项目 7 机械制造技术新发展 本项目要点： 制造自动化技术的发展 精密加 与超精密加 非传统加 方法 先进制造技术
机械制造技术基础 项目 7 制造技术的新发展 Development of Manufacturing Technology 7. 1 制造自动化技术的发展 Development of Automation Technology for Manufacturing 2
7. 1. 1 制造自动化技术的主要形式 表 1 -1 比较项目 刚性自动化 三种自动化形式比较 柔性自动化 综合自动化 减轻 人劳动强度， 除左外，提高设计 度，节省劳动力，保证加 作与管理 作效率 实现目标 保证加 质量，降低生产成本， 和质量，提高对市场 低生产成本 缩短产品制造周期 的响应能力 控制对象 特点 关键技术 物流 物流 物流，信息流 通过机、电、液 以硬件为基础，以软 不仅针对具体操作和 气等硬件控制方式 件为支持，改变程序即 人的体力劳动，而且 实现，因而是刚性 可实现所需的转变，因 涉及脑力劳动以及设计、 的，变动困难 而是柔性的 经营管理等各方面 数控技术，计算机控 系统 程，信息技术， 继电器程序控制 技术，经典控制论 制，GT，现代控制论 计算机技术，管理技术 CAD/CAM系统， NC机床，加 中心， 自动机床、组合 典型系统 MRPⅡ，CIMS 机床，机械手，自 业机器人，DNC， 与装备 FMC，FMS 动生产线 应用范围 大批大量生产 多品种、中小批量生产 各种生产类型 3
7. 1. 1 制造自动化技术的主要形式 20年代 刚性自动化 图 7 -1 汽车后桥齿轮箱加 自动线 4
7. 1. 1 制造自动化技术的主要形式 50年代 柔性自动化 图 7 -2 焊接机器人 70年代 图 7 -3 综合自动化 5
7. 1. 1 制造自动化技术的主要形式 Groover产品寿命周期模型 （7 -1） 式中 TTLC —— 生产某种产品所需总时间； B —— 批数； Q —— 批量； T 1 —— 单件 时； T 2 —— 每批产品所需生产准备时间（包括原材料订 货时间，制定生产计划时间， 艺装备调整 时间 …）； T 3 —— 每种产品所需设计及生产准备时间（产品设 计， 艺设计， 艺装备设计与制造…）。 6
7. 1. 1 制造自动化技术的主要形式 式（1 -1）两边除以 BQ ，得到： （7 -2） 式中 TLC —— 生产每件产品所需平均时间 式（1 -2）即为 Groover 产品寿命周期模型 TLC 是一个综合指标，减小 TLC 常被作为生产活动追求的 目标 ◆ 刚性自动化：着眼降低 T 1 ◆ 柔性自动化：着眼降低 T 1 和T 2（部分） ◆ 综合自动化：同时减小 T 1、T 2 、T 3，特别是 T 2 和 T 3 ， 因而在多品种、中小批量生产中具有重要意义 7
7. 1. 2 自动化加 技术 本节仅讨论中小批量生产中广泛使用的柔性制造系统 （Flexible Manufacturing System——FMS） q 柔性制造系统的组成 厂计算机 中央计算机 夹具站 物流控制计算机 自动 仓库 信 息 传 输 网 络 加 单元1 加 单元2 加 单元n 运输小车 图 7 -4 FMS的组成 8
7. 1. 2 自动化加 技术 q 加 单元 CNC（MC）机床 作台架（暂存 件） 机器人或托盘交换装置 检测、监控装置 ◆设备运行状态监控与检测（图 7 -5） 传 感 器 群 学习 训练 信号 采集 预处理 特征提取 正常状 态模式 预诊断 知识库 预维修 知识库 匹配 状态 预知 输 状态 异常 诊断 故障 预维修 出 监控检 测报告 识别 报警 决策 图 7 -5 设备运行状态监控与检测框图 9
7. 1. 2 自动化加 技术 ◆ 加 过程监控与检测 重点是刀具磨损、破损监控与检测。图 7 -6为声发射钻头破损 检测装置示意图。加 过程中，一旦钻头破损，声发射传感 器检测到钻头破损信号，将其送至钻头破损检测器进行处理。 钻头破损检测器 内存有以往采集 的钻头破损的信 号或钻头破损模 拟信号，与检测 信号进行比较。 当钻头破损被确 认后，发出换刀 信号。 交换 折断 件 声发射 传感器 作台 机床 控制器 钻头破损 检测器 破损信号 图 7 -6 声发射钻头破损检测装置系统图 10
7. 1. 2 自动化加 技术 q 物料传输系统 ◆ 自动仓库（图 7 -7） 又称立体仓库或自动化 仓库系统（Automated Storage and Retrieva 1 System一AS／RS）， 由高层料架 、堆垛机、 控制计算机和物料识别 装置等组成。具有自动 化程度高、料位空间尺 寸和额定存放重量大、 料位总数可根据实际需 求扩展、占地面积小等 优点。 运输小车 料架 堆垛机 出入库装卸站 图 7 -7 自动仓库 11
7. 1. 2 自动化加 技术 ◆ 传输装置 滚式 传送带 链式（传送带由于柔性差，目前较少使用） 带式 电磁式（图 7 -8） 有轨 固定路线 光电式（图 7 -9） 运输小车 …… 无轨（AGV） 随机路线 机器人 固定式机器人 行走式机器人 12
7. 1. 2 自动化加 技术 ◎电磁导向方式原理（图 7 -8） 在地面上埋设引导电缆，并通以 5～ 10 k. Hz的低压电流。 小车上装有对称的一组信号拾取线圈。当小车偏向右方 时，右方的感应信号减弱，左方的增强，控制器根据这 些信号的强弱，控制小车的舵轮。 转向舵 信号拾 取线圈 比较放大电路 引导电缆 图 7 -8 电磁引导原理 13
7. 1. 2 自动化加 技术 ◎光学引导方式原理（图 7 -9） 沿小车预定路径在地面上粘贴易反光的反光带（铝带或尼 龙带），小车上装有发光器和受光器。发出的光经反光带 反射后由受光器接受，并将该光信号转换成电信号控制小 车的舵轮。 信号孔 感光元件 光道 反光带 光源 图 7 -9 光学引导原理 14
7. 1. 2 自动化加 技术 ◆ 切屑处理系统 断屑 加 部位封闭 排屑 机床、 夹具设计要便于排屑 冷却液冲，或压缩空气吹 切屑输送（通常采用地下输送管道） 切屑再处理（打包） 15
7. 1. 2 自动化加 技术 q 计算机控制系统 ◆ 厂计算机：制定、修改、更新生产（作业）计划； 对中央计算机和物流计算机进行控制。 ◆ 中央计算机：根据 厂计算机制定的作业计划对各加 单元进行监视与控制。 ◆ 物流计算机：根据 厂计算机制定的作业计划对自动仓 库、堆垛机、缓冲站、运输小车等进行监 视与控制。 ◆ 单元控制器：监视与控制机床加 、检测、上下料 … ◆ 信息传输网络：在控制计算机与单元控制器之间进行信 息传递。 16
7. 1. 2 自动化加 技术 ◆ JCS-FMS-1控制级结构 中央管理计算机 FM-11 AD 2+ 物流控制计算机 管理级 局域网络LAN 单元级 设备级 单元控制机 CNC 车床 CNC 磨床 单元控制机 CNC 车床 文件库 自动编程机 单元控制机 立式 MC 卧式 MC 图 7 -10 JCS-FMS-1控制级结构 17
7. 1. 2 自动化加 技术 q FMS特点 ◆以GT为基础 —— 生产零件的品种由 4至 100种不等（20～ 30种居多） 生产零件的批量由 40至 2000件不等（50～ 200件居多） 大部分加 对象为相似零件（个别例外） ◆具有较大柔性 —— 可加 多种零件 没有固定的生产节拍 故障可容（一台机床出现故障，其它机床可进行拟补） ◆高度自动化 —— 除毛坯准备与毛坯安装外全部自动化 可在不停机的条件下实现加 件的自动转换 24小时运行，只一班有人 ◆控制与管理相结合——可自动实现系统内的计划、调度 —— 18
