先進制造技術課件第3章課件

1、第三章 先進制造工藝技術 3.1 概述3.2 特種加工技術3.3 高速加工技術 3.4 超精密加工技術3.5 快速原型制造技術 微細加工技術第一節(jié) 概述 3.1.1 機械制造工藝定義與內涵 3.1.2 先進制造工藝的產(chǎn)生和發(fā)展 3.1.3 先進制造工藝的特點及分類3.1.1 機械制造工藝定義與內涵原材料成品半成品機械制造工藝定義改變形狀,尺寸,性能,位置機床、工具機械制造工藝三階段： 零件毛坯的成形準備階段 機械切削加工階段 表面改性處理階段機械制造工藝技術是指將原材料轉化成具有一定幾何形狀、一定材料性能和精度要求的可用零件的一切過程和方法的總稱3.1.2 先進制造工藝的產(chǎn)生和發(fā)展發(fā)展趨勢主要

2、體現(xiàn)在以下幾個方面：制造加工精度 18世紀，其加工精度為1mm； 19世紀末，； 20世紀初，m級過渡； 20世紀50年代末，實現(xiàn)了m級的加工精度（精密加工） 目前達到10nm的精度水平。切削加工速度 20世紀前，碳素鋼，耐熱溫度低于200C，10m/min； 20世紀初，高速鋼，500-600C，30-40m/min； 20世紀30年代，硬質合金，800-1000C，數(shù)百米/min; 目前陶瓷、金剛石、立方氮化硼，1000C以上，一千至數(shù)千米/min。新型工程材料的應用類型：超硬材料、超塑材料、高分子材料、 復合材料、工程陶瓷等對制造工藝貢獻： 改善刀具切削性能，改進加工設備； 促進特種加工

3、工藝發(fā)展。自動化和數(shù)字化工藝裝備的發(fā)展 單機自動化 系統(tǒng)自動化 剛性自動化 柔性自動化 綜合自動化 毛坯成形技術在向少、無余量發(fā)展 如：熔模精密鑄造、精密鍛造、 精密沖裁、冷溫擠壓等新工藝。表面工程技術的形成和發(fā)展表面工程：通過表面涂覆、表面改性、表面加工、表面復合處理改變零件表面形態(tài)、化學成分和組織結構，以獲取與基體材料不同性能的一項應用技術。如：電刷鍍、化學鍍、物理氣相沉積、化學氣象沉積、熱噴涂、化學熱處理、激光表面處理、離子注入等。先進制造工藝的特點1.優(yōu)質2.高效3.低耗4.潔凈5.靈活 電子工藝包括電子元件、部件和裝置的制造工藝，其中最有代表性、特殊性，最有前途的是：晶片制造工藝，超

4、大規(guī)模集成電路制造工藝，微電子器件工藝，光刻工藝，離子注入工藝，鍍膜工藝，電子束焊、激光焊、貴金屬釬焊等。 通用的機械制造工藝有離散工藝過程和連續(xù)工藝過程。按對零件的作用效果可分為改變形態(tài)的工藝過程（如切削加工）、改變性能的工藝過程（如熱處理）和改變外觀性能的工藝過程（如電鍍）等；按零件的精密程度可分為普通工藝過程、精密工藝過程以及超精密工藝過程；按使用的工具及能量形式不同，又可分為常規(guī)工藝、特種工藝、復合工藝以及快速制造工藝等。 由此可見把制造工藝方法按材料加工工藝的不同進行分類，如右圖所示。 （1）成形工藝 成形工藝主要指將不定形的原材料（塊狀、顆粒狀、液態(tài)或固態(tài)）轉化成所需要形狀的工藝，

5、例如鑄造、粉末冶金、塑料成形工藝。這類工藝主要用于獲得毛坯或不需再加工的制品，工藝過程中，微粒子之間互相聚集。成形工藝的過程包括將原材料加熱使其變成液體，然后冷卻固化成一定形狀，或者使原材料的固體顆粒燒結、粘著在一起，由此而獲得工件（大多為毛坯）。粉末冶金的定義: 將各種金屬和非金屬粉料均勻混合后壓制成形，再經(jīng)高溫燒結和必要的后續(xù)處理來制取金屬材料及其制品的成形工藝方法。 3.2.4 高分子材料注射成形粉狀塑料注入螺桿推進送進加熱區(qū)通過分流梭噴嘴噴出注入模腔注射成形工藝過程冷卻成形 （2）變形工藝 變形工藝主要包括使工件的原始幾何形狀從一種狀態(tài)改變?yōu)榱硪环N狀態(tài)，如鍛造、沖壓、軋制、擠壓、拉拔等

6、。鍛造是讓加熱到一定溫度的金屬在沖擊力或壓力作用下產(chǎn)生較大塑性變形，形成所需要的工件形狀；沖壓則是利用模具使材料在壓力作用下產(chǎn)生變形或分離。變形工藝適用于鐵碳合金、不銹鋼、耐熱鋼、輕有色金屬、重有色金屬等。鍛造常用于一些重要毛坯（軸、齒輪等）的生產(chǎn)，沖壓制品在汽車、家用電器等行業(yè)有廣泛用途。 （3）切削工藝 機械制造系統(tǒng)中，切削和磨削是傳統(tǒng)的機械加工方法，材料的切削是制造過程的主要內容，幾乎占全部工藝勞動量的1/3以上。切削與磨削加工是用刀具或砂輪在工件表層切去一層余量，使工件達到要求的尺寸精度、形狀、位置精度和表面質量的加工方法。由于生產(chǎn)效率高，加工成本低，能量消耗少，可以加工各種不同形狀、

7、尺寸和精度要求的工件。因此，切削和磨削一直是工件精加工和最后成形的最重要手段。目前以至將來相當長的時期，切削、磨削仍然是獲得精密機械零件最主要的加工方法。 （4）聯(lián)接工藝 聯(lián)接工藝主要指將單個工件聯(lián)接成組件或最終產(chǎn)品，如機械聯(lián)接、焊接、粘接和裝配等工藝。制造時先分別加工單個零件，然后用聯(lián)接工藝將其結合成一個完整的產(chǎn)品。產(chǎn)品在使用、維護和修理時，經(jīng)常需要拆卸裝配，同樣離不開聯(lián)接工藝。 機械聯(lián)接包括螺栓聯(lián)接、鉚接和壓力聯(lián)接。螺栓聯(lián)接是利用螺栓、螺母、螺紋、銷等緊固件，形成可拆卸式機械聯(lián)接。鉚接是一種永久或半永久性機械聯(lián)接。壓力聯(lián)接一般用過盈裝配方式，如將內件（例如軸）壓入加熱后膨脹狀態(tài)下的套件（例

