機(jī)械制造工藝?yán)碚摵图夹g(shù)的發(fā)展

1、1,第7章 機(jī)械制造工藝?yán)碚摵图夹g(shù)的發(fā)展,本章要點(diǎn),先進(jìn)制造工藝?yán)碚撆c方法,現(xiàn)代制造工藝方法,先進(jìn)制造模式,智能制造,制造系統(tǒng)自動(dòng)化,2,機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ),第7章 機(jī)械制造工藝?yán)碚摵图夹g(shù)的發(fā)展 Development of Mechanical Manufacturing Theory and Technology,7.1 現(xiàn)代制造工藝?yán)碚摵图夹g(shù) Modern Manufacturing Theory and Technology,3,7.1.1 制造工藝的重要性,工藝是設(shè)計(jì)和制造的橋梁 設(shè)計(jì)的可行性往往會(huì)受到工藝的制約 應(yīng)該用廣義制造的概念將“設(shè)計(jì)”和“工藝”統(tǒng)一起來,例如：在用金剛石車刀進(jìn)

2、行超精密切削時(shí)，其刃口鈍圓半徑的大小與切削性能關(guān)系十分密切，它影響了極薄切削的切屑厚度，反映了一個(gè)國家在超精密切削技術(shù)方面的水平。通常，刃口是在專用的金剛石研磨機(jī)上研磨出來的，國外加工出的刃口鈍圓半徑可達(dá)2nm，而我國現(xiàn)在還達(dá)不到這個(gè)水平，這個(gè)例子生動(dòng)地說明了有些制造技術(shù)問題的關(guān)鍵不在設(shè)計(jì)上，而是在工藝上。,4,7.1.1 制造工藝的重要性,同樣的設(shè)計(jì)可以通過不同的工藝方法來實(shí)現(xiàn)，在效率、成本、環(huán)保等方面會(huì)有很大差別，工藝是生產(chǎn)中最活躍的因素。 加工技術(shù)的發(fā)展往往是從工藝突破的。如電加工及其他特種加工技術(shù)的出現(xiàn)使許多傳統(tǒng)方法無法加工的工作得以實(shí)現(xiàn)。 產(chǎn)品質(zhì)量是一個(gè)綜合性問題，與設(shè)計(jì)、工藝技術(shù)、

3、管理和人員素質(zhì)等多個(gè)因素有關(guān)，但與工藝技術(shù)的關(guān)系最為密切。 世界各工業(yè)強(qiáng)國都非常重視工藝,5,7.1.2現(xiàn)代制造工藝?yán)碚摵图夹g(shù)的發(fā)展,工藝技術(shù)的發(fā)展緩慢和工藝問題的不被重視有密切相關(guān) 傳統(tǒng)上，認(rèn)為工藝是手藝和技藝 上世紀(jì)50年代，原蘇聯(lián)的許多學(xué)者在德國學(xué)者研究的基礎(chǔ)上，出版了機(jī)械制造工藝學(xué)、機(jī)械制造工藝原理等著作，將工藝提高到理論高度。 上世紀(jì)70年代，又形成了機(jī)械制造系統(tǒng)和機(jī)械制造工藝系統(tǒng)，工藝技術(shù)已形成一門科學(xué)。 近年來新材料、新產(chǎn)品的出現(xiàn)開辟了許多制造工藝的新領(lǐng)域和新方法工藝?yán)碚摗⒓庸し椒?、制造模式、制造技術(shù)和系統(tǒng)等,6,7.2.1 加工成形機(jī)理,分離加工的一種，又稱套料加工 可大的減少

4、材料消耗,7,7.2.1 加工成形機(jī)理,出現(xiàn)了硬質(zhì)合金、人造金剛石、立方氮化硼、陶瓷等系列，以及涂層、多元共滲、氣相沉積等工藝，同時(shí)從濕切削發(fā)展到無冷卻液的干切削(環(huán)保切削)和硬(齒)表面切削等,從金屬發(fā)展到非金屬、高分子材料、半導(dǎo)體、陶瓷和石材等。從而發(fā)展了半導(dǎo)體、陶瓷和石材等多種加工工藝學(xué),零件成形使用的能源上有力、電、聲、化學(xué)、電子、離子、激光等，十分豐富，從而發(fā)展了電火花加工、超聲波加工、化學(xué)加工、電子束加工、離子束加工、激光束加工等,8,7.2.2 精度原理,繼承性原則又稱“母性”原則、循序漸近原則或“蛻化”原則, 指加工用機(jī)床（工作母機(jī)）精度高于加工工件的精度 創(chuàng)造性原則又稱“進(jìn)化

5、”原則，可分為直接創(chuàng)造性原則和間接創(chuàng)造性原則,直接創(chuàng)造性原則利用精度低于工件精度要求的機(jī)床，借助于工藝手段和特殊工具，直按加工出精度高于“工作母機(jī)”的工件，如 “以粗干精”、“以小干大” 間接創(chuàng)造性原則用較低精度機(jī)床和工具，制造出加工精度能滿足工件要求的高精度機(jī)床和工具，再用這些機(jī)床和工具去加工工件,9,7.2.3 相似性原理和成組技術(shù),相似性原理是成組技術(shù)的基礎(chǔ) 成組技術(shù)是一種制造哲理，是先進(jìn)制造技術(shù)的專用理論基礎(chǔ)之一 成組技術(shù)的核心,零件及產(chǎn)品分類編碼 劃分零件組,10,7.2.4 工藝決策原理,數(shù)學(xué)模型決策以建立數(shù)學(xué)模型并求解作為主要的決策方式。數(shù)學(xué)模型泛指公式、方程式和由公式系列構(gòu)成的

6、算法等，可分為系統(tǒng)性數(shù)學(xué)模型、隨機(jī)性數(shù)學(xué)模型和模糊性數(shù)學(xué)模型三類。,式中 a、k 為常數(shù)，且 0k 1。其邊際生產(chǎn)率分別為：,【例】輸入勞動(dòng)力 L 與資本 K 同輸出產(chǎn)品 P 的Cobb-Douglas函數(shù)：,上式對(duì)確定投資方向具有參考意義。,11,7.2.4 工藝決策原理,邏輯性決策常用決策樹與決策表形式,決策樹由樹根、節(jié)點(diǎn)、分支構(gòu)成；分支上方給出向一種狀態(tài)轉(zhuǎn)換的可能性或條件（確定性條件）,分支終點(diǎn)列出應(yīng)采取的行動(dòng)（決策行動(dòng)）,12,7.2.4 工藝決策原理,決策表 用表格形式描述事件之間邏輯依存關(guān)系。 表格分為4個(gè)區(qū)域，左上角為條件項(xiàng)目，右上角為條件組合，各條件之間為“與”的關(guān)系，左下角列

7、出決策項(xiàng)目，右下角為各列對(duì)應(yīng)的決策行動(dòng)，決策行動(dòng)之間也是“與”的關(guān)系。 決策表的每一列均可視為一條決策規(guī)則。,13,7.2.4 工藝決策原理,智能思維決策,依賴工藝技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)和智能思維能力來決策，即要應(yīng)用人工智能。 智能是運(yùn)用知識(shí)來解決問題的能力，學(xué)習(xí)、推理和聯(lián)想是智能的三大重要因素。 智能思維決策的主要方法有：專家系統(tǒng)、模糊邏輯、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法等。,14,7.2.4 工藝決策原理,機(jī)械制造工藝設(shè)計(jì)中的決策方法,15,7.2.5 優(yōu)化原理,優(yōu)化原理將已有優(yōu)化方法應(yīng)用到工藝問題 優(yōu)化目標(biāo)在保證質(zhì)量前提下，達(dá)到最高生產(chǎn)率、最低成本或最大利潤率 核心問題建立和求解優(yōu)化問題數(shù)學(xué)模型,16,

