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1、机械制造技术基础第7章教学课件机械制造技机械制造技术基基础第7章 先进制造技术 7.1概 述 7.2快速成形制造技术 7.3精密加工技术 7.4微机械及其微细加工技术 7.5现代制造模式 7.6绿色制造Part7.1概 述第7章 先进制造技术随着社会需求个性化、多样化的发展，生产规模沿小批量大批量多品种变批量的方向发展，以及以计算机为代表的高技术和现代化管理技术的引入、渗透与融化，不断地改变着传统制造技术的面貌和内涵，从而形成了先进制造技术。7.1 概 述7.1.1 先进制造技术的内涵先进制造技术（advanced manufacturing technology，AMT）是在传统制造的基础上
2、，不断吸收机械、电子、信息、材料、能源和现代管理技术等方面的成果，将其综合应用于产品设计、制造、检测、管理、销售、使用、服务的制造全过程，以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活生产，提高对动态多变的市场的适应能力和竞争能力的制造技术的总称，也是取得理想技术经济效益的制造技术的总称。7.1.1 先进制造技术的内涵目前，对先进制造技术尚没有一个明确的、一致公认的定义，经过近年来对发展先进制造技术方面开展的工作，通过对其特征的分析研究，可以认为：先进制造技术是制造业不断吸收信息技术和现代管理技术的成果，并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
3、耗、清洁、灵活生产，提高对动态多变的市场的适应能力和竞争能力的制造技术的总称。7.1.2 先进制造技术的技术构成 美国机械科学研究院（AMST）提出的先进制造技术体系如图7-1所示。该体系图强调了先进制造技术从基础制造技术、新型制造单元技术到先进制造集成技术的发展过程，也表明了在新型产业及市场需求的带动下，以及在各种高新技术（如能源技术、材料技术、微电子技术和计算机技术及系统工程和管理科学）的推动下先进制造技术的发展过程。先进制造技术是制造业为了提高竞争力，以适应时代要求，对制造技术不断优化及推陈出新而形成的高新技术群。在不同的国家、不同的发展阶段，先进制造技术有不同的内容及组成。它由多层次技
4、术群构成，并以优质、高效、低耗、清洁、灵活的基础制造技术为核心，目前属于先进制造技术范畴的技术是一个三层次的技术群。7.1.2 先进制造技术的技术构成 由图7-1可见，先进制造技术主要包括以下三个层次。图7-1 先进制造技术体系7.1.2 先进制造技术的技术构成 1.基础制造技术铸造、锻压、焊接、热处理、表面保护、机械加工等基础工艺至今仍是生产中大量采用、经济适用的技术，这些基础工艺经过优化而形成的优质、高效、低耗、清洁的基础制造技术，是先进制造技术的核心及重要组成部分。这些基础制造技术主要有精密下料、精密成形、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、功能性防护涂层等。7
5、.1.2 先进制造技术的技术构成 2.新型制造单元技术新型制造单元技术是在市场需求和新兴产业的带动下，制造技术与电子、信息、新材料、新能源、环境科学、系统工程、现代管理等高新技术结合而形成的崭新的制造技术，如制造业自动化单元技术、极限加工技术、质量与可靠技术、系统管理技术、CAD/CAM、清洁生产技术、新材料成形与加工技术、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。7.1.2 先进制造技术的技术构成 3.集成技术7.1.3 先进制造技术的分类先进制造技术不是单指加工过程的工艺方法，而是横跨多个学科，包含了从产品设计、加工制造到产品销售、用户服务等整个产品生命周期的所有相关技术，涉
6、及设计、工艺、加工自动化、管理及特种加工等多个领域，并逐步融合与集成。先进制造技术可基本归纳为以下四个方面，即先进的工程设计技术、先进的制造工艺技术、制造自动化技术和先进的生产管理技术。7.1.3 先进制造技术的分类 1.先进的工程设计技术先进的工程设计技术包括以下几种技术：（1）计算机辅助设计技术。计算机辅助设计技术包括有限元法、优化设计、反求工程技术、模糊智能CAD等。（2）性能优良设计基础技术。性能优良设计基础技术包括可靠性设计、安全性设计、动态分析与设计、防断裂设计、疲劳设计、防腐蚀设计、减摩和耐磨损设计、人机工程设计等。（3）竞争优势创建技术。竞争优势创建技术包括快速响应技术、智能设
