《现代制造系统》课件UNIT 4-1-1 manufacturing-manufacturing techniques

1Unit4先进制造单元技术E制造工艺技术群F制造自动化技术群G生产线布局及其设计H物料搬运系统规划设计

J柔性制造系统及CIMS2机械产品成形的工艺过程：材料准备、机械加工、热处理及表面处理和装配。基本概念3

机械加工成形方法去除成型(如车、铣、刨、磨等)

受迫成型（如锻造、锻压等）

离散/堆积成型（焊接）

生成成型(动、植物生长)思考题：机械加工的成形方法有哪几种？试举例说明。41

精密与超精密高速与超高速2高能与超高能34

微细与微纳米机械加工向超精密、超高速方向发展——以超精密超高速加工为代表特种加工方法和应用领域不断拓展——以激光加工技术为代表采用自动化技术，实现工艺过程的优化控制——以微机械加工为代表加工与设计趋于集成和一体化——以快速原型制造为代表P51精密与超精密加工技术6哈勃空间望远镜的镜片：直径2.4米，重量900公斤；要求在地面上获得0.1角秒的高分辨率：相当于从黑龙江省的黑河能分辨在海南省的三亚市的一辆汽车前面的两个车灯。为了做到这一点，镜头的形状误差不得超过0.01μm；要求如此巨大零件的制造误差落在如此狭窄的范围内(10nm)，是非常复杂的！黑河三亚0.1角秒7依据加工精度和表面粗糙度将机械加工分为一般加工、精密加工和超精密加工。精密加工：是指加工精度和表面质量达到极高精度的加工工艺，通常包括精密切削加工和精密磨削加工。超精密加工：超精密加工是相对于精密加工而言的。是以高精度为目标的加工技术，它要求在综合应用各种新技术和各方面精益求精的条件下，突破常规加工技术达到新的高精度指标。一、基本概念8一般加工：精度1～10μm左右;Ra0.1～0.8μm；精密加工：精度0.1～1μm左右；Ra0.025～0.1μm；超精密加工：精度0.01～0.1μm左右;亚微米级

Ra0.005～0.025μm；纳米加工：精度高于0.001μm;Ra<0.005μm

9精密与超精密加工是涉及内容广泛的综合技术，它要求有精密的机床设备和工具、稳定的环境条件、自动化的实时检测工具等，具体而言精密与超精密加工需要如下的关键技术做支撑：二、精密加工与超精密加工的关键技术精密与超精密加工机床金刚石刀具——破损形式：裂纹、碎裂和解理精密与超精密加工机理——微量加工的特殊性及微量加工理论稳定的加工环境——恒温、防振和空气净化误差补偿理论——提高加工的制造精度，保证加工系统的稳定性精密的测量技术思考题1、为什么金刚石刀具加工铁碳合金材料并不是最好的选择？2、什么是微量加工理论？3、保证工件加工精度的原则有哪几种？10主轴的回转精度导轨的直线运动精度刀具的微量进给精度导轨：滚动导轨液体静压导轨(大中型机床)空气静压导轨(小型机床)气浮导轨微量进给装置：弹性变形式电致伸缩式（电致效应）磁致伸缩式（磁致效应）主轴回转精度大多在0.02～0.03um；导轨直线度为0.1～0.2um／250mm；定位精度为0.01um，重复定位精度为0.006um；进给分辨率为0.003um。床身导轨多采用热膨胀系数低、阻尼特性好、尺寸稳定的花岗岩制造。微量进给机构——磁致伸缩微量进给机构。即改变电流的大小和时间相位，调节进给速度和改变进给方向。主轴轴承：滚动轴承液体静压轴承

空气静压轴承1、精密与超精密加工机床思考题：液体静压轴承与空气静压轴承的工作原理是什么？11有色金属及其合金——铜系、铝系材料树脂及塑料结晶体——如锗结晶体、硅等红外光学材料。铁碳合金材料，高温下刀具上的碳原子会向工件材料扩散，刀刃易磨损。一般不用金刚石刀具加工钢铁等黑色金属。常用立方氮化硼等超硬刀具材料超精密切削时的切削力要超过分子或原了间的结合力，刀刃承受的剪切应力很大，造成刀刃在局部区域内的高应力、高温工作状态，普通的刀具材料会快速磨损和软化；超精密需要极薄的切削量，刀具的刃口钝圆半径应达到纳米级。2、金刚石刀具导热性和耐磨性好，硬度范围为HV8000～HV12000，切削时与金属间的摩擦系数低，刀尖温度降低，切削力减小，减少了刀具磨损，刀具寿命可达数百小时。弹性模量高，刚性好，可减少加工时工件内应力及崩刀现象。刃口强度高，天然金刚石刀具的刃口钝圆半径可达到的极限值为2nm（0.002um），能磨出锋利的刃口。超精密加工用刀具材料金刚石刀具特点可加工的材料12与普通切削机理不同，精密、超精密加工中，背吃刀量一般小于晶粒尺寸，甚至小于分子、原子大小。因此，必须克服分子、原子之间非常大的结合力，才能形成微量或超微量切削。微量加工的材料破坏方式由切削应力作用区域和材料微观缺陷共同决定。微量切削机理3、精密与超精密加工理论目前以金刚石刀具切削和金刚石砂轮磨削为典型代表方式。金刚石刀具具有很高的高温强度和高温硬度且质地细密，切削刃钝圆半径可达0.002-0.005um，甚至2nm(纳米级切削)。13“蜕化”原则或“母性”原则——依靠机床的精度来保证，要求机床的精度高于工件的精度。“进化”或“创造性”加工原则——在精度比工件低的机床上加工出高精度的工件，因而精密或超精密加工设备必须具备在线检测和误差补偿能力。返回4、精密与超精密加工的误差补偿理论工件加工的同时进行检测，称为在线检测。采用修正、抵消、均化等措施减小或消除加工中的误差，称为误差补偿。141

