现代制造工艺技术

第7章现代制造技术
教学目标与要求
◆了解现代制造技术的发展水平与趋势
◆了解特种加工技术的原理、特点及应用
◆了解现代制造生产模式及其发展趋势
教学重点
◆现代制造技术的发展水平与趋势
◆特种加工技术的原理、特点及应用
7.1现代制造技术概述
与传统制造技术比较，现代制造技术具有如下特征。

（1）系统性
由于计算机技术、信息技术、传感技术、自动化技术和先进管理等技术的引入，并与传统制造技术的结合，现代制造技术成为一个能够驾驭生产过程中的物质流、信息流和能量流的系统工程；而传统制造技术一般只能驾驭生产过程中的物质流和能量流。

（2）广泛性
传统制造技术通常只是指将原材料变为成品的各种加工工艺；而现代制造技术则贯穿了从产品设计、加工制造到产品销售及使用维护的整个过程，成为“市场—设计开发—加工制造—市场”的大系统。

（3）集成性
传统制造技术的学科专业单一、独立，相互间界限分明；而现代制造技术由于专业和学科间的不断渗透、交叉、融合，其界限逐渐淡化甚至消失，技术趋于系统化、集成化，已发展成为集机械、电子、信息、材料和管理技术为一体的新型交叉学科—制造系统工程。

（4）动态性
现代制造技术是针对一定的应用目标，不断吸收各种高新技术而逐渐形成和发展起来的新技术，因而其内涵不是绝对的和一成不变的。

反映在不同的时期、不同的国家和地区，现代制造技术有其自身不同的特点、重点、目标和内容。

（5）实用性
现代制造技术的发展是针对某一具体的制造需求而发展起来的先进、实用的技术，有着明确的需求导向。

现代制造技术不是以追求技术的高新度为目的，而是注重产生最好的实践效果，以促进国家经济的快速增长和提高企业的综合竞争力。

7.2现代制造工艺技术
7.2.1现代制造工艺
现代制造工艺的发展主要表现在如下几个方面。

（1）制造加工精度不断提高
随着制造工艺技术的进步与发展，机械制造加工精度得到不断提高。

18世纪，加工第1台蒸汽机所用的汽缸镗床，其加工精度为1mm；19世纪末，机械制造精度也仅为0.05mm；20世纪初，由于能够测量0.001mm千分尺和光学比较仪的问世，加工精度向微米级过渡，成为机械加工精度发展的转折点；到了20世纪50年代末，实现了微米级的加工精度；在最近的一二十年内，机械制造加工精度提高了1～2个数量级，有了较快的发展，达到10nm的技术水平。

现在测量超大规模集成电路所用的电子探针，其测量精度已达到0.25nm。

预计在
不远的将来，可实现原子级的加工和测量。

（2）切削加工速度迅速提高
随着刀具材料的发展和变革，在近一个世纪时期内，切削加工速度提高了一百至数百倍。

20世纪前，切削刀具是以碳素钢作为刀具材料，由于其耐热温度低于200℃，所允许的切削速度不超过10m/min；20世纪初，出现了高速钢，其耐热温度为500～600℃，可允许的切削速度为30～40m/min；到了20世纪30年代，硬质合金开始得到使用，刀具的耐热温度达到800～1000℃，切削速度很快提高到每分钟数百米。

随后，相继使用了陶瓷刀具、金刚石刀具和立方氮化硼刀具，而陶瓷刀具和立方氮化硼刀具，切削速度达到每分钟一千米至数千米。

（3）新型工程材料的应用推动了制造工艺的进步和变革
超硬材料、超塑材料、高分子材料、复合材料、工程陶瓷、非晶与微晶合金、功能材料等新型材料的发展与应用，对制造工艺提出了新的挑战：一方面迫使在通常机械加工工艺方法中要不断改善刀具材料的切削性能，改进机械加工制造设备，使之满足新材料的机械加工要求；另一方面探求应用更多的物理、化学、材料科学的现代知识来开发新型的制造工艺，以便更有效地适应新型工程材料的加工。

