3-1-先进制造工艺技术(概述)

第三章先进制造工艺技术精密洁净铸造成形工艺精确高效塑性成形技术优质、高效焊接与切割技术优质低耗洁净热处理技术超高速加工、超精密加工技术微型机械加工技术现代特种加工工艺新型材料成形与加工工艺优质清洁表面工程新技术快速原型制造技术拟实制造成形加工技术3.1概述

制造工艺技术是指将原材料转化成具有一定几何形状、一定材料性能和精度要求可用零件的一切过程和方法的总称。

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、工具机械制造工艺流程制造加工精度

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；目前达到10nm的精度水平。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。先进制造工艺的产生和发展切削速度随刀具材料的变更而提高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。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。先进制造工艺技术就是机械制造工业不断变化和发展后所形成的制造工艺技术.

先进制造工艺技术主要由以下方面构成：

1）精密与超精密加工技术；2）传统制造方法的不断改进；3）非传统制造方法的产生与发展。3.2先进加工工艺技术（１）超精密加工方法和设备超精密加工技术是一门集机械、光学、电子、计算机、测量和材料科学等先进技术于一体的综合性技术。目前，超精密加工技术通常是指被加工零件的尺寸精度低于0.1μm，表面粗糙度Ra小于0.025μm的加工技术。目前超精密加工的零件精度已达到亚微米级，正在向纳米级工艺发展。应用超精密加工适用于精密元件、计量标准元件、大规模和超大规模集成电路的制造，在国防工业、航空航天工业、电子工业、仪器仪表工业、计算机制造、微型机械等领域都有着广阔的市场前景。超精密加工分类按照加工方式的不同，超精密加工可分为

超精密切削、超精密磨料（固结磨料和游离磨料）加工、超精密特种加工复合加工。超精密加工技术处于世界领先地位的国家有美国、英国和日本。美国LLL国家实验室以发展国防尖端技术为主要目标，于1983年研究开发的大型金刚石超精密车床DTM－3的加工精度可达到形状误差为28nm（半径），圆度和平面度为12.5nm，加工表面粗糙度Ra4.2nm。该机床与LODTM是现在世界上公认的技术水平最高、精度最高的大型超精密金刚石车床（图1）。(a)单晶金刚石飞铣加工的激光系统用KDP晶体（长宽42cm,厚1cm,粗糙度2nm）b)LODTM加工的美国宇航局用的抛物面镜（最终形状误差１５０nm）图1LLL的LODTM大直径光学超精密车床图1LLL的LODTM大直径光学超精密车床英国CUPE公司以其精加工技术著称，该公司1991年研制的用于加工X射线天体望远镜用2.5mx2.5m反射镜的大型超精密机床可用于精密磨削和坐标测量。日本在用于声、光、图象、办公设备中的小型、超小型电子和光学零件的超精密加工技术方面，其优势超过美国。我国的超精密加工技术在70年代末期有了长足进步，80年代中期出现了具有世界水平的超精密机床和部件。但我国在超精密加工的效率、精度、可靠性，特别是规格（大尺寸）和技术配套性方面与国外比，与生产实际要求比，还有相当大的差距。未来超精密加工技术发展趋势是：向更高精度、更高效率方向发展；向大型化、微型化方向发展；向加工检测一体化方向发展；机床向多功能模块化方向发展；不断探讨适合于超精密加工的新原理、新方法、新材料。（２）硅片加工硅片是集成电路IC芯片的主要材料，IC业的发展离不开晶体完整、高纯度、高精度、高表面质量的硅晶片，全球90％以上的IC都要采用硅片。因此实现大尺寸硅片的高精度、高质量和高效率的工业化生产是目前IC行业关注的焦点。硅片制造的传统工艺流程为：拉单晶→磨外圆→切割→倒角→研磨→腐蚀→清洗→抛光（如图2所示）。下一代集成电路制造对硅片加工精度、表面粗糙度、表面缺陷、表面洁净度和硅片强度等提出了很高的要求。此外，硅片需求量的剧增，还要求硅片加工具有较高的生产效率。这些要求使硅片的加工面临新的挑战。Figure2:Schematicofwiresaw

