第一章精密与特种加工绪论

1、精密与特种加工精密与特种加工机械与汽车工程学院机械与汽车工程学院 制造业制造业是将制造资源是将制造资源( (物料、能源、设备、工物料、能源、设备、工具、资金、技术、信息和人力等具、资金、技术、信息和人力等) )通过制造过程转通过制造过程转化为可供人们使用与利用的工业品和生活消费品化为可供人们使用与利用的工业品和生活消费品的行业。的行业。 制造技术制造技术的发展是由社会、政治和经济等诸多的发展是由社会、政治和经济等诸多因素决定的。因素决定的。 技术推动技术推动和和市场牵引市场牵引是影响其发展的最主要和是影响其发展的最主要和最直接的因素最直接的因素。u 资源配置资源配置沿着沿着“劳动密集劳动密集-

2、设备密集设备密集-信息信息密集密集-知识密集知识密集”的方向发展；的方向发展；u 生产规模生产规模沿着沿着“小批量小批量-少品种少品种-大批量大批量- -多品种变批量多品种变批量”的方向发展；的方向发展；u 生产方式生产方式沿着沿着“手工手工-机械化机械化-单机自动化单机自动化-刚性流水自动化刚性流水自动化-柔性自动化柔性自动化-智能自动化智能自动化”的方向发展。的方向发展。柔性制造技术柔性制造技术 传统的专用机床传统的专用机床和和“刚性刚性”自动生产线虽然有很高的生自动生产线虽然有很高的生产效率，但其加工的零件产效率，但其加工的零件形状和尺寸单一，难以改变形状和尺寸单一，难以改变，这对，这对

3、于大批大量生产是合适的。为满足于大批大量生产是合适的。为满足多品种、小批量、产品更多品种、小批量、产品更新换代周期短新换代周期短的要求，的要求，2020世纪世纪7070年代以来，随着微电子技术，年代以来，随着微电子技术，特别是计算机技术、传感技术的发展，一种以机械加工为主特别是计算机技术、传感技术的发展，一种以机械加工为主的柔性制造技术得到迅速发展，主要有柔性制造单元、柔性的柔性制造技术得到迅速发展，主要有柔性制造单元、柔性制造系统、计算机集成制造系统。制造系统、计算机集成制造系统。1.什么叫精密与特种加工什么叫精密与特种加工u精密加工包括精密切削加工和精密磨削加工精密加工包括精密切削加工和精

4、密磨削加工(进行进行微细加工、光整加工和精整加工）等，加工精度和微细加工、光整加工和精整加工）等，加工精度和零件表面粗糙度极大改善零件表面粗糙度极大改善,与特种加工关系密切。与特种加工关系密切。u 特种加工是指利用机、光、电、声、热、化学、磁、原子特种加工是指利用机、光、电、声、热、化学、磁、原子能等能源来进行加工的非传统加工方法（能等能源来进行加工的非传统加工方法（NTM，Non-Traditional Machining），它们与传统切削加工的不同特），它们与传统切削加工的不同特点主要有：点主要有： 主要不是依靠机械能，而是主要用其他的能量（如电能、热主要不是依靠机械能，而是主要用其他的能

5、量（如电能、热 能、光能、声能以及化学能等）去除工件材料；能、光能、声能以及化学能等）去除工件材料； 刀具的硬度可以低于被加工工件材料的硬度，有些情况下，刀具的硬度可以低于被加工工件材料的硬度，有些情况下， 例如在激光加工、电子束加工、离子束加工等加工过程例如在激光加工、电子束加工、离子束加工等加工过程 中，根本不需要使用任何工具；中，根本不需要使用任何工具； 在加工过程中，工具和工件之间不存在显著的机械切削力作在加工过程中，工具和工件之间不存在显著的机械切削力作 用，工件不承受机械力，特别适合于精密加工低刚度零件。用，工件不承受机械力，特别适合于精密加工低刚度零件。 由于具有上述特点，特种加

