习题先进制造技术习题参考2021年

习题先进制造技术2122）习题参考2021

答：1、系统性

先进制造技术由于微电子、信息技术的引入，使制造技术成为一个能驾驭生产过程的物质流、

信息流与能量流的系统工程。如柔性制造系统（FMS）、计算机集成制造系统（C1MS）技术

是先进制造技术全过程操纵物质流、信息流与能量流的典型应用案例。

2、集成性

现代制造技术使各专业、学科间不断交叉、融合，其界限逐步淡化甚至消失，进展成为集机械、

电子、信息、材料与管理技术为一体的新型交叉学科。集成技术显示出高效率、多样化、柔性

化、自动化、资源共享等特点。

3、广泛性

现代制造技术则贯穿了从产品设计、加工制造到产品销售及用户服务等整个产品生命周期全过

程，成为''市场一产品设计一制造一市场”的大系统。

4、高精度

现代制造对产品、零件的精度要求越来越高，在飞机、潜艇等军事设施中使用的精密陀螺、大

型天文望远镜与大规模集成电路的硅片等高新技术产品都需要超精密加工技术的支持。这些需

求使激光加工、电子束、离子束加工、纳米制造、微机械制造等新方法迅速进展。

5、实现优质、高效、低耗、清洁、灵活的生产

先进制造技术的核心是优质、高效、低耗、清洁、灵活生产等基础制造技术，它是从传统的制

造工艺进展起来的，并与新技术实现了局部或者系统集成。

1-2叙述先进制造技术的构成及分类。

答：先进制造技术的构成：

1、基础技术

第一层次是优质、高效、低耗、少或者无污染的基础制造技术。铸造、锻压、焊接、热处理、

表面保护、机械加工等基础工艺至今仍是生产中大量使用、经济适用的技术，这些基础工艺通

过优化而形成的基础制造技术是先进制造技术的核心及重要构成部分。这些基础技术要紧有精

密下料、精密成形、精密加工、精密测量、毛坯强韧化、无氧化热处理、气体保护焊及埋弧焊、

功能性防护涂层等。

2、新型单元技术

第二个层次是新型的先进制造单元技术。它是在市场需求及新兴产业的带动下，制造技术与电

子、信息、新材料、新能源、环境科学、系统工程、现代管理等高新技术结合而形成的崭新的

制造技术。如：制造业自动化单元技术、极限加工技术、质量与可靠性技术、系统管理技术、

现代设计基础与方法、清洁生产技术、新材料成形与加工技术、激光与高密度能源加工技术、

工艺模拟及设计优化技术等。

3、集成技术

第三个层次是先进制造集成技术。它是应用信息、计算机与系统管理技术对上述两个层次的技

术局部或者系统集成而形成的先进制造技术的高级阶段，如：FMS、CIMS、IMS等。

先进制造技术的分类：

1、现代设计技术

现代设计技术是根据产品功能要求，应用现代技术与科学知识，制定方案并使方案付诸实施的

技术。包含的内容有：

（1）现代设计方法。现代设计方法包含产品动态分析与设计、摩擦学设计、防蚀设计、可靠

性与可保护性及安全设计、优化设计及智能设计等。

（2）设计自动化技术。设计自动化技术指应用计算机技术，进行产品造型与工艺设计、工程

分析计算与模拟仿真、多变量动态优化，从而达到整体最优功能目标，实现设计自动化。

（3）工业设计技术。工业设计技术指开展机械产品色彩设计与中国民族特色与世界流派相结

合的造型设计，增强产品的国际竞争力。

2、先进制造工艺

现代制造工艺技术包含精密与超精密加工技术、精密成型技术与特种加工技术等方面。

（1）精密与超精密加工技术。精密、超精密加工技术是使用去除加工、结合加工、变形加工

加工方法使工件的尺寸、表面性能达到极高的精度。现在的精密、超精密加工已经向纳米技术

进展。

（2）精密成型技术。精密成型技术是生产局部或者全部无余量或者少余量半成品的工艺方法

的统称。包含精密凝聚成型技术、精密塑性加工技术、粉末材料构件精密成型技术、精密焊接

技术及复合成型技术等。其目的在于使成型的制品达到或者接近成品形状的尺寸，并达到提高

质量、缩短制造周期与降低成本的效果，其进展方向是精密化、高效化、强韧化与轻量化。

（3）特种加工技术。特种加工技术是指那些不属于常规加工范畴的加工，如高能束流（电子

束、离子束、激光束）加工、电加工（电解与电火花加工）、超声波加工、高压水加工与多种

能源的组合加工。

（4）表面改性、制膜与涂层技术。表面改性、制膜与涂层技术是使用物理、化学、金属学、

高分子化学、电学、光学与机械学等技术及其组合技术对产品表面进行改性、制膜与涂层，给

予产品耐磨、耐蚀、耐（隔）热、抗疲劳、耐辐射与光、热、磁、电等特殊功能，从而达到提

高产品质量、延长使用寿命与给予新性能的新技术统称，是表面工程的重要构成部分。

3、自动化技术

制造自动化是指用机电设备取代或者放大人的体力，甚至取代与延伸人的部分智力，自动完成

特定的作业，包含物料的存储、运输、加工、装配与检验等各个生产环节的自动化。其目的在

于减轻劳动强度、提高生产效率、减少在制品数量、节约能源消耗与降低生产成本。

自动化技术要紧包含数控技术、工业机器人技术、柔性制造技术、计算机集成制造技术、传感

技术。自动检测及信号识别技术与过程设备工况监测与操纵技术等。

4、系统管理技术

系统管理技术是指企业在市场开发、产品设计、生产制造、质量操纵到销售服务等一系列的生

产经营活动中，为了使制造资源（材料•、设备、能源、技术、信息与人力）得到总体配置优化

与充分利用，使企业的综合效益（质量、成本、交货期）得到提高而采取的各类计划、组织、

操纵及协调的方法与技术的总称。它是现代制造技术体系中的重要构成部分，对企业的最终效

益提高起着重要的作用。

系统管理技术包含工程管理、质量管理、管理信息系统等，与现代制造模式（如精益生产、

