先进制造工艺技术

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1、先进制造工艺技术先进制造工艺技术机械制造工艺的基本概念机械制造工艺的基本概念 机械制造工艺机械制造工艺是将各种原材料通过改变是将各种原材料通过改变其形状、尺寸、性能或相对位置，使之其形状、尺寸、性能或相对位置，使之成为成品或半成品的方法和过程成为成品或半成品的方法和过程机械制造工艺流程机械制造工艺流程是由原材料和能源的是由原材料和能源的提供、毛坯和零件成形、机械加工、材提供、毛坯和零件成形、机械加工、材料改性与处理、装配与包装、质量检测料改性与处理、装配与包装、质量检测与控制等多个工艺环节组成与控制等多个工艺环节组成机械制造工艺的基本概念机械制造工艺的基本概念 按其功能的不同，可将机械制造工艺

2、分为按其功能的不同，可将机械制造工艺分为如下三个阶段：如下三个阶段：零件毛坯的成形准备阶段零件毛坯的成形准备阶段，包括原材料切割、，包括原材料切割、焊接、铸造、锻压加工成形等焊接、铸造、锻压加工成形等机械切削加工阶段机械切削加工阶段，包括车削、钻削、铣削、，包括车削、钻削、铣削、刨削、镗削、磨削加工等刨削、镗削、磨削加工等表面改性处理阶段表面改性处理阶段，包括热处理、电镀、化，包括热处理、电镀、化学镀、热喷涂、涂装等学镀、热喷涂、涂装等先进制造工艺的产生和发展先进制造工艺的产生和发展 制造加工精度不断提高制造加工精度不断提高1818世纪，加工第一台蒸汽机所用的汽缸镗床，世纪，加工第一台蒸汽机所

3、用的汽缸镗床，其加工精度为其加工精度为1 mm1 mm1919世纪末，机械制造精度也仅为世纪末，机械制造精度也仅为0.05mm0.05mm到了到了2020世纪世纪5050年代末，实现了年代末，实现了 m m 级的加工精级的加工精度度在最近的一二十年时间内，机械制造加工精在最近的一二十年时间内，机械制造加工精度提高了度提高了1 12 2个数量级，达到个数量级，达到lOnmlOnm的精度水的精度水平平先进制造工艺的产生和发展先进制造工艺的产生和发展 切削加工速度迅速提高切削加工速度迅速提高在在2020世纪前，切削刀具是以碳素钢作为刀具材料，世纪前，切削刀具是以碳素钢作为刀具材料，由于其耐热温度低于

4、由于其耐热温度低于200200，所允许的切削速度不，所允许的切削速度不超过超过lOmlOmminmin2020世纪初，出现了高速钢，其耐热温度为世纪初，出现了高速钢，其耐热温度为500500600600，可允许的切削速度为，可允许的切削速度为303040m40mminmin到了到了2020世纪世纪3030年代，硬质合金开始得到使用，刀具年代，硬质合金开始得到使用，刀具的耐热温度达到的耐热温度达到80080010001000，切削速度很快提高，切削速度很快提高到每分钟数百米到每分钟数百米随后，相继使用了陶瓷刀具、金刚石刀具和立方氮随后，相继使用了陶瓷刀具、金刚石刀具和立方氮化硼刀具，其耐热温度均

5、在化硼刀具，其耐热温度均在10001000以上，切削速度以上，切削速度可达每分钟一千至数千米可达每分钟一千至数千米 先进制造工艺的产生和发展先进制造工艺的产生和发展 新型工程材料的应用推动了制造工艺的新型工程材料的应用推动了制造工艺的进步和变革进步和变革超硬材料、超塑材料、高分子材料、复合材超硬材料、超塑材料、高分子材料、复合材料、工程陶瓷、非晶与微晶合金、功能材料料、工程陶瓷、非晶与微晶合金、功能材料等新型材料的发展与应用，对制造工艺提出等新型材料的发展与应用，对制造工艺提出了新的挑战了新的挑战 近几十年来发展了一系列特种加工工艺方法，近几十年来发展了一系列特种加工工艺方法，如：电火花加工、

6、电解加工、超声波加工、如：电火花加工、电解加工、超声波加工、电子束加工、离子束加工和激光加工等电子束加工、离子束加工和激光加工等先进制造工艺的产生和发展先进制造工艺的产生和发展 自动化和数字化工艺装备的发展提高了机自动化和数字化工艺装备的发展提高了机械加工的效率械加工的效率由于微电子、计算机、自动检测和控制技术由于微电子、计算机、自动检测和控制技术与制造工艺装备相结合，使工艺装备实现了与制造工艺装备相结合，使工艺装备实现了从单机到系统、从刚性到柔性、从简单到复从单机到系统、从刚性到柔性、从简单到复杂等不同档次的多种自动化转变，使工艺过杂等不同档次的多种自动化转变，使工艺过程的检测和控制方式和手

7、段发生了质的变化，程的检测和控制方式和手段发生了质的变化，可以使整个工艺过程和工艺参数得到实时的可以使整个工艺过程和工艺参数得到实时的优化，大大提高了加工制造的效率和质量优化，大大提高了加工制造的效率和质量先进制造工艺的产生和发展先进制造工艺的产生和发展 零件毛坯成形在向少无余量发展零件毛坯成形在向少无余量发展零件毛坯成形是机械制造的第一道工序，有零件毛坯成形是机械制造的第一道工序，有铸造、锻造、冲裁、焊接和轧制等常用工艺铸造、锻造、冲裁、焊接和轧制等常用工艺随着人们对人类生存资源的节省和保护意识随着人们对人类生存资源的节省和保护意识的提高，要求零件毛坯成形精度向少、无余的提高，要求零件毛坯成

8、形精度向少、无余量方向发展，使成形的毛坯接近或达到零件量方向发展，使成形的毛坯接近或达到零件的最终形状和尺寸，磨削后即可参与装配的最终形状和尺寸，磨削后即可参与装配出现了熔模精密铸造、精密锻造、精密冲裁、出现了熔模精密铸造、精密锻造、精密冲裁、冷温挤压、精密焊接和精密切割等新工艺冷温挤压、精密焊接和精密切割等新工艺先进制造工艺的产生和发展先进制造工艺的产生和发展 优质清洁表面工程技术的形成和发展优质清洁表面工程技术的形成和发展表面工程技术是通过表面涂覆、表面改性、表面工程技术是通过表面涂覆、表面改性、表面加工及表面的复合处理，来改变零件表面加工及表面的复合处理，来改变零件表面的形态、化学成分和

9、组织结构，以获表面的形态、化学成分和组织结构，以获取与基体材料不同性能要求的一项应用技取与基体材料不同性能要求的一项应用技术术近几十年来，出现了如电刷镀、化学镀、近几十年来，出现了如电刷镀、化学镀、物理气相沉积、化学气象沉积、热喷涂、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、离子注入等化学热处理、激光表面处理、离子注入等一系列先进表面处理技术一系列先进表面处理技术先进制造工艺的特点先进制造工艺的特点 优质优质以先进制造工以先进制造工艺加工制造出的产品艺加工制造出的产品质量高、性能好、尺质量高、性能好、尺寸精确、表面光洁、寸精确、表面光洁、组织致密、无缺陷杂组织致密、无缺陷杂

10、质、使用性能好、使质、使用性能好、使用寿命和可靠性高用寿命和可靠性高高效高效与传统制造工与传统制造工艺相比，先进制造工艺相比，先进制造工艺可极大地提高劳动艺可极大地提高劳动生产率，大大降低了生产率，大大降低了操作者的劳动强度和操作者的劳动强度和生产成本生产成本低耗低耗先进制造工艺先进制造工艺可大大节省原材料消可大大节省原材料消耗，降低能源的消耗，耗，降低能源的消耗，提高了对日益枯竭的提高了对日益枯竭的自然资源的利用率自然资源的利用率洁净洁净应用先进制造应用先进制造工艺可做到零排放或工艺可做到零排放或少排放，生产过程不少排放，生产过程不污染环境，符合日益污染环境，符合日益增长的环境保护要求增长的

11、环境保护要求超高速加工技术超高速加工技术 超高速加工技术的研究背景超高速加工技术的研究背景19311931年年4 4月德国切削物理学家萨洛蒙月德国切削物理学家萨洛蒙( (Carl Carl SalomonSalomon) )曾根据一些实验曲线，即人们曾根据一些实验曲线，即人们常提及的著名的常提及的著名的“ “萨洛蒙曲线萨洛蒙曲线” ” ，提出，提出了超高速切削的理论了超高速切削的理论Salomon提出的切削速度与切削温度曲线提出的切削速度与切削温度曲线 超高速切削概念示意图超高速切削概念示意图 超高速加工技术的定义与特征超高速加工技术的定义与特征超高速加工技术超高速加工技术是指采用超硬材料刀具