精密与超精密高速与超高速2高能与超高能34

微细与微纳米机械加工向超精密、超高速方向发展——以超精密超高速加工为代表特种加工方法和应用领域不断拓展——以激光加工技术为代表采用自动化技术，实现工艺过程的优化控制——以微机械加工为代表加工与设计趋于集成和一体化——以快速原型制造为代表P15超高速加工概念——一种用比常规高很多（一般是10倍以上）的速度对零件进行加工的先进技术，它以高加工速度、高加工精度为主要特征，具有非常高的生产效率。一、基本概念加工效率高切削力小热变形小加工精度高，表面质量好减少后续加工工序国外分类采用机床主轴转速：8000～12000r/min为准高速切削15000～50000r/min为高速切削；大于50000r/min为超高速切削。思考题：1、什么是超高速加工？高速和超高速加工的特点是什么？2超高速加工技术16超高速加工的研究，起源于上世纪30年代，当时德国学者卡尔.萨洛蒙博士做了一项研究。他用大直径的圆锯片对不同材料的工件进行了高速切削实验，得到了著名的萨洛蒙曲线。二、超高速加工理论1931.4超高速切削理论发表1979法国维纳博士高效深磨机理学说17非铁金属(铝)铸铁钢切削温度切削速度m/min萨洛蒙曲线不同材料，随切削速度的提高，切削温度的变化不同。18A——常规切削区域B——不能切削的区域C——高速切削区域T——刀具耐受温度T在常规切削区域，切削温度随着切削速度提高而升高，但当切削速度达到某一临界值时，切削速度进一步提高，切削温度反而下降。因此确定了临界切削速度值，切削加工时，就可以避开这一过渡区域，直接进入高速切削区。针对不同的材料，临界的切削速度不同。思考题：2、试解释萨洛蒙曲线的特点及意义。19三、超高速加工机床及其支撑技术主轴单元技术——主轴动力源、主轴、轴承和机架；进给单元技术——进给伺服驱动技术、滚动元件技术、检测单元技术和其他边界密封润滑技术等；机床支承及其辅助单元技术；加工用刀具、磨具及材料；加工测试技术。20高速主轴单元（电主轴）机床主轴由内装式电动机直接驱动，从而把机床主传动链的长度缩短为零，实现了机床的“零传动”。电主轴是一种智能型功能部件，它采用无外壳电动机，将带有冷却套的电动机定子装配在主轴单元的壳体内，转子和机床主轴的旋转部件做成一体，主轴的变速范围完全由变频交流电动机控制，使变频电动机和机床主轴合二为一。思考题：什么是电主轴？高速主轴分为哪几种形式？21高速主轴单元（电主轴）22高速主轴主要有三种形式——滚珠轴承高速主轴静压轴承高速主轴磁浮轴承高速主轴高速主轴单元（电主轴）23高速主轴轴承的最新发展是使用陶瓷混合滚动轴承。即轴承外圈是轴承钢，而滚珠是由氮化硅陶瓷制成。陶瓷滚珠密度比钢珠低大约60%，所以可大幅度降低离心力；（1）滚珠轴承高速主轴陶瓷的弹性模量E比钢高50%，所以滚珠尺寸相同时，轴承具有更高的刚度。氮化硅摩擦系数也低，可减少摩擦发热，减少磨损。24液体静压轴承高速主轴的最大特点是运动精度很高，回转误差一般在0.2um以下，因而不但可提高刀具使用寿命，而且可以达到很高的加工精度和很低的表面粗糙度。（2）静压轴承高速主轴液体静压轴承的不足之处是高压液压油会引起油温升高，造成热变形，且驱动功率损失较大。25空气静压轴承可使主轴的转速和回转精度更高。最高转速可达10000转，回转误差在50nm以下。（2）静压轴承高速主轴缺点是承载能力较低，不适合材料切除量大的场合，且使用高清洁度压缩空气，故使用费用和维护费用较高。26磁浮轴承的工作原理如图所示。电磁铁绕组通如电流，对转子产生吸引力，使转子处于悬浮的平衡位置，当转子受到干扰，偏离平衡位置时，由传感器将检测到的位移信号送至控制器，控制器将位移信号转换成控制信号，再经功率放大器变换成控制电流，通过改变控制电流改变吸引力方向和大小，使转子重新回到平衡位置。（3）磁浮轴承高速主轴1-电磁铁（定子）；2-传感器；3-转子27（3）磁浮轴承高速主轴磁浮轴承的优点：高精度、高转速、高刚度。缺点：机械结构复杂，需要一整套传感器系统和控制电路，因此造价较高。28超高速机床进给单元超高速机床进给速度，一般为普通机床进给速度的5-10倍，且能瞬时达到高速，瞬时准确停止。系统具有很好的加速和减速特性。实现上述进给单元的高性能，需要采用直线电机驱动29直线电机工作原理及其结构直线电机是一种通过将封闭式磁场展开为开放式磁场，将电能直接转化为直线运动的机械能，而不需要任何中间转换机构的传动装置。30在机床进给系统中，采用直线电动机直接驱动与原旋转电机传动的最大区别是取消了从电机到工作台（拖板）之间的机械传动环节，把机床进给传动链的长度缩短为零，因而这种传动方式又被称为“零传动”。正是由于这种“零传动”方式，带来了原旋转电机驱动方式无法达到的性能指标和优点。直线电机和传统的旋转电机+滚珠丝杠运动系统的比较31直线电机的典型应用——磁悬浮列车maglevtrainsMagneticlevitationtrains——思考题：试从技术经济、路网建设、环境影响方面论述高速轮轨列车和磁悬浮列车在高速铁路网中的适应性，并阐述我国为什么选择高速轮轨技术构建高速铁路网。32直线电机的典型应用——磁悬浮列车磁悬浮列车就是用直线电机来驱动的。磁悬浮列车由直线电机牵引，直线电机的一个级固定于地面，跟导轨一起延伸到远处；另一个级安装在列车上，初级通以交流，列车就沿导轨前进。33直线电机的典型应用——磁悬浮列车磁悬浮列车上装有电磁体，地面导轨安装线圈。通电后，地面线圈产生与列车上的电磁体相同的极性，排斥力使列车悬浮起来。铁轨两侧装有线圈，交流电使线圈变为电磁体。列车头的电磁体（N极）被轨道上靠前一点的电磁体（S极）所吸引，同时被轨道上稍后一点的电磁体(N极）所排斥，一“推”一“拉”的电磁作用力，使列车前进。34直线电机的典型应用——磁悬浮列车35高速切削刀具高速切削的刀具材料主要是金刚石和聚晶立方氮化硼（PCBN）,其它还有硬质合金、陶瓷等。超硬刀具材料普通刀具材料36天然金刚石价格昂贵，常用聚晶金刚石代替。聚晶金刚石是人造金刚石的一种，硬度仅次于天然金刚石。其价格比较便宜，且耐磨性好，目前，已在大部分场合代替天然金刚石。高速切削刀具立方氮化硼CBN的性能：1）较高的硬度和耐磨性。CBN晶体结构与金刚石相似，化学键类型相同，晶格常数相近，因此CBN具有仅次于金刚石的高硬度和耐磨性。372）高的热稳定性。明显优于金刚石刀具。3）良好的化学稳定性。CBN在1200℃～1300℃时不会与铁系材料发生化学反应。在2000℃时才与碳反应，这比金刚石材料好得多，特别适合加工钢铁材料。4）良好的导热性。导热性仅次于金刚石。5）较低的摩擦系数。使得切削力和切削变形减小，提高了表面加工质量。高速切削刀具38指通过传感、分析、信号处理等对超高速机床及系统进行实时在线检测和控制，其主要内容包括对超高速加工系统状态及对加工工件的尺寸、形状、位置精度及加工表面质量进行控制。4、超高速加工测试技术返回391

