第3章先進制造工藝本章要點超精密加工技術特種加工技術的特點幾種快速原型制造技術

高速加工關鍵技術綠色加工技術及其應用1第3章

先進制造工藝AdvancedManufacturingProcess3.1概述Introduction23.1.1概述◆定義先進制造工藝技術是指研究與物料處理過程和物料直接相關的各項技術，要求實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、清潔和靈活?！籼攸c先進制造工藝技術的定義與內(nèi)容優(yōu)質(zhì)高效低耗清潔靈活33.1.1概述◆先進制造工藝技術的內(nèi)容

精密、超精密加工技術。它是指對工件表面材料進行去除，使工件的尺寸、表面性能達到產(chǎn)品要求所采取的技術措旌。當前，納米(nm)加工技術代表了制造技術的最高精度水平。超精加工材料由金屬擴大到非金屬。根據(jù)加工的尺寸精度和表面粗糙度，可大致分為三個不同的檔次，如表3-1所示。表3-1精密加工的尺寸精度和表面粗糙度尺寸精度/μm表面粗糙度/μm精密加工3～0.30.3～0.03超精密加工（亞微米加工）0.3～0.030.3～0.005納米加工＜0.03＜0.00543.1.1概述精密成形制造技術。它是指工件成形后只需少量加工或無須加工就可用作零件的成形技術。它是多種高新技術與傳統(tǒng)的毛坯成形技術融為一體的綜合技術。它正在從近凈成形工藝(NearNetShapeProcess)向凈成形工藝(NetShapeProcess)的方向發(fā)展。特種加工技術。它是指那些不屬于常規(guī)加工范疇的加工。例如，高能束流(電子束、離子束、激光束)加工、電加工(電解和電火花加工)、超聲波加工、高壓水射流加工以及多種能源的組合加工。表面工程技術。它是指采用物理、化學、金屬學、高分子化學、電學、光學和機械學等技術及其組合，提高產(chǎn)品表面耐磨、耐蝕、耐熱、耐輻射、抗疲勞等性能的各項技術。它主要包括熱處理、表面改性、制膜和涂層等技術。

5第3章

先進制造工藝AdvancedManufacturingProcess3.2超精密加工技術Super-precisionMachiningTechnology63.2.1概述◆超精密加工技術是指被加工零件的尺寸精度高于0.1μm，表面粗糙度Ra在0.1~0.025μm之間，以及所用機床定位精度的分辨率和重復性高于0.01μm的加工技術，亦稱之為亞微米級加工技術，且正在向納米級加工技術發(fā)展。目前，超精密加工從單一的金剛石車削，到現(xiàn)代的超精密磨削、研磨、拋光等多種方法的綜合運用，已成為現(xiàn)代制造技術中的一個重要組成部分。超精密加工技術主要包括:超精密加工的機理，超精密加工的設備制造技術，超精密加工工具及刃磨技術，超精密測量技術和誤差補償技術，超精密加工工作環(huán)境等。超精密加工技術的概念

超精密加工的發(fā)展7圖3-1精密加工與超精密加工的發(fā)展普通加工精密加工超精密加工超高精密磨床超精密研磨機離子束加工分子對位加工車床,銑床卡尺加工設備測量儀器精密車床磨床百分尺比較儀坐標鏜床坐標磨床氣動測微儀光學比較儀金剛石車床精密磨床光學磁尺電子比較儀超精密磨床精密研磨機激光測長儀圓度儀輪廓儀激光高精度測長儀掃描電鏡電子線分析儀加工誤差（μm）10010110210-210-110-3190019201940196019802000年份3.2.1概述8

直接式進化加工：利用低于工件精度的設備、工具，通過工藝手段和特殊工藝裝備，加工出所需工件。適用于單件、小批生產(chǎn)。

間接式進化加工：借助于直接式“進化”加工原則，生產(chǎn)出第二代工作母機，再用此工作母機加工工件。適用于批量生產(chǎn)?！簟斑M化”加工原則背吃刀量小于晶粒大小，切削在晶粒內(nèi)進行，與傳統(tǒng)切削機理完全不同?！?/p>

微量切削機理◆

特種加工與復合加工方法應用越來越多傳統(tǒng)切削與磨削方法存在加工精度極限，超越極限需采用新的方法。

精密與超精密加工特點3.2.1概述9要達到加工要求，需綜合考慮工件材料、加工方法、加工設備與工具、測試手段、工作環(huán)境等諸多因素，是一項復雜的系統(tǒng)工程，難度較大?！?/p>

形成綜合制造工藝廣泛采用計算機控制、適應控制、在線檢測與誤差補償技術，以減小人的因素影響，保證加工質(zhì)量。◆

與自動化技術聯(lián)系緊密精密與超精密加工設備造價高，難成系列。常常針對某一特定產(chǎn)品設計（如加工直徑3m射電天文望遠鏡的超精密車床，加工尺寸小于1mm微型零件的激光加工設備）?！?/p>

與高新技術產(chǎn)品緊密結(jié)合◆

加工與檢測一體化精密檢測是精密與超精密加工的必要條件，并常常成為精密與超精密加工的關鍵。3.2.1概述10結(jié)合加工分類加工機理加工方法示例去除加工電物理加工電火花加工（電火花成形，電火花線切割）電化學加工電解加工、蝕刻、化學機械拋光力學加工切削、磨削、研磨、拋光、超聲加工、噴射加工熱蒸發(fā)（擴散、溶解）電子束加工、激光加工附著加工注入加工化學化學鍍、化學氣相沉積電化學電鍍、電鑄熱熔化真空蒸鍍、熔化鍍化學氧化、氮化、活性化學反映電化學陽極氧化熱熔化摻雜、滲碳、燒結(jié)、晶體生長力物理離子注入、離子束外延連續(xù)加工熱物理激光焊接、快速成形化學化學粘接變形加工熱流動精密鍛造、電子束流動加工、激光流動加工粘滯流動精密鑄造、壓鑄、注塑分子定向液晶定向表3-2精密與超精密加工分類3.2.1概述11切削在晶粒內(nèi)進行切削力＞原子結(jié)合力（剪切應力達13000N/mm2）刀尖處溫度極高，應力極大，普通刀具難以承受高速切削（與傳統(tǒng)精密切削相反），工件變形小，表層高溫不會波及工件內(nèi)層，可獲得高精度和好表面質(zhì)量用于銅、鋁及其合金精密切削（切鐵金屬，由于親合作用，產(chǎn)生“碳化磨損”，影響刀具壽命和加工質(zhì)量）加工各種紅外光學材料如鍺、硅、ZnS和ZnSe等加工有機玻璃和各種塑料典型產(chǎn)品：光學反射鏡、射電望遠鏡主鏡面、大型投影電視屏幕、照像機塑料鏡片、樹脂隱形眼鏡鏡片等◆應用◆

機理、特點超精密切削加工主要指金剛石刀具的超精密車削3.2.2超精密切削加工12★

加工設備要求高精度、高剛度、良好穩(wěn)定性、抗振性及數(shù)控功能等?！?/p>

關鍵技術圖7-18Moore金剛石車床回轉(zhuǎn)工作臺工件刀具主軸傳動帶主軸電機空氣墊刀具夾持器如美國Moore公司M-18AG金剛石車床，主軸采用空氣靜壓軸承，轉(zhuǎn)速5000轉(zhuǎn)/分，徑跳＜0.1μm；液體靜壓導軌，直線度達0.05μ/100mm；數(shù)控系統(tǒng)分辨率0.01μ。3.2.2超精密切削加工13車床主軸裝在橫向滑臺（X軸）上，刀架裝在縱向滑臺（Z軸）上?？山鉀Q兩滑臺的相互影響問題，而且縱、橫兩移動軸的垂直度可以通過裝配調(diào)整保證，生產(chǎn)成本較低，已成為當前金剛石車床的主流布局。圖7-19T形布局的金剛石車床

