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1、第八章 先进制造技术案例导入随着制造业中对产品的生产效率和加工精度要求的不断提高，推动了与以往加工方式不同的先进制造技术的发展，例如目前正迅速发展的三维打印技术（即快速成型技术），它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。它以往常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，现正逐渐用于一些产品的直接制造。特别是一些高价值应用领域（比如髋关节或牙齿，或一些飞机零部件）已经有使用这种技术打印而成的零部件。本章中将主要介绍精密与超精密加工技术、快速成型制造技术和微细加工技术等内容。8.1 精密与超精密加工技术8.1.1 概述当前精密和超精密加工
2、精度从微米到亚微米，乃至纳米，在汽车、家电、IT 电子信息高技术领域和军用、民用工业有广泛应用。同时，精密和超精密加工技术的发展也促进了机械、模具、液压、电子、半导体、光学、传感器和测量技术及金属加工工业的发展。通常，按加工精度划分，精密机械加工可分为精加工、精密加工、超精密加工三个阶段。精加工是完成各主要表面的最终加工，使零件的加工精度和加工表面质量达到图样规定的要求。精度在 10m 左右，Ra0.80.1m。精密加工是指加工精度和表面质量达到较高程度的加工方法。精度在 10.1m左右 Ra0.10.02m。超精密加工是指在机械加工领域中，某一个历史时期所能达到的最高加工精度的各种精密加工方
3、法的总称。精度 0.10.01m 左右，Ra0.010.005m。但这个界限是随着加工技术的进步不断变化的，今天的精密加工可能就是明天的精加工。精密加工所要解决的问题，一是加工精度，包括形位公差、尺寸精度及表面状况；二是加工效率，有些加工可以取得较好的加工精度，却难以取得高的加工效率。8.1.2 精密及超精密加工的分类1.传统精密加工方法传统的精密加工方法有砂带磨削、精密切削、珩磨、精密研磨与抛光等。（1）砂带磨削是用粘有磨料的混纺布为磨具对工件进行加工，属于涂附磨具磨削加工的范畴，有生产率高、表面质量好、使用范围广等特点。（2）精密切削，也称金刚石刀具切削(SPDT)，用高精密的机床和单晶金
4、刚石刀具进行切削加工，主要用于铜、铝等不宜磨削加工的软金属的精密加工，如计算机用的磁鼓、磁盘及大功率激光用的金属反光镜等，比一般切削加工精度要高 12 个等级。 （3）珩磨是用油石砂条组成的珩磨头，在一定压力下沿工件表面往复运动，加工后的表面粗糙度可达 Ra0.40.1m，最好可到 Ra0.025m，主要用来加工铸铁及钢，不宜用来加工硬度小、韧性好的有色金属。（4）精密研磨与抛光通过介于工件和工具间的磨料及加工液，工件及研具作相互机械摩擦，使工件达到所要求的尺寸与精度的加工方法。精密研磨与抛光对于金属和非金属工件都可以达到其他加工方法所不能达到的精度和表面粗糙度，被研磨表面的粗糙度 Ra0.0
5、25m 加工变质层很小，表面质量高，精密研磨的设备简单，主要用于平面、圆柱面、齿轮齿面及有密封要求的配偶件的加工，也可用于量规、量块、喷油嘴、阀体与阀芯的光整加工。（5）抛光是利用机械、化学、电化学的方法对工件表面进行的一种微细加工，主要用来降低工件表面粗糙度，常用的方法有：手工或机械抛光、超声波抛光、化学抛光、电化学抛光及电化学机械复合加工等。手工或机械抛光加工后工件表面粗糙度Ra0.05m，可用于平面、柱面、曲面及模具型腔的抛光加工。超声波抛光加工精度0.010.02m，表面粗糙度 Ra0.1m。化学抛光加工的表面粗糙度一般为 Ra0.2m。电化学抛光可提高到 Ra0.10.08m。 2.
