機械制造技術(shù)的發(fā)展

機械制造技術(shù)的發(fā)展第1頁/共136頁28.1.1制造自動化技術(shù)的主要形式

表8-1

三種自動化形式比較比較項目剛性自動化柔性自動化綜合自動化實現(xiàn)目標(biāo)

減輕工人勞動強度，節(jié)省勞動力，保證加工質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本

減輕工人勞動強度，節(jié)省勞動力，保證加工質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，縮短產(chǎn)品制造周期

除左外，提高設(shè)計工作與管理工作效率和質(zhì)量，提高對市場的響應(yīng)能力控制對象物流物流物流，信息流特點

通過機、電、液氣等硬件控制方式實現(xiàn)，因而是剛性的，變動困難

以硬件為基礎(chǔ)，以軟件為支持，改變程序即可實現(xiàn)所需的轉(zhuǎn)變，因而是柔性的

不僅針對具體操作和工人的體力勞動，而且涉及腦力勞動以及設(shè)計、經(jīng)營管理等各方面典型系統(tǒng)與裝備

自動機床、組合機床，機械手，自動生產(chǎn)線

NC機床，加工中心，工業(yè)機器人，DNC，F(xiàn)MC，F(xiàn)MS

CAD/CAM系統(tǒng)，MRPⅡ，CIMS應(yīng)用范圍大批大量生產(chǎn)多品種、中小批量生產(chǎn)各種生產(chǎn)類型關(guān)鍵技術(shù)

繼電器程序控制技術(shù)，經(jīng)典控制論

數(shù)控技術(shù)，計算機控制，GT，現(xiàn)代控制論

系統(tǒng)工程，信息技術(shù)，計算機技術(shù)，管理技術(shù)第2頁/共136頁38.1.1制造自動化技術(shù)的主要形式

圖8-1汽車后橋齒輪箱加工自動線剛性自動化20年代第3頁/共136頁48.1.1制造自動化技術(shù)的主要形式

柔性自動化50年代圖8-2焊接機器人綜合自動化70年代圖8-3綜合自動化第4頁/共136頁58.1.1制造自動化技術(shù)的主要形式

（8-1）式中TTLC——生產(chǎn)某種產(chǎn)品所需總時間；

B——批數(shù)；

Q——批量；

T1——單件工時；

T2——每批產(chǎn)品所需生產(chǎn)準(zhǔn)備時間（包括原材料訂貨時間，制定生產(chǎn)計劃時間，工藝裝備調(diào)整時間…）；

T3

——每種產(chǎn)品所需設(shè)計及生產(chǎn)準(zhǔn)備時間（產(chǎn)品設(shè)計，工藝設(shè)計，工藝裝備設(shè)計與制造…）。Groover產(chǎn)品壽命周期模型第5頁/共136頁68.1.1制造自動化技術(shù)的主要形式（8-2）式中TLC——生產(chǎn)每件產(chǎn)品所需平均時間式（8-2）即為Groover

產(chǎn)品壽命周期模型

TLC是一個綜合指標(biāo)，減小TLC常被作為生產(chǎn)活動追求的目標(biāo)式（8-1）兩邊除以BQ，得到：◆剛性自動化：著眼降低T1◆柔性自動化：著眼降低T1

和T2（部分）◆綜合自動化：同時減小T1、T2

、T3，特別是T2

和

T3

，因而在多品種、中小批量生產(chǎn)中具有重要意義第6頁/共136頁78.1.2自動化加工技術(shù)本節(jié)僅討論中小批量生產(chǎn)中廣泛使用的柔性制造系統(tǒng)（FlexibleManufacturingSystem——FMS）

柔性制造系統(tǒng)的組成圖8-4FMS的組成自動倉庫工廠計算機中央計算機物流控制計算機運輸小車加工單元1加工單元2加工單元n信息傳輸網(wǎng)絡(luò)工夾具站第7頁/共136頁88.1.2自動化加工技術(shù)

加工單元CNC（MC）機床工作臺架（暫存工件）機器人或托盤交換裝置檢測、監(jiān)控裝置◆設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)控與檢測（圖8-5）傳感器群信號采集預(yù)處理特征提取狀態(tài)識別診斷決策預(yù)維修決策監(jiān)控檢測報告正常狀態(tài)模式預(yù)診斷知識庫預(yù)維修知識庫學(xué)習(xí)訓(xùn)練匹配狀態(tài)異常報警預(yù)知故障報警輸出圖8-5設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)控與檢測框圖第8頁/共136頁9鉆頭破損檢測器內(nèi)存有以往采集的鉆頭破損的信號或鉆頭破損模擬信號，與檢測信號進行比較。當(dāng)鉆頭破損被確認(rèn)后，發(fā)出換刀信號。8.1.2自動化加工技術(shù)◆加工過程監(jiān)控與檢測重點是刀具磨損、破損監(jiān)控與檢測。圖8-6為聲發(fā)射鉆頭破損檢測裝置示意圖。加工過程中，一旦鉆頭破損，聲發(fā)射傳感器檢測到鉆頭破損信號，將其送至鉆頭破損檢測器進行處理。鉆頭破損檢測器圖8-6

聲發(fā)射鉆頭破損檢測裝置系統(tǒng)圖交換機床控制器工件折斷工作臺聲發(fā)射傳感器破損信號第9頁/共136頁108.1.2自動化加工技術(shù)

