第7章机械制造技术的发展.ppt

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1、第第7章章 制造技术的发展制造技术的发展Development of Manufacturing Technology本章主要内容：本章主要内容：机械制造技术的发展趋势、精密加工与机械制造技术的发展趋势、精密加工与超精密加工、非传统加工方法。超精密加工、非传统加工方法。17.1 先进制造技术及发展先进制造技术及发展Advanced Manufacturing Technology and Development 27.1.1 7.1.1 现代机械制造技术的特点现代机械制造技术的特点 现代制造技术即用先进的制造技术现代制造技术即用先进的制造技术现代制造技术即用先进的制造技术现代制造技术即用先进的

2、制造技术(Advanced Advanced Advanced Advanced Manufacturing TechnologyManufacturing TechnologyManufacturing TechnologyManufacturing Technology，AMT)AMT)AMT)AMT)来代替传统的制来代替传统的制来代替传统的制来代替传统的制造技术。先进制造技术（造技术。先进制造技术（造技术。先进制造技术（造技术。先进制造技术（AMTAMTAMTAMT）是一种以优质、高是一种以优质、高是一种以优质、高是一种以优质、高效、低能耗、洁净和灵活性为典型特征的新的机械效、低能耗、洁

3、净和灵活性为典型特征的新的机械效、低能耗、洁净和灵活性为典型特征的新的机械效、低能耗、洁净和灵活性为典型特征的新的机械制造技术。重视、发展和应用这种先进的制造技术制造技术。重视、发展和应用这种先进的制造技术制造技术。重视、发展和应用这种先进的制造技术制造技术。重视、发展和应用这种先进的制造技术对于一个国家国民经济水平的发展有着重大的意义。对于一个国家国民经济水平的发展有着重大的意义。对于一个国家国民经济水平的发展有着重大的意义。对于一个国家国民经济水平的发展有着重大的意义。3一、一、AMTAMT的产生背景的产生背景 AMTAMT首先由美国于首先由美国于2020世纪世纪8080年代末提出。年代末

4、提出。长长期期以以来来，美美国国政政府府只只对对基基础础研研究究、卫卫生生健健康康、国国防防技技术术等等给给予予经经费费支支持持，而而对对产产业业技技术术不不予予支支持持，主主张张产产业业技技术术通通过过市市场场竞竞争争，由由企企业业自自主主发发展展 2020世世纪纪7070年年代代，一一批批美美国国学学者者不不断断鼓鼓吹吹美美国国已已进进入入“后后工工业业化化社社会会”，认认为为制制造造业业是是“夕夕阳阳工工业业”，主主张张经经济济重重心心由由制制造造业业转转向向高高科科技技产产业业和和第三产业第三产业4结结果果：导导致致美美国国在在经经济济上上的的竞竞争争力力下下降降，贸贸易易逆逆差差巨巨

5、增增，日日本本家家电电、汽汽车车大大量量涌涌入入并并占占领领了了美美国国市市场场。（2020世世纪纪6060年年代代美美国国汽汽车车产产量量占占世世界界汽汽车车总总产产量量的的2/32/3，而到了，而到了8080年代下降到不足年代下降到不足1/31/3）。）。2020世纪世纪8080年代年代,美国政府开始认识到问题的严重性。美国政府开始认识到问题的严重性。白宫一份报告称白宫一份报告称“美国经济衰退已威胁到国家安全美国经济衰退已威胁到国家安全”MIT MIT 的一份报告写到的一份报告写到“经济竞争归根结底是制造技经济竞争归根结底是制造技术和制造能力的竞争术和制造能力的竞争”，“一个国家要生活好，

6、必须一个国家要生活好，必须生产好生产好”，表明美国知识界与政府之间取得了共识。，表明美国知识界与政府之间取得了共识。5 19881988年年,美国政府投资进行大规模美国政府投资进行大规模“2121世纪制造企业世纪制造企业战略战略”研究研究,并于其后不久提出了并于其后不久提出了“先进制造技术先进制造技术”发展目标，制定并实施了发展目标，制定并实施了“先进制造技术计划先进制造技术计划（ATPATP）”和和“制造技术中心计划（制造技术中心计划（MTCMTC）”19911991年，白宫科学技术政策办公室发表年，白宫科学技术政策办公室发表“美国国家美国国家关键技术关键技术”报告，重新确立了制造业的地位报

