機(jī)械制造與夾具教案

（機(jī)械制造

行業(yè)）機(jī)械制造

與夾具教案

第7章現(xiàn)代制造技術(shù)

教學(xué)目標(biāo)與要求

?了解現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展水平與趨勢

?了解特種加工技術(shù)的原理、特點及應(yīng)用

?了解現(xiàn)代制造生產(chǎn)模式及其發(fā)展趨勢

教學(xué)重點

?現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展水平與趨勢

?特種加工技術(shù)的原理、特點及應(yīng)用

7.1現(xiàn)代制造技術(shù)概述

與傳統(tǒng)制造技術(shù)比較，現(xiàn)代制造技術(shù)具有如下特征。

(1)系統(tǒng)性

由于計算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、傳感技術(shù)、自動化技術(shù)

和先進(jìn)管理等技術(shù)的引入，并與傳統(tǒng)制造技術(shù)的結(jié)合，現(xiàn)

代制造技術(shù)成為一個能夠駕馭生產(chǎn)過程中的物質(zhì)流、信息

流和能量流的系統(tǒng)工程；而傳統(tǒng)制造技術(shù)一般只能駕馭生

產(chǎn)過程中的物質(zhì)流和能量流。

(2)廣泛性

傳統(tǒng)制造技術(shù)通常只是指將原材料變?yōu)槌善返母鞣N加

工工藝；而現(xiàn)代制造技術(shù)則貫穿了從產(chǎn)品設(shè)計、加工制造

機(jī)械制造工藝與夾具

到產(chǎn)品銷售及使用維護(hù)的整個過程，成為"市場一設(shè)計開

發(fā)一加工制造一市場”的大系統(tǒng)。

(3)集成性

傳統(tǒng)制造技術(shù)的學(xué)科專業(yè)單一、獨立，相互間界限分

明；而現(xiàn)代制造技術(shù)由于專業(yè)和學(xué)科間的不斷滲透、交叉、

融合，其界限逐漸淡化甚至消失，技術(shù)趨于系統(tǒng)化、集成

化，已發(fā)展成為集機(jī)械、電子、信息、材料和管理技術(shù)為

一體的新型交叉學(xué)科——制造系統(tǒng)工程。

(4)動態(tài)性

現(xiàn)代制造技術(shù)是針對一定的應(yīng)用目標(biāo)，不斷吸收各種

高新技術(shù)而逐漸形成和發(fā)展起來的新技術(shù)，因而其內(nèi)涵不

是絕對的和一成不變的。反映在不同的時期、不同的國家

和地區(qū)，現(xiàn)代制造技術(shù)有其自身不同的特點、重點、目標(biāo)

和內(nèi)容。

(5)實用性

現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展是針對某一具體的制造需求而發(fā)

展起來的先進(jìn)、實用的技術(shù)，有著明確的需求導(dǎo)向?，F(xiàn)代

制造技術(shù)不是以追求技術(shù)的高新度為目的，而是注重產(chǎn)生

最好的實踐效果，以促進(jìn)國家經(jīng)濟(jì)的快速增長和提高企業(yè)

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的綜合競爭力。

7.2現(xiàn)代制造工藝技術(shù)

7.2.1現(xiàn)代制造工藝

現(xiàn)代制造工藝的發(fā)展主要表現(xiàn)在如下幾個方面。

(1)制造加工精度不斷提高

隨著制造工藝技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，機(jī)械制造加工精度

得到不斷提高。18世紀(jì)，加工第1臺蒸汽機(jī)所用的汽缸

鋒床，其加工精度為1mm;19世紀(jì)末，機(jī)械制造精度也

僅為0.05mm;20世紀(jì)初，由于能夠測量0.001mm千

分尺和光學(xué)比較儀的問世，加工精度向微米級過渡，成為

機(jī)械加工精度發(fā)展的轉(zhuǎn)折點；到了20世紀(jì)50年代末，實

現(xiàn)了微米級的加工精度；在最近的一二十年內(nèi)，機(jī)械制造

加工精度提高了1~2個數(shù)量級，有了較快的發(fā)展，達(dá)到

10nm的技術(shù)水平?，F(xiàn)在測量超大規(guī)模集成電路所用的電

子探針，其測量精度已達(dá)到0.25nm。預(yù)計在不遠(yuǎn)的將來,

可實現(xiàn)原子級的加工和測量。

(2)切削加工速度迅速提高

隨著刀具材料的發(fā)展和變革，在近一個世紀(jì)時期內(nèi)，

切削加工速度提高了一百至數(shù)百倍。20世紀(jì)前，切削刀具

機(jī)械制造工藝與夾具

是以碳素鋼作為刀具材料，由于其耐熱溫度低于200℃,

所允許的切削速度不超過10m/min;20世紀(jì)初，出現(xiàn)了

高速鋼，其耐熱溫度為500~600℃,可允許的切削速度

為30~40m/min;到了20世紀(jì)30年代，硬質(zhì)合金開始

得到使用，刀具的耐熱溫度達(dá)到800~1000℃,切削速度

很快提高到每分鐘數(shù)百米。隨后，相繼使用了陶瓷刀具、

金剛石刀具和立方氮化硼刀具，而陶瓷刀具和立方氮化硼

刀具，切削速度達(dá)到每分鐘一千米至數(shù)千米。

(3)新型工程材料的應(yīng)用推動了制造工藝的進(jìn)步和變

革

超硬材料、超塑材料、高分子材料、復(fù)合材料、工程

陶瓷、非晶與微晶合金、功能材料等新型材料的發(fā)展與應(yīng)

用，對制造工藝提出了新的挑戰(zhàn)：一方面迫使在通常機(jī)械

加工工藝方法中要不斷改善刀具材料的切削性能，改進(jìn)機(jī)

械加工制造設(shè)備，使之滿足新材料的機(jī)械加工要求；另一

方面探求應(yīng)用更多的物理、化學(xué)、材料科學(xué)的現(xiàn)代知識來

開發(fā)新型的制造工藝，以便更有效地適應(yīng)新型工程材料的

加工。

(4)自動化和數(shù)字化工藝裝備的發(fā)展提高了機(jī)械加工

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的效率

由于微電子、計算機(jī)、自動檢測和控制技術(shù)與制造工

藝裝備相結(jié)合，使工藝裝備實現(xiàn)了從單機(jī)到系統(tǒng)、從剛性

到柔性、從簡單到復(fù)雜等不同檔次的多種自動化轉(zhuǎn)變，使

工藝過程的檢測和控制方式和手段發(fā)生了質(zhì)的變化，可以

使整個工藝過程和工藝參數(shù)得到實時的優(yōu)化，大大提高了

加工制造的效率和質(zhì)量。

(5)零件毛坯成型在向少、無余量方向發(fā)展

零件毛坯成型是機(jī)械制造的第1道工序，有鑄造、鍛

造、沖裁、焊接和軋制等常用工藝。隨著人們對人類生存

資源的節(jié)省和保護(hù)意識的提高，要求零件毛坯成型精度向

少、無余量方向發(fā)展，使成型的毛坯接近或達(dá)到零件的最

終形狀和尺寸，磨削后即可參與裝配。因而，出現(xiàn)了熔模

精密鑄造、精密鍛造、精密沖裁、冷溫擠壓、精密焊接和

精密切割等新工藝。

(6)優(yōu)質(zhì)清潔表面工程技術(shù)的形成和發(fā)展

表面工程技術(shù)是通過表面涂覆、表面改性、表面加工

及表面的復(fù)合處理，來改變零件表面的形態(tài)、化學(xué)成分和

組織結(jié)構(gòu)，以獲取與基體材料不同性能要求的一項應(yīng)用技

機(jī)械制造工藝與夾具

術(shù)。雖然人們使用表面技術(shù)已有悠久的歷史，然而形成一

門表面工程獨立學(xué)科只是近20年的事。

7.2.2超精密加工技術(shù)