8、如齒輪孔、套筒），冷卻后套件收縮而緊緊包在內件上。利用材料一定范圍內的彈性，將一個工件強行壓入另一個工件內的壓力聯(lián)接工藝，可以獲得較高的聯(lián)接強度。 焊接是在制造系統(tǒng)內應用極為廣泛的一種聯(lián)接工藝，焊接是通過加熱或加壓或兩者并用（用或不用填充材料）使分離的兩部分金屬形成原子結合的一種永久性聯(lián)接方法。與鉚接比較，焊接具有節(jié)省材料，減輕重量，聯(lián)接質量好，接頭密封性好，可承受高壓，簡化加工與裝配工序，縮短生產(chǎn)周期，易于實現(xiàn)機械化和自動化生產(chǎn)等優(yōu)點。但其有不可拆卸，會產(chǎn)生焊接變形、裂紋等缺陷。工業(yè)生產(chǎn)中應用的焊接方法很多，常用焊接方法下如圖所示。 工業(yè)生產(chǎn)中應用的焊接方法很多，常用焊接方法如下： 焊接在現(xiàn)

9、代工業(yè)生產(chǎn)中具有十分重要的作用，廣泛應用于機械制造中的毛坯生產(chǎn)和制造各種金屬結構件，如高爐爐殼、建筑構架、鍋爐與壓力容器、汽車車身、橋梁、礦山機械、大型轉子軸、缸體等。此外，焊接還用于零件的修復焊補等。 金屬與非金屬的聯(lián)接或非金屬異種材料之間的聯(lián)接經(jīng)常采用粘接工藝實現(xiàn)。在被粘接表面涂一層很薄的粘接劑，粘接劑固化后即形成很強的粘接力。 （5）材料改性工藝及表面處理工藝 是指不改變幾何形狀、僅改變工件材料性能，從而獲得所希望指標的工藝，如材料熱處理工藝等。上述介紹的各種工藝，都要改變工件的幾何形狀，使其能夠具有一定的功能或能承受一定的外載荷。調整材料性能的工藝（主要指熱處理）可以在不改變工件幾何形

10、狀的前提下人為改變材料的顯微組織結構，使工件具有所要求的物理機械性能。常用調整材料性能的工藝如下圖所示。 （6）特種加工工藝 特種加工是利用化學、電化學、物理（聲、光、熱、磁）等方法對材料進行加工,特種加工工藝主要用于各種高硬難熔及具有特殊物理機械性能的材料和精密細小、形狀復雜、難以用傳統(tǒng)切削加工工藝加工的零件。與機械加工方法相比，它具有一系列特點，能解決大量普通機械加工方法難以解決甚至不能解決的問題。因而，自其產(chǎn)生以來得到迅速發(fā)展，不斷充實與擴展機械制造工藝，促進工藝水平的提高。隨著新材料的大量涌現(xiàn)，特種加工工藝也在不斷發(fā)展。 （7）快速成形工藝 是直接根據(jù)產(chǎn)品CAD的三維實體模型數(shù)據(jù)，經(jīng)計

11、算機處理后，將三維模型轉化為許多平面模型的迭加，再通過計算機控制、制造一系列平面模型并加以聯(lián)結，形成復雜的三維實體零件。這樣，產(chǎn)品的研制周期可以顯著縮短，并可節(jié)省研制費用。第二節(jié) 現(xiàn)代特種加工技術 3.2.1 概述 3.2.2 激光加工 3.2.3 光刻蝕技術 3.2.4 電子束加工 3.2.5 離子束加工概述一、特種加工的產(chǎn)生及發(fā)展1 尖端科學技術的發(fā)展方向 高精度 高速度 高溫 高壓 大功率 小型化2 對機械制造部門提出的新要求：（1）解決各種難切削材料的加工問題（2）解決各種特殊復雜表面的加工問題（3）解決各種超精、光整或具有特殊要求的零件的加工問題 要解決機械制造部門面臨的一系列工藝問

12、題，僅僅依靠傳統(tǒng)的切削 加工方法很難實現(xiàn)，甚至根本無法實現(xiàn)，人們相繼探索研究新的加工方法，特種加工因此而產(chǎn)生。 切削加工的本質和特點：（1）靠刀具材料比工件更硬（2）靠機械能把工件上多余的材料切除 特種加工技術是指區(qū)別于傳統(tǒng)切削加工方法，利用化學、物理（電、聲、光、熱、磁）或電化學方法對工件材料進行加工的一系列加工方法的總稱。 超聲波加工（USM）、激光加工（LBM）、離子束加工（IBM）、電子束加工（EBM）等 這些加工方法包括：化學加工（CHM）、電化學加工（ECM）、電化學機械加工（ECMM）、電火花加工（EDM）、電接觸加工（RHM）、超聲波加工（USM）、激光加工（LBM）、離子束加

13、工（IBM）、電子束加工（EBM）、等離子體加工（PAM）、電液加工（EHM）、磨料流加工（AFM）、磨料噴射加工（AJM）、液體噴射加工（HDM）及各類復合加工等。 特種加工的特點： 1）不用機械能，與加工對象的機械性能無關，有些加工方法，如激光加工、電火花加工、等離子弧加工、電化學加工等，是利用熱能、化學能、電化學能等，這些加工方法與工件的硬度強度等機械性能無關，故可加工各種硬、軟、脆、熱敏、耐腐蝕、高熔點、高強度、特殊性能的金屬和非金屬材料。 2）非接觸加工，不一定需要工具，有的雖使用工具，但與工件不接觸，因此，工件不承受大的作用力，工具硬度可低于工件硬度，故使剛性極低元件及彈性元件得以

14、加工。 3）微細加工，工件表面質量高，有些特種加工，如超聲、電化學、水噴射、磨料流等，加工余量都是微細進行，故不僅可加工尺寸微小的孔或狹縫，還能獲得高精度、極低粗糙度的加工表面 。 4）不存在加工中的機械應變或大面積的熱應變，可獲得較低的表面粗糙度，其熱應力、殘余應力、冷作硬化等均比較小，尺寸穩(wěn)定性好。 5）兩種或兩種以上的不同類型的能量可相互組合形成新的復合加工，其綜合加工效果明顯，且便于推廣使用。 6）特種加工對簡化加工工藝、變革新產(chǎn)品的設計及零件結構工藝性等產(chǎn)生積極的影響。1、激光加工LBM 激光加工（Laser Beam Machining）是20世紀60年代發(fā)展起來的一種新興技術，它

15、是利用光能經(jīng)過透鏡聚焦后達到很高的能量密度，依靠光熱效應來加工各種材料。 由于激光加工不需要加工工具、而且加工速度快、表面變形小，可以加工各種材料，受到了人們極大重視，已廣泛用于打孔、切割、焊接、電子器件微調、熱處理 以及信息存貯等許多領域。 原子的發(fā)光 原子由原子核和繞原子核轉動的電子組成。原于的內能就是電子繞原子核轉動的動能和電子被原子核吸引的位能之和。如果由于外界的作用，使電子與原子核的距離增大或縮小，則原子的內能也隨之增大或縮小。只有電子在最靠近原子核的軌道上運動才是最穩(wěn)定的，人們把這時原子所處的能級狀態(tài)稱為基態(tài)。當外界傳給原于一定的能量時(例如用光照射原子)，原子的內能增加，外層電子

