第七章先進(jìn)制造技術(shù)第一、二、三節(jié)課件

1第七章先進(jìn)制造技術(shù)

本章要點(diǎn)快速原型制造技術(shù)高速加工和精密超精密加工微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù)1第七章先進(jìn)制造技術(shù)

本章要點(diǎn)快速原型制造技術(shù)高速加工和2先進(jìn)制造技術(shù)在新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，總是需要對(duì)所設(shè)計(jì)的零件或整個(gè)系統(tǒng)在投入大量資金組織加工或裝配之前加工一個(gè)簡(jiǎn)單的例子或原型。在準(zhǔn)備制造和銷(xiāo)售一個(gè)復(fù)雜的產(chǎn)品系統(tǒng)之前，工作原型可以對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)價(jià)、修改和功能驗(yàn)證。2先進(jìn)制造技術(shù)在新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，總是需要對(duì)3零件成形方法

材料成形法——進(jìn)入工藝過(guò)程物料初始重量近似等于加工后最終重量。如鑄造、壓力加工、粉末冶金、注塑成形等，這些方法多用于毛坯制造，但也可直接成形零件。材料去除法——零件的最終幾何形狀局限在毛坯的初始幾何形狀范圍內(nèi)，零件形狀的改變是通過(guò)去除一部分材料，減少一部分重量來(lái)實(shí)現(xiàn)的。如切削與磨削，電火花加工、電解加工等特種加工等。材料累加法——傳統(tǒng)的累加方法有焊接、粘接或鉚接等，通過(guò)不可拆卸連接使物料結(jié)合成一個(gè)整體，形成零件。近幾年才發(fā)展起來(lái)的快速原型制造技術(shù)（RPM），是材料累加法的新發(fā)展。3零件成形方法材料成形法——進(jìn)入工藝過(guò)程物料初始重量近似等4第一節(jié)快速原型制造技術(shù)（RPM）

◆快速原型制造（RapidPhotographManufacturing—RPM），又稱(chēng)“快速成形技術(shù)”（RapidPhotograph—RP）或“分層制造”（LayerManufacturing—LM），是20世紀(jì)80年代后期迅速發(fā)展起來(lái)的一種新型制造技術(shù)?！羲鼘⒂?jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）、計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）、計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）、精密伺服驅(qū)動(dòng)、新材料等先進(jìn)技術(shù)集于一體，依據(jù)計(jì)算機(jī)上構(gòu)成的產(chǎn)品三維設(shè)計(jì)模型，對(duì)其進(jìn)行分層切片，得到各層截面的輪廓。◆按照這些輪廓，激光束選擇性地切割一層層的箔材（或固化一層層的液態(tài)樹(shù)脂，或燒結(jié)一層層的粉末材料），或噴射源選擇性地噴射一層層的粘結(jié)劑或熱熔材料等，形成一個(gè)個(gè)薄層，并逐步迭加成三維實(shí)體（見(jiàn)圖2-1）。4第一節(jié)快速原型制造技術(shù)（RPM）◆快速原型5圖2-1快速成型過(guò)程噴粘結(jié)劑噴熱熔材料三維產(chǎn)品（樣品/模具）表面處理構(gòu)造三維模型模型近似處理切片處理激光噴射源固化樹(shù)脂切割箔材燒結(jié)粉末5圖2-1快速成型過(guò)程噴粘結(jié)劑噴熱熔材料三維產(chǎn)品（樣品6a）b）圖2-2傳統(tǒng)加工與快速成型比較模具模具設(shè)計(jì)鑄造焊接鍛壓毛坯（大于工件）半成品半成品工件去除加工設(shè)計(jì)模具樣品快速成形6a）快速成型技術(shù)是將計(jì)算機(jī)輔助制造、計(jì)算機(jī)數(shù)字控制、精密伺服驅(qū)動(dòng)、激光與材料技術(shù)于一體的現(xiàn)代技術(shù)。其基本思路起源于三維實(shí)體被切成一系列連續(xù)切片的逆過(guò)程．即只需用三維的制造方法制作成一系的薄切片．便可堆積成所需的三維零件?？焖偌庸ぜ夹g(shù)的主要持點(diǎn)：能直接由三維CAD模型制造形狀復(fù)雜的原型，縮短了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，降低了生產(chǎn)成本．使產(chǎn)品能迅速投入市場(chǎng)。可制造任意復(fù)雜的高精度零件，而無(wú)需任何工具。它是創(chuàng)造性設(shè)計(jì)的有效工具，也能比較容易制造出試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，可在加工生產(chǎn)前找出設(shè)計(jì)中存在的不足之處，并迅速加以修改?？焖俪尚图夹g(shù)在應(yīng)用中存在的問(wèn)題：系統(tǒng)造價(jià)昂貴、運(yùn)行費(fèi)用高，加工用材價(jià)格偏高，能夠處理的材料種類(lèi)有限，與CAD系統(tǒng)的接口尚無(wú)通用格式?？焖俪尚图夹g(shù)是將計(jì)算機(jī)輔助制造、計(jì)算機(jī)數(shù)字控制、精密伺服驅(qū)動(dòng)8圖2-2a快速成型機(jī)床及快速成型件8圖2-2a快速成型機(jī)床及快速成型件9（一）概述

1931年德國(guó)切削物理學(xué)家C.J.Salomom在“高速切削原理”一文中給出了著名的“Salomom曲線(xiàn)”——對(duì)應(yīng)于一定的工件材料存在一個(gè)臨界切削速度，此點(diǎn)切削溫度最高，超過(guò)該臨界值，切削速度增加，切削溫度反而下降。

尚無(wú)統(tǒng)一定義，一般認(rèn)為高速加工是指采用超硬材料的刀具，通過(guò)極大地提高切削速度和進(jìn)給速度，來(lái)提高材料切除率、加工精度和加工表面質(zhì)量的現(xiàn)代加工技術(shù)。以切削速度和進(jìn)給速度界定：高速加工的切削速度和進(jìn)給速度為普通切削的5～10倍。以主軸轉(zhuǎn)速界定：高速加工的主軸轉(zhuǎn)速≥10000r/min。1、高速加工定義一、高速加工第二節(jié)

高速加工和精密超精密加工9（一）概述1931年德國(guó)切削物理學(xué)家C.J10圖3-31Salomon切削溫度與切削速度曲線(xiàn)切削適應(yīng)區(qū)軟鋁切削速度v/(m/min)切削不適應(yīng)區(qū)06001200180024003000青銅鑄鐵鋼硬質(zhì)合金980℃高速鋼650℃碳素工具鋼450℃Stelite合金850℃1600

1200800400切削溫度/℃切削適應(yīng)區(qū)非鐵金屬10圖3-31Salomon切削溫度與切削速度曲線(xiàn)切削

高速切削是個(gè)相對(duì)的概念，如果加工方法和切削材料不同，高速切削的速度范圍也就不同。如從加工方法的角度，車(chē)削加工速度范圍是700～7000m/min，銑削加工速度范圍是300～6000m/min，鉆削加工的速度范圍是200～1100m/min，磨削加工的速度范圍是150～360m/min。從材料的角度，目前鋁合金的高速切削范圍是1500～5500m/min，鑄鐵的高速切削范圍是750～4500m/min，普通鋼的高速切削范圍是600～800m/min。一般認(rèn)為高速加工的速度范圍是普通加工的5～10倍。隨著高速機(jī)床設(shè)備和刀具等關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域的突破性進(jìn)展，高速加工的速度范圍還會(huì)不斷擴(kuò)展。

高速切削是個(gè)相對(duì)的概念，如果加工方法和切削材料不同，高速12圖3-32高速與超高速切削速度范圍

10100100010000切削速度V（m/min）塑料鋁合金銅鑄鐵鋼鈦合金鎳合金2、高速加工的切削速度范圍

高速加工切削速度范圍因不同的工件材料而異，見(jiàn)圖3-32◎車(chē)削：700-7000m/min◎銑削：300-6000m/min◎鉆削：200-1100m/min◎磨削：50-300m/s

高速加工切削速度范圍隨加工方法不同也有所不同12圖3-32高速與超高速切削速度范圍1013

加工效率高：進(jìn)給率較常規(guī)切削提高5-10倍，材料去除率可提高3-6倍

切削力?。狠^常規(guī)切削至少降低30%，徑向力降低更明顯。有利于減小工件受力變形，適于加工薄壁件和細(xì)長(zhǎng)件

切削熱?。杭庸み^(guò)程迅速，95%以上切削熱被切屑帶走，工件積聚熱量極少，溫升低，適合于加工熔點(diǎn)低、易氧化和易于產(chǎn)生熱變形的零件

加工精度高：刀具激振頻率遠(yuǎn)離工藝系統(tǒng)固有頻率，不易產(chǎn)生振動(dòng)；又切削力小、熱變形小、殘余應(yīng)力小，易于保證加工精度和表面質(zhì)量

