先进制造工艺技术

先进制造技术AdvancedManufacturingTechnology1第三章

先进制造工艺技术第四节优质高效焊接及切割技术第五节优质低耗洁净热处理技术第六节优质清洁表面工程技术第一节概述第三节精确高效金属塑性成形工艺第二节精密洁净铸造工艺2第三章

先进制造工艺技术第七节

超高速加工技术第八节超精密加工技术第九节微型机械加工技术第十一节快速原型制造技术第十二节虚拟成形与加工技术第十节非传统加工技术3

本节要点机械制造工艺的定义和内涵先进制造工艺的产生、发展和特点第一节概述4第一节概述

一、机械制造工艺的定义和内涵

机械制造工艺：将各种原材料通过改变其形状、尺寸、性能或相对位置，使之成为产品或半成品的方法和过程。5

毛坯和零件成形——铸造、锻压、冲压、焊接、压制、烧结、注塑、压塑…

机械加工——切削、磨削、特种加工

材料改性与处理——热处理、电镀、转化膜、涂装、热喷涂…

机械装配——把零件按一定的关系和要求连接在一起，组合成部件和整台机械产品，包括零件的固定、连接、调整、平衡、检验和试验等工作铸造金属材料焊接锻压粉末冶金毛坯热处理切削加工零件装配机器6机械制造工艺方法与分类大类中类代码代码名称0123456789中类名称0铸造砂型铸造特种铸造1压力加工锻造轧制冲压挤压旋压拉拔其他2焊接电弧焊电阻焊气焊压焊特种焊接钎焊3切削加工刃具加工磨削钳加工4特种加工电物理加工电化学加工化学加工复合加工其他5热处理整体热处理表面热处理化学热处理6覆盖层电镀化学镀真空沉积热侵镀转化膜热喷涂涂装其他78装配包装装配试验与检验包装9其他粉末冶金冷作非金属成形表面处理防锈缠绕编织其他机械制造工艺方法类别划分及代码（JB/T5992-92）7零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。生成成形是利用材料的活性进行成形的方法。8二、先进制造工艺的产生和发展

先进制造工艺是在传统的机械制造工艺基础上发展来的，优化后的工艺和新型加工方法。是核心和基础。

（1）制造加工精度不断提高

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。

手段：优化加工方法；开发和研制新型刀具材料；研制超精密机床；对加工精度进行监控。921世纪的超精密加工将向分子级、原子级精度推进10

（2）切削加工速度迅速提高

刀具材料发展。

11

20世纪前，碳素钢，耐热温度低于200ºC，切削速度不超过10m/min；

20世纪初，高速刚，温度可达500～600ºC，切削速度30～40m/min;20世纪30年代，硬质合金，800～1000ºC，速度可达100m/min；

陶瓷刀具、金刚石刀具、立方氮化硼刀具，耐热温度达1000ºC以上，切削速度可达1000m/min以上。12

（3）新型工程材料的应用推动了制造工艺的进步和变革超硬材料、超塑材料、高分子材料、复合材料、工程陶瓷、非晶与微晶合金、功能材料。

手段：改善刀具材料的切削性能，改进设备；新型的制造工艺，电火花、电解、超声波、电子束、离子束加工。13

（4）自动化和数字化工艺装备的发展提高了机械加工的效率微电子、计算机、自动检测和控制技术与制造工艺技术相结合，多种自动化。

单机自动化→系统自动化

刚性自动化→柔性自动化→综合自动化工艺过程和工艺参数得到实时优化，提高加工制造效率和质量。14

（5）零件毛坯成形在向少无余量发展

使毛坯从接近零件形状向直接制成工件精密成形或称净成形的方向发展毛坯接近或达到零件最终形状。

成形方法有：

传统方法：铸造、锻造、冲裁、焊接和轧制。

先进方法：熔模精密铸造、精密锻造、精密冲裁、精密焊接和精密切割。15

（6）优质清洁表面工程技术的形成和发展

表面工程技术：表面涂覆、表面改性、表面加工等，来改变形态、化学成分和组织结构。电刷镀、热喷涂、化学热处理、激光表面处理。提高产品性能、延长产品使用寿命、装饰环境。16

本节要点1.定义2.近代化学硬化砂铸造工艺3.高效金属型铸造工艺及设备压力铸造挤压铸造消失模铸造第二节精密洁净铸造工艺17181920精密、洁净、高效21221.近代化学硬化砂铸造工艺（1）无机化学粘结剂型（芯）砂（2）有机化学粘结剂型（芯）砂232高效金属型铸造工艺及设备24（3）按金属的充填方式和凝固特点分：金属型重力铸造、金属型低压铸造、金属型离心铸、金属型高压铸造、金属型挤压铸造2526金属型高压铸造27金属型低压铸造2829金属型离心铸30311.压力铸造技术3233（6）压铸设备简介压铸机一般分为热压室压铸机和冷压室压铸机两大类，而冷压室压铸机按其压室所处的位置分为立式、卧式、全立式三种。34点合金353.挤压铸造技术1937年，苏联，《液态金属模压》，英文译为《ExtrusionCasting》，实质：浇入金属型中的液态金属，在通过冲头传递的压力作用下，进行充填、成形和凝固结晶，从而获得铸件。3637383940414243（2）我国挤压铸造业存在的问题挤压铸造设备只相当于国外70年代水平。生产规模小，技术含量低。产品质量不稳定，废品率高。44（3）挤压铸造工艺的发展趋势用挤压铸造法将液态金属压渗到陶瓷纤维增强材料中，制成局部增强金属基复合材料，将成为廉价、便捷的批量生产先进金属基复合材料的良好方法。扩大应用，提高质量，使铸件向更优质、高性能、大型化、复杂化的方向发展。改造原有挤压铸造设备，发展新的挤压铸造机系列。454.消失模铸造技术46474849505152535455565758596061626364656667686970717273

本节要点精密和超精密加工的划分精密和超精密加工主要研究内容超精密切削加工超精密磨削和磨料加工第三节超精密加工技术74超精密加工

—在一定的发展时期，加工精度和表面质量达到最高程度的加工工艺。一、概述发展尖端技术、国防工业、微电子工业都需要精密和超精密加工出来的仪器设备。

当代的精密工程、微细工程和纳米技术是现代技术的前沿，是明天制造技术的基础。75零件加工精度表面粗糙度

激光光学零件形状误差0.1μmRa0.01～0.05μm

多面镜平面度误差0.04μmRa＜0.02μm

磁头平面度误差0.04μmRa＜0.02μm

磁盘波度0.01～0.02μmRa＜0.02μm

雷达导波管平面度垂直度误差＜0.1μmRa＜0.02μm

卫星仪表轴承圆柱度误差＜0.01μmRa＜0.002μm

天体望远镜形状误差＜0.03μmRa＜0.01μm

几种典型精密零件的加工精度◆

几种典型精密零件的加工精度（见下表）76

精密加工与超精密加工的发展（Taniguchi，1983）普通加工精密加工超精密加工超高精密磨床超精密研磨机离子束加工分子对位加工车床,铣床卡尺加工设备测量仪器精密车床磨床百分尺比较仪坐标镗床坐标磨床气动测微仪光学比较仪金刚石车床精密磨床光学磁尺电子比较仪超精密磨床精密研磨机激光测长仪圆度仪轮廓仪激光高精度测长仪扫描电镜电子线分析仪加工误差（μm）10010110210-210-110-3190019201940196019802000年份◆精密加工与超精密加工的发展（如下图）77按加工精度划分，可将机械加工分为普通加工、精密加工、超精密加工三个阶段。

