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1、第第7 7章章 机械制造技术的发机械制造技术的发展展本章要点制造自动化技术的发展精密加工与超精密加工非传统加工方法先进制造技术1机械制造技术基础机械制造技术基础 第第7章章 制造技术的发展制造技术的发展Development of Manufacturing Technology7.1 制造自动化技术的发展制造自动化技术的发展Development of Automation Technology for Manufacturing27.1.1 制造自动化技术的主要形式制造自动化技术的主要形式 表1-1 三种自动化形式比较比较项目刚性自动化柔性自动化综合自动化实现目标 减轻工人劳动强度，节省劳
2、动力，保证加工质量，降低生产成本 减轻工人劳动强度，节省劳动力，保证加工质量，降低生产成本，缩短产品制造周期 除左外，提高设计工作与管理工作效率和质量，提高对市场的响应能力控制对象物流物流物流，信息流特点 通过机、电、液气等硬件控制方式实现，因而是刚性的，变动困难 以硬件为基础，以软件为支持，改变程序即可实现所需的转变，因而是柔性的 不仅针对具体操作和工人的体力劳动，而且涉及脑力劳动以及设计、经营管理等各方面典型系统与装备 自动机床、组合机床，机械手，自动生产线 NC机床，加工中心，工业机器人，DNC，FMC，FMS CAD/CAM系统，MRP，CIMS应用范围大批大量生产多品种、中小批量生产
3、各种生产类型关键技术 继电器程序控制技术，经典控制论 数控技术，计算机控制，GT，现代控制论 系统工程，信息技术，计算机技术，管理技术37.1.1 制造自动化技术的主要形式制造自动化技术的主要形式 图7-1 汽车后桥齿轮箱加工自动线刚性自动化20年代47.1.1 制造自动化技术的主要形式制造自动化技术的主要形式 柔性自动化50年代图7-2 焊接机器人综合自动化70年代图7-3 综合自动化57.1.1 制造自动化技术的主要形式制造自动化技术的主要形式 （7-1）式中 TTLC 生产某种产品所需总时间； B 批数； Q 批量； T1 单件工时； T2 每批产品所需生产准备时间（包括原材料订 货时间
4、，制定生产计划时间，工艺装备调整 时间 ）； T3 每种产品所需设计及生产准备时间（产品设 计，工艺设计，工艺装备设计与制造）。GrooverGroover产品寿命周期模型产品寿命周期模型67.1.1 制造自动化技术的主要形式制造自动化技术的主要形式 （7-2）式中 TLC 生产每件产品所需平均时间 式（1-2）即为 Groover 产品寿命周期模型 TLC 是一个综合指标，减小 TLC 常被作为生产活动追求的目标式（1-1）两边除以 BQ ，得到： 刚性自动化：着眼降低 T1 柔性自动化：着眼降低 T1 和T2（部分） 综合自动化：同时减小 T1、T2 、T3，特别是 T2 和 T3 ，因而
5、在多品种、中小批量生产中具有重要意义77.1.2 自动化加工技术自动化加工技术 本节仅讨论中小批量生产中广泛使用的柔性制造系统（Flexible Manufacturing SystemFMS） q 柔性制造系统的组成 图7-4 FMS的组成自动仓库工厂计算机中央计算机物流控制计算机运输小车加工单元1加工单元2加工单元n信 息 传 输 网 络工夹具站87.1.2 自动化加工技术自动化加工技术 q 加工单元CNC（MC）机床工作台架（暂存工件）机器人或托盘交换装置检测、监控装置设备运行状态监控与检测（图7-5） 传感器群信号采集预处理特征提取状态识别诊断决策预维修决策监控检测报告正常状态模式预诊
6、断知识库预维修知识库学习训练匹配状态异常报警预知故障报警输出图7-5 设备运行状态监控与检测框图9钻头破损检测器内存有以往采集的钻头破损的信号或钻头破损模拟信号，与检测信号进行比较。当钻头破损被确认后，发出换刀信号。7.1.2 自动化加工技术自动化加工技术 加工过程监控与检测重点是刀具磨损、破损监控与检测。图7-6为声发射钻头破损检测装置示意图。加工过程中，一旦钻头破损，声发射传感器检测到钻头破损信号，将其送至钻头破损检测器进行处理。钻头破损检测器图7-6 声发射钻头破损检测装置系统图交换机床控制器工件折断工作台声发射传感器破损信号107.1.2 自动化加工技术自动化加工技术 q 物料传输系统
7、又称立体仓库或自动化仓库系统（Automated Storage and Retrieva1 System一ASRS），由高层料架 、堆垛机、控制计算机和物料识别装置等组成。具有自动化程度高、料位空间尺寸和额定存放重量大、料位总数可根据实际需求扩展、占地面积小等优点。 自动仓库（图7-7）图7-7 自动仓库运输小车出入库装卸站堆垛机料架117.1.2 自动化加工技术自动化加工技术 传输装置 滚式链式（传送带由于柔性差，目前较少使用）带式有轨无轨（AGV）固定路线随机路线电磁式（图7-8）光电式（图7-9）传送带运输小车机器人固定式机器人行走式机器人127.1.2 自动化加工技术自动化加工技术
8、转向舵比较放大电路信号拾取线圈引导电缆图7-8 电磁引导原理在地面上埋设引导电缆，并通以510kHz的低压电流。小车上装有对称的一组信号拾取线圈。当小车偏向右方时，右方的感应信号减弱，左方的增强，控制器根据这些信号的强弱，控制小车的舵轮。电磁导向方式原理（图7-8）137.1.2 自动化加工技术自动化加工技术 沿小车预定路径在地面上粘贴易反光的反光带（铝带或尼龙带），小车上装有发光器和受光器。发出的光经反光带反射后由受光器接受，并将该光信号转换成电信号控制小车的舵轮。 光学引导方式原理（图7-9）信号孔感光元件光道光源反光带图7-9 光学引导原理147.1.2 自动化加工技术自动化加工技术 切
9、屑处理系统断屑 加工部位封闭排屑 机床、工夹具设计要便于排屑 冷却液冲，或压缩空气吹切屑输送（通常采用地下输送管道）切屑再处理（打包）157.1.2 自动化加工技术自动化加工技术 工厂计算机：制定、修改、更新生产（作业）计划； 对中央计算机和物流计算机进行控制。 单元控制器：监视与控制机床加工、检测、上下料 物流计算机：根据工厂计算机制定的作业计划对自动仓 库、堆垛机、缓冲站、运输小车等进行监 视与控制。 中央计算机：根据工厂计算机制定的作业计划对各加工 单元进行监视与控制。 信息传输网络：在控制计算机与单元控制器之间进行信 息传递。q 计算机控制系统167.1.2 自动化加工技术自动化加工技
10、术 JCS-FMS-1控制级结构中央管理计算机FM-11AD2+物流控制计算机局域网络LAN文件库自动编程机单元控制机CNC车床CNC磨床单元控制机立式MC卧式MC单元控制机CNC车床管理级单元级设备级图图7-10 7-10 JCS-FMS-1JCS-FMS-1控制级结构控制级结构177.1.2 自动化加工技术自动化加工技术 q FMS特点除毛坯准备与毛坯安装外全部自动化可在不停机的条件下实现加工工件的自动转换24小时运行，只一班有人以以GTGT为基础为基础 生产零件的品种由4至100种不等（2030种居多）生产零件的批量由40至2000件不等（50200件居多）大部分加工对象为相似零件（个别
11、例外）具有较大柔性具有较大柔性 可加工多种零件没有固定的生产节拍故障可容（一台机床出现故障，其它机床可进行拟补）高度自动化高度自动化 控制与管理相结合控制与管理相结合可自动实现系统内的计划、调度187.1.2 自动化加工技术自动化加工技术 q FMS应用品种图7-11 零件品种、批量与自动化加工方式010 100 1000 批量10,000 1000 100 10FMLFMCFMS数控机床通用机床刚性线生产柔性产量197.1.2 自动化加工技术自动化加工技术 图7-12 飞机零件加工FMS（ Cincinnati ）1装卸站 2运输小车 3MC 4切屑处理站 5清洗站 6检测站 7手工检测站
12、8计算机室 9 小车维修站 10 包装站q FMS实例（1）207.1.2 自动化加工技术自动化加工技术 冲床图7-13 冲压FMSq FMS实例（2）21十分之一原则：测量不准确度十分之一原则：测量不准确度 工件容差的工件容差的1/101/10三分之一原则：测量精密度三分之一原则：测量精密度 工件许用精密度的工件许用精密度的1/31/3（用（用标准差标准差 表示）表示）7.1.3 自动检测技术自动检测技术 自动化传送和装卸被测件；自动化传送和装卸被测件；自动完成检测过程；自动完成检测过程；传送传送/ /装卸与检测过程全部自动化。装卸与检测过程全部自动化。q 自动检测内容多采用传感器多采用传感
13、器/ /计算机反馈控制系统计算机反馈控制系统 q 自动检测系统接触式传感器：检测尺寸、形状、相互位置接触式传感器：检测尺寸、形状、相互位置非接触式传感器（光学、非光学）：无接触变形，速度快非接触式传感器（光学、非光学）：无接触变形，速度快q 自动检测传感技术q “十分之一” 与“三分之一”原则227.1.3 自动检测技术自动检测技术 离线检测：过程稳定，超差风险小离线检测：过程稳定，超差风险小PROCAUTPROCAUTPROCAUTINSPMAN抽样抽样离线检测离线检测PROCAUTINSPMAN在线在线/ /过程中检测过程中检测反馈信号在线在线/ /过程后检测过程后检测PROCAUTINS
14、PMANSORTAUT分类指令成品成品废品废品图图7-14 7-14 三类检测三类检测q 离线与在线检测在线在线/ /过程中检测：实时，瓶颈工序过程中检测：实时，瓶颈工序在线在线/ /过程后检测：滞后时间短，应用较多过程后检测：滞后时间短，应用较多237.1.3 自动检测技术自动检测技术 q 坐标测量机a） b） c） d）图7-15 坐标测量机的结构形式结构形式悬臂式结构：测头易于接近工件，刚性差悬臂式结构：测头易于接近工件，刚性差桥式结构：刚性好，应用广泛桥式结构：刚性好，应用广泛立柱式结构：结构与立车相似立柱式结构：结构与立车相似门架式结构：结构与门式起重机相似，用于大件测量门架式结构：
15、结构与门式起重机相似，用于大件测量247.1.3 自动检测技术自动检测技术 操作控制 手动控制：人工完成手动控制：人工完成计算机辅助手动控制：计算机完成数据处理和相关计算计算机辅助手动控制：计算机完成数据处理和相关计算计算机辅助电动控制：电机驱动测头，计算机完成数据计算机辅助电动控制：电机驱动测头，计算机完成数据 处理和相关计算处理和相关计算直接计算机控制：同直接计算机控制：同CNCCNC 编程方法 示教再现编程：似机器人编程示教再现编程：似机器人编程数控编程：离线数控编程：离线257.1.3 自动检测技术自动检测技术 可完成测量项目 表7-2 坐标测量机可完成的测量项目可完成的测量项目测量原
