機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)(第三版)第七章

1、西安交通大學(xué)第七章第七章 先進(jìn)制造技術(shù)先進(jìn)制造技術(shù)西安交通大學(xué)西安交通大學(xué) 先進(jìn)制造技術(shù)研究所先進(jìn)制造技術(shù)研究所第七章第七章 先進(jìn)制造技術(shù)先進(jìn)制造技術(shù)第一節(jié)第一節(jié) 快速成形制造技術(shù)快速成形制造技術(shù)第二節(jié)第二節(jié) 精密超精密加工技術(shù)精密超精密加工技術(shù)第三節(jié)第三節(jié) 微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù)微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù)西安交通大學(xué)西安交通大學(xué) 先進(jìn)制造技術(shù)研究所先進(jìn)制造技術(shù)研究所前言前言*模型制作定向*分層處理*加支撐圖1.1 快速成型技術(shù)工藝過(guò)程示意圖CAD造型系統(tǒng)STL模型CAD模型加工文件快速成型系統(tǒng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備處理成型過(guò)程成型制作*實(shí)體造型方法*STL輸出接口*其它數(shù)據(jù)接口成型零件快速成型技術(shù)工藝過(guò)程示意

2、圖快速成型技術(shù)工藝過(guò)程示意圖西安交通大學(xué)西安交通大學(xué) 先進(jìn)制造技術(shù)研究所先進(jìn)制造技術(shù)研究所第一節(jié)第一節(jié) 快速成形制造技術(shù)快速成形制造技術(shù)一、簡(jiǎn)介一、簡(jiǎn)介 快速成形技術(shù)是快速成形技術(shù)是上世紀(jì)上世紀(jì)80年代年代初期初期發(fā)展起來(lái)的發(fā)展起來(lái)的,可根據(jù)可根據(jù)CAD模模型快速制造出樣件或零件；型快速制造出樣件或零件； 它是一種它是一種材料累加材料累加 (Material Increase)制造方法，即通過(guò)材料制造方法，即通過(guò)材料的有序累加而完成三維成形的；的有序累加而完成三維成形的； 集成了集成了CNC技術(shù)、材料技術(shù)、技術(shù)、材料技術(shù)、激光技術(shù)以及激光技術(shù)以及CAD技術(shù)等現(xiàn)代技術(shù)等現(xiàn)代的科技成果；的科技成果

3、； 制造的柔性極高制造的柔性極高,完全符合靈捷完全符合靈捷制造制造(Agile)的思想。的思想。 采用快速鑄造技術(shù)生產(chǎn)的四缸發(fā)動(dòng)機(jī)采用快速鑄造技術(shù)生產(chǎn)的四缸發(fā)動(dòng)機(jī)的蠟?zāi)５南災(zāi)Ｎ靼步煌ù髮W(xué)西安交通大學(xué) 先進(jìn)制造技術(shù)研究所先進(jìn)制造技術(shù)研究所第一節(jié)第一節(jié) 快速成形制造技術(shù)快速成形制造技術(shù)一、簡(jiǎn)介一、簡(jiǎn)介 快速成形技術(shù)與數(shù)控加工、鑄造、金屬冷噴涂、硅膠快速成形技術(shù)與數(shù)控加工、鑄造、金屬冷噴涂、硅膠模制作等制造手段的密切結(jié)合，已成為當(dāng)前模型、模模制作等制造手段的密切結(jié)合，已成為當(dāng)前模型、模具和零件制造的強(qiáng)有力手段，在航空航天、汽車、家具和零件制造的強(qiáng)有力手段，在航空航天、汽車、家電以及生物制造工程等眾多

4、領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。電以及生物制造工程等眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 西安交通大學(xué)西安交通大學(xué) 先進(jìn)制造技術(shù)研究所先進(jìn)制造技術(shù)研究所第一節(jié)第一節(jié) 快速成形制造技術(shù)快速成形制造技術(shù) 快速成型技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：快速成型技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：v計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的零件的實(shí)物模型可以在很短時(shí)間內(nèi)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的零件的實(shí)物模型可以在很短時(shí)間內(nèi)成形出來(lái)，從而可以很快對(duì)加工能力和設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行成形出來(lái)，從而可以很快對(duì)加工能力和設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行評(píng)估評(píng)估 ；v能制造任意復(fù)雜實(shí)體零件，而無(wú)須任何工裝夾具，可能制造任意復(fù)雜實(shí)體零件，而無(wú)須任何工裝夾具，可實(shí)現(xiàn)自由制造實(shí)現(xiàn)自由制造(Free Form Fabrication) ；v采用適當(dāng)?shù)牟?/p>

5、料和后續(xù)工藝，可以直接獲得最終產(chǎn)品采用適當(dāng)?shù)牟牧虾秃罄m(xù)工藝，可以直接獲得最終產(chǎn)品或模具?；蚰＞?。 西安交通大學(xué)西安交通大學(xué) 先進(jìn)制造技術(shù)研究所先進(jìn)制造技術(shù)研究所第一節(jié)第一節(jié) 快速成形制造技術(shù)快速成形制造技術(shù)二、快速成型的基本原二、快速成型的基本原理理 從成形的全過(guò)程來(lái)看，從成形的全過(guò)程來(lái)看，快速成形過(guò)程可以描述快速成形過(guò)程可以描述為離散為離散/ /堆積過(guò)程堆積過(guò)程 ； 離散：離散：從從CADCAD模型中獲模型中獲得這些點(diǎn)、線、面的幾得這些點(diǎn)、線、面的幾何信息；何信息； 堆積：堆積：把它與成形參數(shù)把它與成形參數(shù)信息結(jié)合信息結(jié)合, ,轉(zhuǎn)換為控制轉(zhuǎn)換為控制成形機(jī)工作的成形機(jī)工作的NCNC代碼代碼,

6、,控制材料有規(guī)律地、精控制材料有規(guī)律地、精確地迭加起來(lái)。確地迭加起來(lái)。層粘接層制造層準(zhǔn)備層信息處理分層面型化處理堆積離散成型機(jī)堆積制造計(jì)算機(jī)信息處理實(shí)體模型CAD 模型西安交通大學(xué)西安交通大學(xué) 先進(jìn)制造技術(shù)研究所先進(jìn)制造技術(shù)研究所第一節(jié)第一節(jié) 快速成形制造技術(shù)快速成形制造技術(shù) 三維建模及模型的面型化三維建模及模型的面型化(Tessallation(Tessallation) ) v在三維在三維CAD設(shè)計(jì)軟件（如設(shè)計(jì)軟件（如Pro/E、UG、SolidWorks、SolidEdge等）中等）中獲得描述該零件的獲得描述該零件的CAD文件；文件；v用平面三角面片近似代替模型表面；用平面三角面片近似代

7、替模型表面；v每個(gè)三角面片用四個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)表示每個(gè)三角面片用四個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)表示,即即三個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)和法向矢量三個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)和法向矢量,而整個(gè)而整個(gè)CAD模型就是這樣一組矢量的集合；模型就是這樣一組矢量的集合；v通過(guò)控制通過(guò)控制CAD軟件系統(tǒng)的輸出精度軟件系統(tǒng)的輸出精度控制參數(shù)，可減小曲面近似處理誤控制參數(shù)，可減小曲面近似處理誤差。差。 （a） 零件的三維模型（b）模型的三角形面片處理西安交通大學(xué)西安交通大學(xué) 先進(jìn)制造技術(shù)研究所先進(jìn)制造技術(shù)研究所第一節(jié)第一節(jié) 快速成形制造技術(shù)快速成形制造技術(shù) CADCAD模型的離散化處理模型的離散化處理v通過(guò)專用的分層程序?qū)⑷S實(shí)體模型通過(guò)專用的分層程序?qū)⑷S實(shí)體模型（已轉(zhuǎn)

8、化為（已轉(zhuǎn)化為STL格式）分層；格式）分層；v通過(guò)一簇平行平面沿制作方向與通過(guò)一簇平行平面沿制作方向與CAD模型相截；模型相截；v平行平面之間的距離就是分層的厚度平行平面之間的距離就是分層的厚度,也就是成型時(shí)堆積的單層厚度也就是成型時(shí)堆積的單層厚度 ；v切片層的厚度直接影響零件的表面粗切片層的厚度直接影響零件的表面粗糙度和整個(gè)零件的型面精度，糙度和整個(gè)零件的型面精度，v輪廓是由求交后的一系列交點(diǎn)順序連輪廓是由求交后的一系列交點(diǎn)順序連成的折線段構(gòu)成；成的折線段構(gòu)成；v層厚大層厚大,丟失的輪廓信息多丟失的輪廓信息多,將導(dǎo)致在成將導(dǎo)致在成型過(guò)程中產(chǎn)生了型面誤差。型過(guò)程中產(chǎn)生了型面誤差。 （c） 零件