超精密加工是指加工精度和表面質(zhì)量達(dá)到極高程度的

精密加工工藝，從概念上講具有相對性，隨著加工技術(shù)的

不斷發(fā)展，超精密加工的技術(shù)指標(biāo)也是不斷變化的。目前，

一般加工、精密加工、超精密加工以及納米加工可以劃分

如下。

(1)一般加工

加工精度在10pm左右、表面粗糙度凡值在0.3~

0.8pm的加工技術(shù)，如車、銃、包!|、磨、鋒、錢等。一般

加工適用于汽車、拖拉機(jī)和機(jī)床等產(chǎn)品的制造。

(2)精密加工

加工精度在10~0.1pm,表面粗糙度凡值在0.3~

0.03pm的加工技術(shù)，如金剛車、金剛鋒、研磨、跖磨、

超精加工、砂帶磨削、鏡面磨削和冷壓加工等。精密加工

適用于精密機(jī)床、精密測量儀器等產(chǎn)品中的關(guān)鍵零件的加

工,如精密絲杠、精密齒輪、精密蝸輪、精密導(dǎo)軌、精密

軸承等。

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(3)超精密加工

加工精度在0.1~0.01即、表面粗糙度總值在0.03~

的加工技術(shù)，如金剛石刀具超精密切削、超精密

0.05Pm

磨料加工、超精密特種加工和復(fù)合加工等。超精密加工適

用于精密元件、計量標(biāo)準(zhǔn)元件、大規(guī)模和超大規(guī)模集成電

路的制造。目前，超精密加工的精度正處在亞納米級工藝,

正在向納米級工藝發(fā)展。

(4)納米加工

加工精度高于lOT^m(納米，lnm=101表面

粗糙度總值小于0.005|jm的加工技術(shù)，其加工方法大多

已不是傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法，而是諸如原子、分子單位加

工等方法。

1,超精密切削加工技術(shù)

(1)超精密切削對刀具的要求

為實現(xiàn)超精密切削，刀具應(yīng)具有如下的性能。

①極高的硬度、耐用度和彈性模量，以保證刀具有很

長的壽命和很高的尺寸耐用度。

②刃口能磨得極其鋒銳，刃口半徑o值極小，能實現(xiàn)

超薄的切削厚度。

機(jī)械制造工藝與夾具

③刀刃無缺陷，因切削時刃形將復(fù)印在加工表面上，

而不能得到超光滑的鏡面。

④與工件材料的抗黏結(jié)性好、化學(xué)親和性小、摩擦系

數(shù)低，能得到極好的加工表面完整性。

(2)金剛石刀具的性能特征

目前超精密切削刀具用的金剛石為大顆粒(0.5~1.5

克拉，1克拉=200mg\無雜質(zhì)、無缺陷、淺色透明的優(yōu)

質(zhì)天然單晶金剛石，它具有如下的性能特征。

①具有極高的硬度，其硬度達(dá)到6000~10000HV;

而TiC僅為3200HV;WC為2400HV.

②能磨出極其鋒銳的刃口，且切削刃沒有缺口、崩刃

等現(xiàn)象。普通切削刀具的刃口圓弧半徑只能磨到5~

30卜im,而天然單晶金剛石刃口圓弧半徑可小到數(shù)納米，

沒有其他任何材料可以磨到如此鋒利的程度。

③熱化學(xué)性能優(yōu)越，具有導(dǎo)熱性能好、與有色金屬間

的摩擦因數(shù)低、親和力小的特征。

④耐磨性好，刀刃強(qiáng)度高。金剛石摩擦系數(shù)小，與鋁

之間的摩擦系數(shù)僅為0.06-0.13,如切削條件正常，刀具

磨損極慢，刀具耐用度極高。因此，天然單晶金剛石雖然

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昂貴，但被一致公認(rèn)為是理想的、不能代替的超精密切削

的刀具材料。

(3)超精密切削時的最小切削厚度

超精密切削實際能達(dá)到的最小切削厚度與金剛石刀具

的鋒銳度、使用的超精密機(jī)床的性能狀態(tài)、切削時的環(huán)境

條件等直接有關(guān)。

極限最小切削厚度加min與刀具刀刃鋒銳度(即刃口

半徑0)關(guān)系如圖7-1所示。圖中Z為極限臨界點，在Z

點以上被加工材料將堆積起來形成切屑，而在2點以下，

加工材料經(jīng)彈性變形形成加工表面。Z點的位置可由切削

變形剪切角例角定，剪切角。又與刀具材料的摩擦系數(shù)〃有

關(guān):當(dāng)“=0.12時,可得/bmin=0.322p;當(dāng)〃=0.26時，

可得/?Dmin=0.249/?.

由最小切削厚度比min與刃口半徑p的關(guān)系式可知，若

能正常切削生min=lnm，要求所用金剛石刀具的刃口半徑

O應(yīng)為3~4nm。國外報道研磨質(zhì)量最好的金剛石刀具，

刃口半徑可以小到數(shù)個納米的水平；而國內(nèi)生產(chǎn)中使用的

金剛石刀具，刃口半徑p=0.2~0.5Rm,特殊精心研磨可

以達(dá)到夕=。卬m。

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2.超精密磨削加工技術(shù)

所謂超精密磨削加工，是指加工精度達(dá)到或高于

0.1pm,表面粗糙度凡值低于0.025pm的一種亞微米級

并正向納米級發(fā)展的加工方法。超精密磨削的關(guān)鍵在于砂

輪的選擇、砂輪的修整、磨削用量和高精度的磨削機(jī)床。

(1)超精密磨削砂輪

在超精密磨削中所使用的砂輪，其材料多為金剛石、

立方氮化硼磨料，因其硬度極高，故一般稱為超硬磨料砂

輪。金剛石砂輪有較強(qiáng)的磨削能力和較高的磨削效率，在

加工非金屬硬脆材料、硬質(zhì)合金、有色金屬及其合金時有

較大的優(yōu)勢。由于金剛石易于與鐵族元素產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)和

親和作用，故對于硬而韌的、高溫高硬度、熱導(dǎo)率低的鋼

鐵材料，則用立方氮化硼砂輪磨削較好。立方氮化硼比金

剛石有較好的熱穩(wěn)定性和較強(qiáng)的化學(xué)惰性，其熱穩(wěn)定性可

達(dá)1250~1350℃,而金剛石磨料只有700~800℃。雖

然當(dāng)前立方氮化硼磨料的應(yīng)用不如金剛石磨料廣，且價格

也比較高，但它是一種很有發(fā)展前途的磨具磨料。

(2)超精密磨削砂輪的修整

砂輪的修整是超硬磨料砂輪使用中的一個技術(shù)難題，

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它直接影響被磨工件的加工質(zhì)量、生產(chǎn)效率和生產(chǎn)成本。

砂輪修整通常包括修形和修銳兩個過程。所謂修形，是使

砂輪達(dá)到一定精度要求的幾何形狀；所謂修銳，是指去除

磨粒間的結(jié)合劑，使磨粒凸出結(jié)合劑一定高度，形成足夠

的切削刃和容屑空間。如金剛石和立方氮化硼都比較堅硬,

很難用別的磨料磨削以形成新的切削刃，故通過去除磨粒

間的結(jié)合劑方法，可使磨粒凸出結(jié)合劑一定高度，形成新

的磨粒。

超硬磨料砂輪修整的方法很多，可歸納為以下幾類。

①車削法

用單點、聚晶金剛石筆、修整片等車削金剛石砂輪以

達(dá)到修整的目的。這種方法的修整精度和效率都比較高，

但修整后的砂輪表面平滑，切削能力低，同時修整成本也

晨）。

②磨削法

用普通磨料砂輪或砂塊與超硬磨料砂輪進(jìn)行對磨修

整。普通砂輪磨料如碳化硅、剛玉等磨粒被破碎，對超硬

磨料砂輪結(jié)合劑起到切削作用，失去結(jié)合劑后磨粒就會脫

落，從而達(dá)到修整的目的。這種方法的效率和質(zhì)量都較好,

機(jī)械制造工藝與夾具

是目前較常用的修整方法但普通砂輪的磨損消耗量較大。

③噴射法

將碳化硅、剛玉磨粒從高速噴嘴噴射到轉(zhuǎn)動的砂輪表

面，從而去除部分結(jié)合劑，使超硬磨粒凸出，這種方法主

要用于修銳。

④電解在線修銳法

該法適用于以鑄鐵纖維為結(jié)合劑的金剛石砂輪，應(yīng)用

電解加工原理完成砂輪的修銳過程。如圖7-2所示,將超

硬磨料砂輪接電源正極，石墨電極接電源負(fù)極，在砂輪與

電極之間通以電解液，通過電解腐蝕作用去除超硬磨料砂

輪的結(jié)合劑，從而達(dá)到修銳效果。在這種電解修銳過程中,

被腐蝕的砂輪鑄鐵結(jié)合劑表面逐漸形成鈍化膜，這種不導(dǎo)