16、理尺寸孔径与孔中心线坐标圆柱体轴心线与直径球心坐标与球面半径平面度两平面夹角两平面的平行度两条线的交点与交角由两个给定面坐标的差值确定尺寸测量孔上3点，计算确定孔径与孔中心线坐标测量圆柱面上3点，计算确定轴心线与直径测量球面上4点，计算确定球心坐标与球面半径用3点接触法测定，与理想平面比较确定平面度按平面上3个触点最小值规定平面，再计算夹角根据两平面交角确定平行度先确定两线夹角，再测定交点267.1.3 自动检测技术自动检测技术 实物照片 27机械制造技术基础机械制造技术基础 第第7章章 制造技术的发展制造技术的发展Development of Manufacturing Technology
17、7.2 精密制造技术精密制造技术Precision Manufacturing Technology287.2.1 精密与超精密加工技术精密与超精密加工技术精密加工 在一定的发展时期，加工精度和表面质量达到较高程度的加工工艺。 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。概述概述瓦特改进蒸汽机 镗孔精度 1mm 20 世纪 40 年代 最高精度 1m 20 世纪 末 精密加工：0.1m，Ra 0.01m（亚微米加工） 超精密加工： 0.01m ，Ra 0.001m（纳米加工）微细加工 微小尺寸的精密加工 超微细加工 微小尺寸的超精密加工29 零件 加 工 精 度 表
18、面粗糙度 激光光学零件 形状误差 0.1m Ra 0.010.05m 多面镜 平面度误差 0.04m Ra 0.02m 磁头 平面度误差 0.04m Ra 0.02m 磁盘 波度 0.01 0.02m Ra 0.02m 雷达导波管 平面度垂直度误差 0.1m Ra 0.02m 卫星仪表轴承 圆柱度误差 0.01m Ra 0.002m 天体望远镜 形状误差 0.03m Ra 0.01m 表7-3 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（表7-3） 精密加工与超精密加工的发展（图7-17）7.2.1 精密与超精密加工技术精密与超精密加工技术307.2.1 精密与超精密加工技术精密与
19、超精密加工技术图7-17 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（m）10010110210-210-110-3190019201940196019802000年份31 精密与超精密加工技术是一个国家制造业水平重要标志例：美国哈勃望远镜形状精度0.01m；超大规模集成电路最小线宽0.1m，日本金
20、刚石刀具刃口钝圆半径达2nm 精密加工与超精密加工技术是先进制造技术基础和关键例：美国陀螺仪球圆度0.1m，粗糙度Ra0.01m，导弹命中精度控制在50m范围内；英国飞机发电机转子叶片加工误差从60m降至12m，发电机压缩效率从89%提高到94%；齿形误差从3-4m减小1m，单位重量齿轮箱扭矩可提高一倍 精密加工与超精密加工技术是新技术的生长点精密与超精密加工技术涉及多种基础学科和多种新兴技术，其发展无疑会带动和促进这些相关科学技术的发展q 精密与超精密加工地位7.2.1 精密与超精密加工技术精密与超精密加工技术32结合加工 分类 加工机理 加工方法示例去除加工电物理加工 电火花加工（电火花成
21、形，电火花线切割）电化学加工 电解加工、蚀刻、化学机械抛光力学加工 切削、磨削、研磨、抛光、超声加工、喷射加工热蒸发（扩散、溶解） 电子束加工、激光加工附着加工注入加工化学 化学镀、化学气相沉积电化学 电镀、电铸热熔化 真空蒸镀、熔化镀化学 氧化、氮化、活性化学反映电化学 阳极氧化热熔化 掺杂、渗碳、烧结、晶体生长力物理 离子注入、离子束外延连续加工热物理 激光焊接、快速成形化学 化学粘接变形加工热流动 精密锻造、电子束流动加工、激光流动加工粘滞流动 精密铸造、压铸、注塑分子定向 液晶定向表7-4 精密与超精密加工分类7.2.1 精密与超精密加工技术精密与超精密加工技术33 直直接接式式进进化
22、化加加工工：利利用用低低于于工工件件精精度度的的设设备备、工工具具，通通过过工工艺艺手手段段和和特特殊殊工工艺艺装装备备，加加工工出出所所需需工工件件。适适用用于单件、小批生产。于单件、小批生产。 间间接接式式进进化化加加工工：借借助助于于直直接接式式“进进化化”加加工工原原则则，生生产产出出第第二二代代工工作作母母机机，再再用用此此工工作作母母机机加加工工工工件件。适适用于批量生产用于批量生产。“进化”加工原则背吃刀量小于晶粒大小，切削在晶粒内进行，与传统切削机理完全不同。 微量切削机理 特种加工与复合加工方法应用越来越多传统切削与磨削方法存在加工精度极限，超越极限需采用新的方法。q 精密与
23、超精密加工特点7.2.1 精密与超精密加工技术精密与超精密加工技术34要达到加工要求，需综合考虑工件材料、加工方法、加工设备与工具、测试手段、工作环境等诸多因素，是一项复杂的系统工程，难度较大。 形成综合制造工艺广泛采用计算机控制、适应控制、再线检测与误差补偿技术，以减小人的因素影响，保证加工质量。 与自动化技术联系紧密精密与超精密加工设备造价高，难成系列。常常针对某一特定产品设计（如加工直径3m射电天文望远镜的超精密车床，加工尺寸小于1mm微型零件的激光加工设备）。 与高新技术产品紧密结合 加工与检测一体化精密检测是精密与超精密加工的必要条件，并常常成为精密与超精密加工的关键。7.2.1 精
24、密与超精密加工技术精密与超精密加工技术35 切削在晶粒内进行切削在晶粒内进行 切削力原子结合力（剪切应力达切削力原子结合力（剪切应力达 13000 N13000 N/ / mmmm2 2） 刀尖处温度极高，应力极大，普通刀具难以承受刀尖处温度极高，应力极大，普通刀具难以承受 高高速速切切削削（与与传传统统精精密密切切削削相相反反），工工件件变变形形小小，表表层高温不会层高温不会波及工件内层，可获得高精度和好表面质量金刚石超精密加工技术金刚石超精密加工技术 用用于于铜铜、铝铝及及其其合合金金精精密密切切削削（切切铁铁金金属属，由由于于亲亲合合作用，产生作用，产生“ “碳化碳化磨损磨损” ”，影响
25、刀具寿命和加工质量），影响刀具寿命和加工质量） 加工各种红外光学材料如锗、硅、加工各种红外光学材料如锗、硅、ZnSZnS和和ZnSeZnSe等等 加工有机玻璃和各种塑料加工有机玻璃和各种塑料 典典型型产产品品：光光学学反反射射镜镜、射射电电望望远远镜镜主主镜镜面面、大大型型投投影电视屏幕、影电视屏幕、照像机塑料镜片、树脂隐形眼镜镜片等 应用 机理、特点7.2.1 精密与超精密加工技术精密与超精密加工技术36 加工设备 要要求求高高精精度度、高高刚刚度度、良良好好稳稳定定性性、抗抗振振性性及及数控功能等。数控功能等。 关键技术7.2.1 精密与超精密加工技术精密与超精密加工技术图7-18 Moo
26、re金刚石车床回转工作台工件刀具主轴传动带主轴电机空气垫刀具夹持器如如美美国国MooreMoore公公司司M-M-18AG18AG金金刚刚石石车车床床，主主轴轴采采用用空空气气静静压压轴轴承承，转转速速5 5000000转转/ /分分，径径跳跳0.10.1mm；液液体体静静压压导导轨轨 ， 直直 线线 度度 达达 0.05/100mm0.05/100mm； 数数 控控 系系统分辨率统分辨率0.01 0.01 。37车床主轴装在横向滑台（X轴）上，刀架装在纵向滑台（Z轴）上。可解决两滑台的相互影响问题，而且纵、横两移动轴的垂直度可以通过装配调整保证，生产成本较低，已成为当前金刚石车床的主流布局。
27、 图7-19 T形布局的金刚石车床 T形布局（图7-19）7.2.1 精密与超精密加工技术精密与超精密加工技术38 金刚石车床主要性能指标（表7-5）数控系统分辩率 /m40020050001000050000. 10.010. 2/1000. 10. 11/1502/100径向1140轴向1020640720最大车削直径和长度 /mm最高转速 r/mm最大进给速度mm /min重复精度(2) / m主轴径向圆跳动 / m滑台运动的直线度 / m主轴前静压轴承（100mm）的刚度 /（N/m）主轴后静压轴承（80mm）的刚度 /（N/m）纵横滑台的静压支承刚度 /（N/m）表7-5 金刚石车床
28、主要性能指标主轴轴向圆跳动 / m横滑台对主轴的垂直度 / m7.2.1 精密与超精密加工技术精密与超精密加工技术39 金刚石刀具 超精切削刀具材料：天然金刚石，人造单晶金刚石超精切削刀具材料：天然金刚石，人造单晶金刚石 金金刚刚石石的的晶晶体体结结构构：规规整整的的单单晶晶金金刚刚石石晶晶体体有有八八面面体体、十十二二面面体体和和六六面面体体，有有三三根根4 4次次对对称称轴轴，四四根根3 3次次对对称称轴轴和和六根六根2 2次对称轴（图次对称轴（图7-207-20）。）。a）4 次对称轴和（100）晶面L4（100）（110）L2L3（111）b）2 次对称轴和（110）晶面c）3 次对称
29、轴和（111）晶面图7-20 八面体的晶轴和镜晶面7.2.1 精密与超精密加工技术精密与超精密加工技术40 金刚石晶体的面网距和解理现象金刚石晶体的面网距和解理现象金刚石晶体的（111）晶面面网密度最大，耐磨性最好。（100）与（110）面网的面间距分布均匀；（111）面网的面间距一宽一窄（图7-21）图7-21 （111）面网C原子分布和解理劈开面劈开面在距离大的（111）面之间，只需击破一个共价键就可以劈开，而在距离小的（111）面之间，则需击破三个共价键才能劈开。在两个相邻的加强（111）面之间劈开，可得到很平的劈开面，称之为“解理”。7.2.1 精密与超精密加工技术精密与超精密加工技术