7. 1. 2 自动化加 技术 q FMS应用 刚 批量 性 10, 000 线 生产 产量 FML 柔性 1000 FMS 100 FMC 10 数控机床 通用机床 0 10 1000 品种 图 7 -11 零件品种、批量与自动化加 方式 19
7. 1. 2 自动化加 技术 q FMS实例（1） 图 7 -12 飞机零件加 FMS（ Cincinnati ） 1—装卸站 2—运输小车 3—MC 4—切屑处理站 5—清洗站 6—检测站 7—手 检测站 8—计算机室 9 —小车维修站 10 —包装站 20
7. 1. 2 自动化加 技术 冲床 q FMS实例（2） 图 7 -13 冲压FMS 21
7. 1. 3 自动检测技术 q 自动检测内容 Ø 自动化传送和装卸被测件； Ø 自动完成检测过程； Ø 传送/装卸与检测过程全部自动化。 q 自动检测系统 Ø 多采用传感器/计算机反馈控制系统 q 自动检测传感技术 Ø 接触式传感器：检测尺寸、形状、相互位置 Ø 非接触式传感器（光学、非光学）：无接触变形，速度快 q “十分之一” 与“三分之一”原则 Ø 十分之一原则：测量不准确度≤ 件容差的1/10 Ø 三分之一原则：测量精密度≤ 件许用精密度的1/3（用 标准差σ表示） 22
7. 1. 3 自动检测技术 q 离线与在线检测 Ø离线检测：过程稳定，超差风险小 Ø在线/过程中检测：实时，瓶颈 序 Ø在线/过程后检测：滞后时间短，应用较多 离线检测 PROC AUT 抽样 在线/过程后检测 在线/过程中检测 反馈信号 PROC AUT INSP MAN 分类指令 SORT AUT 成品 废品 INSP MAN 图 7 -14 三类检测 23
7. 1. 3 自动检测技术 q 坐标测量机 Ø结构形式 悬臂式结构：测头易于接近 件，刚性差 桥式结构：刚性好，应用广泛 立柱式结构：结构与立车相似 门架式结构：结构与门式起重机相似，用于大件测量 a） b） c） 图 7 -15 坐标测量机的结构形式 d） 24
7. 1. 3 自动检测技术 Ø 操作控制 手动控制：人 完成 计算机辅助手动控制：计算机完成数据处理和相关计算 计算机辅助电动控制：电机驱动测头，计算机完成数据 处理和相关计算 直接计算机控制：同CNC Ø 编程方法 示教再现编程：似机器人编程 数控编程：离线 25
7. 1. 3 自动检测技术 Ø 可完成测量项目 表 7 -2 坐标测量机可完成的测量项目 尺寸 孔径与孔中心线坐标 圆柱体轴心线与直径 球心坐标与球面半径 平面度 两平面夹角 两平面的平行度 两条线的交点与交角 测量原理 由两个给定面坐标的差值确定尺寸 测量孔上3点，计算确定孔径与孔中心线坐标 测量圆柱面上3点，计算确定轴心线与直径 测量球面上4点，计算确定球心坐标与球面半径 用 3点接触法测定，与理想平面比较确定平面度 按平面上3个触点最小值规定平面，再计算夹角 根据两平面交角确定平行度 先确定两线夹角，再测定交点 26
7. 1. 3 自动检测技术 Ø 实物照片 27
机械制造技术基础 第 7章 制造技术的发展 Development of Manufacturing Technology 7. 2 精密制造技术 Precision Manufacturing Technology 28
7. 2. 1 精密与超精密加 技术 概述 ◆精密加 —— 在一定的发展时期，加 精度和表面质 量达到较高程度的加 艺。 超精密加 —— 在一定的发展时期，加 精度和表面 质量达到最高程度的加 艺。 ◆瓦特改进蒸汽机 —— 镗孔精度 1 mm 20 世纪 40 年代 —— 最高精度 1μm 20 世纪 末 —— 精密加 ：≤ 0. 1μm，Ra ≤ 0. 01μm（亚微米加 ） 超精密加 ：≤ 0. 01μm ，Ra≤ 0. 001μm（纳米加 ） ◆微细加 —— 微小尺寸的精密加 超微细加 ——微小尺寸的超精密加
7. 2. 1 精密与超精密加 技术 ◆ 几种典型精密零件的加 精度（表 7 -3） 表 7 -3 几种典型精密零件的加 精度 零件 加 精 度 表面粗糙度 形状误差 0. 1μm Ra 0. 01～ 0. 05μm 多面镜 平面度误差 0. 04μm Ra ＜ 0. 02μm 磁头 平面度误差 0. 04μm Ra ＜ 0. 02μm 磁盘 波度 0. 01 ～ 0. 02μm Ra ＜ 0. 02μm 雷达导波管 平面度垂直度误差 ＜ 0. 1μm Ra ＜ 0. 02μm 卫星仪表轴承 圆柱度误差 ＜ 0. 01μm Ra ＜ 0. 002μm 天体望远镜 形状误差 ＜ 0. 03μm Ra ＜ 0. 01μm 激光光学零件 ◆ 精密加 与超精密加 的发展（图 7 -17）
7. 2. 1 精密与超精密加 技术 加 设备 车床, 铣床 加 误差（μm） 101 精密加 100 10 -1 超精密加 10 -2 坐标镗床 坐标磨床 气动测微仪 光学比较仪 光学磁尺 电子比较仪 激光测长仪 圆度仪轮廓仪 超高精密磨床 激光高精度 超精密研磨机 测长仪 10 -3 1900 百分尺 比较仪 超精密磨床 精密研磨机 普通加 精密车床 磨床 金刚石车床 精密磨床 102 测量仪器 卡尺 1920 1940 1960 1980 离子束加 扫描电镜 分子对位加 电子线分析 仪 2000 年份 图 7 -17 精密加 与超精密加 的发展（Taniguchi，1983） 31
7. 2. 1 精密与超精密加 技术 q 精密与超精密加 地位 Ø 精密与超精密加 技术是一个国家制造业水平重要标志 例：美国哈勃望远镜形状精度 0. 01μm；超大规模集成电路 最小线宽 0. 1μm，日本金刚石刀具刃口钝圆半径达 2 nm Ø 精密加 与超精密加 技术是先进制造技术基础和关键 例：美国陀螺仪球圆度 0. 1μm，粗糙度Ra 0. 01μm，导弹命 中精度控制在 50 m范围内；英国飞机发电机转子叶片加 误 差 从 60μm降 至 12μm， 发 电 机 压 缩 效 率 从 89%提 高 到 94%；齿形误差从3 -4μm减小 1μm，单位重量齿轮箱扭矩 可提高一倍 Ø 精密加 与超精密加 技术是新技术的生长点 精密与超精密加 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
7. 2. 1 精密与超精密加 技术 表 7 -4 精密与超精密加 分类 分类 加 机理 电物理加 去除加 电化学加 力学加 热蒸发（扩散、溶解） 化学 附着加 电化学 热熔化 化学 结合加 电化学 注入加 热熔化 力物理 连续加 热流动 变形加 粘滞流动 分子定向 热物理 化学 加 方法示例 电火花加 （电火花成形，电火花线切割） 电解加 、蚀刻、化学机械抛光 切削、磨削、研磨、抛光、超声加 、喷射加 电子束加 、激光加 化学镀、化学气相沉积 电镀、电铸 真空蒸镀、熔化镀 氧化、氮化、活性化学反映 阳极氧化 掺杂、渗碳、烧结、晶体生长 离子注入、离子束外延 激光焊接、快速成形 化学粘接 精密锻造、电子束流动加 、激光流动加 精密铸造、压铸、注塑 液晶定向
