先进制造技术课件第3章课件.ppt

第三章先进制造工艺技术 3 1概述3 2特种加工技术3 3高速加工技术3 4超精密加工技术3 5快速原型制造技术3 6微细加工技术 第一节概述3 1 1机械制造工艺定义与内涵3 1 2先进制造工艺的产生和发展3 1 3先进制造工艺的特点及分类 3 1 1机械制造工艺定义与内涵 原材料 成品半成品 机械制造工艺定义 改变形状 尺寸 性能 位置 机床 工具 机械制造工艺三阶段 零件毛坯的成形准备阶段 机械切削加工阶段 表面改性处理阶段 机械制造工艺技术是指将原材料转化成具有一定几何形状 一定材料性能和精度要求的可用零件的一切过程和方法的总称 3 1 2先进制造工艺的产生和发展 发展趋势主要体现在以下几个方面 制造加工精度18世纪 其加工精度为1mm 19世纪末 0 05mm 20世纪初 m级过渡 20世纪50年代末 实现了 m级的加工精度 精密加工 目前达到10nm的精度水平 切削加工速度20世纪前 碳素钢 耐热温度低于200 C 10m min 20世纪初 高速钢 500 600 C 30 40m min 20世纪30年代 硬质合金 800 1000 C 数百米 min 目前陶瓷 金刚石 立方氮化硼 1000 C以上 一千至数千米 min 新型工程材料的应用类型 超硬材料 超塑材料 高分子材料 复合材料 工程陶瓷等对制造工艺贡献 改善刀具切削性能 改进加工设备 促进特种加工工艺发展 自动化和数字化工艺装备的发展单机自动化 系统自动化刚性自动化 柔性自动化 综合自动化 毛坯成形技术在向少 无余量发展如 熔模精密铸造 精密锻造 精密冲裁 冷温挤压等新工艺 表面工程技术的形成和发展表面工程 通过表面涂覆 表面改性 表面加工 表面复合处理改变零件表面形态 化学成分和组织结构 以获取与基体材料不同性能的一项应用技术 如 电刷镀 化学镀 物理气相沉积 化学气象沉积 热喷涂 化学热处理 激光表面处理 离子注入等 先进制造工艺的特点 1 优质2 高效3 低耗4 洁净5 灵活 电子工艺包括电子元件 部件和装置的制造工艺 其中最有代表性 特殊性 最有前途的是 晶片制造工艺 超大规模集成电路制造工艺 微电子器件工艺 光刻工艺 离子注入工艺 镀膜工艺 电子束焊 激光焊 贵金属钎焊等 通用的机械制造工艺有离散工艺过程和连续工艺过程 按对零件的作用效果可分为改变形态的工艺过程 如切削加工 改变性能的工艺过程 如热处理 和改变外观性能的工艺过程 如电镀 等 按零件的精密程度可分为普通工艺过程 精密工艺过程以及超精密工艺过程 按使用的工具及能量形式不同 又可分为常规工艺 特种工艺 复合工艺以及快速制造工艺等 由此可见把制造工艺方法按材料加工工艺的不同进行分类 如右图所示 1 成形工艺成形工艺主要指将不定形的原材料 块状 颗粒状 液态或固态 转化成所需要形状的工艺 例如铸造 粉末冶金 塑料成形工艺 这类工艺主要用于获得毛坯或不需再加工的制品 工艺过程中 微粒子之间互相聚集 成形工艺的过程包括将原材料加热使其变成液体 然后冷却固化成一定形状 或者使原材料的固体颗粒烧结 粘着在一起 由此而获得工件 大多为毛坯 粉末冶金的定义 将各种金属和非金属粉料均匀混合后压制成形 再经高温烧结和必要的后续处理来制取金属材料及其制品的成形工艺方法 3 2 4高分子材料注射成形 粉状塑料注入 螺杆推进 送进加热区 通过分流梭 喷嘴喷出 注入模腔 注射成形工艺过程 冷却成形 2 变形工艺变形工艺主要包括使工件的原始几何形状从一种状态改变为另一种状态 如锻造 冲压 轧制 挤压 拉拔等 锻造是让加热到一定温度的金属在冲击力或压力作用下产生较大塑性变形 形成所需要的工件形状 冲压则是利用模具使材料在压力作用下产生变形或分离 变形工艺适用于铁碳合金 不锈钢 耐热钢 轻有色金属 重有色金属等 锻造常用于一些重要毛坯 轴 齿轮等 的生产 冲压制品在汽车 家用电器等行业有广泛用途 3 切削工艺机械制造系统中 切削和磨削是传统的机械加工方法 材料的切削是制造过程的主要内容 几乎占全部工艺劳动量的1 3以上 切削与磨削加工是用刀具或砂轮在工件表层切去一层余量 使工件达到要求的尺寸精度 形状 位置精度和表面质量的加工方法 由于生产效率高 加工成本低 能量消耗少 可以加工各种不同形状 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 目前以至将来相当长的时期 切削 磨削仍然是获得精密机械零件最主要的加工方法 4 联接工艺联接工艺主要指将单个工件联接成组件或最终产品 如机械联接 焊接 粘接和装配等工艺 制造时先分别加工单个零件 然后用联接工艺将其结合成一个完整的产品 产品在使用 维护和修理时 经常需要拆卸装配 同样离不开联接工艺 机械联接包括螺栓联接 铆接和压力联接 螺栓联接是利用螺栓 螺母 螺纹 销等紧固件 形成可拆卸式机械联接 铆接是一种永久或半永久性机械联接 压力联接一般用过盈装配方式 如将内件 例如轴 压入加热后膨胀状态下的套件 例如齿轮孔 套筒 冷却后套件收缩而紧紧包在内件上 利用材料一定范围内的弹性 将一个工件强行压入另一个工件内的压力联接工艺 可以获得较高的联接强度 焊接是在制造系统内应用极为广泛的一种联接工艺 焊接是通过加热或加压或两者并用 用或不用填充材料 使分离的两部分金属形成原子结合的一种永久性联接方法 