7、计、仿真与虚拟设计、工业设计等。7.1.3 先进制造技术的分类（4）全寿命周期设计技术。全寿命周期设计技术包括并行设计、面向制造设计和全寿命周期设计。（5）可持续性发展产品设计技术。可持续性发展产品设计技术主要指绿色设计技术。（6）设计实验技术。设计实验技术包括产品可靠性试验、产品环保性能试验与控制、仿真试验与虚拟试验。7.1.3 先进制造技术的分类 2.先进的制造工艺技术（1）精密洁净铸造成形工艺。精密洁净铸造成形工艺包括外热冲天炉熔炼、处理、保护成套技术，钢液精炼保护技术，高效金属型铸造工艺与设备，铸造成形工艺模拟和工艺CAD等。（2）精确高效塑性成形工艺。精确高效塑性成形工艺包括热锻生产
8、线成套技术、精密辊锻和楔横轧技术、精密冲裁技术、超塑和等温成形工艺等。（3）优质高效焊接及切割技术。优质高效焊接及切割技术包括新型焊接电源及控制技术、激光焊接技术、精密焊接技术、焊接机器人技术、现代切割技术等。7.1.3 先进制造技术的分类（4）优质低耗洁净热处理技术。优质低耗洁净热处理技术包括真空热处理、离子热处理、激光表面合金化等。（5）高效高精机械加工工艺。高效高精机械加工工艺包括精密加工和超精密加工、高速磨削、变速切削、复杂型面的数控加工等。（6）现代特种加工工艺。现代特种加工工艺包括激光加工、复合加工、细微加工和纳米技术等。7.1.3 先进制造技术的分类 3.制造自动化技术制造自动化
9、是指机电设备工具取代或放大人的体力，甚至取代和延伸人的部分智力，自动完成特定的作业，包括物料的存储、运输、加工、装配和检验等各个生产环节的自动化。制造自动化技术涉及数控技术、工业机器人技术和柔性制造技术，是机械制造业最重要的技术之一。7.1.3 先进制造技术的分类（1）数控技术。数控技术包括数控装置、进给系统和主轴系统、数控机床的程序编制。（2）工业机器人技术。工业机器人技术包括机器人操作、机器人控制系统、机器人传感器和机器人生产线总体控制。（3）柔性制造技术（FMS）。FMS包括FMS的加工技术、FMS的物流系统、FMS 的调度与控制和FMS的故障诊断。（4）自动检测及信号识别技术。自动检测
10、及信号识别技术包括自动检测CAT、信号识别系统、数据获取和处理、特征提取和识别。7.1.4 先进制造技术的特点 1.实用性先进制造技术最重要的特点在于，它首先是一项面向工业应用，具有很强实用性的新技术。先进制造技术的发展过程，其应用于制造全过程的范围，特别是达到的目标与效果，无不反映这是一项应用于制造业，对制造业和国民经济的发展可以起重大作用的实用技术。先进制造技术的发展往往是针对某一具体的制造业（如汽车制造、电子工业）的需求而发展起来的先进、适用的制造技术，它有明确的需求导向的特征；先进制造技术不是以追求技术的高新为目的，而是注重产生最好的实践效果，以提高效益为中心，以提高企业的竞争力和促进
11、国家经济增长与综合实力为目标。7.1.4 先进制造技术的特点 2.广泛性先进制造技术相对传统制造技术在应用范围上的一个很大不同点在于，传统制造技术通常只是指各种将原材料变成成品的加工工艺，而先进制造技术虽然仍大量应用于加工和装配过程，但由于其组成中包括了设计技术、自动化技术和系统管理技术，因而将其综合应用于制造的全过程，覆盖了产品设计、生产准备、加工与装配、销售使用、维修服务甚至回收再生的整个过程。7.1.4 先进制造技术的特点 3.动态性由于先进制造技术本身是针对一定的应用目标，不断地吸收各种高新技术，逐渐形成、不断发展的新技术，因而其内涵不是绝对的和一成不变的。反映在不同的时期，先进制造技
12、术有其自身的特点；反映在不同的国家和地区，先进制造技术有其本身重点发展的目标和内容，通过重点内容的发展，以实现这个国家和地区制造技术的跨越式发展。7.1.4 先进制造技术的特点 4.集成性传统制造技术的学科、专业单一独立，相互间的界限分明；先进制造技术由于专业和学科间的不断渗透、交叉、融合，界限逐渐淡化甚至消失，技术趋于系统化、集成化，已发展成为集机械、电子、信息、材料和管理技术为一体的新型交叉学科。因此，它可以称为“制造工程”。7.1.4 先进制造技术的特点 5.系统性传统制造技术一般只能驾驭生产过程中的物质流和能量流。随着微电子、信息技术的引入，使先进制造技术还能驾驭信息生成、采集、传递、