電的鈍化膜將阻止電解的進(jìn)一步進(jìn)行，只有當(dāng)凸出的磨粒

磨損后，鈍化膜被破壞，電解修銳作用才會繼續(xù)進(jìn)行，這

樣可使金剛石砂輪能夠保持長時間的切削能力。

⑤電火花修整法

如圖7-3所示，將電源的正、負(fù)極分別接于被修整超

硬磨料砂輪和修整器（石墨電極），其原理是電火花放電加

工。這種方法適用于各種金屬結(jié)合劑砂輪，既可修形又可

-198-

修銳，效率較高；若在結(jié)合劑中加入石墨粉，也可用于樹

脂、陶瓷結(jié)合劑砂輪的修整。

圖7-2電解在線修銳法圖7-3電火花修整法

此外，尚有超聲波修整法、激光修整法等，有待進(jìn)一

步研究開發(fā)。

(3)磨削速度和磨削液

金剛石砂輪磨削速度一般不能很高，根據(jù)磨削方式、

砂輪結(jié)合劑和冷卻情況的不同，其磨削速度為12~30m/s

(它的熱穩(wěn)定性只有700~800℃1一般陶瓷結(jié)合劑、樹

脂結(jié)合劑的金剛石砂輪其磨削速度可選得高些，金屬結(jié)合

劑的金剛石砂輪磨削速度可選得低些。

立方氮化硼砂輪的磨削速度比金剛石砂輪高得多，可

達(dá)80~100m/s,主要是因為立方氮化硼磨料的熱穩(wěn)定性

好。

3.微細(xì)加工技術(shù)

微細(xì)加工可以進(jìn)一步分為微米級微細(xì)加工、亞微米級

微細(xì)加工和納米級微細(xì)加工等。下面分別介紹微機(jī)械基本

特征與微細(xì)加工工藝方法。

(1)微機(jī)械基本特征

機(jī)械制造工藝與夾具

概括起來，微機(jī)械具有以下幾個基本特征。

①體積小、精度高、重量輕

其體積可達(dá)亞微米以下，尺寸精度達(dá)納米級，重量可

至納克。目前已經(jīng)研制出了直徑細(xì)如發(fā)絲的齒輪、能開動

3mm大小的汽車和花生米大的飛機(jī)。最近有資料表明，

科學(xué)家們已能在5mm2內(nèi)放置1000臺微型發(fā)動機(jī)。

②性能穩(wěn)定、可靠性高

由于微機(jī)械的體積小，幾乎不受熱膨脹、噪聲、撓曲

等因素影響，具有較高的抗干擾性，可在較差的環(huán)境下穩(wěn)

定地工作。

③能耗低，靈敏度和工作效率高

微機(jī)械所消耗的能量遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)機(jī)械的十分之一，但

卻能以10倍以上的速度來完成同樣的工作，如

5mmx5mmx0.7mm的微型泵的流速，是比其體積大得

多的小型泵的1000倍，而且機(jī)電一體化的微機(jī)械不存在

信號延遲問題，可進(jìn)行高速工作.

④多功能和智能化

微機(jī)械集傳感器、執(zhí)行器、信號處理和電子控制電路

為一體，易于實現(xiàn)多功能化和智能化。

-200-

⑤適用于大批量生產(chǎn)，制造成本低

微機(jī)械采用和半導(dǎo)體制造工藝類似的方法生產(chǎn)，可以

像超大規(guī)模集成電路芯片一樣一次制成大量的完全相同的

部件，故制造成本大大降低。如美國的研究人員正在用該

技術(shù)制造雙向光纖維通信所必需的微型光學(xué)調(diào)制器，通過

巧妙的光刻技術(shù)制造芯片，做一塊只需幾美分，而過去則

要花5000美元。

(2)微細(xì)加工工藝方法

微細(xì)加工是指加工尺寸為微米級范圍的加工方式，是

微機(jī)械發(fā)展的重要基礎(chǔ)。微細(xì)加工起源于半導(dǎo)體制造工藝,

加工方式十分豐富，包含了微細(xì)機(jī)械加工、各種現(xiàn)代特種

加工、高能束加工等方式。而微機(jī)械制造過程又往往是多

種加工方式的組合。目前，常用的有以下幾種加工方法。

①超微機(jī)械加工

用超小型精密金屬切削機(jī)床和電火花、線切割等加工

方法，制作毫米級尺寸以下的微機(jī)械零件是一種三維實體

加工技術(shù)，加工材料廣泛，但多是單件加工、單件裝配，

費用較局I。

②光刻加工

機(jī)械制造工藝與夾具

光刻加工是用照相復(fù)印的方法將光刻掩模上的圖形印

刷在涂有光致抗蝕劑的薄膜或基材表面，然后進(jìn)行選擇性

腐蝕，刻蝕出規(guī)定的圖形。所用的基材有各種金屬、半導(dǎo)

倆口介質(zhì)材料。

③體刻蝕加工技術(shù)

體刻蝕加工技術(shù)是對硅的襯底進(jìn)行腐蝕加工的技術(shù)，

即用腐蝕的方法將硅基片有選擇性地去除一部分，以形成

微機(jī)械結(jié)構(gòu)。腐蝕的方法分濕法腐蝕和干法腐蝕。濕法腐

蝕是用化學(xué)腐蝕液對硅基片進(jìn)行刻蝕。干法腐蝕是利用等

離子體取代化學(xué)腐蝕液，把基體暴露在電離的氣體中，氣

體中的離子與基體原子間的物理和化學(xué)作用引起刻蝕。

④面刻蝕加工技術(shù)

面刻蝕加工技術(shù)是從集成電路平面工藝演變而來的，

它是在硅基片上形成薄膜并按一定要求對薄膜進(jìn)行加工的

技術(shù)。

面刻蝕加工工藝過程如下:①在硅基片上淀積犧牲層

材料，如淀積磷玻璃，其厚度一般1~211m，但也可以更

厚些；淀積后，犧牲層材料被腐蝕成所需形狀；②淀積和

腐蝕結(jié)構(gòu)材料薄膜層，多晶硅是常用的結(jié)構(gòu)層材料，結(jié)構(gòu)

-202-

層腐蝕過后，除去犧牲層就可得到分離空腔結(jié)構(gòu)。

面刻蝕加工技術(shù)的主要優(yōu)點是具有與常規(guī)集成電路的

兼容性，器件不但可以做得很小，而且不影響器件特征；

其缺點是該工藝本身屬于二維平面工藝，限制了設(shè)計的靈

活性，且由于采用犧牲層工藝，漂洗和干燥需要反復(fù)多次,

易產(chǎn)生黏連現(xiàn)象，降低成品率。

⑤封接技術(shù)

封接技術(shù)在微機(jī)械加工中也占有重要位置，封接的目

的是將分開制作的微機(jī)械部件在使用黏結(jié)劑的情況下連接

在一起，封在殼中使其滿足使用要求。封接技術(shù)影響到整

個微系統(tǒng)的功能和尺寸，可以說是微機(jī)械系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。

常用的封接技術(shù)有反應(yīng)封接、淀積密封膜和鍵合技術(shù)。為

了提高微系統(tǒng)的集成度，一些新的工藝方法如自動焊接、

倒裝焊接也得到了廣泛的應(yīng)用。

⑥分子裝配技術(shù)

20世紀(jì)80年代初發(fā)明的掃描隧道顯微遍簡稱STM）

以及后來在STM基礎(chǔ)上派生出的原子力顯微鏡（簡稱

AFM）,使觀察分子、原子的結(jié)構(gòu)從宏觀進(jìn)入了微觀世界。

STM和AFM具有O.Olnm的分辨率，是目前世界上精度

機(jī)械制造工藝與夾具

最高的表面形貌觀測儀。利用其探針的尖端可以俘獲和操

縱分子和原子，并可以按照需要拼成一定的結(jié)構(gòu)，進(jìn)行分

子和原子的裝配制作微機(jī)械這是一種納米級微加工技術(shù),

是一種從物質(zhì)的微觀角度來構(gòu)造、制作微機(jī)械的工藝方法。

美國的IBM公司用STM操縱35個銀原子，在銀板上拼

出了"IBM"3個字母；中國科學(xué)院化學(xué)研究所用原子擺

成我國的地圖；日本用原子拼成了"Peace"一詞。有理

由相信，STM技術(shù)將會在微細(xì)加工方面有更大的突破。

7.2.3表面工程技術(shù)

表面工程是通過運用各種物理、化學(xué)或機(jī)械工藝過程,

來改變基體表面狀態(tài)、化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀態(tài)等,

使基體表面具有不同于基體的某種特殊性能，從而達(dá)到特

定使用要求的一項應(yīng)用技術(shù)。表面工程技術(shù)在促進(jìn)技術(shù)進(jìn)

