现代制造工艺技术

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2、并与传统制造技 术的结合，现代制造技术成为一个能够驾驭生产过 程中的物质流、信息流和能量流的系统工程；而传 统制造技术一般只能驾驭生产过程中的物质流和能 量流。（2）广泛性传统制造技术通常只是指将原材料变为成品的 各种加工工艺；而现代制造技术则贯穿了从产品设 计、加工制造到产品销售及使用维护的整个过程， 成为“市场一设计开发一加工制造一市场”的大系 统。（3）集成性传统制造技术的学科专业单一、独立，相互间 界限分明；而现代制造技术山于专业和学科间的不 断渗透、交义、融合，其界限逐渐淡化甚至消失， 技术趋于系统化、集成化，已发展成为集机械、电 子、信息、材料和管理技术为一体的新型交义学科 制造系

3、统工程。（4）动态性现代制造技术是针对一定的应用H标，不断吸 收各种高新技术而逐渐形成和发展起来的新技术， 因而其内涵不是绝对的和一成不变的。反映在不同 的时期、不同的国家和地区，现代制造技术有其自 身不同的特点、重点、訂标和内容。（5）实用性现代制造技术的发展是针对某一具体的制造需 求而发展起来的先进、实用的技术，有着明确的需 求导向。现代制造技术不是以追求技术的高新度为 LI的，而是注重产生最好的实践效果，以促进国家 经济的快速增长和提高企业的综合竞争力。7.2现代制造工艺技术7. 2. 1现代制造工艺现代制造丄艺的发展主要表现在如下儿个方 面。(1) 制造加丄精度不断提高随着制造工艺技术

4、的进步与发展，机械制造加 工精度得到不断提高。18世纪，加工第1台蒸汽 机所用的汽缸镇床，其加工精度为1mm； 19世纪 末，机械制造精度也仅为0.05mm； 20世纪初，山 于能够测量0. 001mm千分尺和光学比较仪的问世， 加丄精度向微米级过渡，成为机械加丄精度发展的 转折点；到了 20世纪50年代末，实现了微米级的 加工精度；在最近的一二十年内，机械制造加工精 度提高了 12个数量级，有了较快的发展，达到 10nm的技术水平。现在测量超大规模集成电路所 用的电子探针，其测量精度已达到0. 25nn)o预讣 在不远的将来，可实现原子级的加工和测量。(2) 切削加工速度迅速提高随着刀具材料

5、的发展和变革，在近一个世纪时 期内，切削加工速度提高了一厅至数百倍。20世 纪前，切削刀具是以碳素钢作为刀具材料，由于其 耐热温度低于200°C,所允许的切削速度不超过 lOm/min； 20世纪初，出现了高速钢，其耐热温度 为500600°C,可允许的切削速度为30 40m/min；到了 20世纪30年代，硬质合金开始得 到使用，刀具的耐热温度达到8001000°C,切削 速度很快提高到每分钟数口米。随后，相继使用了 陶瓷刀具、金刚石刀具和立方氮化硼刀具，而陶瓷 刀具和立方氮化硼刀具，切削速度达到每分钟一千 米至数千米。（3）新型工程材料的应用推动了制造工艺的

6、进步和变革超硬材料、超塑材料、高分子材料、复合材 料、工程陶瓷、非晶与微晶合金、功能材料等新型 材料的发展与应用，对制造工艺提出了新的挑战： 一方面迫使在通常机械加工工艺方法中要不断改善 刀具材料的切削性能，改进机械加工制造设备，使 之满足新材料的机械加工要求：另一方面探求应用 更多的物理、化学、材料科学的现代知识来开发新 型的制造工艺，以便更有效地适应新型工程材料的 加工。（4）自动化和数字化工艺装备的发展提高了 机械加工的效率由于微电子、计算机、自动检测和控制技术与 制造工艺装备相结合，使工艺装备实现了从单机到 系统、从刚性到柔性、从简单到复杂等不同档次的 多种自动化转变，使工艺过程的检测