物料傳輸系統(tǒng)又稱立體倉庫或自動化倉庫系統(tǒng)（AutomatedStorageandRetrieva1System一AS／RS），由高層料架、堆垛機、控制計算機和物料識別裝置等組成。具有自動化程度高、料位空間尺寸和額定存放重量大、料位總數(shù)可根據(jù)實際需求擴展、占地面積小等優(yōu)點?！?/p>

自動倉庫（圖8-7）圖8-7

自動倉庫運輸小車出入庫裝卸站堆垛機料架第10頁/共136頁118.1.2自動化加工技術(shù)◆

傳輸裝置滾式鏈?zhǔn)剑▊魉蛶в捎谌嵝圆睿壳拜^少使用）帶式有軌無軌（AGV）固定路線隨機路線電磁式（圖8-8）光電式（圖8-9）……傳送帶運輸小車機器人固定式機器人行走式機器人第11頁/共136頁128.1.2自動化加工技術(shù)轉(zhuǎn)向舵比較放大電路信號拾取線圈引導(dǎo)電纜圖8-8電磁引導(dǎo)原理在地面上埋設(shè)引導(dǎo)電纜，并通以5～10kHz的低壓電流。小車上裝有對稱的一組信號拾取線圈。當(dāng)小車偏向右方時，右方的感應(yīng)信號減弱，左方的增強，控制器根據(jù)這些信號的強弱，控制小車的舵輪?！螂姶艑?dǎo)向方式原理（圖8-8）第12頁/共136頁138.1.2自動化加工技術(shù)沿小車預(yù)定路徑在地面上粘貼易反光的反光帶（鋁帶或尼龍帶），小車上裝有發(fā)光器和受光器。發(fā)出的光經(jīng)反光帶反射后由受光器接受，并將該光信號轉(zhuǎn)換成電信號控制小車的舵輪。◎光學(xué)引導(dǎo)方式原理（圖8-9）信號孔感光元件光道光源反光帶圖8-9

光學(xué)引導(dǎo)原理第13頁/共136頁148.1.2自動化加工技術(shù)◆

切屑處理系統(tǒng)斷屑加工部位封閉排屑機床、工夾具設(shè)計要便于排屑冷卻液沖，或壓縮空氣吹切屑輸送（通常采用地下輸送管道）切屑再處理（打包）第14頁/共136頁158.1.2自動化加工技術(shù)◆

工廠計算機：制定、修改、更新生產(chǎn)（作業(yè)）計劃；對中央計算機和物流計算機進行控制?！?/p>

單元控制器：監(jiān)視與控制機床加工、檢測、上下料…◆

物流計算機：根據(jù)工廠計算機制定的作業(yè)計劃對自動倉庫、堆垛機、緩沖站、運輸小車等進行監(jiān)視與控制。◆

中央計算機：根據(jù)工廠計算機制定的作業(yè)計劃對各加工單元進行監(jiān)視與控制。◆

信息傳輸網(wǎng)絡(luò)：在控制計算機與單元控制器之間進行信息傳遞。

計算機控制系統(tǒng)第15頁/共136頁168.1.2自動化加工技術(shù)◆

JCS-FMS-1控制級結(jié)構(gòu)中央管理計算機FM-11AD2+物流控制計算機局域網(wǎng)絡(luò)LAN文件庫自動編程機單元控制機CNC車床CNC磨床單元控制機立式MC臥式MC單元控制機CNC車床管理級單元級設(shè)備級圖8-10JCS-FMS-1控制級結(jié)構(gòu)第16頁/共136頁178.1.2自動化加工技術(shù)FMS特點

除毛坯準(zhǔn)備與毛坯安裝外全部自動化 可在不停機的條件下實現(xiàn)加工工件的自動轉(zhuǎn)換

24小時運行，只一班有人◆以GT為基礎(chǔ)——生產(chǎn)零件的品種由4至100種不等（20～30種居多）生產(chǎn)零件的批量由40至2000件不等（50～200件居多）大部分加工對象為相似零件（個別例外）◆具有較大柔性——可加工多種零件沒有固定的生產(chǎn)節(jié)拍故障可容（一臺機床出現(xiàn)故障，其它機床可進行擬補）◆高度自動化——◆控制與管理相結(jié)合——可自動實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)的計劃、調(diào)度第17頁/共136頁188.1.2自動化加工技術(shù)FMS應(yīng)用品種圖8-11零件品種、批量與自動化加工方式010

100

1000

批量10,000100010010FMLFMCFMS數(shù)控機床通用機床剛性線生產(chǎn)柔性產(chǎn)量第18頁/共136頁198.1.2自動化加工技術(shù)圖8-12飛機零件加工FMS（Cincinnati）1—裝卸站2—運輸小車3—MC4—切屑處理站5—清洗站6—檢測站7—手工檢測站8—計算機室9—小車維修站10—包裝站FMS實例（1）第19頁/共136頁208.1.2自動化加工技術(shù)沖床圖8-13沖壓FMSFMS實例（2）第20頁/共136頁21十分之一原則：測量不準(zhǔn)確度≤工件容差的1/10三分之一原則：測量精密度≤工件許用精密度的1/3（用標(biāo)準(zhǔn)差σ表示）8.1.3自動檢測技術(shù)自動化傳送和裝卸被測件；自動完成檢測過程；傳送/裝卸與檢測過程全部自動化。

自動檢測內(nèi)容多采用傳感器/計算機反饋控制系統(tǒng)

自動檢測系統(tǒng)接觸式傳感器：檢測尺寸、形狀、相互位置非接觸式傳感器（光學(xué)、非光學(xué)）：無接觸變形，速度快

自動檢測傳感技術(shù)

