《机械设备制造技术》课件第9章

第9章现代机械制造技术简介9.1机械制造自动化技术的发展

9.2精密与超精密加工技术

9.3特种加工和微细加工

9.4先进制造技术

9.1机械制造自动化技术的发展

9.1.1机械制造自动化技术的主要形式机械制造自动化技术始终是机械制造中最为活跃的一个研究领域,也是制造企业提高生产率和赢得市场竞争的主要手段。机械制造自动化技术自20世纪20年代出现以来,经历了三个主要发展阶段,即刚性自动化、柔性自动化和综合自动化。综合自动化常常与计算机辅助制造、计算机集成制造等概念相联系,它是制造技术、控制技术、现代管理技术和信息技术的综合,旨在全面提高制造业的劳动生产率和对市场的响应速度。

9.1.2

Groover产品生命周期模型为了更好地说明上述三种自动化方式的异同,可以引用MikellP.Groover产品生命周期模型。生产某种产品所需总时间可以表示为

(9-1)式中:TCL为生产某种产品所需总时间;B为产品全生命周期内生产的批数;Q为批量;T1为单件工时;T2为每批产品所需生产准备时间(包括原材料订货时间、制订生产计划时间、毛坯准备时间、工艺装备准备和调整时间等);T3为每种产品所需的设计及生产准备时间(包括产品设计、工艺过程设计、样机试制、工艺装备设计与制造等)。式(7-1)两边除以BQ,得到

(9-2)式中，TC为生产一件产品所需平均时间。

9.1.3机械制造自动化技术的发展趋势

1.现代机械制造技术的现状

1)国外情况在制造业自动化发展方面,发达国家机械制造技术已经达到相当水平,实现了机械制造系统自动化。产品设计普遍采用计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助产品工程(CAE)和计算机仿真等手段,企业管理采用了科学的规范化的管理方法和手段,在加工技术方面也已实现了底层的自动化,包括广泛地采用加工中心(或数控技术)、自动引导小车(AGV)等。在这个基础上再提高制造系统的自动化水平,对于改善企业的TQCS(T——尽量缩短产品的交货时间或提早新产品上市时间,Q——提高产品质量,C——降低产品成本,S——提高服务水平)已无明显的作用。因此,近年来发达国家主要从具有全新制造理念的制造系统自动化方面寻找出路,提出了一系列新的制造系统,如计算机集成制造系统、智能制造系统、敏捷制造、并行工程等。

(1)计算机集成制造系统(CIMS,ComputerIntegratedManufacturingSystem)。该系统是在自动化技术、信息技术和制造技术的基础上,通过计算机及软件,将制造厂全部生产活动有关的各种分散的自动化系统有机地集成起来的,并适合于多品种、中小批量生产的总体高效率、高柔性的制造系统。计算机集成制造系统在概念上主要强调两点：

①在功能上,它包含了一个工厂的全部生产经营活动,即从市场预测、产品设计、加工工艺、制造、管理至售后服务以及报废处理的全部活动。因此它比传统的工厂自动化的范围要大得多,是一个复杂的大系统,是工厂自动化的发展方向。

②在集成上,它涉及的自动化不是工厂各个环节的自动化的简单叠加,而是在计算机网络和分布式数据库支持下的有机集成。这种集成主要体现在以信息和功能为特征的技术集成,即信息集成和功能集成,以便缩短产品开发周期，提高质量，降低成本。

当前计算机集成制造的发展特点和趋势如下：①由注重研究转向注重应用;②应用企业由大型企业向中小企业扩展,CIMS应用模式越来越多;③CIM技术的推行与应用由“技术推动”转向“需求牵动”;④CIM技术实施由强调技术支承转向强调人、技术、经营集成;⑤CIMS在实施过程中不断吸收各种新技术、新思想、新概念,如并行工程(CE)、精良生产(LP)、敏捷制造(AM)、虚拟制造(VM)等,使之不断完善。

(2)智能制造系统(IMS,IntelligentManufacturingSystem)。该系统是指将专家系统、模糊推理、人工神经网络等人工智能技术应用到制造系统中,以解决复杂的决策问题,提高制造系统的水平和实用性。人工智能的作用是要代替熟练工人的技艺,学习工程技术人员的实践经验和知识,并用于解决生产中的实际问题,从而将工人和工程技术人员多年积累的丰富而宝贵的实践经验保存下来,使其在实际的生产中长期发挥作用。

IMS的主要研究内容是：在整个制造过程中始终贯彻智能活动,使整个制造过程以柔性的方式集成起来,从而提高生产效率。IMS的主要目标是：在多品种、中小批量生产条件下,实现“完善生产”(生产过程无故障,无废品,接近零库存)。IMS的主要方法是综合利用各个学科以及各种先进技术和方法(诸如人工智能、材料科学、控制理论、计算机技术、人类科学、信息技术、管理科学等),来解决制造系统中的种种问题。在智能制造中,“智能”主要体现在系统具有极好的“软”特性(适应性和友好性)。在设计和制造过程中,采用模块化方法,使之具有较大的柔性;对于人,智能制造强调安全性和友好性;对于环境,要求做到无污染、省能源和资源充分回收;对于社会,提倡合理协作与竞争。

(3)并行工程(CE,ConcurrentEngineering),又称同步工程或同期工程。它是针对传统的产品串行开发(“需求分析—概念设计—详细设计—过程设计—加工制造—试验检测—设计修改”的流程,称为产品从设计到制造的串行生产模式)过程而提出的一个概念,一种哲理和方法。

并行工程是集成地、并行地设计产品及其相关各种过程的系统方法,该方法要求开发人员在设计开始就考虑产品整个生命周期中,从概念的形成到产品报废处理的所有因素,包括质量、成本、进度计划和用户要求。并行工程通过组成多学科的产品开发群组协同工作,利用各种计算机辅助工具,使产品开发的各个阶段既有一定的时序又能并行工作,同时采用上、下游的各种因素共同决策产品开发各阶段工作的方式,使产品开发的早期就能及时发现产品开发全过程中的问题,从而缩短了产品开发周期,提高了产品质量,降低了成本,增加企业竞争能力。并行工程强调在集成环境下的并行工作,因此,它是CIMS进一步发展的方向。

(4)敏捷制造(AM，AgileManufacturing)，又称灵捷制造、迅速制造和灵活制造等。它是将柔性生产技术、熟练掌握生产技能和有知识的劳动力与促进企业内部和企业之间相互合作的灵活管理集成在一起,通过所建立的共同基础结构,对迅速改变或无法预见的消费者需求和市场时机作出快速响应。市场的快速响应是敏捷制造的核心。敏捷制造的基本原理是采用标准化和专业化的计算机网络和信息集成基础结构,以分布式结构连接各类企业,构成虚拟制造环境；以竞争合作为原则,在虚拟制造环境内动态选择合作伙伴,并通过组成虚拟企业来适应持续多变、无法预料的市场变化。