9、的分層離散西安交通大學(xué)西安交通大學(xué) 先進(jìn)制造技術(shù)研究所先進(jìn)制造技術(shù)研究所第一節(jié)第一節(jié) 快速成形制造技術(shù)快速成形制造技術(shù) 層片的制造與堆積層片的制造與堆積 v根據(jù)截面輪廓，單獨(dú)分析處理每一根據(jù)截面輪廓，單獨(dú)分析處理每一層輪廓信息，編譯一系列后續(xù)數(shù)控層輪廓信息，編譯一系列后續(xù)數(shù)控指令。下圖顯示了截面指令。下圖顯示了截面A-A的工作路的工作路徑。徑。v在計(jì)算機(jī)控制下，快速成型系統(tǒng)中在計(jì)算機(jī)控制下，快速成型系統(tǒng)中的成型頭（激光掃描頭、噴頭、切的成型頭（激光掃描頭、噴頭、切割刀等）在割刀等）在X-Y平面內(nèi)自動(dòng)按截面輪平面內(nèi)自動(dòng)按截面輪廓進(jìn)行層制造，得到一層層截面。廓進(jìn)行層制造，得到一層層截面。v每層截面

10、成型后，下一層材料被送每層截面成型后，下一層材料被送至已成型的層面上，進(jìn)行后一層的至已成型的層面上，進(jìn)行后一層的成型，并與前一層相粘接，從而一成型，并與前一層相粘接，從而一層層的截面累加在一起，形成三維層層的截面累加在一起，形成三維零件。零件。（d）對(duì)圖（c）的截面A-A進(jìn)行加工西安交通大學(xué)西安交通大學(xué) 先進(jìn)制造技術(shù)研究所先進(jìn)制造技術(shù)研究所第一節(jié)第一節(jié) 快速成形制造技術(shù)快速成形制造技術(shù)三、三、 快速成型的工藝方法快速成型的工藝方法液體材料SLLTPBISHISRP 工藝方法及其分類粉狀材料BMP3DWFDMSDMSLSGPD3DPTSFSF片狀材料LOMSFPSGCES目前快速成型主要工藝方法

11、及其分類液體樹(shù)脂固化熔融材料固化激光熔合材料粘結(jié)劑粘結(jié)材料粘性片材的粘結(jié)UV粘結(jié)片狀材料西安交通大學(xué)西安交通大學(xué) 先進(jìn)制造技術(shù)研究所先進(jìn)制造技術(shù)研究所第一節(jié)第一節(jié) 快速成形制造技術(shù)快速成形制造技術(shù) 熔積成型法（熔積成型法（Fused Deposition Modeling） (a) 熔積法成型的示意圖v龍門(mén)架式的機(jī)械控制噴頭可以龍門(mén)架式的機(jī)械控制噴頭可以在工作臺(tái)的兩個(gè)方向移動(dòng)，工作在工作臺(tái)的兩個(gè)方向移動(dòng)，工作臺(tái)可以根據(jù)需要向上或向下移動(dòng)臺(tái)可以根據(jù)需要向上或向下移動(dòng) ；v熱塑性塑料或蠟制的熔絲從加熱塑性塑料或蠟制的熔絲從加熱小口處擠出。最初的一層是按熱小口處擠出。最初的一層是按照預(yù)定的軌跡以固定

12、的速率將熔照預(yù)定的軌跡以固定的速率將熔絲擠出在泡沫塑料基體上形成的；絲擠出在泡沫塑料基體上形成的；vFDM工藝的關(guān)鍵是保持半流動(dòng)工藝的關(guān)鍵是保持半流動(dòng)成型材料剛好在熔點(diǎn)之上（通常成型材料剛好在熔點(diǎn)之上（通?？刂圃诒热埸c(diǎn)高控制在比熔點(diǎn)高1左右）。左右）。 西安交通大學(xué)西安交通大學(xué) 先進(jìn)制造技術(shù)研究所先進(jìn)制造技術(shù)研究所第一節(jié)第一節(jié) 快速成形制造技術(shù)快速成形制造技術(shù) FDM 制作復(fù)雜的零件時(shí)，必須添加工藝支撐制作復(fù)雜的零件時(shí)，必須添加工藝支撐 (b) (b) 在快速原型機(jī)器中常用的支撐結(jié)構(gòu)在快速原型機(jī)器中常用的支撐結(jié)構(gòu)(a) (a) 有一個(gè)突出截面需要支撐材料的零件有一個(gè)突出截面需要支撐材料的零件快

13、速原型支撐結(jié)構(gòu)圖西安交通大學(xué)西安交通大學(xué) 先進(jìn)制造技術(shù)研究所先進(jìn)制造技術(shù)研究所第一節(jié)第一節(jié) 快速成形制造技術(shù)快速成形制造技術(shù)v 在在FDM機(jī)器中層的厚度由擠出絲的直徑?jīng)Q定；機(jī)器中層的厚度由擠出絲的直徑?jīng)Q定；v 通常是從通常是從0.50mm到到0.25mm（從（從0.02in到到0.01in）這個(gè)值代表了在）這個(gè)值代表了在垂直方向所能達(dá)到的最好的公差范圍；垂直方向所能達(dá)到的最好的公差范圍；v 在在xy平面，只要熔絲能夠擠出到特征上，尺寸的精確度可以達(dá)平面，只要熔絲能夠擠出到特征上，尺寸的精確度可以達(dá)到到0.025mm（0.001in）。）。 FDM的優(yōu)點(diǎn)：的優(yōu)點(diǎn)：v 材料的利用率高；材料的利用率

14、高；v 材料的成本低；材料的成本低；v 可選用的材料種類多；可選用的材料種類多；v 工藝干凈、簡(jiǎn)單、易于操作且對(duì)環(huán)境的影響小。工藝干凈、簡(jiǎn)單、易于操作且對(duì)環(huán)境的影響小。西安交通大學(xué)西安交通大學(xué) 先進(jìn)制造技術(shù)研究所先進(jìn)制造技術(shù)研究所第一節(jié)第一節(jié) 快速成形制造技術(shù)快速成形制造技術(shù) FDMFDM缺點(diǎn)缺點(diǎn)v精度低；結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件不易制造；精度低；結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件不易制造；v表面質(zhì)量差；成型效率低，不適合制造大型零件；表面質(zhì)量差；成型效率低，不適合制造大型零件；v該工藝適合于中等復(fù)雜程度的中小原型產(chǎn)品的概念建該工藝適合于中等復(fù)雜程度的中小原型產(chǎn)品的概念建模以及形狀和功能測(cè)試；模以及形狀和功能測(cè)試；v由于甲

15、基丙烯酸由于甲基丙烯酸ABS材料具有較好的化學(xué)穩(wěn)定型，可材料具有較好的化學(xué)穩(wěn)定型，可采用伽馬射線消毒，特別適用于醫(yī)用。采用伽馬射線消毒，特別適用于醫(yī)用。西安交通大學(xué)西安交通大學(xué) 先進(jìn)制造技術(shù)研究所先進(jìn)制造技術(shù)研究所第一節(jié)第一節(jié) 快速成形制造技術(shù)快速成形制造技術(shù)2.光固化法（光固化法（Stereolithography） 采用紫外光致凝液態(tài)光敏樹(shù)脂（固化）到特定形狀；采用紫外光致凝液態(tài)光敏樹(shù)脂（固化）到特定形狀； 計(jì)算機(jī)控制下的紫外激光束對(duì)液態(tài)樹(shù)脂逐點(diǎn)掃描，使被掃計(jì)算機(jī)控制下的紫外激光束對(duì)液態(tài)樹(shù)脂逐點(diǎn)掃描，使被掃描區(qū)的樹(shù)脂薄層產(chǎn)生光聚合反應(yīng)，形成零件的一個(gè)薄層截描區(qū)的樹(shù)脂薄層產(chǎn)生光聚合反應(yīng)，形成

