机械制造技术基础第七章制造技术的发展

7.1

制造自动化技术的发展DevelopmentofAutomationTechnologyforManufacturing1

表1-1三种自动化形式比较比较项目刚性自动化柔性自动化综合自动化实现目标减轻工人劳动强度，节省劳动力，保证加工质量，降低生产成本减轻工人劳动强度，节省劳动力，保证加工质量，降低生产成本，缩短产品制造周期除左外，提高设计工作与管理工作效率和质量，提高对市场的响应能力控制对象物流物流物流，信息流特点通过机、电、液气等硬件控制方式实现，因而是刚性的，变动困难以硬件为基础，以软件为支持，改变程序即可实现所需的转变，因而是柔性的不仅针对具体操作和工人的体力劳动，而且涉及脑力劳动以及设计、经营管理等各方面典型系统与装备自动机床、组合机床，机械手，自动生产线

NC机床，加工中心，工业机器人，DNC，FMC，FMS

CAD/CAM系统，MRPⅡ，CIMS应用范围大批大量生产多品种、中小批量生产各种生产类型关键技术继电器程序控制技术，经典控制论数控技术，计算机控制，GT，现代控制论

系统工程，信息技术，计算机技术，管理技术2

图7-1汽车后桥齿轮箱加工自动线刚性自动化20年代3

（7-1）式中TTLC——生产某种产品所需总时间；B——批数；Q——批量；T1——单件工时；T2——每批产品所需生产准备时间〔包括原材料订货时间，制定生产方案时间，工艺装备调整时间…〕；T3——每种产品所需设计及生产准备时间〔产品设计，工艺设计，工艺装备设计与制造…〕。Groover产品寿命周期模型4（7-2）式中TLC——生产每件产品所需平均时间式〔1-2〕即为Groover产品寿命周期模型TLC是一个综合指标，减小TLC常被作为生产活动追求的目标式〔1-1〕两边除以BQ，得到：◆刚性自动化：着眼降低T1◆柔性自动化：着眼降低T1和T2〔局部〕◆综合自动化：同时减小T1、T2、T3，特别是T2和T3，因而在多品种、中小批量生产中具有重要意义5本节仅讨论中小批量生产中广泛使用的柔性制造系统〔FlexibleManufacturingSystem——FMS〕

柔性制造系统的组成图7-4FMS的组成自动仓库工厂计算机中央计算机物流控制计算机运输小车加工单元1加工单元2加工单元n信息传输网络工夹具站6

加工单元CNC（MC）机床工作台架（暂存工件）机器人或托盘交换装置检测、监控装置◆设备运行状态监控与检测〔图7-5〕传感器群信号采集预处理特征提取状态识别诊断决策预维修决策监控检测报告正常状态模式预诊断知识库预维修知识库学习训练匹配状态异常报警预知故障报警输出图7-5设备运行状态监控与检测框图7钻头破损检测器内存有以往采集的钻头破损的信号或钻头破损模拟信号，与检测信号进行比较。当钻头破损被确认后，发出换刀信号。◆加工过程监控与检测重点是刀具磨损、破损监控与检测。图7-6为声发射钻头破损检测装置示意图。加工过程中，一旦钻头破损，声发射传感器检测到钻头破损信号，将其送至钻头破损检测器进行处理。钻头破损检测器图7-6声发射钻头破损检测装置系统图交换机床控制器工件折断工作台声发射传感器破损信号8物料传输系统又称立体仓库或自动化仓库系统〔AutomatedStorageandRetrieva1System一AS／RS〕，由高层料架、堆垛机、控制计算机和物料识别装置等组成。具有自动化程度高、料位空间尺寸和额定存放重量大、料位总数可根据实际需求扩展、占地面积小等优点。◆自动仓库〔图7-7〕图7-7自动仓库运输小车出入库装卸站堆垛机料架9◆

传输装置滚式链式（传送带由于柔性差，目前较少使用）带式有轨无轨（AGV）固定路线随机路线电磁式（图7-8）光电式（图7-9）……传送带运输小车机器人固定式机器人行走式机器人10转向舵比较放大电路信号拾取线圈引导电缆图7-8电磁引导原理在地面上埋设引导电缆，并通以5～10kHz的低压电流。小车上装有对称的一组信号拾取线圈。当小车偏向右方时，右方的感应信号减弱，左方的增强，控制器根据这些信号的强弱，控制小车的舵轮。◎电磁导向方式原理〔图7-8〕11沿小车预定路径在地面上粘贴易反光的反光带〔铝带或尼龙带〕，小车上装有发光器和受光器。发出的光经反光带反射后由受光器接受，并将该光信号转换成电信号控制小车的舵轮。◎光学引导方式原理〔图7-9〕信号孔感光元件光道光源反光带图7-9光学引导原理12◆

切屑处理系统断屑加工部位封闭排屑机床、工夹具设计要便于排屑冷却液冲，或压缩空气吹切屑输送（通常采用地下输送管道）切屑再处理（打包）13◆工厂计算机：制定、修改、更新生产〔作业〕方案；对中央计算机和物流计算机进行控制。◆

单元控制器：监视与控制机床加工、检测、上下料…◆物流计算机：根据工厂计算机制定的作业方案对自动仓库、堆垛机、缓冲站、运输小车等进行监视与控制。◆中央计算机：根据工厂计算机制定的作业方案对各加工单元进行监视与控制。◆