16、的軌道半徑擴大，被激發(fā)到高能級，為激發(fā)態(tài)或高能態(tài)。圖5-2是氫原子的能級，圖中最低的能級E1稱為基態(tài)其余E2、E3等都稱為高能態(tài)。 圖5-2氫原子的能級 在基態(tài)時，原子可以長時間地存在，而在激發(fā)狀態(tài)的各種高能級的原于停留的時間(稱為壽命)一般都較短，常在左右。但有些原于或離子的高能級或次高能級卻有較長的壽命，這種壽命較長的較高能級稱為亞穩(wěn)態(tài)能級。激光器中的氮原子、二氧化碳分子以及固體激光材料中的鉻或釹離子等都具有亞穩(wěn)態(tài)能級，這些亞穩(wěn)態(tài)能級的存在是形成激光的重要條件。 當原子從高能級躍遷回到低能級或基態(tài)時，常常會以光子的形式輻射出光能量，所放出光的頻率。與高能態(tài)En和低能態(tài)E1之差有如下關系：式

17、中：h普朗克常數(shù) 物質的發(fā)光，除自發(fā)輻射外，還存在一種受激輻射。當一束光入射到具有大量激發(fā)態(tài)原子的系統(tǒng)中，若這束光的頻率v與 很接近，則處在激發(fā)能級上的原子，在這束光的刺激下會躍遷回較低能級，同時發(fā)出一束光，這束光與入射光有著完全相同的特性，它的頻率，相位、傳播方向、偏振方向都是完全一致的。因此可以認為它們是一模一樣的，相當于把入射光放大了，這樣的發(fā)光過程稱為受激輻射。（二）激光的產(chǎn)生 某些具有亞穩(wěn)態(tài)能級結構的物質，在一定外來光子能量激發(fā)的條件下，會吸收光能，使處在較高能級(亞穩(wěn)態(tài))的原子(或粒子)數(shù)目大于處于低能級(基態(tài))的原于數(shù)目，這種現(xiàn)象，稱為“粒子數(shù)反轉”。在粒子數(shù)反轉的狀態(tài)下，如果有

18、一束光于照射該物體，而光于的能量恰好等于這兩個能級相對應的能量差，這時就能產(chǎn)生受激輻射，輸出大量的光能。 激光加工的原理與特點激光是一種經(jīng)受激輻射產(chǎn)生的加強光。其光強度高，方向性、相干性和單色性好，通過光學系統(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（1081010W/cm2）。 當激光照射到工件表面，光能被工件吸收并迅速轉化為熱能，光斑區(qū)域的溫度可達10000以上，使材料熔化甚至汽化。隨著激光能量的不斷吸收，材料凹坑內的金屬蒸汽迅速膨脹，壓力突然增大，熔融物爆炸式的高速噴射出來，在工件內部形成方向性很強的沖擊波。激光加工就是工件在光熱效應下產(chǎn)生的高溫熔融和沖擊

19、 波的綜合作用過程。固體激光器加工原理示意圖 1-全反射鏡；2-激光工作物質；3-光泵（激勵脈沖氙燈）；4-部分反射鏡；5-透鏡；6-工件 d0-光斑直徑；f-透鏡焦距；-發(fā)散角（一般為10-210-3rad） 當激光的工作物質(釔鋁石榴石等)受到光泵激發(fā)后，吸收具有特定波長的光，在一定條件下可導致工作物質中的亞穩(wěn)態(tài)粒子數(shù)大于低能級粒子數(shù)。此時一旦有少量激發(fā)粒子自發(fā)輻射發(fā)出光子，即可感應所有其他激發(fā)粒子產(chǎn)生受激幅射躍遷，實現(xiàn)光放大，并通過全反射鏡和部分反 射鏡組成的諧振腔的反饋作用產(chǎn)生振蕩，由部分反射鏡的一端輸出激光，通過透鏡將激光束聚焦形成高能光束，照射到待加工工件的表面上，即可進行加工。激

20、光加工的特點1）加工范圍廣，幾乎可加工任何金屬與非金屬材料，如耐熱合金、高熔點材料、陶瓷、寶石、硬質合金和復合材料等；2）它屬于高能束流加工，不存在工具磨損和更換及切削力影響；3）加工時不產(chǎn)生振動和機械噪聲，加工效率高，可實現(xiàn)高速打孔和高速切割。也易于實現(xiàn)加工過程自動化；4）屬非接觸加工，工件不受機械切削力，能加工易變形的薄板和橡膠等彈性工件；（加工精度高）機械變形小5）加工速度快，熱影響區(qū)??；（熱變形?。?）激光可透過玻璃、空氣及惰性氣體等透明介質進行加工，如可對隔離室或真空室內工件進行加工；7）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節(jié)，因此可用于精密微細加工。激光加工的

21、基本設備1）激光器：激光器是激光加工的重要設備，它把電能轉變成光能，產(chǎn)生激光束。目前常用的激光器按激活介質的種類可以分為固體激光器和氣體激光器。2）激光器電源：激光器電源為激光器提供所需要的能量及控制功能。3）光學系統(tǒng)：包括激光聚焦系統(tǒng)和觀察瞄準系統(tǒng)，后者能觀察和調整激光束的焦點位置，并將加工位置顯示在投影儀上。4）機械系統(tǒng)：主要包括床身、能在三坐標范圍內移動的工作臺及機電控制系統(tǒng)等。隨著電子技術的發(fā)展，目前已采用計算機來控制工作臺的移動，實現(xiàn)激光加工的數(shù)控操作。1）激光打孔：激光打孔是激光加工中應用最早和應用最廣泛的一種加工方法。利用凸鏡將激光在工件上聚焦，焦點處的高溫使材料瞬時熔化、汽化、

22、蒸發(fā)，好像一個微型爆炸。汽化物質以超音速噴射出來，它的反沖擊力在工件內部形成一個向后的沖擊波，在此作用下將孔打出。激光打孔速度極快，效率極高。幾乎可在任何材料上打微孔，目前已用于火箭發(fā)動機和柴油機的燃料噴嘴加工、鐘表及儀表中寶石軸承打孔， 激光打孔的直徑可以小到以下，深徑比可達50：1。激光加工的應用 2）激光切割：與激光打孔原理基本相同，也是將激光能量聚集到很微小的范圍內把工件燒穿，但切割時需移動工件或激光束（一般移動工件），沿切口連續(xù)打一排小孔即可把工件割開?？汕懈罡鞣N各樣的材料，既可切割無機物，也可以切割皮革之類的有機物。它可以鋸切木材，剪割布料、紙張，還能切割無法進行機械接觸的工件（如