7. 2. 1 精密与超精密加 技术 q 精密与超精密加 特点 ◆“进化”加 原则 Ø 直接式进化加 ：利用低于 件精度的设备、 具， 通过 艺手段和特殊 艺装备，加 出所需 件。适用 于单件、小批生产。 Ø 间接式进化加 ：借助于直接式“进化”加 原则， 生产出第二代 作母机，再用此 作母机加 件。适 用于批量生产。 用于批量生产 ◆ 微量切削机理 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。 ◆ 特种加 与复合加 方法应用越来越多 传统切削与磨削方法存在加 精度极限，超越极限需采 用新的方法。
7. 2. 1 精密与超精密加 技术 ◆ 形成综合制造 艺 要达到加 要求，需综合考虑 件材料、加 方法、加 设备与 具、测试手段、 作环境等诸多因素，是一项复 杂的系统 程，难度较大。 ◆ 与高新技术产品紧密结合 精密与超精密加 设备造价高，难成系列。常常针对某一 特定产品设计（如加 直径3 m射电天文望远镜的超精密车 床，加 尺寸小于1 mm微型零件的激光加 设备）。 ◆ 与自动化技术联系紧密 广泛采用计算机控制、适应控制、再线检测与误差补偿技 术，以减小人的因素影响，保证加 质量。 ◆ 加 与检测一体化 精密检测是精密与超精密加 的必要条件，并常常成为精 密与超精密加 的关键。
7. 2. 1 精密与超精密加 技术 金刚石超精密加 技术 ◆ 机理、特点 Ø 切削在晶粒内进行 Ø 切削力＞原子结合力（剪切应力达 13000 N/ mm 2） Ø 刀尖处温度极高，应力极大，普通刀具难以承受 Ø 高速切削（与传统精密切削相反）， 件变形小，表 层高温不会波及 件内层，可获得高精度和好表面质量 层高温不会 ◆ 应用 Ø 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 质量） Ø 加 各种红外光学材料如锗、硅、Zn. S和Zn. Se等 Ø 加 有机玻璃和各种塑料 Ø 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 影电视屏幕、
7. 2. 1 精密与超精密加 技术 ◆ 关键技术 ★ 加 设备 Ø 要求高精度、高刚度、 良好稳定性、抗振性及 数控功能等。 Ø如 美 国 Moore公 司 M 18 AG金 刚 石 车 床 ， 主 轴采用空气静压轴承， 转速 5000转/分，径跳＜ 0. 1μm；液体静压导轨， 直线度达 0. 05μ/100 mm； 数控系统分辨率0. 01 μ。 刀具夹持器 刀具 件 主轴 回转 作台 传动带 主轴电机 空气垫 图 7 -18 Moore金刚石车床
7. 2. 1 精密与超精密加 技术 Ø T形布局（图 7 -19） 车床主轴装在横向 滑台（X轴）上， 刀架装在纵向滑台 （Z轴）上。可解 决两滑台的相互影 响问题，而且纵、 横两移动轴的垂直 度可以通过装配调 整保证，生产成本 较低，已成为当前 金刚石车床的主流 布局。 图 7 -19 T形布局的金刚石车床
7. 2. 1 精密与超精密加 技术 Ø 金刚石车床主要性能指标（表 7 -5） 表 7 -5 金刚石车床主要性能指标 最大车削直径和长度 /mm 最高转速 r/mm 最大进给速度mm /min 数控系统分辩率 /μm 重复精度(± 2σ) / μ m 主轴径向圆跳动 / μ m 主轴轴向圆跳动 / μ m 滑台运动的直线度 / μ m 横滑台对主轴的垂直度 / μ m 主轴前静压轴承（φ100 mm）的刚 度 /（N/μm） 径向 轴向 主轴后静压轴承（φ80 mm）的刚度 /（N/μm） 纵横滑台的静压支承刚度 /（N/μm） 400× 200 5000～ 10000 5000 0. 1～ 0. 01 ≤ 0. 2/100 ≤ 0. 1 ≤ 1/150 ≤ 2/100 1140 1020 640 720
7. 2. 1 精密与超精密加 技术 ◆ 金刚石刀具 Ø 超精切削刀具材料：天然金刚石，人造单晶金刚石 Ø 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（图 7 -20）。 L 4 （100） L 2 L 3 （111） （110） a）4 次对称轴 和（100）晶面 b）2 次对称轴 和（110）晶面 图 7 -20 八面体的晶轴和镜晶面 c）3 次对称轴 和（111）晶面
7. 2. 1 精密与超精密加 技术 Ø 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（图 7 -21） ◎在 距 离 大 的 （ 111） 面之间，只需击破一个 共价键就可以劈开，而 在 距 离 小 的 （ 111） 面 之间，则需击破三个共 价键才能劈开。 劈开面 ◎在两个相邻的加强（ 111）面之间劈开，可 得到很平的劈开面，称 之为“解理”。 图 7 -21 （111）面网C原子分布 和解理劈开面
7. 2. 1 精密与超精密加 技术 Ø 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 1 nm） Ø金刚石刀具角度（图 7 -22） 单晶金刚石 0 R 0 0 6 A-A 0 35 A 6. 4 12 R=1. 6～ 4. 8 A 6. 4 45 0 R=0. 5～ 1. 2 B 0 1 6 0 6 B-B 图 7 -22 金刚石刀具角度 0 5 R 110～ 120 0 B
7. 2. 1 精密与超精密加 技术 加 4. 5 mm陶瓷球 金刚石车床 图 7 -23 金刚石车床及其加 照片
7. 2. 1 精密与超精密加 技术 超硬磨料砂轮精密与超精密磨削 ◆ 砂轮材料：金刚石，立方氮化硼（CBN） ◆ 特点： Ø 可加 各种高硬度、高脆性金属及非金属材料（铁金属 用CBN） Ø 耐磨性好，耐用度高，磨削能力强，磨削效率高 Ø 磨削力小，磨削温度低，加 表面好 ◆ 砂轮修整： Ø 分整形与修锐（去除结合剂，露出磨粒）两步进行 Ø 常用方法 — ① 用碳化硅砂轮（或金刚石笔）修整，获得所需形状； ② 电解修锐（适用于金属结合剂砂轮），效果好，并可 在线修整
7. 2. 1 精密与超精密加 技术 ◆ ELID（Electrolytic In-Process Dressing） 金刚石砂轮 （铁纤维结合剂） 电源 冷却液 电刷 ＋ － 冷却液 进给 图 7 -24 ELID磨削原理 Ø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，露出了新的锋利磨粒。由于电解 修锐连续进行，砂轮在整个磨削过程保持同一锋利状态。 45
7. 2. 1 精密与超精密加 技术 ◆ 塑性（延性）磨削 Ø 磨削脆性材料时，在一定 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 件表面呈有规则纹理，无脆性断裂凹凸不平，也无裂纹。 Ø 塑性磨削 艺条件： （1）切削深度小于临界切削深度，它与 件材料特性和 磨粒的几何形状有关。一般临界切削深度＜ 1μm。 为此对机床要求：①高的定位精度和运动精度。以免因 磨粒切削深度超过1μm时，导致转变为脆性磨削。②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，会因切削力引起的变形而破坏塑性切屑形成的条件。 （2）磨粒与 件的接触点的温度高到一定程度时， 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）。