16、零件的一個(gè)薄層截面。面。光固化成型原理圖工作臺(tái)下降一個(gè)層厚，在已固工作臺(tái)下降一個(gè)層厚，在已固化好的樹(shù)脂上表面再敷上一層化好的樹(shù)脂上表面再敷上一層新的液態(tài)樹(shù)脂，并保證上表面新的液態(tài)樹(shù)脂，并保證上表面位置不變，然后通過(guò)激光掃描位置不變，然后通過(guò)激光掃描使本層固化，并要求牢固地粘使本層固化，并要求牢固地粘接在前一層上，該過(guò)程一直重接在前一層上，該過(guò)程一直重復(fù)操作到達(dá)到復(fù)操作到達(dá)到b b高度。高度。西安交通大學(xué)西安交通大學(xué) 先進(jìn)制造技術(shù)研究所先進(jìn)制造技術(shù)研究所第一節(jié)第一節(jié) 快速成形制造技術(shù)快速成形制造技術(shù) 這時(shí)可以注意到工作臺(tái)在垂直方向下降了距離這時(shí)可以注意到工作臺(tái)在垂直方向下降了距離ab。到達(dá)。到達(dá)

17、b高度后，層片截面尺寸發(fā)生了變化，由于出現(xiàn)懸臂部位，高度后，層片截面尺寸發(fā)生了變化，由于出現(xiàn)懸臂部位，此處應(yīng)添加類似于此處應(yīng)添加類似于FDM的支撐，該過(guò)程重復(fù)進(jìn)行堆積出的支撐，該過(guò)程重復(fù)進(jìn)行堆積出從高度從高度b到到c的圓柱環(huán)形截面；的圓柱環(huán)形截面； 零件制造結(jié)束后從工作臺(tái)上取下，去掉支撐結(jié)構(gòu)，即可獲零件制造結(jié)束后從工作臺(tái)上取下，去掉支撐結(jié)構(gòu)，即可獲得三維零件；得三維零件； 能達(dá)到的最小公差取決于激光能達(dá)到的最小公差取決于激光的聚焦程度：通常是的聚焦程度：通常是0.0125mm(0.0005in）。傾斜的表面也可）。傾斜的表面也可以有很好的表面質(zhì)量。以有很好的表面質(zhì)量。 光固化成型原理圖西安交通

18、大學(xué)西安交通大學(xué) 先進(jìn)制造技術(shù)研究所先進(jìn)制造技術(shù)研究所第一節(jié)第一節(jié) 快速成形制造技術(shù)快速成形制造技術(shù) SL工藝優(yōu)點(diǎn)工藝優(yōu)點(diǎn):v精度較高，一般尺寸精度控制在精度較高，一般尺寸精度控制在0.1mm；v表面質(zhì)量好；原材料的利用率接近表面質(zhì)量好；原材料的利用率接近100；v能制造形狀特別復(fù)雜、特別精細(xì)的零件；能制造形狀特別復(fù)雜、特別精細(xì)的零件；v設(shè)備的市場(chǎng)占有率很高。設(shè)備的市場(chǎng)占有率很高。 缺點(diǎn)缺點(diǎn)v是需要設(shè)計(jì)支撐；是需要設(shè)計(jì)支撐；v可以選擇的材料種類有限；可以選擇的材料種類有限；v容易發(fā)生翹曲變形；容易發(fā)生翹曲變形；v材料價(jià)格較貴。材料價(jià)格較貴。該工藝適合于比較復(fù)雜的中小件。該工藝適合于比較復(fù)雜的中

19、小件。西安交通大學(xué)西安交通大學(xué) 先進(jìn)制造技術(shù)研究所先進(jìn)制造技術(shù)研究所第一節(jié)第一節(jié) 快速成形制造技術(shù)快速成形制造技術(shù)3.3.激光選區(qū)燒結(jié)（激光選區(qū)燒結(jié)（Selective Laser SinteringSelective Laser Sintering） 將非金屬（或普通金屬）粉末有選擇地?zé)Y(jié)成形的工藝。將非金屬（或普通金屬）粉末有選擇地?zé)Y(jié)成形的工藝。此工藝中的一些基本原理如圖所示。該法采用此工藝中的一些基本原理如圖所示。該法采用CO2激光器激光器作為能源，目前使用的造型材料多為各種粉末材料作為能源，目前使用的造型材料多為各種粉末材料。 激光選區(qū)燒結(jié)工藝路線圖西安交通大學(xué)西安交通大學(xué) 先進(jìn)制造

20、技術(shù)研究所先進(jìn)制造技術(shù)研究所第一節(jié)第一節(jié) 快速成形制造技術(shù)快速成形制造技術(shù) SLS工藝的優(yōu)點(diǎn)工藝的優(yōu)點(diǎn)v原型件的機(jī)械性能好，強(qiáng)度高；無(wú)須設(shè)計(jì)和構(gòu)建支撐；原型件的機(jī)械性能好，強(qiáng)度高；無(wú)須設(shè)計(jì)和構(gòu)建支撐；v可選用的材料種類多；原材料的利用率接近可選用的材料種類多；原材料的利用率接近100。 缺點(diǎn)缺點(diǎn)v原型表面粗糙；原型件疏松多孔，需要進(jìn)行后處理；原型表面粗糙；原型件疏松多孔，需要進(jìn)行后處理；能量消耗高；成產(chǎn)效率低；成型過(guò)程需要不斷充氮?dú)猓芰肯母?；成產(chǎn)效率低；成型過(guò)程需要不斷充氮?dú)猓杀据^高；成型過(guò)程產(chǎn)生有毒氣體，對(duì)環(huán)境有一定的成本較高；成型過(guò)程產(chǎn)生有毒氣體，對(duì)環(huán)境有一定的污染。污染。 SLS工

21、藝特別適合制作功能測(cè)試零件?？捎糜谥苯又圃旃に囂貏e適合制作功能測(cè)試零件。可用于直接制造金屬模具。與熔模鑄造工藝相接特別適合進(jìn)行小批量比較金屬模具。與熔模鑄造工藝相接特別適合進(jìn)行小批量比較復(fù)雜的中小零件的生產(chǎn)。復(fù)雜的中小零件的生產(chǎn)。西安交通大學(xué)西安交通大學(xué) 先進(jìn)制造技術(shù)研究所先進(jìn)制造技術(shù)研究所第一節(jié)第一節(jié) 快速成形制造技術(shù)快速成形制造技術(shù)4.疊層制造（疊層制造（Lamited Object Manufacturing） 位于上方的激光器按照位于上方的激光器按照CAD分層模型所獲數(shù)據(jù)，用激光束分層模型所獲數(shù)據(jù)，用激光束將紙切割成所制零件的內(nèi)外輪廓將紙切割成所制零件的內(nèi)外輪廓; 新的一層紙?jiān)侬B加在上

22、面，通過(guò)熱壓裝置和下面已切割層新的一層紙?jiān)侬B加在上面，通過(guò)熱壓裝置和下面已切割層粘合在一起，激光束再次切割，整個(gè)零件的制作就是這樣粘合在一起，激光束再次切割，整個(gè)零件的制作就是這樣反復(fù)的過(guò)程。反復(fù)的過(guò)程。 (a) 疊層制造工藝原理圖(b) 由疊層制造法制造的機(jī)軸零件圖西安交通大學(xué)西安交通大學(xué) 先進(jìn)制造技術(shù)研究所先進(jìn)制造技術(shù)研究所第一節(jié)第一節(jié) 快速成形制造技術(shù)快速成形制造技術(shù) LOM工藝優(yōu)點(diǎn)工藝優(yōu)點(diǎn)v無(wú)須設(shè)計(jì)和構(gòu)建支撐；無(wú)需填充掃描，成型效率高；無(wú)須設(shè)計(jì)和構(gòu)建支撐；無(wú)需填充掃描，成型效率高；成型件的內(nèi)應(yīng)力和翹曲變形小；制造成本低。成型件的內(nèi)應(yīng)力和翹曲變形??；制造成本低。缺點(diǎn)缺點(diǎn) 材料利用率低；表

23、面質(zhì)量差；后處理難度大，尤其是材料利用率低；表面質(zhì)量差；后處理難度大，尤其是中空零件的內(nèi)部殘余廢料不易去除；可以選擇的材料中空零件的內(nèi)部殘余廢料不易去除；可以選擇的材料種類有限，常用的主要是紙；對(duì)環(huán)境有一定的污染。種類有限，常用的主要是紙；對(duì)環(huán)境有一定的污染。 LOM工藝適合制作大中型原型件，翹曲變形小和形狀工藝適合制作大中型原型件，翹曲變形小和形狀簡(jiǎn)單的實(shí)體類零件。通常用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的概念建模和簡(jiǎn)單的實(shí)體類零件。通常用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的概念建模和功能測(cè)試零件，且由于制成的零件具有木質(zhì)屬性，特功能測(cè)試零件，且由于制成的零件具有木質(zhì)屬性，特別適用于直接制作砂型鑄造模。別適用于直接制作砂型鑄造模。西安交通

