机械制造技术的发展课件.ppt

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1、1,第7章 机械制造技术的发展,本章要点,了解非传统加工方法特点，超声波加工、电火花加工、激光加工、快速原型制造的工作原理和应用（7.1）了解精密与超精密加工的概念和特点，金刚石超精密车削加工特点及应用，超硬磨料精密磨削特点及关键技术，离子束加工特点及应用，纳米技术内涵和扫描电镜工作原理，微机电系统组成及特征（7.2）了解刚性自动化、柔性自动化和综合自动化的特征，理解 Groover 产品寿命周期模型，了解 FMS 的组成及特点，机械制造自动化的发展趋势（7.3）,2,机械制造技术基础,第 7 章 机械制造技术的发展Development of Mechanical Manufacturing

2、 Technology,3,非传统加工又称特种加工，通常被理解为有别于传统切削与磨削加工方法的总称。,非传统加工方法产生于二次大战后。有两方面问题传统机械加工方法难于解决 1）难加工材料的加工问题。宇航工业等对材料高强度、高硬度、高韧性、耐高温、耐高压、耐低温等的要求，使新材料不断涌现 2）复杂形面、薄壁、小孔、窄缝等特殊工件加工问题 为解决上面两方面问题，出现了非传统加工方法,非传统加工方法将电、磁、声、光等物理量及化学能量或其组合直接施加在工件被加工的部位上，从而使材料被去除、累加、变形或改变性能等,7.1.1 非传统加工方法概述,4,非传统加工方法分类（按加工机理和采用的能源划分）,7.

3、1.1 非传统加工方法概述,图7-1 非传统加工方法分类,5,机械过程 利用机械力，使材料产生剪切、断裂，以去除材料。如超声波加工、水喷射加工、磨料流加工等,热学过程 通过电、光、化学能等产生瞬时高温，熔化并去除材料，如电火花加工、高能束加工、热力去毛刺等,电化学过程 利用电能转换为化学能对材料进行加工，如电解加工、电铸加工（金属离子沉积）等,化学过程 利用化学溶剂对材料的腐蚀、溶解，去除材料，如化学蚀刻、化学铣削等,7.1.1 非传统加工方法概述,6,复合过程 利用机械、热、化学、电化学的复合作用，去除材料。常见的复合形式有：,机械热能复合如加热切削、低温切削等 热能化学能复合如电解电火花加

4、工等 其他复合过程如超声切削、超声电解磨削、磁力抛光等,7.1.1 非传统加工方法概述,机械化学复合如机械化学抛光、电解磨削、电镀珩磨等,堆积加工 有别于传统的加工成形机理，属于増材制造，如快速原型制造、沉积加工等,7,非传统加工方法主要不是依靠机械能，而是用其他能量（如电能、光能、声能、热能、化学能等）去除材料 非传统加工方法由于工具不受显著切削力的作用，对工具和工件的强度、硬度和刚度均没有严格要求 一般不会产生加工硬化现象。且工件加工部位变形小，发热少，或发热仅局限于工件表层加工部位很小区域内，工件热变形小，加工应力也小，易于获得好的加工质量 加工中能量易于转换和控制，有利于保证加工精度和

5、提高加工效率 非传统加工方法的材料去除速度，一般低于常规加工方法，这也是目前常规加工方法仍占主导地位的主要原因,非传统加工方法的特点,7.1.1 非传统加工方法概述,8,拓宽现有非传统加工方法的应用领域 探索新的加工方法，研究和开发新的元器件 优化工艺参数，完善现有的加工工艺 向微型化、精密化发展,采用数控、自适应控制、CAD/CAM、专家系统等技术，提高加工过程自动化、柔性化程度,发展趋势,7.1.1 非传统加工方法概述,9,利用工具端面作超声（1625kHz）振动，使工作液中的悬浮磨粒对工件表面撞击抛磨实现加工 超声波发生器将工频交流电能转变为有一定功率输出的超声频电振荡，通过换能器将超声

6、频电振荡转变为超声机械振动，此时振幅一般很小，再通过振幅扩大棒（变幅杆）使固定在变幅杆端部的工具振幅增大到 0.010.15 mm,工作原理,7.1.2 产生机械变化过程的加工方法,10,超声波加工机床,超声波加工样件,7.1.2 产生机械变化过程的加工方法,11,适用于加工各种脆性金属材料和非金属材料，如玻璃、陶瓷、半导体、宝石、金刚石等 可加工各种复杂形状的型孔、型腔、型面 工具与工件不需作复杂的相对运动，机床结构简单 被加工表面无残余应力，无破坏层，加工精度较高，尺寸精度可达 0.010.05 mm 加工过程受力小，热影响小，可加工薄壁、薄片等易变形零件 生产效率较低。采用超声复合加工（