7. 2. 1 精密与超精密加 技术 ◆ 精密与超精密砂带磨削 Ø砂 带 ： 带 基 材 料 为聚碳酸脂薄膜， 其上植有细微砂粒。 Ø砂 带 在 一 定 作 压力下与 件接触 并作相对运动，进 行磨削或抛光。 Ø有开式（图 7 -25） 和闭式两种形式， 可磨削平面、内外 圆表面、曲面等（ 图 7 -27）。 砂带轮 f-径向振动 硬磁盘— 装在主轴 真空吸盘 上 接触轮 F-径向进给 V砂带 图 7 -25 砂带磨削示意图 卷带轮
7. 2. 1 精密与超精密加 技术 图 7 -26 用于磨削管件的砂带磨 床（带有行星系统）
7. 2. 1 精密与超精密加 技术 Ø 几种常见砂带磨削方式（图 7 -27） 件 接触轮 主动轮 件 接触轮 导轮 砂带 a）砂带无心外圆磨削 （导轮式） 件 主动轮 砂带 b）砂带定心外圆磨削 （接触轮式） 支承板 主动轮 接触轮 砂带 主动轮 件 c）砂带定心外圆磨削 （接触轮式） 砂带 接触轮 砂带 件 件 砂带 作台 接触轮 支承轮 e）砂带平面磨削（ d）砂带内圆磨削 f）砂带平面磨削 支承板式） （回转式） （支承轮式） 图 7 -27 几种砂带磨削形式
7. 2. 1 精密与超精密加 技术 Ø 砂带磨削特点 1）砂带与 件柔性接触，磨粒载荷小，且均匀， 件受 力、热作用小，加 质量好（ Ra 值可达 0. 02μm）。 2）静电植砂，磨粒 有方向性，尖端向 上（图 7 -28），摩擦 生热小，磨屑不易 堵塞砂轮，磨削性 能好。 磨粒 粘接剂 规格涂层 基带 图 7 -28 静电植砂砂带结构 3）强力砂带磨削，磨削比（切除 件重量与砂轮磨耗重量 之比）高，有“高效磨削”之称。 4）制作简单，价格低廉，使用方便。 5）可用于内外表面及成形表面加 。
7. 2. 1 精密与超精密加 技术 ◆ 游离磨料加 加压 ★ 弹性发射加 抛光轮 Ø 作原理（图 7 -29） 抛光轮与 件表面形 微粉(磨粒) 成小间隙，中间置抛 光液，靠抛光轮高速 回 转 造 成 磨 料 的 “弹 性发射”进行加 。 Ø 抛光轮： 由聚氨基甲酸（乙） 酯制成，磨料直径 0. 1～ 0. 01μm 悬浮液 小间隙 件 图 7 -29 弹性发射加 原理 Ø 机理：微切削＋被加 材料的微塑性流动作用
7. 2. 1 精密与超精密加 技术 ★ 液体动力抛光 Ø 作原理（图 7 -30） 抛光 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。 Ø 机理：微切削作用。 ★ 机械化学抛光 Ø 作原理（图 7 -31） 活性抛光液和磨粒与 件 表面产生固相反应，形成 软粒子，使其便于加 。 Ø 机理：机械+化学作用， 称为“增压活化”。 具运动方向 抛光 具 抛光液 磨粒 件 小间隙 图 7 -30 液体动力抛光 具运动方向 活性 抛光液 抛光 具 加压 件 小间隙 图 7 -31 机械化学抛光
7. 2. 1 精密与超精密加 技术 q 激光测量 Ø 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。 Ø 可以测量长度，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。 Ø 激光测量精度目前可达 0. 01μm。
7. 2. 1 精密与超精密加 技术 Ø 激光高速扫描尺寸计量系统（图 7 -32） 激光发 生器 测定区 扫描镜 件 光检测器 受射透镜 平行光管透镜 伺服系统 图 7 -32 激光扫描尺 寸计量系统 闸门电路 边缘传感 震荡器 计数器 显示图 ★ 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 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 件的尺寸。
由于移动反射棱镜随被测件移动，频率f 2变成 f 2±Δf 2 f － 经分光镜，折射一小部分，经干涉测量仪获得拍频Δf（= 。两路 7. 2. 1 精密与超精密加 技术 1 该信号与参考信号比较， 获得±Δf 2 的具有长度单位当量的 氦氖激光器发出的激光，在轴向强磁场作用下，产生频率 f 1和 反射回来的光经偏振分光镜汇合一起，再经反射镜和干涉 f 2）的参考信号。大部分激光到偏振分光镜：垂直线偏振光f 1被 电信号。由于使用频率差Δf 进行测量，使其不受环境变化 f 2旋向相反的圆偏振光，经 1/4波片形成频率f 1的垂直线偏振光 测量仪获得拍频信号，其频率为： 反射，再经固定反射棱镜反射回来；水平线偏振光 f 2全部透射， Ø 双频激光测量（图 7 -33） 影响，可获得高的测量精度和测量稳定性。 和频率f 2的水平线偏振光。经透镜组成平行光束。 再经移动反射棱镜反射回来。f 2± Δf 2 ）= Δf + Δf 2 f 1－（ 固定反 射棱镜 氦氖激光器 1/4波片 透镜组 分光镜 f 1 f 2 N S f 1 f 2 移动反 射棱镜 f 1 f 2 +Δf 2 轴向强磁场 f 2 +Δf 2 偏振分光镜 干涉测量仪 Δf Δf +Δf 2 图 7 -33 双频激光测量系统原理图
7. 2. 1 精密与超精密加 技术 图 7 -34 双频激光测量系统
7. 2. 1 精密与超精密加 技术 q 精密与超精密加 环境 ◆恒温——要求：± 1℃～ ± 0. 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 ◆净化——要求： 10000～ 100级（100级系指每立方英尺 —— 空气中所含大于0. 5μm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 ◆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 隔振器
7. 2. 2 微细与超微细加 技术 概述 Ø 微细加 —— 通常指1 mm以下微细尺寸零件的加 ， 其加 误差为 0. 1μm ～ 10μm 。 Ø 超 微 细 加 —— 通 常 指 1μm以 下 超 微 细 尺 寸 零 件 的 加 ，其加 误差为 0. 01μm ～ 0. 1μm。 Ø 精度表示方法——一般尺寸加 ，其精度用误差尺寸与 加 尺寸比值表示；微细加 ，其精度用误差尺寸绝对值 表示。 Ø“加 单位”—— 去除一块材料的大小，对于微细加 ， 加 单位可以到分子级或原子级。 Ø 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。
7. 2. 2 微细与超微细加 技术 表 7 -6 微细与超微细加 机理与加 方法 加 机理 加 方法 分离加 (去除 加 ) 机械去除 化学分解 电解 蒸发 扩散与熔化 溅射 车削，铣削，钻削，磨削 蚀刻，化学抛光，机械化学抛光 电解加 ，电解抛光 电子束加 ，激光加 ，热射线加 扩散去除加 ，熔化去除加 离子束溅射去除加 ，等离子体加 结合加 (附着 加 ) 化学(电化学)附着 化学(电化学)结合 热附着 扩散(熔化)结合 物理结合 注入 化学镀，气相镀（电镀，电铸） 氧化，氮化（阳极氧化） （真空）蒸镀，晶体增长，分子束外延 烧结，掺杂，渗碳，（侵镀，熔化镀） 溅射沉积，离子沉积（离子镀） 离子溅射注入加 变形加 (流动 加 ) 热表面流动 粘滞性流动 摩擦流动 热流动加 （火焰，高频，热射线，激光） 压铸，挤压，喷射，浇注 微离子流动加
