先进制造术先进工艺ppt课件.ppt

理解理解各先进制造工艺方法的内涵各先进制造工艺方法的内涵熟悉熟悉各种先进制造工艺的关键技术各种先进制造工艺的关键技术了解了解各先进制造工艺技术的应用及发展趋势各先进制造工艺技术的应用及发展趋势超高速加工技术超高速加工技术1超精密加工技术超精密加工技术2微细加工技术微细加工技术3高能束加工技术高能束加工技术4快速原型制造技术快速原型制造技术53.1 3.1 超高速加工技术超高速加工技术3.1.1 3.1.1 超高速加工技术的产生超高速加工技术的产生泰勒-“金属切削奠基人”研究者对泰勒公式质疑物理学家萨洛蒙进行高速切削试验3.1 3.1 超高速加工技术超高速加工技术3.4.1 3.4.1 超高速加工技术的产生超高速加工技术的产生切削速度 t /C萨洛蒙曲线CBAotivcvhv切削速度 /(m/min)v超高速切削概念示意图超高速切削概念示意图3.1 3.1 超高速加工技术超高速加工技术超高速加工技术是指采用超高速加工技术是指采用超硬材料刀具和磨具超硬材料刀具和磨具，利，利用能可靠地实现用能可靠地实现高速运动高速运动的高精度、高自动化和高的高精度、高自动化和高柔性的柔性的制造设备制造设备，以，以提高切削速度提高切削速度来达到提高材料来达到提高材料切除率、加工精度和加工质量的先进加工技术。切除率、加工精度和加工质量的先进加工技术。3.4.2 3.4.2 超高速加工技术的内涵超高速加工技术的内涵目前世界各国尚未统一对超高速切削速度范围的认目前世界各国尚未统一对超高速切削速度范围的认 识，但通常把切削速度比常规高出识，但通常把切削速度比常规高出5 51010倍以上的倍以上的 切削加工称为超高速切削。切削加工称为超高速切削。3.1 3.1 超高速加工技术超高速加工技术高速切削高速切削的核心是速度与精度，由于刀具材料、的核心是速度与精度，由于刀具材料、工件材料和加工工艺的多样性，对高速切削不可工件材料和加工工艺的多样性，对高速切削不可能用一个确定的速度指标来定义。对于铣刀等回能用一个确定的速度指标来定义。对于铣刀等回转刀具，通常以刀具或主轴的转速作为衡量标准，转刀具，通常以刀具或主轴的转速作为衡量标准，根据不同的刀具直径，现阶段一般把转速根据不同的刀具直径，现阶段一般把转速10000r/min10000r/min以上视为高速切削。以上视为高速切削。3.1 3.1 超高速加工技术超高速加工技术超高速车削超高速车削超高速铣削超高速铣削1 1超高速铣削超高速铣削2 23.1 3.1 超高速加工技术超高速加工技术（1 1）随着切削速度的大幅度提高，进给速度也）随着切削速度的大幅度提高，进给速度也相应提高相应提高 5 51010倍，从而提高了加工效率和设倍，从而提高了加工效率和设备利用率，缩短了生产周期。备利用率，缩短了生产周期。 （2 2）在超高速切削速度范围内，随切削速度的）在超高速切削速度范围内，随切削速度的提高切削力平均可降低提高切削力平均可降低3030以上，单位功率材以上，单位功率材料切除率的提高，有利于延长刀具使用寿命。料切除率的提高，有利于延长刀具使用寿命。3.4.3 3.4.3 超高速加工技术的优越性超高速加工技术的优越性3.1 3.1 超高速加工技术超高速加工技术（3 3）由于切屑可以很高的速度被排出，带走大量的热由于切屑可以很高的速度被排出，带走大量的热量，提高工件的加工精度。量，提高工件的加工精度。（4 4）使得加工过程平稳，有利于提高加工表面质量。）使得加工过程平稳，有利于提高加工表面质量。（5 5）高速切削可加工硬度高达）高速切削可加工硬度高达HRC45HRC456565的淬硬钢铁的淬硬钢铁件，因此对淬硬后的模具等复杂零件，可直接铣成，件，因此对淬硬后的模具等复杂零件，可直接铣成，省去省去 后续的传统放电加工或磨削加工。这就是所谓的后续的传统放电加工或磨削加工。这就是所谓的“一次过一次过” ” 技术。技术。 3.1 3.1 超高速加工技术超高速加工技术对刀具材料的基本要求：对刀具材料的基本要求： 较高的硬度和耐磨性；较高的强度和韧性；较高的硬度和耐磨性；较高的强度和韧性； 耐热性；较好的工艺性能和经济性。耐热性；较好的工艺性能和经济性。 超高速切削的刀具材料的更高要求：超高速切削的刀具材料的更高要求： 可靠性；高的耐热性和抗热冲击性能；可靠性；高的耐热性和抗热冲击性能； 良好的高温力学性能；适应新型材料的加工良好的高温力学性能；适应新型材料的加工3.4.4 3.4.4 超高速切削的相关技术超高速切削的相关技术1. 