第六章 先进制造技术

机电工程学院第六章机械制造工艺学

6先进制造技术——特种加工技术6.1超精密加工技术1.超精密加工的概念及其发展

超精密加工技术是本世纪60年代发展和完善起来的，已成为现代制造技术的一个重要组成部分，受到人们日益普遍的关注。

按加工精度和加工表面质量的不同，通常可以把机械加工分为一般加工(粗加工、半精加工和精加工)、光整加工和超精密加工。

超精密的概念是相对的，是与某个时代的加工与测量水平密切相关的。所谓超精密加工技术，并不是指某一特定的加工方法，而是指在一定的发展时期中，加工精度和加工表面质量达到最高水平的各种加工方法的总称。时代性、相对性各时代的加工精度极限不断提高，50年代

1μm、80年代＞

0.1μm

、目前＜

0.1μm绝对性物质是由分子或原子组成的，故最小加工单位是分子或原子。6先进制造技术——特种加工技术

超精密加工技术的发展是与时代的需要和科技的发展密切相关的，预计未来几年，超精密加工的精度可达纳米级。由于原子晶格的间距通常为0．2～0．4nm，因此，纳米加工技术已接近于加工极限。目前对超精密加工技术的研究主要集中在以下几个方面：①精密加工机床新型结构的研究；②金刚石刀具（或砂轮）超精密切削与磨削技术的研究；③新型超精密研磨抛光方法的研究；④纳米技术和微型机械的研究。2.超精密加工的意义及分类①超精密切削加工：金刚石刀具超精密车削、微孔钻削；②超精密磨料加工：超精密磨削、超精密研磨；③超精密特种加工：电火花加工、电子束、离子束加工及光刻加工；④超精密复合加工：超声波研磨、机械化学抛光。6先进制造技术——特种加工技术6.2精密切削及磨削加工1.金刚石刀具超精密切削加工

该技术发展于20世纪60年代，主要用于有色金属及其合金，以及非金属零件表面的镜面加工。单晶天然金刚石刀具可直接切出表面粗糙度Ra值0.01～0.05μm、尺寸误差在0.1μm以下的镜面，可以替代收购研磨等光整加工，节约工时、提高加工质量。目前用在陀螺仪、激光反射镜、天文望远镜的反射镜、计算机磁盘等。（1）金刚石刀具①超精密切削对刀具的要求（a）极高的硬度、耐磨性和弹性模量，以保证刀具具有极长的使用和尺寸耐用度；（b）刃口应能刃磨的极其锋利，以满足超微薄切削的要求；（c）切削刃应没有缺陷，以得到超光滑镜面；（d）与工件材料的抗粘结性好、化学亲和性力、摩擦因数低，以得到极好的加工表面质量。6先进制造技术——特种加工技术②金刚石车刀的结构与几何要素通常是将金刚石刀头采用机械夹持或粘结方式固定在刀杆上，如图6-1所示。几何要素主要是指刀头形式和前角、后角等。（a）刀头形式

金刚石刀具一般不采用主切削刃和副切削刃相交于一点的尖锐刀刃，因为这样的刀尖不仅容易崩刃和磨损，而且易在加工表面留下加工很久而使加工表面的表面粗糙度值增大。金刚石刀具的主、副切削刃之间通常采用过渡刃对加工表面进行修光，常见的修光刃形式有直线修光刃和圆弧修光刃。（b）前角和后角金刚石较脆，在保证获得较小的表面粗糙度Ra值的前提下，为增加切削刃的强度，应采用较大的刀具楔角β，故刀具的前角和后角一般都取得较小。