精密与超精密高速与超高速2高能与超高能34

微细与微纳米机械加工向超精密、超高速方向发展——以超精密超高速加工为代表特种加工方法和应用领域不断拓展——以激光加工技术为代表采用自动化技术，实现工艺过程的优化控制——以微机械加工为代表加工与设计趋于集成和一体化——以快速原型制造为代表P401激光束、2电子束、3离子束、等离子体、4水射流、高能束流复合加工P高能束流焊接高能束流切割高能束流打孔高能束流热处理高能束流抛光

……高能量束流名称高能量束流应用能量束流的密度很高聚焦的高能束流，可用于微细加工能量密度可控，可进行全方位的加工材料的适用性强，可适用于金属、非金属材料等的加工思考题：1、高能束流加工的特点是什么？3高能束加工技术411、基本概念激光加工(laserbeammachining，LBM）是利用光能经透镜聚焦后以极高的能量密度在光热效应下产生高温熔融和冲击波的综合作用，藉此加工各种材料的一种新工艺。通过光学系统将激光束聚焦成功率密度可达107～1011w/cm2的极小光斑，温度可达一万摄氏度，将材料在瞬间（10-3s）熔化和蒸发，工件表面不断吸收激光能量，凹坑处的金属蒸汽迅速膨胀，压力猛然增大，熔融物被产生的强烈冲击波喷溅出去。思考题：2、激光束加工依据光热效应分为哪两类加工方式？简述其概念。一、激光加工技术422、分类根据激光束与材料间的相互作用，可将激光加工分为激光热加工和光化学反应两类。激光热加工是指利用激光束投射到材料表面产生的热效应来完成加工过程。激光热加工包括激光焊接、激光切割、表面改性和激光打标等。光化学反应是指激光束照射到物体上，借助高密度高能光子引发或控制光化学反应的加工过程。光化学反应包括光化学沉积、立体光刻、激光蚀刻等。433、特点由于激光加工的功率密度高，几乎可以加工任何材料；激光属非接触式加工，无明显机械切削力，因而具有无工具损耗、加工速度快、热影响区小、热变形和加工变形小，易实现自动化等优点；能透过透视窗孔对隔离室或真空室内的零件进行加工；激光可聚焦形成微米级光斑，输出功率大小可调节，常用于精密细微加工，最高加工精度可达0.001mm，表面粗糙度Ra值可达0.4～0.1；能源消耗少，无加工污染，在节能、环保等方面有较大优势。