13、反馈和调整的信息流动过程。先进制造技术是可以驾驭生产过程的物质流、能量流和信息流的系统工程。7.1.4 先进制造技术的特点Part7.2快速成形制造技术第7章 先进制造技术7.2 快速成形制造技术快速成形制造技术又称快速原型制造(rapid prototyping manufacturing，RPM)技术，诞生于20世纪80年代后期，是基于材料堆积法的一种高新制造技术，被认为是近30年来制造领域的一个重大成果。它集机械工程、CAD、逆向工程技术、分层制造技术、数控技术、材料科学和激光技术于一身，可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件，从而为零件原型制作、新
14、设计思想的校验等方面提供了一种高效低成本的实现手段。快速成形技术就是利用三维CAD的数据，通过快速成形机，将一层层的材料堆积成实体原型。7.2 快速成形制造技术图7-2所示为快速成形技术流程。图7-2 快速成形技术流程7.2 快速成形制造技术目前，快速成形工艺方法有十多种，现简要介绍四种比较成熟且常用的成形方法：光固化成形法（stereo lithography，SLA，又称树脂型)、叠层制造成形法（laminated object manufacturing，LOM，又称切纸型)、激光烧结法（selective laser sintering，SLS，又称烧粉型)、熔融挤压成形法(fused
15、 deposition modeling，FDM，又称喷丝型)。7.2.1 光固化成形法光固化成形法也称为立体光刻(stereo lithography)，它于1984年由Charles Hull提出并获得专利。它以光敏树脂为原料，通过计算机控制紫外光使其固化成形，自动制作出各种加工方法难以制作的复杂立体形状的零件，在制造领域具有划时代的意义。目前，SLA已成为世界上研究最深入、技术最成熟、应用最广泛的一种快速成形制造工艺。7.2.1 光固化成形法 1.光固化成形法的工艺原理液态光敏树脂成形材料通过计算机控制波长为x=325 nm和强度为w=30mW的紫外激光束的照射能迅速发生光聚合反应，分子
16、量急剧增大，材料从液态转变成固态。其工作原理如图7-3所示。图7-3 SLA工作原理7.2.1 光固化成形法液槽中盛满液态光敏树脂，紫外激光束在偏转镜的作用下，能在液体表面进行扫描，扫描的轨迹及激光的有无均按零件的各分层截面的信息由计算机控制，光点扫描的地方的液体就固化。零件成形开始时，工作平台在液面下一个确定的深度，聚焦后的光斑在液面上按计算机的指令逐层扫描，即逐点固化。在一层扫描完后，未被照射的地方仍是液态树脂。然后升降台带动工作台沿Z轴下降一层的高度，已成形的层面上又布满一层液态树脂，刮平器将黏度大的树脂液面刮平，再进行下一层的扫描，新固化的一层牢固地粘在前一层上，如此重复直到整个零件制
17、造完毕，得到一个三维实体模型。7.2.1 光固化成形法 2.光固化成形法的工艺特点SLA工艺的优点是零件精度较高，能达到或小于0.1 mm；表面质量好，原材料利用率将近100%，能制造形状特别复杂(如空心零件)、特别精细(如首饰、工艺品等)的零件。其缺点是需要设计支撑，可以选择的材料种类有限，容易发生翘曲变形，材料价格较贵。该工艺适合于固化比较复杂的中小件。7.2.2 叠层制造成形法叠层制造成形又称叠层实体制造，简称叠层法。1984年，Michael Feygin提出叠层制造成形工艺方法。该工艺大多以纸为原料，材料成本低，而且激光只需要切割每层片的轮廓，成形效率高，在制作较大原型件时优势较大，
18、因此近年来发展迅速。7.2.2 叠层制造成形法 1.叠层制造成形法的工艺原理叠层法是采用薄片材料，如纸、塑料薄膜等作为成形材料，片材表面事先涂覆一层热溶胶。成形时，用CO2激光器在刚黏结的新层上切割出零件截面轮廓和工件外框，并在截面轮廓与工件外框之间多余的区域内切割出上下对齐的网格；激光切割完成后，工作台带动已成形的工件下降，与带状片材（料带）分离；供料机构转动收料轴和供料轴，带动料带移动，使新层移动到加工区域，工作台上升到加工平面，热压辊热压，工件的层数增加一层，高度增加一个料厚；最后在新层上切割截面轮廓。7.2.2 叠层制造成形法如此反复就得到三维实体零件，如图7-4所示。图7-4 叠层制