8、機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ),第7章 機(jī)械制造工藝?yán)碚摵图夹g(shù)的發(fā)展 Development of Mechanical Manufacturing Theory and Technology,7.3 現(xiàn)代制造工藝方法 Modern Manufacturing Methods,17,7.3.1 特種加工技術(shù),特種加工領(lǐng)域特種加工又稱為非傳統(tǒng)性加工（Non-Traditional Manufacturing-NTM）。特種加工的概念是相對(duì)的，其內(nèi)容將隨著加工技術(shù)的發(fā)展而變化。 特種加工方法種類 根據(jù)加工機(jī)理和所采用能源，可分為： 1）力學(xué)加工：應(yīng)用機(jī)械能來進(jìn)行加工，如超聲波加工、噴射加工、噴水加工等。 2）電

9、物理加工：利用電能轉(zhuǎn)換為熱能、機(jī)械能和光能等進(jìn)行加工，如電火花成形加工、電火花線切割加工、電子束加工、粒子束加工等。 3）電化學(xué)加工：利用電能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能進(jìn)行加工，如電解加工、電鍍、刷鍍、鍍膜和電鑄加工等。 4）激光加工：利用激光光能轉(zhuǎn)化為熱能進(jìn)行加工。 5）化學(xué)加工：利用化學(xué)能或光能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能來進(jìn)行加工，如化學(xué)銑削和化學(xué)刻蝕（即光刻加工）等。 6）復(fù)合加工,18,7.3.1 特種加工技術(shù),特種加工特點(diǎn),特種加工方法主要不是依靠機(jī)械能，而是用其它能量（如電能、光能、聲能、熱能、化學(xué)能等）去除材料。 特種加工方法由于工具不受顯著切削力的作用，對(duì)工具和工件的強(qiáng)度、硬度和剛度均沒有嚴(yán)格要求。 一般

10、不會(huì)產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象。且工件加工部位變形小，發(fā)熱少，或發(fā)熱僅局限于工件表層加工部位很小區(qū)域內(nèi)，工件熱變形小，加工應(yīng)力也小，易于獲得好的加工質(zhì)量。 加工中能量易于轉(zhuǎn)換和控制，有利于保證加工精度和提高加工效率。 特種加工方法的材料去除速度，一般低于常規(guī)加工方法，這也是目前常規(guī)加工方法仍占主導(dǎo)地位的主要原因。,19,7.3.1 特種加工技術(shù),電火花加工,工作原理： 利用工具電極與工件電極之間脈沖性火花放電，產(chǎn)生瞬時(shí)高溫，工件材料被熔化和氣化。同時(shí)，該處絕緣液體也被局部加熱，急速氣化，體積發(fā)生膨脹，隨之產(chǎn)生很高的壓力。在這種高壓作用下，已經(jīng)熔化、氣化的材料就從工件的表面迅速被除去。,4個(gè)階段： 1）介

11、質(zhì)電離、擊穿，形成放電通道； 2）火花放電產(chǎn)生熔化、氣化、熱膨脹； 3）拋出蝕除物； 4）間隙介質(zhì)消電離（恢復(fù)絕緣狀態(tài)）。,20,7.3.1 特種加工技術(shù),電火花加工機(jī)床,21,7.3.1 特種加工技術(shù),電極材料要求導(dǎo)電，損耗小，易加工；常用材料：紫銅、石墨、鑄鐵、鋼、黃銅等，其中石墨最常用。 工作液主要功能壓縮放電通道區(qū)域，提高放電能量密度，加速蝕物排出；常用工作液有煤油、機(jī)油、去離子水、乳化液等。 放電間隙合理的間隙是保證火花放電的必要條件。為保持適當(dāng)?shù)姆烹婇g隙，在加工過程中，需采用自動(dòng)調(diào)節(jié)器控制機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)，并帶動(dòng)工具電極緩慢向工件進(jìn)給。,工作要素,脈沖寬度與間隔影響加工速度、表面粗糙度

12、、電極消耗和表面組織等。脈沖頻率高、持續(xù)時(shí)間短，則每個(gè)脈沖去除金屬量少，表面粗糙度值小，但加工速度低。 通常放電持續(xù)時(shí)間在2s至2ms范圍內(nèi)，各個(gè)脈沖的能量2mJ到20J（電流為400A時(shí)）之間。,22,7.3.1 特種加工技術(shù),電火花加工類型,電火花線切割加工：,23,7.3.1 特種加工技術(shù),快走絲：電極絲多用鉬絲，做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，走絲速度一般為2.5m/s10m/s左右,快走絲與慢走絲,快走絲電火花線切割機(jī)床結(jié)構(gòu)原理圖 1-走絲溜板 2-卷絲筒 3-電極絲 4-絲架 5-下絲臂 6-上絲臂 7-導(dǎo)絲輪 8-工作液噴嘴 9-工件 10-絕緣墊塊 11、16伺服電機(jī) 12-工作臺(tái) 13-溜板 1

13、4-伺服電機(jī)電源 15-數(shù)控裝置 16-脈沖電源,24,7.3.1 特種加工技術(shù),慢走絲：走絲作單方向運(yùn)動(dòng)，多用銅絲，為一次性使用，走絲速度一般低于0.2m/min，電極絲走絲平穩(wěn)無震動(dòng)，損耗小，因此加工精度高，表面粗糙度值低，但其導(dǎo)向、張緊機(jī)構(gòu)比較復(fù)雜。,慢走絲電火花線切割機(jī)床的結(jié)構(gòu)原理圖 1-溜板 2-絕緣墊塊 3、13-伺服電機(jī) 4-工作臺(tái) 5-放絲卷筒 6、11-導(dǎo)絲輪和旅緊機(jī)構(gòu) 7-導(dǎo)向裝置 8-工作液噴嘴 9-工件 10-脈沖電源 12-收絲卷筒 14-數(shù)控裝置 15-伺服電機(jī)電源,25,7.3.1 特種加工技術(shù),電火花線切割機(jī)床（快走絲）,電火花線切割加工,加工過程顯示,26,7

14、.3.1 特種加工技術(shù),27,7.3.1 特種加工技術(shù),不受加工材料硬度限制，可加工任何硬、脆、韌、軟的導(dǎo)電材料。 加工時(shí)無顯著切削力，發(fā)熱小，適于加工小孔、薄壁、窄槽、形面、型腔及曲線孔等，且加工質(zhì)量較好。 脈沖參數(shù)調(diào)整方便，可一次裝夾完成粗、精加工。 易于實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工。,電火花加工特點(diǎn),電火花加工應(yīng)用,電火花成形加工：電火花打孔常用于加工冷沖模、拉絲模、噴嘴、噴絲孔等。型腔加工包括鍛模、壓鑄模、擠壓模、塑料模等型腔加工，以及葉輪、葉片等曲面加工 電火花線切割：廣泛用于加工各種硬質(zhì)合金和淬硬鋼的沖模、樣板、各種形狀復(fù)雜的板類零件、窄縫、柵網(wǎng)等 電火花回轉(zhuǎn)加工：加工時(shí)工具電極回轉(zhuǎn)，類似鉆削、銑