与铆接比较 焊接具有节省材料 减轻重量 联接质量好 接头密封性好 可承受高压 简化加工与装配工序 缩短生产周期 易于实现机械化和自动化生产等优点 但其有不可拆卸 会产生焊接变形 裂纹等缺陷 工业生产中应用的焊接方法很多 常用焊接方法下如图所示 工业生产中应用的焊接方法很多 常用焊接方法如下 焊接在现代工业生产中具有十分重要的作用 广泛应用于机械制造中的毛坯生产和制造各种金属结构件 如高炉炉壳 建筑构架 锅炉与压力容器 汽车车身 桥梁 矿山机械 大型转子轴 缸体等 此外 焊接还用于零件的修复焊补等 金属与非金属的联接或非金属异种材料之间的联接经常采用粘接工艺实现 在被粘接表面涂一层很薄的粘接剂 粘接剂固化后即形成很强的粘接力 5 材料改性工艺及表面处理工艺是指不改变几何形状 仅改变工件材料性能 从而获得所希望指标的工艺 如材料热处理工艺等 上述介绍的各种工艺 都要改变工件的几何形状 使其能够具有一定的功能或能承受一定的外载荷 调整材料性能的工艺 主要指热处理 可以在不改变工件几何形状的前提下人为改变材料的显微组织结构 使工件具有所要求的物理机械性能 常用调整材料性能的工艺如下图所示 6 特种加工工艺特种加工是利用化学 电化学 物理 声 光 热 磁 等方法对材料进行加工 特种加工工艺主要用于各种高硬难熔及具有特殊物理机械性能的材料和精密细小 形状复杂 难以用传统切削加工工艺加工的零件 与机械加工方法相比 它具有一系列特点 能解决大量普通机械加工方法难以解决甚至不能解决的问题 因而 自其产生以来得到迅速发展 不断充实与扩展机械制造工艺 促进工艺水平的提高 随着新材料的大量涌现 特种加工工艺也在不断发展 7 快速成形工艺是直接根据产品CAD的三维实体模型数据 经计算机处理后 将三维模型转化为许多平面模型的迭加 再通过计算机控制 制造一系列平面模型并加以联结 形成复杂的三维实体零件 这样 产品的研制周期可以显著缩短 并可节省研制费用 第二节现代特种加工技术3 2 1概述3 2 2激光加工3 2 3光刻蚀技术3 2 4电子束加工3 2 5离子束加工 3 2 1概述 一 特种加工的产生及发展1尖端科学技术的发展方向高精度高速度高温高压大功率小型化2对机械制造部门提出的新要求 1 解决各种难切削材料的加工问题 2 解决各种特殊复杂表面的加工问题 3 解决各种超精 光整或具有特殊要求的零件的加工问题要解决机械制造部门面临的一系列工艺问题 仅仅依靠传统的切削加工方法很难实现 甚至根本无法实现 人们相继探索研究新的加工方法 特种加工因此而产生 切削加工的本质和特点 1 靠刀具材料比工件更硬 2 靠机械能把工件上多余的材料切除特种加工技术是指区别于传统切削加工方法 利用化学 物理 电 声 光 热 磁 或电化学方法对工件材料进行加工的一系列加工方法的总称 超声波加工 USM 激光加工 LBM 离子束加工 IBM 电子束加工 EBM 等 这些加工方法包括 化学加工 CHM 电化学加工 ECM 电化学机械加工 ECMM 电火花加工 EDM 电接触加工 RHM 超声波加工 USM 激光加工 LBM 离子束加工 IBM 电子束加工 EBM 等离子体加工 PAM 电液加工 EHM 磨料流加工 AFM 磨料喷射加工 AJM 液体喷射加工 HDM 及各类复合加工等 特种加工的特点 1 不用机械能 与加工对象的机械性能无关 有些加工方法 如激光加工 电火花加工 等离子弧加工 电化学加工等 是利用热能 化学能 电化学能等 这些加工方法与工件的硬度强度等机械性能无关 故可加工各种硬 软 脆 热敏 耐腐蚀 高熔点 高强度 特殊性能的金属和非金属材料 2 非接触加工 不一定需要工具 有的虽使用工具 但与工件不接触 因此 工件不承受大的作用力 工具硬度可低于工件硬度 故使刚性极低元件及弹性元件得以加工 3 微细加工 工件表面质量高 有些特种加工 如超声 电化学 水喷射 磨料流等 加工余量都是微细进行 故不仅可加工尺寸微小的孔或狭缝 还能获得高精度 极低粗糙度的加工表面 4 不存在加工中的机械应变或大面积的热应变 可获得较低的表面粗糙度 其热应力 残余应力 冷作硬化等均比较小 尺寸稳定性好 5 两种或两种以上的不同类型的能量可相互组合形成新的复合加工 其综合加工效果明显 且便于推广使用 6 特种加工对简化加工工艺 变革新产品的设计及零件结构工艺性等产生积极的影响 1 激光加工LBM 激光加工 LaserBeamMachining 是20世纪60年代发展起来的一种新兴技术 它是利用光能经过透镜聚焦后达到很高的能量密度 依靠光热效应来加工各种材料 由于激光加工不需要加工工具 而且加工速度快 表面变形小 可以加工各种材料 受到了人们极大重视 已广泛用于打孔 切割 焊接 电子器件微调 热处理以及信息存贮等许多领域 原子的发光原子由原子核和绕原子核转动的电子组成 原于的内能就是电子绕原子核转动的动能和电子被原子核吸引的位能之和 如果由于外界的作用 使电子与原子核的距离增大或缩小 则原子的内能也随之增大或缩小 只有电子在最靠近原子核的轨道上运动才是最稳定的 人们把这时原子所处的能级状态称为基态 当外界传给原于一定的能量时 例如用光照射原子 原子的内能增加 外层电子的轨道半径扩大 被激发到高能级 为激发态或高能态 图5 2是氢原子的能级 图中最低的能级E1称为基态 其余E2 