12、是指采用超硬材料刀具和磨具，利用能可靠地实现高速运动的和磨具，利用能可靠地实现高速运动的高精度、高自动化和高柔性的制造设备，高精度、高自动化和高柔性的制造设备，以提高切削速度以提高切削速度来达到提高材料切除率、来达到提高材料切除率、加工精度和加工质量的先进加工技术加工精度和加工质量的先进加工技术不同加工工艺的切削不同加工工艺的切削速度范围速度范围 各种材料的切削速度范围各种材料的切削速度范围 超高速加工技术的定义与特征超高速加工技术的定义与特征超高速加工技术的定义与特征超高速加工技术的定义与特征超高速加工技术超高速加工技术经济效益指标是：在经济效益指标是：在保证加工精度和加工质量的前提下，保证

13、加工精度和加工质量的前提下，将通常切削速度加工的加工时间减少将通常切削速度加工的加工时间减少9090，同时将加工费用减少，同时将加工费用减少5050，以，以此衡量高切削速度的合理性此衡量高切削速度的合理性超高速加工技术的定义与特征超高速加工技术的定义与特征超高速加工技术主要包括超高速加工技术主要包括超高速切削与磨削机理研究超高速切削与磨削机理研究超高速主轴单元制造技术超高速主轴单元制造技术超高速进给单元制造技术超高速进给单元制造技术超高速加工用刀具与磨具制造技术超高速加工用刀具与磨具制造技术超高速加工在线自动检测与控制技术等超高速加工在线自动检测与控制技术等 超高速加工技术的定义与特征超高速加

14、工技术的定义与特征超高速加工技术的特征超高速加工技术的特征切削力低切削力低 热变形小热变形小 材料切除率高材料切除率高 高精度高精度 减少工序减少工序 超高速加工技术的发展与应用超高速加工技术的发展与应用超高速加工技术的发展超高速加工技术的发展自从德国自从德国SalomonSalomon博士提出高速切削概念以来，高速博士提出高速切削概念以来，高速切削加工技术的发展经历了高速切削的理论探索、应切削加工技术的发展经历了高速切削的理论探索、应用探索、初步应用、较成熟的应用四个发展阶段用探索、初步应用、较成熟的应用四个发展阶段特别是特别是2020世纪世纪8080年代以来，各工业国家相继投人大量年代以来

15、，各工业国家相继投人大量的人力和财力进行高速加工及其相关技术方面的研究的人力和财力进行高速加工及其相关技术方面的研究开发，在大功率高速主轴单元、高加减速进给系统、开发，在大功率高速主轴单元、高加减速进给系统、超硬耐磨长寿命刀具材料、切屑处理和冷却系统、安超硬耐磨长寿命刀具材料、切屑处理和冷却系统、安全装置以及高性能全装置以及高性能CNCCNC控制系统和测试技术等方面均控制系统和测试技术等方面均取得了重大的突破，为高速切削加工技术的推广和应取得了重大的突破，为高速切削加工技术的推广和应用提供了基本条件用提供了基本条件超高速加工技术的发展与应用超高速加工技术的发展与应用超高速加工技术的应用超高速加

16、工技术的应用高速切削加工目前主要用于高速切削加工目前主要用于汽车工业汽车工业大批生产、大批生产、难加工材料、超精密微细切削、复杂曲面加工等难加工材料、超精密微细切削、复杂曲面加工等不同的领域不同的领域航空工业航空工业是高速加工的主要应用行业，飞机制造是高速加工的主要应用行业，飞机制造通常需切削加工长铝合金零件、薄层腹板件等，通常需切削加工长铝合金零件、薄层腹板件等，直接采用毛坯高速切削加工，可不再采用铆接工直接采用毛坯高速切削加工，可不再采用铆接工艺，从而降低飞机重量艺，从而降低飞机重量模具制造模具制造是高速加工技术的主要收益者。当采用是高速加工技术的主要收益者。当采用高转速、高进给、低切削深

17、度的加工方法时，对高转速、高进给、低切削深度的加工方法时，对淬硬钢模具型腔加工可获得较佳的表面质量，可淬硬钢模具型腔加工可获得较佳的表面质量，可省去后续的电加工和手工研磨等工序省去后续的电加工和手工研磨等工序超高速切削加工的特点超高速切削加工的特点通通常常把把切切削削速速度度比比常常规规高高5 51010倍倍以以上上的的切削叫做切削叫做超高速切削超高速切削 超高速切削加工的优越性有以下几点：超高速切削加工的优越性有以下几点： 加加工工效效率率高高。高高速速切切削削加加工工比比常常规规切切削削加加工工的的切切削削速度高速度高5 51010倍倍 切削力小。切削力小。高速切削加工切削力至少可降低高速

18、切削加工切削力至少可降低3030 热变形小热变形小加工精度高、加工质量好加工精度高、加工质量好加工过程稳定加工过程稳定减少后续加工工序减少后续加工工序良好的技术经济效益良好的技术经济效益超高速切削的关键技术超高速切削的关键技术超高速切削机床超高速切削机床超高速切削机床是实现高速、超高速切削超高速切削机床是实现高速、超高速切削的必不可少的设备。超高速机床有以下五的必不可少的设备。超高速机床有以下五项基本要求：项基本要求：超高速的主轴部件超高速的主轴部件快速响应的数控系统快速响应的数控系统快速的进给部件快速的进给部件动、静、热刚度好的机床支承部件动、静、热刚度好的机床支承部件高压大流量喷射的冷却系

19、统和安全装置高压大流量喷射的冷却系统和安全装置超高速切削的关键技术超高速切削的关键技术超高速的主轴部件超高速的主轴部件在在超超高高速速数数控控机机床床中中，几几乎乎无无一一例例外外地地采采用用了了主主轴轴电电机机与与机机床床主主轴轴合合二二为为一一的的结结构构形形式式。即即采采用用无无外外壳壳电电机机，将将其其空空心心转转子子直直接接套套装装在在机机床床主主轴轴上上，带带有有冷冷却却套套的的定定子子则则安安装装在在主主轴轴单单元元的的壳壳体体内内，形形成成内内装装式式电电机机主主轴轴，简称电主轴简称电主轴超超高高速速主主轴轴单单元元包包括括主主轴轴动动力力源源、主主轴轴、轴轴承承和和机机架架四

20、四个个主主要要部部分分，这这四四个个部部分分构构成成一一个个动动力力学学性性能能和和稳稳定定性性良好的系统良好的系统超高速电主轴结构超高速电主轴结构 超高速切削的关键技术超高速切削的关键技术超高速的主轴部件超高速的主轴部件这这种种电电主主轴轴和和以以前前用用于于内内圆圆磨磨床床的的内内装装式式电电机机主主轴轴有有很很大大的的区区别别，主主要要表表现现在在：有有很很大大的的驱驱动动功功率率和和扭扭矩矩 ；有有较较宽宽的的调调速速范范围围 ；有有一一系系列列监监控控主主轴轴振振动动、轴轴承承和和电电机机温温升升等等运运行行参参数数的的传传感感器器、测测试试控控制制和和报报警警系系统统，以以确保主轴

21、超高速运转的可靠性与安全性确保主轴超高速运转的可靠性与安全性 超超高高速速主主轴轴采采用用的的轴轴承承有有滚滚动动轴轴承承、气气浮浮轴轴承、液体静压轴承和磁浮轴承几种形式承、液体静压轴承和磁浮轴承几种形式超高速切削的关键技术超高速切削的关键技术超高速机床的数控系统超高速机床的数控系统超超高高速速切切削削对对数数控控系系统统的的要要求求不不断断提提高高，最最基本的要求是保证高精度、高速度基本的要求是保证高精度、高速度 为了适应高速，要求为了适应高速，要求单个程序段处理时间短单个程序段处理时间短为为了了在在高高速速下下保保证证加加工工精精度度，要要有有前前馈馈和和大大量的超前程序段处理功能量的超前

22、程序段处理功能要要求求快快速速形形成成刀刀具具路路径径，此此路路径径应应尽尽可可能能圆圆滑滑，走走样样条条曲曲线线而而不不是是逐逐点点跟跟踪踪，少少转转折折点点、无尖转点无尖转点程程序序算算法法应应保保证证高高精精度度；碰碰到到干干扰扰能能迅迅速速调调整，保持合理的进给速度，避免刀具振动等整，保持合理的进给速度，避免刀具振动等超高速切削的关键技术超高速切削的关键技术超高速机床的进给系统超高速机床的进给系统超超高高速速切切削削在在提提高高主主轴轴速速度度的的同同时时必必须须提提高高进进给给速速度度，并并且且要要求求进进给给运运动动能能在在瞬瞬时时达达到到高速和瞬时准停等高速和瞬时准停等 超超高高