15、削和磨削 回轉(zhuǎn)共軛加工：利用回轉(zhuǎn)共軛原理，加工內(nèi)外齒輪和內(nèi)外螺紋 其他：金屬表面強(qiáng)化，打印標(biāo)記，仿形刻字等,28,7.3.1 特種加工技術(shù),電火花加工產(chǎn)品實(shí)例 線切割加工產(chǎn)品實(shí)例,29,7.3.1 特種加工技術(shù),電解加工,工作原理： 工件接陽極，工具（銅或不銹鋼）接陰極，兩極間加直流電壓624V，極間保持0.11mm間隙。在間隙處通以 660m/S高速流動(dòng)電解液，形成極間導(dǎo)電通路，工件表面材料不斷溶解，溶解物及時(shí)被電解液沖走。工具陰極不斷進(jìn)給，保持極間間隙。,30,7.3.1 特種加工技術(shù),不受材料硬度的限制，能加工任何高硬度、高韌性的導(dǎo)電材料，并能以簡(jiǎn)單的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)一次加工出形狀復(fù)雜的形面和型

16、腔。 加工形面、型腔生產(chǎn)率高（與電火花加工比高510倍）。采用振動(dòng)進(jìn)給和脈沖電流等新技術(shù)，可進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率和加工精度。 加工表面質(zhì)量好，無毛刺、殘余應(yīng)力和變形層。 陰極在加工中損耗小。 設(shè)備投資大，有污染，需防護(hù)。,模具型腔、槍炮膛線、發(fā)電機(jī)葉片、花鍵孔、內(nèi)齒輪、小而深的孔加工，電解拋光、倒棱、去毛刺等,電解加工特點(diǎn),電解加工應(yīng)用,電解復(fù)合加工：充氣電解加工、振動(dòng)進(jìn)給脈沖電流電解加工、中間電極法電解加工、電解磨削等,31,7.3.1 特種加工技術(shù),電解磨削,工件與磨輪保持一定接觸壓力，突出的磨料使磨輪導(dǎo)電基體與工件之間形成一定間隙。電解液從中流過時(shí)，工件產(chǎn)生陽極溶解，表面生成一層氧化膜，其

17、硬度遠(yuǎn)比金屬本身低，易被刮除，露出新金屬表面，繼續(xù)進(jìn)行電解。電解作用與磨削作用交替進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)加工。,電解磨削效率比機(jī)械磨削高，且磨輪損耗遠(yuǎn)比機(jī)械磨削小，特別是磨削硬質(zhì)合金時(shí)，效果更明顯。,32,7.3.1 特種加工技術(shù),超聲波加工,工作原理：,利用工具端面作超聲（1625kHz）振動(dòng)，使工作液中的懸浮磨粒對(duì)工件表面撞擊拋磨來實(shí)現(xiàn)加工。 超聲波發(fā)生器將工頻交流電能轉(zhuǎn)變?yōu)橛幸欢üβ瘦敵龅某曨l電振蕩，通過換能器將超聲頻電振蕩轉(zhuǎn)變?yōu)槌暀C(jī)械振動(dòng)，此時(shí)振幅一般很小，再通過振幅擴(kuò)大棒（變幅桿）使固定在變幅桿端部的工具振幅增大到0.010.15mm。,33,7.3.1 特種加工技術(shù),超聲波加工機(jī)床,超聲波

18、加工樣件,34,7.3.1 特種加工技術(shù),超聲波加工特點(diǎn)及應(yīng)用,適用于加工各種脆性金屬材料和非金屬材料，如硬質(zhì)合金、淬火鋼、玻璃、陶瓷、半導(dǎo)體、寶石、金剛石等 。 可加工各種復(fù)雜形狀的型孔、型腔、形面，還可進(jìn)行套料、切割和雕刻。 工具與工件不需作復(fù)雜的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，機(jī)床結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。 被加工表面無殘余應(yīng)力，無破壞層，加工精度較高，尺寸精度可達(dá)0.010.05mm 。 加工過程受力小，熱影響小，可加工薄壁、薄片等易變形零件 生產(chǎn)效率較低。采用超聲復(fù)合加工（如超聲車削，超聲磨削，超聲電解加工，超聲線切割等）可提高加工效率。,35,7.3.1 特種加工技術(shù),電子束加工,工作原理：,真空條件下，利用電流加熱陰

19、極發(fā)射電子束，經(jīng)控制柵極初步聚焦后，由加速陽極加速，通過透鏡聚焦系統(tǒng)進(jìn)一步聚焦，使能量密度集中在直徑510m斑點(diǎn)內(nèi)。 高速而能量密集的電子束沖擊到工件上，被沖擊點(diǎn)處形成瞬時(shí)高溫（幾分之一微秒時(shí)間內(nèi)升高至幾千攝氏度），工件表面局部熔化、氣化直至被蒸發(fā)去除。,36,7.3.1 特種加工技術(shù),電子束加工特點(diǎn)及應(yīng)用,電子束束徑?。ㄗ钚≈睆娇蛇_(dá)0.010.05mm），而電子束長度可達(dá)束徑幾十倍，故可加工微細(xì)深孔、窄縫。,非接觸加工，無工具損耗；無切削力，加工時(shí)間極短，工件無變形。 加工速度高，切割1mm厚鋼板，速度可達(dá)240mm/min。 在真空中加工，無氧化，特別適于加工高純度半導(dǎo)體材料和易氧化的金屬

20、及合金。 加工設(shè)備較復(fù)雜，投資較大。多用于微細(xì)加工。,電子束加工的噴絲頭異形孔,材料適應(yīng)性廣（原則上各種材料均能加工），特別適用于加工特硬、難熔金屬和非金屬材料。,37,7.3.1 特種加工技術(shù),離子束加工,工作原理：利用氬（Ar）離子或其它帶有 10keV 數(shù)量級(jí)動(dòng)能的惰性氣體離子，在電場(chǎng)中加速，以極高速度“轟擊”工件表面，進(jìn)行“濺射”加工。,38,7.3.1 特種加工技術(shù),將被加速的離子聚焦成細(xì)束，射到被加工表面上。被加工表面受“轟擊”后，打出原子或分子，實(shí)現(xiàn)分子級(jí)去除加工。,離子束濺射去除加工,四種工作方式,加工裝置如圖示。三坐標(biāo)工作臺(tái)可實(shí)現(xiàn)三坐標(biāo)直線運(yùn)動(dòng)，擺動(dòng)裝置可實(shí)現(xiàn)繞水平軸擺動(dòng)和繞

21、垂直軸轉(zhuǎn)動(dòng)。,離子束濺射去除加工可用于非球面透鏡成形，金剛石刀具和沖頭的刃磨，大規(guī)模集成電路芯片刻蝕等。,39,7.3.1 特種加工技術(shù),離子束濺射鍍膜加工,用加速的離子從靶材上打出原子或分子，并將這些原子或分子附著到工件上，形成“鍍膜”。 濺射鍍膜可鍍金屬，也可鍍非金屬。由于濺射出來的原子和分子有相當(dāng)大的動(dòng)能，故鍍膜附著力極強(qiáng)（與蒸鍍、電鍍相比）。 離子鍍氮化鈦，美觀耐磨。應(yīng)用在刀具上可提高壽命1-2倍。,40,7.3.1 特種加工技術(shù),用高能離子（數(shù)十萬KeV）轟擊工件表面，離子打入工件表層，其電荷被中和，并留在工件中（置換原子或填隙原子），從而改變工件材料和性質(zhì)。 可用于半導(dǎo)體摻雜（在單