C1MS、敏捷制造、智能制造等）、集成化的管理技术、企业组织结构与虚拟公司等生产组织

方法。

1-3先进制造的关键技术。

答：1、集成化技术。在过去制造系统中仅强调信息的集成，这是不够的。现在更强调技术、

人与管理的集成。在开发制造系统时强调''多集成"的概念，即信息集成、智能集成、串并行

工作机制集成、资源集成、过程集成及人员集成。

2、智能化技术。应用人工智能技术实现产品生命周期（包含产品设计、制造、发货、支持用

户到产品报废等）各个环节智能化，实现生产过程（包含组织、管理、计划、调度、操纵等）

各个环节的智能化，并实现人与制造系统的融合及人的智能的充分发挥。

3、网络技术。网络技术包含硬件与软件的实现。各类通信协议及制造自动化协议、信息通信

接口、系统操作操纵策略等，是实现各类制造系统自动化的基础。

4、分布式并行处理技术。该技术实现制造系统中各类问题的协同求解，获得系统的全局最优

解，继而实现系统的最优决策。

5、多学科、多功能综合产品开发技术。机电产品的开发设计不仅涉及到机械科学的理论与知

识而且还涉及到电磁学、光学、操纵理论等。不仅要考虑技术因素，还务必考虑到经济、心理、

环境、人文及社会等方面因素。机电产品的开发要进行多目标全性能的优化设计，以追求机电

产品动静特性、效率、精度、使用寿命、可靠性、制造成本与制造周期的最佳组合。

6、虚拟现实技术。利用虚拟现实技术、多媒体技术及计算机仿真技术，实现产品设计制造过

程中的几何仿真、物理仿真、制造过程仿真，使用多种介质来存储、表达、处理多种信息，融

文字、语音、图像、动画于--体，给人一种真实感及身临其境感。

7、人-机-环境系统技术。将人、机器与环境作为一个系统来研究，发挥系统的最佳效益。研

究的重点是：人机环境的体系结构及集成技术、人在系统中的作用及发挥、人机柔性交互技术、

人机智能接口技术、清洁制造等。这些要紧关键技术表达了21世纪制造技术对CAD/CAM集

成系统的要求，表达了CAD/CAM集成进展的方向。

1-4我国机械制造业的进展状况。

答：近10年来，我国制造业的进展受到严重削弱，陷入了前所未有的逆境。制造业的进展滞

后已成为制约我国经济进展的重要因素。据统计：全社会固定资产投资中，设备投资的2/3依

靠进口。目前，光纤制造装备的100%,集成电路芯片制造装备的85%,石油化上装备的80%,

轿车工业装备、数控机床、纺织机械、胶印设备的70%被进口产品占领，国产装备的可靠性、

自动化程度与国外产品有较大差距。

我国制造业不断使用先进制造技术，但与工业发达国家相比，仍然存在一个阶段性的整体上的

差距。

（1）设计方面。工业发达国家不断更新设计数据与准则，使用新的设计方法，广泛使用计算

机辅助设计技术（CAD/CAM）,大型企业开始无图纸的设计与生产。我国使用CAD/CAM技术

的比例较低。

（2）制造工艺方面。工业发达国家较广泛的使用高精密加工、精细加工、微细加工、微型机

械与微米/纳米技术、激光加工技术、电磁加工技术、超塑加工技术与复合加工技术等新型加

工方法。我国普及率不高，尚在开发、掌握之中。

（3）管理方面。工业发达国家广泛使用计算机管理，重视组织与管理体制、生产模式的更新

进展，推出了准时生产（JIT）、敏捷制造（AM）、精益生产（LP）、并行工程（CE）等新的管理

思想与技术。我国只有少数大型企业局部使用了计算机辅助管理，多数小型企业仍处于经验管

理阶段。

（4）自动化技术方面。工业发达国家普遍使用数控机床、加工中心及柔性制造单元（FMC）、

柔性制造系统（FMS）、计算机集成制造系统（C1MS）,实现了柔性自动化、知识智能化、集成

化。我国尚处在单机自动化、刚性自动化阶段，柔性制造单元与系统仅在少数企业使用。

1-5先进制造技术的进展趋势。

答：在21世纪中，随着电子、信息等高新技术的不断进展，随着市场需求个性化与多样化，

未来先进制造技术进展的总趋势是向精密化、柔性化、网络化、虚拟化、智能化、清洁化、集

成化、全球化的方向进展。

当前影响先进制造技术的进展因素大致有下列几点：

1、''数”是进展的核心

数字化制造就是指制造领域的数字化，它包含了三大部分：以设计为中心的数字制造，以操纵

为中心的数字制造与以管理为中心的数字制造。

2、''精”是进展的关键

''精"是、'精密化"，一方面是指对产品、零件的精度要求越来越高，另一方面是指对产品、零

件的加工精度要求越来越高。

3、''极”是进展的焦点

''极"即极端条件，就是指在极端条件下工作的或者者有极端要求的产品，从而也是指这类产

品的制造技术有''极”的要求。如在高温、高压、高湿、强磁场与强腐蚀等条件下工作，或者

有高硬度、大弹性等要求的，或者在几何形体上极大、极小、极厚、极薄与奇形怪状的。

4、''自"是进展的条件

''自"就是自动化，即减轻人的劳动，强化、延伸、取代人的有关劳动的技术或者手段。自动

化是先进制造技术进展的前提条件。

5、''集”是进展的方法

''集"就是集成化，包含技术的集成、管理的集成、技术与管理的集成。其本质是知识的集成。

6、''网"是进展的道路

''网"就是网络化，制造技术的网络化是先进制造技术进展的必由之路，制造业走向整体化、

有序化，这同人类社会进展是同步的。

7、''智”是进展的前景

''智"就是智能化。智能化制造模式的基础是智能制造系统，它既是智能与技术的集成而形成

的应用环境，也是智能制造模式的载体。

8、''绿”是进展的必定

'、绿"就是''绿色”，制造业的产品从构思开始，到设计阶段、制造阶段、销售阶段、使用与维

修阶段，直到回收阶段、再制造各阶段，都务必充分涉及环境保护，制造必定要走向''绿色”