1.精密和超精密加工的划分加工阶段加工精度表面粗糙度加工方法普通加工低于1µmRa0.1µm以上车、铣等精密加工0.1～1µmRa0.01～0.1µm金刚车、金刚镗、研磨、砂带磨削、超精加工超精密加工高于0.1µm小于Ra0.01µm金刚石刀具超精密切削、超精密磨削加工、超精密特种加工78分类加工方法加工刀具精度/μm表面粗糙度Ra/μm被加工材料应

用刀具切削加工切削精密、超精密车削天然单晶金刚石刀具、人造聚晶金刚石刀具、立方氮化硼刀具、陶瓷刀具、硬质合金刀具1～0.10.05～0.008金刚石刀具、有色金属及其合金等软材料，其他材料刀具，各种材料球、磁盘、反射镜精密、超精密铣削多面棱体精密、超精密镗削活塞销孔微孔钻削硬质合金钻头，高速钢钻头20～100.2低碳钢、铜、铝、石墨、塑料印刷线路板、石墨模具、喷嘴磨料加工磨削精密、超精密砂轮磨削氧化铝、碳化硅、立方氮化硼、金刚石等磨料砂轮5～0.50.05～0.008黑色金属、硬脆材料、非金属材料外圆、孔、平面精密、超精密砂带磨砂带平面、外圆磁盘、磁头研磨精密、超精密研磨铸铁、硬木、塑料等研具，氧化铝、碳化硅、金刚石等磨料1～0.10.025～0.008黑色金属、硬脆材料、非金属材料外圆、孔、平面油石研磨氧化铝油石、玛瑙油石、电铸金刚石油石平面磁性研磨磁性磨料10～10.01黑色金属外圆去毛刺滚动研磨固结磨料、游离磨料、化学或电解作用液体黑色金属等型腔抛光精密、超精密抛光抛光器氧化铝、氧化铬等磨料1～0.10.025～0.008黑色金属、铝合金外圆、孔、平面常用精密加工和超精密加工方法79液体动力抛光带有楔槽工作表面的抛光器抛光液0.1～0.010.025～0.008黑色金属、非金属材料、有色金属平面、圆柱面水合抛光聚氨酯抛光器抛光液0.1～0.10.01黑色金属、非金属材料平面磁流体抛光非磁性磨料磁流体0.1～0.10.01黑色金属、非金属材料、有色金属平面挤压研抛粘弹性物质磨料50.01黑色金属等型面、型腔去毛刺、倒棱喷射加工磨料液体50.01～0.02黑色金属等孔、型腔砂带研抛砂带接触轮1～0.10.01～0.008黑色金属、非金属材料、有色金属外圆、孔、平面、型面超精研抛研具(脱脂木材，细毛毡)、磨料、纯水1～0.10.01～0.008黑色金属、非金属材料、有色金属平面超精加工精密超精加工磨条磨削液1～0.10.025～0.01黑色金属等外圆珩磨精密珩磨磨条磨削液1～0.10.025～0.01黑色金属等孔特种加工电火花加工电火花成形加工成形电极，脉冲电源、煤油、去离子水50～12.5～0.02导电金属型腔模80特种加工电火线切割加工钼丝、铜丝、脉冲电源、煤油、去离子水20～32.5～0.16冲模、样板(切断开槽)电化学加工电解加工工具极(铜、不锈钢)电解液100～31.25～0.06导电金属型孔、型面、型腔电铸导电原模电铸溶液10.02～0.012金属成形小零件化学加工蚀刻掩模板、光敏抗蚀剂、离子束装置、电子束装置0.12.5～0.2金属、非金属、半导体刻线、图形化学铣削刻形、光学腐蚀溶液、耐腐蚀涂料20～102.5～0.2黑色金属、有色金属等下料、成形加工(如印刷线路板)超声加工超声波发生器、换能器、变幅杆、工具30～52.5～0.04任何硬脆金属和非金属型孔、型腔微波加工针状电极(钢丝、铱丝)、波导管106.3～0.12绝缘材料、半导体打孔红外光加工红外光发生器106.3～0.12任何材料打孔、切割电子束加工电子枪、真空系统、加工装置(工作台)10～16.3～0.12任何材料微孔、镀膜、焊接、蚀刻离子束加工离子束去除加工离子枪、真空系统、加工装置(工作台)0.01～0.0010.02～0.01任何材料成形表面、刃磨、蚀刻离子束附着加工1～0.10.02～0.01镀膜离子束结合加工

注入、掺杂激光束加工激光器、加工装置(工作台)10～16.3～0.12任何材料打孔、切割、焊接、热处理81一、概述1.精密和超精密加工的划分2.精密和超精密加工技术的地位与作用82（1）超精密加工是国家制造工业水平的重要标志之一

超精密加工所能达到的精度、表面粗糙度、加工尺寸范围和几何形状是一个国家制造技术水平的重要标志之一。例如：金刚石刀具切削刃钝圆半径的大小是金刚石刀具超精密切削的一个关键技术参数，日本声称已达到2nm，而我国尚处于亚微米水平，相差一个数量级；又如金刚石微粉砂轮超精密磨削在日本已用于生产，使制造水平有了大幅度提高，突出地解决了超精密磨削磨料加工效率低的问题。2.精密和超精密加工技术的地位与作用83（2）超精密加工国防工业的需求陀螺仪的加工:导弹系统的陀螺仪质量直接影响其命中率，1kg的陀螺转子，其质量中心偏离其对称轴0.5nm，则会引起100m的射程误差和50m的轨道误差。

大型天体望远镜的透镜:直径达2.4m，形状精度为0.01μm，如著名的哈勃太空望远镜，能观察140亿光年的天体。

导弹红外线探测器反射镜：其抛物面反射镜形状精度为1μm，表面粗糙度为Ra0.01μm，其加工精度直接影响导弹的引爆距离和命中率。激光核聚变用的曲面镜，其形状精度小于1μm，表面粗糙度小于Ra0.01μm，其质量直接影响激光的光源性能。84（3）信息产品中的需求

计算机上：芯片、磁板基片、光盘基片录像机的磁鼓、复印机的感光鼓、各种磁头、激光打印机的多面体、喷墨打印机的喷墨头等。（4）民用产品中的需求摄相机、照相机：各种透镜，特别是光学曲面透镜；激光打印机、激光打标机：各种反射镜；超精密加工设备和装置当然更需要超精密加工技术才能制造。85一、概述1.精密和超精密加工的划分2.精密和超精密加工技术的地位与作用3.影响精密和超精密加工的因素86

加工方法：金刚石刀具超精密切削、金刚石微粉砂轮超精密磨削、精密砂带磨削；在非传统加工中：电子束、离子束、激光束、电火花和电化学加工等高能加工方法。3.影响精密和超精密加工的因素87（1）被加工材料