7. 2. 2 微细与超微细加 技术 微细机械加 ◆主要采用铣、钻和车 三种形式，可加 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 -35）。 铣刀的回转半径（可小 到 5μm） 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。 图 7 -35 单晶金刚石铣刀刀头形状
7. 2. 2 微细与超微细加 技术 ◆ 微细机械加 设备 Ø微小位移机构 ，微量移动应可小至几十个纳米 。 Ø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。 Ø高的定位精度和重复定位精度，高平稳性的进给运动。 Ø低热变形结构设计。 Ø刀具的稳固夹持和高的安装精度。 Ø高的主轴转速及动平衡。 Ø稳固的床身构件并隔绝外界的振动干扰。 Ø具有刀具破损检测的监控系统。 ◆ FANUC ROBO nano Ui 型微型超精密加 机床（图 7 -36）
7. 2. 2 微细与超微细加 技术 Ø 机 床 有 X、 Z 、 C 、 B四 个 轴 ， 在 B 轴 回 转 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 1 nm。 可进行车、铣、磨和 电火花加 。 Ø 旋转轴采用编码器 半闭环控制，直线轴 则采用激光全息式全 闭环控制。 Ø 为了降低伺服系统 的摩擦，导轨、丝杠 螺母副以及伺服电机 转子的推力轴承和径 向轴承均采用气体静 压结构。 图 7 -36 FANUC 微型超精密加 机床
7. 2. 2 微细与超微细加 技术 ◆ 直接线性驱动（直线电机驱动） Ø 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（图 7 -37） 。 Ø 载流导体： ◎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。 Ø 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。
7. 2. 2 微细与超微细加 技术 电磁铁 逆压电元件 1 2 电磁铁加励磁，夹紧 电磁铁 逆压电元件 1 2 Δ 电磁铁2去掉励磁，松开 电磁铁 1 电磁铁 2 逆压电元件加励磁电压， 伸长Δ 电磁铁 1 Δ 逆压电元件 电磁铁 2 电磁铁2加励磁，夹紧 电磁铁1去掉励磁，松开 电磁铁 逆压电元件 1 2 逆压电元件去掉励磁电压， 恢复原长，电磁铁1移动 Δ 电磁铁 逆压电元件 1 2 图 7 -37 电磁驱动装置（直线电机） 作原理
7. 2. 2 微细与超微细加 技术 图 7 -38 直线电机驱动定位平台(YOKOGAWA公司）
7. 2. 2 微细与超微细加 技术 Ø 直线驱动与伺服电机驱动比较（表 7 -7） 表 7 -7 直线驱动与伺服电机驱动比较 性 能 定位精度(μm/300 mm) 重复定位精度(μm) 最高速度(m/min) 最大加速度(g) 寿命(h) 伺服电机＋滚珠丝杠 5～ 10 ± 2～± 5 直线驱动 0. 5～ 1. 0 ± 0. 1～± 0. 2 20～ 50 60～ 200 1～ 2 2～ 10 6000～ 10000 50000
7. 2. 2 微细与超微细加 技术 微细电加 ◆ 线放电磨削法（WEDG） 电极线沿着导丝器中的槽以 5～ 10 mm/min的低速滑动，可 加 圆柱形的轴（图 7 -39）。如导丝器通过数字控制作相 应的运动，还可加 出各种形状的杆件（图 7 -40 ）。 件 Ⅰ－Ⅰ Ⅰ Ⅰ 金属丝 导丝器 图 7 -39 WEDG 作原理 图 7 -40 WEDG 可加 的各种 截形杆
7. 2. 2 微细与超微细加 技术 ◆ 光刻加 （电子束光刻大规模集成电路） 电子束 氧化膜 光致抗蚀剂 1. 涂胶 基片 （光致抗蚀剂） 窗口 掩膜 2. 曝光 （投影或扫描） 3. 显影、烘片 （形成窗口） 5. 沉积 （形成电路） 6. 剥膜 （去除光致抗蚀剂） 离子束 4. 刻蚀 （形成沟槽） 图 7 -41 电子束光刻大规模集成电路加 过程
7. 2. 2 微细与超微细加 技术 ◆ 加 设备（电子束光刻大规模集成电路） Ø要求：定位精度 0. 1μm，重复定位精度 0. 01μm Ø导轨：硬质合金滚动体导轨，或液（气）静压导轨 Ø 作台：粗动 — 伺服电机 + 滚珠丝杠 微动 — 压电晶体电致伸缩机构 Ø 作台微动的形成： Y Py 1 X运动： Py 1＝ Py 2 Px长度变化 0 微动 作台 Px 图 7 -42 电致伸缩微动 作台 X Y运动： Py 1＝ Py 2 Py 1长度变化 Z转动： Py 1≠ Py 2
7. 2. 2 微细与超微细加 技术 离子束加 利用氩（Ar）离子或其它带有 10 ke. V 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” 件表面， 进行“溅射”加 。 一次溅射原子 二次溅射原子 Ar离子 被排斥Ar离子 回弹溅射原子 真空 Ar离子 件表面 件 位移原子 格点间停留离子 格点置换离子 图 7 -43 离子碰撞过程模型 位移原子
7. 2. 2 微细与超微细加 技术 惰性气体入口 ◆ 四种 作方式 Ø 离子束溅射去除加 ◎将被加速的离子聚焦 成细束，射到被加 表 面上。被加 表面受“ 轰击”后，打出原子或 分子，实现分子级去除 加 。 ◎加 装置见图 2 -26。 三坐标 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。 阴极 阳极 中间电极 电磁线圈 控制电极 绝缘子 引出电极 离子束 聚焦装置 件 摆动装置 三坐标 作台 图 7 -44 离子束去除加 装置
7. 2. 2 微细与超微细加 技术 ◎离子束溅射去除加 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（图 7 -45），大规模集成 电路芯片刻蚀等。 离子束 离子束 r = 0. 01μm 预加 终加 a) 金刚石压头 r = 0. 01μm 预加 终加 b) 金刚石刀具 图 7 -45 离子束加 金刚石制品 ◎离子束溅射去除加 可加 金属和非金属材料。 72
7. 2. 2 微细与超微细加 技术 Ø 离子束溅射镀膜加 ◎用加速的离子从靶材上 打出原子或分子，并将这 些原子或分子附着到 件 上，形成“镀膜”。又被 称为“干式镀”（图 7 -46） ◎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）。 真空 离子束源 件 靶 溅射材料 溅射粒子 图 7 -46 离子束溅射镀膜加 ◎离子镀氮化钛，即美观，又耐磨。应用在刀具上可提高寿 命 1 -2倍。
7. 2. 2 微细与超微细加 技术 Ø 离子束溅射注入加 ◎用高能离子（数十万Ke. V）轰击 件表面，离子打入 件表层，其电荷被中和，并留在 件中（置换原子或填隙 原子），从而改变 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。 Ø 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. 3 纳米技术 ◆ 通常指纳米级（0. 1 nm～ 100 nm）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。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 Ø纳 米 级 精 度 和 表 面 形 貌 测 量 及 表 面 层 物 理 、 化 学 性 能 检测； Ø纳米级加 ； Ø纳米材料； Ø纳米级传感与控制技术； Ø微型与超微型机械。