制造。

2-1试论述现代设计技术的内涵及特点。

答：1＞现代设计技术内涵：

现代设计技术是以满足应市产品的质量、性能、时间、成本、价格综合效益最优为目的，以计

算机辅助设计技术为主体，以知识为依托，以多种科学方法及技术为手段，研究、改进、制造

产品活动过程所用到的技术群体的总称。

2、现代设计技术的特点

从现代设计技术的内涵分析，现代设计技术具有如下一系列特点：

(1)系统性现代设计技术强调用系统的观点处理设计问题，从整体上把握设计对象，考虑

对象与外界(人、环境)的联系。

(2)动态性不仅要考虑产品的静态特性，还要考虑产品在实际工作状态下的动态特征，考

虑产品与周围环境的物质、能量及信息的交互。

(3)制造性现代设计技术建立在先进的设计理论及设计工具基础上，能充分发挥设计者的

制造性思维能力与集体智慧，运用各类制造方法与手段，开发出具有创新性的产品。

(4)计算机化计算机已经渗透到产品设计开发的各个环节，很多现代设计技术的实现都依

靠于计算机，如优化设计、有限元分析、系统仿真等。它们充分利用计算机快捷的数值计算功

能、严密的逻辑推理能力与巨大的信息存储及处理能力，弥补自然人存在的天生不足，实现人

机优势的互补。

(5)并行化、最优化、虚拟化与自动化在产品的设计阶段就综合考虑产品全生命周期中的

所有因素，强调对产品设计及其有关过程并行地、集成地、一体化地进行设计。在设计过程中,

通过优化的理论与技术，对产品进行方案优选、结构优选与参数优选，力争实现系统的整体性

能最优化，以获得功能全、性能好、成本低、价值高的产品。设计过程自动化的实现要紧依托

于各类不一致的计算机辅助设计技术、自动建模技术，与一批功能强大的商品化CAD软件的

支撑。

设计手段虚拟化，是以虚拟现实的设计系统进行三维建模，使设计者能在虚拟的设计环境下观

察CAD设计内容，从而实现设计的可视化、评估设计产品的性能及其可实现性，灵活方便地

修改设计，大大提高设计效果与质量。

(6)主动性科学技术的进展使得在产品设计的早期，就可对产品全生命周期的各类性能作

出准确预测.有利于及早发现产品的潜在缺陷，将各类失误、可能发生的故障减少到最低程度,

表达了主动性的特征，也有利于缩短开发周期、降低生产成本、提高产品质量。

2-2描述现代设计技术的体系结构，为什么说计算机辅助设计技术是现代设计技术的主体？

它与其它技术的关系如何？

答：现代设计技术的整个体系由基础技术、主体技术、支撑技术与应用技术四个层次构成。

(1)基础技术基础技术是指传统的设计理论与方法，特别是运动学、静力学与动力学、材

料力学、结构力学、热力学、电磁学、工程数学的基本原理与方法等方面。

(2)主体技术现代设计技术的诞生与进展与计算机技术的进展息息有关、相辅相成。计算

机科学与设计技术结合产生计算机辅助设计、智能CAD、优化设计、有限元分析程序、模拟仿

真、虚拟设计与工程数据库等，运用现代设计技术的多种理论与方法如优化设计、可靠性设计、

模糊设计等理论构造的数学模型，来编制计算机应用程序，能够更广泛、更深入地模拟人的推

理与思维，从而提高计算机的''智力”。而计算机辅助设计技术正是以它对数值计算与对信息

与知识的特殊处理能力，成为现代设计技术群体的主干。

(3)支撑技术支撑技术要紧指现代设计方法学、可信性设计技术、试验设计技术。现代设

计方法学涉及内容很广，如并行设计、系统设计、功能设计、模块化设计、价值工程、质量功

能配制、反求工程、绿色设计、模糊设计、面向对象的设计、工业造型设计等。可信性设计是

广义的可靠性设计扩展，要紧指可靠性与安全性设计、动态分析与设计、防断裂设计、健壮设

计、耐环境设计等。设计试验技术包含可靠性试验、环保性能试验与操纵，与运用计算机技术

的数字仿真试验与虚拟试验等。

(4)应用技术应用技术是针对有用目的解决各类具体产品设计领域的技术，如机床、汽车、

工程机械、精密机械的现代设计内容，能够看作是现代设计技术派生出来的具体技术群。

2-3计算机辅助设计技术包含什么要紧内容？分析其中的关键技术。

答：计算机辅助设计(ComputerAidedDesign,CAD)是20世纪50年代末进展起来的

综合性计算机应用技术。它是以计算机为工具，处理产品设计过程中的图形与数据信息，辅助

完成产品设计过程的技术。

CAD技术包含的内容有；用计算机进行产品的造型、装配、工程图绘制与有关文档的设计;

额行产品渲染、动态显示；钥产品进行工程分析，如有限元分析、优化设计、可靠性设计、

运动学及动力学仿真等。

关键技术：

1、产品的几何造型技术

CAD的几何造型过程也就是对被设计对象进行描述，并用合适的数据结构存储在计算机内，以

建立计算机内部模型的过程。

(1)线框模型线框模型由一系列空间直线、圆弧与点组合而成，用来描述产品的轮廓外形。

但无法产生剖面图、消除隐藏线与求解两个形体间的交线，也无法根据线框模型进行物性计算

与数控加工指令的编制等作业。

(2)表面模型表面模型的数据结构是在线框模型的基础上，增加了有关面的信息与棱边的

联接方向等内容。表面造型又分为''多边平面造型"与''曲面造型”两种。

(3)实体模型实体模型较完整地反映三维实体的几何信息，它既能消除隐藏线，产生有

明暗效应的立体图像；又能进行物性计算，进行装配体或者运动系统的空间干涉检查，进行有

限元分析的前后处理与多至五轴的数控编程等作业。

(4)特征造型所谓特征就是描述产品信息的集合，也是构成零、部件设计与制造的基本几

何体，它既能反映零件的几何信息，又反映了零件的加工工艺信息。常用的零件特征包含：形

状特征、精度特征、技术特征、材料特征、装配特征等。

2、单一数据库与有关性设计

单--数据库就是与设计有关的全部数据信息来自同一个数据库。所谓的有关性设计就是任何设

计改动，都将及时地反映到设计过程的其他有关环节上。

3、CAD与其他CAX系统的集成技术

CAD技术与其他CAX技术进行有效的集成，包含CAD/CAM技术的集成、CAD与CIMS其他

功能系统的集成等。CAD技术要紧功能是进行产品的设计造型，为其他功能系统提供了共享的

产品数据模型，成为C1MS或者其他制造系统的基础与关键。

CAD技术与其他CAX系统的集成，涉及到产品的造型建模技术、工程数据的管理技术、数据

交换接口等技术。

4、标准化技术

国际标准化组织(ISO)制定了''产品数据模型交换标准”(STEP)。STEP使用统一的数字化

定义方法，涵盖了产品的整个生命周期，是CAD技术最新的国际标准。

2-4试论述并行工程的基本概念与设计方法。

答：并行设计是在设计阶段就综合考虑产品生命周期中工艺、制造、装配、测试、维修等环节

的因素，及时全面地评价产品的设计，及时反馈改进意见，及时改进产品设计，使得产品设计、

工艺设计、制造一次成功，以达到降低产品成本，提高产品质量与缩短开发周期的目的。

并行设计要求在设计阶段就要考虑产品全生命周期的各个环节，传统的''孤岛"式的设计方法

已不能满足并行设计的需要。为此人们对并行环境下的产品设计理论与方法进行了研究，要紧

包含设计方法、建模技术、计算机辅助评价及决策技术。针对设计方法，基本上可分为两大类:

一类是通过人员协同集成实现并行化；另一类是通过知识协同集成实现并行化，研究得比较多

的有：面向产品生命周期各/某环节的设计DFX与CAX技术。

DFX包含面向装配的设计（DFA）、面向制造的设计（DFM）、面向质量的设计（DFQ）、面向环

保的设计（DFE）、面向保护的设计（DFS）等；CAX技术包含计算机辅助工艺设计（CAPP）、计

算机辅助制造（CAM）、计算机辅助工程分析（CAE）等。

2-5叙述反求工程的含义，简述反求工程的关键技术。

答：反求工程（ReverseEngineering,RE）也称逆向工程、反向工程等，是指用一定的测

量手段对实物或者模型进行测量，根据测量数据通过三维几何建模方法，重构实物的CAD模

型，从而实现产品设计与制造的过程。与传统的''产品概念设计-产品CAD模型-产品（物理模

型）”的正向工程相反。反求工程是在没有设计图纸或者图纸不完整，而有样品的情况下，利

用三维扫描测量仪，准确快速地测量样品表面数据或者轮廓外形，加以点数据处理、曲面创建、

三维实体模型重构，然后通过CAM系统进行数控编程，直至利用CNC加工机床或者快速成型

机来制造产品。

反求工程的关键技术有：数据测量技术、数据预处理技术、模型重构及产品制造技术。

1、数据测量技术

反求工程中数据测量方法要紧分为两种：一种是传统的接触式测量法，如三坐标测量机法；另

一种是非接触测量法，如投影光栅法、激光三角形法、工业CT法、核磁共振法（MRI）、自动

断层扫描法等。只有获取了高质量的三维坐标数据，才能生成准确的几何模型。因此，测量方

法的选取是反求工程中一个非常重要的问题。

2、数据预处理技术：对得到的测量数据在CAD模型重构之前应进行数据预处理，要紧是为了

排除噪声数据与特殊数据、精简与归并冗余数据，通常包含：（鳏声点过滤变据点分区③故据

点精简碘据点平滑。

3、模型重构及产品制造技术：通过重构产品零件的CAD模型，在探询与熟悉原设计技术的基

础上，实现对原型的修改与再设计，以达到设计创新、产品更新之目的，同时也能够完成产品

或者模具的制造。

2-6叙述绿色设计的要紧特征。

答：1、面向产品生命周期

绿色设计考虑的是产品在整个生命周期内的所有潜在的环境影响，包含有毒有害物质向环境的

排放，不可再生资源的消耗与能源的过度消耗等等。产品的生命周期包含从资源原料的开发到

产品废弃报废的整个过程，

2、环境因素是产品设计的考虑因素之一

绿色设计并不是意味着产品设计只是面向环境或者者说环境因素是唯一的考虑因素。相反，绿

色设计是像其它因素（比如：用户需求分析、可制造性、经济性、功能、尺寸与重量等）一样作

为产品设计共同考虑的内容。因此绿色设计是在原有的设计求解过程中又引入了一个环境变量,

从而使设计过程变得复杂起来，即是一个更多目标的优化求解问题。

3-1常见的精密成型技术分为哪儿类？

答：精密成型技术是指零件成型后，仅需少量加工或者不再加工（近净成型技术或者净成型技

术）就可用作机械构件的一种成型技术。它是建立在新材料、新能源、信息技术、自动化技术

等多学科高新技术成果的基础上，改造了传统的毛坯成型技术，使之由粗糙成型变为优质、高

效、高精度、轻量化、低成本、无公害的成型技术。它使得成型的机械零件具有精确的外形、

高的尺寸精度与形位精度、好的表面粗糙度。

精密成型技术分为粉末冶金、精密铸造、精密锻造、精密冲裁、精密焊接、快速原型技术等。

3-2快速原型技术的特点及工艺。

答：快速原型技术的特点：

（1）快速性。

通过STL格式文件，快速成型制造系统几乎能够与所有的CAD造型系统无缝连接，从CAD模

型到完成原型制作通常只需几小时到几十小时，可实现产品开发的快速闭环反馈。以快速原型

为母模的快速模具技术，能够在几天内制作出所需材料的实际产品，而通过传统的钢制模具制

作，至少需要几个月的时间。

（2）高度集成化

快速成型技术实现了设计与制造的一体化。在快速成型工艺中，计算机中的CAD模型数据通

过接口软件转化为能够直接驱动快速成型设备的数控指令，快速成型设备根据数控指令完成原

形或者零件的加工。

（3）与工件复杂程度无关

快速成型技术由于使用分层制造工艺，将复杂的三维实体离散成一系列层片加工与加工层片之

叠加，大大简化了加工过程。它能够加工复杂的中空结构且不存在三维加工中刀具干涉的问题,

理论上能够制造具有任意复杂形状的原形与零件。

（4）高度柔性

快速成型系统是真正的数字化制造系统，仅需改变三维CAD模型，适当地调整与设置加工参

数，即可完成不一致类型的零件的加工制作，特别适合新产品开发或者单件小批量生产。同时,

快速成型技术在成型过程中无需专用的夹具或者工具，成型过程具有极高的柔性，这是快速成

型技术非常重要的一个技术特征。

（5）自动化程度高

快速成型是一种完全自动的成型过程，只需要在成型之初由操作者输入一些基本的工艺参数，

整个成型过程操作者无需或者较少干预。出现故障，设备会自动停止，发出警示并保留当前数

据。完成成型过程时，机器会自动停止并显示有关结果。

快速原型工艺：

（1）利用激光固化树脂材料的光造型法

光敏树脂选择性固化是使用立体雕刻原理的一种工艺，简称SLA,也是最早出现的、技术最成

熟与应用最广泛的快速原型技术。

SLA快速原型技术的优点是：

①成形速度较快。

②系统工作相对稳固。

③尺寸精度较高，可确保工件的尺寸精度在0.1mm（但，国内SLA精度在0.1—

0.3mm之间，同时存在一定的波动性）。

④表面质量较好，工件的最上层表面很光滑，侧面可能有台阶不平及不一致层面间的曲

面不平；比较适合做小件及较精细件。

⑤系统分辨率较高。

SLA快速原型的技术缺点：

①需要专门实验室环境，保护费用高昂。

②成型件需要后处理，二次固化，防潮处理等工序。

③光敏树脂固化后较脆，易断裂，可加工性不好；工作温度不能超过100°G成形件易吸

湿膨胀，抗腐蚀能力不强。

④氮-镉激光管的寿命仅3000小时，价格较昂贵。同时需对整个截面进行扫描固化，成

型时间较长，因此制作成本相对较高。

⑤光敏树脂对环境有污染，使皮肤过敏。

⑥需要设计工件的支撑结构，以便确保在成型过程中制作的每一个结构部位都能可靠定

位，支撑结构需在未完全固化时手工去除，容易破坏成型件。

(2)纸张叠层造型法

纸张叠层造型法目前以Helisys公司开发的LOM装置应用最广。

LOM可制作一些光造型法难以制作的大型零件与厚壁样件，且制作成本低廉(约为光造型法的

1/2)、速度高(约为木模制作时间的1/5下列)，并可简便地分析设计构思与功能。

LOM快速原型技术的优点是：

①由于只需要使激光束沿着物体的轮廓进行切割，无需扫描整个断面，因此这是一个高

速的快速原型工艺。常用于加工内部结构简单的大型零件及实体件。

②无需设计与构建支撑结构。

LOM快速原型技术的缺点是：

①需要专门实验室环境，保护费用高昂。

②可实际应用的原材料种类较少，尽管可选用若干原材料，比如纸、塑料、陶土与合成

材料，但目前常用的只是纸，其他箔材商在研制开发中。

③表面比较粗糙，工件表面有明显的台阶纹，成型后要进行打磨；且纸制零件很容易吸

潮，务必立即进行后处理、上漆。

④难以构建精细形状的零件，即仅限于结构简单的零件。

⑤由于难以(尽管并非不可能)去除里面的废料，该工艺不宜构建内部结构复杂的零件。

⑥当加工室的温度过高经常有火灾发生。因此，工作过程中需要专职人员职守。

(3)热可塑造型法

热可塑造型法以DTM公司开发的选择性激光烧结即SLS(SelectiveLaserSintering)

应用较多。

SLS快速原型技术的优点是：

①与其他工艺相比，能生产较硬的模具，有直接金属型的概念。

②能够使用多种原料，包含类工程塑料、蜡、金属、陶瓷等。

③零件的构建时间较短，可达到lin/h高度。

④无需设计与构造支撑。

SLS快速原型技术缺点是：

①需要专门实验室环境，保护费用高昂。

②在加工前，要花近2小时的时间将粉末加热到熔点下列，当零件构建之后，还要花5-

10小时冷却，然后才能将零件从粉末缸中取出。

③成形件强度与表面质量较差，精度低。表面的粗糙度受粉末颗粒大小及激光光斑的限

制。

④零件的表面多孔性，为了使表面光滑务必进行渗蜡等后处理。在后处理中难于保证制

件尺寸精度，后处理工艺复杂，样件变型大，无法装配。

⑤需要对加工室不断充氮气以确保烧结过程的安全性，加工的成本高。

⑥该工艺产生有毒气体，污染环境。

3-3就目前技术条件下精密加工与超精密加工是如何划分的？

根据目前技术水平及国内外专家的看法，对中小型零件的加工形状误差^与表面粗糙度Ra的

数量级可分为下列档次。精密加工：A=1.0-0.1pm,Ra=0.1-0.03pm；超精密加工：

A=0.1~0.01pm,Ra=0.03~0.005pm；纳微米力口工：A<0.01pm,Ra<0.005pm«

3-4超精密加工所涉及的技术范围包含什么？

答：(1)超精密加工机理，超精密加工是从被加工表面去除一层微量的表面层，包含超精密

切削、超精密磨削与超精密特种加工等。当然，超精密加工也应服从通常加工方法的普遍规律,

但也有很多其自身的特殊性，如刀具的磨损、积屑瘤的生成规律、磨削机理、加工参数对表面

质量的影响等。

(2)超精密加工的刀具、磨具及其制备技术，包含金刚石刀具的制备与刃磨、修整等是超

精密加工的重要的关键技术。

（3）超精密加工机床设备，超精密加工对机床设备有高精度、高刚度、高的抗振性、高稳

固性与高自动化的要求，具有微量进给机构。

（4）精密测量及补偿技术，超精密加工务必有相应级别的测量技术与装置，具有在线测量

与误差补偿。

（5）严格的工作环境，超精密加工务必在超稳固的工作环境下进行，加工环境的极微小的

变化都可能影响加工精度。因而，超精密加工务必具备各类物理效应恒定的工作环境，如恒温

室、净化间、防振与隔振地基等。

3-5叙述精密与超精密加工方法的分类、加工机理及加工方法示例。

精密与超精密加工方法

分类加工机理要紧加工方法示例

去除加工

（分离加工）力学加工、力溅射

电物理加工

电化学加工

热蒸发、热扩散、热溶解切削、磨削、研磨、抛光、超精加工、笫磨、超声波加工、离

子溅射加工等离子加工喷射加工；

电火花加工（电火花成型、电火花线切割）；

电解加工、蚀刻（电子束曝光）、化学机械抛光；

电子束加工、激光加工、脱碳处理、气割

结合加J.