23、從電子管外部切斷內部的燈絲）。激光對被切割材料幾乎不產(chǎn)生機械沖擊和壓力，適于切割玻璃、陶瓷和半導體等既硬又脆的材料。再加上激光光斑小、切縫窄，且便于自動控制，所以更適宜于對細小部件作各種精密切割。3）激光焊接。激光焊接與激光打孔原理稍有不同，焊接時不需要那么高的能量密度使工件材料汽化蝕除，而只要將工件的加工區(qū)燒熔，使其粘合在一起。因此所需能量密度較低，可用小功率激光器。與其他焊接相比，具有焊接時間短、效率高、無噴渣、被焊材料不易氧化、熱影響區(qū)小、變形小等特點。不僅能焊接同種材料，而且可以焊接不同種類的材料，甚至可以焊接金屬與非金屬材料。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

24、一起就可以。4）激光表面處理。利用激光對金屬工件表面進行掃描，從而引起工件表面金相組織發(fā)生變化進而對工件表面進行表面淬火、粉末粘合等。用激光進行表面淬火，工件表層的加熱速度極快，內部受熱極少，工件不產(chǎn)生熱變形。特別適合于對齒輪、汽缸筒等形狀復雜的零件進行表面淬火。國外已應用于自動線上對齒輪進行表面淬火。同時由于不必用加熱爐，是開式的，故也適合于大型零件的表面淬火。粉末粘合是在工件表層上用激光加熱后熔入其他元素，可提高和改善工件的綜合力學性能。此外，還可以利用激光除銹、激光消除工件表面的沉積物等。激光打孔 激光切割（水晶內部）激光雕刻光刻蝕技術 光刻蝕加工又稱光刻加工或刻蝕加工，簡稱刻蝕。目前，

25、光刻加工技術主要是針對集成電路制作中得到高精度微細線條所構成的高密度微細復雜圖形。是對薄膜表面及金屬板表面進行精密、微小和復雜圖形加工的技術，用它制造的零件有：刻線尺、微電機轉子、電路印刷板和細孔金屬網(wǎng)板等。光刻原理 所謂光刻蝕就是使用電磁波頻譜中的光束或電子、X射線和離子等射線，將光致抗蝕劑（光刻膠）形成規(guī)定圖形的微細加工方法。 采用光束作曝光光源的集成電路的精密光刻工藝的基本原理與照相制版原理相似，但它要求高、工藝過程復雜。下圖所示為集成電路一次光刻的工藝過程原理圖。2、光刻加工氧化 硅晶片表面形成一層氧化層；涂膠 涂光致抗蝕劑；曝光 通過掩模曝光；顯影 曝光部分溶解去除；腐蝕 未被覆蓋部

26、分腐蝕掉；去膠 將光致抗蝕劑去除；擴散-向需要雜質的部分擴散雜質，以完成整個光刻加工過程。光刻加工工藝示例 集成電路光刻工藝的一般過程 光刻工藝過程一般有兩大工序，即掩膜制造和光刻蝕加工。 （1）掩膜制造。根據(jù)集成電路設計布局圖，用繪圖機、精縮照像機，經(jīng)放大繪制、分步重復縮小照像，縮到和元件尺寸相同的掩膜（稱之為母掩膜），母掩膜經(jīng)翻拍復印成工作（光刻）掩膜，制作電路時只用工作掩膜。 （2）光刻蝕加工。光刻工藝過程包括以下幾個步驟：1）涂膠。 4）腐（刻）蝕。 2）曝光。 5）剝膜與檢查。 3）顯影與烘片。電子束加工原理 電子束加工EBM（Electron Beam Machining）：在真空

27、條件下，利用聚焦后能量密度極高（106109W/cm2）的電子束，以極高的速度沖擊到工件表面極小面積上，在極短的時間（幾分之一微秒）內，其能量的大部分轉變?yōu)闊崮?，使被沖擊部分的工件材料達到幾千攝氏度以上的高溫，從而引起材料的局部熔化和氣化，被真空系統(tǒng)抽走?？刂齐娮邮芰棵芏鹊拇笮『湍芰孔⑷霑r間，就可以達到不同的加工目的。如只使材料局部加熱就可進行電子束熱處理；使材料局部熔化就可進行電子束焊接；提 高電子束能量密度，使材料熔化和氣化，就可進行打孔、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)生化學變化的原理，進行電子束光刻加工。電子束加工特點由于電子束能夠極其微細地聚焦（可達），可實現(xiàn)

28、亞微米和毫微米級的精密微細加工；電子束能量密度很高，使照射部分的溫度超過材料的熔化和氣 化溫度，去除材料主要靠瞬時蒸發(fā)，是一種非接觸式加工，工件不受機械力作用，因而不產(chǎn)生宏觀應力和變形；加工材料的范圍廣，對高強度、高硬度、高韌性的 材料以及導體、半導體和非導體材料均可加工；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。（通過磁場和電場對電子束強度、位置、聚焦等進行控制）如每秒可在厚鋼板上加工出3000個直徑孔；電子束加工是在真空中進行，因而污染少，加工表面不會氧化，特別適合加工易氧化的金屬及其合金材料，以及純度要求極 高的半導體材料。電子束加工需要一整套專用設備和真空系統(tǒng)，價格

29、較貴，生產(chǎn)應用有一定局限性。電子束加工裝置1）電子槍。電子槍是獲得電子束的裝置，它包括電子發(fā)射陰極、控制柵和加速陽極等。2）真空系統(tǒng)。是為了保證在電子束加工時維持1.3310-21.3310-4Pa的真空度。只有在高真空中，電子才能高速運動。3）控制系統(tǒng)和電源。電子束加工裝置的控制系統(tǒng)包括束流聚焦控制、束流位置控制、束流強度控制以及工作臺位移控制等。 （1）電子槍 電子槍是獲得電子束的裝置，它包括電子發(fā)射陰極、控制柵極和加速陽極等。如圖所示，陰極經(jīng)電流加熱發(fā)射電子，帶負電荷的電子高速飛向帶高電位的正極，在飛向正極的過程中，經(jīng)過加速極加速，又通過電磁透鏡把電子束聚焦成很小的束流。 （2）真空系統(tǒng)

30、 真空系統(tǒng)是為了保證在電子束加工時達到1.3310-21.3310-4Pa的真空度。因為只有在高真空時，電子才能高速運動。為了消除加工時的金屬蒸氣影響電子發(fā)射而使其產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象，需要不斷地把加工中產(chǎn)生的金屬蒸氣抽去。（3）控制系統(tǒng)和電源 電子束加工裝置的控制系統(tǒng)包括束流聚焦控制、束流位置控制、束流強度控制以及工作臺位移控制等部分。電子束加工應用1）高速打孔。電子束打孔的孔徑范圍為?？椎纳顝奖瓤梢赃_到100:1，噴氣發(fā)動機上的冷卻孔和機翼吸附屏的孔，孔徑微小，孔數(shù)巨大，達數(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，以增強其透氣性。2）加工彎孔和曲面。借助于偏轉

