先进制造技术讲解

先进制造工艺的发展及其内容定义先进制造工艺技术是指研究与物料处理过程和物料直接相关的各项技术，要求实现优质、高效、低耗、清洁和灵活。

先进制造工艺的发展加工精度不断提高切削速度迅速提高新型工程材料的应用推动了制造工艺的进一步发展近净成型技术不断发展表面工程技术日益受到重视精密、超精密加工技术它是指对工件表面材料进行去除，使工件的尺寸、表面性能达到产品要求所采取的技术措旌。

当前，纳米(nm)加工技术代表了制造技术的最高精度水平。

超精加工材料由金属扩大到非金属。

根据加工的尺寸精度和表面粗糙度，可大致分为三个不同的档次，精密加工3～0.30.3～0.03超精密加工（亚微米加工）0.3～0.030.3～0.005纳米加工＜0.03＜0.005精密成型制造技术它是指工件成形后只需少量加工或无须加工就可用作零件的成形技术。

它是多种高新技术与传统的毛坯成形技术融为一体的综合技术。

它正在从近净成形工艺向净成形工艺的方向发展。

特种加工技术它是指那些不属于常规加工范畴的加工。

例如，高能束流(电子束、离子束、激光束)加工、电加工(电解和电火花加工)、超声波加工、高压水射流加工以及多种能源的组合加工。

表面工程技术它是指采用物理、化学、金属学、高分子化学、电学、光学和机械学等技术及其组合，提高产品表面耐磨、耐蚀、耐热、耐辐射、抗疲劳等性能的各项技术。

它主要包括热处理、表面改性、制膜和涂层等技术。

超精密加工技术的分类定义超精密加工技术是指被加工零件的尺寸精度高于0.1μm，表面粗糙度Ra在0.1~0.025μm之间，以及所用机床定位精度的分辨率和重复性高于0.01μm的加工技术，亦称之为亚微米级加工技术，且正在向纳米级加工技术发展。

根据加工方法的机理和特点，超精密加工可以分为超精密切削、超精密磨削、超精密特种加工和复合加工。

超精密加工的关键技术实现超精密切削技术，不仅需要超精密的机床和刀具，也需要超稳定的环境，还需要运用计算机技术进行实时检测和反馈补偿。

精密主轴现在超精密加工机床中使用的回转精度最高的主轴是空气静压轴承主轴。

回转精度国内可达0.05微米，国外可达0.03微米超精密导轨超精密加工机床常采用的导轨形式有V-V型滑行导轨和滚动导轨、液体静压导轨和气体静压导轨。

在精度方面，空气导轨是目前最好的导轨。

传动系统目前，用于精密加工和超精密加工的传动系统主要有：滚珠丝杠传动系统、静压丝杠传动系统、摩擦驱动系统和直线电机驱动系统。

超精密刀具天然金刚石刀具是目前最主要的超精密切削刀具，由于它的刃口形状会被直接反映到加工材料的表面上，因此金刚石刀具刃磨技术是超精密切削中的一项重要技术。

精密测量技术目前，在超精密加工领域，尺寸测量技术主要有两种：一是激光干涉技术，二是光栅技术。

微进给系统微进给系统一般被用做微进给或补偿工具，以压电陶瓷为驱动器的基于弹性铰链支承的微位移机构目前是用的最多的。

加工原理超精密加工的精度要求越来越高，机床相对工件的精度裕度已很小。

在这种情况下，只是靠改进原来的技术很难提高加工精度。

因此，应该从工作原理着手进行研究，以寻求解决办法。

环境控制技术良好的工作环境是保证超精密加工质量的必要条件。

影响环境的主要因素有温度、湿度、污染和噪声。

金刚石超精密车削机理与特点切削在晶粒内进行切削力＞原子结合力（剪切应力达13000 N/ 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，表层高温不会波及工件内层，可获得高精度和好表面质量金刚石超精密车削的关键技术要求高精度、高刚度、良好稳定性、抗振性及数控功能等。

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1-20）。

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（理论可达到1nm）金刚石超精密车削的应用用于铜、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砂轮材料：金刚石，立方氮化硼（CBN）特点：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，加工表面好砂轮修整：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ELID（Electrolytic In-Process Dressing）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。

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。

磨削后工件表面呈有规则纹理，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）。

精密与超精密砂带磨削砂带：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1-25）和闭式两种形式，可磨削平面、内外圆表面、曲面等。

微细/纳米加工技术微细加工——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。

微细机械加工主要采用铣、钻和车三种形式，可加工平面、内腔、孔和外圆表面。

◆刀具：多用单晶金刚石车刀、铣刀（图1-35）。

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。

微细电加工线放电磨削法（WEDG）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1-39）。

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光刻加工（电子束光刻大规模集成电路）纳米加工技术（LIGA）X射线刻蚀电镀膜技术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：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。

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1-60），形状精度达亚微米可以实现大批量复制，成本较低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、化工等领域扫描隧道显微加工技术扫描隧道显微镜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。

当一个电极为非常尖锐的探针时，由于尖端放电使隧道电流加大。

原子力显微镜阳极氧化法加工(AFM)原子力显微镜（AFM）为解决非导体微观表面形貌测量，借鉴扫描隧道显微镜原理，C.Binning 于1986年发明原子力显微镜。

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——探针针尖与试件表面距离＜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：保持探针与被测表面间的原子排斥力一定，探针扫描时的垂直位移即反映被测表面形貌。

◎非接触式——探针针尖与试件表面距离为0.5～1nm，利用原子间的吸引力。

高速加工技术高速加工技术定义1978年，CIRP(国际生产工程协会)提出以线速度为500~7000m/min的切削为高速切削。

ISO1940标准规定，主轴转速高于8000rev/min为高速切削。

德国Darmstadt工业大学提出以高于5~10倍普通切削速度的切削定义为高速切削。

主轴轴承孔直径与主轴最大转速乘积达(5~2000)×105mm·rev/min高速切削不能简单地用某一具体的切削速度值来定义，对于不同的工件材料，其高速切削的速度范围是不同的。

考虑到目前的生产实际，不同工件材料切削速度范围的划分高速加工技术的发展与应用1931年4月德国切削物理学家萨洛蒙(Carl Salomon)曾根据一些实验曲线，即人们常提及的著名的“萨洛蒙曲线”，提出了超高速切削的理论。

高速切削加工关键技术高速切削机床主轴转速高，输出功率大：常规机床转速一般为2000r/min，而高速切削机床则为10000~100000 r/min；主轴电动机功率为15~80kW进给速度高：约为常规机床的10倍（60~100 m/min ）主轴转速和进给速度的加速度高：从启动到达到最高转速要在1~2s内完成，工作台的加、减速度有常规的0.1~0.2g提高到1~2g。

机床静、动态特性好：除具有足够的静刚度外，还必须有很高的动刚度和热刚度其它功能部件性能高：快速换刀、快速工作台交换、快速排屑装置、安全保护、检测装置高速主轴单元高速主轴部件的性能直接决定了机床所能达到的切削速度、加工精度和应用范围，是高速机床的核心部件。