《先进制造系统》-chapter 03 先进制造工艺（讲课用）

1先进制造工艺技术概述121、生产过程：使各种原材料或者半成品转化为产品的各种劳动过程的总和。2、工艺过程：在生产过程中，直接改变生产对象尺寸、形状、性能（物理、化学和机械性能等）以及相对位置关系的方法和过程，统称为工艺过程。3、机械制造工艺：在生产过程中，改变生产对象（一般包括原材料、半成品）的形状、尺寸、性能及相互位置关系的方法和过程，称机械制造工艺过程。一、基本概念34、机械制造工艺过程：包括四个阶段——材料准备、机械加工、热处理及表面处理和装配。5、机械加工成形方法：去除成形、受迫成形、离散/堆积成形、生成成形一、基本概念

机械加工成形方法去除成型(如车、铣、刨、磨等)

受迫成型（如锻造、锻压等）

离散/堆积成型（焊接）

生成成型(动、植物生长)45去除成形堆积成形生成成形受迫成形6先进性（技术、管理）实用性（普遍、经济）前沿性（高新技术领域）二、先进制造工艺技术的特点先进制造工艺技术就是传统机械制造工艺不断优化和发展后所形成的制造工艺技术，包括常规工艺经优化后的工艺，以及不断出现和发展的新型加工方法。主要的技术体系由：先进成型技术、精密和超精密加工、超高速加工、高能束加工技术、微机械加工、快速原型制造技术与表面工程等构成。其特点表现为：7采用模拟技术，优化工艺设计三、先进制造工艺技术的发展方向毛坯成型向近无余量及近无“缺陷”的方向发展目标在于应用最新技术成果，直观了解加工及热处理过程，使之能够被监测和控制，从而提高加工的质量和成功率。传统成形(铸、锻、冲、焊、轧)近净成形(NearNetShapeForming)净成形(NetShapeForming)近无缺陷:指不致引起早期失效的临界缺陷。8机械加工向超精密、超高速方向发展——以超精密超高速加工为代表三、先进制造工艺技术的发展方向特种加工方法和应用领域不断拓展——以激光加工技术为代表加工精度进入纳米加工时代加工速度成为克服难加工材料加工问题的一条途径加工工艺——将电、热、光、声、磁作为能源施加到被加工部位，形成特种加工工艺。加工对象——超硬材料、超塑材料、高分子材料等的加入。加工方法——激光、离子束、高压水射流等新方法。9采用自动化技术，实现工艺过程的优化控制——以微机械加工为代表三、先进制造工艺技术的发展方向绿色制造工艺的研究与应用单机、生产线或系统的自动化在线实时测量相关参数、实现加工过程自适应控制工艺设计、加工和物流的自动化研究原则——在不牺牲质量、成本、可靠性、功能或能量利用率的前提下，采用能减轻对环境产生有害影响的制造过程主要分类——节约资源的工艺技术，节省能源的工艺技术，环保型的工艺技术。10加工与设计趋于集成和一体化——以快速原型制造为代表三、先进制造工艺技术的发展方向返回CAD/CAM、FMS、CIMS、CE、快速原型制造等的提出淡化了设计与加工的界限，使之趋于集成和一体化。冷热加工之间、加工过程、物流过程、装配过程之间的界限也趋于消失。11采用模拟技术，优化工艺设计毛坯成型向近无余量及近无“缺陷”的方向发展机械加工向超精密、超高速方向发展——以超精密超高速加工为代表特种加工方法和应用领域不断拓展——以激光加工技术为代表采用自动化技术，实现工艺过程的优化控制——以微机械加工为代表绿色制造工艺的研究与应用加工与设计趋于集成和一体化——以快速原型制造为代表三、先进制造工艺技术的发展方向返回122精密与超精密加工技术13一、精密与超精密加工的重要意义精密与超精密加工属于机械制造工艺中的尖端技术，是发展其他高技术的基础和关键。精密、超精密技术在国家军事领域、宇航领域及民用工业中起着不可代替的重要作用。精密、超精密加工技术的发展状况对一个国家的真正强大有着十分重要的作用。14哈勃空间望远镜的镜片：直径2.4米，重量900公斤；要求在地面上获得0.1角秒的高分辨率：相当于从黑龙江省的黑河能分辨在海南省的三亚市的一辆汽车前面的两个车灯。为了做到这一点，镜头的形状误差不得超过0.01μm；要求如此巨大零件的制造误差落在如此狭窄的范围内(10nm)，是非常复杂的！黑河三亚0.1角秒15依据加工精度和表面粗糙度将机械加工分为一般加工、精密加工和超精密加工。精密加工：是指加工精度和表面质量达到极高精度的加工工艺，通常包括精密切削加工和精密磨削加工。超精密加工：超精密加工是相对于精密加工而言的。是以高精度为目标的加工技术，它要求在综合应用各种新技术和各方面精益求精的条件下，突破常规加工技术达到新的高精度指标。二、基本概念16一般加工：精度1～10μm左右;Ra0.1～0.8μm；精密加工：精度0.1～1μm左右；Ra0.025～0.1μm；超精密加工：精度0.01～0.1μm左右;亚微米级