工序集約化：可獲得高的加工精度和低的表面粗糙度，并在一定條件下，可對(duì)硬表面進(jìn)行加工，從而可使工序集約化。這對(duì)于模具加工具有特別意義(工序集約化是指在一臺(tái)實(shí)現(xiàn)或盡可能完成從毛坯至成品的全部加工工序).3、高速加工的特點(diǎn)13加工效率高：進(jìn)給率較常規(guī)切削提高5-10倍，材料去除率14高速加工實(shí)例毛坯材料使用刀具主軸轉(zhuǎn)速(r/min)進(jìn)給速度(mm/min)NAK80(HRC40)?4球頭140002200加工零件示意圖高速加工切削條件14高速加毛坯材料使用刀具主軸轉(zhuǎn)速進(jìn)給速度NAK80(H15

航空航天：

◎帶有大量薄壁、細(xì)筋的大型輕合金整體構(gòu)件加工，材料去除率達(dá)100-180cm3/min。

◎鎳合金、鈦合金加工，切削速度達(dá)200-1000m/min

汽車(chē)工業(yè)：4、高速加工的應(yīng)用

◎采用高速數(shù)控機(jī)床和高速加工中心組成高速柔性生產(chǎn)線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)多品種、中小批量的高效生產(chǎn)

模具制造：

◎高速銑削代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電火花成形加工，效率提高3-5倍（圖3-34，圖3-35）。

儀器儀表：

◎精密光學(xué)零件加工。15航空航天：4、高速加工的應(yīng)用◎采用高速數(shù)控機(jī)16b）高速模具加工的過(guò)程圖3-34兩種模具加工過(guò)程比較1硬化毛坯→2粗銑→3半精銑→4精銑→5手工磨修a）傳統(tǒng)模具加工的過(guò)程1毛坯→2粗銑→3半精銑→4熱處理→5電火花加工→6精銑→7手工磨修電極制造16b）高速模具加工的過(guò)程1硬化毛坯→2粗銑→17圖3-35采用高速加工縮短模具制作周期（日產(chǎn)汽車(chē)公司）與最終尺寸差值/mm加工時(shí)間100%1010.10.010.001粗加工精加工手工精修傳統(tǒng)加工方法高速切削少量手工精修★對(duì)于復(fù)雜型面模具，模具精加工費(fèi)用往往占到模具總費(fèi)用的50%以上。采用高速加工可使模具精加工費(fèi)用大大減少，從而可降低模具生產(chǎn)成本。17圖3-35采用高速加工縮短模具制作周期（日產(chǎn)汽車(chē)公司超高速切削已用于加工多種零件，下圖是幾種加工零件實(shí)例，可見(jiàn)多種不同材料的復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件，包含自由曲面的零件等，都已可用高速切削技術(shù)加工。航空工業(yè)中的大型鋁合金機(jī)架，使用超高速銑削，提高了加工效率，效果非常明顯。

超高速切削已用于加工多種零件，下圖是幾種加工零件實(shí)例19

高速加工雖具有眾多的優(yōu)點(diǎn)，但由于技術(shù)復(fù)雜，且對(duì)于相關(guān)技術(shù)要求較高，使其應(yīng)用受到限制。

與高速加工密切相關(guān)的技術(shù)主要有：◎高速加工刀具與磨具制造技術(shù)；◎高速主軸單元制造技術(shù)；◎高速進(jìn)給單元制造技術(shù)；◎高速加工在線(xiàn)檢測(cè)與控制技術(shù)；◎其他：如高速加工毛坯制造技術(shù)，干切技術(shù)，高速加工的排屑技術(shù)、安全防護(hù)技術(shù)等。此外高速切削與磨削機(jī)理的研究，對(duì)于高速切削的發(fā)展也具有重要意義。高速加工技術(shù)取決于硬件技術(shù)和軟件技術(shù)19高速加工雖具有眾多的優(yōu)點(diǎn)，但由于技術(shù)復(fù)雜，且對(duì)于相關(guān)技高速加工技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)

高速加工技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)（二）高速切削的刀具高速切削的一個(gè)主要問(wèn)題是刀具磨損，與普通切削相比，高速切削時(shí)刀具與工件的接觸時(shí)間減少，接觸頗率增加，由此減少了切屑的皺褶，切削過(guò)程中產(chǎn)生的熱量更多地向刀具傳遞，磨損機(jī)理與普通切削有很大區(qū)別。由于高速切削時(shí)離心力和振動(dòng)的影響，刀具必須具有良好的平衡狀態(tài)和安全性能。設(shè)計(jì)刀具時(shí)，必須根據(jù)高速切削的要求，綜合考慮磨損、強(qiáng)度、剛度和精度等方面因素。（二）高速切削的刀具高速切削的一個(gè)主要問(wèn)題是刀具磨損22刀具材料種類(lèi)

合金高速鋼硬質(zhì)合金陶瓷天然

聚晶金剛石

聚晶立方氮工具鋼W18Cr4VYG6Si3N4

金剛石

PCD

化硼

PCBN材料性能

硬度HRC65HRC66HRA90HRA93HV10000

HV7500

HV4000抗彎強(qiáng)度2.4GPa3.2GPa1.45GPa0.8GPa0.3GPa

2.8GPa

1.5GPa導(dǎo)熱系數(shù)40-50

20-30

70-100

30-40

146.5

100-120

40-100熱穩(wěn)定性350℃620℃1000℃1400℃800℃

600-800℃

＞1000℃化學(xué)惰性低惰性大惰性小

惰性小

惰性大耐磨性低低較高高最高

最高

很高一般精度Ra≤0.8高精度

Ra=0.4-0.2加工質(zhì)量Ra≤0.8IT7-8Ra=0.1-0.05

IT5-6IT7-8IT5-6

可替代磨削加工對(duì)象低速加工一般鋼材、鑄鐵一般鋼材、鑄鐵粗、精加工一般鋼材、鑄鐵粗、精加工高硬度鋼材精加工硬質(zhì)合金、銅、鋁有色金屬及其合金、陶瓷等高硬度材料淬火鋼、冷硬鑄鐵、高溫合金等難加工材料

表3-3

普通刀具材料與超硬刀具材料性能與用途對(duì)比22刀具材料種類(lèi)合金高速鋼硬質(zhì)合天然金剛石是目前已知的最硬物質(zhì)，硬度范圍為HV8000-12000，相對(duì)密度為3.48-3.56。是各向異性的單晶體，晶體取向不同，硬度及耐磨性也不相同。耐磨性極好，刀具壽命可長(zhǎng)達(dá)數(shù)百小時(shí)；刃口鋒利，切削刃鈍圓半徑可達(dá)0.01μm。耐熱性為700-800℃，高于此溫度，碳原子轉(zhuǎn)化為石墨結(jié)構(gòu)，硬度喪失。價(jià)格昂貴，刃磨困難，主要用于加工精度和表面粗糙度要求極高的零件，如激光反射鏡、感光鼓、多面鏡、磁盤(pán)等。

1.天然金剛石刀具天然金剛石是目前已知的最硬物質(zhì)，硬度范圍為HV8000-12不存在各向異性，硬度略低于天然金剛石，為HV6500-8000價(jià)格便宜，焊接方便，可磨性好，應(yīng)用廣泛，可在大部分場(chǎng)合代替天然金剛石用CVD(化學(xué)氣相沉積)可將聚晶金剛石作成涂層金剛石刀具不適于加工鐵族材料，因?yàn)榻饎偸械奶荚嘏c鐵元素有很強(qiáng)的親和力，碳元素極易向含鐵的工件擴(kuò)散，使金剛石刀具很快磨損2.聚晶金剛石刀具不存在各向異性，硬度略低于天然金剛石，為HV6500-80025圖3-36

金剛石（左）與CBN(立方氮化硼)（右）原子結(jié)構(gòu)碳原子氮原子硼原子

金剛石與CBN晶體結(jié)構(gòu)相似，每一個(gè)原子都以理想四面體方式以109°28′鍵角與鄰近4個(gè)原子結(jié)合。金剛石中的每個(gè)C原子都以共價(jià)鍵方式與鄰近4個(gè)C原子結(jié)合。CBN中每個(gè)N原子與4個(gè)B原子結(jié)合，每個(gè)B原子又與4個(gè)N原子結(jié)合，并存在少數(shù)離子鍵。聚晶立方氮化硼是由立方氮化硼微粉在結(jié)合劑存在下，高溫高壓燒結(jié)而成的立方氮化硼多晶體。