Figure3:Rolling-IndentingModelofwiresawmanufacturingprocess

（３）LIGA技术LIGA(光刻电铸)是德语Lithographie

GalvanoformungundAbforming

的缩写。LIGA技术是20世纪80年代初在德国原子能研究中心为提出铀-235研制微型喷嘴结构的过程中产生的。LIGA工艺是基于X射线光刻技术的三维微结构加工技术，在原理上LIGA技术与全息记录的大规模复制（例如，激光唱片生产）有点相仿，如图4所示。第一步是用光刻的方法在光刻胶上刻出微机械或微器件的三维结构；第二步是通过电铸从光刻胶三维结构上产生金属母模；第三步是用母模通过电铸或塑铸方法复制许多生产用模；最后一步是用生产用模作大规模复制。LIGA技术，可以得到高深宽比的精细结构，它的加工深度可以达到几百微米，刻线宽度小于十分之几微米，是一种高深宽比的三维加工技术，可以加工各种金属、塑料和陶瓷等材料。LIGA技术在微机械加工领域中完全打破了硅平面工艺的框架，已成为最有前途的三维构件的工艺手段之一。利用该技术已经开发和制造出了微齿轮、微马达、微加速度计、微射流计等。我国利用LIGA技术成功制作出小卫星姿态控制微推进器关键部件，间隙16微米，长200微米，深200微米。还制作了解决航天器进出大气层的高热负荷问题的微换热器部件，线宽30微米，长6毫米，深200毫米；制作了在工程控制中具有重要作用的微型密码锁齿轮，其结构厚度700微米。（4）微机械MEMS微机械也常称为:微型机电系统(micro-electro-mechanicalsystem，MEMS)、微机器(micro-machine)、微系统(micro-system)。微机械按其尺寸特征可分为

1～10mm的微小型机械；

1μm～1mm的微机械；

1nm～1μm的纳米机械。微机械涉及电子、机械、材料、制造、信息与自动控制、物理、化学和生物等多种学科，并集约了当今科学技术发展的许多尖端成果。用微机械加工技术能制作微传感器、微能源、微致动器（亦称微执行器）等微机械基本部分以及高性能的电子集成线路组成的微机电器件与装置。表1不同方法加工的微型电机比较主要加工方法光刻加工①微细电火花加工②制作的微型电机外观转子直径/mm