材料的化学成分、物理力学性能、加工工艺性能均有严格要求。例如，要求被加工材料质地均匀，性能稳定，无外部及内部微观缺陷，不能含有杂质；材料在冶炼、铸造、热处理等工艺过程中，应严格控制熔渣过滤、辗轧方向、温度等，使材质纯净、晶粒大小匀称、无方向性，能满足物理、化学、力学等性能要求。

88加工设备：有超精密切削磨削机床、各种研磨机和抛光机等。对于超精密加工所用加工设备应有高精度、高刚度、高稳定性和高度自动化的要求。（2）超精密加工设备89

1)高精度。超精密切削机床应具有高的几何精度、运动精度和分辨率。机床大多采用液体静压轴承或空气静压轴承的主轴和导轨，并可以进一步采用误差补偿方法来提高其精度。为了能进行微细切削、机床配有微动工作台，采用电致伸缩、磁致伸缩、弹性元件等微位移机构，实现微进给。

（2）超精密加工设备90

2）高刚度

超精密加工时，切削深度和进给量很小，切削力很小，但仍应该有足够刚度，例如超精密磁盘加工铝合金基片的端面时，其主轴轴向刚度可达490N/um。91

3)高稳定性

在机床结构上，多采用热导率低、热膨胀系数小、内阻尼大的天然花岗石来制作床身、工作台等，也可采用人造花岗石制作床身、工作台和轴承等。防止热变形对加工精度的影响：机床放在恒温室中使用外；控制温度的密封罩，用液体淋浴或空气淋浴来消除来自外部及内部的热源影响。液体淋浴靠对流和传导带走热量，可使温度控制在20±0.006℃，比空气淋浴好，但成本较高，目前，温控精密最高可达20±0.005℃。92

4）抗振性好

在机床结构上应尽量采用短传动链和柔性连接，以减少传动元件和动力元件的影响，电动机等动力元件和机床的回转零件应进行严格的动平衡，以使本身振动最小。为了隔离动力元件等振源的影响，超精密机床可采用分离结构形式，即将电动机、油泵、真空泵等与机床本体分离，单独成为一个部件，放在机床旁边，再用皮带传动方式连接起来，获得了很好的效果。对于大件或基础件，还应选用抗振性强的材料。93

5）控制性能好

超精密切削机床采用微机数字控制，在选择数控系统时，不仅要考虑所需完成的功能，而且应有良好的控制性能，如插补、进给速度控制、刀具尺寸补偿、主轴转速控制等，要求插补速度快、插补精度高、进给速度稳定。

还应有编程简便、操纵使用方便、伴有跟踪显示等特点。此外，除应具有一般机床的静态和动态精度外，还应具有良好的随动精度。94（3）加工工具

主要是指刀具、磨具及刃磨技术。用金刚石刀具超精密切削，值得研究的问题有：金刚石刀具的超精密刃磨，其刃口钝圆半径应达到2～4nm，同时应解决其检测方法。

刃口钝圆半径与切削厚度关系密切，若切削的厚度欲达到10nm，则刃口钝圆半径应为2nm。95（3）加工工具磨具当前主要采用金刚石微粉砂轮超精密磨削，这种砂轮有磨料粒度、粘接剂、修整等问题，通常，采用粒度为W20～W0.5的微粉金刚石，粘接剂采用树脂、铜、纤维铸铁等。96（4）检测与误差补偿

尺寸和形位精度可用电子测微仪、电感测微仪、电容测微仪和激光干涉仪来测量；

表面粗糙度可用电感式、压电晶体式表面形貌仪等进行接触测量，或用光纤法、电容法、超声微波法和隧道显微镜法进行非接触测量；表面应力、表面变质层深度、表面微裂纹等缺陷，可用X光衍射法、激光干涉法等来测量；

误差预防通过提高机床制造精度、保证加工环境条件等来减少误差源及其影响；误差补偿是利用误差补偿装置对误差值进行静态和动态补偿，以消除误差本身的影响；

97一、概述1.精密和超精密加工的划分2.精密和超精密加工技术的地位与作用3.影响精密和超精密加工的因素4.精密与超精密加工环境98◆恒温——要求：±1℃～±0.01℃

实现方法：大、小恒温间+局部恒温（恒温罩，恒温油喷淋）◆恒湿——要求：相对湿度35%～45%，波动±10%～±1%

实现方法：采用空气调节系统

◆净化——要求：10000～100级（100级系指每立方英尺空气中所含大于0.5μm尘埃个数不超过100）

实现方法：采用空气过滤器，送入洁净空气◆隔振——要求：消除内部、隔绝外部振动干扰

实现方法：隔振地基，隔振垫层，空气弹簧隔振器4.精密与超精密加工环境99一、概述1.精密和超精密加工的划分2.精密和超精密加工技术的地位与作用3.影响精密和超精密加工的因素4.精密与超精密加工环境5.精密和超精密加工主要研究内容100

(1)超精密加工的加工机理

在超精密范畴内的对各种材料（包括被加工材料和刀具磨具材料）的加工过程、现象、性能以及工艺参数进行研究；微观表面完整性研究。

(2)超精密加工设备制造技术

纳米级超精密车床工程化研究；超精密磨床研究；关键基础件，如轴系、导轨副、数控伺服系统、微位移装置等研究；超精密机床总成制造技术研究。5.精密和超精密加工主要研究内容101

(3)超精密加工刀具、磨具及刃磨技术

金刚石刀具及刃磨技术、金刚石微粉砂轮及其修整技术研究。

(4)精密测量技术及误差补偿技术

纳米级测量仪器研究；空间误差补偿技术研究；测量集成技术研究。

(5)超精密加工工作环境条件

超精密测量、控温系统、消振技术研究；超精密净化设备，新型特种排屑装置及相关技术的研究。102一、概述1.精密和超精密加工的划分2.精密和超精密加工技术的地位与作用3.影响精密和超精密加工的因素4.精密与超精密加工环境5.精密和超精密加工主要研究内容二、超精密切削加工103二、超精密切削加工

超精密切削：指金刚石刀具超精密车削，主要用于加工铜、铝等非铁金属及其合金，以及光学玻璃、大理石和碳素纤维等非金属材料。

用于加工：陀螺仪、激光反射镜、天文望远镜的反射镜、红外反射镜和红外透镜、雷达的波导管内腔、计算机磁盘、激光打印机的多面棱镜、录像机的磁头、复印机的硒鼓、菲尼尔透镜等。超精密切削也服从金属切削的普遍规律。金刚石刀具的超精密加工技术主要应用于单件大型超精密零件的切削加工和大量生产中的中小型超精密零件加工。