444、激光加工设备的核心——激光器激光加工设备包括激光器、导光聚焦系统和激光加工系统。激光器是激光加工设备的核心，它能把电能转换成激光束输出。常用的激光器有固体和气体两大类。固体激光器常由主体光泵（激励源）及谐振腔（由全反射镜、半反射镜组成）、工作物质（一些发光材料如钇铝石榴石、红宝石、钕玻璃等）、聚光器、聚焦透镜等组成。45固体激光器中激光的产生与加工原理46（1）激光打孔激光打孔主要用于特殊材料或特殊工件上的孔加工，如仪表中的宝石轴承、陶瓷、玻璃、金刚石拉丝模等非金属材料和硬质合金、不锈钢等金属材料的细微孔的加工。激光打孔的效率非常高，打孔时间甚至可缩短至传统切削加工的百分之一以下，生产率大大提高。激光打孔的精度很高，尺寸公差等级可达IT7，表面粗糙度Ra值可达0.16～0.08。5、应用领域47（2）激光焊接激光器利用原子受激辐射的原理，使物质受激而产生波长均一，方向一致和强度非常高的光束。激光束经聚焦后，将焦点调节到焊件结合处，光能迅速转换成热能，使金属瞬间熔化，冷却凝固后成为焊缝。激光束焊接是以聚集的激光束作为能源的特种熔化焊接方法。焊接用激光器有钇铝石榴石（

YAG）固体激光器和CO2气体激光器，此外还有CO激光器、半导体激光器和准分子激光器等。48（3）激光切割激光切割是利用聚焦以后的高功率密度激光束连续照射工件，光束能量以及活性气体辅助切割过程，附加的化学反应热能均被材料吸收，引起照射点材料温度急剧上升，到达沸点后材料开始汽化，并形成孔洞，且光束与工件相对移动，使材料形成切缝，切缝处，熔渣被一定压力的辅助气体吹除。49（3）激光切割50（4）激光表面热处理当激光能量密度在103～105w/cm2左右时，对工件表面进行扫描，在极短的时间内加热到相变温度（由扫描速度决定时间长短），工件表层由于热量迅速向内传导快速冷却，实现了工件表层材料的相变硬化（激光淬火）。51（4）激光表面热处理与其它表面热处理比较，激光热处理工艺简单，生产率高，工艺过程易实现自动化。一般无须冷却介质，对环境无污染，对工件表面加热快，冷却快，硬度比常温淬火高约15%～20%；耗能少，工件变形小，适合精密局部表面硬化及内孔或形状复杂零件表面的局部硬化处理，但激光表面热处理设备费用高，工件表面硬化深度受限，因而不适合大负荷的重型零件。52（5）激光打标与激光雕刻53（5）激光打标与激光雕刻激光打标样品激光雕刻样品54（6）激光蚀刻5555551激光束、2电子束、3离子束、等离子体、4水射流、高能束流复合加工P高能束流焊接高能束流切割高能束流打孔高能束流热处理高能束流抛光

……高能量束流名称高能量束流应用能量束流的密度很高聚焦的高能束流，可用于微细加工能量密度可控，可进行全方位的加工材料的适用性强，可适用于金属、非金属材料等的加工一、激光束加工技术-光热效应二、电子束加工技术-热效应三、离子束加工技术-撞击、溅射、注入四、水射流加工技术-纯水、磨粒要点回顾56自学完成如下相关题目3、简述电子束、离子束、水射流加工的原理、特点及应用。57二、电子束加工技术1、基本原理

2、加工特点

3、应用领域

4、技术进展581—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1、基本原理

从灼热的阴极发射出的电子，在30～200千伏作用下被加速，通过电磁透镜聚焦后能量密度为106～109w/cm2的极细电子束。高速束流冲击到工件表面上，在几分之一微秒时间内，使工件被冲击部位达到几千摄氏度，致使材料局部熔化或蒸发，以此进行焊接、穿孔、刻槽和切割等去除材料的加工。592、特点