31、器磁場的變化，可以使電子束在工件內部偏轉方向，可加工曲面和彎孔。3）焊接。電子束焊接是利用電子束作為熱源的一種焊接工藝。由于電子束的能量密度高，焊接速度快，所以電子束焊接的焊縫深而窄，焊件熱影響區(qū)小，變形小。電子束焊接一般不用焊條，焊接過程在真空中進行，因此焊縫化學成分純凈，焊接接頭的強度往往高于母材。4）熱處理。電子束熱處理與激光熱處理類同，但電子束的電熱轉換效率高，可達90%，而激光的轉換效率只有7%10%。電子束熱處理在真空中進行，可以防止材料氧化。 如果用電子束加熱金屬達到表面熔化，可在熔化區(qū)加入添加元素，使金屬表面形成一層很薄的新的合金層，從而獲得更好的物理力學性能。鋁、鈦、鎳的各種

32、合金幾乎全可進行添加元素處理，從而得到很好的耐磨性能。5）電子束光刻 用低功率密度的電子束照射工件表面雖不會引起表面的溫升，但入射電子與高分子材料的碰撞，會導致它們的分子鏈的切斷或重新聚合，從而使高分子材料的化學性質和分子量產(chǎn)生變化，這種現(xiàn)象叫電子束的化學效應，利用這種效應進行加工的方法叫電子束的光刻。 離子束加工1.離子束加工原理、分類和特點（1）離子束加工的原理離子束加工的原理和電子束加工基本類似，也是在真空條件下，將離子源產(chǎn)生的離子束經(jīng)過電場加速后，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，其質量是電子的千萬倍，因此離子束加工主要靠高速離子束的微觀機械撞擊動能，而不

33、是像電子束加工主要靠熱效應，加工時被加工表面不產(chǎn)生熱量。 離子束加工的物理基礎 離子束加工的物理基礎是離子束射到材料表面時所發(fā)生的撞擊效應、濺射效應和注入效應。具有一定動能的離子斜射到工件材料（靶材）表面時，可以將表面的原子撞擊出來，這就是離子的撞擊效應和濺射效應。如果將工件直接作為離子轟擊的靶材，工件表面就會受到離子刻蝕（也稱離子銑削）。如果將工件放置在靶材附近，靶材原子就會濺射到工件表面而被濺射沉積吸附，使工件表面鍍上一層靶材原子的薄膜。如果離子能量足夠大并垂直工件表面撞擊時，離子就會鉆進工件表面，這就是離子的注入效應。 （2）離子束加工分類 1）離子刻蝕 是用能量為5keV的氬離子轟擊工

34、件，將工件表面的原子逐個剝離。其實質是一種原子尺度的切削加工，所以又稱離子銑削。這就是近代發(fā)展起來的毫微米加工工藝。 2）離子濺射沉積 也是采用能量為5keV的氬離子，轟擊某種材料制成的靶，離子將靶材原子擊出，沉積在靶材附近的工件上，使工件表面鍍上一層薄膜，所以濺射沉積是一種鍍膜工藝。 3）離子鍍 也稱離子濺射輔助沉積，是用5keV的氬離子，在鍍膜時，同時轟擊靶材和工件表面。目的是為了增強膜材與工件基材之間的結合力。也可將靶材高溫蒸發(fā)，同時進行離子鍍。 4）離子注入 是采用5500keV能量的離子束，直接轟擊被加工材料，由于離子能量相當大，離子就鉆進被加工材料的表面層，工件表面層含有注入離子后

35、，就改變了化學成分，從而改變了工件表面層的機械物理性能。根據(jù)不同的目的選用不同的注入離子，如磷、硼、碳、氮等。 （3）離子束加工的特點 1）由于離子束可以通過電子光學系統(tǒng)進行聚焦掃描，離子束轟擊材料是逐層去除原子，離子束流密度及離子能量可以精確控制，所以離子刻蝕可以達到毫微米（）級的加工精度。離子鍍膜可以控制在亞微米級精度，離子注入的深度和濃度也可極精確地控制。因此，離子束加工是所有特種加工方法中最精密、最微細的加工方法，是當代毫微米加工（納米加工）技術的基礎。 2）由于離子束加工是在高真空中進行，所以污染少，特別適用于對易氧化的金屬、合金材料和高純度半導體材料的加工。 3）離子束加工是靠離子

36、轟擊材料表面的原子來實現(xiàn)的。它是一種微觀作用，宏觀壓力很小，所以加工應力、熱變形等極小，加工質量高，適合于對各種材料和低剛度零件的加工。 4）離子束加工設備費用昂貴、成本高，因此應用范圍受到一定限制。3、離子束加工裝置組成與電子束加工裝置類似，它包括離子源、真空系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和電源等部分。主要不同的部位是離子源系統(tǒng)。離子源用以產(chǎn) 生離子束流。具體辦法：把要電離的氣態(tài)原子（如氬等情性氣體或金屬蒸汽）注入電離室，經(jīng)高頻放電、電弧放電、 等離子體放電或電子轟擊，使氣態(tài)原子電離為等離子體（即正離子數(shù)和負電子數(shù)相等的混合體）。用一個相對于等離子體為負電位的電極（吸極），就可從等離子體中引出正離子束流。根

37、據(jù)離子束產(chǎn)生的方式和用途的不同，離子源有很多型式，常用的有考夫曼型離子源和雙等離子管型離子源?？挤蚵碗x子源l真空抽氣口 2燈絲3惰性氣體注入口 4電磁線圈 5離子束流 6工件 7陰極8引出電極 9陽極 10電離室 3.離子束加工的應用 離子束加工的應用范圍正在日益擴大、不斷創(chuàng)新。目前用于改變零件尺寸和表面物理力學性能的離子束加工有：用于從工件上作去除加工的離子刻蝕加工，用于給工件表面添加的離子鍍膜加工，用于表面改性的離子注入加工等。 （1）刻蝕加工 離子刻蝕是從工件上去除材料，是一個撞擊濺射過程。當離子束轟擊工件，入射離子的動量傳遞到工件表面的原子，傳遞能量超過了原子間的鍵合力時，原子就從工

38、件表面撞擊濺射出來，達到刻蝕的目的。為了避免入射離子與工件材料發(fā)生化學反應，必須用惰性元素的離子。氬氣的原子序數(shù)高，而且價格便宜，所以通常用氬離子進行轟擊刻蝕。由于離子直徑很?。s十分之幾個納米），可以認為離子刻蝕的過程是逐個原子剝離的，刻蝕的分辨率可達微米甚至亞微米級，但刻蝕速度很低，剝離速度大約每秒一層到幾十層原子。 （2）鍍膜加工 離子鍍膜加工有濺射沉積和離子鍍兩種。離子鍍時工件不僅接受靶材濺射來的原子，還同時受到離子的轟擊，這使離子鍍具有許多獨特的優(yōu)點。 離子鍍的種類有很多，常用的離子鍍是以蒸發(fā)鍍膜為基礎的，即在真空中使被蒸發(fā)物質氣化，在氣體離子或被蒸發(fā)物質離子沖擊作用的同時，把蒸發(fā)物