1. 超高速切削的刀具技术超高速切削的刀具技术3.1 3.1 超高速加工技术超高速加工技术涂层刀具涂层刀具金属陶瓷刀具金属陶瓷刀具陶瓷刀具陶瓷刀具立方氮化硼（立方氮化硼（CBNCBN）聚晶金刚石聚晶金刚石(PCD)(PCD)刀具等刀具等适合于超高速切削的刀具材料主要有：适合于超高速切削的刀具材料主要有：3.1 3.1 超高速加工技术超高速加工技术涂层刀具涂层刀具金属陶瓷刀具金属陶瓷刀具陶瓷刀具陶瓷刀具立方氮化硼立方氮化硼聚晶金刚石刀具聚晶金刚石刀具3.1 3.1 超高速加工技术超高速加工技术2. 2. 超高速切削的机床技术超高速切削的机床技术（1 1）主轴系统）主轴系统（2 2）机床的进给系统）机床的进给系统 （3 3）刀具夹持系统）刀具夹持系统3.1 3.1 超高速加工技术超高速加工技术 主轴电机与主轴合二为一的结构形式。即采用无外主轴电机与主轴合二为一的结构形式。即采用无外壳电机，将其空心转子直接套装在机床主轴上，壳电机，将其空心转子直接套装在机床主轴上，带有冷却套的定子则安装在主轴单元的壳体内，带有冷却套的定子则安装在主轴单元的壳体内，形成内装式电机主轴，简称形成内装式电机主轴，简称“电主轴电主轴” 。返回返回3.1 3.1 超高速加工技术超高速加工技术要求超高速切削机床的进给系统不仅要能达到很高的进要求超高速切削机床的进给系统不仅要能达到很高的进给速度，还要求有大的加速度以及高的定位精度。给速度，还要求有大的加速度以及高的定位精度。传统机床采用旋转电机带动滚珠丝杠的进给方案，由于传统机床采用旋转电机带动滚珠丝杠的进给方案，由于其工作台的惯性以及受螺母丝杠本身结构的限制，进给其工作台的惯性以及受螺母丝杠本身结构的限制，进给速度和加速度一般比较小。要获得更高的进给加速度，速度和加速度一般比较小。要获得更高的进给加速度，只有采用直线电机直接驱动的形式。只有采用直线电机直接驱动的形式。3.1 3.1 超高速加工技术超高速加工技术返回返回3.1 3.1 超高速加工技术超高速加工技术目前普遍应用的是目前普遍应用的是7 7：2424锥度的刀柄系统随着超高锥度的刀柄系统随着超高速切削技术的发展，此类刀柄系统暴露出以下不速切削技术的发展，此类刀柄系统暴露出以下不足：足：刚性不足；刚性不足；自动换刀的重复精度不稳定；自动换刀的重复精度不稳定；当主轴高速转动时，主轴前端孔径在离心力作当主轴高速转动时，主轴前端孔径在离心力作用下会增大，易导致主轴与刀柄锥面脱离，用下会增大，易导致主轴与刀柄锥面脱离，刀柄的锥部较长，不利于快速换刀及机床的小刀柄的锥部较长，不利于快速换刀及机床的小型化。型化。 3.1 3.1 超高速加工技术超高速加工技术为解决上述问题，一些研究机构和刀具企业开发为解决上述问题，一些研究机构和刀具企业开发了一种可使刀柄在主轴内孔锥面和端面同时定位了一种可使刀柄在主轴内孔锥面和端面同时定位的新型连接方式的新型连接方式两面定位刀柄系统，两面定位刀柄系统，其中最其中最具代表性的是日本的具代表性的是日本的BIG-PLUSBIG-PLUS刀柄系统和德国的刀柄系统和德国的HSKHSK刀柄系统。刀柄系统。HSKHSK刀柄刀柄BIG-PLUSBIG-PLUS刀柄刀柄3.2 3.2 超精密加工技术超精密加工技术3.2.1 3.2.1 精密和超精密加工的加工范畴精密和超精密加工的加工范畴 超例如：金刚石刀具切削刃钝圆半径的大小是金刚石超例如：金刚石刀具切削刃钝圆半径的大小是金刚石刀具超精密切削的一个关键技术参数，日本声称已达刀具超精密切削的一个关键技术参数，日本声称已达到到2nm2nm，而我国尚处于亚微米水平，相差一个数量级；，而我国尚处于亚微米水平，相差一个数量级；又如金刚石微粉砂轮超精密磨削在日本已用于生产，又如金刚石微粉砂轮超精密磨削在日本已用于生产，使制造水平有了大幅度提高，突出地解决了超精密磨使制造水平有了大幅度提高，突出地解决了超精密磨削磨料加工效率低的问题。削磨料加工效率低的问题。3.2.2 3.2.2 精密和超精密加工技术的地位与作用精密和超精密加工技术的地位与作用超精密加工是国家制造工业水平的重要标志之一超精密加工是国家制造工业水平的重要标志之一 3.2 3.2 超精密加工技术超精密加工技术精密和超精密加工是先进制造技术的基础和关键精密和超精密加工是先进制造技术的基础和关键 3.2 3.2 超精密加工技术超精密加工技术作为制造技术的主战场，作为真实产品的实际制造，作为制造技术的主战场，作为真实产品的实际制造，必然要靠精密加工和超精密加工技术，例如，计算必然要靠精密加工和超精密加工技术，例如，计算机工业的发展不仅要在软件上，还要在硬件上，即机工业的发展不仅要在软件上，还要在硬件上，即在集成电路芯片上有很强的能力，应该说，当前，在集成电路芯片上有很强的能力，应该说，当前，我国集成电路的制造水平约束了计算机工业的发展。