信息传输网络：在控制计算机与单元控制器之间进行信息传递。计算机控制系统14◆

JCS-FMS-1控制级结构中央管理计算机FM-11AD2+物流控制计算机局域网络LAN文件库自动编程机单元控制机CNC车床CNC磨床单元控制机立式MC卧式MC单元控制机CNC车床管理级单元级设备级图7-10JCS-FMS-1控制级结构15

FMS特点 除毛坯准备与毛坯安装外全部自动化 可在不停机的条件下实现加工工件的自动转换 24小时运行，只一班有人◆以GT为根底——生产零件的品种由4至100种不等（20～30种居多）生产零件的批量由40至2000件不等（50～200件居多）大部分加工对象为相似零件（个别例外）◆具有较大柔性——可加工多种零件没有固定的生产节拍故障可容（一台机床出现故障，其它机床可进行拟补）◆高度自动化——◆控制与管理相结合——可自动实现系统内的方案、调度16

FMS应用品种图7-11零件品种、批量与自动化加工方式010

100

1000

批量10,000100010010FMLFMCFMS数控机床通用机床刚性线生产柔性产量17图7-12飞机零件加工FMS（Cincinnati）1—装卸站2—运输小车3—MC4—切屑处理站5—清洗站6—检测站7—手工检测站8—计算机室9—小车维修站10—包装站FMS实例〔1〕18冲床图7-13冲压FMS

FMS实例（2）19十分之一原那么：测量不准确度≤工件容差的1/10三分之一原那么：测量精密度≤工件许用精密度的1/3〔用标准差σ表示〕自动化传送和装卸被测件；自动完成检测过程；传送/装卸与检测过程全部自动化。自动检测内容多采用传感器/计算机反响控制系统自动检测系统接触式传感器：检测尺寸、形状、相互位置非接触式传感器〔光学、非光学〕：无接触变形，速度快“十分之一〞与“三分之一〞原那么20离线检测：过程稳定，超差风险小PROCAUTPROCAUTPROCAUTINSPMAN抽样离线检测PROCAUTINSPMAN在线/过程中检测反馈信号在线/过程后检测PROCAUTINSPMANSORTAUT分类指令成品废品图7-14三类检测离线与在线检测在线/过程中检测：实时，瓶颈工序在线/过程后检测：滞后时间短，应用较多21坐标测量机a）b）c）d）图7-15坐标测量机的结构形式结构形式悬臂式结构：测头易于接近工件，刚性差桥式结构：刚性好，应用广泛立柱式结构：结构与立车相似门架式结构：结构与门式起重机相似，用于大件测量22操作控制手动控制：人工完成计算机辅助手动控制：计算机完成数据处理和相关计算计算机辅助电动控制：电机驱动测头，计算机完成数据处理和相关计算直接计算机控制：同CNC编程方法

示教再现编程：似机器人编程数控编程：离线23可完成测量工程表7-2坐标测量机可完成的测量工程247.2精密制造技术PrecisionManufacturingTechnology25◆精密加工——在一定的开展时期，加工精度和外表质量到达较高程度的加工工艺。超精密加工——在一定的开展时期，加工精度和外表质量到达最高程度的加工工艺。概述◆瓦特改进蒸汽机——镗孔精度1mm20世纪40年代——最高精度1μm20世纪末——精密加工：≤0.1μm，Ra≤0.01μm〔亚微米加工〕超精密加工：≤0.01μm，Ra≤0.001μm〔纳米加工〕◆微细加工——微小尺寸的精密加工超微细加工——微小尺寸的超精密加工26零件加工精度表面粗糙度激光光学零件形状误差0.1μmRa0.01～0.05μm

多面镜平面度误差0.04μmRa＜0.02μm

磁头平面度误差0.04μmRa＜0.02μm

磁盘波度0.01～0.02μmRa＜0.02μm雷达导波管平面度垂直度误差＜0.1μmRa＜0.02μm卫星仪表轴承圆柱度误差＜0.01μmRa＜0.002μm

天体望远镜形状误差＜0.03μmRa＜0.01μm表7-3

几种典型精密零件的加工精度◆几种典型精密零件的加工精度〔表7-3〕◆精密加工与超精密加工的开展〔图7-17〕27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（μm）10010110210-210-110-3190019201940196019802000年份28精密与超精密加工地位29结合加工分类加工机理加工方法示例去除加工电物理加工电火花加工（电火花成形，电火花线切割）电化学加工电解加工、蚀刻、化学机械抛光力学加工切削、磨削、研磨、抛光、超声加工、喷射加工热蒸发（扩散、溶解）电子束加工、激光加工附着加工注入加工化学化学镀、化学气相沉积电化学电镀、电铸热熔化真空蒸镀、熔化镀化学氧化、氮化、活性化学反映电化学阳极氧化热熔化掺杂、渗碳、烧结、晶体生长力物理离子注入、离子束外延连续加工热物理激光焊接、快速成形化学化学粘接变形加工热流动精密锻造、电子束流动加工、激光流动加工粘滞流动精密铸造、压铸、注塑分子定向液晶定向表7-4精密与超精密加工分类30

直接式进化加工：利用低于工件精度的设备、工具，通过工艺手段和特殊工艺装备，加工出所需工件。适用于单件、小批生产。

间接式进化加工：借助于直接式“进化”加工原则，生产出第二代工作母机，再用此工作母机加工工件。适用于批量生产。◆“进化”加工原则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。