7、如超声车削，超声磨削、超声电解加工、超声线切割等）可提高加工效率,超声波加工特点及应用,7.1.2 产生机械变化过程的加工方法,12,工作原理,喷嘴材料及工作条件,喷嘴材料及工作条件,利用超高压水（或水与磨料的混合液）对工件进行切割（或打孔），又称高压水切割，或“水刀”,7.1.2 产生机械变化过程的加工方法,13,工艺参数,几种材料高压水切割参数,水喷射加工常用工艺参数,7.1.2 产生机械变化过程的加工方法,14,工作原理：利用工具电极与工件电极之间脉冲性火花放电，产生瞬时高温，工件材料被熔化和气化。同时，该处绝缘液体也被局部加热，急速气化，体积发生膨胀，随之产生很高的压力。在这种高压作用

8、下，已经熔化、气化的材料就从工件的表面迅速被除去（图7-4）,4个阶段：,介质电离、击穿，形成放电通道 火花放电产生熔化、气化、热膨胀 抛出蚀除物 间隙介质消电离（恢复绝缘状态）,7.1.3 产生热过程的加工方法,15,电火花加工机床,7.1.3 产生热过程的加工方法,16,电极材料要求导电，损耗小，易加工；常用材料：紫铜、石墨、铸铁、钢、黄铜等，其中石墨最常用 工作液主要功能压缩放电通道区域，提高放电能量密度，加速蚀物排出；常用工作液有煤油、机油、去离子水、乳化液等 放电间隙合理的间隙是保证火花放电的必要条件。为保持适当的放电间隙，在加工过程中，需采用自动调节器控制机床进给系统，并带动工具电

9、极缓慢向工件进给,工作要素,脉冲宽度与间隔影响加工速度、表面粗糙度、电极消耗和表面组织等。脉冲频率高、持续时间短，则每个脉冲去除金属量少，加工表面粗糙度值小，但加工速度低。通常放电持续时间在 2s2ms范围内，各脉冲能量为2mJ20J（电流为 400 A时）,7.1.3 产生热过程的加工方法,17,电火花线切割加工：用连续移动的钼丝（或铜丝）作工具阴极，工件为阳极。机床工作台带动工件在水平面内作两个方向移动，可切割出二维图形（图7-5）。同时，丝架可作小角度摆动，可切割出斜面,电火花加工类型,电火花成形加工：主要指孔加工，型腔加工等,7.1.3 产生热过程的加工方法,18,快走丝：电极丝多用钼

10、丝，做往复运动，走丝速度一般为2.5 m/s10 m/s,快走丝与慢走丝,7.1.3 产生热过程的加工方法,19,慢走丝：走丝作单方向运动，多用铜丝，为一次性使用，走丝速度一般低于0.2 m/min，电极丝走丝平稳无震动，损耗小，因此加工精度高，表面粗糙度值低，但其导向、張紧机构比较复杂,慢走丝电火花线切割机床的结构原理图1溜板；2绝缘垫块；3、13伺服电机；4工作台；5放丝卷筒；6、11导丝轮和旅紧机构；7导向装置；8工作液喷嘴；9工件；10脉冲电源；12收丝卷筒；14数控装置；15-伺服电机电源,7.1.3 产生热过程的加工方法,20,电火花线切割机床（快走丝）,电火花线切割加工,加工过程

11、显示,7.1.3 产生热过程的加工方法,21,7.1.3 产生热过程的加工方法,22,不受加工材料硬度限制，可加工任何硬、脆、韧、软的导电材料 加工时无显著切削力，发热小，适于加工小孔、薄壁、窄槽、形面、型腔及曲线孔等，且加工质量较好 脉冲参数调整方便，可一次装夹完成粗、精加工 易于实现数控加工,电火花加工的特点,电火花加工的应用,电火花成形加工：电火花打孔常用于加工冷冲模、拉丝模、喷嘴、喷丝孔等。型腔加工包括锻模、压铸模、挤压模、塑料模等型腔加工，以及叶轮、叶片等曲面加工 电火花线切割：广泛用于加工各种硬质合金和淬硬钢的冲模、样板、各种形状复杂的板类零件、窄缝、栅网等,7.1.3 产生热过程

