8.1

精密與超精密加工技術

8.2

快速成型制造技術

8.3

微細加工技術8.1精密與超精密加工技術8.1.1概述

當前精密和超精密加工精度從微米到亞微米，乃至納米，在汽車、家電、IT電子信息高技術領域和軍用、民用工業(yè)有廣泛應用。同時，精密和超精密加工技術的發(fā)展也促進了機械、模具、液壓、電子、半導體、光學、傳感器和測量技術及金屬加工工業(yè)的發(fā)展。通常，按加工精度劃分，精密機械加工可分為精加工、精密加工、超精密加工三個階段。精加工是完成各主要表面的最終加工，使零件的加工精度和加工表面質量達到圖樣規(guī)定的要求。精度在10μm左右，Ra0.8～0.1μm。精密加工是指加工精度和表面質量達到較高程度的加工方法。精度在1～0.1μm左右Ra0.1～0.02μm。超精密加工是指在機械加工領域中，某一個歷史時期所能達到的最高加工精度的各種精密加工方法的總稱。精度0.1～0.01μm左右，Ra0.01～0.005μm。但這個界限是隨著加工技術的進步不斷變化的，今天的精密加工可能就是明天的精加工。精密加工所要解決的問題，一是加工精度，包括形位公差、尺寸精度及表面狀況；二是加工效率，有些加工可以取得較好的加工精度，卻難以取得高的加工效率。8.1.2精密及超精密加工的分類1.傳統(tǒng)精密加工方法傳統(tǒng)的精密加工方法有砂帶磨削、精密切削、珩磨、精密研磨與拋光等。（1）砂帶磨削是用粘有磨料的混紡布為磨具對工件進行加工，屬于涂附磨具磨削加工的范疇，有生產(chǎn)率高、表面質量好、使用范圍廣等特點。（2）精密切削，也稱金剛石刀具切削(SPDT)，用高精密的機床和單晶金剛石刀具進行切削加工，主要用于銅、鋁等不宜磨削加工的軟金屬的精密加工，如計算機用的磁鼓、磁盤及大功率激光用的金屬反光鏡等，比一般切削加工精度要高1~2個等級。（3）珩磨是用油石砂條組成的珩磨頭，在一定壓力下沿工件表面往復運動，加工后的表面粗糙度可達Ra0.4~0.1μm，最好可到Ra0.025μm，主要用來加工鑄鐵及鋼，不宜用來加工硬度小、韌性好的有色金屬。（4）精密研磨與拋光通過介于工件和工具間的磨料及加工液，工件及研具作相互機械摩擦，使工件達到所要求的尺寸與精度的加工方法。精密研磨與拋光對于金屬和非金屬工件都可以達到其他加工方法所不能達到的精度和表面粗糙度，被研磨表面的粗糙度Ra≤0.025μm加工變質層很小，表面質量高，精密研磨的設備簡單，主要用于平面、圓柱面、齒輪齒面及有密封要求的配偶件的加工，也可用于量規(guī)、量塊、噴油嘴、閥體與閥芯的光整加工。（5）拋光是利用機械、化學、電化學的方法對工件表面進行的一種微細加工，主要用來降低工件表面粗糙度，常用的方法有：手工或機械拋光、超聲波拋光、化學拋光、電化學拋光及電化學機械復合加工等。手工或機械拋光加工后工件表面粗糙度Ra≤0.05μm，可用于平面、柱面、曲面及模具型腔的拋光加工。超聲波拋光加工精度0.01~0.02μm，表面粗糙度Ra0.1μm?；瘜W拋光加工的表面粗糙度一般為Ra≤0.2μm。電化學拋光可提高到Ra0.1~0.08μm。2.現(xiàn)代精密加工現(xiàn)代精密加工包括微細加工和超微細加工、光整加工等加工技術。（1）微細加工技術是指制造微小尺寸零件的加工技術；（2）超微細加工技術是指制造超微小尺寸零件的加工技術，它們是針對集成電路的制造要求而提出的，由于尺寸微小，其精度是用切除尺寸的絕對值來表示，而不是用所加工尺寸與尺寸誤差的比值來表示.（3）光整加工一般是指降低表面粗糙度和提高表面層力學機械性質的加工方法，不著重于提高加工精度，其典型加工方法有珩磨、研磨、超精加工及無屑加工等。實際上，這些加工方法不僅能提高表面質量，而且可以提高加工精度。精整加工是近年來提出的一個新的名詞術語，它與光整加工是對應的，是指既要降低表面粗糙度和提高表面層力學機械性質，又要提高加工精度(包括尺寸、形狀、位置精度)的加工方法。3.超精密加工超精密加工主要包括三個領域：超精密切削加工，如金剛石刀具的超精密切削，可加工各種鏡面。