定子长度/mm

外形直径/mm0.1

0.002

-0.5

5

1.6微机电系统有以下几个特点：①器件微型化、集成化、尺寸达到纳米数量级，在一个几毫米见方的硅芯片上完成线与面的集成、信号处理单元的集成、功能集成甚至能够完成整个微型计算机的集成。②功能多样化、智能化，例如，把硅基材料微型传感器（如图6所示）和信号处理器与转换电路做在一起，极大提高了MEMS的信噪比，同时大大提高了MEMS的灵敏度、测量精度和响应速度。③功能特殊性，由于MEMS微型化、集成化智能化程度大大加强，使得它在许多场合发挥特殊功能。如以微机械生物化学传感器为基础的血液手持型测试仪，可以快速测试血液中的CO2、K+、Na+、C1-、葡萄糖、尿素、pH值等多种指标。这种血液分析仪的开发成功预示着化学分析仪进入一个崭新天地。④能耗低、灵敏度高、工作效率高，微机电系统所消耗的能量远小于传统机电系统，却能以10倍以上的速度完成同样的工作，如图6所示一只小甲虫就可以带动一个微轴承。常用的制作MEMS器件的技术主要有三种：第一种是以日本为代表的利用传统机械加工手段，即利用大机器制造小机器，再利用小机器制造微机器的方法。这种方法可以用于加工一些在特殊场合应用的微机械装置，如微型机器人、微型手术台等。第二种是以美国为代表的利用化学腐蚀或集成电路工艺技术对硅材料进行加工，形成硅基MEMS器件，它与传统IC工艺兼容，可以实现微机械和微电子的系统集成，而且该方法适合于批量生产，已经成为目前MEMS的主流技术。第三种是以德国为代表的LIGA技术，利用该技术已经开发和制造出了微齿轮、微马达、微加速度计、微射流计等。MEMS的加工技术具体可包括硅表面加工和体加工的硅微细加工、LIGA加工和利用紫外光刻的准LIGA加工、微细电火花加工（EDM）、超声波加工、等离子体加工、激光加工、离子束加工、电子束加工、立体光刻成形等。常用的有图7所示一些方法。微机械可以完成大尺寸机电系统所不能完成的任务，也可嵌入大尺寸系统中，把自动化、智能化和可靠性水平提高到一个新的水平。微型机械研究可能导致基础技术的巨大进步，开辟新的产业市场，其应用将波及：医疗领域中的非侵入性治疗、显微手术、小器官检测；生命科学领域中的小生理器官处理、基因操作系统、蛋白质追踪；信息领域中的高密度磁盘存储、信息输入/输出、信息传递；航天领域中的小卫星和微米卫星、制导导航与控制用的微型传感器和微型仪表、应用于航空中的微型光学设备；半导体工业领域中的微模型修理、微领域评估、微构造等等。二十一世纪微机械将逐步从实验室走向实用化，对工农业、信息、环境、生物工程、医疗、空间技术、国防和科学发展产生重大影响。（5）微细电加工微细电加工（MEDM）的原理与普通电火花加工并无本质区别，但材料去除是以微团形式发生的，每一次脉冲放电导致材料微团的去除和放电坑的产生，无数相继产生的微小放电坑最后导致了所需要的最终形状和表面状态。微细电加工与微细机械加工相比虽材料切除率较低，但加工尺寸能更细小，孔的长径比更大，可达5～10倍，尤其对于微细的复杂凹形内腔加工更有其优越性。实现微细电火花加工的关键在于：①微小轴（工具电极）的制作目前以简单形状电极、微型轴和异形截面杆的加工可采用线放电磨削法（WEDG）加工。如需获得更为光滑的表面，则可以在WEDG加工后，再采用线电化磨削法（WECG）。它是用去离子水在低电流下去除极薄的表面层。②微小能量放电电源，微小单脉冲放电能量微细放电加工的都是细微结构零件，加工面积多为1mm平方以下。在这样小的面积上放电，放电点范围有限，因此要减小单脉冲放电能量，减小放电溶池中熔融金属抛出量，从而形成较浅放电蚀坑。③工具电极的微量伺服进给、加工状态检测、系统控制及加工工艺方法等。利用微线切割加工还可切割加工细小零件（如图a所示）。(a)微线切割（丝直径25微米）目前已可加工出2.5μｍ的微细轴和5μｍ的微细孔可制作出长0.5ｍｍ、宽0.2ｍｍ、深0.2ｍｍ的微型汽车模具，并用其制作出了微型汽车模型；直径为0.3ｍｍ、模数为0.1ｍｍ的微型齿轮(6)STM加工1982年发明了扫描隧道显微镜（STM），其水平分辨率达到0.01nm，高度分辨率在0.01nm以下，可以直接用它观测到原子和分子，进行原子、分子的搬迁、去除和添加，实现纳米量级甚至原子量级的超微细加工。该发明使得人类可以直观地、感性地认识原子世界，发明人也因此而获得了诺贝尔物理学。在压电材料棒制成的支架上，装上极细的金属探针，电压控制探针作高精度的移动，当探针靠近待观察材料的表面时，在针尖和材料之间施加一小电压，便会引起电子在针尖和材料之间流动的隧道效应。由于隧道电流随距离剧烈变化，让针尖在同一高度扫描材料表面，表面那些“凹凸不平”的原子所造成的电流变化，通过计算机处理，便能在显示屏上看到材料表面三维的原子结构图。当STM在恒流状态下工作时，突然缩短针尖与样品的距离或在针尖与样品的偏置电压上加一脉冲，针尖下的样品表面微区将会出现纳米级的坑、丘等结构上的变化，这是STM所能产生的最普通的纳米级的结构。1986年Binnig

等人又研制成功了原子力显微镜（AFM）.和扫描隧道显微镜类似，它是靠控制探针针尖和被测表面间的原子相互作用力而检测微观形貌的，因此可以用于检测非导体的表面形貌。原子力显微镜可在液体中测量，并可测软质材料的形貌，这对测量生物细胞特别有用，对生物学的发展研究起了很大推动作用。1990年，IBM的科学家发现STM显微镜的探头还可以像犁一样刮过原子团并留下细微的沟痕.为了取乐，便很快开始对单个原子如法炮制．他们用35个氙原子拼出了IBM三个英文字母。每个字母高5nm，Xe