步、節(jié)約原材料、提高產(chǎn)品性能、延長產(chǎn)品使用壽命、裝

飾環(huán)境、美化生活方面發(fā)揮了越來越突出的作用，該技術(shù)

已成為20世紀(jì)80年代世界十項關(guān)鍵技術(shù)之一。

(1)表面工程的特點

表面工程具有學(xué)科的綜合性、手段的多樣性、廣泛的

功能性、潛在的創(chuàng)新性、環(huán)境的保護(hù)性、很強(qiáng)的實用性和

-204-

巨大的增效性，它不僅用于維修業(yè)，還用于制造業(yè)，是先

進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分。表面工程技術(shù)將成為21世

紀(jì)的主導(dǎo)技術(shù)之一。

(2)表面工程的內(nèi)容

表面工程是由多個學(xué)科交叉、綜合而發(fā)展起來的新興

學(xué)科，有著廣泛的涵義，概括了表面處理、表面加工、表

面涂層、表面改性以及表面薄膜制備技術(shù)等內(nèi)容。

(3)表面工程的工藝方法

①表面改性技術(shù)

表面改性是指采用某種工藝手段在零件表面獲得不同

于基體的組織結(jié)構(gòu)和性能的技術(shù)。材料經(jīng)表面改性處理后,

既能發(fā)揮基體的力學(xué)性能，又能使材料表面獲得各種特殊

性能，如耐磨性、耐腐蝕性、耐高溫性等，還可以掩蓋基

體表面的缺陷，延長材料和構(gòu)件的使用壽命。表面改性對

節(jié)約稀貴材料、節(jié)約能源、改善環(huán)境有著重要的作用。

②表面覆層技術(shù)

表面覆層技術(shù)是指通過應(yīng)用物理、化學(xué)、電學(xué)、光學(xué)、

材料學(xué)、機(jī)械學(xué)等各種工藝手段，用極少量的材料，在產(chǎn)

品表面制備一層保護(hù)層、強(qiáng)化層或裝飾層，以達(dá)到耐磨、

機(jī)械制造工藝與夾具

耐蝕、耐（隔）熱、抗疲勞、耐輻射、提高產(chǎn)品質(zhì)量、延

長使用壽命的目的。

?熱噴涂技術(shù)。熱噴涂技術(shù)是采用氣體、液體或電弧、

等離子、激光等作為熱源，使金屬、合金、陶瓷、氧化物、

碳化物、塑料以及其復(fù)合材料加熱到熔融或半熔融狀態(tài)，

通過高速氣流使其霧化，然后噴射、沉積到經(jīng)過預(yù)處理的

工件表面，從而形成附著牢靠的表面層。熱噴涂有很多工

藝方法，比較常用的有火焰噴涂、等離子噴涂、爆炸噴涂

等。

?氣相沉積技術(shù)。氣相沉積技術(shù)是近三十年來迅速發(fā)展

的一種表面制膜新技術(shù)，它是利用氣相之間的反應(yīng)，在各

種材料表面沉積單層或多層薄膜，從而使材料獲得所需的

各種優(yōu)異性能。氣相沉積技術(shù)可分為物理氣相沉積（PVD）

和化學(xué)氣相沉積（CVDX物理氣相沉積是在真空條件下，

利用各種物理方法將鍍料汽化成原子、分子或離子，直接

沉積到基體表面的方法。化學(xué)氣相沉積是把含有構(gòu)成薄膜

元素的一種或幾種化合物或單質(zhì)氣體供給基體，借助氣相

作用或在基體表面上的化學(xué)反應(yīng)生成所要求的薄膜。

③復(fù)合表面處理技術(shù)

-206-

單一的表面處理技術(shù)往往具有一定的局限性，不能滿

足人們對材料越來越高的使用要求。若將兩種或兩種以上

的表面處理工藝用于同一工件的處理，不僅可以發(fā)揮各種

表面處理技術(shù)各自的特點，而且更能顯示組合使用的突出

效果。近年來，復(fù)合表面處理技術(shù)在歐美、日本以及我國

均得到較快的發(fā)展，并取得了良好的效果。

?復(fù)合熱處理技術(shù)。將兩種以上的熱處理方法復(fù)合起

來，比單一的熱處理具有更多的優(yōu)越性。如滲鈦與離子滲

氮復(fù)合處理，可在工件表面形成硬度極高、耐磨性很好且

具有較好耐蝕性的金黃色TiN化合物層，其性能明顯高于

單一滲鈦和單一滲氮層的性能。

?表面覆層技術(shù)與其他表面處理技術(shù)的復(fù)合。利用各種

工藝方法在工件表面上所形成的各種覆層，如鍍層、涂層、

沉積層或薄膜，若再經(jīng)過適當(dāng)熱處理，使覆層中的金屬原

子向基體擴(kuò)散，或與基體進(jìn)行冶金化融合，不僅增強(qiáng)了覆

層與基體的結(jié)合強(qiáng)度同時也能改變表層覆層本身的成分,

防止覆層剝落并獲得較高的強(qiáng)韌性，可提高表面的抗擦傷、

耐磨損和耐腐蝕能力。如鋅浴淬火，實質(zhì)上它是一種淬火

與鍍鋅相結(jié)合的復(fù)合處理工藝。如碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為

機(jī)械制造工藝與夾具

0.15%~0.23%的硼鋼在保護(hù)氣體中加熱到900℃,然后

淬入450。（2的含鋁的鋅浴中等溫轉(zhuǎn)變，同時鍍鋅，這種復(fù)

合處理縮短了工時，降低了能耗，也提高了工件的性能。

?離子輔助涂覆。在等離子輔助沉積技術(shù)中，將離子

鍍和濺射沉積所應(yīng)用的等離子體與氣相反應(yīng)物相結(jié)合，產(chǎn)

生一種稱為等離子輔助化學(xué)沉積（PCVD）的技術(shù)。若用

離子束代替等離子體來完成類似效應(yīng)的稱為離子輔助涂

覆。這種技術(shù)具有靈活性和重復(fù)性，可低溫操作，是一種

快速和可控的方法，通常用于高度精密表面處理以及普通

技術(shù)不能處理的一些表面。

7.3特種加工技術(shù)

顧名思義，特種加工技術(shù)就是一種采用不同于傳統(tǒng)切

削、磨削加工工藝及裝備的加工技術(shù)。它是將電、磁、聲、

光、熱等物理能量及化學(xué)能量或其組合乃至與機(jī)械能組合

直接施加在被加工的部位上，從而使材料被去除、變形及

改變性能等。

7.3.1特種加工的特點與分類

1.特種加工的特點

①工具材料的硬度可以大大低于工件材料的硬度。

-208-

②可直接利用電能、電化學(xué)能、聲能或光能等能量對

材料進(jìn)行加工。

③加工過程中的機(jī)械力不明顯，工件很少產(chǎn)生機(jī)械變

形和熱變形，有助于提高工件的加工精度和表面質(zhì)量。

④各種加工方法可以有選擇地復(fù)合成新的工藝方法，

使生產(chǎn)效率成倍地增長，加工精度也相應(yīng)提高。

⑤幾乎每產(chǎn)生一種新的能源，就有可能產(chǎn)生一種新的

特種加工方法。

2.特種加工方法適用的場合

①解決各種難切削材料的加工問題，如耐熱鋼、不銹

鋼、鈦合金、淬火鋼、硬質(zhì)合金、陶瓷、寶石、金剛石等

以及錯和硅等各種高強(qiáng)度、高硬度、高韌性、高脆性以及

高純度的金屬和非金屬的加工。

②解決各種復(fù)雜零件表面的加工問題如各種熱鍛模、

沖裁模和冷拔模的模腔和型孔、整體渦輪、噴氣渦輪機(jī)葉

片、炮管內(nèi)腔線以及噴油嘴和噴絲頭的微小異形孔的加工。

③解決各種精密的、有特殊要求的零件加工問題，如

航空航天、國防工業(yè)中表面質(zhì)量和精度要求都很高的陀螺

儀、伺服閥以及低剛度的細(xì)長軸、薄壁筒和彈性元件等的

機(jī)械制造工藝與夾具

加工。

3.特種加工的分類

特種加工發(fā)展至今雖有五十多年的歷史，但在分類方

法上并無明確規(guī)定。一般按能量形式和作用原理進(jìn)行劃分。

①電能與熱能作用方式：電火花成型與穿孔加工

（EDMX電火花線切割加工（WEDMX電子束加工（EBM）

和等離子體加工（PAMI

②電能與化學(xué)能作用方式：電解加工（ECM1電鑄

加工和刷鍍加工。

③電化學(xué)能與機(jī)械能作用方式：電解磨削（ECG1電

解玷磨（ECH\

④聲能與機(jī)械能作用方式：超聲波加工（USMX

⑤光能與熱能作用方式：激光加工（LBM工

⑥電能與機(jī)械能作用方式：離子束加工（IMX

⑦液流能與機(jī)械能作用方式：水射流切割（WJC\

磨料水噴射加工（AWJC）和擠壓拓磨（AFHX

在特種加工范圍內(nèi)還有一些屬于降低表面粗糙度和

改善表面性能的工藝，前者如電解熱拋光、化學(xué)拋光、離

子束拋光等；后者如電火花表面強(qiáng)化、鍍覆、電子束曝光、

-210-

離子束注入等。

7.3.2幾種典型的特種加工技術(shù)