它已成功地解決了用于激光核聚變系統(tǒng)和天體望遠鏡的大型拋物面鏡的加工；超精密磨削和研磨加工，如高密度硬磁盤的涂層表面加工和大規(guī)模集成電路基片的加工；超精密特種加工，如大規(guī)模集成電路芯片上的圖形是用電子束、離子束刻蝕的方法加工，線寬可達0.1μm。如用掃描隧道電子顯微鏡(STM)加工，線寬可達2～5nm。（1）超精密切削（2）超精密磨削（3）超精密研磨（4）超精密特種加工8.1.3精密及超精密加工的發(fā)展趨勢1.高精度、高效率2.大型化、微型化3.智能化4.工藝整合化5.在線加工檢測一體化6.綠色化8.2快速成型制造技術8.2.1概述快速成型技術（RapidPrototyping，簡稱RP），又稱實體自由成型技術，快速成型的工藝方法是基于計算機三維實體造型，在對三維模型進行處理后，形成截面輪廓信息，隨后將成型材料按三維模型的截面輪廓信息進行掃描，使材料粘結、固化、燒結，逐層堆積成為實體原型。8.2.2快速成型的基本原理與傳統(tǒng)的機械切削加工，如車削、銑削等“材料減削”方法不同的是，“快速成型制造技術”是靠逐層融接增加材料來生成零件的，是一種“材料迭加”的方法，快速成型技術采用離散/堆積成型原理，根據(jù)三維CAD模型，對于不同的工藝要求，按一定厚度進行分層，將三維數(shù)字模型變成厚度很薄的二維平面模型。再將數(shù)據(jù)進行一定的處理，加入加工參數(shù)，在數(shù)控系統(tǒng)控制下以平面加工方式連續(xù)加工出每個薄層，并使之粘結而成形。實際上就是基于“生長”或“添加”材料原理一層一層地離散疊加，從底至頂完成零件的制作過程。快速成型有很多種工藝方法，但所有的快速成型工藝方法都是一層一層地制造零件，所不同的是每種方法所用的材料不同，制造每一層添加材料的方法不同。該技術的基本特征是“分層增加材料”，即三維實體由一系列連續(xù)的二維薄切片堆疊融接而成，如圖8-1所示。圖8-1RP的成形原理8.2.3快速成型的工藝過程（1）三維模型的構造：按圖紙或設計意圖在三維CAD設計軟件中設計出該零件的CAD實體文件。一般快速成型支持的文件輸出格式為STL模型，即對實體曲面做近似的所謂面型化處理，是用平面三角形面片近似模型表面。以簡化CAD模型的數(shù)據(jù)格式。便于后續(xù)的分層處理。由于它在數(shù)據(jù)處理上較簡單，而且與CAD系統(tǒng)無關，所以很快發(fā)展為快速成型制造領域中CAD系統(tǒng)與快速成型機之間數(shù)據(jù)交換的標準，每個三角面片用四個數(shù)據(jù)項表示。即三個頂點坐標和一個法向矢量，整個CAD模型就是這樣一個矢量的集合。在一般的軟件系統(tǒng)中可以通過調(diào)整輸出精度控制參數(shù)，減小曲面近似處理誤差。如Pre/E軟件是通過選定弦高值作為逼近的精度參數(shù)。（2）三維模型的離散處理（切片處理）：在選定了制作(堆積)方向后，通過專用的分層程序將三維實體模型(一般為STL模型)進行一維離散，即沿制作方向分層切片處理，獲取每一薄層片截面輪廓及實體信息。分層的厚度就是成型時堆積的單層厚度。由于分層破壞了切片方向CAD模型表面的連續(xù)性，不可避免地丟失了模型的一些信息，導致零件尺寸及形狀誤差的產(chǎn)生。所以分層后需要對數(shù)據(jù)作進一步的處理，以免斷層的出現(xiàn)。切片層的厚度直接影響零件的表面粗糙度和整個零件的型面精度，每一層面的輪廓信息都是由一系列交點順序連成的折線段構成。所以，分層后所得到的模型輪廓已經(jīng)是近似的，層與層之間的輪廓信息已經(jīng)丟失，層厚越大丟失的信息越多，導致在成型過程中產(chǎn)生了型面誤差。（3）成型制作：把分層處理后的數(shù)據(jù)信息傳至設備控制機，選用具體的成型工藝，在計算機的控制下，逐層加工，然后反復疊加，最終形成三維產(chǎn)品。（4）后處理：根據(jù)具體的工藝，采用適當?shù)暮筇幚矸椒?，改善樣品性能?.2.4快速成型技術的特點與傳統(tǒng)的切削加工方法相比，快速原型加工具有以下特點：1.自由成型制造