“十分之一”與“三分之一”原則第21頁/共136頁228.1.3自動檢測技術(shù)離線檢測：過程穩(wěn)定，超差風(fēng)險小PROCAUTPROCAUTPROCAUTINSPMAN抽樣離線檢測PROCAUTINSPMAN在線/過程中檢測反饋信號在線/過程后檢測PROCAUTINSPMANSORTAUT分類指令成品廢品圖8-14三類檢測

離線與在線檢測在線/過程中檢測：實時，瓶頸工序在線/過程后檢測：滯后時間短，應(yīng)用較多第22頁/共136頁238.1.3自動檢測技術(shù)

坐標(biāo)測量機a）b）c）d）圖8-15坐標(biāo)測量機的結(jié)構(gòu)形式結(jié)構(gòu)形式懸臂式結(jié)構(gòu)：測頭易于接近工件，剛性差橋式結(jié)構(gòu)：剛性好，應(yīng)用廣泛立柱式結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)與立車相似門架式結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)與門式起重機相似，用于大件測量第23頁/共136頁248.1.3自動檢測技術(shù)

操作控制手動控制：人工完成計算機輔助手動控制：計算機完成數(shù)據(jù)處理和相關(guān)計算計算機輔助電動控制：電機驅(qū)動測頭，計算機完成數(shù)據(jù)處理和相關(guān)計算直接計算機控制：同CNC

編程方法示教再現(xiàn)編程：似機器人編程數(shù)控編程：離線第24頁/共136頁258.1.3自動檢測技術(shù)

可完成測量項目表8-2坐標(biāo)測量機可完成的測量項目可完成的測量項目測量原理尺寸孔徑與孔中心線坐標(biāo)圓柱體軸心線與直徑球心坐標(biāo)與球面半徑平面度兩平面夾角兩平面的平行度兩條線的交點與交角由兩個給定面坐標(biāo)的差值確定尺寸測量孔上3點，計算確定孔徑與孔中心線坐標(biāo)測量圓柱面上3點，計算確定軸心線與直徑測量球面上4點，計算確定球心坐標(biāo)與球面半徑用3點接觸法測定，與理想平面比較確定平面度按平面上3個觸點最小值規(guī)定平面，再計算夾角根據(jù)兩平面交角確定平行度先確定兩線夾角，再測定交點第25頁/共136頁268.1.3自動檢測技術(shù)

實物照片第26頁/共136頁27機械制造技術(shù)基礎(chǔ)

第8章

制造技術(shù)的發(fā)展DevelopmentofManufacturingTechnology8.2精密制造技術(shù)PrecisionManufacturingTechnology第27頁/共136頁288.2.1精密與超精密加工技術(shù)◆精密加工——

在一定的發(fā)展時期，加工精度和表面質(zhì)量達(dá)到較高程度的加工工藝。超精密加工——

在一定的發(fā)展時期，加工精度和表面質(zhì)量達(dá)到最高程度的加工工藝。概述◆瓦特改進蒸汽機——鏜孔精度1mm20世紀(jì)40年代——最高精度1μm20世紀(jì)末——

精密加工：≤0.1μm，Ra

≤0.01μm（亞微米加工）超精密加工：≤0.01μm

，Ra≤

0.001μm（納米加工）◆微細(xì)加工——

微小尺寸的精密加工超微細(xì)加工——微小尺寸的超精密加工第28頁/共136頁29

零件加工精度表面粗糙度激光光學(xué)零件形狀誤差0.1μmRa0.01～0.05μm

多面鏡平面度誤差0.04μmRa＜0.02μm

磁頭平面度誤差0.04μmRa＜0.02μm

磁盤波度0.01～0.02μmRa＜0.02μm

雷達(dá)導(dǎo)波管平面度垂直度誤差＜0.1μmRa＜0.02μm

衛(wèi)星儀表軸承圓柱度誤差＜0.01μmRa＜0.002μm

天體望遠(yuǎn)鏡形狀誤差＜0.03μmRa＜0.01μm表8-3

幾種典型精密零件的加工精度◆

幾種典型精密零件的加工精度（表8-3）◆精密加工與超精密加工的發(fā)展（圖8-17）8.2.1精密與超精密加工技術(shù)第29頁/共136頁308.2.1精密與超精密加工技術(shù)圖8-17精密加工與超精密加工的發(fā)展（Taniguchi，1983）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(shè)備測量儀器精密車床磨床百分尺比較儀坐標(biāo)鏜床坐標(biāo)磨床氣動測微儀光學(xué)比較儀金剛石車床精密磨床光學(xué)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年份第30頁/共136頁31

精密與超精密加工技術(shù)是一個國家制造業(yè)水平重要標(biāo)志例：美國哈勃望遠(yuǎn)鏡形狀精度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

精密加工與超精密加工技術(shù)是先進制造技術(shù)基礎(chǔ)和關(guān)鍵例：美國陀螺儀球圓度0.1μm，粗糙度Ra0.01μm，導(dǎo)彈命中精度控制在50m范圍內(nèi)；英國飛機發(fā)電機轉(zhuǎn)子葉片加工誤差從60μm降至12μm，發(fā)電機壓縮效率從89%提高到94%；齒形誤差從3-4μm減小1μm，單位重量齒輪箱扭矩可提高一倍

精密加工與超精密加工技術(shù)是新技術(shù)的生長點精密與超精密加工技術(shù)涉及多種基礎(chǔ)學(xué)科和多種新興技術(shù)，其發(fā)展無疑會帶動和促進這些相關(guān)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展