1.電火花加工

電火花加工是在一定的液體介質(zhì)中，利用脈沖放電對

導(dǎo)電材料的電蝕來蝕除材料，從而使零件的尺寸、形狀和

表面質(zhì)量達(dá)到預(yù)定技術(shù)要求的一種加工方法。在特種加工

中，電火花加工的應(yīng)用最為廣泛，尤其在模具制造業(yè)、航

空航天等領(lǐng)域有著極為重要的地位。

（1）電火花加工的原理與特點

電火花加工是在如圖7-4所示的加工系統(tǒng)中進(jìn)行的。

加工時，脈沖電源的一極接工具電極，另一極接工件電極。

兩極均浸入具有一定絕緣度的液體介質(zhì)（常用煤油或礦物

油或去離子水）中。工具電極由自動進(jìn)給調(diào)節(jié)裝置控制，

以確保工具與工件在正常加工時維持一很小的放電間隙

（0.01~0.05mmX當(dāng)脈沖電壓加到兩極之間時，便將當(dāng)

時條件下極間最近點的液體介質(zhì)擊穿，形成放電通道。由

于通道的截面積很小，放電時間極短，致使能量高度集中，

放電區(qū)域產(chǎn)生的瞬時高溫（溫度高達(dá)10000~12000℃）

足以使材料熔化甚至蒸發(fā)，以致形成一個小凹坑。第1次

機(jī)械制造工藝與夾具

脈沖放電結(jié)束之后，經(jīng)過很短的間隔時間，第2個脈沖又

在兩極間最近點擊穿放電。如此周而復(fù)始高頻率地循環(huán)下

去，工具電極不斷地向工件進(jìn)給，它的形狀最終就復(fù)制在

工件上，形成所需要的加工表面。與此同時，總能量的一

小部分也釋放到工具電極上，從而造成工具損耗。

圖7-4電火花加工原理圖

由上可見，進(jìn)行電火花加工必須具備3個條件：必須

采用脈沖電源；必須采用自動進(jìn)給調(diào)節(jié)裝置，以保持工具

電極與工件電極間微小的放電間隙；火花放電必須在具有

一定絕緣強(qiáng)度(103~107am)的液體介質(zhì)中進(jìn)行。

電火花加工具有如下特點：可以加工任何高強(qiáng)度、高

硬度、高韌性、高脆性以及高純度的導(dǎo)電材料；加工時無

明顯機(jī)械力，適用于低剛度工件和微細(xì)結(jié)構(gòu)的加工；脈沖

參數(shù)可依據(jù)需要調(diào)節(jié)，可在同一臺機(jī)床上進(jìn)行粗加工、半

精加工和精加工；電火花加工后的表面呈現(xiàn)的凹坑，有利

于儲油和降低噪聲；生產(chǎn)效率低于切削加工；放電過程有

部分能量消耗在工具電極上，導(dǎo)致電極損耗，影響成型精

度。

(2)電火花加工的應(yīng)用

-212-

電火花加工主要用于模具中型孔、型腔的加工，已成

為模具制造業(yè)的主導(dǎo)加工方法，推動了模具行業(yè)的技術(shù)進(jìn)

步。電火花加工零件的數(shù)量在3000件以下時，比模具沖

壓零件在經(jīng)濟(jì)上更加合理。按工藝過程中工具與工件相對

運動的特點和用途不同，電火花加工可大體分為電火花成

型加工、電火花線切割加工、電火花磨削加工、電火花展

成加工、非金屬電火花加工和電火花表面強(qiáng)化等。

2.激光加工

激光加工是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的一種新興技

術(shù)，它是利用光能經(jīng)過透鏡聚焦后達(dá)到很高的能量密度，

依靠光熱效應(yīng)來加工各種材料。目前，激光加工已廣泛用

于打孔、切割、焊接、電子器件微調(diào)、表面處理以及信息

存儲等許多領(lǐng)域。

(1)激光加工的原理與特點

激光是一種經(jīng)受激輻射產(chǎn)生的加強(qiáng)光。其強(qiáng)度高，方

向性、相干性和單色性好，通過光學(xué)系統(tǒng)可將激光束聚焦

成直徑為幾十微米到幾微米的極小光斑，從而獲得極高的

能量密度(108~10i0W/cm2X當(dāng)激光照射到工件表面時,

光能被工件吸收并迅速轉(zhuǎn)化為熱能，光斑區(qū)域的溫度可達(dá)

機(jī)械制造工藝與夾具

10000℃以上，使材料熔化甚至汽化。隨著激光能量的不

斷吸收，材料凹坑內(nèi)的金屬蒸氣迅速膨脹，壓力突然增大,

熔融物爆炸式地高速噴射出來，在工件內(nèi)部形成方向性很

強(qiáng)的沖擊波。激光加工就是工件在光熱效應(yīng)下產(chǎn)生的高溫

熔融和沖擊波的綜合作用過程。

圖7-5所示是固體激光器中激光的產(chǎn)生和工作原理

圖。當(dāng)激光的工作物質(zhì)鉆鋁石榴石受到光泵（激勵脈沖錢

燈）的激發(fā)后，吸收具有特定波長的光，在一定條件下可

導(dǎo)致工作物質(zhì)中的亞穩(wěn)態(tài)粒子數(shù)大于低能級粒子數(shù)，這種

現(xiàn)象稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。此時一旦有少量激光粒子產(chǎn)生受激

輻射躍遷，造成光放大，再通過諧振腔內(nèi)的全反射鏡和部

分反射鏡的反饋作用產(chǎn)生振蕩，由諧振腔的一端輸出激光,

再通過透鏡聚焦形成高能光束，照射在工件表面上，即可

進(jìn)行加工。固體激光器中常用的工作物質(zhì)除了鉆鋁石榴石

外，還有紅寶石和錢玻璃等材料。

圖7-5固體激光器中激光的產(chǎn)生和工作原理圖

激光加工具有如下特點：它屬于高能束流加工，不存

在工具磨損更換問題；幾乎可以加工任何金屬與非金屬材

料；屬于非接觸加工，無明顯機(jī)械力，能加工易變形的薄

-214-

板和橡膠等彈性工件；加工速度快，熱影響區(qū)小;易實現(xiàn)

加工過程的自動化；激光可通過玻璃、空氣及惰性氣體等

透明介質(zhì)進(jìn)行加工，如對真空管內(nèi)部進(jìn)行焊接等；激光可

以通過聚焦，形成微米級的光斑,輸出功率的大小又可以

調(diào)節(jié)，因此可用于精密微細(xì)加工，?加工時不產(chǎn)生振動噪聲,

加工效率高，可實現(xiàn)高速打孔和高速切割；可以達(dá)到

0.01mm的平均加工精度和0.001mm的最高加工精度；

表面粗糙度區(qū)值可達(dá)

04~0.1Mmo

(2)激光加工的應(yīng)用范圍

激光加工的主要參數(shù)為激光的功率密度、激光的波長

和輸出的脈寬、激光照射在工件上的時間以及工件對能量

的吸收等。激光對材料的表面處理、焊接、切割和打孔等

都與上述參數(shù)有關(guān)。

①激光表面處理

這是近十年來激光加工領(lǐng)域中最為活躍的研究與開發(fā)

方向，發(fā)展了相變硬化、快速熔凝、合金化、熔覆等一系

列處理工藝。其中相變硬化和熔凝處理的工藝技術(shù)趨向成

熟并產(chǎn)業(yè)化。合金化和熔覆工藝無論對基體材料的適應(yīng)范

圍還是性能改善的幅度，都比前兩種工藝廣得多，因而發(fā)