T形布局（圖7-19）3.2.2超精密切削加工14

金剛石車床主要性能指標（表7-5）數(shù)控系統(tǒng)分辯率/μm400×2005000～1000050000.1～0.01≤0.2/100≤0.1≤0.1≤1/150≤2/100徑向1140軸向1020640720最大車削直徑和長度/mm最高轉(zhuǎn)速r/mm最大進給速度mm/min重復精度(±2σ)/μm主軸徑向圓跳動/μm滑臺運動的直線度/μm主軸前靜壓軸承（φ100mm）的剛度/（N/μm）主軸后靜壓軸承（φ80mm）的剛度/（N/μm）縱橫滑臺的靜壓支承剛度/（N/μm）表7-5金剛石車床主要性能指標主軸軸向圓跳動/μm橫滑臺對主軸的垂直度/μm3.2.2超精密切削加工15金剛石車床加工4.5mm陶瓷球圖3-2金剛石車床及其加工照片3.2.2超精密切削加工163.2.2超精密切削加工173.2.2超精密切削加工北京機床研究所研制哈爾濱工業(yè)大學研制國產(chǎn)數(shù)控超精密金剛石車床18國外金剛石刀具刃口半徑可達納米級水平。日本大阪大學與美國LLL實驗室合作研究的超精密切削的最小極限，在刀具極鋒銳和機床工作狀態(tài)最佳情況下，可以實現(xiàn)切削厚度納米級的連續(xù)穩(wěn)定切削。3.2.2超精密切削加工19在工具和模具制造中，磨削是保證產(chǎn)品的精度和質(zhì)量的最后一道工作序。技術關鍵除磨床外、磨削工藝也起決定性作用。在磨削脆性材料時，由于材料本身的物理特性，切屑形成多為脆性斷裂，磨削后的表面比較粗糙。在80年代末日本和歐美的眾多公司和研究機構(gòu)研發(fā)了兩種新的磨削工藝：塑性磨削（DuctileGrinding)和鏡面磨削（MirrorGrinding)3.2.3超精密磨削20磨削脆性材料時，在一定工藝條件下，切屑形成與塑性材料相似，即通過剪切形式被磨粒從基體上切除下來。磨削后工件表面呈有規(guī)則紋理，無脆性斷裂凹凸不平，也無裂紋。塑性磨削工藝條件：（1）切削深度小于臨界切削深度，它與工件材料特性和磨粒的幾何形狀有關。一般臨界切削深度＜1μm。為此對機床要求：①高的定位精度和運動精度。以免因磨粒切削深度超過1μm時，導致轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈阅ハ?。②高的剛性。因為塑性磨削切削力遠超過脆性磨削的水平，機床剛性低，會因切削力引起的變形而破壞塑性切屑形成的條件。

（2）磨粒與工件的接觸點的溫度高到一定程度時，工件材料的局部物理特性會發(fā)生變化，導致切屑形成機理的變化（已有試驗作支持）。

3.2.3超精密磨削塑性磨削21它關心的不是切屑形成的機理而是磨削后的工件表面特性當磨削后的工件表面反射光的能力達到一定程度時，該磨削過程被稱為鏡面磨削。鏡面磨削的工件材料不局限于脆性材料，它也包括金屬材料、鋁和鉬等。日本東京大學理化研究所的Nakagawa和Ohmon教授發(fā)明了電解在線修整磨削法ELID。3.2.3超精密磨削鏡面磨削22進給＋－圖3-3ELID磨削原理電源金剛石砂輪（鐵纖維結(jié)合劑）冷卻液冷卻液電刷◆

ELID（ElectrolyticIn-ProcessDressing）使用ELID磨削，冷卻液為一種特殊電解液。通電后，砂輪結(jié)合劑發(fā)生氧化，氧化層阻止電解進一步進行。在切削力作用下，氧化層脫落，露出了新的鋒利磨粒。由于電解修銳連續(xù)進行，砂輪在整個磨削過程保持同一鋒利狀態(tài)。3.2.3超精密磨削233.2.3超精密磨削◆

ELID（ElectrolyticIn-ProcessDressing）24ELID超精密磨床日本以超精密車床為基礎，結(jié)合ELID鏡面磨削技術，發(fā)展了加工回轉(zhuǎn)體非球曲面的ELID精密鏡面磨床(見圖9)；后來又發(fā)展了三坐標聯(lián)動數(shù)控ELID精密鏡面磨床，可加工精密自由曲面，達到鏡面。3.2.3超精密磨削25砂帶：帶基材料為聚碳酸脂薄膜，其上植有細微砂粒。砂帶在一定工作壓力下與工件接觸并作相對運動，進行磨削或拋光。有開式（圖7-25）和閉式兩種形式，可磨削平面、內(nèi)外圓表面、曲面等（圖7-27）。接觸輪硬磁盤—裝在主軸真空吸盤上圖3-4砂帶磨削示意圖V砂帶砂帶輪卷帶輪F-徑向進給f-徑向振動◆

精密與超精密砂帶磨削3.2.3超精密磨削26圖7-26用于磨削管件的砂帶磨床（帶有行星系統(tǒng)）3.2.3超精密磨削273.2.3超精密磨削圖1呈箭頭狀分布的金剛石砂帶圖2呈圓點狀分布的金剛石砂帶28

幾種常見砂帶磨削方式（圖7-27）圖7-27幾種砂帶磨削形式a）砂帶無心外圓磨削（導輪式）工件導輪接觸輪主動輪砂帶工件接觸輪主動輪砂帶b）砂帶定心外圓磨削（接觸輪式）c）砂帶定心外圓磨削（接觸輪式）工件接觸輪主動輪砂帶接觸輪砂帶工件d）砂帶內(nèi)圓磨削（回轉(zhuǎn)式）工件支承板主動輪砂帶工作臺e）砂帶平面磨削（支承板式）f）砂帶平面磨削（支承輪式）支承輪工件砂帶接觸輪3.2.3超精密磨削29

砂帶磨削特點1）砂帶與工件柔性接觸，磨粒載荷小，且均勻，工件受力、熱作用小，加工質(zhì)量好（Ra值可達0.02μm）。3）強力砂帶磨削，磨削比（切除工件重量與砂輪磨耗重量之比）高，有“高效磨削”之稱。4）制作簡單，價格低廉，使用方便。5）可用于內(nèi)外表面及成形表面加工。磨粒規(guī)格涂層粘接劑基帶圖7-28靜電植砂砂帶結(jié)構(gòu)2）靜電值小，磨粒有方向性，尖端向上（圖7-28），摩擦生熱小，磨屑不易堵塞砂輪，磨削性能好。3.2.3超精密磨削30工件小間隙加壓拋光輪懸浮液微粉(磨粒)圖7-29彈性發(fā)射加工原理拋光輪與工件表面形成小間隙，中間置拋光液，靠拋光輪高速回轉(zhuǎn)造成磨料的“彈性發(fā)射”進行加工。工作原理（圖7-29）機理：微切削＋被加工材料的微塑性流動作用★彈性發(fā)射加工◆