25圖3-36金剛石（左）與CBN(立方氮化硼)（右）原26

較高的硬度和耐磨性：CBN晶體結(jié)構(gòu)與金剛石相似，化學(xué)鍵類(lèi)型相同，晶格常數(shù)相近。CBN粉末硬度HV8000，PCBN硬度3000-5000。切削耐磨材料時(shí)，其耐磨性為硬質(zhì)合金刀具的50倍，涂層硬質(zhì)合金刀具的30倍，陶瓷刀具的25倍?！?/p>

PCBN切削性能3.聚晶立方氮化硼(PCBN/PolycrystallineCubicBoronNitride)1970年問(wèn)世500040003000200010000硬度/HV02004006008001000

溫度/℃BN100BN20陶瓷硬質(zhì)合金圖3-37PCBN刀具高溫硬度

高的熱穩(wěn)定性：熱穩(wěn)定性明顯優(yōu)于金剛石刀具（圖3-37）26較高的硬度和耐磨性：CBN晶體結(jié)構(gòu)與金剛石相似27良好的化學(xué)穩(wěn)定性

1200-1300℃與鐵系材料不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；2000℃才與碳發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；對(duì)各種材料粘結(jié)、擴(kuò)散作用比硬質(zhì)合金小的多?；瘜W(xué)穩(wěn)定性?xún)?yōu)于金剛石刀具，特別適合加工鋼鐵材料。良好的導(dǎo)熱性

CBN導(dǎo)熱性?xún)H次于金剛石，導(dǎo)熱系數(shù)為1300W/m·℃，是硬質(zhì)合金的20倍，陶瓷的37倍，且隨溫度升高而增加。這一特性使PCBN刀具刀尖處溫度降低，減少刀具磨損，提高加工精度。較低的摩擦系數(shù)

CBN與不同材料間的摩擦系數(shù)為0.1-0.3（硬質(zhì)合金為0.4-0.6），且隨切削速度的提高而減小。這一特性使切削變形和切削力減小，加工表面質(zhì)量提高。27良好的化學(xué)穩(wěn)定性28加工HRC45以上的硬質(zhì)材料例如各種淬硬鋼（工具鋼、合金鋼、模具鋼、軸承鋼等），鑄鐵（釩鈦鑄鐵、冷硬鑄鐵、高磷鑄鐵等），高溫合金，硬質(zhì)合金，粉末金屬表面噴涂（焊）材料等?！?/p>

PCBN刀具應(yīng)用金屬軟化效應(yīng)

用PCBN切削淬硬鋼，工件材料硬度＜HRC50時(shí)，切削溫度隨材料硬度增加而增加；工件材料硬度＞HRC50時(shí)，切削溫度隨材料硬度增加有下降趨勢(shì)（圖3-38），金屬軟化，硬度下降，加工易于進(jìn)行。8007507006506003040506070硬度HRC（V=320m/mim，f=0.2mm/r，a=0.1mm）切削溫度/℃圖3-38切削溫度與硬度關(guān)系28加工HRC45以上的硬質(zhì)材料◆PCBN刀具應(yīng)用金屬軟化29◆

PCBN刀具應(yīng)用實(shí)例加工對(duì)象硬度加工方式工藝參數(shù)加工效果GCr15HRC71車(chē)削V=180m/mim以車(chē)代磨，工效提高4-5倍鋼軋輥f=5.6mm/rRa0.8-0.4μmYG15HRA87鏜孔V=50m/mim工效較電火花加工提高30冷擠壓模倍，Ra0.8-0.4μmA3熱壓板端銑V=800m/mim以銑代磨，工效提高6-7倍

Vf=100m/mimRa1.6-0.8μm，平面度0.02凸輪軸HRC60磨削V=80m/s比單晶剛玉砂輪壽命提高

20倍，生產(chǎn)效率提高50%GCr15HRC62磨削V=65m/s比棕剛玉砂輪耐用度提高軸承內(nèi)孔170倍，生產(chǎn)效率提高一倍Cr、Cu端銑V=800m/mimRa0.8μm，平面度0.02鑄鐵Vf=0.1mm/齒40Cr鋼HRC38立銑V=850m/mim以銑代磨，工效提高5-6倍

Ra0.8μm表3-5PCBN刀具應(yīng)用實(shí)例29◆PCBN刀具應(yīng)用實(shí)例加工對(duì)象硬度

電主軸結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)成

所謂電主軸結(jié)構(gòu)就是將電機(jī)的轉(zhuǎn)子直接作為機(jī)床的主軸，主軸單元的殼體就是電機(jī)座，并配合其他安全保障措施，實(shí)現(xiàn)電機(jī)與機(jī)床主軸的一體化。電主軸結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)成如圖3－38所示，它通常由電主軸單元、軸承及其潤(rùn)滑單元、主軸冷卻單元以及動(dòng)平衡單元組成。（三）高速加工機(jī)床電主軸結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)成（三）高速加工機(jī)床圖3－38電主軸結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)成

主軸的轉(zhuǎn)速通過(guò)電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速與矢量控制裝置來(lái)改變圖3－38電主軸結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)成主軸的轉(zhuǎn)速通過(guò)電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)32圖3-39

陶瓷軸承高速主軸陶瓷球軸承密封圈旋轉(zhuǎn)變壓器電主軸陶瓷球軸承冷卻水出口冷卻水入口高速主軸

陶瓷軸承高速主軸結(jié)構(gòu)陶瓷角接觸球軸承高速電主軸結(jié)構(gòu)32圖3-39陶瓷軸承高速主軸陶瓷球軸承密封圈旋轉(zhuǎn)變壓器電33

采用C或B級(jí)精度角接觸球軸承，軸承布置與傳統(tǒng)磨床主軸結(jié)構(gòu)相類(lèi)似；采用“小珠密球”結(jié)構(gòu)，滾珠材料Si3N4；與鋼球相比，陶瓷軸承的優(yōu)點(diǎn)是：

◎陶瓷球密度減小60%，從而可大大降低離心力；

◎陶瓷彈性模量比鋼高50%，使軸承具有更高剛度；

◎陶瓷摩擦系數(shù)低，可減小軸承發(fā)熱、磨損和功率損失；

◎陶瓷耐磨性好，軸承壽命長(zhǎng)。采用電動(dòng)主軸（電機(jī)與主軸作成一體）；軸承轉(zhuǎn)速特征值（=軸徑（mm）×轉(zhuǎn)速（r/min））較普通鋼軸承提高1.2～2倍，可達(dá)0.5～1×106。

陶瓷軸承高速主軸結(jié)構(gòu)特征33采用C或B級(jí)精度角接觸球軸承，軸承布置與傳統(tǒng)磨床主軸結(jié)34◆電磁鐵繞組通過(guò)電流I0，對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生吸力F，與轉(zhuǎn)子重量平衡，轉(zhuǎn)子處于懸浮平衡位置（圖3-32）。轉(zhuǎn)子受擾動(dòng)后，偏離其平衡位置。傳感器檢測(cè)出轉(zhuǎn)子位移，將位移信號(hào)送至控制器?？刂破鲗⑽灰菩盘?hào)轉(zhuǎn)換成控制信號(hào)，經(jīng)功放變換為控制電流，改變吸力方向，使轉(zhuǎn)子重新回到平衡位置磁浮軸承高速主軸◆位移傳感器通常為非接觸式，其數(shù)量一般為5-7個(gè)，對(duì)其靈敏度和可靠性要求均較高?！艨刂破髟O(shè)計(jì)較復(fù)雜，使磁懸浮軸承成本較高（一套磁懸浮軸承售價(jià)約1萬(wàn)美元）。放大器電磁鐵（定子）傳感器轉(zhuǎn)子圖3-32磁懸浮軸承工作原理控制器34◆電磁鐵繞組通過(guò)電流I0，對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生吸力F，與轉(zhuǎn)子重35前輔助軸承電主軸雙面軸向推力軸承前徑向軸承后徑向軸承后輔助軸承前徑向傳感器后徑向傳感器軸向傳感器圖3-41磁浮軸承高速主軸

磁浮軸承主軸結(jié)構(gòu)35前輔助軸承電主軸雙面軸向推力軸承前徑向軸承后徑向軸承后輔36

主軸由兩個(gè)徑向和兩個(gè)軸向磁浮軸承支承，磁浮軸承定子與轉(zhuǎn)子間空隙約0.1mm。剛度高，約為滾珠軸承主軸剛度10倍。轉(zhuǎn)速特征值可達(dá)4×106。回轉(zhuǎn)精度主要取決于傳感器的精度和靈敏度，以及控制電路性能，目前可達(dá)0.2μm。機(jī)械結(jié)構(gòu)及電路系統(tǒng)均較復(fù)雜；又由于發(fā)熱多，對(duì)冷卻系統(tǒng)性能要求較高。

