第17章 现代制造技术及发展趋势

第17章现代制造技术及发展趋势

17.1超精密加工

17.1.1超精密切削加工刀具材料为金刚石。金刚石与非铁合金亲和力小，其硬度、耐磨性及导热性较好，且可以刃磨得非常锋利；在切削过程中，采用高精度的空气轴承、气浮导轨、定位检测元件等部件，采取恒温、防振及隔振等措施。被加工工件表面粗糙度值可达0.01μm以下，形状精度可达0.2μm。第17章现代制造技术及发展趋势17.1超精密加工

17.1.2超精密磨削加工

要求：1）具有合理的工艺流程；2）加工设备有高精度、高刚度及高阻尼特征；3）高精度检测手段和补偿手段。

适用于：玻璃、陶瓷等硬脆材料的加工。第17章现代制造技术及发展趋势17.1超精密加工

17.1.3超精密研磨

包括：机械研磨、化学机械研磨、浮动研磨、弹性发射加工及磁力研磨等。

关键条件：精密的温度控制、加工过程无振动、洁净的环境、细小而均匀的研磨剂及高精度的检测方法。被加工工件表面粗糙度值可达0.003μm以下，球面跳动可达0.025μm。第17章现代制造技术及发展趋势17.1超精密加工

17.1.4超精密特种加工

采用电能、热能、光能、电化学能、化学能、声能及特殊机械能等，使其达到去除或增加材料的加工方法。

应用对象：难加工材料、难加工零件、低刚度零件及以高能量密度束流实现焊接、切割、制孔、喷涂、表面改性、刻蚀和精细加工。第17章现代制造技术及发展趋势17.1.4超精密特种加工

（1）激光加工

由激光发生器将高能量密集的激光进一步聚焦后照射到工件表面，光能被吸收瞬时转化为热能，根据能量密度的高低，可实现打孔、精密切割、加工精微防伪标志等。同时可进行激光强化、表面重熔、合金化、非晶化处理及微细加工等。

第17章现代制造技术及发展趋势17.1.4超精密特种加工

（2）电子束加工在真空中从电子枪的阴极向阳极不断发射负电子。负电子在发射移动过程中不断加速，聚焦成极细的、能量密度极高的电子束流。高速运动的电子撞击到工件表面时，其动能转化为热能，使材料熔化、气化，并从真空中被抽走。可实现打孔、成形切割、刻蚀、光刻曝光、焊接等工艺。第17章现代制造技术及发展趋势17.1.4超精密特种加工

（3）离子束加工在真空中将离子（正电荷）源产生的离子加速、聚焦使之撞击工件，可获得比电子更大的动能来加工工件。可用于表面刻蚀、超净清洗，实现原子、分子级加工。第17章现代制造技术及发展趋势17.1.4超精密特种加工

（4）微细电火花加工在绝缘的工作液中通过工具电极和工件间脉冲火花放电产生的瞬时局部高温来熔化和气化去除金属。

特点：无宏观切削力。

控制参数：单脉冲能量及进给量。可实现极微细的金属材料的去除，可加工微细的轴、孔、窄缝、平面及曲轴等。第17章现代制造技术及发展趋势17.1.4超精密特种加工

（5）微细电解加工在导电的工作液中将水分子分解为氢离子和氢氧离子，工件为阳极，其表面的金属原子成为金属正离子溶入电解液而逐步地电解下来，随后与氢氧根离子反应生成氢氧化物沉淀，工具阴极不损耗。

特点：无宏观切削力。

控制参数：电流密度及电解部位。可实现纳米级精度的电解加工，表面不产生加工应力。第17章现代制造技术及发展趋势17.1.4超精密特种加工

（6）复合加工采用几种不同能量形式、不同的工艺方法，互相取长补短、复合作用的加工技术。第17章现代制造技术及发展趋势17.2纳米加工技术

包括：机械加工、化学腐蚀、能量束加工及利用隧道显微镜在铝表面上的电场电工加工等方法。第17章现代制造技术及发展趋势17.2纳米加工技术

17.2.1纳米级机械加工技术类别：单晶金刚石和单点刀具超精密切削、金刚石和CBN磨料制作的磨具的多点磨料加工，及研磨、抛光、弹性发射加工等自由磨料加工或机械化学复合加工等。

第17章现代制造技术及发展趋势17.2纳米加工技术

17.2.2能量束加工技术

利用能量密度很高的激光束、电子束或离子束等去除工件材料的特种加工方法。

包括：离子束加工、电子束加工、光束加工、电解射流加工、电火花加工、电化学加工、分子束外延、物理和化学气相沉淀等。第17章现代制造技术及发展趋势17.2.2能量束加工技术