E3等都称为高能态 图5 2氢原子的能级 在基态时 原子可以长时间地存在 而在激发状态的各种高能级的原于停留的时间 称为寿命 一般都较短 常在0 01 m左右 但有些原于或离子的高能级或次高能级却有较长的寿命 这种寿命较长的较高能级称为亚稳态能级 激光器中的氮原子 二氧化碳分子以及固体激光材料中的铬或钕离子等都具有亚稳态能级 这些亚稳态能级的存在是形成激光的重要条件 当原子从高能级跃迁回到低能级或基态时 常常会以光子的形式辐射出光能量 所放出光的频率 与高能态En和低能态E1之差有如下关系 式中 h 普朗克常数 物质的发光 除自发辐射外 还存在一种受激辐射 当一束光入射到具有大量激发态原子的系统中 若这束光的频率v与很接近 则处在激发能级上的原子 在这束光的刺激下会跃迁回较低能级 同时发出一束光 这束光与入射光有着完全相同的特性 它的频率 相位 传播方向 偏振方向都是完全一致的 因此可以认为它们是一模一样的 相当于把入射光放大了 这样的发光过程称为受激辐射 二 激光的产生某些具有亚稳态能级结构的物质 在一定外来光子能量激发的条件下 会吸收光能 使处在较高能级 亚稳态 的原子 或粒子 数目大于处于低能级 基态 的原于数目 这种现象 称为 粒子数反转 在粒子数反转的状态下 如果有一束光于照射该物体 而光于的能量恰好等于这两个能级相对应的能量差 这时就能产生受激辐射 输出大量的光能 激光加工的原理与特点 激光是一种经受激辐射产生的加强光 其光强度高 方向性 相干性和单色性好 通过光学系统可将激光束聚焦成直径为几十微米到几微米的极小光斑 从而获得极高的能量密度 108 1010W cm2 当激光照射到工件表面 光能被工件吸收并迅速转化为热能 光斑区域的温度可达10000 以上 使材料熔化甚至汽化 随着激光能量的不断吸收 材料凹坑内的金属蒸汽迅速膨胀 压力突然增大 熔融物爆炸式的高速喷射出来 在工件内部形成方向性很强的冲击波 激光加工就是工件在光热效应下产生的高温熔融和冲击波的综合作用过程 固体激光器加工原理示意图 1 全反射镜 2 激光工作物质 3 光泵 激励脉冲氙灯 4 部分反射镜 5 透镜 6 工件d0 光斑直径 f 透镜焦距 发散角 一般为10 2 10 3rad 当激光的工作物质 钇铝石榴石等 受到光泵激发后 吸收具有特定波长的光 在一定条件下可导致工作物质中的亚稳态粒子数大于低能级粒子数 此时一旦有少量激发粒子自发辐射发出光子 即可感应所有其他激发粒子产生受激幅射跃迁 实现光放大 并通过全反射镜和部分反射镜组成的谐振腔的反馈作用产生振荡 由部分反射镜的一端输出激光 通过透镜将激光束聚焦形成高能光束 照射到待加工工件的表面上 即可进行加工 激光加工的特点 1 加工范围广 几乎可加工任何金属与非金属材料 如耐热合金 高熔点材料 陶瓷 宝石 硬质合金和复合材料等 2 它属于高能束流加工 不存在工具磨损和更换及切削力影响 3 加工时不产生振动和机械噪声 加工效率高 可实现高速打孔和高速切割 也易于实现加工过程自动化 4 属非接触加工 工件不受机械切削力 能加工易变形的薄板和橡胶等弹性工件 加工精度高 机械变形小5 加工速度快 热影响区小 热变形小 6 激光可透过玻璃 空气及惰性气体等透明介质进行加工 如可对隔离室或真空室内工件进行加工 7 激光可以通过聚焦 形成微米级的光斑 输出功率的大小又可以调节 因此可用于精密微细加工 激光加工的基本设备 1 激光器 激光器是激光加工的重要设备 它把电能转变成光能 产生激光束 目前常用的激光器按激活介质的种类可以分为固体激光器和气体激光器 2 激光器电源 激光器电源为激光器提供所需要的能量及控制功能 3 光学系统 包括激光聚焦系统和观察瞄准系统 后者能观察和调整激光束的焦点位置 并将加工位置显示在投影仪上 4 机械系统 主要包括床身 能在三坐标范围内移动的工作台及机电控制系统等 随着电子技术的发展 目前已采用计算机来控制工作台的移动 实现激光加工的数控操作 1 激光打孔 激光打孔是激光加工中应用最早和应用最广泛的一种加工方法 利用凸镜将激光在工件上聚焦 焦点处的高温使材料瞬时熔化 汽化 蒸发 好像一个微型爆炸 汽化物质以超音速喷射出来 它的反冲击力在工件内部形成一个向后的冲击波 在此作用下将孔打出 激光打孔速度极快 效率极高 几乎可在任何材料上打微孔 目前已用于火箭发动机和柴油机的燃料喷嘴加工 钟表及仪表中宝石轴承打孔 激光打孔的直径可以小到0 01mm以下 深径比可达50 1 激光加工的应用 2 激光切割 与激光打孔原理基本相同 也是将激光能量聚集到很微小的范围内把工件烧穿 但切割时需移动工件或激光束 一般移动工件 沿切口连续打一排小孔即可把工件割开 可切割各种各样的材料 既可切割无机物 也可以切割皮革之类的有机物 它可以锯切木材 剪割布料 纸张 还能切割无法进行机械接触的工件 如从电子管外部切断内部的灯丝 激光对被切割材料几乎不产生机械冲击和压力 适于切割玻璃 陶瓷和半导体等既硬又脆的材料 再加上激光光斑小 切缝窄 且便于自动控制 所以更适宜于对细小部件作各种精密切割 3 激光焊接 激光焊接与激光打孔原理稍有不同 焊接时不需要那么高的能量密度使工件材料汽化蚀除 而只要将工件的加工区烧熔 使其粘合在一起 因此所需能量密度较低 可用小功率激光器 与其他焊接相比 具有焊接时间短 效率高 无喷渣 