7、告，重新确立了制造业的地位 19931993年年，克克林林顿顿在在硅硅谷谷发发表表题题为为“促促进进美美国国经经济济增增长长的的技技术术 增增强强经经济济实实力力的的新新方方向向”的的演演说说，对制造业给予了实质性强有力的支持。对制造业给予了实质性强有力的支持。6 “制制造造业业仍仍是是美美国国的的经经济济基基础础，美美国国曾曾多多年年是是制制造造业业的的世世界界领领袖袖，不不受受挑挑战战。但但近近十十年年我我们们的的实实力力每况愈下每况愈下 美美国国企企业业和和政政府府对对制制造造技技术术投投资资不不足足，与与其其它它外外国国竞竞争争者者相相比比，美美国国公公司司在在整整个个研研究究开开发发

8、计计划划中中忽忽视视了了与与工工艺艺有有关关的的研研究究开开发发忽忽视视了了现现有有技技术术和和诀窍的传播诀窍的传播”随着美国在随着美国在“先进制造技术计划（先进制造技术计划（ATP）”和和“制造技术中心计划（制造技术中心计划（MTC）”的实施和推行，从而的实施和推行，从而取得了明显的效果。取得了明显的效果。7 汽车汽车汽车汽车 2mm 2mm 2mm 2mm 工程，使轿车车身精度达到丰田水平。工程，使轿车车身精度达到丰田水平。工程，使轿车车身精度达到丰田水平。工程，使轿车车身精度达到丰田水平。1994 1994 1994 1994 年年年年，美美美美国国国国汽汽汽汽车车车车产产产产量量量量重

9、重重重新新新新超超超超过过过过日日日日本本本本，重重重重新新新新占占占占领领领领欧欧欧欧、美市场美市场美市场美市场美美美美国国国国InterInterInterInter公公公公司司司司成成成成为为为为世世世世界界界界最最最最大大大大的的的的芯芯芯芯片片片片制制制制造造造造商商商商（在在在在此此此此之之之之前前前前芯芯芯芯片片片片生生生生产产产产也也也也不不不不敌敌敌敌日日日日本本本本，包包包包括括括括海海海海湾湾湾湾战战战战争争争争中中中中大大大大出出出出风风风风头头头头的的的的“爱国者爱国者爱国者爱国者”导弹上使用的芯片也是日本制造的）导弹上使用的芯片也是日本制造的）导弹上使用的芯片也是日

10、本制造的）导弹上使用的芯片也是日本制造的）20202020世世世世纪纪纪纪90909090年年年年代代代代，经经经经济济济济持持持持续续续续增增增增长长长长，失失失失业业业业率率率率降降降降低低低低到到到到历历历历史史史史最最最最低水平低水平低水平低水平提提提提出出出出了了了了一一一一系系系系列列列列的的的的先先先先进进进进制制制制造造造造技技技技术术术术的的的的新新新新理理理理论论论论、新新新新思思思思想想想想，如如如如：CECECECE，LPLPLPLP，AMAMAMAM，8 对对AMTAMT而而言言，至至今今尚尚无无明明确确的的和和一一致致公公认认的的定定义义，通过对其特征的分析和多年的

11、实践总结，可以认为：通过对其特征的分析和多年的实践总结，可以认为：AMTAMT是是制制造造业业不不断断吸吸收收信信息息技技术术和和现现代代管管理理技技术术的的成成果果，将将其其综综合合应应用用于于产产品品设设计计、加加工工、检检测测、管管理理、销销售售、使使用用、服服务务乃乃至至回回收收的的制制造造全全过过程程，以以实实现现优优质质、高高效效、低低耗耗、清清洁洁、灵灵活活生生产产，提提高高对对动动态态多多变变市场的适应能力和竞争力的制造技术的总称。市场的适应能力和竞争力的制造技术的总称。二、二、AMTAMT的定义、要点和特征的定义、要点和特征AMT 的定义的定义9 提高制造企业对市场的适应能力