我国集成电路的制造水平约束了计算机工业的发展。美国制造工程研究者提出的汽车制造业的美国制造工程研究者提出的汽车制造业的“两毫米两毫米工程工程”使汽车质量赶上欧、日水平，其中的举措都使汽车质量赶上欧、日水平，其中的举措都是实实在在的制造技术。是实实在在的制造技术。超精密加工技术与国防工业关系密切，如陀螺仪的超精密加工技术与国防工业关系密切，如陀螺仪的加工涉及多项超精密加工，导弹系统的陀螺仪质量加工涉及多项超精密加工，导弹系统的陀螺仪质量直接影响其命中率，直接影响其命中率，1kg1kg的陀螺转子，其质量中心的陀螺转子，其质量中心偏离其对称轴偏离其对称轴0.0005m0.0005m，则会引起，则会引起100m100m的射程误的射程误差和差和50m50m的轨道误差。的轨道误差。3.2.3 3.2.3 精密和超精密加工的需求精密和超精密加工的需求国防工业上的需求国防工业上的需求3.2 3.2 超精密加工技术超精密加工技术红外线探测器反射镜，其抛物面反射镜形状精度红外线探测器反射镜，其抛物面反射镜形状精度为为1m1m，表面粗糙度为，表面粗糙度为Ra0.01mRa0.01m，其加工精度直，其加工精度直接影响导弹的引爆距离和命中率。接影响导弹的引爆距离和命中率。激光核聚变用的曲面镜，其形状精度小于激光核聚变用的曲面镜，其形状精度小于1m1m，表面粗糙度小于表面粗糙度小于Ra0.01mRa0.01m，其质量直接影响激光，其质量直接影响激光的光源性能。的光源性能。大型天体望远镜的透镜、直径达大型天体望远镜的透镜、直径达2.4m2.4m，形状精度，形状精度为为0.01m0.01m，如著名的哈勃太空望远镜，能观察，如著名的哈勃太空望远镜，能观察140140亿光年的天体。（亿光年的天体。（图图） 3.2 3.2 超精密加工技术超精密加工技术3.2 3.2 超精密加工技术超精密加工技术 计算机上的芯片、磁板基片、光盘基片等都需要超计算机上的芯片、磁板基片、光盘基片等都需要超精密加工技术来制造。录像机的磁鼓、复印机的感精密加工技术来制造。录像机的磁鼓、复印机的感光鼓、各种磁头、激光打印机的多面体、喷墨打印光鼓、各种磁头、激光打印机的多面体、喷墨打印机的喷墨头等都必须进行超精密加工，才能达到质机的喷墨头等都必须进行超精密加工，才能达到质量要求。量要求。信息产品中的需求信息产品中的需求计算机上的芯片计算机上的芯片录像录像机的机的磁鼓磁鼓 现代小型、超小型的成像设备，如摄相机、照相现代小型、超小型的成像设备，如摄相机、照相机等上的各种透镜，特别是光学曲面透镜，激光机等上的各种透镜，特别是光学曲面透镜，激光打印机、激光打标机等上的各种反射镜都要靠超打印机、激光打标机等上的各种反射镜都要靠超精密加工技术来完成。至于超精密加工机床、设精密加工技术来完成。至于超精密加工机床、设备和装置当然更需要超精密加工技术才能制造。备和装置当然更需要超精密加工技术才能制造。民用产品中的需求民用产品中的需求3.2 3.2 超精密加工技术超精密加工技术(1)(1)美国是开展研究最早的国家。美国是开展研究最早的国家。加利福尼亚大学的加利福尼亚大学的 LLNLLLNL国家实验室和美国空军合作研制出的大型光学金刚国家实验室和美国空军合作研制出的大型光学金刚石车床石车床(Large Optics Diamond Turning Machine(Large Optics Diamond Turning MachineLODTM)LODTM)是为镜面加工大直径光学镜头而开发的是为镜面加工大直径光学镜头而开发的 。(2)(2)日本是当今世界上超精密加工技术发展最快的国家。日本是当今世界上超精密加工技术发展最快的国家。日本在工科大学里，大多设置了精密工学科，十分注重日本在工科大学里，大多设置了精密工学科，十分注重培养精密加工方面的高级人材。许多著名的企业，如东培养精密加工方面的高级人材。许多著名的企业，如东芝、精工、三菱电气、西铁城等，在超精密加工设备、芝、精工、三菱电气、西铁城等，在超精密加工设备、测量系统等方面卓有成效。测量系统等方面卓有成效。