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1、机械制造工艺的基本概念 机械制造工艺是将各种原材料通过改变其形状、尺寸、性能或相对位置，使之成为成品或半成品的方法和过程机械制造工艺流程是由原材料和能源的提供、毛坯和零件成形、机械加工、材料改性与处理、装配与包装、质量检测与控制等多个工艺环节组成第1页/共97页机械制造工艺的基本概念 按其功能的不同，可将机械制造工艺分为如下三个阶段：零件毛坯的成形准备阶段，包括原材料切割、焊接、铸造、锻压加工成形等机械切削加工阶段，包括车削、钻削、铣削、刨削、镗削、磨削加工等表面改性处理阶段，包括热处理、电镀、化学镀、热喷涂、涂装等第2页/共97页先进制造工艺的产生和发展 制造加工精度不断提高18世纪，加工第
2、一台蒸汽机所用的汽缸镗床，其加工精度为1 mm19世纪末，机械制造精度也仅为到了20世纪50年代末，实现了mm 级的加工精度在最近的一二十年时间内，机械制造加工精度提高了12个数量级，达到lOnm的精度水平第3页/共97页先进制造工艺的产生和发展 切削加工速度迅速提高在20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200，所允许的切削速度不超过lOmmin20世纪初，出现了高速钢，其耐热温度为500600，可允许的切削速度为3040mmin到了20世纪30年代，硬质合金开始得到使用，刀具的耐热温度达到8001000，切削速度很快提高到每分钟数百米随后，相继使用了陶瓷刀具、金刚石
3、刀具和立方氮化硼刀具，其耐热温度均在1000以上，切削速度可达每分钟一千至数千米 第4页/共97页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、功能材料等新型材料的发展与应用，对制造工艺提出了新的挑战 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、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第5页/共97页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械加工的效率由于微电子、计算机、自动检测和控制技术与制造工艺装备相结合，使工艺装备实现了从单机到系统、从刚性到柔性、
4、从简单到复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优化，大大提高了加工制造的效率和质量第6页/共97页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第7页/共97页先进制造工艺的产生和发展 优质清洁表面工程技术的形
5、成和发展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术近几十年来，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、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第8页/共97页先进制造工艺的特点 优质优质以先进制造以先进制造工艺加工制造出的工艺加工制造出的产品质量高、性能产品质量高、性能好、尺寸精确、表好、尺寸精确、表面光洁、组织致密、面光洁、组织致密、无缺陷杂质、使用无缺陷杂质、使用性能好、使用寿命性能好、使用寿命和可靠性高和可靠性高高效高效与传统制造与传统制造工艺相
6、比，先进制工艺相比，先进制造工艺可极大地提造工艺可极大地提高劳动生产率，大高劳动生产率，大大降低了操作者的大降低了操作者的劳动强度和生产成劳动强度和生产成本本低耗低耗先进制造工先进制造工艺可大大节省原材艺可大大节省原材料消耗，降低能源料消耗，降低能源的消耗，提高了对的消耗，提高了对日益枯竭的自然资日益枯竭的自然资源的利用率源的利用率洁净洁净应用先进制应用先进制造工艺可做到零排造工艺可做到零排放或少排放，生产放或少排放，生产过程不污染环境，过程不污染环境，符合日益增长的环符合日益增长的环境保护要求境保护要求第9页/共97页超高速加工技术超高速加工技术 第10页/共97页超高速加工技术的研究背景1
7、931年4月德国切削物理学家萨洛蒙(Carl Salomon)曾根据一些实验曲线，即人们常提及的著名的“萨洛蒙曲线”，提出了超高速切削的理论Salomon提出的切削速度与切削温度曲线 超高速切削概念示意图 第11页/共97页超高速加工技术的定义与特征超高速加工技术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高精度、高自动化和高柔性的制造设备，以提高切削速度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第12页/共97页不同加工工艺的切削速度范围 各种材料的切削速度范围 超高速加工技术的定义与特征第13页/共97页超高速加工技术的定义与特征超高速加工技术经济效益指标是：在保证加
8、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90，同时将加工费用减少50，以此衡量高切削速度的合理性第14页/共97页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切削与磨削机理研究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 第15页/共97页超高速加工技术的定义与特征超高速加工技术的特征切削力低 热变形小 材料切除率高 高精度 减少工序 第16页/共97页超高速加工技术的发展与应用超高速加工技术的发展自从德国Salomon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、应用探索、