24、大學(xué)西安交通大學(xué) 先進(jìn)制造技術(shù)研究所先進(jìn)制造技術(shù)研究所第一節(jié)第一節(jié) 快速成形制造技術(shù)快速成形制造技術(shù)四、基于快速成型的快速模具技術(shù)（四、基于快速成型的快速模具技術(shù)（Rapid Tooling,簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)稱RT）快速模具按模具制造方式可分為：快速模具按模具制造方式可分為： 直接制模法；直接制模法； 間接制模法。間接制模法。 1.直接制模法直接制模法(Direct ToolingDT) 將模具將模具CAD的結(jié)果由的結(jié)果由RP系統(tǒng)直接制造成型；系統(tǒng)直接制造成型； 用用RP技術(shù)直接制造的模具經(jīng)表面處理后可直接用于生技術(shù)直接制造的模具經(jīng)表面處理后可直接用于生產(chǎn)中；產(chǎn)中； 直接制造金屬模具的技術(shù)和方法正在研究

25、之中直接制造金屬模具的技術(shù)和方法正在研究之中。西安交通大學(xué)西安交通大學(xué) 先進(jìn)制造技術(shù)研究所先進(jìn)制造技術(shù)研究所第一節(jié)第一節(jié) 快速成形制造技術(shù)快速成形制造技術(shù)2.2.間接制模法間接制模法 以以RP原型作樣件原型作樣件(或叫模樣或叫模樣)間接制造模具的方法。間接制造模具的方法。 RPM技術(shù)能夠更快、更好、更方便地設(shè)計(jì)并制造出各技術(shù)能夠更快、更好、更方便地設(shè)計(jì)并制造出各種復(fù)雜的原型種復(fù)雜的原型(樣件樣件)。 一般可使模具制造周期和制造成本降低一般可使模具制造周期和制造成本降低1/2，大大提高，大大提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。其方法則根據(jù)零件的生產(chǎn)批量的大小而不同。常用的有：其方法則

26、根據(jù)零件的生產(chǎn)批量的大小而不同。常用的有： 用用RP原型制作簡(jiǎn)易模具原型制作簡(jiǎn)易模具1)用快速成型件作母模，制作硅橡膠模用快速成型件作母模，制作硅橡膠模 當(dāng)制造的零件件數(shù)較少（當(dāng)制造的零件件數(shù)較少（批量在批量在2050件件）時(shí)，一般）時(shí)，一般采用這種硅橡膠模；采用這種硅橡膠模； 同鋼模的生產(chǎn)周期（同鋼模的生產(chǎn)周期（1618周周）相比，它的制作周期）相比，它的制作周期為為1周左右。周左右。 西安交通大學(xué)西安交通大學(xué) 先進(jìn)制造技術(shù)研究所先進(jìn)制造技術(shù)研究所第一節(jié)第一節(jié) 快速成形制造技術(shù)快速成形制造技術(shù)2)2)以快速成型件作母模，進(jìn)行樹(shù)脂型復(fù)合制模以快速成型件作母模，進(jìn)行樹(shù)脂型復(fù)合制模 以液態(tài)的環(huán)氧樹(shù)

27、脂與有機(jī)或無(wú)機(jī)材料復(fù)合為基體材料，以液態(tài)的環(huán)氧樹(shù)脂與有機(jī)或無(wú)機(jī)材料復(fù)合為基體材料，以以RP原型為基準(zhǔn)澆鑄模具的一種制模方法。原型為基準(zhǔn)澆鑄模具的一種制模方法。 這種方法制造的模具壽命為這種方法制造的模具壽命為1001000件。為延長(zhǎng)模具件。為延長(zhǎng)模具壽命，通常在環(huán)氧樹(shù)脂中添加各種添加劑。壽命，通常在環(huán)氧樹(shù)脂中添加各種添加劑。 工藝簡(jiǎn)單、模具傳導(dǎo)率高、強(qiáng)度高及型面不加工的特工藝簡(jiǎn)單、模具傳導(dǎo)率高、強(qiáng)度高及型面不加工的特點(diǎn)，適于塑料注射模、薄板拉伸模及吸塑模和聚氨酯點(diǎn)，適于塑料注射模、薄板拉伸模及吸塑模和聚氨酯發(fā)泡成型模。同鋼模的生產(chǎn)周期相比，其制作周期為發(fā)泡成型模。同鋼模的生產(chǎn)周期相比，其制作周

28、期為12周。周。西安交通大學(xué)西安交通大學(xué) 先進(jìn)制造技術(shù)研究所先進(jìn)制造技術(shù)研究所第一節(jié)第一節(jié) 快速成形制造技術(shù)快速成形制造技術(shù)3)3)金屬噴涂（金屬噴涂（Metal SprayingMetal Spraying）制模法）制模法 以以RP原型作樣件，將低熔點(diǎn)的熔化金屬（如鋅鋁合金）原型作樣件，將低熔點(diǎn)的熔化金屬（如鋅鋁合金）充分霧化后以一定的速度噴射到樣件的表面，形成模充分霧化后以一定的速度噴射到樣件的表面，形成模具型腔表面，充填背襯復(fù)合材料；具型腔表面，充填背襯復(fù)合材料； 這種模具用于這種模具用于3000件以下的注塑件生產(chǎn)。同鋼模生產(chǎn)件以下的注塑件生產(chǎn)。同鋼模生產(chǎn)周期相比，其制作周期為周期相比，

29、其制作周期為34周。周。 特點(diǎn)：特點(diǎn)：工藝簡(jiǎn)單，周期短；型腔表面及其精細(xì)花紋一工藝簡(jiǎn)單，周期短；型腔表面及其精細(xì)花紋一次同時(shí)形成；不需機(jī)加工；模具尺寸精度高。次同時(shí)形成；不需機(jī)加工；模具尺寸精度高。 西安交通大學(xué)西安交通大學(xué) 先進(jìn)制造技術(shù)研究所先進(jìn)制造技術(shù)研究所第一節(jié)第一節(jié) 快速成形制造技術(shù)快速成形制造技術(shù) 用用RP原型快速制作鋼模原型快速制作鋼模1)1)陶瓷型精密鑄造法制造鋼陶瓷型精密鑄造法制造鋼/ /鐵型腔鐵型腔 制作鋼制作鋼/鐵型腔，將鐵型腔，將RP原型置于陶瓷沙漿中，形成模殼原型置于陶瓷沙漿中，形成模殼在爐中固化模殼，燒去在爐中固化模殼，燒去RP原型原型在爐中預(yù)熱模殼在爐中預(yù)熱模殼在模

30、殼澆鑄鋼在模殼澆鑄鋼/鐵型腔鐵型腔型腔表面拋光型腔表面拋光加入澆注系統(tǒng)加入澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)等和冷卻系統(tǒng)等批量生產(chǎn)用注塑模。批量生產(chǎn)用注塑模。2)消失模鑄生產(chǎn)模具消失模鑄生產(chǎn)模具 工藝簡(jiǎn)單和尺寸精度高，廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)汽車覆蓋件工藝簡(jiǎn)單和尺寸精度高，廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)汽車覆蓋件模具。用于失蠟鑄造工藝制造鋼模具。用于失蠟鑄造工藝制造鋼/鐵型腔模具。另外在鐵型腔模具。另外在單件生產(chǎn)復(fù)雜模具時(shí)，也可直接用單件生產(chǎn)復(fù)雜模具時(shí)，也可直接用RP原型代替蠟?zāi)?。原型代替蠟?zāi)?。西安交通大學(xué)西安交通大學(xué) 先進(jìn)制造技術(shù)研究所先進(jìn)制造技術(shù)研究所第七章第七章 先進(jìn)制造技術(shù)先進(jìn)制造技術(shù)第一節(jié)第一節(jié) 快速成形制造技術(shù)快速成形制造