19、造成形法7.2.2 叠层制造成形法 2.叠层制造成形法的工艺特点叠层法的优点是成形效率高。该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；工艺过程中不存在材料相变，因此没有热应力，膨胀和收缩不易引起翘曲变形；工件外框与截面轮廓之间的多余材料在加工中起到了支撑作用，所以，叠层法无须加支撑。叠层法的缺点是材料浪费严重；表面质量差；后处理难度大，尤其是中空零件内部参与的废料不易剔除；可以选择的材料种类有限，目前常用的材料为纸，对环境有一定的污染。叠层法工艺适合于制作中大型原型件，翘曲变形小和形状简单的实体零件。7.2.3 激光烧结法激光烧结法
20、工艺由美国得克萨斯大学奥斯汀分校的CR.Dechard于1989年研制成功。它利用粉末状材料(金属粉末或非金属粉末，目前主要有塑料粉、蜡粉、金属粉，以及表面附有黏结剂的覆膜陶瓷粉等)在激光照射下烧结的原理，在计算机控制下层层堆积成形。激光烧结成形工艺造型速度快，一般制品仅需12天即可完成。7.2.3 激光烧结法 1.激光烧结法的工艺原理激光烧结法工艺采用CO2激光器做能源，首先在工作台上均匀铺上一层很薄(0.10.2 mm)的粉末，然后用平整辊将粉末滚平、压实，每层粉末的厚度均对应于CAD模型的切片厚度。激光束在计算机控制下按照零件分层轮廓有选择性地进行烧结，一层完成后进行下一层烧结。全部烧结
21、完后去掉多余的粉末，再进行打磨、烘干等处理便获得零件。7.2.3 激光烧结法激光烧结制造工艺原理图如图7-5 所示，激光烧结制造加工的零件如图7-6所示。图7-5 激光烧结制造工艺原理图图7-6 激光烧结制造加工的零件7.2.3 激光烧结法 2.激光烧结法的工艺特点（1）材料适应面广，不仅能制造塑料零件，还能制造陶瓷、石蜡等材料的零件，特别是可以直接制造金属零件。（2）此工艺无须加支撑。因此可以烧结制造空心、多层镂空的复杂零件。（3）材料利用率高。未烧结的粉末可以重复利用，并且材料价格便宜、成本低。7.2.3 激光烧结法激光烧结法的不足之处在于激光烧结成形速度比较慢，成形时精度和表面质量不太高
22、，而且成形过程中能量消耗大。激光烧结法的应用范围与光固化成形法类似，可直接制作各种高分子粉末材料的功能件，用作结构验证和功能测试，并可用于装配样机。此方法中的工艺参数对粉末的熔融有很大影响，如激光功率、光斑大小、扫描速度、扫描间距、单层厚度、粉末温度等都会影响烧结件的性能。7.2.3 激光烧结法当激光功率较低时，烧结件的拉伸强度和冲击强度均随激光功率的增加而增加。激光功率过大时引起粉末的氧化降解，从而降低了烧结件的强度。扫描速度决定了激光束对粉末的加热时间，在激光功率相同的情况下，扫描速度越低，激光对粉末的加热时间越长，传输的热量多，粉末熔化较好，烧结件的强度高。但过低的扫描速度导致粉末表面的
23、温度过高，不仅不能提高烧结件的强度，还会影响成形速度。7.2.4 熔融挤压成形法熔融挤压成形法又称喷丝型(fused deposition modeling，FDM)，它是利用热塑性塑料的热熔性和黏结性，在计算机控制下层层堆积成形。FDM工艺由美国学者Dr.Scott Crump于1988年研制成功。7.2.4 熔融挤压成形法 1.熔融挤压成形法的工艺原理熔融挤压成形法的工艺原理是材料先抽成丝状，通过送丝机构送进喷头，在喷头内被加热熔化，喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将熔化的材料挤出，材料迅速固化，并与周围的材料黏结，层层堆积成形。图7-7为熔融挤压成形原理图。图7-7 熔融挤压成形原
24、理图7.2.4 熔融挤压成形法 2.熔融挤压成形法的工艺特点由于该工艺无须激光系统，因此，设备使用、维护方便，成本较低，是SLA设备成本的1/5。用石蜡成形的零件原型可以直接用于熔模铸造，用ABS工程塑料制造的零件模型具有强度高的特点，在产品设计、测试评估等方面得到广泛应用。7.2.5 快速成形各种工艺比较SLA工艺使用的是遇到光照射便固化的液体材料，当扫描器在计算机的控制下扫描光敏树脂液面时，扫描到的区域就发生聚合反应和固化，这样一层层加工即完成原型的制造。SLA工艺所用的激光器的激光波长有所限制。采用这种工艺成形的零件有较高的精度和表面光洁度；但其缺点是可用的材料范围较窄，材料成本高，激光
25、器的价格昂贵，从而导致零件的制作成本较高。7.2.5 快速成形各种工艺比较SLS工艺使用固体粉末材料，该材料在激光的照射下吸收能量，发生熔融固化，从而完成每层信息的成形。这种工艺的材料运用范围很广，特别是在金属和陶瓷材料的成形方面有独特的优点；其缺点是所成形的零件精度较差，表面粗糙度差。LOM工艺的层面信息通过每层的轮廓来表示，激光扫描器动作由这些轮廓信息控制，它采用的材料是具有厚度信息的片材。这种加工方法只需要加工轮廓信息，所以可以达到很高的加工速度。其缺点是材料范围很窄，每层厚度不可调整，每层轮廓被激光切割后会留下燃烧的灰烬，且燃烧时有较大的烟雾。7.2.5 快速成形各种工艺比较FDM工艺