（4）自动化和数字化工艺装备的发展提高了机械加工的效率
由于微电子、计算机、自动检测和控制技术与制造工艺装备相结合，使工艺装备实现了从单机到系统、从刚性到柔性、从简单到复杂等不同档次的多种自动化转变，使工艺过程的检测和控制方式和手段发生了质的变化，可以使整个工艺过程和工艺参数得到实时的优化，大大提高了加工制造的效率和质量。

（5）零件毛坯成型在向少、无余量方向发展
零件毛坯成型是机械制造的第1道工序，有铸造、锻造、冲裁、焊接和轧制等常用工艺。

随着人们对人类生存资源的节省和保护意识的提高，要求零件毛坯成型精度向少、无余量方向发展，使成型的毛坯接近或达到零件的最终形状和尺寸，磨削后即可参与装配。

因而，出现了熔模精密铸造、精密锻造、精密冲裁、冷温挤压、精密焊接和精密切割等新工艺。

（6）优质清洁表面工程技术的形成和发展
表面工程技术是通过表面涂覆、表面改性、表面加工及表面的复合处理，来改变零件表面的形态、化学成分和组织结构，以获取与基体材料不同性能要求的一项应用技术。

虽然人们使用表面技术已有悠久的历史，然而形成一门表面工程独立学科只是近20年的事。

7.2.2超精密加工技术
超精密加工是指加工精度和表面质量达到极高程度的精密加工工艺，从概念上讲具有相对性，随着加工技术的不断发展，超精密加工的技术指标也是不断变化的。

目前，一般加工、精密加工、超精密加工以及纳米加工可以划分如下。

（1）一般加工
加工精度在10μm左右、表面粗糙度R a值在0.3～0.8μm的加工技术，如车、铣、刨、磨、镗、铰等。

一般加工适用于汽车、拖拉机和机床等产品的制造。

（2）精密加工
加工精度在10～0.1μm、表面粗糙度R a值在0.3～0.03μm的加工技术，如金刚车、金刚镗、研磨、珩磨、超精加工、砂带磨削、镜面磨削和冷压加工等。

精密加工适用于精密机床、
精密测量仪器等产品中的关键零件的加工，如精密丝杠、精密齿轮、精密蜗轮、精密导轨、精密轴承等。

（3）超精密加工
加工精度在0.1～0.01μm、表面粗糙度R a值在0.03～0.05μm的加工技术，如金刚石刀具超精密切削、超精密磨料加工、超精密特种加工和复合加工等。

超精密加工适用于精密元件、计量标准元件、大规模和超大规模集成电路的制造。

目前，超精密加工的精度正处在亚纳米级工艺，正在向纳米级工艺发展。

（4）纳米加工
加工精度高于10-3μm（纳米，1nm=10-3μm）、表面粗糙度R a值小于0.005μm的加工技术，其加工方法大多已不是传统的机械加工方法，而是诸如原子、分子单位加工等方法。

1．超精密切削加工技术
（1）超精密切削对刀具的要求
为实现超精密切削，刀具应具有如下的性能。

①极高的硬度、耐用度和弹性模量，以保证刀具有很长的寿命和很高的尺寸耐用度。

②刃口能磨得极其锋锐，刃口半径ρ值极小，能实现超薄的切削厚度。

③刀刃无缺陷，因切削时刃形将复印在加工表面上，而不能得到超光滑的镜面。

④与工件材料的抗黏结性好、化学亲和性小、摩擦系数低，能得到极好的加工表面完整性。

（2）金刚石刀具的性能特征
目前超精密切削刀具用的金刚石为大颗粒（0.5～1.5克拉，1克拉=200mg）、无杂质、无缺陷、浅色透明的优质天然单晶金刚石，它具有如下的性能特征。

