第九章-制造技术新发展

1、机械电子学院主讲：肖新华第九章 制造技术的新发展主要内容主要内容r 制造技术的发展方向r 超精密加工与纳米加工技术r 快速成形制造技术r 网络制造技术r 虚拟制造技术r 先进生产模式制造技术的发展方向制造技术的发展方向发展方向大致有以下几个方面：发展方向大致有以下几个方面：u 信息技术对制造技术的推动作用信息技术对制造技术的推动作用u 设计技术的数字化和创新发展设计技术的数字化和创新发展u 成型及制造技术精密化、制造过程实现低消耗成型及制造技术精密化、制造过程实现低消耗u 开发新一代超精密、超高速制造设备开发新一代超精密、超高速制造设备u 新型特种加工方法的形成新型特种加工方法的形成u 加工工

2、艺由技艺型发展为工程科学型加工工艺由技艺型发展为工程科学型u 实施无污染绿色制造实施无污染绿色制造u 虚拟现实技术将在制造业中广泛应用虚拟现实技术将在制造业中广泛应用u 制造过程中将贯彻以人为本的理念制造过程中将贯彻以人为本的理念超精密加工概念：9.1 9.1 超精密加工与纳米加工技术超精密加工与纳米加工技术 综合利用各种技术，使被加工零件的尺寸精度高于0.1m，表面粗糙度Ra小于0.025m，以及所用机床定位精度的分辨率和重复性高于0.01m的加工技术，亦称之为亚微米级加工技术。超精密加工的应用： 民用：超大规模集成电路；高密度磁盘；精密机床仪器、录像机磁头等。 国防：精密雷达；导弹火控系统

3、等。图7-17 精密加工与超精密加工的发展（Taniguchi，1983）普通加工精密加工超精密加工超高精密磨床超精密研磨机离子束加工分子对位加工车床,铣床卡尺加工设备测量仪器精密车床磨床百分尺比较仪坐标镗床坐标磨床气动测微仪光学比较仪金刚石车床精密磨床光学磁尺电子比较仪超精密磨床精密研磨机激光测长仪圆度仪轮廓仪激光高精度测长仪扫描电镜电子线分析仪加工误差（m）10010110210-210-110-3190019201940196019802000年份精密与超精密加工技术是一个国家制造业水平重要标志例：美国哈勃望远镜形状精度0.01m；超大规模集成电路最小线宽0.1m，日本金刚石刀具刃口钝圆

4、半径达2nm精密加工与超精密加工技术是先进制造技术基础和关键例：美国陀螺仪球圆度0.1m，粗糙度Ra0.01m，导弹命中精度控制在50m范围内；英国飞机发电机转子叶片加工误差从60m降至12m，发电机压缩效率从89%提高到94%；齿形误差从3-4m减小1m，单位重量齿轮箱扭矩可提高一倍精密加工与超精密加工技术是新技术的生长点精密与超精密加工技术涉及多种基础学科和多种新兴技术，其发展无疑会带动和促进这些相关科学技术的发展q 精密与超精密加工地位9.1 9.1 超精密加工与纳米加工技术超精密加工与纳米加工技术 零件 加 工 精 度 表面粗糙度 激光光学零件 形状误差 0.1m Ra 0.010.0

5、5m 多面镜 平面度误差 0.04m Ra 0.02m 磁头 平面度误差 0.04m Ra 0.02m 磁盘 波度 0.01 0.02m Ra 0.02m 雷达导波管 平面度垂直度误差 0.1m Ra 0.02m 卫星仪表轴承 圆柱度误差 0.01m Ra 0.002m 天体望远镜 形状误差 0.03m Ra 0.01m 几种典型精密零件的加工精度。“进化”加工原则9.1 9.1 超精密加工与纳米加工技术超精密加工与纳米加工技术 9.1.1 9.1.1 超精密加工的特点超精密加工的特点背吃刀量小于晶粒大小，切削在晶粒内进行，与传统切削机理完全不同。微量切削机理特种加工与复合加工方法应用越来越多