7. 2. 3 纳米技术 q 扫描隧道显微测量（STM） Ø 扫描隧道显微镜 1981年由在IBM瑞士苏黎世实验室 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 度 世 界 十 大 科 技 成 果 之 一 ， 1986年因此获诺贝尔物理学奖。 G. Binning H. Rohrer Ø STM 作原理基于量子力 学的隧道效应。当两电极之 间 距 离 缩 小 到 1 nm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 STM 图 7 - 48 STM 作过程演示 图 7 - 47 STM实物照片
7. 2. 3 纳米技术 图 7 - 49 用STM移动分子组成的IBM字样 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 图 7 - 50 用STM观察石墨原子排列
7. 2. 3 纳米技术 Ø 当 探 针 与 试 件 表 面 距 离 达 1 nm 时 ， 形 成 隧 道 结 （ 图 7 -51） 。 当 偏 压 Ub小 于 势 垒 高 度 φ时 ， 隧 道 电流密度为： φ1 STM探针 φ2 d 试件 Ub 式中 h —— 普郎克常数； e —— 电子电量； ka，k 0 —— 系数。 图 7 -51 STM隧道结 Ø 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STM的基础。
7. 2. 3 纳米技术 Ø 两种测量模式 （1）等高测量模式（图 7 -52 a）： 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。 （2）恒电流测量模式（图 7 -52 b）： 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 与位移之间的关系上，避免了非线 性，提高了测量精度和测量范围。 扫 描 器 输出 检测电路 试件 运动轨迹 a） 输出 驱动电路 控制器 扫 描 器 检测电路 运动轨迹 试件 b） 图 7 -52 STM 作原理
7. 2. 3 纳米技术 Ø 关键技术： （ 1） STM探 针 ——金 属 丝 经化学腐蚀，在腐蚀断裂瞬 间切断电流，获得尖峰，曲 率半径为 10 nm左右。 图 7 -53 STM针尖
7. 2. 3 纳米技术 （2）隧道电流反馈控制（图 7 -54） D/A 计算机 A/D 设定电压 差分 比较 积分 放大 比例 放大 XYZ控制信号 高压 放大 压电陶瓷 探针 对数放大 前置放大 （线性化） 图 7 -54 隧道电流反馈控制系统原理框图 试件
7. 2. 3 纳米技术 （3）纳米级扫描运动——压电陶瓷扫描管（图 7 -55） UZ +UX -UY 金属膜 a） L 0 陶瓷管 L 当陶瓷管内壁接地，X -UX 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 -55 b)。 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。 +UY ΔZ 压电陶瓷扫描管结构见 图 7 -55 a ，其 作原理 见图 7 -55 b。 ΔX b） 图 7 -55 压电陶瓷扫描管结构 及 作原理 （4）信号采集与数据处理——由软件完成。
7. 2. 3 纳米技术 ◆ 原子力显微镜（AFM） Ø 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。 Ø 当两原子间距离缩小到 级时，原子间作用力显示出来， 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。 Ø AFM两种测量模式： ◎接触式——探针针尖与试件表面距离＜ 0. 5 nm，利用原子 间的排斥力。由于分辨率高，目前采用较多。其 作原理是： 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. 5～ 1 nm，利 用原子间的吸引力。
7. 2. 3 纳米技术 Ø AFM结构（图 7 -56） ◎AFM探针被微力弹簧片压 向试件表面，原子排斥力将 探针微微抬起。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。 ◎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，于是可测出试件表 面微观形貌。 STM 驱动 STM 探针 微力簧片 AFM 探针 试件 AFM 扫描 驱动 图 7 -56 AFM结构简图
7. 2. 3 纳米技术 图 7 -57 AFM实物照片 扫描探针 磁盘图像
7. 2. 3 纳米技术 LIGA（Lithographic Galuanoformung Abformung ） Ø LIGA由深层同步X射线光 刻、电铸成形、塑注成形组 合而成。包括三个主要 序 （图 7 -58）： 1）以同步加速器放射的短 波长（＜ 1 nm）X射线作为 曝光光源，在厚度达 0. 5 mm 的光致抗蚀剂上生成曝光图 形的三维实体； 2）用曝光蚀刻图形实体作 电铸模具，生成铸型； 3）以生成的铸型作为模具， 加 出所需微型零件。 抗蚀剂 X射线曝光 腐蚀溶解 电铸 铸型 注射成 形零件 图 7 -58 LIGA制作零件过程
7. 2. 3 纳米技术 图 7 -59 LIGA 作现场
7. 2. 3 纳米技术 ◆ LIGA特点 Ø用材广泛，可以是金属及其合金、陶瓷、聚合物、玻璃等 Ø可以制作高度达 0. 1～ 0. 5 mm，高宽比大于200的三维微结构 （图 7 -60），形状精度达亚微米 Ø可以实现大批量复制，成本较低 ◆ LIGA代表产品及应用 Ø微 传 感 器 、 微 电 机 、 微 机械零件、微光学元件、 微波元件、真空电子元件、 微型医疗器械等 Ø广泛应用于加 、测量、 自动化、电子、生物、医 学、化 等领域 50 μm 图 7 -60 X射线刻蚀的三维实体
机械制造技术基础 7. 3 特种加 技术 Nontraditional machining Technology 90
7. 3. 1 特种加 技术概述 Ø 非传统加 又称特种加 ，通常被理解为别于传统切 削与磨削加 方法的总称。 Ø 非传统加 方法 产生于二次大战后。两方面问题传统 机械加 方法难于解决： 1）难加 材料的加 问题。宇航 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 件加 问题。 Ø 为解决上面两方面问题，出现了非传统加 方法。 Ø 非传统加 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 件被加 的部位上，从而使材 料被去除、累加、变形或改变性能等。