6、工技术可以加工由于具有上述特点，特种加工技术可以加工任何硬度、强任何硬度、强度、韧性、脆性的金属、非余属材料或复合材料度、韧性、脆性的金属、非余属材料或复合材料，而且特，而且特别适合于加工别适合于加工复杂、微细表面和低刚度的零件复杂、微细表面和低刚度的零件，同时，有，同时，有些方法还可以用于进行些方法还可以用于进行超精密加工、镜面加工、光整加工超精密加工、镜面加工、光整加工以及纳米级（原子级）的加工以及纳米级（原子级）的加工。 特种加工技术不仅可以采取单独的加工方法，更可以采用特种加工技术不仅可以采取单独的加工方法，更可以采用复合加工的方法。复合加工的方法。2.2.精密与特种加工的产生背景精密

7、与特种加工的产生背景u 制造技术的发展已经有了几千年的历史制造技术的发展已经有了几千年的历史, ,”精特精特”加工始加工始终并且都是机械制造业生产的终并且都是机械制造业生产的主要加工方法主要加工方法. .u 是新世纪知识经济时代是新世纪知识经济时代先进制造工艺技术先进制造工艺技术的重要组成部的重要组成部分，现代的智能控制自动化制作和现代的超精密加工及分，现代的智能控制自动化制作和现代的超精密加工及纳米加工，代表了当前先进制造技术发展的重要方向纳米加工，代表了当前先进制造技术发展的重要方向. .u 在制造业乃至社会发展进程中起到非常重要的作用尤其在制造业乃至社会发展进程中起到非常重要的作用尤其由

8、于现代科学技术的迅猛发展，其承担的由于现代科学技术的迅猛发展，其承担的作用愈显突出作用愈显突出和无法替代和无法替代. .3.3.精密与特种加工的作用精密与特种加工的作用u目前机械工业、电子工业、航空航工业、化学工业等，尤目前机械工业、电子工业、航空航工业、化学工业等，尤其是国防工业部门，要求其是国防工业部门，要求尖端科学技术产品向高精度、高速尖端科学技术产品向高精度、高速度、大功率、小型化方向度、大功率、小型化方向发展，以及在发展，以及在高温、高压、重载荷高温、高压、重载荷或腐蚀环境下长期可靠或腐蚀环境下长期可靠地工作，为了适应这些要求，各种新地工作，为了适应这些要求，各种新结构、新材料和复杂

9、形状的精密零件大量出现，其结构和形结构、新材料和复杂形状的精密零件大量出现，其结构和形状越来越复杂，材料的性能越来越强韧，对精度要求越来越状越来越复杂，材料的性能越来越强韧，对精度要求越来越高，对加工表面粗糙度和完整性要求越来越严格，使机械制高，对加工表面粗糙度和完整性要求越来越严格，使机械制造面临着一系列严峻的任务造面临着一系列严峻的任务( (即作用即作用) )： 解决各种难切削材料的加工问题。解决各种难切削材料的加工问题。如硬质合金、钛合金、如硬质合金、钛合金、淬火钢、金刚石、石英以及锗、硅等各种高硬度、高强度、淬火钢、金刚石、石英以及锗、硅等各种高硬度、高强度、高韧性、高脆性的金属及非金

10、属材料的加工。高韧性、高脆性的金属及非金属材料的加工。 解决各种特殊复杂型面的加工问题。解决各种特殊复杂型面的加工问题。如喷气涡轮机叶片、如喷气涡轮机叶片、锻压模等的立体成型表面，炮管内膛线、喷油嘴和喷丝头锻压模等的立体成型表面，炮管内膛线、喷油嘴和喷丝头上的小孔、窄缝等的加工。上的小孔、窄缝等的加工。 解决各种超精密、光整零件的加工问题。解决各种超精密、光整零件的加工问题。如对表面质量如对表面质量和精度要求很高的航天航空陀螺仪、激光核聚变用的曲面和精度要求很高的航天航空陀螺仪、激光核聚变用的曲面镜等零件的精细表面加工，形状和尺寸精度要求在镜等零件的精细表面加工，形状和尺寸精度要求在0.1m0