22、晶硅內(nèi)注入磷或硼等雜質(zhì)，用于晶體管、集成電路、太陽能電池制作），金屬材料改性（提高刀具刃口硬度）等方面。,離子束濺射注入加工,離子束曝光,用在大規(guī)模集成電路制作中，與電子束相比有更高的靈敏度和分辨率。,41,7.3.1 特種加工技術(shù),激光加工,工作原理：,激光是一種受激輻射而得到的加強(qiáng)光。其基本特征： 強(qiáng)度高，亮度大 波長頻率確定，單色性好 相干性好，相干長度長 方向性好，幾乎是一束平行光,當(dāng)激光束照射到工件表面時(shí)，光能被吸收，轉(zhuǎn)化成熱能，使照射斑點(diǎn)處溫度迅速升高、熔化、氣化而形成小坑，由于熱擴(kuò)散，使斑點(diǎn)周圍金屬熔化，小坑內(nèi)金屬蒸氣迅速膨脹，產(chǎn)生微型爆炸，將熔融物高速噴出并產(chǎn)生一個(gè)方向性很強(qiáng)的

23、反沖擊波，于是在被加工表面上打出一個(gè)上大下小的孔。,42,7.3.1 特種加工技術(shù),激光器：,固體激光器,混合氣體：氦約80%，氮約15%， CO2 約5% 通過高壓直流放電進(jìn)行激勵(lì) 波長10.6m，為不可見光 能量效率5% 15%,氣體激光器：CO2激光器,YAG（結(jié)晶母材由釔、鋁和石榴石構(gòu)成）激光器 紅寶石激光器,43,7.3.1 特種加工技術(shù),激光加工特點(diǎn)：,加工材料范圍廣，適用于加工各種金屬材料和非金屬材料，特別適用于加工高熔點(diǎn)材料，耐熱合金及陶瓷、寶石、金剛石等硬脆材料。 加工性能好，工件可離開加工機(jī)進(jìn)行加工，可透過透明材料加工，可在其他加工方法不易達(dá)到的狹小空間進(jìn)行加工。 非接觸加

24、工方式，熱變形小，加工精度較高。 可進(jìn)行微細(xì)加工。激光聚焦后焦點(diǎn)直徑理論上可小至1以下，實(shí)際上可實(shí)現(xiàn)0.01mm的小孔加工和窄縫切割。 加工速度快，效率高。 激光加工不僅可以進(jìn)行打孔和切割，也可進(jìn)行焊接、熱處理等工作。 激光加工可控性好，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。加工設(shè)備昂貴。,44,7.3.1 特種加工技術(shù),激光加工應(yīng)用：,激光熱處理照射到金屬表面上的激光使表面原子迅速蒸發(fā)，由此產(chǎn)生微沖擊波會(huì)導(dǎo)致大量晶格缺陷形成，達(dá)到硬化。其優(yōu)點(diǎn)：快速、不需淬火介質(zhì)、硬化均勻、變形小、硬化深度可精確控制。,45,7.3.1 特種加工技術(shù),激光焊接,激光切割,46,7.3.2 快速原型制造,快速原型制造（Rapid

25、Photograph Manufacturing RPM），又稱“快速成形技術(shù)”（ Rapid Photograph RP）或“分層制造”（Layer Manufacturing LM），是20世紀(jì)80年代后期迅速發(fā)展起來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。 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

26、逐步迭加成三維實(shí)體。,47,7.3.2 快速原型制造,48,7.3.2 快速原型制造,49,7.3.2 快速原型制造,快速成型機(jī)床及快速成型件,50,7.3.2 快速原型制造,由CAD模型直接驅(qū)動(dòng)； 可快速成形任意復(fù)雜的三維幾何實(shí)體，不受傳統(tǒng)機(jī)械加工方法中刀具無法達(dá)到某些型面的限制 ； 采用“分層制造”方法，通過分層，將三維成形問題變成簡(jiǎn)單的二維平面成形； 成形設(shè)備為計(jì)算機(jī)控制的通用機(jī)床，無需專用工模具； 成形過程無需人工干預(yù)或很少人工干預(yù)； 節(jié)省原材料。,51,7.3.2 快速原型制造,用快速原型直接制造產(chǎn)品樣品，一般只需傳統(tǒng)加工方法 3050% 的工時(shí)，2035% 的成本。這種樣品與最終產(chǎn)

27、品相比，雖然材質(zhì)可能有所差異，但形狀與尺寸完全相同，且有較好的機(jī)械強(qiáng)度。經(jīng)適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚砗?，與真實(shí)產(chǎn)品一模一樣。不僅可供設(shè)計(jì)者和用戶進(jìn)行直觀檢測(cè)、評(píng)判、優(yōu)化，而且可在零件級(jí)和部件級(jí)水平上，對(duì)產(chǎn)品工藝性能、裝配性能及其他特性進(jìn)行檢驗(yàn)、測(cè)試和分析。 例GM公司在97年推出的新車型中，使用RP生成的模型進(jìn)行車內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)傳熱學(xué)試驗(yàn)，節(jié)省費(fèi)用40%以上。Chrysler則直接利用RP制造的車體原型進(jìn)行高速風(fēng)洞流體動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)，節(jié)省成本達(dá)70%。 RP是生產(chǎn)廠家與客戶或訂購商的最佳交流手段，RP生成的模型亦是工程部門與非工程部門交流的理想中介物。 RP利用材料累加法亦可用來直接制造塑料、陶瓷、金屬及各種復(fù)合

28、材料零件。,產(chǎn)品開發(fā),52,7.3.2 快速原型制造,直接制作模具快速成形件具有較好的機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定性，且能承受一定的高溫（約200），可直接用作某些模具，如砂型鑄造木模的替代模、低熔點(diǎn)合金鑄造模、試制用注塑模，以及熔模鑄造的蠟?zāi)５奶娲?，或蠟?zāi)５某尚文！?復(fù)制軟模具用快速成形件作母模，可澆注蠟、硅橡膠、環(huán)氧樹脂、聚氨脂等軟材料，構(gòu)成軟模具；或先澆注硅橡膠、環(huán)氧樹脂模（蠟?zāi)３尚文＃贊沧⑾災(zāi)?。蠟?zāi)Ｓ糜谌勰ｈT造，硅橡膠模、環(huán)氧樹脂?？捎米髟囍朴米⑺苣?，或低熔點(diǎn)合金鑄造模。 復(fù)制硬模具用快速成形件作母模，或據(jù)其復(fù)制的軟模具，可澆注（或涂覆）石膏、陶瓷、金屬、金屬基合成材料，構(gòu)成硬模具（如各種鑄造

29、模、注塑模、蠟?zāi)５某尚文?、拉伸模等?制作電加工機(jī)床用電極用快速成形件作母體，通過噴鍍或涂覆金屬、粉末冶金、精密鑄造、澆注石墨粉或特殊研磨，可制作金屬電極或石墨電極。,模具制造,53,7.3.2 快速原型制造,在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用 快速原型制造系統(tǒng)可利用 CT 掃描或 MRI 核磁共振圖象的數(shù)據(jù)，制作人體器官模型，以便策劃頭顱、面部、牙科或其他軟組織的手術(shù)，進(jìn)行復(fù)雜手術(shù)操練，為骨移植設(shè)計(jì)樣板，或?qū)⑵渥鳛閄光檢查的參考手段。 在建筑上的應(yīng)用 利用快速原型制造系統(tǒng)制作建筑模型，可以幫助建筑設(shè)計(jì)師進(jìn)行設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)和最終方案的確定。在古建筑的恢復(fù)上，可以根據(jù)圖片記載，用快速成形技術(shù)復(fù)制原建筑。,其他領(lǐng)域應(yīng)用,5