精密与超精密加工特点31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、再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。32切削在晶粒内进行切削力＞原子结合力〔剪切应力达13000N/mm2〕刀尖处温度极高，应力极大，普通刀具难以承受高速切削〔与传统精密切削相反〕，工件变形小，表层高温不会涉及工件内层，可获得高精度和好外表质量金刚石超精密加工技术

用于铜、铝及其合金精密切削（切铁金属，由于亲合作用，产生“碳化磨损”，影响刀具寿命和加工质量）

加工各种红外光学材料如锗、硅、ZnS和ZnSe等

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◆应用◆

机理、特点33★

加工设备要求高精度、高刚度、良好稳定性、抗振性及数控功能等。图7-18Moore金刚石车床回转工作台工件刀具主轴传动带主轴电机空气垫刀具夹持器如美国Moore公司M-18AG金刚石车床，主轴采用空气静压轴承，转速5000转/分，径跳＜0.1μm；液体静压导轨，直线度达0.05μ/100mm；数控系统分辨率0.01μ。34车床主轴装在横向滑台〔X轴〕上，刀架装在纵向滑台〔Z轴〕上。可解决两滑台的相互影响问题，而且纵、横两移动轴的垂直度可以通过装配调整保证，生产本钱较低，已成为当前金刚石车床的主流布局。图7-19T形布局的金刚石车床T形布局〔图7-19〕35金刚石车床主要性能指标〔表7-5〕数控系统分辩率/μm400×2005000～1000050000.1～0.01≤0.2/100≤0.1≤0.1≤1/150≤2/100径向1140轴向1020640720最大车削直径和长度/mm最高转速r/mm最大进给速度mm/min重复精度(±2σ)/μm主轴径向圆跳动/μm滑台运动的直线度/μm主轴前静压轴承（φ100mm）的刚度/（N/μm）主轴后静压轴承（φ80mm）的刚度/（N/μm）纵横滑台的静压支承刚度/（N/μm）表7-5金刚石车床主要性能指标主轴轴向圆跳动/μm横滑台对主轴的垂直度/μm36◆

金刚石刀具超精切削刀具材料：天然金刚石，人造单晶金刚石金刚石的晶体结构：规整的单晶金刚石晶体有八面体、十二面体和六面体，有三根4次对称轴，四根3次对称轴和六根2次对称轴〔图7-20〕。a）4次对称轴和（100）晶面L4（100）（110）L2L3（111）b）2次对称轴和（110）晶面c）3次对称轴和（111）晶面图7-20八面体的晶轴和镜晶面37金刚石晶体的面网距和解理现象◎金刚石晶体的〔111〕晶面面网密度最大，耐磨性最好。◎〔100〕与〔110〕面网的面间距分布均匀；〔111〕面网的面间距一宽一窄〔图7-21〕图7-21（111）面网C原子分布和解理劈开面劈开面◎在距离大的〔111〕面之间，只需击破一个共价键就可以劈开，而在距离小的〔111〕面之间，那么需击破三个共价键才能劈开。◎在两个相邻的加强〔111〕面之间劈开，可得到很平的劈开面，称之为“解理〞。38金刚石刀具刃磨—通常在铸铁研磨盘上进行研磨—晶向选择应使晶向与主切削刃平行—圆角半径越小越好〔理论可到达1nm〕单晶金刚石456.46.412AA66A-A35RR=1.6～4.86.46.45B16B-B110～120RR=0.5～1.2B000000000图7-22金刚石刀具角度金刚石刀具角度〔图7-22〕39◆砂轮材料：金刚石，立方氮化硼〔CBN〕可加工各种高硬度、高脆性金属及非金属材料（铁金属用CBN）耐磨性好，耐用度高，磨削能力强，磨削效率高磨削力小，磨削温度低，加工表面好

◆

特点：分整形与修锐（去除结合剂，露出磨粒）两步进行常用方法—①用碳化硅砂轮（或金刚石笔）修整，获得所需形状；②电解修锐（适用于金属结合剂砂轮），效果好，并可在线修整◆

砂轮修整：超硬磨料砂轮精密与超精密磨削40进给＋－图7-24ELID磨削原理电源金刚石砂轮（铁纤维结合剂）冷却液冷却液电刷◆ELID〔ElectrolyticIn-ProcessDressing〕使用ELID磨削，冷却液为一种特殊电解液。通电后，砂轮结合剂发生氧化，氧化层阻止电解进一步进行。在切削力作用下，氧化层脱落，露出了新的锋利磨粒。由于电解修锐连续进行，砂轮在整个磨削过程保持同一锋利状态。41◆塑性〔延性〕磨削磨削脆性材料时，在一定工艺条件下，切屑形成与塑性材料相似，即通过剪切形式被磨粒从基体上切除下来。磨削后工件外表呈有规那么纹理，无脆性断裂凹凸不平，也无裂纹。塑性磨削工艺条件：〔1〕切削深度小于临界切削深度，它与工件材料特性和磨粒的几何形状有关。一般临界切削深度＜1μm。为此对机床要求：①高的定位精度和运动精度。以免因磨粒切削深度超过1μm时，导致转变为脆性磨削。②高的刚性。因为塑性磨削切削力远超过脆性磨削的水平，机床刚性低，会因切削力引起的变形而破坏塑性切屑形成的条件。〔2〕磨粒与工件的接触点的温度高到一定程度时，工件材料的局部物理特性会发生变化，导致切屑形成机理的变化〔已有试验作支持〕。42砂带：带基材料为聚碳酸脂薄膜，其上植有细微砂粒。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。有开式〔图7-25〕和闭式两种形式，可磨削平面、内外圆外表、曲面等〔图7-27〕。接触轮硬磁盘—装在主轴真空吸盘上图7-25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◆