附着加工化学

电化学

热、热熔化

力物理化学镀、化学气相沉积；

电镀、电铸；

真空蒸镀、熔化镀；

离子镀（离子沉积）、物理气相沉积

注入加工

（渗入加工）化学

电化学热

热扩散

力物理氧化、氮化、活性化学反应；

阳极氧化；

晶体生长、分子束外延、掺杂、渗碳与烧结：

离子束外延、离子注入

连接加工热物理、电物理化学激光焊接、气焊、电焊、快速成型加工；

化学粘接

变形加工

（流淌加工）热流淌、表面热流淌

粘滞流淌

分子定向锻造、热流淌加工（气体火焰、高频电流、热射线、电子束与激光）；

铸造、液体流淌加工（金属、塑料等压铸、注塑）；液晶定向

3-6试说明超精密切削、超精密磨削加工的特点与各自的习惯场合。

答：超精密切削是借助锋利的金刚石刀具对工件进行车削或者铳削。要紧用于加工要求低粗糙

度与高形状精度的有色金属或者非金属零件，如激光或者红外的平面，非球面反射镜、磁盘铝

基底、VTR相轴、有色金属釉套与塑料多面棱镜等，甚至直接加工纳米级表面的硬脆材料。超

精密金刚石刀具镜面车削加工人造卫星仪器轴承一真空无润滑轴承，其孔与轴的表面粗糙度R。

达到1nm,圆度与圆柱度均为纳米级精度。超精密车削可达到粗糙度RaO.OO5Pm与O.lum

的非球面形状精度。

超精密磨削：

超精密磨削是利用磨具上尺度均匀性好、近似等高的磨粒(金刚石砂轮与CBN砂轮)对被加

工零件表面进行摩擦、耕犁及切削的过程。要紧用于硬度较高的金属与非金属零件，如对加工

尺寸及形状精度要求很高的伺服阀、空气轴承主轴、陀螺仪超精密轴承、光学玻璃基片等。超

精密磨削可达到R。0.002口m的表面粗糙度与0.01pm的圆度。

3-7超精密加工时对机床设备与环境有何要求？

答：超精密加工时机床设备：

超精密加工机床应具有高精度、高刚度、高加工稳固性与高度自动化的要求，超精密机床的质

量要紧取决于机床的主轴部件、床身导轨与驱动部件等关键部件的质量。

(1)精密主轴部件

精密主轴部件是超精密机床的圆度基准，也是保证机床加工精度的核心。主轴要求达到极高的

回转精度，精度范围为0.02〜0.1pm,此外，主轴还要具有相应的刚度，以抵抗受力后的变

形。主轴运转过程中产生的热量与主轴驱动装置产生的热量对机床精度有很大影响，故务必严

格操纵温升与热变形。为了获得平稳的旋转运动，超精密机床主轴广泛使用空气静压轴承，主

轴驱动使用皮带卸载驱动与磁性联轴节驱动的主轴系统。

(2)床身与精密导轨

床身是机床的基础部件，应具有抗振衰减能力强、热膨胀系数低、尺寸稳固性好的要求。目前,

超精密机床床身多使用人造花岗岩材料制造。人造花岗岩是由花岗岩碎粒用树脂粘结而成，它

不仅具有花岗岩材料的尺寸稳固性好、热膨胀系数低、硬度高、耐磨且不生锈的特点，又可铸

造成形，克服了天然花岗岩有吸湿性的不足，并加强了对振动的衰减能力。

超精密机床导轨部件要求有极高的直线运动精度，不能有爬行，导轨偶合面不能有磨损，因

而液体静压导轨、气浮导轨与空气静压导轨，均具有运动平稳、无爬行、摩擦因数接近于零的

特点，在超精密机床中得到广泛的使用。

(3)微量进给装置

在超精密加工中，要求微量进给装置满足如下的要求：®各微进给与粗进给分开，以提高微位

移的精度、分辨率与稳固性；②互动部分务必是低摩擦与高稳固性，以便实现很高的重复精度;