原子间最短距离约为1nm。35个Xe

原子排成IBM三个字母从此宣告人类进入了操控单个原子的新时代。以后他们又实现了分子的搬迁排列。分子搬迁在铂单晶的表面上，将吸附的一氧化碳分子（CO）用STM搬迁排列起来，构成一个身高5nm的世界上最小的人的图样。用来构成这图样的CO分子间距离仅为0.5nm，人们称它为“一氧化碳小人”。一氧化碳小人自从扫描隧道显微镜诞生以来，科学家就利用其纳米级局域的电场在不同的固体表面上进行原子的操纵和纳米加工。他们在硅表面上提取、放置原子和加工沟槽；或者在固体表面上沉积金等材料，形成类似小土包的单元。其目的之一，是为追求超高密度的信息存储。2000年成功实现了超高密度信息存储，将信息存储点的直径缩小到0.6纳米，并实现了擦除。这意味着信息存储的密度可达每平方厘米10的14次方比特(信息存储基本单位)，其信息容量比现有光盘高100万倍。按照这一密度，可将美国国会图书馆的所有信息存放在一块方糖大的盘上。中国科学院北京真空物理开放实验室于1993年成功地实现了在硅表面上的原子操纵和最小尺寸的纳米加工。用原子写出了“中国”，并画出了“中国地图”。使用AFM同样可以进行常规的切削去除加工，只是加工尺寸为纳米级。右图使用探针切削硅表面获得的深200纳米,长2微米的微加工区。图（f）是切削深度为50nm时切屑形成的AFM观察结果。由此可注意到，切削形成了良好的平整加工表面。表1、几种常见的扫描探针显微镜仪器

名称检测信号分辨率备注

扫描探针显微镜扫描隧道显微镜（STM）探针-样品间的隧道电流

0.1nm量级(原子级分辨率)

原子力显微镜（AFM）探针-样品间的原子作用力统称为扫描力显微镜（SFM）横向力显微镜（LFM）探针-样品间相对移动的横向作用力磁力显微镜（MFM）磁性探针-磁性样品间的磁力10nm量级静电力显微镜（EFM）带电荷探针-带电荷样品间的静电力1nm量级近场光学显微镜（SNOM）光探针接收到样品近场的光辐射10-100nm量级

（7）RPM快速成型制造

快速成型制造技术20世纪80年代起源于日本，该技术集计算机技术、激光加工技术、新型材料技术于一体，依靠CAD软件，在计算机中建立三维实体模型，并将其切分成一系列平面几何信息，以此控制激光束的扫描方向和速度，采用粘结、熔结、聚合或化学反应等手段逐层有选择地自由添加、去除加工原材料，从而快速制作出产品实体模型，大大降低了新产品的开发成本和开发周期。快速成型的过程是首先生成一个产品的三维CAD实体模型或曲面模型文件，将其转换成STL文件格式，再用一软件从STL文件“切”(Slice)出设定厚度的一系列的片层，或者直接从CAD文件切出一系列的片层，这些片层按次序累积起来仍是所设计零件的形状。快速自动成型可定义为一种将计算机中储存的任意三维型体信息通过材料逐层添加法直接制造出来，而不需要特殊的模具、工具或人工干涉的新型制造技术。它是近20年来制造技术领域的一次重大突破。与传统的加工方法相比，快速成型可迅速制造出自由曲面和更为复杂形态的零件等。与数控加工、铸造、金属冷喷涂、硅胶模等制造手段一起，快速自动成型已成为现代模型、模具和零件制造的强有力手段，在航空航天、汽车摩托车、汽车、家电等领域得到了广泛应用。快速成型技术与传统方法相比具有独特的优越性和特点:(1)

产品制造过程几乎与零件的复杂性无关，可实现自由制造(FreeFormFabrication)，这是传统方法无法比拟的。(2)

产品的单价几乎与批量无关，特别适合于新产品的开发和单件小批量零件的生产。(3)

由于采用非接触加工的方式，没有工具更换和磨损之类的问题,可做到无人值守，无需机加工方面的专门知识就可操作。(4)

无切割、噪音和振动等，有利于环保。(5)

整个生产过程数字化，与CAD模型具有直接的关联，零件可大可小，所见即所得，可随时修改，随时制造。(6)

与传统方法结合，可实现快速铸造，快速模具制造、小批量零件生产等功能，为传统制造方法注入新的活力。RapidPrototypingWhatisRapidPrototyping?ACADtechniquetoallow“Automatic”creationofaphysicalmodelorprototypefroma3-Dmodel.Createa3-D‘Photocopy’ofapart.Computer