31、技術(shù)第二節(jié)第二節(jié) 精密超精密加工技術(shù)精密超精密加工技術(shù)第三節(jié)第三節(jié) 微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù)微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù)西安交通大學(xué)西安交通大學(xué) 先進(jìn)制造技術(shù)研究所先進(jìn)制造技術(shù)研究所第二節(jié)第二節(jié) 精密超精密加工技術(shù)精密超精密加工技術(shù)一、一、 精密和超精密加工的基本概念精密和超精密加工的基本概念1 1加工精度和加工方法加工精度和加工方法 精密加工：精密加工：獲得微米至亞微米的加工；獲得微米至亞微米的加工； 超精密加工：超精密加工：獲得亞微米以上精度的加工。獲得亞微米以上精度的加工。 項(xiàng)目項(xiàng)目 精密加工精密加工 超精密加工超精密加工尺寸精度尺寸精度圓度圓度圓柱度圓柱度平面度平面度表面粗糙度表面粗糙度2.5

32、0.750.70.21.250.381.250.380.20.050.30.250.380.060.250.130.250.130.030.01西安交通大學(xué)西安交通大學(xué) 先進(jìn)制造技術(shù)研究所先進(jìn)制造技術(shù)研究所第二節(jié)第二節(jié) 精密超精密加工技術(shù)精密超精密加工技術(shù) 精密切削加工技術(shù)中的車削和磨削精密切削加工技術(shù)中的車削和磨削:v超精密切削加工是一種微量切削加工方法，一般采取超精密切削加工是一種微量切削加工方法，一般采取刀具切削刀具切削或或磨具切削磨具切削這兩種工藝。這兩種工藝。v采用采用刀具刀具切削的超精密加工方法有切削的超精密加工方法有超精密車削超精密車削、超精超精密銑削密銑削、超精密拉削超精密拉削

33、以及以及超精密鉸削超精密鉸削等方法。等方法。v采用采用磨具磨具切削的超精密加工方法主要有切削的超精密加工方法主要有超精密磨削超精密磨削、珩磨珩磨、研磨研磨以及用以及用游離磨粒磨削游離磨粒磨削的加工方法。的加工方法。 西安交通大學(xué)西安交通大學(xué) 先進(jìn)制造技術(shù)研究所先進(jìn)制造技術(shù)研究所第二節(jié)第二節(jié) 精密超精密加工技術(shù)精密超精密加工技術(shù) 2 2超精密加工條件超精密加工條件影響超精密加工精度和表面質(zhì)量的主要影響因素影響超精密加工精度和表面質(zhì)量的主要影響因素 :超 精 密 加 工 精 度及 表 面 質(zhì) 量加 工 環(huán) 境檢 測(cè) 及 計(jì) 量 技 術(shù)其 它操 作 者 水 平誤 差 分 析 及 補(bǔ) 償機(jī) 床 設(shè) 備

34、刀 具 或 磨 具微 切 削 加 工 機(jī) 理主 軸 、 導(dǎo) 軌 、 進(jìn) 給 機(jī) 構(gòu) 的 靜 動(dòng) 特 性熱 變 形微 切 削 機(jī) 理切 削 材 料 性 能刀 具 磨 具 切 削性 能刀 具 磨 具 材 料振 源熱 源環(huán) 境 污 染專 業(yè) 技 術(shù) 知 識(shí)技 巧 、 熟 練 程度西安交通大學(xué)西安交通大學(xué) 先進(jìn)制造技術(shù)研究所先進(jìn)制造技術(shù)研究所第二節(jié)第二節(jié) 精密超精密加工技術(shù)精密超精密加工技術(shù)二、超精密車削二、超精密車削1車床的精度車床的精度用于超精密車削的車床，必須具備以下條件：用于超精密車削的車床，必須具備以下條件：主軸能以高精度高速度旋轉(zhuǎn)，且具有足夠的剛度；主軸能以高精度高速度旋轉(zhuǎn)，且具有足夠的剛

35、度；直線導(dǎo)軌的直線進(jìn)給精度高，不產(chǎn)生爬行及微小的振直線導(dǎo)軌的直線進(jìn)給精度高，不產(chǎn)生爬行及微小的振動(dòng)；動(dòng)；進(jìn)給機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確的微量進(jìn)給，且進(jìn)給平穩(wěn)、均進(jìn)給機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確的微量進(jìn)給，且進(jìn)給平穩(wěn)、均勻、無(wú)振動(dòng)；勻、無(wú)振動(dòng)；關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件精度高，具有足夠的剛度。關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件精度高，具有足夠的剛度。西安交通大學(xué)西安交通大學(xué) 先進(jìn)制造技術(shù)研究所先進(jìn)制造技術(shù)研究所第二節(jié)第二節(jié) 精密超精密加工技術(shù)精密超精密加工技術(shù) 為滿足上述基本條件，為滿足上述基本條件，超精密車床設(shè)計(jì)和制造超精密車床設(shè)計(jì)和制造所所采用的技術(shù)和工藝已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了傳統(tǒng)車床設(shè)計(jì)制采用的技術(shù)和工藝已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了傳統(tǒng)車床設(shè)計(jì)制造的范疇。在車床的結(jié)構(gòu)上，

36、主要采取以下主要造的范疇。在車床的結(jié)構(gòu)上，主要采取以下主要措施：措施：1 1）主軸）主軸 提高提高主軸旋轉(zhuǎn)精度主軸旋轉(zhuǎn)精度的關(guān)鍵零件是支撐它的軸承。的關(guān)鍵零件是支撐它的軸承。 超精密加工用的主軸軸承，主要有超精密加工用的主軸軸承，主要有滾動(dòng)軸承滾動(dòng)軸承、液體靜液體靜壓、動(dòng)壓軸承、空氣靜壓、動(dòng)壓軸承壓、動(dòng)壓軸承、空氣靜壓、動(dòng)壓軸承以及以及磁懸浮軸承磁懸浮軸承等。等。西安交通大學(xué)西安交通大學(xué) 先進(jìn)制造技術(shù)研究所先進(jìn)制造技術(shù)研究所第二節(jié)第二節(jié) 精密超精密加工技術(shù)精密超精密加工技術(shù)2 2）直線導(dǎo)軌）直線導(dǎo)軌 直線導(dǎo)軌可分為：滑動(dòng)導(dǎo)軌、滾動(dòng)導(dǎo)軌、液體靜壓導(dǎo)直線導(dǎo)軌可分為：滑動(dòng)導(dǎo)軌、滾動(dòng)導(dǎo)軌、液體靜壓導(dǎo)軌

37、、空氣靜壓導(dǎo)軌以及磁懸浮導(dǎo)軌；軌、空氣靜壓導(dǎo)軌以及磁懸浮導(dǎo)軌； 對(duì)精密加工用的導(dǎo)軌對(duì)精密加工用的導(dǎo)軌，經(jīng)常采用高分子材料制造的滑，經(jīng)常采用高分子材料制造的滑動(dòng)導(dǎo)軌（摩擦系數(shù)低）、高精度滾動(dòng)導(dǎo)軌以及液體靜動(dòng)導(dǎo)軌（摩擦系數(shù)低）、高精度滾動(dòng)導(dǎo)軌以及液體靜壓導(dǎo)軌；壓導(dǎo)軌； 對(duì)超精密加工用的導(dǎo)軌對(duì)超精密加工用的導(dǎo)軌，則采用專門(mén)設(shè)計(jì)制造的液體，則采用專門(mén)設(shè)計(jì)制造的液體靜壓導(dǎo)軌和空氣靜壓導(dǎo)軌比較合適。靜壓導(dǎo)軌和空氣靜壓導(dǎo)軌比較合適。 3）進(jìn)給機(jī)構(gòu)）進(jìn)給機(jī)構(gòu) 進(jìn)給機(jī)構(gòu)主要有：進(jìn)給機(jī)構(gòu)主要有：滑動(dòng)絲杠進(jìn)給機(jī)構(gòu)滑動(dòng)絲杠進(jìn)給機(jī)構(gòu)、滾動(dòng)絲杠滾動(dòng)絲杠、液液體靜壓絲杠體靜壓絲杠、空氣靜壓絲杠空氣靜壓絲杠、靜壓油缸進(jìn)給機(jī)構(gòu)