12、的加工方法,23,激光是一种受激辐射得到的加强光。其基本特征：,工作原理,激光束照射工件表面时，光能被吸收，转化成热能，使照射斑点处温度迅速升高、熔化、气化而形成小坑，由于热扩散，使斑点周围金属熔化，小坑内金属蒸气迅速膨胀，产生微型爆炸，将熔融物高速喷出并产生一个方向性很强的反冲击波，在被加工表面上打出一个上大下小的孔,强度高，亮度大 波长确定，单色性好 相干性好，相干长度长 方向性好，几乎是一束平行光,7.1.3 产生热过程的加工方法,24,固体激光器,气体激光器CO2激光器,激光器,YAG（结晶母材由钇、铝和石榴石构成）激光器 红宝石激光器,混合气体：氦约80%，氮约15%，CO2 约5%

13、通过高压直流放电进行激励 波长10.6，为不可见光 能量效率5%15%,7.1.3 产生热过程的加工方法,25,激光加工特点,加工材料范围广，适用于加工各种金属材料和非金属材料，特别适用于加工高熔点材料、耐热合金及陶瓷、宝石、金刚石等硬脆材料 加工性能好，工件可离开加工机进行加工，可透过透明材料加工，可在其他加工方法不易达到的狭小空间进行加工 非接触加工方式，热变形小，加工精度较高 可进行微细加工。激光聚焦后焦点直径理论上可小至 1m 以下，实际上可实现 0.01 mm 的小孔加工和窄缝切割 加工速度快，效率高 激光加工不仅可以进行打孔和切割，也可进行焊接、热处理等工作 激光加工可控性好，易于

14、实现自动控制。加工设备昂贵,7.1.3 产生热过程的加工方法,26,激光打孔,激光加工应用,广泛应用于金刚石拉丝模、钟表宝石轴承、陶瓷、玻璃等非金属材料和硬质合金、不锈钢等金属材料的小孔加工 激光打孔具有高效率、低成本的特点，特别适合微小群孔加工 焦点位置对孔的质量影响：若焦点与加工表面之间距离很大，则激光能量密度显著减小，不能进行加工。如果焦点位置偏离加工表面1mm，可以进行加工，此时加工出孔的断面形状随焦点位置不同而发生变化,7.1.3 产生热过程的加工方法,27,激光热处理,原理：照射到金属表面上的激光使表面原子迅速蒸发，由此产生微冲击波会导致大量晶格缺陷形成，达到硬化 优点：快速、不需

15、淬火介质、硬化均匀、变形小、硬化深度可精确控制,激光焊接,与打孔相比，激光焊接所需能量密度较低，因不需将材料气化蚀除，而只要将工件的加工区烧熔使其粘合在一起 优点：没有焊渣，不需去除工件氧化膜，可实现不同材料之间的焊接，特别适宜微型机械和精密焊接,激光切割,激光切割具有切缝窄、速度快、热影响区小、省材料、成本低等优点，并可以在任何方向上切割，包括内尖角 可以切割钢板、不锈钢、钛、钽、镍等金属材料，以及布匹、木材、纸张、塑料等非金属材料,7.1.3 产生热过程的加工方法,28,激光焊接,激光切割,7.1.3 产生热过程的加工方法,29,激光原位角膜磨镶术（LASIK）矫正视力,激光膝关节手术,7

16、.3.2 几种典型的非传统加工方法,30,工作原理,真空条件下，利用电流加热阴极发射电子束，经控制栅极初步聚焦后，由加速阳极加速，通过透镜聚焦系统进一步聚焦，使能量密度集中在直径 510 m 斑点内 高速而能量密集的电子束冲击到工件上，被冲击点处形成瞬时高温（几分之一微秒时间内升高至几千摄氏度），工件表面局部熔化、气化直至被蒸发去除,7.1.3 产生热过程的加工方法,31,7.1.3 产生热过程的加工方法,32,工作原理,工件浸入适当成分的化学溶液中，工件表面不加工的部分用耐蚀涂层保护，露出的工件加工表面与化学溶液产生反应，材料不断地被溶解去除,7.1.4 产生化学过程的加工方法,特点,工艺和

17、设备简单、操作方便、投资少 加工精度不高,工艺,工件表面预处理涂保护胶固化刻型腐蚀清洗和去保护层,33,工作原理,图7-9 电解加工原理图,工件阳极,工件接阳极，工具（铜或不锈钢）接阴极，两极间加直流电压624 V，极间保持0.11 mm间隙。在间隙处通以660 m/s高速流动电解液，形成极间导电通路，工件表面材料不断溶解，溶解物及时被电解液冲走。工具阴极不断进给，保持极间间隙,7.1.4 产生化学过程的加工方法,34,不受材料硬度限制，能加工任何高硬度、高韧性导电材料，并能以简单的进给运动一次加工出形状复杂的型面和型腔 加工型面、型腔生产率高（与电火花加工比高510倍）。采用振动进给和脉冲电