ReallifeWhyuseRapidPrototyping?DecreasesleadtimeFacilitatesconcurrentengineeringAllowsvisualizationofmoreideas激光加工快速成型在产品开发方面通过快速制造一项新设计的概念模型、功能模型和技术模型，立体直观地进行设计评价、装配检验、功能测试和市场投标等，大大提高产品开发的成功率，开发成本大大降低，总体的开发时间也大大缩短。在零件制造方面在医学上，根据CT或MRI的数据，应用RP方法可以快速制造人体的骨路骨络(如颅骨、牙齿)和软组织(如肾)等，并且不同部位采用不同的颜色成形，病变组织可以用醒目颜色。这些人体的器官模型对于帮助医生进行病情诊断和确定治疗方案极为有利。RapidPrototypinghassurgicalapplicationsMedicalModeling-Zcorp在康复工程上，人体假肢的制造采用RP技术可以大大缩短制造时间，假肢和肌体的结合部位能够做到最大程度的吻合，减轻了假肢使用者的痛苦。建筑设计上，RP技术可以制作建筑物模型(如大楼、桥梁)，帮助设计师进行设计评价和最终方案的确定。在古建筑的恢复上，可以根据图片记载，用RP技术复制原建筑。RP技术还可应用到首饰、灯饰和三维地图的设计制作等方面。RPM技术的具体工艺有很多种，最为成熟的有以下四种。1.立体光刻工艺(SLA)SLA立体光刻工艺(Stereolithgraphy

Apparatus)，它是最早出现的一种快速成形工艺，它采用激光一点点照射感光树脂的方法成形原型。目前精度可达±0.1mm，主要用来为产品提供样品和实验模型。SLA工艺又叫立体光刻，于1984年获美国专利。1988年美国3DSystems公司推出商品化样机SLA一1，这是世界上第一台快速原型成形机。SLA系列成形机占据着快速成形设备市场的较大份额。Stereolithography3DSystemsSLA3500StereolithographyOverviewLaserisfocused/shapedthroughoptics.Acomputercontrolledmirrordirectslasertoappropriatespotonphotopolymersurface.Polymersolidifieswhereverlaserhitsit.Whencrosssectioniscomplete,elevatorindexestopreparefornextlayer.示范单位：西安秦川汽车股份有限公司名称：新款奥托车前大灯传统开发周期：4个月现开发周期：15天2.分层实体制造(LOM)(LaminatedObjectManufacturing)分层实体制造,其原理图见图。根据零件连续的分层几何信息，采用激光切割箔材，一层层叠加制造原型。箔材可以是涂覆纸（涂有粘接剂覆层的纸），涂覆陶瓷箔、金属箔或其他材质基的箔材。LOMProcessLOMExample

LOM的优点:1）成形厚壁零件的速度较快，易于制造大型零件。（LOM工艺只需在片材上切割出零件截面的轮廓，而不用扫描整个截面。）

2）零件的精度较高(<0.15mm)

（工艺过程中不存在材料相变，因此不易引起翘曲变形）

3）LOM工艺无需加支撑（工件外框与截面轮廓之间的多余材料在加工中起到了支撑作用）4)LOM可制作一些光造型法难以制作的大型零件和厚壁样件，且制作成本低廉（约为光造型法的1/2）。3.选择性激光烧结选择性激光烧结

(SelectiveLaserSintering)——SLS工艺。它采用激光一点点烧结粉末材料的方法成形原型。SLS工艺，由美国德克萨斯大学奥斯汀分校于1989年研制成功。该方法已被美国DTM公司商品化。原理

SLS工艺是利用粉末状材料成形的。将材料粉末铺洒在已成形零件的上表面，并刮平；用高强度的C02激光器在刚铺的新层上扫描出零件截面；材料粉末在高强度的激光照射下被烧结在一起，得到零件的截面，并与下面已成形的部分粘接；当一层截面烧结完后，铺上新的一层材料粉末，选择地烧结新一层截面。

SLSProcessSLS的特点

1）材料适应面广不仅能制造塑料零件，还能制造陶瓷、蜡等材料的零件。2）可以直接制造金属零件。这使SLS工艺颇具吸引力。3）无需加支撑因为没有烧结的粉末起到了支撑的作用。示范单位：西安东方机械厂名称：导弹引信叶轮传统开发周期：6个月。现开发周期：12天

4.熔化沉积制造

(FusedDepositionModeling，FDM)（1）产生

FDM工艺由美国1988年研制成功。并由美国Stratasys公司实现商品化。（2）原理

FDM的材料一般是热塑性材料，如蜡、尼龙等，以丝状供料。材料在喷头内被加热熔化。喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将熔化的材料挤出，材料迅速固化，并与周围的材料粘结。