6、现代精密加工现代精密加工包括微细加工和超微细加工、光整加工等加工技术。（1）微细加工技术是指制造微小尺寸零件的加工技术；（2）超微细加工技术是指制造超微小尺寸零件的加工技术，它们是针对集成电路的制造要求而提出的，由于尺寸微小，其精度是用切除尺寸的绝对值来表示，而不是用所加工尺寸与尺寸误差的比值来表示.（3）光整加工一般是指降低表面粗糙度和提高表面层力学机械性质的加工方法，不着重于提高加工精度，其典型加工方法有珩磨、研磨、超精加工及无屑加工等。实际上，这些加工方法不仅能提高表面质量，而且可以提高加工精度。精整加工是近年来提出的一个新的名词术语，它与光整加工是对应的，是指既要降低表面粗糙度和提高表
7、面层力学机械性质，又要提高加工精度(包括尺寸、形状、位置精度)的加工方法。3.超精密加工超精密加工主要包括三个领域：超精密切削加工，如金刚石刀具的超精密切削，可加工各种镜面。它已成功地解决了用于激光核聚变系统和天体望远镜的大型抛物面镜的加工；超精密磨削和研磨加工，如高密度硬磁盘的涂层表面加工和大规模集成电路基片的加工；超精密特种加工，如大规模集成电路芯片上的图形是用电子束、离子束刻蚀的方法加工，线宽可达 0.1m。如用扫描隧道电子显微镜(STM)加工，线宽可达25nm。（1）超精密切削 超精密切削以 SPDT 技术开始，该技术以空气轴承主轴、气动滑板、高刚性、高精度工具、反馈控制和环境温度控制
8、为支撑，可获得纳米级表面粗糙度。多采用金刚石刀具铣削，广泛用于铜的平面和非球面光学元件、有机玻璃、塑料制品(如照相机的塑料镜片、隐形眼镜镜片等)、陶瓷及复合材料的加工等。未来的发展趋势是利用镀膜技术来改善金刚石刀具在加工硬化钢材时的磨耗。此外，MEMS 组件等微小零件的加工需要微小刀具，目前微小刀具的尺寸约可达 50100m，但如果加工几何特征在亚微米甚至纳米级，刀具直径必须再缩小，其发展趋势是利用纳米材料如纳米碳管来制作超小刀径的车刀或铣刀。 （2）超精密磨削 超精密磨削是在一般精密磨削基础上发展起来的一种镜面磨削方法,其关键技术是金刚石砂轮的修整，使磨粒具有微刃性和等高性。超精密磨削的加工
9、对象主要是脆硬的金属材料、半导体材料、陶瓷、玻璃等。磨削后,被加工表面留下大量极微细的磨削痕迹,残留高度极小,加上微刃的滑挤、摩擦、抛光作用,可获得高精度和低表面粗糙度的加工表面，当前超精密磨削能加工出圆度 0.01m、尺寸精度 0.1m 和表面粗糙度为 Ra0.005m 的圆柱形零件。 （3）超精密研磨 超精密研磨包括机械研磨、化学机械研磨、浮动研磨、弹性发射加工以及磁力研磨等加工方法。超精密研磨的关键条件是几乎无振动的研磨运动、精密的温度控制、洁净的环境以及细小而均匀的研磨剂。超精密研磨加工出的球面度达 0.025m,表面粗糙度 Ra 达 0.003m。 （4）超精密特种加工 超精密特种加
10、工主要包括激光束加工、电子束加工、离子束加工、微细电火花加工、精细电解加工及电解研磨、超声电解加工、超声电解研磨、超声电火花等复合加工。激光、电子束加工可实现打孔、精密切割、成形切割、刻蚀、光刻曝光、加工激光防伪标志；离子束加工可实现原子、分子级的切削加工；利用微细放电加工可以实现极微细的金属材料的去除,可加工微细轴、孔、窄缝平面及曲面；精细电解加工可实现纳米级精度，且表面不会产生加工应力，常用于镜面抛光、镜面减薄以及一些需要无应力加工的场合。 超精密加工技术在国际上处于领先地位的国家有美国、英国和日本。这些国家的超精密加工技术不仅总体成套水平高，而且商品化的程度也非常高。美国 50 年代未发
11、展了金刚石刀具的超精密切削技术，称为“SPDT 技术”（SinglePointDia-mondTurning）或“微英寸技术”（1 微英寸0.025m），并发展了相应的空气轴承主轴的超精密机床，用于加工激光核聚变反射镜、战术导弹及载人飞船用球面、非球面大型零件等。英国克兰菲尔德技术学院所属的克兰菲尔德精密工程研究所（简称CUPE）是英国超精密加工技术水平的独特代表。如 CUPE 生产的 Nanocentre（纳米加工中心）既可进行超精密车削，又带有磨头，也可进行超精密磨削，加工工件的形状精度可达 0.1m，表面粗糙度 Ra10nm。日本对超精密加工技术的研究相对于美、英来说起步较晚，但是当今世