2)国内情况我国机械制造技术水平与发达国家相比还非常低,大约落后20年。近十几年来,我国大力推广应用CIMS技术,20世纪90年代初期已建成研究环境,包括有CIMS实验工程中心和7个开放实验室。在全国范围内,部署了CIMS的若干研究项目,诸如CIMS软件工程与标准化、开放式系统结构与发展战略,CIMS总体与集成技术、产品设计自动化、工艺设计自动化、柔性制造技术、管理与决策信息系统、质量保证技术、网络与数据库技术以及系统理论和方法等专题。各项研究均取得了丰硕成果。

但大部分大型机械制造企业和绝大部分中小型机械制造企业主要限于CAD和管理信息系统,因底层(车间层)基础自动化还十分薄弱,数控机床由于编程复杂,还没有真正发挥作用。加工中心无论是数量还是利用率都很低。可编程控制器的使用并不普及,工业机器人的应用还很有限。因此,做好基础自动化的工作仍是我国制造企业一项十分紧迫而艰巨的任务。我们在看到国际上制造业发展趋势的同时,还要立足于我国的实际情况,扎扎实实地把基础自动化工作搞上去,才能在稳步前进的基础上开展制造业自动化系统的研究与应用。

2.现代机械制造技术的发展趋势

现代机械制造技术的发展主要表现在两个方向：一是精密工程技术,以超精密加工的前沿部分、微细加工、纳米技术为代表,将进入微型机械电子技术和微型机器人的时代;二是机械制造的高度自动化,以CIMS和敏捷制造等技术的进一步发展为代表。

超精密加工的加工精度在2000年已达到0.0001μm(1nm),在21世纪初开发的分子束生长技术、离子注入技术和材料合成、扫描隧道工程(STE)可使加工精度达到0.0003～0.0001μm(3～11nm)。现在，精密工程正向其终极目标——原子级精度的加工逼近,也就是说,可以做到移动原子的加工。加工设备正向着高精、高速、多能、复合、控制智能化、安全环保等方向发展,在结构布局上也已突破了传统机床原有的格式。日本Mazak公司在产品综合样本中展示出一种未来机床,该机床在外形上犹如太空飞行器,加工过程中噪音、油污、粉尘等将不再给环境带来危害。

1)全球化制造的全球化,可以说是21世纪机械制造业自动化最重要的发展趋势。近年来,在各种工业领域中,国际化经营不仅成为大公司而且已是中小规模企业取得成功的重要因素。一方面,由于国际和国内市场上的竞争越来越激烈,例如在机械制造业中,国内外已有不少企业,甚至是知名度很高的企业,在这种无情的竞争中纷纷落败,有的倒闭,有的被兼并,不少暂时还在国内市场上占有份额的企业,不得不扩展新的市场;另一方面,由于网络通信技术的快速发展,提供了技术信息交流、产品开发和经营管理的国际化手段,推动了企业向着既竞争又合作的方向发展,这种发展进一步激化了国际间市场的竞争。这两个原因的相互作用,已成为全球化制造业发展的动力。全球化制造的第一个技术基础是网络化、标准化和集成化。

由于网络通信技术的迅速发展和普及,正在给企业的生产和经营活动带来了革命性的变革:①产品设计、物料选择、零件制造、市场开拓与产品销售都可以异地或跨越国界进行,实现制造的全球化;②技术基础是集成化与标准化。异地制造实际上是实现产品信息集成、功能集成、过程集成和企业集成,实现集成的基础与关键是标准化,可以说没有标准化就没有全球化。

2)虚拟化虚拟化是指设计过程中的拟实技术和制造过程中的虚拟技术。虚拟化可以大大加快产品的开发速度和减少开发的风险。产品设计中的拟实技术是指面向产品的结构和性能分析技术,以优化产品本身性能和成本为目标,包括产品的运动仿真和干涉检验、动力学分析、造型设计、人机工程学分析、强度和刚度有限元计算等。制造过程中的虚拟技术是指面向产品生产过程的模拟和检验,检验产品的可加工性、加工方法和工艺的合理性,以优化产品的制造工艺、保证产品质量、缩短生产周期和最低成本为目标,进行生产过程计划、组织管理、车间调度、供应链及物流设计的建模和仿真。

3)绿色化

“清洁生产”(CP,CleanProduction),又称绿色生产,其概念于1995年提出。联合国环境计划署对清洁生产的定义如下：在产品的生产过程中,将综合预防的环境战略持续应用于生产过程和产品中,减少对人类和环境的风险。

清洁生产的两个基本目标是资源的综合利用和环境保护。绿色制造则通过绿色生产过程(绿色设计、绿色材料、绿色设备、绿色工艺、绿色包装、绿色管理)生产出绿色产品,产品使用完以后再通过绿色处理后加以回收利用。也就是对生产过程而言,清洁生产要求渗透到从原材料投入到产出成品的全过程,包括节约原材料和能源,替代有毒的原材料和短缺资源,二次能源和再生资源的利用,改进工艺及设备,并将一切排放物的数量与毒性消减在离开生产过程之前。对于产品而言,清洁生产覆盖构成产品整个生命周期的各个阶段,即从原材料的提取到产品的最终处理,包括产品的设计、生产、包装、运输、流通、销售及报废等,合理利用资源,并最大限度地减少对人类和环境的不利影响。

如何最有效地利用资源和最低限度的产生环境污染,是摆在制造企业面前的一个重大课题。绿色制造实质上是人类社会可持续发展战略在现代制造业的体现,也是未来制造业自动化系统必须考虑的重要问题。目前绿色制造技术有以下几个方面：

(1)精密成形技术:成形制造技术包括铸造、焊接、塑性加工等。精密成形技术包括精密铸造(湿膜精密成形铸造、刚型精密成形铸造、高精度造芯)、精密锻压(冷湿精密成形、精密冲裁)、精密热塑性成形、精密焊接与切割等。

(2)无切削液加工:无切削液加工的主要应用领域是机械加工行业,无切削液加工简化了工艺、减少了成本并消除了冷却液带来的一系列问题,如废液排放和回收等。

(3)快速成形技术:快速原型零件制造技术(RPM),其设计突破了传统加工技术所采用的材料去除的原则,而采用添加、累积的原理。其代表性技术有分层实体制造(LOM),熔化沉积制造(FDM)等。