Ra0.005～0.025μm；纳米加工：精度高于0.001μm;Ra<0.005μm

17与普通切削机理不同，精密、超精密加工中，背吃刀量一般小于晶粒尺寸，甚至小于分子、原子大小。因此，必须克服分子、原子之间非常大的结合力，才能形成微量或超微量切削。微量切削机理三、精密与超精密加工的特点精密检测是超精密加工的必要手段，误差补偿是提高加工精度的有效措施。工件加工的同时进行检测，称为在线检测。采用修正、抵消、均化等措施减小或消除加工中的误差，称为误差补偿。在线检测与误差补偿18精密与超精密加工是涉及内容广泛的综合技术，它要求有精密的机床设备和工具、稳定的环境条件、自动化的实时检测工具等，具体而言精密与超精密加工需要如下的关键技术做支撑：四、精密加工与超精密加工的关键技术精密与超精密加工机床金刚石刀具——破损形式：裂纹、碎裂和解理精密与超精密加工机理——微量加工的特殊性及微量加工理论稳定的加工环境——恒温、防振和空气净化误差补偿理论——提高加工的制造精度，保证加工系统的稳定性精密的测量技术191、精密与超精密加工机床北京机床厂的超精密数控车床（加工直径800mm）日本制造的加工回转体非球曲面的ELID精密镜面磨床超精密光学镜面铣床超精密机床激光干涉仪20主轴的回转精度工作台的直线运动精度刀具的微量进给精度主轴轴承：滚动轴承液体静压轴承空气静压轴承导轨：滚动导轨液体静压导轨空气静压导轨气浮导轨微量进给装置：弹性变形式电致伸缩式磁致伸缩式返回212、金刚石超精密切削金刚石超精密切削的意义金刚石超精密切削要求达到亚微米级以上精度。目前，美国和日本的研究成果已经证实，金刚石超精密切削可得到纳米级精度。不少国防尖端产品零件（如陀螺仪、各种平面与曲面反射镜和透镜、精密仪器仪表及大功率激光系统中的多种零件等）都需要利用金刚石超精密切削来加工。22金刚石超精密切削的关键技术之一——加工机床超精密加工机床特点——要求具有高精度、高刚度、良好的稳定性、抗震性和数控功能。超精密车床主轴的回转精度——当前大多在0.02～0.03um，导轨直线度为0.1～0.2um／250mm，定位精度为0.01um，重复定位精度为0.006um，进给分辨率为0.003um。超精密加工机床布局——一般采用T型布局，不用后顶尖，主轴箱带动工件在铅垂方向运动，刀架溜板做水平运动，这是为了提高主轴的制造精度和运动精度。超精密加工机床主轴轴承——由于滚动轴承影响回转精度的因素较多，所以超精密机床主轴轴承通常采用空气静压轴承。2324床身导轨——超精密机床的床身导轨多采用热膨胀系数低、阻尼特性好、尺寸稳定的花岗岩制造。目前超精密机床导轨主要采用空气静压导轨和液体静压导轨。其中空气静压导轨具有移动精度高、摩擦力小、高速运动时发热小，所以多用于小型机床中。液体静压导轨多用在大中型机床上。微量进给机构——超精密切削时，要实现1um或更小的微量进给,现在应用较广的是磁致伸缩微量进给机构。即利用镍、铁等合金铁磁材料在磁场中，其长度随周围磁场强度的变化而变化的原理。也就是改变电流的大小和时间相位，就可调节进给速度和改变进给方向（使原来伸长变为缩短，原来缩短变为伸长）。金刚石超精密切削的关键技术之一——加工机床25超精密切削时，切削力要超过分子或原了间的巨大结合力，从而使刀刃承受很大的剪切应力，并产外很大的热量，造成刀刃在局部区域内的高应力、高温工作状态，这对于普通的刀具材料是无法承受的，在高温、高压下会快速磨损和软化，使切削无法继续进行。而且为了实现极薄切削，刀具的刃口钝圆半径应达到纳米级（天然金刚石刀具的刃口钝圆半径可达到的极限值为2nm（0.002um）。我国目前还达不到这个极限，只能达到0.08～0.3um）。金刚石超精密切削的关键技术之二——金刚石刀具（1）超精密切削对刀具材料的要求26天然单晶金刚石目前已知的最硬材料，硬度范围为HV8000～HV12000，它的切削性能非常好，主要表现在：导热性好，与金属间的摩擦系数低。因而切削时刀尖温度降低，切削力减小，从而减少了刀具磨损，表面质量提高。耐磨性极好，刀具寿命可达数百小时。弹性模量很高，刚性很好，可减少加工时工件内应力，加工时不会出现崩刀现象。刃口强度高，能磨出及其锋利的刃口。（2）金刚石刀具的特点27超精密加工的材料特点——化学成分应准确、质地均匀、无杂质；力学性能稳定、一致，无外部和内部微观缺陷；加工工艺性能也要有严格的要求，冶炼、铸造、轧辗、热处理等过程必须严格控制，因为温度、熔渣过滤、晶粒大小、均匀性及方向性等对材料的物理、化学、力学及加工性能均有很大影响。（3）适合金刚石刀具加工的材料28（3）适合金刚石刀具加工的材料有色金属及其合金——铜系材料切削性能更优于铝系，但铝系的表面反射率更高。实际中所说的镜面切削就是指用金刚石刀具对铜、铝等有色金属进行的超精密切削。如高密度硬磁盘的铝合金基片、激光器的反射镜、复印机的硒鼓、光学平面镜，凹凸镜、抛物面镜等。树脂及塑料结晶体——如锗结晶体、硅等红外光学材料。29金刚石刀具用于切削铁碳合金材料时，在7000C高温环境下，刀具上的碳原子会向工件材料扩散，刀刃会很快磨损。所以，一般不用金刚石刀具来加工钢铁等黑色金属。这些材料的工件常用立方氮化硼(CBN)等超硬刀具材料进行切削，或进行超精密磨削加工。金刚石刀具超精密切削脆性材料时，加工表面可以不产生脆性裂痕而获得镜面，这涉及极薄切削时脆性材料塑性切除的脆塑转换问题。（3）适合金刚石刀具加工的材料301）温度：一般应控制在200±(0.02～1)0C，在恒温室进行加工。2）湿度：应恒定，一般保持在35—45%。3）净化：空气净化等级在100～10000级。4）防振：消除内部振动，隔绝外部振动。金刚石超精密切削的关键技术之三——加工环境返回313、精密与超精密加工理论微量加工的基本现状目前以金刚石刀具切削和金刚石砂轮磨削为典型代表方式。金刚石刀具具有很高的高温强度和高温硬度且质地细密，切削刃钝圆半径可达0.02-0.05μm，甚至2nm(纳米级切削)。精密与超精密加工的关键是能够在被加工表面上进行微量加工，其加工量的大小标志着加工的水平。32微量加工的材料破坏方式单位体积切削能量(J/cm3):微量加工的加工单位由切削应力作用区域和材料微观缺陷共同决定。从工件上去除的一块材料的大小（切削应力所作用的区域）即是加工单位。指在产生某加工单位切削时，消耗在单位体积上的加工能量。33“蜕化”原则或“母性”原则——依靠机床的精度来保证，要求机床的精度高于工件的精度。“进化”或“创造性”加工原则——在精度比工件低的机床上加工出高精度的工件，因而精密或超精密加工设备必须具备在线检测和误差补偿能力。保证加工精度的原则及途径返回343超高速加工技术35超高速加工是相对于高速加工而言的，高速加工的速度不能简单地用某一切削速度数值来定义，因为不同的切削条件、不同的切削材料，往往具有不同的高速切削速度范围。国外学者认为：机床主轴转速8000～12000r/min为准高速切削；15000～50000r/min为高速切削；大于50000r/min为超高速切削。国内学者则认为：超高速切削加工是一种比常规切削速度高得多(10倍左右)的速度对零件进行加工的先进技术，它以高的加工速度、高的加工精度为主要特征。36超高速加工概念——一种用比常规高很多（一般是10倍以上）的速度对零件进行加工的先进技术，它以高加工速度、高加工精度为主要特征，具有非常高的生产效率。超高速切削理论——在常规切削速度范围内，切削温度随着切削速度的增加而提高，但是当切削速度增大到某一切削速度以后，切削速度在增加，切削温度反而降低，针对不同的材料，临界的切削速度不同。一、基本概念37超高速加工的研究，起源于上世纪30年代，当时德国学者卡尔.萨洛蒙博士做了一项研究。他用大直径的圆锯片对不同材料的工件进行了高速切削实验，得到了著名的萨洛蒙曲线。二、超高速加工的起源与发展1931.4超高速切削理论发表1979法国维纳博士高效深磨机理学说38非铁金属(铝)铸铁钢切削温度切削速度m/min萨洛蒙曲线39A——常规切削区域B——不能切削的区域C——高速切削区域