機(jī)械制造工藝與夾具

展前景廣闊。

②激光焊接

它是基于大功率激光所產(chǎn)生的小孔效應(yīng)基礎(chǔ)上的深

熔焊接。它既是一種熔深大、速度快、單位時間熔合面積

大的高效焊接方法，又是一種焊縫深寬比大、比能小、熱

影響區(qū)小、變形小的精確焊接方法。當(dāng)激光的功率密度為

IO5~107W/cm2,照射時間為1/lOOs左右時，即可進(jìn)

行激光焊接。激光焊接一般無需焊料和焊劑，只需將工件

的加工區(qū)域"熱熔"在一起即可。

③激光切割

激光切割所需的功率密度為105~107W/cm2。它既

可以切割金屬材料，也可以切割非金屬材料。它還能透過

玻璃切割真空管內(nèi)的燈絲，這是任何機(jī)械加工所難以達(dá)到

的。

④激光打孔

激光打孔的功率密度一般為107~108W/cm2。它主

要應(yīng)用于在特殊零件或特殊材料上加工孔。如火箭發(fā)動機(jī)

和柴油機(jī)的噴油嘴、化學(xué)纖維的噴絲板、鐘表上的寶石軸

承和聚晶金剛石拉絲模等零件上的微細(xì)孔加工。

-216-

超聲激光復(fù)合加工是一種激光打孔新工藝，它是將超

聲波振動和激光束的作用復(fù)合起來。采用超聲調(diào)制的激光

打孔，不但能增加孔的加工深度，而且能改善孔壁質(zhì)量。

3.電子束加工

(1)電子束加工的原理與特點

電子束加工在真空中進(jìn)行其加工原理如圖7-6所示。

由電子槍射出的高速電子束經(jīng)電磁透鏡聚焦后轟擊工件表

面，在轟擊處形成局部高溫，使材料瞬時熔化和汽化，從

而達(dá)到材料去除、連接或改性的目的。控制電子束能量密

度的大小和能量注入的時間，可達(dá)到不同的加工目的。如

只使材料局部加熱，就可進(jìn)行電子束熱處理；使材料局部

熔化，就可進(jìn)行電子束焊接；提高電子束能量密度，使材

料熔化和汽化，就可進(jìn)行電子束打孔、切割等加工；利用

較低能量密度的電子束轟擊高分子材料時產(chǎn)生化學(xué)變化的

原理，即可進(jìn)行電子束光刻加工。

電子束加工具有如下特點：電子束可實現(xiàn)極其微細(xì)的

聚焦(可達(dá)O.lpim),可實現(xiàn)亞微米和納米級的精密微細(xì)

加工；電子束加工主要靠瞬時熱效應(yīng),工件不受機(jī)械力作

用，因而不產(chǎn)生宏觀應(yīng)力和變形；加工材料范圍廣泛，對

機(jī)械制造工藝與夾具

高強(qiáng)度、高硬度、高韌性的材料以及導(dǎo)體、半導(dǎo)體和非導(dǎo)

體材料均可加工；電子束的能量密度高，如果配合自動控

制加工過程，加工效率非常高；每秒鐘可在0.1mm厚的

鋼板上加工出3000個直徑為0.2mm的孔；電子束加工

在真空中進(jìn)行，污染少，加工表面不易氧化，尤其適合加

工易氧化的金屬及其合金材料，以及純度要求極高的半導(dǎo)

體材料。

(2)電子束加工的應(yīng)用范圍

電子束加工可用于打孔、切割、焊接、蝕刻和光刻等。

①高速打孔

電子束打孔的孔徑范圍為0.02~0.003mm。噴氣發(fā)

動機(jī)上的冷卻孑杯口機(jī)翼吸附屏的孔，其孔徑微小，孔數(shù)巨

大，達(dá)數(shù)百萬個，最適宜用電子束打孔。此外，還可以利

用電子束在人造革、塑料上高速打孔，以增強(qiáng)其透氣性.

②加工型孔

為了使人造纖維的透氣性好，更具松軟和富有彈性，

人造纖維的噴絲頭型孔往往設(shè)計成各種異形截面，這些異

形截面最適合采用電子束加工。

③加工彎孑麗曲面

-218-

借助于偏轉(zhuǎn)器磁場的變化，可以使電子束在工件內(nèi)部

偏轉(zhuǎn)方向，可加工曲面和彎孔。

此外，還可以利用電子束進(jìn)行焊接、切割、刻蝕、表

面熱處理和光刻。由于電子束加工的成套設(shè)備價格昂貴,

其應(yīng)用受到一定限制。

4.離子束加工

離子束加工的原理與電子束加工基本類似，也是在真空

條件下，將離子源產(chǎn)生的離子耨過加速后，撞擊在工件表

面上，引起材料變形、破壞和分離。由于離子帶正電荷，其

質(zhì)量是電子的千萬倍,因此離子束加工主要靠高速離子束的

衢見楣嵋相能，而不曷象電子束加注要靠《^。圖

7-7所示為離子束加工理圖。惰性氣體氯氣由入口注入電

離室，灼熱的燈絲發(fā)射電子，電子在陽極的吸引和電聯(lián)圈

的偏轉(zhuǎn)作用下,向下高速作螺旋運動。氮在高速電子的撞擊

下被電離成離子”日極和陰極各有數(shù)百個上下位量寸齊、直

徑為0.3mm的小孔，形成數(shù)百條較準(zhǔn)直的離子束，均勻分

布在直徑為50mm的圓面積上。通過調(diào)整加速電壓，可以

得到不同速度的離子束，以實現(xiàn)不同的加工。

(1)離子束加工的特點

機(jī)械制造工藝與夾具

①離子束轟擊工件的材料時，其束流密度和能量可以

精確控制，因此可以實現(xiàn)納米級的加工，是當(dāng)代納米加工

技術(shù)的基礎(chǔ)；

②離子束加工在真空中進(jìn)行，污染少，特別適宜加工

易氧化的金屬、合金、高純度的半導(dǎo)體材料；

③離子束加工的宏觀壓力小，因此加工應(yīng)力小，熱變

形小，加工表面質(zhì)量非常高。

④離子束加工設(shè)備費用高、成本高、加工效率低，其

應(yīng)用范圍受到一定限制。

(2)離子束加工的應(yīng)用范圍

①離子刻蝕

它是由能量為0.5~5keV、直徑為十分之幾納米的氮

離子轟擊工件，將工件表層的原子逐個剝離的。這種加工

本質(zhì)上屬于一種原子尺度上的切削加工，所以也稱為離子

銃削。這就是近代發(fā)展起來的納米加工工藝。

②離子濺射沉積

離子濺射沉積本質(zhì)上是一種鍍膜加工。它也是采用

0.5~5keV的氮離子轟擊靶材，并將靶材上的原子擊出,

淀積在靶材附近的工件上，使工件表面鍍上一層薄膜。

-220-

③離子鍍膜

離子鍍膜也稱離子濺射輔助沉積，同樣屬于一種鍍膜

加工。它將0.5~5keV能量的氮離子分成兩束，同時轟擊

靶材和工件表面，以增強(qiáng)膜材與工件基材之間的結(jié)合力。

也可將靶材高溫蒸發(fā)，同時進(jìn)行離子鍍。

④離子注入

離子注入是采用5~500keV能量的離子束，直接轟

擊被加工材料。在如此大的能量驅(qū)動下，離子能夠鉆入材

料表層，從而達(dá)到改變材料化學(xué)成分的目的。可以根據(jù)不

同的目的選用不同的注入離子，如磷、硼、碳、氮等，以

實現(xiàn)材料的表面改性處理，從而改變工件表面層的機(jī)械物

理性能。

5.水射流加工

水射流加工技術(shù)是在20世紀(jì)70年代初出現(xiàn)的。開始

時只是在大理石、玻璃等非金屬材料上用作切割直縫等簡

單作業(yè)。經(jīng)過三十多年的開發(fā)，現(xiàn)已發(fā)展成為能夠切削復(fù)

雜的三維形狀的工藝方法。水射流加工特別適合于各種軟

物質(zhì)有機(jī)材料的去毛刺和切割等加工，是一種“綠色"加

工方法。

機(jī)械制造工藝與夾具

(1)水射流加工的基本原理

水射流加工是利用水或加入添加劑的水液體,經(jīng)水泵

至儲液蓄能器使高壓液體流動平穩(wěn)，再經(jīng)增壓器增壓，使

其壓力達(dá)到70~400MPa,最后由人造藍(lán)寶石噴嘴形成

300~900m/s的高速液體流，噴射到工件表面，從而達(dá)

