第8章-先进制造技术.ppt

p8.1精密与超精密加工技术p8.2快速成型制造技术p8.3微细加工技术8.18.1精密与超精密加工技术精密与超精密加工技术8.1.1概述 当前精密和超精密加工精度从微米到亚微米，乃至纳米，在汽车、家电、IT电子信息高技术领域和军用、民用工业有广泛应用。同时，精密和超精密加工技术的发展也促进了机械、模具、液压、电子、半导体、光学、传感器和测量技术及金属加工工业的发展。通常，按加工精度划分，精密机械加工可分为精加工、精密加工、超精密加工三个阶段。精加工是完成各主要表面的最终加工，使零件的加工精度和加工表面质量达到图样规定的要求。精度在10m左右，Ra0.80.1m。精密加工是指加工精度和表面质量达到较高程度的加工方法。精度在10.1m左右Ra0.10.02m。超精密加工是指在机械加工领域中，某一个历史时期所能达到的最高加工精度的各种精密加工方法的总称。精度0.10.01m左右，Ra0.010.005m。但这个界限是随着加工技术的进步不断变化的，今天的精密加工可能就是明天的精加工。精密加工所要解决的问题，一是加工精度，包括形位公差、尺寸精度及表面状况；二是加工效率，有些加工可以取得较好的加工精度，却难以取得高的加工效率。8.1.2精密及超精密加工的分类1.传统精密加工方法传统精密加工方法传统的精密加工方法有砂带磨削、精密切削、珩磨、精密研磨与抛光等。（1）砂带磨削是用粘有磨料的混纺布为磨具对工件进行加工，属于涂附磨具磨削加工的范畴，有生产率高、表面质量好、使用范围广等特点。（2）精密切削，也称金刚石刀具切削(SPDT)，用高精密的机床和单晶金刚石刀具进行切削加工，主要用于铜、铝等不宜磨削加工的软金属的精密加工，如计算机用的磁鼓、磁盘及大功率激光用的金属反光镜等，比一般切削加工精度要高12个等级。（3）珩磨是用油石砂条组成的珩磨头，在一定压力下沿工件表面往复运动，加工后的表面粗糙度可达Ra0.40.1m，最好可到Ra0.025m，主要用来加工铸铁及钢，不宜用来加工硬度小、韧性好的有色金属。（4）精密研磨与抛光通过介于工件和工具间的磨料及加工液，工件及研具作相互机械摩擦，使工件达到所要求的尺寸与精度的加工方法。精密研磨与抛光对于金属和非金属工件都可以达到其他加工方法所不能达到的精度和表面粗糙度，被研磨表面的粗糙度Ra0.025m加工变质层很小，表面质量高，精密研磨的设备简单，主要用于平面、圆柱面、齿轮齿面及有密封要求的配偶件的加工，也可用于量规、量块、喷油嘴、阀体与阀芯的光整加工。（5）抛光是利用机械、化学、电化学的方法对工件表面进行的一种微细加工，主要用来降低工件表面粗糙度，常用的方法有：手工或机械抛光、超声波抛光、化学抛光、电化学抛光及电化学机械复合加工等。手工或机械抛光加工后工件表面粗糙度Ra0.05m，可用于平面、柱面、曲面及模具型腔的抛光加工。超声波抛光加工精度0.010.02m，表面粗糙度Ra0.1m。化学抛光加工的表面粗糙度一般为Ra0.2m。电化学抛光可提高到Ra0.10.08m。2.现代精密加工现代精密加工现代精密加工包括微细加工和超微细加工、光整加工等加工技术。（1）微细加工技术是指制造微小尺寸零件的加工技术；（2）超微细加工技术是指制造超微小尺寸零件的加工技术，它们是针对集成电路的制造要求而提出的，由于尺寸微小，其精度是用切除尺寸的绝对值来表示，而不是用所加工尺寸与尺寸误差的比值来表示.（3）光整加工一般是指降低表面粗糙度和提高表面层力学机械性质的加工方法，不着重于提高加工精度，其典型加工方法有珩磨、研磨、超精加工及无屑加工等。实际上，这些加工方法不仅能提高表面质量，而且可以提高加工精度。