12、和竞争力；提高制造企业对市场的适应能力和竞争力；提高制造企业对市场的适应能力和竞争力；提高制造企业对市场的适应能力和竞争力；强调信息技术、现代管理技术与制造技术的有机结合强调信息技术、现代管理技术与制造技术的有机结合强调信息技术、现代管理技术与制造技术的有机结合强调信息技术、现代管理技术与制造技术的有机结合 信息技术、现代管理技术在整个制造过程中综合应用信息技术、现代管理技术在整个制造过程中综合应用信息技术、现代管理技术在整个制造过程中综合应用信息技术、现代管理技术在整个制造过程中综合应用AMT 要点要点AMT 特征特征 AMT 是一项综合性技术是一项综合性技术 AMTAMT不不是是一一项项具

13、具体体的的技技术术，而而是是利利用用系系统统工工程程思思想想和和方方法法将将各各种种相相关关技技术术集集合合成成一一个个整整体体的的，特特别别强强调调计计算算机机技技术术、信信息息技技术术等等的的综综合合应应用用以以及及人人、技技术术、管管理的有机结合。理的有机结合。10 AMT 是一项动态技术是一项动态技术 AMT 没没有有一一个个固固定定的的模模式式，它它要要与与企企业业的的具具体体情情况况相相结结合合。同同时时AMT 也也不不是是一一成成不不变变的的，而而是是动动态态发发展展的的，它它要要不不断断地地吸吸收收和和利利用用各各种种高高新新技技术术成成果果，并并将将其其渗渗透透到到制制造造系

14、系统统的的各各个个部部分分和和整整个个过过程程，使使其其不断趋于完善。不断趋于完善。AMT 是面向工业应用的技术是面向工业应用的技术 AMT 有明显的需求导向特征，不以追求技术高新有明显的需求导向特征，不以追求技术高新度为目的，重在实际效果。度为目的，重在实际效果。11 AMTAMT是面向是面向2121世纪的技术世纪的技术 AMTAMT是是制制造造技技术术发发展展的的新新阶阶段段，它它保保留留了了传传统统制制造造技技术术中中有有效效要要素素，吸吸收收并并充充分分利利用用了了一一切切高高新新技技术术，使其产生了质的飞跃。使其产生了质的飞跃。AMT AMT强调环保技术，符合可持续发展的战略。强调环

15、保技术，符合可持续发展的战略。AMT是面向全球竞争的技术是面向全球竞争的技术 通过提高企业综合效益和对市场的快速反应能力，通过提高企业综合效益和对市场的快速反应能力，达到提高竞争力的目标。达到提高竞争力的目标。127.1.2 7.1.2 现代机械制造技术的发展趋势现代机械制造技术的发展趋势 信信息息技技术术对对AMT发发展展起起着着越越来来越越重重要要的的作作用用 信信息息技技术术是是各各种种先先进进制制造造技技术术的的重重要要支支撑撑，信信息息技技术术向向制制造造技技术术的的注注入入与与融融合合，必必将将促促进进AMTAMT的的不不断发展。断发展。现代设计技术将迅速发展和不断完善现代设计技术

16、将迅速发展和不断完善 包包括括CADCAD，CAECAE，DFXDFX，健健壮壮设设计计，优优化化设设计计，智智能能设计，反求工程，面向全生命周期的设计等。设计，反求工程，面向全生命周期的设计等。13 材料成形向精密、低耗、清洁方向发展材料成形向精密、低耗、清洁方向发展 材材料料成成形形技技术术将将使使毛毛坯坯从从接接近近零零件件形形状状向向直直接接制制成成工工件件精精密密成成形形或或称称净净成成形形的的方方向向发发展展。据据国国际际机机械械加加工工技技术术协协会会预预测测，本本世世纪纪初初，塑塑性性成成形形与与磨磨削削加加工工相相结结合合，将将取取代代大大部部分分中中小小零零件件的的切切削削

