机械制造技术的发展

*,第,7,章 机械制造技术的发展,本章要点,制造自动化技术的发展,精密加工与超精密加工,非传统加工方法,先进制造技术,1,机械制造技术基础,第,7,章,制造技术的发展,Development of Manufacturing Technology,7,.1,制造自动化技术的发展,Development of Automation Technology for Manufacturing,2,7,.1.1,制造自动化技术的主要形式,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，,MRP,，,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,3,7,.1.1,制造自动化技术的主要形式,图,7-1,汽车后桥齿轮箱加工自动线,刚性自动化,20,年代,4,7,.1.1,制造自动化技术的主要形式,柔性自动化,50,年代,图,7-2,焊接机器人,综合自动化,7,0,年代,图,7-3,综合自动化,5,7,.1.1,制造自动化技术的主要形式,（,7-1,）,式中,TT,LC,生产某种产品所需总时间；,B ,批数；,Q ,批量；,T,1,单件工时；,T,2,每批产品所需生产准备时间（包括原材料订,货时间，制定生产计划时间，工艺装备调整,时间,）；,T,3,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,6,7,.1.1,制造自动化技术的主要形式,（7-2）,式中,T,LC,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,T,LC,是,一个综合指标，减小,T,LC,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,T,1,柔性自动化：着眼降低,T,1,和,T,2,（,部分）,综合自动化：同时减小,T,1,、,T,2,、,T,3,，,特别,是,T,2,和,T,3,，,因而在多品种、中小批量生产中具有重要意义,7,7.1.2,自动化加工技术,本节仅讨论中小批量生产中广泛使用的柔性制造系统（,Flexible Manufacturing SystemFMS,）,柔性制造系统的组成,图,7-4,FMS,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,8,7.1.2,自动化加工技术,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,9,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。,7.1.2,自动化加工技术,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,10,7.1.2,自动化加工技术,物料传输系统,又称立体仓库或自动化仓库系统（,Automated Storage and Retrieva1 System,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,11,7.1.2,自动化加工技术,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,12,7.1.2,自动化加工技术,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,）,13,7.1.2,自动化加工技术,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,14,7.1.2,自动化加工技术,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）,15,7.1.2,自动化加工技术,工厂计算机：制定、修改、更新生产（作业）计划；,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计划对自动仓,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计划对各加工,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,16,7.1.2,自动化加工技术,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,7-10,JCS-FMS-1,控制级结构,17,7.1.2,自动化加工技术,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,为基础,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计划、调度,18,7.1.2,自动化加工技术,FMS,应用,品种,图,7-11,零件品种、批量与自动化加工方式,0,10,100,1000,批量,10,000,1000,100,10,FML,FMC,FMS,数控机床通用机床,刚性线,生产柔性,产量,19,7.1.2,自动化加工技术,图,7-12,飞机零件加工,FMS,（,Cincinnati,）,1,装卸站,2,运输小车,3MC 4,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,）,20,7.1.2,自动化加工技术,冲床,图,7-13,冲压,FMS,FMS,实例（,2,）,21,十分之一原则：测量不准确度工件容差的,1/10,三分之一原则：测量精密度工件许用精密度的,1/3,（用标准差,表示）,7.1.3,自动检测技术,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,/,计算机反馈控制系统,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,自动检测传感技术,“,十分之一,”,与,“,三分之一,”,原则,22,7.1.3,自动检测技术,离线检测：过程稳定，超差风险小,PROC,AUT,PROC,AUT,PROC,AUT,INSPMAN,抽样,离线检测,PROC,AUT,INSPMAN,在线,/,过程中检测,反馈信号,在线,/,过程后检测,PROC,AUT,INSPMAN,SORT,AUT,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,23,7.1.3,自动检测技术,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,24,7.1.3,自动检测技术,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,25,7.1.3,自动检测技术,可完成测量项目,表,7-2,坐标测量机可完成的测量项目,可完成的测量项目,测量原理,尺寸,孔径与孔中心线坐标,圆柱体轴心线与直径,球心坐标与球面半径,平面度,两平面夹角,两平面的平行度,两条线的交点与交角,由两个给定面坐标的差值确定尺寸,测量孔上,3,点，计算确定孔径与孔中心线坐标,测量圆柱面上,3,点，计算确定轴心线与直径,测量球面上,4,点，计算确定球心坐标与球面半径,用,3,点接触法测定，与理想平面比较确定平面度,按平面上,3,个触点最小值规定平面，再计算夹角,根据两平面交角确定平行度,先确定两线夹角，再测定交点,26,7.1.3,自动检测技术,实物照片,27,机械制造技术基础,第,7,章,制造技术的发展,Development of Manufacturing Technology,7,.2,精密制造技术,Precision Manufacturing Technology,28,7.2.1,精密与超精密加工技术,精密加工,在一定的发展时期，加工精度和表面质量达到较高程度的加工工艺。