电子束强度、位置、聚焦可精确控制，电子束通过磁场和电场可在工件上以任何速度行进，便于自动化控制。电子束能聚焦成很小的斑点（直径一般为0.01～0.05毫米），适合于加工微小的圆孔、异形孔或槽；功率密度高，能加工高熔点和难加工材料，如钨、钼、不锈钢、金刚石、蓝宝石、水晶、玻璃、陶瓷和半导体材料等；加工速度快，如在0.1毫米厚的不锈钢板上穿微小孔每秒可达3000个，切割1毫米厚的钢板速度可达240毫米／分。60高功率密度属非接触式加工，工件不受机械力作用，即无机械接触作用，很少产生宏观应力变形，同时也无工具损耗问题。电子束加工可节省材料，广泛用于焊接，其次是薄材料的穿孔和切割。穿孔直径一般为0.03～1.0毫米，最小孔径可达0.002毫米。切割0.2毫米厚的硅片，切缝仅为0.04毫米。环境污染少适合加工纯度要求很高的半导体材料及易氧化的金属材料。由于使用高电压，会产生较强X射线，必须采取相应的安全措施；需要在真空装置中进行加工；设备造价高等。61不锈钢、耐热钢、宝石、陶瓷、玻璃等各种材料上的小孔、深孔。最小加工直径可达0.002mm，最大深径比可达10。塑料和人造革上打许多微孔，令其象真皮一样具有透气性。一些合成纤维为增加透气性和弹性，其喷丝头型孔往往制成异形孔截面，可利用脉冲电子束对图形扫描制出。（1）电子束打孔3、应用62还可凭借偏转磁场的变化使电子束在工件内偏转方向加工出弯曲的孔。（1）电子束打孔可对各种材料进行切割，切口宽度仅有3～6μm。利用电子束再配合工件的相对运动，可加工所需要的曲面。（2）电子束切割63当使用低能量密度的电子束照射高分子材料时，将使材料分子链被切断或重新组合，引起分子量的变化即产生潜象，再将其浸入溶剂中将潜象显影出来。把这种方法与其它处理工艺结合使用，可实现在金属掩膜或材料表面上刻槽。（3）光刻用计算机控制，对陶瓷、半导体或金属材料进行电子刻蚀加工；异种金属焊接；电子束热处理等。（4）其它应用644、进展电子束加工技术的主要应用是电子束焊(EBW)，经过30多年的发展，现已成为较成熟的技术，处于平稳发展、扩大应用阶段。研究工作集中在焊缝实时跟踪、电子束加热温度场计算机模拟计算、大功率二极枪的研究（间热式阴极、高压放电保护）、电子束能量密度测试、电子束焊接专家系统等方面。在应用研究方面，主要是对大气条件下电子束焊接的设备和工艺的研究以及电子束焊接大厚件的研究。65电子束物理气相沉积(EB-PVD)技术在航空发动机制造业日益受到重视。俄罗斯、乌克兰等国先后把该技术用于航空发动机叶片的热障涂层以及叶片的制造、金属材料的制备等方面。现在这一技术日益得到西方的重视，例如美国P&W公司与乌克兰巴顿焊接所成立了该项技术的合资公司，以尽快在美国推广该项技术。66三、离子束加工技术1、基本原理

2、加工特点

3、应用领域

4、技术进展67离子束加工的物理基础——当离子束打击到材料表面上，会产生所谓撞击效应、溅射效应和注入效应，从而达到不同的加工目的。离子束与电子束的区别——因为离子带正电荷且质量是电子的千万倍，且加速到较高速度时，具有比电子束大得多的撞击动能，因此，离子束撞击工件将引起变形、分离、破坏等机械作用，而不像电子束是通过热效应进行加工。1、离子束加工的基本原理

68离子束加工（ionbeammachining，IBM）概念——是在真空条件下利用离子源（离子枪）产生的离子经加速聚焦形成高能的离子束流投射到工件表面，使材料变形、破坏、分离以达到加工的目的。692、离子束加工的特点加工精度高。因离子束流密度和能量可得到精确控制。在较高真空度下进行加工，环境污染少。特别适合加工高纯度的半导体材料及易氧化的金属材料。加工应力小，变形极微小，加工表面质量高，适合于各种材料和低刚度零件的加工。703、离子束加工的应用刻蚀加工；离子溅射沉积；镀膜加工；离子注入加工。71（1）离子刻蚀氩离子带0.1～5keV的能量轰击工件表面时，高能离子所传递的能量超过工件表面原子（或分子）间键合力，材料表面的原子（或分子）被逐个溅射出来，达到加工目的离子束加工本质上属于一种原子尺度的切削加工，通常又称为离子铣削。离子束刻蚀可用于加工空气轴承的沟槽、打孔、加工极薄材料及超高精度非球面透镜，还可用于刻蚀集成电路等的高精度图形。72（2）离子溅射沉积采用能量为0.1～5keV的氩离子轰击某种材料制成的靶材，将靶材原子击出并令其沉积到工件表面上并形成一层薄膜。此法实际上为一种镀膜工艺。73（3）离子镀膜离子镀膜一方面是把靶材射出的原子向工件表面沉积，另一方面还有高速中性粒子打击工件表面以增强镀层与基材之间的结合力（可达10～20MPa），此法适应性强、膜层均匀致密、韧性好、沉积速度快，目前已获得广泛应用。74（4）离子注入用5～500keV能量的离子束，直接轰击工件表面，由于离子能量相当大，可使离子钻进被加工工件材料表面层，改变其表面层的化学成分，从而改变工件表面层的机械物理性能。此法不受温度及注入何种元素及粒量限制，可根据不同需求注入不同离子（如磷、氮、碳等）。注入表面元素的均匀性好，纯度高，其注入的粒量及深度可控制，但设备费用大、成本高、生产率较低。75航空、航天高技术发展的需求牵引，给等离子加工技术注入了活力。等离子切割、等离子焊接、等离子喷涂以及等离子体源离子注入和离子刻蚀技术都得到迅速发展。国外对等离子体加工技术的研究和应用给予了很大重视。俄罗斯新西伯利亚科学分院对等离子射流的研究很深入，推动了等离子矩的发展，并且研制了等离子设备软件。乌克兰巴顿焊接研究所在超音速火焰喷涂、微束等离子喷涂、爆炸喷涂等方面开展了大量的研究、应用工作。等离子束流加工技术又从航空、航天动力装置特殊功能涂层的真空喷涂，发展到制备特种整体机构件，即等离子喷涂成形技术。4、离子束加工技术进展761

