第六章 先進(jìn)制造技術(shù)

機(jī)電工程學(xué)院第六章機(jī)械制造工藝學(xué)

6先進(jìn)制造技術(shù)——特種加工技術(shù)6.1超精密加工技術(shù)1.超精密加工的概念及其發(fā)展

超精密加工技術(shù)是本世紀(jì)60年代發(fā)展和完善起來的，已成為現(xiàn)代制造技術(shù)的一個(gè)重要組成部分，受到人們?nèi)找嫫毡榈年P(guān)注。

按加工精度和加工表面質(zhì)量的不同，通?？梢园褭C(jī)械加工分為一般加工(粗加工、半精加工和精加工)、光整加工和超精密加工。

超精密的概念是相對(duì)的，是與某個(gè)時(shí)代的加工與測(cè)量水平密切相關(guān)的。所謂超精密加工技術(shù)，并不是指某一特定的加工方法，而是指在一定的發(fā)展時(shí)期中，加工精度和加工表面質(zhì)量達(dá)到最高水平的各種加工方法的總稱。時(shí)代性、相對(duì)性各時(shí)代的加工精度極限不斷提高，50年代

1μm、80年代＞

0.1μm

、目前＜

0.1μm絕對(duì)性物質(zhì)是由分子或原子組成的，故最小加工單位是分子或原子。6先進(jìn)制造技術(shù)——特種加工技術(shù)

超精密加工技術(shù)的發(fā)展是與時(shí)代的需要和科技的發(fā)展密切相關(guān)的，預(yù)計(jì)未來幾年，超精密加工的精度可達(dá)納米級(jí)。由于原子晶格的間距通常為0．2～0．4nm，因此，納米加工技術(shù)已接近于加工極限。目前對(duì)超精密加工技術(shù)的研究主要集中在以下幾個(gè)方面：①精密加工機(jī)床新型結(jié)構(gòu)的研究；②金剛石刀具（或砂輪）超精密切削與磨削技術(shù)的研究；③新型超精密研磨拋光方法的研究；④納米技術(shù)和微型機(jī)械的研究。2.超精密加工的意義及分類①超精密切削加工：金剛石刀具超精密車削、微孔鉆削；②超精密磨料加工：超精密磨削、超精密研磨；③超精密特種加工：電火花加工、電子束、離子束加工及光刻加工；④超精密復(fù)合加工：超聲波研磨、機(jī)械化學(xué)拋光。6先進(jìn)制造技術(shù)——特種加工技術(shù)6.2精密切削及磨削加工1.金剛石刀具超精密切削加工

該技術(shù)發(fā)展于20世紀(jì)60年代，主要用于有色金屬及其合金，以及非金屬零件表面的鏡面加工。單晶天然金剛石刀具可直接切出表面粗糙度Ra值0.01～0.05μm、尺寸誤差在0.1μm以下的鏡面，可以替代收購研磨等光整加工，節(jié)約工時(shí)、提高加工質(zhì)量。目前用在陀螺儀、激光反射鏡、天文望遠(yuǎn)鏡的反射鏡、計(jì)算機(jī)磁盤等。（1）金剛石刀具①超精密切削對(duì)刀具的要求（a）極高的硬度、耐磨性和彈性模量，以保證刀具具有極長(zhǎng)的使用和尺寸耐用度；（b）刃口應(yīng)能刃磨的極其鋒利，以滿足超微薄切削的要求；（c）切削刃應(yīng)沒有缺陷，以得到超光滑鏡面；（d）與工件材料的抗粘結(jié)性好、化學(xué)親和性力、摩擦因數(shù)低，以得到極好的加工表面質(zhì)量。6先進(jìn)制造技術(shù)——特種加工技術(shù)②金剛石車刀的結(jié)構(gòu)與幾何要素通常是將金剛石刀頭采用機(jī)械夾持或粘結(jié)方式固定在刀桿上，如圖6-1所示。幾何要素主要是指刀頭形式和前角、后角等。（a）刀頭形式