17、加加工工。运运用用改改性性技技术术，将将获获得得各各种种特特殊殊性性能能要要求求的的表表面面（涂涂）层层，同时减少能耗并消除污染。同时减少能耗并消除污染。加工技术向超精密、超高速方向发展加工技术向超精密、超高速方向发展14 绿色制造将成为绿色制造将成为21世纪制造业重要特征世纪制造业重要特征 包包括括：绿绿绿绿色色色色产产产产品品品品设设设设计计计计技技技技术术术术（产产品品在在全全生生命命周周期期符符合合环环保保、人人类类健健康康、能能耗耗低低、资资源源利利用用率率高高的的要要求求）；绿绿绿绿色色色色制制制制造造造造技技技技术术术术（在在整整个个制制造造过过程程，对对环环境境负负面面影影响响

18、最最小小，废废弃弃物物和和有有害害物物质质的的排排放放最最小小，资资源源利利用用效效率率最最高高）；产产产产品品品品的的的的回回回回收收收收和和和和循循循循环环环环再再再再制制制制造造造造（例例如如，汽汽车车等等产产品品的的拆拆卸卸和和回回收收技技术术，以以及及生生态态工工厂厂的的循循环环式式制制造造技技术术等）。等）。虚拟制造将获得广泛应用虚拟制造将获得广泛应用 用用虚虚拟拟制制造造环环境境中中生生成成的的软软产产品品原原型型代代替替传传统统的的硬硬样样品品进进行行试试验验，从从而而缩缩短短产产品品的的设设计计与与制制造造周周期期，降降低成本，提高系统快速响应市场变化的能力。低成本，提高系统

19、快速响应市场变化的能力。157.2 精密制造技术精密制造技术Precision Manufacturing Technology167.2.1 7.2.1 概概 述述精精密密加加工工：在在一一定定的的发发展展时时期期，加加工工精精度度和和表表面面质质量达到较高程度的加工工艺。量达到较高程度的加工工艺。一、定一、定 义义超超精精密密加加工工：在在一一定定的的发发展展时时期期，加加工工精精度度和和表表面质量达到最高程度的加工工艺。面质量达到最高程度的加工工艺。17 瓦特改进蒸汽机瓦特改进蒸汽机 镗孔精度镗孔精度 1mm 20 世纪世纪 40 年代年代 最高精度最高精度 1m 20 世纪世纪 末末

20、精密加工：精密加工：0.1m，Ra 0.01m（亚微米加工）（亚微米加工）超超精精密密加加工工：0.01m，Ra 0.001m（纳纳米米加工）加工）微细加工微细加工 微小尺寸的精密加工微小尺寸的精密加工 超微细加工超微细加工 微小尺寸的超精密加工微小尺寸的超精密加工 二、加工精度的发展二、加工精度的发展18图7-3 达到的加工精度和年代的关系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

21、扫描电镜电子线分析仪加工误差（m）10010110210-210-110-3190019201940196019802000年份19 三、精密与超精密加工的意义三、精密与超精密加工的意义 精精密密与与超超精精密密加加工工技技术术是是一一个个国国家家制制造造业业水水平平的的重重要标志。要标志。例例：美美国国哈哈勃勃望望远远镜镜形形状状精精度度0.01m；超超大大规规模模集集成成电电路路最最小小线线宽宽0.1m，日日本本金金刚刚石石刀刀具具刃刃口口钝钝圆圆半半径径达达2nm 精密加工与超精密加工技术是新技术的生长点。精密加工与超精密加工技术是新技术的生长点。精精密密与与超超精精密密加加工工技技术术

22、涉涉及及多多种种基基础础学学科科和和多多种种新新兴兴技技术术，其其发发展展无无疑疑会会带带动动和和促促进进这这些些相相关关科科学学技技术术的的发展。发展。20 精精密密加加工工与与超超精精密密加加工工技技术术是是先先进进制制造造技技术术的的基基础础和关键。和关键。例例：美美国国陀陀螺螺仪仪球球圆圆度度提提高高一一个个数数量量级级，使使制制造造精精度度达达到到0.10.1mm，粗粗糙糙度度Ra0.01mRa0.01m，从从而而使使洲洲际际导导弹弹的的命命中中精精度度从从500m500m控控制制在在5050150m150m范范围围内内；英英国国飞飞机机发发电电机机转转子子叶叶片片加加工工误误差差从