26、不采用激光作为能源，而且用电能加热塑料丝，使其在挤出喷头前达到熔融状态，喷头在计算机的控制下将熔融的塑料丝喷涂到工作台上，从而完成整个零件的加工过程。这种方法的能量传输和材料传输均不同于前面的三种工艺，系统成本较低。其缺点是，由于喷头的运动是机械运动，速度受到一定的限制，因此加工时间稍长；成形材料使用范围不广，喷头孔径不可能小，因此，原型的成形精度较低。几种典型的快速成形工艺优缺点比较见表7-1。7.2.6 快速成形制造技术的应用自快速成形制造技术出现以来，便以其显著的时间效益和经济效益受到制造业的广泛关注，并迅速成为世界著名高校和研究机构研究的热点。RPM技术已经在航空航天、汽车外形设计、玩
27、具、电子仪表与家用电器塑料件制造、人体器官制造、建筑美工设计、工艺装饰设计制造、模具设计制造等领域展现出良好的应用前景。7.2.6 快速成形制造技术的应用 1.在新产品开发中的应用 快速成形制造技术在新产品开发中有以下方面的应用：（1）设计模型可视化。在新产品设计中，利用RPM技术制作产品样件，一般只需传统样件制作工时的30%50%和成本的20%35%，而其精确性却是传统方法无法媲美的。利用RPM技术制作出来的产品样件是产品从设计到商品化各个环节中进行交流的有效手段，可作为新产品展示，进行市场调研、市场宣传和供货询价。7.2.6 快速成形制造技术的应用（2）装配校核。进行装配校核和干涉检查对新
28、产品开发，尤其是对在有限的空间内的复杂、昂贵系统的可制造性和可装配性检验尤为重要。如果一个产品的零件多而且复杂，就需要做总体装配校核。在投产之前，先用RPM技术做出全部零件原型，进行试安装，验证设计的合理性和安装工艺与装配要求，如果发现有缺陷，便可迅速、方便地进行纠正，使所有问题在投产之前得到解决。7.2.6 快速成形制造技术的应用（3）功能验证。RPM除了可以进行设计评价和装配校核以外，还可以直接用于性能和功能参数实验及相应的研究，如机构运动分析、流动分析、应力分析等。采用RPM技术可以严格按照设计将模型迅速制造出来进行试验测试，对于各种复杂的空间曲面更能体现此技术的优势。例如，通过对风扇、
29、风鼓等设计的功能检验和性能参数确定，可获得最佳扇叶曲面和最低噪声的结构。如果采用传统方法制造原型，这种测试方法是不能完成的。7.2.6 快速成形制造技术的应用 2.在模具设计中的应用快速成形制造技术在模具设计中有以下方面的应用：（1）间接快速制模技术。间接快速制模技术是将快速成形制造技术与传统的成形技术有效结合，实现模具的快速制造。间接快速制模技术通常以非金属材料为主（如纸、ABS工程塑料、蜡、尼龙、树脂等）。通常情况下，非金属成形无法直接作为模具使用，需要以RPM原型做母模，通过各种工艺转换来制造金属模具。而间接制模一般可以使模具制造成本和周期下降一半，明显提高了生产效率。7.2.6 快速成
30、形制造技术的应用7.2.6 快速成形制造技术的应用 3.在铸造领域中的应用快速成形制造技术在铸造领域中有以下方面的应用。在航空航天等重点制造行业，其基础核心部件均为结构精细、复杂的铸件，其铸造环节复杂，周期长，耗资大，如果借助快速成形技术并和传统工艺相结合，扬长避短，可达到事半功倍的效果。例如，某燃气发动机，若按照传统金属铸件的方法制造，模具制造周期约为半年，费用达几十万元人民币。而采用快速铸造方法，快速成形铸造熔模为7天，拼装、组合和铸造为10天，每件的费用不超过2万元。7.2.6 快速成形制造技术的应用 4.在铸造领域中的应用根据CT扫描信息，应用熔融挤压快速成形方法可以快速制造人体的骨骼
31、（如颅骨、牙齿）和软组织（如肾）等模型，并且不同部位采用不同的颜色的材料成形（病变组织可以采用醒目颜色），可以进行手术模拟、人体骨关节的配置、颅骨修复等。Part7.3精密加工技术第7章 先进制造技术7.3.1 概 述精密加工和超精密加工主要是根据加工精度和表面质量两项指标来划分的。精密加工是指某一历史时期，零件的加工精度和表面质量达到最高程度的加工工艺。超精密加工是指零件的加工精度和表面质量超过当前所用公差标准中最高限度的加工工艺。精密加工和超精密加工的界限不是固定不变的，而是随着科学技术的进步逐渐向前推移的。当前，零件加工按精密程度可划分为普通加工、精密加工和超精密加工。7.3.1 概 述