30、4,RPM 應(yīng)用領(lǐng)域,7.3.2 快速原型制造,RPM應(yīng)用領(lǐng)域,55,7.3.2 快速原型制造,RPM應(yīng)用領(lǐng)域,RPM 行業(yè)占有率,56,7.3.2 快速原型制造,分層實(shí)體制造（Laminated Object Manufacturing-LOM）,分層實(shí)體制造示意圖 1-激光器 2-熱壓輥 3-計(jì)算機(jī) 4-供紙卷 5-收紙卷 6-塊體 7-層框和碎小紙塊 8-透鏡系統(tǒng),根據(jù)零件分層信息，用數(shù)控激光機(jī)在鋪上的一層箔材上切出本層輪廓，將該層非零件圖樣部分切成小塊，以便以后去除；再鋪上一層箔材，用加熱滾輾壓，以固化粘接劑，使新鋪上的一層箔材牢固地粘結(jié)在成形體上，再切割新層輪廓，如此反復(fù)直至加工完畢

31、。 使用材料為一種特殊的紙，也可用金屬箔等。,57,7.3.2 快速原型制造,光固化立體造型（Stereo Lithography-SL）,又稱立體印刷（Stereo Lithography Apparatus-SLA）、激光立體光刻 （Laser Photolithography-LP）,立體印刷示意圖 1-成形零件 2-紫外激光器 3-環(huán)氧或丙烯酸光敏樹脂 4-升降臺(tái) 5-液面,如圖示，液槽中盛有紫外激光固化液態(tài)樹脂，開始成型時(shí)，工作臺(tái)臺(tái)面在液面下一層高度，聚焦的紫外激光光束在液面上按該層圖形進(jìn)行掃描，被照射的地方就固化，未被照射的地方仍然是液態(tài)樹脂。然后升降臺(tái)帶動(dòng)工作臺(tái)下降一層高度，第二

32、層上布滿了液態(tài)樹脂，再按第二層圖形進(jìn)行掃描、新固化的一層被牢固地粘在前一層上，如此重復(fù)直至零件成型完畢。,58,7.3.2 快速原型制造,選擇性激光燒結(jié)（Selected Laser Sintering-SLS）,又稱激光熔結(jié)（Laser Fusion-LF）,選擇性激光燒結(jié) 1-光柵掃描器 2-激光束 3-激光器 4-已燒結(jié)粉末 5-未燒結(jié)粉末 6-新層 7-水平輥 8-前層,如圖示，先在工作臺(tái)上鋪一層一定厚度的金屬粉末，用水平輥輾壓，使其具有很好密實(shí)度和平整度，將激光束聚焦在層面上，按所需層面圖樣進(jìn)行數(shù)控掃描，即可進(jìn)行激光燒結(jié)而形成層面，再在其上鋪上一層粉末，進(jìn)行另一層燒結(jié)，如此疊加形成一

33、個(gè)粉末燒結(jié)零件。,59,7.3.2 快速原型制造,熔融沉積成形（Fused Deposition Modeling-FDM）,又稱熔融擠壓成形（Melted Extrusion Modeling-MEM）,如圖示，將絲狀熱熔性材料加熱，由噴頭擠壓出絲，按層面圖樣要求沉積出一個(gè)層面，然后如法生成下一個(gè)層面，并與前一個(gè)層面熔接在一起，這樣層層掃描堆成三維零件。,優(yōu)點(diǎn)：無需激光系統(tǒng)，設(shè)備簡(jiǎn)單，成本較低，其熱熔性材料比較廣泛，如工業(yè)用蠟、尼龍、塑料等高分子材料，以及低熔點(diǎn)合金等，特別適合于大型、薄壁、薄殼成形件。 關(guān)鍵技術(shù)：控制熔絲溫度，使其處于半流動(dòng)狀態(tài),60,7.3.2 快速原型制造,噴射印刷成形

34、（Jet Printing Modeling-JPM）,也可以在工作臺(tái)上鋪上一層均勻的密實(shí)的可粘接粉末，由噴頭噴射粘接劑而形成層面，再逐層疊加形成零件。 噴頭可以是單個(gè)，也可以是多個(gè)（可多達(dá)96個(gè)） 這種方法不采用激光，但成形設(shè)備要求較高（需5軸聯(lián)動(dòng)）。,又稱三維打?。═hree Dimension Printing-3DP）,將熱熔成形材料（如工程塑料）熔融后由噴頭噴出，掃描形成層面，經(jīng)逐層堆積而形成零件，如圖示。,61,7.3.2 快速原型制造,噴射印刷成形,62,7.3.2 快速原型制造,國內(nèi)主要RPM系統(tǒng),63,7.3.3 高速加工和超高速加工,高速加工和超高速加工概念,薩洛蒙曲線（1

35、931）切削溫度隨著切削速度的增大而提高，超過某一速度后，切削溫度反而降低。同時(shí)，切削力也會(huì)大幅度下降。,64,7.3.3 高速加工和超高速加工,高速加工定義,尚無統(tǒng)一定義，一般認(rèn)為高速加工是指采用超硬材料的刀具，通過極大地提高切削速度和進(jìn)給速度，來提高材料切除率、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：高速加工為普通切削的510倍。以主軸轉(zhuǎn)速界定：高速加工的主軸轉(zhuǎn)速10000 r/min。,高速加工速度范圍,車削： 700-7000 m/min 銑削： 300-6000 m/min 鉆削： 200-1100 m/min 磨削： 50-300 m/s,65,7.3.3

36、 高速加工和超高速加工,高速加工特點(diǎn)及應(yīng)用,高速加工特點(diǎn),切削力小：較常規(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)長件。 切削熱小：加工過程迅速，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。 動(dòng)力學(xué)特性好：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)，可獲得好的表面粗糙度 可加工硬表面：高速切削可加工硬度HRC45-65的淬硬鋼鐵件，在一定條件下可取代磨削加工或某些特種加工 環(huán)保：可實(shí)現(xiàn)“干切”和“準(zhǔn)干切”，避免冷卻液污染,66,7.3.3 高速加工和超高速加工,高速5軸加工增壓器葉輪,67,7

37、.3.3 高速加工和超高速加工,高速加工應(yīng)用,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)200-1000 m/min 汽車工業(yè)： 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，實(shí)現(xiàn)多品種、中小批量的高效生產(chǎn),儀器儀表： 精密光學(xué)零件加工。,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,68,7.3.3 高速加工和超高速加工,69,7.3.3 高速加工和超高速加工,a）傳統(tǒng)模具加工過程,b）高速模具加工過程,兩種模具加工過程比較,70,7.3.3 高速加工和超高速加工,對(duì)于復(fù)雜型面模具，

38、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。,71,7.3.3 高速加工和超高速加工,高速加工機(jī)理,熱溝區(qū)由薩洛蒙曲線知，切削力和切削溫度隨切削速度升高而逐漸增加，在峰值附近，被加工材料表層不斷軟化而形成了粘滯狀態(tài)，嚴(yán)重影響切削性，這就是“熱溝”區(qū)。切削速度繼續(xù)提高時(shí)，切屑變薄，摩擦系數(shù)減小，剪切角增大，同時(shí)切削熱傳入切屑的比例增大，致使切削力減小，切削溫度降低，進(jìn)入切削適應(yīng)區(qū)。 切屑形態(tài)在高速范圍內(nèi)，切屑很薄，對(duì)鋁合金、低碳鋼、合全鋼等低硬度材料，其切屑易于形成連續(xù)帶狀切屑；而對(duì)于淬火鋼、鈦合金等高硬度材科，易于形成擠裂切屑或