39、蒸鍍在基體上。 3）離子注入 離子注入是向工件表面直接注入離子，可以注入任何離子，且注入量可以精確控制，注入的離子固溶在工件材料中，含量可以達到10%至40%，注入的深度可達1微米。利用離子注入可以改變金屬表面的物理化學性能，改善金屬表面的抗腐蝕性、抗疲勞性、潤滑性能和耐磨性能。 超聲加工 超聲加工（USM）又稱為超聲波加工。超聲波是指頻率超過人耳頻率上限的一種振動波，通常頻率在16kHz以上的振動聲波就屬于超聲波。其特點是頻率高、波長短、能量大，超聲加工是利用超聲波作為動力，帶動工具作超聲振動，通過工具與工件之間加入的磨料懸浮液（工作液與磨料的混合液）沖擊工件表面而進行加工的一種成形方法。超

40、聲加工不僅能加工硬質合金、淬火鋼等脆硬金屬材料，而且更適合于加工玻璃、陶瓷、半導體鍺和硅片等不導電的非金屬脆硬材料，同時還可以用于清洗、焊接和探傷。超聲波加工基本原理1、15-工件 2、13-工具頭3-冷卻水人口 4-換能器5-勵磁線圈 6-銀釬料接縫7-諧振支座 8-冷卻水出口 9、12-變幅桿 10-磨料射流11-磨料懸浮液14-磨料粒子16-工件材料碎粒 超聲加工的特點和應用主要特點 1）適應范圍廣。超聲加工不僅能加工硬質合金、淬火鋼等脆硬材料，而且更適合于加工玻璃、陶瓷、半導體鍺和硅片等不導電的非金屬脆硬材料。 2）工具可用較軟的材料做成較復雜的形狀，使機床運動簡化，機床結構簡單，操作

41、維修方便.3）超聲加工時，工件表面宏觀切削力較小，使得切削應力、切削熱較小，不會引起變形和表面燒傷等質量問題，因此其加工精度和表面質量較高，如超聲加工孔的尺寸精度可達 ，甚至更高，表面粗糙度值一般可達R。4）超聲加工生產(chǎn)效率一般較低。超聲波加工的應用型腔拋磨加工 用于淬火鋼、硬質合金沖模、拉絲模、塑料模具型腔的最終光整加工；超聲清洗 超聲波使液體分子往復高頻振動產(chǎn)生正負交變的沖擊波，使被清洗物表面的污物遭到破壞，并從被清洗表面脫落下來；即使是被清洗物上窄縫、微小細孔、彎孔中得污物，也容易被清洗干凈。超聲波復合加工 如超聲與電火花復合加工，電火花有效放電脈沖利用率可提高到50%以上，提高生產(chǎn)率2

42、-20倍。振動切削 振動切削是在普通切削加工的基礎上，人為地給刀具或工件施加一個有規(guī)律的振動，改變了刀具和工件之間的瞬時運動關系，使切削過程在動態(tài)下進行的一種復合加工方法。從頻率方面把振動切削分為高頻振動切削（超聲波振動）和低頻振動切削兩種。 振動切削加工是在刀具或工件上附加一定可控的振動，使加工過程變?yōu)殚g斷、瞬間、往復的微觀斷續(xù)切削過程。在加工過程中對零件表面進行20000次/秒的連續(xù)敲擊，即使是高硬材料，在如此高頻的振動敲擊下，一個很小的切削力也可將其瓦解，以撞擊方式將零件表面材料以微小顆粒形式分離出來，這種加工方式的效率要比傳統(tǒng)方式提高5倍，零件表面光潔度Ra，可加工的精密小孔，切削溫升

43、低。故可保護刀具及延長壽命原理振動切削的效果1）切削抗力顯著降低。2）加工精度明顯提高。3）切削溫度顯著降低。4）切削過程比較順利。5）加工表面質量可以得到改善 科學技術向微小領域發(fā)展，由毫米級、微米級繼而涉足納米級，人們把這個領域的技術稱之為微米/納米技術（Micro Nano-Technology）。作為本世紀出現(xiàn)的高技術，發(fā)展十分迅猛，并由此開創(chuàng)了納米電子、納米材料、納米生物、納米機械、納米制造、納米測量等等新的高技術群。微米/納米技術 微米/納米技術研究技術途徑可分為兩類:一種是分子、原子組裝技術的辦法，即把具有特定理化性質的功能分子、原子、借助分子、原子內的作用力，精細地組成納米尺度

44、的分子線、膜和其他結構，再由納米結構與功能單元進而集成為微米系統(tǒng)，這種方法稱為由小到大的方法；另一種是用刻蝕等微細加工方法，將大的材料割小，或將現(xiàn)有的系統(tǒng)采用大規(guī)模集成電路中應用的制造技術，實現(xiàn)系統(tǒng)微型化，這種方法亦稱為由大到小的方法。目前，由大到小的方法是我們主要應用的方法。微米技術是指在微米級（100m）的材料、設計、制造、測量、控制和應用技術。 （1）微小尺度的設計理論研究 研究重點應包括：微動力學、微流體力學、微熱力學、微機械學、微光學等，并且注重現(xiàn)代設計方法如CAD技術、仿真與擬實技術等在微型系統(tǒng)設計中的應用。（2）微細加工技術 微細加工技術包含超精機械加工、IC工藝、化學腐蝕、能量

45、束加工等諸多方法（3）精密測試技術 具有微米及亞微米測量精度的幾何量與表面形貌測量技術亦已成熟,目前密測試技術的一個重要研究對象是微結構的力學性能，如諧振頻率、彈性模量、殘余應力的測試和微結構的表面形貌及內部結構，如微體缺陷、微裂縫、微沉積物的測試，由此出現(xiàn)了軟X射線顯微鏡、掃描光聲顯微鏡等新技術。（4）微系統(tǒng)技術在研究微系統(tǒng)設計、加工、測量的基礎上，國內外較廣泛地開展了微型傳感、微執(zhí)行機構、微電子信號處理等方面的研究工作，如已制作出微型力傳感器、微型泵、微電機等。下一階段的目標是如何將微機構、微傳感器、微執(zhí)行器、微電子信號處理電路等集成于一體，這種集成技術亦是建立于微細加工的基礎之上，其主要