被焊材料不易氧化 热影响区小 变形小等特点 不仅能焊接同种材料 而且可以焊接不同种类的材料 甚至可以焊接金属与非金属材料 激光焊接一般无需焊料和焊剂 只需将工件的加工区域 热熔 在一起就可以 4 激光表面处理 利用激光对金属工件表面进行扫描 从而引起工件表面金相组织发生变化进而对工件表面进行表面淬火 粉末粘合等 用激光进行表面淬火 工件表层的加热速度极快 内部受热极少 工件不产生热变形 特别适合于对齿轮 汽缸筒等形状复杂的零件进行表面淬火 国外已应用于自动线上对齿轮进行表面淬火 同时由于不必用加热炉 是开式的 故也适合于大型零件的表面淬火 粉末粘合是在工件表层上用激光加热后熔入其他元素 可提高和改善工件的综合力学性能 此外 还可以利用激光除锈 激光消除工件表面的沉积物等 激光打孔 激光切割 水晶内部 激光雕刻 光刻蚀技术光刻蚀加工又称光刻加工或刻蚀加工 简称刻蚀 目前 光刻加工技术主要是针对集成电路制作中得到高精度微细线条所构成的高密度微细复杂图形 是对薄膜表面及金属板表面进行精密 微小和复杂图形加工的技术 用它制造的零件有 刻线尺 微电机转子 电路印刷板和细孔金属网板等 光刻原理所谓光刻蚀就是使用电磁波频谱中的光束或电子 X射线和离子等射线 将光致抗蚀剂 光刻胶 形成规定图形的微细加工方法 采用光束作曝光光源的集成电路的精密光刻工艺的基本原理与照相制版原理相似 但它要求高 工艺过程复杂 下图所示为集成电路一次光刻的工艺过程原理图 2 光刻加工氧化硅晶片表面形成一层氧化层 涂胶涂光致抗蚀剂 曝光通过掩模曝光 显影曝光部分溶解去除 腐蚀未被覆盖部分腐蚀掉 去胶将光致抗蚀剂去除 扩散 向需要杂质的部分扩散杂质 以完成整个光刻加工过程 光刻加工工艺示例 集成电路光刻工艺的一般过程光刻工艺过程一般有两大工序 即掩膜制造和光刻蚀加工 1 掩膜制造 根据集成电路设计布局图 用绘图机 精缩照像机 经放大绘制 分步重复缩小照像 缩到和元件尺寸相同的掩膜 称之为母掩膜 母掩膜经翻拍复印成工作 光刻 掩膜 制作电路时只用工作掩膜 2 光刻蚀加工 光刻工艺过程包括以下几个步骤 1 涂胶 4 腐 刻 蚀 2 曝光 5 剥膜与检查 3 显影与烘片 电子束加工 原理 电子束加工EBM ElectronBeamMachining 在真空条件下 利用聚焦后能量密度极高 106 109W cm2 的电子束 以极高的速度冲击到工件表面极小面积上 在极短的时间 几分之一微秒 内 其能量的大部分转变为热能 使被冲击部分的工件材料达到几千摄氏度以上的高温 从而引起材料的局部熔化和气化 被真空系统抽走 控制电子束能量密度的大小和能量注入时间 就可以达到不同的加工目的 如只使材料局部加热就可进行电子束热处理 使材料局部熔化就可进行电子束焊接 提高电子束能量密度 使材料熔化和气化 就可进行打孔 切割等加工 利用较低能量密度的电子束轰击高分子材料时产生化学变化的原理 进行电子束光刻加工 电子束加工 特点 由于电子束能够极其微细地聚焦 可达0 1 m 可实现亚微米和毫微米级的精密微细加工 电子束能量密度很高 使照射部分的温度超过材料的熔化和气化温度 去除材料主要靠瞬时蒸发 是一种非接触式加工 工件不受机械力作用 因而不产生宏观应力和变形 加工材料的范围广 对高强度 高硬度 高韧性的材料以及导体 半导体和非导体材料均可加工 电子束的能量密度高 如果配合自动控制加工过程 加工效率非常高 通过磁场和电场对电子束强度 位置 聚焦等进行控制 如每秒可在0 1mm厚钢板上加工出3000个直径0 2mm孔 电子束加工是在真空中进行 因而污染少 加工表面不会氧化 特别适合加工易氧化的金属及其合金材料 以及纯度要求极高的半导体材料 电子束加工需要一整套专用设备和真空系统 价格较贵 生产应用有一定局限性 电子束加工 装置 1 电子枪 电子枪是获得电子束的装置 它包括电子发射阴极 控制栅和加速阳极等 2 真空系统 是为了保证在电子束加工时维持1 33 10 2 1 33 10 4Pa的真空度 只有在高真空中 电子才能高速运动 3 控制系统和电源 电子束加工装置的控制系统包括束流聚焦控制 束流位置控制 束流强度控制以及工作台位移控制等 1 电子枪电子枪是获得电子束的装置 它包括电子发射阴极 控制栅极和加速阳极等 如图所示 阴极经电流加热发射电子 带负电荷的电子高速飞向带高电位的正极 在飞向正极的过程中 经过加速极加速 又通过电磁透镜把电子束聚焦成很小的束流 2 真空系统真空系统是为了保证在电子束加工时达到1 33 10 2 1 33 10 4Pa的真空度 因为只有在高真空时 电子才能高速运动 为了消除加工时的金属蒸气影响电子发射而使其产生不稳定现象 需要不断地把加工中产生的金属蒸气抽去 3 控制系统和电源电子束加工装置的控制系统包括束流聚焦控制 束流位置控制 束流强度控制以及工作台位移控制等部分 电子束加工 应用 1 高速打孔 电子束打孔的孔径范围为0 02 0 003mm 孔的深径比可以达到100 1 喷气发动机上的冷却孔和机翼吸附屏的孔 孔径微小 孔数巨大 达数百万个 最适宜用电子束打孔 此外 还可以利用电子束在人造革 塑料上高速打孔 以增强其透气性 2 加工弯孔和曲面 借助于偏转器磁场的变化 可以使电子束在工件内部偏转方向 可加工曲面和弯孔 3 焊接 电子束焊接是利用电子束作为热源的一种焊接工艺 