,超精密加工,在一定的发展时期，加工精度和表面质量达到最高程度的加工工艺。,概述,瓦特改进蒸汽机,镗孔精度,1,mm,20,世纪,40,年代,最高精度,1,m,20,世纪 末,精密加工：,0.1,m,，,R,a,0.01,m,（,亚微米加工）,超精密加工：,0.01,m,，,R,a,0.001,m,（,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,29,零件 加 工 精 度 表面粗糙度,激光光学零件 形状误差,0.1,m R,a,0.01,0.05,m,多面镜 平面度误差,0.04,m R,a,0.02,m,磁头 平面度误差,0.04,m R,a,0.02,m,磁盘 波度,0.01,0.02,m R,a,0.02,m,雷达导波管 平面度垂直度误差 ,0.1,m R,a,0.02,m,卫星仪表轴承 圆柱度误差 ,0.01,m R,a,0.002,m,天体望远镜 形状误差 ,0.03,m R,a,0.01,m,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发展（图,7-17,）,7.2.1,精密与超精密加工技术,30,7.2.1,精密与超精密加工技术,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,（,m）,10,0,10,1,10,2,10,-2,10,-1,10,-3,1900,1920,1940,1960,1980,2000,年份,31,精密与超精密加工技术是一个国家制造业水平重要标志,例：美国哈勃望远镜形状精度,0.01m,；超,大规模集成电路最小线宽,0.1m,，,日本金刚石刀具刃口钝圆半径达,2nm,精密加工与超精密加工技术是先进制造技术基础和关键,例：美国陀螺仪球圆度,0.1,m,，,粗糙度,Ra0.01m,，,导弹命中精度控制在,50m,范围内；,英国飞机发电机转子叶片加工误差从,60m,降至,12m,，,发电机压缩效率从,89%,提高到,94%,；齿形误差从,3-4m,减小,1m,，,单位重量齿轮箱扭矩可提高一倍,精密加工与超精密加工技术是新技术的生长点,精密与超精密加工技术涉及多种基础学科和多种新兴技术，其发展无疑会带动和促进这些相关科学技术的发展,精密与超精密加工地位,7.2.1,精密与超精密加工技术,32,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,7.2.1,精密与超精密加工技术,33,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,7.2.1,精密与超精密加工技术,34,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。,7.2.1,精密与超精密加工技术,35,切削在晶粒内进行,切削力原子结合力（剪切应力达,13000 N,/,mm,2,）,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,7.2.1,精密与超精密加工技术,36,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。,关键技术,7.2.1,精密与超精密加工技术,图,7-18 Moore,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,5,000转/分，径跳0.1,m,；,液体静压导轨，直线度达,0.05/100mm,；,数控系统分辨率,0.01 ,。,37,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，生产成本较低，已成为当前金刚石车床的主流布局。,图,7-19 T,形布局的金刚石车床,T,形布局（图,7-19,）,7.2.1,精密与超精密加工技术,38,金刚石车床主要性能指标（表,7-5,）,数控系统分辩率,/m,400200,500010000,5000,0. 10.01,0. 2/100,0. 1,0. 1,1/150,2/100,径向,1140,轴向,1020,640,720,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,(2) / m,主轴径向圆跳动,/ m,滑台运动的直线度,/ m,主轴前静压轴承（,100mm,）,的刚度,/,（,N/m,）,主轴后静压轴承（,80mm,）,的刚度,/,（,N/m,）,纵横滑台的静压支承刚度,/,（,N/m,）,表,7-5,金刚石车床主要性能指标,主轴轴向圆跳动,/ m,横滑台对主轴的垂直度,/ m,7.2.1,精密与超精密加工技术,39,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）,L2,L3,（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,7.2.1,精密与超精密加工技术,40,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，则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,”,。,7.2.1,精密与超精密加工技术,41,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,）,7.2.1,精密与超精密加工技术,单晶金刚石,45,6.4,6.4,12,A,A,6,6,A-A,35,R,R=1.6,4.8,6.4,6.4,5,B,1,6,B-B,110,120,R,R=0.5,1.2,B,0,0,0,0,0,0,0,0,0,图,7-22,金刚石刀具角度,金刚石刀具角度（图,7-22,）,42,金刚石车床,加工,4.5mm,陶瓷球,7.2.1,精密与超精密加工技术,图,7-23,金刚石车床及其加工照片,43,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,用碳化硅砂轮（或金刚石笔）修整，获得所需形状；, 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,7.2.1,精密与超精密加工技术,44,进给,图,7-24 ELID,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,（,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。,7.2.1,精密与超精密加工技术,45,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,1m,。