46、研究問題包括：微系統(tǒng)的宏微界面接口技術，封裝技術，粘接技術，系統(tǒng)自檢、自律、自校正技術等。納米技術通常指納米級100nm的材料、設計、制造、測量、控制和產(chǎn)品的技術。納米技術是科技發(fā)展的一個新興領域，它不僅僅是將加工和測量精度從微米級提高到納米級的問題，而且人類對自然的認識和改造方面，從宏觀領域進入到物理的微觀領域，深入了一個新的層次，即從微米層深入到分子、原子級的納米層次。納米技術主要包括：納米級精度和表面形貌的測量；納米級表層物理、化學、力學性能的檢測；納米級精度的加工和納米級表層的加工-原子和分子的去除、搬遷和重組；納米材料；納米級傳感器和控制技術；微型和超微型機械；微型和超微型機電系統(tǒng)和

47、其他綜合系統(tǒng)；納米生物學等。 （1）納米電子技術目前掃描探針顯微技術可以在表面上形成納米級寬度的線條，如日本、英國、美國均已成功地加工出了520nm的線條，由此將集成電路的幾何結構進一步減小，在這個尺度上，新的物理效應將會出現(xiàn)，利用它可以發(fā)展新穎的量子器件，像原子開關、共振隧道二極管、量子激光器等器件。納米電子技術的另一個誘人的研究方向是發(fā)展分子電子器件和生物芯片，它們以分子組合為基礎，是一種全新的電子元件。（2）納米機械技術納米機械是能實現(xiàn)納米尺寸上某種功能的機械，如納米制造設備及納米執(zhí)行器，納米執(zhí)行器能實現(xiàn)納米尺度的移動與定位。納米機械技術包括的領域很廣，其研究基礎包括納米加工過程的動力學

48、模擬、納米構件與表面分子工程、納米摩擦學等 （3）納米材料技術 納米材料技術是發(fā)展最早且研究最深入的學科。納米材料由于其結構的特殊性，如大的表面比及小尺寸效應、界面效應、量子效應和量子隧道效應等一系列新的效應。使納米材料出現(xiàn)許多不同于傳統(tǒng)材料的獨特性能，從而使其在未來新材料上充當角色，如隱身材料，高靈敏度、高響應的傳格材料，多功能復相陶瓷材料等。 （4）納米加工技術納米加工技術的發(fā)展面臨兩大途徑：一方面是將傳統(tǒng)的超精加工技術，如機械加工（單點金剛石和CBN刀具切削、磨削、拋光）、電化學加工（ECM）、電火花加工（EDM）、離子和等離子體蝕刻、分子束外延（MBE）、物理和化學氣相沉積、激光束加工

49、、LIGA技術等向其極限精度逼近，使其具有納米的加工能力。另一方面，開拓新效應的加工方法，如 STM對表面的納米加工，可操縱原子和分子，并對表面進行刻蝕。 （5）納米測量技術 以上所涉及有關納米技術的研究，均離不開對它們的分析測試工作納米測量技術，或稱之為納分析和納探針技術。其中納探針技術發(fā)展迅速并較為成熟，隨著20世紀 80年代STM的出現(xiàn)，使人們能直接觀察到物質表面的原子結構，把人們帶到了微觀世界?；赟TM發(fā)展起來了一系列利用探針與樣品的不同相互作用，來探測表面或界面納米尺寸上表現(xiàn)出來的物理與化學性質掃描探針顯微鏡（SPM），如：原子力顯微鏡（AFM）、磁力顯微鏡（MFM）、摩擦力顯微鏡

50、（LFM）、彈道電子發(fā)射顯微鏡（BEEM）、光子掃描隧道顯微鏡（PSTM）、掃描隧道電位（STP）、掃描離子電導顯微鏡（SICM）、掃描熱顯微鏡（ STM）、掃描力顯微鏡（SFM）等。微機電系統(tǒng) 在微小尺寸范圍，機械依其特征尺寸可以劃分為110mm的小型機械，1m1mm的微型機械，以及1nm1m的納米機械。所謂微型機械，從廣義上包含了微小型和納米機械，但并非機械的單純微小化，而是指可以批量制作的，集微型機構、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號處理和控制電路，甚至外圍接口、通訊電路和電源等于一體的微型電子機械系統(tǒng)（MEMS），或稱之為微系統(tǒng)。MEMS產(chǎn)品具有尺寸小、精度高、響應速度快和成本低的優(yōu)勢。

51、 其研究開發(fā)內容包括基礎理論、設計、材料、制作工藝、微型傳感和執(zhí)行元件、測試技術、微操 作與控制技術、宏/微接口和通訊技術、能源供給、系統(tǒng)集成以及應用等許多方面 1.微小型化的尺寸效應 （1）力的尺寸效應 在微小尺寸領域，與特征尺寸L的高次方成比例的慣性力、電磁力等的作用相應減小，而與尺寸的低次方成比例的粘性力、彈性力、表面張力、靜電力等的作用相對增大。 （2）表面效應 隨著尺寸的減小，表面積與體積之比相對增大。因而熱傳導、化學反應等加速，表面間的摩擦阻力顯著增大。 （3）誤差效應 對于微小構件，加工誤差與構件尺寸之比相對增大。這可能使微小機構的特性受誤差影響增大。 （4）材料性能 尺寸減小，

52、材料內部缺陷減少，材料的機械強度大幅度增大。微型薄膜構件的彈性模量、抗拉強度、殘余內應力、破壞韌性、疲勞強度等與塊材不盡相同，尺寸減小到一定程度，有些宏觀物理量甚至要重新定義。微觀摩擦的機理也在研究中。 2.微細加工工藝 （1）半導體加工技術 半導體加工技術即半導體的表面和立體的微細加工,是在以硅為主要材料的基片上，進行沉積、光刻與腐蝕的工藝過程。半導體加工技術使MEMS的制作具有低成本、大批量生產(chǎn)的潛力。 1）光刻加工技術 2）體微型機械加工技術 3）表面微型機械加工技術 （2）光刻電鑄 光刻電鑄即LIGA工藝，利用X射線的深層光刻與電鑄相結合，能夠實現(xiàn)高深寬比的金屬、塑料等多種材料的微細加

53、工。與犧牲層腐蝕工藝結合，已制造出直徑為微米級尺寸的金屬齒輪以及微小的加速度計等。低成本的LIGA工藝和準LIGA的加工工藝也在研究中。 （2）光刻電鑄 LIGA技術的機理由深層X射線光刻、電鑄成形及塑注成形三個工藝組成。它的主要工藝過程為：X光光刻掩膜板的制作、X光深光刻、光刻膠顯影、電鑄成形、塑模制作、塑模脫膜成形等。 圖示為LIGA技術制造器件的過程。 （3）集成電路（IC）技術 這是一種發(fā)展十分迅速且較成熟的制作大規(guī)模電路的加工技術，在微型機械加工中使用較為普遍，是一種平面加工技術。但該技術的刻蝕深度只有數(shù)百納米，且只限于制作硅材料的零部件。（4）超微型機械加工和電火花線切割加工 用小