39、單元切屑。 表面質(zhì)量切屑在極短的時(shí)間內(nèi)形成，應(yīng)變速度大，表面彈性、塑性變形層變薄，硬化層減小，表層殘余應(yīng)力減小。 高速磨削單位時(shí)間內(nèi)磨削區(qū)的磨粒數(shù)增加，單個(gè)磨粒切下的切屑變薄，使得總磨削力減小，表面硬化層、彈性、塑性變形層變薄，殘余應(yīng)力減小，磨削熱降低，不易產(chǎn)生表面磨削燒傷。,72,7.3.3 高速加工和超高速加工,高速加工體系結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù),73,7.3.4 精密工程和納米技術(shù),精密加工和超精密加工概念,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。 瓦特改進(jìn)蒸汽機(jī) 鏜孔精度 1mm 20 世紀(jì) 4

40、0 年代 最高精度 1m 20 世紀(jì) 90 年代 精密加工：0.11m，Ra 0.1m（亞微米加工） 超精密加工： 0. 1m ，Ra 0.01m（納米加工） 精密工程精密加工與超精密加工統(tǒng)稱,74,7.3.4 精密工程和納米技術(shù),精密加工和超精密加工特點(diǎn),創(chuàng)造性原則由于被加工零件的精度要求很高，有時(shí)已不可能采用現(xiàn)有的機(jī)床，因此應(yīng)考慮采用直接或間接創(chuàng)造性原則。 微量切除（極薄切削）吃刀量極小，屬微量切除和超微量切除，對(duì)刀具刃磨、砂輪修整和機(jī)床精度均有很高要求。 綜合制造工藝系統(tǒng)精密加工和超精密加工是一門多學(xué)科綜合性的高技術(shù)，涉及被加工材料、加工方法、加工設(shè)備、工具、測(cè)試方法及測(cè)試設(shè)備、工作環(huán)境

41、，以及人的技藝等諸多因素，是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)工程，難度很大。 精密特種加工和復(fù)合加工方法傳統(tǒng)切削與磨削方法存在加工精度極限，超越極限需采用新的方法。 自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)、在線檢測(cè)、誤差補(bǔ)償、適應(yīng)控制和信息技術(shù)等使整個(gè)系統(tǒng)工作自動(dòng)化，減少人的因素影響。 加工檢測(cè)一體化精密檢測(cè)是精密與超精密加工的必要條件，并常常成為精密與超精密加工的關(guān)鍵。,75,7.3.4 精密工程和納米技術(shù),精密加工和超精密加工方法,76,金剛石刀具精密切削,金剛石刀具超精密切削機(jī)理,切削在晶粒內(nèi)進(jìn)行 切削力原子結(jié)合力（剪切應(yīng)力達(dá) 13000 N/ mm2） 刀尖處溫度極高，應(yīng)力極大，普通刀具難以承受 高速切削（與傳統(tǒng)精密切

42、削相反），工件變形小，表層高溫不會(huì)波及工件內(nèi)層，可獲得高精度和好表面粗糙度,用于銅、鋁及其合金的精密切削（切鐵金屬，由于親合作用，產(chǎn)生“碳化磨損”，影響刀具壽命和加工質(zhì)量） 加工各種紅外光學(xué)材料如鍺、硅、ZnS和ZnSe等 加工有機(jī)玻璃和各種塑料 典型產(chǎn)品：光學(xué)系統(tǒng)反射鏡、射電望遠(yuǎn)鏡主鏡面、大型投影電視屏幕、照像機(jī)塑料鏡片、樹脂隱形眼鏡鏡片等,金剛石刀具超精密切削應(yīng)用,7.3.4 精密工程和納米技術(shù),77,7.3.4 精密工程和納米技術(shù),影響金剛石刀具超精密切削因素,78,精密磨削,精密磨削機(jī)理,微刃的微切削作用，磨粒的微刃性和等高性（見下圖） 微刃的等高切削作用 微刃的滑擠、摩擦、拋光作用。

43、,修整方法：?jiǎn)瘟＝饎偸拚⒔饎偸勰Y(jié)型修整器修整和金剛石超聲波修整 修整器安裝,精密磨削砂輪及其修整,7.3.4 精密工程和納米技術(shù),磨粒的微刃性和等高性,79,7.3.4 精密工程和納米技術(shù),修整器安裝位置,砂輪修整,80,精密磨床結(jié)構(gòu),高幾何精度：如主軸回轉(zhuǎn)精度、導(dǎo)軌直線度，以保證工件的幾何形狀精度要求； 高精度的橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)：以保證工件的尺寸精度，以及砂輪修整時(shí)的微刃性和等高性； 低速穩(wěn)定性好的工作臺(tái)縱向移動(dòng)機(jī)構(gòu)：不能產(chǎn)生爬行、振動(dòng)，以保證砂輪的修整質(zhì)量和加工質(zhì)量。,7.3.4 精密工程和納米技術(shù),影響精密磨削質(zhì)量因素,砂輪選擇與修整 磨床結(jié)構(gòu)與精度 磨削工藝參數(shù) 工作環(huán)境,81,

44、超硬磨料砂輪精密與超精密磨削,超硬磨料砂輪及應(yīng)用,指金剛石砂輪和立方氮化硼（CBN）砂輪 加工難加工材料（如硬質(zhì)合金、陶瓷、玻璃、半導(dǎo)體材料及石材等 ）,7.3.4 精密工程和納米技術(shù),超硬磨料砂輪磨削特點(diǎn),可用來加工各種高硬度、高脆性金屬和非金屬難加工材料（對(duì)于鋼鐵等材料適用于用立方氮化硼砂輪磨削） 磨削能力強(qiáng)，耐磨性好，使用壽命長，易于控制加工尺寸及實(shí)現(xiàn)加工自動(dòng)化 磨削力小，磨削溫度低，加工表面質(zhì)量好 磨削效率高 加工綜合成本低,82,分為整形（Truing）和修銳（Sharpening）兩個(gè)階段：整形是使砂輪達(dá)到一定幾何形狀的要求；修銳是去除磨粒間的結(jié)合劑，使磨粒突出結(jié)合劑一定高度（一般

45、為磨粒尺寸的1/3左右），形成足夠的切削刃和容屑空間。,超硬磨料砂輪修整,7.3.4 精密工程和納米技術(shù),修整方法： 用碳化硅砂輪（或金剛石筆）修整，獲得所需形狀 電解修銳（適用于金屬結(jié)合劑砂輪），效果好，并可在線修整,83,精密與超精密砂帶磨削,砂帶磨削方式,7.3.4 精密工程和納米技術(shù),砂帶：帶基材料為聚碳酸脂薄膜，其上植有細(xì)微砂粒。 砂帶在一定工作壓力下與工件接觸并作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行磨削或拋光。 有開式（見右圖）和閉式兩種形式，可磨削平面、內(nèi)外圓表面、曲面等,84,7.3.4 精密工程和納米技術(shù),幾種砂帶磨削形式,85,砂帶磨削特點(diǎn),7.3.4 精密工程和納米技術(shù),砂帶與工件柔性接觸，磨

46、粒載荷小，且均勻，工件受力、熱作用小，加工質(zhì)量好（ Ra 值可達(dá) 0.02m）。 靜電植砂，磨粒有方向性，尖端向上（見圖），摩擦生熱小，磨屑不易堵塞砂輪，磨削性能好。,強(qiáng)力砂帶磨削，磨削比（切除工件重量與砂輪磨耗重量之比）高，有“高效磨削”之稱。 制作簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，使用方便。 可用于內(nèi)外表面及成形表面加工。,86,精密研磨拋光,磁性研磨,7.3.4 精密工程和納米技術(shù),工件放在兩磁極之間，工件和極間放入含鐵的剛玉等磁性磨料，在直流磁場(chǎng)的作用下，磁性磨料沿磁力線方向整齊排列，如同刷子一般對(duì)被加工表面施加壓力，并保持加工間隙。 研磨壓力的大小隨磁場(chǎng)中磁通密度及磁性磨料填充量的增大而增大，因此可以