到去除材料的加工目的，如圖7-8所示。高速液體流的

能量密度可達(dá)1010W/mm2,流量為7.5L/min,這種液

體的高速沖擊，具有固體的加工作用。

圖7-8水射流加工示意圖

1一帶有過濾器的水箱；2—水泵；3—儲液蓄能器；4一控制器；5—閥；6

一藍(lán)寶石噴嘴；

7一射流束；8—工件；9TF水口；10—壓射距離；11—液壓系統(tǒng)；12—

增壓器

(2)水射流加工的特點

①采用水射流加工時，工件材料不會受熱變形，切縫

很窄(0.075~0.40mm),材料利用率高，加工精度一般

可達(dá)0.075~0.1mm。

②高壓水束不會變鈍，各個方向都有切削作用，使用

水量不多；加工時不需要進(jìn)刀槽、孔，工件上任意一點都

能開始和結(jié)束切削，可加工小半徑的內(nèi)圓角；與數(shù)控系統(tǒng)

相結(jié)合，可以進(jìn)行復(fù)雜形狀的自動加工。

-222-

③加工區(qū)溫度低，切削中不產(chǎn)生熱量，無切屑、無毛

刺、無煙塵、無雜質(zhì)等，加工產(chǎn)物混入液體排出，故無灰

塵、無污染，適合于木材、紙張、皮革等易燃材料的加工。

④水射流加工的流束直徑為0.05~0.38mm,加工的

材料除大理石、玻璃外，還可以加工金屬材料。目前，水

射流加工已廣泛應(yīng)用于普通鋼、不銹鋼、鋁、銅、鉛、鈦

合金板，以至塑料、陶瓷、膠合板、石棉、混凝土、巖石、

玻璃纖維板、橡膠、地毯、棉布、紙、塑料、皮革、軟木、

復(fù)合材料等80種材料的切削，最大厚度可達(dá)100mm.

6.復(fù)合加工

當(dāng)把兩種或兩種以上的能量形式（包括機(jī)械能）合理

地組合在一起，就發(fā)展成復(fù)合加工。復(fù)合加工有很大的優(yōu)

點，它能成倍地提高加工效率和進(jìn)一步改善加工質(zhì)量，是

特種加工技術(shù)的發(fā)展方向。下面簡單介紹幾種復(fù)合加工。

（1）電解磨削

電解磨削是利用電解作用與機(jī)械磨削相結(jié)合的一

種復(fù)合加工方法。如圖7-9所示，高速旋轉(zhuǎn)的導(dǎo)電砂

輪接直流電源負(fù)極，工件（刀具）接直流電源正極。

電解磨削時，導(dǎo)電砂輪和工件間保持一定的接觸壓力，

機(jī)械制造工藝與夾具

砂輪表面外凸的磨粒使砂輪導(dǎo)電體與工件間有一定間

隙。當(dāng)電解液從間隙中流過時，工件出現(xiàn)陽極溶解，

工件表面形成一層較軟的薄膜，它很容易被導(dǎo)電砂輪

上的磨粒磨除，于是工件上又露出新的金屬表面并進(jìn)

一步電解。在加工過程中，電解作用與磨削作用交替

進(jìn)行，其中電解作用是主要的，最后達(dá)到加工要求。

圖7-9電解磨削原理圖

(2)超聲電解復(fù)合拋光

超聲電解復(fù)合拋光是超聲波加工和電解加工復(fù)合而

成的，它可以獲得優(yōu)于靠單一電解或單一超聲波拋光的拋

光效率和表面質(zhì)量。超聲電解復(fù)合拋光的加工原理如圖

7-10所示。拋光時，工件接正極，工具接直流電源負(fù)極，

工件與工具間通入鈍化性電解液。高速流動的電解液不斷

在工件待加工表面生成鈍化軟膜，工具則以極高的頻率進(jìn)

行拋磨，不斷地將工件表面凸起部位的鈍化膜去掉。被去

掉鈍化膜的表面迅速產(chǎn)生陽極溶解，溶解下來的產(chǎn)物不斷

被電解液帶走。而工件凹下去部位的鈍化膜，工具拋磨不

到，因此不溶解。這個過程一直持續(xù)到將工件表面整平時

為止。工具在超聲波振動下，不但能迅速去除鈍化膜，而

-224-

且在加工區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的“空化"作用可增強(qiáng)電化學(xué)反應(yīng),

進(jìn)一步提高工件表面凸起部位金屬的溶解速度。

(3)超聲電火花復(fù)合拋光

超聲電火花復(fù)合拋光是在超聲波拋光的基礎(chǔ)上發(fā)展起

來的。這種復(fù)合拋光的加工效率比純超聲機(jī)械拋光要高出

3倍以上，表面粗糙度用值可達(dá)0.2~0.1pm,特別適合

于小孔、窄舞以及小型精密表面的拋光。超聲電火花拋光

的工作原理如圖7-11所示。拋光時，工具接脈沖電源的

負(fù)極，工件接正極，在工具和工件間通入乳化液作電解液。

這種電解液的陽極溶解作用雖然微弱，但有利于工件的拋

光。拋光過程中，超聲的"空化”作用一方面會使工件表

面軟化，有利于加速金屬的剝離；另一方面使工件表面不

斷出現(xiàn)新的金屬尖峰這樣不但增加了火花放電的分散性,

而且給放電加工造成了有利條件。超聲波拋磨和放電交錯

而連續(xù)進(jìn)行，不僅提高了拋光速度，而且提高了工件表面

材料去除的均勻性.

圖7-10超聲電解復(fù)合拋光原理圖圖7-11超聲電火花復(fù)合拋

光原理圖

*7.4現(xiàn)代制造生產(chǎn)模式

7.4.1并行工程

機(jī)械制造工藝與夾具

1.并行工程的概念

長期以來，人們一直采用串行工程的方法從事產(chǎn)品的

研制和開發(fā)。所謂串行工程,如圖7-12所示，即在前一

工作環(huán)節(jié)完成之后才開始后一工作環(huán)節(jié)的工作，各個工作

環(huán)節(jié)的作業(yè)在

圖7-12串行工程工作方式

時序上沒有重疊和反饋，即使有反饋，也是事后的反饋。

在這種作業(yè)方法下，只有市場人員參與產(chǎn)品的概念設(shè)計工

作，其他工作人員只是被動接受前一階段的工作結(jié)果。這

樣，不能在產(chǎn)品設(shè)計階段就能及早地考慮后續(xù)的工藝設(shè)計、

制造裝配、質(zhì)量保證、維修服務(wù)等問題，致使各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)

前后脫節(jié)，設(shè)計改動量大，產(chǎn)品的開發(fā)周期長、成本高。為

了提高市場競爭能力，以最快的速度設(shè)計、生產(chǎn)出高質(zhì)量的

產(chǎn)品，20世紀(jì)80年代末凌國和一些西方工業(yè)國家出現(xiàn)了

一種叫陰亍工程(ConcurrentEngineering,CE)的

式。這種生產(chǎn)方式是將時間上先后的知識處理和作業(yè)實施過

程轉(zhuǎn)變?yōu)橥瑫r考僦返可能同時處理的一種作則式,如圖

7-13漏

圖7-13并行工程工作方式

-226-

2.并行工程的特征

(1)并行特征

并行工程的最大特點是把時間上的先后作業(yè)過程轉(zhuǎn)變

為同時考慮和盡可能同時處理的過程，在產(chǎn)品的設(shè)計階段

就并行地考慮了產(chǎn)品整個生命周期中的所有因素，避免將

設(shè)計錯誤傳遞到下步階段，減少不必要的環(huán)節(jié)，使產(chǎn)品開

發(fā)過程更趨合理、高效。這種生產(chǎn)模式，當(dāng)產(chǎn)品設(shè)計工作

結(jié)束后，后續(xù)的制造、檢驗和維護(hù)環(huán)節(jié)較為方便、容易，

可使產(chǎn)品開發(fā)研制周期明顯縮短。但必須強(qiáng)調(diào)的是，并行

工程不能省去產(chǎn)品串行工程中的任一環(huán)節(jié)，不是將產(chǎn)品的

設(shè)計和其他生產(chǎn)環(huán)節(jié)重疊或同時進(jìn)行。

(2)整體特征

并行工程哲理認(rèn)為，制造系統(tǒng)包括制造過程是一個有

機(jī)的整體，在似乎相互獨立的各個制造過程和知識處理單

元之間，實質(zhì)上存在著不可分割的內(nèi)在聯(lián)系，特別是豐富

的雙向信息聯(lián)系，如圖7-14所示。并行工程強(qiáng)調(diào)全局性

地考慮問題，即產(chǎn)品研制者從一開始就考慮到產(chǎn)品整個生

命周期中的所有因素，追求整體最優(yōu)，有時為了保證整體

最優(yōu)，甚至可能不得不犧牲局部的利益。

機(jī)械制造工藝與夾具

(3)協(xié)同特征

并行工程特別強(qiáng)調(diào)團(tuán)隊設(shè)計小組的協(xié)同工作

(Teamwork\現(xiàn)代產(chǎn)品的功能和特性越來越復(fù)雜，產(chǎn)品

開發(fā)過程涉及的學(xué)科門類和專業(yè)人員也越來越多，要取得

產(chǎn)品開發(fā)過程的整體最優(yōu)，其關(guān)鍵是如何很好地發(fā)揮人們

的群體作用。為此，并行工程非常注重協(xié)同的組織形式、

協(xié)同的設(shè)計思想以及所產(chǎn)生的協(xié)同效益。

(4)集成特征

集成特征具有如下4個特點。

①人員集成。管理者、設(shè)計者、制造者、支持者(質(zhì)