6、传统切削与磨削方法存在加工精度极限，超越极限需采用新的方法。9.1 9.1 超精密加工与纳米加工技术超精密加工与纳米加工技术 9.1.1 9.1.1 超精密加工的特点超精密加工的特点要达到加工要求，需综合考虑工件材料、加工方法、加工设备与工具、测试手段、工作环境等诸多因素，是一项复杂的系统工程，难度较大。形成综合制造工艺广泛采用计算机控制、适应控制、在线检测与误差补偿技术，以减小人的因素影响，保证加工质量。与自动化技术联系紧密精密与超精密加工设备造价高，难成系列。常常针对某一特定产品设计（如加工直径3m射电天文望远镜的超精密车床，加工尺寸小于1mm微型零件的激光加工设备）。与高新技术产品紧密结

7、合加工与检测一体化精密检测是精密与超精密加工的必要条件，并常常成为精密与超精密加工的关键。9.1.1 9.1.1 超精密加工的特点超精密加工的特点超精密加工的主要方法：9.1 9.1 超精密加工与纳米加工技术超精密加工与纳米加工技术 9.1.2 9.1.2 超精密加工的主要方法超精密加工的主要方法u 金钢石超精密切削u 超精密磨削u 超精密研磨及抛光u 超微细加工波及工件内层，可获得高精度和好表面质量机理、特点9.1 9.1 超精密加工与纳米加工技术超精密加工与纳米加工技术 金钢石超精密切削金钢石超精密切削金刚石车床加工4.5mm陶瓷球金刚石车床及其加工照片9.1 9.1 超精密加工与纳米加工

8、技术超精密加工与纳米加工技术 金钢石超精密切削金钢石超精密切削u 高硬度 天然单晶金刚石是超精密加工中的一种最佳切削材料，其质地坚硬，硬度高达600010000 HV，是已知材料中硬度最高的。u 高耐磨性 金刚石刀具具有很高的耐磨性，它的耐用度是硬质合金的50100倍；u 大弹性模量 金刚石刀具的弹性模量大，断裂强度比氧化铝高3倍，切削刃钝圆半径可以磨得很小，不易断裂，能长期保持刀刃的锋利程度；u 小变形 金刚石刀具的热膨胀系数小，热变形小。金钢石超精密切削刀具特点：金钢石超精密切削刀具特点：9.1 9.1 超精密加工与纳米加工技术超精密加工与纳米加工技术 金钢石超精密切削金钢石超精密切削金钢

9、石超精密切削应用范围：金钢石超精密切削应用范围：u 加工有色金属 如：铜、铝、合金等u 不能加工黑色金属 如：铁、含碳量高的金属u 加工各种硬脆材料 如：陶瓷、锗、硅、等u 加工有机玻璃和各种塑料 典型产品： 光学反射镜、射电望远镜主镜面、大型投影电视屏幕、照像机塑料镜片、树脂隐形眼镜镜片等9.1 9.1 超精密加工与纳米加工技术超精密加工与纳米加工技术 金钢石超精密切削金钢石超精密切削金刚石超精密切削优点：金刚石超精密切削优点：u 加工精度高，加工表面质量好：加工表面形状误差可控制在0.10.0lm范围内，表面粗糙度Ra。为0.010.001m。u 生产效率高：Cu、Al材料的光学镜面可以通

10、过金刚石超精密车削直接制取。u 加工过程易于实现计算机自动控制。u 它不仅可以加工平面、球面，而且可以很方便地通过数控编程加工非球面和非对称表面。9.1 9.1 超精密加工与纳米加工技术超精密加工与纳米加工技术 金钢石超精密切削金钢石超精密切削影响金刚石超精密切削因素：影响金刚石超精密切削因素：u 加工设备要求具有高精度、高刚度、良好的稳定性、抗振性和数控功能。u 金刚石刀具通常在铸铁研磨盘上进行研磨，在研磨时应使金刚石的晶向与主切削刃平行，并使刃口圆角半径尽可能小。u 被加工材料要求组织均匀，无微观缺陷。u 工作环境要求恒温、恒湿、净化和抗振。9.1 9.1 超精密加工与纳米加工技术超精密加