,为此对机床要求：高的定位精度和运动精度。以免因磨粒切削深度超过,1m,时，导致转变为脆性磨削。,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）。,7.2.1,精密与超精密加工技术,46,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、内外圆表面、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,7.2.1,精密与超精密加工技术,47,图,7-26,用于磨削管件的,砂带磨床（,带有行星系统）,7.2.1,精密与超精密加工技术,48,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,7.2.1,精密与超精密加工技术,49,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（,R,a,值可达,0.02m,）。,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,）可用于内外表面及成形表面加工。,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。,7.2.1,精密与超精密加工技术,50,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,0.1,0.01m,7.2.1,精密与超精密加工技术,51,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表面产生固相反应，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,7.2.1,精密与超精密加工技术,52,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，微观表面形貌等；,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,0.01m,。,激光测量,7.2.1,精密与超精密加工技术,53,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,）,7.2.1,精密与超精密加工技术,54,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,f,2,+f,2,f,1,氦氖激光器,轴向强磁场,N,S,1/4,波片,分光镜,透镜组,f,1,f,2,f,1,f,2,移动反射棱镜,f,2,f,2,+f,2,偏振分光镜,f,1,f,1,f,f,+f,2,7.2.1,精密与超精密加工技术,由于移动反射棱镜随被测件移动，频率,f,2,变成,f,2,f,2,。,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：,f,1,（ f,2,f,2,）= f + f,2,经分光镜，折射一小部分，经干涉测量仪获得拍频,f,（,= f,1,f,2,）,的参考信号。大部分激光到偏振分光镜：垂直线偏振光,f,1,被反射，再经固定反射棱镜反射回来；水平线偏振光,f,2,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,f,2,的,具有长度单位当量的电信号。由于使用频率差,f,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。,氦氖激光器发出的激光，在轴向强磁场作用下，产生频率,f,1,和,f,2,旋向相反的圆偏振光，经,1/4,波片形成频率,f,1,的垂直线偏振光和频率,f,2,的水平线偏振光。经透镜组成平行光束。,55,图,7-34,双频激光测量系统,7.2.1,精密与超精密加工技术,56,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,0.5m,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,7.2.1,精密与超精密加工技术,57,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,0.1m,10m,。,超微细加工,通常指,1m,以下超微细尺寸零件的加工，其加工误差为,0.01m,0.1m,。,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,7.2.2,微细与超微细加工技术,58,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,7.2.2,微细与超微细加工技术,59,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,7-,35,）。,铣刀的回转半径（可小到,5m,）,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,7.2.2,微细与超微细加工技术,60,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,FANUC ROBO,nano,Ui,型,微型超精密加工机床,（图,7-,36,）,7.2.2,微细与超微细加工技术,61,机床有,X,、,Z,、,C,、,B,四个轴，在,B,轴回转工作台上增加,A,轴转台后，可实现,5,轴控制，数控系统的最小设定单位为,1nm,。,可进行车、铣、磨和电火花加工。,旋转轴采用编码器半闭环控制，直线轴则采用激光全息式全闭环控制。,为了降低伺服系统的摩擦，导轨、丝杠螺母副以及伺服电机转子的推力轴承和径向轴承均采用气体静压结构。,图,7-,36,FANUC,微型超精密加工机床,7.2.2,微细与超微细加工技术,62,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）,7.2.2,微细与超微细加工技术,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。