精密与超精密高速与超高速2高能与超高能34

微细与微纳米机械加工向超精密、超高速方向发展——以超精密超高速加工为代表特种加工方法和应用领域不断拓展——以激光加工技术为代表采用自动化技术，实现工艺过程的优化控制——以微机械加工为代表加工与设计趋于集成和一体化——以快速原型制造为代表P1

精密与超精密高速与超高速2高能与超高能34

微细与微纳米机械加工向超精密、超高速方向发展——以超精密超高速加工为代表特种加工方法和应用领域不断拓展——以激光加工技术为代表采用自动化技术，实现工艺过程的优化控制——以微机械加工为代表加工与设计趋于集成和一体化——以快速原型制造为代表P微细加工（Microfabrication）起源于半导体制造工艺，原来指加工尺度约在微米级范围的加工方式。在微机械研究领域中，它是微米级微细加工(Micro-fabrication)，亚微米级微细加工(Sub-micro-fabrication)和纳米级微细加工(Nano-fabrication)的通称。7777774微机械及其微细加工技术基于碳纳米管的齿轮、齿轮-齿条7878784微机械及其微细加工技术随着MEMS尺寸的缩小，许多物理现象与宏观世界有很大差别。很多原来的理论基础都会发生变化，如尺度效应、微结构的表面效应、微观摩擦机理等。在微尺度上，固体甚至不再具有确定的“表面”。“均匀连续”、“各向同性”以及“线性化”等假设,在微尺度上将不再成立。一些宏观的物理量,如弹性模量、摩擦系数、密度、温度等,已失去意义,或者需要重新定义。常采用的微细加工技术，几乎涉及了各种现代特种加工、高能束等加工方式。通常有1、微机械加工、2、硅微细加工、3、LIGA加工工艺和4、纳米加工。思考题：1、解释微尺度效应2、为什么均匀连续、各向同性及线性化假设在微尺度上不成立？7979大机器制造小机械，小机器制造微机械——日本为代表如用小型精密机床或电火花、高能束流等特种加工方法制作精密微器件。1、微细机械加工80日本某学校研制的微型工厂，整个工厂体积为：625mm×490mm×380mm重量约34kg内有车床、加工中心、冲床、装配机等。这个微型工厂遥控监测操作。微型零件装配用的微型夹持器81光刻加工、体硅微细工艺及表面牺牲层微细工艺——美国为代表。2、硅微细加工技术硅是最基本的微机械加工材料，微细加工技术一般要涉及硅材料硅微细加工技术所用的典型加工工艺为：去除（刻蚀、激光加工、机械钻孔等）和添加（沉积绝缘体、金属等）。在衬底上“去除”的悬臂梁(a)在衬底上“添加”的悬臂梁(b)机械加工成形方法82体硅微细加工工艺是针对整块材料如单晶硅基片通过刻蚀（Etching）等去除部分基体或衬底材料，从而得到所需元件的体构形。在体微机械加工技术中，关键的步骤是刻蚀工艺。刻蚀工艺分为干法刻蚀和湿法刻蚀。体硅微细加工工艺（1）体硅微细加工工艺(bulkmicromachiningtechnologies)离子束刻蚀激光刻蚀各向同性刻蚀各向异性刻蚀83①离子束刻蚀离子刻蚀也称溅射刻蚀或去除加工。离子束刻蚀又分为聚焦离子束刻蚀和反应离子束刻蚀（Reactive-IonEtching）。②激光刻蚀利用激光对气相或液相物质的良好的透光性1）干法刻蚀干法刻蚀是利用高能束或某些气体对基体进行去除材料加工，被刻蚀表面粗糙度较低，刻蚀效果好，但对工艺条件要求较高，加工方式可分为溅射加工和直写加工，加工工艺主要包括离子束刻蚀和激光刻蚀。ReactiveIonEtchingSystem反应离子刻蚀机84湿法刻蚀工艺是通过化学刻蚀液和被刻蚀物质之间的化学反应，将被刻蚀物质剥离下来，包括各向同性与各向异性刻蚀。各向同性刻蚀是在任何方向上刻蚀速度均等的加工；而各向异性刻蚀则是与被刻蚀晶片的结构方向有关的一种刻蚀方法，它在特定方向上刻蚀速度大，其它方向上几乎不发生刻蚀。2）湿法刻蚀85表面微细加工技术就是利用集成电路中的平面化制造技术来制造微机械装置。标准的工艺流程包括：首先在单晶硅基片上交替沉积一层低应力的多晶硅层和一层用于刻蚀的氧化硅层，形成一个复杂的加工层，然后再对这个加工层进行光刻摹制，最后用氢氟酸对氧化硅进行蚀刻显影。（2）表面微细加工工艺(surfacemicromachiningtechnologies)86牺牲层技术(sacrificialtechnologies)是表面微机械加工技术的一种重要工艺。牺牲层技术也叫分离层技术。