金刚石刀具的前角通常是根据加工材料进行选取的，可参考表6-2。图6-1机械夹固式金刚石车刀6先进制造技术——特种加工技术③切削参数的选择金刚石车削时，加工表面的表面粗糙度与切削速度关系不大，宜采用高速切削，进给量的大小与车刀过渡刃宽度、圆弧半径有关，宽度与半径较大，进给量f可取大些。④金刚石刀具的刃磨晶面的选择刀具刃口的刃磨单晶是各向异性的，其不同的方向的性能（硬度、耐磨性等）相差很大。在金刚石刀具超精密切削中，超微量切除性能的好坏主要取决于刀具刃口的锋利程度。金刚石是目前发现的最硬的材料，故其精密刃磨是很困难的。6先进制造技术——特种加工技术（2）超精密切削加工的微量进给装置①超精密切削对微量进给装置的要求

微量进给与粗进给分开，以提高微量进给的精度和稳定性，同时保证加工效率；运动副必须是低摩擦和高稳定性的，以保证进给速度均匀、进给平衡、无爬行现象，从而使进给装置达到较高的重复定位精度；装置内部各连接处必须可靠接触，接触暗隙极小，接触刚度极高；末级传动件（即刀具夹持处）必须具有很高的刚度，以保证刀具进给的可靠性；在要求快速微量位移（用于随机误差补偿）时，微量进给装置应具有好的动态特性，即极高的频率响应特性；工艺性好，容易制造。6先进制造技术——特种加工技术②常见的微量进给装置a.压电陶瓷微量进给装置压电陶瓷具有电致伸缩效应，电致伸缩效应的变形量与电场强度的平方成正比。

用压电陶瓷制造微量进给装置具有很多优点：

能实现高刚度、无间隙位移；

能实现极精细的微量位移；

变形系数大，频响特性好，其响应时间可达100μs；

无空耗电流发热问题。6先进制造技术——特种加工技术b.弹性变形微量进给装置

利用材料在弹性限度内的变形量与所受的力成正比的原理而制成的微量进给装置，以其进给量小、进给精度高，刚度好，结构简单，变形量容易控制等优点，在超精加工机床上广泛的应用。6先进制造技术——特种加工技术2.超精密磨料加工

金刚石刀具超精密切削加工对铝、铜等有色金属及其合金是行之有效的，但对钢铁类铁碳合金进行切削加工时，由于加工时的局部高温，将使金刚石刀具中的碳原子很容易扩散到铁素体中，从而造成刀具的扩散磨损；在对非金属硬脆材料进行切削加工时，出于加工时的切应力很大，剪切能量密度也很高，这样，切削刃口处的局部高应力、高温将使刀具很快产生机械磨损。因此，对钢铁类、非金属硬脆材料等的超精密加工，一般多采用超精密磨料加工。超精密磨料加工是利用细粒度的磨粒和微粉，主要对黑色金属及其合金、非金属硬脆材料等进行加工的方法。

根据加工中磨粒的状态，可分为固结磨料超精密加工游离磨料超精密加工6先进制造技术——特种加工技术(1)固结磨料超精密加工

它是将磨料或微粉与结合剂粘结在一起，形成具有—定形状和强度的加工工具（如砂轮、砂带、油石等），利用这类工具与工件之间的相对运动来实现超精密加工。金刚石砂轮超精密磨削与普通磨削不同之处，主要表现在以下几个方面：①金刚石磨料的硬度极高，与被加工材料间有较大的硬度差，故切削作用极强；②金刚石砂轮的磨料浓度较普通砂轮低，且砂轮多使用微细磨料，因此气孔率很小，容屑孔小，砂轮表面易发生堵塞；③金刚石砂轮的自励性较差；④金刚石磨料的耐热性较差，在空气中当温度超过700℃时，金刚石将变质或石墨化，且温度越高越严重；⑤硬脆非金属材料磨削加工时的法向磨削力远比切向磨削力大，故机床应有足够的刚度。

由于上述特点及微薄切削所带来的问题，使得影响金刚石砂轮超精密磨削的因素相当复杂，归纳起来如表6—3所示。6先进制造技术——特种加工技术6先进制造技术——特种加工技术