T——刀具耐受温度T40可以看出，不同材料，随切削速度的提高，切削温度的变化不同。

在常规切削区域，切削温度随着切削速度提高而升高，但当切削速度达到某一临界值时，切削速度进一步提高，切削温度反而下降。那么如果能找到这个临界切削速度值，切削加工时，就可以避开这一过渡区域，直接进入高速切削区。411977年，美国第一次在数控铣床上实现了超高速切削。当时进行了主轴转速为18000r/min、30000r/min、100000r/min的三种高速切削试验，切削速度达1980m/min。1989年，德国经过系统研究，提出了7种工件材料的高速切削速度范围，其研究得到了国际上的公认，至今仍是大家认可的高速切削速度。42七种材料高速切削速度范围（网格部分）43加工效率高切削力小热变形小加工精度高，表面质量好减少后续加工工序三、超高速加工的特点及其应用44航空航天航空航天工业中许多带有大量薄壁、细筋的大型轻合金整体构件及许多镍合金、钛合金零件等。三、超高速加工的特点及其应用汽车工业由高速数控机床和高速加工中心组成高速柔性生产线，可以实现多品种、中小批量的高效生产。45汽车轮毂螺栓孔高速加工实例（日产公司）46模具制造用高速铣削代替传统的电火花成形加工，可使模具制造效率提高3～5倍，大大缩短模具制造周期和制造费用。仪器仪表手机模具铝合金箱模具47四、超高速加工的关键技术超高速主轴单元制造技术——主轴动力源、主轴、轴承和机架；超高速进给单元制造技术——进给伺服驱动技术、滚动元件技术、检测单元技术和其他边界密封润滑技术等；超高速机床支承及其辅助单元制造技术；超高速加工用刀具、磨具及材料；超高速加工测试技术。48机床主轴由内装式电动机直接驱动，从而把机床主传动链的长度缩短为零，实现了机床的“零传动”。电主轴是一种智能型功能部件，它采用无外壳电动机，将带有冷却套的电动机定子装配在主轴单元的壳体内，转子和机床主轴的旋转部件做成一体，主轴的变速范围完全由变频交流电动机控制，使变频电动机和机床主轴合二为一。高速主轴单元49高速主轴主要有三种形式——滚珠轴承高速主轴静压轴承高速主轴磁浮轴承高速主轴高速主轴单元50高速主轴轴承的最新发展是使用陶瓷混合滚动轴承。即轴承外圈是轴承钢，而滚珠是由氮化硅陶瓷制成。陶瓷滚珠密度比钢珠低大约60%，所以可大幅度降低离心力；（1）滚珠轴承高速主轴陶瓷的弹性模量E比钢高50%，所以滚珠尺寸相同时，轴承具有更高的刚度。氮化硅摩擦系数也低，可减少摩擦发热，减少磨损。51液体静压轴承高速主轴的最大特点是运动精度很高，回转误差一般在0.2um以下，因而不但可提高刀具使用寿命，而且可以达到很高的加工精度和很低的表面粗糙度。（2）静压轴承高速主轴液体静压轴承的不足之处是高压液压油会引起油温升高，造成热变形，且驱动功率损失较大。52空气静压轴承可使主轴的转速和回转精度更高。最高转速可达10000转，回转误差在50nm以下。（2）静压轴承高速主轴缺点是承载能力较低，不适合材料切除量大的场合，且使用高清洁度压缩空气，故使用费用和维护费用较高。53磁浮轴承的工作原理如图所示。电磁铁绕组通如电流，对转子产生吸引力，使转子处于悬浮的平衡位置，当转子受到干扰，偏离平衡位置时，由传感器将检测到的位移信号送至控制器，控制器将位移信号转换成控制信号，再经功率放大器变换成控制电流，通过改变控制电流改变吸引力方向和大小，使转子重新回到平衡位置。（3）磁浮轴承高速主轴1-电磁铁（定子）2-传感器3-转子54位移传感器一般为非接触式，通常为5～7个，对其灵敏度和可靠性要求较高。（3）磁浮轴承高速主轴磁浮轴承的优点：高精度、高转速、高刚度。缺点：机械结构复杂，需要一整套传感器系统和控制电路，因此造价较高。55返回56超高速机床进给单元超高速机床进给速度，一般为普通机床进给速度的5-10倍，且能瞬时达到高速，瞬时准确停止。系统具有很好的加速和减速特性。实现上述进给单元的高性能，需要采用直线电机驱动。57直线电机工作原理及其结构直线电机是一种通过将封闭式磁场展开为开放式磁场，将电能直接转化为直线运动的机械能，而不需要任何中间转换机构的传动装置。58在机床进给系统中，采用直线电动机直接驱动与原旋转电机传动的最大区别是取消了从电机到工作台（拖板）之间的机械传动环节，把机床进给传动链的长度缩短为零，因而这种传动方式又被称为“零传动”。正是由于这种“零传动”方式，带来了原旋转电机驱动方式无法达到的性能指标和优点。直线电机和传统的旋转电机+滚珠丝杠运动系统的比较59直线电机和传统的旋转电机+滚珠丝杠运动系统的比较序号比较内容直线电机旋转电机+丝杆1最大推力<14500(N)<240000(N)2最大加速度>100米/秒*秒(10G)<1米/秒*秒(1G)3最大速度5米/秒(m/s)<1.5米/秒(m/s)4最大行程<50米/秒(m/s)<6米/秒(m/s)5刚度高低6运行平稳高速有噪音7反向间隙无(直接驱动)3-50um(有中间机械传动部件)8寿命长短9精度高低10效率高低11成本高低12主要应用响应快,速度和精度要求高的场合普通应用60直线电机的典型应用——磁悬浮列车磁悬浮列车就是用直线电机来驱动的。磁悬浮列车由直线电机牵引，直线电机的一个级固定于地面，跟导轨一起延伸到远处；另一个级安装在列车上，初级通以交流，列车就沿导轨前进。61直线电机的典型应用——磁悬浮列车磁悬浮列车上装有电磁体，地面导轨安装线圈。通电后，地面线圈产生与列车上的电磁体相同的极性，排斥力使列车悬浮起来。铁轨两侧装有线圈，交流电使线圈变为电磁体。列车头的电磁体（N极）被轨道上靠前一点的电磁体（S极）所吸引，同时被轨道上稍后一点的电磁体(N极）所排斥，一“推”一“拉”的电磁作用力，使列车前进。62直线电机的典型应用——磁悬浮列车返回63高速切削刀具高速切削的刀具材料主要是金刚石和聚晶立方氮化硼（PCBN）,其它还有硬质合金、陶瓷等。超硬刀具材料普通刀具材料64天然金刚石价格昂贵，常用聚晶金刚石代替。聚晶金刚石是人造金刚石的一种，硬度仅次于天然金刚石。其价格比较便宜，且耐磨性好，目前，已在大部分场合代替天然金刚石。高速切削刀具立方氮化硼CBN的性能：1）较高的硬度和耐磨性。CBN晶体结构与金刚石相似，化学键类型相同，晶格常数相近，因此CBN具有仅次于金刚石的高硬度和耐磨性。652）高的热稳定性。明显优于金刚石刀具。3）良好的化学稳定性。CBN在1200℃～1300℃时不会与铁系材料发生化学反应。在2000℃时才与碳反应，这比金刚石材料好得多，特别适合加工钢铁材料。4）良好的导热性。导热性仅次于金刚石。5）较低的摩擦系数。使得切削力和切削变形减小，提高了表面加工质量。高速切削刀具66高速切削刀具结构应进行动平衡。现在常采用短锥柄，要求定位锥面和端面同时接触。因为极高的切削速度会引起极大的离心力使刀柄折断。还应注意刀具与刀柄的连接形式。高速切削刀具67瑞士DHP40型高速精密卧式镗铣加工中心（主轴转速24000转/分）HSK40刀柄系列返回68指通过传感、分析、信号处理等对超高速机床及系统进行实时在线检测和控制，其主要内容包括对超高速加工系统状态及对加工工件的尺寸、形状、位置精度及加工表面质量进行控制。4、超高速加工测试技术返回69五、超高速加工的发展趋势超高速切削：铝合金、铸铁加工，3倍；特种合金加工，10倍；加工纤维增强材料超高速磨削：磨削加工自动化各类高速、高效磨削技术的开发超硬磨料、磨具的推广应用总趋势即是采用现代超硬材料做工具，运用现代超高速切削、磨削技术和现代高柔性高自动化设备，实现零件加工的高速、高效、精密和数控化。返回704高能束加工技术71高能束加工技术是利用激光束、电子束、离子束和高压水射流等高能量密度的束流，对材料或构件进行特种加工的技术。它是当今世界上高技术与制造技术相结合的产物，是一个典型的多学科交叉的研究领域，研究内容涉及光学、电学、热力学、冶金学、金属物理、流体力学、材料科学、真空学、机械设计和自动控制以及计算机技术等多种学科。一、高能束加工技术的概念及特点高能束流加工技术从横向上包括激光束、电子束、离子束及等离子体以及高能束流复合加工技术等；从纵向上包括高能束流焊接、高能束流切割、高能束流打孔、高能束流热处理等领域。此外随着科技的进步，高能束流加工在抛光等方面也有应用。72可聚焦为很细的束流，用于微细加工一、高能束加工技术的概念及特点能量束流的密度很高束流能够聚焦且有极高的能量密度，激光加工、电子束加工可使坚硬、难熔的材料在瞬间熔融汽化，而离子束加工是以极大能量撞击零件表面，使材料变形、分离破坏。能量密度可控，可进行全方位的加工材料的适用性强，可适用于金属、非金属材料等731、概念2、分类3、激光加工特点4、激光加工设备5、激光加工的主要应用领域6、激光加工技术研究开发的重点领域二、激光加工技术741、基本概念激光加工(laserbeammachining，LBM）是利用光能经透镜聚焦后以极高的能量密度在光热效应下产生高温熔融和冲击波的综合作用，藉此加工各种材料的一种新工艺。通过光学系统将激光束聚焦成功率密度可达107～1011w/cm2的极小光斑，温度可达一万摄氏度，将材料在瞬间（10-3s）熔化和蒸发，工件表面不断吸收激光能量，凹坑处的金属蒸汽迅速膨胀，压力猛然增大，熔融物被产生的强烈冲击波喷溅出去。752、激光加工的分类根据激光束与材料间的相互作用，可将激光加工分为激光热加工和光化学反应两类。激光热加工是指利用激光束投射到材料表面产生的热效应来完成加工过程。激光热加工包括激光焊接、激光切割、表面改性和激光打标等。光化学反应是指激光束照射到物体上，借助高密度高能光子引发或控制光化学反应的加工过程。光化学反应包括光化学沉积、立体光刻、激光蚀刻等。763、激光加工的特点由于激光加工的功率密度高，几乎可以加工任何材料；激光属非接触式加工，无明显机械切削力，因而具有无工具损耗、加工速度快、热影响区小、热变形和加工变形小，易实现自动化等优点；能透过透视窗孔对隔离室或真空室内的零件进行加工；激光可聚焦形成微米级光斑，输出功率大小可调节，常用于精密细微加工，最高加工精度可达0.001mm，表面粗糙度Ra值可达0.4～0.1；能源消耗少，无加工污染，在节能、环保等方面有较大优势。