,63,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,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,逆,压电元件,电磁铁,1,电磁铁,2,电磁铁加励磁，夹紧,7.2.2,微细与超微细加工技术,64,图,7-38,直线电机驱动定位平台,(,YOKOGAWA,公司）,7.2.2,微细与超微细加工技术,65,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(,m/300mm) 510 0.51.0,重复定位精度(,m) 25 0.10.2,最高速度(,m/min) 2050 60200,最大加速度(,g) 12 210,寿命(,h) 600010000 50000,7.2.2,微细与超微细加工技术,66,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-,40 WEDG,可加工的各种截形杆,微细电加工,图,7-,39,WEDG,工作原理,工件,金属丝,导丝器,7.2.2,微细与超微细加工技术,67,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,7.2.2,微细与超微细加工技术,68,要求：定位精度,0.1m,，,重复定位精度,0.01m,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,X,Y,0,P,y1,P,y2,P,x,微动工作台,工作台微动的形成：,X,运动：,P,y1,P,y2,P,x,长度变化,Y,运动：,P,y1,P,y2,P,y1,长度变化,Z,转动：,P,y1,P,y2,加工设备,（电子束光刻大规模集成电路）,7.2.2,微细与超微细加工技术,69,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,”,工件表面，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,7.2.2,微细与超微细加工技术,70,将被加速的离子聚焦成细束，射到被加工表面上。被加工表面受,“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,7.2.2,微细与超微细加工技术,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。,71,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 = 0.01m,预加工,终加工,a),金刚石压头,r = 0.01m,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。,7.2.2,微细与超微细加工技术,72,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）。,7.2.2,微细与超微细加工技术,73,用高能离子（数十万,KeV,）,轰击工件表面，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。,7.2.2,微细与超微细加工技术,74,通常指纳米级（,0.1nm,100nm,）,的,材料、设计、制造、测量和控制,技术。纳米技术涉及机械、电子、材料、物理、化学、生物、医学等多个领域。,在达到纳米层次后，决非几何上的,“,相似缩小,”,，而出现一系列新现象和规律。量子效应、波动特性、微观涨落等不可忽略，甚至成为主导因素。,纳米技术研究的主要内容,纳米级精度和表面形貌测量及表面层物理、化学性能检测；,纳米级加工；,纳米材料；,纳米级传感与控制技术；,微型与超微型机械。,7.2.3,纳米技术,75,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。当一个电极为非常尖锐的探针时，由于尖端放电使隧道电流加大。,7.2.3,纳米技术,G.Binning,H.Rohrer,76,STM,图,7- 48,STM,工作过程演示,图,7- 47,STM,实物照片,7.2.3,纳米技术,77,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,7.2.3,纳米技术,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,78,当探针与试件表面距离达,1nm,时，形成隧道结（图,7-51,）。当偏压,U,b,小于势垒高度,时，隧道电流密度为：,式中,h,普郎克常数；,e,电子电量；,k,a,，,k,0,系数。,由上式可见，探针与试件表面距离,d,对隧道电流密度非常敏感，这正是,STM,的基础。,1,2,d,试件,STM,探针,U,b,图,7-51,STM,隧道结,7.2.3,纳米技术,79,两种测量模式,（,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,7-52,STM,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。,7.2.3,纳米技术,80,关键技术：,（,1,）,STM,探针,金属丝经化学腐蚀，在腐蚀断裂瞬间切断电流，获得尖峰，曲率半径为,10nm,左右。,图,7-53,STM,针尖,7.2.3,纳米技术,81,（,2,）隧道电流反馈控制,（图,7-54,）,7.2.3,纳米技术,计算机,差分比较,积分放大,比例放大,高压放大,A/D,XYZ,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/A,82,（,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。,X,Z,陶瓷管,金属膜,+,U,X,-,U,X,-,U,Y,+,U,Y,U,Z,a）,L,L,0,b）,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,7-55,b,),。,若两外壁电极电压相同，则陶瓷管伸长或缩短，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,7-55,b,。,7.2.3,纳米技术,83,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。,AF,M,两种测量模式：,接触式,探针针尖与试件表面距离,0.5,nm，,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,0.5,1,nm，,利用,原子间的吸引力。,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,。,7.2.3,纳米技术,84,AF,M,探针被微力弹簧片压向试件表面，原子排斥力将探针微微抬起。达到力平衡。,AF,M,探针扫描时，因微力簧片压力基本不变，探针随被测表面起伏。,AF,M,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,7-56,AF,M,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，若控制电流不变，则,STM,探针与,AF,M,探针（微力簧片）同步位移，于是可测出试件表面微观形貌。,7.2.3,纳米技术,85,图,7-57,AF,M,实物照片,扫描探针,磁盘图像,7.2.3,纳米技术,86,LIGA,（,Lithographic,Galuanoformung,Abformung,）,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,7-58,LIGA,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,）：,7.2.3,纳米技术,87,图,7-59 LIGA,工作现场,7.2.3,纳米技术,88,50 m,图,7-60,X,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