32、（1）普通加工。普通加工指加工精度为10 m左右，尺寸公差等级为IT7IT5，表面粗糙度为0.80.2 m的加工方法，如车、铣、刨、磨、铰、拉等工艺方法，它适用于汽车制造、拖拉机制造和机床制造等制造工业。（2）精密加工。精密加工指加工精度为10.1 m，尺寸公差等级为IT5IT3，表面粗糙度为0.1 m以下的加工方法，如金刚石车削、金刚镗、珩磨、研磨、超精加工、砂带磨削和镜面磨削等。它在机械制造业中具有十分重要的地位，常用于精密丝杠、精密齿轮、精密蜗轮、精密导轨和精密轴承等关键零件的加工。7.3.1 概 述7.3.1 概 述加工精度的提高主要有两种表现形式：一是机械加工精度的不断改进，二是各种
33、非传统（非机械）加工方法的使用。而机械加工精度的提高有赖于下面技术的发展：7.3.1 概 述（1）新的机械加工工艺方法的研究与应用，如现在已创造出单刃金刚石刀具精密、超精密车削及铣削的新工艺和砂带磨削工艺等。（2）新型刀具材料的研制和采用，如应用涂层硬质合金、聚晶立方氮化硼、人造金刚石材料和单晶金刚石刀具等。（3）新型超精密加工机床的使用。该类机床多采用空气轴承，一般具备低速进给机构和微量进刀机构，并具有优越的抗热、抗振特性。（4）新的测量手段和测量方法的应用。精密加工和超精密加工的实现有赖于相应测量手段和测量方法的使用。例如，应用光学的或电磁的计量方法，可在加工过程中对加工精度进行自动监控；
34、而以亚微米级加工精度为计量对象的非接触测量系统的研制和实用，是近些年里实现自动化精密加工的重大研究课题。7.3.1 概 述图7-8所示为采用激光高速扫描的尺寸计量系统。它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，以及扫描镜和透镜之间的间隔即透镜焦点距离等数据计算出被测工件的尺寸。图7-8 采用激光高速扫描的尺寸计量系统7.3.2 精密和超精密切削加工 1.精密和超精密切削加工的工作原理精密和超精密切削加工的工作原理与普通切削加工一样，都是通过一个或有次序的多个刀刃在被加工表面的切削来形成工件形状。但所不同的是，加工所用
35、的刀具不一样，加工使用的机床性能不一样，从而切削用量也不一样。7.3.2 精密和超精密切削加工 2.精密和超精密切削加工刀具在精密切削加工中，常用的刀具材料有硬质合金、涂层硬质合金、立方氮化硼（CBN）和人造聚晶金刚石。在超精密切削加工中，最常用的刀具材料是天然或人造单晶金刚石。切削速度随刀具材料的变更而提高，如图7-9所示。图7-9 切削速度随刀具材料的变更而提高7.3.2 精密和超精密切削加工金刚石车削主要用于铜、铝及其合金等软金属零件的精密加工。例如，用于车削铝合金磁盘基片，表面粗糙度可达0.003 m，平面度可达0.2 m；金刚石数控车削可加工非球面光学金属反射镜；金刚石镜面铣削可加工
36、多棱体光学金属反射镜；等等。7.3.2 精密和超精密切削加工 3.精密和超精密切削加工机床实现金刚石超精密切削，对机床的要求主要是具有很高的主轴回转精度、导轨运动精度和精细走刀的平稳性，对环境的要求是恒温、净化和防振隔振。7.3.2 精密和超精密切削加工为了实现较高精度的切削运动，高精密加工机床的运动控制普遍采用较高级别的功能部件。在导轨和轴承方面，由于高精度加工需要实现高精度和平稳的定位运动、轨迹运动和微小距离运动，因此，高精度加工机床采用静压丝杠和静压导轨较为常见。此外，高精密加工机床的电主轴也可采取动压或静压轴承的方案，以同时实现支承和冷却功能，并提高主轴的刚度和阻尼性能。在位置控制方面
37、，由于精密测量是控制高精度加工的前提，要保证机床的运动达到需要的精度级别，其电子尺的测量精度要高12个数量级。目前，高精度加工机床一般采用分辨率达0.050.1 m的玻璃光栅。7.3.2 精密和超精密切削加工机床的加工精度、粗糙度和刀具寿命与机床的刚性成正比，因此，高精度加工机床尤其重视床身的设计和材料选择。7.3.3 精密磨料加工精密磨料加工主要用于黑色金属及玻璃、陶瓷等脆性材料的精密加工和超精密加工。在精密磨料加工中，除常规的研磨、珩磨、超精研磨及抛光以外，近年来相继推出了两种新的工艺，即塑性磨削（ductile grinding）和镜面磨削（mirror grinding）。7.3.3