精密與超精密加工地位8.2.1精密與超精密加工技術(shù)第31頁/共136頁32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(xué)加工電解加工、蝕刻、化學(xué)機械拋光力學(xué)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(xué)化學(xué)鍍、化學(xué)氣相沉積電化學(xué)電鍍、電鑄熱熔化真空蒸鍍、熔化鍍化學(xué)氧化、氮化、活性化學(xué)反映電化學(xué)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(xué)化學(xué)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8-4精密與超精密加工分類8.2.1精密與超精密加工技術(shù)第32頁/共136頁33

直接式進化加工：利用低于工件精度的設(shè)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)。◆“進化”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。◆

微量切削機理◆

特種加工與復(fù)合加工方法應(yīng)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8.2.1精密與超精密加工技術(shù)第33頁/共136頁34要達(dá)到加工要求，需綜合考慮工件材料、加工方法、加工設(shè)備與工具、測試手段、工作環(huán)境等諸多因素，是一項復(fù)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(yīng)控制、再線檢測與誤差補償技術(shù)，以減小人的因素影響，保證加工質(zhì)量?！?/p>

與自動化技術(shù)聯(lián)系緊密精密與超精密加工設(shè)備造價高，難成系列。常常針對某一特定產(chǎn)品設(shè)計（如加工直徑3m射電天文望遠(yuǎn)鏡的超精密車床，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(guān)鍵。8.2.1精密與超精密加工技術(shù)第34頁/共136頁35

切削在晶粒內(nèi)進行切削力＞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)量金剛石超精密加工技術(shù)

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(xué)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(xué)反射鏡、射電望遠(yuǎn)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(yīng)用◆

機理、特點8.2.1精密與超精密加工技術(shù)第35頁/共136頁36★

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?！?/p>

關(guān)鍵技術(shù)8.2.1精密與超精密加工技術(shù)圖8-18Moore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(dǎo)軌，直線度達(dá)0.05μ/100mm；數(shù)控系統(tǒng)分辨率0.01μ。第36頁/共136頁37車床主軸裝在橫向滑臺（X軸）上，刀架裝在縱向滑臺（Z軸）上。可解決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(dāng)前金剛石車床的主流布局。圖8-19T形布局的金剛石車床

T形布局（圖8-19）8.2.1精密與超精密加工技術(shù)第37頁/共136頁38

金剛石車床主要性能指標(biāo)（表8-5）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(fù)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8-5金剛石車床主要性能指標(biāo)主軸軸向圓跳動/μm橫滑臺對主軸的垂直度/μm8.2.1精密與超精密加工技術(shù)第38頁/共136頁39◆

金剛石刀具

超精切削刀具材料：天然金剛石，人造單晶金剛石金剛石的晶體結(jié)構(gòu)：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次對稱軸，四根3次對稱軸和六根2次對稱軸（圖8-20）。a）4次對稱軸和（100）晶面L4（100）（110）L2L3（111）b）2次對稱軸和（110）晶面c）3次對稱軸和（111）晶面圖8-20八面體的晶軸和鏡晶面8.2.1精密與超精密加工技術(shù)第39頁/共136頁40

金剛石晶體的面網(wǎng)距和解理現(xiàn)象◎金剛石晶體的（111）晶面面網(wǎng)密度最大，耐磨性最好?！颍?00）與（110）面網(wǎng)的面間距分布均勻；（111）面網(wǎng)的面間距一寬一窄（圖8-21）圖8-21（111）面網(wǎng)C原子分布和解理劈開面劈開面◎在距離大的（111）面之間，只需擊破一個共價鍵就可以劈開，而在距離小的（111）面之間，則需擊破三個共價鍵才能劈開?！蛟趦蓚€相鄰的加強（111）面之間劈開，可得到很平的劈開面，稱之為“解理”。8.2.1精密與超精密加工技術(shù)第40頁/共136頁41

金剛石刀具刃磨—通常在鑄鐵研磨盤上進行研磨

—晶向選擇應(yīng)使晶向與主切削刃平行

—圓角半徑越小越好（理論可達(dá)到1nm）8.2.1精密與超精密加工技術(shù)單晶金剛石456.46.412AA66A-A35RR=1.6～4.86.46.45B16B-B110～120RR=0.5～1.2B000000000圖8-22金剛石刀具角度金剛石刀具角度（圖8-22）第41頁/共136頁42金剛石車床加工4.5mm陶瓷球8.2.1精密與超精密加工技術(shù)圖8-23金剛石車床及其加工照片第42頁/共136頁43◆

砂輪材料：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材料（鐵金屬用CBN）耐磨性好，耐用度高，磨削能力強，磨削效率高磨削力小，磨削溫度低，加工表面好◆

特點：

分整形與修銳（去除結(jié)合劑，露出磨粒）兩步進行常用方法—①用碳化硅砂輪（或金剛石筆）修整，獲得所需形狀；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：超硬磨料砂輪精密與超精密磨削8.2.1精密與超精密加工技術(shù)第43頁/共136頁44進給＋－圖8-24ELID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)。8.2.1精密與超精密加工技術(shù)第44頁/共136頁45◆

塑性（延性）磨削

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(guān)。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(dǎo)致轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈阅ハ?。②高的剛性。因為塑性磨削切削力遠(yuǎn)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(dǎo)致切屑形成機理的變化（已有試驗作支持）。8.2.1精密與超精密加工技術(shù)第45頁/共136頁46砂帶：帶基材料為聚碳酸脂薄膜，其上植有細(xì)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8-25）和閉式兩種形式，可磨削平面、內(nèi)外圓表面、曲面等（圖8-27）。接觸輪硬磁盤—裝在主軸真空吸盤上圖8-25

