SPM制造工艺：应用扫描探针显微镜进行纳加工、单原子操纵。3.7.1微纳制造技术概念3.7.2微制造工艺技术多功能微型车床及微加工件a)加工成形的微汽车模具

b)浇筑的微塑料汽车1、微机械加工工艺技术采用“微型机床加工小微零件”工艺技

术，主要针对0.1μm~10mm尺寸范围的小微零件。微细电火花加工微汽车模具光刻加工工艺简图2、半导体硅片微制造技术（1）光刻工艺技术

1）氧化，形成SiO2氧化层；

2）涂胶，涂覆光致抗蚀剂；

3）曝光，对掩膜曝光；

4）显影，显影图形；

5）刻蚀，腐蚀图形；

6）去胶，去除抗蚀剂；

7）扩散，扩散杂质增强性能。

制作双固定多晶硅微桥的牺牲层工艺（2）牺牲层工艺技术制作各种微腔和微桥结构的重要工艺手段。1）沉淀磷玻璃作为牺牲

层，并腐蚀成所需图案。2）在牺牲层表面沉淀多晶硅，并光刻所需形状。3）腐蚀去除牺牲层得到分离的微桥结构。

LIGA工艺过程LIGA树脂胎膜和金属微结构件（3）LIGA工艺技术

是集光刻、电铸成形和微注塑三种工艺为一体的三

维立体微细加工的复合技术。

1）光刻，对光敏胶进行感光、显影，得到精确的立体光敏胶模型；

2）电铸，用光刻模型作为电铸胎膜，进行电铸得到微金属结构件；

3）注塑，将电铸制成的微金属件作为注塑模具进行批量生产。3.7.3纳制造工艺技术

STM原理结构1、扫描探针显微镜SPM

包括STM、AFM、LFM等不同探针显微镜。

1）STM扫描隧道显微镜原理：当探针与样件非常接近时(<1nm)，在外加电场作用下产生与两电极距离相关的隧道电流，距离每减少0.1nm，隧道电流将增加一个数量级。通过隧道电流变化检测样件表面的形貌，若控制隧道电流不变，则探针针尖将随着表面起伏而上下波动，可用于导体材料形貌的测量。STM工作原理AFM工作原理2）原子力显微镜AFM原理当两物体间距离小于原子直径时(<0.3nm)，将产生两物体间的排斥力。将AFM探针安装在微弹簧片上，当探针在样件表面扫描时，微弹簧压力基本不变，探针将随样件表面起伏跟随升降，再通过STM或激光显微镜检测探针升降便获知样件表面形貌。2、基于AFM的纳制造技术在AFM上应用高硬度金刚石探针作为切削刃，通过改变探针作用力和探针几何形状，便可实现进行纳米级2D及3D可控切削加工。哈工大用AFM探针，经多次刻划，刻划加工出“HIT”微结构3、基于SPM的原子操纵技术在电压脉冲作用下，在STM探针和样品之间将产生强大的电场，在此强电场作用下可实现单原子的移动和提取操纵。

78个原子的围栏35个原子的IBM字母48个原子的人工围栏101原子的汉字移走原子形成“中国”沟槽3.8.1再制造技术内涵和意义3.8.2无损拆解技术3.8.3绿色清洗技术3.8.4无损检测与寿命评估技术3.8.5再制造成形与加工技术3.8再制造技术3.8.1再制造技术内涵和意义再制造内涵再制造是指以废旧产品作为生产毛坯，通过专业化修复或升级改造使其质量特性不低于原有新产品水平的制造过程。再制造与维修比较：再制造源于维修又区别于维修。维修关注单一零件的修复；再制造是规模化的生产过程，产品性能量不应低于新产品。再制造与正常制造比较：再制造加工对象更苛刻，工艺更复杂，要求更严格。再制造工艺流程：包括无损拆解、零部件清洗、损伤检测、寿命评估、再制造方案设计、再制造加工以及再装配等工艺流程。再制造工艺流程3.8.2无损拆解技术1）敲击拆解：用锤子等工具，通过冲击能量把零件拆解分离，工具简单、

操作灵活，但常常会造成零件损伤或破坏。2）静力拆解：用油压机或顶拔器等进行静力拆解，常用于轴承等精密、

过盈配合、不允许或无法敲击零件的拆解，如轴承、带轮、传动轴等。3）温差拆解：加热配合件使之膨胀，在温差条件下失去过盈实现拆解，常

用于热装零件或尺寸较大零件的拆卸。4）破坏拆解：对于焊接、铆接连接件，或已咬死的轴套件，可用车、锯、

钻、割等方法进行破坏拆解，需保证核心价值件不受损坏。

5）高效、自动、绿色无损拆解：需对产品进行可拆解性设计，进行再制造

拆解工艺规划，开发新型快速、自动、无损拆解工具及装备。1）有机溶剂清洗：用有机溶剂浸泡和喷淋，通过溶解或化学反应将表面污染物去除。2）喷射清洗：高压水射流、喷砂和干冰清洗等物理清洗方法，通过高速运动清洗介质与待清洗表面物理冲击作用去除废旧机电产品表面污染物。3）高温清洗：利用高温水或蒸汽，破坏污垢的结合力实现清洗，尤其对零部件内部表面油污的清洗。4）超声波清洗：是利用超声波的空化效应所产生的瞬间高压轰击待清洗表面，使表面污染物迅速脱落。5）新型清洗工艺：上述清洗技术仍存在清洗效率、清洗成本、环境污染等问题，需继续研究新型清洗工艺。3.8.3绿色清洗技术3.8.4无损检测与寿命评估技术1）超声检测：由发射探头向被测件发射超声波，由接收探头接收由反射法反射回来的反射波，以此信息判断是否存在材料缺陷及缺陷位置和程度。2）X射线检测：利用X射线在被测件基体材料与存在缺陷中的衰减特性不同

进行检测的，主要用于船舶、航天、航空、化工等领域铸件、焊缝等。3）磁粉检测：利用材料缺陷与基体材料的磁导率进行检测，当穿过基体磁

力线遇到材料缺陷时，磁力线逸出被测表面形成漏磁场吸附表面磁粉。4）声发射检测：通过材料中因缺陷塑性变形或相变等引起材料应变能快速释

放而产生的应力波称为声发射，主要用于锅炉、压力容器、焊缝等。5）激光全息检测：是利用激光全息照相来检验物体表面和内部的缺陷，主要

应用于航空、航天、军事等领域以及一些常规方法难以检测的零部件。6）再制造毛坯剩余寿命评估：预测再制造毛坯剩余寿命、再制造零件服役寿

命，判断毛坯有无再制造价值，这是世界前沿性的基础课题。3.8.5再制造成形与加工技术热喷涂修复转轴1、热喷涂修复技术热喷涂：利用气体、液体、电弧、等离子束、激光束等热源将粉状材料加热熔融为液体微粒，以一定速度喷向工件表面，以形成特定的涂层。

特点：不受基体材料限制，可喷涂材料广泛，操作灵活方便，形成耐磨、耐蚀、隔热、抗氧化、绝缘、导电、防辐射等功能涂层。电刷镀工艺原理2、电刷镀修复技术电刷镀原理：利用电解方法使电镀液中的金属离子在零件表面还原并沉积，形成具有一定结合力和厚度的电刷镀层。电刷镀特点：

1）工艺简单，操作灵活方便，经济实用，可现场修复大型精密设备。

2）允许使用较高电流密度，沉积速度快。

3）配备不同形状刷镀笔，可修复各种结构复杂零部件。

4）电刷镀溶液种类多，应用范围广，适用各种不同需要。

5）可多层刷镀