11、.1m以上，表面粗糙度以上，表面粗糙度RaRa要求在要求在0.01m0.01m以下。以下。 特殊零件的加工问题。特殊零件的加工问题。如大规模集成电路、光盘基片、如大规模集成电路、光盘基片、微型机械和机器人零件、细长轴、薄壁零件、弹性元件等微型机械和机器人零件、细长轴、薄壁零件、弹性元件等低刚度零件的加工。低刚度零件的加工。 要解决上述一系列问题，仅仅依靠传统的切削加工方要解决上述一系列问题，仅仅依靠传统的切削加工方法很难实现，有些根本无法实现。在生产的迫切需求下，法很难实现，有些根本无法实现。在生产的迫切需求下，人们通过各种渠道，借助于多种能量形式，不断研究和探人们通过各种渠道，借助于多种能量

12、形式，不断研究和探索新的加工方法，精密和特种加工技术就是在这种环境和索新的加工方法，精密和特种加工技术就是在这种环境和条件下产生和发展起来的。条件下产生和发展起来的。 目前，精密与特种加工已经成为制造领域不可缺少的目前，精密与特种加工已经成为制造领域不可缺少的重要方面在难切削材料、复杂型面、精细零件、低刚度重要方面在难切削材料、复杂型面、精细零件、低刚度零件、模具加工、快速原形制造以及大规模集成电路等领零件、模具加工、快速原形制造以及大规模集成电路等领域发挥着越来越重要的作用。域发挥着越来越重要的作用。 精密加工精密加工是指加工精度和表面质量达到极高精度的是指加工精度和表面质量达到极高精度的加

13、工工艺，通常包括精密切削加工和精密磨削加工，加工工艺，通常包括精密切削加工和精密磨削加工，在不同制造业发展时期其最高技术指标有所不同。在不同制造业发展时期其最高技术指标有所不同。时间时间一般加工一般加工精密加工精密加工超精密加工超精密加工2020世纪世纪6060年代年代100m100m1m1m0.1m0.1m2020世纪世纪9090年代年代5m5m0.05m0.05m0.005m0.005m2020世纪末世纪末1m1m0.01m0.01m0.001m(1nm)0.001m(1nm)u 加工精度的不断提高对提高机电产品的性能、质量和可加工精度的不断提高对提高机电产品的性能、质量和可靠性，改善零件

14、的互换性，提高装配效率等都具有至关靠性，改善零件的互换性，提高装配效率等都具有至关重要的作用。重要的作用。u 英国英国RollsRoyce公司将飞机发动机转子叶片的加工精度公司将飞机发动机转子叶片的加工精度由由60m提高到提高到12m，则发动机压缩效率从，则发动机压缩效率从89上升到上升到94；u 美国美国MX战略导弹战略导弹(可装可装10个核弹头个核弹头)制导系统的陀螺仪精制导系统的陀螺仪精度比民兵度比民兵型洲际导弹陀螺仪的精度提高一个数量级，型洲际导弹陀螺仪的精度提高一个数量级，其命中的圆概率误差由其命中的圆概率误差由500m减小到减小到50150m； u 齿轮的齿形及齿距误差从齿轮的齿形

15、及齿距误差从3 36m6m降低到降低到1m1m，则单位齿轮箱重量所能传递的扭矩将提高近则单位齿轮箱重量所能传递的扭矩将提高近1 1倍。倍。u 可见，精密工程、微米工程和纳米技术已成为可见，精密工程、微米工程和纳米技术已成为世界制造技术领域的制高点，是现代制造技术的前世界制造技术领域的制高点，是现代制造技术的前沿，也是明天技术的基础。沿，也是明天技术的基础。u 特种加工特种加工是将电能、热能、光能、声能和磁能等物理能是将电能、热能、光能、声能和磁能等物理能量及化学能量或其组合乃至与机械能组合直接施加到被加量及化学能量或其组合乃至与机械能组合直接施加到被加工的部位上，从而实现材料去除的加工方法，也