47、調(diào)節(jié)。 研磨時(shí)，工件一面旋轉(zhuǎn)，一面沿軸線方向振動(dòng)，使磁性磨料與被加工表面之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。,這種方法可研磨軸類零件內(nèi)外圓表面，也可以用來去毛刺。,87,軟質(zhì)磨粒拋光,7.3.4 精密工程和納米技術(shù),軟質(zhì)磨粒拋光的特點(diǎn)是可以用較軟的磨粒（如SiO2、ZrO2）來拋光。它不產(chǎn)生機(jī)械損傷，可減少一般拋光中所產(chǎn)生的微裂紋、磨粒嵌入、洼坑、麻點(diǎn)、附著物、污染等缺陷，獲得好的表面質(zhì)量。,典型的軟質(zhì)磨粒拋光是彈性發(fā)射加工（Elastic Emission Machining-EEM）,它利用水流加速微小磨粒，磨粒以很大的動(dòng)能撞擊工件表面，使表層不平處的原子晶格受到很大剪切力，致使這些原子被移去。 拋光液的入

48、射角（與水平面的夾角）要盡量小以增加剪切力，拋光器為聚氨酯球，拋光時(shí)拋光器與工件不接觸。,88,7.3.4 精密工程和納米技術(shù),微細(xì)加工概念及特點(diǎn),微細(xì)加工通常指1mm以下微細(xì)尺寸零件的加工 廣義屬于精密加工和超精密加工范疇 狹義指半導(dǎo)體集成電路制造技術(shù) 精度表示方法一般尺寸加工，其精度用誤差尺寸與加工尺寸比值表示；微細(xì)加工，其精度用誤差尺寸絕對(duì)值表示 “加工單位” 去除一塊材料的大小，對(duì)于微細(xì)加工，加工單位可以到分子級(jí)或原子級(jí) 微切削機(jī)理切削在晶粒內(nèi)進(jìn)行，切削力要超過晶體內(nèi)分子、原子間的結(jié)合力，單位面積切削阻力急劇增大。,89,7.3.4 精密工程和納米技術(shù),微細(xì)加工方法,微細(xì)加工方法,90

49、,7.3.4 精密工程和納米技術(shù),光刻加工,光刻加工過程,91,7.3.4 精密工程和納米技術(shù),光刻-電鑄-模鑄復(fù)合成形技術(shù) （Lithographic Galuanoformung Abformung LIGA）,1）以同步加速器放射的短波長（1nm）X射線作為曝光光源，在厚度達(dá)0.5mm的光致抗蝕劑上生成曝光圖形的三維實(shí)體； 2）用曝光蝕刻圖形實(shí)體作電鑄模具，生成鑄型； 3）以生成的鑄型作為模具，加工出所需微型零件。,LIGA由深層同步X射線光刻、電鑄成形、塑注成形組合而成。包括三個(gè)主要工序：,92,7.3.4 精密工程和納米技術(shù),LIGA工作現(xiàn)場(chǎng),93,7.3.4 精密工程和納米技術(shù),L

50、IGA特點(diǎn),用材廣泛，可以是金屬及其合金、陶瓷、聚合物、玻璃等 可以制作高度達(dá)0.10.5mm，高寬比大于200的三維微結(jié)構(gòu)（見圖），形狀精度達(dá)亞微米 可以實(shí)現(xiàn)大批量復(fù)制，成本較低,LIGA代表產(chǎn)品及應(yīng)用,微傳感器、微電機(jī)、微機(jī)械零件、微光學(xué)元件、微波元件、真空電子元件、微型醫(yī)療器械等 廣泛應(yīng)用于加工、測(cè)量、自動(dòng)化、電子、生物、醫(yī)學(xué)、化工等領(lǐng)域,94,7.3.4 精密工程和納米技術(shù),集成電路芯片制造,集成電路芯片的主要工藝方法 a）外延生長 b）氧化 c）光刻 d）選擇擴(kuò)散 e）真空鍍膜,95,7.3.4 精密工程和納米技術(shù),印刷電路板制造,印刷電路板 a）單面板 b）雙面板 c）雙面板電路結(jié)

51、構(gòu) d) 多層板電路結(jié)構(gòu),1）剪切 2）鉆定位孔：以便以后采用一面兩銷定位，同時(shí)加上條形碼 3）清洗 4）電路制作：采用光刻技術(shù) 5）鉆孔或沖孔：用數(shù)控高速鉆床或沖床加工出通道孔、插件孔、附加孔等 6）電鍍：用非電解電鍍（在含有銅離了的水溶液中進(jìn)行化學(xué)鍍）方法將銅淀積在通孔內(nèi)的絕緣層表面上 7）鍍保護(hù)層：如鍍金等 8）測(cè)試,96,7.3.4 精密工程和納米技術(shù),納米技術(shù),納米技術(shù)概述,通常指納米級(jí)（0.1nm100nm）的材料、設(shè)計(jì)、制造、測(cè)量和控制技術(shù)。納米技術(shù)涉及機(jī)械、電子、材料、物理、化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域。 在達(dá)到納米層次后，決非幾何上的“相似縮小”，而出現(xiàn)一系列新現(xiàn)象和規(guī)律。量子

52、效應(yīng)、波動(dòng)特性、微觀漲落等不可忽略，甚至成為主導(dǎo)因素。,納米技術(shù)研究的主要內(nèi)容,納米級(jí)精度和表面形貌測(cè)量及表面層物理、化學(xué)性能檢測(cè)； 納米級(jí)加工； 納米材料； 納米級(jí)傳感與控制技術(shù)； 微型機(jī)電系統(tǒng)； 納米生物學(xué) ,97,7.3.4 精密工程和納米技術(shù),微機(jī)電系統(tǒng)（Micro Electro Mechanical Systems-MEMS）,微機(jī)電系統(tǒng)又稱為微型機(jī)械（Micromachine），或微型系統(tǒng)（Microsystem），是指集微型機(jī)構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器、信號(hào)處理、控制電路、接口、通訊、電源等于一體的微型機(jī)電器件或綜合體。 微機(jī)電系統(tǒng)可以認(rèn)為是一個(gè)產(chǎn)品，其特征尺寸范圍1m1mm（

53、包括當(dāng)前尺寸在110mm的小型機(jī)械和將來利用生物工程和分子組裝可實(shí)現(xiàn)的1nm1m的納米機(jī)械或分子機(jī)械）。 微型機(jī)電系統(tǒng)由輸入、傳感器、信號(hào)處理、執(zhí)行器等獨(dú)立的功能單位組成，其輸入是力、光、聲、溫度、化學(xué)等物化信號(hào)，通過傳感器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)過模擬或數(shù)字信號(hào)處理后，由執(zhí)行器與外界作用。 各個(gè)微型機(jī)電系統(tǒng)可以采用光、磁等物理量的數(shù)字或模擬信號(hào)，通過接口與其它微型機(jī)電系統(tǒng)進(jìn)行通訊。,98,7.3.4 精密工程和納米技術(shù),99,7.3.4 精密工程和納米技術(shù),意大利氣動(dòng)機(jī)器人（用于胃腸道檢驗(yàn)）,100,機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ),第7章 機(jī)械制造工藝?yán)碚摵图夹g(shù)的發(fā)展 Development of Mechani