精密与超精密砂带磨削43几种常见砂带磨削方式〔图7-27〕图7-27几种砂带磨削形式a）砂带无心外圆磨削（导轮式）工件导轮接触轮主动轮砂带工件接触轮主动轮砂带b）砂带定心外圆磨削（接触轮式）c）砂带定心外圆磨削（接触轮式）工件接触轮主动轮砂带接触轮砂带工件d）砂带内圆磨削（回转式）工件支承板主动轮砂带工作台e）砂带平面磨削（支承板式）f）砂带平面磨削（支承轮式）支承轮工件砂带接触轮44

砂带磨削特点1〕砂带与工件柔性接触，磨粒载荷小，且均匀，工件受力、热作用小，加工质量好〔Ra值可达0.02μm〕。3〕强力砂带磨削，磨削比〔切除工件重量与砂轮磨耗重量之比〕高，有“高效磨削〞之称。4〕制作简单，价格低廉，使用方便。5〕可用于内外外表及成形外表加工。磨粒规格涂层粘接剂基带图7-28静电植砂砂带结构2〕静电植砂，磨粒有方向性，尖端向上〔图7-28〕，摩擦生热小，磨屑不易堵塞砂轮，磨削性能好。45工件小间隙加压抛光轮悬浮液微粉(磨粒)图7-29弹性发射加工原理抛光轮与工件表面形成小间隙，中间置抛光液，靠抛光轮高速回转造成磨料的“弹性发射”进行加工。工作原理（图7-29）机理：微切削＋被加工材料的微塑性流动作用★弹性发射加工◆

游离磨料加工抛光轮：由聚氨基甲酸〔乙〕酯制成，磨料直径0.1～0.01μm46工作原理〔图7-30〕抛光工具上开有锯齿槽，靠楔形挤压和抛光液的反弹，增加微切削作用。机理：微切削作用。抛光工具图7-30液体动力抛光小间隙工件工具运动方向抛光液磨粒工作原理〔图7-31〕活性抛光液和磨粒与工件外表产生固相反响，形成软粒子，使其便于加工。机理：机械+化学作用，称为“增压活化〞。★液体动力抛光★机械化学抛光抛光工具活性抛光液图7-31机械化学抛光小间隙工件工具运动方向加压47激光由于其优良的特性〔强度高，亮度大，单色性、相干性、方向性好等〕在精密测量中得到广泛应用。可以测量长度，小角度，直线度，平面度，垂直度等；也可以测量位移，速度，振动，微观外表形貌等；还可以实现动态测量，在线测量，并易于实现测量自动化。激光测量精度目前可达0.01μm。激光测量48受射透镜平行光管透镜边缘传感闸门电路计数器显示图震荡器伺服系统扫描镜工件测定区光检测器激光发生器★

采用平行光管透镜将激光准确地调整到多角形旋转扫描镜上聚焦。通过激光扫描被测工件两端，根据扫描镜旋转角、扫描镜旋转速度，透镜焦距等数据计算出被测工件的尺寸。图7-32激光扫描尺寸计量系统激光高速扫描尺寸计量系统〔图7-32〕49双频激光测量〔图7-33〕固定反射棱镜图7-33双频激光测量系统原理图干涉测量仪f2+Δf2f1氦氖激光器轴向强磁场NS1/4波片分光镜透镜组f1f2f1f2移动反射棱镜f2f2+Δf2偏振分光镜f1f1ΔfΔf

+Δf2由于移动反射棱镜随被测件移动，频率f2变成f2±Δf2。两路反射回来的光经偏振分光镜汇合一起，再经反射镜和干涉测量仪获得拍频信号，其频率为：f1－（f2±

Δf2）=Δf+Δf2

经分光镜，折射一小局部，经干预测量仪获得拍频Δf〔=f1－f2〕的参考信号。大局部激光到偏振分光镜：垂直线偏振光f1被反射，再经固定反射棱镜反射回来；水平线偏振光f2全部透射，再经移动反射棱镜反射回来。该信号与参考信号比较，获得±Δf2的具有长度单位当量的电信号。由于使用频率差Δf进行测量，使其不受环境变化影响，可获得高的测量精度和测量稳定性。50◆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：10000～100级〔100级系指每立方英尺空气中所含大于0.5μm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，空气弹簧隔振器精密与超精密加工环境51微细加工——通常指1mm以下微细尺寸零件的加工，其加工误差为0.1μm～10μm。超微细加工——通常指1μm以下超微细尺寸零件的加工，其加工误差为0.01μm～0.1μm。精度表示方法——一般尺寸加工，其精度用误差尺寸与加工尺寸比值表示；微细加工，其精度用误差尺寸绝对值表示。“加工单位〞——去除一块材料的大小，对于微细加工，加工单位可以到分子级或原子级。微切削机理——切削在晶粒内进行，切削力要超过晶体内分子、原子间的结合力，单位面积切削阻力急剧增大。概述52热流动加工（火焰，高频，热射线，激光）压铸，挤压，喷射，浇注微离子流动加工热表面流动粘滞性流动摩擦流动变形加工(流动加工)化学镀，气相镀（电镀，电铸）氧化，氮化（阳极氧化）（真空）蒸镀，晶体增长，分子束外延烧结，掺杂，渗碳，（侵镀，熔化镀）溅射沉积，离子沉积（离子镀）离子溅射注入加工化学(电化学)附着化学(电化学)结合热附着扩散(熔化)结合物理结合注入结合加工(附着加工)车削，铣削，钻削，磨削蚀刻，化学抛光，机械化学抛光电解加工，电解抛光电子束加工，激光加工，热射线加工扩散去除加工，熔化去除加工离子束溅射去除加工，等离子体加工机械去除化学分解电解蒸发扩散与熔化溅射分离加工(去除加工)加工方法加工机理表7-6