3.2.4 3.2.4 超精密加工现状及发展趋势超精密加工现状及发展趋势国内外现状国内外现状3.2 3.2 超精密加工技术超精密加工技术英、德等欧洲国家在超精密加工机床的制造与精密英、德等欧洲国家在超精密加工机床的制造与精密测量方面也处于世界的先进行列。如：当今世界上测量方面也处于世界的先进行列。如：当今世界上最大的超精密大型最大的超精密大型CNCCNC光学零件磨床光学零件磨床“OAGM2500”OAGM2500”大型非球面反射镜大型非球面反射镜 (3)(3)我国的超精密加工技术在我国的超精密加工技术在7070年代末期有了长足年代末期有了长足进步，进步，8080年代中期出现了具有世界水平的超精密机年代中期出现了具有世界水平的超精密机床和部件。床和部件。3.2 3.2 超精密加工技术超精密加工技术LODTMOAGM2500高精度高精度 超精密加工技术的终极目标是超精密加工技术的终极目标是 “ “移动原移动原子子”，实现原子级精度的加工。，实现原子级精度的加工。大型化大型化 研制各种大型超精密加工设备，以满足航研制各种大型超精密加工设备，以满足航天航空等领域的需要。天航空等领域的需要。发展趋势发展趋势3.2 3.2 超精密加工技术超精密加工技术微型化微型化 向微型化发展，以适应微型机械、集成电向微型化发展，以适应微型机械、集成电路等发展的需要。路等发展的需要。光机电一体化、加工检测一体化。光机电一体化、加工检测一体化。 新工艺与复合加工技术新工艺与复合加工技术 面对越来越多的高硬度、面对越来越多的高硬度、高脆性的难加工材料以及低刚度的零件，激光加工、高脆性的难加工材料以及低刚度的零件，激光加工、粒子束加工等新工艺将会得到更多的发展和应用。粒子束加工等新工艺将会得到更多的发展和应用。3.2 3.2 超精密加工技术超精密加工技术3.2 3.2 超精密加工技术超精密加工技术 近年来，在传统加工方法中，金刚石刀具超精密切削、近年来，在传统加工方法中，金刚石刀具超精密切削、金刚石微粉砂轮超精密磨削、精密高速切削、精密砂金刚石微粉砂轮超精密磨削、精密高速切削、精密砂带磨削等已占有重要地位；在非传统加工中，出现了带磨削等已占有重要地位；在非传统加工中，出现了电子束、离子束、激光束等高能加工、微波加工、超电子束、离子束、激光束等高能加工、微波加工、超声加工、蚀刻、电火花和电化学加工等多种方法，特声加工、蚀刻、电火花和电化学加工等多种方法，特别是复合加工，如磁性研磨、磁流体抛光、电解研磨、别是复合加工，如磁性研磨、磁流体抛光、电解研磨、超声珩磨等，在加工机理上均有所创新。超声珩磨等，在加工机理上均有所创新。加工机理加工机理 3.2.5 3.2.5 超精密加工的关键技术超精密加工的关键技术3.2 3.2 超精密加工技术超精密加工技术 用于精密和超精密加工的零件，其材料的化学成分、用于精密和超精密加工的零件，其材料的化学成分、物理力学性能、加工工艺性能均有严格要求，要求物理力学性能、加工工艺性能均有严格要求，要求被加工材料质地均匀，性能稳定，无外部及内部微被加工材料质地均匀，性能稳定，无外部及内部微观缺陷。观缺陷。 被加工材料被加工材料 3.2 3.2 超精密加工技术超精密加工技术(1)(1)高精度。高精度。(2)(2)高刚度。高刚度。 (3)(3)高稳定性。高稳定性。 (4)(4)高自动化。高自动化。 加工设备的质量与基础元部件，如主轴系统、导加工设备的质量与基础元部件，如主轴系统、导轨、直线运动单元和分度转台等密切相关，应注轨、直线运动单元和分度转台等密切相关，应注意这些元部件质量。此外，夹具、辅具等也要求意这些元部件质量。此外，夹具、辅具等也要求有相应的高精度、高刚度和高稳定性。有相应的高精度、高刚度和高稳定性。加工设备及其基础元部加工设备及其基础元部件件 3.2 3.2 超精密加工技术超精密加工技术加工工具主要是指刀具、磨具及刃磨技术。用加工工具主要是指刀具、磨具及刃磨技术。用金刚石刀具超精密切削，值得研究的问题有：金刚石刀具超精密切削，值得研究的问题有：金刚石刀具的超精密刃磨，其刃口钝圆半径应金刚石刀具的超精密刃磨，其刃口钝圆半径应达到达到2 24nm4nm，同时应解决其检测方法，刃口钝，同时应解决其检测方法，刃口钝圆半径与切削厚度关系密切，若切削的厚度欲圆半径与切削厚度关系密切，若切削的厚度欲达到达到10nm10nm，则刃口钝圆半径应为，则刃口钝圆半径应为2nm2nm。 加工工具加工工具3.2 3.2 超精密加工技术超精密加工技术磨具当前主要采用金刚石微粉砂轮超精密磨削，磨具当前主要采用金刚石微粉砂轮超精密磨削，这种砂轮有磨料粒度、粘接剂、修整等问题，通这种砂轮有磨料粒度、粘接剂、修整等问题，通常，采用粒度为常，采用粒度为W20W20W0.5W0.5的微粉金刚石，粘接剂的微粉金刚石，粘接剂采用树脂、铜、纤维铸铁等。