①具有极高的硬度，其硬度达到6000～10000HV；而TiC仅为3200HV；WC为2400HV。

②能磨出极其锋锐的刃口，且切削刃没有缺口、崩刃等现象。

普通切削刀具的刃口圆弧半径只能磨到5～30μm，而天然单晶金刚石刃口圆弧半径可小到数纳米，没有其他任何材料可以磨到如此锋利的程度。

③热化学性能优越，具有导热性能好、与有色金属间的摩擦因数低、亲和力小的特征。

④耐磨性好，刀刃强度高。

金刚石摩擦系数小，与铝之间的摩擦系数仅为0.06～0.13，如切削条件正常，刀具磨损极慢，刀具耐用度极高。

因此，天然单晶金刚石虽然昂贵，但被一致公认为是理想的、不能代替的超精密切削的刀具材料。

（3）超精密切削时的最小切削厚度
超精密切削实际能达到的最小切削厚度与金刚石刀具的锋锐度、使用的超精密机床的性能状态、切削时的环境条件等直接有关。

极限最小切削厚度h Dmin与刀具刀刃锋锐度（即刃口半径ρ）关
系如图7-1所示。

图中A为极限临界点，在A点以上被加工材料将
堆积起来形成切屑，而在A点以下，加工材料经弹性变形形成加工
表面。

A点的位置可由切削变形剪切角θ确定，剪切角θ又与刀具材
料的摩擦系数μ有关：当μ=0.12时，可得h Dmin= 0.322ρ；当μ=0.26
时，可得h Dmin= 0.249ρ。

图7-1 极限切削厚度与刃口
由最小切削厚度h Dmin与刃口半径ρ的关系式可知，若能正常切削h Dmin=1nm，要求所用金刚石刀具的刃口半径ρ应为3～4nm。

国外报道研磨质量最好的金刚石刀具，刃口半径可以小到数个纳米的水平；而国内生产中使用的金刚石刀具，刃口半径ρ=0.2～0.5μm，特殊精心研磨可以达到ρ=0.1μm。