精整加工是近年来提出的一个新的名词术语，它与光整加工是对应的，是指既要降低表面粗糙度和提高表面层力学机械性质，又要提高加工精度(包括尺寸、形状、位置精度)的加工方法。3.超精密加工超精密加工超精密加工主要包括三个领域：超精密切削加工，如金刚石刀具的超精密切削，可加工各种镜面。它已成功地解决了用于激光核聚变系统和天体望远镜的大型抛物面镜的加工；超精密磨削和研磨加工，如高密度硬磁盘的涂层表面加工和大规模集成电路基片的加工；超精密特种加工，如大规模集成电路芯片上的图形是用电子束、离子束刻蚀的方法加工，线宽可达0.1m。如用扫描隧道电子显微镜(STM)加工，线宽可达25nm。（1）超精密切削（2）超精密磨削（3）超精密研磨（4）超精密特种加工 8.1.3精密及超精密加工的发展趋势1.高精度、高精度、高效率高效率 2.大型化、大型化、微型化微型化 3.智能化智能化 4.工艺整合工艺整合化化 5.在线加工在线加工检测一体化检测一体化 6.绿色化绿色化 8.28.2快速成型制造技术快速成型制造技术8.2.1概述快速成型技术（Rapid Prototyping，简称RP），又称实体自由成型技术，快速成型的工艺方法是基于计算机三维实体造型，在对三维模型进行处理后，形成截面轮廓信息，随后将成型材料按三维模型的截面轮廓信息进行扫描，使材料粘结、固化、烧结，逐层堆积成为实体原型。8.2.2快速成型的基本原理与传统的机械切削加工，如车削、铣削等“材料减削”方法不同的是，“快速成型制造技术”是靠逐层融接增加材料来生成零件的，是一种“材料迭加”的方法，快速成型技术采用离散/堆积成型原理，根据三维CAD模型，对于不同的工艺要求，按一定厚度进行分层，将三维数字模型变成厚度很薄的二维平面模型。再将数据进行一定的处理，加入加工参数，在数控系统控制下以平面加工方式连续加工出每个薄层，并使之粘结而成形。实际上就是基于“生长”或“添加”材料原理一层一层地离散叠加，从底至顶完成零件的制作过程。快速成型有很多种工艺方法，但所有的快速成型工艺方法都是一层一层地制造零件，所不同的是每种方法所用的材料不同，制造每一层添加材料的方法不同。该技术的基本特征是“分层增加材料”，即三维实体由一系列连续的二维薄切片堆叠融接而成，如图8-1所示。图8-1 RP的成形原理8.2.3快速成型的工艺过程（1）三维模型的构造：按图纸或设计意图在三维CAD设计软件中设计出该零件的CAD实体文件。一般快速成型支持的文件输出格式为STL模型，即对实体曲面做近似的所谓面型化处理，是用平面三角形面片近似模型表面。以简化CAD模型的数据格式。便于后续的分层处理。由于它在数据处理上较简单，而且与CAD系统无关，所以很快发展为快速成型制造领域中CAD系统与快速成型机之间数据交换的标准，每个三角面片用四个数据项表示。即三个顶点坐标和一个法向矢量，整个CAD模型就是这样一个矢量的集合。在一般的软件系统中可以通过调整输出精度控制参数，减小曲面近似处理误差。如Pre/E软件是通过选定弦高值作为逼近的精度参数。（2）三维模型的离散处理（切片处理）：在选定了制作(堆积)方向后，通过专用的分层程序将三维实体模型(一般为STL模型)进行一维离散，即沿制作方向分层切片处理，获取每一薄层片截面轮廓及实体信息。分层的厚度就是成型时堆积的单层厚度。由于分层破坏了切片方向CAD模型表面的连续性，不可避免地丢失了模型的一些信息，导致零件尺寸及形状误差的产生。所以分层后需要对数据作进一步的处理，以免断层的出现。切片层的厚度直接影响零件的表面粗糙度和整个零件的型面精度，每一层面的轮廓信息都是由一系列交点顺序连成的折线段构成。