38、靜壓油缸進(jìn)給機(jī)構(gòu)、直直流線性電機(jī)進(jìn)給機(jī)構(gòu)流線性電機(jī)進(jìn)給機(jī)構(gòu)以及以及微量進(jìn)給機(jī)構(gòu)。微量進(jìn)給機(jī)構(gòu)。 西安交通大學(xué)西安交通大學(xué) 先進(jìn)制造技術(shù)研究所先進(jìn)制造技術(shù)研究所第二節(jié)第二節(jié) 精密超精密加工技術(shù)精密超精密加工技術(shù)4 4）機(jī)床熱變形控制）機(jī)床熱變形控制 首先，要減少發(fā)熱源。首先，要減少發(fā)熱源。 其次，采用熱對(duì)稱結(jié)構(gòu)，選用低熱變形復(fù)合材料，以其次，采用熱對(duì)稱結(jié)構(gòu)，選用低熱變形復(fù)合材料，以從結(jié)構(gòu)上使熱變形得到抑制。從結(jié)構(gòu)上使熱變形得到抑制。 第三，以恒溫的方式控制熱變形。第三，以恒溫的方式控制熱變形。 第四，對(duì)熱變形誤差進(jìn)行補(bǔ)償控制等等第四，對(duì)熱變形誤差進(jìn)行補(bǔ)償控制等等 。西安交通大學(xué)西安交通大學(xué) 先進(jìn)

39、制造技術(shù)研究所先進(jìn)制造技術(shù)研究所第二節(jié)第二節(jié) 精密超精密加工技術(shù)精密超精密加工技術(shù)2 2超精密車削的刀具超精密車削的刀具 為了實(shí)現(xiàn)超微量切除，金剛石刀具是目前超精密車削為了實(shí)現(xiàn)超微量切除，金剛石刀具是目前超精密車削加工的主要刀具；加工的主要刀具； 金剛石車削中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)是刀具的刃磨質(zhì)量，包金剛石車削中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)是刀具的刃磨質(zhì)量，包括晶面的選擇及刀刃鈍圓半徑的大小；括晶面的選擇及刀刃鈍圓半徑的大??； 天然金剛石的硬度、耐磨性具有各向異性的特點(diǎn)。實(shí)天然金剛石的硬度、耐磨性具有各向異性的特點(diǎn)。實(shí)踐中一般是先選定金剛石的晶向，該晶向不能與解理踐中一般是先選定金剛石的晶向，該晶向不能與解理晶面平

40、行，否則會(huì)造成加工中金剛石層的整片剝落。晶面平行，否則會(huì)造成加工中金剛石層的整片剝落。西安交通大學(xué)西安交通大學(xué) 先進(jìn)制造技術(shù)研究所先進(jìn)制造技術(shù)研究所第二節(jié)第二節(jié) 精密超精密加工技術(shù)精密超精密加工技術(shù)2 2超精密車削的刀具超精密車削的刀具 然后，采用研磨的方法，將金剛石固定在夾具上，放然后，采用研磨的方法，將金剛石固定在夾具上，放在鑄鐵研磨盤(pán)上研磨，使得已選擇的晶向與主切削刃在鑄鐵研磨盤(pán)上研磨，使得已選擇的晶向與主切削刃平行。研磨劑一般選用金剛砂和潤(rùn)滑油。影響刃磨質(zhì)平行。研磨劑一般選用金剛砂和潤(rùn)滑油。影響刃磨質(zhì)量的主要因素是刀刃的鈍圓半徑。切削加工的最小切量的主要因素是刀刃的鈍圓半徑。切削加工的

41、最小切除量與刀具切削刃最小鈍圓半徑有關(guān)，而刀刃鈍圓半除量與刀具切削刃最小鈍圓半徑有關(guān)，而刀刃鈍圓半徑的大小取決于刀具材料晶體的微觀結(jié)構(gòu)。徑的大小取決于刀具材料晶體的微觀結(jié)構(gòu)。西安交通大學(xué)西安交通大學(xué) 先進(jìn)制造技術(shù)研究所先進(jìn)制造技術(shù)研究所第二節(jié)第二節(jié) 精密超精密加工技術(shù)精密超精密加工技術(shù)3 3金剛石刀具超精密加工的應(yīng)用金剛石刀具超精密加工的應(yīng)用 主要用于有色金屬的主要用于有色金屬的精密車削精密車削和和精密鏜削精密鏜削； 近年來(lái)它主要用來(lái)加工近年來(lái)它主要用來(lái)加工鋁合金鋁合金和和銅合金銅合金等等軟材料軟材料； 采用天然金剛石刀具加工高密度硬磁盤(pán)的鋁合金片基，采用天然金剛石刀具加工高密度硬磁盤(pán)的鋁合金

42、片基，使表面粗糙度值可達(dá)使表面粗糙度值可達(dá)RaO.003m，平面度，平面度0.2m，實(shí)現(xiàn)了，實(shí)現(xiàn)了對(duì)軟材料的對(duì)軟材料的鏡面加工鏡面加工； 采用數(shù)控金剛石超精密車削可加工采用數(shù)控金剛石超精密車削可加工非球面反射鏡非球面反射鏡和和凹面凹面鏡鏡； 另外，還可以車削多達(dá)另外，還可以車削多達(dá)90面的面的光學(xué)多面體光學(xué)多面體，其最大外徑，其最大外徑為為200mm，最大寬度為，最大寬度為70mm，加工的表面粗糙度為，加工的表面粗糙度為O.01m，平面度可達(dá)，平面度可達(dá)0.03m。zR西安交通大學(xué)西安交通大學(xué) 先進(jìn)制造技術(shù)研究所先進(jìn)制造技術(shù)研究所第二節(jié)第二節(jié) 精密超精密加工技術(shù)精密超精密加工技術(shù)三、超精密磨削

43、三、超精密磨削超精密磨削主要分為超精密磨削主要分為固結(jié)磨料固結(jié)磨料加工和加工和游離磨料游離磨料加工兩大類加工兩大類 1 1磨床的精度磨床的精度提高磨床精度的主要措施有：提高磨床精度的主要措施有： 幾何精度的提高；幾何精度的提高； 進(jìn)給機(jī)構(gòu)低速運(yùn)動(dòng)性能的改善；進(jìn)給機(jī)構(gòu)低速運(yùn)動(dòng)性能的改善； 減少振動(dòng)；減少振動(dòng)； 減小熱變形等等減小熱變形等等。西安交通大學(xué)西安交通大學(xué) 先進(jìn)制造技術(shù)研究所先進(jìn)制造技術(shù)研究所第二節(jié)第二節(jié) 精密超精密加工技術(shù)精密超精密加工技術(shù)2 2超精密磨削用的磨料磨具超精密磨削用的磨料磨具 用固結(jié)磨料的磨具進(jìn)行超精密磨削可以加工出表面粗用固結(jié)磨料的磨具進(jìn)行超精密磨削可以加工出表面粗糙度

44、為糙度為Ra0.1m的鏡面，通常也稱為的鏡面，通常也稱為鏡面磨削鏡面磨削。其使用。其使用的固結(jié)磨料磨具常見(jiàn)的有兩種，即的固結(jié)磨料磨具常見(jiàn)的有兩種，即細(xì)粒度的油石細(xì)粒度的油石和和細(xì)細(xì)粒度粒度的砂帶的砂帶。西安交通大學(xué)西安交通大學(xué) 先進(jìn)制造技術(shù)研究所先進(jìn)制造技術(shù)研究所第二節(jié)第二節(jié) 精密超精密加工技術(shù)精密超精密加工技術(shù)1）超精密油石磨削拋光機(jī)理 如圖如圖a所示，油石以一定的壓力所示，油石以一定的壓力F與工件接觸，在沿軸與工件接觸，在沿軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，在徑向還以一定的頻率振動(dòng)。向往復(fù)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，在徑向還以一定的頻率振動(dòng)。 西安交通大學(xué)西安交通大學(xué) 先進(jìn)制造技術(shù)研究所先進(jìn)制造技術(shù)研究所第二節(jié)第二節(jié)

45、精密超精密加工技術(shù)精密超精密加工技術(shù)1）超精密油石磨削拋光機(jī)理 對(duì)于圖對(duì)于圖b所示的短工件，如滾動(dòng)軸所示的短工件，如滾動(dòng)軸承內(nèi)、外圈，只有油石的振動(dòng)和工承內(nèi)、外圈，只有油石的振動(dòng)和工件的轉(zhuǎn)動(dòng)；件的轉(zhuǎn)動(dòng)； 超精加工是由油石的微細(xì)磨粒和工超精加工是由油石的微細(xì)磨粒和工件表面凸峰之間連續(xù)劃擦、摩擦、件表面凸峰之間連續(xù)劃擦、摩擦、切削這一過(guò)程來(lái)完成的。切削這一過(guò)程來(lái)完成的。 西安交通大學(xué)西安交通大學(xué) 先進(jìn)制造技術(shù)研究所先進(jìn)制造技術(shù)研究所第二節(jié)第二節(jié) 精密超精密加工技術(shù)精密超精密加工技術(shù) 開(kāi)始時(shí)，油石與工件表面只有少數(shù)點(diǎn)相接觸，接觸面上比開(kāi)始時(shí)，油石與工件表面只有少數(shù)點(diǎn)相接觸，接觸面上比壓大，兩者之間不