18、流等新技术，可进一步提高生产效率和加工精度 阴极在加工中损耗小 加工表面质量好，无毛刺、残余应力和变形层 设备投资大，有污染，需防护,模具型腔、枪炮膛线、发电机叶片、花键孔、内齿轮、小而深的孔加工、电解抛光、倒棱、去毛刺等,电解加工特点,电解加工应用,7.1.4 产生化学过程的加工方法,35,工件与磨轮保持一定接触压力，突出的磨料使磨轮导电基体与工件之间形成一定间隙。电解液从中流过时，工件产生阳极溶解，表面生成一层氧化膜，其硬度远比金属本身低，易被刮除，露出新金属表面，继续进行电解。电解作用与磨削作用交替进行，实现加工,电解磨削效率比机械磨削高，且磨轮损耗远比机械磨削小，特别是磨削硬质合金时，

19、效果更明显,7.1.4 产生化学过程的加工方法,36,7.1.5 快速原型制造,图7-11 快速成形过程,RPM工作过程,37,7.1.5 快速原型制造,38,7.1.5 快速原型制造,快速成形机床及快速成形件,39,7.1.5 快速原型制造,由CAD模型直接驱动 可快速成形任意复杂的三维几何实体，不受传统机械加工方法中刀具无法达到某些型面的限制 采用“分层制造”方法，通过分层，将三维成形问题变成简单的二维平面成形 成形设备为计算机控制的通用机床，无需专用工模具 成形过程无需人工干预或很少人工干预 设计制造一体化，生产周期短 用材广泛（金属，非金属）节省原材料,RPM特点,40,立体光刻（SL

20、A）,表7-1a 立体光刻工艺及设备,7.1.5 快速原型制造,41,7.1.5 快速原型制造,42,分层实体制造（LOM）,表7-1b 分层实体制造工艺及设备,7.1.5 快速原型制造,43,7.1.5 快速原型制造,44,选择性激光烧结（SLS）,表7-1c 选择性激光烧结工艺及设备,7.1.5 快速原型制造,45,7.1.5 快速原型制造,46,熔融堆积成形（FDM）,表7-1d 熔融堆积成形工艺及设备,7.1.5 快速原型制造,47,7.1.5 快速原型制造,48,三维打印（3-DP）,表7-1e 三维打印工艺及设备,7.1.5 快速原型制造,49,7.1.5 快速原型制造,50,产品

21、开发,用快速原型直接制造产品样品，一般只需传统加工方法 3050%的工时，2035%的成本 这种样品与最终产品相比，虽然材质可能有所差异，但形状与尺寸完全相同，且有较好的机械强度。经适当的表面处理后，与真实产品一模一样。不仅可供设计者和用户进行直观检测、评判、优化，而且可在零件级和部件级水平上，对产品工艺性能、装配性能及其他特性进行检验、测试和分析 RP利用材料累加法亦可用来直接制造塑料、陶瓷、金属及各种复合材料零件,7.1.5 快速原型制造,51,7.1.5 快速原型制造,RPM提供最真实的三维实体模型,52,7.1.5 快速原型制造,电影机械公敌中的奥迪RSQ轿车,53,7.1.5 快速原

22、型制造,神州十号航天员座垫（3-DP技术）,54,模具制造,用快速原型制造系统直接制作模具如砂型铸造木模的替代模、低熔点合金铸造模、试制用注塑模，以及熔模铸造的蜡模的替代模，或蜡模的成形模 用快速成形件作母模，复制软模具可浇注蜡、硅橡胶、环氧树脂、聚氨脂等软材料 用快速成形件作母模，复制硬模具可浇注（或涂覆）石膏、陶瓷、金属、金属基合成材料，构成硬模具（如各种铸造模、注塑模、蜡模的成形模、拉伸模等 制作电加工机床用电极用快速成形件作母体，通过喷镀或涂覆金属、粉末冶金、精密铸造、浇注石墨粉或特殊研磨，制作金属电极或石墨电极,7.1.5 快速原型制造,55,7.1.5 快速原型制造,56,其他领域