54、型精密金屬切削機床及電火花、線切割等加工方法，制作毫米級尺寸左右的微型機械零件，是一種三維實體加工技術，加工材料廣泛，但多是單件加工、單位裝配，費用較高。 （5）快速原型/零件制造技術 （6）鍵合技術 鍵合技術是一種把兩個固體部件在一定的溫度與電壓下直接鍵合在一起的封裝技術，其間不用任何粘接劑，在鍵合過程中始終處于固相狀態(tài)。它可以是硅玻璃靜電鍵合，也可以是硅硅直接鍵合。它可實現(xiàn)硅一體化微型機械結構，不存在界面失配問題，有利于提高器件性能。 3.微型機械材料和微型構件 （1）構造材料 半導體微細加工材料包括單晶硅、多晶硅、氮化硅等硅材料，聚酰亞胺等高分子材料，鋁、鎢、鉬、鉻、金等金屬材料，以及陶

55、瓷等非金屬材料。 （2）功能材料 用于致動的功能材料有水晶、氧化錫、PZT等電致伸縮材料，鈦鎳合金等形狀記憶合金材料，鎳鐵合金等永磁材料，受熱變相的凝膠材料等。 （3）微型構件 除是MEMS的重要組成部分外，還可能有單獨的用途，如微型熱交換器、冷卻器、微型濾波器、微型工具、微型探針和靈巧軸承等。 4.微型機械加工技術的相關技術 （1）微型傳感器 微型傳感器為集成化和智能化提供了可能途徑。微型壓力傳感器、微型加速度計、微流量傳感器、化學傳感器、溫度和濕度傳感器、微型光學傳感器等，有些已得到實際的應用并有著廣泛的應用領域。僅微壓力傳感器在美國就生產(chǎn)了幾千萬只。 （2）微型執(zhí)行器微執(zhí)行器是微系統(tǒng)的關

56、鍵，其研究將大大地推動復雜微系統(tǒng)的實現(xiàn)。微執(zhí)行器主要包括微電機、微直線執(zhí)行機構、微型泵、微型閥、微噴嘴、微渦輪機、微定位和微致動器。隨著微執(zhí)行器的研究與開發(fā)，各種微小型自動控制系統(tǒng)將得到應用。微致動技術可用于高速并行計算機的高速、三維光學存貯器，小型錄音機和超小型計算機需要的微驅動部件。包括微致動器、微動控制器和計算機組成的微致動系統(tǒng)已有產(chǎn)品，可用于操作平臺或聯(lián)接到其他工具上。系統(tǒng)分辨率已達50nm，重復定位精度100nm。超微加工需要多維超微定位裝置和系統(tǒng)。 （3）微型機械測量技術 它涉及材料的機械性能和微系統(tǒng)參數(shù)的測量和檢驗。例如諧振頻率、彈性模量、殘余內應力、疲勞強度等的光學測量方法；微

57、結構的靜態(tài)變形和動態(tài)響應；微型馬達的轉速、微型泵的時間常數(shù)、微流量系統(tǒng)的流速和壓力，微諧振器與微探針的位移等的外部非接觸測量與器件內測量；以及利用掃描電子顯微鏡觀測微構件和系統(tǒng)的表面與內部結構。在測量技術的基礎上，建立微型元件和微系統(tǒng)的數(shù)學力學模型。 （4）微量流體控制系統(tǒng) 微量流體控制系統(tǒng)包括了微流量傳感器、微細管道、微型閥及微型泵等。其中微型閥有主動閥和被動閥；微型泵以利用薄膜變形使容積變化的薄膜驅動泵為主，各種無閥泵在研究中，還有利用靜電吸引等物理現(xiàn)象直接驅動液體的電液泵等。微量流體控制系統(tǒng)可用于微量流體的供給和控制、微量元素分析、計算機內芯片的冷卻系統(tǒng)，將來微型泵還可望用于人體內的微量

58、施藥和取樣。微流量控制系統(tǒng)有希望在近期內得到實用。 （5）微系統(tǒng)的集成與控制 利用半導體微細加工工藝、LIGA工藝等已經(jīng)制作出微齒輪、微彈簧、微杠桿、微鉸鏈、微傳動機構、微型剪、微型鋸等微型機械零部件和工具，靜電、電磁和壓電致動的微型電機和微型泵，以及可作光學開關、調焦用的微光學元件、光纖通訊中的微光學系統(tǒng)，STM的微探針，醫(yī)用微電極、細胞操作和融合器、打印機噴頭等等，并向集成的MEMS方向發(fā)展。3.2.1 精密潔凈鑄造成形3.2.2 精確高效金屬塑性成形工藝3.2.3 粉末鍛造成形工藝3.2.4 高分子材料注射成形第二節(jié) 材料受迫成形工藝技術機械零件成形方法：受迫成形 在特定邊界和外力約束下

59、成形，如鑄造、鍛壓、粉末冶金和注射成形等；去除成形 將材料從基體中分離出去成形，如車、銑、刨、磨、電火花、激光切割；堆積成形 將材料有序地合并堆積成形，如快速原形制造、焊接等。自硬砂精確砂型鑄造粘土砂造型 鑄件質量差、生產(chǎn)效率低 勞動強度大、環(huán)境污染嚴重自硬樹脂砂造型 高強度、高精度、高潰散性 低勞動強度，適合于各種復雜鑄件型芯制作 鑄件壁厚可 3.2.1 精密潔凈鑄造成形精確鑄造成形技術高緊實砂型鑄造 可提高鑄型強度、剛度和硬度 減少金屬液澆注凝固時型壁移動 降低金屬消耗、減少缺陷 提高精度、粗糙度提高2-3級氣沖造型消失模鑄造 利用泡沫塑料作為鑄造模型，并在其四周填砂，不分上下模，泡沫塑料

60、在澆注過程中氣化。 可避免砂型潰散 可消除起模斜度，減小鑄件壁厚 能夠獲得表面光潔、尺寸精確 無飛邊、少無余量精密鑄件 泡沫塑料模 造型 澆注過程 鑄件 特種鑄造技術 類型：壓力鑄造、低壓鑄造、熔模鑄造 真空鑄造、擠壓鑄造等。 壓力鑄造：金屬模，以壓力澆注取代重力澆注， 鑄件精確、表面光潔、內部致密。金屬模壓鑄機壓鑄過程潔凈的能源 以感應電爐代替沖天爐，減輕對空氣的污染無砂和少砂鑄造 如壓力鑄造、金屬型鑄造、擠壓鑄造等清潔無毒材料 使用無毒無味變質劑、精煉劑、粘結劑等高潰散性型砂工藝 樹脂砂、酯硬化水玻璃砂工藝廢棄物再生和綜合利用 鑄造舊砂再生回收、熔煉爐渣處理和綜合利用清潔（綠色）鑄造技術鑄