第7章制造技術(shù)的開(kāi)展DevelopmentofManufacturingTechnology本章主要內(nèi)容：機(jī)械制造技術(shù)的開(kāi)展趨勢(shì)、精細(xì)加工與超精細(xì)加工、非傳統(tǒng)加工方法。17.1先進(jìn)制造技術(shù)及開(kāi)展AdvancedManufacturingTechnologyandDevelopment27.1.1現(xiàn)代機(jī)械制造技術(shù)的特點(diǎn)現(xiàn)代制造技術(shù)即用先進(jìn)的制造技術(shù)(AdvancedManufacturingTechnology，AMT)來(lái)替代傳統(tǒng)的制造技術(shù)。先進(jìn)制造技術(shù)〔AMT〕是一種以優(yōu)質(zhì)、高效、低能耗、干凈和靈敏性為典型特征的新的機(jī)械制造技術(shù)。注重、開(kāi)展和運(yùn)用這種先進(jìn)的制造技術(shù)對(duì)于一個(gè)國(guó)家國(guó)民經(jīng)濟(jì)程度的開(kāi)展有著艱苦的意義。3一、AMT的產(chǎn)生背景AMT首先由美國(guó)于20世紀(jì)80年代末提出。長(zhǎng)期以來(lái)，美國(guó)政府只對(duì)根底研討、衛(wèi)生安康、國(guó)防技術(shù)等給予經(jīng)費(fèi)支持，而對(duì)產(chǎn)業(yè)技術(shù)不予支持，主張產(chǎn)業(yè)技術(shù)經(jīng)過(guò)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，由企業(yè)自主開(kāi)展20世紀(jì)70年代，一批美國(guó)學(xué)者不斷鼓吹美國(guó)已進(jìn)入“后工業(yè)化社會(huì)〞，以為制造業(yè)是“夕陽(yáng)工業(yè)〞，主張經(jīng)濟(jì)重心由制造業(yè)轉(zhuǎn)向高科技產(chǎn)業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)4結(jié)果：導(dǎo)致美國(guó)在經(jīng)濟(jì)上的競(jìng)爭(zhēng)力下降，貿(mào)易逆差巨增，日本家電、汽車(chē)大量涌入并占領(lǐng)了美國(guó)市場(chǎng)。〔20世紀(jì)60年代美國(guó)汽車(chē)產(chǎn)量占世界汽車(chē)總產(chǎn)量的2/3，而到了80年代下降到缺乏1/3〕。20世紀(jì)80年代,美國(guó)政府開(kāi)場(chǎng)認(rèn)識(shí)到問(wèn)題的嚴(yán)重性。白宮一份報(bào)告稱“美國(guó)經(jīng)濟(jì)衰退已要挾到國(guó)家平安〞MIT的一份報(bào)告寫(xiě)到“經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)歸根結(jié)底是制造技術(shù)和制造才干的競(jìng)爭(zhēng)〞，“一個(gè)國(guó)家要生活好，必需消費(fèi)好〞，闡明美國(guó)知識(shí)界與政府之間獲得了共識(shí)。5

1988年,美國(guó)政府投資進(jìn)展大規(guī)?！?1世紀(jì)制造企業(yè)戰(zhàn)略〞研討,并于其后不久提出了“先進(jìn)制造技術(shù)〞開(kāi)展目的，制定并實(shí)施了“先進(jìn)制造技術(shù)方案〔ATP〕〞和“制造技術(shù)中心方案〔MTC〕〞1991年，白宮科學(xué)技術(shù)政策辦公室發(fā)表“美國(guó)國(guó)家關(guān)鍵技術(shù)〞報(bào)告，重新確立了制造業(yè)的位置1993年，克林頓在硅谷發(fā)表題為“促進(jìn)美國(guó)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的技術(shù)——加強(qiáng)經(jīng)濟(jì)實(shí)力的新方向〞的演說(shuō)，對(duì)制造業(yè)給予了本質(zhì)性強(qiáng)有力的支持。6

“制造業(yè)仍是美國(guó)的經(jīng)濟(jì)根底，美國(guó)曾多年是制造業(yè)的世界領(lǐng)袖，不受挑戰(zhàn)。但近十年我們的實(shí)力每況愈下…美國(guó)企業(yè)和政府對(duì)制造技術(shù)投資缺乏，與其它外國(guó)競(jìng)爭(zhēng)者相比，美國(guó)公司在整個(gè)研討開(kāi)發(fā)方案中忽視了與工藝有關(guān)的研討開(kāi)發(fā)…忽視了現(xiàn)有技術(shù)和竅門(mén)的傳播…〞隨著美國(guó)在“先進(jìn)制造技術(shù)方案〔ATP〕〞和“制造技術(shù)中心方案〔MTC〕〞的實(shí)施和推行，從而獲得了明顯的效果。7