7、和控制方式和 手段发生了质的变化，可以使整个工艺过程和工艺 参数得到实时的优化，大大提高了加工制造的效率 和质量。（5）零件毛坯成型在向少、无余量方向发展零件毛坯成型是机械制造的笫1道工序，有铸 造、锻造、冲裁、焊接和轧制等常用工艺。随着人 们对人类生存资源的节省和保护意识的提高，要求 零件毛坯成型精度向少、无余量方向发展，使成型 的毛坯接近或达到零件的最终形状和尺寸，磨削后 即可参与装配。因而，出现了熔模精密铸造、精密 锻造、精密冲裁、冷温挤压、精密焊接和精密切割 等新工艺。（6）优质清洁表面工程技术的形成和发展表面匸程技术是通过表面涂覆、表面改性、表 面加工及表面的复合处理，来改变零件表面

8、的形 态、化学成分和组织结构，以获取与基体材料不同 性能要求的一项应用技术。虽然人们使用表面技术 已有悠久的历史，然而形成一门表面工程独立学科 只是近20年的事。7.2.2超精密加工技术超精密加工是指加工精度和表面质量达到极高 程度的精密加工工艺，从概念上讲具有相对性，随 着加工技术的不断发展，超精密加工的技术指标也 是不断变化的。目前，一般加工、精密加工、超精 密加工以及纳米加工可以划分如下。（1）一般加工加工精度在10 ID左右、表面粗糙度Ra值在 0.30.8 m的加工技术，如车、铳、刨、磨、 锂、较等。一般加工适用于汽车、拖拉机和机床等 产品的制造。（2）精密加工加工精度在100. 1

9、 m、表面粗糙度Ra值在 0.30.03 m的加工技术，如金刚车、金刚镇、 研磨、歼亍磨、超精加工、砂带磨削、镜面磨削和冷 压加工等。精密加丄适用于精密机床、精密测量仪 器等产品中的关键零件的加工，如精密丝杠、精密 齿轮、精密蜗轮、精密导轨、精密轴承等。（3）超精密加工加工精度在0.10.01 in、表面粗糙度Ra值 在0.030.05 m的加工技术，如金刚石刀具超精 密切削、超精密磨料加工、超精密特种加工和复合 加工等。超精密加工适用于精密元件、讣量标准元 件、大规模和超大规模集成电路的制造。II询，超 精密加工的精度正处在亚纳米级工艺，正在向纳米 级工艺发展。（4）纳米加工加工精度高于10

10、-3 m （纳米，lnm二103 m）、表面粗糙度Rd值小于0. 005 m的加工技术，其加工方法大多已不是传统的机械加 工方法，而是诸如原子、分子单位加工等方法。1. 超精密切削加工技术（1）超精密切削对刀具的要求为实现超精密切削，刀具应具有如下的性能。 极高的硬度、耐用度和弹性模量，以保证 刀具有很长的寿命和很高的尺寸耐用度。 刃口能磨得极其锋锐，刃口半径 值极 小，能实现超薄的切削厚度。 刀刃无缺陷，因切削时刃形将复印在加丄 表面上，而不能得到超光滑的镜面。 与工件材料的抗黏结性好、化学亲和性 小、摩擦系数低，能得到极好的加工表面完整性。（2）金刚石刀具的性能特征U前超精密切削刀具用的金

11、刚石为大颗粒 （0.51.5克拉，1克拉二200mg）、无杂质、无缺 陷、浅色透明的优质天然单晶金刚石，它具有如下 的性能特征。 具有极高的硬度，其硬度达到6000 10000HV；而 TiC 仅为 3200HV； WC 为 2400HV。 能磨出极其锋锐的刃口，且切削刃没有缺 口、崩刃等现象。普通切削刀具的刃口圆弧半径只 能磨到530 m,而天然单晶金刚石刃口圆弧半 径可小到数纳米，没有其他任何材料可以磨到如此 锋利的程度。 热化学性能优越，具有导热性能好、与有 色金属间的摩擦因数低、亲和力小的特征。 耐磨性好，刀刃强度高。金刚石摩擦系数 小，与铝之间的摩擦系数仅为0.060. 13,如切