23、,在医学上的应用 快速原型制造系统可利用 CT 扫描或 MRI 核磁共振图象的数据，制作人体器官模型，以便策划头颅、面部、牙科或其他软组织的手术，进行复杂手术操练，为骨移植设计样板，或将其作为X光检查的参考手段,7.1.5 快速原型制造,3D制作人体组织模型,57,在建筑上的应用 利用快速原型制造系统制作建筑模型，可以帮助建筑设计师进行设计评价和最终方案的确定。在古建筑的恢复上，可以根据图片记载，用快速成形技术复制原建筑,7.1.5 快速原型制造,建筑模型：快速、节材、环保、制作精美,58,7.1.5 快速原型制造,传统的泡沫板模型与3D成型打印模型,59,7.1.5 快速原型制造,迅速普及和

24、推广,（a）（b）（c）图7-17 典型的台式3D打印机的机身结构,出现了低成本的商用和家用台式3D打印机,60,7.1.5 快速原型制造,不同制造目标相对独立发展,包括快速概念设计原型制造、快速模具原型制造、快速功能测试原型制造及快速功能零件制造等 激光近净形制造技术（Laser engineered net shaping，LENS）,61,7.1.5 快速原型制造,向大型与微型制造进军 更快的制造速度、更高的制造精度和可靠性 外设化和智能化 RPM行业标准化，并且与整个产品制造体系相融合,艺术品,62,机械制造技术基础,第 7 章 机械制造技术的发展Development of Mech

25、anical Manufacturing Technology,63,7.2.1 精密与超精密加工,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,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,瓦特改进蒸汽机镗孔精度 1 mm 20 世纪 40 年代最高精度 1 m 20 世纪 末 精密加工：0.1 m，Ra 0.01 m（亚微米加工）超精密加工：0.01 m，Ra 0.001 m（纳米加工）,64,几种典型精密零件的加工精度,7.2.1 精密与超精密加工,几种典型精密零件的加工精度 单位/

26、m,65,7.2.1 精密与超精密加工,66,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,精密与超精密加工地位,7.2.1 精密与超精密加工,精密与超精密加工技术是一个国家制造业水平的重要标志 例：哈勃望远镜形状精度 0.01m；超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的基础和关键 例：美国陀螺仪球圆度误差 0.1m，表面粗糙度Ra 0.01m，导弹命中精度控制在50范围内；英国飞机发电机转子叶片误差从 60m 降至12m，发电

27、机压缩效率从89%提高到94%；齿形误差从4m 减小到1m，单位重量齿轮箱扭矩提高一倍,67,表7-2 精密与超精密加工分类,7.2.1 精密与超精密加工,68,直接式进化加工：利用低于工件精度的设备、工具，通过工艺手段和特殊工艺装备加工出所需工件。适于单件、小批生产 间接式进化加工：借助于直接式“进化”加工原则，生产出第二代工作母机，再用此工作母机加工工件。适于批量生产,“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精度极限，超越极限需采用新的方法,精密与超精密加工的特点,7.2.

28、1 精密与超精密加工,69,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，以减小人的因素的影响，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的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,70,切削在晶粒内进

29、行 切削力原子结合力（剪切应力达 13 000 N/mm2）刀尖处温度极高，应力极大，普通刀具难以承受 高速切削（与传统精密切削相反），工件变形小，表层高温不会波及工件内层，可获得高精度和好的表面质量,用于铜、铝及其合金精密切削（切铁金属，由于亲合作用，产生“碳化磨损”，影响刀具寿命和加工质量）加工各种红外光学材料如锗、硅、ZnS 和 ZnSe 等 加工有机玻璃和各种塑料 典型产品：光学反射镜、射电望远镜主镜面、大型投影电视屏幕、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,71,加工设备,关键技术,7.2.1 精密与超精密加工,要求高精度、高刚度、良好稳

30、定性、抗振性及数控功能等 Moore公司M18AG金刚石车床，主轴采用空气静压轴承，转速 5000 r/min，径向圆跳动小于0.1m；液体静压导轨，直线度0.05m/100mm；数控系统分辨率 0.01m,72,T 形布局,7.2.1 精密与超精密加工,车床主轴装在横向滑台(Z 轴)上，刀架装在纵向滑台(X 轴)上,避免两滑台的相互影响 纵、横两移动轴垂直度可通过装配调整保证，成本较低 已成为当前金刚石车床主流布局,73,7.2.1 精密与超精密加工,空气静压主轴,有自动调心作用，可获得高的同轴度 Cranfield 公司 PG150S 空气主轴：回转精度 0.05 m；承载能力1800 N