FDMLayerFormationFDMgeneratedcrosssectionNoticethattheFDMfilamentcannotcrossitself,asthiswouldcauseahighspotinthegivenlayer它是一种不使用激光的加工方法，技术关键在于喷头。FDM技术的最大特点是速度快（一般模型仅需几小时即可成型）、无污染，在原型开发和精铸蜡模等方面得到广泛应用。FDM工艺特点1）不用激光，使用、维护简单，成本较低。2）用蜡成形的零件原型，可以直接用于失蜡铸造。3）用某些材料制造的原型因具有较高强度而在产品设计、测试与评估等方面得到广泛应用。

由于以FDM工艺为代表的熔融材料堆积成形具有一些显著优点，该工艺发展极为迅速。

国内RP研究起步在1991年左右，北京隆源自动成形系统有限公司、清华大学、西安交通大学、南京航空航天大学、华中理工大学、上海交通大学等在成型理论、工艺方法、设备、材料、软件等方面做了大量的研究、开发工作。此外，国内的家电行业如广东的美的、华宝、科龙，江苏的春兰、小天鹅，青岛的海尔等，都先后采用快速成形系统来开发新产品，收到了很好的效果。各地的大学、生产力中心添置了许多RP有关设备，开展技术服务工作。（8）激光加工激光加工技术是涉及光、机、电、计算机和材料等多个学科的综合性高新技术。激光加工是利用能量密度很高的激光束使工件材料熔化、汽化和蒸发而予以去除的高能束加工。目前加工用的激光器主要有：CO2、CO、YAG激光器以及KrF