磁浮軸承主軸特點(diǎn)36主軸由兩個(gè)徑向和兩個(gè)軸向磁浮軸承支承，磁浮軸承定子與轉(zhuǎn)現(xiàn)代機(jī)械工業(yè)之所以要致力于提高加工精度，其主要原因在于：提高產(chǎn)品的性能和質(zhì)量，提高其穩(wěn)定性和可靠性，促進(jìn)產(chǎn)品的小型化，增強(qiáng)零件的互換性，提高裝配生產(chǎn)率，并促進(jìn)自動(dòng)化裝配。精密、超精密加工技術(shù)的提高，有力地推動(dòng)了各種新技術(shù)的發(fā)展。

二、精密與超精密加工技術(shù)（一）概述現(xiàn)代機(jī)械工業(yè)之所以要致力于提高加工精度，其主要原因在在高精度加工范圍內(nèi)，根據(jù)加工精度水平的不同，可進(jìn)一步劃分為精密加工、超精密加工和納米加工三個(gè)檔次。加工公差為10.0～0.1μm，表面粗糙度Ra0.30～0.03μm的加工稱(chēng)為精密加工；加工公差為0.1～0.01μm、表面粗糙度Ra0.03～0.005μm的加工稱(chēng)為超精密加工；加工公差小于0.01μm、表面粗糙度Ra小于0.005μm的加工稱(chēng)為納米加工。

在高精度加工范圍內(nèi)，根據(jù)加工精度水平的不同，可進(jìn)一步劃◆精密加工——在一定的發(fā)展時(shí)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(shí)期，加工精度和表面質(zhì)量達(dá)到最高程度的加工工藝?！敉咛馗倪M(jìn)蒸汽機(jī)1781年

——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◆精密加工——在一定的發(fā)展時(shí)期，加工精度和表面質(zhì)量達(dá)到較

精密與超精密加工技術(shù)是一個(gè)國(guó)家制造業(yè)水平重要標(biāo)志例：美國(guó)哈勃望遠(yuǎn)鏡形狀精度0.01μm；超大規(guī)模集成電路最小線(xiàn)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(jìn)制造技術(shù)基礎(chǔ)和關(guān)鍵例：美國(guó)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(guó)飛機(jī)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子葉片加工誤差從60μm降至12μm，發(fā)電機(jī)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(zhǎng)點(diǎn)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(wú)疑會(huì)帶動(dòng)和促進(jìn)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精密與超精密加工技術(shù)是一個(gè)國(guó)家制造業(yè)水平重要標(biāo)志精密加工精密和超精密加工目前包含三個(gè)領(lǐng)域

（1）精密和超精密切削。如超精密金剛石切削，可加工各種鏡面，它成功地解決了高精度大型拋物面鏡的加工，用于激光光核聚變系統(tǒng)和天體望遠(yuǎn)鏡。（2）精密和超精密磨削研磨?？梢越鉀Q大規(guī)模集成電路基片的加工和高精度硬磁盤(pán)的加工等。（3）精密特種加工。如電子束、離子束加工，使美國(guó)超大規(guī)模集成電路線(xiàn)寬達(dá)0.1μm(八十年代水平)。

精密和超精密加工目前包含三個(gè)領(lǐng)域（1）精密和超精密切削。（二）精密和超精密切削加工

精密加工：加工精度為0.1~1um，表面粗糙度為0.02~0.1um。3、增強(qiáng)互換性、促進(jìn)自動(dòng)化裝配應(yīng)用。提高加工精度的好處：1、提高產(chǎn)品的性能與質(zhì)量、穩(wěn)定性和可靠性；2、促進(jìn)產(chǎn)品的小型化；（二）精密和超精密切削加工精密加工：加工精度為0.1精密加工的關(guān)鍵技術(shù)：1、精密加工機(jī)床2、金剛石刀具3、精密切削機(jī)理5、誤差補(bǔ)償4、穩(wěn)定的加工環(huán)境6、精密測(cè)量技術(shù)精密加工的關(guān)鍵技術(shù)：1、精密加工機(jī)床2、金剛石刀具3、精密切

精密機(jī)床是進(jìn)行精密加工的首要條件。二戰(zhàn)后美國(guó)首先發(fā)展了金剛石刀具精密切削技術(shù)。我國(guó)起步比較晚，20世紀(jì)60年代才開(kāi)始發(fā)展精密機(jī)床。上海機(jī)床廠(chǎng)、武漢和重慶機(jī)床廠(chǎng)、北京機(jī)床研究所、航空精密機(jī)械研究所為我國(guó)精密機(jī)床發(fā)展做出了相當(dāng)?shù)呢暙I(xiàn)。我國(guó)由于起步晚、且從國(guó)外購(gòu)進(jìn)的精密機(jī)床受到保密技術(shù)的制約，與外國(guó)的差距較大。精密機(jī)床精密機(jī)床是進(jìn)行精密加工的首要條件。精密機(jī)床

普通機(jī)床主軸徑向跳動(dòng)通常為0.01mm，導(dǎo)軌平直度為0.02mm/1000mm；精密機(jī)床主軸徑向跳動(dòng)通常為0.003~0.005mm，導(dǎo)軌平直度為0.01mm/1000mm；超精密要求則更高。通常，加工設(shè)備的精度必須高于零件精度，通常高一個(gè)數(shù)量級(jí)。所以高精度工件的精度保證，取決于加工機(jī)床的精度。普通機(jī)床主軸徑向跳動(dòng)通常為0.01mm，導(dǎo)軌平直度為0金剛石車(chē)床加工4.5mm陶瓷球圖金剛石車(chē)床及其加工照片金剛石車(chē)床加工4.5mm陶瓷球圖金剛石車(chē)床及其加工照片

精密主軸部件是精密和超精密機(jī)床的關(guān)鍵部件之一，它的性能直接影響精密和超精密加工質(zhì)量。對(duì)主軸的要求：回轉(zhuǎn)精度、轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)、無(wú)振動(dòng)，其關(guān)鍵在于使用精密軸承。床身和導(dǎo)軌：具有尺寸穩(wěn)定性好、熱膨脹系數(shù)小、振動(dòng)衰減能力強(qiáng)、耐磨性和加工工藝性好等。通常用優(yōu)質(zhì)耐磨鑄鐵、花崗巖、人造花崗巖等。進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：精密機(jī)床必須具有精密的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)精度。精密和超精密加工的精度由檢測(cè)精度來(lái)保證的，為了消除誤差，必須使用誤差補(bǔ)償技術(shù)。精密主軸部件是精密和超精密機(jī)床的關(guān)鍵部件之一，它的性能◆

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◆金剛石刀具超精切削刀具材料：天然金剛石，人造單晶金剛石

精密切削研究最早從金剛石車(chē)削開(kāi)始——金剛石銑削——金剛石鏜削，來(lái)加工型面和內(nèi)孔。刀具材料從金剛石刀具材料——立方氮化硼、復(fù)合陶瓷等。精密加工的經(jīng)濟(jì)性：過(guò)去尤其是昂貴的價(jià)格、高要求的加工環(huán)境在一定程度上限制精密加工的應(yīng)用范圍?，F(xiàn)在由于科學(xué)技術(shù)發(fā)展和生活水平的提高，精密加工深入到各個(gè)領(lǐng)域。機(jī)械制造業(yè)：加工工具、卡具、量具，發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)開(kāi)始零件的精密加工。精密切削研究最早從金剛石車(chē)削開(kāi)始——金剛石銑削——金

超精密切削加工發(fā)展：20世紀(jì)60年代發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)，在國(guó)防和尖端技術(shù)領(lǐng)域具有重要地位。服從金屬切削的普遍規(guī)律，但由于切削層極薄，所以又具有一定的特殊性。

發(fā)展方向：1、基本理論和工藝；2、設(shè)備的精度、動(dòng)態(tài)性及熱穩(wěn)定性；3、精度檢測(cè)和誤差補(bǔ)償；4、環(huán)境控制技術(shù)；5、加工材料。超精密切削加工發(fā)展：20世紀(jì)60年代發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)，51----提高表面質(zhì)量（粗糙度）的加工方法。包括：研磨、珩磨、超級(jí)光磨和拋光。其特點(diǎn)：表面粗糙度在Ra0.2以下。尺寸精度不一定很高。