31、；径向与轴向刚度 350 N/m,74,金刚石车床主要性能指标,7.2.1 精密与超精密加工,75,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 金刚石的晶体结构：规整的单晶金刚石晶体有八面体、十二面体和六面体，有三根 4 次对称轴，四根 3 次对称轴和六根2 次对称轴,7.2.1 精密与超精密加工,76,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,在距离大的（111）面之间，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3个共价键才能劈开,在两个相邻的

32、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,77,金刚石刀具刃磨 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 圆角半径越小越好（理论可达到1nm）,7.2.1 精密与超精密加工,金刚石刀具角度,78,金刚石车床,加工4.5 mm陶瓷球,7.2.1 精密与超精密加工,金刚石车床及其加工照片,79,砂轮材料：金刚石，立方氮化硼（CBN）,可加工各种高硬度、高脆性金属及非金属材料（铁金属用CBN）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,特点,分整形与修锐（去除结合剂，露出磨粒）两步进行 常用方法 用

33、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，并可在线修整,砂轮修整,7.2.1 精密与超精密加工,80,ELID（Electrolytic In-Process Dressing）,使用ELID磨削，冷却液为一种特殊电解液。通电后，砂轮结合剂发生氧化，氧化层阻止电解进一步进行。在切削力作用下，氧化层脱落，露出新的锋利磨粒。电解修锐连续进行，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,81,塑性（延性）磨削,磨削脆性材料时，在一定工艺条件下，切屑形成与塑性材料相似，即通过剪切形式被磨粒从基体上切除下来。磨削后工件表面呈有规则纹理，无

34、脆性断裂凹凸不平，也无裂纹 塑性磨削工艺条件：,7.2.1 精密与超精密加工,切削深度小于临界切削深度，它与工件材料特性和磨粒的几何形状有关。一般临界切削深度1m 对机床要求：高的定位精度和运动精度，以免因磨粒切深超过1m时转变为脆性磨削。高的刚性。因为塑性磨削切削力远超过脆性磨削的水平，机床刚性低，会因切削力引起变形而破坏塑性切屑形成的条件 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会发生变化，导致切屑形成机理的变化（已有试验作支持）,82,超精密研磨与抛光,7.2.1 精密与超精密加工,超精密研磨、抛光方法,83,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

35、转造成磨料“弹性发射”进行加工,工作原理,机理：微切削被加工材料的微塑性流动作用,弹性发射加工,7.2.1 精密与超精密加工,抛光轮由聚氨基甲酸（乙）酯制成，磨料直径 0.10.01m,84,工作原理,液体动力抛光,工作原理,机械化学抛光,7.2.1 精密与超精密加工,抛光工具上开有锯齿槽，靠楔形挤压和抛光液的反弹，增加微切削作用,机理：微切削作用,活性抛光液和磨粒与工件表面产生固相反应，形成软粒子，使其便于加工,机理：机械+化学作用，称为“增压活化”,85,激光测量,7.2.1 精密与超精密加工,激光由于其优良的特性（强度高，亮度大，单色性、相干性、方向性好等）在精密测量中得到广泛应用 可以

36、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；还可以实现动态测量、在线测量，并易于实现测量自动化 激光测量精度目前可达0.01m,86,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7-24 激光扫描尺寸计量系统,激光高速扫描尺寸计量系统,7.2.1 精密与超精密加工,87,双频激光测量,7.2.1 精密与超精密加工,88,双频激光测量,7.2.1 精密与超精密加工,89,双频激光测量系统,7.2.1 精密与超精密加工,90,恒温要求：（10.

37、01）实现方法：大、小恒温间+局部恒温（恒温罩，恒 温油喷淋）,恒湿要求：相对湿度35%45%，波动10%1%实现方法：采用空气调节系统,隔振要求：消除内部、隔绝外部振动干扰 实现方法：隔振地基，隔振垫层，空气弹簧,7.2.1 精密与超精密加工,净化要求：10 000100级（100 级系指每立方英尺空气 中所含大于0.5 m 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,91,7.2.2 微细加工,微细加工通常指1mm以下微细尺寸零件的加工，其加工误差为 0.1 10 m 超微细加工通常指1m以下超微细尺寸零件的加工，其加工误差为0.01 m 0.1 m 精度表示方法一般尺寸

38、加工，其精度用误差尺寸与加工尺寸比值表示；微细加工，其精度用误差尺寸绝对值表示“加工单位”去除一块材料的大小，对于微细加工，加工单位可以到分子级或原子级 微切削机理切削在晶粒内进行，切削力要超过晶体内分子、原子间的结合力，单位面积切削阻力急剧增大,92,表7-3 微细与超微细加工机理与加工方法,7.2.2 微细加工,93,7.2.2 微细加工,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：多用单晶金刚石车刀、铣刀（图7-26）。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,94,微小位移机构，微量移动应可小至