跳级传动元件务必有很高的刚度，即夹固刀具处务必是高刚度的；④匚艺性好，容易制造；⑤

应能实现微进给的自动操纵，动态性能好。

微量进给装置有机械或者液压传动式、弹性变形式、热变形式、流体膜变形式、磁致伸缩式、

压电陶瓷式等多种结构形式。

超精密加工时工作环境：

工作环境的任何微小变化都可能影响加工精度的变化，使超精加工达不到精度要求。因此，超

精密加工务必在超稳固的环境下进行。超稳固环境要紧是指恒温、超净与防振三个方面。

超精密加工通常应在多层恒温条件下进行，不仅放置机床的房间应保持恒温，还要求机床及部

件应采取特殊的恒温措施。通常要求加工区温度与室温保持在20土0.06°G勺范围内。

超净化环境对超精密加工也很重要，由于环境中硬粒子会严重影响被加工表面的质量。

外界振动对超精密加工的精度与粗糙度影响甚大。使用带防振沟的隔振地基与把机床安装在专

用的隔振设备上，都是极有效的防振措施。

3-8在如何的速度范围下加工属于高速加工？分析高速切削加工所用解决的关键技术。

答：超高速加工是指高于常规切削速度5倍乃至十几倍条件下所进行的切削加工。比如在试

验室中，铝合金加工已达6000m/min；而在实际生产中也达到了1500-5500m/min。在实

验室中，磨削中单层镀砂轮磨削速度达300m/s,目前正探索500m/s速度的磨削；而实际生

产中也达到了250m/s。超高速加工不但能够大幅度提高零件的加工效率、缩短加工时间、降

低加工成本；而且能够使零件的表面加工质量与加工精度达到更高的水平。

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。

3-9超高速切削包含什么有关技术？

答：超高速切削是一种综合性的高新技术，超高速切削技术的推广应用是多项有关技术进展到

与之相匹配的程度而产生的综合效应。超高速切削的有关技术包含：超高速切削中的刀具技术、

高速主轴技术、直线滚动导轨与直线驱动技术、高速数控技术、机床结构等技术。

3-10简述超高速磨削特点及关键技术？

答：超高速磨削技术特点：

(1)大幅度提高磨削效率，设备使用台数少；

(2)磨削力小、磨削温度低、加工表面完整性好：

(3)砂轮使用寿命长，有助于实现磨削加工的自动化；

(4)实现对难加工材料的磨削加工。

超高速磨削关键技术

1、超高速磨削的砂轮

超高速磨削砂轮应具有良好的耐磨性、高动平衡精度与机械强度、高刚度与良好的导热性等。

(1)超高速砂轮的材料：超高速磨削用砂轮应具有强度高、抗冲击强度高、耐热性好、

微破碎性好、杂质含量低等优点。超高速磨削砂轮能够使用A12O3、SiC、CBN与金刚石磨

料。

(2)超高速砂轮的修整：超高速单层电镀砂轮通常不需修整。特殊情况下利用粗磨粒、低浓

度电镀杯形金刚石修整器对个别高点进行微米级修整。

2、超高速主轴与超高速轴承

(1)超高速电主轴技术：超高速磨削要紧使用大功率超高速电主轴。高速电主轴惯性扭

矩小，振动噪声小，高速性能好，可缩短加减速时间，但它有很多技术难点。

(2)超高速轴承技术：高速主轴使用的轴承有滚动轴承、气浮轴承、液体静压轴承与磁

悬浮轴承几种形式。

3、超高速磨削的砂轮平衡技术与防护装置：关于超高速砂轮系统不仅进行静平衡，还务必根

据系统及不平衡质量划分平衡阶段，进行分级动平衡以保证在工作转速下的稳固磨削。

4、磨削液供给系统

超高速磨削常用的冷却液注入方法有：高压喷射法，空气挡板辅助截断气流法，气体内冷却法,

径向射流冲击强化换热法等。为提高供液效果，应对供液系统参数包含供液压力、流量、磨削

更喷注位置、喷嘴结构及尺寸等进行优化设计，此外系统还需配有高效率油气分离与吸排风单

兀。

5、超高速磨削进给系统

随着高速超高速加工技术的进展，国内外都使用了直线伺服电机直接驱动技术。使用高动态性

能的直线电机结合数字操纵技术，避免了传统的滚珠丝杠传动中的反向间隙、弹性变形、磨擦

磨损与刚度不足等缺陷，可获得高精度的高速移动并具有极好的稳固性。

6、磨削状态检测及数控技术

利用磨削过程中产生的各类声发射源，如砂轮与工件弹性接触、接合剂破裂、磨粒与工件磨擦、

砂轮破碎与磨损、工件表面裂纹与烧伤、砂轮与修整轮的接触等，能够通过检测声发射信号的

变化来对磨削状态进行判别与监测。此外，工件精度与加工表面质量的在线监控技术也是高效

率磨削的关键技术。

3-11简述超高速铳削特点及关键技术？

答：1、超高速铳削的技术特点：

(1)生产效率高，成本低

超高速铳削高硬度钢的金属切除率高、没有手工精加工等耗时的工序，缩短了生产过程，简化

了辅助工作，能使整体加工效率提高几倍乃至十几倍，且其能耗低，能源与设备的利用率高，

从而降低了生产成本。

（2）加工精度高

关于同样的切削层参数：在超高速铳削条件下，单位切削力显著下降，且其变化幅度小，使工

件的受力变形显著减小；同时，由于机床主轴运转速度极高：激振频率远离机床、工件、刀

具工艺系统的高阶固有频率：能有效减小系统的振动，因此有利于获得高的加工精度

（3）加工表面质量好

超高速铳削的加工过程极为迅速，加工表面的受热时间极短，95格-98%以上的切削热被切屑

带走，传入工件的切削热大为减少，切削温度低，热影响区与热影响程度都较小：有利于获得

低损伤的加工表面；同时，由于超高速铳削时切削振动对加工质量的影响很小，因而能显著降

低加工表面粗糙度，表面粗糙度Ra值可达到0.:Lum。

（4）适于加工薄壁类精细零件

与常规切削相比，超高速铳削加工时的切削力至少降低30%,特别是径向切削力显著降低，非

常有利于薄壁类精细零件的加工。比如，当切削速度达到13000r/min时，能够铳削壁厚仅

0.0165的薄壁零件。

2、超高速铳削的关键技术

超高速铳削刀具几何角度：超高速铳削高硬度钢时，刀具的要紧失效形式为刀尖破旧，设计时

应着重考虑提高刀尖的抗冲击强度。通常使用较小的前角（零度或者负角度前角）。增大后角

可减少刀具的磨损，但后角过大会影响刀具的强度与散热条件，故也不宜过大。较大的螺旋角

可增大实际工作前角，减小被切金属的变形，降低切削力，还可大大降低切削力的振幅，减小

振动加速度，从而改善加工表面质量。

超高速铳削刀具材料：有整体硬质合金、涂层硬质合金、陶瓷、硬质合金与立方氮化硼等。

3-12特种加工技术的特点及应用领域。

特种加工技术是直接借助电能、热能、声能、光能、电化学能、化学能与特殊机械能等多种能

量或者其复合施加在工件的被加工部位上以实现材料切除的加工方法，从而实现材料被去除、

变形、改变性能或者被镀覆等的非传统加工方法统称之特种加工。与传统机械加工方法相比具

有许多独到之处：

1）在加工范围上不受材料的物理、机械性能限制。能加工硬的、软的、脆的、耐热或者高

熔点金属及非金属材料；

2）易获得良好的表面质量，残余应力、热应力、热影响区、冷作硬化等均比较小；

3）易于加工比较复杂的型面、微细表面及柔性零件；

4）各类加工方法易于复合形成新的工艺方法，便于推广与应用。

特种加工技术所包含的范围非常广，随着科学技术的进展，特种加工技术的内容也不断丰富。

目前各类特种加工方法已达数十种，其中也包含一些借助机械能切除材料，但又不一致于通

常切削与磨削的加工方法，如磨粒流加工、液体喷射流加工、磨粒喷射加工、磁磨粒加工等等。

除了借助于化学能或者机械能的加工方法以外，大多数常用的特种加工方法均为直接利用电能

或者电能所产生的特殊作用所进行的加工方法，通常将这些方法统称之电加工。

3-13简述电火花加工的原理与应用。

电火花加工（又称放电加工、电蚀加工，简称EDM）是一种利用脉冲放电对导电材料电蚀来去

除多余材料的工艺方法。

1、加工原理

电火花加工的原理示意图如图3-20所示。加工时，将工具与工件置于具有一定绝缘强度的液

体介质中，并分别与脉冲电源的正、负极相连接。调节装置操纵工具电极，保证工具与工件间

维持正常加工所需的很小放电间隙。当两极之间的电场强度增加到足够大时，两极间最近点的

液体介质被击穿，产生短时间、高能量的火花放电，放电区域的温度瞬时可达10000°似上，

金属被熔化或者气化。灼热的金属蒸汽具有很大的压力，引起剧烈的爆炸，而将熔融的金属抛

出，金属微粒被液体介质冷却并迅速从间隙中冲走，工件与工具表面形成一个小凹坑（图3-

20（b、c））。第一个脉冲放电结束之后，通过很短的间隔时间，第一脉冲又在另一极间最

近点击穿放电。如此周而复始高频率地循环下去，工具电极不断地向工件进给，得到由无数小

凹坑构成的加工表面，工具的形状最终被复制在工件上。

进行电火花加工务必具备下列三个条件：

⑱必使用脉冲电源，以形成瞬时的脉冲式放电。每次放电时间极短，使放电产生的热量来不

及传输出去，而集中于微小区域。

它务必使用自动进给调节装置，保证工具电极与工件电极间微小的放电间隙(0.01〜0.05

mm),以维持适宜的火花放电状态。

③k花放电务必具有足够大的能量密度，且务必在具有一定的绝缘强度的液体介质(工作液)