104

1）极高的硬度、极高的耐磨性和极高的弹性模量。

2）刃口能磨得极其锋锐，刃口半径值极小，能实现超薄切削厚度。

3）刀刃无缺陷，切削时刃形将复制在被加工表面上，从而得到超光滑的镜面。

4）与工件材料的抗粘性好、化学亲和性小、摩擦系数低，以得到极好的加工表面完整性。不可替代的超精密切削刀具材料：单晶金刚石。1.超精密切削对刀具的要求105超精密切削刀具用的天然单晶金刚石，大颗粒（0.5～1.5克拉），具有性能特征如下：（1）具有极高的硬度，其硬度达到6000～10000HV；（2）能磨出极其锋锐的刃口，且切削刃没有缺口、崩刃等现象。刃口能磨到5～30μm；（3）热化学性能优越，具有导热性能好，与有色金属间的摩擦系数低，亲和力小；（4）耐磨性好，刀刃强度高。优质天然单晶金刚石，价格昂贵，浅色透明，无杂质、无缺陷。2.金刚石刀具的性能特征106金刚石车床加工4.5mm陶瓷球金刚石车床及其加工照片典型机床简介107一、概述1.精密和超精密加工的划分2.精密和超精密加工技术的地位与作用3.影响精密和超精密加工的因素4.精密与超精密加工环境5.精密和超精密加工主要研究内容二、超精密切削加工三、超精密磨削和磨料加工108

超精密砂轮磨削超精密砂带磨削三、超精密磨削和磨料加工超精密磨削和磨料加工是利用细粒度的磨粒或微粉磨料主要对黑色金属、硬脆材料进行加工，分固结磨料和游离磨料两加工方式。

固结磨料加工主要有：

109一、概述二、超精密切削加工三、超精密磨削和磨料加工1.超精密砂轮磨削技术

1101.超精密砂轮磨削技术

超精密磨削：加工精度在0.1um以下、表面粗糙度Ra0.025um以下的砂轮磨削方法。磨粒去除切屑极薄，将承受很高的压力，其切削刃表面受到高温和高压作用。用人造金刚石、立方氮化硼(CBN）等超硬磨料砂轮。1111.超精密砂轮磨削技术

超精密磨削与普通磨削的区别：主要是切削深度极小，是超微量切除，除微切削作用外，可能还有塑性流动和弹性破坏等作用。超精密磨削与砂轮特性、修整砂轮的工具、修整方法和修整用量等密切相关。112一、概述二、超精密切削加工三、超精密磨削和磨料加工1.超精密砂轮磨削技术

2.超精密砂带磨削技术1132.超精密砂带磨削技术

砂带上砂粒的等高性和微刃性较好，并采用带有一定弹性的接触轮材料，使砂带磨削具有磨削、研磨和抛光的多重作用，从而可以达到高精度和低表面粗糙度值。

114一、概述二、超精密切削加工三、超精密磨削和磨料加工1.超精密砂轮磨削技术

2.超精密砂带磨削技术3.超精密研磨与抛光技术1153.超精密研磨与抛光技术

磨粒或微粉不是和结合剂固结在一起，而是呈游离状态放在工件和工具之间，新的研磨方式。超精密研磨和抛光加工。

（1）超精密研磨技术

研磨是在被加工表面和研具之间置以游离磨料和润滑液，使被加工表面和研具产生相对运动并加压，磨料产生切削、挤压作用，从而去除表面凸处。

116超精密研磨技术：加工误差达0.1微米以上，表面粗糙度达0.02微米以下的研磨方法，是一种原子、分子加工单位的加工方法。

特点：恒温条件，磨料与研磨液混合均匀，磨粒的颗粒非常小，研具材料较软、研具刚度精度高、研磨液严格过滤。超精密研磨常作为精密块规、球面空气轴承、半导体硅片、石英晶体、高级平镜和光学镜头等零件的最后加工工序。研磨剂研磨平面抛光117一、概述二、超精密切削加工三、超精密磨削和磨料加工1.超精密砂轮磨削技术

2.超精密砂带磨削技术3.超精密研磨与抛光技术四、超精密加工技术的发展及典型机床简介118

(1)美国是开展研究最早的国家。

(2)日本是当今世界上超精密加工技术发展最快的国家。

(3)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。四、超精密加工技术的发展及典型机床简介119

精密机床是实现精密加工的首要基础条件。

1）美国：50年代首先发展了金刚石刀具的超精密切削技术，并发展了相应的空气轴承主轴的超精密机床；1983～1984研制成功大型超精密金刚石车床DTM－3型和LODTM大型超精密车床。

2）英国：1991年研制成功大型超精密机床OAGM2500。

3）日本：现在在中小型超精密机床生产上已经具有一定的优势，甚至超过了美国。

4）中国：JCS－027超精密车床、JCS－031超精密铣床、JCS－035超精密车床等。

120DTM-3大型超精密车床

采用精密数控伺服方式，控制部分为内装式CNC装置和激光干涉测长仪，精确测量定位，在伺服机构内装有压电微位移机构，实现纳米级微位移。121大型光学金刚石车床LODTM

机床采用立式结构，采用止推轴承，双频激光测量系统，使用在线测量和误差补偿，各发热部件用大量恒温水冷却，用大的地基，地基周围有防振沟，且整个机床用4个大空气弹簧支承。122OAGM2500大型超精密机床

机床的x和y向导轨采用液体静压，z向的磨轴头和测量头采用空气轴承。床身采用型钢焊接结构，用精密数控驱动，双频激光测量系统检测运动位置。123AHN1O型高效专用车削、磨削超精密机床有一个x和y向调整的刀架及作B轴转动的高精度转台，借助三轴精密数控，加工平面、球面和非球曲面。采用空气轴承。124北京机床研究所纳米级数控车床square2超精密铣床125复印机感光鼓超精密车床126

1）液体静压轴承主轴

回转精度——在主轴空载手动或机动低速旋转情况下，在主轴前端安装工件或刀具的基面上所测得的径向跳动、端面跳动和轴向窜动的大小。影响回转精度的因素（1）轴承精度和间隙的影响。（2）主轴、支承座等零件中精度的影响。关键在于精密轴承。1.精密主轴部件127（1）液体静压轴承工作原理静压轴承组成：供油系统、节流器、轴承128

（1）轴承内圆柱面上，等间隙地开有几个油腔（通常为4个）。（2）各油腔之间开有回油槽。（3）用过的油一部分从这些回油槽流回油箱（径向回油），另一部分则由两端流回油箱（轴向回油）。

129（4）油腔四周和轴颈之间的间隙一般为0.02～0.04mm。（5）油泵供油压力为ps

，油液经节流器T进入各油腔，将轴颈推向中央，油液最后经封油面流回油箱，压力降低为零。（6）当主轴不受载荷且忽略自重时，则各油腔的油压相同，保持平衡，轴在轴承正中心，这时轴颈表面与各腔封油面之间的间隙相等，均为h0。（7）当主轴受径向载荷（包括自重）F作用后，轴颈向下移动产生偏心量e。130

（8）油腔3处的间隙减小为h0-e，流量减小，因而流过节流器T3的流量减少，压力损失随之减小；（9）供油压力ps

一定，油腔3内的油压p3升高；

131（10）油腔1处的间隙增大为h0＋e，流量增加，因而流过节流器T1的流量增加，压力损失亦随着增加，所以油腔1内的油压p就降低，这样油腔3与油腔1之间形成了压力Δp=p3-p1，产生与载荷方向相反的托起力，以平衡外载荷F。（11）如油腔的有效承载面积为A，则轴承的承载能力为：F=A（p3-p1）