16、被称为非工的部位上，从而实现材料去除的加工方法，也被称为非传统加工技术传统加工技术( (通常人们将利用机械能，借助于刀具实现材通常人们将利用机械能，借助于刀具实现材料去除的方法称为切削料去除的方法称为切削( (磨削磨削) )加工，亦称为传统加工技术加工，亦称为传统加工技术) )。u 苏联学者拉扎连柯夫妇发明电火花加工方法。苏联学者拉扎连柯夫妇发明电火花加工方法。u 特种加工新方法特种加工新方法：电解加工、超声波加工、放电成形加：电解加工、超声波加工、放电成形加工、激光加工、电子束加工、离子束加工、化学加工等。工、激光加工、电子束加工、离子束加工、化学加工等。u 难加工材料加工难加工材料加工：如

17、耐热钢、不锈钢、钛合金、：如耐热钢、不锈钢、钛合金、淬火钢、硬质合金、陶瓷、宝石、金刚石等高强淬火钢、硬质合金、陶瓷、宝石、金刚石等高强度、高硬度、高韧性、高脆性以及高钝度金属和度、高硬度、高韧性、高脆性以及高钝度金属和非金属的加工；非金属的加工；u 模具及复杂型面加工模具及复杂型面加工：如各种热锻模、冲裁模和：如各种热锻模、冲裁模和冷拔模的模腔和型孔、整体涡轮、喷气涡轮机叶冷拔模的模腔和型孔、整体涡轮、喷气涡轮机叶片、炮管内腔线以及喷油嘴和喷丝头的微小异型片、炮管内腔线以及喷油嘴和喷丝头的微小异型孔的加工等；孔的加工等；u 零件精细加工零件精细加工：如伺服阀、低刚度的细长轴、薄：如伺服阀、低

18、刚度的细长轴、薄壁筒和弹性元件等的加工。壁筒和弹性元件等的加工。u 已成为重要的加工方法或仅有的加工方法。已成为重要的加工方法或仅有的加工方法。 精密与特种加工精密与特种加工在制造业的生产中占有极为重在制造业的生产中占有极为重要的地位。有理由相信：随着先进制造技术的不断要的地位。有理由相信：随着先进制造技术的不断发展和完善，精密与特种加工技术将在机械制造业发展和完善，精密与特种加工技术将在机械制造业实现实现优质、高效、低耗、清洁、灵活生产优质、高效、低耗、清洁、灵活生产，提高对，提高对动态多变的机电产品市场的适应能力和竞争能力的动态多变的机电产品市场的适应能力和竞争能力的进程中发挥越来越大的作

19、用。进程中发挥越来越大的作用。 提高了材料的可加工性。提高了材料的可加工性。 改变了零件的典型工艺路线。改变了零件的典型工艺路线。 大大缩短新产品试制周期。大大缩短新产品试制周期。 对产品零件的结构设计产生很大的影响。对产品零件的结构设计产生很大的影响。 对传统的结构工艺性好与坏的衡量标准产生重对传统的结构工艺性好与坏的衡量标准产生重要影响。要影响。1) 1) 精密与超精密加工和制造自动化是先进制造技术的两大精密与超精密加工和制造自动化是先进制造技术的两大领域。领域。2)2) 先进制造技术已经是一个国家经济发展的重要手段。先进制造技术已经是一个国家经济发展的重要手段。3)3) 发展先进制造技术

20、是当前各国发展国民经济的主攻方向发展先进制造技术是当前各国发展国民经济的主攻方向和战略决策，同时又是一个国家独立自主、繁荣富强、和战略决策，同时又是一个国家独立自主、繁荣富强、经济持续稳定发展、科技保持先进领先的长远大计。经济持续稳定发展、科技保持先进领先的长远大计。4)4) 精密与特种加工技术水平是一个国家制造工业水平的重精密与特种加工技术水平是一个国家制造工业水平的重要标志之一。要标志之一。5)5) 精密与特种加工技术已经成为国际竞争中取得成功的关精密与特种加工技术已经成为国际竞争中取得成功的关键技术。键技术。6) 6) 产品的实际制造，必然要依靠精密加工技术。产品的实际制造，必然要依靠精