中进行。大的能量密度用以熔化(或者气化)工件材料，液体介质除对放电通道有压缩作用外,

还可排除电蚀产物，冷却电极表面。常用的液体介质有煤油、矿物油、皂化液或者去离子水等。

2、电火花加工的应用

(1)电火花穿孔

穿孔加工是指贯穿的二维型孔的加工，是电火花加工中应用最广的一种，常加工的型孔

有圆孔、方孔、多边形孔、异形孔、曲线孔及小孔、微孔等，比如冷冲模、拉丝模、挤压模、

喷嘴、喷丝头上的各类型孔与小孔。穿孔的尺寸精度要紧靠工具电极的尺寸与火花放电的间隙

来保证。

(2)电火花型腔加工

电火花型腔加工指三维型腔与型面的加工及电火花雕刻。比如加工锻模、压铸模、挤压模、胶

木模、塑料模等。

型腔加工比较困难，首先是由于均是盲孔加工，金属蚀除量大，工作液循环与电蚀产物排除条

件差，工具电极损耗后无法靠进给补偿；其次是加工面积变化大，加工过程中电规准调节范围

较大，并由于型腔复杂，电极损耗不均匀，对加工精度影响很大，因此型腔加工生产率低，质

量保证有一定困难。

(3)电火花线切割加工

电火花线切割加工简称线切割加工，它是利用一根运动的细金属丝(中0.02〜(p0.3mm的钥

丝或者铜丝)作工具电极，在工件与金属丝间通以脉冲电流，靠火花放电对工件进行切割加工。

其工作原理是，工件上预先打好穿丝孔，电极丝穿过该孔后，经导向轮由储丝筒带动作正、反

向交替移动；放置工件的工作台按预定的操纵程序，在X、Y两个坐标方向上作伺服进给移动,

把工件切割成形。加工时，需在电极丝与工件间不断浇注工作液。

电火花加工还有其他许多方式的应用。如用电火花磨削，可磨削加工精密小孔、深孔、薄壁孔

及硬质合金小模数滚刀、成形铳刀的后面；用电火花共和回转加工可加工精密内、外螺纹环规,

内锥螺纹，精密内、外齿轮等；此外还有电火花表面强化与刻字加工等。

3-14电解加工的应用有什么？

电解加工首先在国防工业中应用于加工炮管膛线。目前已成功地应用于叶片型面、模具型腔与

花键、深孔、异型孔及复杂零件的薄壁结构等加工；用于电解刻印、电解倒棱去毛刺时，加工

效率高、费用低；用电解抛光不仅效率比机械抛光高，而且抛光后表面耐腐蚀性好。另外电解

加工与机械加工结合能形成多种复合加工，如电解磨削、电解布磨、电解研磨等。

(1)电解整体叶轮

使用电解加工的方法，不受材料硬度与韧性的限制，在一次行程中可加工出具有复杂叶型面的

整体叶轮，比切削加工有明显的优越性。电解加工整体叶轮前，先加工好整体叶轮的毛坯，然

后用套料法加叶片。每加工完一个叶片，退出阴极(工具)，分度后再依次加工下一个叶片。

这样不但解决了刀具磨损问题，缩短了加工周期，而且可保证叶轮的整体强度与质量。

(2)深孔扩孔加工

深孔扩孔电解加工时，常使用移动式阴极。将待扩孔的工件用夹具固定，工件接电源正极，移

动工具接电源负极。工具(阴极)由接头、密封圈、前引导、出水孔、阴极主体及后引导等部

分构成。

(3)电解去毛刺

电解去毛刺是电解加工技术应用的又一个方面。图3-28为电解去小孔毛刺的原理图，它以工

件为阳极，工具电极为阴极。电解液流过工件上的毛刺与工具阴极之间的狭小间隙(0.3-1

mm)时，在直流电压的作用下，工件的尖角、棱边处的电流密度最大，使毛刺迅速被溶解去

除，棱边也可获得倒圆。工件上的其余部分有绝缘层屏蔽保护，不可能由于电解作用而破坏原

有精度。

(4)电解磨削

电解磨削是靠阳极金属的电化学溶解(占952〜98%)与机械磨削作用(占2%〜52)相结合

的复合加工方法。

电解磨削克服了电解加工精度不高的弱点，集中了电解加工与机械磨削的优点。其加工精度平

均为0.02mm,最高可达0.001mm,表面粗糙度Ra值平均为0.8pm,最高可达0.02nm；

其磨削效率通常高于机械磨削，而砂轮的损耗远比机械磨削小。

电解磨削适合于磨削高强度、高硬度、热敏性与磁性材料，如硬质合金、高速钢、不锈钢、钛

合金、银基合金等。在生产中已用来磨削各类硬质合金刀具、量具、涡轮叶片棒头、蜂窝结构

件、轧辐、挤压与拉丝模等，同时应用范围正在日益扩大。

(5)电解抛光

电解抛光是利用不锈钢在电解液中的选择性阳极溶解而达到抛光与清洁表面目的的一种电化学

表面处理方法。其作为一种表面处理方法，具有下列突出优点：

①及大提高表面耐蚀性。由于电解抛光对元素的选择性溶出，使得表面生成一层致密牢固的富

格固体透明膜，并形成等电势表面，从而消除与减轻微电池腐蚀。

颔解抛光后的微观表面比机械抛光的更平滑，反光率更高。这使得设备不粘壁、不挂料、易

清洗，达到GMP与FDA规范要求。

魏解抛光不受工件尺寸与形状的限制。对不宜进行机械抛光的工件可实施电化学抛光，比如

细长管内壁、弯头、螺栓、螺母与容器内外壁。

3-15超声加工工艺特点及应用。

超声加工(简称USM)也称超声波加工，是利用超声振动工具在有磨料的液体介质中或者干磨

料中产生磨料的冲击、抛磨、液压冲击及由此产生的气蚀作用来去除材料，或者给工具或者工

件沿一定方向施加超声频振动进行振动加工，或者利用超声振动使工件相互结合的加工方法。

工艺特点

(1)适合于加工各类硬脆材料，特别是不导电的非金属材料，如玻璃、宝石、陶瓷、金刚石

及各类半导体材料。

(2)由于去除加工材料是靠极小磨粒瞬时局部的撞击作用，故工件表面的宏观切削力很小,

切削应力、切削热很小，不可能引起变形及烧伤，避免了被加工工件的物理与化学性能的

变化，表面粗糙度也较好，可达Rai〜0.1mm,加工精度可达0.01〜0.02mm,而且

能够加工薄壁、窄缝、低刚度零件。

(3)由于工具可用较软的材料，做出较复杂的形状，故不需要使工具与工件作比较复杂的

相对运动，因此超声加工机床的结构通常比较简单，只需一个方向轻压进给，操作、维修

方便。

(4)超声加工的生产率较低。对导电材料的加工效率远不如电火花与电解加工；对软质、反

弹性大的材料，加工较为困难。

超声加工的应用：

工业上超声应用能够分为加工应用与非加工应用两大类。加工应用包含传统的超声加工

(USM)、金刚石工具超声旋转加工(RUM)与各类超声复合加工等。非加工应用包含：清洗、

塑料焊接、金属焊接、超声分散、化学处理、塑料金属成形与无损检测等。表3-7列出了超

声的工业应用。

(1)深小孔加工

与加工通常的轴或者平面比较，在相同的要求及加工条件下，加工孔要复杂得多。通常来说，

加工孔的工具长度总是大于孔的直径，在切削力的作用下易产生变形，从而影响加工质量与加

工效率。特别是对难加工材料的深孔钻削来说，会出现很多问题。如切削液很难进入切削区，

造成切削温度高；刀刃磨损快，产生积屑瘤，排屑困难，切削力增大等问题。使用超声加工则

可有效解决上述问题。

(2)硬脆材料加工

陶瓷材料，因具有高硬度、耐磨损、耐高温、化学稳固性好、不易氧化、耐腐蚀等优点而被广

泛使用。然而，由于工程陶瓷等硬脆材料具有极高的硬度与脆性，其成形加工十分困难，特别

是成形孔的加工尤为困难，严重阻碍了材料的应用推广。可使用超声旋转加工、超声分层铳削

加工解决上述问题。

(3)超声复合加工

超声加工与传统机械加工或者特种加工方法相结合，就形成了各类超声复合加工工艺，如超声

车削、超声磨削、超声钻孔、超声螺纹加工、超声研磨抛光、超声电火花复合加工等。超声复

合加工方式适用于陶瓷材料的加工，它强化了原加工过程，其加工效率随着材料脆性的增大而

提高，实现了低耗高效的目标，加工质量也能得到不一致程度的改善。

(4)超声磨削加工

超声磨削是利用超声振动与砂轮磨削的复合作用来形成加工表面。优点是加工效率高，缺点是

加工变质层较深。已有研究说明：当磨削深度小于某临界值时，工程陶瓷的去除机理与金属磨

削相似，工件材料在磨刃的作用下通过塑性流淌形成切屑，避免较深变质层的形成，塑性磨削