132

1）液体静压轴承的温升很高，难以控制，造成热变形，影响主轴精度。

2）静压油回油时将空气带入油源，形成微小气泡悬浮在油中，不易排出，降低轴承的刚度和动特性。

解决措施：

1）提高静压油的压力到6～8MPa，使油中微小气泡的影响减小，提高静压轴承的刚度和动特性。

2）静压轴承用油经温度控制，基本达到恒温，减少轴承的温升。

3）轴承用恒温水冷却，减小轴承的温升。（2）液体静压轴承的缺点133双半球空气轴承主轴

前后轴承均采用半球状，既是径向轴承又是轴向轴承。由于轴承的气浮面是球面，有自动调心作用，可提高前后轴承的同心度，提高主轴的回转精度。2）空气静压轴承主轴134前部用球形，后部用圆柱径向空气轴承的主轴135床身要求：抗振、热膨胀系数低、尺寸稳定性好床身材料：多采用人造花岗岩，尺寸稳定性好、热膨胀系数低、硬度高、耐磨、不生锈、可铸造成形，克服了天然花岗岩有吸湿性不足。导轨要求：高直线精度，不得爬行有液体静压导轨、空气静压导轨。2.床身和精密导轨136平面型空气静压导轨示意图1-静压空气2-移动工作台3-底座

137微量进给装置要求：分辨率达到0.001-0.01μm；

精微进给与粗进给分开；低摩擦和高稳定性；末级传动元件必须有很高的刚度；工艺性好，容易制造；应能实现微进给的自动控制，动态性能好。3.微量进给装置138双T形弹性变形微进给装置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，139最大位移

15-16μm分辨率

0.01μm静刚度

60N/μm压电陶瓷微进给装置1-刀夹2-机座3-压电陶瓷4-后垫块

5-电感测头6-弹性支承1403.3精确高效金属塑性成形工艺定义：金属塑性成形是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。也常称为金属塑性加工、压力加工。塑性变形是指物质-包括流体及固体在一定的条件下，在外力的作用下产生形变，当施加的外力撤除或消失后该物体不能恢复原状的一种物理现象。传统的塑性成形的方法：轧制、挤压、拉拔、锻造、冲压等。

141超塑性142143144145146147148149150151152153154155156157158159160161162成形特点形状复杂的工件可一次成形组织细小、均匀、性能好、稳定变形抗力小---无加工硬化流动应力对应变速率的变化敏感制件精度高超塑性工艺应用163164165气压成形原理：使毛坯的外侧或内侧形成一个封闭的压力空间，在压缩空气的气压作用下，坯料产生超塑性变形，逐步向模具型面靠近，直至同模具完全贴合，形成零件凸模法、凹模法真空成型超塑性成形工艺166167等温成形

等温成形是指将坯料、模具都加热到变形温度，并在成形过程中，坯料和模具温度基本上保持不变的成形方法。常见的等温成形方法：等温锻造、等温挤压、超塑性等温锻造、超塑性等温挤压等168等温锻造是指将模具、坯料都加热到锻造温度，在锻造过程中，坯料和模具温度基本上保持不变的锻造方法。等温锻造的主要特点是模具与成形件处理基本相同的温度，因此需要带有模具加热及控温装置。等温锻造一般速率较低，主要采用液压机。169

等温锻造的模具材料主要根据变形温度进行选择，常用的有热作模具钢、铁基高温合金、镍基高温合金、铝合金以及陶瓷等。俄罗斯的一些专家研究利用碳-碳复合材料作为1000℃以上的等温锻造模具材料，因为这类材料具有优越的高温力学件能。然而这类材料易于发生高温氧化，他们研究了相应的防护措施，现在这类模具材料的应用尚在探索阶段。

170等温锻造设备主要是液压机，为满足等温锻造的基本要求，要求液压机：①横梁速度可调可控，尤其需要较低的速度；②可实现保压；③有足够的闭合高度和上作台面尺寸，以满足等温锻造模具及其加热装置安装的需求；④有顶出装置；③有控温系统。

171

等温锻造过程时间较长，温度较高，成形件的形状经常比较复杂，模具表面包含一些浅细凹凸部分。因此，需要一定的涂料；在坯料加热及成形中起到防护作用，同时在变形件与模具之间形成连续的润滑膜以减少摩擦，在成形后它又能起到脱模剂的作用。在选择润滑剂时要注意不能对模具有腐蚀作用，也不能污染成形件表面材料。

172与其他锻造方式相比，等温锻造更需要和更易于实现精确控制。所以实现从模具及坯料的设计到成形过程温度速率控制的全面计算机化，是提高效率和质量的需要，也是目前的技术水平可以达到的。如果坯料是经过预处理的超塑性材料，锻造温度和应变速率都控制在超塑成形要求的范围内，则这种锻造方法称为超塑性等温锻造。超塑性等温锻造模具加热方法：火焰加热、电阻加热和感应加热。1733.3.3辊锻和楔横扎技术辊锻是回转锻造的一种。这是近几十年将纵向轧制引入锻造业并经不断发展形成锻造新工艺，属于回旋压缩成形类的范畴。它比模锻具有更高的技术经济优越性，其特点为，所需工作载荷较小，生产效率高，材料消耗少，质量优越，劳动条件好。

辊锻是材料在一对反向旋转模具的作用下产生塑性变形得到所需锻件或锻坯的塑性成形工艺。它是成形轧制(纵轧)的一种特殊形式。174辊锻可用于生产连杆﹑麻花钻头﹑扳手﹑道钉﹑锄﹑镐和透平叶片等。辊锻工艺利用轧制成形原理逐步地使毛坯变形﹐与普通模锻相比﹐具有设备结构较简单﹑生产平稳﹑振动和噪音小﹐便于实现自动化﹑生产效率高等优点。175按送料方式分，辊锻分为逆向送料和顺向送料。176辊锻工艺常分为制坯辊锻和成形辊锻。177辊锻装备

目前常用的辊锻机可分为双支撑式、悬臂式和复合式三种类型。早期出现的类似轧钢机式的分壁式辊锻机已很少见到。在辊锻制坯生产线上常见的是自动辊锻机。这种辊锻机是把双支撑辊锻机与自动化机械手联接在一起，实现了多道次辊锻的全部自动化。自动辊锻机已全部实现国产化。

178辊锻模的结构179辊锻模的材料180楔横轧技术楔横轧是一种轴类零件成形新工艺、新技术，它是冶金轧制与机械锻压技术的交叉与发展。181182183粉末成形工艺一、粉末冶金成型工艺(又称金属陶瓷法)