9.2精密与超精密加工技术

9.2.1精密与超精密加工概念精密加工是指在一定的发展时期,加工精度与表面质量达到较高程度的加工工艺。超精密加工则是指在一定的发展时期,加工精度与表面质量达到最高程度的加工工艺。显然,在不同的发展时期,精密与超精密加工有不同的标准。在瓦特改进蒸汽机时代,镗孔精度为1mm已属精密加工的范畴;发展到20世纪40年代,最高加工精度已达到1μm(0.001mm);而到了20世纪90年代,精密加工的尺寸公差达到1～0.1μm,表面粗糙度值达Ra＜0.1μm,超精密加工的尺寸公差达到0.1~0.01μm,表面粗糙度值达Ra＜0.01μm。

对于微小尺寸的精密加工,常被称为微细加工;而对于微小尺寸的超精密加工,称为超微细加工。微细加工和超微细加工有别于一般尺寸加工之处在于：一般尺寸加工的精度用误差尺寸与加工尺寸的比值来表示,而微细加工和超微细加工的精度则用误差尺寸的绝对值来衡量。在微细加工和超微细加工中,“加工单位”(即切屑大小)可以小到分子级或原子级。

精密与超精密加工(以及微细加工与超微细加工)属于机械制造中的尖端技术,是发展其他高新技术的基础和关键。例如,为了提高导弹的命中精度,陀螺仪球的圆度误差要求控制在0.1μm之内,表面粗糙度要求Ra＜0.01μm;飞机发电机转子叶片的加工误差从60μm降到12μm,可使发动机的效率获得极大提高;磁盘记录密度也在很大程度上取决于磁盘基片加工的平面度水平。因而,精密与超精密加工技术的高低,往往是衡量一个国家制造业水平的重要标志。9.2.2精密与超精密加工方法与特点

目前,精密与超精密加工方法根据其机理和特点可分为四大类：切削加工、磨料加工、特种加工和复合加工,见图9-1。由图可见,精密与超精密加工方法中有些是传统加工方法的精化,有些是特种加工方法的精化,有些则是传统加工方法及特种加工方法的复合。图9-1精密与超精密的加工方法

与一般加工相比,精密与超精密加工具有以下特点:

(1)“进化”加工原则。一般加工时,“工作母机”(机床)的精度总是高于被加工零件的精度,这一规律称为“蜕化”原则。对于精密与超精密加工,用高于零件加工精度要求的“母机”来加工零件常常是不现实的。此时,可利用低于工件精度的设备、工具,通过工艺手段和特殊的工艺装备,加工出精度高于“母机”的工件。这种方法称为直接式进化加工,通常适用于单件、小批生产。与直接式进化加工相对应的是间接式进化加工。间接式进化加工借助于直接式“进化”加工原则,生产出第二代精度更高的工作母机,再以此工作母机加工工件。间接式进化加工适用于批量生产。

(2)微量切削机理。与传统切削机理不同,在精密与超精密加工中,背吃刀量一般小于晶粒大小,切削在晶粒内进行,要克服分子与原子之间的结合力,才能形成微量或超微量切屑。目前已有的一些微量切削机理模型,是以分子动力学为基础建立的。

(3)形成综合制造工艺。在精密和超精密加工中,要达到加工要求,需综合考虑加工方法、加工设备与工具、测试手段、工作环境等多种因素,难度较大。

(4)与自动化技术联系紧密。在精密和超精密加工中,广泛采用计算机控制、适应控制、在线检测与误差补偿技术,以减少人的影响因素,保证加工质量。

(5)加工与检测一体化。

(6)特种加工与复合加工方法应用越来越多。

9.2.3几种有代表性的精密与超精密加工方法

1.超精密车削在生产实际中普遍认为:凡加工精度超过当前实行的公差标准中最高一级的加工,就属超精密切削加工的范畴。目前通常以GB1800-79公差标准中的最高级IT01所规定的标准值为界限。超精密加工的精度正从微米(１～10-2μm)工艺向纳米(10-2～10-3nm)工艺提高。一般将达到IT５～IT６级的尺寸精度及粗糙度为Ra0.025～0.8μm的加工,称为精密加工。近十多年来,超精密车削加工技术的发展水平已达到了相当高的阶段。1978年,国外采用了球面和半球面空气轴承,主轴回转精度的径向跳动为０.03μm、轴向窜动为0.01μm;径向刚度25N/μm、轴向刚度83N/μm。对铜材工件的金刚石镜面车削,表面粗糙度达Ra0.006μm。我国研制的SI-222高精度磁盘车床,采用静压轴承、主轴回转精度达0.1μm。表面粗糙度为Ra0.012μm。超精密切削是在超稳定的状态下,用极为锋利的切削刀具,如金刚石车刀,从加工表面上切下一层非常薄的切屑(＜0.1μm)的一种超微量切削技术。经超精密切削的表面可以获得:镜面状的光洁、极薄极轻微的冷硬层、极小的残余应力和极好的抗腐蚀性能。实现超精密车削应具备以下条件。

1)车床有高的几何精度和高的刚度车床主轴的径向和轴向跳动量应小于0.12～0.15μm。一般采用空气静压轴承结构。进给运动部件应具备位移精度高达０.1μm的精密微位移机构,运动应平稳、均匀、无爬行。

2)超精密车削刀具应具有的性能

(1)有极锋利的刃口,以保证刀具在极小的切削深度ap和进给量f下完成切削;使零件表面的冷硬程度和残余应力非常小。

(2)前、后刀面有很小的粗糙度;且刀刃的微观不平度也极小。在切削过程中,使刀具复映给工件表面的粗糙度很小。

(3)有高的硬度和弹性模量,以保证刀具的使用寿命。

(4)有好的抗氧化粘结性,以减少粘结磨损。

(5)有好的抗热、抗电磨损性能。图9-2为两把金刚石车刀的结构和切削刃的几何参数。它符合一般切削的规律,如主偏角κr和副偏角κr′较小时,表面粗糙度Rz值较小;刀尖圆弧半径R愈大,表面粗糙度Rz值愈小,一般取R=3mm左右。

图9-2金刚石车刀

图9-3常用的金刚石车刀形状

3)超稳定的工作环境超精密切削的机床设备工作环境对振动、噪声、温度变化及高低、空气净化等有综合性的要求,相应地需采取防振、隔振、隔热、恒温以及防尘等严格的技术措施。此外,切屑极易划伤已加工表面,因此采用吸屑器将切屑吸收或者进行充分的冷却润滑,将切屑冲走。