精密（三）精密和超精密磨削研磨51精密（三）精密和超精密磨削研磨1）加工原理

研磨是用研磨工具和研磨劑，從工件上研去一層極薄表面層的精加工方法。

具體說(shuō)：利用微小磨粒借助于研具與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)作微小切削。有磁性研磨、彈性發(fā)射加工、懸浮拋光等。采用不同的研磨工具(如研磨心棒、研磨套、研磨平板等)可對(duì)內(nèi)圓、外圓和平面等進(jìn)行研磨。

1.研磨1）加工原理1.研磨53研磨是在研具與工件之間置以研磨劑，對(duì)工件表面進(jìn)行光整加工的方法。研具材料鑄鐵軟鋼紅銅塑料或木材53研具材料鑄鐵軟鋼紅銅塑料或木材54研磨劑組成形態(tài)磨料研磨液填料液態(tài)固態(tài)膏狀54研磨劑組成形態(tài)磨研填液固膏55研具研磨原理55研具研磨原理56研磨原理56研磨原理57工件作復(fù)雜運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)+滑動(dòng)57工件作復(fù)雜

圖示為研磨外圓的工具。研磨套2由夾套1夾持，它的孔內(nèi)有螺旋槽可貯藏研磨劑。其上還有一條內(nèi)外相通的直槽，使其有一定脹縮性。

研磨外圓的工具

1-夾套；2-研磨套；3-調(diào)節(jié)螺釘；4-手柄。圖示為研磨外圓的工具。研磨套2由夾套1夾持，它的

為了磨料能嵌入研磨套的內(nèi)表面，研磨套的材應(yīng)軟些，常用的是鑄鐵。研磨時(shí)先在工具表面涂上一層均勻的研磨劑，將該工具套在工件上，并調(diào)節(jié)好配合的松緊程度，然后讓工件旋轉(zhuǎn)，手持研磨工具在軸向來(lái)回移動(dòng)，直至達(dá)到研磨的要求為止。為了磨料能嵌入研磨套的內(nèi)表面，研磨套的材應(yīng)軟些，

研磨劑是很細(xì)的磨料(粒度為W14～W15)、研磨液和輔助材料的混合劑。常用的有液態(tài)研磨劑、研磨膏和固體研磨劑（研磨皂）三種。主要起研磨、吸附、冷卻和潤(rùn)滑等作用。

2）研磨的特點(diǎn)與應(yīng)用

（1)精度高質(zhì)量好經(jīng)研磨后的工件表面,尺寸精度可達(dá)IT4～I(xiàn)T1級(jí)；表面粗糙度值可減小到0.1~0.006μm。形狀精度亦可相應(yīng)提高。研磨劑是很細(xì)的磨料(粒度為W14～W15)、研磨液（2)生產(chǎn)效率低，加工余量?。?)研磨劑易飛濺，污染環(huán)境。

在現(xiàn)代制造業(yè)中研磨應(yīng)用很廣，許多精密量塊、量規(guī)、齒輪、鋼球、噴油嘴、石英晶體、陶瓷元件、光學(xué)鏡頭及棱鏡等零件均需研磨。（2)生產(chǎn)效率低，加工余量小622.珩磨1）加工原理利用珩磨頭對(duì)孔進(jìn)行光整加工的方法。622.珩磨利用珩磨頭◆

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(qiáng)，磨削效率高磨削力小，磨削溫度低，加工表面好◆

特點(diǎn)：一般珩磨后可將工件的形狀和尺寸精度提高一級(jí)，表面粗糙度Ra值可達(dá)0.2～0.025μm。珩磨加工的工件表面質(zhì)量特性好、加工精度和加工效率高，加工應(yīng)用范圍廣、經(jīng)濟(jì)性好?！羯拜啿牧希航饎偸?，立方氮化硼（CBN）可加工各種高硬度646465保持磨條對(duì)孔壁的定壓力！65保持磨條對(duì)孔壁的定壓力！662）珩磨特點(diǎn)及應(yīng)用（1）生產(chǎn)率高。（2）可提高孔的表面質(zhì)量、尺寸和形狀精度。（3）珩磨表面耐磨。（4）不宜加工有色金屬。（5）珩磨頭結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。662）珩磨特點(diǎn)及應(yīng)用673.超級(jí)光磨1）加工原理用細(xì)粒度的磨具對(duì)工件施加一定壓力，并作往復(fù)振動(dòng)和慢速縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)微量磨削的一種光整加工方法。磨具與工件之間的運(yùn)動(dòng)如下：

1)工件作低速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),ν工＝3～20m/min;

2)油石磨具作往復(fù)振動(dòng),每分鐘振動(dòng)300～1200次,振幅為3～5mm；

3)磨具作縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng),進(jìn)給量f縱為0.1～0.15673.超級(jí)光磨686869697070712）特點(diǎn)及應(yīng)用（1）設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便。（2）加工余量極小。（3）生產(chǎn)率高。（4）表面質(zhì)量好，Ra0.012以下。（5）僅能提高工件的表面質(zhì)量，不能提高尺寸和形位精度。超精加工能加工鋼、鑄鐵、銅合金、鋁合金、陶瓷、玻璃、硅和鍺等各種金屬與非金屬,可以加工外圓、平面、內(nèi)孔和各種曲面。尤其適用加工內(nèi)燃機(jī)曲軸、凸輪軸、活塞、活塞銷(xiāo)等的光整加工。712）特點(diǎn)及應(yīng)用724.拋光1）加工原理拋光是在高速旋轉(zhuǎn)的拋光輪上涂以磨膏，對(duì)工件表面進(jìn)行光整加工的方法。拋光輪——用毛氈、橡膠、皮革或布做成。磨膏——由磨料（氧化鉻、氧化鐵等）和油酸、軟脂等配制而成。

724.拋光磨料的種類(lèi)取決于工件材料，如：鋼制零件拋光可選用氧化鐵粉及剛玉；鑄鐵件拋光可選用氧化鐵粉及碳化硅粉；有色合金拋光宜選用氧化鉻及金剛砂。拋光是安排在工件精加工之后進(jìn)行，拋光之后的工件，粗糙度Ra值可達(dá)0.1～0.012μm,并能明顯增加光亮度，但不能甚至不能保持原有的精度。拋光可在拋光機(jī)或砂帶磨床上進(jìn)行。磨料的種類(lèi)取決于工件材料，如：鋼制零件拋光可選用氧7474752）特點(diǎn)及應(yīng)用（1）方便簡(jiǎn)單而經(jīng)濟(jì)；（2）容易對(duì)曲面進(jìn)行加工；（3）僅能提高表面質(zhì)量，而不能提高加工精度。（4）勞動(dòng)條件較差。752）特點(diǎn)及應(yīng)用進(jìn)給＋－圖7ELID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）在線(xiàn)電解修整使用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(jìn)一步進(jìn)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(jìn)行，砂輪在整個(gè)磨削過(guò)程保持同一鋒利狀態(tài)。（三）精密特種加工進(jìn)給＋－圖7ELID磨削原理電源金剛石砂輪冷卻液冷卻液電◆恒溫——要求：±1℃～±0.01℃

實(shí)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(duì)濕度35%～45%，波動(dòng)±10%～±1%實(shí)現(xiàn)方法：采用空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)

◆凈化——要求：10000～100級(jí)（100級(jí)系指每立方英尺空氣中所含大于0.5μm塵埃個(gè)數(shù)不超過(guò)100）

實(shí)現(xiàn)方法：采用空氣過(guò)濾器，送入潔凈空氣◆隔振——要求：消除內(nèi)部、隔絕外部振動(dòng)干擾

實(shí)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◆恒溫——要求：±1℃～±0.01℃◆恒濕——要求：相對(duì)濕78超精密加工的基本條件78超精密加工的基本條件79一、引言

隨著微／納米科學(xué)與技術(shù)(Micro/NanoScienceandTechnology)的發(fā)展，以本身形狀尺寸微小或操作尺度極小為特征的微機(jī)械已成為人們?cè)谖⒂^領(lǐng)域認(rèn)識(shí)和改造客觀世界的一種高新技術(shù)。

所謂納米技術(shù)，是指在0.1~100納米的尺度里，研究電子、原子和分子內(nèi)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和特性的一項(xiàng)新技術(shù)?？茖W(xué)家們?cè)谘芯课镔|(zhì)構(gòu)成的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)在納米尺度下隔離出來(lái)的幾個(gè)、幾十個(gè)可數(shù)原子或分子，顯著地表現(xiàn)出許多新的特性，而利用這些特性制造具有特定功能設(shè)備的技術(shù)，就稱(chēng)為納米技術(shù)。

7.3微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù)79一、引言7.3微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù)80