是一门研究制造各种金属材料粉末和以粉末为原料通过成形、烧结和必要的后续处理制取金属材料和制品的科学技术。

（粉末冶金生产工艺与陶瓷生产工艺在形式上类似又称金属陶瓷法。）184

公元前3000年以前，古埃及人制造铁器；公元前2300年左右出现块炼铁技术：固相碳还原铁矿石（800~1000C）。通过高温锻焊成各种器件。如公元300年左右印度的德里柱,重6吨；我国西汉（公元前113年）的刘胜墓出土的错金书刀等。1930年Hoganas公司开始用固相还原法生产海绵铁。二、粉末冶金技术发展史185随后出现Au(300年)、Ag、Cu、Sn(1000年)、Pt粉及Pt块(1800年）；1910年Coolidge发明电灯W丝，奠定了近代粉末冶金的基础；1914年WC、MoC粉末出现（德国）；1923年德国Krupp公司生产硬质合金，导致了金属切削技术的革命；1956年后大量铁基、铝基零件上市；1969年机械合金化技术出现；20世纪80年代后，PM（粉末冶金）制品，如蜗轮引擎零件广泛应用于航空。186现代粉末冶金发展中的三个重要标志克服了难熔金属熔铸过程中产生的困难；如：1909年钨丝、1923年硬质合金粉末冶金方法生产多孔材料的成功；（含一定数量孔洞的固体叫多孔材料，是一种由相互贯通或封闭的孔洞构成网络结构的材料，

）如：1930年含油轴承、轴瓦粉末冶金新工艺、新材料的发展；如：粉末注射成形、金属陶瓷187三．

特点1.具有优异的组织结构和性能2.表现出显著的技术经济效益；3.能生产许多用其它方法所不能生产的材料和制品（如：许多难熔材料）；4.是制造各种机器零件重要而又经济的成型技术；（能够获得具有最终尺寸和形状的零件，实现了少无切削加工）粉末冶金成型188三．

特点5.普通粉末冶金制品的强度比相应锻件或铸件要低（20~30）%；（制品内部有孔隙）6.成型过程中粉末的流动性不如液态金属（对产品的结构形状有限制）7.制品一般<10kg（因为成型压强高）8.压模成本高。9.只是用于成批或大量生产粉末冶金成型189四、工艺过程1．原料粉末制备；2．粉末物料在专用压模中加压成型，得到一定形状和尺寸的压坯；3．烧结压坯在低于基体金属熔点的温度下加热，使制品获得最终的物理机械性能。4.后处理粉末冶金成型190粉末冶金成型工艺简介烧结后的处理压制成型烧结粉末冶金成品粉料制备粉末冶金成型191一．粉料制备（粉末冶金原料）粉末冶金原材料（粉末）制取方法选择：

取决于该材料的特殊性能及制取方法的成本

种类纯金属非金属化合物粉末冶金成型纯金属合金化合物复合金属粉末192分类机械法1、粉末的制造方法二者区别将原材料机械地粉碎而化学成分基本上不发生变化的工艺过程。借助化学的或物理的作用，改变原材料的化学成分或聚集状态而获得粉末的工艺过程。物理化学法粉末冶金成型二者之间没有明显的界限，而是相互补充。193（1）雾化法特点：生产效率高，成本低，易于制造高纯度粉末；合金粉末易产生成分偏析以及难以制得小于300目的细粉。应用

制造Pb、Sn、Zn、Al、青铜、黄铜等低熔点金属与合金粉末；18-8不锈钢、低合金钢、镍合金等粉末。使熔化的液态金属从雾化塔上部的小孔中流出，同时喷入高压气体，在气流的机械力和急冷作用下，液态金属被雾化，冷凝成细小粒状的金属粉末的一种方法。粉末冶金成型1、粉末的制造方法194(2)机械粉碎法特点：既是一种独立制粉方法，又常作为某些制粉方法不可缺少的补充工序。应用

比较适用于脆性材料（虽然所有的金属和合金都可以被机械地粉碎）是靠压碎、击碎和磨削等作用，将块状金属或合金机械地粉碎成粉末。粉末冶金成型1、粉末的制造方法195（4）还原法（常用化学方法）

从固态金属氧化物或金属化合物中还原制取金属粉末，是最常用的生产方法之一。特点：该法简单，费用低应用

目前铁粉大部分由还原法生产。粉末冶金成型（3）蒸汽冷凝法（常用物理方法）即将金属蒸汽冷凝而制取金属粉末1、粉末的制造方法196（4）电解法从金属盐水溶液中电解沉积金属粉末。特点：电解末高纯度，高密度，高压缩性；生产率低，成本高(高于还原法和雾化法）。应用

纯铜粉大多用该法制造。电解铁粉仅在特殊性能要求时才用。*说明金属粉末的各种性能均与制粉方法密切相关。

粉末冶金成型1、粉末的制造方法1972．

粉末性能

1）几何尺寸2）物理性能3）机械性能4）化学性能5）特殊性能颗粒形状粒度粒度分布及比表面颗粒密度颗粒内空隙显微镜组织硬度加工硬化性塑性变形能表面状态表面张力等松装密度振实密度流动性压制性成型性纯度氢中失重等电磁性能摩擦特性导热性耐热性抗氧化性耐腐蚀性等粉末冶金成型1983．粉末的预处理与混合（1）粉末的预处理（2）粉末混合目的使性能不同的组元形成均匀的混合物，以利于压制和烧结时状态均匀一致。混合两种以上化学组元相混合（相同化学组成的粉末的混合叫做合并。）粉末冶金成型为什么预处理？a．即使在同一条件下制造的同一粉末，其纯度和粒度分布也是有差别的；b．原料粉末在运输和储存中会产生大量锈块或凝结成块状，要筛出这些块状物；c．对颗粒度分布有要求时，需将粉末过筛按所要求的粒度分布进行混合。说明混合好的粉末常需要过筛，除去较大的夹杂和润滑剂的块状凝聚物；混好的粉末尽可能及时使用。199二．粉末成型粉末成型方法：普通模压法特殊成型方法

压坯将处理过的粉末经过成型工序，得到具有既定形状与强度的粉末体，叫做压坯。粉末冶金成型

普通模压法

将金属粉末或混合粉末装在压模内，通过压机使其成型。

特殊成型方法

指各种非模压成型2001．模压法成型称粉压制

a．单向压制

b．双向压制

C．浮动压制

d.引下法

保压脱模§2粉末冶金成型工艺简介是指在常温下粉料在封闭的钢模中（指钢性模），按规定的单位压力，将粉料制成压坯的方法。成型过程称粉

就是称量成型一个压坯所需的粉末的重量或容量。压制

按一定的单位压力，将装在型腔中的粉料，集聚成达到一定密度，形状和尺寸要求。脱模

压坯从模具型腔中脱出过程。粉末冶金成型二．粉末成型保压目的提高压坯密度保压选择小型压坯不采用保压大型致密压坯可适当考虑保压回弹或弹性后效

压坯从模腔中脱出后，会产生弹性恢复而尺寸胀大的现象用回弹率表示，即线性相对伸长的百分率，其大小与模具尺寸计算有直接关系。2012．特殊成型方法（非钢模成型法）分类（按工作原理和特点分为）等静压成型连续成型无压成型注射成型高能成型等粉末冶金成型二．粉末成型202（1）等静压成型

（2）金属粉末轧制

（3）粉浆浇注

2．特殊成型方法（非钢模成型法）等静压成型

借助于高压泵的作用把流体介质（气体或液体）压入耐高压的钢质密封容器内，高压流体的静压力直接作用在弹性模套内的粉末上；粉末体在同一时间内在各个方向上均衡地受压而获得密度分布均衡和强度较高的压坯。特点