微细与超微细加工机理与加工方法53◆主要采用铣、钻和车三种形式，可加工平面、内腔、孔和外圆外表。◆刀具：多用单晶金刚石车刀、铣刀〔图7-35〕。铣刀的回转半径〔可小到5μm〕靠刀尖相对于回转轴线的偏移来得到。当刀具回转时，刀具的切削刃形成一个圆锥形的切削面。微细机械加工图7-35单晶金刚石铣刀刀头形状54微小位移机构，微量移动应可小至几十个纳米。高灵敏的伺服进给系统。要求低摩擦的传动系统和导轨支承系统，以及高跟踪精度的伺服系统。高的定位精度和重复定位精度，高平稳性的进给运动。低热变形结构设计。刀具的稳固夹持和高的安装精度。高的主轴转速及动平衡。稳固的床身构件并隔绝外界的振动干扰。具有刀具破损检测的监控系统。◆

微细机械加工设备◆FANUCROBOnanoUi型微型超精密加工机床〔图7-36〕55图7-36

FANUC微型超精密加工机床56载流导体：◎逆压电材料〔如压电陶瓷PZT〕——电场作用引起晶体内正负电荷重心位移〔极化位移〕，导致晶体发生形变。◎磁致伸缩材料〔如某些强磁材料〕——磁场作用引起晶体发生应变。◆直接线性驱动〔直线电机驱动〕工作原理：载流导体在电场（或磁场）作用下产生微小形变，并转化为微位移（图7-37）。特点：

◎结构简单，运行可靠，传动效率高。

◎进给量可调，进给速度范围宽，加速度大。

◎行程不受限制。

◎运动精度高。

◎技术复杂。57图7-37电磁驱动装置〔直线电机〕工作原理逆压电元件电磁铁1电磁铁2逆压电元件电磁铁1电磁铁2电磁铁2去掉励磁，松开逆压电元件电磁铁1电磁铁2逆压电元件加励磁电压，伸长Δ逆压电元件电磁铁1电磁铁2电磁铁2加励磁，夹紧电磁铁1去掉励磁，松开逆压电元件电磁铁1电磁铁2逆压电元件去掉励磁电压，恢复原长，电磁铁1移动Δ逆压电元件电磁铁1电磁铁2电磁铁加励磁，夹紧ΔΔ58图7-38直线电机驱动定位平台(YOKOGAWA公司）

59直线驱动与伺服电机驱动比较〔表7-7〕表7-7直线驱动与伺服电机驱动比较性能伺服电机＋滚珠丝杠直线驱动定位精度(μm/300mm)5～100.5～1.0重复定位精度(μm)±2～±5±0.1～±0.2最高速度(m/min)20～5060～200最大加速度(g)1～22～10寿命(h)6000～100005000060电极线沿着导丝器中的槽以5～10mm/min的低速滑动，可加工圆柱形的轴〔图7-39〕。如导丝器通过数字控制作相应的运动，还可加工出各种形状的杆件〔图7-40〕。◆线放电磨削法〔WEDG〕图7-40WEDG可加工的各种截形杆微细电加工

图7-39WEDG工作原理Ⅰ－ⅠⅠⅠ工件金属丝导丝器61离子束4.刻蚀（形成沟槽）5.沉积（形成电路）6.剥膜（去除光致抗蚀剂）3.显影、烘片（形成窗口）窗口2.曝光（投影或扫描）掩膜电子束图7-41电子束光刻大规模集成电路加工过程◆光刻加工〔电子束光刻大规模集成电路〕1.涂胶（光致抗蚀剂）氧化膜光致抗蚀剂基片62要求：定位精度0.1μm，重复定位精度0.01μm导轨：硬质合金滚动体导轨，或液〔气〕静压导轨工作台：粗动—伺服电机+滚珠丝杠微动—压电晶体电致伸缩机构图7-42

电致伸缩微动工作台XY0Py1Py2Px微动工作台工作台微动的形成：X运动：Py1＝

Py2

Px长度变化Y运动：Py1＝

Py2

Py1长度变化Z转动：Py1≠

Py2◆加工设备〔电子束光刻大规模集成电路〕63利用氩〔Ar〕离子或其它带有10keV数量级动能的惰性气体离子，在电场中加速，以极高速度“轰击〞工件外表，进行“溅射〞加工。离子束加工图7-43

离子碰撞过程模型被排斥Ar离子回弹溅射原子位移原子格点间停留离子一次溅射原子Ar离子二次溅射原子Ar离子格点置换离子位移原子工件表面工件真空64◎将被加速的离子聚焦成细束，射到被加工外表上。被加工外表受“轰击〞后，打出原子或分子，实现分子级去除加工。