23、速速切切削削机机床床的的进进给给系系统统不不仅仅要要能能达达到到很很高高的的进进给给速速度度，还还要要求求进进给给系系统统具具有有大大的的加加速度以及高的定位精度速度以及高的定位精度 超高速切削的关键技术超高速切削的关键技术超高速机床的进给系统超高速机床的进给系统更更先先进进、更更高高速速的的直直线线电电动动机机已已经经发发展展起起来来，它它可可以以取取代代滚滚珠珠丝丝杠杠传传动动，提提供供更更高高的的进进给给速速度度和和更更好好的的加加、减减速特性速特性直直线线电电机机直直接接驱驱动动的的优优点点是是：控控制制特特性性好好、增增益益大大、滞滞动动小小，在在高高速速运运动动中中保保持持较较高高

24、位位移移精精度度；高高运运动动速速度度，因因为为是是直直接接驱驱动动，最最大大进进给给速速度度可可高高达达100100180 180 m/minm/min；高高加加速速度度，由由于于结结构构简简单单、质质量量轻轻，可可实实现现的的最最大大加加速速度度高高达达2 210g10g；无无限限运运动动长长度度；定定位位精精度度和和跟跟踪踪精精度度高高，以以光光栅栅尺尺为为定定位位测测量量元元件件，采采用用闭闭环环反反馈馈控控制制系系统统，工工作作台台的的定定位位精精度度高高达达0.10.10.010.01；起起动动推推力力大大( (可可达达12000N12000N) )；由由于于无无传传动动环环节节，

25、因因而而无无摩摩擦、无往返程空隙，且运动平稳擦、无往返程空隙，且运动平稳超高速切削的关键技术超高速切削的关键技术超高速机床的支承部件超高速机床的支承部件超超高高速速加加工工机机床床的的支支承承制制造造技技术术是是指指超超高高速速加加工工机机床床的的支支承承构构件件如如床床身身、立立柱柱、箱箱体体、工作台、底座、托板、刀架等的制造技术工作台、底座、托板、刀架等的制造技术由由于于超超高高速速加加工工机机床床同同时时需需要要高高主主轴轴转转速速、高高进进给给速速度度、高高加加速速度度，又又要要求求用用于于高高精精度度的的零零部部件件加加工工，因因而而集集“ “三三高高” ”( (高高速速度度、高高精

26、精度度、高高刚刚度度) )于于一一身身就就成成为为超超高高速速加加工工机床的最主要特征机床的最主要特征超高速切削的关键技术超高速切削的关键技术超高速机床的冷却系统超高速机床的冷却系统超高速加工时，必然产生大量的高温热切超高速加工时，必然产生大量的高温热切屑，必须把它迅速从工作台上弄走，避免屑，必须把它迅速从工作台上弄走，避免导致机床、工件和刀具产生热变形，以及导致机床、工件和刀具产生热变形，以及妨碍切削加工的继续进行妨碍切削加工的继续进行超高速切削的关键技术超高速切削的关键技术超高速切削的刀具系统超高速切削的刀具系统超高速切削加工刀具系统超高速切削加工刀具系统由刀具材料、刀具几何角度由刀具材料

27、、刀具几何角度与形状、刀体结构与刀片夹紧结构、刀具与机床的联与形状、刀体结构与刀片夹紧结构、刀具与机床的联结、刀具的冷却及切屑的清除、刀具工况监控等组成结、刀具的冷却及切屑的清除、刀具工况监控等组成刀具系统具有如下特点刀具系统具有如下特点 刀刀片片在在刀刀体体上上的的定定位位夹夹紧紧牢牢固固、安安全全，刀刀具具与与机机床床的的联联结结可可靠靠 超高速切削加工的切削力随着切削速度的提高而降低约超高速切削加工的切削力随着切削速度的提高而降低约3030切削温度随着切削速度的提高而缓慢提高切削温度随着切削速度的提高而缓慢提高 刀刀具具磨磨损损主主要要由由切切削削温温度度、刀刀具具切切屑屑之之间间和和刀

28、刀具具工工件件之之间的相对速度决定的间的相对速度决定的 超高速切削的刀具材料超高速切削的刀具材料超高速切削的关键技术超高速切削的关键技术超高速切削的刀具材料超高速切削的刀具材料 超高速切削加工要求刀具材料与被加工材料的化学亲超高速切削加工要求刀具材料与被加工材料的化学亲合力要小，并且具有优异的机械性能、热稳定性、抗合力要小，并且具有优异的机械性能、热稳定性、抗冲击性和耐磨性冲击性和耐磨性涂涂层层刀刀具具材材料料。涂涂层层刀刀具具通通过过在在刀刀具具基基体体上上涂涂覆覆金金属属化化合合物物薄膜，以获得远高于基体的表面硬度和优良的切削性能薄膜，以获得远高于基体的表面硬度和优良的切削性能金金属属陶陶

29、瓷瓷刀刀具具材材料料。金金属属陶陶瓷瓷具具有有较较高高的的室室温温硬硬度度、高高温温硬硬度及良好的耐磨性度及良好的耐磨性陶陶瓷瓷刀刀具具材材料料。陶陶瓷瓷刀刀具具材材料料主主要要有有氧氧化化铝铝基基和和氮氮化化硅硅基基两两大类大类PCDPCD刀刀具具材材料料。 PCDPCD是是在在高高温温高高压压条条件件下下通通过过金金属属结结合合剂剂( (如如CoCo等等) )将金刚石微粉聚合而成的多晶材料将金刚石微粉聚合而成的多晶材料CBNCBN刀刀具具材材料料。CBNCBN刀刀具具具具有有极极高高的的硬硬度度及及红红硬硬性性，可可承承受受高切削速度，适用于超高速加工钢铁类工件高切削速度，适用于超高速加工

30、钢铁类工件 超高速磨削的机理超高速磨削的机理超高速切削机床超高速切削机床磨削加工按砂轮线速度磨削加工按砂轮线速度VsVs的高低可分为普通的高低可分为普通磨削磨削( (VsVs303040 40 m/sm/s) ) 和高速磨削和高速磨削( (Vs45 Vs45 m/sm/s) ) 两类两类为了与为了与20 20 世纪世纪80 80 年代以前速度不超过年代以前速度不超过8080120 120 m/sm/s 的一般高速磨削相区别的一般高速磨削相区别, , 通常将速通常将速度为普通磨削速度度为普通磨削速度5 5 倍以上倍以上( (即即Vs150 Vs150 m/sm/s) ) 的高速磨削称为的高速磨削

31、称为超高速磨削超高速磨削（Super-High Super-High Speed Grinding Speed Grinding 或或Ultra-High Speed GrindingUltra-High Speed Grinding）超高速磨削的特点超高速磨削的特点大幅度提高磨削效率大幅度提高磨削效率磨削力小磨削力小 降低加工工件表面粗糙度降低加工工件表面粗糙度 砂轮寿命延长砂轮寿命延长 改善加工表面完整性改善加工表面完整性 超高速磨削的关键技术超高速磨削的关键技术超高速主轴超高速主轴高速磨削主轴上要有连续自动动平衡系统，高速磨削主轴上要有连续自动动平衡系统，以便能把动不平衡引起的振动降低到

32、最小程以便能把动不平衡引起的振动降低到最小程度度机电动平衡系统机电动平衡系统 超高速磨削的关键技术超高速磨削的关键技术超高速磨削砂轮超高速磨削砂轮超高速磨削用砂轮应具有强度高、抗冲击强超高速磨削用砂轮应具有强度高、抗冲击强度高、耐热性好、微破碎性好、杂质含量低度高、耐热性好、微破碎性好、杂质含量低等优点等优点高速磨削砂轮的基体设计必须考虑高转速时高速磨削砂轮的基体设计必须考虑高转速时离心力的作用，并根据应用场合进行优化离心力的作用，并根据应用场合进行优化高速砂轮的结构和形状优化高速砂轮的结构和形状优化 超高速磨削的关键技术超高速磨削的关键技术超高速磨削砂轮超高速磨削砂轮超高速砂轮的修整超高速砂

33、轮的修整在磨削过程中，砂轮变钝或由于磨损而失去正确在磨削过程中，砂轮变钝或由于磨损而失去正确的几何形状，必须进行及时修整。修整分为整形的几何形状，必须进行及时修整。修整分为整形和修锐两个过程。整形是使砂轮达到要求的几何和修锐两个过程。整形是使砂轮达到要求的几何形状和精度。修锐就是使磨粒凸出结合剂，产生形状和精度。修锐就是使磨粒凸出结合剂，产生必要的容屑空间，使砂轮达到较佳的磨削能力必要的容屑空间，使砂轮达到较佳的磨削能力常用的整形方法有车削法、磨削法、金刚石滚轮常用的整形方法有车削法、磨削法、金刚石滚轮法，电火花和激光法等新的整形法也正在研究中法，电火花和激光法等新的整形法也正在研究中超高速磨