7. 3. 1 特种加 技术概述 q 非传统加 方法特点 Ø 非传统加 方法主要不是依靠机械能，而是用其它能量 （如电能、光能、声能、热能、化学能等）去除材料。 Ø 非传统加 方法由于 具不受显著切削力的作用，对 具和 件的强度、硬度和刚度均没有严格要求。 Ø 一般不会产生加 硬化现象。且 件加 部位变形小， 发热少，或发热仅局限于 件表层加 部位很小区域内， 件热变形小，加 应力也小，易于获得好的加 质量。 Ø 加 中能量易于转换和控制，有利于保证加 精度和提 高加 效率。 Ø 非传统加 方法的材料去除速度，一般低于常规加 方 法，这也是目前常规加 方法仍占主导地位的主要原因。
7. 3. 1 特种加 技术概述 q 非传统加 方法分类（按加 机理和采用的能源划分） Ø 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 、水喷射加 、磨料流加 等。 Ø 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 、高能束加 、热力去毛刺等。 Ø 电化学过程 利用电能转换为化学能对材料进行加 ，如电解加 、 电铸加 （金属离子沉积）等。 Ø 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. 3. 1 特种加 技术概述 Ø 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： ◎机械化学复合——如机械化学抛光、电解磨削、电镀 珩磨等。 磁极 振动运动 ◎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 等。 N S ◎其 它 复 合 过 程 ——如 超声切削、超声电解磨削、 件 磁性材料 磁力抛光（图 7 -61）等。 （陶瓷滚柱） 图 7 -61 磁力抛光示意图
7. 3. 1 特种加 技术概述 q 发展趋势 Ø 拓宽现有非传统加 方法的应用领域。 Ø 探索新的加 方法，研究和开发新的元器件。 Ø 优化 艺参数，完善现有的加 艺。 Ø 向微型化、精密化发展。 2084 70年代 Ø 采用数控、自适应 控 制 、 CAD/CAM、 80年代 专 家 系 统 等 技 术 ， 提 1104 90年代 高加 过程自动化、 441 424 353 柔性化程度。 321 232 244 142 214 252 316 ★ 图 7 -62反映了学术 界和 程界对几种非 激光加 电火花加 超声加 电化学加 传统加 方法的关注 图 7 -62 EI 收录文章数比较 程度。
7. 3. 2 几种代表性特种加 方法 电火花加 q 作原理：利用 具电极与 件电极之间脉冲性火花放电， 产生瞬时高温， 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。在这种高压作用下，已经熔化、气化的材料就从 件的表面迅速被除去（图 7 -63）。 ◆ 4个阶段： 进给 放电间隙 具电极 系统 1）介质电离、击穿， 件电极 形成放电通道； 直流 2）火花放电产生熔 脉冲 化、气化、热膨胀； 电源 作液 3）抛出蚀除物； 4）间隙介质消电离 图 7 -63 电火花加 原理图 Real （恢复绝缘状态）。
7. 3. 2 几种代表性特种加 方法 图 7 -64 电火花加 机床
7. 3. 2 几种代表性特种加 方法 q 作要素 Ø 电极材料——要求导电，损耗小，易加 ；常用材料： 紫铜、石墨、铸铁、钢、黄铜等，其中石墨最常用。 Ø 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 作液有煤油、机油、去离子 水、乳化液等。 Ø 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 过程中，需采用自动调节 器控制机床进给系统，并带动 具电极缓慢向 件进给。 Ø 脉冲宽度与间隔——影响加 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，表面粗糙度值小，但加 速度低。 通常放电持续时间在 2μs至 2 ms范围内，各个脉冲的能量 2 m. J到 20 J（电流为 400 A时）之间。
7. 3. 2 几种代表性特种加 方法 q 电火花加 类型 Ø电火花成形加 ：主要指孔加 ，型腔加 等 Ø电 火 花 线 切 割 加 导轮 ：用连续移动的 钼丝（或铜丝）作 X 具 阴 极 ， 件 为 储丝筒 电极丝 阳极。机床 作台 带动 件在水平面 内作两个方向移动， 可切割出二维图形 （图 7 -65）。同时， 丝架可作小角度摆 图 7 -65 电火花线切割原理图 动，可切割出斜面。 Real Y 件 Real
7. 3. 2 几种代表性特种加 方法 加 过程显示 电火花线切割机床 图 7 -66 电火花线切割加
7. 3. 2 几种代表性特种加 方法 q 电火花加 特点 Ø 不受加 材料硬度限制，可加 任何硬、脆、韧、软的 导电材料。 Ø 加 时无显著切削力，发热小，适于加 小孔、薄壁、 窄槽、形面、型腔及曲线孔等，且加 质量较好。 Ø 脉冲参数调整方便，可一次装夹完成粗、精加 。 Ø 易于实现数控加 。 q 电火花加 应用 Ø 电火花成形加 ：电火花打孔常用于加 冷冲模、拉丝 模、喷嘴、喷丝孔等。型腔加 包括锻模、压铸模、挤压 模、塑料模等型腔加 ，以及叶轮、叶片等曲面加 。 Ø 电火花线切割：广泛用于加 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. 3. 2 几种代表性特种加 方法 电解加 作原理： 件接阳 极， 具（铜或不锈 钢）接阴极，两极间 加直流电压6～ 24 V， 极间保持0. 1～ 1 mm间 隙。在间隙处通以 6 ～ 60 m/S高 速 流 动 电 解液，形成极间导电 通路， 件表面材料 不断溶解，溶解物及 时被电解液冲走。 具阴极不断进给，保 持极间间隙。 阴极进给 具阴极 直流 电源 件阳极 泵 电解液 图 7 -67 电解加 原理图 102
7. 3. 2 几种代表性特种加 方法 q 电解加 特点 Ø 不受材料硬度的限制，能加 任何高硬度、高韧性的导 电材料，并能以简单的进给运动一次加 出形状复杂的形 面和型腔。 Ø 加 形面、型腔生产率高（与电火花加 比高 5～ 10倍 ）。采用振动进给和脉冲电流等新技术，可进一步提高生 产效率和加 精度。 Ø 阴极在加 中损耗小。 Ø 加 表面质量好，无毛刺、残余应力和变形层。 Ø 设备投资大，有污染，需防护。 q 电解加 应用 Ø 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 ，电解抛光、倒棱、去毛刺等。
7. 3. 2 几种代表性特种加 方法 q 电解磨削（图 7 -68） Ø 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 件之间形成一定间隙。电解液从中流过时， 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 。 Ø 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，效果更明 显。 导电磨轮 电解液 导电基体 磨料 阳极膜 电刷 件 作台 绝缘板 104
7. 3. 2 几种代表性特种加 方法 电子束加 作原理（图 7 -69） Ø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5～ 10μm斑点内。 Ø高 速 而 能 量 密 集 的 电 子 束 冲击到 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） ， 件表面局部熔化、气化 直至被蒸发去除。 旁热阴极 控制栅极 加速阳极 聚焦系统 电子束斑点 件 作台 图 7 -69 电子束加 原理图 105