由于电子束的能量密度高 焊接速度快 所以电子束焊接的焊缝深而窄 焊件热影响区小 变形小 电子束焊接一般不用焊条 焊接过程在真空中进行 因此焊缝化学成分纯净 焊接接头的强度往往高于母材 4 热处理 电子束热处理与激光热处理类同 但电子束的电热转换效率高 可达90 而激光的转换效率只有7 10 电子束热处理在真空中进行 可以防止材料氧化 如果用电子束加热金属达到表面熔化 可在熔化区加入添加元素 使金属表面形成一层很薄的新的合金层 从而获得更好的物理力学性能 铝 钛 镍的各种合金几乎全可进行添加元素处理 从而得到很好的耐磨性能 5 电子束光刻用低功率密度的电子束照射工件表面虽不会引起表面的温升 但入射电子与高分子材料的碰撞 会导致它们的分子链的切断或重新聚合 从而使高分子材料的化学性质和分子量产生变化 这种现象叫电子束的化学效应 利用这种效应进行加工的方法叫电子束的光刻 离子束加工1 离子束加工原理 分类和特点 1 离子束加工的原理离子束加工的原理和电子束加工基本类似 也是在真空条件下 将离子源产生的离子束经过电场加速后 撞击在工件表面上 引起材料变形 破坏和分离 由于离子带正电荷 其质量是电子的千万倍 因此离子束加工主要靠高速离子束的微观机械撞击动能 而不是像电子束加工主要靠热效应 加工时被加工表面不产生热量 离子束加工的物理基础离子束加工的物理基础是离子束射到材料表面时所发生的撞击效应 溅射效应和注入效应 具有一定动能的离子斜射到工件材料 靶材 表面时 可以将表面的原子撞击出来 这就是离子的撞击效应和溅射效应 如果将工件直接作为离子轰击的靶材 工件表面就会受到离子刻蚀 也称离子铣削 如果将工件放置在靶材附近 靶材原子就会溅射到工件表面而被溅射沉积吸附 使工件表面镀上一层靶材原子的薄膜 如果离子能量足够大并垂直工件表面撞击时 离子就会钻进工件表面 这就是离子的注入效应 2 离子束加工分类1 离子刻蚀是用能量为0 5 5keV的氩离子轰击工件 将工件表面的原子逐个剥离 其实质是一种原子尺度的切削加工 所以又称离子铣削 这就是近代发展起来的毫微米加工工艺 2 离子溅射沉积也是采用能量为0 5 5keV的氩离子 轰击某种材料制成的靶 离子将靶材原子击出 沉积在靶材附近的工件上 使工件表面镀上一层薄膜 所以溅射沉积是一种镀膜工艺 3 离子镀也称离子溅射辅助沉积 是用0 5 5keV的氩离子 在镀膜时 同时轰击靶材和工件表面 目的是为了增强膜材与工件基材之间的结合力 也可将靶材高温蒸发 同时进行离子镀 4 离子注入是采用5 500keV能量的离子束 直接轰击被加工材料 由于离子能量相当大 离子就钻进被加工材料的表面层 工件表面层含有注入离子后 就改变了化学成分 从而改变了工件表面层的机械物理性能 根据不同的目的选用不同的注入离子 如磷 硼 碳 氮等 3 离子束加工的特点1 由于离子束可以通过电子光学系统进行聚焦扫描 离子束轰击材料是逐层去除原子 离子束流密度及离子能量可以精确控制 所以离子刻蚀可以达到毫微米 0 00l m 级的加工精度 离子镀膜可以控制在亚微米级精度 离子注入的深度和浓度也可极精确地控制 因此 离子束加工是所有特种加工方法中最精密 最微细的加工方法 是当代毫微米加工 纳米加工 技术的基础 2 由于离子束加工是在高真空中进行 所以污染少 特别适用于对易氧化的金属 合金材料和高纯度半导体材料的加工 3 离子束加工是靠离子轰击材料表面的原子来实现的 它是一种微观作用 宏观压力很小 所以加工应力 热变形等极小 加工质量高 适合于对各种材料和低刚度零件的加工 4 离子束加工设备费用昂贵 成本高 因此应用范围受到一定限制 3 离子束加工 装置组成 与电子束加工装置类似 它包括离子源 真空系统 控制系统和电源等部分 主要不同的部位是离子源系统 离子源用以产生离子束流 具体办法 把要电离的气态原子 如氩等情性气体或金属蒸汽 注入电离室 经高频放电 电弧放电 等离子体放电或电子轰击 使气态原子电离为等离子体 即正离子数和负电子数相等的混合体 用一个相对于等离子体为负电位的电极 吸极 就可从等离子体中引出正离子束流 根据离子束产生的方式和用途的不同 离子源有很多型式 常用的有考夫曼型离子源和双等离子管型离子源 考夫曼型离子源 l 真空抽气口2 灯丝3 惰性气体注入口4 电磁线圈5 离子束流6 工件7 阴极8 引出电极9 阳极10 电离室 3 离子束加工的应用离子束加工的应用范围正在日益扩大 不断创新 目前用于改变零件尺寸和表面物理力学性能的离子束加工有 用于从工件上作去除加工的离子刻蚀加工 用于给工件表面添加的离子镀膜加工 用于表面改性的离子注入加工等 1 刻蚀加工离子刻蚀是从工件上去除材料 是一个撞击溅射过程 当离子束轰击工件 入射离子的动量传递到工件表面的原子 传递能量超过了原子间的键合力时 原子就从工件表面撞击溅射出来 达到刻蚀的目的 为了避免入射离子与工件材料发生化学反应 必须用惰性元素的离子 氩气的原子序数高 而且价格便宜 所以通常用氩离子进行轰击刻蚀 由于离子直径很小 约十分之几个纳米 可以认为离子刻蚀的过程是逐个原子剥离的 刻蚀的分辨率可达微米甚至亚微米级 但刻蚀速度很低 剥离速度大约每秒一层到几十层原子 2 镀膜加工离子镀膜加工有溅射沉积和离子镀两种 离子镀时工件不仅接受靶材溅射来的原子 还同时受到离子的轰击 