34、削的关键技术超高速磨削的关键技术超高速磨削的磨削液及其注入系统超高速磨削的磨削液及其注入系统 磨削液分为两大类：油基磨削液和水基磨削磨削液分为两大类：油基磨削液和水基磨削液（包括乳化液）。油基磨削液润滑性优于液（包括乳化液）。油基磨削液润滑性优于水基磨削液，但水基磨削液冷却效果好水基磨削液，但水基磨削液冷却效果好 常用的磨削液注入方法有：手工供液法、浇常用的磨削液注入方法有：手工供液法、浇注法、高压喷射法、空气挡板辅助截断气流注法、高压喷射法、空气挡板辅助截断气流法、砂轮内冷却法、利用开槽砂轮法等。为法、砂轮内冷却法、利用开槽砂轮法等。为提高冷却润滑效果，通常将多种方法综合使提高冷却润滑效果，

35、通常将多种方法综合使用用 超精密加工技术超精密加工技术超精密加工技术的技术范围超精密加工技术的技术范围超精密加工机理超精密加工机理超精密加工是从被加工表面去除一超精密加工是从被加工表面去除一层微量的表面层，包括超精密切削、超精密磨削和超层微量的表面层，包括超精密切削、超精密磨削和超精密特种加工等。当然，超精密加工也应服从一般加精密特种加工等。当然，超精密加工也应服从一般加工方法的普遍规律，但也有不少其自身的特殊性，如工方法的普遍规律，但也有不少其自身的特殊性，如刀具的磨损、积屑瘤的生成规律、磨削机理、加工参刀具的磨损、积屑瘤的生成规律、磨削机理、加工参数对表面质量的影响等数对表面质量的影响等超

36、精密加工的刀具、磨具及其制备技术超精密加工的刀具、磨具及其制备技术包括金刚石包括金刚石刀具的制备和刃磨、超硬砂轮的修整以及相应的高精刀具的制备和刃磨、超硬砂轮的修整以及相应的高精度、高刚度夹具的制备等是超精密加工的重要的关键度、高刚度夹具的制备等是超精密加工的重要的关键技术技术超精密加工机床设备超精密加工机床设备超精密加工对机床设备有高精超精密加工对机床设备有高精度、高刚度、高的抗振性、高稳定性和高自动化的要度、高刚度、高的抗振性、高稳定性和高自动化的要求，具有微量进给机构求，具有微量进给机构超精密加工技术的技术范围超精密加工技术的技术范围精密测量及补偿技术精密测量及补偿技术超精密加工必须有相

37、应级别的测超精密加工必须有相应级别的测量技术和装置，形成加工和检测一体化。检测有三种方量技术和装置，形成加工和检测一体化。检测有三种方法：离线检测、在位检测、在线检测。目前，高精度的法：离线检测、在位检测、在线检测。目前，高精度的尺寸、形状、位置精度可采用电子测微仪、电感测微仪、尺寸、形状、位置精度可采用电子测微仪、电感测微仪、电容测微仪、自准直仪、激光干涉仪来测量。表面粗糙电容测微仪、自准直仪、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进行接触测量。度可用电感式、压电晶体式表面形貌仪进行接触测量。表面应力、表面微裂纹、表面变质层深度缺陷可用表面应力、表面微裂纹、表面变质层深

38、度缺陷可用X X光光衍射法、激光干涉法、超声波法来测量衍射法、激光干涉法、超声波法来测量严格的工作环境严格的工作环境超精密加工必须在超稳定的工作环境超精密加工必须在超稳定的工作环境下进行，才能达到在精度和表面质量上的技术参数，加下进行，才能达到在精度和表面质量上的技术参数，加工环境的极微小的变化都可能影响加工精度。因而，超工环境的极微小的变化都可能影响加工精度。因而，超精密加工必须具备各种物理效应恒定的工作环境，工作精密加工必须具备各种物理效应恒定的工作环境，工作环境的条件主要有温度、湿度、净化、防震等方面的要环境的条件主要有温度、湿度、净化、防震等方面的要求，如恒温室、净化间、防振和隔振地基

39、等；有时尚有求，如恒温室、净化间、防振和隔振地基等；有时尚有噪声、光、静电、电磁、放射线等方面的特殊要求噪声、光、静电、电磁、放射线等方面的特殊要求超精密加工的应用与发展超精密加工的应用与发展在超精密加工技术方面，美国是开展研究最早的在超精密加工技术方面，美国是开展研究最早的国家，也是迄今处于世界领先地位的国家。早在国家，也是迄今处于世界领先地位的国家。早在5050年代末，由于航天等尖端技术发展的需要，美年代末，由于航天等尖端技术发展的需要，美国首先发展了金刚石刀具的超精密切削技术，并国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，用于发展了相应的空气轴承主轴的

40、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球面非球面大型零件日本在用于声、光、图象、办公设备中的小型、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，超小型电子和光学零件的超精密加工技术方面，是更加先进和具有优势的，甚至超过了美国是更加先进和具有优势的，甚至超过了美国超精密加工的应用与发展超精密加工的应用与发展我国的超精密加工技术在我国的超精密加工技术在7070年代末期有了长足进年代末期有了长足进步，步，8080年代中期出现了具有世界水平的超精密机年代中期出现了具有世界水平的超精密机

41、床和部件。北京机床研究所是国内进行超精密加床和部件。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类型的超精密机床、部件和相关的高精度测试仪器等器等 超精密加工技术超精密加工技术发展趋势发展趋势是：向更高精度、更高是：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、方向发展；不断探讨适合于超精密加工的新原理

42、、新方法、新材料新方法、新材料 超精密切削加工超精密切削加工 超超精精密密切切削削主主要要是是指指超超精精密密金金刚刚石石刀刀具具切切削削，例例如如加加工工各各种种镜镜面面等等。超超精精密密切切削削是是一一项项内内容容广广泛泛的的新新技技术术，它它的的加加工工精精度度和和表表面面质质量量是是由由所所使使用用的的机机床床设设备备、金金刚刚石石刀刀具具、加加工工工工艺艺、测测量量和和误误差差补补偿偿技技术术、操操作作者者的的水水平平以以及及环环境境条条件件来来决决定定的的。金金刚刚石石刀刀具具是是其其中中非非常常重重要要的的一一项项，它它是是精精密超精密切削的关键密超精密切削的关键金金刚刚石石刀刀

43、具具超超精精密密加加工工技技术术，主主要要应应用用于于两两个个方方面面：单单件件的的大大型型超超精精密密零零件件的的切切削削加加工工和和大大量量生生产的中小型零件的超精密加工技术产的中小型零件的超精密加工技术 超精密切削加工超精密切削加工 超精密切削对刀具的要求超精密切削对刀具的要求极高的硬度、耐用度和弹性模量极高的硬度、耐用度和弹性模量，以保证刀，以保证刀具有很长的寿命和很高的尺寸耐用度具有很长的寿命和很高的尺寸耐用度刃口能磨得极其锋锐，刃口能磨得极其锋锐，刃口半径值极小刃口半径值极小，能，能实现超薄的切削厚度实现超薄的切削厚度刀刃无缺陷刀刃无缺陷，因切削时刃形将复印在加工表，因切削时刃形将

44、复印在加工表面上，而不能得到超光滑的镜面面上，而不能得到超光滑的镜面与工件材料的抗粘结性好、化学亲和性小、与工件材料的抗粘结性好、化学亲和性小、摩擦因数低摩擦因数低，能得到极好的加工表面完整性，能得到极好的加工表面完整性超精密切削加工超精密切削加工 金刚石刀具的性能特征金刚石刀具的性能特征具有极高的硬度具有极高的硬度能磨出及其锋锐的刃口，且切削刃没有缺口、能磨出及其锋锐的刃口，且切削刃没有缺口、崩刃等现象崩刃等现象 热化学性能优越，具有导热性能好，与有色热化学性能优越，具有导热性能好，与有色金属间的摩擦因数低、亲和力小的特征金属间的摩擦因数低、亲和力小的特征 耐磨性好，刀刃强度高耐磨性好，刀刃

45、强度高 超精密切削加工超精密切削加工 刀刃半径对加工质量的影响刀刃半径对加工质量的影响刀刃刃口半径越小，刀刃锋锐度越好。实际刀刃刃口半径越小，刀刃锋锐度越好。实际生产中，刀刃锋锐度对加工质量有很大的影生产中，刀刃锋锐度对加工质量有很大的影响，经实验和生产证明，它主要表现在以下响，经实验和生产证明，它主要表现在以下几个方面：几个方面：刀刃锋锐度越好，刀刃锋锐度越好，加工表面粗糙度值越小加工表面粗糙度值越小刀刃锋锐度越好，刀刃锋锐度越好，切削变形和切削力越小切削变形和切削力越小刀刃锋锐度越好，切削表面层的刀刃锋锐度越好，切削表面层的冷硬现象和组织冷硬现象和组织位错现象越小位错现象越小刀刃锋锐度越好