2．超精密磨削加工技术
所谓超精密磨削加工，是指加工精度达到或高于0.1μm、表面粗糙度R a值低于0.025μm 的一种亚微米级并正向纳米级发展的加工方法。

超精密磨削的关键在于砂轮的选择、砂轮的修整、磨削用量和高精度的磨削机床。

（1）超精密磨削砂轮
在超精密磨削中所使用的砂轮，其材料多为金刚石、立方氮化硼磨料，因其硬度极高，故一般称为超硬磨料砂轮。

金刚石砂轮有较强的磨削能力和较高的磨削效率，在加工非金属硬脆材料、硬质合金、有色金属及其合金时有较大的优势。

由于金刚石易于与铁族元素产生化学反应和亲和作用，故对于硬而韧的、高温高硬度、热导率低的钢铁材料，则用立方氮化硼砂轮磨削较好。

立方氮化硼比金刚石有较好的热稳定性和较强的化学惰性，其热稳定性可达1250～1350℃，而金刚石磨料只有700～800℃。

虽然当前立方氮化硼磨料的应用不如金刚石磨料广，且价格也比较高，但它是一种很有发展前途的磨具磨料。

（2）超精密磨削砂轮的修整
砂轮的修整是超硬磨料砂轮使用中的一个技术难题，它直接影响被磨工件的加工质量、生产效率和生产成本。

砂轮修整通常包括修形和修锐两个过程。

所谓修形，是使砂轮达到一定精度要求的几何形状；所谓修锐，是指去除磨粒间的结合剂，使磨粒凸出结合剂一定高度，形成足够的切削刃和容屑空间。

如金刚石和立方氮化硼都比较坚硬，很难用别的磨料磨削以形成新的切削刃，故通过去除磨粒间的结合剂方法，可使磨粒凸出结合剂一定高度，形成新的磨粒。

超硬磨料砂轮修整的方法很多，可归纳为以下几类。

①车削法
用单点、聚晶金刚石笔、修整片等车削金刚石砂轮以达到修整的目的。

这种方法的修整精度和效率都比较高，但修整后的砂轮表面平滑，切削能力低，同时修整成本也高。

②磨削法
用普通磨料砂轮或砂块与超硬磨料砂轮进行对磨修整。

普通砂轮磨料如碳化硅、刚玉等磨粒被破碎，对超硬磨料砂轮结合剂起到切削作用，失去结合剂后磨粒就会脱落，从而达到修整的目的。

这种方法的效率和质量都较好，是目前较常用的修整方法，但普通砂轮的磨损消耗量较大。

③喷射法
将碳化硅、刚玉磨粒从高速喷嘴喷射到转动的砂轮表面，从而去除部分结合剂，使超硬磨粒凸出，这种方法主要用于修锐。

④电解在线修锐法
该法适用于以铸铁纤维为结合剂的金刚石砂轮，应用电解加工原理完成砂轮的修锐过程。

如图7-2所示，将超硬磨料砂轮接电源正极，石墨电极接电源负极，在砂轮与电极之间通以电解液，通过电解腐蚀作用去除超硬磨料砂轮的结合剂，从而达到修锐效果。

在这种电解修锐过程中，被腐蚀的砂轮铸铁结合剂表面逐渐形成钝化膜，这种不导电的钝化膜将阻止电解的进一步进行，只有当凸出的磨粒磨损后，钝化膜被破坏，电解修锐作用才会继续进行，这样可使金刚石砂轮能够保持长时间的切削能力。

⑤电火花修整法
如图7-3所示，将电源的正、负极分别接于被修整超硬磨料砂轮和修整器（石墨电极），其原理是电火花放电加工。

这种方法适用于各种金属结合剂砂轮，既可修形又可修锐，效率较高；若在结合剂中加入石墨粉，也可用于树脂、陶瓷结合剂砂轮的修整。

图7-2 电解在线修锐法图7-3 电火花修整法
此外，尚有超声波修整法、激光修整法等，有待进一步研究开发。

（3）磨削速度和磨削液
金刚石砂轮磨削速度一般不能很高，根据磨削方式、砂轮结合剂和冷却情况的不同，其磨削速度为12～30m/s（它的热稳定性只有700～800℃）。

一般陶瓷结合剂、树脂结合剂的金刚石砂轮其磨削速度可选得高些，金属结合剂的金刚石砂轮磨削速度可选得低些。

立方氮化硼砂轮的磨削速度比金刚石砂轮高得多，可达80～100m/s，主要是因为立方氮化硼磨料的热稳定性好。

3．微细加工技术
微细加工可以进一步分为微米级微细加工、亚微米级微细加工和纳米级微细加工等。

下面分别介绍微机械基本特征与微细加工工艺方法。

（1）微机械基本特征
概括起来，微机械具有以下几个基本特征。

①体积小、精度高、重量轻
其体积可达亚微米以下，尺寸精度达纳米级，重量可至纳克。

目前已经研制出了直径细如发丝的齿轮、能开动3mm大小的汽车和花生米大的飞机。

最近有资料表明，科学家们已能在5mm2内放置1000台微型发动机。

②性能稳定、可靠性高
由于微机械的体积小，几乎不受热膨胀、噪声、挠曲等因素影响，具有较高的抗干扰性，可在较差的环境下稳定地工作。

③能耗低，灵敏度和工作效率高
微机械所消耗的能量远小于传统机械的十分之一，但却能以10倍以上的速度来完成同样的工作，如5mm⨯5mm⨯0.7mm的微型泵的流速，是比其体积大得多的小型泵的1000倍，而且机电一体化的微机械不存在信号延迟问题，可进行高速工作。

④多功能和智能化
微机械集传感器、执行器、信号处理和电子控制电路为一体，易于实现多功能化和智能化。

⑤适用于大批量生产，制造成本低
微机械采用和半导体制造工艺类似的方法生产，可以像超大规模集成电路芯片一样一次制成大量的完全相同的部件，故制造成本大大降低。

如美国的研究人员正在用该技术制造双向光纤维通信所必需的微型光学调制器，通过巧妙的光刻技术制造芯片，做一块只需几美分，而过去则要花5000美元。

（2）微细加工工艺方法
微细加工是指加工尺寸为微米级范围的加工方式，是微机械发展的重要基础。

微细加工起源于半导体制造工艺，加工方式十分丰富，包含了微细机械加工、各种现代特种加工、高能束加工等方式。

而微机械制造过程又往往是多种加工方式的组合。

目前，常用的有以下几种加工方法。

①超微机械加工
用超小型精密金属切削机床和电火花、线切割等加工方法，制作毫米级尺寸以下的微机械零件是一种三维实体加工技术，加工材料广泛，但多是单件加工、单件装配，费用较高。