由于金刚石的硬度及其稀有性，对金刚石砂轮的合理修整已成为当前人们普遍关注和致力研究的课题，目前已出现了多种行之有效的金刚石砂轮修整技术。20世纪80年代未由日本人大森整发明的将砂轮修整与磨削过程相结合的ELlD(Electrolytic

In—ProcessDressing)磨削法。

ELID磨削法是在进行磨削加工的同时，利用电解作用对砂轮进行修整，从而实现对超硬合金、硬脆非金属材料的镜面磨削的新方法。利用金属基结构剂的导电性，在磨削过程中不断地对结合剂进行电解作用，使已磨钝的磨粒脱落，露出新的、锋利的磨粒．从而使砂轮始终处于锋利状态。6先进制造技术——特种加工技术

(2)游离磨粒超精密加工

游离磨料超精密加工时，磨料不是固结在一起，而是处于游离状态的。加工过程中，工具与被加工表面之间存在一定大小的间隙，间隙中充满一定粒度和浓度的磨料，依靠磨料与工件表面间的相对运动来实现加工要求。游离磨料超精密加工的典型代表是超精密研磨与抛光。图6-6浮动研磨的原理机构示意图1—研具；2—研磨液；3—回转轮定位板；4—起浮板；5—工件；6—工件夹具；7—工件回转轮；8—主轴6先进制造技术——特种加工技术

3．影响超精密加工的主要因素(1)加工方法的原理及超微量加工机理；(2)加工设备及其基础元件；①高精度和高刚性；②高稳定性和高可靠性；③高自动化程度。(3)测量技术；

(4)加工环境条件。

6先进制造技术——特种加工技术6先进制造技术——特种加工技术6.3

电火花加工(又称电蚀加工)1．电火花加工原理

在充满液体介质的工具电极和工件之间的很小间隙上，施加脉冲电压，间隙中产生很强的电场，使两极间的液体介质在极间间隙最小处或在绝缘强度最低处，按脉冲电压的频率不断地被电离击穿，产生脉冲放电。由于放电时间很短，能量密度高度集中，放电区的温度高，使工件上的一小部分金属被迅速熔化和汽化。6先进制造技术——特种加工技术①由于电火花加工是利用极间火花放电时产生的电腐蚀现象，靠高温熔化和汽化金属进行蚀除加工的。因此，可以使用较软的紫铜等工具电极，对任何导电的难加工材料(如硬质合金、耐热合金、淬火钢、不锈铜金属陶瓷、磁钢等，用普通方法难以加工或无法加工)进行加工，达到以柔克刚的效果。②由于电火花加工是一种非接触式加工，加工时不产生切削力，不受工具和工件刚度限制，因而有利于实现微细加工，如薄壁、深小孔、盲孔、窄缝及弹性零件等的加工。③电火花加工中不需要复杂的切削运动，因此有利于异形曲面零件的表面加工，由于工具电极的材料可以较软，因而工具电极较易制造。④尽管放电温度较高，但因放电时间极短．所以加工表面不会产生厚的热影响层，因而适于加工热敏感性很强的材料。3．电火花加工的工艺特点及应用(1)

电火花加工的工艺特点6先进制造技术——特种加工技术⑤电火花加工时，脉冲电源的电脉冲参数调节及工具电极的自动进给等，均可通过一定措施实现自动化。⑥电火花加工时，工具电极会产生损耗，这会影响加工精度。

由其特点可见，电火花加工非常适合模具制造工业，因此电火花加工中90％以上都用于模具制造。冲模是生产上常见的模具，由于形状复杂、尺寸精度高，尤其是凹模用一般机械加工十分困难，甚至不可能，靠钳工手艺制作，劳动量大、耗费时间长、不易保证质量、热处理又易变形和断裂。电火花加工能很好地解决这些问题，还能加工硬质合金冲模。型腔模(包括锻模、压铸模、挤压模等)用切削方法加上几乎不可能，采用电火花加工则比较方便。（2）电火花加工的应用电火花加工方法可分为电火花成形加工、电火花线切割加工、电火花磨削和镗磨加工、电火花同步回转加工、电火花表面强化与刻字等五大类。其中，尤以电火花成形加工和电火花线切割加工的应用最为广泛。6先进制造技术——特种加工技术6.4