30、41 金刚石刀具刃磨金刚石刀具刃磨 通常在铸铁研磨盘上进行研磨通常在铸铁研磨盘上进行研磨 晶向选择应使晶向与主切削刃平行晶向选择应使晶向与主切削刃平行 圆角半径越小越好（理论可达到圆角半径越小越好（理论可达到1nm1nm）7.2.1 精密与超精密加工技术精密与超精密加工技术单晶金刚石456.46.412AA66A-A35RR=1.64.86.46.45B16B-B110120RR=0.51.2B000000000图7-22 金刚石刀具角度金刚石刀具角度（图金刚石刀具角度（图7-227-22）42金刚石车床加工4.5mm陶瓷球7.2.1 精密与超精密加工技术精密与超精密加工技术图7-23 金刚石
31、车床及其加工照片43 砂轮材料：金刚石，立方氮化硼（CBN） 可可加加工工各各种种高高硬硬度度、高高脆脆性性金金属属及及非非金金属属材材料料（铁铁金金属属用用CBNCBN） 耐磨性好，耐用度高，磨削能力强，磨削效率高耐磨性好，耐用度高，磨削能力强，磨削效率高 磨削力小，磨削温度低，加工表面好磨削力小，磨削温度低，加工表面好 特点： 分整形与修锐（去除结合剂，露出磨粒）两步进行分整形与修锐（去除结合剂，露出磨粒）两步进行 常用方法常用方法 用碳化硅砂轮（或金刚石笔）修整，获得所需形状；用碳化硅砂轮（或金刚石笔）修整，获得所需形状； 电解修锐（适用于金属结合剂砂轮），效果好，并可电解修锐（适用于金
32、属结合剂砂轮），效果好，并可在线修整在线修整 砂轮修整：超硬磨料砂轮精密与超精密磨削超硬磨料砂轮精密与超精密磨削7.2.1 精密与超精密加工技术精密与超精密加工技术44进给图7-24 ELID磨削原理电源金刚石砂轮（铁纤维结合剂）冷却液冷却液电刷 ELID（Electrolytic In-Process Dressing）使使用用ELIDELID磨磨削削，冷冷却却液液为为一一种种特特殊殊电电解解液液。通通电电后后，砂砂轮轮结结合合剂剂发发生生氧氧化化，氧氧化化层层阻阻止止电电解解进进一一步步进进行行。在在切切削削力力作作用用下下，氧氧化化层层脱脱落落，露露出出了了新新的的锋锋利利磨磨粒粒。由由
33、于于电电解解修锐连续进行，砂轮在整个磨削过程保持同一锋利状态。修锐连续进行，砂轮在整个磨削过程保持同一锋利状态。 7.2.1 精密与超精密加工技术精密与超精密加工技术45 塑性（延性）磨削 磨磨削削脆脆性性材材料料时时，在在一一定定工工艺艺条条件件下下，切切屑屑形形成成与与塑塑性性材材料料相相似似，即即通通过过剪剪切切形形式式被被磨磨粒粒从从基基体体上上切切除除下下来来。磨磨削削后后工件表面呈有规则纹理，无脆性断裂凹凸不平，也无裂纹。工件表面呈有规则纹理，无脆性断裂凹凸不平，也无裂纹。 塑性磨削工艺条件：塑性磨削工艺条件： （1 1）切切削削深深度度小小于于临临界界切切削削深深度度，它它与与工
34、工件件材材料料特特性性和和磨粒的几何形状有关。一般临界切削深度磨粒的几何形状有关。一般临界切削深度1m1m。 为为此此对对机机床床要要求求：高高的的定定位位精精度度和和运运动动精精度度。以以免免因因磨磨粒粒切切削削深深度度超超过过1m1m时时，导导致致转转变变为为脆脆性性磨磨削削。高高的的刚刚性性。因因为为塑塑性性磨磨削削切切削削力力远远超超过过脆脆性性磨磨削削的的水水平平，机机床床刚刚性性低，会因切削力引起的变形而破坏塑性切屑形成的条件。低，会因切削力引起的变形而破坏塑性切屑形成的条件。 （2 2）磨磨粒粒与与工工件件的的接接触触点点的的温温度度高高到到一一定定程程度度时时，工工件件材材料料
35、的的局局部部物物理理特特性性会会发发生生变变化化，导导致致切切屑屑形形成成机机理理的的变变化化（已有试验作支持）。（已有试验作支持）。 7.2.1 精密与超精密加工技术精密与超精密加工技术46砂砂带带：带带基基材材料料为为聚聚碳碳酸酸脂脂薄薄膜膜，其上植有细微砂粒。其上植有细微砂粒。砂砂带带在在一一定定工工作作压压力力下下与与工工件件接接触触并并作作相相对对运运动动，进进行磨削或抛光。行磨削或抛光。有有开开式式（图图7-257-25）和和闭闭式式两两种种形形式式，可可磨磨削削平平面面、内内外外圆圆表表面面、曲曲面面等等（图（图7-277-27）。）。接触轮硬磁盘装在主轴真空吸盘上图7-25 砂
36、带磨削示意图V砂带砂带轮卷带轮F-径向进给f-径向振动 精密与超精密砂带磨削7.2.1 精密与超精密加工技术精密与超精密加工技术47图图7-267-26 用于磨削管件的用于磨削管件的砂带磨砂带磨床（床（带有行星系统）带有行星系统）7.2.1 精密与超精密加工技术精密与超精密加工技术48 几种常见砂带磨削方式（图7-27）图7-27 几种砂带磨削形式a）砂带无心外圆磨削（导轮式） 工件导轮接触轮 主动轮砂带工件 接触轮主动轮砂带b）砂带定心外圆磨削（接触轮式）c）砂带定心外圆磨削（接触轮式）工件接触轮主动轮砂带接触轮砂带工件d）砂带内圆磨削（回转式）工件支承板主动轮砂带工作台e）砂带平面磨削（支
37、承板式）f）砂带平面磨削（支承轮式）支承轮工件砂带接触轮7.2.1 精密与超精密加工技术精密与超精密加工技术49 砂带磨削特点1）砂带与工件柔性接触，磨粒载荷小，且均匀，工件受力、热作用小，加工质量好（ Ra 值可达 0.02m）。 3）强力砂带磨削，磨削比（切除工件重量与砂轮磨耗重量之比）高，有“高效磨削”之称。 4）制作简单，价格低廉，使用方便。5）可用于内外表面及成形表面加工。磨粒规格涂层粘接剂基带图7-28 静电植砂砂带结构2）静电植砂，磨粒有方向性，尖端向上（图7-28），摩擦生热小，磨屑不易堵塞砂轮，磨削性能好。7.2.1 精密与超精密加工技术精密与超精密加工技术50工件小间隙加压
38、抛光轮悬浮液微粉(磨粒)图7-29 弹性发射加工原理抛光轮与工件表面形成小间隙，中间置抛光液，靠抛光轮高速回转造成磨料的“弹性发射”进行加工。 工作原理（图工作原理（图7-297-29） 机理：微切削被加工材料的微塑性流动作用机理：微切削被加工材料的微塑性流动作用 弹性发射加工弹性发射加工 游离磨料加工 抛光轮：抛光轮：由由聚聚氨氨基基甲甲酸酸（乙乙）酯酯制制成成，磨磨料料直直径径 0.10.10.01m0.01m7.2.1 精密与超精密加工技术精密与超精密加工技术51 工作原理（图工作原理（图7-307-30）抛抛光光工工具具上上开开有有锯锯齿齿槽槽，靠靠楔楔形形挤挤压压和和抛抛光光液液的的
39、反反弹，增加微切削作用。弹，增加微切削作用。 机理：微切削作用。机理：微切削作用。 抛光工具图7-30 液体动力抛光小间隙工件工具运动方向抛光液磨粒 工作原理（图工作原理（图7-317-31）活活性性抛抛光光液液和和磨磨粒粒与与工工件件表表面面产产生生固固相相反反应应，形形成成软粒子，使其便于加工。软粒子，使其便于加工。 机机理理：机机械械+ +化化学学作作用用，称为称为“ “增压活化增压活化” ”。 液体动力抛光液体动力抛光 机械化学抛光机械化学抛光抛光工具活性抛光液图7-31 机械化学抛光小间隙工件工具运动方向加压7.2.1 精密与超精密加工技术精密与超精密加工技术52 激激光光由由于于其
40、其优优良良的的特特性性（强强度度高高，亮亮度度大大，单单色色性性、相相干性、方向性好等）在精密测量中得到广泛应用干性、方向性好等）在精密测量中得到广泛应用。 可以测量长度，小角度，直线度，平面度，垂直度等；可以测量长度，小角度，直线度，平面度，垂直度等； 也可以测量位移，速度，振动，微观表面形貌等；也可以测量位移，速度，振动，微观表面形貌等； 还还可可以以实实现现动动态态测测量量，在在线线测测量量，并并易易于于实实现现测测量量自自动化。动化。 激光测量精度目前可达激光测量精度目前可达0.01m0.01m。q 激光测量7.2.1 精密与超精密加工技术精密与超精密加工技术53受射透镜平行光管透镜边
41、缘传感闸门电路计数器显示图震荡器伺服系统扫描镜工件测定区光检测器激光发生器 采用平行光管透镜将激光准确地调整到多角形旋转扫描镜上聚焦。通过激光扫描被测工件两端，根据扫描镜旋转角、扫描镜旋转速度，透镜焦距等数据计算出被测工件的尺寸。 图7-32 激光扫描尺寸计量系统 激光高速扫描尺寸计量系统（图7-32）7.2.1 精密与超精密加工技术精密与超精密加工技术54 双频激光测量（图7-33）固定反射棱镜图7-33 双频激光测量系统原理图干涉测量仪f2 +f2f1氦氖激光器轴向强磁场NS1/4波片分光镜透镜组f1 f2f1 f2移动反射棱镜f2f2 +f2偏振分光镜f1f1ff +f27.2.1 精密
42、与超精密加工技术精密与超精密加工技术由于移动反射棱镜随被测件移动，频率f2变成 f2f2 。两路反射回来的光经偏振分光镜汇合一起，再经反射镜和干涉测量仪获得拍频信号，其频率为：f1（ f2 f2 ）= f + f2 经分光镜，折射一小部分，经干涉测量仪获得拍频f（= f1 f2）的参考信号。大部分激光到偏振分光镜：垂直线偏振光f1被反射，再经固定反射棱镜反射回来；水平线偏振光 f2全部透射，再经移动反射棱镜反射回来。该信号与参考信号比较， 获得f2 的具有长度单位当量的电信号。由于使用频率差f 进行测量，使其不受环境变化影响，可获得高的测量精度和测量稳定性。氦氖激光器发出的激光，在轴向强磁场作
43、用下，产生频率 f1和f2旋向相反的圆偏振光，经1/4波片形成频率f1的垂直线偏振光和频率f2的水平线偏振光。经透镜组成平行光束。55图7-34 双频激光测量系统7.2.1 精密与超精密加工技术精密与超精密加工技术56恒温恒温要求：1 0.01 实现方法：大、小恒温间+局部恒温（恒温罩，恒温油喷淋）恒恒湿湿要求：相对湿度35%45%，波动10% 1% 实现方法：采用空气调节系统 净净化化要求：10000100级（100级系指每立方英尺空气中所含大于0.5m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
44、簧隔振器 q 精密与超精密加工环境7.2.1 精密与超精密加工技术精密与超精密加工技术57 微微细细加加工工 通通常常指指1mm1mm以以下下微微细细尺尺寸寸零零件件的的加加工工，其加工误差为其加工误差为0.1m 0.1m 10m 10m 。 超超微微细细加加工工 通通常常指指1m1m以以下下超超微微细细尺尺寸寸零零件件的的加加工，其加工误差为工，其加工误差为0.01m 0.01m 0.1m0.1m。 精精度度表表示示方方法法一一般般尺尺寸寸加加工工，其其精精度度用用误误差差尺尺寸寸与与加加工工尺尺寸寸比比值值表表示示；微微细细加加工工，其其精精度度用用误误差差尺尺寸寸绝绝对对值值表示。表示。