9、初步应用、较成熟的应用四个发展阶段特别是20世纪80年代以来，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、安全装置以及高性能CNC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用提供了基本条件第17页/共97页超高速加工技术的发展与应用超高速加工技术的应用高速切削加工目前主要用于汽车工业大批生产、难加工材料、超精密微细切削、复杂曲面加工等不同的领域航空工业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，直接采用毛坯高速切削加工，
10、可不再采用铆接工艺，从而降低飞机重量模具制造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，可省去后续的电加工和手工研磨等工序第18页/共97页超高速切削加工的特点通常把切削速度比常规高510倍以上的切削叫做超高速切削 超高速切削加工的优越性有以下几点：加工效率高。高速切削加工比常规切削加工的切削速度高510倍 切削力小。高速切削加工切削力至少可降低30 热变形小加工精度高、加工质量好加工过程稳定减少后续加工工序良好的技术经济效益第19页/共97页超高速切削的关键技术超高速切削机床超高速切削机床是实现高速、超高速切削的必不可少
11、的设备。超高速机床有以下五项基本要求：超高速的主轴部件快速响应的数控系统快速的进给部件动、静、热刚度好的机床支承部件高压大流量喷射的冷却系统和安全装置第20页/共97页超高速切削的关键技术超高速的主轴部件在超高速数控机床中，几乎无一例外地采用了主轴电机与机床主轴合二为一的结构形式。即采用无外壳电机，将其空心转子直接套装在机床主轴上，带有冷却套的定子则安装在主轴单元的壳体内，形成内装式电机主轴，简称电主轴超高速主轴单元包括主轴动力源、主轴、轴承和机架四个主要部分，这四个部分构成一个动力学性能和稳定性良好的系统超高速电主轴结构 第21页/共97页超高速切削的关键技术超高速的主轴部件这种电主轴和以前
12、用于内圆磨床的内装式电机主轴有很大的区别，主要表现在：有很大的驱动功率和扭矩；有较宽的调速范围；有一系列监控主轴振动、轴承和电机温升等运行参数的传感器、测试控制和报警系统，以确保主轴超高速运转的可靠性与安全性 超高速主轴采用的轴承有滚动轴承、气浮轴承、液体静压轴承和磁浮轴承几种形式第22页/共97页超高速切削的关键技术超高速机床的数控系统超高速切削对数控系统的要求不断提高，最基本的要求是保证高精度、高速度 为了适应高速，要求单个程序段处理时间短为了在高速下保证加工精度，要有前馈和大量的超前程序段处理功能要求快速形成刀具路径，此路径应尽可能圆滑，走样条曲线而不是逐点跟踪，少转折点、无尖转点程序算
13、法应保证高精度；碰到干扰能迅速调整，保持合理的进给速度，避免刀具振动等第23页/共97页超高速切削的关键技术超高速机床的进给系统超高速切削在提高主轴速度的同时必须提高进给速度，并且要求进给运动能在瞬时达到高速和瞬时准停等 超高速切削机床的进给系统不仅要能达到很高的进给速度，还要求进给系统具有大的加速度以及高的定位精度 第24页/共97页超高速切削的关键技术超高速机床的进给系统更先进、更高速的直线电动机已经发展起来，它可以取代滚珠丝杠传动，提供更高的进给速度和更好的加、减速特性直线电机直接驱动的优点是：控制特性好、增益大、滞动小，在高速运动中保持较高位移精度；高运动速度，因为是直接驱动，最大进给
14、速度可高达100180 m/min；高加速度，由于结构简单、质量轻，可实现的最大加速度高达210g；无限运动长度；定位精度和跟踪精度高，以光栅尺为定位测量元件，采用闭环反馈控制系统，工作台的定位精度高达；起动推力大(可达12000N)；由于无传动环节，因而无摩擦、无往返程空隙，且运动平稳第25页/共97页超高速切削的关键技术超高速机床的支承部件超高速加工机床的支承制造技术是指超高速加工机床的支承构件如床身、立柱、箱体、工作台、底座、托板、刀架等的制造技术由于超高速加工机床同时需要高主轴转速、高进给速度、高加速度，又要求用于高精度的零部件加工，因而集“三高”(高速度、高精度、高刚度)于一身就成为
15、超高速加工机床的最主要特征第26页/共97页超高速切削的关键技术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，以及妨碍切削加工的继续进行第27页/共97页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加工刀具系统由刀具材料、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 刀片在刀体上的定位夹紧牢固、安全，刀具与机床的联结可靠 超高速切削加工的切削力随着切削速度的提高而降低约30切削温度随着切削速度的提高而缓慢提高 刀具磨损主要由切削温度
16、、刀具切屑之间和刀具工件之间的相对速度决定的 超高速切削的刀具材料第28页/共97页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、抗冲击性和耐磨性涂层刀具材料。涂层刀具通过在刀具基体上涂覆金属化合物薄膜，以获得远高于基体的表面硬度和优良的切削性能金属陶瓷刀具材料。金属陶瓷具有较高的室温硬度、高温硬度及良好的耐磨性陶瓷刀具材料。陶瓷刀具材料主要有氧化铝基和氮化硅基两大类PCD刀具材料。PCD是在高温高压条件下通过金属结合剂(如Co等)将金刚石微粉聚合而成的多晶材料CBN刀具材料。CBN刀具具有极高的硬度及红硬性