汽車(chē)2mm工程，使轎車(chē)車(chē)身精度到達(dá)豐田程度。1994年，美國(guó)汽車(chē)產(chǎn)量重新超越日本，重新占領(lǐng)歐、美市場(chǎng)美國(guó)Inter公司成為世界最大的芯片制造商〔在此之前芯片消費(fèi)也不敵日本，包括海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中大出風(fēng)頭的“愛(ài)國(guó)者〞導(dǎo)彈上運(yùn)用的芯片也是日本制造的〕20世紀(jì)90年代，經(jīng)濟(jì)繼續(xù)增長(zhǎng)，失業(yè)率降低到歷史最低程度提出了一系列的先進(jìn)制造技術(shù)的新實(shí)際、新思想，如：CE，LP，AM，…8

對(duì)AMT而言，至今尚無(wú)明確的和一致公認(rèn)的定義，經(jīng)過(guò)對(duì)其特征的分析和多年的實(shí)際總結(jié)，可以以為：◆AMT是制造業(yè)不斷吸收信息技術(shù)和現(xiàn)代管理技術(shù)的成果，將其綜合運(yùn)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)、加工、檢測(cè)、管理、銷(xiāo)售、運(yùn)用、效力乃至回收的制造全過(guò)程，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、清潔、靈敏消費(fèi)，提高對(duì)動(dòng)態(tài)多變市場(chǎng)的順應(yīng)才干和競(jìng)爭(zhēng)力的制造技術(shù)的總稱。二、AMT的定義、要點(diǎn)和特征AMT的定義9提高制造企業(yè)對(duì)市場(chǎng)的順應(yīng)才干和競(jìng)爭(zhēng)力；強(qiáng)調(diào)信息技術(shù)、現(xiàn)代管理技術(shù)與制造技術(shù)的有機(jī)結(jié)合信息技術(shù)、現(xiàn)代管理技術(shù)在整個(gè)制造過(guò)程中綜合運(yùn)用AMT要點(diǎn)AMT特征◆AMT是一項(xiàng)綜合性技術(shù)AMT不是一項(xiàng)詳細(xì)的技術(shù)，而是利用系統(tǒng)工程思想和方法將各種相關(guān)技術(shù)集合成一個(gè)整體的，特別強(qiáng)調(diào)計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)等的綜合運(yùn)用以及人、技術(shù)、管理的有機(jī)結(jié)合。10

◆AMT是一項(xiàng)動(dòng)態(tài)技術(shù)AMT沒(méi)有一個(gè)固定的方式，它要與企業(yè)的詳細(xì)情況相結(jié)合。同時(shí)AMT也不是一成不變的，而是動(dòng)態(tài)開(kāi)展的，它要不斷地吸收和利用各種高新技術(shù)成果，并將其浸透到制造系統(tǒng)的各個(gè)部分和整個(gè)過(guò)程，使其不斷趨于完善?！鬉MT是面向工業(yè)運(yùn)用的技術(shù)AMT有明顯的需求導(dǎo)向特征，不以追求技術(shù)高新度為目的，重在實(shí)踐效果。11

◆AMT是面向21世紀(jì)的技術(shù)AMT是制造技術(shù)開(kāi)展的新階段，它保管了傳統(tǒng)制造技術(shù)中有效要素，吸收并充分利用了一切高新技術(shù)，使其產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍。AMT強(qiáng)調(diào)環(huán)保技術(shù)，符合可繼續(xù)開(kāi)展的戰(zhàn)略。◆AMT是面向全球競(jìng)爭(zhēng)的技術(shù)經(jīng)過(guò)提高企業(yè)綜合效益和對(duì)市場(chǎng)的快速反響才干，到達(dá)提高競(jìng)爭(zhēng)力的目的。127.1.2現(xiàn)代機(jī)械制造技術(shù)的開(kāi)展趨勢(shì)◆信息技術(shù)對(duì)AMT開(kāi)展起著越來(lái)越重要的作用信息技術(shù)是各種先進(jìn)制造技術(shù)的重要支撐，信息技術(shù)向制造技術(shù)的注入與交融，必將促進(jìn)AMT的不斷開(kāi)展。◆現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)將迅速開(kāi)展和不斷完善包括CAD，CAE，DFX，強(qiáng)壯設(shè)計(jì)，優(yōu)化設(shè)計(jì)，智能設(shè)計(jì)，反求工程，面向全生命周期的設(shè)計(jì)等。13

◆資料成形向精細(xì)、低耗、清潔方向開(kāi)展資料成形技術(shù)將使毛坯從接近零件外形向直接制成工件精細(xì)成形或稱凈成形的方向開(kāi)展。據(jù)國(guó)際機(jī)械加工技術(shù)協(xié)會(huì)預(yù)測(cè)，本世紀(jì)初，塑性成形與磨削加工相結(jié)合，將取代大部分中小零件的切削加工。運(yùn)用改性技術(shù)，將獲得各種特殊性能要求的外表〔涂〕層，同時(shí)減少能耗并消除污染?！艏庸ぜ夹g(shù)向超精細(xì)、超高速方向開(kāi)展14