11、工与纳米加工技术 超精密磨削超精密磨削超精密磨削： 利用磨具上尺度均匀性好、近似等高的磨粒对被加工零件表面进行摩擦、耕犁及切削的过程。应用范围：u 硬度较高的金属和非金属：如加工尺寸及形状精度要求很高的伺服阀、空气轴承主轴、陀螺仪超精密轴承等。u软金属：铜、铝及其合金，用金刚石超精密切削是十分有效的。u 黑色金属、硬脆材料。超精密磨削所能达到的水平： 尺寸精度 0.255m；圆度 0.250.1m；圆柱度25000:0.2550000:1；表面粗糙度 Ra 0.006 0.01m。 9.1 9.1 超精密加工与纳米加工技术超精密加工与纳米加工技术 超精密磨削超精密磨削 超精密磨削主要特征： u

12、 使用超硬磨料，在晶粒内进行磨削，磨粒材料具有很高的高温强度和高温硬度 u 机床精度要求高，高几何精度和刚度，精密进给机构、平衡机构和防振装置。 影响超精密磨削的因素：u 砂轮特性及其修整参数的影响u 磨削工艺参数的影响u 工件材质的影响9.1 9.1 超精密加工与纳米加工技术超精密加工与纳米加工技术 超精密磨削超精密磨削 超精密砂带磨削示意图接触轮硬磁盘装在主轴真空吸盘上 砂带磨削示意图V砂带砂带轮卷带轮F-径向进给f-径向振动u砂带：带基材料为聚碳酸脂薄膜，其上植有细微砂粒。u砂带在一定工作压力下与工件接触并作相对运动，进行磨削或抛光。9.1 9.1 超精密加工与纳米加工技术超精密加工与纳

13、米加工技术 超精密研磨及抛光超精密研磨及抛光超精密研磨、抛光： 利用研磨剂在工件与研具之间通过相对复杂的轨迹而获得高质量、高精度的加工方法。应用范围： 主要用于加工高表面质量与低型面精度的集成电路芯片和各种光学平面及蓝宝石窗等。 9.1 9.1 超精密加工与纳米加工技术超精密加工与纳米加工技术 超精密研磨及抛光超精密研磨及抛光研磨与抛光的工作模型及其对比磨粒大小的不同磨粒材料的不同研具材料的不同9.1 9.1 超精密加工与纳米加工技术超精密加工与纳米加工技术 超精密研磨及抛光超精密研磨及抛光加 工 法磨 粒研 具工 作 液加工机械及方式加 工 机 理应用示例研磨微细磨粒铸铁机油手工研磨以磨粒的

14、机械作用为中心量规端面抛光软质磨粒软质研具净化水加压运动以磨粒的机械作用为中心玻璃板液中研磨微细磨粒合成树脂板净化水液中浸渍以磨粒的机械作用为中心，由加工液进行磨粒分化，并有缓冲冷却效果硅片机械化学抛光微细磨粒人造革温式高速高压运转通过机械化学去除反应生成物硅片软质磨粒玻璃板干式蓝宝石片化学机械抛光微细磨粒软质研具酸性液修正轮型加工机双面研磨机磨粒的机械作用和加工液的腐蚀作用Mn-Zn铁素体弹性发射加工和非固体接触加工悬浮抛光微细磨粒使工件悬浮的动压研具硬质材料碱性液加工时通过动压，使工件与工具呈非接触状态的结构加工液的腐蚀作用玻璃液面抛光不使用磨粒软质研具Br甲醇保证工件与研具非接触状态的结