774、激光加工设备的核心——激光器激光加工设备包括激光器、导光聚焦系统和激光加工系统。激光器是激光加工设备的核心，它能把电能转换成激光束输出。常用的激光器有固体和气体两大类。固体激光器常由主体光泵（激励源）及谐振腔（由全反射镜、半反射镜组成）、工作物质（一些发光材料如钇铝石榴石、红宝石、钕玻璃等）、聚光器、聚焦透镜等组成。78固体激光器中激光的产生与加工原理79（1）激光打孔激光打孔主要用于特殊材料或特殊工件上的孔加工，如仪表中的宝石轴承、陶瓷、玻璃、金刚石拉丝模等非金属材料和硬质合金、不锈钢等金属材料的细微孔的加工。激光打孔的效率非常高，打孔时间甚至可缩短至传统切削加工的百分之一以下，生产率大大提高。激光打孔的精度很高，尺寸公差等级可达IT7，表面粗糙度Ra值可达0.16～0.08。5、激光加工的主要应用领域80（2）激光焊接激光器利用原子受激辐射的原理，使物质受激而产生波长均一，方向一致和强度非常高的光束。，激光束经聚焦后，将焦点调节到焊件结合处，光能迅速转换成热能，使金属瞬间熔化，冷却凝固后成为焊缝。激光束焊接是以聚集的激光束作为能源的特种熔化焊接方法。焊接用激光器有YAG固体激光器和CO2气体激光器，此外还有CO激光器、半导体激光器和准分子激光器等。81（3）激光切割激光切割是利用聚焦以后的高功率密度激光束连续照射工件，光束能量以及活性气体辅助切割过程，附加的化学反应热能均被材料吸收，引起照射点材料温度急剧上升，到达沸点后材料开始汽化，并形成孔洞，且光束与工件相对移动，使材料形成切缝，切缝处，熔渣被一定压力的辅助气体吹除。82激光切割是激光加工中应用最广泛的一种，主要是其切割速度快、质量高、省材料、热影响区小、变形小、无刀具磨损、没有接触能量损耗，噪音小，易实现自动化，而且还可穿透玻璃切割真空管内的灯丝，由于以上诸多优点，深受各制造领域欢迎，不足之处是一次性投资较大，且切割深度受限。（3）激光切割83（4）激光表面热处理当激光能量密度在103～105w/cm2左右时，对工件表面进行扫描，在极短的时间内加热到相变温度（由扫描速度决定时间长短），工件表层由于热量迅速向内传导快速冷却，实现了工件表层材料的相变硬化（激光淬火）。与其它表面热处理比较，激光热处理工艺简单，生产率高，工艺过程易实现自动化。一般无须冷却介质，对环境无污染，对工件表面加热快，冷却快，硬度比常温淬火高约15%～20%；耗能少，工件变形小，适合精密局部表面硬化及内孔或形状复杂零件表面的局部硬化处理，但激光表面热处理设备费用高，工件表面硬化深度受限，因而不适合大负荷的重型零件。84（5）激光打标与激光雕刻激光打标样品激光雕刻样品85（6）激光蚀刻86（7）其它应用及研究进展近年来，各行业中对激光合金化、激光抛光、激光冲击硬化法、激光清洗模具技术也在不断深入研究及应用中。激光薄件焊接主要用于宇航业及汽车业，而激光焊接大厚件将主要用于核工业、造船、石油、军用车辆、越野车等方面。应用方面，主要利用激光焊接镀锌板、铝板、核电站散热管、高压气瓶、输油管道等；激光切割的应用领域及材料范围也越来越广。876、激光加工技术研究的重点领域新型工业激光器的研制精细激光加工技术激光加工系统的智能化在等离子+激光复合焊接，氩弧焊+激光复合焊接，激光质量检测技术基础(如温度场、等离子体监测等)等方面，对激光加工技术的机理开展了研究工作。88三、电子束加工技术1、电子束加工的基本原理

2、电子束加工的特点

3、电子束加工的应用4、电子束加工技术进展891、电子束加工的基本原理

在真空中从灼热的灯丝阴极发射出的电子，在高电压（30～200千伏）作用下被加速到很高的速度，通过电磁透镜聚焦后能量密度为106～109w/cm2的极细电子束。高速束流冲击到工件表面上极小的部位，并在几分之一微秒时间内，电子束的能量大部分转换为热能，使工件被冲击部位的材料达到几千摄氏度，致使材料局部熔化或蒸发，从而可进行焊接、穿孔、刻槽和切割等去除材料的加工。90电子束加工原理图1—电源及控制系统2—抽真空系统3—电子枪系统4—聚焦系统5—电子束6—工件912、电子束加工的特点

电子束强度、位置、聚焦可精确控制，电子束通过磁场和电场可在工件上以任何速度行进，便于自动化控制。电子束能聚焦成很小的斑点（直径一般为0.01～0.05毫米），适合于加工微小的圆孔、异形孔或槽；功率密度高，能加工高熔点和难加工材料，如钨、钼、不锈钢、金刚石、蓝宝石、水晶、玻璃、陶瓷和半导体材料等；加工速度快，如在0.1毫米厚的不锈钢板上穿微小孔每秒可达3000个，切割1毫米厚的钢板速度可达240毫米／分。（1）电子束加工的优点92高功率密度属非接触式加工，工件不受机械力作用，即无机械接触作用，很少产生宏观应力变形，同时也无工具损耗问题。电子束加工可节省材料，广泛用于焊接，其次是薄材料的穿孔和切割。穿孔直径一般为0.03～1.0毫米，最小孔径可达0.002毫米。切割0.2毫米厚的硅片，切缝仅为0.04毫米。环境污染少适合加工纯度要求很高的半导体材料及易氧化的金属材料。（1）电子束加工的优点932、电子束加工的特点