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8.2.1精密與超精密加工技術(shù)第46頁/共136頁47圖8-26

用于磨削管件的砂帶磨床（帶有行星系統(tǒng)）8.2.1精密與超精密加工技術(shù)第47頁/共136頁48

幾種常見砂帶磨削方式（圖8-27）圖8-27幾種砂帶磨削形式a）砂帶無心外圓磨削（導(dǎo)輪式）工件導(dǎo)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8.2.1精密與超精密加工技術(shù)第48頁/共136頁49

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(dá)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8-28靜電植砂砂帶結(jié)構(gòu)2）靜電植砂，磨粒有方向性，尖端向上（圖8-28），摩擦生熱小，磨屑不易堵塞砂輪，磨削性能好。8.2.1精密與超精密加工技術(shù)第49頁/共136頁50工件小間隙加壓拋光輪懸浮液微粉(磨粒)圖8-29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8-29）

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0.1～0.01μm8.2.1精密與超精密加工技術(shù)第50頁/共136頁51

工作原理（圖8-30）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8-30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8-31）活性拋光液和磨粒與工件表面產(chǎn)生固相反應(yīng)，形成軟粒子，使其便于加工。機理：機械+化學(xué)作用，稱為“增壓活化”?！镆后w動力拋光★機械化學(xué)拋光拋光工具活性拋光液圖8-31機械化學(xué)拋光小間隙工件工具運動方向加壓8.2.1精密與超精密加工技術(shù)第51頁/共136頁52

激光由于其優(yōu)良的特性（強度高，亮度大，單色性、相干性、方向性好等）在精密測量中得到廣泛應(yīng)用。可以測量長度，小角度，直線度，平面度，垂直度等；也可以測量位移，速度，振動，微觀表面形貌等；還可以實現(xiàn)動態(tài)測量，在線測量，并易于實現(xiàn)測量自動化。激光測量精度目前可達(dá)0.01μm。

激光測量8.2.1精密與超精密加工技術(shù)第52頁/共136頁53受射透鏡平行光管透鏡邊緣傳感閘門電路計數(shù)器顯示圖震蕩器伺服系統(tǒng)掃描鏡工件測定區(qū)光檢測器激光發(fā)生器★

采用平行光管透鏡將激光準(zhǔn)確地調(diào)整到多角形旋轉(zhuǎn)掃描鏡上聚焦。通過激光掃描被測工件兩端，根據(jù)掃描鏡旋轉(zhuǎn)角、掃描鏡旋轉(zhuǎn)速度，透鏡焦距等數(shù)據(jù)計算出被測工件的尺寸。圖8-32激光掃描尺寸計量系統(tǒng)

激光高速掃描尺寸計量系統(tǒng)（圖8-32）8.2.1精密與超精密加工技術(shù)第53頁/共136頁54

雙頻激光測量（圖8-33）固定反射棱鏡圖8-33雙頻激光測量系統(tǒng)原理圖干涉測量儀f2+Δf2f1氦氖激光器軸向強磁場NS1/4波片分光鏡透鏡組f1f2f1f2移動反射棱鏡f2f2+Δf2偏振分光鏡f1f1ΔfΔf

+Δf28.2.1精密與超精密加工技術(shù)由于移動反射棱鏡隨被測件移動，頻率f2變成f2±Δf2。兩路反射回來的光經(jīng)偏振分光鏡匯合一起，再經(jīng)反射鏡和干涉測量儀獲得拍頻信號，其頻率為：f1－（f2±

Δf2）=Δf+Δf2

經(jīng)分光鏡，折射一小部分，經(jīng)干涉測量儀獲得拍頻Δf（=f1

－f2）的參考信號。大部分激光到偏振分光鏡：垂直線偏振光f1被反射，再經(jīng)固定反射棱鏡反射回來；水平線偏振光f2全部透射，再經(jīng)移動反射棱鏡反射回來。該信號與參考信號比較，獲得±Δf2的具有長度單位當(dāng)量的電信號。由于使用頻率差Δf進行測量，使其不受環(huán)境變化影響，可獲得高的測量精度和測量穩(wěn)定性。氦氖激光器發(fā)出的激光，在軸向強磁場作用下，產(chǎn)生頻率f1和f2旋向相反的圓偏振光，經(jīng)1/4波片形成頻率f1的垂直線偏振光和頻率f2的水平線偏振光。經(jīng)透鏡組成平行光束。第54頁/共136頁55圖8-34雙頻激光測量系統(tǒng)8.2.1精密與超精密加工技術(shù)第55頁/共136頁56◆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8.2.1精密與超精密加工技術(shù)第56頁/共136頁57

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。超微細(xì)加工——通常指1μm以下超微細(xì)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(xì)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(xì)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。概述8.2.2微細(xì)與超微細(xì)加工技術(shù)第57頁/共136頁58熱流動加工（火焰，高頻，熱射線，激光）壓鑄，擠壓，噴射，澆注微離子流動加工熱表面流動粘滯性流動摩擦流動變形加工(流動加工)化學(xué)鍍，氣相鍍（電鍍，電鑄）氧化，氮化（陽極氧化）（真空）蒸鍍，晶體增長，分子束外延燒結(jié)，摻雜，滲碳，（侵鍍，熔化鍍）濺射沉積，離子沉積（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)合熱附著擴散(熔化)結(jié)合物理結(jié)合注入結(jié)合加工(附著加工)車削，銑削，鉆削，磨削蝕刻，化學(xué)拋光，機械化學(xué)拋光電解加工，電解拋光電子束加工，激光加工，熱射線加工擴散去除加工，熔化去除加工離子束濺射去除加工，等離子體加工機械去除化學(xué)分解電解蒸發(fā)擴散與熔化濺射分離加工(去除加工)加工方法加工機理表8-6