金剛石刀具一般不采用主切削刃和副切削刃相交于一點(diǎn)的尖銳刀刃，因?yàn)檫@樣的刀尖不僅容易崩刃和磨損，而且易在加工表面留下加工很久而使加工表面的表面粗糙度值增大。金剛石刀具的主、副切削刃之間通常采用過渡刃對(duì)加工表面進(jìn)行修光，常見的修光刃形式有直線修光刃和圓弧修光刃。（b）前角和后角金剛石較脆，在保證獲得較小的表面粗糙度Ra值的前提下，為增加切削刃的強(qiáng)度，應(yīng)采用較大的刀具楔角β，故刀具的前角和后角一般都取得較小。

金剛石刀具的前角通常是根據(jù)加工材料進(jìn)行選取的，可參考表6-2。圖6-1機(jī)械夾固式金剛石車刀6先進(jìn)制造技術(shù)——特種加工技術(shù)③切削參數(shù)的選擇金剛石車削時(shí)，加工表面的表面粗糙度與切削速度關(guān)系不大，宜采用高速切削，進(jìn)給量的大小與車刀過渡刃寬度、圓弧半徑有關(guān)，寬度與半徑較大，進(jìn)給量f可取大些。④金剛石刀具的刃磨晶面的選擇刀具刃口的刃磨單晶是各向異性的，其不同的方向的性能（硬度、耐磨性等）相差很大。在金剛石刀具超精密切削中，超微量切除性能的好壞主要取決于刀具刃口的鋒利程度。金剛石是目前發(fā)現(xiàn)的最硬的材料，故其精密刃磨是很困難的。6先進(jìn)制造技術(shù)——特種加工技術(shù)（2）超精密切削加工的微量進(jìn)給裝置①超精密切削對(duì)微量進(jìn)給裝置的要求

微量進(jìn)給與粗進(jìn)給分開，以提高微量進(jìn)給的精度和穩(wěn)定性，同時(shí)保證加工效率；運(yùn)動(dòng)副必須是低摩擦和高穩(wěn)定性的，以保證進(jìn)給速度均勻、進(jìn)給平衡、無爬行現(xiàn)象，從而使進(jìn)給裝置達(dá)到較高的重復(fù)定位精度；裝置內(nèi)部各連接處必須可靠接觸，接觸暗隙極小，接觸剛度極高；末級(jí)傳動(dòng)件（即刀具夾持處）必須具有很高的剛度，以保證刀具進(jìn)給的可靠性；在要求快速微量位移（用于隨機(jī)誤差補(bǔ)償）時(shí)，微量進(jìn)給裝置應(yīng)具有好的動(dòng)態(tài)特性，即極高的頻率響應(yīng)特性；工藝性好，容易制造。6先進(jìn)制造技術(shù)——特種加工技術(shù)②常見的微量進(jìn)給裝置a.壓電陶瓷微量進(jìn)給裝置壓電陶瓷具有電致伸縮效應(yīng)，電致伸縮效應(yīng)的變形量與電場(chǎng)強(qiáng)度的平方成正比。

用壓電陶瓷制造微量進(jìn)給裝置具有很多優(yōu)點(diǎn)：

能實(shí)現(xiàn)高剛度、無間隙位移；

能實(shí)現(xiàn)極精細(xì)的微量位移；

變形系數(shù)大，頻響特性好，其響應(yīng)時(shí)間可達(dá)100μs；

無空耗電流發(fā)熱問題。6先進(jìn)制造技術(shù)——特種加工技術(shù)b.彈性變形微量進(jìn)給裝置

利用材料在彈性限度內(nèi)的變形量與所受的力成正比的原理而制成的微量進(jìn)給裝置，以其進(jìn)給量小、進(jìn)給精度高，剛度好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，變形量容易控制等優(yōu)點(diǎn)，在超精加工機(jī)床上廣泛的應(yīng)用。6先進(jìn)制造技術(shù)——特種加工技術(shù)2.超精密磨料加工

金剛石刀具超精密切削加工對(duì)鋁、銅等有色金屬及其合金是行之有效的，但對(duì)鋼鐵類鐵碳合金進(jìn)行切削加工時(shí)，由于加工時(shí)的局部高溫，將使金剛石刀具中的碳原子很容易擴(kuò)散到鐵素體中，從而造成刀具的擴(kuò)散磨損；在對(duì)非金屬硬脆材料進(jìn)行切削加工時(shí)，出于加工時(shí)的切應(yīng)力很大，剪切能量密度也很高，這樣，切削刃口處的局部高應(yīng)力、高溫將使刀具很快產(chǎn)生機(jī)械磨損。因此，對(duì)鋼鐵類、非金屬硬脆材料等的超精密加工，一般多采用超精密磨料加工。超精密磨料加工是利用細(xì)粒度的磨粒和微粉，主要對(duì)黑色金屬及其合金、非金屬硬脆材料等進(jìn)行加工的方法。