17、，可承受高切削速度，适用于超高速加工钢铁类工件 第29页/共97页超高速磨削的机理超高速切削机床磨削加工按砂轮线速度Vs的高低可分为普通磨削(Vs3040 m/s)和高速磨削(Vs45 m/s)两类为了与20 世纪80 年代以前速度不超过80120 m/s 的一般高速磨削相区别,通常将速度为普通磨削速度5 倍以上(即Vs150 m/s)的高速磨削称为超高速磨削（Super-High Speed Grinding 或Ultra-High Speed Grinding）第30页/共97页超高速磨削的特点大幅度提高磨削效率磨削力小 降低加工工件表面粗糙度 砂轮寿命延长 改善加工表面完整性 第31页/
18、共97页超高速磨削的关键技术超高速主轴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最小程度机电动平衡系统 第32页/共97页超高速磨削的关键技术超高速磨削砂轮超高速磨削用砂轮应具有强度高、抗冲击强度高、耐热性好、微破碎性好、杂质含量低等优点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高速砂轮的结构和形状优化 第33页/共97页超高速磨削的关键技术超高速磨削砂轮超高速砂轮的修整在磨削过程中，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
19、生必要的容屑空间，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、金刚石滚轮法，电火花和激光法等新的整形法也正在研究中第34页/共97页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 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。为提高冷却润滑效果，通常将多种方法综合使用 第35页/共97页超精密加工技术超精密加工技术第36页/共97页超精密加工技术的技术范围超精密加工机理超精密加工是从被加工表面去除一层微
20、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、加工参数对表面质量的影响等超精密加工的刀具、磨具及其制备技术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度、高刚度夹具的制备等是超精密加工的重要的关键技术超精密加工机床设备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求，具有微量进给机构第37页/共97页超精密加工技术的技术范围精密测量及补偿技术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。检测有三种方法：离线检测、
21、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、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。表面应力、表面微裂纹、表面变质层深度缺陷可用X光衍射法、激光干涉法、超声波法来测量严格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、防振和隔振地基等；有时尚有噪声、光、静电、电磁、放射线等方面的特殊要求第38页
22、/共97页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国家，也是迄今处于世界领先地位的国家。早在50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，是更加先进和具有优势的，甚至超过了美国第39页/共97页超精密加工的应用与发展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。北京机床研究所是国内进行超精密加工技
23、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 超精密加工技术发展趋势是：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、新方法、新材料 第40页/共97页超精密切削加工 超精密切削主要是指超精密金刚石刀具切削，例如加工各种镜面等。超精密切削是一项内容广泛的新技术，它的加工精度和表面质量是由所使用的机床设备、金刚石刀具、加工工艺、测量和误差补偿技术、操作者的水平以及环境条件来决定的。金刚石刀具是其中非常重要的一项，它是精密超精密切削的关键金刚石刀具超精密加工技术
24、，主要应用于两个方面：单件的大型超精密零件的切削加工和大量生产的中小型零件的超精密加工技术 第41页/共97页超精密切削加工 超精密切削对刀具的要求极高的硬度、耐用度和弹性模量，以保证刀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，刃口半径值极小，能实现超薄的切削厚度刀刃无缺陷，因切削时刃形将复印在加工表面上，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、摩擦因数低，能得到极好的加工表面完整性第42页/共97页超精密切削加工 金刚石刀具的性能特征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、崩刃等现象 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