46、能形成完整的潤(rùn)滑油膜，油石往復(fù)振動(dòng)壓大，兩者之間不能形成完整的潤(rùn)滑油膜，油石往復(fù)振動(dòng)切削工件切削工件(圖圖a)。 隨著工件表面粗糙度逐漸降低，大量細(xì)微的切屑嵌入油石隨著工件表面粗糙度逐漸降低，大量細(xì)微的切屑嵌入油石表面磨粒的間隙之中，油石表面漸趨平整、光滑，接觸面表面磨粒的間隙之中，油石表面漸趨平整、光滑，接觸面上比壓下降，形成潤(rùn)滑油膜，此時(shí)油石的振動(dòng)僅起到拋光上比壓下降，形成潤(rùn)滑油膜，此時(shí)油石的振動(dòng)僅起到拋光作用作用(圖圖b)。西安交通大學(xué)西安交通大學(xué) 先進(jìn)制造技術(shù)研究所先進(jìn)制造技術(shù)研究所第二節(jié)第二節(jié) 精密超精密加工技術(shù)精密超精密加工技術(shù) 隨著油石相對(duì)工件進(jìn)給，光滑的油石表面重新與粗糙的工隨

47、著油石相對(duì)工件進(jìn)給，光滑的油石表面重新與粗糙的工件表面接觸，使油石的光滑表面受到破壞，因油石磨粒的件表面接觸，使油石的光滑表面受到破壞，因油石磨粒的自銳性，又開(kāi)始切削工件的粗糙面，從而形成油石磨粒的自銳性，又開(kāi)始切削工件的粗糙面，從而形成油石磨粒的切削鈍化堵塞脫落自銳切削切削鈍化堵塞脫落自銳切削這一過(guò)程，直到完這一過(guò)程，直到完成加工。成加工。2）超精密砂帶磨削拋光機(jī)理）超精密砂帶磨削拋光機(jī)理 砂帶是一種柔性的固結(jié)磨料磨具，具有很高的強(qiáng)度。砂帶砂帶是一種柔性的固結(jié)磨料磨具，具有很高的強(qiáng)度。砂帶磨削既具有磨削既具有砂輪磨削砂輪磨削的的滑擦滑擦、刻劃刻劃和和切削切削這一過(guò)程，又因這一過(guò)程，又因其磨粒

48、的排布狀態(tài)和本身的柔性等特點(diǎn)，使得砂帶與工件其磨粒的排布狀態(tài)和本身的柔性等特點(diǎn)，使得砂帶與工件的作用同時(shí)兼具有的作用同時(shí)兼具有拋光拋光和和研磨研磨兩種特性，可顯著提高工件兩種特性，可顯著提高工件的的表面質(zhì)量表面質(zhì)量及及幾何形狀精度幾何形狀精度。 西安交通大學(xué)西安交通大學(xué) 先進(jìn)制造技術(shù)研究所先進(jìn)制造技術(shù)研究所第七章第七章 先進(jìn)制造技術(shù)先進(jìn)制造技術(shù)第一節(jié)第一節(jié) 快速成形制造技術(shù)快速成形制造技術(shù)第二節(jié)第二節(jié) 精密超精密加工技術(shù)精密超精密加工技術(shù)第三節(jié)第三節(jié) 微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù)微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù)西安交通大學(xué)西安交通大學(xué) 先進(jìn)制造技術(shù)研究所先進(jìn)制造技術(shù)研究所第三節(jié)第三節(jié) 微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù)微

49、機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù)一、一、 簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介 微機(jī)械在美國(guó)常被稱作微型機(jī)電系統(tǒng)（微機(jī)械在美國(guó)常被稱作微型機(jī)電系統(tǒng)（Microelectromechanical System, MEMS）；在日本稱作微機(jī)器（）；在日本稱作微機(jī)器（Micromachine）；而在歐洲）；而在歐洲則稱作微系統(tǒng)（則稱作微系統(tǒng)（Microsystem）。按外形尺寸，微機(jī)械可劃分為）。按外形尺寸，微機(jī)械可劃分為1 10mm的微小型機(jī)械的微小型機(jī)械,1 m 1mm的微機(jī)械，以及的微機(jī)械，以及1nm 1 m的納米機(jī)的納米機(jī)械。械。西安交通大學(xué)西安交通大學(xué) 先進(jìn)制造技術(shù)研究所先進(jìn)制造技術(shù)研究所第三節(jié)第三節(jié) 微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù)微機(jī)

50、械及其微細(xì)加工技術(shù)微機(jī)械具有以下幾個(gè)微機(jī)械具有以下幾個(gè)基本特點(diǎn)基本特點(diǎn)： 體積小，精度高，重量輕。體積小，精度高，重量輕。 性能穩(wěn)定，可靠性高。性能穩(wěn)定，可靠性高。 能耗低，靈敏性和工作效率高。能耗低，靈敏性和工作效率高。 多功能和智能化。多功能和智能化。 適于大批量生產(chǎn)，制造成本低廉。適于大批量生產(chǎn)，制造成本低廉。西安交通大學(xué)西安交通大學(xué) 先進(jìn)制造技術(shù)研究所先進(jìn)制造技術(shù)研究所第三節(jié)第三節(jié) 微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù)微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù)產(chǎn)品主要應(yīng)用領(lǐng)域研制國(guó)家及單位主要工藝方法硅壓力傳感器航空航天，醫(yī)療器械美國(guó)斯坦福大學(xué)，加州弗里蒙特新傳感器制造公司，日本橫河電機(jī)公司等異向刻蝕工藝及加硼控制法微

51、加速度傳感器航空航天，汽車工業(yè)美國(guó)斯坦福大學(xué)，加州弗里蒙特新傳感器制造公司，德國(guó)卡爾斯魯核研究中心微結(jié)構(gòu)技術(shù)研究所，瑞士納沙泰爾電子和微型技術(shù)公司等制版術(shù)和刻蝕工藝，LIGA技術(shù)微型溫度傳感器航空航天，汽車工業(yè)美國(guó)斯坦福大學(xué)，加州弗里蒙特新傳感器制造公司等制版術(shù)和刻蝕工藝螺旋狀振動(dòng)式壓力傳感器和加速度傳感器航空航天，汽車工業(yè)德國(guó)慕尼黑夫瑯霍費(fèi)固體工藝研究所等制版術(shù)和刻蝕工藝智能傳感器微機(jī)械人德國(guó)菲林根施韋寧根微技術(shù)研究所制版術(shù)和刻蝕工藝微型冷卻器航空航天和電子工業(yè)，用于集成電路中美國(guó)斯坦福大學(xué)，加州弗里蒙特新傳感器制造公司等制版術(shù)和異向刻蝕工藝微型干涉儀類似于電子濾波器美國(guó)IC傳感器制造公司等

52、制版術(shù)和刻蝕工藝硅材油墨噴嘴計(jì)算機(jī)設(shè)備美國(guó)斯坦福大學(xué)異向刻蝕工藝分離同位素的微噴嘴核工業(yè)德國(guó)卡爾斯魯核研究中心微結(jié)構(gòu)技術(shù)研究所等LIGA技術(shù)微型泵醫(yī)療器械，電子線路日本東北大學(xué)，荷蘭特溫特大學(xué)，德國(guó)慕尼黑夫瑯霍費(fèi)固體工藝研究所等刻蝕工藝和堆裝技術(shù)微型閥醫(yī)療器械德國(guó)慕尼黑夫瑯霍費(fèi)固體工藝研究所制版術(shù)和刻蝕工藝微型開(kāi)關(guān)（密度12400個(gè)/cm2) 航空航天和武器工業(yè)美國(guó)明尼蘇達(dá)州大學(xué)制版術(shù)和異向刻蝕工藝微齒輪，微彈簧及微曲柄，葉片，棘輪微執(zhí)行機(jī)構(gòu)，核武器安全裝置美國(guó)加利福尼亞大學(xué)伯克利分校，圣迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室分離層技術(shù)，制版術(shù)和刻蝕工藝直徑的微靜電電機(jī)計(jì)算機(jī)和通訊系統(tǒng)的控制美國(guó)加利福尼亞大學(xué)伯克利分