采用树脂、铜、纤维铸铁等。3.2 3.2 超精密加工技术超精密加工技术环境环境温度温度可根据加工要求控制在可根据加工要求控制在110.020.02，甚，甚至达到至达到0.00050.0005。 在恒温室内，一般在恒温室内，一般湿度湿度应保持在应保持在55%55%60%60%，防止机器的，防止机器的锈蚀、石材膨胀，以及一些仪器，如激光干涉仪的零点锈蚀、石材膨胀，以及一些仪器，如激光干涉仪的零点漂移等。漂移等。 洁净度洁净度要求要求10001000100100级，级，100100级是指每立方英尺空气中级是指每立方英尺空气中所含大于所含大于0.5m0.5m的尘埃不超过的尘埃不超过100100个，依此类推。个，依此类推。 工作环境工作环境3.2 3.2 超精密加工技术超精密加工技术3.3 3.3 微细加工技术微细加工技术 微型机械加工或称微型机电系统或微型系统是指微型机械加工或称微型机电系统或微型系统是指可以批量制作的、集微型机构、微型传感器、微可以批量制作的、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、甚至外围接型执行器以及信号处理和控制电路、甚至外围接口、通讯电路和电源等于一体的微型器件或系统。口、通讯电路和电源等于一体的微型器件或系统。3.3.1 3.3.1 概述概述微型机械概念微型机械概念3.3 3.3 微细加工技术微细加工技术体积小（特征尺寸范围为：体积小（特征尺寸范围为：1m-10mm1m-10mm）、重量轻、）、重量轻、耗能低、性能稳定；耗能低、性能稳定；有利于大批量生产，降低生产成本；有利于大批量生产，降低生产成本；集约高技术成果，附加值高。集约高技术成果，附加值高。微型机械特点微型机械特点3.3 3.3 微细加工技术微细加工技术微型机械加工技术微型机械加工技术是指制作为机械装置的微是指制作为机械装置的微细加工技术。细加工技术。起源于半导体制造工艺，原来指加工尺度约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。在微米级范围的加工方式。微细加工技术概念微细加工技术概念3.3 3.3 微细加工技术微细加工技术从基本加工类型看，微细加工可大致分四类从基本加工类型看，微细加工可大致分四类: : 分离加工分离加工将材料的某一部分分离出去的将材料的某一部分分离出去的加工方式，如分解、蒸发、溅射、破碎等；加工方式，如分解、蒸发、溅射、破碎等； 接合加工接合加工同种或不同材料的附和加工或同种或不同材料的附和加工或相互结合加工，如蒸镀、淀积、掺入、生长、粘相互结合加工，如蒸镀、淀积、掺入、生长、粘结等；结等；3.3 3.3 微细加工技术微细加工技术变形加工变形加工使材料形状发生改变的加工方式，如使材料形状发生改变的加工方式，如塑性变形加工、流体变形加工等；塑性变形加工、流体变形加工等；材料处理或改性材料处理或改性，如一些热处理或表面改性等。，如一些热处理或表面改性等。 3.3 3.3 微细加工技术微细加工技术目前微型加工技术主要目前微型加工技术主要有硅平面加工和体加工有硅平面加工和体加工工艺，工艺，LIGALIGA加工（微型加工（微型铸模电镀工艺）、准铸模电镀工艺）、准LIGALIGA加工，超微细加工、加工，超微细加工、微细电火花加工（微细电火花加工（EDMEDM）等技术。等技术。3.3 3.3 微细加工技术微细加工技术3.3.2 微细加工技术微细加工技术1.硅微加工技术硅微加工技术硅微细加工技术硅微细加工技术主要是指以硅材料为基础制作各种主要是指以硅材料为基础制作各种微机械零部件。分为：微机械零部件。分为：体微机械加工体微机械加工表面微机械加工表面微机械加工3.3 3.3 微细加工技术微细加工技术体微机械加工技术体微机械加工技术是针对整块材料通过是针对整块材料通过刻蚀刻蚀去除去除部分基体或衬底材料，从而得到所需元件的体构部分基体或衬底材料，从而得到所需元件的体构形。形。刻蚀工艺分为刻蚀工艺分为干法刻蚀干法刻蚀和和湿法刻蚀湿法刻蚀返回返回3.3 3.3 微细加工技术微细加工技术表面微机械加工技术表面微机械加工技术就是利用集成电路中的平面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化制造技术来制造微机械装置如如牺牲层技术牺牲层技术 2020世世 纪纪8080年代美国年代美国U.C.U.C. Berkeley Berkeley发明了表发明了表 面牺牲层工艺，并面牺牲层工艺，并 采用该工艺制备了采用该工艺制备了 可动的微型静电马可动的微型静电马 达。