电子束和离子束加工图6-14电子束加工原理示意图1-电源及控制系统；2-抽真空系统；3-电子枪系统；4-聚焦系统；5-电子束；6-工件

电子束加工是在真空状态下，利用高速电子的冲击动能转化成局部热能而对材料进行加工的，如图6-14所示。

在真空状态下，利用电能将阴极(钨丝)加热到2700℃以上，发射出电子并形成电子云，在阳极吸引下，使电子朝着阳极方向加速运动，经聚焦后，得到能量密度极高、直径仅为几微米的电于束。它以极高的速度作用到被加工表面上，使被加工部位的材料在极短的时间(几分之一微秒)内温度迅速升高到几千摄氏度的高温．从而把局部材料瞬时熔化或汽化掉，实现了去除加工。

1．电子束加工原理、工艺特点及应用

(1)电子束加工原理

6先进制造技术——特种加工技术①由于电子束可聚集极高的能量密度，因此，其加工范围相当广泛，几乎可对任何金属导体、半导体和非导体材料进行加工。②由于电子束流可聚成儿微米甚至几分之一微米的小斑点，因此加工面积可以很小，能加工微孔、窄缝、半导体集成电路等。③电子束加工是—种非接触式加工，加工过程中工件不受机械力作用，且加工过程中不存在工具损耗问题。④可以通过磁场和电场对电子束的强度、位置、聚焦等进行直接控制，容易实现自动化。而且利用电子束在磁场中的偏转原理，可使电子束在工件内部偏转，从而加工弯孔和自由曲面，如图6-15所示。(2)电子束加工的工艺特点6先进制造技术——特种加工技术⑤因电子束流可以分割成多条细束，可以实现多束同时加工，一秒钟可以加工出数干千个小孔，从而大大提高了生产率。⑥由于电于束加工是在真空中进行的，因而产生污染少，加工表面在高温时也不会氧化，特别适于加工易氧化材料及纯度要求较高的半导体材料。⑦电子束加工需要一套专用设备和真空系统，价格较贵。

电子束打孔已在生产中实际应用。目前电子束微加工的最小孔径可达0.001～0.003mm，加工的尺寸精度可达0.01～0.0001μm

，孔的深径比为30以上，以加工不锈钢、耐热钢、宝石、拉丝模的锥孔以及微型孔、弯孔、弯缝最为适宜。图6-16所示是电于束加工喷丝头异形孔。此外，电子束还可用于刻蚀制板，难熔金属(如钽、铌、钼等)和化学性能活泼的金属(如钛、锆、铀等)的焊接以及电子束热处理等。(3)电子束加工的应用6先进制造技术——特种加工技术

离子束加工原理与电子束加工类似，也是在真空条件下，把氩(Ar)、氖(Kr)、氙(Xe)等惰性气体，通过离子源产生离子束并经过加速、集束、聚焦后，投射到工件表面的加工部位，以实现去除加工。所不同的是离子是带正电荷的，其质量比电子的质量大千万倍。由于离子的质量大，故在同样的电场中加速较慢，速度较低，而一旦加速到最高速度时，离子束比电子束具有更大的冲击能量。

高速电子撞击工件材料时，因电子质量小、速度大，动能几乎全部转化为热能，使工件材料局部熔化、汽化，通过热效应进行加工。而离子本身质量大，速度较低，撞击工件材料时，将引起变形、分离、破坏等机械作用。

2．离子束加工原理、工艺特点及应用(1)离子束加工原理6先进制造技术——特种加工技术①由于离子束可以通过光学系统进行聚焦扫描，离子束轰击材料是逐层去除原子，离子束流密度及离子能量可以精确控制，所以离子蚀