这使离子镀具有许多独特的优点 离子镀的种类有很多 常用的离子镀是以蒸发镀膜为基础的 即在真空中使被蒸发物质气化 在气体离子或被蒸发物质离子冲击作用的同时 把蒸发物蒸镀在基体上 3 离子注入离子注入是向工件表面直接注入离子 可以注入任何离子 且注入量可以精确控制 注入的离子固溶在工件材料中 含量可以达到10 至40 注入的深度可达1微米 利用离子注入可以改变金属表面的物理化学性能 改善金属表面的抗腐蚀性 抗疲劳性 润滑性能和耐磨性能 超声加工超声加工 USM 又称为超声波加工 超声波是指频率超过人耳频率上限的一种振动波 通常频率在16kHz以上的振动声波就属于超声波 其特点是频率高 波长短 能量大 超声加工是利用超声波作为动力 带动工具作超声振动 通过工具与工件之间加入的磨料悬浮液 工作液与磨料的混合液 冲击工件表面而进行加工的一种成形方法 超声加工不仅能加工硬质合金 淬火钢等脆硬金属材料 而且更适合于加工玻璃 陶瓷 半导体锗和硅片等不导电的非金属脆硬材料 同时还可以用于清洗 焊接和探伤 超声波加工基本原理 1 15 工件2 13 工具头3 冷却水人口4 换能器5 励磁线圈6 银钎料接缝7 谐振支座8 冷却水出口9 12 变幅杆10 磨料射流11 磨料悬浮液14 磨料粒子16 工件材料碎粒 超声加工的特点和应用主要特点1 适应范围广 超声加工不仅能加工硬质合金 淬火钢等脆硬材料 而且更适合于加工玻璃 陶瓷 半导体锗和硅片等不导电的非金属脆硬材料 2 工具可用较软的材料做成较复杂的形状 使机床运动简化 机床结构简单 操作维修方便 3 超声加工时 工件表面宏观切削力较小 使得切削应力 切削热较小 不会引起变形和表面烧伤等质量问题 因此其加工精度和表面质量较高 如超声加工孔的尺寸精度可达0 01 0 02mm 甚至更高 表面粗糙度值一般可达Ra1 6 0 1 m 4 超声加工生产效率一般较低 超声波加工的应用型腔抛磨加工用于淬火钢 硬质合金冲模 拉丝模 塑料模具型腔的最终光整加工 超声清洗超声波使液体分子往复高频振动产生正负交变的冲击波 使被清洗物表面的污物遭到破坏 并从被清洗表面脱落下来 即使是被清洗物上窄缝 微小细孔 弯孔中得污物 也容易被清洗干净 超声波复合加工如超声与电火花复合加工 电火花有效放电脉冲利用率可提高到50 以上 提高生产率2 20倍 振动切削 振动切削是在普通切削加工的基础上 人为地给刀具或工件施加一个有规律的振动 改变了刀具和工件之间的瞬时运动关系 使切削过程在动态下进行的一种复合加工方法 从频率方面把振动切削分为高频振动切削 超声波振动 和低频振动切削两种 振动切削加工是在刀具或工件上附加一定可控的振动 使加工过程变为间断 瞬间 往复的微观断续切削过程 在加工过程中对零件表面进行20000次 秒的连续敲击 即使是高硬材料 在如此高频的振动敲击下 一个很小的切削力也可将其瓦解 以撞击方式将零件表面材料以微小颗粒形式分离出来 这种加工方式的效率要比传统方式提高5倍 零件表面光洁度Ra 0 2 m 可加工 0 3mm的精密小孔 切削温升低 故可保护刀具及延长寿命 原理 振动切削的效果 1 切削抗力显著降低 2 加工精度明显提高 3 切削温度显著降低 4 切削过程比较顺利 5 加工表面质量可以得到改善 科学技术向微小领域发展 由毫米级 微米级继而涉足纳米级 人们把这个领域的技术称之为微米 纳米技术 Micro Nano Technology 作为本世纪出现的高技术 发展十分迅猛 并由此开创了纳米电子 纳米材料 纳米生物 纳米机械 纳米制造 纳米测量等等新的高技术群 微米 纳米技术 微米 纳米技术研究技术途径可分为两类 一种是分子 原子组装技术的办法 即把具有特定理化性质的功能分子 原子 借助分子 原子内的作用力 精细地组成纳米尺度的分子线 膜和其他结构 再由纳米结构与功能单元进而集成为微米系统 这种方法称为由小到大的方法 另一种是用刻蚀等微细加工方法 将大的材料割小 或将现有的系统采用大规模集成电路中应用的制造技术 实现系统微型化 这种方法亦称为由大到小的方法 目前 由大到小的方法是我们主要应用的方法 微米技术是指在微米级 0 1 100 m 的材料 设计 制造 测量 控制和应用技术 1 微小尺度的设计理论研究研究重点应包括 微动力学 微流体力学 微热力学 微机械学 微光学等 并且注重现代设计方法如CAD技术 仿真与拟实技术等在微型系统设计中的应用 2 微细加工技术微细加工技术包含超精机械加工 IC工艺 化学腐蚀 能量束加工等诸多方法 3 精密测试技术具有微米及亚微米测量精度的几何量与表面形貌测量技术亦已成熟 目前密测试技术的一个重要研究对象是微结构的力学性能 如谐振频率 弹性模量 残余应力的测试和微结构的表面形貌及内部结构 如微体缺陷 微裂缝 微沉积物的测试 由此出现了软X射线显微镜 扫描光声显微镜等新技术 4 微系统技术 在研究微系统设计 加工 测量的基础上 国内外较广泛地开展了微型传感 微执行机构 微电子信号处理等方面的研究工作 如已制作出微型力传感器 微型泵 微电机等 下一阶段的目标是如何将微机构 微传感器 微执行器 微电子信号处理电路等集成于一体 这种集成技术亦是建立于微细加工的基础之上 其主要研究问题包括 微系统的宏微界面接口技术 封装技术 粘接技术 系统自检 自律 自校正技术等 纳米技术通常指纳米级0 1nm 