离子束溅射去除加工◆

四种工作方式惰性气体入口阴极中间电极电磁线圈阳极控制电极绝缘子引出电极离子束聚焦装置摆动装置工件三坐标工作台图7-44

离子束去除加工装置◎加工装置见图2-26。三坐标工作台可实现三坐标直线运动，摆动装置可实现绕水平轴的摆动和绕垂直轴的转动。65◎离子束溅射去除加工可用于非球面透镜成形〔需要5坐标运动〕，金刚石刀具和冲头的刃磨〔图7-45〕，大规模集成电路芯片刻蚀等。图7-45离子束加工金刚石制品离子束离子束r=0.01μm预加工终加工a)金刚石压头r=0.01μm离子束离子束预加工终加工b)金刚石刀具◎离子束溅射去除加工可加工金属和非金属材料。66

离子束溅射镀膜加工◎用加速的离子从靶材上打出原子或分子，并将这些原子或分子附着到工件上，形成“镀膜〞。又被称为“干式镀〞〔图7-46〕离子束源靶溅射材料溅射粒子工件真空图7-46离子束溅射镀膜加工◎离子镀氮化钛，即美观，又耐磨。应用在刀具上可提高寿命1-2倍。◎溅射镀膜可镀金属，也可镀非金属。◎由于溅射出来的原子和分子有相当大的动能，故镀膜附着力极强〔与蒸镀、电镀相比〕。67◎用高能离子〔数十万KeV〕轰击工件外表，离子打入工件表层，其电荷被中和，并留在工件中〔置换原子或填隙原子〕，从而改变工件材料和性质。◎可用于半导体掺杂〔在单晶硅内注入磷或硼等杂质，用于晶体管、集成电路、太阳能电池制作〕，金属材料改性〔提高刀具刃口硬度〕等方面。

离子束溅射注入加工

离子束曝光◎用在大规模集成电路制作中，与电子束相比有更高的灵敏度和分辨率。6869扫描隧道显微测量〔STM〕扫描隧道显微镜1981年由在IBM瑞士苏黎世实验室工作的G.Binning

和H.Rohrer发明，可用于观察物体级的表面形貌。被列为20世纪80年度世界十大科技成果之一，1986年因此获诺贝尔物理学奖。STM工作原理基于量子力学的隧道效应。当两电极之间距离缩小到1nm时，由于粒子波动性，电流会在外加电场作用下，穿过绝缘势垒，从一个电极流向另一个电极。当一个电极为非常锋利的探针时，由于尖端放电使隧道电流加大。G.BinningH.Rohrer70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

石墨三维图像

图7-49用STM移动分子组成的IBM字样图7-50用STM观察石墨原子排列71当探针与试件外表距离达1nm时，形成隧道结〔图7-51〕。当偏压Ub小于势垒高度φ时，隧道电流密度为：式中h——普郎克常数；

e——电子电量；

ka，k0

——系数。由上式可见，探针与试件外表距离d对隧道电流密度非常敏感，这正是STM的根底。φ1φ2d试件STM探针Ub图7-51

STM隧道结72

两种测量模式（2）恒电流测量模式（图7-52b）：探针在试件表面扫描，使用反馈电路驱动探针，使探针与试件表面之间距离（隧道间隙）不变。此时探针移动直接描绘了试件表面形貌。此种测量模式隧道电流对隧道间隙的敏感性转移到反馈电路驱动电压与位移之间的关系上，避免了非线性，提高了测量精度和测量范围。b）试件输出运动轨迹驱动电路扫描器检测电路控制器图7-52STM工作原理扫描器检测电路a）输出试件运动轨迹（1）等高测量模式（图7-52a）：探针以不变高度在试件表面扫描，隧道电流随试件表面起伏而变化，从而得到试件表面形貌信息。73图7-53STM针尖74〔2〕隧道电流反响控制〔图7-54〕计算机差分比较积分放大比例放大高压放大A/DXYZ控制信号设定电压前置放大对数放大（线性化）探针压电陶瓷试件图7-54隧道电流反馈控制系统原理框图D/A75〔3〕纳米级扫描运动——压电陶瓷扫描管〔图7-55〕〔4〕信号采集与数据处理——由软件完成。ΔXΔZ陶瓷管金属膜+UX-UX-UY+UYUZa）LL0b）图7-55压电陶瓷扫描管结构及工作原理当陶瓷管内壁接地，X轴两外壁电极电压相反时，陶瓷管一侧伸长，另一侧缩短，形成X方向扫描(图7-55b)。假设两外壁电极电压相同，那么陶瓷管伸长或缩短，形成Z方向位移。压电陶瓷扫描管结构见图7-55

a，其工作原理见图7-55b。76◆原子力显微镜〔AFM〕当两原子间距离缩小到级时，原子间作用力显示出来，造成两原子势垒高度降低，两者之间产生吸引力。而当两原子间距离继续缩小至原子直径时，由于原子间电子云的不相容性，两者之间又产生排斥力。AFM两种测量模式：◎接触式——探针针尖与试件外表距离＜0.5nm，利用原子间的排斥力。由于分辨率高，目前采用较多。其工作原理是：保持探针与被测外表间的原子排斥力一定，探针扫描时的垂直位移即反映被测外表形貌。◎非接触式——探针针尖与试件外表距离为0.5～1nm，利用原子间的吸引力。为解决非导体微观外表形貌测量，借鉴扫描隧道显微镜原理，C.Binning于1986年创造原子力显微镜。77◎AFM探针被微力弹簧片压向试件外表，原子排斥力将探针微微抬起。到达力平衡。AFM探针扫描时，因微力簧片压力根本不变，探针随被测外表起伏。AFM结构〔图7-56〕STM驱动AFM扫描驱动AFM探针STM探针试件微力簧片图7-56AFM结构简图◎在簧片上方安装STM探针，STM探针与簧片间产生隧道电流，假设控制电流不变，那么STM探针与AFM探针〔微力簧片〕同步位移，于是可测出试件外表微观形貌。78LIGA（LithographicGaluanoformungAbformung）1〕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；2〕用曝光蚀刻图形实体作电铸模具，生成铸型；3〕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图7-58LIGA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。包括三个主要工序〔图7-58〕：79