根據(jù)加工中磨粒的狀態(tài)，可分為固結(jié)磨料超精密加工游離磨料超精密加工6先進(jìn)制造技術(shù)——特種加工技術(shù)(1)固結(jié)磨料超精密加工

它是將磨料或微粉與結(jié)合劑粘結(jié)在一起，形成具有—定形狀和強(qiáng)度的加工工具（如砂輪、砂帶、油石等），利用這類工具與工件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)超精密加工。金剛石砂輪超精密磨削與普通磨削不同之處，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①金剛石磨料的硬度極高，與被加工材料間有較大的硬度差，故切削作用極強(qiáng)；②金剛石砂輪的磨料濃度較普通砂輪低，且砂輪多使用微細(xì)磨料，因此氣孔率很小，容屑孔小，砂輪表面易發(fā)生堵塞；③金剛石砂輪的自勵(lì)性較差；④金剛石磨料的耐熱性較差，在空氣中當(dāng)溫度超過700℃時(shí)，金剛石將變質(zhì)或石墨化，且溫度越高越嚴(yán)重；⑤硬脆非金屬材料磨削加工時(shí)的法向磨削力遠(yuǎn)比切向磨削力大，故機(jī)床應(yīng)有足夠的剛度。

由于上述特點(diǎn)及微薄切削所帶來的問題，使得影響金剛石砂輪超精密磨削的因素相當(dāng)復(fù)雜，歸納起來如表6—3所示。6先進(jìn)制造技術(shù)——特種加工技術(shù)6先進(jìn)制造技術(shù)——特種加工技術(shù)

由于金剛石的硬度及其稀有性，對(duì)金剛石砂輪的合理修整已成為當(dāng)前人們普遍關(guān)注和致力研究的課題，目前已出現(xiàn)了多種行之有效的金剛石砂輪修整技術(shù)。20世紀(jì)80年代未由日本人大森整發(fā)明的將砂輪修整與磨削過程相結(jié)合的ELlD(Electrolytic

In—ProcessDressing)磨削法。

ELID磨削法是在進(jìn)行磨削加工的同時(shí)，利用電解作用對(duì)砂輪進(jìn)行修整，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)超硬合金、硬脆非金屬材料的鏡面磨削的新方法。利用金屬基結(jié)構(gòu)劑的導(dǎo)電性，在磨削過程中不斷地對(duì)結(jié)合劑進(jìn)行電解作用，使已磨鈍的磨粒脫落，露出新的、鋒利的磨粒．從而使砂輪始終處于鋒利狀態(tài)。6先進(jìn)制造技術(shù)——特種加工技術(shù)

(2)游離磨粒超精密加工

游離磨料超精密加工時(shí)，磨料不是固結(jié)在一起，而是處于游離狀態(tài)的。加工過程中，工具與被加工表面之間存在一定大小的間隙，間隙中充滿一定粒度和濃度的磨料，依靠磨料與工件表面間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)加工要求。游離磨料超精密加工的典型代表是超精密研磨與拋光。圖6-6浮動(dòng)研磨的原理機(jī)構(gòu)示意圖1—研具；2—研磨液；3—回轉(zhuǎn)輪定位板；4—起浮板；5—工件；6—工件夾具；7—工件回轉(zhuǎn)輪；8—主軸6先進(jìn)制造技術(shù)——特種加工技術(shù)

3．影響超精密加工的主要因素(1)加工方法的原理及超微量加工機(jī)理；(2)加工設(shè)備及其基礎(chǔ)元件；①高精度和高剛性；②高穩(wěn)定性和高可靠性；③高自動(dòng)化程度。(3)測(cè)量技術(shù)；