53、校，麻省理工學(xué)院分離層技術(shù)一些典型的微機(jī)械產(chǎn)品一些典型的微機(jī)械產(chǎn)品西安交通大學(xué)西安交通大學(xué) 先進(jìn)制造技術(shù)研究所先進(jìn)制造技術(shù)研究所第三節(jié)第三節(jié) 微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù)微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù)二、微細(xì)加工技術(shù)二、微細(xì)加工技術(shù) 微細(xì)加工微細(xì)加工（Microfabrication）起源于半導(dǎo)體制造工藝，）起源于半導(dǎo)體制造工藝，原來(lái)指加工尺度約在微米級(jí)范圍的加工方式。在微機(jī)械研原來(lái)指加工尺度約在微米級(jí)范圍的加工方式。在微機(jī)械研究領(lǐng)域中，它是微米級(jí)，亞微米級(jí)乃至毫微米級(jí)微細(xì)加工究領(lǐng)域中，它是微米級(jí)，亞微米級(jí)乃至毫微米級(jí)微細(xì)加工的通稱。的通稱。 制造微機(jī)械制造微機(jī)械常采用的微細(xì)加工又可以進(jìn)一步分為常采用的微細(xì)

54、加工又可以進(jìn)一步分為微米級(jí)微微米級(jí)微細(xì)加工細(xì)加工(Micro-fabrication)，亞微米級(jí)微細(xì)加工亞微米級(jí)微細(xì)加工(Sub-micro-fabrication)和和納米級(jí)微細(xì)加工納米級(jí)微細(xì)加工(Nano-fabrication)等。等。 廣義上的微細(xì)加工技術(shù)，幾乎涉及了各種現(xiàn)代特種加工、廣義上的微細(xì)加工技術(shù)，幾乎涉及了各種現(xiàn)代特種加工、高能束等加工方式。高能束等加工方式。西安交通大學(xué)西安交通大學(xué) 先進(jìn)制造技術(shù)研究所先進(jìn)制造技術(shù)研究所第三節(jié)第三節(jié) 微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù)微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù)從基本加工類型看，微細(xì)加工可大致分四類從基本加工類型看，微細(xì)加工可大致分四類: 分離加工分離加工將材

55、料的某一部分分離出去的加工方式；將材料的某一部分分離出去的加工方式； 接合加工接合加工同種或不同材料的附和加工或相互結(jié)合加工；同種或不同材料的附和加工或相互結(jié)合加工； 變形加工變形加工使材料形狀發(fā)生改變的加工方式；使材料形狀發(fā)生改變的加工方式； 材料處理或改性材料處理或改性。西安交通大學(xué)西安交通大學(xué) 先進(jìn)制造技術(shù)研究所先進(jìn)制造技術(shù)研究所第三節(jié)第三節(jié) 微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù)微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù) 加 工 類 型 加 工 機(jī) 理 加 工 方 法 分 離 加 工 化學(xué)分解（熱激活式）（液體、氣體、固體） 電子化學(xué)分解（電解激活式）（液體、固體） 蒸發(fā)（熱式）（氣體、固體） 擴(kuò)散分離（熱式）（固體、液

56、體、氣體） 熔化分離（熱式）（固體、液體、氣體） 濺射（力學(xué)式）（固體） 離子化表面原子的電場(chǎng)發(fā)射 光刻、化學(xué)刻蝕、活性離子刻蝕、化學(xué)拋光 電解拋光、電解加工（刻蝕） 電子束加工、激光加工、熱射線加工 擴(kuò)散去除加工（融化） 熔化去除加工 離子濺射加工、光子直接去除加工（X射線） 用電場(chǎng)分離（STM加工、AFM加工） 接 合 加 工結(jié)合 增長(zhǎng) 化學(xué)沉積及結(jié)合（固體、液體、氣體） 電化學(xué)沉積及結(jié)合（固體、液體、氣體） 熱沉積及熱結(jié)合（固體、液體、氣體） 擴(kuò)散結(jié)合（熱式） 熔化結(jié)合（熱式） 物理沉積及結(jié)合（力學(xué)式） 注入（力學(xué)式） 電子場(chǎng)發(fā)射 化學(xué)鍍、氣相鍍、氧化及氮化激活反應(yīng)鍍ARP 電鍍、陽(yáng)極氧

57、化、電鑄（電成型）、電泳成型 蒸發(fā)沉積、外延生長(zhǎng)、分子束外延 燒結(jié)、發(fā)泡、離子滲氮 熔化鍍、浸鍍 濺射沉積、離子鍍膜、離子束外延、離子束沉積 離子注入加工 STM加工 變 形 加 工 熱表面流動(dòng) 粘滯性流動(dòng)（力學(xué)式） 摩擦流動(dòng)（力學(xué)式） 塑性變形 分子定位 熱流動(dòng)表面加工（氣體高溫、高頻電流、熱射線、 電子束、激光） 液流（水）拋光、氣體流動(dòng)加工 微細(xì)粒子流拋光（研磨、壓光、精研） 電磁成形、放電、懸臂彎曲、拉伸等 STM裝置 材料 處理 或 改性 熱激活（電子、光子、離子等） 混合沉積（電子、離子、光子束） 化學(xué)反應(yīng)（電子、光子、離子等） 加能化學(xué)反應(yīng)（電子、光子束、離子） 催化反應(yīng) 淬硬、

58、退火（金屬、半導(dǎo)體）、上光、硬化 擴(kuò)散、混合（離子） 聚合、解聚合 表面活性拋光 反應(yīng)激勵(lì)不同形式的微細(xì)加工方法西安交通大學(xué)西安交通大學(xué) 先進(jìn)制造技術(shù)研究所先進(jìn)制造技術(shù)研究所第三節(jié)第三節(jié) 微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù)微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù)微機(jī)械微細(xì)加工并不僅限于微電子(Microelectronics)制造技術(shù)，更重要的是指微機(jī)械構(gòu)件的加工(英文多為Micromachining)或微機(jī)械與微電子、微光學(xué)等的集成結(jié)構(gòu)的制作技術(shù)。目前，微機(jī)械微細(xì)加工常用的有光刻制版、高能束刻蝕、LIGA、準(zhǔn)LIGA等方法。微細(xì)加工得到的鐵塔微模型西安交通大學(xué)西安交通大學(xué) 先進(jìn)制造技術(shù)研究所先進(jìn)制造技術(shù)研究所第三節(jié)第三節(jié)

59、 微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù)微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù) 微機(jī)械的微機(jī)械的 微細(xì)加工技術(shù)微細(xì)加工技術(shù)（Micromachining technology ）有以下有以下特點(diǎn)特點(diǎn)： 從加工對(duì)象上看，微細(xì)加工不但加工尺度極小，而且被加工對(duì)象的整體尺寸也很微?。?由于微機(jī)械對(duì)象的微小性和脆弱性，僅僅依靠控制和重復(fù)宏觀的加工相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡達(dá)到加工目的，已經(jīng)很不現(xiàn)實(shí)。必須針對(duì)不同對(duì)象和加工要求，具體考慮不同的加工方法和手段； 微細(xì)加工在加工目的、加工設(shè)備、制造環(huán)境、材料選擇與處理、測(cè)量方法和儀器等方面都有其特殊要求。西安交通大學(xué)西安交通大學(xué) 先進(jìn)制造技術(shù)研究所先進(jìn)制造技術(shù)研究所第三節(jié)第三節(jié) 微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù)微

60、機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù)1、硅微加工技術(shù)、硅微加工技術(shù) 硅是最基本的微機(jī)械加工材料，微細(xì)加工技術(shù)一般都要涉及硅材料。 硅微細(xì)加工技術(shù)所用的典型加工工藝為：去除(刻蝕、激光加工、機(jī)械鉆孔等)和添加( 沉積絕緣體、金屬等)在襯底上在襯底上“去除去除”的懸臂梁的懸臂梁(a) 和在襯底上和在襯底上“添加添加”的懸臂梁的懸臂梁(b)西安交通大學(xué)西安交通大學(xué) 先進(jìn)制造技術(shù)研究所先進(jìn)制造技術(shù)研究所第三節(jié)第三節(jié) 微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù)微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù)體微機(jī)械加工技術(shù)體微機(jī)械加工技術(shù) 體微機(jī)械加工工藝是針對(duì)整塊材料如單晶硅基片通過(guò)刻蝕（Etching）等去除部分基體或襯底材料，從而得到所需元件的體構(gòu)形。在體微