45、“ “加加工工单单位位” ” 去去除除一一块块材材料料的的大大小小，对对于于微微细细加加工工，加工单位可以到分子级或原子级。加工单位可以到分子级或原子级。 微微切切削削机机理理切切削削在在晶晶粒粒内内进进行行，切切削削力力要要超超过过晶晶体体内分子、原子间的结合力，单位面积切削阻力急剧增大。内分子、原子间的结合力，单位面积切削阻力急剧增大。概述概述7.2.2 微细与超微细加工技术微细与超微细加工技术58热流动加工（火焰，高频，热射线，激光）压铸，挤压，喷射，浇注微离子流动加工热表面流动粘滞性流动摩擦流动变形加工(流动加工)化学镀，气相镀（电镀，电铸）氧化，氮化（阳极氧化）（真空）蒸镀，晶体增长
46、，分子束外延烧结，掺杂，渗碳，（侵镀，熔化镀）溅射沉积，离子沉积（离子镀）离子溅射注入加工化学(电化学)附着化学(电化学)结合热附着扩散(熔化)结合物理结合注入结合加工(附着加工)车削，铣削，钻削，磨削蚀刻，化学抛光，机械化学抛光电解加工，电解抛光电子束加工，激光加工，热射线加工扩散去除加工，熔化去除加工离子束溅射去除加工，等离子体加工机械去除化学分解电解蒸发扩散与熔化溅射分离加工(去除加工)加工方法加工机理表7-6 微细与超微细加工机理与加工方法7.2.2 微细与超微细加工技术微细与超微细加工技术59主要采用铣、钻和车三种形式，可加工平面、内腔、孔和外圆表面。刀具：多用单晶金刚石 车 刀 、
47、 铣 刀 （ 图 7-35）。铣刀的回转半径（可小到5m）靠刀尖相对于回转轴线的偏移来得到。当刀具回转时，刀具的切削刃形成一个圆锥形的切削面。微细机械微细机械加工加工图7-35 单晶金刚石铣刀刀头形状7.2.2 微细与超微细加工技术微细与超微细加工技术60微小位移机构微小位移机构 ，微量移动应可小至几十个纳米，微量移动应可小至几十个纳米 。高高灵灵敏敏的的伺伺服服进进给给系系统统。要要求求低低摩摩擦擦的的传传动动系系统统和和导导轨轨支承系统，以及高跟踪精度的伺服系统。支承系统，以及高跟踪精度的伺服系统。 高的定位精度和重复定位精度，高平稳性的进给运动。高的定位精度和重复定位精度，高平稳性的进给
48、运动。低热变形结构设计。低热变形结构设计。 刀具的稳固夹持和高的安装精度。刀具的稳固夹持和高的安装精度。 高的主轴转速及动平衡。高的主轴转速及动平衡。 稳固的床身构件并隔绝外界的振动干扰。稳固的床身构件并隔绝外界的振动干扰。 具有刀具破损检测的监控系统。具有刀具破损检测的监控系统。 微细机械加工设备 FANUC ROBO nano Ui 型微型超精密加工机床（图7-36） 7.2.2 微细与超微细加工技术微细与超微细加工技术61 机机床床有有X X、Z Z、C C、B B四四个个轴轴，在在B B 轴轴回回转转工工作作台台上上增增加加A A轴轴转转台台后后，可可实实现现5 5轴轴控控制制，数数控
49、控系系统统的的最最小小设设定定单单位位为为1nm1nm。可可进进行行车车、铣铣、磨磨和和电火花加工。电火花加工。 旋旋转转轴轴采采用用编编码码器器半半闭闭环环控控制制，直直线线轴轴则则采采用用激激光光全全息息式式全全闭环控制。闭环控制。 为为了了降降低低伺伺服服系系统统的的摩摩擦擦，导导轨轨、丝丝杠杠螺螺母母副副以以及及伺伺服服电电机机转转子子的的推推力力轴轴承承和和径径向向轴轴承承均均采采用用气气体体静静压结构。压结构。图7-36 FANUC 微型超精密加工机床7.2.2 微细与超微细加工技术微细与超微细加工技术62 载流导体：载流导体： 逆逆压压电电材材料料（如如压压电电陶陶瓷瓷PZTPZ
50、T）电电场场作作用用引引起起晶晶体体内正负电荷重心位移（极化位移），导致晶体发生形变。内正负电荷重心位移（极化位移），导致晶体发生形变。 磁磁致致伸伸缩缩材材料料（如如某某些些强强磁磁材材料料）磁磁场场作作用用引引起起晶晶体发生应变。体发生应变。 直接线性驱动（直线电机驱动）7.2.2 微细与超微细加工技术微细与超微细加工技术 工作原理：载流导体在电场（或磁场）作用下产生微小工作原理：载流导体在电场（或磁场）作用下产生微小形变，并转化为微位移（图形变，并转化为微位移（图7 7- -3737） 。 特点：特点： 结构简单，运行可靠，传动效率高。结构简单，运行可靠，传动效率高。 进给量可调，进给速
51、度范围宽，加速度大。进给量可调，进给速度范围宽，加速度大。 行程不受限制。行程不受限制。 运动精度高。运动精度高。 技术复杂。技术复杂。63图7-37 电磁驱动装置（直线电机）工作原理逆压电元件电磁铁1电磁铁2逆压电元件电磁铁1电磁铁2电磁铁2去掉励磁，松开逆压电元件电磁铁1电磁铁2逆压电元件加励磁电压，伸长逆压电元件电磁铁1电磁铁2电磁铁2加励磁，夹紧电磁铁1去掉励磁，松开逆压电元件电磁铁1电磁铁2逆压电元件去掉励磁电压，恢复原长，电磁铁1移动 逆压电元件电磁铁1电磁铁2电磁铁加励磁，夹紧7.2.2 微细与超微细加工技术微细与超微细加工技术64图7-38 直线电机驱动定位平台(YOKOGAW
52、A公司） 7.2.2 微细与超微细加工技术微细与超微细加工技术65 直线驱动与伺服电机驱动比较（表直线驱动与伺服电机驱动比较（表7-7-7 7）表7-7 直线驱动与伺服电机驱动比较 性 能 伺服电机滚珠丝杠 直线驱动 定位精度(m/300mm) 510 0.51.0 重复定位精度(m) 25 0.10.2 最高速度(m/min) 2050 60200 最大加速度(g) 12 210 寿命(h) 600010000 500007.2.2 微细与超微细加工技术微细与超微细加工技术66电极线沿着导丝器中的槽以510mm/min的低速滑动，可加工圆柱形的轴（图7-39）。如导丝器通过数字控制作相应的运
53、动，还可加工出各种形状的杆件（图7-40 ）。 线放电磨削法（WEDG） 图7-40 WEDG 可加工的各种截形杆微细电加工微细电加工 图7-39 WEDG工作原理工件金属丝导丝器7.2.2 微细与超微细加工技术微细与超微细加工技术67离子束4. 刻蚀（形成沟槽）5. 沉积（形成电路）6. 剥膜（去除光致抗蚀剂）3. 显影、烘片（形成窗口）窗口2. 曝光（投影或扫描）掩膜电子束图7-41 电子束光刻大规模集成电路加工过程 光刻加工（电子束光刻大规模集成电路）1. 涂胶（光致抗蚀剂）氧化膜光致抗蚀剂基片7.2.2 微细与超微细加工技术微细与超微细加工技术68要求：定位精度 0.1m，重复定位精度
54、 0.01m导轨：硬质合金滚动体导轨，或液（气）静压导轨工作台：粗动 伺服电机 + 滚珠丝杠 微动 压电晶体电致伸缩机构图7-42 电致伸缩微动工作台XY0Py1Py2Px微动工作台工作台微动的形成：X运动： Py1 Py2 Px长度变化Y运动： Py1 Py2 Py1长度变化Z转动： Py1 Py2 加工设备（电子束光刻大规模集成电路）7.2.2 微细与超微细加工技术微细与超微细加工技术69利用氩（Ar）离子或其它带有 10keV 数量级动能的惰性气体离子，在电场中加速，以极高速度“轰击”工件表面，进行“溅射”加工。离子束加工离子束加工图7-43 离子碰撞过程模型被排斥Ar离子回弹溅射原子位
55、移原子格点间停留离子一次溅射原子Ar离子二次溅射原子Ar离子格点置换离子位移原子工件表面工件真空7.2.2 微细与超微细加工技术微细与超微细加工技术70将被加速的离子聚焦成细束，射到被加工表面上。被加工表面受“轰击”后，打出原子或分子，实现分子级去除加工。 离子束溅射去除加工 四种工作方式7.2.2 微细与超微细加工技术微细与超微细加工技术惰性气体入口阴极中间电极电磁线圈阳极控制电极绝缘子引出电极离子束聚焦装置摆动装置工件三坐标工作台图7-44 离子束去除加工装置加工装置见图2-26。三坐标工作台可实现三坐标直线运动，摆动装置可实现绕水平轴的摆动和绕垂直轴的转动。71离子束溅射去除加工可用于非
56、球面透镜成形（需要5坐标运动），金刚石刀具和冲头的刃磨（图7-45），大规模集成电路芯片刻蚀等。图7-45 离子束加工金刚石制品离子束离子束r = 0.01m预加工终加工a) 金刚石压头r = 0.01m离子束离子束预加工终加工b) 金刚石刀具离子束溅射去除加工可加工金属和非金属材料。7.2.2 微细与超微细加工技术微细与超微细加工技术72 离子束溅射镀膜加工用加速的离子从靶材上打出原子或分子，并将这些原子或分子附着到工件上，形成“镀膜”。又被称为“干式镀”（图7-46）离子束源靶溅射材料溅射粒子工件真空图7-46 离子束溅射镀膜加工离子镀氮化钛，即美观，又耐磨。应用在刀具上可提高寿命1-2倍
57、。溅射镀膜可镀金属，也可镀非金属。由于溅射出来的原子和分子有相当大的动能，故镀膜附着力极强（与蒸镀、电镀相比）。7.2.2 微细与超微细加工技术微细与超微细加工技术73用高能离子（数十万KeV）轰击工件表面，离子打入工件表层，其电荷被中和，并留在工件中（置换原子或填隙原子），从而改变工件材料和性质。可用于半导体掺杂（在单晶硅内注入磷或硼等杂质，用于晶体管、集成电路、太阳能电池制作），金属材料改性（提高刀具刃口硬度）等方面。 离子束溅射注入加工 离子束曝光用在大规模集成电路制作中，与电子束相比有更高的灵敏度和分辨率。7.2.2 微细与超微细加工技术微细与超微细加工技术74 通常指纳米级（0.1n
58、m100nm）的材料、设计、制造、测量和控制技术。纳米技术涉及机械、电子、材料、物理、化学、生物、医学等多个领域。 在达到纳米层次后，决非几何上的“相似缩小”，而出现一系列新现象和规律。量子效应、波动特性、微观涨落等不可忽略，甚至成为主导因素。 纳米技术研究的主要内容纳纳米米级级精精度度和和表表面面形形貌貌测测量量及及表表面面层层物物理理、化化学学性性能能检测；检测；纳米级加工；纳米级加工；纳米材料；纳米材料；纳米级传感与控制技术；纳米级传感与控制技术；微型与超微型机械。微型与超微型机械。7.2.3 纳米技术纳米技术75q 扫描隧道显微测量（STM） 扫扫描描隧隧道道显显微微镜镜1981198
59、1年年由由在在IBMIBM瑞瑞士士苏苏黎黎世世实实验验室室工工作作的的G.BinningG.Binning 和和 H.Rohrer H.Rohrer 发发明明，可可用用于于观观察察物物体体 级级的的表表面面形形貌貌。被被列列为为2020世世纪纪8080年年度度世世界界十十大大科科技技成成果果之之一一，19861986年因此获诺贝尔物理学奖。年因此获诺贝尔物理学奖。 STMSTM工工作作原原理理基基于于量量子子力力学学的的隧隧道道效效应应。当当两两电电极极之之间间距距离离缩缩小小到到1nm1nm时时，由由于于粒粒子子波波动动性性，电电流流会会在在外外加加电电场场作作用用下下，穿穿过过绝绝缘缘势势