由于使用高电压，会产生较强X射线，必须采取相应的安全措施；需要在真空装置中进行加工；设备造价高等。（2）电子束加工的缺点943、电子束加工的应用不锈钢、耐热钢、宝石、陶瓷、玻璃等各种材料上的小孔、深孔。最小加工直径可达0.002mm，最大深径比可达10。像机翼吸附屏的孔、喷气发动机套上的冷却孔，此类孔数量巨大（高达数百万），且孔径微小，密度连续分布而孔径也有变化，非常适合电子束打孔，（1）电子束打孔95塑料和人造革上打许多微孔，令其象真皮一样具有透气性。一些合成纤维为增加透气性和弹性，其喷丝头型孔往往制成异形孔截面，可利用脉冲电子束对图形扫描制出。（1）电子束打孔96还可凭借偏转磁场的变化使电子束在工件内偏转方向加工出弯曲的孔。（1）电子束打孔可对各种材料进行切割，切口宽度仅有3～6μm。利用电子束再配合工件的相对运动，可加工所需要的曲面。（2）电子束切割97当使用低能量密度的电子束照射高分子材料时，将使材料分子链被切断或重新组合，引起分子量的变化即产生潜象，再将其浸入溶剂中将潜象显影出来。把这种方法与其它处理工艺结合使用，可实现在金属掩膜或材料表面上刻槽。（3）光刻用计算机控制，对陶瓷、半导体或金属材料进行电子刻蚀加工；异种金属焊接；电子束热处理等。（4）其它应用984、电子束加工技术进展电子束加工技术的主要应用是电子束焊(EBW)，经过30多年的发展，现已成为较成熟的技术，处于平稳发展、扩大应用阶段。研究工作集中在焊缝实时跟踪、电子束加热温度场计算机模拟计算、大功率二极枪的研究（间热式阴极、高压放电保护）、电子束能量密度测试、电子束焊接专家系统等方面。在应用研究方面，主要是对大气条件下电子束焊接的设备和工艺的研究以及电子束焊接大厚件的研究。994、电子束加工技术进展电子束物理气相沉积(EB-PVD)技术在航空发动机制造业日益受到重视。俄罗斯、乌克兰等国先后把该技术用于航空发动机叶片的热障涂层以及叶片的制造、金属材料的制备等方面。现在这一技术日益得到西方的重视，例如美国P&W公司与乌克兰巴顿焊接所成立了该项技术的合资公司，以尽快在美国推广该项技术。100四、离子束加工技术1、离子束加工的基本原理

2、离子束加工的特点

3、离子束加工的应用4、离子束加工技术进展101离子束加工的物理基础——当离子束打击到材料表面上，会产生所谓撞击效应、溅射效应和注入效应，从而达到不同的加工目的。离子束与电子束的区别——因为离子带正电荷且质量是电子的千万倍，且加速到较高速度时，具有比电子束大得多的撞击动能，因此，离子束撞击工件将引起变形、分离、破坏等机械作用，而不像电子束是通过热效应进行加工。1、离子束加工的基本原理

102离子束加工（ionbeammachining，IBM）概念——是在真空条件下利用离子源（离子枪）产生的离子经加速聚焦形成高能的离子束流投射到工件表面，使材料变形、破坏、分离以达到加工的目的。1032、离子束加工的特点加工精度高。因离子束流密度和能量可得到精确控制。在较高真空度下进行加工，环境污染少。特别适合加工高纯度的半导体材料及易氧化的金属材料。加工应力小，变形极微小，加工表面质量高，适合于各种材料和低刚度零件的加工。1043、离子束加工的应用刻蚀加工；镀膜加工；离子溅射沉积离子注入加工。105（1）离子刻蚀氩离子带0.1～5keV的能量轰击工件表面时，高能离子所传递的能量超过工件表面原子（或分子）间键合力，材料表面的原子（或分子）被逐个溅射出来，达到加工目的离子束加工本质上属于一种原子尺度的切削加工，通常又称为离子铣削。离子束刻蚀可用于加工空气轴承的沟槽、打孔、加工极薄材料及超高精度非球面透镜，还可用于刻蚀集成电路等的高精度图形。106（2）离子溅射沉积采用能量为0.1～5keV的氩离子轰击某种材料制成的靶材，将靶材原子击出并令其沉积到工件表面上并形成一层薄膜。此法实际上为一种镀膜工艺。107（3）离子镀膜离子镀膜一方面是把靶材射出的原子向工件表面沉积，另一方面还有高速中性粒子打击工件表面以增强镀层与基材之间的结合力（可达10～20MPa），此法适应性强、膜层均匀致密、韧性好、沉积速度快，目前已获得广泛应用。108（4）离子注入用5～500keV能量的离子束，直接轰击工件表面，由于离子能量相当大，可使离子钻进被加工工件材料表面层，改变其表面层的化学成分，从而改变工件表面层的机械物理性能。此法不受温度及注入何种元素及粒量限制，可根据不同需求注入不同离子（如磷、氮、碳等）。注入表面元素的均匀性好，纯度高，其注入的粒量及深度可控制，但设备费用大、成本高、生产率较低。109航空、航天高技术发展的需求牵引，给等离子加工技术注入了活力。等离子切割、等离子焊接、等离子喷涂以及等离子体源离子注入和离子刻蚀技术都得到迅速发展。国外对等离子体加工技术的研究和应用给予了很大重视。俄罗斯新西伯利亚科学分院对等离子射流的研究很深入，推动了等离子矩的发展，并且研制了等离子设备软件。乌克兰巴顿焊接研究所在超音速火焰喷涂、微束等离子喷涂、爆炸喷涂等方面开展了大量的研究、应用工作。等离子束流加工技术又从航空、航天动力装置特殊功能涂层的真空喷涂，发展到制备特种整体机构件，即等离子喷涂成形技术。4、离子束加工技术进展110可聚焦为很细的束流，用于微细加工高能束加工技术能量束流的密度很高激光加工、电子束加工可使坚硬、难熔的材料在瞬间熔融汽化，离子束加工是以极大能量撞击零件表面，使材料变形、分离破坏。能量密度可控，可进行全方位的加工材料的适用性强，可适用于金属、非金属材料等高压水射流技术？？111五、高压水射流加工技术1、高压水射流加工的基本原理

2、高压水射流加工的特点

3、高压水射流加工的应用4、高压水射流加工技术进展1121、高压水射流加工的基本原理

高压水射流基本原理——运用液体增压原理，通过特定的装置（增压口或高压泵），将动力源(电动机)的机械能转换成压力能，具有巨大压力能的水在通过小孔喷嘴(又一换能装置，其直径为0.1mm至0.5mm

)，再将压力能转变成动能，从而形成高速射流。高压水射流系统——主要由增压系统、供水系统、增压恒压系统、喷嘴管路系统、数控工作台系统、集水系统及水循环处理系统等构成。1131、高压水射流加工的基本原理

工作原理——油压系统低压油(10～30MPa)推动大活塞往复来回移动，其方向由换向阀自动控制。供水系统先对水进行净化处理，并加入防锈添加剂等，然后由供水泵打出低压水从单向阀进入高压缸。增压恒压系统包括增压器和蓄能器两部分，增压器利用增压原理可输出100MPa-750MPa的高压水。1142、高压水射流加工的特点

切割品质优异

——水射流是一种冷加工方式，‘水刀’不磨损且半径很小，能加工具有锐边轮廓的小圆弧。加工本身无热量产生且加工力小，加工表面不会出现热影响区，自然切口处材料的组织结构不会发生变化，也几乎不存在热和机械的应力与应变，切割缝隙(纯水切割之切口约为0.1mm至1.1mm，砂水混流切割之切口约为0.8mm至1.8mm。随着砂刀管的直径扩口，其切口也就愈大)及切割斜边都很小(大部份所看到好的切割品质之单侧斜边为0.076mm至0.102mm之间)，无需二次加工，无裂缝、无毛边、无浮渣，因此其切割品质优良。1152、高压水射流加工的特点