游離磨料加工拋光輪：由聚氨基甲酸（乙）酯制成，磨料直徑0.1～0.01μm3.2.3超精密磨削31研磨加工通常是指利用硬度比被加工材料更高的微米級磨粒，在硬質(zhì)研磨盤作用下產(chǎn)生的微切削和滾軋作用實現(xiàn)被加工表面的微量材料去除，使工件的形狀、尺寸精度達到要求值，并降低表面粗糙度、減小加工變質(zhì)層的加工方法。精密與超精密加工技術★研磨拋光加工3.2.3超精密磨削32實例：硅片的研磨精密與超精密加工技術研磨盤工件（硅片）Al2O3磨料3.2.3超精密磨削33工作原理（圖7-30）拋光工具上開有鋸齒槽，靠楔形擠壓和拋光液的反彈，增加微切削作用。機理：微切削作用。拋光工具圖7-30液體動力拋光小間隙工件工具運動方向拋光液磨粒工作原理（圖7-31）活性拋光液和磨粒與工件表面產(chǎn)生固相反應，形成軟粒子，使其便于加工。機理：機械+化學作用，稱為“增壓活化”。★液體動力拋光★化學機械拋光拋光工具活性拋光液圖7-31機械化學拋光小間隙工件工具運動方向加壓3.2.3超精密磨削34精密與超精密加工技術拋光后硅片拋光后陶瓷球采用工件、磨粒、拋光盤和加工液等的不同組合，可實現(xiàn)不同的拋光效果。工件與拋光液、磨料及拋光盤間的化學反應有助于拋光加工。3.2.3超精密磨削35拉單晶磨外圓切割研磨拋光實例：半導體硅片加工精密與超精密加工技術硅片的直徑?300~450mm,平面度:0.05~0.07μm/25×44mm2,表面粗糙度Ra0.1nm--這些都需要在研磨、拋光的工序中實現(xiàn)。3.2.3超精密磨削36實例：曲面研磨/拋光技術精密與超精密加工技術研磨拋光不僅用于加工平面，還大量用于曲面加工，如圓柱體外表面、內(nèi)孔，球面及非球面透鏡、反射鏡，模具及型腔自由曲面等。球面反射鏡離軸拋物面反射鏡大型天文望遠鏡非球面主鏡非球面反射鏡3.2.3超精密磨削37曲面研磨/拋光技術精密與超精密加工技術傳統(tǒng)的手工研磨拋光效率很低，且不易保證曲面的幾何精度。故國外已發(fā)展了多種精密曲面拋光機床。這類精密曲面拋光機床，都有精密在線測量系統(tǒng)，在機床上檢測加工工件的幾何精度，根據(jù)測出的誤差繼續(xù)進行拋光加工。加工出的曲面鏡，不僅表面是優(yōu)質(zhì)的鏡面，同時具有甚高的幾何精度。1-拋光頭2-拋光頭升降機構(gòu)3-Z向空氣導軌4-測量頭5-Z向光學測量6-工作臺面7-XYθ工作臺8-空氣隔振精密曲面拋光機(Canon公司)3.2.3超精密磨削38一、磁性磨粒加工（MagneticAbrasiveFinishing,MAF）磁性磨粒加工是利用磁性磨粒(由磨粒與鐵粉經(jīng)混合、燒結(jié)再粉碎至一定粒度制成)對工件表面進行研磨拋光的加工方法。鐵磁性物質(zhì)有鐵、鐵合金和鐵的氧化物在磁場的作用下，磁性磨料對工件表面產(chǎn)生作用力，并在與工件表面的相對運動中去除工件材料。精密與超精密加工技術3.2.3超精密磨削39二、磁流變加工（MagnetorheologicalFinishing，MRF）利用磁流變液（由磁性顆粒、基液和穩(wěn)定劑組成的懸浮液）在磁場中的流變特性對工件進行研磨拋光加工。高梯度磁場使磁流變液凝聚、變硬，成為粘塑性的Bingham介質(zhì)（類似于“固體”，表觀黏度系數(shù)增加兩個數(shù)量級以上），在工件表面與之接觸的區(qū)域產(chǎn)生很大的剪切力，從而使工件的表面材料被去除，而離開磁場區(qū)域的介質(zhì)重新變成可流動的液體。精密與超精密加工技術3.2.3超精密磨削40三、氣囊式拋光（BallonetToolPolishing）使用特制的柔性氣囊作為拋光工具，通過拋光液或氣囊外面包裹的磨料薄膜層（如聚氨酯拋光墊、拋光布等）實現(xiàn)拋光加工。工具氣囊具有彈性，可以自動適應工件的曲面形狀，故同一工具可用于拋光不同外形的曲面。這新的曲面拋光方法可以獲得質(zhì)量甚高的拋光表面，適合平面、球面、非球面、甚至任意曲面的拋光加工精密與超精密加工技術3.2.3超精密磨削41三、氣囊式拋光（BallonetToolPolishing）精密與超精密加工技術42◆恒溫——要求：±1℃～±0.01℃

實現(xiàn)方法：大、小恒溫間+局部恒溫（恒溫罩，恒溫油噴淋）◆恒濕——要求：相對濕度35%～45%，波動±10%～±1%實現(xiàn)方法：采用空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)

◆凈化——要求：10000～100級（100級系指每立方英尺空氣中所含大于0.5μm塵埃個數(shù)不超過100）

實現(xiàn)方法：采用空氣過濾器，送入潔凈空氣◆隔振——要求：消除內(nèi)部、隔絕外部振動干擾

實現(xiàn)方法：隔振地基，隔振墊層，空氣彈簧隔振器精密與超精密加工環(huán)境3.2.5超精密加工環(huán)境43第3章

先進制造工藝AdvancedManufacturingProcess3.3微細與納米加工技術Micro/Nanometric

MachiningTechnology44微型化集成化多樣化3.3.1微細與超微細加工技術概述微細/超微細加工技術概述◆

微型機械的特點◆

微型機械的提出45微細加工——通常指1mm以下微細尺寸零件的加工，其加工誤差為0.1μm～10μm。超微細加工——通常指1μm以下超微細尺寸零件的加工，其加工誤差為0.01μm～0.1μm。精度表示方法——一般尺寸加工，其精度用誤差尺寸與加工尺寸比值表示；微細加工，其精度用誤差尺寸絕對值表示?！凹庸挝弧薄コ粔K材料的大小，對于微細加工，加工單位可以到分子級或原子級。微切削機理——切削在晶粒內(nèi)進行，切削力要超過晶體內(nèi)分子、原子間的結(jié)合力，單位面積切削阻力急劇增大。微細/超微細加工技術的概念與特點3.3.1微細與超微細加工技術概述46尖端直徑為5微米的微型鑷子可以夾起一個紅血球。日本研制的數(shù)厘米見方的微型車床加工精度呆達1.5微米。美國大批量生產(chǎn)的硅加速度計把微型傳感器和集成電路一起集成在硅片上3mmx3mm的范圍內(nèi)。目前已有0.06mm的軸與軸承和投入生產(chǎn)的0.5mm的齒輪。3.3.1微細與超微細加工技術概述微細/超微細加工技術發(fā)展現(xiàn)狀473.3.1微細與超微細加工技術概述第一臺微型機床（日本工業(yè)技術院機械工程實驗室MEL）32X25X30.5mm483.3.1微細與超微細加工技術概述微機械加工方法：LIGA（光刻、電鍍成形、注塑）、光刻加工微細加工的特種方法加工：電火花加工、電化學加工、離子束加工、電子束加工等、激光加工。微機械加工切削：微細車削、微細銑銷、微細鉆削、微細磨削等。國際上比較重視的微機電系統(tǒng)制造技術有：犧牲層硅工藝、微切削加工技術和LIGA等。微細/超微細加工方法49◆主要采用銑、鉆和車三種形式，可加工平面、內(nèi)腔、孔和外圓表面?！舻毒撸憾嘤脝尉Ы饎偸嚨丁姷叮▓D3-35）。銑刀的回轉(zhuǎn)半徑（可小到5μm）靠刀尖相對于回轉(zhuǎn)軸線的偏移來得到。當?shù)毒呋剞D(zhuǎn)時，刀具的切削刃形成一個圓錐形的切削面。微細切削加工技術圖3-35單晶金剛石銑刀刀頭形狀3.3.1微細與超微細加工技術50微小位移機構(gòu)，微量移動應可小至幾十個納米。高靈敏的伺服進給系統(tǒng)。要求低摩擦的傳動系統(tǒng)和導軌支承系統(tǒng)，以及高跟蹤精度的伺服系統(tǒng)。高的定位精度和重復定位精度，高平穩(wěn)性的進給運動。低熱變形結(jié)構(gòu)設計。刀具的穩(wěn)固夾持和高的安裝精度。高的主軸轉(zhuǎn)速及動平衡。穩(wěn)固的床身構(gòu)件并隔絕外界的振動干擾。具有刀具破損檢測的監(jiān)控系統(tǒng)?！?/p>