所以，分层后所得到的模型轮廓已经是近似的，层与层之间的轮廓信息已经丢失，层厚越大丢失的信息越多，导致在成型过程中产生了型面误差。（3）成型制作：把分层处理后的数据信息传至设备控制机，选用具体的成型工艺，在计算机的控制下，逐层加工，然后反复叠加，最终形成三维产品。（4）后处理：根据具体的工艺，采用适当的后处理方法，改善样品性能。8.2.4快速成型技术的特点与传统的切削加工方法相比，快速原型加工具有以下特点：1.自由成型制造 2.制造效率高 3.由CAD模型直接驱动4.技术高度集成 5.经济效益高 6.精度不如传统加工8.2.5典型RP工艺方法简介光固化法光固化法(SLA)(SLA)是目前最为成熟和广泛应用的一种快速成型制造工艺。光固化成型是目前最为成熟和广泛应用的一种快速成型制造工艺。光固化成型工艺的成型原理如图工艺的成型原理如图8-28-2所示。所示。图8-2光固化成型法原理图SLA工艺的优点是精度较高，一般尺寸精度可控制在0.01mm；表面质量好；原材料利用率接近100%；能制造形状特别复杂、精细的零件。其设备市场占有率很高。缺点是需要设计支撑；可以选择的材料种类有限；制件容易发生翘曲变形；材料价格较昂贵等。SLA工艺适合比较复杂的中小型零件的制作。1.光固化法光固化法(SLA，Stereolithography Apparatus)2.选择性激光烧结法选择性激光烧结法(SLS，Selective Laser Sintering)选择性激光烧结法(SLS)是在工作台上均匀铺上一层很薄(100m-200m)的非金属(或金属)粉末，激光束在计算机控制下按照零件分层截面轮廓逐点地进行扫描、烧结，使粉末固化成截面形状。完成一个层面后工作台下降一个层厚，滚动铺粉机构在已烧结的表面再铺上一层粉末进行下一层烧结。未烧结的粉末保留在原位置起支撑作用，这个过程重复进行直至完成整个零件的扫描、烧结，去掉多余的粉末，再进行打磨、烘干等处理后便获得需要的零件。用金属粉或陶瓷粉进行直接烧结的工艺正在实验研究阶段，它可以直接制造工程材料的零件，成型原理如图8-3所示。图8-3选择性激光烧结法原理图 SLS工艺的优点是原型件机械性能好，强度高；无须设计和构建支撑；可选材料种类多且利用率高(100%)。缺点是制件表面粗糙，疏松多孔，需要进行后处理；制造成本高。以SLS工艺采用各种不同成分的金属粉末进行烧结，经渗铜等后处理特别适合制作功能测试零件，也可直接制造金属型腔的模具。采用蜡粉直接烧结适合于小批量比较复杂的中小型零件的熔模铸造生产。3.熔融沉积成型法熔融沉积成型法(FDM，Fused Deposition Modeling)熔融沉积又叫熔丝沉积，它是将丝状材料如热塑性塑料、蜡或金属的熔丝从加热的喷嘴挤出，按照零件每一层的预定轨迹，以固定的速率进行熔体沉积的热熔性材料加热熔化，通过带有一个微细喷嘴的喷头挤喷出来。喷头可沿着X轴方向移动，而工作台则沿Y轴方向移动。如果热熔性材料的温度始终稍高于固化温度，而成型部分的温度稍低于固化温度，就能保证热熔性材料挤喷出喷嘴后，随即与前一层面熔结在一起。一个层面沉积完成后，工作台按预定的增量下降一个层的厚度，再继续熔喷沉积，直至完成整个实体造型，成型原理如图8-4所示。FDM工艺的关键是保持半流动成型材料的温度刚好在熔点之上(比熔点高1左右)。其每一层片的厚度由挤出丝的的直径决定，通常是0.250.50mm。FDM的优点是材料利用率高；材料成本低；可选材料种类多；工艺简洁。缺点是精度低；复杂构件不易制造；悬臂件需加支撑；表面质量差。FDM工艺适合于产品的概念建模及形状和功能测试，适于制造中等复杂程度的中小原型，不适合制造大型零件。