微機(jī)械在美國(guó)常被稱(chēng)作微型機(jī)電系統(tǒng)（MicroelectromechanicalSystem,MEMS）；在日本稱(chēng)作微機(jī)器（Micromachine）；而在歐洲則稱(chēng)作微系統(tǒng)（Microsystem）。

80微機(jī)械在美國(guó)常被稱(chēng)作微型機(jī)電系統(tǒng)（Microe

在機(jī)械裝置的小型化過(guò)程中出現(xiàn)兩類(lèi)機(jī)械，即小型機(jī)械和微型機(jī)械?？梢赃@樣劃分：10mm～1mm為小型機(jī)械,用精密加工的方法可以制造出來(lái);1mm～1um為微型機(jī)械,需要用硅微加工技術(shù)或LIGA(電鑄成形)技術(shù)等微細(xì)加工方法才能制造出來(lái)；1um～1nm為納米機(jī)械,是分子級(jí)的零件,需采用生物工程的方法制造。

在機(jī)械裝置的小型化過(guò)程中出現(xiàn)兩類(lèi)機(jī)械，即小型機(jī)械

微型機(jī)械不是傳統(tǒng)機(jī)械的簡(jiǎn)單微型化，而是指集微型機(jī)構(gòu)、微型傳動(dòng)器以及信號(hào)處理和控制電路，甚至外圍接口電路、通訊電路和電源等于一體的微型機(jī)電系統(tǒng)。因此，微型機(jī)械遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了傳統(tǒng)機(jī)械的概念和范疇，是基于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，用嶄新的思維方法指導(dǎo)的產(chǎn)物。

微型機(jī)械不是傳統(tǒng)機(jī)械的簡(jiǎn)單微型化，而是指集微83微機(jī)械具有以下幾個(gè)基本特點(diǎn)：1.體積小，精度高，重量輕。2.性能穩(wěn)定，可靠性高。微機(jī)械器件體積極小，封裝后幾乎可以擺脫熱膨脹、噪聲和撓曲等因素的影響，具有較高的抗干擾性，可以在比較惡劣的環(huán)境下穩(wěn)定工作。83843.能耗低，靈敏性和工作效率高。完成相同的工作，微機(jī)械所消耗的能量?jī)H為傳統(tǒng)機(jī)械的十幾或幾十分之一，卻能以數(shù)十倍以上的速度運(yùn)作。機(jī)電一體的微機(jī)械不存在信號(hào)延遲等問(wèn)題，從而更適合高速工作。4.多功能和智能化。5.適于大批量生產(chǎn)，制造成本低廉。843.能耗低，靈敏性和工作效率高。85具有以下一般機(jī)械所不能及的優(yōu)勢(shì)：1.表現(xiàn)在活動(dòng)空間、操作對(duì)象和工作環(huán)境上。微機(jī)械能夠進(jìn)入極狹小空間進(jìn)行作業(yè)，且不易對(duì)環(huán)境造成不必要的影響與破壞。微機(jī)械還可以面對(duì)很脆弱、易損傷的工作對(duì)象。微機(jī)械還可出現(xiàn)于人類(lèi)所不能及或不適宜的工作環(huán)境。85具有以下一般機(jī)械所不能及的優(yōu)勢(shì)：862.與一般機(jī)械相比，微機(jī)械所表現(xiàn)出的智能化程度更高、實(shí)現(xiàn)的功能更趨于多樣化。

國(guó)外一些有實(shí)力的公司和研究機(jī)構(gòu)對(duì)微機(jī)械的研究非常重視，已研制開(kāi)發(fā)出許多有特色的產(chǎn)品。862.與一般機(jī)械相比，微機(jī)械所表現(xiàn)出的智能化程度更高、實(shí)現(xiàn)87

目前，微機(jī)械的研究正在從基礎(chǔ)研究逐步邁向研制開(kāi)發(fā)與實(shí)用階段。許多微傳感器、微執(zhí)行器以及微光學(xué)部件已經(jīng)在某些行業(yè)得到應(yīng)用。8788二、微細(xì)加工技術(shù)

微細(xì)加工（Microfabrication）起源于半導(dǎo)體制造工藝，原來(lái)指加工尺度約在微米級(jí)范圍的加工方式。

在微機(jī)械研究領(lǐng)域中，它是微米級(jí)，亞微米級(jí)乃至毫微米級(jí)微細(xì)加工的通稱(chēng)。88二、微細(xì)加工技術(shù)89

可以進(jìn)一步分為微米級(jí)微細(xì)加工(Micro-fabrication)，亞微米級(jí)微細(xì)加工(Sub-micro-fabrication)和納米級(jí)微細(xì)加工(Nano-fabrication)等。廣義上的微細(xì)加工，其方式十分豐富，幾乎涉及了各種現(xiàn)代特種加工、高能束等加工方式。89可以進(jìn)一步分為微米級(jí)微細(xì)加工(Micro-fa90

從微機(jī)械的加工方法來(lái)看，它主要起源于硅集成制造技術(shù)，因此微機(jī)械繼承了集成電路器件所具有的微小、可靠、靈敏、低耗、高效、成本低、適于大批量生產(chǎn)等系列優(yōu)點(diǎn)。90微機(jī)械和微機(jī)電系統(tǒng)中使用最多的材料是硅，單晶硅的(100)、(110)和(111)晶面具有各向異性的特性，在使用腐蝕劑，可以應(yīng)用各向異性刻蝕法加工立體微硅器件。目前立體光刻腐蝕加工技術(shù)已是制造三維立體微硅器件的最基本方法之一。

硅晶體進(jìn)行各向異性刻蝕時(shí)，可刻蝕的晶面為(100)和(110)晶面，這兩種晶面經(jīng)各向異性刻蝕后，得到的基本刻蝕形狀是不同的。各向異性刻蝕在自由刻蝕狀態(tài)下，終止的面都是(111)晶面。因被刻蝕的(100)、(110)晶面和晶體內(nèi)的(111)晶面的相互位置不同，得到的各向異性刻蝕結(jié)構(gòu)形狀也不同。

（一）微硅零件的立體光刻腐蝕加工微機(jī)械和微機(jī)電系統(tǒng)中使用最多的材料是硅，單晶硅的(10在相同形狀時(shí)，圖14-7a所示是(100)晶面各向異性刻蝕后的槽形，圖14-7b所示是(110)晶面各向異性刻蝕后的槽形。設(shè)計(jì)微硅結(jié)構(gòu)時(shí)，若用立體各向異性刻蝕方法制造，則應(yīng)考慮所用的晶面和晶體方向,以及刻蝕后形狀能否符合所設(shè)計(jì)的微結(jié)構(gòu)要求。硅晶體各向異性刻蝕制造立體微結(jié)構(gòu)時(shí)，常和其他工藝結(jié)合進(jìn)行。

a)(100)晶面各向異性腐蝕后的槽形b)(110)晶面各向異性腐蝕后的槽形

在相同形狀時(shí)，圖14-7a所示是(100)晶面各向異93通過(guò)光刻和化學(xué)刻蝕等在硅基體上得到一些坑、凸臺(tái)、帶平面的孔洞等微結(jié)構(gòu)，它們成為建造懸臂梁、膜片、溝槽和其它結(jié)構(gòu)單元的基礎(chǔ)，最后利用這些結(jié)構(gòu)單元可以研制出壓力或加速度傳感器等微型裝置。93目前已有多種小型精密高速機(jī)床(主軸轉(zhuǎn)速50000r/min以上),使用微小刀具加工微型器件。在微小型加工中心上，可加工極小的精密三維曲面。圖14-8所示，是日本Fanuc公司生產(chǎn)的加工微型零件的ROBOnanoUi五軸聯(lián)動(dòng)加工中心，以及在這臺(tái)加工中心上用微型單晶金剛石立銑刀加工出的人像浮雕。

（二）微器件的精密機(jī)械加工圖14-8ROBOnanoUi加工中心及所加工的曲面試件目前已有多種小型精密高速機(jī)床(主軸轉(zhuǎn)速50000

LIGA技術(shù)是由深度同步幅射X射線(xiàn)光刻，電鑄成型，塑鑄成型等技術(shù)組合而成的綜合性技術(shù)。用該方法可以制作各種微器件和微裝置，材料可以是金屬、陶瓷和玻璃等，可以制作微形件的最大高度1000μm，槽寬0.5μm以上、高寬比大于200的立體微結(jié)構(gòu)。出的圖形側(cè)壁陡峭，表面光滑。過(guò)去使用LIGA技術(shù)只能制造上下形狀一致的微器件，現(xiàn)在該技術(shù)又有發(fā)展，可加工階梯狀零件。

（三）LIGA技術(shù)LIGA是德文的平版印刷術(shù)