U.C.Berkeley采用表面牺牲层工艺制备的世界上第一个MEMS器件－微型静电马达采用五层多晶硅工艺制备的微型传动结构87光刻(Photolithography)也称照相平版印刷术，是加工制作半导体结构或器件和集成电路微图形结构的关键工艺技术，其原理与印刷技术中的照相制版相似：在硅等基体材料上涂覆光致抗蚀剂（或称为光刻胶），然后用高极限分辨率的能量束通过掩模对光致蚀层进行曝光或称光刻；经显影后，在抗蚀剂层上获得了与掩模图形相同的细微的几何图形。再利用刻蚀等方法，在基底或被加工材料上制造出微型结构。（3）光刻加工技术光刻基本工艺过程为：掩膜制作-硅基片处理-涂胶-曝光-显影-刻蚀-去胶光学光刻紫外线光刻X射线光刻电子束光刻离子束光刻88光刻基本工艺过程为：掩膜制作-硅基片处理-涂胶-曝光-显影-刻蚀-去胶（a）涂胶（b）曝光（c）显影（d）刻蚀（e）去胶1-衬底2-介质层3-光刻胶4-照射光5-掩模6-几何图形89光学光刻的原理与印像片相同，只是用涂覆了感光胶(抗蚀剂)的硅片取代了相纸，掩模版取代了底片。光学光刻存在着极限分辨率较低和焦深不足两大问题。UV光光学光刻工艺母板掩膜光刻胶SiO2光刻胶SiO21）光学光刻工艺90电子束光刻与传统意义的光刻(区域曝光)加工不同，是用束线刻蚀进行图形的加工。电子束光刻的主要缺点在于产出量，加工过程较慢，不能用于制造大多数集成电路。2）电子束光刻91用离子束进行抗蚀剂的曝光始于80年代液态金属离子源的出现。离子束曝光在集成电路工业中主要用于光学掩模的修补和集成电路芯片的修复。离子束投影光刻的主要优点有——可采用分布重复投影结构，可利用光学抗蚀剂进行立体曝光，对抗蚀剂厚度或基底材料不敏感；可与光学光刻混合使用；焦深大，使用极小的NA（数值孔径，NumericalAperture）就足以使离子光学镜头实现25mm×37mm的整片芯片曝光，衍射效应可忽略。离子束光刻的主要缺点有——离子束需要在真空下工作，硅片和掩模操作不方便；离子束是带电粒子，由于空间电荷使图形的清晰程度和图形位置精度受限；离子束可使下层基底受损。3）离子束光刻92光学曝光所能达到的极限分辨力与工作波长成正比，与透镜的数值孔径成反比。目前，曝光波长的进一步缩短和数值孔径的增大都受材料、光刻工艺等因素的限制，因而必须寻求新的技术方案。由于X射线的波长很短（约为1nm），能满足超大规模集成电路发展的需要，得到了广泛的重视。4）X射线光刻同步辐射深度光刻结果933、LIGA加工技术LIGA技术由深层同步辐射X射线光刻（Lithography）、电铸（Galvanoforming）成型和塑铸（Abforming）成型3个工艺过程组合而成。——德国为代表突出优点是可以制作高深宽比的立体微结构，深度最高可达1000μm（1mm），深宽比大于200，且可以批量复制，成本低；缺点是X射线同步辐射源比较昂贵。94同步辐射光源超微细加工(LIGA)光束线结构图95同步辐射光源英国"钻石"同步辐射光源(diamond)上海同步辐射光源963、LIGA加工技术深层同步辐射X射线光刻（Lithography）电铸（Galvanoforming）成型塑铸（Abforming）成型——德国为代表973、LIGA加工技术深层同步辐射X射线光刻（Lithography）电铸（Galvanoforming）成型塑铸（Abforming）成型——德国为代表LIGA加工技术示意图98LIGA工艺过程：深层同步辐射X射线光刻电铸成形注塑99100LIGA工艺形成的微齿轮与微马达b)组装后的电磁驱动微马达的SEM照片，由牺牲层和LIGA技术获得，转子直径为150

m，三个齿轮的直径分别为77

m,100

m和150

ma)LIGA工艺得到的三个镍材料的微型齿轮，每个齿轮高100

m101LIGA工艺主要特点:LIGA产品具有高的结构强度，坚固耐用，实用性强；LIGA产品可用多种材料制备，例如:金属、陶瓷、聚合物等；可直接生产复合结构（包括运动部件），并同时具有电路制作能力，便于制成机电一体化的产品可获得亚微米精度的微结构；便于批量生产（在基底片上可一次生产上千个部件）和大规模复制，成本低，价格便宜。

102金属镍微弹簧，厚度200μm金属双层微齿轮，每层厚200μm高度为200μm的光刻胶微结构金属镍微结构，高度为100μm1034、纳米加工技术运用原子力显微镜（AtomicForceMicroscope，