60、垒垒，从从一一个个电电极极流流向向另另一一个个电电极极。当当一一个个电电极极为为非非常常尖尖锐锐的的探探针针时时，由由于于尖尖端端放放电电使使隧隧道道电流加大。电流加大。7.2.3 纳米技术纳米技术G.Binning H.RohrerG.Binning H.Rohrer76STM图7- 48 STM工作过程演示图7- 47 STM实物照片 7.2.3 纳米技术纳米技术77通过扫描隧道显微镜操纵氙原子用35个原子排出的“IBM”字样 石墨三维图像 7.2.3 纳米技术纳米技术图7- 49 用STM移动分子组成的IBM字样图7- 50 用STM观察石墨原子排列78 当当探探针针与与试试件件表表面面
61、距距离离达达1nm1nm时时，形形成成隧隧道道结结（图图7-517-51）。当当偏偏压压U Ub b小小于于势势垒垒高高度度 时时，隧隧道道电流密度为：电流密度为：式中 h 普郎克常数； e 电子电量； ka，k0 系数。 由由上上式式可可见见，探探针针与与试试件件表表面面距距离离 d d 对对隧隧道道电电流流密密度度非非常敏感，这正是常敏感，这正是STMSTM的基础。的基础。12d试件STM探针Ub图7-51 STM隧道结7.2.3 纳米技术纳米技术79 两种测量模式（2）恒电流测量模式（图7-52b）：探针在试件表面扫描，使用反馈电路驱动探针，使探针与试件表面之间距离（隧道间隙）不变。此时
62、探针移动直接描绘了试件表面形貌。此种测量模式隧道电流对隧道间隙的敏感性转移到反馈电路驱动电压与位移之间的关系上，避免了非线性，提高了测量精度和测量范围。b）试件输出运动轨迹驱动电路扫描器检测电路控制器图7-52 STM工作原理扫描器检测电路a）输出试件运动轨迹（1）等高测量模式（图7-52a）：探针以不变高度在试件表面扫描，隧道电流随试件表面起伏而变化，从而得到试件表面形貌信息。7.2.3 纳米技术纳米技术80 关键技术：（1）STM探针金属丝经化学腐蚀，在腐蚀断裂瞬间切断电流，获得尖峰，曲率半径为10nm左右。图7-53 STM针尖7.2.3 纳米技术纳米技术81（2）隧道电流反馈控制（图7
63、-54）7.2.3 纳米技术纳米技术计算机差分比较积分放大比例放大高压放大A/DXYZ控制信号设定电压前置放大对数放大（线性化）探针压电陶瓷试件图7-54 隧道电流反馈控制系统原理框图D/A82（3）纳米级扫描运动压电陶瓷扫描管（图7-55）（4）信号采集与数据处理由软件完成。XZ陶瓷管金属膜+UX-UX-UY+UYUZa）LL0b）图7-55 压电陶瓷扫描管结构及工作原理当陶瓷管内壁接地，X轴两外壁电极电压相反时，陶瓷管一侧伸长，另一侧缩短，形成X方向扫描(图7-55b ) 。若两外壁电极电压相同，则陶瓷管伸长或缩短，形成Z方向位移。压电陶瓷扫描管结构见图7-55 a ，其工作原理见图7-5
64、5b。7.2.3 纳米技术纳米技术83 原子力显微镜（AFM） 当当两两原原子子间间距距离离缩缩小小到到 级级时时，原原子子间间作作用用力力显显示示出出来来，造造成成两两原原子子势势垒垒高高度度降降低低，两两者者之之间间产产生生吸吸引引力力。而而当当两两原原子子间间距距离离继继续续缩缩小小至至原原子子直直径径时时，由由于于原原子子间间电电子子云云的的不不相相容性，两者之间又产生排斥力。容性，两者之间又产生排斥力。 AFAFMM两种测量模式：两种测量模式： 接触式探探针针针针尖尖与与试试件件表表面面距距离离0.50.5nmnm，利利用用原原子子间间的的排排斥斥力力。由由于于分分辨辨率率高高，目目
65、前前采采用用较较多多。其其工工作作原原理理是是：保保持持探探针针与与被被测测表表面面间间的的原原子子排排斥斥力力一一定定，探探针针扫扫描描时时的的垂垂直位移即反映被测表面形貌。直位移即反映被测表面形貌。 非接触式探探针针针针尖尖与与试试件件表表面面距距离离为为0.50.51 1nmnm，利利用用原子间的吸引力。原子间的吸引力。 为解决非导体微观表面形貌测量，借鉴扫描隧道显微镜原为解决非导体微观表面形貌测量，借鉴扫描隧道显微镜原理，理，C.Binning C.Binning 于于19861986年发明年发明原子力显微镜原子力显微镜。7.2.3 纳米技术纳米技术84AFM探针被微力弹簧片压向试件表
66、面，原子排斥力将探针微微抬起。达到力平衡。 AFM探针扫描时，因微力簧片压力基本不变，探针随被测表面起伏。 AFAFMM结构（图结构（图7-567-56）STM驱动AFM扫描驱动AFM探针STM探针试件微力簧片图7-56 AFM结构简图在簧片上方安装STM探针， STM探针与簧片间产生隧道电流，若控制电流不变，则STM探针与AFM探针（微力簧片）同步位移，于是可测出试件表面微观形貌。7.2.3 纳米技术纳米技术85图7-57 AFM实物照片扫描探针磁盘图像7.2.3 纳米技术纳米技术86LIGALIGA（Lithographic Galuanoformung Abformung Lithogr
67、aphic Galuanoformung Abformung ） 1）以同步加速器放射的短波长（1nm）X射线作为曝光光源，在厚度达0.5mm的光致抗蚀剂上生成曝光图形的三维实体； 2）用曝光蚀刻图形实体作电铸模具，生成铸型； 3）以生成的铸型作为模具，加工出所需微型零件。X射线曝光腐蚀溶解抗蚀剂电铸铸型注射成形零件图7-58 LIGA制作零件过程 LIGA由深层同步X射线光刻、电铸成形、塑注成形组合而成。包括三个主要工序（图7-58）：7.2.3 纳米技术纳米技术87图7-59 LIGA工作现场7.2.3 纳米技术纳米技术88 50 m 图7-60 X射线刻蚀的三维实体 LIGA特点用材广泛
68、，可以是金属及其合金、陶瓷、聚合物、玻璃等用材广泛，可以是金属及其合金、陶瓷、聚合物、玻璃等可可以以制制作作高高度度达达0.10.10.5mm0.5mm，高高宽宽比比大大于于200200的的三三维维微微结结构构（图（图7-607-60），形状精度达亚微米，形状精度达亚微米 LIGA代表产品及应用微微传传感感器器、微微电电机机、微微机机械械零零件件、微微光光学学元元件件、微微波波元元件件、真真空空电电子子元元件件、微型医疗器械等微型医疗器械等广广泛泛应应用用于于加加工工、测测量量、自自动动化化、电电子子、生生物物、医医学、化工等领域学、化工等领域7.2.3 纳米技术纳米技术可以实现大批量复制，成
69、本较低可以实现大批量复制，成本较低89机械制造技术基础机械制造技术基础 第第7章章 制造技术的发展制造技术的发展Development of Manufacturing Technology7.3 特种加工技术特种加工技术Nontraditional machining Technology90 非非传传统统加加工工又又称称特特种种加加工工，通通常常被被理理解解为为别别于于传传统统切切削与磨削加工方法的总称。削与磨削加工方法的总称。 非非传传统统加加工工方方法法 产产生生于于二二次次大大战战后后。两两方方面面问问题题传传统统机械加工方法难于解决：机械加工方法难于解决： 1 1）难难加加工工材材
70、料料的的加加工工问问题题。宇宇航航工工业业等等对对材材料料高高强强度度、高高硬硬度度、高高韧韧性性、耐耐高高温温、耐耐高高压压、耐耐低低温温等等的的要要求求，使新材料不断涌现。使新材料不断涌现。 2 2）复杂形面、薄壁、小孔、窄缝等特殊工件加工问题。）复杂形面、薄壁、小孔、窄缝等特殊工件加工问题。 为解决上面两方面问题，出现了非传统加工方法。为解决上面两方面问题，出现了非传统加工方法。 非非传传统统加加工工方方法法将将电电、磁磁、声声、光光等等物物理理量量及及化化学学能能量量或或其其组组合合直直接接施施加加在在工工件件被被加加工工的的部部位位上上，从从而而使使材材料被去除、累加、变形或改变性能
71、等。料被去除、累加、变形或改变性能等。 7.3.1 特种加工技术概述特种加工技术概述91 非非传传统统加加工工方方法法主主要要不不是是依依靠靠机机械械能能，而而是是用用其其它它能能量量（如电能、光能、声能、热能、化学能等）去除材料。（如电能、光能、声能、热能、化学能等）去除材料。 非非传传统统加加工工方方法法由由于于工工具具不不受受显显著著切切削削力力的的作作用用，对对工工具和工件的强度、硬度和刚度均没有严格要求。具和工件的强度、硬度和刚度均没有严格要求。 一一般般不不会会产产生生加加工工硬硬化化现现象象。且且工工件件加加工工部部位位变变形形小小，发发热热少少，或或发发热热仅仅局局限限于于工工
72、件件表表层层加加工工部部位位很很小小区区域域内内，工件热变形小，加工应力也小，易于获得好的加工质量。工件热变形小，加工应力也小，易于获得好的加工质量。 加加工工中中能能量量易易于于转转换换和和控控制制，有有利利于于保保证证加加工工精精度度和和提提高加工效率。高加工效率。 非非传传统统加加工工方方法法的的材材料料去去除除速速度度，一一般般低低于于常常规规加加工工方方法，这也是目前常规加工方法仍占主导地位的主要原因。法，这也是目前常规加工方法仍占主导地位的主要原因。q 非传统加工方法特点7.3.1 特种加工技术概述特种加工技术概述92 机械过程 利利用用机机械械力力，使使材材料料产产生生剪剪切切、
73、断断裂裂，以以去去除除材材料料。如如超声波加工、水喷射加工、磨料流加工等。超声波加工、水喷射加工、磨料流加工等。q 非传统加工方法分类（按加工机理和采用的能源划分） 热学过程 通通过过电电、光光、化化学学能能等等产产生生瞬瞬时时高高温温，熔熔化化并并去去除除材材料料，如电火花加工、高能束加工、热力去毛刺等。如电火花加工、高能束加工、热力去毛刺等。 电化学过程 利利用用电电能能转转换换为为化化学学能能对对材材料料进进行行加加工工，如如电电解解加加工工、电铸加工电铸加工（金属离子沉积）（金属离子沉积）等。等。 化学过程 利利用用化化学学溶溶剂剂对对材材料料的的腐腐蚀蚀、溶溶解解，去去除除材材料料，