◆綠色制造將成為21世紀(jì)制造業(yè)重要特征包括：綠色產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)〔產(chǎn)品在全生命周期符合環(huán)保、人類(lèi)安康、能耗低、資源利用率高的要求〕；綠色制造技術(shù)〔在整個(gè)制造過(guò)程，對(duì)環(huán)境負(fù)面影響最小，廢棄物和有害物質(zhì)的排放最小，資源利用效率最高〕；產(chǎn)品的回收和循環(huán)再制造〔例如，汽車(chē)等產(chǎn)品的裝配和回收技術(shù)，以及生態(tài)工廠的循環(huán)式制造技術(shù)等〕?！籼摂M制造將獲得廣泛運(yùn)用用虛擬制造環(huán)境中生成的軟產(chǎn)品原型替代傳統(tǒng)的硬樣品進(jìn)展實(shí)驗(yàn)，從而縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造周期，降低本錢(qián)，提高系統(tǒng)快速呼應(yīng)市場(chǎng)變化的才干。157.2精細(xì)制造技術(shù)PrecisionManufacturingTechnology167.2.1概述◆精細(xì)加工：在一定的開(kāi)展時(shí)期，加工精度和外表質(zhì)量到達(dá)較高程度的加工工藝。一、定義◆超精細(xì)加工：在一定的開(kāi)展時(shí)期，加工精度和外表質(zhì)量到達(dá)最高程度的加工工藝。17◆瓦特改良蒸汽機(jī)——鏜孔精度1mm20世紀(jì)40年代——最高精度1μm20世紀(jì)末——精細(xì)加工：≤0.1μm，Ra≤0.01μm〔亞微米加工〕超精細(xì)加工：≤0.01μm，Ra≤0.001μm〔納米加工〕◆微細(xì)加工——微小尺寸的精細(xì)加工超微細(xì)加工——微小尺寸的超精細(xì)加工二、加工精度的開(kāi)展18圖7-3到達(dá)的加工精度和年代的關(guān)系普通加工精細(xì)加工超精細(xì)加工超高精細(xì)磨床超精細(xì)研磨機(jī)離子束加工分子對(duì)位加工車(chē)床,銑床卡尺加工設(shè)備丈量?jī)x器精細(xì)車(chē)床磨床百分尺比較儀坐標(biāo)鏜床坐標(biāo)磨床氣動(dòng)測(cè)微儀光學(xué)比較儀金剛石車(chē)床精細(xì)磨床光學(xué)磁尺電子比較儀超精細(xì)磨床精細(xì)研磨機(jī)激光測(cè)長(zhǎng)儀圓度儀輪廓儀激光高精度測(cè)長(zhǎng)儀掃描電鏡電子線分析儀加工誤差〔μm〕10010110210-210-110-3190019201940196019802000年份19三、精細(xì)與超精細(xì)加工的意義精細(xì)與超精細(xì)加工技術(shù)是一個(gè)國(guó)家制造業(yè)程度的重要標(biāo)志。例：美國(guó)哈勃望遠(yuǎn)鏡外形精度0.01μm；超大規(guī)模集成電路最小線寬0.1μm，日本金剛石刀具刃口鈍圓半徑達(dá)2nm……精細(xì)加工與超精細(xì)加工技術(shù)是新技術(shù)的生長(zhǎng)點(diǎn)。精細(xì)與超精細(xì)加工技術(shù)涉及多種根底學(xué)科和多種新興技術(shù)，其開(kāi)展無(wú)疑會(huì)帶動(dòng)和促進(jìn)這些相關(guān)科學(xué)技術(shù)的開(kāi)展。20精細(xì)加工與超精細(xì)加工技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)的根底和關(guān)鍵。例：美國(guó)陀螺儀球圓度提高一個(gè)數(shù)量級(jí)，使制造精度到達(dá)0.1μm，粗糙度Ra0.01μm，從而使洲際導(dǎo)彈的命中精度從500m控制在50～150m范圍內(nèi)；英國(guó)飛機(jī)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子葉片加工誤差從60μm降至12μm，使發(fā)電機(jī)緊縮效率從89%提高到94%；假設(shè)能齒形誤差從3-4μm減小1μm，那么單位齒輪箱分量所能傳送的扭矩可提高一倍……21四、精細(xì)與超精細(xì)加工的特點(diǎn)直接式進(jìn)化加工：利用低于工件精度的設(shè)備、工具，經(jīng)過(guò)工藝手段和特殊工藝配備，加工出所需工件。適用于單件、小批消費(fèi)。間接式進(jìn)化加工：借助于直接式“進(jìn)化〞加工原那么，消費(fèi)出第二代任務(wù)母機(jī)，再用此任務(wù)母機(jī)加工工件。適用于批量消費(fèi)。◆“進(jìn)化〞加工原那么背吃刀量小于晶粒大小，切削在晶粒內(nèi)進(jìn)展，與傳統(tǒng)切削機(jī)理完全不同。