(4)加工環(huán)境條件。

6先進(jìn)制造技術(shù)——特種加工技術(shù)6先進(jìn)制造技術(shù)——特種加工技術(shù)6.3

電火花加工(又稱電蝕加工)1．電火花加工原理

在充滿液體介質(zhì)的工具電極和工件之間的很小間隙上，施加脈沖電壓，間隙中產(chǎn)生很強(qiáng)的電場(chǎng)，使兩極間的液體介質(zhì)在極間間隙最小處或在絕緣強(qiáng)度最低處，按脈沖電壓的頻率不斷地被電離擊穿，產(chǎn)生脈沖放電。由于放電時(shí)間很短，能量密度高度集中，放電區(qū)的溫度高，使工件上的一小部分金屬被迅速熔化和汽化。6先進(jìn)制造技術(shù)——特種加工技術(shù)①由于電火花加工是利用極間火花放電時(shí)產(chǎn)生的電腐蝕現(xiàn)象，靠高溫熔化和汽化金屬進(jìn)行蝕除加工的。因此，可以使用較軟的紫銅等工具電極，對(duì)任何導(dǎo)電的難加工材料(如硬質(zhì)合金、耐熱合金、淬火鋼、不銹銅金屬陶瓷、磁鋼等，用普通方法難以加工或無法加工)進(jìn)行加工，達(dá)到以柔克剛的效果。②由于電火花加工是一種非接觸式加工，加工時(shí)不產(chǎn)生切削力，不受工具和工件剛度限制，因而有利于實(shí)現(xiàn)微細(xì)加工，如薄壁、深小孔、盲孔、窄縫及彈性零件等的加工。③電火花加工中不需要復(fù)雜的切削運(yùn)動(dòng)，因此有利于異形曲面零件的表面加工，由于工具電極的材料可以較軟，因而工具電極較易制造。④盡管放電溫度較高，但因放電時(shí)間極短．所以加工表面不會(huì)產(chǎn)生厚的熱影響層，因而適于加工熱敏感性很強(qiáng)的材料。3．電火花加工的工藝特點(diǎn)及應(yīng)用(1)

電火花加工的工藝特點(diǎn)6先進(jìn)制造技術(shù)——特種加工技術(shù)⑤電火花加工時(shí)，脈沖電源的電脈沖參數(shù)調(diào)節(jié)及工具電極的自動(dòng)進(jìn)給等，均可通過一定措施實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。⑥電火花加工時(shí)，工具電極會(huì)產(chǎn)生損耗，這會(huì)影響加工精度。

由其特點(diǎn)可見，電火花加工非常適合模具制造工業(yè)，因此電火花加工中90％以上都用于模具制造。沖模是生產(chǎn)上常見的模具，由于形狀復(fù)雜、尺寸精度高，尤其是凹模用一般機(jī)械加工十分困難，甚至不可能，靠鉗工手藝制作，勞動(dòng)量大、耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)、不易保證質(zhì)量、熱處理又易變形和斷裂。電火花加工能很好地解決這些問題，還能加工硬質(zhì)合金沖模。型腔模(包括鍛模、壓鑄模、擠壓模等)用切削方法加上幾乎不可能，采用電火花加工則比較方便。（2）電火花加工的應(yīng)用電火花加工方法可分為電火花成形加工、電火花線切割加工、電火花磨削和鏜磨加工、電火花同步回轉(zhuǎn)加工、電火花表面強(qiáng)化與刻字等五大類。其中，尤以電火花成形加工和電火花線切割加工的應(yīng)用最為廣泛。6先進(jìn)制造技術(shù)——特種加工技術(shù)6.4

電子束和離子束加工圖6-14電子束加工原理示意圖1-電源及控制系統(tǒng)；2-抽真空系統(tǒng)；3-電子槍系統(tǒng)；4-聚焦系統(tǒng)；5-電子束；6-工件

電子束加工是在真空狀態(tài)下，利用高速電子的沖擊動(dòng)能轉(zhuǎn)化成局部熱能而對(duì)材料進(jìn)行加工的，如圖6-14所示。

在真空狀態(tài)下，利用電能將陰極(鎢絲)加熱到2700℃以上，發(fā)射出電子并形成電子云，在陽極吸引下，使電子朝著陽極方向加速運(yùn)動(dòng)，經(jīng)聚焦后，得到能量密度極高、直徑僅為幾微米的電于束。它以極高的速度作用到被加工表面上，使被加工部位的材料在極短的時(shí)間(幾分之一微秒)內(nèi)溫度迅速升高到幾千攝氏度的高溫．從而把局部材料瞬時(shí)熔化或汽化掉，實(shí)現(xiàn)了去除加工。