Lithographie，電鑄成形Galvanoformung和注塑(模塑）Abformung的縮寫(xiě)。（三）LIGA技術(shù)LIGA是德文的平版印刷術(shù)L精微塑性成型加工技術(shù)已成功地制造出多種微型器件。用塑性成型法加工的微小螺絲，螺紋部分直徑20～50μm；圖14-9所示，是Gunm大學(xué)研制的微型超塑擠壓機(jī)，可以用于加工制造微型齒輪軸等多種微型零件。

（四）微型件的精微塑性成形加工精微塑性成型加工技術(shù)已成功地制造出多種微型器件。用塑

因微型零件太小，人工裝配困難，因此為裝配微型機(jī)械，已制造了多種微型夾持器、機(jī)械手和自動(dòng)化裝配裝置，如電傳感驅(qū)動(dòng)的微夾持器，熱敏驅(qū)動(dòng)的微夾持器。國(guó)外已開(kāi)發(fā)了多種微型機(jī)械和微機(jī)電系統(tǒng)的自動(dòng)裝配機(jī)。

（五）微型機(jī)械的裝配先進(jìn)(現(xiàn)代）制造技術(shù)

特征與發(fā)展趨勢(shì)◆

加工技術(shù)向超精密、超高速方向發(fā)展◆

綠色制造將成為21世紀(jì)制造業(yè)重要特征因微型零件太小，人工裝配困難，因此為裝配微型機(jī)械，已

包括：綠色產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)（產(chǎn)品在全生命周期符合環(huán)保、人類(lèi)健康、能耗低、資源利用率高的要求）；綠色制造技術(shù)（在整個(gè)制造過(guò)程，對(duì)環(huán)境負(fù)面影響最小，廢棄物和有害物質(zhì)的排放最小，資源利用效率最高）；產(chǎn)品的回收和循環(huán)再制造（例如，汽車(chē)等產(chǎn)品的拆卸和回收技術(shù)，以及生態(tài)工廠(chǎng)的循環(huán)式制造技術(shù)等）?！?/p>

虛擬制造將獲得廣泛應(yīng)用首先在虛擬制造環(huán)境中生成軟產(chǎn)品原型（SoftPrototype）代替?zhèn)鹘y(tǒng)的硬樣品（HardPrototype）進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)其性能和可制造性進(jìn)行預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)，從而縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造周期，降低成本，提高系統(tǒng)快速響應(yīng)市場(chǎng)變化的能力。現(xiàn)代機(jī)械制造技術(shù)是傳統(tǒng)機(jī)械制造技術(shù)與高新技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。包括：綠色產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)（產(chǎn)品在全生命周期符合環(huán)保、人本章結(jié)束本章結(jié)束謝謝各位！請(qǐng)大家認(rèn)真復(fù)習(xí)！謝謝各位！請(qǐng)大家認(rèn)真復(fù)習(xí)！101第七章先進(jìn)制造技術(shù)

本章要點(diǎn)快速原型制造技術(shù)高速加工和精密超精密加工微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù)1第七章先進(jìn)制造技術(shù)

本章要點(diǎn)快速原型制造技術(shù)高速加工和102先進(jìn)制造技術(shù)在新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，總是需要對(duì)所設(shè)計(jì)的零件或整個(gè)系統(tǒng)在投入大量資金組織加工或裝配之前加工一個(gè)簡(jiǎn)單的例子或原型。在準(zhǔn)備制造和銷(xiāo)售一個(gè)復(fù)雜的產(chǎn)品系統(tǒng)之前，工作原型可以對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)價(jià)、修改和功能驗(yàn)證。2先進(jìn)制造技術(shù)在新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，總是需要對(duì)103零件成形方法

材料成形法——進(jìn)入工藝過(guò)程物料初始重量近似等于加工后最終重量。如鑄造、壓力加工、粉末冶金、注塑成形等，這些方法多用于毛坯制造，但也可直接成形零件。材料去除法——零件的最終幾何形狀局限在毛坯的初始幾何形狀范圍內(nèi)，零件形狀的改變是通過(guò)去除一部分材料，減少一部分重量來(lái)實(shí)現(xiàn)的。如切削與磨削，電火花加工、電解加工等特種加工等。材料累加法——傳統(tǒng)的累加方法有焊接、粘接或鉚接等，通過(guò)不可拆卸連接使物料結(jié)合成一個(gè)整體，形成零件。近幾年才發(fā)展起來(lái)的快速原型制造技術(shù)（RPM），是材料累加法的新發(fā)展。3零件成形方法材料成形法——進(jìn)入工藝過(guò)程物料初始重量近似等104第一節(jié)快速原型制造技術(shù)（RPM）

◆快速原型制造（RapidPhotographManufacturing—RPM），又稱(chēng)“快速成形技術(shù)”（RapidPhotograph—RP）或“分層制造”（LayerManufacturing—LM），是20世紀(jì)80年代后期迅速發(fā)展起來(lái)的一種新型制造技術(shù)。◆它將計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）、計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）、計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）、精密伺服驅(qū)動(dòng)、新材料等先進(jìn)技術(shù)集于一體，依據(jù)計(jì)算機(jī)上構(gòu)成的產(chǎn)品三維設(shè)計(jì)模型，對(duì)其進(jìn)行分層切片，得到各層截面的輪廓?！舭凑者@些輪廓，激光束選擇性地切割一層層的箔材（或固化一層層的液態(tài)樹(shù)脂，或燒結(jié)一層層的粉末材料），或噴射源選擇性地噴射一層層的粘結(jié)劑或熱熔材料等，形成一個(gè)個(gè)薄層，并逐步迭加成三維實(shí)體（見(jiàn)圖2-1）。4第一節(jié)快速原型制造技術(shù)（RPM）◆快速原型105圖2-1快速成型過(guò)程噴粘結(jié)劑噴熱熔材料三維產(chǎn)品（樣品/模具）表面處理構(gòu)造三維模型模型近似處理切片處理激光噴射源固化樹(shù)脂切割箔材燒結(jié)粉末5圖2-1快速成型過(guò)程噴粘結(jié)劑噴熱熔材料三維產(chǎn)品（樣品106a）b）圖2-2傳統(tǒng)加工與快速成型比較模具模具設(shè)計(jì)鑄造焊接鍛壓毛坯（大于工件）半成品半成品工件去除加工設(shè)計(jì)模具樣品快速成形6a）快速成型技術(shù)是將計(jì)算機(jī)輔助制造、計(jì)算機(jī)數(shù)字控制、精密伺服驅(qū)動(dòng)、激光與材料技術(shù)于一體的現(xiàn)代技術(shù)。其基本思路起源于三維實(shí)體被切成一系列連續(xù)切片的逆過(guò)程．即只需用三維的制造方法制作成一系的薄切片．便可堆積成所需的三維零件。快速加工技術(shù)的主要持點(diǎn)：能直接由三維CAD模型制造形狀復(fù)雜的原型，縮短了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，降低了生產(chǎn)成本．使產(chǎn)品能迅速投入市場(chǎng)。可制造任意復(fù)雜的高精度零件，而無(wú)需任何工具。它是創(chuàng)造性設(shè)計(jì)的有效工具，也能比較容易制造出試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，可在加工生產(chǎn)前找出設(shè)計(jì)中存在的不足之處，并迅速加以修改?？焖俪尚图夹g(shù)在應(yīng)用中存在的問(wèn)題：系統(tǒng)造價(jià)昂貴、運(yùn)行費(fèi)用高，加工用材價(jià)格偏高，能夠處理的材料種類(lèi)有限，與CAD系統(tǒng)的接口尚無(wú)通用格式?？焖俪尚图夹g(shù)是將計(jì)算機(jī)輔助制造、計(jì)算機(jī)數(shù)字控制、精密伺服驅(qū)動(dòng)108圖2-2a快速成型機(jī)床及快速成型件8圖2-2a快速成型機(jī)床及快速成型件109（一）概述

1931年德國(guó)切削物理學(xué)家C.J.Salomom在“高速切削原理”一文中給出了著名的“Salomom曲線(xiàn)”——對(duì)應(yīng)于一定的工件材料存在一個(gè)臨界切削速度，此點(diǎn)切削溫度最高，超過(guò)該臨界值，切削速度增加，切削溫度反而下降。

尚無(wú)統(tǒng)一定義，一般認(rèn)為高速加工是指采用超硬材料的刀具，通過(guò)極大地提高切削速度和進(jìn)給速度，來(lái)提高材料切除率、加工精度和加工表面質(zhì)量的現(xiàn)代加工技術(shù)。以切削速度和進(jìn)給速度界定：高速加工的切削速度和進(jìn)給速度為普通切削的5～10倍。以主軸轉(zhuǎn)速界定：高速加工的主軸轉(zhuǎn)速≥10000r/min。1、高速加工定義一、高速加工第二節(jié)