◆微量切削機(jī)理22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?！籼胤N加工與復(fù)合加工方法運(yùn)用越來(lái)越多要到達(dá)加工要求，需綜合思索工件資料、加工方法、加工設(shè)備與工具、測(cè)試手段、任務(wù)環(huán)境等諸多要素，是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，難度較大?！魳?gòu)成綜合制造工藝廣泛采用計(jì)算機(jī)控制、順應(yīng)控制、再線檢測(cè)與誤差補(bǔ)償技術(shù)，以減小人的要素影響，保證加工質(zhì)量?！襞c自動(dòng)化技術(shù)聯(lián)絡(luò)嚴(yán)密23精細(xì)與超精細(xì)加工設(shè)備造價(jià)高，難成系列。經(jīng)常針對(duì)某一特定產(chǎn)品設(shè)計(jì)〔如加工直徑3m射電天文望遠(yuǎn)鏡的超精細(xì)車(chē)床，加工尺寸小于1mm微型零件的激光加工設(shè)備〕。◆與高新技術(shù)產(chǎn)品嚴(yán)密結(jié)合精細(xì)檢測(cè)是精細(xì)與超精細(xì)加工的必要條件，并經(jīng)常成為精細(xì)與超精細(xì)加工的關(guān)鍵?！艏庸づc檢測(cè)一體化247.2.2精細(xì)加工與超精細(xì)加工的方法一、金剛石超精細(xì)加工技術(shù)切削在晶粒內(nèi)進(jìn)展切削力＞原子結(jié)合力〔剪切應(yīng)力達(dá)13000N/mm2〕。刀尖處溫度極高，應(yīng)力極大，普通刀具難以接受。高速切削〔與傳統(tǒng)精細(xì)切削相反〕，工件變形小，表層高溫不會(huì)涉及工件內(nèi)層，可獲得高精度和好外表質(zhì)量◆機(jī)理、特點(diǎn)25用于銅、鋁及其合金精細(xì)切削〔切鐵金屬，由于親協(xié)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(xué)資料如鍺、硅、ZnS和ZnSe等加工有機(jī)玻璃和各種塑料典型產(chǎn)品：光學(xué)反射鏡、射電望遠(yuǎn)鏡主鏡面、大型投影電視屏幕、照像機(jī)塑料鏡片、樹(shù)脂隱形眼鏡鏡片等◆運(yùn)用◆關(guān)鍵技術(shù)：加工設(shè)備和刀具26★加工設(shè)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。如美國(guó)Moore公司M-18AG金剛石車(chē)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(dǎo)軌，直線度達(dá)0.05μ/100mm；數(shù)控系統(tǒng)分辨率0.01μ。車(chē)床主軸裝在橫向滑臺(tái)〔X軸〕上，刀架裝在縱向滑臺(tái)〔Z軸〕上?？商幚韮苫_(tái)的相互影響問(wèn)題，而且縱、橫兩挪動(dòng)軸的垂直度可以經(jīng)過(guò)裝配調(diào)整保證，消費(fèi)本錢(qián)較低，已成為當(dāng)前金剛石車(chē)床的主流規(guī)劃。T形規(guī)劃27金剛石車(chē)床主要性能目的數(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(chē)削直徑和長(zhǎng)度/mm最高轉(zhuǎn)速r/mm最大進(jìn)給速度mm/min反復(fù)精度(±2σ)/μm主軸徑向圓跳動(dòng)/μm滑臺(tái)運(yùn)動(dòng)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(tái)的靜壓支承剛度/〔N/μm〕表7-5金剛石車(chē)床主要性能目的主軸軸向圓跳動(dòng)/μm橫滑臺(tái)對(duì)主軸的垂直度/μm28◆金剛石刀具超精切削刀具資料：天然金剛石，人造單晶金剛石金剛石的晶體構(gòu)造：規(guī)整的單晶金剛石晶體有八面體、十二面體和六面體，有三根4次對(duì)稱軸，四根3次對(duì)稱軸和六根2次對(duì)稱軸。a〕4次對(duì)稱軸和〔100〕晶面L4〔100〕〔110〕L2L3〔111〕b〕2次對(duì)稱軸和〔110〕晶面c〕3次對(duì)稱軸和〔111〕晶面八面體的晶軸和鏡晶面29金剛石刀具刃磨：通常在鑄鐵研磨盤(pán)上進(jìn)展研磨；晶向選擇應(yīng)使晶向與主切削刃平行；圓角半徑越小越好〔實(shí)際可到達(dá)1nm〕。金剛石車(chē)刀構(gòu)造和刀具角度如下圖30二、超硬磨料砂輪精細(xì)與超精細(xì)磨削◆砂輪資料：金剛石，立方氮化硼〔CBN〕可加工各種高硬度、高脆性金屬及非金屬資料〔鐵金屬用CBN〕耐磨性好，耐用度高，磨削才干強(qiáng)，磨削效率高磨削力小，磨削溫度低，加工外表好◆特點(diǎn)：31分整形與修銳〔去除結(jié)合劑，顯露磨?！硟刹竭M(jìn)展常用方法—①用碳化硅砂輪〔或金剛石筆〕修整，獲得所需外形；②電解修銳〔適用于金屬結(jié)合劑砂輪〕，效果好，并可在線修整。