1、光学光刻

通过光学系统以投影方法将掩模上的大规模集成电路器件的结构图形“刻”在涂有光刻胶的硅片上。

包括：光刻机、掩模、光刻胶等。涉及光、机、电、物理、化学、材料等研究领域。由于大量的光吸收，获得用于光刻系统的新型光学及掩模衬底材料是波段技术的主要困难。

第17章现代制造技术及发展趋势17.2.2能量束加工技术

2、极紫外光刻

紫外光的波长为10～14nm。其光学系统必须采用反射形式。

3、X射线光刻光源波长约为1nm。易于实现高分辨率曝光。主要困难是获得具有良好机械物理特性的掩模衬底。

第17章现代制造技术及发展趋势17.2.2能量束加工技术

4、电子束光刻

采用高能电子束对光刻胶进行曝光从而获得结构图形。分辨率已达0.1μm。但生产率低。

5、离子束光刻采用液态原子电离后形成的离子通过电磁场加速及电磁透镜的聚焦或准直后对光刻胶进行曝光。其波长小于0.0001nm。具有无邻近效应小、曝光场大等优点。

包括：聚焦离子束光刻、离子投影光刻等。第17章现代制造技术及发展趋势17.2纳米加工技术

17.2.3光刻电模铸造技术工艺组成：深层同步辐射X射线光刻（基础和核心）、电铸成形和塑铸成形（关键）等。

优点：1）用材广泛；

2）可制作高度达数百微米至一千微米，高径比大于200的三维立体微结构。

3）横向尺寸可小到0.5μm，加工精度可达0.1μm。

4）可实现大批量复制、生产，且成本低。第17章现代制造技术及发展趋势17.2纳米加工技术

17.2.4扫描隧道显微镜技术（STM）技术的运用：以单个原子的分辨率观测物体表面结构、纳米级加工，进行单个原子的去除、添加和移动，及（STM）光刻、探针尖电子束感应的沉淀和腐蚀等。第17章现代制造技术及发展趋势17.3超高速切削加工技术

切削深度比常规高5～10倍以上的切削。

通常切削温度随切削速度升高而升高。但超过一定范围，其随切削速度升高而下降。

优点：切屑形态从带状变为片状或碎状；切屑热95%将被切屑带走；切削力至少降低30%；工件非常精密、光洁；工件表面的残余应力小，直接达到精加工的要求；单位时间材料切削率增加6倍。第17章现代制造技术及发展趋势17.3超高速切削加工技术

对机床的要求：1）具有适应于超高速运转的主轴部件及其驱动系统；

2）具有快速反应的数控伺服系统和进给部件；

3）具有高压大流量喷射冷却系统和很好的刚度特性的机床支承件。

第17章现代制造技术及发展趋势17.4柔性制造系统（FMS）

１、定义及组成

定义：在计算机统一控制下，由自动装卸与输送系统将若干台数控机床或加工中心连接起来构成的一种适合多品种、中小批量生产的先进制造系统。第17章现代制造技术及发展趋势17.4柔性制造系统（FMS）组成自动物流系统自动加工系统自动仓库系统自动监控系统计算机控制系统第17章现代制造技术及发展趋势17.4柔性制造系统（FMS）特点具有高度柔性设备利用率高生产率高制品少、市场反应能力强产品质量高第17章现代制造技术及发展趋势17.5虚拟制造系统（VM）

17.5.1虚拟制造的概念

利用计算机，对产品从设计、制造到装配的全过程进行全面的仿真。它不仅可以仿真现有企业的全部生产活动，而且可以仿真末来的物流系统，因而可以对新产品设计、制造乃至生产设备引进，以及车间布局等各个方面进行模拟和仿真。

第17章现代制造技术及发展趋势17.5虚拟制造系统（VM）

17.5.2虚拟制造的基本原理

面向市场机遇，组建动态的虚拟公司，用最优的组合、最快的速度、最新的技术去赢得市场的竞争。将虚拟公司映射为一种虚拟制造系统，进行系统的仿真和实验，模拟产品设计、制造和装配的全过程。第17章现代制造技术及发展趋势17.5虚拟制造系统（VM）

17.5.3虚拟制造系统研究的关键技术

1）VMS的理论体系，及基于分布式并行处理环境下的VMS的开放式体系结构的研究；

2）虚拟环境下的产品主模型技术；

3）虚拟环境下分布式并行处理的分布式智能协同求解技术与系统，及虚拟环境下系统全局最优决策理论与技术；

4）运用虚拟现实技术实现虚拟环境及制造中的人机协同求解模型；

第17章现代制造技术及发展趋势17.5.3虚拟制造系统研究的关键技术

5）实现制造系统与VMS之间的映射，虚拟传感器、虚拟单元、虚拟生产线、虚拟车间及虚拟工厂的建立，及各种虚拟设备的重用性和重组性技术；

6）VMS集成开发平台的体系结构、构件库及用户开发环境；

7）虚拟公司的组织、调度及控制策略与技术；

8）综合可视化技术的研究与应用。第17章现代制造技术及发