2.超精密磨削和镜面磨削

通常将能获得加工精度为0.1μm级及表面粗糙度小于Ra0.025μm的磨削加工称为超精密磨削;而将能获得表面粗糙度小于Ra0.01μm的磨削称为镜面磨削。对于以铁族等黑色金属为材质的工件,采用超精密磨削和镜面磨削的加工方法能得到很高的表面质量,同时还可得到高的加工精度。

图9-4磨粒

用作超精密磨削和镜面磨削的砂轮需定期进行精细的修正。一是去除砂轮外层已磨钝的磨粒或去除已被磨屑堵塞了的一层磨粒,使新的磨粒显露出来;二是将砂轮的磨粒修整出大量等高的有效微刃,如图9-4所示。这些等高的微刃能切除工件表面上极微薄的余量,切去工件的微量缺陷及微量的尺寸、形状误差,从而达到很高的加工精度。由于等高的微刃是大量的,它们在加工表面上只留下极微细的切削痕迹,使表面粗糙度很小。在无火花进给光磨时,处于半钝化状态的微刃与工件表面间有一定的磨削压力,产生了擦滑、挤压及抛光作用,使表面粗糙度进一步地减小,以达到镜面的程度。

采用粗颗粒(46＃～80＃)砂轮,经精细修正后,微刃的切削作用较强,可加工出Ra0.16～0.04μm的表面粗糙度;若采用细颗粒(W28～W20)砂轮,经精细修正,其等高半钝磨状态的微刃摩擦抛光作用更好,在多次光磨的情况下,可获得Ra0.01μm的镜面。实施超精密磨削和镜面磨削合理的技术要求:

1)砂轮精细修正获得等高的微刃对修正砂轮的合理工艺条件是:

(1)进给量很小:纵向进给量f纵≤0.05～0.01mm／r,以不出现爬行为度;横向进给量即修整切入深度ap≤0.0025～0.005mm／双行程。

(2)选择锋利的金刚石笔,其顶角取为70°～80°。金刚石笔安装要合理,笔尖应低于砂轮中心1～2mm,笔杆向下倾斜,安装角10°～15°。如图9-5所示。以防止金刚石笔啃入砂轮而划伤砂轮表面。图9-5金刚石笔安装方法

2)选择合理的磨削用量

(1)砂轮速度v砂不宜太高。一方面,v砂大对减小表面粗糙度有利;另一方面,v砂过大往往会引起振动,且磨削热增多,容易使工件表面烧伤受损。一般v砂可取12～20m／s。

(2)工件线速度v工和纵向进给量f纵均应取小的值。v工和f纵越小,使粗糙度越小;但v工、f纵的减小以不造成磨削烧伤为限度。通常v工取4～10m／min;f纵取为小于80mm／min。

(3)磨削深度ap往往也较小。若ap较大,砂轮微刃与工件表面间磨削压力大,微刃的负荷重,使摩擦热增多,且极容易使砂轮钝化,影响到镜面的形成。ap一般取2.5～5μm。另外,在不作横向进给而仅作纵向进给无火花光磨时,对表面质量也有较重要的影响。光磨的次数越多,对加工表面上切削残留量的去除越有利。所形成表面的冷作硬化层越浅。

3)对机床设备的要求被加工工件的质量与加工设备的质量有密切的关系。适用于超精密磨削和镜面磨削的磨床有MBG1432和MBG1420等。应具备主要性能有:

(1)主轴有高的回转精度和好的刚性,径向跳动小于1μm。

(2)机床各部件的振动能控制在尽量小的震级。

(3)工作台移动速度低且稳定,纵向移动速度小于10mm／min时,不会发生爬行现象。

(4)横向进给机构灵敏,可实现微量进给,每次进给量不大于1μm。

(5)磨削液过滤系统的过滤性能相当好。

3.光整加工光整加工是采用颗粒很细的磨料对加工表面作微量切削和挤压、擦研、抛光的工艺加工方法。光整加工要求磨具与工件之间相对运动越复杂越好,这样能使每颗磨粒不走重复的运动轨迹,使工件表面上凸出的高点与磨粒随机性接触,相互修整,以逐步均化和消除误差,从而获得非常光洁的表面及比磨具原始精度还高的加工精度。

1)光整加工的特点

(1)切削作用轻微,不会产生大量的切削热。最重要的磨削参数是磨具与工件表面间的压力,而不存在明显的磨削切入深度。

(2)对机床的运动和精度要求较低,无需有精确的成形运动。而各种运动的配合要能形成复杂且不重迭的轨迹。

(3)不能修正加工表面的相对位置误差,主要提高其加工表面质量,轻微的改善尺寸、形状精度。

(4)加工余量较小,生产效率不高。

2)各种光整加工工艺光整加工方法主要有:研磨、珩磨、超精加工等。虽然,它们的机理相似,但各自的磨具结构不同,所使用的机床设备也不同。各种加工的工作原理、加工工艺特点及适用范围等简述如下。

(1)研磨。研磨加工的工作机理是利用附着或压嵌在研具表面上的游离磨粒,及研具与工件之间的微小磨粒,借助于研具与工件之间的相对运动,对工件表面作轻微的切削,以获得精确的尺寸精度和表面粗糙度很小的加工面。图9-6为其工作原理图。

图9-6研磨机理

①研磨加工方式。

·自由嵌砂法:连续加注研磨剂,小部分磨料受挤压自动嵌入研具表面层中,起滑动切削作用。大部分磨料呈悬浮状态,起滚动切削作用。用于粗研。

·强迫嵌砂法:研磨前,先把磨料均匀地压嵌入研具表面中。研磨时,研具表面涂少量润滑附加剂，以滑动切削为主。用于精研。

·无嵌砂法:采用比工件与研具软的磨料。研磨中,磨料呈悬浮状态。通过研磨剂的化学作用,在工件表面形成一层薄的氧化膜,凸点处的薄膜很容易被切除。

②研磨的工艺特征。

·研磨剂的组成与成分:磨料(对钢材用碳化硅)、研磨液(机油或煤油)、辅助材料(硬脂酸、油酸或工业甘油)。·工艺参数:研磨压力(粗研为15～30N／cm２,精研为3～10N／cm２);研磨速度(粗研为40～50m／min,精研为6～12m／min)。

·应用范围:适用于各种形状的表面。也可用于高精度丝杠的最后精加工。

(2)珩磨。珩磨的工作原理如图9-7所示。珩磨头的磨条可作径向进给运动,以较低的压力和微小的切深,对加工表面作微量的切削,同时有一定的挤压、抛光作用。珩磨头有定时改变转动方向的旋转运动和往复直线运动,使磨粒的运动轨迹为交叉而不重复的细微波纹。