◆砂輪修整：◆ELID〔ElectrolyticIn-ProcessDressing〕——由日本東京大學(xué)理化研討所發(fā)明的電解在線修銳法的砂輪修銳效果為最好。32進(jìn)給＋－ELID磨削原理電源金剛石砂輪〔鐵纖維結(jié)合劑〕冷卻液冷卻液電刷運(yùn)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(jìn)一步進(jìn)展。在切削力作用下，氧化層零落，顯露了新的鋒利磨粒。由于電解修銳延續(xù)進(jìn)展，砂輪在整個(gè)磨削過(guò)程堅(jiān)持同一鋒利形狀。33砂帶：帶基資料為聚碳酸脂薄膜，其上植有細(xì)微砂粒。砂帶在一定任務(wù)壓力下與工件接觸并作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)展磨削或拋光。有開(kāi)式和閉式兩種方式，可磨削平面、內(nèi)外圓外表、曲面等。接觸輪硬磁盤(pán)—裝在主軸真空吸盤(pán)上砂帶磨削表示圖V砂帶砂帶輪卷帶輪F-徑向進(jìn)給f-徑向振動(dòng)◆精細(xì)與超精細(xì)砂帶磨削34幾種砂帶磨削方式a〕砂帶無(wú)心外圓磨削〔導(dǎo)輪式〕工件導(dǎo)輪接觸輪自動(dòng)輪砂帶工件接觸輪自動(dòng)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〕工件接觸輪自動(dòng)輪砂帶接觸輪砂帶工件d〕砂帶內(nèi)圓磨削〔回轉(zhuǎn)式〕工件支承板自動(dòng)輪砂帶任務(wù)臺(tái)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35砂帶磨削特點(diǎn)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(dá)0.02μm〕。3〕強(qiáng)力砂帶磨削，磨削比〔切除工件分量與砂輪磨耗分量之比〕高，有“高效磨削〞之稱。4〕制造簡(jiǎn)單，價(jià)錢(qián)低廉，運(yùn)用方便。5〕可用于內(nèi)外外表及成形外表加工。2〕靜電植砂，磨粒有方向性，尖端向上，摩擦生熱小，磨屑不易堵塞砂輪，磨削性能好。36微細(xì)加工——通常指1mm以下微細(xì)尺寸零件的加工，其加工誤差為0.1μm～10μm。精度表示方法——普通尺寸加工，其精度用誤差尺寸與加工尺寸比值表示；微細(xì)加工，其精度用誤差尺寸絕對(duì)值表示?！凹庸挝花暋コ粔K資料的大小，對(duì)于微細(xì)加工，加工單位可以到分子級(jí)或原子級(jí)。微切削機(jī)理——切削在晶粒內(nèi)進(jìn)展，切削力要超越晶體內(nèi)分子、原子間的結(jié)合力，單位面積切削阻力急劇增大。7.2.3微細(xì)加工技術(shù)37熱流動(dòng)加工〔火焰，高頻，熱射線，激光〕壓鑄，擠壓，放射，澆注微離子流動(dòng)加工熱外表流動(dòng)粘滯性流動(dòng)摩擦流動(dòng)變形加工(流動(dòng)加工)化學(xué)鍍，氣相鍍〔電鍍，電鑄〕氧化，氮化〔陽(yáng)極氧化〕〔真空〕蒸鍍，晶體增長(zhǎng)，分子束外延燒結(jié)，摻雜，滲碳，〔侵鍍，熔化鍍〕濺射堆積，離子堆積〔離子鍍〕離子濺射注入加工化學(xué)(電化學(xué))附著化學(xué)(電化學(xué))結(jié)合熱附著分散(熔化)結(jié)合物理結(jié)合注入結(jié)合加工(附著加工)車(chē)削，銑削，鉆削，磨削蝕刻，化學(xué)拋光，機(jī)械化學(xué)拋光電解加工，電解拋光電子束加工，激光加工，熱射線加工分散去除加工，熔化去除加工離子束濺射去除加工，等離子體加工機(jī)械去除化學(xué)分解電解蒸發(fā)分散與熔化濺射分別加工(去除加工)加工方法加工機(jī)理微細(xì)與超微細(xì)加工機(jī)理與加工方法38◆主要采用銑、鉆和車(chē)三種方式，可加工平面、內(nèi)腔、孔和外圓外表。◆刀具：多用單晶金剛石車(chē)刀、銑刀。銑刀的回轉(zhuǎn)半徑〔可小到5μm〕靠刀尖相對(duì)于回轉(zhuǎn)軸線的偏移來(lái)得到。當(dāng)?shù)毒呋剞D(zhuǎn)時(shí)，刀具的切削刃構(gòu)成一個(gè)圓錐形的切削面。微細(xì)機(jī)械加工39微小位移機(jī)構(gòu)，微量挪動(dòng)應(yīng)可小至幾十個(gè)納米。高靈敏的伺服進(jìn)給系統(tǒng)。要求低摩擦的傳動(dòng)系統(tǒng)和導(dǎo)軌支承系統(tǒng)，以及高跟蹤精度的伺服系統(tǒng)。高的定位精度和反復(fù)定位精度，高平穩(wěn)性的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。低熱變形構(gòu)造設(shè)計(jì)。刀具的穩(wěn)定夾持和高的安裝精度。高的主軸轉(zhuǎn)速及動(dòng)平衡?！粑⒓?xì)機(jī)械加工設(shè)備穩(wěn)定的床身構(gòu)件并隔絕外界的振動(dòng)干擾。