AFM）技术，使用金刚石探针尖对工件进行雕刻加工。扫描探针微显微镜（Scanningprobemicroscope）开始只用于表面微观形貌的检测，现在用途已大大扩展,已用于纳米级微结构的精密加工和原子操纵方面。104用扫描隧道显微镜（scanningtunnelmicroscope，STM）技术，用金属探针尖对工件表面进行加工，其原理为：针尖和工件表面间存在隧道电流,针尖是阳级反应的阴极，工件表面为阳级，当针尖距离工件极近时，被吸引的工件表面的原子随针尖移动但不会脱离工件表面，从而实现对工件表面原子的搬迁。105中科院院徽搬迁101个原子写成的中文“原子”1993年美国圣荷塞IBM阿尔马登研究所D.M.Eigler等人在超真空环境中,运用扫描隧道显微镜，成功移动48颗Fe原子排列成圆形，实现原子操纵技术。返回1061061061

精密与超精密高速与超高速2高能与超高能34

微细与微纳米机械加工向超精密、超高速方向发展——以超精密超高速加工为代表特种加工方法和应用领域不断拓展——以激光加工技术为代表采用自动化技术，实现工艺过程的优化控制——以微机械加工为代表加工与设计趋于集成和一体化——以快速原型制造为代表P快速原型制造技术（RapidprototypingManufacturing，RPM）通常也称为快速成型技术或快速原型技术（Rapidprototyping，RP），是一种基于离散/堆积成形思想的新型成形技术，是集成计算机技术、数控技术、激光技术与新材料等新技术而发展起来的先进的产品研究与开发技术。快速成形技术与数控加工、铸造、金属冷喷涂、硅胶模制作等制造手段的密切结合，已成为当前模型、模具和零件制造的强有力手段，在航空航天、汽车、家电以及生物制造工程等领域得到了广泛的应用。5快速原型制造技术手机外壳橡胶模四缸发动机的蜡模思考题：什么是快速原型制造技术？简述其工作原理？107107设计铸造焊接锻压模具加工毛坯材料分离成形粗加工半精工精加工工件材料堆积成形设计工件样件模具传统加工与快速成形对比108108从成形的全过程看，快速成形过程可以描述为离散/堆积过程；离散：从CAD模型中获得点、线、面的几何信息；堆积：将CAD模型的几何信息与成形参数信息结合,转换为控制成形机工作的NC代码,控制材料有规律地、精确地迭加。一、快速原型制造的原理109109液体材料SLABISLTPHISSGCRP工艺方法及其分类粉状材料BMPFDM3DWSDMESSLSGPD3DPSFTSF片状材料LOMSFP液体树脂固化熔融材料固化激光熔合材料粘结剂粘结材料粘性片材的粘结UV粘结片状材料二、快速原型制造工艺方法及其分类作业：请写出红色标记的英文缩写所表示的快速制造工艺名称，并简要介绍其原理和特点。

快速成型视频材料110SLA——立体光刻法，或光固化法BIS——光束界面固化LTP——树脂热固化成型HIS——全息投影成型SGC——实体掩模成型BMP——弹道喷射成型FDM——熔融层积技术3DW——三维焊接成型SDM——形状层积技术ES——环氧树脂固化epoxysolidificationSLS——选择性激光烧结GPD——活性气体分解沉积3DP——三维印刷技术SF——空间成型TSF——Topographic

Shell

Fabrication

型壳制造LOM——叠层实体造型SFP——实体薄片成型111三维光刻法也称光固化法，该名称来自于美国3D-systems公司在1980年推出的名为StereoLithographyApparatus（SLA）的快速成型装置的英文缩写。所以通常也简称为SLA法。1、三维光刻法SL（StereoLithography）激光器零件光敏树脂激光束升降台Z112采用紫外光致凝液态光敏树脂（固化）到特定形状；计算机控制下的紫外激光束对液态树脂逐点扫描，使被扫描区的树脂薄层产生光聚合反应，形成零件的一个薄层截面。工作台下降一个层厚，在已固化好的树脂上表面再敷上一层新的液态树脂，并保证上表面位置不变，然后通过激光扫描使本层固化，并要求牢固地粘接在前一层上，该过程一直重复操作到达到b高度。113这时可以注意到工作台在垂直方向下降了距离ab。到达b高度后，层片截面尺寸发生了变化，由于出现悬臂部位，此处应添加支撑，该过程重复进行堆积出从高度b到c的圆柱环形截面；零件制造结束后从工作台上取下，去掉支撑结构，即可获得三维零件；能达到的最小公差取决于激光的聚焦程度：通常是0.0125mm(0.0005in）。倾斜的表面也可以有很好的表面质量。114SL工艺优点精度较高，一般尺寸精度控制在±0.1mm；表面质量好；原材料的利用率接近100％；能制造形状特别复杂、特别精细的零件；设备的市场占有率很高。缺点需要设计支撑；可以选择的材料种类有限；容易发生翘曲变形；材料价格较贵。该工艺适合于比较复杂的中小件115使用材料——薄片材料，如纸片、塑料薄膜、金属箔材或其它材料箔材。工艺过程——激光器按照CAD分层模型数据，将纸切