12、削条件正常，刀具磨损极慢，刀具耐用度极高。因 此，天然单晶金刚石虽然昂贵，但被一致公认为是 理想的、不能代替的超精密切削的刀具材料。（3）超精密切削时的最小切削用度超精密切削实际能达到的最小切削压度与金刚 石刀具的锋锐度、使用的超精密机床的性能状态、 切削时的环境条件等直接有关。图7-1极限切削厚度与刃口半径 的关系极限最小切削厚度hDmin与刀具刀刃锋锐度（即刃口半径）关系如图7-1所示。图中A为极 限临界点，在A点以上被加丄材料将堆积起来形成 切屑，而在A点以下，加工材料经弹性变形形成加 工表面。A点的位置可山切削变形剪切角确定，剪切角乂与刀具材料的摩擦系数有关：当 P =0. 12 时，

13、可得 hDmin二 0. 322 ；当 U =0. 26 时，可得 hDmin二 0. 249。山最小切削厚度hDmin与刃口半径 的关系式 可知，若能正常切削hDmin二lnm,要求所用金刚石 刀具的刃口半径应为34nm。国外报道研磨质 量最好的金刚石刀具，刃口半径可以小到数个纳米 的水平；而国内生产中使用的金刚石刀具，刃口半 径 二0.20.5 m,特殊精心研磨可以达到二0. 1 mo2. 超精密磨削加工技术所谓超精密磨削加工，是指加工精度达到或高 于0. 1 m、表面粗糙度Ra值低于0. 025 m的一 种亚微米级并正向纳米级发展的加工方法。超精密 磨削的关键在于砂轮的选择、砂轮的修整、

14、磨削用 量和高精度的磨削机床。（1）超精密磨削砂轮在超精密磨削中所使用的砂轮，其材料多为金 刚石、立方氮化硼磨料，因其硕度极高，故一般称 为超硬磨料砂轮。金刚石砂轮有较强的磨削能力和 较高的磨削效率，在加工非金属硬脆材料、硬质合 金、有色金属及其合金时有较大的优势。由于金刚 石易于与铁族元素产生化学反应和亲和作用，故对 于硬而韧的、高温高硬度、热导率低的钢鉄材料， 则用立方氮化硼砂轮磨削较好。立方氮化硼比金刚 石有较好的热稳定性和较强的化学惰性，其热稳定 性可达12501350°C,而金刚石磨料只有700 800°C。虽然当前立方氮化硼磨料的应用不如金刚 石磨料广，且价格也

15、比较高，但它是一种很有发展 前途的磨具磨料。（2）超精密磨削砂轮的修整砂轮的修整是超硬磨料砂轮使用中的一个技术 难题，它直接影响被磨工件的加工质量、生产效率 和生产成本。砂轮修整通常包括修形和修锐两个过 程。所谓修形，是使砂轮达到一定精度要求的儿何 形状；所谓修锐，是指去除磨粒间的结合剂，使磨 粒凸出结合剂一定高度，形成足够的切削刃和容屑 空间。如金刚石和立方氮化硼都比较坚硕，很难用 别的磨料磨削以形成新的切削刃，故通过去除磨粒 间的结合剂方法，可使磨粒凸出结合剂一定高度， 形成新的磨粒。超硕磨料砂轮修整的方法很多，可归纳为以下 儿类。 车削法用单点、聚晶金刚石笔、修整片等车削金刚石 砂轮以达

16、到修整的LI的。这种方法的修整精度和效 率都比较高，但修整后的砂轮表面平滑，切削能力 低，同时修整成本也高。 磨削法用普通磨料砂轮或砂块与超硬磨料砂轮进行对 磨修整。普通砂轮磨料如碳化硅、刚玉等磨粒被破 碎，对超硬磨料砂轮结合剂起到切削作用，失去结 合剂后磨粒就会脱落，从而达到修整的LI的。这种 方法的效率和质量都较好，是LI前较常用的修整方 法，但普通砂轮的磨损消耗量较大。 喷射法将碳化硅、刚玉磨粒从高速喷嘴喷射到转动的 砂轮表面，从而去除部分结合剂，使超硬磨粒凸 出，这种方法主要用于修锐。 电解在线修锐法该法适用于以铸铁纤维为结合剂的金刚石砂 轮，应用电解加工原理完成砂轮的修锐过程。如图