74、如如化化学学蚀刻、化学铣削等。蚀刻、化学铣削等。7.3.1 特种加工技术概述特种加工技术概述93 复合过程 利利用用机机械械、热热、化化学学、电电化化学学的的复复合合作作用用，去去除除材材料料。常见的复合形式有：常见的复合形式有： 机机械械化化学学复复合合如如机机械械化化学学抛抛光光、电电解解磨磨削削、电电镀镀珩磨等。珩磨等。 机机械械热热能能复复合合如如加热切削、低温切削等。加热切削、低温切削等。 热热能能化化学学能能复复合合如电解电火花加工等。如电解电火花加工等。 其其它它复复合合过过程程如如超超声声切切削削、超超声声电电解解磨磨削削、磁力抛光磁力抛光（图（图7-617-61）等。）等。工
75、件（陶瓷滚柱）磁性材料磁极振动运动图7-61 磁力抛光示意图NS7.3.1 特种加工技术概述特种加工技术概述94 拓宽现有非传统加工方法的应用领域。拓宽现有非传统加工方法的应用领域。 探索新的加工方法，研究和开发新的元器件。探索新的加工方法，研究和开发新的元器件。 优化工艺参数，完善现有的加工工艺。优化工艺参数，完善现有的加工工艺。 向微型化、精密化发展。向微型化、精密化发展。 采采用用数数控控、自自适适应应控控 制制 、 CAD/CAMCAD/CAM、专专家家系系统统等等技技术术，提提高高加加工工过过程程自自动动化化、柔性化程度。柔性化程度。q 发展趋势图7-62 EI 收录文章数比较70年
76、代80年代90年代20841104232142244424214441321252353316激光加工 电火花加工 超声加工 电化学加工 图7-62反映了学术界和工程界对几种非传统加工方法的关注程度。7.3.1 特种加工技术概述特种加工技术概述95q 工作原理：利用工具电极与工件电极之间脉冲性火花放电，产生瞬时高温，工件材料被熔化和气化。同时，该处绝缘液体也被局部加热，急速气化，体积发生膨胀，随之产生很高的压力。在这种高压作用下，已经熔化、气化的材料就从工件的表面迅速被除去（图7-63）。 4个阶段： 1）介质电离、击穿，形成放电通道； 2）火花放电产生熔化、气化、热膨胀； 3）抛出蚀除物；
77、4）间隙介质消电离（恢复绝缘状态）。 电火花加工电火花加工7.3.2 几种代表性特种加工方法几种代表性特种加工方法图7-63 电火花加工原理图进给系统放电间隙工具电极工件电极直流脉冲电源工作液Real96图7-64 电火花加工机床7.3.2 几种代表性特种加工方法几种代表性特种加工方法97 电电极极材材料料要要求求导导电电，损损耗耗小小，易易加加工工；常常用用材材料料：紫铜、石墨、铸铁、钢、黄铜等，其中石墨最常用。紫铜、石墨、铸铁、钢、黄铜等，其中石墨最常用。 工工作作液液主主要要功功能能压压缩缩放放电电通通道道区区域域，提提高高放放电电能能量量密密度度，加加速速蚀蚀物物排排出出；常常用用工工
78、作作液液有有煤煤油油、机机油油、去去离离子子水、乳化液等。水、乳化液等。 放放电电间间隙隙合合理理的的间间隙隙是是保保证证火火花花放放电电的的必必要要条条件件。为为保保持持适适当当的的放放电电间间隙隙，在在加加工工过过程程中中，需需采采用用自自动动调调节节器控制机床进给系统，并带动工具电极缓慢向工件进给。器控制机床进给系统，并带动工具电极缓慢向工件进给。q 工作要素 脉脉冲冲宽宽度度与与间间隔隔影影响响加加工工速速度度、表表面面粗粗糙糙度度、电电极极消消耗耗和和表表面面组组织织等等。脉脉冲冲频频率率高高、持持续续时时间间短短，则则每每个个脉脉冲去除金属量少，表面粗糙度值小，但加工速度低。冲去除
79、金属量少，表面粗糙度值小，但加工速度低。 通通常常放放电电持持续续时时间间在在2s2s至至2ms2ms范范围围内内，各各个个脉脉冲冲的的能能量量2mJ2mJ到到20J20J（电流为电流为400A400A时）之间。时）之间。7.3.2 几种代表性特种加工方法几种代表性特种加工方法98电电火火花花线线切切割割加加工工：用用连连续续移移动动的的钼钼丝丝（或或铜铜丝丝）作作工工具具阴阴极极，工工件件为为阳阳极极。机机床床工工作作台台带带动动工工件件在在水水平平面面内内作作两两个个方方向向移移动动，可可切切割割出出二二维维图图形形（图图7-7-6565）。同同时时，丝丝架架可可作作小小角角度度摆摆动，可
80、切割出斜面。动，可切割出斜面。q 电火花加工类型7.3.2 几种代表性特种加工方法几种代表性特种加工方法图7-65 电火花线切割原理图XY储丝筒导轮电极丝工件Real电火花成形加工：主要指孔加工，型腔加工等电火花成形加工：主要指孔加工，型腔加工等RealReal99电火花线切割机床图7-66 电火花线切割加工加工过程显示7.3.2 几种代表性特种加工方法几种代表性特种加工方法100 不不受受加加工工材材料料硬硬度度限限制制，可可加加工工任任何何硬硬、脆脆、韧韧、软软的的导电材料。导电材料。 加加工工时时无无显显著著切切削削力力，发发热热小小，适适于于加加工工小小孔孔、薄薄壁壁、窄槽、形面、型腔
81、及曲线孔等，且加工质量较好。窄槽、形面、型腔及曲线孔等，且加工质量较好。 脉冲参数调整方便，可一次装夹完成粗、精加工。脉冲参数调整方便，可一次装夹完成粗、精加工。 易于实现数控加工。易于实现数控加工。q 电火花加工特点q 电火花加工应用 电电火火花花成成形形加加工工：电电火火花花打打孔孔常常用用于于加加工工冷冷冲冲模模、拉拉丝丝模模、喷喷嘴嘴、喷喷丝丝孔孔等等。型型腔腔加加工工包包括括锻锻模模、压压铸铸模模、挤挤压压模、塑料模等型腔加工，以及叶轮、叶片等曲面加工。模、塑料模等型腔加工，以及叶轮、叶片等曲面加工。 电电火火花花线线切切割割：广广泛泛用用于于加加工工各各种种硬硬质质合合金金和和淬淬
82、硬硬钢钢的的冲模、样板、各种形状复杂的板类零件、窄缝、栅网等。冲模、样板、各种形状复杂的板类零件、窄缝、栅网等。 7.3.2 几种代表性特种加工方法几种代表性特种加工方法101工作原理：工件接阳极，工具（铜或不锈钢）接阴极，两极间加直流电压624V，极间保持0.11mm间隙。在间隙处通以 660m/S高速流动电解液，形成极间导电通路，工件表面材料不断溶解，溶解物及时被电解液冲走。工具阴极不断进给，保持极间间隙。 图7-67 电解加工原理图电解液直流电源泵工件阳极阴极进给工具阴极电解加工电解加工7.3.2 几种代表性特种加工方法几种代表性特种加工方法102 不不受受材材料料硬硬度度的的限限制制，
83、能能加加工工任任何何高高硬硬度度、高高韧韧性性的的导导电电材材料料，并并能能以以简简单单的的进进给给运运动动一一次次加加工工出出形形状状复复杂杂的的形形面和型腔。面和型腔。 加加工工形形面面、型型腔腔生生产产率率高高（与与电电火火花花加加工工比比高高5 51010倍倍）。采采用用振振动动进进给给和和脉脉冲冲电电流流等等新新技技术术，可可进进一一步步提提高高生生产产效率和加工精度。效率和加工精度。 阴极在加工中损耗小。阴极在加工中损耗小。 加工表面质量好，无毛刺、残余应力和变形层。加工表面质量好，无毛刺、残余应力和变形层。 设备投资大，有污染，需防护。设备投资大，有污染，需防护。 模模具具型型腔
84、腔、枪枪炮炮膛膛线线、发发电电机机叶叶片片、花花键键孔孔、内内齿齿轮轮、小而深的孔加工，电解抛光、倒棱、去毛刺等。小而深的孔加工，电解抛光、倒棱、去毛刺等。q 电解加工特点q 电解加工应用7.3.2 几种代表性特种加工方法几种代表性特种加工方法103 工工件件与与磨磨轮轮保保持持一一定定接接触触压压力力，突突出出的的磨磨料料使使磨磨轮轮导导电电基基体体与与工工件件之之间间形形成成一一定定间间隙隙。电电解解液液从从中中流流过过时时，工工件件产产生生阳阳极极溶溶解解，表表面面生生成成一一层层氧氧化化膜膜，其其硬硬度度远远比比金金属属本本身身低低，易易被被刮刮除除，露露出出新新金金属属表表面面，继继
85、续续进进行行电电解解。电电解解作用与磨削作用交替进行，实现加工。作用与磨削作用交替进行，实现加工。 电电解解磨磨削削效效率率比比机机械械磨磨削削高高，且且磨磨轮轮损损耗耗远远比比机机械械磨磨削削小小，特特别别是是磨磨削削硬硬质质合合金金时时，效效果果更更明明显。显。 7.3.2 几种代表性特种加工方法几种代表性特种加工方法导电磨轮电解液电刷工作台工件绝缘板导电基体磨料阳极膜q 电解磨削（图7-68）104真真空空条条件件下下，利利用用电电流流加加热热阴阴极极发发射射电电子子束束，经经控控制制栅栅极极初初步步聚聚焦焦后后，由由加加速速阳阳极极加加速速，通通过过透透镜镜聚聚焦焦系系统统进进一一步步
86、聚聚焦焦，使使能能量量密密度度集集中在直径中在直径5 510m10m斑点内。斑点内。高高速速而而能能量量密密集集的的电电子子束束冲冲击击到到工工件件上上，被被冲冲击击点点处处形形成成瞬瞬时时高高温温（几几分分之之一一微微秒秒时时间间内内升升高高至至几几千千摄摄氏氏度度），工工件件表表面面局局部部熔熔化化、气气化化直至被蒸发去除。直至被蒸发去除。 图7-69 电子束加工原理图控制栅极加速阳极电子束斑点旁热阴极聚焦系统工件工作台电子束加工电子束加工工作原理（图7-69）7.3.2 几种代表性特种加工方法几种代表性特种加工方法105 电电子子束束束束径径小小（最最小小直直径径可可达达0.010.01
87、0.05mm0.05mm），而而电电子束长度可达束径几十倍，故可加工微细深孔、窄缝。子束长度可达束径几十倍，故可加工微细深孔、窄缝。 材材料料适适应应性性广广（原原则则上上各各种种材材料料均均能能加加工工），特特别别适适用于加工特硬、难熔金属和非金属材料。用于加工特硬、难熔金属和非金属材料。 非非接接触触加加工工，无无工工具具损损耗耗；无无切切削削力力，加加工工时时间间极极短短，工件无变形。工件无变形。 加工速度高，切割加工速度高，切割1mm1mm厚厚钢板，速度可达钢板，速度可达240mm/min240mm/min。 在在真真空空中中加加工工，无无氧氧化化，特特别别适适于于加加工工高高纯纯度度
88、半半导导体体材料和易氧化的金属及合金。材料和易氧化的金属及合金。 加工设备较复杂，投资较大。多用于微细加工。加工设备较复杂，投资较大。多用于微细加工。 q 特点及应用7.3.2 几种代表性特种加工方法几种代表性特种加工方法106 激激光光是是一一种种受受激激辐辐射射而而得得到的加强光到的加强光。其基本特征：其基本特征： 强度高，亮度大强度高，亮度大 波长频率确定，单色性好波长频率确定，单色性好 相干性好，相干长度长相干性好，相干长度长 方方向向性性好好，几几乎乎是是一一束束平平行光行光 q 工作原理（图7-70）激光加工激光加工7.3.2 几种代表性特种加工方法几种代表性特种加工方法当当激激光