准分子激光器。与传统加工技术相比，激光加热速度快，热影响区小，工作变形量小，加工质量高，是机械制造业的一次技术革命。激光可对多种金属、非金属、以及高硬度、高脆性及高熔点的材料进行加工。例如,在激光辅助切削高性能陶瓷、钛合金和镍基合金时，激光加热切削点，可使切削力降低，切削部分的延性提高，实现以车代磨（Ra<0.5微米)，断裂性能提高64%。激光切割、激光打标、激光打孔、激光焊接、激光表面热处理（包括激光相变硬化、激光涂层、激光合金化、激光冲击强化等技术）、激光快速成型、激光清洗、激光冗余修正、激光退火、激光光刻与存储、激光微调、激光划线、激光毛化、激光制版、激光刻蚀、激光雕刻、激光强化电镀等激光加工工艺。已在包括机械制造、纺机、医疗器械、汽车、航天航空、电子电器、电站电机、量具刃具、冶金、化工、包装和工艺装饰等工业领域，取得了巨大的经济效益。（9）高压水射流加工高压水射流加工(WaterjetMachining,WJM)，是以水为介质，通过高压发生设备，其压力可达70~400Mpa，再经过贮液能器使高压流体平稳，最后由喷嘴（直径0.15－0.4mm）形成300－900m/s的高速流体束流，喷射到工件表面，从而达到去除材料的加工目的。在普通射流中加入磨料磨粒则形成磨料水射流(AbrasiveWaterjetMachining,AWJM)，此时，水射流作为载体使磨料粒子加速，由于磨料质量大，硬度高，所以，磨料射流较之水射流动能更大，切割效果更强。高压水射流加工装置基本上由液压系统（供水系统、增压系统、高压水路系统、磨料供给系统）、切割系统（WJ/AWJ喷嘴切割装置）、数控运动控制系统和外围设备（CAD/CAM系统和全封闭防护罩等）组成。喷嘴的直径为0.05～0.5mm，喷嘴直径取决于所加工材料的厚度及其物理和机械性能，喷嘴的材料应具有良好的耐磨性、耐腐蚀性和承受高压的性能。常用的材料有硬质合金、蓝宝石、红宝石和金刚石。特点与激光等其他加工方法相比，高压水射流加工有如下特点：①能够切割任何材料，可切割加工很薄、很软的金属和非金属材料，包括各种非金属、各种硬、脆、韧性材料，铝、铅、铜、钛合金板、纤维复合材料、石棉、石墨、混凝土、岩石、玻璃、纸、不锈钢、塑料等80多种材料。②加工精度高。一般可达±0.075－0.1mm；切边质量较好；切面平整光滑；没有热影响区和分层现象，一般不需后续精加工工序。③生产效率高。例如，用AWJ切割石墨环氧树脂，生产效率比传统工艺提高40倍。④可控制性好。切割可以从工件上任意点开始，在任意方向上进行。可以加工常规工艺难以加工的部位。⑤易于实现CNC控制。⑥切割无尘、无味、无毒、无火花、振动小，尤其适合恶劣的工作环境和有防暴要求的危险环境。WJ/AWJ结合传统的运动控制方式，进行车削或铣削加工，与激光结合，构成激光/WJ复合加工机，或与CNC五轴铣床结合，组成铣削/水切割复合加工机，进行适宜的复合加工。目前，世界范围内使用的WJ/AWJ切割机已达1800余种，在几十个国家的许多部门中得到应用，如宇航工业、汽车工业、机械工业、电子工业、建材工业、造纸工业和服装工业等部门，铸件的清砂、钢板的除锈、除垢等，除去机械加工毛刺。医学上利用细水射流切割人体的弹性组织－水射流手术刀。（10）高速加工高速加工是近十多年迅速崛起的一项先进制造技术，是切削技术发展的主流。通常采用的切削速度和进给速度比常规加工高5～10倍的加工方式就是高速加工。但它并非普通意义上的采用大的切削用量来提高加工效率的一种加工方式，而是采用高转速、快进给、小切深和小步距来去除余量，完成零件加工的过程。与常规切削加工相比，高速切削具有以下优越性：①单位时间内的材料切除率可增加3～6倍，缩短零件的切削加工工时，提高生产效率；②切削力至少降低30％，径向切削力小，有利于加工薄壁、细长等刚性差的零件；③95％以上的切削热被切屑带走，工件保持冷态，适合于加工易热变形工件；④激振频率高，工作平稳振动小，可加工非常紧密、光洁的零件，表面残余应力小，可省去铣削后的精加工工序。因此，高速加工不仅可获得极高的生产效率，而且可以显著提高工件的加工精度和表面质量。高速加工技术主要用于加工钢、铸铁及其合金、铝、镁合金、超级合金（镍基、铬基、铁基和钛基合金）及碳素纤维增强塑料等复合材料，其中加工铸铁和铝合金最为普遍。①有色金属，如铝、铝合金，特别是铝的薄壁加工。目前已经可以加工出厚度为0.1mm、高为几十毫米的成形曲面。②石墨加工。在模具的型腔制造中，由于采用电火花腐蚀加工，因而石墨电极被广泛使用。但石墨很脆，因此必须采用高速切削才能较好地进行成形加工。③模具，特别是淬硬模具的加工。采用高速切削加工淬硬材料不仅可达到很高的表面质量(Ra≤0.4μm)，还可省去电加工后面的磨削和抛光的工序。④硬的、难切削的材料加工，如耐热不锈钢等。高速加工是一个复杂的系统工程，涉及机床、刀具、工件、加工工艺过程参数及切削机理等诸多方面。高速切削包括高速硬切削、高速干切削、高进给速度切削和高切除率切削。高速切削技术的推广应用将大幅度提高生产效率和加工质量,并降低成本。掌握正确的高速切削工艺是高速加工成功实现的关键。高速切削的工艺技术包括切削方法和切削参数的选择优化，对各种不同材料的切削方法、刀具材料和刀具几何参数的选择等。目前，高速加工技术已在国内外汽车、飞机、模具、轻工和信息等产业部门得到了非常广泛的应用，并取得了巨大的技术与经济效益。高速加工技术的发展与应用是现代制造业发展的必然趋势。（11）干切削加工干切削是指在加工过程中不用冷却润滑液的一种加工工艺，是目前在机械加工中为保护环境和降低成本而有意识地减少或完全停止使用切削液的加工方法。