46、，刀刃锋锐度越好，加工表面残留应力越小加工表面残留应力越小超精密磨削加工超精密磨削加工 超超精精密密磨磨削削，是是指指加加工工精精度度达达到到或或高高于于 、表表面面粗粗糙糙度度低低于于 的的一一种种亚亚微微米米级级加工方法，并正向纳米级发展加工方法，并正向纳米级发展超超精精密密磨磨削削的的关关键键在在于于砂砂轮轮的的选选择择、砂砂轮轮的修整、磨削用量和高精度的磨削机床的修整、磨削用量和高精度的磨削机床 磨磨削削加加工工可可分分为为砂砂轮轮磨磨削削、砂砂带带磨磨削削，以以及研磨、珩磨和抛光等加工方法及研磨、珩磨和抛光等加工方法超精密磨削加工超精密磨削加工 超精密磨削砂轮超精密磨削砂轮 在超精密

47、磨削中所使用的砂轮，其材在超精密磨削中所使用的砂轮，其材料多为金刚石、立方氮化硼磨料，因料多为金刚石、立方氮化硼磨料，因其硬度极高，故一般称为其硬度极高，故一般称为超硬磨料砂超硬磨料砂轮轮 超精密磨削加工超精密磨削加工 超精密磨削砂轮超精密磨削砂轮 超精密磨削砂轮的修整超精密磨削砂轮的修整在线电解修整法在线电解修整法（Electrolytic in-Process Electrolytic in-Process DressingDressing， ELIDELID）。）。 砂轮通过电刷接电源正极砂轮通过电刷接电源正极, , 根据砂轮的形状制造一个导电性能良好的电极根据砂轮的形状制造一个导电性能

48、良好的电极接电源的负极接电源的负极, , 电极与砂轮表面之间有一定的间电极与砂轮表面之间有一定的间隙隙, , 从喷嘴中喷出的具有电解作用的磨削液进入从喷嘴中喷出的具有电解作用的磨削液进入该间隙后该间隙后, , 在电流的作用下在电流的作用下, , 砂轮的金属基体作砂轮的金属基体作为阳极被电解为阳极被电解, , 使砂轮中的磨粒露出表面使砂轮中的磨粒露出表面, , 形成形成一定的出刃高度和容屑空间一定的出刃高度和容屑空间, , 随着电解过程的进随着电解过程的进行行, , 在砂轮表面逐渐形成一层钝化膜在砂轮表面逐渐形成一层钝化膜, , 阻止电解阻止电解过程的继续进行过程的继续进行, , 使砂轮损耗不致

49、太快。当砂轮使砂轮损耗不致太快。当砂轮表面的磨粒磨损后表面的磨粒磨损后, , 钝化膜被工件材料刮擦去除钝化膜被工件材料刮擦去除继续进行继续进行, , 以对砂轮表面进一步修整以对砂轮表面进一步修整超精密磨削加工超精密磨削加工 电火花修整法电火花修整法（Electric Spark DressingElectric Spark Dressing）。将）。将电源的正、负极分别接于被修整超硬磨料砂轮电源的正、负极分别接于被修整超硬磨料砂轮和修整器和修整器( (石墨电极石墨电极) )，其原理是电火花放电加，其原理是电火花放电加工。电火花整形过程中，铁基结合剂砂轮与工工。电火花整形过程中，铁基结合剂砂轮与

50、工具电极间产生的电火花放电脉冲在砂轮表面形具电极间产生的电火花放电脉冲在砂轮表面形成放电凹坑。在重复放电过程中，放电凹坑相成放电凹坑。在重复放电过程中，放电凹坑相互重叠，逐渐将砂轮修整到所需形状互重叠，逐渐将砂轮修整到所需形状超精密磨削加工超精密磨削加工 激光修锐技术激光修锐技术（Laser Assisted DressingLaser Assisted Dressing）利用光学系统把激光束聚焦成极小的光斑利用光学系统把激光束聚焦成极小的光斑作用于砂轮表面，可在极短的时间内使砂作用于砂轮表面，可在极短的时间内使砂轮局部表面的材料熔化或气化。用激光修轮局部表面的材料熔化或气化。用激光修整超硬磨

51、料砂轮时，如果激光功率密度足整超硬磨料砂轮时，如果激光功率密度足够高，可同时去除砂轮表面的磨粒和结合够高，可同时去除砂轮表面的磨粒和结合剂，通过控制砂轮的运动参数，使砂轮获剂，通过控制砂轮的运动参数，使砂轮获得精确的几何形状，达到整形的目的得精确的几何形状，达到整形的目的超精密磨削加工超精密磨削加工 磨削速度和磨削液磨削速度和磨削液金刚石金刚石砂轮磨削速度砂轮磨削速度一般不能很高，根据磨削方式、砂一般不能很高，根据磨削方式、砂轮结合剂和冷却情况的不同，其磨削速度为轮结合剂和冷却情况的不同，其磨削速度为121230m30ms s。磨削速度太低，单颗磨粒的切屑厚度过大，不但使工件磨削速度太低，单颗

52、磨粒的切屑厚度过大，不但使工件表面粗糙度值增加，而且也使金刚石砂轮磨损增加；磨表面粗糙度值增加，而且也使金刚石砂轮磨损增加；磨削速度提高，可使工件表面粗糙度值降低，但磨削温度削速度提高，可使工件表面粗糙度值降低，但磨削温度将随之升高，而金刚石的热稳定性只有将随之升高，而金刚石的热稳定性只有700700800800，因，因此金刚石砂轮的磨损也会增加。所以，应根据具体情况此金刚石砂轮的磨损也会增加。所以，应根据具体情况选择合适磨削速度选择合适磨削速度 磨削液磨削液被分为油性液和水溶性液两大类，油性液主要成被分为油性液和水溶性液两大类，油性液主要成分是矿物油，其润滑性能好，主要有全损耗系统油（机分是

53、矿物油，其润滑性能好，主要有全损耗系统油（机油）、煤油、轻质柴油等；水溶性液主要成分是水，其油）、煤油、轻质柴油等；水溶性液主要成分是水，其冷却性能好，主要有乳化液、无机盐水溶液、化学合成冷却性能好，主要有乳化液、无机盐水溶液、化学合成液等液等超精密研磨、抛光加工超精密研磨、抛光加工 研研磨磨时时，研研具具在在一一定定的的压压力力下下与与加加工工面面作作复复杂杂的的相相对对运运动动。研研具具和和工工件件之之间间的的磨磨粒粒和和研研磨磨剂剂在在相相对对运运动动中中，分分别别起起机机械械切切削削作作用用和和物物理理、化化学学作作用用，使使磨磨粒粒能能从从工工作作表表面面上上切切去去极极微微薄薄的的

54、一一层层材材料料。从从而而得得到到极高尺寸精度和精确的表面极高尺寸精度和精确的表面抛抛光光也也和和研研磨磨一一样样，是是将将研研磨磨剂剂擦擦抹抹在在抛抛光器上对工件进行抛光加工光器上对工件进行抛光加工 超精密特种加工超精密特种加工 激光束加工激光束加工激光加工激光加工是一种利用材料在激光聚焦照射是一种利用材料在激光聚焦照射下瞬时急剧熔化和气化，并产生很强的冲下瞬时急剧熔化和气化，并产生很强的冲击波，使被熔化的物质爆炸式地喷溅来实击波，使被熔化的物质爆炸式地喷溅来实现材料去除的加工技术现材料去除的加工技术固体激光器的结构示意图固体激光器的结构示意图 超精密特种加工超精密特种加工 电子束加工电子束

55、加工电子束加工电子束加工是在真空条件下，利用电子枪中是在真空条件下，利用电子枪中产生的电子经加速、聚焦后形成的能量密度产生的电子经加速、聚焦后形成的能量密度极高的电子束流，以极高的速度轰击到工件极高的电子束流，以极高的速度轰击到工件被加工部位极小面积上，在极短时间（几分被加工部位极小面积上，在极短时间（几分之一微秒）内，其能量大部分转换为热能，之一微秒）内，其能量大部分转换为热能，导致该部位的材料达到摄氏几千度以上的高导致该部位的材料达到摄氏几千度以上的高温，从而引起材料的局部熔化或气化，被真温，从而引起材料的局部熔化或气化，被真空系统抽走；或者利用能量密度较低的电子空系统抽走；或者利用能量密