具有刀具破損檢測(cè)的監(jiān)控系統(tǒng)。40FANUCROBOnanoUi型微型超精細(xì)加工機(jī)床：機(jī)床有X、Z、C、B四個(gè)軸，在B軸回轉(zhuǎn)任務(wù)臺(tái)上添加A軸轉(zhuǎn)臺(tái)后，可實(shí)現(xiàn)5軸控制，數(shù)控系統(tǒng)的最小設(shè)定單位為1nm?？蛇M(jìn)展車(chē)、銑、磨和電火花加工。旋轉(zhuǎn)軸采用編碼器半閉環(huán)控制，直線軸那么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(dǎo)軌、絲杠螺母副以及伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子的推力軸承和徑向軸承均采用氣體靜壓構(gòu)造。41圖7-36FANUC微型超精細(xì)加工機(jī)床42電極線沿著導(dǎo)絲器中的槽以5～10mm/min的低速滑動(dòng)，可加工圓柱形的軸。如導(dǎo)絲器經(jīng)過(guò)數(shù)字控制造相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)，還可加工出各種外形的桿件。◆線放電磨削法〔WEDG〕WEDG可加工的各種截形桿微細(xì)電加工WEDG任務(wù)原理Ⅰ－ⅠⅠⅠ工件金屬絲導(dǎo)絲器43離子束4.刻蝕〔構(gòu)成溝槽〕5.堆積〔構(gòu)成電路〕6.剝膜〔去除光致抗蝕劑〕3.顯影、烘片〔構(gòu)成窗口〕窗口2.曝光〔投影或掃描〕掩膜電子束圖7-41電子束光刻大規(guī)模集成電路加工過(guò)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44要求：定位精度0.1μm，反復(fù)定位精度0.01μm導(dǎo)軌：硬質(zhì)合金滾動(dòng)體導(dǎo)軌，或液〔氣〕靜壓導(dǎo)軌任務(wù)臺(tái)：粗動(dòng)—伺服電機(jī)+滾珠絲杠微動(dòng)—壓電晶體電致伸縮機(jī)構(gòu)圖7-42電致伸縮微開(kāi)任務(wù)臺(tái)XY0Py1Py2Px微開(kāi)任務(wù)臺(tái)任務(wù)臺(tái)微動(dòng)的構(gòu)成：X運(yùn)動(dòng)：Py1＝Py2Px長(zhǎng)度變化Y運(yùn)動(dòng)：Py1＝Py2Py1長(zhǎng)度變化Z轉(zhuǎn)動(dòng)：Py1≠Py2◆加工設(shè)備〔電子束光刻大規(guī)模集成電路〕457.3特種加工技術(shù)NontraditionalmachiningTechnology467.3.1概述特種加工又稱非傳統(tǒng)加工，通常被了解為別于傳統(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，由于以下有兩方面的問(wèn)題傳統(tǒng)機(jī)械加工方法難于處理：1〕難加工資料的加工問(wèn)題。宇航工業(yè)等對(duì)資料高強(qiáng)度、高硬度、高韌性、耐高溫、耐高壓、耐低溫等的要求，使新資料不斷涌現(xiàn)。2〕復(fù)雜形面、薄壁、小孔、窄縫等特殊工件加工問(wèn)題。47為處理上面兩方面問(wèn)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(xué)能量或其組合直接施加在工件被加工的部位上，從而使資料被去除、累加、變形或改動(dòng)性能等。非傳統(tǒng)加工方法特點(diǎn)：非傳統(tǒng)加工方法主要不是依托機(jī)械能，而是用其它能量〔如電能、光能、聲能、熱能、化學(xué)能等〕去除資料。非傳統(tǒng)加工方法由于工具不受顯著切削力的作用，對(duì)工具和工件的強(qiáng)度、硬度和剛度均沒(méi)有嚴(yán)厲要求。48普通不會(huì)產(chǎn)生加工硬化景象。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(yīng)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)加工方法的資料去除速度，普通低于常規(guī)加工方法，這也是目前常規(guī)加工方法仍占主導(dǎo)位置的主要緣由。49機(jī)械過(guò)程利用機(jī)械力，使資料產(chǎn)生剪切、斷裂，以去除資料。如超聲波加工、水放射加工、磨料流加工等。非傳統(tǒng)加工方法分類(lèi)〔按加工機(jī)理和采用的能源劃分〕：熱學(xué)過(guò)程經(jīng)過(guò)電、光、化學(xué)能等產(chǎn)生瞬時(shí)高溫，熔化并去除資料，如電火花加工、高能束加工、熱力去毛刺等。50電化學(xué)過(guò)程利用電能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能對(duì)資料進(jìn)展加工，如電解加工、電鑄加工〔金屬離子堆積〕等。