50μm图7-60X射线刻蚀的三维实体◆

LIGA特点用材广泛，可以是金属及其合金、陶瓷、聚合物、玻璃等可以制作高度达0.1～0.5mm，高宽比大于200的三维微结构〔图7-60〕，形状精度达亚微米◆

LIGA代表产品及应用微传感器、微电机、微机械零件、微光学元件、微波元件、真空电子元件、微型医疗器械等广泛应用于加工、测量、自动化、电子、生物、医学、化工等领域可以实现大批量复制，本钱较低807.3特种加工技术NontraditionalmachiningTechnology81

非传统加工又称特种加工，通常被理解为别于传统切削与磨削加工方法的总称。

非传统加工方法将电、磁、声、光等物理量及化学能量或其组合直接施加在工件被加工的部位上，从而使材料被去除、累加、变形或改变性能等。82非传统加工方法主要不是依靠机械能，而是用其它能量〔如电能、光能、声能、热能、化学能等〕去除材料。非传统加工方法由于工具不受显著切削力的作用，对工具和工件的强度、硬度和刚度均没有严格要求。一般不会产生加工硬化现象。且工件加工部位变形小，发热少，或发热仅局限于工件表层加工部位很小区域内，工件热变形小，加工应力也小，易于获得好的加工质量。加工中能量易于转换和控制，有利于保证加工精度和提高加工效率。非传统加工方法的材料去除速度，一般低于常规加工方法，这也是目前常规加工方法仍占主导地位的主要原因。非传统加工方法特点83

机械过程利用机械力，使材料产生剪切、断裂，以去除材料。如超声波加工、水喷射加工、磨料流加工等。非传统加工方法分类〔按加工机理和采用的能源划分〕电化学过程利用电能转换为化学能对材料进行加工，如电解加工、电铸加工〔金属离子沉积〕等。

化学过程利用化学溶剂对材料的腐蚀、溶解，去除材料，如化学蚀刻、化学铣削等。84

复合过程利用机械、热、化学、电化学的复合作用，去除材料。常见的复合形式有：◎机械化学复合——如机械化学抛光、电解磨削、电镀珩磨等。工件（陶瓷滚柱）磁性材料磁极振动运动图7-61磁力抛光示意图NS85拓宽现有非传统加工方法的应用领域。探索新的加工方法，研究和开发新的元器件。优化工艺参数，完善现有的加工工艺。向微型化、精密化开展。开展趋势图7-62EI收录文章数比较70年代80年代90年代20841104232142244424214441321252353316激光加工电火花加工超声加工电化学加工★

图7-62反映了学术界和工程界对几种非传统加工方法的关注程度。86电火花加工7.3.2几种代表性特种加工方法图7-63电火花加工原理图进给系统放电间隙工具电极工件电极直流脉冲电源工作液Real87工作要素脉冲宽度与间隔——影响加工速度、外表粗糙度、电极消耗和外表组织等。脉冲频率高、持续时间短，那么每个脉冲去除金属量少，外表粗糙度值小，但加工速度低。通常放电持续时间在2μs至2ms范围内，各个脉冲的能量2mJ到20J〔电流为400A时〕之间。7.3.2几种代表性特种加工方法887.3.2几种代表性特种加工方法图7-65电火花线切割原理图XY储丝筒导轮电极丝工件Real电火花成形加工：主要指孔加工，型腔加工等RealReal89不受加工材料硬度限制，可加工任何硬、脆、韧、软的导电材料。加工时无显著切削力，发热小，适于加工小孔、薄壁、窄槽、形面、型腔及曲线孔等，且加工质量较好。脉冲参数调整方便，可一次装夹完成粗、精加工。易于实现数控加工。7.3.2几种代表性特种加工方法90工作原理：工件接阳极，工具〔铜或不锈钢〕接阴极，两极间加直流电压6～24V，极间保持0.1～1mm间隙。在间隙处通以6～60m/S高速流动电解液，形成极间导电通路，工件外表材料不断溶解，溶解物及时被电解液冲走。工具阴极不断进给，保持极间间隙。图7-67电解加工原理图电解液直流电源泵工件阳极阴极进给工具阴极电解加工7.3.2几种代表性特种加工方法91模具型腔、枪炮膛线、发电机叶片、花键孔、内齿轮、小而深的孔加工，电解抛光、倒棱、去毛刺等。电解加工特点电解加工应用7.3.2几种代表性特种加工方法92工件与磨轮保持一定接触压力，突出的磨料使磨轮导电基体与工件之间形成一定间隙。电解液从中流过时，工件产生阳极溶解，外表生成一层氧化膜，其硬度远比金属本身低，易被刮除，露出新金属外表，继续进行电解。电解作用与磨削作用交替进行，实现加工。