15、构加工液的腐蚀作用InP晶片9.1 9.1 超精密加工与纳米加工技术超精密加工与纳米加工技术 精密与超精密加工环境精密与超精密加工环境恒温要求：1 0.01 实现方法：大、小恒温间+局部恒温（恒温罩，恒温油喷淋）恒湿要求：相对湿度35%45%，波动10% 1% 实现方法：采用空气调节系统 净化要求：10000100级（100级系指每立方英尺空气中所含大于0.5m尘埃个数不超过100） 实现方法：采用空气过滤器，送入洁净空气隔振要求：消除内部、隔绝外部振动干扰 实现方法：隔振地基，隔振垫层，空气弹簧隔振器 9.1 9.1 超精密加工与纳米加工技术超精密加工与纳米加工技术 超微细加工超微细加工超微

16、细加工技术：制造微小尺寸零件的生产加工技术 微细加工：1mm以下的微细尺寸零件加工亚毫米微细加工：0.1mm级亚毫米级的超微细零件加工的超微细加工：1m级的亚微米级的超微细零件加工超微细加工分类：u 分离加工u 结合加工u 变形加工u 材料处理或变性纳米加工的特点：9.1 9.1 超精密加工与纳米加工技术超精密加工与纳米加工技术 9.1.3 9.1.3 纳米加工纳米加工u 零件精度和表面粗糙度达到纳米级u 把原子和分子作为加工对象u 主要直利用光子、电子、离子等基本能子进行加工纳米加工的主要方法：u LIGALIGA（Lithographie Galvanoformung AbformungL

17、ithographie Galvanoformung Abformung）技术技术 ：X光刻精密电铸模造成形u 扫描隧道显微加工技术扫描隧道显微加工技术 9.1 9.1 超精密加工与纳米加工技术超精密加工与纳米加工技术 LIGALIGA技术技术u 以同步加速器放射的短波长（1nm）X射线作为曝光光源，在厚度达0.5mm的光致抗蚀剂上生成曝光图形的三维实体；u用曝光蚀刻图形实体作电铸模具，生成铸型；u以生成的铸型作为模具，加工出所需微型零件。X射线曝光腐蚀溶解抗蚀剂电铸铸型注射成形零件 LIGA制作零件过程 LIGA由深层同步X射线光刻、电铸成形、塑注成形组合而成：9.1 9.1 超精密加工与纳

18、米加工技术超精密加工与纳米加工技术 LIGALIGA技术技术 50 m 图7-60 X射线刻蚀的三维实体LIGA代表产品及应用9.1 9.1 超精密加工与纳米加工技术超精密加工与纳米加工技术 扫描隧道显微加工技术扫描隧道显微加工技术（STM )STM )9.1 9.1 超精密加工与纳米加工技术超精密加工与纳米加工技术 9.1.3 9.1.3 纳米加工纳米加工STM实物照片石墨三维图像 通过扫描隧道显微镜操纵氙原子用35个原子排出的“IBM”字样 STM针尖快速成形（RP）概念：9.2 快速成形制造技术 相对于传统的“去除式”加工方法，采用增材加工的方法，通过层层堆积的方式，快速制造零件的实体模

19、型。RP技术的5种典型工艺：u 光敏树脂液相固化成形u 叠层实体制造u 选择性激光粉末烧结成形u 熔融沉积制造u 三维打印制造基于激光基于喷射9.2 快速成形制造技术 光敏树脂液相固化成形原理： 以液态光敏感聚酯为原料，将计算机控制下的紫外激光器按照预定零件模型截面形状，对液态光敏感光聚酯逐点扫描，使被扫描区的聚酯薄层产生聚合反应并迅速固化，形成零件的一个薄层截面。一层固化完毕后，工作台向下移动一定距离，使正在制造的零件顶部再附上一层薄层聚酯，再重复以上步骤，直到零件加工完成。特点：u 精度高、表面质量好、原材料利用率将近100%，能制造形状特别复杂、特别精细的零件。u 可用材料的范围较窄、材