化學(xué)過(guò)程利用化學(xué)溶劑對(duì)資料的腐蝕、溶解，去除資料，如化學(xué)蝕刻、化學(xué)銑削等。復(fù)合過(guò)程利用機(jī)械、熱、化學(xué)、電化學(xué)的復(fù)協(xié)作用，去除資料。常見(jiàn)的復(fù)合方式有：◎機(jī)械化學(xué)復(fù)合——如機(jī)械化學(xué)拋光、電解磨削、電鍍珩磨等。51◎機(jī)械熱能復(fù)合——如加熱切削、低溫切削等?！驘崮芑瘜W(xué)能復(fù)合——如電解電火花加工等?！蚱渌鼜?fù)合過(guò)程——如超聲切削、超聲電解磨削、磁力拋光〔以下圖示〕等。工件〔陶瓷滾柱〕磁性資料磁極振動(dòng)運(yùn)動(dòng)磁力拋光表示圖NS52拓寬現(xiàn)有非傳統(tǒng)加工方法的運(yùn)用領(lǐng)域。探求新的加工方法，研討和開(kāi)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、精細(xì)化開(kāi)展。開(kāi)展趨勢(shì)采用數(shù)控、自順應(yīng)控制、CAD/CAM、專家系統(tǒng)等技術(shù)，提高加工過(guò)程自動(dòng)化、柔性化程度。53EI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(xué)加工★以下圖反映了學(xué)術(shù)界和工程界對(duì)幾種非傳統(tǒng)加工方法的關(guān)注程度。54任務(wù)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(shí)高溫，工件資料被熔化和氣化。同時(shí)，該處絕緣液體也被部分加熱，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，曾經(jīng)熔化、氣化的資料就從工件的外表迅速被除去?！?個(gè)階段：1〕介質(zhì)電離、擊穿，構(gòu)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(fù)絕緣形狀〕。7.3.2電火花加工55電極資料——要求導(dǎo)電，損耗小，易加工；常用資料：紫銅、石墨、鑄鐵、鋼、黃銅等，其中石墨最常用。任務(wù)液——主要功能緊縮放電通道區(qū)域，提高放電能量密度，加速蝕物排出；常用任務(wù)液有煤油、機(jī)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。為堅(jiān)持適當(dāng)?shù)姆烹婇g隙，在加工過(guò)程中，需采用自動(dòng)調(diào)理器控制機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)，并帶開(kāi)工具電極緩慢向工件進(jìn)給。任務(wù)要素56脈沖寬度與間隔——影響加工速度、外表粗糙度、電極耗費(fèi)和外表組織等。脈沖頻率高、繼續(xù)時(shí)間短，那么每個(gè)脈沖去除金屬量少，外表粗糙度值小，但加工速度低。通常放電繼續(xù)時(shí)間在2μs至2ms范圍內(nèi)，各個(gè)脈沖的能量2mJ到20J〔電流為400A時(shí)〕之間。電火花加工類(lèi)型電火花線切割加工：用延續(xù)挪動(dòng)的鉬絲〔或銅絲〕作工具陰極，工件為陽(yáng)極。機(jī)床任務(wù)臺(tái)帶開(kāi)工件在程度面內(nèi)作兩個(gè)方向挪動(dòng)，可切割出二維圖形。同時(shí)，絲架作小角度擺動(dòng)，可切割出斜面。57延續(xù)挪動(dòng)的鉬絲〔或銅絲〕作工具陰極，工件為陽(yáng)極。機(jī)床任務(wù)臺(tái)帶開(kāi)工件在程度面內(nèi)作兩個(gè)方向挪動(dòng)，切割出二維圖形。電火花線切割原理圖XY儲(chǔ)絲筒導(dǎo)輪電極絲工件58電火花線切割加工加工過(guò)程顯示59電火花線切割機(jī)床60不受加工資料硬度限制，可加工任何硬、脆、韌、軟的導(dǎo)電資料。加工時(shí)無(wú)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(shí)現(xiàn)數(shù)控加工。電火花加工特點(diǎn)61電火花加工運(yùn)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、各種外形復(fù)雜的板類(lèi)零件、窄縫、柵網(wǎng)等。62任務(wù)原理：工件接陽(yáng)極，工具〔銅或不銹鋼〕接陰極，兩極間加直流電壓6～24V，極間堅(jiān)持0.1～1mm間隙。在間隙處通以6～60m/S高速流動(dòng)電解液，構(gòu)成極間導(dǎo)電通路，工件外表資料不斷溶解，溶解物及時(shí)被電解液沖走。工具陰極不斷進(jìn)給，堅(jiān)持極間間隙。7.3.3電解加工63不受資料硬度的限制，能加工任何高硬度、高韌性的導(dǎo)電資料，并能以簡(jiǎn)單的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)一次加工出外形復(fù)雜的形面和型腔。