达。 3.3 3.3 微细加工技术微细加工技术获得更复杂的三维微结构，可以连续添加牺牲层获得更复杂的三维微结构，可以连续添加牺牲层和结构层，并分别采用恰当的光刻和刻蚀技术。和结构层，并分别采用恰当的光刻和刻蚀技术。采用五层多晶硅工艺采用五层多晶硅工艺备的微型传动结构备的微型传动结构3.3 3.3 微细加工技术微细加工技术LIGALIGA是德文的是德文的平版印刷术平版印刷术该工艺在该工艺在8080年代初创立年代初创立于德国的卡尔斯鲁厄原子核研究所，是为制造喷于德国的卡尔斯鲁厄原子核研究所，是为制造喷嘴而开发出来的。嘴而开发出来的。 2. LIGA3.3 3.3 微细加工技术微细加工技术b) b) 组装后的电磁驱动微马达的组装后的电磁驱动微马达的SEM SEM 照片照片，由牺牲层和，由牺牲层和LIGALIGA技术获得，转子直径技术获得，转子直径为为150150 m m，三个齿轮的直径分别为三个齿轮的直径分别为7777 m,100m,100 m m和和150150 m ma) LIGAa) LIGA工艺得到的三个镍材料工艺得到的三个镍材料的微型齿轮，每个齿轮高的微型齿轮，每个齿轮高100100 m m威斯康星大学通过威斯康星大学通过LIGALIGA方法制作的微齿轮方法制作的微齿轮和组装后的微马达和组装后的微马达3.3 3.3 微细加工技术微细加工技术电火花加工是利电火花加工是利用工件和工具电用工件和工具电极之间的脉冲性极之间的脉冲性火花放电，产生火花放电，产生瞬间高温使工件瞬间高温使工件材料局部熔化和材料局部熔化和气化，从而达到气化，从而达到蚀除的目的。电蚀除的目的。电火花加工由于其火花加工由于其非机械接触的特非机械接触的特点，因而适合于点，因而适合于微细加工。微细加工。 3. 微细电火花加工微细电火花加工3.3 3.3 微细加工技术微细加工技术4. 微细切削加工技术微细切削加工技术 微型阶微型阶梯轴梯轴微型微型螺纹螺纹 微小微小铣刀铣刀 微小微小螺旋螺旋槽槽 3.3.3 3.3.3 微细加工技术的应用微细加工技术的应用谁谁来做来做 微电子生产装备？微电子生产装备？谁来做谁来做喷墨头？喷墨头？标准喷墨打印头喷墨面积14平方毫米喷嘴3072个直径15微米打印时加热器在十万分之一秒内升温至三百多度，使喷嘴内形成约100大气压由此从喷嘴中喷出直径为20微米、体积为4微微升的墨滴，速度每秒24000滴这还这还只是微米技术只是微米技术微器件微器件比蚂蚁小许多的微齿轮比蚂蚁小许多的微齿轮光光交换机交换机DWDM模块模块以太网光纤以太网光纤全全光开关光开关波分复用器波分复用器DWDM测试仪测试仪光光通信元器件通信元器件微纳制造应用广阔微纳制造应用广阔轿车上的轿车上的微型传感器微型传感器用于加速度、光亮度、用于加速度、光亮度、位置、温度、湿度、扭位置、温度、湿度、扭矩、负荷、重量、空气矩、负荷、重量、空气流量、氧气含量等测量流量、氧气含量等测量控制控制Analog Devices公司截止2002年已制造出一亿只MEMS加速度传感器 新华网洛杉矶新华网洛杉矶20072007年年1010月月2222日专电：日专电： 据据纽约时报纽约时报报道，美国科学家莱斯大学教授报道，美国科学家莱斯大学教授詹姆斯詹姆斯托尔等人耗费年时间研制成了世界上第一托尔等人耗费年时间研制成了世界上第一辆辆“纳米车辆纳米车辆”。科学家说，未来这种车辆可用来运。科学家说，未来这种车辆可用来运输单个的分子，成为输单个的分子，成为“纳米生产纳米生产”中的有用工具。这中的有用工具。这种种“纳米车辆纳米车辆”不过至纳米见方，不到头发丝直不过至纳米见方，不到头发丝直径的万分之一，却拥有完整的底盘、轮轴和车轮。径的万分之一，却拥有完整的底盘、轮轴和车轮。 它的轮轴能像汽车的轮轴一样平滑旋转，而轮轴它的轮轴能像汽车的轮轴一样平滑旋转，而轮轴末端是个末端是个“巴基球巴基球”做成的轮子。做成的轮子。“巴基球巴基球”是由是由个碳原子构成的纳米级球状分子。个碳原子构成的纳米级球状分子。 无限风光在无限风光在“微小微小”3.4 3.4 高能束加工技术高能束加工技术高能密度束流加工主要方法高能密度束流加工主要方法: :激光加工激光加工电子束加工电子束加工离子束加工离子束加工3.4 3.4 高能束加工技术高能束加工技术高能束流加工的共同特点：高能束流加工的共同特点：1.1.