89、光束束照照射射到到工工件件表表面面时时，光光能能被被吸吸收收，转转化化成成热热能能，使使照照射射斑斑点点处处温温度度迅迅速速升升高高、熔熔化化、气气化化而而形形成成小小坑坑，由由于于热热扩扩散散，使使斑斑点点周周围围金金属属熔熔化化，小小坑坑内内金金属属蒸蒸气气迅迅速速膨膨胀胀，产产生生微微型型爆爆炸炸，将将熔熔融融物物高高速速喷喷出出并并产产生生一一个个方方向向性性很很强强的的反冲击波，于是在被加工表面上打出一个上大下小的孔。反冲击波，于是在被加工表面上打出一个上大下小的孔。激光器激光器工件工件工作台工作台图图7-7-70 70 激光加工原理图激光加工原理图光阑光阑反射镜反射镜聚焦镜聚焦镜电
90、源Real107 固体激光器固体激光器 YAGYAG（结晶母材由钇、铝和石榴石构成）激光器结晶母材由钇、铝和石榴石构成）激光器 红宝石激光器红宝石激光器混合气体：氦约80%，氮约15%， CO2 约5%通过高压直流放电进行激励波 长 10.6m，为不可见光能量效率5% 15%反射凹镜反射平镜电极放电管CO2气体冷却水进口冷却水出口激光高压直流电源图7-71 CO2激光器示意图 气体激光器气体激光器COCO2 2激光器（图激光器（图7-7-7171）7.3.2 几种代表性特种加工方法几种代表性特种加工方法q 激光器108 加加工工材材料料范范围围广广，适适用用于于加加工工各各种种金金属属材材料料
91、和和非非金金属属材材料料，特特别别适适用用于于加加工工高高熔熔点点材材料料，耐耐热热合合金金及及陶陶瓷瓷、宝宝石石、金金刚刚石等硬脆材料。石等硬脆材料。 加加工工性性能能好好，工工件件可可离离开开加加工工机机进进行行加加工工，可可透透过过透透明明材材料加工，可在其他加工方法不易达到的狭小空间进行加工。料加工，可在其他加工方法不易达到的狭小空间进行加工。 非接触加工方式，热变形小，加工精度较高。非接触加工方式，热变形小，加工精度较高。 可可进进行行微微细细加加工工。激激光光聚聚焦焦后后焦焦点点直直径径理理论论上上可可小小至至11以以下，实际上可实现下，实际上可实现0.01mm0.01mm的小孔加
92、工和窄缝切割。的小孔加工和窄缝切割。 加工速度快，效率高。加工速度快，效率高。 激激光光加加工工不不仅仅可可以以进进行行打打孔孔和和切切割割，也也可可进进行行焊焊接接、热热处处理等工作。理等工作。 激光加工可控性好，易于实现自动控制。加工设备昂贵。激光加工可控性好，易于实现自动控制。加工设备昂贵。q 激光加工特点7.3.2 几种代表性特种加工方法几种代表性特种加工方法109 激光打孔激光打孔 广泛应用于金刚石拉丝模、钟广泛应用于金刚石拉丝模、钟表宝石轴承、陶瓷、玻璃等非金属表宝石轴承、陶瓷、玻璃等非金属材料，和硬质合金、不锈钢等金属材料，和硬质合金、不锈钢等金属材料的小孔加工。材料的小孔加工。
93、 激光打孔具有高效率、低成本激光打孔具有高效率、低成本的特点，特别适合微小群孔加工。的特点，特别适合微小群孔加工。 焦点位置对孔的质量影响：若焦点位置对孔的质量影响：若焦点与加工表面之间距离很大，则焦点与加工表面之间距离很大，则激光能量密度显著减小，不能进行激光能量密度显著减小，不能进行加工。如果焦点位置偏离加工表面加工。如果焦点位置偏离加工表面1mm1mm，可以进行加工，此时加工出可以进行加工，此时加工出孔的断面形状随焦点位置不同而发孔的断面形状随焦点位置不同而发生变化（图生变化（图7-7-7272）。）。 q 激光加工应用7.3.2 几种代表性特种加工方法几种代表性特种加工方法图7-72
94、焦点位置对孔形状影响Real110 激光热处理激光热处理 原原理理：照照射射到到金金属属表表面面上上的的激激光光使使表表面面原原子子迅迅速速蒸蒸发发，由此产生微冲击波会导致大量晶格缺陷形成，达到硬化。由此产生微冲击波会导致大量晶格缺陷形成，达到硬化。 优优点点：快快速速、不不需需淬淬火火介介质质、硬硬化化均均匀匀、变变形形小小、硬硬化化深度可精确控制。深度可精确控制。 7.3.2 几种代表性特种加工方法几种代表性特种加工方法 激光焊接激光焊接 与与打打孔孔相相比比，激激光光焊焊接接所所需需能能量量密密度度较较低低，因因不不需需将将材材料气化蚀除，而只要将工件的加工区烧熔使其粘合在一起。料气化蚀
95、除，而只要将工件的加工区烧熔使其粘合在一起。 优优点点：没没有有焊焊渣渣，不不需需去去除除工工件件氧氧化化膜膜，可可实实现现不不同同材材料之间的焊接，特别适宜微型机械和精密焊接。料之间的焊接，特别适宜微型机械和精密焊接。Real 激光切割激光切割 激激光光切切割割具具有有切切缝缝窄窄、速速度度快快、热热影影响响区区小小、省省材材料料、成本低等优点，并可以在任何方向上切割，包括内尖角。成本低等优点，并可以在任何方向上切割，包括内尖角。 可可以以切切割割钢钢板板、不不锈锈钢钢、钛钛、钽钽、镍镍等等金金属属材材料料，以以及及布匹、木材、纸张、塑料等非金属材料。布匹、木材、纸张、塑料等非金属材料。Re
96、al111图7-74 激光焊接车身图7-73 激光切割7.3.2 几种代表性特种加工方法几种代表性特种加工方法112 利利用用工工具具端端面面作作超超声声（161625kHz25kHz）振振动动，使使工工作作液液中中的的悬悬浮浮磨磨粒粒对对工工件件表表面面撞撞击抛磨来实现加工击抛磨来实现加工。 超超声声波波发发生生器器将将工工频频交交流流电电能能转转变变为为有有一一定定功功率率输输出出的的超超声声频频电电振振荡荡，通通过过换换能能器器将将超超声声频频电电振振荡荡转转变变为为超超声声机机械械振振动动，此此时时振振幅幅一一般般很很小小，再再通通过过振振幅幅扩扩大大棒棒（变变幅幅杆杆）使使固固定定在
97、在变变幅幅杆杆端端部部的的工工具具振振幅幅增增大大到到0.010.010.15mm0.15mm。 q 工作原理（图7-75）7.3.2 几种代表性特种加工方法几种代表性特种加工方法 变幅杆超声波发生器图7-75 超声波加工原理图振动方向工具换能器工作液喷嘴工件Real超声波加工超声波加工113图7-76 超声波加工机床图7-77 超声波加工样件7.3.2 几种代表性特种加工方法几种代表性特种加工方法114 适用于加工各种脆性金属材料和非金属材料，如玻璃、适用于加工各种脆性金属材料和非金属材料，如玻璃、陶瓷、半导体、宝石、金刚石等陶瓷、半导体、宝石、金刚石等 。 可加工各种复杂形状的型孔、型腔、
98、形面。可加工各种复杂形状的型孔、型腔、形面。 工具与工件不需作复杂的相对运动，机床结构简单。工具与工件不需作复杂的相对运动，机床结构简单。 被加工表面无残余应力，无破坏层，加工精度较高，尺被加工表面无残余应力，无破坏层，加工精度较高，尺寸精度可达寸精度可达0.010.010.05mm 0.05mm 。 加工过程受力小，热影响小，可加工薄壁、薄片等易变加工过程受力小，热影响小，可加工薄壁、薄片等易变形零件。形零件。 生产效率较低。采用超声复合加工（如超声车削，超声生产效率较低。采用超声复合加工（如超声车削，超声磨削，超声电解加工，超声线切割等）可提高加工效率。磨削，超声电解加工，超声线切割等）可
99、提高加工效率。q 超声波加工特点及应用7.3.2 几种代表性特种加工方法几种代表性特种加工方法115q 工作原理：q 加工装置（图7-78）q 喷嘴材料及工作条件（表7-11） 项目 材料 孔径/mm 至工件距离/mm 喷射角度/ 参数金刚石，蓝宝石，淬火钢0.0750.42.550030表7-11 喷嘴材料及工作条件图7-78 水喷射加工装置示意图喷嘴阀控制器蓄能器供水器过滤器泵增压器液压装置排水器工件射流d7.3.2 几种代表性特种加工方法几种代表性特种加工方法水喷射加工水喷射加工利用超高压水（或水与磨料的混合液）对工件进行切割（或打孔），又称高压水切割，或“水刀”。116q 工艺参数（表
100、7-12，表7-13） 表7-12 水喷射加工常用工艺参数 工艺参数 常用值 工艺参数 常用值 压力/MPa 70450 喷射力/N 45135 流速/m/s 300900 功率/kW 1040 流量/L/s 2.5 7.5 磨料耗量/kg/min 0.10.3工艺参数、效率、精度 石材 玻璃 ABS塑料 皮革 工件厚度/mm 25 12 2.8 4.45 喷嘴孔径/mm 0.3 0.3 0.1 0.1 流体压力/MPa 400 400 258 300 切割速度/m/min 0.1 0.1 0.85 0.55 切缝宽度/mm 0.5 0.5 0.2 0.2 切割精度/mm 0.05 0.05
101、表面粗糙度/m Ra12.5 Ra12.5 表7-13 几种材料高压水切割参数7.3.2 几种代表性特种加工方法几种代表性特种加工方法117机械制造技术基础机械制造技术基础 第第7章章 制造技术的发展制造技术的发展Development of Manufacturing Technology7.4 先进制造技术先进制造技术Advanced Manufacturing Technology1187.4.1 AMT 产生背景产生背景 AMT首先由美国于20世纪80年代末提出 长期以来，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
102、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 结果：导致美国在经济上竞争力下降，贸易逆差巨增，日本家电、汽车大量涌入并占领了美国市场。（20世纪60年代美国汽车产量占世界汽车总产量的2/3，而到了80年代下降到不足1/3）1197.4.1 AMT 产生背景产生背景 20世纪80年代,美国政府开始认识到问题的严重性 白宫一份报告称“美国经济衰退已威胁到国家安全” MIT 的一份报告写到“经济竞争归根结底是制造技术和制造能力的竞争”，“一个国家要生活好，必须生产好”，表明美国知识界与政府之间取得了共识
103、 1988年,美国政府投资进行大规模“21世纪制造企业战略”研究,并于其后不久提出了“先进制造技术”发展目标，制定并实施了“先进制造技术计划（ATP）”和“制造技术中心计划（MTC）” 1991年，白宫科学技术政策办公室发表“美国国家关键技术”报告，重新确立了制造业的地位1207.4.1 AMT 产生背景产生背景 “制造业仍是美国的经济基础，美国曾多年是制造业的世界领袖，不受挑战。但近十年我们的实力每况愈下，美国公司仍擅于作出新的突破，如IBM的高温超导发现，但往往不能很好地贯彻到底，即把技术既迅速又便宜地转化为新产品和新工艺。美国企业和政府对制造技术投资不足，与其它外国竞争者相比，美国公司在