图9-7珩磨工作原理

珩磨加工工艺特征有:①工艺参数:网纹交叉角θ(淬火钢8°～11°、铸铁7°～26°);圆周线速度v圆(淬火钢22～36m／min、铸铁60～70m／min);等压径向进给控制单位压力(10～200N／cm2);等速径向进给量fr(钢0.1～1.25μm/rpm、铸铁0.5～2.7μm/rpm);磨条数量和宽度由工件表面直径而定;磨条长度由工件长度而定。推荐工艺参数的数据精珩时取小值。②珩磨可达IT6级的尺寸精度、粗糙度Ra0.2～0.05μm,可以改善几何形状精度,但不能修正表面间的相互位置精度。③珩磨头刚性好,与机床主轴浮动连接,珩削时需用以煤油为主的冷却液。④珩磨加工生产率较高,广泛用于孔的小批生产至大批大量生产加工。

(3)超精加工。超精加工的切削机理如图9-8所示。使细粒度的砂条,在一定的压力P作用下作低频振动,磨粒的切削痕迹很浅。刚开始时,实际接触面小,压强较大,切削作用较强。随着加工进行，逐步使工件表面粗糙度减小,同时砂条空隙中嵌入氧化后的细小切屑,砂条表面也逐渐光滑。接触面增大,油膜容易形成,擦滑、抛光作用加强。

图9-8超精加工机理

超精加工工艺特征如下:①工艺参数:振动频率f(8～40Hz);摆动振幅α(1～5mm);压力P(5～50N／cm2);磨料粒度W3.5～W20;轴向进给量S(0.006L～0.01L

mm/r);工件线速度v工(6～40m／min)。冷却液采用煤油。切削角 ,θ取为(10°～45°)。②表面粗糙度可达Ra0.05～0.025μm;尺寸精度为IT5～IT6级;不能修正几何形状与相对位置误差。③生产率比较高,适用于各种表面。④对机床无特殊的要求,可以利用车床改装。

4.振动切削振动切削是在传统切削的基础上,沿着切削的方向,给刀具(或工件)以有规则的、可控的振动,使切削用量各参数按某种规律变化,来改变刀具与工件之间原有的相对位置和相对速度,从而改变了传统切削加工的机理,以改善切削效果(减小了切削力及切削热)的一种新的切削加工方法。在切削过程中,当刀具与工件不分离(称不分离型振动切削)时,切削速度和方向等参数产生周期性的变化。不分离型振动切削的切削力波形如图9-9(a)所示。当刀具与工件时切时离(称分离型振动切削)时,切削过程变成了脉冲式的断续切削,也称脉冲切削。分离型振动切削的切削力波形如图9-9(b)所示。图9-9切削力波形

1)振动切削的效果当振动参数(振动频率和振幅)、进给量和主轴转速等选择合理时,可明显改善切削效果。

(1)切削力和切削热大幅度降低,仅为普通切削的1／3～1／10。

(2)加工后表面粗糙度降低3个等级,可与磨削甚至研磨加工相比。残余应力仅为普通切削的1／3。工件表面冷作硬化变化极其微小,几乎与未切削前相同。

(3)加工表面无烧伤和裂纹,表面耐磨性与耐腐蚀性提高。

(4)由于切削力小,工件变形很小,不会造成自激振动,故工件几何形状精度高。

(5)刀具磨损小,无积屑瘤产生,刀具耐用度可提高10倍左右。

(6)能胜任普通切削难以加工甚至无法进行的切削加工。如:薄壁零件及细长轴的加工;硬脆材料的加工;难加工材料的切削;不易进行二次切削的铝、紫铜等工件的加工等。

2)振动切削的分类振动切削按振动频率f可分为低频和高频两类:若f＜200Hz为低频振动切削;若f≥20kHz则为高频超声振动切削。在两者之间的频率由于噪声的原因一般不被采用。若按照振动的起源也可分为两类:一是利用专门装置产生的振动为受迫式振动切削;另一类是利用切削过程本身产生的振动为自激式振动切削。

3)超声振动车削装置图9-10为国内所用的一种超声振动车削装置的示意图,它由以下各部分组成。

图9-10超声振动车削

(1)超声波发生器:可将50Hz交流电变成为一定功率输出(250W)的超声频电振荡,以提供振动能量。

(2)换能器:利用压电效应和磁致伸缩效应,把超声频电振荡转换成高频的机械振动,但振幅很小,仅5～10μm。

(3)变幅杆:为上粗下细的金属杆,呈圆形的截面。一般做成指数曲线外形,可将振幅扩大10～20倍;如用圆锥式外形,则只扩大5～10倍。

(4)刀杆部分:刀杆专门设计成一个弯曲振动系统,可将变幅杆的纵向振动转换为弯曲振动。刀杆的中心位置处为振动腹;刀杆的两端也是振动腹,切削刀片固定于—端,变幅杆垂直地固定于另一端。再利用弯曲刀杆的两个波节,用螺钉夹持,就可把整个装置安装在普通车床的刀架部件上。

4)振动切削参数的选择根据许多超声振动车削试验的研究结果,得到了以下一些规律,归纳如下:

(1)工件线速度v必须小于临界切削速度vc,即v＜vc,才能实现振动车削。一般v取为1／3的vc。vc=aω=2πa·f

(9-3)式中:a为刀具振幅;ω为振动角频率;f为刀具振动频率;a·f为振动速度。

(2)切削力随着吃刀深度的增大略有上升。但是主切削力仅为几十牛顿。由于振动切削属于精密加工,所以吃刀深度与进给速度均选取较小值。

(3)切削力的大小几乎不受刀具前角的影响,因此,为使用负前角创造了条件。后角在振动过程中变小,故刀具后角应略有增大。

(4)刀具材料可选用硬质合金或金刚石。要求刀面的粗糙度低于工件所加工表面的粗糙度。刀夹安装使刀尖必须低于工件回转中心一个振幅值。9.3特种加工和微细加工

9.3.1特种加工

特种加工又称非传统加工,是20世纪40年代发展起来的一类有别于传统切削与磨削的加工方法的总称。特种加工方法将电、磁、声、光等物理量及化学能量或其组合直接施力在工件被加工的部位上,从而使材料被去除、累加、变形或改变性能等。特种加工方法可以完成传统加工方法难以实现的加工,如高强度、高韧性、高硬度、高脆性、耐高温材料和工程陶瓷、磁性材料等难加工材料的加工以及精密、微细、复杂形状零件的加工等。具体适用于:①各种高强度合金钢、耐热钢、钛合金、硬质合金等难切削材料；②陶瓷、玻璃、人造金刚石、半导体硅片等非金属材料；③复杂型面、薄壁、小孔、窄缝等特殊形状工件的加工。

特种加工与传统切削、磨削加工方法相比,具有以下特点:

(1)特种加工方法不是主要依靠机械能,而是用其他能量(如电能、光能、声能、热能和化学能等)去除材料。

(2)传统切削与磨削方法要求:①刀具的硬度必须大于工件的硬度,即要求“以硬切软”；②刀具与工件必须有一定的强度和刚度,以承受切削过程中的切削力。而在非传统加工方法中,由于工具不受显著切削力的作用,对工具和工件的强度、硬度和刚度均没有严格要求。

(3)采用非传统加工方法加工时,由于没有明显的切削力作用,一般不会产生加工硬化现象。又由于工件加工部位变形小,发热少,或发热仅局限于工件表层加工部位很小的区域内,工件热变形小,由加工产生的应力也小,易于获得好的加工质量,且可在一次安装中完成工件的粗、精加工。

(4)加工中能量易于转换和控制,有利于保证加工精度和提高加工效率。

(5)非传统加工方法的材料去除速度一般低于常规加工方法,这也是目前常规加工方法在机械加工中仍占主导地位的主要原因。

特种加工有各种不同的分类方法:有的是按尺寸加工和表面加工分类,有的是按不同的加工方式分类等。若按所利用的能量形式来分类有:

(1)机械特种加工:磨料喷射加工、磨料流加工、液力喷射加工等;

(2)声能特种加工:超声波加工;

(3)电气特种加工:电解加工、电解磨削、电解研磨、电解抛光及去毛刺等;

(4)热特种加工:电火花成型加工、电火花切割、电火花磨削、激光束加工、电子束加工、离子束加工等;

(5)化学特种加工:如化学抛光、化学加工等。表9-2各种特种加工方法的工艺能力

表9.1各种特种加工方法的工艺能力表9-3各种特种加工方法所适用的工件材料

表9．2各种特种加工方法所适用的工件材料

1.电火花成型加工

电火花成型加工是利用工具电极和工件电极之间脉冲性的火花放电,靠电火花局部瞬时产生高温将金属接触部分融化蚀除的一种加工方法,也称为电脉冲加工。电火花加工的工作原理如图9-11所示。脉冲电流由电源2供给;自动进给调节装置3由液压油缸和活塞组成,它可使工具和工件间一直保持很小的放电间隙,使工具电极随着金属蚀除的进行而不断的送进。当电火花放电时,电路通道内的电流密度高达105～108A/cm2,产生了10000℃以上的高温,从而使工件电极表面局部金属熔化和气化,成为很细的颗粒,在电磁力和电极间爆发力的作用下,被抛入工作液中,而在电极表面形成一个小凹坑,如图9－12所示。当电压下降后,工作液恢复到绝缘状态。这种放电循环重复数千到数万次,逐步蚀除零件加工表面上的余量,把工具的轮廓和截面形状复制到工件上。

图9-11电火花成型加工

图9-12一次火花放电形成的凹坑放大图

电火花加工的技术特点是:

(1)电火花放电时间极短,必须是间断性、脉冲性的瞬时放电。放电延续极短时间(应小于10-2秒)后,还需停歇极短时间,使放电所产生的热量来不及传导扩散到非加工区域,否则持续放电会使整个工件升温,表面“烧糊”,无法进行尺寸加工。

(2)脉冲放电必须有足够的火花放电强度,使金属局部表面有很大的电流密度,才能熔化和气化加工层。

(3)电极间保持一定的放电间隙,约为0.01～0.2mm,若间隙过大,极间电压不能击穿极间介质(工作液),不会产生火花放电;间隙过小,则容易形成极间短路会形成连续的电弧,也不会放电。工具电极必须随着金属的蚀除自动地实现进给调整。

(4)在加工过程中,工具电极的制造精度损耗较小。

(5)电火花放电需在介质(工作液)中进行。如煤油、皂化液等,它们应具有高的绝缘强度,有利于产生火花放电;同时可把加工过程中产生的金属碎屑、碳黑等排除出去;并对电极表面有较好的冷却作用。电火花加工适用于导电性能较好的金属材料工件,且不受材料的强度、硬度、脆性、韧性的影响,因此为耐热钢、淬火钢、硬质合金的加工提供了有效的手段。能加工各种表面形状的微小孔,最小孔径或槽宽可达5μm。尺寸精度可达1μm,表面粗糙度达Ra0.32μm,电火花小孔磨削可达Ra.08μm。加工速度低,成本高。由于电火花加工中不存在切削力,

因此工具电极可用较软的材料来制作,如紫铜和石墨等,在模具制造中已广泛应用;但对于微小孔电火花加工,电极则可选用刚性好、容易矫正、损耗小的电极材料,常用的有银钨合金、铜钨合金、钨、钼、黄铜丝等。电火花加工设备已有许多种类:如电火花穿孔成型机床、电火花线切割机床、电火花螺纹加工机床、电火花表面强化机和电火花刻字装置等。

2.电火花线切割加工电火花线切割加工原理不是靠成型的电极工具将尺寸形状复制在工件上,而是通过连续地沿自身轴线行进的金属电极丝与工件间的火花放电来切割工件,工件加工部位所需的形状是由电极丝和工件切割过程中的连续相对运动形成的。常用的电极丝有钼丝、钨丝、黄铜丝和涂层金属丝等。电火花线切割加工可替代传统的电火花穿孔加工,适用于大多数的冲裁模具加工。还广泛用于加工各种样板、平面凸轮、卡尺等工件;还用于微细孔、任意曲线形窄缝、槽、工具电极的加工。

电火花线切割机床大部分均已采用微机控制系统,图9-13即为数控线切割机床的工作原理图。卷绕在丝筒6上的电极丝8与高频脉冲电源7的负极相接,并由导向支承张紧,作连续高速往复运动以减小电极丝的损耗。工件5安装在工作台9上并与脉冲电源的正极连接,随工作台作x、y两个方向的运动,从而形成各种形状的二维曲线轮廓。工作液(介质)由喷嘴3以一定的压力喷向加工区(也有将整个工作区沉浸在工作液当中的形式)。当脉冲电压击穿电极丝和工件之间的极间间隙时,产生火花放电而蚀除工件。图9-13数控电火花线切割

3.电解加工

电解加工是利用金属在电解液中产生阳极溶解的原理使工件加工成形。金属电极在电解液中会发生阳极溶解及阴极沉积等电化学现象。工作原理如图9-14所示,工件接直流电源的正极,工具接负极,在工具与工件之间保持较小的间隙(0.1～0.8mm),使电解液以一定的压力(0.5～2MPa)和速度(5～50m／s)从间隙中流过。当接通直流电源(电压为5～25V,电流密度10～1000A／cm2)后,工件(阳极)与阴极接近的表面金属开始电化学反应,不断地发生阳极溶解,溶解产物被高速的电解液及时冲走。逐渐使工具的形状复映到工件上,获得所需要的加工表面形状。在工件金属溶解的过程中,工具向工件作缓慢的进给,以保持其恒定的间隙。