高速加工和精密超精密加工9（一）概述1931年德國(guó)切削物理學(xué)家C.J110圖3-31Salomon切削溫度與切削速度曲線(xiàn)切削適應(yīng)區(qū)軟鋁切削速度v/(m/min)切削不適應(yīng)區(qū)06001200180024003000青銅鑄鐵鋼硬質(zhì)合金980℃高速鋼650℃碳素工具鋼450℃Stelite合金850℃1600

1200800400切削溫度/℃切削適應(yīng)區(qū)非鐵金屬10圖3-31Salomon切削溫度與切削速度曲線(xiàn)切削

高速切削是個(gè)相對(duì)的概念，如果加工方法和切削材料不同，高速切削的速度范圍也就不同。如從加工方法的角度，車(chē)削加工速度范圍是700～7000m/min，銑削加工速度范圍是300～6000m/min，鉆削加工的速度范圍是200～1100m/min，磨削加工的速度范圍是150～360m/min。從材料的角度，目前鋁合金的高速切削范圍是1500～5500m/min，鑄鐵的高速切削范圍是750～4500m/min，普通鋼的高速切削范圍是600～800m/min。一般認(rèn)為高速加工的速度范圍是普通加工的5～10倍。隨著高速機(jī)床設(shè)備和刀具等關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域的突破性進(jìn)展，高速加工的速度范圍還會(huì)不斷擴(kuò)展。

高速切削是個(gè)相對(duì)的概念，如果加工方法和切削材料不同，高速112圖3-32高速與超高速切削速度范圍

10100100010000切削速度V（m/min）塑料鋁合金銅鑄鐵鋼鈦合金鎳合金2、高速加工的切削速度范圍

高速加工切削速度范圍因不同的工件材料而異，見(jiàn)圖3-32◎車(chē)削：700-7000m/min◎銑削：300-6000m/min◎鉆削：200-1100m/min◎磨削：50-300m/s

高速加工切削速度范圍隨加工方法不同也有所不同12圖3-32高速與超高速切削速度范圍10113

加工效率高：進(jìn)給率較常規(guī)切削提高5-10倍，材料去除率可提高3-6倍

切削力?。狠^常規(guī)切削至少降低30%，徑向力降低更明顯。有利于減小工件受力變形，適于加工薄壁件和細(xì)長(zhǎng)件

切削熱?。杭庸み^(guò)程迅速，95%以上切削熱被切屑帶走，工件積聚熱量極少，溫升低，適合于加工熔點(diǎn)低、易氧化和易于產(chǎn)生熱變形的零件

加工精度高：刀具激振頻率遠(yuǎn)離工藝系統(tǒng)固有頻率，不易產(chǎn)生振動(dòng)；又切削力小、熱變形小、殘余應(yīng)力小，易于保證加工精度和表面質(zhì)量

工序集約化：可獲得高的加工精度和低的表面粗糙度，并在一定條件下，可對(duì)硬表面進(jìn)行加工，從而可使工序集約化。這對(duì)于模具加工具有特別意義(工序集約化是指在一臺(tái)實(shí)現(xiàn)或盡可能完成從毛坯至成品的全部加工工序).3、高速加工的特點(diǎn)13加工效率高：進(jìn)給率較常規(guī)切削提高5-10倍，材料去除率114高速加工實(shí)例毛坯材料使用刀具主軸轉(zhuǎn)速(r/min)進(jìn)給速度(mm/min)NAK80(HRC40)?4球頭140002200加工零件示意圖高速加工切削條件14高速加毛坯材料使用刀具主軸轉(zhuǎn)速進(jìn)給速度NAK80(H115

航空航天：

◎帶有大量薄壁、細(xì)筋的大型輕合金整體構(gòu)件加工，材料去除率達(dá)100-180cm3/min。

◎鎳合金、鈦合金加工，切削速度達(dá)200-1000m/min

汽車(chē)工業(yè)：4、高速加工的應(yīng)用

◎采用高速數(shù)控機(jī)床和高速加工中心組成高速柔性生產(chǎn)線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)多品種、中小批量的高效生產(chǎn)

模具制造：

◎高速銑削代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電火花成形加工，效率提高3-5倍（圖3-34，圖3-35）。

儀器儀表：

◎精密光學(xué)零件加工。15航空航天：4、高速加工的應(yīng)用◎采用高速數(shù)控機(jī)116b）高速模具加工的過(guò)程圖3-34兩種模具加工過(guò)程比較1硬化毛坯→2粗銑→3半精銑→4精銑→5手工磨修a）傳統(tǒng)模具加工的過(guò)程1毛坯→2粗銑→3半精銑→4熱處理→5電火花加工→6精銑→7手工磨修電極制造16b）高速模具加工的過(guò)程1硬化毛坯→2粗銑→117圖3-35采用高速加工縮短模具制作周期（日產(chǎn)汽車(chē)公司）與最終尺寸差值/mm加工時(shí)間100%1010.10.010.001粗加工精加工手工精修傳統(tǒng)加工方法高速切削少量手工精修★對(duì)于復(fù)雜型面模具，模具精加工費(fèi)用往往占到模具總費(fèi)用的50%以上。采用高速加工可使模具精加工費(fèi)用大大減少，從而可降低模具生產(chǎn)成本。17圖3-35采用高速加工縮短模具制作周期（日產(chǎn)汽車(chē)公司超高速切削已用于加工多種零件，下圖是幾種加工零件實(shí)例，可見(jiàn)多種不同材料的復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件，包含自由曲面的零件等，都已可用高速切削技術(shù)加工。航空工業(yè)中的大型鋁合金機(jī)架，使用超高速銑削，提高了加工效率，效果非常明顯。

超高速切削已用于加工多種零件，下圖是幾種加工零件實(shí)例119

高速加工雖具有眾多的優(yōu)點(diǎn)，但由于技術(shù)復(fù)雜，且對(duì)于相關(guān)技術(shù)要求較高，使其應(yīng)用受到限制。

與高速加工密切相關(guān)的技術(shù)主要有：◎高速加工刀具與磨具制造技術(shù)；◎高速主軸單元制造技術(shù)；◎高速進(jìn)給單元制造技術(shù)；◎高速加工在線(xiàn)檢測(cè)與控制技術(shù)；◎其他：如高速加工毛坯制造技術(shù)，干切技術(shù)，高速加工的排屑技術(shù)、安全防護(hù)技術(shù)等。此外高速切削與磨削機(jī)理的研究，對(duì)于高速切削的發(fā)展也具有重要意義。高速加工技術(shù)取決于硬件技術(shù)和軟件技術(shù)19高速加工雖具有眾多的優(yōu)點(diǎn)，但由于技術(shù)復(fù)雜，且對(duì)于相關(guān)技高速加工技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)

高速加工技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)（二）高速切削的刀具高速切削的一個(gè)主要問(wèn)題是刀具磨損，與普通切削相比，高速切削時(shí)刀具與工件的接觸時(shí)間減少，接觸頗率增加，由此減少了切屑的皺褶，切削過(guò)程中產(chǎn)生的熱量更多地向刀具傳遞，磨損機(jī)理與普通切削有很大區(qū)別。由于高速切削時(shí)離心力和振動(dòng)的影響，刀具必須具有良好的平衡狀態(tài)和安全性能。設(shè)計(jì)刀具時(shí)，必須根據(jù)高速切削的要求，綜合考慮磨損、強(qiáng)度、剛度和精度等方面因素。（二）高速切削的刀具高速切削的一個(gè)主要問(wèn)題是刀具磨損122刀具材料種類(lèi)

合金高速鋼硬質(zhì)合金陶瓷天然

聚晶金剛石

聚晶立方氮工具鋼W18Cr4VYG6Si3N4

金剛石

PCD

化硼

PCBN材料性能

硬度HRC65HRC66HRA90HRA93HV10000

HV7500

HV4000抗彎強(qiáng)度2.4GPa3.2GPa1.45GPa0.8GPa0.3GPa

2.8GPa

1.5GPa導(dǎo)熱系數(shù)40-50

20-30

70-100

30-40

146.5

100-120

40-100熱穩(wěn)定性350℃620℃1000℃1400℃800℃

600-800℃

＞1000℃化學(xué)惰性低惰性大惰性小

惰性小

惰性大耐磨性低低較高高最高

最高

很高一般精度Ra≤0.8高精度

Ra=0.4-0.2加工質(zhì)量Ra≤0.8IT7-8Ra=0.1-0.05

IT5-6