104、整个研究开发计划中忽视了与工艺有关的研究开发。我们也忽视了现有技术和诀窍的传播，现在已有的新的制造技术和方法，只有少数美国公司开始采用，大部分公司仍是慢吞吞的。这个问题在雇有800万工人的35万家小型制造商中最为尖锐，他们往往缺乏取得这些技术的资源和能力” 1993年，克林顿在硅谷发表题为“促进美国经济增长的技术 增强经济实力的新方向”的演说，对制造业给予了实质性强有力的支持。121 先进制造技术计划先进制造技术计划（ATPATP）为为美美国国人人提提供供更更多多高高技技术术、高高工工资资就就业业机机会会，促促进进美美国经济增长；国经济增长；提高能源效益，减少污染，创造更加清洁的环境；提高能源
105、效益，减少污染，创造更加清洁的环境；使使美美国国私私人人制制造造业业在在世世界界市市场场上上更更具具有有竞竞争争力力，保保持持美国的竞争地位；美国的竞争地位；使教育系统对每个学生进行更富有挑战性的教育；使教育系统对每个学生进行更富有挑战性的教育；鼓鼓励励科科技技界界把把确确保保国国家家安安全全和和提提高高全全民民生生活活质质量量作作为为核心目标。核心目标。7.4.1 AMT 产生背景产生背景 uu 由美国联邦政府科学、工程和技术协调委员会（由美国联邦政府科学、工程和技术协调委员会（FCCSETFCCSET）提出，提出，19941994年度预算为年度预算为1414亿美元亿美元uuATP ATP
106、目标目标: :122 又称“合作伙伴计划”，由美国国家标准与技术研究院（NIST）牵头 目标：面向 35 万家中小企业(他们不像大企业有自己的开发能力，且资金不足)，在技术拥有者（通常为政府的研究机构、国家实验室、大学）与需要这些技术的中小企业之间建立合作的桥梁，使中小企业掌握先进制造技术，或使他们具有识别、选择适用于自己企业的先进制造技术的能力 方法：一个地区设立一个中心（至 95 年已建立了 30 个中心），为中小企业展示新的制造技术和设备，并进行培训，帮助他们选用 经费：国会拨款7.4.1 AMT 产生背景产生背景 制造技术中心计划制造技术中心计划（MTCMTC）123 汽车汽车 2mm
107、 2mm 工程，使轿车车身精度达到丰田水平工程，使轿车车身精度达到丰田水平1994 1994 年年，美美国国汽汽车车产产量量重重新新超超过过日日本本，重重新新占占领领欧欧、美美市场市场美美国国InterInter公公司司成成为为世世界界最最大大的的芯芯片片制制造造商商（在在此此之之前前芯芯片片生生产产也也不不敌敌日日本本，包包括括海海湾湾战战争争中中大大出出风风头头的的“ “爱爱国国者者” ”导弹上使用的芯片也是日本制造的）导弹上使用的芯片也是日本制造的）2020世世纪纪9090年年代代，经经济济持持续续增增长长，失失业业率率降降低低到到历历史史最最低低水平水平提提出出了了一一系系列列先先进进
108、制制造造技技术术的的新新理理论论、新新思思想想，如如：CECE，LPLP，AMAM，7.4.1 AMT 产生背景产生背景 ATP & MTCATP & MTC 效果显著效果显著124 7.4.1 AMT 产生背景产生背景 爱国者导弹爱国者导弹1257.4.2 AMT 内涵与体系结构内涵与体系结构 至今尚无明确的和一致公认的定义，通过对其特征的分析和多年的实践，可以认为： AMT是制造业不断吸收信息技术和现代管理技术的成果，将其综合应用于产品设计、加工、检测、管理、销售、使用、服务乃至回收的制造全过程，以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活生产，提高对动态多变市场的适应能力和竞争力的制造技术的总称。
109、 要点：AMT AMT 定义定义 目标提高制造企业对市场的适应能力和竞争力目标提高制造企业对市场的适应能力和竞争力 强调信息技术、现代管理技术与制造技术的有机结合强调信息技术、现代管理技术与制造技术的有机结合 信息技术、现代管理技术在整个制造过程中综合应用信息技术、现代管理技术在整个制造过程中综合应用1267.4.2 AMT 内涵与体系结构内涵与体系结构 美国联邦政府科学、工程和技术协调委员会（FCCSET）于1994年提出AMT的分类目录，指出 “AMT 是是制制造造技技术术和和现现代代高高技技术术结结合合而而产产生生的的一一个个完完整整的的技技术术群群”。其结构体系见图7-79。主体技术群
110、主体技术群主体技术群主体技术群面向制造的设计技术群（产品和工艺设计技术群）制造工艺技术群（加工和装配技术群）支撑技术群支撑技术群支撑技术群支撑技术群图7-79 AMT结构体系制造技术基础设施制造技术基础设施制造技术基础设施制造技术基础设施127 产品、工艺过程和工厂设计，包括： 计算机辅助设计（CAD） 适于加工和装配的设计（DFM，DFA） 工艺过程建模和仿真 计算机辅助工艺过程设计（CAPP） 工作环境设计 符合环保的设计 快速原型制造技术（快速原形法） 并行工程 其它 主体技术群之一：面向制造的设计技术群7.4.2 AMT 内涵与体系结构内涵与体系结构 128 7.4.2 AMT 内涵与
111、体系结构内涵与体系结构 主体技术群之二：制造工艺技术群 材料生产工艺 加工工艺，包括： 切削加工 材料热处理 表面涂层与改性 复合材料工艺 铸、锻、压力加工、模塑成形 电子工艺（光刻/沉积、离子注入等微细加工） 连接与装配 测试与检验 环保技术 维修技术 其它129 7.4.2 AMT 内涵与体系结构内涵与体系结构 信息技术 接口和通信 数据库技术 软件工程 决策支持系统 集成框架 人工智能、专家系统、神经网络 标准和框架 数据标准 产品定义标准 接口框架 工艺标准、检验标准 机床和工具技术 传感与控制技术 其它 支撑技术群 指支持设计和制造工艺两方面取得进步的基础性核心技术，包括：130 制
112、造技基础设施（ Infrastruction ） 使先进制造技术适用于具体企业应用环境，充分发挥其功能，取得最佳效益的一系列措施，是先进制造技术生长的机制和土壤。其内容主要包括： 质量管理 用户/供应商交换作用 工作人员培训和教育 技术获取和利用 全局监督与基准评测 其它7.4.2 AMT 内涵与体系结构内涵与体系结构 131AMST提出的AMT轮图 7.4.2 AMT 内涵与体系结构内涵与体系结构 TQCSE基础制造技术CADCAMNC技术ROBOTFMC清洁生产技术质量与可靠性CE系统管理技术MRPCIMSIMSAM集成技术新型产业及市场需求带动（重大装备、高新技术产业、社会协调发展）系统
113、工程及管理科学信息技术图7-80 AMST提出的先进制造技术体系图 新材料技术新能源技术第二个层次是新型的制造单元技术。如制造业自动化单元技术、极限加工技术、质量与可靠性技术、系统管理技术、CADCAM、清洁生产技术、新材料成形加工技术、激光与高密度能源加工技术、工艺模拟及工艺设计优化技术等。第一个层次是优质、高效、低耗、清洁基础制造技术。包括精密下料、精密塑性成形、精密铸造、精密加工、精密测量、毛坯强韧化、精密热处理、优质高效连接技术、功能性防护涂层及各种与设计有关的基础技术、各种现代管理技术。第三个层次是先进制造集成技术。这是应用信息技术和系统管理技术，通过网络与数据库对上述两个层次的技术
114、集成而形成的，如FMS、CIMS、IMS以及虚拟制造技术等。1327.4.3 AMT 特征与发展趋势特征与发展趋势 AMT 是一项综合性技术是一项综合性技术 AMT不是一项具体的技术，而是利用系统工程思想和方法将各种相关技术集合成一个整体，它特别强调计算机技术、信息技术和现代管理技术在整个制造过程中的综合应用，特别强调人的主体作用，强调人、技术、管理的有机结合。 AMT 是一项动态技术是一项动态技术 AMT 没有一个固定的模式，它要与企业的具体情况相结合。同时AMT 也不是一成不变的，而是动态发展的，它要不断地吸收和利用各种高新技术成果，并将其渗透到制造系统的各个部分和整个过程，使其不断趋于完
115、善。 AMT AMT 特征特征1337.4.3 AMT 特征与发展趋势特征与发展趋势 AMT 是面向全球竞争的技术是面向全球竞争的技术 通过提高企业综合效益和对市场的快速反应能力，达到提高竞争力的目标。 AMT 是面向是面向21世纪的技术世纪的技术 AMT是制造技术发展的新阶段，它保留了传统制造技术中有效要素，吸收并充分利用了一切高新技术，使其产生了质的飞跃。 AMT强调环保技术，符合可持续发展的战略。 AMT 是面向工业应用的技术是面向工业应用的技术 AMT 有明显的需求导向特征，不以追求技术高新度为目的，重在实际效果。1347.4.3 AMT 特征与发展趋势特征与发展趋势 AMT AMT
116、发展趋势发展趋势 信息技术对AMT发展起着越来越重要的作用 信息技术是各种先进制造技术的重要支撑，信息技术向制造技术的注入与融合，必将促进AMT的不断发展。 现代设计技术将迅速发展和不断完善 包括CAD，CAE，DFX，健壮设计，优化设计，智能设计，反求工程，面向全生命周期的设计等。 材料成形向精密、低耗、清洁方向发展 材料成形技术将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。据国际机械加工技术协会预测，本世纪初，塑性成形与磨削加工相结合，将取代大部分中小零件的切削加工。运用改性技术，将获得各种特殊性能要求的表面（涂）层，同时减少能耗并消除污染。 1357.4.3 AMT
117、特征与发展趋势特征与发展趋势 加工技术向超精密、超高速方向发展 绿色制造将成为21世纪制造业重要特征 包括：绿绿色色产产品品设设计计技技术术（产品在全生命周期符合环保、人类健康、能耗低、资源利用率高的要求）；绿绿色色制制造造技技术术（在整个制造过程，对环境负面影响最小，废弃物和有害物质的排放最小，资源利用效率最高）；产产品品的的回回收收和和循循环环再再制制造造（例如，汽车等产品的拆卸和回收技术，以及生态工厂的循环式制造技术等）。 虚拟制造将获得广泛应用 首先在虚拟制造环境中生成软产品原型（Soft Prototype）代替传统的硬样品（Hard Prototype）进行试验，对其性能和可制造性进行预测和评价，从而缩短产品的设计与制造周期，降低成本，提高系统快速响应市场变化的能力。 136