23、从60m60m降降至至12m12m，使使发发电电机机压压缩缩效效率率从从89%89%提提高高到到94%94%；若若能能齿齿形形误误差差从从3-4m3-4m减减小小1m1m，则则单单位位齿齿轮轮箱箱重重量量所所能能传传递递的的扭扭矩矩可可提提高高一一倍倍21 四、精密与超精密加工的特点四、精密与超精密加工的特点 直直直直接接接接式式式式进进进进化化化化加加加加工工工工：利利利利用用用用低低低低于于于于工工工工件件件件精精精精度度度度的的的的设设设设备备备备、工工工工具具具具，通通通通过过过过工工工工艺艺艺艺手手手手段段段段和和和和特特特特殊殊殊殊工工工工艺艺艺艺装装装装备备备备，加加加加工工工工

24、出出出出所所所所需需需需工工工工件件件件。适适适适用于单件、小批生产。用于单件、小批生产。用于单件、小批生产。用于单件、小批生产。间间间间接接接接式式式式进进进进化化化化加加加加工工工工：借借借借助助助助于于于于直直直直接接接接式式式式“进进进进化化化化”加加加加工工工工原原原原则则则则，生生生生产产产产出出出出第第第第二二二二代代代代工工工工作作作作母母母母机机机机，再再再再用用用用此此此此工工工工作作作作母母母母机机机机加加加加工工工工工工工工件件件件。适用于批量生产适用于批量生产适用于批量生产适用于批量生产。“进化进化”加工原则加工原则背背背背吃吃吃吃刀刀刀刀量量量量小小小小于于于于晶晶

25、晶晶粒粒粒粒大大大大小小小小，切切切切削削削削在在在在晶晶晶晶粒粒粒粒内内内内进进进进行行行行，与与与与传传传传统切削机理完全不同。统切削机理完全不同。统切削机理完全不同。统切削机理完全不同。微量切削机理微量切削机理22 传传统统切切削削与与磨磨削削方方法法存存在在加加工工精精度度极极限限，超超越越极极限限需采用新的方法。需采用新的方法。特种加工与复合加工方法应用越来越多特种加工与复合加工方法应用越来越多 要要达达到到加加工工要要求求，需需综综合合考考虑虑工工件件材材料料、加加工工方方法法、加加工工设设备备与与工工具具、测测试试手手段段、工工作作环环境境等等诸诸多多因因素素，是一项复杂的系统工

26、程，难度较大。是一项复杂的系统工程，难度较大。形成综合制造工艺形成综合制造工艺 广广泛泛采采用用计计算算机机控控制制、适适应应控控制制、再再线线检检测测与与误误差差补偿技术，以减小人的因素影响，保证加工质量。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与自动化技术联系紧密23 精精密密与与超超精精密密加加工工设设备备造造价价高高，难难成成系系列列。常常常常针针对对某某一一特特定定产产品品设设计计（如如加加工工直直径径3m3m射射电电天天文文望望远远镜镜的的超超精精密密车车床床，加加工工尺尺寸寸小小于于1mm1mm微微型型零零件件的的激激光光加工设备）。加工设备）。与高新技术

27、产品紧密结合与高新技术产品紧密结合 精精密密检检测测是是精精密密与与超超精精密密加加工工的的必必要要条条件件，并并常常成为精密与超精密加工的关键。常常成为精密与超精密加工的关键。加工与检测一体化加工与检测一体化247.2.2 7.2.2 精密加工与超精密加工的方法精密加工与超精密加工的方法一、金刚石超精密加工技术一、金刚石超精密加工技术 切削在晶粒内进行切削在晶粒内进行切削在晶粒内进行切削在晶粒内进行 切削力原子结合力（剪切应力达切削力原子结合力（剪切应力达切削力原子结合力（剪切应力达切削力原子结合力（剪切应力达 13000 N13000 N/mmmm2 2）。）。）。）。刀尖处温度极高，应力