②光刻加工
光刻加工是用照相复印的方法将光刻掩模上的图形印刷在涂有光致抗蚀剂的薄膜或基材表面，然后进行选择性腐蚀，刻蚀出规定的图形。

所用的基材有各种金属、半导体和介质材料。

③体刻蚀加工技术
体刻蚀加工技术是对硅的衬底进行腐蚀加工的技术，即用腐蚀的方法将硅基片有选择性地去除一部分，以形成微机械结构。

腐蚀的方法分湿法腐蚀和干法腐蚀。

湿法腐蚀是用化学腐蚀液对硅基片进行刻蚀。

干法腐蚀是利用等离子体取代化学腐蚀液，把基体暴露在电离的气体中，气体中的离子与基体原子间的物理和化学作用引起刻蚀。

④面刻蚀加工技术
面刻蚀加工技术是从集成电路平面工艺演变而来的，它是在硅基片上形成薄膜并按一定要求对薄膜进行加工的技术。

面刻蚀加工工艺过程如下：①在硅基片上淀积牺牲层材料，如淀积磷玻璃，其厚度一般1～2μm，但也可以更厚些；淀积后，牺牲层材料被腐蚀成所需形状；②淀积和腐蚀结构材料薄膜层，多晶硅是常用的结构层材料，结构层腐蚀过后，除去牺牲层就可得到分离空腔结构。

面刻蚀加工技术的主要优点是具有与常规集成电路的兼容性，器件不但可以做得很小，而且不影响器件特征；其缺点是该工艺本身属于二维平面工艺，限制了设计的灵活性，且由于采用牺牲层工艺，漂洗和干燥需要反复多次，易产生黏连现象，降低成品率。

⑤封接技术
封接技术在微机械加工中也占有重要位置，封接的目的是将分开制作的微机械部件在使
用黏结剂的情况下连接在一起，封在壳中使其满足使用要求。

封接技术影响到整个微系统的功能和尺寸，可以说是微机械系统的关键技术。

常用的封接技术有反应封接、淀积密封膜和键合技术。

为了提高微系统的集成度，一些新的工艺方法如自动焊接、倒装焊接也得到了广泛的应用。

⑥分子装配技术
20世纪80年代初发明的扫描隧道显微镜（简称STM）以及后来在STM基础上派生出的原子力显微镜（简称AFM），使观察分子、原子的结构从宏观进入了微观世界。

STM和AFM具有0.01nm的分辨率，是目前世界上精度最高的表面形貌观测仪。

利用其探针的尖端可以俘获和操纵分子和原子，并可以按照需要拼成一定的结构，进行分子和原子的装配制作微机械，这是一种纳米级微加工技术，是一种从物质的微观角度来构造、制作微机械的工艺方法。

美国的IBM公司用STM操纵35个氙原子，在镍板上拼出了“IBM”3个字母；中国科学院化学研究所用原子摆成我国的地图；日本用原子拼成了“Peace”一词。

有理由相信，STM技术将会在微细加工方面有更大的突破。

7.2.3表面工程技术
表面工程是通过运用各种物理、化学或机械工艺过程，来改变基体表面状态、化学成分、组织结构和应力状态等，使基体表面具有不同于基体的某种特殊性能，从而达到特定使用要求的一项应用技术。

表面工程技术在促进技术进步、节约原材料、提高产品性能、延长产品使用寿命、装饰环境、美化生活方面发挥了越来越突出的作用，该技术已成为20世纪80年代世界十项关键技术之一。

（1）表面工程的特点
表面工程具有学科的综合性、手段的多样性、广泛的功能性、潜在的创新性、环境的保护性、很强的实用性和巨大的增效性，它不仅用于维修业，还用于制造业，是先进制造技术的重要组成部分。

表面工程技术将成为21世纪的主导技术之一。

（2）表面工程的内容
表面工程是由多个学科交叉、综合而发展起来的新兴学科，有着广泛的涵义，概括了表面处理、表面加工、表面涂层、表面改性以及表面薄膜制备技术等内容。