7. 3. 2 几种代表性特种加 方法 q 特点及应用 Ø 电子束束径小（最小直径可达 0. 01～ 0. 05 mm），而电 子束长度可达束径几十倍，故可加 微细深孔、窄缝。 Ø 材料适应性广（原则上各种材料均能加 ），特别适 用于加 特硬、难熔金属和非金属材料。 Ø 非接触加 ，无 具损耗；无切削力，加 时间极短， 件无变形。 Ø 加 速度高，切割 1 mm厚钢板，速度可达 240 mm/min。 Ø 在真空中加 ，无氧化，特别适于加 高纯度半导体 材料和易氧化的金属及合金。 Ø 加 设备较复杂，投资较大。多用于微细加 。
7. 3. 2 几种代表性特种加 方法 激光加 光阑 反射镜 激光器 q 作原理（图 7 -70） Ø 激光是一种受激辐射而得 到的加强光。其基本特征： 聚焦镜 电源 ◎强度高，亮度大 件 ◎波长频率确定，单色性好 作台 Real ◎相干性好，相干长度长 ◎方向性好，几乎是一束平 Ø图 7 -70 激光加 原理图 行光 Ø当 激 光 束 照 射 到 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，于是在被加 表面上打出一个上大下小的孔。
7. 3. 2 几种代表性特种加 方法 q 激光器 Ø 固体激光器 ◎YAG（结晶母材由钇、铝和石榴石构成）激光器 ◎红宝石激光器 Ø 气体激光器——CO 2激光器（图 7 -71） ◎混 合 气 体 ： 氦 电极 放电管 冷却水进口 CO 2气体 约 80%， 约 氮 15%， CO 2 约 5% 激光 ◎通 过 高 压 直 流 放电进行激励 反射平镜 反射 ◎波 长 10. 6μm， 冷却水出口 凹镜 为不可见光 高压直流电源 ◎能量效率5%～ 图 7 -71 CO 2激光器示意图 15% 108
7. 3. 2 几种代表性特种加 方法 q 激光加 特点 Ø 加 材料范围广，适用于加 各种金属材料和非金属材料， 特别适用于加 高熔点材料，耐热合金及陶瓷、宝石、金刚 石等硬脆材料。 Ø 加 性能好， 件可离开加 机进行加 ，可透过透明材 料加 ，可在其他加 方法不易达到的狭小空间进行加 。 Ø 非接触加 方式，热变形小，加 精度较高。 Ø 可进行微细加 。激光聚焦后焦点直径理论上可小至 1μ以 下，实际上可实现φ0. 01 mm的小孔加 和窄缝切割。 Ø 加 速度快，效率高。 Ø 激光加 不仅可以进行打孔和切割，也可进行焊接、热处 理等 作。 Ø 激光加 可控性好，易于实现自动控制。加 设备昂贵。
7. 3. 2 几种代表性特种加 方法 q 激光加 应用 Ø 激光打孔 ◎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 。 ◎激光打孔具有高效率、低成本 的特点，特别适合微小群孔加 。 ◎焦点位置对孔的质量影响：若 焦点与加 表面之间距离很大，则 激光能量密度显著减小，不能进行 加 。如果焦点位置偏离加 表面 1 mm，可以进行加 ，此时加 出 孔的断面形状随焦点位置不同而发 生变化（图 7 -72）。 图 7 -72 焦点位置对孔 形状影响 Real
7. 3. 2 几种代表性特种加 方法 Ø 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。 Real Ø 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 件的加 区烧熔使其粘合在一起。 ◎优 点 ： 没 有 焊 渣 ， 不 需 去 除 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。 Real Ø 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 淬 火 介 质 、 硬 化 均 匀 、 变 形 小 、 硬 化 深度可精确控制。
7. 3. 2 几种代表性特种加 方法 图 7 -73 激光切割 图 7 -74 激光焊接车身
7. 3. 2 几种代表性特种加 方法 超声波加 q 作原理（图 7 -75） Ø 利用 具端面作超声（16 ～ 25 k. Hz） 振 动 ， 使 作 液 中的悬浮磨粒对 件表面撞 击抛磨来实现加 。 Ø 超声波发生器将 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 具 振 幅 增 大 到 0. 01～ 0. 15 mm。 超声 波发 生器 Real 换能器 变幅杆 振动方向 作液 喷嘴 具 件 图 7 -75 超声波加 原理图
7. 3. 2 几种代表性特种加 方法 图 7 -77 图 7 -76 超声波加 机床 超声波加 样件
7. 3. 2 几种代表性特种加 方法 q 超声波加 特点及应用 Ø 适用于加 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 。 Ø 可加 各种复杂形状的型孔、型腔、形面。 Ø 具与 件不需作复杂的相对运动，机床结构简单。 Ø 被加 表面无残余应力，无破坏层，加 精度较高，尺 寸精度可达 0. 01～ 0. 05 mm 。 Ø 加 过程受力小，热影响小，可加 薄壁、薄片等易变 形零件。 Ø 生产效率较低。采用超声复合加 （如超声车削，超声 磨削，超声电解加 ，超声线切割等）可提高加 效率。
7. 3. 2 几种代表性特种加 方法 水喷射加 供水器 蓄能器 控制器 阀 d q 作原理： 利用超高压水（或 喷嘴 过滤器 水与磨料的混合液） 射流 对 件进行切割（ 泵 件 或打孔），又称高 液压装置 压水切割，或“水刀 增压器 排水器 ”。 图 7 -78 水喷射加 装置示意图 q 加 装置（图 7 -78） q 喷嘴材料及 作条件（表 7 -11） 表 7 -11 喷嘴材料及 作条件 项目 材料 孔径/mm 金刚石，蓝宝石， 参数 0. 075～ 0. 4 淬火钢 至 件距离/mm 2. 5～ 50 喷射角度/° 0～ 30
7. 3. 2 几种代表性特种加 方法 q 艺参数（表 7 -12，表 7 -13） 表 7 -12 水喷射加 常用 艺参数 压力/MPa 流速/m/s 流量/L/s 常用值 70～ 450 300～ 900 2. 5 ～ 7. 5 艺参数 喷射力/N 功率/k. W 磨料耗量/kg/min 常用值 45～ 135 10～ 40 0. 1～ 0. 3 表 7 -13 几种材料高压水切割参数 艺参数、效率、精度 件厚度/mm 喷嘴孔径/mm 流体压力/MPa 切割速度/m/min 切缝宽度/mm 切割精度/mm 表面粗糙度/μm 石材 25 0. 3 400 0. 1 0. 5 ± 0. 05 Ra 12. 5 玻璃 12 0. 3 400 0. 1 0. 5 ± 0. 05 Ra 12. 5 ABS塑料 皮革 2. 8 4. 45 0. 1 258 300 0. 85 0. 55 0. 2 — —
Скачать презентацию 项目 7 机械制造技术新发展 本项目要点 制造自动化技术的发展 精密加 与超精密加 非传统加
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