微細切削加工設備◆

FANUCROBOnanoUi型微型超精密加工機床（圖3-36）

3.3.1微細與超微細加工技術51機床有X、Z、C、B四個軸，在B

軸回轉(zhuǎn)工作臺上增加A軸轉(zhuǎn)臺后，可實現(xiàn)5軸控制，數(shù)控系統(tǒng)的最小設定單位為1nm。可進行車、銑、磨和電火花加工。旋轉(zhuǎn)軸采用編碼器半閉環(huán)控制，直線軸則采用激光全息式全閉環(huán)控制。為了降低伺服系統(tǒng)的摩擦，導軌、絲杠螺母副以及伺服電機轉(zhuǎn)子的推力軸承和徑向軸承均采用氣體靜壓結(jié)構(gòu)。圖3-36FANUC微型超精密加工機床3.3.1微細與超微細加工技術52電極線沿著導絲器中的槽以5～10mm/min的低速滑動，可加工圓柱形的軸（圖3-39）。如導絲器通過數(shù)字控制作相應的運動，還可加工出各種形狀的桿件（圖3-40）?！?/p>

線放電磨削法（WEDG）

圖3-40WEDG可加工的各種截形桿微細鉆削

圖3-39WEDG工作原理Ⅰ－ⅠⅠⅠ工件金屬絲導絲器3.3.1微細與超微細加工技術53日本FANUC和電氣通信合作研制出車床型的超精密銑床，首例用切削的方法實現(xiàn)了自由曲面微細加工。微細銑削

3.3.1微細與超微細加工技術54離子束4.刻蝕（形成溝槽）5.沉積（形成電路）6.剝膜（去除光致抗蝕劑）3.顯影、烘片（形成窗口）窗口2.曝光（投影或掃描）掩膜電子束圖3-41電子束光刻大規(guī)模集成電路加工過程

光刻加工（電子束光刻大規(guī)模集成電路）1.涂膠（光致抗蝕劑）氧化膜光致抗蝕劑基片3.3.1微細與超微細加工技術◆

微細特種加工55◎?qū)⒈患铀俚碾x子聚焦成細束，射到被加工表面上。被加工表面受“轟擊”后，打出原子或分子，實現(xiàn)分子級去除加工。

離子束濺射去除加工◆

微細特種加工惰性氣體入口陰極中間電極電磁線圈陽極控制電極絕緣子引出電極離子束聚焦裝置擺動裝置工件三坐標工作臺圖3-44

離子束去除加工裝置◎加工裝置見圖2-26。三坐標工作臺可實現(xiàn)三坐標直線運動，擺動裝置可實現(xiàn)繞水平軸的擺動和繞垂直軸的轉(zhuǎn)動。3.3.1微細與超微細加工技術56

離子束濺射鍍膜加工◎用加速的離子從靶材上打出原子或分子，并將這些原子或分子附著到工件上，形成“鍍膜”。又被稱為“干式鍍”（圖7-46）離子束源靶濺射材料濺射粒子工件真空圖3-46離子束濺射鍍膜加工◎離子鍍氮化鈦，即美觀，又耐磨。應用在刀具上可提高壽命1-2倍?！驗R射鍍膜可鍍金屬，也可鍍非金屬?！蛴捎跒R射出來的原子和分子有相當大的動能，故鍍膜附著力極強（與蒸鍍、電鍍相比）。3.3.1微細與超微細加工技術57◎用高能離子（數(shù)十萬KeV）轟擊工件表面，離子打入工件表層，其電荷被中和，并留在工件中（置換原子或填隙原子），從而改變工件材料和性質(zhì)?！蚩捎糜诎雽w摻雜（在單晶硅內(nèi)注入磷或硼等雜質(zhì)，用于晶體管、集成電路、太陽能電池制作），金屬材料改性（提高刀具刃口硬度）等方面。

離子束濺射注入加工

離子束曝光◎用在大規(guī)模集成電路制作中，與電子束相比有更高的靈敏度和分辨率。3.3.1微細與超微細加工技術581）以同步加速器放射的短波長（＜1nm）X射線作為曝光光源，在厚度達0.5mm的光致抗蝕劑上生成曝光圖形的三維實體；2）用曝光蝕刻圖形實體作電鑄模具，生成鑄型；3）以生成的鑄型作為模具，加工出所需微型零件。X射線曝光腐蝕溶解抗蝕劑電鑄鑄型注射成形零件圖3-58LIGA制作零件過程

LIGA由深層同步X射線光刻、電鑄成形、塑注成形組合而成。包括三個主要工序（圖3-58）：

X射線刻蝕電鑄模技術（lithographicgalvanoformung

abformung,LIGA）3.3.1微細與超微細加工技術59圖3-59LIGA工作現(xiàn)場3.3.1微細與超微細加工技術60

50μm圖3-60X射線刻蝕的三維實體◆

LIGA特點用材廣泛，可以是金屬及其合金、陶瓷、聚合物、玻璃等可以制作高度達0.1～0.5mm，高寬比大于200的三維微結(jié)構(gòu)（圖3-60），形狀精度達亞微米◆

LIGA代表產(chǎn)品及應用微傳感器、微電機、微機械零件、微光學元件、微波元件、真空電子元件、微型醫(yī)療器械等廣泛應用于加工、測量、自動化、電子、生物、醫(yī)學、化工等領域可以實現(xiàn)大批量復制，成本較低3.3.1微細與超微細加工技術61◆

通常指納米級（0.1nm～100nm）的材料、設計、制造、測量和控制技術。納米技術涉及機械、電子、材料、物理、化學、生物、醫(yī)學等多個領域?！?/p>

在達到納米層次后，決非幾何上的“相似縮小”，而出現(xiàn)一系列新現(xiàn)象和規(guī)律。量子效應、波動特性、微觀漲落等不可忽略，甚至成為主導因素?！?/p>

納米技術研究的主要內(nèi)容納米級精度和表面形貌測量及表面層物理、化學性能檢測；納米級加工；納米材料；納米級傳感與控制技術；微型與超微型機械。3.3.2納米技術62掃描隧道顯微加工技術（STM）掃描隧道顯微鏡1981年由在IBM瑞士蘇黎世實驗室工作的G.Binning

和H.Rohrer

發(fā)明，可用于觀察物體級的表面形貌。被列為20世紀80年度世界十大科技成果之一，1986年因此獲諾貝爾物理學獎。

STM工作原理基于量子力學的隧道效應。當兩電極之間距離縮小到1nm時，由于粒子波動性，電流會在外加電場作用下，穿過絕緣勢壘，從一個電極流向另一個電極。當一個電極為非常尖銳的探針時，由于尖端放電使隧道電流加大。G.BinningH.Rohrer63

硅在高溫時原子重構(gòu)現(xiàn)象

64當探針與試件表面距離達1nm時，形成隧道結(jié)（圖3-51）。當偏壓Ub小于勢壘高度φ時，隧道電流密度為：式中h——普郎克常數(shù)；

e——電子電量；

ka，k0

——系數(shù)。由上式可見，探針與試件表面距離d對隧道電流密度非常敏感，這正是STM的基礎。φ1φ2d試件STM探針Ub圖3-51STM隧道結(jié)3.3.2納米技術65

關鍵技術：（1）STM探針——金屬絲經(jīng)化學腐蝕，在腐蝕斷裂瞬間切斷電流，獲得尖峰，曲率半徑為10nm左右。圖3-53STM針尖3.3.2納米技術66STM圖3-48STM工作過程演示圖3-47STM實物照片