机械制造企业逐步取消切削液，选用干切削加工，主要是处于经济和环境两方面的考虑：①切削液的大量使用造成了零件生产成本的大幅度提高：据德国许多公司的计算资料表明，使用切削液的费用占总制造成本的16％，而切削刀具消耗的费用仅占制造成本的3％-4％。②严重污染环境：切消液的使用，会使长期暴露在空气中的磨削液、合成切削液，尤其是雾状切削液对操作者的健康造成损害，同时还会造成工作场地、局部环境的土地、水源和空气污染，破坏生态环境。干切削技术起源于欧洲，目前在西欧各国也最为盛行：据统计现在德国制造业将有20％以上采用干切削技术。干切削技术在车削和铣削上的应用已日益广泛，在钻削、拉削、螺纹加工和齿轮加工方面也有重大突破。干切削技术在加工有色金属（如铝、铜等及其合金）及铸铁等方面已比较成熟。但在钢材尤其是高强度钢材方面问题较多，刀具磨损严重，使用寿命低，对刀具的材料和结构要求较高，成本太高。干切削并不是简单地停止使用原有工艺中的切削液，也不是仅靠降低切削参数来保证刀具使用寿命，而是采用新的耐热性更好的刀具材料及涂层，设计合理的刀具结构与几何参数，选择最佳的切削速度，形成新的工艺条件。干切削的难点在于如何提高刀具在干切削中的性能，同时也对机床结构、工件材料及工艺过程等提出了新的要求。各种超硬、耐高温刀具材料及其涂层技术的发展，为干切削技术创造了有利的条件；最小量冷却液（MQL）装置的有效应用和各种中心小孔的孔加工标准刀具的出现，使准干切削在铝合金和各种难加工材料的孔加工中获得了越来越多的应用。干切削加工是对传统生产方式的一个重大创新，是一种崭新的清洁制造技术。随着环境保护法律法规的严格实施，干切削——这项绿色制造工艺日益受到人们高度的重视。3.3材料受迫成形工艺技术

材料受迫成形工艺技术3.3.1精密洁净铸造成形3.3.2精确高效金属塑性成形工艺3.3.3粉末锻造成形工艺3.3.4高分子材料注射成形机械零件成形方法：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。

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<2.5mm3.3.1精密洁净铸造成形精确铸造成形技术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

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清洁（绿色）铸造技术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

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%。

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。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。三种光洁冲裁凹模结构椭圆凹模圆角凹模倒角刃口负间隙冲裁带齿圈压板精冲精密冲裁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3.2材料受迫成形工艺技术

精密洁净铸造工艺

精密高效金属塑性成型工艺精密洁净铸造工艺

金属型铸造是指用金属材料制作铸型生产铸件的特种铸造方法。

精密洁净铸造工艺金属型高压铸造金属型离心铸造金属型低压铸造金属型重力铸造挤压铸造压力铸造技术机械化程度和生产效率都很高。具有高压和高速两大特点，也是区别其他铸造方法的显著标志。可获得内部组织致密，轮廓清晰的精密铸件。压铸过程原理图压铸机消失模铸造工艺播放消失模铸造的特点铸件的内部质量提高；对环境无公害；方便铸件结构设计；简化砂处理工序，减少设备占地面积，从而降低设备费用；它是一种近无余量的新型成型工艺消失模成型产品２）精确高效金属塑性成型工艺

利用金属产生塑性变形的能力，使金属在外力作用下产生塑性变形，成为具有所要求的形状、尺寸和性能的制品的加工方法。超塑性成型：

一般是指材料在低载荷的作用下，其拉伸变形的伸长率超过100%的现象。超塑性合金有一种奇怪的特性，在适当的温度环境下它能够像泡泡糖一样伸长10倍、20倍、几十倍甚至上百倍，最高的可达5000%以上，既不会出现缩颈，也不会断裂。本来是硬而脆的合金，人们利用它的“超塑性”，就能够把它吹制成像气球一样的薄壳。下图为一种超塑材料Bi-44%Sn在拉伸前后的试样长度对比。而它的变形抗力却异乎寻常的低，只有常规金属的几十分之一到百分之一。例如Zn-22%A1的变形抗力仅为2Mpa或更低，用很小的力量就可挤压或吹制成各种复杂形状的制品，使压力加工设备的吨位大大减小，甚至可像吹糖人似的在模子中吹出各种中空制件。

图1-1

Bi-44Sn挤压材料在慢速拉伸下出现异常大的延伸

率现象（δ=1950%），左为拉伸前的试样。金属蜂窝封环

惯性摩擦焊焊接试件

钛合金在飞机、导弹及航天飞机上都用得很多。为了解决零件加工困难的问题，现在除了可以采用“超塑性成型”的办法以外，还可以采取“超塑性扩散连接”的办法。超塑性分类：其他超塑性微晶组织超塑性相变超塑性超塑性３.3优质高效焊接及切割技术金属焊接是指通过适当的手段，使两个分离的金属物体（同种金属或异种金属）产生原子（分子）间结合而连接成一体的连接方法。

精密焊接是指可以达到精确成型目的的焊接工艺。主要包括：电子束焊、激光焊、超声波焊。