100nm的材料 设计 制造 测量 控制和产品的技术 纳米技术是科技发展的一个新兴领域 它不仅仅是将加工和测量精度从微米级提高到纳米级的问题 而且人类对自然的认识和改造方面 从宏观领域进入到物理的微观领域 深入了一个新的层次 即从微米层深入到分子 原子级的纳米层次 纳米技术主要包括 纳米级精度和表面形貌的测量 纳米级表层物理 化学 力学性能的检测 纳米级精度的加工和纳米级表层的加工 原子和分子的去除 搬迁和重组 纳米材料 纳米级传感器和控制技术 微型和超微型机械 微型和超微型机电系统和其他综合系统 纳米生物学等 1 纳米电子技术目前扫描探针显微技术可以在表面上形成纳米级宽度的线条 如日本 英国 美国均已成功地加工出了5 20nm的线条 由此将集成电路的几何结构进一步减小 在这个尺度上 新的物理效应将会出现 利用它可以发展新颖的量子器件 像原子开关 共振隧道二极管 量子激光器等器件 纳米电子技术的另一个诱人的研究方向是发展分子电子器件和生物芯片 它们以分子组合为基础 是一种全新的电子元件 2 纳米机械技术纳米机械是能实现纳米尺寸上某种功能的机械 如纳米制造设备及纳米执行器 纳米执行器能实现纳米尺度的移动与定位 纳米机械技术包括的领域很广 其研究基础包括纳米加工过程的动力学模拟 纳米构件与表面分子工程 纳米摩擦学等 3 纳米材料技术纳米材料技术是发展最早且研究最深入的学科 纳米材料由于其结构的特殊性 如大的表面比及小尺寸效应 界面效应 量子效应和量子隧道效应等一系列新的效应 使纳米材料出现许多不同于传统材料的独特性能 从而使其在未来新材料上充当角色 如隐身材料 高灵敏度 高响应的传格材料 多功能复相陶瓷材料等 4 纳米加工技术纳米加工技术的发展面临两大途径 一方面是将传统的超精加工技术 如机械加工 单点金刚石和CBN刀具切削 磨削 抛光 电化学加工 ECM 电火花加工 EDM 离子和等离子体蚀刻 分子束外延 MBE 物理和化学气相沉积 激光束加工 LIGA技术等向其极限精度逼近 使其具有纳米的加工能力 另一方面 开拓新效应的加工方法 如STM对表面的纳米加工 可操纵原子和分子 并对表面进行刻蚀 5 纳米测量技术以上所涉及有关纳米技术的研究 均离不开对它们的分析测试工作 纳米测量技术 或称之为纳分析和纳探针技术 其中纳探针技术发展迅速并较为成熟 随着20世纪80年代STM的出现 使人们能直接观察到物质表面的原子结构 把人们带到了微观世界 基于STM发展起来了一系列利用探针与样品的不同相互作用 来探测表面或界面纳米尺寸上表现出来的物理与化学性质扫描探针显微镜 SPM 如 原子力显微镜 AFM 磁力显微镜 MFM 摩擦力显微镜 LFM 弹道电子发射显微镜 BEEM 光子扫描隧道显微镜 PSTM 扫描隧道电位 STP 扫描离子电导显微镜 SICM 扫描热显微镜 STM 扫描力显微镜 SFM 等 微机电系统在微小尺寸范围 机械依其特征尺寸可以划分为1 10mm的小型机械 1 m 1mm的微型机械 以及1nm 1 m的纳米机械 所谓微型机械 从广义上包含了微小型和纳米机械 但并非机械的单纯微小化 而是指可以批量制作的 集微型机构 微型传感器 微型执行器以及信号处理和控制电路 甚至外围接口 通讯电路和电源等于一体的微型电子机械系统 MEMS 或称之为微系统 MEMS产品具有尺寸小 精度高 响应速度快和成本低的优势 其研究开发内容包括基础理论 设计 材料 制作工艺 微型传感和执行元件 测试技术 微操作与控制技术 宏 微接口和通讯技术 能源供给 系统集成以及应用等许多方面 1 微小型化的尺寸效应 1 力的尺寸效应在微小尺寸领域 与特征尺寸L的高次方成比例的惯性力 电磁力等的作用相应减小 而与尺寸的低次方成比例的粘性力 弹性力 表面张力 静电力等的作用相对增大 2 表面效应随着尺寸的减小 表面积与体积之比相对增大 因而热传导 化学反应等加速 表面间的摩擦阻力显著增大 3 误差效应对于微小构件 加工误差与构件尺寸之比相对增大 这可能使微小机构的特性受误差影响增大 4 材料性能尺寸减小 材料内部缺陷减少 材料的机械强度大幅度增大 微型薄膜构件的弹性模量 抗拉强度 残余内应力 破坏韧性 疲劳强度等与块材不尽相同 尺寸减小到一定程度 有些宏观物理量甚至要重新定义 微观摩擦的机理也在研究中 2 微细加工工艺 1 半导体加工技术半导体加工技术即半导体的表面和立体的微细加工 是在以硅为主要材料的基片上 进行沉积 光刻与腐蚀的工艺过程 半导体加工技术使MEMS的制作具有低成本 大批量生产的潜力 1 光刻加工技术2 体微型机械加工技术3 表面微型机械加工技术 2 光刻电铸光刻电铸即LIGA工艺 利用X射线的深层光刻与电铸相结合 能够实现高深宽比的金属 塑料等多种材料的微细加工 与牺牲层腐蚀工艺结合 已制造出直径为微米级尺寸的金属齿轮以及微小的加速度计等 低成本的LIGA工艺和准LIGA的加工工艺也在研究中 2 光刻电铸LIGA技术的机理由深层X射线光刻 电铸成形及塑注成形三个工艺组成 它的主要工艺过程为 X光光刻掩膜板的制作 X光深光刻 光刻胶显影 电铸成形 塑模制作 塑模脱膜成形等 图示为LIGA技术制造器件的过程 3 集成电路 IC 技术这是一种发展十分迅速且较成熟的制作大规模电路的加工技术 在微型机械加工中使用较为普遍 是一种平面加工技术 但该技术的刻蚀深度只有数百纳米 