56、度较低的电子束轰击高分子材料，使它的分子链切断或重束轰击高分子材料，使它的分子链切断或重新聚合，从而使高分子材料的化学性质和分新聚合，从而使高分子材料的化学性质和分子量产生变化，进行加工子量产生变化，进行加工超精密特种加工超精密特种加工 离子束加工离子束加工在真空条件下，将离子源产生的离子束经在真空条件下，将离子源产生的离子束经过加速聚焦，使之打击到工件表面，从而过加速聚焦，使之打击到工件表面，从而对工件进行加工。对工件进行加工。 离子束加工按照其所利用的物理效应和达离子束加工按照其所利用的物理效应和达到的目的不同，可以分为四类，即利用离到的目的不同，可以分为四类，即利用离子撞击效应和溅射效应

57、的子撞击效应和溅射效应的离子刻蚀离子刻蚀、离子离子溅射沉积溅射沉积、离子镀离子镀以及利用注入效应的以及利用注入效应的离离子注入子注入。前两种属于成形加工，后两种属。前两种属于成形加工，后两种属于特殊表面层制备于特殊表面层制备 超精密加工机床设备超精密加工机床设备 超超精精密密加加工工机机床床应应具具有有：高高精精度度、高高刚刚度度、高稳定性、高自动化的特征高稳定性、高自动化的特征 精密主轴部件精密主轴部件超精密机床的主轴广泛采用液体静压轴承和空气超精密机床的主轴广泛采用液体静压轴承和空气静压轴承静压轴承典型液体静压轴承主轴结构原理图典型液体静压轴承主轴结构原理图 超精密加工机床设备超精密加工机

58、床设备 床身和精密导轨床身和精密导轨床身是机床的基础部件，应具有抗振衰减能床身是机床的基础部件，应具有抗振衰减能力强、热膨胀系数低、尺寸稳定性好的要求力强、热膨胀系数低、尺寸稳定性好的要求超精密机床导轨部件要求有极高的直线运动超精密机床导轨部件要求有极高的直线运动精度，不能有爬行，导轨偶合面不能有磨损，精度，不能有爬行，导轨偶合面不能有磨损，因而液体静压导轨、气浮导轨和空气静压导因而液体静压导轨、气浮导轨和空气静压导轨，均具有运动平稳、无爬行、摩擦因数接轨，均具有运动平稳、无爬行、摩擦因数接近于零的特点，在超精密机床中得到广泛的近于零的特点，在超精密机床中得到广泛的使用使用超精密加工机床设备超

59、精密加工机床设备 微量进给装置微量进给装置 高精度微量进给装置是超精密机床的一个关高精度微量进给装置是超精密机床的一个关键装置，它对实现超薄切削、高精度尺寸加键装置，它对实现超薄切削、高精度尺寸加工和实现在线误差补偿有着十分重要的作用。工和实现在线误差补偿有着十分重要的作用。目前，高精度微量进给装置分辨率已可达到目前，高精度微量进给装置分辨率已可达到0.0010.0010.010.01微量进给装置有机械或液压传动式、弹性变微量进给装置有机械或液压传动式、弹性变形式、热变形式、流体膜变形式、磁致伸缩形式、热变形式、流体膜变形式、磁致伸缩式、压电陶瓷式等多种结构形式式、压电陶瓷式等多种结构形式微细

60、加工技术微细加工技术 微机械概述微机械概述 微机械概念微机械概念微机械微机械在美国常称之为微型机电系统在美国常称之为微型机电系统( (Micro Micro Electro-Electro-MachanicalMachanical Systems Systems，MEMSMEMS) )，在日，在日本称为微机械本称为微机械( (MicromachineMicromachine) )，而在欧洲则，而在欧洲则称为微系统称为微系统( (Micro-SystemMicro-System) ) 微机械按其尺寸特征可以分为：微机械按其尺寸特征可以分为：1 110mm10mm的的微小机械；微小机械；1 11m

61、m1mm的微机械；的微机械；1nm1nm1 1的纳米机械的纳米机械微机械概述微机械概述 微机械基本特征微机械基本特征 体积小，精度高，重量轻体积小，精度高，重量轻性能稳定，可靠性高性能稳定，可靠性高 能耗低，灵敏度和工作效率高能耗低，灵敏度和工作效率高 多功能和智能化多功能和智能化 适用于大批量生产，制造成本低适用于大批量生产，制造成本低 微机械概述微机械概述 微机械的研究内容微机械的研究内容理论基础理论基础微电子学、微机械学、微光学、微动力学、微流微电子学、微机械学、微光学、微动力学、微流体力学、微热力学、微摩擦学、微结构学和微生体力学、微热力学、微摩擦学、微结构学和微生物学等共同构成了微机

62、械研究的理论基础物学等共同构成了微机械研究的理论基础技术基础技术基础微机械涉及的基本技术主要有：微机械设计、微微机械涉及的基本技术主要有：微机械设计、微机械材料、微细加工、微装配与封装、集成技术、机械材料、微细加工、微装配与封装、集成技术、微测量、微能源、微系统控制等微测量、微能源、微系统控制等微机械概述微机械概述 微机械的研究内容微机械的研究内容应用研究应用研究微型传感器微型传感器 微型执行器微型执行器 微型光机电器件和系统微型光机电器件和系统 微型机器人微型机器人 微型飞行器微型飞行器 微型动力系统微型动力系统 微细加工技术微细加工技术 l微微细细加加工工( (microfabricati

63、onmicrofabrication) )是是指指加加工工尺尺度为微米级范围的加工方式度为微米级范围的加工方式l制造微机械常采用的微细加工又可以进一制造微机械常采用的微细加工又可以进一步分为微米级微细加工步分为微米级微细加工( (micro-micro-fabricationfabrication) )，亚微米级微细加工，亚微米级微细加工( (sub-sub-micro-fabricationmicro-fabrication) )和纳米级微细加工和纳米级微细加工( (nanonano-Micro- fabrication-Micro- fabrication) )等等微细加工技术微细加工技术

64、 从基本加工类型看，微细加工可大致分四从基本加工类型看，微细加工可大致分四类：类：分离加工分离加工将材料的某一部分分离出去的加工方将材料的某一部分分离出去的加工方式，如分解、蒸发、溅射式，如分解、蒸发、溅射( (可去除材料，也可增加材可去除材料，也可增加材料料) )、破碎等、破碎等接合加工接合加工同种或不同材料的附和加工或相互结同种或不同材料的附和加工或相互结合加工，如蒸镀、淀积、掺入、生长、黏结等合加工，如蒸镀、淀积、掺入、生长、黏结等变形加工变形加工使材料形状发生改变的加工方式，如使材料形状发生改变的加工方式，如塑性变形加工、流体变形加工等塑性变形加工、流体变形加工等材料处理或改性材料处理

65、或改性，如一些热处理或表面改性等，如一些热处理或表面改性等微细加工技术的特点微细加工技术的特点从加工对象上看，微细加工不但加工尺度从加工对象上看，微细加工不但加工尺度极小，而且被加工对象的整体尺寸也很微极小，而且被加工对象的整体尺寸也很微小小由于微机械对象的由于微机械对象的微小性微小性和和脆弱性脆弱性，仅仅，仅仅依靠控制和重复宏观的加工相对运动轨迹依靠控制和重复宏观的加工相对运动轨迹达到加工目的，已经很不现实。必须针对达到加工目的，已经很不现实。必须针对不同对象和加工要求，具体考虑不同的加不同对象和加工要求，具体考虑不同的加工方法和手段工方法和手段微细加工在加工目的、加工设备、制造环微细加工在

66、加工目的、加工设备、制造环境、材料选择与处理、测量方法和仪器等境、材料选择与处理、测量方法和仪器等方面都有其特殊要求方面都有其特殊要求微细加工技术微细加工技术 超微机械加工超微机械加工用超小型精密金属切用超小型精密金属切削机床和电火花、线削机床和电火花、线切割等加工方法，制切割等加工方法，制作毫米级尺寸以下的作毫米级尺寸以下的微机械零件是一种三微机械零件是一种三维实体加工技术，加维实体加工技术，加工材料广泛；但多是工材料广泛；但多是单件加工，单件装配，单件加工，单件装配，费用较高费用较高微细切削加工适合所微细切削加工适合所有金属、塑料及工程有金属、塑料及工程陶瓷材料，切削方式陶瓷材料，切削方式

67、有车削、铣削、钻削有车削、铣削、钻削等等微型超精密加工机床微型超精密加工机床结构示意图结构示意图 微细加工技术微细加工技术 光刻加工光刻加工光刻光刻( (photo lithographyphoto lithography) ) ，源于微电子的集成电路制，源于微电子的集成电路制造，是在微机械制造领域应用较早并仍被广泛采用造，是在微机械制造领域应用较早并仍被广泛采用且不断发展的一类微细加工方法且不断发展的一类微细加工方法光刻加工是用照相复印的方法将光刻掩模上的图形光刻加工是用照相复印的方法将光刻掩模上的图形印刷在涂有光致抗蚀剂的薄膜或基材表面，然后进印刷在涂有光致抗蚀剂的薄膜或基材表面，然后进行