21、密加工技术。 精密与特种加工从加工成形的原理和特点来分类，精密与特种加工从加工成形的原理和特点来分类，可以分为可以分为去除加工、结合加工、变形加工去除加工、结合加工、变形加工三大类。三大类。 1) 去除加工又称为分离加工去除加工又称为分离加工，是从工件上去除多余的材料，是从工件上去除多余的材料，例如金刚石刀具精密车削、精密磨削、电火花加工、电解加例如金刚石刀具精密车削、精密磨削、电火花加工、电解加工等。工等。 2) 结合加工结合加工是利用理化方法将不同材料结合在一起。按结是利用理化方法将不同材料结合在一起。按结合的机理、方法、强弱等又可以分为合的机理、方法、强弱等又可以分为附着、注入、连接附着

22、、注入、连接三三种。种。 附着加工附着加工又称为又称为沉积加工沉积加工，是在工件表面上覆盖一层物质，是在工件表面上覆盖一层物质，为弱结合，例如电镀、气相沉积等。为弱结合，例如电镀、气相沉积等。 注入加工注入加工又称为渗入加工，是在工件的表层注入某些元素，又称为渗入加工，是在工件的表层注入某些元素，使之与工件基体材料产生物化反应，以改变工件表层材料使之与工件基体材料产生物化反应，以改变工件表层材料的力学、机械性质，属于强结合，例如表面渗碳、离子注的力学、机械性质，属于强结合，例如表面渗碳、离子注入等。入等。 连接加工连接加工是将两种相同或不同的材料通过物化方法连接在是将两种相同或不同的材料通过物

23、化方法连接在一起，例如焊接、粘结等。一起，例如焊接、粘结等。 3) 变形加工变形加工又称为流动加工，是利用力、热、又称为流动加工，是利用力、热、分子运动等手段使工件产生变形，改变其尺分子运动等手段使工件产生变形，改变其尺寸、形状和性能，例如锻造、铸造、液晶定寸、形状和性能，例如锻造、铸造、液晶定向等。向等。u 精密与特种加工是新的宽口径专业精密与特种加工是新的宽口径专业“机械设计制机械设计制造及其自动化造及其自动化”的一门的一门专业课程专业课程。u 先修课程：先修课程：材料成型技术基础、机械制造技术基材料成型技术基础、机械制造技术基础、机械工程材料、互换性与测量技术、机械设础、机械工程材料、互

24、换性与测量技术、机械设计、微机原理、自控原理基础等基础专业课。计、微机原理、自控原理基础等基础专业课。u 本课程提供了先进制造工艺技术领域本课程提供了先进制造工艺技术领域精密切削精密切削( (磨削磨削) )加工、加工、特种加工特种加工和和复合加工复合加工相关知识，使相关知识，使学生对现代机械制造技术条件下精细加工工艺有学生对现代机械制造技术条件下精细加工工艺有较为系统的了解，并能够运用学到的知识对各种较为系统的了解，并能够运用学到的知识对各种加工机理进行分析，对其加工过程进行有效控制，加工机理进行分析，对其加工过程进行有效控制，以降低加工成本，提高加工质量，提高劳动生产以降低加工成本，提高加工质量，提高劳动生产率并有效地缩短交货周期。率并有效地缩短交货周期。u 作为一门专业课程，还为相关课程的学习及后续作为一门专业课程，还为相关课程的学习及后续开展的毕业开展的毕业( (设计设计) )研究提供加工理论、方法和制研究提供加工理论、方法和制造工艺等方面必要的基础知识。造工艺等方面必要的基础知识。 u使学生从使学生从理论上理论上认识精密切削认识精密切削( (磨削磨削) )加工、特加工、特种加工和复合加工过程