3.3.2納米技術67當兩原子間距離縮小到級時，原子間作用力顯示出來，造成兩原子勢壘高度降低，兩者之間產(chǎn)生吸引力。而當兩原子間距離繼續(xù)縮小至原子直徑時，由于原子間電子云的不相容性，兩者之間又產(chǎn)生排斥力。

AFM兩種測量模式：

◎接觸式——探針針尖與試件表面距離＜0.5nm，利用原子間的排斥力。由于分辨率高，目前采用較多。其工作原理是：保持探針與被測表面間的原子排斥力一定，探針掃描時的垂直位移即反映被測表面形貌。

◎非接觸式——探針針尖與試件表面距離為0.5～1nm，利用原子間的吸引力。為解決非導體微觀表面形貌測量，借鑒掃描隧道顯微鏡原理，C.Binning

于1986年發(fā)明原子力顯微鏡。3.3.2納米技術原子力顯微鏡加工技術（AFM）68◎AFM探針被微力彈簧片壓向試件表面，原子排斥力將探針微微抬起。達到力平衡。AFM探針掃描時，因微力簧片壓力基本不變，探針隨被測表面起伏。

AFM結(jié)構(gòu)（圖3-56）STM驅(qū)動AFM掃描驅(qū)動AFM探針STM探針試件微力簧片圖3-56AFM結(jié)構(gòu)簡圖◎在簧片上方安裝STM探針，STM探針與簧片間產(chǎn)生隧道電流，若控制電流不變，則STM探針與AFM探針（微力簧片）同步位移，于是可測出試件表面微觀形貌。3.3.2納米技術69圖3-57AFM實物照片掃描探針磁盤圖像3.3.2納米技術70原子力顯微鏡——納米測量技術71通過掃描隧道顯微鏡操縱氙原子用35個原子排出的“IBM”字樣

圖3-49用STM移動分子組成的IBM字樣圖3-50用STM觀察石墨原子排列3.3.2納米技術移動原子——世界上最小的廣告石墨表面通過搬遷碳原子而繪制出中國地圖72納米碳管

73由碳納米管制作的納米齒輪模型。納米齒輪上的原子清晰可見74描述的是兩種不同的分子在分子之間力的作用下在溶液中自組裝的情形。由于納米尺寸非常之小，納米機械必須具有自組裝、自我復制等功能。

75第3章

先進制造工藝AdvancedManufacturingProcess3.4高速加工技術HighSpeedMachiningTechnology763.4.1高速加工技術概述1978年，CIRP(國際生產(chǎn)工程協(xié)會)提出以線速度為500~7000m/min的切削為高速切削。

ISO1940標準規(guī)定，主軸轉(zhuǎn)速高于8000rev/min為高速切削。德國Darmstadt工業(yè)大學提出以高于5~10倍普通切削速度的切削定義為高速切削。主軸軸承孔直徑與主軸最大轉(zhuǎn)速乘積達(5~2000)×105mm·rev/min高速加工技術定義77高速切削不能簡單地用某一具體的切削速度值來定義，對于不同的工件材料，其高速切削的速度范圍是不同的?？紤]到目前的生產(chǎn)實際，不同工件材料切削速度范圍的劃分如圖3-1所示。

3.4.1高速加工技術概述783.4.1高速加工技術概述不同加工工藝的高速/超高速切削速度范圍加工工藝切削速度范圍/(m/min)車700~7000銑300~6000鉆200~1100拉30~75鉸20~500鋸50~500磨5000~10000各種材料高速/超高速切削速度范圍加工材料切削速度范圍/(m/min)鋁合金2000~7500銅合金900~5000鋼600~3000鑄鐵800~3000耐熱合金500以上鈦合金150~1000纖維增強塑料2000~900079薩洛蒙曲線

1931年4月德國切削物理學家薩洛蒙(CarlSalomon)曾根據(jù)一些實驗曲線，即人們常提及的著名的“薩洛蒙曲線”(圖3-2)，提出了超高速切削的理論。超高速切削理論的誕生3.4.2超高速加工的機理

圖3-2切削速度和切削溫度關系曲線80超高速切削的概念

超高速切削的概念可用圖3-3表示。薩洛蒙指出：在常規(guī)切削速度范圍內(nèi)(圖3-3中A區(qū))，切削溫度隨切削速度的增大而升高。但是，當切削速度增大到某一數(shù)值vc之后，切削速度再增加，切削溫度反而降低。圖3-3中B區(qū)在美國被稱為“死谷”(Deadvalley)。如果能越過這個“死谷”而在超高速區(qū)(圖3-3中C區(qū))進行加工，則有可能用現(xiàn)有刀具進行超高速切削。圖3-3超高速切削概念示意圖3.4.2超高速加工的機理

813.4.3高速加工技術的特點和優(yōu)勢

彈道切削試驗得出結(jié)論為：隨切削速度提高，塑性材料的切屑形態(tài)將從帶狀或片狀向碎屑狀演變，單位切削力初期呈上升趨勢，而后急劇下降，超高速條件下刀具磨損比普通速度下減少95%，且?guī)缀醪皇芮邢魉俣鹊挠绊?，金屬切除效率可提?0~1000倍。而美國空軍和海軍的超高速銑削實驗研究表明，銑削力克減少70%，成功實現(xiàn)了厚度為0.33mm的薄壁件的銑削，刀具磨損主要取決于刀具材料的導熱性。日本人的超高速切削試驗結(jié)果表明，超高速下切屑的形成完全是剪切作用的結(jié)果，隨著切削速度的提高，剪切角急劇增大，工件材料的變質(zhì)層厚度與普通速度下相比降低了50%，加工表面殘余應力及塑性區(qū)深度可分別減少90~95%和85~90%。82切削力小，切削溫度低。和常規(guī)切削加工相比，高速切削加工切削力至少可降低30％，這對于加工剛性較差的零件(如細長軸、薄壁件)來說，可減少加工變形，提高零件加工精度。同時，采用超高速切削，單位功率材料切除率可提高40％以上，有利于延長刀具使用壽命，通常刀具壽命可提高約70％。工件熱變形減少。95％以上的切削熱來不及傳給工件，而被切屑迅速帶走，零件不會由于溫升導致彎翹或膨脹變形。因而，超高速切削特別適合于加工容易發(fā)生熱變形的零件。加工效率高。超高速切削加工比常規(guī)切削加工的切削速度高5～10倍，進給速度隨切削速度的提高也可相應提高5～10倍，這樣，單位時間材料切除率可提高3—6倍，因而零件加工時間通?？煽s減到原來的1／3。3.4.3高速加工技術的特點和優(yōu)勢83加工精度高、加工質(zhì)量好。

由于超高速切削加工的切削力和切削熱影響小，使刀具和工件的變形小，工件表面的殘余應力小，保持了尺寸的精確性。同時，由于切屑被飛快地切離工件，可以使工件達到較好的表面質(zhì)量。

加工過程穩(wěn)定。

超高速旋轉(zhuǎn)刀具切削加工時的激振頻率高，已遠遠超出“機床一工件一刀具”系統(tǒng)的固有頻率范圍，不會造成工藝系統(tǒng)振動，使加工過程平穩(wěn)，有利于提高加工精度和表面質(zhì)量。加工成本降低可實現(xiàn)綠色制造。高速加工通常采用干切削方式，使用壓縮空氣進行冷卻，無需切削液及其設備，從而降低了成本，是綠色制造技術。

3.4.3高速加工技術的特點和優(yōu)勢84高速切削的應用領域★汽車工業(yè)（發(fā)動機,齒輪箱）

★航空航天工業(yè)（整體結(jié)構(gòu)件、框體、薄壁件）★模具工具制造（鋼及鑄件的半精/精加工）★難加工材料（陶瓷、復合材料、鈦合金、鎳基高溫合金、不銹鋼）★超精密微細切削加工（精密零件，群孔）3.4.3高速加工技術的特點和優(yōu)勢鋁制磁通補償器尺寸:80x100x40mm