54、cal Manufacturing Theory and Technology,7.4 制造單元和制造系統(tǒng) Manufacturing Cell and Manufacturing System,101,7.4.1 制造單元和制造系統(tǒng)的自動(dòng)化,制造單元與制造系統(tǒng)自動(dòng)化目的,加大質(zhì)量成本的投入，提高或保證產(chǎn)品的質(zhì)量。 提高對(duì)市場(chǎng)變化的響應(yīng)速度和競(jìng)爭(zhēng)能力，縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。 減少人的勞動(dòng)強(qiáng)度、改善勞動(dòng)條件，減少人為因素對(duì)生產(chǎn)的影響。 提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。 減少生產(chǎn)面積、人員，節(jié)省能源消耗，降低生產(chǎn)成本。,制造單元與制造系統(tǒng)自動(dòng)化舉措,單一品種大批量生產(chǎn)自動(dòng)化,通用機(jī)床的自動(dòng)化改造 半自動(dòng)機(jī)床、自動(dòng)機(jī)床

55、、組合機(jī)床 數(shù)控機(jī)床、加工中心 自動(dòng)生產(chǎn)線 柔性生產(chǎn)線,102,7.4.1 制造單元和制造系統(tǒng)的自動(dòng)化,多品種單件小批量生產(chǎn)自動(dòng)化,成組技術(shù)根據(jù)零件相似性分類成組，按零件組組織生產(chǎn)。 數(shù)控技術(shù)和數(shù)控機(jī)床現(xiàn)代的數(shù)控機(jī)床向多坐標(biāo)、多工種、多面體加工和可重組（更換主軸箱等部件）等方向發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)向開放式、分布式、適應(yīng)控制、多級(jí)遞階控制、網(wǎng)絡(luò)化和集成化等方向發(fā)展，不僅可用于單件、小批生產(chǎn)自動(dòng)化，同時(shí)也可用于單一產(chǎn)品大批量生產(chǎn)自動(dòng)化。 制造單元將設(shè)備按不同功能布局，形成各種自動(dòng)化的制造單元，如裝配、加工、傳輸、檢測(cè)、儲(chǔ)存、控制等，各種零件按其工藝過程在相應(yīng)制造單元上加工制造。 柔性制造系統(tǒng)全線由數(shù)控機(jī)

56、床、加工中心和物流裝置組成，無固定的加工順序和節(jié)拍，能同時(shí)自動(dòng)加工不同工件，具有高度的柔性，體現(xiàn)了生產(chǎn)線（工段）的柔性自動(dòng)化。 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)由網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫、CAD/CAM和管理信息系統(tǒng)等組成，強(qiáng)調(diào)了功能集成、信息集成，是產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。,103,7.4.1 制造單元和制造系統(tǒng)的自動(dòng)化,計(jì)算機(jī)輔助制造系統(tǒng)是一個(gè)計(jì)算機(jī)分級(jí)結(jié)構(gòu)控制和管理制造過程中多方面工作的系統(tǒng)，是制造技術(shù)與信息技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。,104,7.4.1 制造單元和制造系統(tǒng)的自動(dòng)化,制造單元是制造系統(tǒng)的基礎(chǔ)，制造系統(tǒng)是制造單元的集成 可分為裝配、加工、傳輸、檢測(cè)、儲(chǔ)存、控制等單元，強(qiáng)調(diào)各單元獨(dú)立運(yùn)行、并行決策、綜合

57、功能、分布控制、快速響應(yīng)和適應(yīng)調(diào)整 制造單元的這種結(jié)構(gòu)使生產(chǎn)具有柔性，易于解決單件小批多品種的生產(chǎn)自動(dòng)化。,制造單元（Manufacturing Cell-MC）,生產(chǎn)是一個(gè)系統(tǒng)工程，企業(yè)的功能依次為銷售設(shè)計(jì)工藝設(shè)計(jì)制造裝配，把銷售放在第一位 從功能結(jié)構(gòu)上看，制造系統(tǒng)是生產(chǎn)系統(tǒng)的一部分，可以認(rèn)為制造系統(tǒng)是一個(gè)生產(chǎn)單元，今后的生產(chǎn)單元是一個(gè)閉環(huán)自律式系統(tǒng)。,生產(chǎn)單元（Production Cell-PC）,105,7.4.2 自動(dòng)生產(chǎn)線,106,7.4.2 自動(dòng)生產(chǎn)線,加工箱體零件的組合機(jī)床自動(dòng)生產(chǎn)線 1控制臺(tái) 2立式組合機(jī)床 3鼓輪 4夾具 5切屑輸送裝置 6液壓油泵站 7平臥雙面組合機(jī)床 8

58、雙面臥式組合機(jī)床 9轉(zhuǎn)臺(tái) 10工件傳送帶 11傳送帶傳動(dòng)裝置,107,7.4.2 自動(dòng)生產(chǎn)線,244FM摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸加工自動(dòng)線,108,7.4.2 自動(dòng)生產(chǎn)線,生產(chǎn)節(jié)拍根據(jù)生產(chǎn)綱領(lǐng)確定，按節(jié)拍擬訂零件的工藝過程，安排工序、工位、工步和走刀。 全線分段對(duì)于比較長的自動(dòng)線，按工藝可將其分成若干段，每段設(shè)備610臺(tái)，每段之間配置儲(chǔ)料裝置，便于分段維修，以免因故障造成全線停工而帶來的重大損失。 定位和安裝多采用單一基準(zhǔn)原則，工件在機(jī)床夾具上直接定位夾緊，或采用隨行夾具（托盤），工件連同隨行夾具一起在自動(dòng)線上傳輸，由隨行夾具在機(jī)床上進(jìn)行單一基準(zhǔn)定位夾緊。 結(jié)構(gòu)布局形式結(jié)構(gòu)布局形式應(yīng)考慮零件工藝過程、

59、機(jī)床數(shù)量、廠房面積大小和形狀等因素，有直線形、折線形、框形和環(huán)形等；機(jī)床可排列在線的一邊，也可排列在線的二邊。,大批大量生產(chǎn),109,7.4.3 柔性制造系統(tǒng)（FMS）,柔性制造系統(tǒng)由多臺(tái)加工中心或數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)上、下料裝置、儲(chǔ)料和輸送系統(tǒng)等組成，沒有固定的加工順序和節(jié)拍，在計(jì)算機(jī)及其軟件系統(tǒng)的集中控制下，能不停機(jī)調(diào)整、更換工件和工夾具，實(shí)現(xiàn)加工自動(dòng)化，在時(shí)間和空間（多維性）上都有高度的柔性，是一種計(jì)算機(jī)直接控制的自動(dòng)化可變加工系統(tǒng)。,定義,具有高度柔性，能實(shí)現(xiàn)多種不同工藝要求不同“類”的零件加工，自動(dòng)更換工件、夾具、刀具和自動(dòng)裝夾。 具有高度的自動(dòng)化程度、穩(wěn)定性和可靠性，能實(shí)現(xiàn)長時(shí)間的無人自動(dòng)連續(xù)工作（如連續(xù)24小時(shí)工作）。 提高設(shè)備利用率，減少調(diào)整、準(zhǔn)備終結(jié)等輔助時(shí)間。 具有高生產(chǎn)率。 降低直接勞動(dòng)費(fèi)用，減小占地面積，增加經(jīng)濟(jì)收益。,特點(diǎn),110,7.4.3 柔性制造系統(tǒng)（FMS）,應(yīng)用,111,7.4.3 柔性制造系統(tǒng)（FMS）,柔性制造單元（Flexible Manufacturing Cell-FMC）,柔性制造單元,是一個(gè)可變加工單元，由單臺(tái)計(jì)算機(jī)控制的加工中心或數(shù)控機(jī)床、環(huán)形（圓形、角形或長圓形等）托盤輸送裝置或機(jī)器人所組成，采