17、7-2所示，将超硬磨料砂轮接电源正极，石墨电极 接电源负极，在砂轮与电极之间通以电解液，通过 电解腐蚀作用去除超硬磨料砂轮的结合剂，从而达 到修锐效果。在这种电解修锐过程中，被腐蚀的砂 轮铸铁结合剂表面逐渐形成钝化膜，这种不导电的 钝化膜将阻止电解的进一步进行，只有当凸出的磨 粒磨损后，钝化膜被破坏，电解修锐作用才会继续 进行，这样可使金刚石砂轮能够保持长时间的切削 能力。 电火花修整法如图7-3所示，将电源的正、负极分别接于被 修整超硬磨料砂轮和修整器（石墨电极），其原理 是电火花放电加工。这种方法适用于各种金属结合 剂砂轮，既可修形乂可修锐，效率较高；若在结合 剂中加入石墨粉，也可用于树脂

18、、陶瓷结合剂砂轮 的修整。图7-2电解在线修锐法图7-3电火花修整法此外，尚有超声波修整法、激光修整法等，有 待进一步研究开发。（3）磨削速度和磨削液金刚石砂轮磨削速度一般不能很高，根据磨削 方式、砂轮结合剂和冷却情况的不同，其磨削速度 为1230m./s （它的热稳定性只有700800°C）。 一般陶瓷结合剂、树脂结合剂的金刚石砂轮其磨削 速度可选得高些，金属结合剂的金刚石砂轮磨削速 度可选得低些。立方氮化硼砂轮的磨削速度比金刚石砂轮高得 多，可达80100m/s,主要是因为立方氮化硼磨 料的热稳定性好。3. 微细加工技术微细加工可以进一步分为微米级微细加工、亚 微米级微细加工和纳

19、米级微细加工等。下面分别介 绍微机械基本特征与微细加工工艺方法。（1）微机械基本特征概括起来，微机械具有以下儿个基本特征。 体积小、精度高、重量轻其体积可达亚微米以下，尺寸精度达纳米级， 重量可至纳克。LI前已经研制出了直径细如发丝的 齿轮、能开动3mm大小的汽车和花生米大的飞机。 最近有资料表明，科学家们已能在5mm2内放置 1000台微型发动机。 性能稳定、可靠性咼由于微机械的体积小，儿乎不受热膨胀、噪 声、挠曲等因素影响，具有较高的抗干扰性，可在 较差的环境下稳定地工作。 能耗低，灵敬度和工作效率高微机械所消耗的能量远小于传统机械的十分之 一，但却能以10倍以上的速度来完成同样的工 作，

20、如5mm 5mm 0. 7mm的微型泵的流速，是比其 体积大得多的小型泵的1000倍，而且机电一体化 的微机械不存在信号延迟问题，可进行高速工作。 多功能和智能化微机械集传感器、执行器、信号处理和电子控 制电路为一体，易于实现多功能化和智能化。 适用于大批量生产，制造成本低微机械采用和半导体制造工艺类似的方法生 产，可以像超大规模集成电路芯片一样一次制成大 量的完全相同的部件，故制造成本大大降低。如美 国的研究人员正在用该技术制造双向光纤维通信所 必需的微型光学调制器，通过巧妙的光刻技术制造 芯片，做一块只需儿美分，而过去则要花5000美 兀O（2）微细加工工艺方法微细加丄是指加工尺寸为微米级

21、范围的加工方 式，是微机械发展的重要基础。微细加工起源于半 导体制造工艺，加工方式十分丰富，包含了微细机 械加工、各种现代特种加工、高能束加工等方式。 而微机械制造过程乂往往是多种加工方式的组合。 LI前，常用的有以下儿种加工方法。 超微机械加丄用超小型精密金属切削机床和电火花、线切割 等加工方法，制作毫米级尺寸以下的微机械零件是 一种三维实体加工技术，加工材料广泛，但多是单 件加工、单件装配，费用较高。 光刻加工光刻加工是用照相复印的方法将光刻掩模上的 图形印刷在涂有光致抗蚀剂的薄膜或基材表面，然 后进行选择性腐蚀，刻蚀出规定的图形。所用的基 材有各种金属、半导体和介质材料。 体刻蚀加工技术