加工形面、型腔消費(fèi)率高〔與電火花加工比高5～10倍〕。采用振動(dòng)進(jìn)給和脈沖電流等新技術(shù)，可進(jìn)一步提高消費(fèi)效率和加工精度。陰極在加工中損耗小。加工外表質(zhì)量好，無(wú)毛刺、剩余應(yīng)力和變形層。設(shè)備投資大，有污染，需防護(hù)。電解加工特點(diǎn)64模具型腔、槍炮膛線、發(fā)電機(jī)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。電解加工運(yùn)用工件與磨輪堅(jiān)持一定接觸壓力，突出的磨料使磨輪導(dǎo)電基體與工件之間構(gòu)成一定間隙。電解液從中流過(guò)時(shí)，工件產(chǎn)生陽(yáng)極溶解，外表生成一層氧化膜，其硬度遠(yuǎn)比金屬本身低，易被刮除，顯露新金屬外表，繼續(xù)進(jìn)展電解。電解作用與磨削作用交替進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)加工。電解磨削65

電解磨削效率比機(jī)械磨削高，且磨輪損耗遠(yuǎn)比機(jī)械磨削小，特別是磨削硬質(zhì)合金時(shí)，效果更明顯。導(dǎo)電磨輪電解液電刷任務(wù)臺(tái)工件絕緣板導(dǎo)電基體磨料陽(yáng)極膜66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(yáng)極加速，經(jīng)過(guò)透鏡聚焦系統(tǒng)進(jìn)一步聚焦，使能量密度集中在直徑5～10μm斑點(diǎn)內(nèi)。高速而能量密集的電子束沖擊到工件上，被沖擊點(diǎn)處構(gòu)成瞬時(shí)高溫〔幾分之一微秒時(shí)間內(nèi)升高至幾千攝氏度〕，工件外表部分熔化、氣化直至被蒸發(fā)去除。1、電子束加工任務(wù)原理7.3.4高能束加工67電子束束徑小〔最小直徑可達(dá)0.01～0.05mm〕，而電子束長(zhǎng)度可達(dá)束徑幾十倍，故可加工微細(xì)深孔、窄縫。資料順應(yīng)性廣〔原那么上各種資料均能加工〕，特別適用于加工特硬、難熔金屬和非金屬資料。非接觸加工，無(wú)工具損耗；無(wú)切削力，加工時(shí)間極短，工件無(wú)變形。加工速度高，切割1mm厚鋼板，速度可達(dá)240mm/min。特點(diǎn)及運(yùn)用在真空中加工，無(wú)氧化，特別適于加工高純度半導(dǎo)體資料和易氧化的金屬及合金。加工設(shè)備較復(fù)雜，投資較大。多用于微細(xì)加工。682、激光加工任務(wù)原理激光是一種受激輻射而得到的加強(qiáng)光。其根本特征：◎強(qiáng)度高，亮度大◎波長(zhǎng)頻率確定，單色性好◎相關(guān)性好，相關(guān)長(zhǎng)度長(zhǎng)◎方向性好，幾乎是一束平行光當(dāng)激光束照射到工件外表時(shí)，光能被吸收，轉(zhuǎn)化成熱能，使照射斑點(diǎn)處溫度迅速升高、熔化、氣化而構(gòu)成小坑，由于熱分散，使斑點(diǎn)周?chē)饘偃刍?，小坑?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(gè)方向性很強(qiáng)的反沖擊波，于是在被加工外表上打出一個(gè)上大下小的孔。69加工資料范圍廣，適用于加工各種金屬資料和非金屬資料，特別適用于加工高熔點(diǎn)資料，耐熱合金及陶瓷、寶石、金剛石等硬脆資料。加工性能好，工件可分開(kāi)加工機(jī)進(jìn)展加工，可透過(guò)透明資料加工，可在其他加工方法不易到達(dá)的狹小空間進(jìn)展加工。非接觸加工方式，熱變形小，加工精度較高?？蛇M(jìn)展微細(xì)加工。激光聚焦后焦點(diǎn)直徑實(shí)際上可小至1μ以下，實(shí)踐上可實(shí)現(xiàn)φ0.01mm的小孔加工和窄縫切割。激光加工特點(diǎn)70加工速度快，效率高。激光加工不僅可以進(jìn)展打孔和切割，也可進(jìn)展焊接、熱處置等任務(wù)。激光加工可控性好，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。加工設(shè)備昂貴。激光加工運(yùn)用激光打孔◎廣泛運(yùn)用于金剛石拉絲模、鐘表寶石軸承、陶瓷、玻璃等非金屬資料，和硬質(zhì)合金、不銹鋼等金屬資料的小孔加工。71◎激光打孔具有高效率、低本錢(qián)的特點(diǎn)，特別適宜微小群孔加工?！蚪裹c(diǎn)位置對(duì)孔的質(zhì)量影響：假設(shè)焦點(diǎn)與加工外表之間間隔很大，那么激光能量密度顯著減小，不能進(jìn)展加工。假設(shè)焦點(diǎn)位置偏離加工外表1mm，可以進(jìn)展加工，此時(shí)加工出孔的斷面外形隨焦點(diǎn)位置不同而發(fā)生變化。圖7-72焦點(diǎn)位置對(duì)孔外形影響72