压坯任意断面上个点的密度大体上相同分类

冷静压，热静压

金属粉末轧制

将金属粉末通过一个特制的漏斗喂入转动的轧辊缝中，即可轧出具有一定厚度的长度连续的、并且强度适宜的板带坯料，这些坯料经烧结，又经轧制加工及热处理等工序，就可制成有一定孔隙度的，或致密的粉末冶金板带材。

粉浆浇注金属粉末在不施加外压力的情况下而实现成型的过程。

成型过程将成型材料首先与水或其它液体调成悬浮液浆，并注入能够吸收液体的石膏模内；然后再从石膏模中取出干涸的坯块，并进行最后烘干。粉末冶金成型203三．烧结1．烧结

2．影响烧结的因素3．设备4．烧结对产品质量的影响

烧结

将压坯按一定的规范加热到规定温度并保温一段时间，使压坯获得一定的物理及力学性能的工序。影响烧结的因素烧结温度烧结时间大气环境设备按加热方式分燃料加热电加热据作业的连续性分间歇式烧结炉—坩埚炉箱式炉高频或中频感应炉连续式烧结炉产生“过烧”废品烧结温度过高或时间过长，使压坯歪曲和变形，其晶粒也大；产生“欠烧”废品烧结温度过低或时间过短，产品结合强度等性能达不到要求；粉末冶金成型204四．后处理金属粉末压坯经烧结后的处理1．提高制件的物理及力学性能

——复压、复烧、浸油、热锻与热复压、热处理及化学热处理粉末冶金成型2．改善制件表面的耐腐蚀性

——水蒸气处理、磷化处理、电镀3．提高制件形状与尺寸精度

——精整、机械加工205粉末锻造的原理：粉末锻造是粉末冶金成型方法和锻造相结合的一种金属加工方法。它是将粉末预压成型后，在充满保护气体的炉子中烧结制坯，将坯料加热至锻造温度后模锻而成。粉末锻造206粉末锻造的优点（与模锻相比）材料利用率高，可达90%以上。而模锻的材料利用率只有50%左右。力学能高。材质均匀无各向异性，强度、塑性和冲击韧性都较高。粉末锻造207锻件精度高，表面光洁，可实现少、无切削加工。生产率高。每小时产量可达500～1000件。锻造压力小。如130汽车差速器行星齿轮，钢坯锻造需用2500～3000kN压力机，粉末锻造只需800kN压力机。可以加工热塑性差的材料。如难于变形的高温铸造合金可用粉末锻造方法锻出形状复杂的零件。采用粉末锻造出的零件有差速器齿轮、柴油机连杆、链轮、衬套等。208粉末锻造的机械设备粉末锻造清洗机粉末锻造成形压力机粉末锻造液压机209粉末锻造模具210应用板、带、棒、管、丝等各种型材齿轮、链轮、棘轮、轴套类等各种零件重量仅百分之几克的小制品近两吨重大型坯料（用热等静压法）成批或大量生产粉末冶金成型211212汽车同步齿轮油泵齿轮冲击齿轮端盖213激光焊接——激光加热焊接部位电子束焊接——在真空条件下，聚焦后被加速的电子束高速冲击工件焊接部位扩散焊接——可连接物理化学性能差别很大的异种材料，固态焊接方法（如陶瓷与金属）焊熔近终成形——快速成形方法之一精密焊接214215216217焊熔近终成形焊熔近终成形技术是一种新发展的快速零件原型制造技术。其实质是采用成型熔化制成全部由焊缝组成的零件。通常可采用已经成熟的焊接技术，按照零件的需求连续逐层堆焊，直至达到零件的最终尺寸。2181960年一种神奇的光诞生了，它就是激光。激光的英文名称是Laser，它是英语短语“受激发射光放大”中每个实词第一个字母组成的缩略词，它包含了激光产生的由来。它一出现就创造了许多奇迹，真可谓“一鸣惊人”。二十世纪四大发明：半导体；原子能；计算机；激光激光焊接219一、激光的产生和性质

高方向性1、激光的特性高强度，高亮度；相干性强，颜色极纯-单色性强220α光束发散角=2α探照灯：35毫弧度≈1度激光：10-2毫弧度sr激光的高方向性221激光的高强度和高亮度一台普通的红宝石激光器发出激光亮度，比太阳亮度高8个数量级(几千万倍）强激光甚至可产生上亿度的高温。地球上任何一种已知材料，无论其熔点多高，在强激光照射下1秒钟之内即可开始气化；任何一种金属或钻石，不管其硬度多大，激光均可轻而易举地对它打孔。

222相干性强，颜色极纯-单色性强

因为它的频率很单纯，从激光器发出的光就可以步调一致地向同一方向传播，可以用透镜把它们会聚到一点上，把能量高度集中起来激光的颜色极纯——单色性强223具有单一频率的光波称为单色光。任何光源所发出的光波都有一定的频率（或波长范围，在此范围内，各种频率（或波长）所对应的强度是不同的。波长所对应的波长范围越窄，光的单色性越好谱线宽度：通常用强度下降到的两点之间的波长范围：谱线宽度是标志谱线单色性好坏的物理量单色光224激光产生原理物质由原子组成。原子的中心是原子核，由质子和中子组成。质子带有正电荷，中子则不带电。原子的外围布满着带负电的电子，绕着原子核运动。碳原子示意图225自发吸收：电子透过吸收光子从低能阶跃迁到高能阶(图二a)。2.自发辐射：电子自发地透过释放光子从高能阶跃迁到较低能阶(图二b)。3.受激辐射：光子射入物质诱发电子从高能阶跃迁到低能阶，并释放光子。入射光子与释放的光子有相同的波长和相，此波长对应于两个能阶的能量差。一个光子诱发一个原子发射一个光子，最后就变成两个相同的光子(图二c)。226重要的历史进程1917年爱因斯坦提出了受激辐射理论1958年肖洛和汤斯发表了《红外线和光的微波激器》1960年梅曼制成了世界上第一台激光器——红宝石激光器227激光焊接概念：

激光焊接：是利用能量密度很高（105-107W/cm2）的激光束聚焦到工件表面，使辐射作用区表面的金属“烧熔”粘合而形成焊接接头的焊接方法。22812/17/2024229激光深熔焊

工件吸收激光后迅速熔化乃至气化，熔化的金属在蒸汽压力作用下形成小孔激光束可直照孔底，使小孔不断延伸，直至小孔内的蒸气压力与液体金属的表面张力和重力平衡为止。小孔随着激光束沿焊接方向移动时，小孔前方熔化的金属绕过小孔流向后方，凝固后形成焊缝。

229激光焊接的特点⑴激光焊接是一种高效率的焊接工艺：焊接速度高。⑵激光照射时间短，被焊材料不医氧化、焊点小、焊缝窄，焊接变形小，精度高。⑶激光焊接不产生焊渣。⑷激光焊接的材料，不需要预先或焊后热处理。⑸可焊接同种金属，也可焊接异种金属。⑹焊缝的承载能力高于母体的承载能力。⑺激光焊接设备成本高，焊接件拼装精度要求高。230激光焊接设备