25、小的特征 耐磨性好，刀刃强度高 第43页/共97页超精密切削加工 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，它主要表现在以下几个方面：刀刃锋锐度越好，加工表面粗糙度值越小刀刃锋锐度越好，切削变形和切削力越小刀刃锋锐度越好，切削表面层的冷硬现象和组织位错现象越小刀刃锋锐度越好，加工表面残留应力越小第44页/共97页超精密磨削加工 超精密磨削，是指加工精度达到或高于 、表面粗糙度低于 的一种亚微米级加工方法，并正向纳米级发展超精密磨削的关键在于砂轮的选择、砂轮的修整、磨削用量和高精度的磨削机床 磨削加工可分为砂轮磨削、
26、砂带磨削，以及研磨、珩磨和抛光等加工方法第45页/共97页超精密磨削加工 超精密磨削砂轮 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，因其硬度极高，故一般称为超硬磨料砂轮 第46页/共97页超精密磨削加工 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砂轮通过电刷接电源正极极,根据砂轮的形状制造一个导电性能良好的根据砂轮的形状制造一个导电性能良好的电极
27、接电源的负极电极接电源的负极,电极与砂轮表面之间有一电极与砂轮表面之间有一定的间隙定的间隙,从喷嘴中喷出的具有电解作用的磨从喷嘴中喷出的具有电解作用的磨削液进入该间隙后削液进入该间隙后,在电流的作用下在电流的作用下,砂轮的砂轮的金属基体作为阳极被电解金属基体作为阳极被电解,使砂轮中的磨粒露使砂轮中的磨粒露出表面出表面,形成一定的出刃高度和容屑空间形成一定的出刃高度和容屑空间,随随着电解过程的进行着电解过程的进行,在砂轮表面逐渐形成一层在砂轮表面逐渐形成一层钝化膜钝化膜,阻止电解过程的继续进行阻止电解过程的继续进行,使砂轮损使砂轮损耗不致太快。当砂轮表面的磨粒磨损后耗不致太快。当砂轮表面的磨粒磨
28、损后,钝化钝化膜被工件材料刮擦去除继续进行膜被工件材料刮擦去除继续进行,以对砂轮表以对砂轮表面进一步修整面进一步修整第47页/共97页超精密磨削加工 电火花修整法电火花修整法（Electric Spark DressingElectric Spark Dressing）。）。将电源的正、负极分别接于被修整超硬磨料将电源的正、负极分别接于被修整超硬磨料砂轮和修整器砂轮和修整器(石墨电极石墨电极)，其原理是电火花，其原理是电火花放电加工。电火花整形过程中，铁基结合剂放电加工。电火花整形过程中，铁基结合剂砂轮与工具电极间产生的电火花放电脉冲在砂轮与工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
29、。在重复放电过程中，砂轮表面形成放电凹坑。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放电凹坑相互重叠，逐渐将砂轮修整到所需形状形状第48页/共97页超精密磨削加工 激光修锐技术（Laser Assisted Dressing）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轮局部表面的材料熔化或气化。用激光修整超硬磨料砂轮时，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，达到整形的目的第49页/共97页超精密磨削加工 磨削速度和磨削液金刚石砂轮磨削速度一般不能很高，根据磨削方式、砂轮结合剂和冷却
30、情况的不同，其磨削速度为1230ms。磨削速度太低，单颗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700800，因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 磨削液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、化学合成液等第50页/共97页超精密研磨、抛光加工 研磨时，研具在一定的压力下与加工面作复杂的相对运动。研具和工件之间
31、的磨粒和研磨剂在相对运动中，分别起机械切削作用和物理、化学作用，使磨粒能从工作表面上切去极微薄的一层材料。从而得到极高尺寸精度和精确的表面抛光也和研磨一样，是将研磨剂擦抹在抛光器上对工件进行抛光加工 第51页/共97页超精密特种加工 激光束加工激光加工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固体激光器的结构示意图 第52页/共97页超精密特种加工 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被加工部位极小面积上，在极短时间（几分之一微秒
32、）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子量产生变化，进行加工第53页/共97页超精密特种加工 离子束加工在真空条件下，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的离子刻蚀、离子溅射沉积、离子镀以及利用注入效应的离子注入。前两种属于成形加工，后两种属于特殊表面层制备 第54页/共97页超精密加工