68、选择性腐蚀，刻蚀出规定的图形行选择性腐蚀，刻蚀出规定的图形所用的基材有各种金属、半导体和介质材料。光致所用的基材有各种金属、半导体和介质材料。光致抗蚀剂俗称光刻胶或感光剂，是一种经光照后能发抗蚀剂俗称光刻胶或感光剂，是一种经光照后能发生交联、分解或聚合等光学反应的高分子溶液生交联、分解或聚合等光学反应的高分子溶液微细加工技术微细加工技术 氧化氧化，使硅晶片表面形成一层，使硅晶片表面形成一层 氧化层氧化层涂胶涂胶，在，在 氧化层表面涂布一层光致抗蚀剂氧化层表面涂布一层光致抗蚀剂 曝光曝光，在光刻胶层面上加掩模，然后用紫外线，在光刻胶层面上加掩模，然后用紫外线等方法曝光等方法曝光显影显影，曝光部分

69、通过显影而被溶解除去，曝光部分通过显影而被溶解除去腐蚀腐蚀，将加工对象浸入氢氟酸腐蚀液，使未被，将加工对象浸入氢氟酸腐蚀液，使未被光刻胶覆盖的部分被腐蚀掉光刻胶覆盖的部分被腐蚀掉去胶去胶，腐蚀结束后，光致抗蚀剂就完成了它的，腐蚀结束后，光致抗蚀剂就完成了它的作用，此时要设法将这层无用的胶膜去除作用，此时要设法将这层无用的胶膜去除扩散扩散，即向需要杂质的部分扩散杂质，以完成，即向需要杂质的部分扩散杂质，以完成整个光刻加工过程整个光刻加工过程微细加工技术微细加工技术 刻蚀技术刻蚀技术刻蚀技术刻蚀技术( (etching technologyetching technology) )通常分为通常分为

70、等向刻蚀等向刻蚀和和异向刻蚀异向刻蚀。等向刻蚀是在任何方向上刻蚀速度均等。等向刻蚀是在任何方向上刻蚀速度均等的加工，可以制造任意横向几何形状的微形结构，的加工，可以制造任意横向几何形状的微形结构，高度一般仅为几微米，仅限于制造平面型结构。而高度一般仅为几微米，仅限于制造平面型结构。而制造微机械需要深度达几百个微米，纵横比或深孔制造微机械需要深度达几百个微米，纵横比或深孔比较大能够形成三维空间结构的刻蚀技术，故需采比较大能够形成三维空间结构的刻蚀技术，故需采用异向刻蚀技术。它是一种在特定方向上刻蚀速度用异向刻蚀技术。它是一种在特定方向上刻蚀速度大，其它方向上几乎不发生刻蚀加工方法大，其它方向上几

71、乎不发生刻蚀加工方法微细加工技术微细加工技术 LIGALIGA技术技术 LIGALIGA是德文的平版印刷术是德文的平版印刷术( (LithographieLithographie) )，电铸成，电铸成形形( (GalvanoformungGalvanoformung) )和注塑或模塑和注塑或模塑( (AbformungAbformung) )的的缩写缩写 LIGALIGA技术在制作很厚的微机械结构方面有着独特的技术在制作很厚的微机械结构方面有着独特的优点，是一般常规的微电子工艺无法替代的，它极优点，是一般常规的微电子工艺无法替代的，它极大地扩大了微结构的加工能力，使得原来难以实现大地扩大了微结

72、构的加工能力，使得原来难以实现的微机械能够制造出来。但缺点是它所要求的同步的微机械能够制造出来。但缺点是它所要求的同步辐射源比较昂贵、稀少，致使应用受到限制，难以辐射源比较昂贵、稀少，致使应用受到限制，难以普及。后来出现了所谓的准普及。后来出现了所谓的准LIGALIGA技术，它是用紫外技术，它是用紫外光源代替同步辐射源，虽然不具备和光源代替同步辐射源，虽然不具备和LIGALIGA技术相当技术相当的深度或宽深比。但是，它涉及的是常规的设备和的深度或宽深比。但是，它涉及的是常规的设备和加工技术，这些技术更容易实现加工技术，这些技术更容易实现微细加工技术微细加工技术 微细加工技术的发展与趋势微细加工

73、技术的发展与趋势 加工方法的多样化。加工方法的多样化。微细加工技术是从两个领域延微细加工技术是从两个领域延伸发展起来的：一是用传统的机械加工和电加工，伸发展起来的：一是用传统的机械加工和电加工，研究其小型化和微型化的加工技术；另一是在半导研究其小型化和微型化的加工技术；另一是在半导体光刻加工和化学加工等高集成、多功能化微细加体光刻加工和化学加工等高集成、多功能化微细加工的基础上提高其去除材料的能力，使其能制作出工的基础上提高其去除材料的能力，使其能制作出实用的微型零件的机器实用的微型零件的机器加工材料的多样化加工材料的多样化。加工材料从单纯的硅向着各种加工材料从单纯的硅向着各种不同类型的材料发

74、展，如玻璃、陶瓷、树脂、金属不同类型的材料发展，如玻璃、陶瓷、树脂、金属及一些有机物及一些有机物 提高微细加工的经济性。提高微细加工的经济性。从加工规模由单件向批量从加工规模由单件向批量生产发展，加工方式从手工操作向自动化发展生产发展，加工方式从手工操作向自动化发展 加快微细加工的机理研究。加快微细加工的机理研究。建立微观世界的数学模建立微观世界的数学模型、力学模型和分析方法，奠定微机械的基础理论型、力学模型和分析方法，奠定微机械的基础理论 第五节快速原型制造技术 RPM的概念 RPM的工艺方法 RPMRPM的应用的应用一、 RPM的概念 RPMRPM技术的研究及应用现状技术的研究及应用现状

75、快速原型制造技术快速原型制造技术(Rapid Prototyping Manufacturing，RPM)于上世纪80年代在美国问世，美国3D Systems创始人Cahrles Hull于1984年设计了世界上第一个基于离散/堆积原理的RP装置，RP技术目前并朝着快速制造（Rapid Manufacturing,RM）方向发展。美国、日本及欧洲发达国家已将快速成形技术应用于航空、宇航、汽车、通讯、医疗、电子、家电、玩具、军事装备、工业造型(雕刻)、建筑模型、机械行业等。 一、 RPM的概念 RPMRPM的技术原理及特点的技术原理及特点几种目前普遍存在的成形方式 去除成形去除成形。这类制造工艺

76、是以金属切削工艺和特种加工工艺为代表，包括零件的传统制造方法：车、铣、刨、磨、镗、钻等工艺和特种加工：激光加工、线切割、电火花等，都是采用在原始材料上通过不同的方法去除一部分多余的材料，从而达到设计所要求的形状、尺寸和公差。这种成形方法称为去除成形（Dislodge Forming）方法 一、 RPM的概念 受迫成形受迫成形。该工艺方法利用材料的塑性，将半固化的流体材料通过模具或压力的作用下，定型成各种形状与尺寸的零件。该工艺成形以热加工形式为主，其在成形过程中体积不发生明显的变化，因此又称为净尺寸成形（Net Forming）。典型的工艺方法有铸造、锻造、粉末冶金、挤压、注塑、吹塑等。 一、

77、 RPM的概念 添加成形添加成形。该制造工艺在成形思想上有了较大的突破，与第一种成形方法中的减法相对应，其采用的是加法，因此称为添加成形（Adding Forming），它充分利用计算机数据模型和自动成形系统相结合，采用材料添加的方法分层制造零件，可制造各种形状复杂的零件，制造周期大大缩短、材料利用率高，在制造过程中不产生力，能量消耗较低。该工艺方法经不断发展和完善，形成了目前各式各样的快速制造方法。快速成形（Rapid Prototyping , RP）技术是当今世界上飞速发展的制造技术之一，它是用材料逐层逐点堆积出零件的一种快速制造方法。 一、 RPM的概念 RPMRPM的原理的原理RPM

78、RPM技术是集CAD技术、数控技术、材料科学、机械工程、电子技术和激光技术等技术于一体的综合技术，是实现从零件设计到三维实体原型制造的一体化系统技术，它采用软件离散一材料堆积的原理实现零件的成形过程，其原理如图所示。 一、 RPM的概念 零件零件CADCAD数据模型的建立数据模型的建立 数据转换文件的生成数据转换文件的生成 由三由三维造型系统将零件维造型系统将零件CADCAD数据数据模型转换成一种可被快速成模型转换成一种可被快速成形系统所能接受的数据文件，形系统所能接受的数据文件，分层切片分层切片分层切片处理是分层切片处理是根据成形工艺要求，按照一根据成形工艺要求，按照一定的离散规则将实体模型