22、体刻蚀加工技术是对硅的衬底进行腐蚀加丄的 技术，即用腐蚀的方法将硅基片有选择性地去除一 部分，以形成微机械结构。腐蚀的方法分湿法腐蚀 和干法腐蚀。湿法腐蚀是用化学腐蚀液对硅基片进 行刻蚀。干法腐蚀是利用等离子体取代化学腐蚀 液，把基体暴露在电离的气体中，气体中的离子与 基体原子间的物理和化学作用引起刻蚀。 面刻蚀加工技术面刻蚀加工技术是从集成电路平面工艺演变而 来的，它是在硅基片上形成薄膜并按一定要求对薄 膜进行加丄的技术。面刻蚀加工工艺过程如下：在硅基片上淀积 牺牲层材料，如淀积磷玻璃，其厚度一般12 m,但也可以更厚些；淀积后，牺牲层材料被腐 蚀成所需形状；淀积和腐蚀结构材料薄膜层，多 晶

23、硅是常用的结构层材料，结构层腐蚀过后，除去 牺牲层就可得到分离空腔结构。面刻蚀加工技术的主要优点是具有与常规集成 电路的兼容性，器件不但可以做得很小，而且不影 响器件特征；其缺点是该工艺本身属于二维平面工 艺，限制了设计的灵活性，且由于采用牺牲层工 艺，漂洗和干燥需要反复多次，易产生黏连现象， 降低成品率。 封接技术封接技术在微机械加工中也占有重要位置，封 接的U的是将分开制作的微机械部件在使用黏结剂 的情况下连接在一起，封在壳中使其满足使用要 求。封接技术影响到整个微系统的功能和尺寸，可 以说是微机械系统的关键技术。常用的封接技术有 反应封接、淀积密封膜和键合技术。为了提高微系 统的集成度，

24、一些新的工艺方法如自动焊接、倒装 焊接也得到了广泛的应用。 分子装配技术20世纪80年代初发明的扫描隧道显微镜（简 称STM）以及后来在STM基础上派生出的原子力显 微镜（简称AFM），使观察分子、原子的结构从宏 观进入了微观世界。STM和AFM具有0. Olnm的分 辨率，是L1前世界上精度最高的表面形貌观测仪。 利用其探针的尖端可以俘获和操纵分子和原子，并 可以按照需要拼成一定的结构，进行分子和原子的 装配制作微机械，这是一种纳米级微加工技术，是 一种从物质的微观角度来构造、制作微机械的工艺 方法。美国的IBM公司用STM操纵35个氤原子， 在银板上拼出了 “IBM” 3个字母；中国科学院

25、化 学研究所用原子摆成我国的地图；日本用原子拼成 了 “Peace” 一词。有理由相信,STM技术将会在 微细加工方面有更大的突破。7.2.3表面工程技术表面匸程是通过运用各种物理、化学或机械工 艺过程，来改变基体表面状态、化学成分、组织结 构和应力状态等，使基体表面具有不同于基体的某 种特殊性能，从而达到特定使用要求的一项应用技 术。表面工程技术在促进技术进步、节约原材料、 提高产品性能、延长产品使用寿命、装饰环境、美 化生活方面发挥了越来越突出的作用，该技术已成 为20世纪80年代世界十项关键技术之一。（1）表面工程的特点表面工程具有学科的综合性、手段的多样性、 广泛的功能性、潜在的创新性

26、、环境的保护性、很 强的实用性和巨大的增效性，它不仅用于维修业， 还用于制造业，是先进制造技术的重要组成部分。 表面工程技术将成为21世纪的主导技术之一。（2）表面工程的内容表面工程是III多个学科交义、综合而发展起来 的新兴学科，有着广泛的涵义，概括了表面处理、 表面加工、表面涂层、表面改性以及表面薄膜制备 技术等内容。（3）表面工程的工艺方法 表面改性技术表面改性是指采用某种工艺手段在零件表面获 得不同于基体的组织结构和性能的技术。材料经表 面改性处理后，既能发挥基体的力学性能，乂能使 材料表面获得各种特殊性能，如耐磨性、耐腐蚀 性、耐高温性等，还可以掩盖基体表面的缺陷，延 长材料和构件的使用寿命。表面改性对节约稀贵材 料、节约能源、改善环境有着重要的作用。 表面覆层技术表面覆层技术是指通过应用物理、化学、电 学、光学、材料学、机械学等各种工艺手段，用极 少量的材料，在产品表面制备一层保护层、强化层 或装饰层，以达到耐磨、耐