图9-14电解加工

常用的电解液有NaCl、NaNO3和NaClO3等。其中NaCl加工速度快、成本低,但加工精度低、且对加工机床腐蚀严重。NaNO3电解液成型精度高、腐蚀性小,且阴极有氨气析出,但生产率低。NaClO3电解液的加工精度和生产率均高、对设备腐蚀作用小,但价格高,且易燃。电解加工是一种比较成熟的加工方法。主要用于加工小直径深孔,四方、六方、椭圆、半圆形的通孔和盲孔,型腔,内齿轮,异形零件等。也可用于刻印、去毛刺、珩磨、抛光等。

电解加工有如下特点:

(1)可加工任何导电材料,不受材料的强度、硬度、脆性、韧性、熔点、导热性等的限制,对高温合金、钛合金、不锈钢及硬质合金等均能进行加工。

(2)加工成型的生产率高。由于电流密度大,去除金属速度快,约为电火花加工的5～10倍。

(3)表面质量好。加工表面无残余应力和变形,无刀痕、飞边和毛刺,适用于易变形工件或薄壁零件的加工。

(4)工具阴极理论上无损耗,可长期使用。由于阴极工具材料本身不参与电极反映,同时工具材料又是抗蚀性良好的不锈钢或黄铜等,所以除特殊情况(如产生火花短路)外,工具阴极基本上没有损耗。但阴极制造精度影响电解工件的尺寸精度,因加工间隙的控制较困难,其加工精度较差,仅达IT7～IT9级,但是粗糙度低至Ra1.25～0.16μm。而加工表面处圆角半径大于0.2mm。

(5)电解加工设备投资较大,占地面积多,加工耗电量大。

(6)工具阴极制造复杂;电解液有腐蚀作用,要注意防护;电解产物有污染,要妥善处理。

4.电解磨削电解磨削是电化学机械加工的一种。它是靠电化学阳极溶解和机械磨削复合而进行加工的。其工作原理如图9-15所示。导电砂轮常为电镀金刚石砂轮,或者用铜粉、石墨做粘结剂制成的砂轮。将导电砂轮接负极,工件接正极,加工时在砂轮与工件间喷入电解液,接入直流电源后,工件表面层发生电解作用,产生一层氧化物或氢氧化物薄膜,又称阳极薄膜,阳极薄膜迅速被导电砂轮中的磨料刮除,新的金属表面又被继续电解。这样,使电解作用和刮除薄膜的磨削作用交替地进行。在电解磨削过程中,金属主要靠电解作用蚀除,而砂轮只起刮除阳极膜和整平加工表面的作用。

图9-15电解磨削

电解磨削的主要工作参数为:工作电压5～15V;电流密度50～200A／cm２;磨削压力0.1～0.3MPa;加工间隙0.01～0.1mm;砂轮粒度40＃～100＃。电解液一般采用NaNO3、NaNO2等。电解磨削与机械磨削相比生产率提高好几倍,砂轮磨耗量低得多,且消耗电量比电解加工低得多,其加工精度高于电解加工,与磨削相近,表面粗糙度比磨削低。电解磨削适用于加工淬硬钢、不锈钢、耐热钢、硬质合金,特别对硬质合金刀具刃磨及模具的磨削更为有利,不仅可以磨出高的精度、低的表面粗糙度,而且避免了表面裂纹,可磨出平直而锋利的刀刃,能提高刀具的耐用度。电解磨削属于电化学机械加工类。此外,还有电解珩磨和电解研磨等,其工作原理与电解磨削相似。

5.激光加工激光是通过入射光子使处于亚稳态高能级的原子、离子或分子跳跃到低能级时,受激励辐射所发出的光。即就是让某些物质的原子逐步吸收光能,暂时储存在该原子内部,而后使其受激励,瞬时以光的形式用同一波长的单色光发射出来,称之为激光。而受激励辐射所发出的光子与引起受激励辐射的入射光子在相位、波长、振动及传播方向等方面完全一致。因此,激光除了有一般光的共性外,它的特点是:强度高、方向性强、单色性和相干性好等。

所谓激光的强度高,也就是其能量密度高,即单位时间内通过单位面积的光能量(功率)多。利用光学系统可将入射光子聚焦成一束直径仅几微米到几十微米的光斑,获得极高的能量密度(107～1010W/cm2)和极高的温度(104℃以上)。在千分之几秒或更短时间内使难熔材料熔化,直到气化蒸发,从而达到蚀除局部材料的目的。所谓单色性,是指光的波长(或频率)为一个确定值。为有利于蚀除物的排除,还需对加工区吹氧或吹惰性气体,如氮气等。激光加工的机理,目前还没有公认的定论。一般的看法是:当能量密度极高的激光束照射到加工表面时,光能转换成热能,照射斑点局部区域温度迅速上升,使工件金属熔化、气化蒸发,形成小凹坑。随着光能的继续吸收,凹坑中金属蒸气突然膨胀,压力增高,相当于产生一个微型爆炸,形成一个方向性强的冲击波,把熔融物高速喷射出去,就完成了打孔加工。激光加工设备:激光加工机床虽然种类繁多,但其基本组成有四个部分:激光器、电源、光学系统和机械系统。图9-16为激光加工过程示意图,其中激光器是关键器件。激光加工中通常采用两类激光器:固体激光器(如红宝石、钕玻璃及钇铝石榴石YAG);气体激光器(如CO2的、氦氖气的)。激光加工要求激光器输出能量大、峰值功率高、结构紧凑、牢固耐用,目前单根YAG晶体棒的连续输出能量已有数百瓦,几根串联使用可达数千瓦。但是,固体激光器的能量效率低,CO2气体激光器的能量效率较高,可达25％,输出功率大,有的高达上万瓦,现广泛用于金属热处理、切割、焊接、金属表面合金化等加工。