79、离定的离散规则将实体模型离散为一系列有序的单元，按散为一系列有序的单元，按一定的厚度进行离散（分层）一定的厚度进行离散（分层），层片信息处理层片信息处理根据每个层根据每个层片的轮廓信息，进行工艺规片的轮廓信息，进行工艺规划，选择合适成形参数，自划，选择合适成形参数，自动生成数控代码。动生成数控代码。快速堆积成形快速堆积成形快速成形系快速成形系统根据切片的轮廓和厚度要统根据切片的轮廓和厚度要求，用片材、丝材、液体或求，用片材、丝材、液体或粉末材料制成所要求的薄片，粉末材料制成所要求的薄片，通过一片片的堆积，最终完通过一片片的堆积，最终完成三维形体原型的制备。成三维形体原型的制备。图3-23 RP

80、M的工艺流程一、 RPM的概念 RPM的技术原理及特点RPM的特点制造过程柔性化 技术的高度集成化设计制造一体化产品开发快速化制造自由成形化 材料使用广泛性一、 RPM的概念 RPM的技术原理及特点RPM的效益 从设计和工程角度出发，增加零件复杂性,无需受时间和成本的限制从制造角度出发，减少设计、加工、检验的工具 从市场和用户角度出发，减少风险,无需预测几年后市场的动态一、 RPM的概念 RPM的发展趋势 面向制造的RPM研制更适合于RPM的新型材料 RPM技术的智能化桌面化的RPM制造系统(Desktop Manufacture System) 网络化的RPM技术 开发功能强大的RPM软件

81、生长成形(Growth Forming) 二、 RPM的工艺方法 RPM工艺方法的分类按成形所采用的原材料分类 液体的光、热聚合与固化 固体粉末的烧结与粘结 固态丝、线材的融化 固态膜、片材的粘结 二、 RPM的工艺方法 RPM工艺方法的分类按制造工艺原理分类立体光刻（Stereo Lithography Apparatus, SLA）层合实体制造（Laminated Object Manufacturing，LOM） 选择性激光烧结（Select Laser Sintering，SLS） 熔融沉积造型（Fused Deposition Modeling ,FDM） 三维打印制造（Three

82、Dimensional Printing,3DP） 焊接成形（Welding Forming） 其他技术 二、 RPM的工艺方法 层合实体制造层合实体制造(LOM) (LOM) 层合实体制造又称分层实体造型、分层物件制造等。层合实体制造LOM是几种最成熟的快速成形制造技术之一。 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。因此成形厚壁零件的速度较快，易于制造大型零件。 LOM工艺采用的材料有纸、金属箔、塑料膜、陶瓷膜等，除了制造模具、模型外，还可以直接制造结构件或功能件。但由于材料薄膜厚度有限未经处理的侧表面不够光洁，需要进行再处理，如打磨、抛光、喷漆等。另外，当采用的金属

83、片的厚度太薄时，所形成的零件的力学性能也会受到很大的影响。图3-24 LOM工艺原理图 二、 RPM的工艺方法 选择性激光烧结法选择性激光烧结法(SLS) (SLS) SLS工艺是采用粉末状材料成形的。用激光束在计算机的控制下有选择地进行烧结，被烧结部分固化在一起构成了零件的实心部分。SLS的优点有：材料丰富，理论上可采用任何加热时粘度降低的粉末材料；工艺简单；制造精度高；制造成本低可制作复杂形状零件。缺点是成形速度较慢，由于粉末铺层密度低会导致精度较低和强度较低。 图3-25 SLS工艺原理图 二、 RPM的工艺方法 立体光刻（立体光刻（SLASLA）立体光刻又称立体印刷成形、立体印刷、光敏

84、液相固化、立体造型等 。1988年美国3D System公司推出世界上第一台商品化样机SLA一1 激光成形机中的激光束按数控指令扫描，使盛于容器内的液态光敏树脂逐层固化并粘结在一起。SLA特点：可成形任意复杂形状的零件；成形精度高；材料利用率高，性能可靠。SLA法工艺适用于产品外形评估、功能试验、快速制造电极和各种快速经济模具；不足之处是所需设备及材料价格昂贵，光敏树脂有一定毒性，不符合绿色制造趋势。 图3-26 SLA工艺原理图二、 RPM的工艺方法 熔融沉积造型熔融沉积造型(FDM) (FDM) 熔融沉积制造又称为熔化堆积法、熔融挤出成模、熔融沉积陶瓷等。FDM是由计算机根据CAD 模型确

85、定的几何信息控制FDM 喷嘴, 将使用的材料通过加热器的挤压头熔化成液体, 使熔化的热塑材料丝通过喷嘴挤出, 挤压头沿零件的每一截面的轮廓准确运动, 挤出半流动的热塑材料沉积固化成精确的实际部件薄层, 覆盖于已建造的零件之上, 并迅速凝固, 形成一层材料。FDM的特点：FDM工艺无需激光系统，因而设备简单，运行费用便宜，尺寸精度高，表面光洁度好，特别适合薄壁零件；但需要支撑，这是其不足之处。图3-27 FDM工艺原理图 三、 RPM的应用 RPM在新产品开发中的应用l在现代产品设计中，设计手段日趋先进，CAD计算机辅助设计使得产品设计快捷、直观，但由于软件和硬件的局限，设计人员仍无法直观地评价

86、所设计产品的效果、结构合理性及生产工艺的可行性。为提高设计质量，缩短生产试制周期。快速成型系统可在几个小时或几天内将设计人员的图纸或CAD模型转化成现实的模型和样件。这样就可进行设计评定，迅速地取得用户对设计的反馈意见。同时也有利于产品制造者加深对产品的理解，合理地确定生产方式、工艺流程。与传统模型制造相比，快速成型方法速度快，能够随时通过CAD进行修改与再验证，使设计走向尽善尽美。采用RPM快速产品开发技术可减少产品开发成本3070，缩短开发周期50。如德国一公司开发光学照相机机体，采用RPM技术从CAD建模到原型制作仅需35天时间，耗费5000马克；而用传统的方法则至少需一个月，耗费3万马

87、克。 三、 RPM的应用 西北快速成型生产力促进中心为西北国际电信股份有限公司的医疗仪器产品做产品快速开发服务的典型案例 三、 RPM的应用 RP在产品功能试验的应用 l西安东方机械厂导弹引信叶轮的开发 l江阴汽车空调器厂开发的汽车空调器动叶轮与静叶轮 三、 RPM的应用 RP在模具制造中的应用l以快速成型制作的实体模型，结合精铸、金属喷涂、电镀及电极研磨等技术可以快速制造出模具，其制造周期一般为传统的数控切削方法的15110，而成本却仅为其1315。 三、 RPM的应用 用快速成型件作母模，制作硅橡胶模用快速成型件作母模，制作硅橡胶模 当制造的零件件数较少（批量在2050件）时，一般采用以R

88、P原型作母模，采用室温硫化的有机硅橡胶浇注制作硅橡胶模。 该工艺方法可以快速、容易而廉价地小批量生产各种塑料零件和石蜡模型，成型件具有较好精度,在航空航天、体育用品、玩具和装饰设备等领域应用广泛。制作生产周期为1周左右。成本为钢模的1/151/20。三、 RPM的应用 金属喷涂（金属喷涂（Metal SprayingMetal Spraying）制模法）制模法 当模具要求的寿命在3000件以下时，一般采用以RP原型作母模，将熔化金属充分雾化后以一定的速度喷射到母模的表面，形成模具型腔表面，充填背衬复合材料，制作锌铝合金软模具。 该工艺方法简单，周期短，型腔表面及其精细花纹一次同时形成。其制作周

89、期为12周，成本为数控法加工钢模的1/31/5。三、 RPM的应用 用快速成型件作母模，制作钢模用快速成型件作母模，制作钢模当模具要求的寿命在3000件以上时，可以采用以RP原型作母模，翻制由环氧树脂与碳化硅混合物构成的整体研磨轮（3D砂轮），在石墨电极成型机上研磨出整体石墨电极，或利用电化学原理通过电铸的方法使铜沉积在RP原型表面约23mm厚，移去RP原型，得到电极壳体，充填背衬材料，制成整体铜电极。利用以上整体石墨电极或整体铜电极通过电火花加工制造钢模具。该模具制造工艺方法避免了CNC加工，节约了CNC编程及加工时间，复形精度也较高。其模具制作周期为34周，成本为数控法加工钢模的1/21/3。习题与思考题习题与思考题n叙述先进制造工艺的发展与特点 n叙述超高速加工的概念及其主要特点 n叙述微细加工的概念及其采用的工艺方法 n分析RPM的工作原理，列举几种典型的RPM工艺方法 谢谢！谢谢！