28、极大，普通刀具难以承受。刀尖处温度极高，应力极大，普通刀具难以承受。刀尖处温度极高，应力极大，普通刀具难以承受。刀尖处温度极高，应力极大，普通刀具难以承受。高高高高速速速速切切切切削削削削（与与与与传传传传统统统统精精精精密密密密切切切切削削削削相相相相反反反反），工工工工件件件件变变变变形形形形小小小小，表表表表层层层层高高高高温温温温不不不不会会会会波波及及工工件件内内层层，可可获获得得高高精精度度和和好好表表面面质量质量 机理、特点机理、特点25 用用用用于于于于铜铜铜铜、铝铝铝铝及及及及其其其其合合合合金金金金精精精精密密密密切切切切削削削削（切切切切铁铁铁铁金金金金属属属属，由由由由

29、于于于于亲亲亲亲合合合合作作作作用用用用，产产产产生生生生“碳碳碳碳化化化化磨磨磨磨损损损损”，影影影影响响响响刀刀刀刀具具具具寿寿寿寿命命命命和和和和加加加加工质量）工质量）工质量）工质量）加工各种红外光学材料如锗、硅、加工各种红外光学材料如锗、硅、加工各种红外光学材料如锗、硅、加工各种红外光学材料如锗、硅、ZnSZnSZnSZnS和和和和ZnSeZnSeZnSeZnSe等等等等 加工有机玻璃和各种塑料加工有机玻璃和各种塑料加工有机玻璃和各种塑料加工有机玻璃和各种塑料 典典典典型型型型产产产产品品品品：光光光光学学学学反反反反射射射射镜镜镜镜、射射射射电电电电望望望望远远远远镜镜镜镜主主主主

30、镜镜镜镜面面面面、大大大大型型型型投投投投影影影影电电电电视视视视屏屏屏屏幕幕幕幕、照照像像机机塑塑料料镜镜片片、树树脂脂隐隐形形眼眼镜镜镜片等镜片等 应用应用 关键技术：加工设备和刀具关键技术：加工设备和刀具26 加工设备加工设备 要要要要求求求求高高高高精精精精度度度度、高高高高刚刚刚刚度度度度、良良良良好好好好稳稳稳稳定定定定性性性性、抗抗抗抗振振振振性性性性及及及及数数数数控控控控功能等。功能等。功能等。功能等。如美国如美国如美国如美国MooreMoore公司公司公司公司M-18AGM-18AG金刚石车床金刚石车床金刚石车床金刚石车床，主轴采用，主轴采用，主轴采用，主轴采用空气静压轴承

31、，转速空气静压轴承，转速空气静压轴承，转速空气静压轴承，转速50005000转转转转/分，径跳分，径跳分，径跳分，径跳0.1m0.1m；液体；液体；液体；液体静压导轨，直线度达静压导轨，直线度达静压导轨，直线度达静压导轨，直线度达 0.05/100mm 0.05/100mm；数控系统分辨率；数控系统分辨率；数控系统分辨率；数控系统分辨率0.01 0.01。车床主轴装在横向滑台（车床主轴装在横向滑台（X X轴）上，刀架装在纵向轴）上，刀架装在纵向滑台（滑台（Z Z轴）上。可解决两滑台的相互影响问题，而且轴）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，生纵、横两

32、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产成本较低，已成为当前金刚石车床的主流布局。T T形布局形布局27 金刚石车床主要性能指标数控系统分辩率数控系统分辩率/m40020050001000050000.10.010.2/1000.10.11/1502/100径向1140轴向1020640720最大车削直径和长度最大车削直径和长度/mm最高转速最高转速 r/mm最大进给速度最大进给速度mm/min重复精度重复精度(2)/m主轴径向圆跳动主轴径向圆跳动/m滑台运动的直线度滑台运动的直线度/m主轴前静压轴承（100mm）的刚度/（N/m）主轴后静压轴承主轴后