微細(xì)與超微細(xì)加工機理與加工方法8.2.2微細(xì)與超微細(xì)加工技術(shù)第58頁/共136頁59◆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▓D8-35）。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(dāng)?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(xì)機械加工圖8-35單晶金剛石銑刀刀頭形狀8.2.2微細(xì)與超微細(xì)加工技術(shù)第59頁/共136頁60微小位移機構(gòu)，微量移動應(yīng)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(dǎo)軌支承系統(tǒng)，以及高跟蹤精度的伺服系統(tǒng)。高的定位精度和重復(fù)定位精度，高平穩(wěn)性的進給運動。低熱變形結(jié)構(gòu)設(shè)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)。◆

微細(xì)機械加工設(shè)備◆

FANUCROBOnanoUi型微型超精密加工機床（圖8-36）

8.2.2微細(xì)與超微細(xì)加工技術(shù)第60頁/共136頁61

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(shè)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(dǎo)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8-36

FANUC微型超精密加工機床8.2.2微細(xì)與超微細(xì)加工技術(shù)第61頁/共136頁62

載流導(dǎo)體：

◎逆壓電材料（如壓電陶瓷PZT）——電場作用引起晶體內(nèi)正負(fù)電荷重心位移（極化位移），導(dǎo)致晶體發(fā)生形變。

◎磁致伸縮材料（如某些強磁材料）——磁場作用引起晶體發(fā)生應(yīng)變。◆

直接線性驅(qū)動（直線電機驅(qū)動）8.2.2微細(xì)與超微細(xì)加工技術(shù)

工作原理：載流導(dǎo)體在電場（或磁場）作用下產(chǎn)生微小形變，并轉(zhuǎn)化為微位移（圖8-37）。

特點：

◎結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，傳動效率高。

◎進給量可調(diào)，進給速度范圍寬，加速度大。

◎行程不受限制。

◎運動精度高。

◎技術(shù)復(fù)雜。第62頁/共136頁63圖8-37電磁驅(qū)動裝置（直線電機）工作原理逆壓電元件電磁鐵1電磁鐵2逆壓電元件電磁鐵1電磁鐵2電磁鐵2去掉勵磁，松開逆壓電元件電磁鐵1電磁鐵2逆壓電元件加勵磁電壓，伸長Δ逆壓電元件電磁鐵1電磁鐵2電磁鐵2加勵磁，夾緊電磁鐵1去掉勵磁，松開逆壓電元件電磁鐵1電磁鐵2逆壓電元件去掉勵磁電壓，恢復(fù)原長，電磁鐵1移動Δ逆壓電元件電磁鐵1電磁鐵2電磁鐵加勵磁，夾緊ΔΔ8.2.2微細(xì)與超微細(xì)加工技術(shù)第63頁/共136頁64圖8-38直線電機驅(qū)動定位平臺(YOKOGAWA公司）

8.2.2微細(xì)與超微細(xì)加工技術(shù)第64頁/共136頁65

直線驅(qū)動與伺服電機驅(qū)動比較（表8-7）表8-7

直線驅(qū)動與伺服電機驅(qū)動比較

性能伺服電機＋滾珠絲杠直線驅(qū)動定位精度(μm/300mm)5～100.5～1.0重復(fù)定位精度(μm)±2～±5±0.1～±0.2最高速度(m/min)20～5060～200最大加速度(g)1～22～10壽命(h)6000～10000500008.2.2微細(xì)與超微細(xì)加工技術(shù)第65頁/共136頁66電極線沿著導(dǎo)絲器中的槽以5～10mm/min的低速滑動，可加工圓柱形的軸（圖8-39）。如導(dǎo)絲器通過數(shù)字控制作相應(yīng)的運動，還可加工出各種形狀的桿件（圖8-40）?！?/p>

線放電磨削法（WEDG）

圖8-40WEDG可加工的各種截形桿微細(xì)電加工

圖8-39WEDG工作原理Ⅰ－ⅠⅠⅠ工件金屬絲導(dǎo)絲器8.2.2微細(xì)與超微細(xì)加工技術(shù)第66頁/共136頁67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8-41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8.2.2微細(xì)與超微細(xì)加工技術(shù)第67頁/共136頁68要求：定位精度0.1μm，重復(fù)定位精度0.01μm導(dǎo)軌：硬質(zhì)合金滾動體導(dǎo)軌，或液（氣）靜壓導(dǎo)軌工作臺：粗動—伺服電機+滾珠絲杠微動—壓電晶體電致伸縮機構(gòu)圖8-42

電致伸縮微動工作臺XY0Py1Py2Px微動工作臺工作臺微動的形成：X運動：Py1＝

Py2

Px長度變化Y運動：Py1＝

Py2

Py1長度變化Z轉(zhuǎn)動：Py1≠

Py2◆

加工設(shè)備（電子束光刻大規(guī)模集成電路）8.2.2微細(xì)與超微細(xì)加工技術(shù)第68頁/共136頁69利用氬（Ar）離子或其它帶有10keV數(shù)量級動能的惰性氣體離子，在電場中加速，以極高速度“轟擊”工件表面，進行“濺射”加工。離子束加工圖8-43