几乎没有材料和厚度的限制——无论是金属类如普通钢板、不锈钢、铜、钛、铝合金等，或是非金属类如石材、陶瓷、玻璃、橡塑、纸张及复合材料，皆可适用。节省成本——水切割所产生横向及纵向的作用力极小，不会产生热效应或变形或细微的裂缝，不需二次加工，既可钻孔亦可切割，降低了切割时间及制造成本。清洁环保无污染——在切割过程中不产生弧光、灰尘及有毒气体，操作环境整洁，符合严格的环保要求。1163、高压水射流加工的应用切割方面——纯水切割方面，水切割技术结合机器人技术广泛应用于汽车、航空、制衣、橡胶、塑料等行业；加工磨料切割方面，应用面已涉及到石材、玻璃、金属、复合材料、建筑陶瓷、防弹玻璃、防弹材料等各个行业。1173、高压水射流加工的应用切割方面——对于汽车行业，早期手工加工汽车内饰件的切边及打孔的方法，由于效率低下、产品精度差、劳动强度大，已不能满足汽车业发展的需求。而与机器人相结合的水射流设备脱颖而出。高压水管以螺旋形绕在机器人手臂上，利用机器的手臂和手腕可使水切割头的喷嘴快速沿直线或弧线运行，达到3维加工内饰件的目的。国内包括上海大众、上海通用、一汽大众、天津丰田、广州本田、神龙富康、南京南亚等众多车型的内饰件配套厂商已使用高压水射流设备进行内饰件的加工。1183、高压水射流加工的应用工业清洗方面——可应用于汽车业之喷漆房清洗、石化业之热交换器内外管清洗、飞机跑道之橡胶清洗、工业上之除锈及防蚀工程表面处理、航天工业引擎零件之清洗、核能发电厂之清除辐射污染等行业。近几年，国外已有公司通过超高压技术，将其应用于食品杀菌达到食品保鲜的目的，并已成功打入食品保鲜行业（如美国著名的HEMELL公司已使用超高压设备进行食品保鲜），取得了良好的口碑。1194、高压水射流加工技术进展水射流切割主要应用在建筑陶瓷、石材、玻璃的深加工和金属板材的半精加工方面。随着这项应用技术逐步被社会认识，还会渗透到更广阔的领域，尤其是复合材料加工领域。作为水射流技术应用的另一个方面——­­­超高压水清洗，其应用前景上也是非常好的。但它的难度更大，需投入的人力和物力也更多。超高压技术应用于食品保鲜行业。120可聚焦为很细的束流，用于微细加工高能束加工技术能量束流的密度很高激光加工电子束加工离子束加工能量密度可控，可进行全方位的加工材料的适用性强，可适用于金属、非金属材料等高压水射流技术？？121高能束流诸多加工技术已在多种制造领域取得了较为广泛的应用，是本世纪先进制造技术中不可缺少的特种加工技术。随着激光、电子束、等离子体等高能束流品质的发展，高能束流加工技术及其设备将不断改进，其加工质量会更高，加工制造领域会更广。高能束流加工技术以高能量密度束流（电子束、激光、离子束等）为热源与材料作用，从而实现材料去除、连接、生长和改性。高能束流加工技术已经应用到焊接、表面工程和快速制造等方面，在航空、航天、船舶、兵器、交通、医疗等诸多领域发挥了重要作用。六、高能束加工技术的发展趋势返回5微机械及其微细加工技术123一、微型机械概述微型机械Micromachine，是日本的习惯用语。在美国，是指MicroElectro-MechanicalSystem（MEMS），简称为微电子机械系统或微型机电系统。在欧洲，它又被称为微系统（Microsystems）124在微小尺寸范围内，机械依其特征尺寸可以划分为：1～10mm的微小型机械；1μm～1mm的微型机械;1nm一1μm的纳米机械。125基于碳纳米管的齿轮、齿轮-齿条微行星齿轮传动微光学元件微通道散热器126二、微型机电系统简介微机电系统，是在微电子技术基础上结合精密机械技术发展起来的一个新的科学技术领域。MEMS技术为传统的“机械学”打开了“微尺寸”这个新领域的大门，同时也是真正实现“机电一体化”的开始。MEMS被认为是微电子技术的又一次革命，对21世纪的科学技术、生产方式和人类生活质量都会有深远的影响127所谓微型机械从广义上包含了微小型机械和纳米机械，但并非单纯微小化，而是指可批量制作的、集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、接口、通讯和电源等于一体的微型机电器件或其综合体。（1）微型机电系统概念128（2）微型机电系统的特点微型化——MEMS器件体积小、重量轻、耗能低、惯性小、谐振频率高、回应时间短。以硅为主要材料，机械电器性能优良。硅的强度、硬度及弹性模量与铁相当，密度类似铝，热传导率接近钼和钨。大量生产——用硅微加工工艺在一片硅片上可同时制造出成百上千个微型机电装置或完整的MEMS。批量生产可大大降低生产成本。129集成化——可以把不同功能、不同敏感方向或致动方向的多个感测器或执行器集成于一体，或形成微感测器阵列、微执行器阵列，甚至把多种功能的器件集成在一起，形成複杂的微系统。微感测器、微执行器和微电子器件的集成可製造出可靠性、稳定性很高的MEMS。多学科交叉——MEMS涉及电子、机械、材料、製造、资讯与自动控制、物理、化学和生物等多种学科，并集中了当今科学技术发展的许多尖端成果。130（3）MEMS技术的发展微系统是从微传感器发展而来，已有几次突破性的进展70年代微机械压力传感器产品问世；80年代末研制出硅静电微马达；90年代喷墨打印头，硬盘读写头、硅加速度计和数字微镜器件等相继规模化生产；充分展示了微系统技术及其微系统的巨大应用前景131（4）MEMS的典型产品产品主要应用领域研制国家及单位主要工艺方法硅压力传感器航空航天，医疗器械美国斯坦福大学，加州弗里蒙特新传感器制造公司，日本横河电机公司等异向刻蚀工艺及加硼控制法微加速度传感器航空航天，汽车工业美国斯坦福大学，加州弗里蒙特新传感器制造公司，德国卡尔斯鲁核研究中心微结构技术研究所，瑞士纳沙泰尔电子和微型技术公司等制版术和刻蚀工艺，LIGA技术微型温度传感器航空航天，汽车工业美国斯坦福大学，加州弗里蒙特新传感器制造公司等制版术和刻蚀工艺螺旋状振动式压力传感器和加速度传感器航空航天，汽车工业德国慕尼黑夫琅霍费固体工艺研究所等制版术和刻蚀工艺智能传感器微机械人德国菲林根施韦宁根微技术研究所制版术和刻蚀工艺微型冷却器航空航天和电子工业，用于集成电路中美国斯坦福大学，加州弗里蒙特新传感器制造公司等制版术和异向刻蚀工艺微型干涉仪类似于电子滤波器美国IC传感器制造公司等制版术和刻蚀工艺132（4）MEMS的典型产品产品主要应用领域研制国家及单位主要工艺方法硅材油墨喷嘴计算机设备美国斯坦福大学异向刻蚀工艺分离同位素的微喷嘴核工业德国卡尔斯鲁核研究中心微结构技术研究所等LIGA技术微型泵医疗器械，电子线路日本东北大学，荷兰特温特大学，德国慕尼黑夫琅霍费固体工艺研究所等刻蚀工艺和堆装技术微型阀医疗器械德国慕尼黑夫琅霍费固体工艺研究所制版术和刻蚀工艺微型开关（密度12400个/cm2)航空航天和武器工业美国明尼苏达州大学制版术和异向刻蚀工艺微齿轮，微弹簧及微曲柄，叶片，棘轮微执行机构，核武器安全装置美国加利福尼亚大学伯克利分校，圣迪亚国家实验室分离层技术，制版术和刻蚀工艺直径的微静电电机计算机和通讯系统的控制美国加利福尼亚大学伯克利分校，麻省理工学院分离层技术133（5）MEMS的具体应用生物医学领域——如对细胞进行操作的许多微机械，如微物件的操作台、微手术钳等。还可利用微型植入式机器人对人体内脏和血管进行送药、诊断和手术等操作。流体控制领域——如利用微型阀、微型泵进行流量元素分析、微流量测量和控制等。MEMS可以广泛地应用于国防工业、航空航天、生物医学等行业，具体应用领域有:134资讯仪器领域——利用扫描隧道显微镜STM可将1Mbit的资讯储存在1μm的晶片上。另外，微磁头、微打印头可以完成资讯的输人、输出及传递工作。航空航天领域——利用微型感测器和微型仪器，监测石油输送情况。微型卫星和小卫星在此领域也完成了许多情报搜集工作。微机器人——微机器人是微系统最典型的应用。