（3）表面工程的工艺方法
①表面改性技术
表面改性是指采用某种工艺手段在零件表面获得不同于基体的组织结构和性能的技术。

材料经表面改性处理后，既能发挥基体的力学性能，又能使材料表面获得各种特殊性能，如耐磨性、耐腐蚀性、耐高温性等，还可以掩盖基体表面的缺陷，延长材料和构件的使用寿命。

表面改性对节约稀贵材料、节约能源、改善环境有着重要的作用。

②表面覆层技术
表面覆层技术是指通过应用物理、化学、电学、光学、材料学、机械学等各种工艺手段，用极少量的材料，在产品表面制备一层保护层、强化层或装饰层，以达到耐磨、耐蚀、耐（隔）热、抗疲劳、耐辐射、提高产品质量、延长使用寿命的目的。

•热喷涂技术。

热喷涂技术是采用气体、液体或电弧、等离子、激光等作为热源，使金属、合金、陶瓷、氧化物、碳化物、塑料以及其复合材料加热到熔融或半熔融状态，通过高
速气流使其雾化，然后喷射、沉积到经过预处理的工件表面，从而形成附着牢靠的表面层。

热喷涂有很多工艺方法，比较常用的有火焰喷涂、等离子喷涂、爆炸喷涂等。

•气相沉积技术。

气相沉积技术是近三十年来迅速发展的一种表面制膜新技术，它是利用气相之间的反应，在各种材料表面沉积单层或多层薄膜，从而使材料获得所需的各种优异性能。

气相沉积技术可分为物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CVD）。

物理气相沉积是在真空条件下，利用各种物理方法将镀料汽化成原子、分子或离子，直接沉积到基体表面的方法。

化学气相沉积是把含有构成薄膜元素的一种或几种化合物或单质气体供给基体，借助气相作用或在基体表面上的化学反应生成所要求的薄膜。

③复合表面处理技术
单一的表面处理技术往往具有一定的局限性，不能满足人们对材料越来越高的使用要求。

若将两种或两种以上的表面处理工艺用于同一工件的处理，不仅可以发挥各种表面处理技术各自的特点，而且更能显示组合使用的突出效果。

近年来，复合表面处理技术在欧美、日本以及我国均得到较快的发展，并取得了良好的效果。

•复合热处理技术。

将两种以上的热处理方法复合起来，比单一的热处理具有更多的优越性。

如渗钛与离子渗氮复合处理，可在工件表面形成硬度极高、耐磨性很好且具有较好耐蚀性的金黄色TiN化合物层，其性能明显高于单一渗钛和单一渗氮层的性能。

•表面覆层技术与其他表面处理技术的复合。

利用各种工艺方法在工件表面上所形成的各种覆层，如镀层、涂层、沉积层或薄膜，若再经过适当热处理，使覆层中的金属原子向基体扩散，或与基体进行冶金化融合，不仅增强了覆层与基体的结合强度，同时也能改变表层覆层本身的成分，防止覆层剥落并获得较高的强韧性，可提高表面的抗擦伤、耐磨损和耐腐蚀能力。

如锌浴淬火，实质上它是一种淬火与镀锌相结合的复合处理工艺。

如碳的质量分数为0.15%～0.23%的硼钢在保护气体中加热到900℃，然后淬入450℃的含铝的锌浴中等温转变，同时镀锌，这种复合处理缩短了工时，降低了能耗，也提高了工件的性能。

•离子辅助涂覆。

在等离子辅助沉积技术中，将离子镀和溅射沉积所应用的等离子体与气相反应物相结合，产生一种称为等离子辅助化学沉积（PCVD）的技术。

若用离子束代替等离子体来完成类似效应的，称为离子辅助涂覆。

这种技术具有灵活性和重复性，可低温操作，是一种快速和可控的方法，通常用于高度精密表面处理以及普通技术不能处理的一些表面。

7.3特种加工技术
顾名思义，特种加工技术就是一种采用不同于传统切削、磨削加工工艺及装备的加工技术。

它是将电、磁、声、光、热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在被加工的部位上，从而使材料被去除、变形及改变性能等。