加工速度快，热流输入少，对工件热影响极少，加工速度快，热流输入少，对工件热影响极少，工件变形小。工件变形小。2.2.束流能够聚焦且有极高的能量密度，激光加工、束流能够聚焦且有极高的能量密度，激光加工、电子束加工可使任何坚硬、难熔的材料在瞬间熔融电子束加工可使任何坚硬、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，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。使材料变形、分离破坏。3.3.工具与工件不接触，无工具变形及损耗问题。工具与工件不接触，无工具变形及损耗问题。4.4.束流控制方便，易实现加工过程自动化。束流控制方便，易实现加工过程自动化。3.4 3.4 高能束加工技术高能束加工技术激光加工（激光加工（laser beam machininglaser beam machining，LBMLBM）是在光热效）是在光热效应下产生的高温熔融和冲击波的综合作用过程。应下产生的高温熔融和冲击波的综合作用过程。 激光加工原理激光加工原理3.4.1 3.4.1 激光加工激光加工影影 片片3.4 3.4 高能束加工技术高能束加工技术激光加工属非接触加工，无明显机械力，也无工具激光加工属非接触加工，无明显机械力，也无工具损耗，工件不变形，加工速度快，热影响区小，可损耗，工件不变形，加工速度快，热影响区小，可达高精度加工，易实现自动化。达高精度加工，易实现自动化。激光加工的特点激光加工的特点因功率密度是所有加工方法中最高的，所以不受因功率密度是所有加工方法中最高的，所以不受材料限制，几乎可加工任何金属与非金属材料。材料限制，几乎可加工任何金属与非金属材料。3.4 3.4 高能束加工技术高能束加工技术激光加工可通过惰性气体、空气或透明介质对工激光加工可通过惰性气体、空气或透明介质对工件进行加工，如可通过玻璃对隔离室内的工件进件进行加工，如可通过玻璃对隔离室内的工件进行加工或对真空管内的工件进行焊接。行加工或对真空管内的工件进行焊接。激光可聚焦形成微米级光斑，输出功率大小可调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。节，常用于精密细微加工。能源消耗少，无加工污染，在节能、环保等方面能源消耗少，无加工污染，在节能、环保等方面有较大优势。有较大优势。3.4 3.4 高能束加工技术高能束加工技术用于特殊材料或特殊工件上的孔加工，如仪表中的宝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。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，打孔时间可缩短至传统切削激光打孔的效率非常高，打孔时间可缩短至传统切削加工的百分之一以下，生产率大大提高。加工的百分之一以下，生产率大大提高。激光打孔的尺寸公差等级可达激光打孔的尺寸公差等级可达IT7IT7，表面粗糙度，表面粗糙度RaRa值可值可达达0.160.160.080.08。激光加工应用激光加工应用影影 片片3.4 3.4 高能束加工技术高能束加工技术激光束焊接是以聚集的激光束作为能源的特种熔化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。焊接方法。激光器将电能转化为光能，激光波长均一，方向一激光器将电能转化为光能，激光波长均一，方向一致，强度非常高。经聚焦后，激光束的能量更为集致，强度非常高。经聚焦后，激光束的能量更为集中，将焦点调节到焊件结合处，光能迅速转换成热中，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。能，使金属瞬间熔化，冷却凝固后成为焊缝。影影 片片3.4 3.4 高能束加工技术高能束加工技术激光切割是激光加工中应用最广泛的技术，利用激光切割是激光加工中应用最广泛的技术，利用激光聚焦以后的高功率密度，连续照射工件，光激光聚焦以后的高功率密度，连续照射工件，光束与工件相对移动，使材料形成切缝。束与工件相对移动，使材料形成切缝。影影 片片3.4 3.4 高能束加工技术高能束加工技术激光热处理工艺简单，生产率高，对环境无污激光热处理工艺简单，生产率高，对环境无污染，硬度比常温淬火高约染，硬度比常温淬火高约15%15%20%20%；耗能少，；耗能少，工件变形小，适合精密局部表面硬化及内孔或工件变形小，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。