1．電子束加工原理、工藝特點(diǎn)及應(yīng)用

(1)電子束加工原理

6先進(jìn)制造技術(shù)——特種加工技術(shù)①由于電子束可聚集極高的能量密度，因此，其加工范圍相當(dāng)廣泛，幾乎可對(duì)任何金屬導(dǎo)體、半導(dǎo)體和非導(dǎo)體材料進(jìn)行加工。②由于電子束流可聚成兒微米甚至幾分之一微米的小斑點(diǎn)，因此加工面積可以很小，能加工微孔、窄縫、半導(dǎo)體集成電路等。③電子束加工是—種非接觸式加工，加工過程中工件不受機(jī)械力作用，且加工過程中不存在工具損耗問題。④可以通過磁場(chǎng)和電場(chǎng)對(duì)電子束的強(qiáng)度、位置、聚焦等進(jìn)行直接控制，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。而且利用電子束在磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)原理，可使電子束在工件內(nèi)部偏轉(zhuǎn)，從而加工彎孔和自由曲面，如圖6-15所示。(2)電子束加工的工藝特點(diǎn)6先進(jìn)制造技術(shù)——特種加工技術(shù)⑤因電子束流可以分割成多條細(xì)束，可以實(shí)現(xiàn)多束同時(shí)加工，一秒鐘可以加工出數(shù)干千個(gè)小孔，從而大大提高了生產(chǎn)率。⑥由于電于束加工是在真空中進(jìn)行的，因而產(chǎn)生污染少，加工表面在高溫時(shí)也不會(huì)氧化，特別適于加工易氧化材料及純度要求較高的半導(dǎo)體材料。⑦電子束加工需要一套專用設(shè)備和真空系統(tǒng)，價(jià)格較貴。

電子束打孔已在生產(chǎn)中實(shí)際應(yīng)用。目前電子束微加工的最小孔徑可達(dá)0.001～0.003mm，加工的尺寸精度可達(dá)0.01～0.0001μm

，孔的深徑比為30以上，以加工不銹鋼、耐熱鋼、寶石、拉絲模的錐孔以及微型孔、彎孔、彎縫最為適宜。圖6-16所示是電于束加工噴絲頭異形孔。此外，電子束還可用于刻蝕制板，難熔金屬(如鉭、鈮、鉬等)和化學(xué)性能活潑的金屬(如鈦、鋯、鈾等)的焊接以及電子束熱處理等。(3)電子束加工的應(yīng)用6先進(jìn)制造技術(shù)——特種加工技術(shù)

離子束加工原理與電子束加工類似，也是在真空條件下，把氬(Ar)、氖(Kr)、氙(Xe)等惰性氣體，通過離子源產(chǎn)生離子束并經(jīng)過加速、集束、聚焦后，投射到工件表面的加工部位，以實(shí)現(xiàn)去除加工。所不同的是離子是帶正電荷的，其質(zhì)量比電子的質(zhì)量大千萬倍。由于離子的質(zhì)量大，故在同樣的電場(chǎng)中加速較慢，速度較低，而一旦加速到最高速度時(shí)，離子束比電子束具有更大的沖擊能量。

高速電子撞擊工件材料時(shí)，因電子質(zhì)量小、速度大，動(dòng)能幾乎全部轉(zhuǎn)化為熱能，使工件材料局部熔化、汽化，通過熱效應(yīng)進(jìn)行加工。而離子本身質(zhì)量大，速度較低，撞擊工件材料時(shí)，將引起變形、分離、破壞等機(jī)械作用。

2．離子束加工原理、工藝特點(diǎn)及應(yīng)用(1)離子束加工原理6先進(jìn)制造技術(shù)——特種加工技術(shù)①由于離子束可以通過光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行聚焦掃描，離子束轟擊材料是逐層去除原子，離子束流密度及離子能量可以精確控制，所以離子蝕