33、静压轴承（80mm）的刚度的刚度/（N/m）纵横滑台的静压支承刚度纵横滑台的静压支承刚度/（N/m）表表7-5 金刚石车床主要性能指标金刚石车床主要性能指标主轴轴向圆跳动主轴轴向圆跳动/m横滑台对主轴的垂直度横滑台对主轴的垂直度/m28 金刚石刀具金刚石刀具 超精切削刀具材料：天然金刚石，人造单晶金刚石超精切削刀具材料：天然金刚石，人造单晶金刚石超精切削刀具材料：天然金刚石，人造单晶金刚石超精切削刀具材料：天然金刚石，人造单晶金刚石 金金金金刚刚刚刚石石石石的的的的晶晶晶晶体体体体结结结结构构构构：规规规规整整整整的的的的单单单单晶晶晶晶金金金金刚刚刚刚石石石石晶晶晶晶体体体体有有有有八八八八

34、面面面面体体体体、十十十十二二二二面面面面体体体体和和和和六六六六面面面面体体体体，有有有有三三三三根根根根4 4次次次次对对对对称称称称轴轴轴轴，四四四四根根根根3 3次次次次对对对对称称称称轴轴轴轴和六根和六根和六根和六根2 2次对称轴。次对称轴。次对称轴。次对称轴。a）4 次对称轴和（100）晶面L4（100）（110）L2L3（111）b）2 次对称轴和（110）晶面c）3 次对称轴和（111）晶面八面体的晶轴和镜晶面29 金金金金刚刚刚刚石石石石刀刀刀刀具具具具刃刃刃刃磨磨磨磨 ：通通通通常常常常在在在在铸铸铸铸铁铁铁铁研研研研磨磨磨磨盘盘盘盘上上上上进进进进行行行行研研研研磨磨磨磨

35、；晶晶晶晶向向向向选选选选择择择择应应应应使使使使晶晶晶晶向向向向与与与与主主主主切切切切削削削削刃刃刃刃平平平平行行行行；圆圆圆圆角角角角半半半半径径径径越越越越小小小小越越越越好好好好（理论可达到（理论可达到（理论可达到（理论可达到1nm1nm）。）。）。）。金刚石车刀结构和刀具角度金刚石车刀结构和刀具角度金刚石车刀结构和刀具角度金刚石车刀结构和刀具角度如图所示如图所示如图所示如图所示30二、超硬磨料砂轮精密与超精密磨削二、超硬磨料砂轮精密与超精密磨削 砂轮材料：砂轮材料：金刚石，立方氮化硼（金刚石，立方氮化硼（CBN）可可可可加加加加工工工工各各各各种种种种高高高高硬硬硬硬度度度度、高高

36、高高脆脆脆脆性性性性金金金金属属属属及及及及非非非非金金金金属属属属材材材材料料料料（铁金属用（铁金属用（铁金属用（铁金属用CBNCBNCBNCBN）耐磨性好，耐用度高，磨削能力强，磨削效率高耐磨性好，耐用度高，磨削能力强，磨削效率高耐磨性好，耐用度高，磨削能力强，磨削效率高耐磨性好，耐用度高，磨削能力强，磨削效率高 磨削力小，磨削温度低，加工表面好磨削力小，磨削温度低，加工表面好磨削力小，磨削温度低，加工表面好磨削力小，磨削温度低，加工表面好 特点：特点：31 分整形与修锐（去除结合剂，露出磨粒）两步进行分整形与修锐（去除结合剂，露出磨粒）两步进行分整形与修锐（去除结合剂，露出磨粒）两步进行

37、分整形与修锐（去除结合剂，露出磨粒）两步进行 常用方法常用方法常用方法常用方法 用碳化硅砂轮（或金刚石笔）修整，获得所需形用碳化硅砂轮（或金刚石笔）修整，获得所需形用碳化硅砂轮（或金刚石笔）修整，获得所需形用碳化硅砂轮（或金刚石笔）修整，获得所需形状；状；状；状；电解修锐（适用于金属结合剂砂轮），效果好，电解修锐（适用于金属结合剂砂轮），效果好，电解修锐（适用于金属结合剂砂轮），效果好，电解修锐（适用于金属结合剂砂轮），效果好，并可在线修整。并可在线修整。并可在线修整。并可在线修整。砂轮修整：砂轮修整：ELID（Electrolytic In-Process Dressing）由由日本东京大学