量、銷售、采購、維護(hù)等)以至用戶集成為一個協(xié)調(diào)的整

體。

②信息集成。產(chǎn)品全生命周期中各類信息的獲取、表

示、處理及操作工具的集成和統(tǒng)一管理。

③功能集成。產(chǎn)品全生命周期中企業(yè)內(nèi)各部門功能集

成，以及產(chǎn)品開發(fā)企業(yè)與外部協(xié)作企業(yè)間的功能集成。

④技術(shù)集成。產(chǎn)品開發(fā)全過程中涉及的多學(xué)科知識以

及各種技術(shù)、方法的集成，形成集成的知識庫、方法庫。

-228-

7.4.2精益生產(chǎn)

1.精益生產(chǎn)的基本概念

精益生產(chǎn)(又稱精良生產(chǎn))，被美國人稱之為

"LeanProduction",簡稱LP,原意是"瘦型"胡方式。

精益生產(chǎn)簡練的含義就是運用多種現(xiàn)代管理方法和手段，

以社會需求為依托，以充分發(fā)揮人的作用為根本，有效配

置和合理使用企業(yè)資源，為企業(yè)謀求經(jīng)濟(jì)效益的一種新型

企業(yè)生產(chǎn)方式。

2.精益生產(chǎn)方式的思維特點

(1)逆向思維方式

精益生產(chǎn)的思維方式大多都是逆向思維、風(fēng)險思維，

很多問題都是倒過來看，也是倒過來干的。比如，我們一

般認(rèn)為銷售是生產(chǎn)經(jīng)營的終點，而精益生產(chǎn)卻把銷售看成

是起點，而且把用戶看成是生產(chǎn)制造過程的組成部分；傳

統(tǒng)的生產(chǎn)方式一直是“推動式”的，從上到下發(fā)指令，從

前道工序送到后道工序，一道道往后推，而精益生產(chǎn)卻是

由后道工序拉動前道工序；過去總認(rèn)為超前生產(chǎn)是好事，

而精益生產(chǎn)卻認(rèn)為超前生產(chǎn)是無效勞動，是一種浪費。

(2)逆境中的拼搏精神

機(jī)械制造工藝與夾具

精益生產(chǎn)方式是市場競爭的產(chǎn)物，來自于逆境中的拼

搏精神。例如，豐田公司在開始時十三年的轎車?yán)塾嫯a(chǎn)量

還不及福特公司一天產(chǎn)量的40%，在相差這樣懸殊的條件

下，他們卻敢于提出趕上美國，走出一條新路子。經(jīng)過二

十年努力，終于把理想變成現(xiàn)實。

(3)無止境的盡善盡美追求

在思維方法上，精益生產(chǎn)與以往生產(chǎn)經(jīng)營目標(biāo)的根本

差別在于追求盡善盡美。大量生產(chǎn)追求的是有限目標(biāo)，可

以容忍一定的廢品率和最大限度的庫存。精益生產(chǎn)則追求

完全的目標(biāo)，低成本、無廢品、零庫存和產(chǎn)品多種多樣，

而且永無止境地提高，不斷奮斗。精益生產(chǎn)認(rèn)為，允許出

錯誤，錯誤就會不斷發(fā)生，所以從開始就不應(yīng)出錯。

3.精益生產(chǎn)方式的特征

精益生產(chǎn)方式綜合了單件生產(chǎn)與大量生產(chǎn)的優(yōu)點，既

避免了前者的高成本，又避免了后者的僵化，在內(nèi)容和應(yīng)

用上具有如下特征.

①以銷售部門作為企業(yè)生產(chǎn)過程的起點，產(chǎn)品開發(fā)與

產(chǎn)品生產(chǎn)均以銷售為起點，按訂貨合同組織多品種小批量

生產(chǎn)。

-230-

②產(chǎn)品開發(fā)采用并行工程方法和主查制確保高質(zhì)量、

低成本，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，滿足用戶要求。

③在生產(chǎn)制造過程中實行“拉動式”的準(zhǔn)時化生產(chǎn),

把上道工序推動下道工序生產(chǎn)變?yōu)橄碌拦ば蛞罄瓌由系?/p>

工序生產(chǎn)，杜絕一切超前、超量生產(chǎn)。

④以"人"為中心，充分挖掘和調(diào)動人的潛能和積極

性，普遍推行多機(jī)器操作，多工序管理，并把工人組成作

業(yè)小組，不僅完成生產(chǎn)任務(wù)，而且參與企業(yè)管理，從事各

種革新活動，提高勞動生產(chǎn)率。

⑤追求無廢品、零庫存、零故障等目標(biāo)，降低產(chǎn)品成

本，保證產(chǎn)品多樣化。

⑥消除一切影響工作的“松弛點"，以最佳工作環(huán)境、

最佳條件和最佳工作態(tài)度從事最佳工作，從而全面追求盡

善盡美，適應(yīng)市場多元化要求，用戶需要什么則生產(chǎn)什么，

需要多少就生產(chǎn)多少，達(dá)到以盡可能少的投入獲取盡可能

多的產(chǎn)出。

⑦把主機(jī)廠與協(xié)作廠之間存在的單純買賣關(guān)系變成利

益共同的"共存共榮"的"血緣關(guān)系"，把70%左右零部

件的設(shè)計、制造委托給協(xié)作廠進(jìn)行，主機(jī)廠只完成約30%

機(jī)械制造工藝與夾具

的設(shè)計、制造任務(wù)。

7.4.3敏捷制造

1,敏捷制造的內(nèi)涵

美國機(jī)械工程師學(xué)會（ASME）主辦的《機(jī)械工程》

雜志1994年期刊中，對敏捷制造作了如下定義："敏捷制

造就是指制造系統(tǒng)在滿足低成本和高質(zhì)量的同時，對變幻

莫測的市場需求的快速反應(yīng)"。因此，敏捷制造的企業(yè)，其

敏捷能力應(yīng)當(dāng)反映在以下6個方面。

①對市場的快速反應(yīng)能力。判斷和預(yù)見市場變化并對

其快速地作出反應(yīng)的能力。

②競爭力。企業(yè)獲得一定生產(chǎn)力、效率和有效參與競

爭所需的技能。

③柔性。以同樣的設(shè)備與人員生產(chǎn)不同產(chǎn)品或?qū)崿F(xiàn)不

同目標(biāo)的能力。

④快速。以最短的時間執(zhí)行任務(wù)（如產(chǎn)品開發(fā)、制造、

供貨等）的能力。

⑤企業(yè)策略上的敏捷性。企業(yè)針對競爭規(guī)則及手段的

變化、新的競爭對手的出現(xiàn)、國家政策法規(guī)的變化、社會

形態(tài)的變化等作出快速反應(yīng)的能力。

-232-

⑥企業(yè)日常運行的敏捷性。企業(yè)對影響其日常運行的

各種變化，如用戶對產(chǎn)品規(guī)格、配置及售后服務(wù)要求的變

化、用戶定貨量和供貨時間的變化、原料供貨出現(xiàn)問題及

設(shè)備出現(xiàn)故障等作出快速反應(yīng)的能力。

2.敏捷制造的主要概念

①全新企業(yè)概念。將制造系統(tǒng)空間擴(kuò)展到全國乃至全

世界，通過企業(yè)網(wǎng)絡(luò)建立信息交流高速公路，建立"虛擬

企業(yè)"，以競爭能力和信譽為依據(jù)選擇合作伙伴，組成動態(tài)

公司。

②全新的組織管理概念。簡化過程，不斷改進(jìn)過程；

提倡以"人"