38、精密磨料加工 1.塑性磨削塑性磨削主要是针对脆性材料而言的，其命名出自该种工艺的切屑形成机理，即磨削脆性材料时，切屑形成与塑性材料相似，切屑通过剪切的形式被磨粒从基体上切除下来。磨削后的表面呈有规则的纹理，没有裂纹形成，也没有脆性剥落时的凹凸不平现象产生。7.3.3 精密磨料加工塑性磨削的机理至今仍不十分清楚，在切屑形成由脆断向塑性剪切转变的理论上存在各种看法。大多数研究者认为，当磨粒的切削深度小到一定程度时，切屑就由脆断转变为塑断，这一切削深度称为临界切削深度，它与工件材料特性和磨粒的几何形状有关。一般来说，临界切削深度在1 m以下，因而这种磨削方法也被称为纳米磨削（nano grindin
39、g）。形成塑性磨削的另一种观点认为切削深度不是唯一的因素，磨削温度才是切屑由脆性向塑性转变的关键。从理论上讲，当磨粒与工件的接触点的温度高到一定程度时，工件材料的局部物理特性才会发生变化，导致了切屑形成机理的变化。7.3.3 精密磨料加工 2.超精密磨削和镜面磨削超精密磨削通常是指加工精度高于0.1 m，表面粗糙度低于0.025 m的磨削方法。超精密磨削技术主要是为了弥补金刚石精密车削技术的不足而发展起来的。因为金刚石刀具在切削钢、铁材料时易产生“扩散磨损”；在微量切削陶瓷、玻璃等硬脆材料时，由于巨大的切应力又易产生较大的机械磨损。所以对于这些材料，超精密磨削成为一种理想的加工方法。7.3.3
40、 精密磨料加工镜面磨削一般是指加工表面粗糙度达到0.020.01 m，磨削表面光泽如镜的磨削方法。镜面磨削对加工精度要求不很明确，主要强调表面粗糙度要求。从精度和表面粗糙度统一的观点理解，镜面磨削应属于超精密磨削的范畴。超精密磨削除需要使用超精密磨床和严格控制工作环境以外，砂轮的选用和修整是十分重要的。通常采用超硬磨料（如金刚石或CBN）和微细粒度的砂轮，并采用金属结合剂。金刚石或CBN砂轮的修整与一般砂轮的修整不同，分为整形和修锐两步进行：整形，使砂轮获得所要求的几何形状，可采用碳化硅砂轮进行整形，也可以使用金刚石笔进行整形；修锐，修锐的目的是去除部分结合剂，使磨粒突出结合剂一定的高度，一般
41、为磨粒尺寸的1/3左右。7.3.3 精密磨料加工砂轮修锐的方法有很多种，其中日本东京大学理化研究所的Nakagawa和Ohmori教授发明的电解在线修锐法（electrolytic inprocess dressing，ELID），效果突出。图7-10为ELID磨削原理示意图。图7-10 ELID磨削原理示意图7.3.3 精密磨料加工在使用ELID磨削时，冷却润滑液为一种特殊的电解液。电极与砂轮之间接上电压时，砂轮的结合剂发生氧化，氧化层会阻止电解的进一步进行。在切削力的作用下，氧化层脱落，从而露出了新的锋利的磨粒。由于电解修整在整个磨削过程中是连续进行的，因此能保证砂轮在整个磨削过程中保持同
42、一锋利状态。7.3.3 精密磨料加工 3.精密砂带抛光模具是现代制造业使用越来越多的一种工具，模具型腔表面的加工精度直接影响制造工件的精度。特别是各种塑料模具，模具型腔表面的粗糙度将直接影响工件的外观质量。为进行模具型腔等复杂曲面的超精抛光加工，多采用精密砂带抛光机进行终加工。用细粒度磨料制成的砂带加工出的表面粗糙度可达0.02 m。目前砂带的带基用聚氨酯薄膜材料，有极高的强度，用静电植砂法制作的砂带上的砂粒的等高性和切削性能更好。精密砂带抛光一般采用开式砂带加工方法。与闭合环形砂带高速循环磨削不同，开式砂带由卷带轮低速卷绕，始终有新砂带缓慢进入加工区，砂带经一次性使用即报废。这种开式砂带加工
43、方法保持了加工工况的一致性，从而提高了生产过程中加工表面质量的稳定性。Part7.4微机械及其微细加工技术第7章 先进制造技术7.4 微机械及其微细加工技术 1.微细加工的概念 一般把尺寸在微米至毫米的零件的加工归为微细加工。由于零件尺寸微小，相应的尺寸公差和形位公差都很小，通常在100 nm内，而表面粗糙度值更是小于10 nm。因此，微细加工同时具备精密和超精密加工的特征。7.4 微机械及其微细加工技术PPT模板下载： 微机械及其微细加工技术 2.微细加工的方法目前使用的微细加工方法主要有以下几种：（1）采用微型化的定形整体刀具或非定形磨料工具进行机械加工，如车削、钻削、铣削和磨削。由于刀具
44、具有清晰明显的界限，因此可以方便地定义刀具路径，加工出各种三维形状的轮廓。7.4 微机械及其微细加工技术（2）采用电加工或在其基础上的复合加工，如微细电火花加工（MEDM）、线放电磨削加工（WEDG）、线电化磨削（WECG）、电化加工（ECM，又称电解液射流或微细喷射制模）等。（3）采用光、声等能量法加工，如微细激光束加工（MLBM）、微细超声加工等。（4）采用光化掩膜法加工，如光刻法、LIGA法（X射线蚀刻和电铸制模成形法）等。（5）采用层积增生法加工，如曲面的磁膜镀覆、多层薄膜镀覆（用于SMA微型线圈制造）和液滴层积等。7.4 微机械及其微细加工技术 3.微细机械加工工艺对于工件的平面、内