39、几十个纳米 高灵敏的伺服进给系统。要求低摩擦的传动系统和导轨支承系统，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 低热变形结构设计 刀具的稳固夹持和高的安装精度 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 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,7.2.2 微细加工,95,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5轴控制，数控系统的最小设定单位为1nm。可进行车、铣、磨和电火花加工 旋转轴采用编码器半闭环控制，直线轴采用激光全息式全闭环控制 为降低伺服系统摩

40、擦，导轨、丝杠螺母副及伺服电机转子的推力轴承和径向轴承均采用气体静压结构,7.2.2 微细加工,96,载流导体：,直接线性驱动（直线电机驱动）,7.2.2 微细加工,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,逆压电材料（如压电陶瓷PZT）电场作用引起晶体内正负电荷重心位移（极化位移），导致晶体发生形变 磁致伸缩材料（如某些强磁材料）磁场作用引起晶体发生应变,特点：,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，加速度大 行程不受限制 运动精度高 技术复杂,97,98,直线电机驱动定位平台(YOKOGAWA公司）,7.2.2 微细加工,99,直线驱动与伺

41、服电机驱动比较,7.2.2 微细加工,100,电极线沿着导丝器中的槽以510 mm/min低速滑动，可加工圆柱形的轴（图7-27）。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杆件（图7-28）,线放电磨削法（WEDG）,7.2.2 微细加工,101,工作原理：利用氩（Ar）离子或其他带有10 keV 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,7.2.2 微细加工,102,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,离子束溅射去除加工,四种工作方式,7.2.2 微细加工,加工装置见图

42、7-33。三坐标工作台可实现三坐标直线运动，摆动装置可实现绕水平轴的摆动和绕垂直轴的转动,103,离子束溅射去除加工可用于非球面透镜成形（需要5坐标运动）、金刚石刀具和冲头的刃磨（补图7-47）、大规模集成电路芯片刻蚀等,离子束溅射去除加工可加工金属和非金属材料,7.2.2 微细加工,104,离子束溅射镀膜加工,用加速离子从靶材上打出原子或分子，并将其附着到工件上，形成“镀膜”，又称为“干式镀”（图7-34）,离子镀氮化钛，即美观又耐磨。应用在刀具上可提高其寿命12倍,溅射镀膜可镀金属，也可镀非金属 由于溅射出来的原子和分子有相当大的动能，故镀膜附着力极强（与蒸镀、电镀相比）,7.2.2 微细

43、加工,105,用高能离子（数十万KeV）轰击工件表面，离子打入工件表层，其电荷被中和，并留在工件中（置换原子或填隙原子），从而改变工件材料和性质 可用于半导体掺杂（在单晶硅内注入磷或硼等杂质，用于晶体管、集成电路、太阳能电池制作），金属材料改性（提高刀具刃口硬度）等方面,离子束溅射注入加工,离子束曝光,用在大规模集成电路制作中，与电子束相比有更高的灵敏度和分辨率,7.2.2 微细加工,106,通常指纳米级（0.1nm100nm）的材料、设计、制造、测量和控制技术。纳米技术涉及机械、电子、材料、物理、化学、生物、医学等多个领域 在达到纳米层次后，决非几何上的“相似缩小”，而出现一系列新现象和规律

44、。量子效应、波动特性、微观涨落等不可忽略，甚至成为主导因素,纳米技术研究的主要内容,纳米级精度和表面形貌及表面层物理、化学性能检测 纳米级加工 纳米材料 纳米级传感与控制技术 微型与超微型机械,7.2.3 纳米技术,107,扫描隧道显微镜在1981年由在IBM瑞士苏黎世实验室工作的G.Binning 和 H.Rohrer 发明，可用于观察物体 级的表面形貌。被列为20世纪80年代世界十大科技成果之一，1986年获诺贝尔物理学奖,STM工作原理基于量子力学的隧道效应。当两电极之间的距离缩小到1nm时，由于粒子波动性，电流会在外加电场作用下，穿过绝缘势垒，从一个电极流向另一个电极。当一个电极为非常