电解磨削效率比机械磨削高，且磨轮损耗远比机械磨削小，特别是磨削硬质合金时，效果更明显。7.3.2几种代表性特种加工方法导电磨轮电解液电刷工作台工件绝缘板导电基体磨料阳极膜电解磨削〔图7-68〕93真空条件下，利用电流加热阴极发射电子束，经控制栅极初步聚焦后，由加速阳极加速，通过透镜聚焦系统进一步聚焦，使能量密度集中在直径5～10μm斑点内。高速而能量密集的电子束冲击到工件上，被冲击点处形成瞬时高温〔几分之一微秒时间内升高至几千摄氏度〕，工件外表局部熔化、气化直至被蒸发去除。图7-69电子束加工原理图控制栅极加速阳极电子束斑点旁热阴极聚焦系统工件工作台电子束加工工作原理〔图7-69〕7.3.2几种代表性特种加工方法94特点及应用7.3.2几种代表性特种加工方法95激光是一种受激辐射而得到的加强光。其根本特征：◎强度高，亮度大◎波长频率确定，单色性好◎相干性好，相干长度长◎方向性好，几乎是一束平行光工作原理〔图7-70〕激光加工7.3.2几种代表性特种加工方法当激光束照射到工件表面时，光能被吸收，转化成热能，使照射斑点处温度迅速升高、熔化、气化而形成小坑，由于热扩散，使斑点周围金属熔化，小坑内金属蒸气迅速膨胀，产生微型爆炸，将熔融物高速喷出并产生一个方向性很强的反冲击波，于是在被加工表面上打出一个上大下小的孔。激光器工件工作台图7-70激光加工原理图光阑反射镜聚焦镜电源Real96固体激光器◎YAG〔结晶母材由钇、铝和石榴石构成〕激光器◎红宝石激光器◎混合气体：氦约80%，氮约15%，CO2约5%◎通过高压直流放电进行鼓励◎波长10.6μm，为不可见光◎能量效率5%～15%反射凹镜反射平镜电极放电管CO2气体冷却水进口冷却水出口激光高压直流电源图7-71CO2激光器示意图气体激光器——CO2激光器〔图7-71〕7.3.2几种代表性特种加工方法激光器97加工材料范围广，适用于加工各种金属材料和非金属材料，特别适用于加工高熔点材料，耐热合金及陶瓷、宝石、金刚石等硬脆材料。加工性能好，工件可离开加工机进行加工，可透过透明材料加工，可在其他加工方法不易到达的狭小空间进行加工。非接触加工方式，热变形小，加工精度较高。可进行微细加工。激光聚焦后焦点直径理论上可小至1μ以下，实际上可实现φ0.01mm的小孔加工和窄缝切割。加工速度快，效率高。激光加工不仅可以进行打孔和切割，也可进行焊接、热处理等工作。激光加工可控性好，易于实现自动控制。加工设备昂贵。激光加工特点7.3.2几种代表性特种加工方法98激光打孔◎广泛应用于金刚石拉丝模、钟表宝石轴承、陶瓷、玻璃等非金属材料，和硬质合金、不锈钢等金属材料的小孔加工。◎激光打孔具有高效率、低本钱的特点，特别适合微小群孔加工。◎焦点位置对孔的质量影响：假设焦点与加工外表之间距离很大，那么激光能量密度显著减小，不能进行加工。如果焦点位置偏离加工外表1mm，可以进行加工，此时加工出孔的断面形状随焦点位置不同而发生变化〔图7-72〕。激光加工应用7.3.2几种代表性特种加工方法图7-72焦点位置对孔形状影响Real997.3.2几种代表性特种加工方法激光焊接

◎与打孔相比，激光焊接所需能量密度较低，因不需将材料气化蚀除，而只要将工件的加工区烧熔使其粘合在一起。

◎优点：没有焊渣，不需去除工件氧化膜，可实现不同材料之间的焊接，特别适宜微型机械和精密焊接。Real激光切割

◎激光切割具有切缝窄、速度快、热影响区小、省材料、成本低等优点，并可以在任何方向上切割，包括内尖角。

◎可以切割钢板、不锈钢、钛、钽、镍等金属材料，以及布匹、木材、纸张、塑料等非金属材料。Real100利用工具端面作超声〔16～25kHz〕振动，使工作液中的悬浮磨粒对工件外表撞击抛磨来实现加工。超声波发生器将工频交流电能转变为有一定功率输出的超声频电振荡，通过换能器将超声频电振荡转变为超声机械振动，此时振幅一般很小，再通过振幅扩大棒〔变幅杆〕使固定在变幅杆端部的工具振幅增大到0.01～0.15mm。工作原理〔图7-75〕7.3.2几种代表性特种加工方法变幅杆超声波发生器图7-75超声波加工原理图振动方向工具换能器工作液喷嘴工件Real超声波加工101适用于加工各种脆性金属材料和非金属材料，如玻璃、陶瓷、半导体、宝石、金刚石等。可加工各种复杂形状的型孔、型腔、形面。工具与工件不需作复杂的相对运动，机床结构简单。被加工外表无剩余应力，无破坏层，加工精度较高，尺寸精度可达0.01～0.05mm。加工过程受力小，热影响小，可加工薄壁、薄片等易变形零件。生产效率较低。采用超声复合加工〔如超声车削，超声磨削，超声电解加工，超声线切割等〕可提高加工效率。超声波加工特点及应用7.3.2几种代表性特种加工方法102工作原理：加工装置〔图7-78〕喷嘴材料及工作条件〔表7-11〕项目材料孔径/mm至工件距离/mm喷射角度/°参数金刚石，蓝宝石，淬火钢0.075～0.42.5～500～30表7-11喷嘴材料及工作条件图7-78水喷射加工装置示意图喷嘴阀控制器蓄能器供水器过滤器泵增压器液压装置排水器工件射流d7.3.2几种代表性特种