33、机床设备 超精密加工机床应具有：高精度、高刚度、高稳定性、高自动化的特征 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静压轴承典型液体静压轴承主轴结构原理图 第55页/共97页超精密加工机床设备 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使用第56页/共97页超精密加工机床设备 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键装置，它对实现超
34、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。目前，高精度微量进给装置分辨率已可达到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、磁致伸缩式、压电陶瓷式等多种结构形式第57页/共97页微细加工技术微细加工技术 第58页/共97页微机械概述 微机械概念微机械在美国常称之为微型机电系统(Micro Electro-Machanical Systems，MEMS)，在日本称为微机械(Micromachine)，而在欧洲则称为微系统(Micro-System)微机械按其尺寸特征可以分为：110mm的微小机械；11mm的微机械；1nm1的纳米机械第59页/共97页微机
35、械概述 微机械基本特征 体积小，精度高，重量轻性能稳定，可靠性高 能耗低，灵敏度和工作效率高 多功能和智能化 适用于大批量生产，制造成本低 第60页/共97页微机械概述 微机械的研究内容理论基础微电子学、微机械学、微光学、微动力学、微流体力学、微热力学、微摩擦学、微结构学和微生物学等共同构成了微机械研究的理论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、微系统控制等第61页/共97页微机械概述 微机械的研究内容应用研究微型传感器 微型执行器 微型光机电器件和系统 微型机器人 微型飞行器 微型动力系统 第62页/共97页微细加工
36、技术 l微细加工(microfabrication)是指加工尺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步分为微米级微细加工(micro-fabrication)，亚微米级微细加工(sub-micro-fabrication)和纳米级微细加工(nano-Micro-fabrication)等第63页/共97页微细加工技术 从基本加工类型看，微细加工可大致分四类：分离加工将材料的某一部分分离出去的加工方式，如分解、蒸发、溅射(可去除材料，也可增加材料)、破碎等接合加工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、黏结等变形加工使材料形状发生改变的加工方式，
37、如塑性变形加工、流体变形加工等材料处理或改性，如一些热处理或表面改性等第64页/共97页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极小，而且被加工对象的整体尺寸也很微小由于微机械对象的微小性和脆弱性，仅仅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。必须针对不同对象和加工要求，具体考虑不同的加工方法和手段微细加工在加工目的、加工设备、制造环境、材料选择与处理、测量方法和仪器等方面都有其特殊要求第65页/共97页微细加工技术 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
38、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结构示意图 第66页/共97页微细加工技术 光刻加工光刻加工光刻光刻(photo lithographyphoto lithography)，源于微电子的集成电，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路制造，是在微机械制造
39、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泛采用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，然形印刷在涂有光致抗蚀剂的薄膜或基材表面，然后进行选择性腐蚀，刻蚀出规定的图形后进行选择性腐蚀，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，是一种经光照后致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能发生交联、分解或聚合等光学反应的高分子溶液液第67页/共97页微
40、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，在光刻胶层面上加掩模，然后用紫外线等方法曝光线等方法曝光显影显影，曝光部分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，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被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，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的作用，此时要设法将这层无用的胶膜去
41、除扩散扩散，即向需要杂质的部分扩散杂质，以完，即向需要杂质的部分扩散杂质，以完成整个光刻加工过程成整个光刻加工过程第68页/共97页微细加工技术 刻蚀技术刻蚀技术刻蚀技术刻蚀技术(etching technologyetching technology)通常分为通常分为等向刻等向刻蚀蚀和和异向刻蚀异向刻蚀。等向刻蚀是在任何方向上刻蚀。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速度均等的加工，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。而制造微机械需要深度达几百造平面型结构。而制造微机械需要深度达几