20、料成本较高，且激光器价格昂贵，从而使得零件制作成本较高。9.2 快速成形制造技术 光敏树脂液相固化成形1扫描镜；2Z向升降台；3树脂槽；4光敏树脂；5托盘；6零件9.2 快速成形制造技术 叠层实体制造原理： 将薄形材料（纸或塑料薄膜等）的表面涂覆一层热熔胶，平铺在工作台上，将计算机控制下的CO2激光器按预定零件模型截面轮廓线为轨迹，对薄形材料逐点扫描分层切割，然后通过热压辊碾压，使当前层与其下面已经成形的工件层黏结，从而堆积成形。 特点：u 可以达到很高的加工速度，易于制造大型、实体零件，且工件外框与截面轮廓之间的多余材料在加工中可起到支撑作用，故该工艺不需加支撑。u 片材具有的厚度信息，使其

21、每层厚度不可调整。 9.2 快速成形制造技术 叠层实体制造1-升降台；2-制成块；3-加工平面；4-Y 定位仪；5-X 定位仪；6-激光器；7-热压滚筒；8-原料片；9-原料供应卷；10-回收卷9.2 快速成形制造技术 选择性激光粉末烧结成形原理： 利用粉末材料（金属粉末或非金属粉末）在激光照射下烧结的原理，在计算机控制下层层堆积成形。该工艺采用CO2激光器作为能源，在工作台上均匀铺上一层一定厚度（0.10.2mm）的粉末材料，将计算机控制下的CO2激光器按照预定零件模型截面形状，有选择地对粉末材料进行烧结，一层完成后工作台向下沉降一定的高度，再铺上一层进行烧结，直到模型加工完成。全部烧结完成

22、后，表面经清理、打磨和烘干等处理，得到所需要的样品 特点：u 适应面较广，不仅可制造塑料零件，还能制造陶瓷、石蜡等材料的零件，特别是可直接制造金属零件，使该项工艺更具吸引力。且该工艺无须加支撑，可烧制空心多层镂空复杂零件，u 成形的零件精度和表面粗糙度较差。 9.2 快速成形制造技术 选择性激光粉末烧结成形1扫描镜；2透镜；3激光器；4铺粉滚筒；5零件9.2 快速成形制造技术 熔融沉积制造原理： 利用热塑性材料的热熔性、黏结性，在计算机控制下层层堆积成形。先将材料抽成丝状，通过送丝机构送进喷头，加热成熔融状通过喷嘴挤出，同时喷嘴在计算机控制下按照模型截面形状和填充轨迹运动，材料迅速固化，并与周

23、围的材料黏结，层层堆积成形。 特点：u 使用的材料包含成形材料和支撑材料。成形材料最为常用的是ABS工程塑料，另外还有石蜡、PP工程塑料、橡胶等。支撑材料是加工中的辅助工具，零件成形后必须去除。 u 该工艺不用激光，使用维护较为简单，成本较低。u 由于喷头的运动是机械运动，速度有一定限制，加工时间稍长；其原型的成形精度较低。 9.2 快速成形制造技术 熔融沉积制造9.2 快速成形制造技术 三维打印制造原理： 利用黏结剂（如硅胶）将零件的界面印刷在粉末材料上。将粉末由储料桶送出，再用滚筒将送出的粉末在加工平台上铺上一层很薄的原料，喷嘴按照计算机模型切片后定义的轮廓喷出黏结剂，黏结粉末。做完一层，

24、加工平台自动下降一点，储料桶上升一点，刮刀由升高了的储料桶上方再次把粉末推出，如此循环直至得到所要加工的形状。 特点：u 使用的材料为陶瓷粉末、金属粉末等。在原型制作完成后，零件被埋没于工作台的粉末中。为保护较脆弱的原型件，一般应在其上面涂一层蜡、乳胶或环氧树脂作为保护层。u 操作简单、速度高，适合办公室环境使用。u 工件表面较粗糙，需用后处理来改善，且原型件结构松散，强度较低。9.2 快速成形制造技术 三维打印制造RP技术的发展趋势：9.2 快速成形制造技术u 多种材料复合成形 u 新的成形方法u 降低成本、提高效率、简化工艺 u 提高成形件的精度、表面质量、力学和物理性能 网络制造概念：9