12、界上超精密加工技术发展最快的国家。北京机床研究所是国内进行超精密加工技术研究的主要单位之一，研制出了多种不同类型的超精密机床、部件和相关的高精度测试仪器等，如精度达 0.025m 的精密轴承、JCS027 超精密车床、JCS031 超精密铣床、JCS035 超精密车床、超精密车床数控系统、复印机感光鼓加工机床、红外大功率激光反射镜、超精密振动位移测微仪等，达到了国内领先、国际先进水平。哈尔滨工业大学在金刚石超精密切削、金刚石刀具晶体定向和刃磨、金刚石微粉砂轮电解在线修整技术等方面进行了卓有成效的研究。清华大学在集成电路超精密加工设备、磁盘加工及检测设备、微位移工作台、超精密砂带磨削和研抛、金刚
13、石微粉砂轮超精密磨削、非圆截面超精密切削等方面进行了深入研究，并有相应产品问世。我国超精密加工技术与美日相比，还有不小差距，特别是在大型光学和非金属材料的超精加工方面，在超精加工的效率和自动化技术方面差距尤为明显。8.1.3 精密及超精密加工的发展趋势精密及超精密加工将向高精度、高效率、大型化、微型化、智能化、工艺整合化、在线加工检测一体化、绿色化等方向发展。 1.高精度、高效率 随着科学技术的不断进步，对精度、效率、质量的要求愈来愈高,高精度与高效率成为超精密加工永恒的主题。超精密切削、磨削技术能有效提高加工效率，CMP、EEM技术能够保证加工精度，而半固着磨粒加工方法及电解磁力研磨、磁流变
14、磨料流加工等复合加工方法由于能兼顾效率与精度的加工方法，成为超精密加工的趋势。 2.大型化、微型化 由于航天航空等技术的发展，大型光电子器件要求大型超精密加工设备，如美国研制的加工直径为 2.44m 的大型光学器件超精密加工机床。同时随着微型机械电子、光电信息等领域的发展，超精密加工技术向微型化发展，如微型传感器，微型驱动元件和动力装置、微型航空航天器件等都需要微型超精密加工设备。 3.智能化 以智能化设备降低加工结果对人工经验的依赖性一直是制造领域追求的目标。加工设备的智能化程度直接关系到加工的稳定性与加工效率，这一点在超精密加工中体现更为明显。 4.工艺整合化 当今企业间的竞争趋于白热化，
15、高生产效率越来越成为企业赖以生存的条件。在这样的背景下，出现了“以磨代研”甚至“以磨代抛”的呼声。另一方面，使用一台设备完成多种加工(如车削、钻削、铣削、磨削、光整)的趋势越来越明显。 5.在线加工检测一体化 由于超精密加工的精度很高，必须发展在线加工检测一体化技术才能保证产品质量和提高生产率。同时由于加工设备本身的精度有时很难满足要求，采用在线检测、工况监控和误差补偿的方法可以提高精度，保证加工质量的要求。 6.绿色化 磨料加工是超精密加工的主要手段，磨料本身的制造、磨料在加工中的消耗、加工中造成的能源及材料的消耗、以及加工中大量使用的加工液等对环境造成了极大的负担。我国是磨料、磨具产量及消
16、耗的第一大国，大幅提高磨削加工的绿色化程度已成为当务之急发达国家以及中国的台湾地区均对半导体生产厂家的废液、废气排量及标准实施严格管制，为此，各国研究人员对 CMP 加工产生的废液、废气回收处理展开了研究。绿色化的超精密加工技术在降低环境负担的同时，提高了自身的生命力。8.2 快速成型制造技术8.2.1 概述快速成型技术（Rapid Prototyping，简称 RP），又称实体自由成型技术，快速成型的工艺方法是基于计算机三维实体造型，在对三维模型进行处理后，形成截面轮廓信息，随后将成型材料按三维模型的截面轮廓信息进行扫描，使材料粘结、固化、烧结，逐层堆积成为实体原型。它集成了 CAD 技术、数控技术、激光技术和材料技术等现代科技成果，是先进制造技术的重要组成部分。由于它把复杂的三维制造转化为一系列二维制造的叠加，因而可以在不用模具和工具的条件下生成几乎任意复杂的零部件，极大地提高了生产效率和制造柔性。与传统制造方法不同，快