可获得Ra<0.Oliam的良好镜面。

3-16试说明离子束刻蚀的加工方法及应用。

1、加工原理

离子束加工是在真空条件下将离子源产生的离子束通过加速、聚焦后，打到工件表面以实现去

除加工(图3-33)。与电子束等加工方法不一致的是，电子束加工是靠动能转化为热能来进

行加工的，而离子束加工是靠微观的机械撞击动能。离子带正电荷，其质量比电子大干、万倍,

最小的氢离子，其质量是电子质量的1840倍，负离子的质量是电子质量的7.2万倍。由于

离子的质量大，故在同样的电场中加速较慢，速度较低，但是，一旦加速到高速度时，离子束

比电子束具有大得多的冲击能量。离子撞击工件材料时，可将工件表面的原子一个一个打击出

去，从而实现对工件的加工。

2、离子束加工的应用

(1)离子溅射

假如将离子加速到几十〜几千电子伏时，即可用于离子溅射加工。离子溅射沉积与离子镀膜原

理相同，即用离子轰击靶材，将靶材上的原子击出，沉积在靶材邻近的工件上，使工件表面镀

上一层薄膜。离子镀膜时同时轰击工件表面，以增加靶(膜)材与工件表面的结合力。离子膜

加工已用于镀制润滑膜、耐热膜、耐蚀膜、耐磨膜、装饰膜与电气膜等，用离子镀膜在切削工

具表面镀渗氮钛、渗碳钛等超硬层，可提高刀具的耐用度。用离子镀膜还可显著提高模具的使

用寿命。

(2)离子刻蚀

又称离子铳削。假如将离子加速到一万〜凡万电子伏，且离子入射方向与被加工表面成25〜

30时，离子可将工件表面的原子或者分子逐个撞击出去，实现离子铳削、离子蚀刻或者离子

抛光等。离子束刻蚀已用于加工陀螺仪气动轴承(碳化硼、钛合金与钢结硬质合金等材料)的

异形沟槽、非球面透镜及刻蚀集成电路等微电子器件亚微米图形，还用来制作集成光路中的光

栅与波导、薄石英晶体振荡器与压电传感器等。

(3)离子注入

假如将离子加速到几十万电子伏或者更高时，离子可穿入被加工材料内部，从而达到改变材料

化学成分的目的。离子注入在半导体方面的应用很普遍，如将硼、磷等''杂质"离子注入半导

体，用以改变导电形式(P型或者N型)与制造P-N结。也可用此法制造一些用热扩散难以

获得的各类特殊要求的半导体器件。因此，离子束加工已成为制造半导体器件与大面积集成电

路的重要手段。

3-17简述L1GA技术加工工艺及要紧应用对象是什么？

LIGA是光亥！J(Lithografie)、电铸(GaIvanoformung)、模铸(Abformung)的缩

写，要紧包含三个工艺：深层同步辐射软X射线光刻、电铸成型及铸塑。其特点是能制作高

径比很大的塑料、金属、陶瓷的三维微结构，广泛应用于微型机械、微光学器件制作、装配与

内连技术、光纤技术、微传感技术、医学与生物工程方面。从而成为MEMS((Micro­

Electro-MechanicalSystems)是微机电系统的缩写。MEMS是美国的叫法，在日本被称

之微机械，在欧洲被称之微系统，目前MEMS加工技术又被广泛应用于微流控芯片与合成生物

学等领域，从而进行生物化学等实验室技术流程的芯片集成化。

)极其重要的一种微制造技术。

3-18微机械加工中的关键技术？

与传统机械相比，微机械在许多方面都具有自身特色，这是由于在微小尺寸与微小尺度空间内,

许多宏观状态下的物理量与机械量都发生了变化，并在微观领域状态下呈现出特有规律，由此

决定了微机械具有自身特有的理论基础。目前微机械加工中的要紧关键技术有下列几项：

(1)微系统建模技术微小型化的尺寸效应与微小型理论基础研究是设计研究不可缺少的课

题，如力的尺寸效应、微结构表面效应、微观摩擦机理、热传导、误差效应与微构件材料性能

等。

(2)微细加工技术要紧指高深度比多层微结构的硅表面加工与体加工技术，利用X射线光

刻、电铸加工技术、微电火花加工、能量束加工等。

(3)微型机械组装与封装技术要紧指材料的粘接、硅玻璃静电封接、硅键合技术与自对准

组装技术，具有三维可动部件的封装技术与真空封装技术。

(4)自组织成形工艺模仿生物的生长发育过程让材料通过自组织作用，自动生长成为所要

求形状以超分子的自组织实验模拟生物自组织生长过程制备三维网格，并以生物酶对之进行加

工与修饰；并可对形状与尺寸进行操纵的方法。

4-1试论述制造自动化技术的内涵及关键技术。

制造自动化技术是制造业的关键技术，对制造业的进展具有非常重要的作用。制造自动化概念

是一个动态进展的过程。20世纪初对制造自动化的懂得或者者说制造自动化的功能目标是以

机械的动作代替人力操作，自动地完成特定的作业。这实质上是自动化代替人的体力劳动的观

点。后来随着电子与信息技术的进展，特别是随着计算机的出现与广泛应用，制造自动化的概

念已扩展为不仅包含用机器(包含计算机)代替人的体力劳动与脑力劳动，而且还包含人与机

器及制造过程的操纵、管理与协调优化，以使产品制造过程实现高效、优质、低耗、及时与洁

净的目标。

实现21世纪制造自动化所涉及的关键技术要紧有：

1.集成化技术。在过去制造系统中仅强调信息的集成，这是不够的。现在更强调技术、人与

管理的集成。在开发制造系统时强调''多集成"的概念，即信息集成、智能集成、串并行工作

机制集成、资源集成、过程集成、技术集成及人员集成。

2.智能化技术。应用人工智能技术实现产品生命周期(包含产品设计、制造、发货、支持用

户到产品报废等)各个环节智能化，实现生产过程(包含组织、管理、计划、调度、操纵等)

各个环节的智能化、并实现人与制造系统的融合及人的智能的充分发挥。

3.网络技术。网络技术包含硬件与软件的实现。各类通信协议及制造自动化协议、信息通信

接口、系统操作操纵策略等，是实现各类制造系统自动化的基础。

4.分布式并行处理技术。该技术实现制造系统中各类问题的协同求解，获得系统的全局最优

解，继而实现系统的最优决策。

5.多学科、多功能综合产品开发技术。机电产品的开发设计不仅涉及到机械科学的理论与知

识而且还涉及到电磁学、光学、操纵理论等。不仅要考虑技术因素，还务必考虑到经济、心理、

环境、人文及社会等方面因素。机电产品的开发要进行多目标全性能的优化设计，以追求机电

产品动静特性、效率、精度、使用寿命、可靠性、制造成本与制造周期的最佳组合。

6.虚拟现实技术。利用虚拟现实技术、多媒体技术及计算机仿真技术，实现产品设计制造过

程中的几何仿真、物理仿真、制造过程仿真，使用多种介质来存储、表达、处理多种信息，融

文字、语音、图像、动画于--体，给人一种真实感及身临其境感。

7.人…机一环境系统技术。将人、机器与环境作为一个系统来研究，发挥系统的最佳效益。

研究的重点是：人机环境的体系结构及集成技术、人在系统中的作用及发挥、人机柔性交互技

术、人机智能接口技术、清洁制造等。这些要紧关键技术表达了21世纪制造技术对CAD/

CAM集成系统的要求，表达了CAD/CAM集成进展的方向。

4-2加工中心根据其加工范围能够分为哪几类？它们与普通的数控机床的最大区别是什么？

数控加工中心按主轴的方向可分为立式与卧式两种，立式加工中心的主轴是垂直的，要紧用于

精密加工，适合复杂型腔的加工。卧式加工中心的主轴是水平的，通常具有回转工作台，可进

行四面或者五面加工，特别适合于箱体零件的加工。除此之外，还有用于精密加工的门形构造

加工中心。

按工艺用途可分为镇铳加工中心、车削加工中心、钻削加工中心、攻螺纹加工中心及磨削加工

中心等。加工中心按主轴在加工时的空间位置可分为立式加工中心、卧式加工中心、立卧两用

（也称万能、五面体、复合）加工中心。

在实际应用中，以加工棱柱体类工件为主的镇铳加工中心与以加工回转体类工件为主的车削加

工中心最为多见。由于镶铳加工中心（1958年由美国KM公司在数控铳床上加刀库）最早出

现，且名为加工中心（MachiningCenter）,因此习惯上常把''镶铳加工中心"称之''加工

中