離子碰撞過程模型被排斥Ar離子回彈濺射原子位移原子格點間停留離子一次濺射原子Ar離子二次濺射原子Ar離子格點置換離子位移原子工件表面工件真空8.2.2微細(xì)與超微細(xì)加工技術(shù)第69頁/共136頁70◎?qū)⒈患铀俚碾x子聚焦成細(xì)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◆

四種工作方式8.2.2微細(xì)與超微細(xì)加工技術(shù)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(biāo)工作臺圖8-44

離子束去除加工裝置◎加工裝置見圖8-44。三坐標(biāo)工作臺可實現(xiàn)三坐標(biāo)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。第70頁/共136頁71◎離子束濺射去除加工可用于非球面透鏡成形（需要5坐標(biāo)運動），金剛石刀具和沖頭的刃磨（圖8-45），大規(guī)模集成電路芯片刻蝕等。圖8-45

離子束加工金剛石制品離子束離子束r=0.01μm預(yù)加工終加工a)金剛石壓頭r=0.01μm離子束離子束預(yù)加工終加工b)金剛石刀具◎離子束濺射去除加工可加工金屬和非金屬材料。8.2.2微細(xì)與超微細(xì)加工技術(shù)第71頁/共136頁72

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8-46）離子束源靶濺射材料濺射粒子工件真空圖8-46

離子束濺射鍍膜加工◎離子鍍氮化鈦，即美觀，又耐磨。應(yīng)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。◎由于濺射出來的原子和分子有相當(dāng)大的動能，故鍍膜附著力極強（與蒸鍍、電鍍相比）。8.2.2微細(xì)與超微細(xì)加工技術(shù)第72頁/共136頁73◎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?dǎo)體摻雜（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。8.2.2微細(xì)與超微細(xì)加工技術(shù)第73頁/共136頁74◆

通常指納米級（0.1nm～100nm）的材料、設(shè)計、制造、測量和控制技術(shù)。納米技術(shù)涉及機械、電子、材料、物理、化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)等多個領(lǐng)域?！?/p>

在達(dá)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(yīng)、波動特性、微觀漲落等不可忽略，甚至成為主導(dǎo)因素。◆

納米技術(shù)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(xué)性能檢測；納米級加工；納米材料；納米級傳感與控制技術(shù)；微型與超微型機械。8.2.3納米技術(shù)第74頁/共136頁75

掃描隧道顯微測量（STM,

ScanningTunnelingMicroscope）

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(jì)80年度世界十大科技成果之一，1986年因此獲諾貝爾物理學(xué)獎。STM工作原理基于量子力學(xué)的隧道效應(yīng)。當(dāng)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(dāng)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。8.2.3納米技術(shù)G.BinningH.Rohrer第75頁/共136頁76STM圖8-48STM工作過程演示圖8-47STM實物照片

8.2.3納米技術(shù)第76頁/共136頁77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

石墨三維圖像

8.2.3納米技術(shù)圖8-49用STM移動分子組成的IBM字樣圖8-50用STM觀察石墨原子排列第77頁/共136頁78

當(dāng)探針與試件表面距離達(dá)1nm時，形成隧道結(jié)（圖8-51）。當(dāng)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(chǔ)。φ1φ2d試件STM探針Ub圖8-51

STM隧道結(jié)8.2.3納米技術(shù)第78頁/共136頁79

兩種測量模式（2）恒電流測量模式（圖8-52b）：探針在試件表面掃描，使用反饋電路驅(qū)動探針，使探針與試件表面之間距離（隧道間隙）不變。此時探針移動直接描繪了試件表面形貌。此種測量模式隧道電流對隧道間隙的敏感性轉(zhuǎn)移到反饋電路驅(qū)動電壓與位移之間的關(guān)系上，避免了非線性，提高了測量精度和測量范圍。b）試件輸出運動軌跡驅(qū)動電路掃描器檢測電路控制器圖8-52STM工作原理掃描器檢測電路a）輸出試件運動軌跡（1）等高測量模式（圖8-52a）：探針以不變高度在試件表面掃描，隧道電流隨試件表面起伏而變化，從而得到試件表面形貌信息。8.2.3納米技術(shù)第79頁/共136頁80

關(guān)鍵技術(shù)：（1）STM探針——金屬絲經(jīng)化學(xué)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8-53STM針尖8.2.3納米技術(shù)第80頁/共136頁81（2）隧道電流反饋控制（圖8-54）8.2.3納米技術(shù)計算機差分比較積分放大比例放大高壓放大A/DXYZ控制信號設(shè)定電壓前置放大對數(shù)放大（線性化）探針壓電陶瓷試件圖8-54

隧道電流反饋控制系統(tǒng)原理框圖D/A第81頁/共136頁82（3）納米級掃描運動——壓電陶瓷掃描管（圖8-55）（4）信號采集與數(shù)據(jù)處理——由軟件完成。ΔXΔZ陶瓷管金屬膜+UX-UX-UY+UYUZa）LL0b）圖8-55

壓電陶瓷掃描管結(jié)構(gòu)及工作原理當(dāng)陶瓷管內(nèi)壁接地，X軸兩外壁電極電壓相反時，陶瓷管一側(cè)伸長，另一側(cè)縮短，形成X方向掃描(圖8-55b)。若兩外壁電極電壓相同，則陶瓷管伸長或縮短，形成Z方向位移。壓電陶瓷掃描管結(jié)構(gòu)見圖8-55

a

，其工作原理見圖8-55b。8.2.3納米技術(shù)第82頁/共136頁83◆

原子力顯微鏡（AFM,AtomicForceMicroscope）

當(dāng)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(dāng)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(dǎo)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。8.2.3納米技術(shù)第83頁/共136頁84◎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(dá)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8-56）STM驅(qū)動AFM掃描驅(qū)動AFM探針STM探針試件微力簧片圖8-56AFM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。8.2.3納米技術(shù)第84頁/共136頁85圖8-57AFM實物照片掃描探針磁盤圖像8.2.3納米技術(shù)第85頁/共136頁86LIGA（LithographicGaluanoformungAbformung）