45、腔、孔或相对较大直径外圆的加工，由于工件尺寸相对较大，有一定的刚度，因此可用切削加工的方法进行加工，包括铣、钻和车三种形式。车或铣多用单晶金刚石车刀或铣刀。对于孔加工，孔的直径决定钻头的直径，现在用于微细加工的麻花钻的直径可小到50 m，如果加工更小直径的孔，可采用自制的扁钻。7.4 微机械及其微细加工技术 4.微细电加工工艺对于一些刚度小的工件和特别微小的工件，用机械加工的方法很难实现，必须使用电加工、光刻化学加工或生物加工的方法，如线放电磨削和线电化磨削。7.4 微机械及其微细加工技术图7-11为用WEDG方法加工微型轴的原理图。图中，用作加工工具的电极丝在导丝器导向槽的夹持下靠近工件，在
46、工件与电极丝之间加有放电介质。加工时，电极丝一面在导向槽中低速滑动（0.10.2 mm/s），一面通过脉冲电源在电极丝与工件之间不断放电，去除工件的加工余量。图7-11 线放电磨削（WEDG）加工微型轴的原理图7.4 微机械及其微细加工技术利用数字控制导丝器与工件之间的相对运动，可加工出不同的工件形状，如图7-12所示。图7-12 利用线放电磨削加工的各种工件7.4 微机械及其微细加工技术 5.光刻加工光刻加工是微细加工中广泛使用的一种加工方法，主要用于制作半导体集成电路，其工作原理如图7-13所示。光刻加工的主要过程如下：图7-13 光刻加工工作原理7.4 微机械及其微细加工技术(1)(1)
47、(1)(1)(2)(2)(2)(2)(3)(3)(3)(3)(4)(4)(4)(4)(5)(5)(5)(5)(6)(6)(6)(6)(7)(7)(7)(7)氧化。在硅晶片表面形成一层氧化层。涂胶。涂光致抗蚀剂。曝光。通过掩膜曝光。显影。将曝光部分溶解去除。腐蚀。将未被覆盖部分腐蚀掉。去胶。将光致抗蚀剂去除。扩散。向需要杂质的部分扩散杂质。7.4 微机械及其微细加工技术 6.微细加工机床7.4 微机械及其微细加工技术（4）高的定位精度和重复定位精度。（5）低热变形结构设计。（6）刀具的稳固夹持和高的安装精度。（7）高的主轴转速及动平衡。（8）稳固的床身构件并隔绝外界的振动干扰。（9）具有刀具破损
48、检测的监控系统。7.4 微机械及其微细加工技术图7-14为日本FANUC公司开发的能进行车、铣、磨和电火花加工的多功能微型超精密加工机床的结构示意图。该机床有X、Z、C、B四个轴，在B轴回转工作台上增加A轴转台后，可实现五轴控制，数控系统的最小设定单位为1 nm。图7-14 日本FANUC公司开发的微型超精密加工机床结构示意图Part7.5现代制造模式第7章 先进制造技术7.5.1 成组技术随着传统的单一品种的大批量生产方式在制造中比例的逐步下降，多品种小批量生产不断增加，产生了一种新的生产模式大批量定制生产(mass customization production，MCP)。成组技术(gr
49、oup technology，GT)作为一种有效的工具，在小批量生产中获得了大批量生产的良好效果。成组技术是一门生产技术科学和管理科学，它研究如何识别和开发生产过程中有关事物的相似性，并充分利用各种问题的相似性，将其归类集合成组，然后寻求解决这一组问题的相对统一的最优方案，以取得所期望的经济效果。7.5.1 成组技术成组技术的核心是成组工艺，它是把结构、材料和工艺相近似的零件组成一个零件族（组），按零件族制定工艺进行加工，从而扩大了批量、减少了品种，便于采用高效方法，提高了劳动生产率。零件的相似性是广义的，在几何形状、尺寸、功能要素、精度、材料等方面的相似性为基本相似性；以基本相似性为基础，在
50、制造、装配等生产、经营、管理等方面所导出的相似性，称为二次相似性或派生相似性。7.5.1 成组技术成组技术用于机械制造领域，就是利用零件的相似性，将其分类成组，并以这些零件组为基础组织生产，以实现多品种、中小批量生产的产品设计、制造工艺和生产管理的合理化。7.5.1 成组技术由上述定义可见，机械制造中成组技术的基本原理是将零件按其相似性分类成组，使同一类零件分散的小批量生产汇合成较大批量的成组生产（见图7-15），从而使多品种、中小批量生产可以获得接近大批量生产的经济效果。图7-15 成组技术的基本原理7.5.1 成组技术 1.实施成组技术的客观基础在机械制造中实施成组技术有其客观基础，主要有