且只限于制作硅材料的零部件 4 超微型机械加工和电火花线切割加工用小型精密金属切削机床及电火花 线切割等加工方法 制作毫米级尺寸左右的微型机械零件 是一种三维实体加工技术 加工材料广泛 但多是单件加工 单位装配 费用较高 5 快速原型 零件制造技术 6 键合技术键合技术是一种把两个固体部件在一定的温度与电压下直接键合在一起的封装技术 其间不用任何粘接剂 在键合过程中始终处于固相状态 它可以是硅 玻璃静电键合 也可以是硅 硅直接键合 它可实现硅一体化微型机械结构 不存在界面失配问题 有利于提高器件性能 3 微型机械材料和微型构件 1 构造材料半导体微细加工材料包括单晶硅 多晶硅 氮化硅等硅材料 聚酰亚胺等高分子材料 铝 钨 钼 铬 金等金属材料 以及陶瓷等非金属材料 2 功能材料用于致动的功能材料有水晶 氧化锡 PZT等电致伸缩材料 钛镍合金等形状记忆合金材料 镍铁合金等永磁材料 受热变相的凝胶材料等 3 微型构件除是MEMS的重要组成部分外 还可能有单独的用途 如微型热交换器 冷却器 微型滤波器 微型工具 微型探针和灵巧轴承等 4 微型机械加工技术的相关技术 1 微型传感器微型传感器为集成化和智能化提供了可能途径 微型压力传感器 微型加速度计 微流量传感器 化学传感器 温度和湿度传感器 微型光学传感器等 有些已得到实际的应用并有着广泛的应用领域 仅微压力传感器在美国就生产了几千万只 2 微型执行器微执行器是微系统的关键 其研究将大大地推动复杂微系统的实现 微执行器主要包括微电机 微直线执行机构 微型泵 微型阀 微喷嘴 微涡轮机 微定位和微致动器 随着微执行器的研究与开发 各种微小型自动控制系统将得到应用 微致动技术可用于高速并行计算机的高速 三维光学存贮器 小型录音机和超小型计算机需要的微驱动部件 包括微致动器 微动控制器和计算机组成的微致动系统已有产品 可用于操作平台或联接到其他工具上 系统分辨率已达 50nm 重复定位精度 100nm 超微加工需要多维超微定位装置和系统 3 微型机械测量技术它涉及材料的机械性能和微系统参数的测量和检验 例如谐振频率 弹性模量 残余内应力 疲劳强度等的光学测量方法 微结构的静态变形和动态响应 微型马达的转速 微型泵的时间常数 微流量系统的流速和压力 微谐振器与微探针的位移等的外部非接触测量与器件内测量 以及利用扫描电子显微镜观测微构件和系统的表面与内部结构 在测量技术的基础上 建立微型元件和微系统的数学力学模型 4 微量流体控制系统微量流体控制系统包括了微流量传感器 微细管道 微型阀及微型泵等 其中微型阀有主动阀和被动阀 微型泵以利用薄膜变形使容积变化的薄膜驱动泵为主 各种无阀泵在研究中 还有利用静电吸引等物理现象直接驱动液体的电液泵等 微量流体控制系统可用于微量流体的供给和控制 微量元素分析 计算机内芯片的冷却系统 将来微型泵还可望用于人体内的微量施药和取样 微流量控制系统有希望在近期内得到实用 5 微系统的集成与控制利用半导体微细加工工艺 LIGA工艺等已经制作出微齿轮 微弹簧 微杠杆 微铰链 微传动机构 微型剪 微型锯等微型机械零部件和工具 静电 电磁和压电致动的微型电机和微型泵 以及可作光学开关 调焦用的微光学元件 光纤通讯中的微光学系统 STM的微探针 医用微电极 细胞操作和融合器 打印机喷头等等 并向集成的MEMS方向发展 3 2 1精密洁净铸造成形3 2 2精确高效金属塑性成形工艺3 2 3粉末锻造成形工艺3 2 4高分子材料注射成形 第二节材料受迫成形工艺技术 机械零件成形方法 受迫成形在特定边界和外力约束下成形 如铸造 锻压 粉末冶金和注射成形等 去除成形将材料从基体中分离出去成形 如车 铣 刨 磨 电火花 激光切割 堆积成形将材料有序地合并堆积成形 如快速原形制造 焊接等 自硬砂精确砂型铸造粘土砂造型铸件质量差 生产效率低劳动强度大 环境污染严重自硬树脂砂造型高强度 高精度 高溃散性低劳动强度 适合于各种复杂铸件型芯制作铸件壁厚可 2 5mm 3 2 1精密洁净铸造成形 精确铸造成形技术 高紧实砂型铸造可提高铸型强度 刚度和硬度减少金属液浇注凝固时型壁移动降低金属消耗 减少缺陷提高精度 粗糙度提高2 3级 气冲造型 消失模铸造利用泡沫塑料作为铸造模型 并在其四周填砂 不分上下模 泡沫塑料在浇注过程中气化 可避免砂型溃散可消除起模斜度 减小铸件壁厚能够获得表面光洁 尺寸精确无飞边 少无余量精密铸件 泡沫塑料模造型浇注过程铸件 特种铸造技术类型 压力铸造 低压铸造 熔模铸造真空铸造 挤压铸造等 压力铸造 金属模 以压力浇注取代重力浇注 铸件精确 表面光洁 内部致密 金属模压铸机压铸过程 洁净的能源以感应电炉代替冲天炉 减轻对空气的污染无砂和少砂铸造如压力铸造 金属型铸造 挤压铸造等清洁无毒材料使用无毒无味变质剂 精炼剂 粘结剂等高溃散性型砂工艺树脂砂 酯硬化水玻璃砂工艺废弃物再生和综合利用铸造旧砂再生回收 熔炼炉渣处理和综合利用 清洁 绿色 铸造技术 铸造机器人或机械手以代替工人在恶劣条件下工作 铸造过程计算机模拟 铸造过程计算机仿真在计算机上进行虚拟浇铸 分析预测铸液充填及凝固过程 预测不合理铸造工艺缺陷 对不同铸造工艺方案作出最优的选择 铸造过程仿真发展60年代丹麦学者开始用计算机对铸件凝固过程进行模拟 随后工业国家相继开发了铸造过程计算机模拟软件 如 德国MAC