在许多特殊场合，比如在人难以接近或不能接近的空间中，可以用微机器人来完成人的工作，如狭小空间中的机器人、电缆维修机器人等。135美国提出的硅固态卫星的概念图，这个卫星除了蓄电池外，全由硅片构成，直径仅15cm136三、MEMS的关键技术随着MEMS尺寸的缩小，许多物理现象与宏观世界有很大差别。很多原来的理论基础都会发生变化，如尺度效应、微结构的表面效应、微观摩擦机理等。1、基础性理论研究137微观世界绝对不是人们所习惯的宏观世界的比例缩小！尺度效应！138假设，巨人身长是普通人的12倍：臂膀重量是普通人的123=1728倍；举起臂膀时其重心升高的距离是普通人的12倍；巨人肌肉的牵引力是普通人的122=144倍；肌肉的牵引距离是普通人的12倍；做功的能力是普通人的123=1728倍。139“巨人”大到一定的程度，根本就举不起自己的臂膀！“巨人”将会虚弱不堪！事实上，其活动能力只有普通人的1/12。如果按比例放大：140千万不要以为大事物是小事物的比例放大千万不要以为小事物是大事物的比例缩小141在微尺度上，固体甚至不再具有确定的“表面”。“均匀连续”、“各向同性”以及“线性化”等假设,在微尺度上将不再成立。一些宏观的物理量,如弹性模量、摩擦系数、密度、温度等,已失去意义,或者需要重新定义。142系统建模技术微结构的有限元和边界分析CAD/CAM仿真与模拟技术等2、微系统设计技术3、微细加工技术4、微装配工艺5、微系统测量技术143四、微细加工技术微细加工（Microfabrication）起源于半导体制造工艺，原来指加工尺度约在微米级范围的加工方式。在微机械研究领域中，它是微米级，亚微米级乃至毫微米级微细加工的通称。制造微机械常采用的微细加工又可以进一步分为微米级微细加工(Micro-fabrication)，亚微米级微细加工(Sub-micro-fabrication)和纳米级微细加工(Nano-fabrication)等。广义上的微细加工技术，几乎涉及了各种现代特种加工、高能束等加工方式。144大机器制造小机械，小机器制造微机械——日本为代表如用小型精密机床或电火花、高能束流等特种加工方法制作精密微器件。1、微细机械加工145图为日本Fanuc公司生产的加工微型零件的五轴联动加工中心（具有车、铣、磨及电火花加工功能），以及在这台加工中心上用微型单晶金刚石立铣刀加工出的人像浮雕。146图示是用塑性成型法加工的微小螺钉和Gunm大学研制的微型超塑挤压机，螺钉螺纹部分直径20～50µm。147日本某学校研制的微型工厂，整个工厂体积为：625mm×490mm×380mm重量约34kg内有车床、加工中心、冲床、装配机等。这个微型工厂遥控监测操作。微型零件装配用的微型夹持器148图示为电火花加工的微型汽车模具及微型塑料汽车电火花加工φ5µm微孔149电火花加工是利用工件和工具电极之间的脉冲性火花放电产生瞬间高温使工件材料熔化或汽化，从而完成蚀除加工，以获得一定形状和尺寸的加工方法。150（a）加工通孔;（b）加工模具形腔;(c)加工环形内腔;(d)加工弯孔;(e)切割板料;(f)磨拉丝模内表面151光刻加工、体硅微细工艺及表面牺牲层微细工艺——美国为代表。2、硅微细加工技术硅是最基本的微机械加工材料，微细加工技术一般要涉及硅材料硅微细加工技术所用的典型加工工艺为：去除（刻蚀、激光加工、机械钻孔等）和添加（沉积绝缘体、金属等）。在衬底上“去除”的悬臂梁(a)在衬底上“添加”的悬臂梁(b)152体微机械加工工艺是针对整块材料如单晶硅基片通过刻蚀（Etching）等去除部分基体或衬底材料，从而得到所需元件的体构形。在体微机械加工技术中，关键的步骤是刻蚀工艺。刻蚀工艺分为干法刻蚀和湿法刻蚀。体微机械加工工艺体微机械加工技术153①离子束刻蚀离子刻蚀也称溅射刻蚀或去除加工。离子束刻蚀又分为聚焦离子束刻蚀和反应离子束刻蚀。②激光刻蚀利用激光对气相或液相物质的良好的透光性。（1）干法刻蚀干法刻蚀是利用高能束或某些气体对基体进行去除材料的加工，被刻蚀表面粗糙度较低，刻蚀效果好，但对工艺条件要求较高，加工方式可分为溅射加工和直写加工，加工工艺主要包括离子束刻蚀和激光刻蚀。154湿法刻蚀工艺是通过化学刻蚀液和被刻蚀物质之间的化学反应，将被刻蚀物质剥离下来，包括各向同性与各向异性刻蚀。各向同性刻蚀是在任何方向上刻蚀速度均等的加工；而各向异性刻蚀则是与被刻蚀晶片的结构方向有关的一种刻蚀方法，它在特定方向上刻蚀速度大，其它方向上几乎不发生刻蚀。（2）湿法刻蚀155表面微机械加工技术就是利用集成电路中的平面化制造技术来制造微机械装置。标准的工艺流程包括：首先在单晶硅基片上交替沉积一层低应力的多晶硅层和一层用于刻蚀的氧化硅层，形成一个复杂的加工层，然后再对这个加工层进行光刻摹制，最后用氢氟酸对氧化硅进行蚀刻显影。表面微机械加工技术156牺牲层技术是表面微机械加工技术的一种重要工艺。牺牲层技术也叫分离层技术。U.C.Berkeley采用表面牺牲层工艺制备的世界上第一个MEMS器件－微型静电马达采用五层多晶硅工艺制备的微型传动结构157光刻（Photolithography）也称照相平版印刷（术），它源于微电子的集成电路制造，是在微机械制造领域应用较早并仍被广泛采用且不断发展的一类微细加工方法。光刻是加工制作半导体结构或器件和集成电路微图形结构的关键工艺技术，其原理与印刷技术中的照相制版相似：在硅等基体材料上涂覆光致抗蚀剂（或称为光刻胶），然后用高极限分辨率的能量束通过掩模对光致蚀层进行曝光（或称光刻）；经显影后，在抗蚀剂层上获得了与掩模图形相同的细微的几何图形。再利用刻蚀等方法，在基底或被加工材料上制造出微型结构。3.光刻加工技术158光刻基本工艺过程为：掩膜制作-硅基片处理-涂胶-曝光-显影-刻蚀-去胶（a）涂胶（b）曝光（c）显影（d）刻蚀（e）去胶1-衬底2-介质层3-光刻胶4-照射光5-掩模159光学光刻的原理与印像片相同，只是用涂覆了感光胶(抗蚀剂)的硅片取代了相纸，掩模版取代了底片。光学光刻存在着极限分辨率较低和焦深不足两大问题。UV光光学光刻工艺母板掩膜光刻胶SiO2光刻胶SiO2(1)光学光刻工艺160电子束光刻与传统意义的光刻(区域曝光)加工不同，是用束线刻蚀进行图形的加工。电子束光刻的主要缺点在于产出量，加工过程较慢，不能用于制造大多数集成电路。(2)电子束光刻161用离子束进行抗蚀剂的曝光始于80年代液态金属离子源的出现。离子束曝光在集成电路工业中主要用于光学掩模的修补和集成电路芯片的修复。离子束投影光刻的主要优点有——可采用分布重复投影结构，可利用光学抗蚀剂进行立体曝光，对抗蚀剂厚度或基底材料不敏感；可与光学光刻混合使用；焦深大，使用极小的NA就足以使离子光学镜头实现25mm×37mm的整片芯片曝光，衍射效应可忽略。离子束光刻的主要缺点有——离子束需要在真空下工作，硅片和掩模操作不方便；离子束是带电粒子，由于空间电荷使图形的清晰程度和图形位置精度受限；离子束可使下层基底受损。(3)离子束光刻162光学曝光所能达到的极限分辨力与工作波长成正比，与透镜的数值孔径成反比。目前，曝光波长的进一步缩短和数值孔径的增大都受材料、光刻工艺等因素的限制，因而必须寻求新的技术方案。由于X射线的波长很短，能满足超大规模集成电路发展的需要，得到了广泛的重视。(4)X射线光刻1634、LIGA加工技术LIGA技术由深层同步辐射X射线光刻（Lithography）、电铸（Galvanoforming）成型和塑铸（Abforming）成型3个工艺过程组合而成。——德国为代表突出优点是可以制作高深宽比的立体微结构，深度最高可达1000μm，深宽比大于200，且可以批量复制，成本低缺点是X射线同步辐射源比较昂贵。164LIGA技术主要包括以下几个工艺过程：同步辐射X射线深层光刻电铸成形注塑165LIGA工艺形成的微齿轮与微马达b)组装后的电磁驱动微马达的SEM照片，由牺牲层和LIGA技术获得，转子直径为150