技術數(shù)據(jù):

粗銑:8min

精銑:11min

銑方孔:3min

剛性攻絲:1min

總加工時間:23min

總費用:約

60US$

采用鑄模法的預算

鑄模費用:5000US$

鑄造費用:20US$

加工費用:10US$85高速切削機床★高速切削對機床的特殊要求3.4.4高速加工的關鍵技術主軸轉(zhuǎn)速高，輸出功率大：常規(guī)機床轉(zhuǎn)速一般為2000r/min，而高速切削機床則為10000~100000r/min；主軸電動機功率為15~80kW進給速度高：約為常規(guī)機床的10倍（60~100m/min）主軸轉(zhuǎn)速和進給速度的加速度高：從啟動到達到最高轉(zhuǎn)速要在1~2s內(nèi)完成，工作臺的加、減速度有常規(guī)的0.1~0.2g提高到1~2g。機床靜、動態(tài)特性好：除具有足夠的靜剛度外，還必須有很高的動剛度和熱剛度其它功能部件性能高：快速換刀、快速工作臺交換、快速排屑裝置、安全保護、檢測裝置86高速切削機床的關鍵技術3.4.4高速加工的關鍵技術873.4.4高速加工的關鍵技術ControlTechnologyMachineToolsToolingMachiningTechniquesMachineCommunicationsToolpathCAMSystemMold&DieCADSystemKeyElementsof

HighSpeedMachining88第3章

先進制造工藝AdvancedManufacturingProcess3.5現(xiàn)代特種加工技術ModernNontraditionalmachiningTechnology89

非傳統(tǒng)加工又稱特種加工，通常被理解為別于傳統(tǒng)切削與磨削加工方法的總稱。非傳統(tǒng)加工方法產(chǎn)生于二次大戰(zhàn)后。兩方面問題傳統(tǒng)機械加工方法難于解決：

1）難加工材料的加工問題。宇航工業(yè)等對材料高強度、高硬度、高韌性、耐高溫、耐高壓、耐低溫等的要求，使新材料不斷涌現(xiàn)。

2）復雜形面、薄壁、小孔、窄縫等特殊工件加工問題。為解決上面兩方面問題，出現(xiàn)了非傳統(tǒng)加工方法。

非傳統(tǒng)加工方法將電、磁、聲、光等物理量及化學能量或其組合直接施加在工件被加工的部位上，從而使材料被去除、累加、變形或改變性能等。3.5.1特種加工技術概述90非傳統(tǒng)加工方法主要不是依靠機械能，而是用其它能量（如電能、光能、聲能、熱能、化學能等）去除材料。非傳統(tǒng)加工方法由于工具不受顯著切削力的作用，對工具和工件的強度、硬度和剛度均沒有嚴格要求。一般不會產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象。且工件加工部位變形小，發(fā)熱少，或發(fā)熱僅局限于工件表層加工部位很小區(qū)域內(nèi)，工件熱變形小，加工應力也小，易于獲得好的加工質(zhì)量。加工中能量易于轉(zhuǎn)換和控制，有利于保證加工精度和提高加工效率。非傳統(tǒng)加工方法的材料去除速度，一般低于常規(guī)加工方法，這也是目前常規(guī)加工方法仍占主導地位的主要原因。非傳統(tǒng)加工方法特點3.5.1特種加工技術概述91

機械過程利用機械力，使材料產(chǎn)生剪切、斷裂，以去除材料。如超聲波加工、水噴射加工、磨料流加工等。非傳統(tǒng)加工方法分類（按加工機理和采用的能源劃分）

熱學過程通過電、光、化學能等產(chǎn)生瞬時高溫，熔化并去除材料，如電火花加工、高能束加工、熱力去毛刺等。

電化學過程利用電能轉(zhuǎn)換為化學能對材料進行加工，如電解加工、電鑄加工（金屬離子沉積）等。

化學過程利用化學溶劑對材料的腐蝕、溶解，去除材料，如化學蝕刻、化學銑削等。3.5.1特種加工技術概述92

復合過程利用機械、熱、化學、電化學的復合作用，去除材料。常見的復合形式有：◎機械化學復合——如機械化學拋光、電解磨削、電鍍珩磨等?！驒C械熱能復合——如加熱切削、低溫切削等。◎熱能化學能復合——如電解電火花加工等。◎其它復合過程——如超聲切削、超聲電解磨削、磁力拋光（圖7-61）等。工件（陶瓷滾柱）磁性材料磁極振動運動圖7-61磁力拋光示意圖NS3.5.1特種加工技術概述93拓寬現(xiàn)有非傳統(tǒng)加工方法的應用領域。探索新的加工方法，研究和開發(fā)新的元器件。優(yōu)化工藝參數(shù)，完善現(xiàn)有的加工工藝。向微型化、精密化發(fā)展。采用數(shù)控、自適應控制、CAD/CAM、專家系統(tǒng)等技術，提高加工過程自動化、柔性化程度。發(fā)展趨勢圖7-62EI收錄文章數(shù)比較70年代80年代90年代20841104232142244424214441321252353316激光加工電火花加工超聲加工電化學加工★

圖7-62反映了學術界和工程界對幾種非傳統(tǒng)加工方法的關注程度。3.5.1特種加工技術概述94工作原理：利用工具電極與工件電極之間脈沖性火花放電，產(chǎn)生瞬時高溫，工件材料被熔化和氣化。同時，該處絕緣液體也被局部加熱，急速氣化，體積發(fā)生膨脹，隨之產(chǎn)生很高的壓力。在這種高壓作用下，已經(jīng)熔化、氣化的材料就從工件的表面迅速被除去（圖7-63）。

◆

4個階段：1）介質(zhì)電離、擊穿，形成放電通道；2）火花放電產(chǎn)生熔化、氣化、熱膨脹；3）拋出蝕除物；4）間隙介質(zhì)消電離（恢復絕緣狀態(tài)）。

電火花加工3.5.2幾種代表性特種加工方法圖7-63電火花加工原理圖進給系統(tǒng)放電間隙工具電極工件電極直流脈沖電源工作液Real95圖7-64電火花加工機床3.5.2幾種代表性特種加工方法96電極材料——要求導電，損耗小，易加工；常用材料：紫銅、石墨、鑄鐵、鋼、黃銅等，其中石墨最常用。工作液——主要功能壓縮放電通道區(qū)域，提高放電能量密度，加速蝕物排出；常用工作液有煤油、機油、去離子水、乳化液等。放電間隙——合理的間隙是保證火花放電的必要條件。為保持適當?shù)姆烹婇g隙，在加工過程中，需采用自動調(diào)節(jié)器控制機床進給系統(tǒng)，并帶動工具電極緩慢向工件進給。工作要素脈沖寬度與間隔——影響加工速度、表面粗糙度、電極消耗和表面組織等。脈沖頻率高、持續(xù)時間短，則每個脈沖去除金屬量少，表面粗糙度值小，但加工速度低。通常放電持續(xù)時間在2μs至2ms范圍內(nèi)，各個脈沖的能量2mJ到20J（電流為400A時）之間。3.5.2幾種代表性特種加工方法97電火花線切割加工：用連續(xù)移動的鉬絲（或銅絲）作工具陰極，工件為陽極。機床工作臺帶動工件在水平面內(nèi)作兩個方向移動，可切割出二維圖形（圖7-65）。同時，絲架可作小角度擺動，可切割出斜面。電火花加工類型圖7-65電火花線切割原理圖XY儲絲筒導輪電極絲工件Real電火花成形加工：主要指孔加工，型腔加工等RealReal3.5.2幾種代表性特種加工方法98電火花線切割機床圖7-66電火花線切割加工加工過程顯示3.5.2幾種代表性特種加工方法99不受加工材料硬度限制，可加工任何硬、脆、韌、軟的導電材料。加工時無顯著切削力，發(fā)熱小，適于加工小孔、薄壁、窄槽、形面、型腔及曲線孔等，且加工質(zhì)量較好。脈沖參數(shù)調(diào)整方便，可一次裝夾完成粗、精加工。易于實現(xiàn)數(shù)控加工。電火花加工特點電火花加工應用電火花成形加工：電火花打孔常用于加工冷沖模、拉絲模、噴嘴、噴絲孔等。型腔加工包括鍛模、壓鑄模、擠壓模、塑料模等型腔加工，以及葉輪、葉片等曲面加工。電火花線切割：廣泛用于加工各種硬質(zhì)合金和淬硬鋼的沖模、樣板、各種形狀復雜的板類零件、窄縫、柵網(wǎng)等。3.5.2幾種代表性特種加工方法100工作原理：工件接陽極，工具（銅或不銹鋼）接陰極，兩極間加直流電壓6～24V，極間保持0.1～1mm間隙。在間隙處通以6～60m/S高速流動電解液，形成極間導電通路，工件表面材料不斷溶解，溶解物及時被電解液沖走。工具陰極不斷進給，保持極間間隙。