形状复杂零件表面的局部硬化处理。电子束加工是在真空条件下，电子束加工是在真空条件下，利用电子枪中产生的电子经加利用电子枪中产生的电子经加速、聚焦后能量密度为速、聚焦后能量密度为10106 610109 9w/cmw/cm2 2的极细束流高速冲击的极细束流高速冲击到工件表面上极小的部位，并到工件表面上极小的部位，并在几分之一微秒时间内，其能在几分之一微秒时间内，其能量大部分转换为热能，使工件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氏度，致使材料局部熔化或蒸发，来去除材料。发，来去除材料。 电子束加工原理电子束加工原理3.4.2 3.4.2 电子束加工电子束加工1-1-发射阴极发射阴极 2-2-控制栅极控制栅极 3-3-加速加速阳极阳极 4-4-聚焦系统聚焦系统 5-5-电子束斑点电子束斑点 6-6-工件工件 7-7-工作台工作台3.4 3.4 高能束加工技术高能束加工技术3.4 3.4 高能束加工技术高能束加工技术1 1）高功率密度）高功率密度 属非接触式加工，工件不受机械力属非接触式加工，工件不受机械力作用，很少产生应力变形，不存在工具损耗问题。作用，很少产生应力变形，不存在工具损耗问题。2 2）电子束强度、位置、聚焦可精确控制，可在工件电子束强度、位置、聚焦可精确控制，可在工件上以任何速度行进，便于自动化控制。上以任何速度行进，便于自动化控制。3 3）环境污染少环境污染少 适合加工纯度要求很高的半导体材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。料及易氧化的金属材料。 电子束加工特点电子束加工特点不锈钢宝石、陶瓷、玻璃等各种材料上的小孔、深孔。不锈钢宝石、陶瓷、玻璃等各种材料上的小孔、深孔。最小加工直径可达最小加工直径可达0.003mm0.003mm，最大深径比可达，最大深径比可达1010。像机翼吸附屏的孔、喷气发动机套上的冷却孔，此类像机翼吸附屏的孔、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。分布而孔径也有变化，非常适合电子束打孔。 塑料和人造革上打许多微孔，令其象真皮一样具有透塑料和人造革上打许多微孔，令其象真皮一样具有透气性。气性。还可凭借偏转磁场的变化使电子束在工件内偏转方向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。加工出弯曲的孔。 电子束加工应用电子束加工应用 3.4 3.4 高能束加工技术高能束加工技术3.4 3.4 高能束加工技术高能束加工技术可对各种材料进行切割，切口宽度仅有可对各种材料进行切割，切口宽度仅有3 36m6m。利用电子束再配合工件的相对运动，可加工所需利用电子束再配合工件的相对运动，可加工所需要的曲面。要的曲面。 3.4 3.4 高能束加工技术高能束加工技术电子束加工曲面、弯孔电子束加工曲面、弯孔1323(a)(b)(c)(d)1工件；2工件运动方向；3电子束3.4 3.4 高能束加工技术高能束加工技术0.030.07 mm电子束加工的喷丝头异形孔3.4 3.4 高能束加工技术高能束加工技术用计算机控制，对陶瓷、半导体或金属材料进用计算机控制，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；电子束热处行电子刻蚀加工；异种金属焊接；电子束热处理等。理等。 离子束加工是在真空条件下利用离子源产生的离子离子束加工是在真空条件下利用离子源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，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、分离以达到加工目的。使材料变形、破坏、分离以达到加工目的。因为离子带正电荷且质量是电子的千万倍，且加速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，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。机械作用，而不像电子束是通过热效应进行加工。 离子束加工原理离子束加工原理3.4.3 3.4.3 离子束加工离子束加工3.4