1）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(dá)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8-58LIGA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8-58）：8.2.3納米技術(shù)X光微影微電鑄第86頁/共136頁87圖8-59LIGA工作現(xiàn)場8.2.3納米技術(shù)第87頁/共136頁88

50μm圖8-60X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(dá)0.1～0.5mm，高寬比大于200的三維微結(jié)構(gòu)（圖8-60），形狀精度達(dá)亞微米◆

LIGA代表產(chǎn)品及應(yīng)用微傳感器、微電機、微機械零件、微光學(xué)元件、微波元件、真空電子元件、微型醫(yī)療器械等廣泛應(yīng)用于加工、測量、自動化、電子、生物、醫(yī)學(xué)、化工等領(lǐng)域8.2.3納米技術(shù)可以實現(xiàn)大批量復(fù)制，成本較低第88頁/共136頁89機械制造技術(shù)基礎(chǔ)

第8章

制造技術(shù)的發(fā)展DevelopmentofManufacturingTechnology8.3特種加工技術(shù)NontraditionalmachiningTechnology第89頁/共136頁90

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(fù)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(xué)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。8.3.1特種加工技術(shù)概述第90頁/共136頁91

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(xué)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(yán)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(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(dǎo)地位的主要原因。

非傳統(tǒng)加工方法特點8.3.1特種加工技術(shù)概述第91頁/共136頁92

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(xué)過程通過電、光、化學(xué)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(xué)過程利用電能轉(zhuǎn)換為化學(xué)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(xué)過程利用化學(xué)溶劑對材料的腐蝕、溶解，去除材料，如化學(xué)蝕刻、化學(xué)銑削等。8.3.1特種加工技術(shù)概述第92頁/共136頁93

復(fù)合過程利用機械、熱、化學(xué)、電化學(xué)的復(fù)合作用，去除材料。常見的復(fù)合形式有：◎機械化學(xué)復(fù)合——如機械化學(xué)拋光、電解磨削、電鍍珩磨等?！驒C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)合過程——如超聲切削、超聲電解磨削、磁力拋光（圖8-61）等。工件（陶瓷滾柱）磁性材料磁極振動運動圖8-61磁力拋光示意圖NS8.3.1特種加工技術(shù)概述第93頁/共136頁94

拓寬現(xiàn)有非傳統(tǒng)加工方法的應(yīng)用領(lǐng)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(yīng)控制、CAD/CAM、專家系統(tǒng)等技術(shù)，提高加工過程自動化、柔性化程度。發(fā)展趨勢圖8-62EI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(xué)加工★

圖8-62反映了學(xué)術(shù)界和工程界對幾種非傳統(tǒng)加工方法的關(guān)注程度。8.3.1特種加工技術(shù)概述第94頁/共136頁95

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8-63）。

◆

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(fù)絕緣狀態(tài)）。

電火花加工8.3.2幾種代表性特種加工方法圖8-63

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第95頁/共136頁96圖8-64電火花加工機床8.3.2幾種代表性特種加工方法第96頁/共136頁97

電極材料——要求導(dǎo)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(dāng)?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。8.3.2幾種代表性特種加工方法第97頁/共136頁98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8-65）。同時，絲架可作小角度擺動，可切割出斜面。

電火花加工類型8.3.2幾種代表性特種加工方法圖8-65電火花線切割原理圖XY儲絲筒導(dǎo)輪電極絲工件電火花成形加工：主要指孔加工，型腔加工等第98頁/共136頁99電火花線切割機床圖8-66電火花線切割加工加工過程顯示8.3.2幾種代表性特種加工方法第99頁/共136頁100

不受加工材料硬度限制，可加工任何硬、脆、韌、軟的導(dǎo)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(yīng)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(fù)雜的板類零件、窄縫、柵網(wǎng)等。8.3.2幾種代表性特種加工方法第100頁/共136頁101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(dǎo)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8-67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8.3.2幾種代表性特種加工方法第101頁/共136頁102

不受材料硬度的限制，能加工任何高硬度、高韌性的導(dǎo)電材料，并能以簡單的進給運動一次加工出形狀復(fù)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(shù)，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(yīng)力和變形層。設(shè)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(yīng)用8.3.2幾種代表性特種加工方法第102頁/共136頁103

工件與磨輪保持一定接觸壓力，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(yuǎn)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(yuǎn)比機械磨削小，特別是磨削硬質(zhì)合金時，效果更明顯。8.3.2幾種代表性特種加工方法導(dǎo)電磨輪電解液電刷工作臺工件絕緣板導(dǎo)電基體磨料陽極膜

電解磨削（圖8-68）第103頁/共136頁104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8-69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8-69）8.3.2幾種代表性特種加工方法第104頁/共136頁105

電子束束徑?。ㄗ钚≈睆娇蛇_(dá)0.01～0.05mm），而電子束長度可達(dá)束徑幾十倍，故可加工微細(xì)深孔、窄縫。材料適應(yīng)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(dá)240mm/min。在真空中加工，無氧化，特別適于加工高純度半導(dǎo)體材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。

特點及應(yīng)用8.3.2幾種代表性特種加工方法第105頁/共