圖7-67電解加工原理圖電解液直流電源泵工件陽極陰極進給工具陰極電解加工3.5.2幾種代表性特種加工方法101

不受材料硬度的限制，能加工任何高硬度、高韌性的導電材料，并能以簡單的進給運動一次加工出形狀復雜的形面和型腔。

加工形面、型腔生產(chǎn)率高（與電火花加工比高5～10倍）。采用振動進給和脈沖電流等新技術，可進一步提高生產(chǎn)效率和加工精度。陰極在加工中損耗小。加工表面質(zhì)量好，無毛刺、殘余應力和變形層。設備投資大，有污染，需防護。模具型腔、槍炮膛線、發(fā)電機葉片、花鍵孔、內(nèi)齒輪、小而深的孔加工，電解拋光、倒棱、去毛刺等。電解加工特點電解加工應用3.5.2幾種代表性特種加工方法102工件與磨輪保持一定接觸壓力，突出的磨料使磨輪導電基體與工件之間形成一定間隙。電解液從中流過時，工件產(chǎn)生陽極溶解，表面生成一層氧化膜，其硬度遠比金屬本身低，易被刮除，露出新金屬表面，繼續(xù)進行電解。電解作用與磨削作用交替進行，實現(xiàn)加工。

電解磨削效率比機械磨削高，且磨輪損耗遠比機械磨削小，特別是磨削硬質(zhì)合金時，效果更明顯。導電磨輪電解液電刷工作臺工件絕緣板導電基體磨料陽極膜電解磨削（圖7-68）3.5.2幾種代表性特種加工方法103真空條件下，利用電流加熱陰極發(fā)射電子束，經(jīng)控制柵極初步聚焦后，由加速陽極加速，通過透鏡聚焦系統(tǒng)進一步聚焦，使能量密度集中在直徑5～10μm斑點內(nèi)。高速而能量密集的電子束沖擊到工件上，被沖擊點處形成瞬時高溫（幾分之一微秒時間內(nèi)升高至幾千攝氏度），工件表面局部熔化、氣化直至被蒸發(fā)去除。

圖7-69電子束加工原理圖控制柵極加速陽極電子束斑點旁熱陰極聚焦系統(tǒng)工件工作臺電子束加工工作原理（圖7-69）3.5.2幾種代表性特種加工方法104電子束束徑?。ㄗ钚≈睆娇蛇_0.01～0.05mm），而電子束長度可達束徑幾十倍，故可加工微細深孔、窄縫。材料適應性廣（原則上各種材料均能加工），特別適用于加工特硬、難熔金屬和非金屬材料。非接觸加工，無工具損耗；無切削力，加工時間極短，工件無變形。加工速度高，切割1mm厚鋼板，速度可達240mm/min。在真空中加工，無氧化，特別適于加工高純度半導體材料和易氧化的金屬及合金。

加工設備較復雜，投資較大。多用于微細加工。

特點及應用3.5.2幾種代表性特種加工方法105激光是一種受激輻射而得到的加強光。其基本特征：

◎強度高，亮度大

◎波長頻率確定，單色性好

◎相干性好，相干長度長

◎方向性好，幾乎是一束平行光工作原理（圖7-70）激光加工當激光束照射到工件表面時，光能被吸收，轉(zhuǎn)化成熱能，使照射斑點處溫度迅速升高、熔化、氣化而形成小坑，由于熱擴散，使斑點周圍金屬熔化，小坑內(nèi)金屬蒸氣迅速膨脹，產(chǎn)生微型爆炸，將熔融物高速噴出并產(chǎn)生一個方向性很強的反沖擊波，于是在被加工表面上打出一個上大下小的孔。激光器工件工作臺圖7-70激光加工原理圖光闌反射鏡聚焦鏡電源Real3.5.2幾種代表性特種加工方法106固體激光器◎YAG（結(jié)晶母材由釔、鋁和石榴石構(gòu)成）激光器◎紅寶石激光器◎混合氣體：氦約80%，氮約15%，CO2約5%◎通過高壓直流放電進行激勵◎波長10.6μm，為不可見光◎能量效率5%～15%反射凹鏡反射平鏡電極放電管CO2氣體冷卻水進口冷卻水出口激光高壓直流電源圖7-71CO2激光器示意圖氣體激光器——CO2激光器（圖7-71）激光器3.5.2幾種代表性特種加工方法107加工材料范圍廣，適用于加工各種金屬材料和非金屬材料，特別適用于加工高熔點材料，耐熱合金及陶瓷、寶石、金剛石等硬脆材料。加工性能好，工件可離開加工機進行加工，可透過透明材料加工，可在其他加工方法不易達到的狹小空間進行加工。非接觸加工方式，熱變形小，加工精度較高。可進行微細加工。激光聚焦后焦點直徑理論上可小至1μ以下，實際上可實現(xiàn)φ0.01mm的小孔加工和窄縫切割。加工速度快，效率高。激光加工不僅可以進行打孔和切割，也可進行焊接、熱處理等工作。激光加工可控性好，易于實現(xiàn)自動控制。加工設備昂貴。激光加工特點3.5.2幾種代表性特種加工方法108激光打孔

◎廣泛應用于金剛石拉絲模、鐘表寶石軸承、陶瓷、玻璃等非金屬材料，和硬質(zhì)合金、不銹鋼等金屬材料的小孔加工。

◎激光打孔具有高效率、低成本的特點，特別適合微小群孔加工。

◎焦點位置對孔的質(zhì)量影響：若焦點與加工表面之間距離很大，則激光能量密度顯著減小，不能進行加工。如果焦點位置偏離加工表面1mm，可以進行加工，此時加工出孔的斷面形狀隨焦點位置不同而發(fā)生變化（圖7-72）。激光加工應用圖7-72焦點位置對孔形狀影響Real3.5.2幾種代表性特種加工方法109激光熱處理