图9-16激光加工过程示意图

1)激光加工特点

(1)由于激光的功率密度高,可加工高强度、高硬度、高韧性、高脆性、高熔点的金属或非金属材料。其加工速度快,效率高,热影响区及变形小。

(2)由于激光光斑直径小,理论上可达1μm以下,且输出功率可以调节,故能进行直径1μm以下的微小孔加工。深径比可达10以上。

(3)激光加工为非接触加工,可加工薄壁、弹性件等低刚性零件,可对难于加工部位进行打孔,不存在工具损耗,易实现加工过程自动化。

(4)能通过透明材料进行加工。

(5)加工精度和表面粗糙度较差。

(6)对表面光泽或透明材料加工时,需预先进行色化或打毛处理,以增加材料吸光率。

2)激光加工的应用范围

(1)激光打孔:打微型小孔,如:火箭发动机和柴油机的燃料喷嘴加工;化学纤维喷丝头小孔加工,喷丝头由硬质合金制作,在100mm的板上打出直径为￠60μm的小孔共12000多个;钟表或仪表的宝石轴承上打出￠0.12～￠0.18mm,深0.6～1.2mm的孔;金刚石拉丝模以及复合材料上打孔等。

(2)激光切割:YAG激光已广泛应用于半导体的划片加工,切割速度为10～30mm／s,宽度0.06mm,可将1cm2的硅片切割成几十个集成电路块,或几百个晶体管芯。英国生产的CO2激光切割机附有氧气喷枪,可用45mm／s的速度切割6mm厚的钛板。

(3)激光焊接:激光焊接所需的能量密度比打孔时低得多。脉冲输出的红宝石激光器和钕玻璃激光器适用于点焊;连续输出的CO2激光器和YAG激光器适用于缝焊。

3)影响激光加工的因素

(1)激光照射时间应适宜。激光束的能量等于激光器的输出功率与照射时间的乘积。照射时间若过长,会使热量扩散;若太短则使能量密度过高,使蚀除材料气化。两者均会使激光的能量效率降低。

(2)焦距、发散角和焦点位置对被打孔孔径的大小、深度和形状精度有直接的影响。采用短焦距的聚焦物镜,减小激光束的发散角,可使打出的孔小而深,且锥度小。焦点的位置应处于工件表面或略低于工件表面。若焦点位置高则使孔径扩大,且深度变浅;过低则会使孔呈喇叭口形状。

(3)照射次数多,可以使孔深度增加。并能减小锥度,孔径基本不变。但照射约20～30次后孔深会出现饱和值,就不会继续加深。

(4)光斑内的能量分布对所打孔的圆度有影响。希望以焦点为中心对称分布,中心强度最大,离中心越远其强度递减,才能保证孔的圆度。

(5)激光加工机的机械系统和光学系统的精度要能适应激光的加工精度。激光加工精度往往是1～10μm数量级。

(6)不同材料的工件对不同波长激光的吸收率不同,会影响加工效率。通常,根据材料性质可选用合理的激光器。

6.液力加工液力加工是利用超高压水从口径小于￠1mm的喷嘴喷出,以2～3倍音速的高速冲击力所进行的加工,其工作原理如图9-17所示。

图9-17液力加工工作原理

液力加工采用的液体为水或含有添加剂的水。首先需经过预处理器混合和过滤,将颗粒大于0.5μm的悬浮质点滤去;再经离子交换器去除阳离子,避免阳离子形成污垢或腐蚀金属。经处理后,由第一级高压水泵把水压升高到30MPa,再进入第二级水泵,水压继续升高到300～400MPa。极高压力的水从￠0.25～0.5mm的蓝宝石喷嘴喷出,获得速度高达800m／s的细水柱,就可用来打孔或切割加工。液力喷射加工的主要工艺参数包括:喷射压力、射流流速、喷嘴口径、加工表面与喷嘴的间距、切割速度(喷嘴移动速度)和喷嘴的倾角等。具体参数可见表9-4和表9-5。

表9-4液力加工参数

表9．4液力加工切割速度表9．3液力加工参数表9-5液力加工切割速度

9.3.2微细加工

1.电子束加工

1)热效应加工某些金属在真空条件下加热,如钨加热至2000℃时,会发射出电子。用被加热至高温的金属作为阴极,在阴极附近设置一个开了孔隙的阳极,会使电子由阴极向阳极方向加速运动,形成了一束穿过阳极孔隙的高速度的电子流,再用电子透镜将电子束聚焦,使能量高度集中于直径约1μm左右的小束点内,可获得106～109W／cm2的功率密度。当它轰击工件时,电子穿透材料晶格,使晶格振荡,原子振动很快转化成热量,温度可达摄氏几千度,使工件被照射部位的材料局部蒸发或成为雾状微粒粉尘呈飞溅状。即利用电子束的热效应原理实现打孔或焊接加工的工作,如图9-18所示。图9-18电子束加工

2)化学效应加工若将功率密度相当低的电子束,照射在高分子材料的工件表面上,表面温升就不明显。入射的电子与高分子相碰撞,会使其分子链被切断而重新聚合,工件材料分子量也随着变化。利用电子束的这种化学效应可进行光刻加工。其最小刻线可做到0.1～1μm的宽度,线槽边缘平度也相当小,一般小于0.05μm。

3)电子束加工特点

(1)功率密度高,可加工高硬度、高强度、高韧性、高脆性、高熔点的金属或非金属材料(加工功率密度为109W/cm2)。

(2)能聚焦成直径1μm以下的光斑,故可加工数微米的孔。

(3)能够通过磁场或电场对电子束的强度、位置进行直接控制,便于实现自动化加工。

(4)打孔效率很高,取决于工件的移动速度。

(5)为非接触加工,工件不受机械力作用,不产生宏观应力和变形。

(6)在真空中进行,特别适合于加工易氧化的材料和纯度要求极高的半导体材料。

(7)需要一整套专用设备和真空系统,价格较贵,生产应用有一定的局限性。

2.离子束加工离子束加工也是在真空中进行。把氩Ar、氪Kr、氙Xe等惰性气体经高温、强光或放射线照射、高速电子的冲撞形成等离子体,然后在加速电极作用下,离子从等离子体中被成束状地拉出来,并加速成为均匀的离子束流,再经聚焦后,投射到被加工表面而实现加工。如图9-19所示。由于离子的质量比电子大若干万倍,因此,离子束比电子束具有更大的能量。

图9-19离子束加工

9.4先进制造技术

9.4.1先进制造技术(AMT)产生的背景

AMT(AdvancedManufacturingTechnology)首先由美国于20世纪80年代末提出,在此以前,美国政府只对基础研究、卫生健康、国防技术等给予经费支持,而对产业技术不予支持,主张产业技术通过市场竞争,由企业自主发展。20世纪70年代,一批美国学者不断鼓吹美国已进入“后工业化社会”,认为制造业是“夕阳工业”,主张经济重心由制造业转向高科技产业和第三产业。其结果导致美国经济竞争力下降,贸易逆差剧增,日本家电、汽车大量涌入并占领了美国市场。

先进制造技术计划(ATP)由美国联邦政府科学、工程和技术协调委员会(FC