图8-4熔融沉积成型法原理图8.38.3微细加工技术微细加工技术8.3.1概述 科学家设想把机电系统像集成电路一样集成起来，即把驱动器、传感器、微处理器以及光学系统等集成于较小的结构之上，形成微型机械。微机电系统（MEMS)技术是建立在微米/纳米技术（Micro/nano-technology)基础上的21世纪前沿技术，是指对微米/纳米材料进行设计、加工、制造、测量和控制的技术。微型机械技术包括传感器技术、微型发动机技术、微机电系统（MEMS）技术、纳米技术、微电子技术、微组装技术等。微细加工技术是精密加工技术的一个分支，面向微细加工的电加工技术、激光微孔加工、水射流微细切割技术等等在发展国民经济，振兴我国国防事业等方面都有非常重要的意义，这一领域的发展对未来的国民经济、科学技术等将产生巨大影响，先进国家纷纷将之列为未来关键技术之一，并扩大投资和加强基础研究与开发。所以我们有理由有必要加快这一领域的发展和开发进程。微细加工技术应满足下列功能：(1)为达到很小的单位去除率（UR），需要各轴能实现足够小的微量移动，对于微细的机械加工和电加工工艺，微量移动应可小至几十个纳米，电加工的UR最小极限取决于脉冲放电的能量。(2)高灵敏的伺服进给系统，它要求低摩擦的传动系统和导轨支承系统以及高精度跟踪性能的伺服系统。(3)高平稳性的进给运动，尽量减少由于制造和装配误差引起的各轴的运动误差。(4)高的定位精度和重复定位精度。(5)低热变形结构设计。(6)刀具的稳固夹持和高的重复夹持精度。(7)高的主轴转速及极低的动不平衡。(8)稳固的床身构件并隔绝外界的振动干扰。(9)具有刀具破损和微型钻头折断的敏感的监控系统。8.3.2微细加工的特点 微细加工技术是指加工微小尺寸零件的生产加工技术。从广义的角度来讲，微细加工包括各种传统精密加工方法和与传统精密加工方法完全不同的方法，如切削技术，磨料加工技术，电火花加工，电解加工，化学加工，超声波加工，微波加工，等离子体加工，外延生产，激光加工，电子束加工，粒子束加工，光刻加工，电铸加工等。从狭义的角度来讲，微细加工主要是指半导体集成电路制造技术。因为微细加工和超微细加工是在半导体集成电路制造技术的基础上发展的，是大规模集成电路和计算机技术的技术基础，是信息时代、微电子时代、光电子时代的关键技术之一。微小尺寸和一般尺寸加工是不同的，其不同点主要表现在以下几个方面：1.精度的表示方法:在微小尺寸加工时，由于加工尺寸很小，精度就必须用尺寸的绝对值来表示，即用取出的一块材料的大小来表示，从而引入加工单位尺寸的概念。2.微观机理:以切削加工为例，从工件的角度来讲，一般加工和微细加工的最大区别是切屑的大小。一般认为金属材料是由微细的晶粒组成，晶粒直径为数微米到数百微米。一般加工时，吃刀量较大，可以忽略晶粒的大小而将晶粒作为一个连续体来看待。微细加工时，切屑极薄，吃刀量可能小于晶粒的大小，切削就在晶粒内进行，晶粒就被作为一个一个不连续体来切削。这时，切削不是晶粒之间的破坏，而是切削力一定要大于晶体内部原子、分子之间结合力。因此可见一般加工和微细加工的机理是不同的。3.加工特征:微细加工和超微细加工以分离或结合原子、分子为加工对象，以电子束、激光束、粒子束为加工基础，采用沉积、刻蚀、溅射、蒸镀等手段进行各种处理。8.3.3主要特种微细加工简介1.电火花微细加工电火花微细加工 一般来说，电火花微细加工技术与常规电火花成形加工并无本质区别。但要将电火花加工技术应用于微细加工领域，必须具备3个最基本的条件：(1)使电极能以稳定微步距进给的高精度伺服系统；(2)能产生极微能量并且可控性好的脉冲电源；(3)具备制造微细高精度电极的手段及上艺。