m，三个齿轮的直径分别为77

m,100

m和150

ma)LIGA工艺得到的三个镍材料的微型齿轮，每个齿轮高100

m166LIGA工艺主要特点:LIGA产品具有高的结构强度，坚固耐用，实用性强；LIGA产品可用多种材料制备，例如:金属、陶瓷、聚合物等；可直接生产复合结构（包括运动部件），并同时具有电路制作能力，便于制成机电一体化的产品可获得亚微米精度的微结构；便于批量生产(在基底片上可一次生产上千个部件)和大规模复制，成本低，价格便宜。

167金属镍微弹簧，厚度200μm金属双层微齿轮，每层厚200μm高度为200μm的光刻胶微结构金属镍微结构，高度为100μm1685、纳米加工技术运用原子力显微镜（AFM）技术，使用金刚石探针尖对工件进行雕刻加工。扫描探针微显微镜开始时仅仅用于表面微观形貌的检测，现在用途已大大扩展,已用于纳米级微结构的精密加工和原子操纵方面。169用扫描隧道显微镜（SPM）技术，用金属探针尖对工件表面进行加工，其原理为：针尖和工件表面间存在隧道电流,针尖是阳级反应的阴极，工件表面为阳级，当针尖距离工件极近时，被吸引的工件表面的原子随针尖移动但不会脱离工件表面，从而实现对工件表面原子的搬迁。170中科院院徽搬迁101个原子写成的中文“原子”1993年美国圣荷塞IBM阿尔马登研究所D.M.Eigler等人在超真空环境中,运用扫描隧道显微镜，成功移动48颗Fe原子排列成圆形，实现原子操纵技术。返回1716快速原型制造技术172一、基本概念2、快速原型制造技术1、快速原型技术快速原型制造（RapidprototypingManufacturing，RPM）通常也称为快速成型技术或快速原型技术（Rapidprototyping，RP）。快速原型技术是一种基于离散/堆积成形思想的新型成形技术，是集成计算机技术、数控技术、激光技术与新材料等新技术而发展起来的先进的产品研究与开发技术。快速原型制造技术是使用RP技术，由CAD模型直接驱动的快速完成任意复杂形状三维实体零件的技术的总称。173快速成形技术与数控加工、铸造、金属冷喷涂、硅胶模制作等制造手段的密切结合，已成为当前模型、模具和零件制造的强有力手段，在航空航天、汽车、家电以及生物制造工程等领域得到了广泛的应用。手机外壳橡胶模四缸发动机的蜡模174设计铸造焊接锻压模具加工毛坯材料分离成形粗加工半精工精加工工件材料堆积成形设计工件样件模具传统加工与快速成形对比175二、快速原型制造的原理和特点176从成形的全过程看，快速成形过程可以描述为离散/堆积过程；离散：从CAD模型中获得点、线、面的几何信息；堆积：将CAD模型的几何信息与成形参数信息结合,转换为控制成形机工作的NC代码,控制材料有规律地、精确地迭加。177CAD模型分层处理前，首先要将三维模型近似处理，用一系列小三角形平面来逼近模型上的不规则曲面，从而得到产品的近似模型。这就是将CAD模型转换为STL格式文件。层面信息处理就是通过切片算法得到每层截面的轮廓数据。178二、快速原型制造的原理和特点179二、快速原型制造技术的原理和特点实现产品的快速制造RP设备类似于和一台计算机及CAD系统相连的“三维打印机”，将产品的三维模型可即时“打印”为实体。通常只需要几小时到几十小时就可以制造出新零件。与反求工程RE、快速模具制造技术相结合，可构成一个闭环的产品快速开发和制造系统。180激光扫描反求设计数据采集三坐标测量产品原型三维CAD模型RPCT扫描RT新产品模型重构RP、RE、RT结合构成的产品快速开发和制造系统181高度柔性RP成形过程不需任何刀具、工装夹具和模具，可以制造任意复杂形状的三维实体。产品的制造过程几乎与零件的复杂程度无关。产品成本与批量基本无关，适合新产品开发试制及单件小批生产二、快速原型制造技术的原理和特点技术的高度集成RP技术是计算机技术、数控技术、激光技术和材料技术的综合体现。

182设计制造一体化RP技术有利于实现设计与制造一体化。CAD/CAM集成技术中，CAPP技术一直是实现设计与制造一体化较难克服的一个障碍，RP技术只需二维截面的路径规划，大大降低了工艺设计的难度。二、快速原型制造技术的原理和特点能制造任意复杂实体零件，而无须任何工装夹具，可实现自由制造(FreeFormFabrication，FFF)材料的广泛性183液体材料SLLTPBISHISRP工艺方法及其分类粉状材料BMP3DWFDMSDMSLSGPD3DPTSFSF片状材料LOMSFPSGCES液体树脂固化熔融材料固化激光熔合材料粘结剂粘结材料粘性片材的粘结UV粘结片状材料三、快速原型制造工艺方法及其分类184三维光刻法也称光固化法，该名称来自于美国3D-systems公司在1980年推出的名为StereoLithographyApparatus（SLA）的快速成型装置的英文缩写。所以通常也简称为SLA法。1、三维光刻法SL（StereoLithography）激光器零件光敏树脂激光束升降台Z185采用紫外光致凝液态光敏树脂（固化）到特定形状；计算机控制下的紫外激光束对液态树脂逐点