45、尖锐的探针时，由于尖端放电使隧道电流加大,7.2.3 纳米技术,G.Binning H.Rohrer,扫描隧道显微镜（STM）,108,STM,STM工作过程演示,STM实物照片,7.2.3 纳米技术,109,通过扫描隧道显微镜操纵氙原子用35个原子排出的“IBM”字样,石墨三维图像,7.2.3 纳米技术,STM移动分子组成IBM字样,用STM观察石墨原子排列,110,当探针与试件表面距离达1nm时，形成隧道结（补图7-51）。当偏压Ub小于势垒高度时，隧道电流密度为,式中：h 普郎克常数；e 电子电量；ka，k0 系数。,由上式可见，探针与试件表面距离 d 对隧道电流密度非常敏感，这正是ST

46、M的基础,7.2.3 纳米技术,111,两种测量模式,（2）恒电流测量模式（图7-32b）探针在试件表面扫描，使用反馈电路驱动探针，使探针与试件表面之间距离（隧道间隙）不变。此时，探针移动直接描绘了试件表面形貌。此种测量模式隧道电流对隧道间隙的敏感性转移到反馈电路驱动电压与位移的关系上，避免了非线性，提高了测量精度和测量范围,图7-32 STM工作原理,（1）等高测量模式（图7-32a）探针以不变高度在试件表面扫描，隧道电流随试件表面起伏而变化，从而得到试件表面形貌信息,7.2.3 纳米技术,112,关键技术（1）STM探针,STM针尖,7.2.3 纳米技术,金属丝经化学腐蚀，在腐蚀断裂瞬间切

47、断电流，获得尖峰，曲率半径为10nm左右,113,7.2.3 纳米技术,（2）隧道电流反馈控制（图7-33）,图7-33 隧道电流反馈控制系统原理框图,114,（3）纳米级扫描运动压电陶瓷扫描管（图7-34）,（4）信号采集与数据处理由软件完成,图7-34 压电陶瓷扫描管 结构及工作原理,当陶瓷管内壁接地，X轴两外壁电极电压相反时，陶瓷管一侧伸长，另一侧缩短，形成X方向扫描（图7-37b）。若两外壁电极电压相同，则陶瓷管伸长或缩短，形成Z方向位移,压电陶瓷扫描管结构见图7-34a，其工作原理见图7-34b,7.2.3 纳米技术,115,原子力显微镜（AFM）,当两原子间距离缩小到 级时，原子间

48、作用力显示出来，造成两原子势垒高度降低，两者之间产生吸引力。而当两原子间距离继续缩小至原子直径时，由于原子间电子云的不相容性，两者之间又产生排斥力,AFM两种测量模式,为解决非导体微观表面形貌测量，借鉴扫描隧道显微镜原理，C.Binning 于1986年发明原子力显微镜,7.2.3 纳米技术,接触式探针针尖与试件表面距离0.5nm，利用原子间的排斥力。由于分辨率高，目前采用较多。其工作原理：保持探针与被测表面间的原子排斥力一定，探针扫描时的垂直位移即反映被测表面形貌 非接触式探针针尖与试件表面距离为0.51nm，利用原子间的吸引力,116,AFM探针被微力弹簧片压向试件表面，原子排斥力将探针微

49、微抬起达到力平衡。AFM探针扫描时，因微力簧片压力基本不变，探针随被测表面起伏,AFM结构（图7-35）,在簧片上方安装STM探针，STM探针与簧片间产生隧道电流，若控制电流不变，则STM探针与AFM探针（微力簧片）同步位移，可测出试件表面微观形貌,7.2.3 纳米技术,117,AFM实物照片,扫描探针,磁盘图像,7.2.3 纳米技术,118,7.2.3 纳米技术,其他类型扫描探针显微镜（SPM）,各种扫描探针显微镜（SPM）,119,7.2.3 纳米技术,原子搬迁,120,7.2.3 纳米技术,纳米表面工程,包括纳米颗粒复合电刷镀技术、纳米热喷涂技术、纳米涂装技术、纳米减摩自修复添加剂技术、

50、纳米固体润滑干膜技术、纳米粘涂技术、纳米薄膜制备技术、金属表面纳米化技术等,表7-4 纳米复合电刷镀的一般工艺过程,121,将微型机械、微传感器、电源、驱动器、控制器、信号处理器、输出信号接口等集成在一起，便构成微机电系统 它有较强的独立运行能力，并能实现预定的功能,7.2.4 微机电系统及制造技术,122,7.2.4 微机电系统及制造技术,微型化MEMS器件体积小、重量轻、耗能低、惯性小、谐振频率高、响应时间短 机械电器性能优良MEMS器件主要材料是硅，其强度、硬度和杨氏模量与铁相当，密度类似铝，热传导率接近钼和钨 批量生产在一片硅片上同时制造成百上千个微型机电装置或完整的MEMS。批量生产