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1、MMT第第7 7章章 机械制造技术的发展机械制造技术的发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1MMT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 Manufacturing2MMT7.1.1 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
2、人劳动强度，节省劳动力，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
3、品种、中小批量生产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3MMT7.1.1 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4MMTMMT7.1.1 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，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
4、计与制造）。GrooverGroover产品寿命周期模型产品寿命周期模型6MMT7.1.1 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 ，因而在多品种、中小批量生产中具有重要意义7MMT7.1.2 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
5、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8MMTMMT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
6、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10MMT7.1.2 自动化加工技术自动化加工技术 q 物料传输系统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11MMTMMT7.1.2 自动化加工技术自动化加工技术 转向舵比较放大电路信号拾取线圈引导电缆图7-8 电
7、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）13MMTMMT7.1.2 自动化加工技术自动化加工技术 切屑处理系统断屑 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）15MMT7.1.2 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：
8、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16MMTMMT7.1.2 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（个别例外）具有较大柔性具有较大柔性 可加工
9、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18MMT7.1.2 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19MMT7.1.2 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 8计算机室 9 小车维修站 1
10、0 包装站q FMS实例（1）20MMT7.1.2 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）21MMT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器/计算机反馈控制系统
11、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22MMTMMT7.1.3 自动检测技术自动检测技术 q 坐标测量机（CMM）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
12、机相似，用于大件测量门架式结构：结构与门式起重机相似，用于大件测量24MMT7.1.3 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25MMT7.1.3 自动检测技术自动检测技术 CMM可完成测量项目 表7-2
13、 坐标测量机可完成的测量项目可完成的测量项目测量原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26MMTMMT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 Techn
14、ology7.2 精密制造技术精密制造技术Precision Manufacturing Technology28MMT7.2.1 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29MMTMMT7.2
15、.1 精密与超精密加工技术精密与超精密加工技术图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31MMT 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
16、大规模集成电路最小线宽0.1m，日本金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32MMT结合加工 分类 加工机理 加工方法
17、示例去除加工电物理加工 电火花加工（电火花成形，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
18、密与超精密加工技术33MMT 直直接接式式进进化化加加工工：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
19、精度极限，超越极限需采用新的方法。q 精密与超精密加工特点7.2.1 精密与超精密加工技术精密与超精密加工技术34MMT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
20、常成为精密与超精密加工的关键。7.2.1 精密与超精密加工技术精密与超精密加工技术35MMT 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
21、用，产生“碳化碳化磨损磨损”，影响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36MMT 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
22、密与超精密加工技术图7-18 Moore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。37MMT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
23、成为当前金刚石车床的主流布局。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38MMT 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
24、床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39MMT 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
25、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40MMT 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
26、技术41MMT 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）42MMT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
27、图7-23 金刚石车床及其加工照片43MMT 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
28、解修锐（适用于金属结合剂砂轮），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44MMT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
29、锋锋利利磨磨粒粒。由由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45MMT 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
30、削深深度度，它它与与工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
31、，工工件件材材料料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46MMT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
32、空吸盘上图7-25 砂带磨削示意图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47MMT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48MMT 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
33、轮砂带工作台e）砂带平面磨削（支承板式）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49MMT 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
34、超精密加工技术50MMT工件小间隙加压抛光轮悬浮液微粉(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51MMT 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，
35、靠靠楔楔形形挤挤压压和和抛抛光光液液的的反反弹，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
36、MMT 激激光光由由于于其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53MM
37、T受射透镜平行光管透镜边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54MMT 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
38、+f27.2.1 精密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
39、磁场作用下，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。55MMT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56MMT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
40、垫层，空气弹簧隔振器 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57MMT 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
41、表示。表示。“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58MMT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
42、体增长，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59MMT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
43、 车 刀、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60MMT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
44、性的进给运动。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61MMT 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
45、控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62MMT 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PZTP
46、ZT）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，进给速度范围宽，加速
47、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。63MMT图7-38 直线电机驱动定位平台(YOKOGAWA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64MMT 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.
48、2.2 微细与超微细加工技术微细与超微细加工技术65MMT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66MMT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（
49、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67MMT要求：定位精度要求：定位精度 0.1m0.1m，重复定位精度重复定位精度 0.01m0.01m导轨：硬质合金滚动体导轨，或液（气）静压导轨导轨：硬质合金滚动体导轨，或液（气）静压导轨工作台：粗动工作台：粗动 伺服电机伺服电机 +滚珠丝杠滚珠丝杠 微动微动 压电晶体电致伸缩机构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：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
50、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68MMT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69MMT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