2.制造效率高3.由CAD模型直接驅動4.技術高度集成5.經(jīng)濟效益高6.精度不如傳統(tǒng)加工8.2.5典型RP工藝方法簡介光固化法(SLA)是目前最為成熟和廣泛應用的一種快速成型制造工藝。光固化成型工藝的成型原理如圖8-2所示。圖8-2光固化成型法原理圖SLA工藝的優(yōu)點是精度較高，一般尺寸精度可控制在0.01mm；表面質量好；原材料利用率接近100%；能制造形狀特別復雜、精細的零件。其設備市場占有率很高。缺點是需要設計支撐；可以選擇的材料種類有限；制件容易發(fā)生翹曲變形；材料價格較昂貴等。SLA工藝適合比較復雜的中小型零件的制作。1.光固化法(SLA，StereolithographyApparatus)2.選擇性激光燒結法(SLS，SelectiveLaserSintering)

選擇性激光燒結法(SLS)是在工作臺上均勻鋪上一層很薄(100μm-200μm)的非金屬(或金屬)粉末，激光束在計算機控制下按照零件分層截面輪廓逐點地進行掃描、燒結，使粉末固化成截面形狀。完成一個層面后工作臺下降一個層厚，滾動鋪粉機構在已燒結的表面再鋪上一層粉末進行下一層燒結。未燒結的粉末保留在原位置起支撐作用，這個過程重復進行直至完成整個零件的掃描、燒結，去掉多余的粉末，再進行打磨、烘干等處理后便獲得需要的零件。用金屬粉或陶瓷粉進行直接燒結的工藝正在實驗研究階段，它可以直接制造工程材料的零件，成型原理如圖8-3所示。

圖8-3選擇性激光燒結法原理圖SLS工藝的優(yōu)點是原型件機械性能好，強度高；無須設計和構建支撐；可選材料種類多且利用率高(100%)。缺點是制件表面粗糙，疏松多孔，需要進行后處理；制造成本高。以SLS工藝采用各種不同成分的金屬粉末進行燒結，經(jīng)滲銅等后處理特別適合制作功能測試零件，也可直接制造金屬型腔的模具。采用蠟粉直接燒結適合于小批量比較復雜的中小型零件的熔模鑄造生產(chǎn)。3.熔融沉積成型法(FDM，F(xiàn)usedDepositionModeling)