◎原理：照射到金屬表面上的激光使表面原子迅速蒸發(fā)，由此產(chǎn)生微沖擊波會導致大量晶格缺陷形成，達到硬化。

◎優(yōu)點：快速、不需淬火介質(zhì)、硬化均勻、變形小、硬化深度可精確控制。激光焊接

◎與打孔相比，激光焊接所需能量密度較低，因不需將材料氣化蝕除，而只要將工件的加工區(qū)燒熔使其粘合在一起。

◎優(yōu)點：沒有焊渣，不需去除工件氧化膜，可實現(xiàn)不同材料之間的焊接，特別適宜微型機械和精密焊接。Real激光切割

◎激光切割具有切縫窄、速度快、熱影響區(qū)小、省材料、成本低等優(yōu)點，并可以在任何方向上切割，包括內(nèi)尖角。

◎可以切割鋼板、不銹鋼、鈦、鉭、鎳等金屬材料，以及布匹、木材、紙張、塑料等非金屬材料。Real3.5.2幾種代表性特種加工方法110圖7-74激光焊接車身圖7-73激光切割3.5.2幾種代表性特種加工方法111利用工具端面作超聲（16～25kHz）振動，使工作液中的懸浮磨粒對工件表面撞擊拋磨來實現(xiàn)加工。超聲波發(fā)生器將工頻交流電能轉(zhuǎn)變?yōu)橛幸欢üβ瘦敵龅某曨l電振蕩，通過換能器將超聲頻電振蕩轉(zhuǎn)變?yōu)槌暀C械振動，此時振幅一般很小，再通過振幅擴大棒（變幅桿）使固定在變幅桿端部的工具振幅增大到0.01～0.15mm。

工作原理（圖7-75）變幅桿超聲波發(fā)生器圖7-75超聲波加工原理圖振動方向工具換能器工作液噴嘴工件Real超聲波加工3.5.2幾種代表性特種加工方法112圖7-76超聲波加工機床圖7-77超聲波加工樣件3.5.2幾種代表性特種加工方法113適用于加工各種脆性金屬材料和非金屬材料，如玻璃、陶瓷、半導體、寶石、金剛石等?？杉庸じ鞣N復雜形狀的型孔、型腔、形面。工具與工件不需作復雜的相對運動，機床結(jié)構(gòu)簡單。被加工表面無殘余應力，無破壞層，加工精度較高，尺寸精度可達0.01～0.05mm。加工過程受力小，熱影響小，可加工薄壁、薄片等易變形零件。生產(chǎn)效率較低。采用超聲復合加工（如超聲車削，超聲磨削，超聲電解加工，超聲線切割等）可提高加工效率。超聲波加工特點及應用3.5.2幾種代表性特種加工方法114工作原理：加工裝置（圖7-78）噴嘴材料及工作條件（表7-11）項目材料孔徑/mm至工件距離/mm噴射角度/°參數(shù)金剛石，藍寶石，淬火鋼0.075～0.42.5～500～30表7-11噴嘴材料及工作條件圖7-78水噴射加工裝置示意圖噴嘴閥控制器蓄能器供水器過濾器泵增壓器液壓裝置排水器工件射流d水噴射加工利用超高壓水（或水與磨料的混合液）對工件進行切割（或打孔），又稱高壓水切割，或“水刀”。3.5.2幾種代表性特種加工方法115工藝參數(shù)（表7-12，表7-13）

表7-12水噴射加工常用工藝參數(shù)

工藝參數(shù)常用值工藝參數(shù)常用值壓力/MPa70～450噴射力/N45～135流速/m/s300～900功率/kW10～40流量/L/s2.5～7.5磨料耗量/kg/min0.1～0.3工藝參數(shù)、效率、精度石材玻璃ABS塑料皮革工件厚度/mm25122.84.45噴嘴孔徑/mm0.30.30.10.1流體壓力/MPa400400258300切割速度/m/min0.10.10.850.55切縫寬度/mm0.50.50.20.2切割精度/mm±0.05±0.05——表面粗糙度/μmRa12.5Ra12.5——表7-13幾種材料高壓水切割參數(shù)3.5.2幾種代表性特種加工方法116第3章

先進制造工藝AdvancedManufacturingProcess3.6快速原型制造技術RapidPrototypingManufacturing117快速原型制造技術產(chǎn)生背景

進入20世紀80年代，市場需求已由賣方市場轉(zhuǎn)化為買方市場并日趨全球化。產(chǎn)品開發(fā)的速度和制造技術的柔性成為贏得競爭的關鍵問題。3.6.1概述計算機技術、CAD、材料科學、數(shù)控技術、激光技術等的發(fā)展與普及為新的制造技術的產(chǎn)生奠定了基礎?？焖僭椭圃欤≧PM）技術就是在這種社會背景下于20世紀80年代后期在美國問世，然后又擴展到了日本及歐洲，并于20世紀90年代初期引入我國。

RPM技術將CAD與CAM集成于一體，根據(jù)在計算機上構(gòu)造的產(chǎn)品三維模型，能在很短的時間內(nèi)直接制造出產(chǎn)品的樣品，無需使用傳統(tǒng)制造中的刀具、夾具和模具，從而縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，加快了產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度，降低了企業(yè)投資新產(chǎn)品的風險。118市場變化客戶要求計算機技術材料科學CAD/CAM能源科學RP3.6.1概述119RPM技術的基本原理

物體成型方式RPM技術是由CAD模型直接驅(qū)動的快速制造任意復雜形狀三維實體和技術總稱?；驹恚合扔扇SCAD軟件設計出所需零件的三維曲面或?qū)嶓w模型；然后根據(jù)工藝要求將三維數(shù)據(jù)模型進行分層切片得到各層截面的輪廓數(shù)據(jù)，計算機據(jù)此信息控制激光束有選擇性地切割一層一層的紙，或燒結(jié)一層接一層的粉末材料，或固化一層又一層的液態(tài)光敏樹脂，或用噴嘴噴射一層又一層的熱熔材料或粘合劑，形成一系列具有一個微小厚度的的片狀實體；再采用熔結(jié)、聚合、粘結(jié)等手段使其逐層堆積成一體，從而制造出所設計的新產(chǎn)品樣件、模型或模具。3.6.1概述◆去除成型(DislodgeForming)

◆添加成型(AddingForming)

◆凈尺寸成型(NetForming)120CONCEPTDESIGNINGDATACOLLECTIONDATAPROCESSINGPROTOTYPINGPARTCADMODELREVERSEENGINEERING3.6.1概述RPM原理圖

1213.6.1概述RPM原理圖

1223.6.1概述RP工作流程示意圖

123目前已有30多種RPM工藝，具體以下共同特點：◆制造過程柔性化；◆產(chǎn)品開發(fā)快速化；◆采用離散-堆積原理，可以制造任意復雜的三維幾何實體；◆精度分析

；◆造型的分析；

◆系列化、模塊化分析

◆制造過程可實現(xiàn)完全數(shù)字化；◆材料來源廣泛；◆發(fā)展的可持續(xù)性RPM的特點3.6.1概述124立體光刻（StereoLithographyApparatus，SLA）立體光刻又稱光敏液相固化成形，是由CahriesHull于1984年提出并獲美國專利，1988年美國3DSystems公司推出世界上第一臺商品化樣機SLA-250。它使用液態(tài)光敏樹脂為成形材料，采用激光器，利用光固化原理一層層掃描液態(tài)樹脂成形?？刂萍す馐辞衅浖厝〉膶用孑喞畔σ簯B(tài)光敏樹脂逐點掃描，被掃描區(qū)的液態(tài)樹脂發(fā)生聚合反應形成一薄層的固態(tài)實體。一層固化完畢后，工作臺下移一個切片厚度，使新一層液態(tài)樹脂覆蓋在已固化層的上面，再進行第二層固化。重復此過程，并層層相互粘結(jié)堆積出一個三維固體制件。成形精度較高，可達±0.1mm左右的制造精度，制件結(jié)構(gòu)清晰且表面光滑，適合制作結(jié)構(gòu)復雜和精細的制件。成型時間3～5h。但制件韌性較差，設備投資較大，需要支撐，液態(tài)樹脂有一定的毒性。3.6.2典型的RPM工藝方法1253.6.2典型的RPM工藝方法126層合實體制造（LOM）層合實體制造（LaminatedObjectManufacturing，LOM）又稱分層實體造型(SlicingSolidManufacturing，SSM)，是美國Helisys公司的MichaelFeygin于1987年研制成功的，1988年獲得美國專利。目前基于LOM的制造工藝已達30余種之多。3.6.2典型的RPM工藝方法工作原理：它以單面事先