2 激光微细加工激光微细加工 激光是20世纪60年代初发展起来的一门新兴科学。它是一种具有亮度高、方向性好和单色性好的相干光，因此在理论上经聚焦后能形成直径为亚微米级的光点，焦点处的功率密度可达到1081011wcm2，温度高达10000以上，可在千分之几秒内急剧熔化和汽化各种材料。激光束具有良好的可检性，易于进行各种复杂形状的微细加工。目前，激光加工已受到相当重视，几乎对所有金属和非金属材料如钢材、耐热合金、陶瓷、宝石、玻璃、硬质合金及复合材料都可以加工。用于微细加工的激光器主要有红宝石激光器、YAG(钇铝石榴石)激光器、准分子激光器和氩离子激光器等。激光在微细加工中的主要应用有打孔、焊接、修整、调整、光刻等。目前，激光微细加工的尺寸可达亚微米级。3 电子束和离子束微细加工电子束和离子束微细加工(1)电子束微细加工:电子束微细加工原理如图8-7所示，在真空中从灼热的灯丝阴极发射出的电子，在高电压(30200千伏)作用下被加速到很高的速度，通过电磁透镜会聚成一束高功率密度（105109wcm2）的电子束。图8-7 电子束微细加工原理图电子束微细加工的特点：(1)由于电子束能够微细地聚焦到0.1um大小，所以加工面积可以很小，是一种精密微细的加工方法。(2)加工材料范围很广，对脆性、韧性、导体、非导体及半导体材料均可加工。(3)由于电子束的能量密度高，因而加工生产率很高。(4)整个加工过程便于实现自动化，(5)特别适用于加工易氧化的金属及合金制料，以及纯度要求甚高的半导体材料。(2)(2)离子束微细加工离子束微细加工利用离子源产生的离子，在真空中经加速、聚焦而形成高速高能的束状离子流，使之打击到工件表面上，从而对工件进行加工的方法称为离子束微细加工。离子束微细加工与电子束微细加工的区别是：在离子束微细加工时，加速的物质是带正电的离子而不是电子，离子束比电子束具有更大的撞击能量；其次，电子束加工主要是靠热效应进行加工，而离子束加工主要是通过离子撞击工件材料时起的破坏、分离或直接将离子注入加工表面等机械作用进行加工。离子束微细加工的特点：（1)由于离子刻蚀可以达到毫微米级的加工精度，离子镀膜可以控制在亚微米级精度以及离子注入的深度和浓度也可极精确地控制，所以可以说离子束微细加上是所有特种加工方法中最精密、最微细的加工方法，是当代毫微米加工(纳米加工)技术的基础。（2)特别适用于对易氧化的金属、合金材料和高纯度半导体材料的加工。（3)加工应力、热变形等极小，加工质量高，适合于对各种材料和低刚度零件的加工。离子束微细加工的应用范围正在日益扩大、不断创新。目前主要应用有对工件进行离子刻蚀加工、给工件表面添加离子镀膜、进行表面改性的离子注入加工等。超声微细加工的实质就是在超声波振动作用之下磨粒的机械冲击、抛磨及磨料悬浮液的空化作用等综合效应的结果，其中以磨粒的连续冲击作用为主。超声微细加工主要用于各种硬脆材料，如石英、玻璃、陶瓷、金刚石和硬质合金等加工，可加工出各种形状的型孔、型腔和成形表面。超声微细加工的优点是，由于加工时刀具压力较低，所以工件表面的宏观切削力很小，切削应力、切削热很小，不会引起变形及烧伤，加工精度较高，一般可达到0.020.05mm，表面粗糙度也较好，可达Ra 0.16um。适用于加上薄壁、窄缝。及低刚度等工件。超声微细加工的缺点是生产效率较低为此，超声加工可以多种加工相结合，进行超声复合加工，例如，超声振动切削加工，可以降低切削力、降低表面粗糙度，提高加工效率和刀具耐用度；又如超声电解复合加工等。4 超声微细加工超声微细加工