25、.3 网络制造技术 利用以因特网（INTERNET）为标志的信息高速公路，灵活而迅速地组织社会制造资源，把分散在不同地区的现有生产设备资源、智力资源和各种核心能力，按资源优势互补的原则，迅速地组合成一种没有围墙的、超越空间约束的、靠电子手段联系的、统一指挥的经营实体网络联盟企业，以便快速推出高质量、低成本的新产品。 资源重组技术网络与通信技术信息传输、处理与转换技术 需要的其它技术：网络制造特性：9.3 网络制造技术u 敏捷性u 协同性u 数字化u 直接化u 远程化u 多样化网络制造的核心问题：9.3 网络制造技术u WEB技术u 产品模型的人机工程评价u 产品模型的可制造性与数字化分发u 产

26、品数据管理u 工作流管理u 计算机辅助工艺规划u 经营过程重组虚拟制造概念：9.4 虚拟制造 所谓虚拟制造是对真实产品制造的动态模拟，是一种在计算机上进行而不消耗物理资源的模拟制造软件技术。泛指通过有效运用视听和其他感觉特征在计算机上对制造系统及其组件进行建模、仿真，以及方案设计。它具有建模和仿真环境，使产品从生产过程、工艺计划、调度计划、后勤供应到财会、采购和管理等生成的一种集成的、综合的制造环境，在真实产品的制造活动之前，就能预测产品的功能及制造系统状态，从而可以做出前瞻性的决策和优化实施方案。9.4 虚拟制造 虚拟产品开发产品管理平台（数字全息模型）产品分析产品装配制造仿真工艺设计产品设

27、计产品生产虚拟现实系统虚拟环境真实感虚拟环境真实感人与环境交互人与环境交互产品数字化产品数字化加工设备数字化加工设备数字化车间数字化车间数字化企业数字化企业数字化最终目的：最终目的：100100模拟模拟 真实产品、真实真实产品、真实生产、真实运行生产、真实运行虚拟制造特点：9.4 虚拟制造u 高度集成u 支持敏捷制造u 分布合作虚拟制造种类：u 以设计为中心u 以制造为中心u 以控制为中心虚拟制造系统（VMS）：9.4 虚拟制造 基于虚拟制造技术实现的制造系统，是现实制造系统在虚拟环境下的映射，不消耗现实资源和能量，所生产的产品是可视的虚拟产品，具有真实产品所具备的特征，是一个数字产品。软件方

28、面：可视化技术环境构造技术信息描述技术集成结构技术仿真技术检验、测试技术VMS关键技术：硬件方面：输入输出设备存储信息设备网络结构设备高性能计算机系统虚拟制造的研究现状：9.4 虚拟制造u 概念理论基础和体系尚未完全形成，正处于研究探索阶段 u 虚拟设计、虚拟装配、虚拟加工过程仿真等关键技术正在发展中u 在国外飞机制造和汽车制造中已有应用u 国内高校和研究所正在加紧开展相关研究9.5 先进生产模式u 智能制造 u 绿色制造u 并行工程u 精益生产9.5 先进生产模式 智能制造智能制造： 通过集成传统制造技术、计算机技术与人工智能技术等，形成的一种新型制造模式。 所谓智能制造技术是指在制造工业的各个环节，以一种高度集成的方式，通过计算机模拟人类专家的智能活动进行分析、判断、推理、构思和决策，旨在取代或延伸制造环境中人的部分脑力劳动，并对人类专家的制造智能进行收集、存储、完善、共享、继承与发展的技术。 智能制造系统 基于