激光焊接设备主要由激光器、激光电源、光学系统、控制系统和机械系统等五部分组成。⑴激光器：将电能转变成光能。⑵激光电源：为激光器提供所需要的能源。⑶光学系统：将激光束聚焦。⑷控制系统：控制焊缝轨迹。⑸机械系统：运动执行机构。231激光焊接工艺⑴保护气体：激光焊接采用保护气体，防止焊缝氧化。氦气效果最好，氮气次之，氩气最差。⑵焊接速度：在一定激光功率下，降低焊接速度，则熔深增加。但速度过低，熔深不会再增加，而使焊缝变宽。对于给定的激光功率条件，存在一维持深熔焊接的最低焊接速度。⑶熔深：在维持深熔焊接的最低焊接速度下，可得到最大熔深。⑷材料的焊接性：激光焊接的材料焊接性，与普通焊接相似。232233激光焊接的工业应用实例不锈钢毛细管.激光焊接微型声纳传感器.激光焊接

233234激光焊接的工业应用实例微型喷嘴·激光焊接钛管·激光焊接234

1、电子束焊接的概念：电子束焊接是在真空条件下，利用聚焦后被加速的能量密度很高的电子束，以极高速度冲击到工件表面极小面积上。在极短时间内，其能量大部分转变为热能，从而引起材料的局部熔化达到焊接目的的焊接方法。二、电子束焊接2352、电子束焊接设备：

主要由电子枪系统、真空系统、控制系统和电源系统等四大系统组成。⑴电子枪系统：用来发射高速电子流，并加以聚集的系统。⑵真空系统：保证真空里所需的真空度，电子束只有在真空下才能高速运动。⑶控制系统：控制电子束大小、方向以及工作台移动的系统。⑷电源系统：为电子束提供能源。2361954年法国J.A.Stohr博士成功焊接了核反应堆燃料包壳，标志电子束焊接金属获得成功；3、电子束焊接发展简史电子束焊接技术起源于德国，1948年前西德物理学家K.H.Steigerwald首次提出用电子束焊接的设想；电子束的发现迄今已有100多年的历史；1957年11月，在法国巴黎召开的国际原子能燃料元件技术大会上公布了该技术，电子束焊接被确认为一种新的焊接方法；1958年开始，美国、英国、日本及前苏联开始进行电子束焊接方面的研究；上世纪60年代后，我国开始从事电子束焊接研究；237a．加热功率密度大。焊接用电子束电流为几十到几百毫安，最大可达l000mA以上；加速电压为几十到几百千伏；故电子束功率从几十千瓦到100kw以上，而电子束焦点直径小于1mm。故电子束焦点处的功率密度可达103~105Kw/cm2，比普通电弧功率密度高100—1000倍。b．焊缝深宽比(H/B)大。通常电弧焊的深宽比很难超过2，电子束焊的深度比在50以上。电子束焊比电弧焊可节约大量填充金属和电能，可实现高深宽比的焊接，深宽比达60：1，可依次焊透0.1~300mm厚度的不锈钢板。4、电子束焊接的优点238c.焊接速度快，焊缝热物理性能好。焊接速度快，能量集中、熔化和凝固过程快．热影响区小，焊接变形小。对精加工的工件可用作最后的连接工序，焊后工件仍能保持足够的精度。能避免晶粒长大，使焊接接头性能改善，高温作用时间短，合金元素烧损少，焊缝抗蚀性好。d．焊缝纯度高。真空电子束焊的真空度一般为5×10-4Pa，适合焊接钛及钛合金等活性材料。239e.焊接工艺参数调节范围广，适应性强。电子束焊接的工艺参数可独立地在很宽的范围内调节，控制灵活，适应性强，再现性好，而且电子束焊焊接参数易于实现机械化、自动化控制，提高了产品质量的稳定性。f.可焊材料多。不仅能焊金属和异种金属材料的接头,也可焊接非金属材料,如陶瓷、石英玻璃等。240需要高真空环境以防止电子散射，设备复杂，焊件尺寸和形状受到真空室的限制（非真空环境的电子束焊，是重要的研究方向）；由于真空室的存在，抽真空成为影响循环时间的主要障碍（目前用于齿轮焊接的单台电子束设备循环时间很难做到60s以内）；有磁偏移：由于电子带电，会受磁场偏转影响，故要求电子束焊工件焊前去磁处理；X射线问题：X射线在高压下特别强，需对操作人员实施保护；对工件装配质量要求严格，同时工件表面清洁的要求也较高。5、电子束焊接的不足2416电子束焊机及应用

目前全世界约有8000台电子束焊机在工业部门及实验室中应用。242德国PTR公司生产的ebw3000/15-150CNC型电子束焊机真空室:1.7m×1.25m×1.45m;

额定功率:15KW;额定电压:150KV243法国TECHMETA公司MEDARD43型:Chamberdimensions:500×500×500;Operatingvoltage:60KV;Power:6KWLARA52型:Chamberdimensions:350×600×800;Operatingvoltage:60KV;Power:30KW244成都飞机制造厂由北京航空制造工程研究所研制，其主要部件电子枪是德国Steigerwald

Strahltechnik公司合作生产的高压型电子束焊机，控制系统为西门子的SIMATICS7-400容错PLC设备加速电压可调节范围为70~150kv，电子束流可调节范围为0~200mA，焊接速度可调节范围为0~50mm/s；真空室尺寸8200mm×4000mm×2000mm，容积65.6m3，电子束功率30kW。ZD150-30CCV65M电子束焊机245真空电子束焊与激光焊的比较：

电子束焊接技术起源于20世纪50年代，10年后激光器诞生，激光加工技术的研究与应用也随即展开。电子束与激光加工同属于高能密度束流加工技术，应用的领域大体相同，其能量密度在同一段数量级远高于其他热源。

与传统焊接技术比较，激光焊接与电子束焊接都具有更多优异的特性：□能量密度高（大于105W/cm2）；□焊接速度高（一般可以达到5~10m/min）；□热影响区窄（仅为焊缝宽度的10%~20%）；□热流输入少、工件变形小；□易实现自动控制、可在线检测焊缝质量；□非接触加工、无后续加工。246相比较于电子束焊，激光焊接的优点是：激光焊不需真空室和对工件焊前进行去磁处理，它可在大气中进行，也没有防X射线问题，所以可在生产线内联机操作，也可焊接磁性材料。另外，激光焊接的循环时间大大低于电子束焊接（很容易做到30s以内）

247受到技术进步的局限，激光焊还存在一定的缺点：□激光的能量转换效率较低，常用的CO2激光器能量转换效率不足20%，最新的光纤激光器转换效率也没有超过30%；□能量转换效率低造成在生产线中应用大功率激光焊接的经济性很差，目前实用的激光焊接设备功率大多小于20kW，可焊接的深度一般很少超过10mm；□随着新一代激光器的诞生，激光器的寿命可以达到50000h，这大大降低了激光焊接设备的使用成本。但是，要想获得理想的焊接质量，保护气体是不可少的，这也造成加工成本的增加；□激光焊接的深宽比小于电子束焊，一般在10∶1以内（在齿轮激光焊接中，焊缝的深度一般在4~6mm，故这个深宽比还比较适用），不适合大厚度工件的焊接；