42、百个微米，纵横比或深孔比较大能够形成三维空个微米，纵横比或深孔比较大能够形成三维空间结构的刻蚀技术，故需采用异向刻蚀技术。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大，其它方向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上几乎不发生刻蚀加工方法第69页/共97页微细加工技术 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，电铸成形铸成形(GalvanoformungGalvanoformung)和注塑或模塑和注塑或模塑(AbformungAbformung)的缩
43、写的缩写 LIGALIGA技术在制作很厚的微机械结构方面有着独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特的优点，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，使得的，它极大地扩大了微结构的加工能力，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辐射源比较昂贵、稀少，致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，难以普及。后来出现了所谓使应用受到限制，难以普及。后来出现了所谓的准的准LIGALIGA技术，它是用紫外光源代替同步辐射源，技术，它是用紫外光源代替同步辐射源，虽然不
44、具备和虽然不具备和LIGALIGA技术相当的深度或宽深比。但技术相当的深度或宽深比。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技术更容易实现第70页/共97页微细加工技术 微细加工技术的发展与趋势微细加工技术的发展与趋势 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延伸发展起来的：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；另一是工，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、多功能在半导体光刻加工和化学加工等高
45、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，使其能制作出实用的微型零件的机器其能制作出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加工材料从单纯的硅向着各种不同类型的材料发展，如玻璃、陶瓷、树脂、种不同类型的材料发展，如玻璃、陶瓷、树脂、金属及一些有机物金属及一些有机物 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量生产发展，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建立微观
46、世界的数学模型、力学模型和分析方法，奠定微机械的基础模型、力学模型和分析方法，奠定微机械的基础理论理论 第71页/共97页第五节快速原型制造技术 RPM的概念 RPM的工艺方法 RPM的应用第72页/共97页一、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 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
47、）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。第73页/共97页一、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 第74页/共97
48、页一、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。第75页/共97页一、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
49、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。第76页/共97页一、RPM的概念 RPMRPM的原理的原理RPMRPM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。第77页/共97页一、RPM的概念 n零件零件CA
50、DCAD数据模型的建立数据模型的建立 n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数数据模型转换成一种可被快据模型转换成一种可被快速成形系统所能接受的数速成形系统所能接受的数据文件，据文件，n分层切片分层切片分层切片处理分层切片处理是根据成形工艺要求，按是根据成形工艺要求，按照一定的离散规则将实体照一定的离散规则将实体模型离散为一系列有序的模型离散为一系列有序的单元，按一定的厚度进行单元，按一定的厚度进行离散（分层），离散（分层），n层片信息处理层片信息处理根据每个根据每个层片的轮廓信息，进行工层片的轮廓信息，进行工艺规划，选择合适成形参艺规划，