熔融沉積又叫熔絲沉積，它是將絲狀材料如熱塑性塑料、蠟或金屬的熔絲從加熱的噴嘴擠出，按照零件每一層的預定軌跡，以固定的速率進行熔體沉積的熱熔性材料加熱熔化，通過帶有一個微細噴嘴的噴頭擠噴出來。噴頭可沿著X軸方向移動，而工作臺則沿Y軸方向移動。如果熱熔性材料的溫度始終稍高于固化溫度，而成型部分的溫度稍低于固化溫度，就能保證熱熔性材料擠噴出噴嘴后，隨即與前一層面熔結在一起。一個層面沉積完成后，工作臺按預定的增量下降一個層的厚度，再繼續(xù)熔噴沉積，直至完成整個實體造型，成型原理如圖8-4所示。FDM工藝的關鍵是保持半流動成型材料的溫度剛好在熔點之上(比熔點高1℃左右)。其每一層片的厚度由擠出絲的的直徑?jīng)Q定，通常是0.25~0.50mm。FDM的優(yōu)點是材料利用率高；材料成本低；可選材料種類多；工藝簡潔。缺點是精度低；復雜構件不易制造；懸臂件需加支撐；表面質量差。FDM工藝適合于產(chǎn)品的概念建模及形狀和功能測試，適于制造中等復雜程度的中小原型，不適合制造大型零件。圖8-4熔融沉積成型法原理圖8.3微細加工技術8.3.1概述

科學家設想把機電系統(tǒng)像集成電路一樣集成起來，即把驅動器、傳感器、微處理器以及光學系統(tǒng)等集成于較小的結構之上，形成微型機械。微機電系統(tǒng)（MEMS)技術是建立在微米/納米技術（Micro/nano-technology)基礎上的21世紀前沿技術，是指對微米/納米材料進行設計、加工、制造、測量和控制的技術。微型機械技術包括傳感器技術、微型發(fā)動機技術、微機電系統(tǒng)（MEMS）技術、納米技術、微電子技術、微組裝技術等。微細加工技術是精密加工技術的一個分支，面向微細加工的電加工技術、激光微孔加工、水射流微細切割技術等等在發(fā)展國民經(jīng)濟，振興我國國防事業(yè)等方面都有非常重要的意義，這一領域的發(fā)展對未來的國民經(jīng)濟、科學技術等將產(chǎn)生巨大影響，先進國家紛紛將之列為未來關鍵技術之一，并擴大投資和加強基礎研究與開發(fā)。所以我們有理由有必要加快這一領域的發(fā)展和開發(fā)進程。微細加工技術應滿足下列功能：(1)為達到很小的單位去除率（UR），需要各軸能實現(xiàn)足夠小的微量移動，對于微細的機械加工和電加工工藝，微量移動應可小至幾十個納米，電加工的UR最小極限取決于脈沖放電的能量。(2)高靈敏的伺服進給系統(tǒng)，它要求低摩擦的傳動系統(tǒng)和導軌支承系統(tǒng)以及高精度跟蹤性能的伺服系統(tǒng)。(3)高平穩(wěn)性的進給運動，盡量減少由于制造和裝配誤差引起的各軸的運動誤差。(4)高的定位精度和重復定位精度。(5)低熱變形結構設計。(6)刀具的穩(wěn)固夾持和高的重復夾持精度。(7)高的主軸轉速及極低的動不平衡。(8)穩(wěn)固的床身構件并隔絕外界的振動干擾。(9)具有刀具破損和微型鉆頭折斷的敏感的監(jiān)控系統(tǒng)。8.3.2微細加工的特點

微細加工技術是指加工微小尺寸零件的生產(chǎn)加工技術。從廣義的角度來講，微細加工包括各種傳統(tǒng)精密加工方法和與傳統(tǒng)精密加工方法完全不同的方法，如切削技術，磨料加工技術，電火花加工，電解加工，化學加工，超聲波加工，微波加工，等離子體加工，外延生產(chǎn)，激光加工，電子束加工，粒子束加工，光刻加工，電鑄加工等。從狹義的角度來講，微細加工主要是指半導體集成電路制造技術。因為微細加工和超微細加工是在半導體集成電路制造技術的基礎上發(fā)展的，是大規(guī)模集成電路和計算機技術的技術基礎，是信息時代、微電子時代、光電子時代的關鍵技術之一。微小尺寸和一般尺寸加工是不同的，其不同點主要表現(xiàn)在以下幾個方面：1.精度的表示方法:在微小尺寸加工時，由于加工尺寸很小，精度就必須用尺寸的絕對值來表示，即用取出的一塊材料的大小來表示，從而引入加工單位尺寸的概念。2.微觀機理:以切削加工為例，從工件的角度來講，一般加工和微細加工的最大區(qū)別是切屑的大小。一般認為金屬材料是由微細的晶粒組成，晶粒直徑為數(shù)微米到數(shù)百微米。一般加工時，吃刀量較大，可以忽略晶粒的大小而將晶粒作為一個連續(xù)體來看待。微細加工時，切屑極薄，吃刀量可能小于晶粒的大小，切削就在晶粒內(nèi)進行，晶粒就被作為一個一個不連續(xù)體來切削。這時，切削不是晶粒之間的破壞，而是切削力一定要大于晶體內(nèi)部原子、分子之間結合力。因此可見一般加工和微細加工的機理是不同的。3.加工特征:微細加工和超微細加工以分離或結合原子、分子為加工對象，以電子束、激光束、粒子束為加工基礎，采用沉積、刻蝕、濺射、蒸鍍等手段進行各種處理。8.3.3主要特種微細加工簡介1.電火花微細加工

一般來說，電火花微細加工技術與常規(guī)電火花成形加工并無本質區(qū)別。但要將電火花加工技術應用于微細加工領域，必須具備3個最基本的條件：(1)使電極能以穩(wěn)定微步距進給的高精度伺服系統(tǒng)；(2)能產(chǎn)生極微能量并且可控性好的脈沖電源；(3)具備制造微細高精度電極的手段及上藝。2激光微細加工

激光是20世紀60年代初發(fā)展起來的一門新興科學。它是一種具有亮度高、方向性好和單色性好的相干光，因此在理論上經(jīng)聚焦后能形成直徑為亞微米級的光點，焦點處的功率密度可達到108～1011w／cm2，溫度高達10000℃以上，可在千分之幾秒內(nèi)急劇熔化和汽化各種材料。激光束具有良好的可檢性，易于進行各種復雜形狀的微細加工。目前，激光加工已受到相當重視，幾乎對所有金屬和非金屬材料如鋼材、耐熱合金、陶瓷、寶石、玻璃、硬質合金及復合材料都可以加工。用于微細加工的激光器主要有紅寶石激光器、YAG(釔鋁石榴石)激光器、準分子激光器和氬離子激光器等。激光在微細加工中的主要應用有打孔、焊接、修整、調(diào)整、光刻等。目前，激光微細加工的尺寸可達亞微米級。3電子束和離子束微細加工(1)電子束微細加工:電子束微細加工原理如圖8-7所示，在真空中從灼熱的燈絲陰極發(fā)射出的電子，在高電壓(30～200千伏)作用下被加速到很高的速度，通過電磁透鏡會聚成一束高功率密度（105～109w／cm2）的電子束。圖8-7電子束微細加工原理圖電子束微細加工的特點：

(1)由于電子束能夠微細地聚焦到0.1um大小，所以加工面積可以很小，是一種精密微細的加工方法。

(2)加工材料范圍很廣，對脆性、韌性、導體、非導體及半導體材料均可加工。

(3)由于電子束的能量密度高，因而加工生產(chǎn)率很高。

(4)整個加工過程便于實現(xiàn)自動化，

(5)特別適用于加工易氧化的金屬及合金制料，以及純度要求甚高的半導體材料。(2)離子束微細加工利用離子源產(chǎn)生的離子，在真空中經(jīng)加速、聚焦而形成高速高能的束狀離子流，使之打擊到工件表面上，從而對工件進行加工的方法稱為離子束微細加工。離子束微細加