38、理化研究所发明的电解在线修锐法日本东京大学理化研究所发明的电解在线修锐法的砂轮修锐效果为最好。的砂轮修锐效果为最好。32进给 ELID磨削原理电源金刚石砂轮（铁纤维结合剂）冷却液冷却液电刷使使使使用用用用ELIDELID磨磨磨磨削削削削，冷冷冷冷却却却却液液液液为为为为一一一一种种种种特特特特殊殊殊殊电电电电解解解解液液液液。通通通通电电电电后后后后，砂砂砂砂轮轮轮轮结结结结合合合合剂剂剂剂发发发发生生生生氧氧氧氧化化化化，氧氧氧氧化化化化层层层层阻阻阻阻止止止止电电电电解解解解进进进进一一一一步步步步进进进进行行行行。在在在在切切切切削削削削力力力力作作作作用用用用下下下下，氧氧氧氧化化化化

39、层层层层脱脱脱脱落落落落，露露露露出出出出了了了了新新新新的的的的锋锋锋锋利利利利磨磨磨磨粒粒粒粒。由由由由于于于于电电电电解解解解修修修修锐锐锐锐连连连连续续续续进进进进行行行行，砂砂砂砂轮轮轮轮在在在在整整整整个个个个磨磨磨磨削削削削过过过过程程程程保保保保持持持持同同同同一一一一锋锋锋锋利状态。利状态。利状态。利状态。33砂砂砂砂带带带带：带带带带基基基基材材材材料料料料为为为为聚聚聚聚碳碳碳碳酸酸酸酸脂脂脂脂薄薄薄薄膜膜膜膜，其上植有细微砂粒。其上植有细微砂粒。其上植有细微砂粒。其上植有细微砂粒。砂砂砂砂带带带带在在在在一一一一定定定定工工工工作作作作压压压压力力力力下下下下与与与与工

40、工工工件件件件接接接接触触触触并并并并作作作作相相相相对对对对运运运运动动动动，进进进进行磨削或抛光。行磨削或抛光。行磨削或抛光。行磨削或抛光。有有有有开开开开式式式式和和和和闭闭闭闭式式式式两两两两种种种种形形形形式式式式，可可可可磨磨磨磨削削削削平平平平面面面面、内内内内外外外外圆圆圆圆表表表表面面面面、曲面等。曲面等。曲面等。曲面等。接触轮硬磁盘装在主轴真空吸盘上 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 精密与超精密精密与超精密砂带磨削砂带磨削34 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

41、）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35 砂带磨削砂带磨削特点特点1）砂砂带带与与工工件件柔柔性性接接触触，磨磨粒粒载载荷荷小小，且且均均匀匀，工工件件受受力力、热热作作用用小小，加加工工质质量量好好（R Ra a 值值可可达达 0.02m0.02m）。）。3 3）强力砂带磨削，磨削比（切除工件重量与砂轮磨）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，有耗重量之比）高，有“高效磨削高效磨削”之称。之称。4 4）制作简单，价

42、格低廉，使用方便。）制作简单，价格低廉，使用方便。5 5）可用于内外表面及成形表面加工。）可用于内外表面及成形表面加工。2 2）静静电电植植砂砂，磨磨粒粒有有方方向向性性，尖尖端端向向上上，摩摩擦擦生生热热小，磨屑不易堵塞砂轮，磨削性能好。小，磨屑不易堵塞砂轮，磨削性能好。36 微微微微细细细细加加加加工工工工 通通通通常常常常指指指指1mm1mm以以以以下下下下微微微微细细细细尺尺尺尺寸寸寸寸零零零零件件件件的的的的加加加加工，其加工误差为工，其加工误差为工，其加工误差为工，其加工误差为0.1m 0.1m 10m 10m。精精精精度度度度表表表表示示示示方方方方法法法法一一一一般般般般尺尺尺

43、尺寸寸寸寸加加加加工工工工，其其其其精精精精度度度度用用用用误误误误差差差差尺尺尺尺寸寸寸寸与与与与加加加加工工工工尺尺尺尺寸寸寸寸比比比比值值值值表表表表示示示示；微微微微细细细细加加加加工工工工，其其其其精精精精度度度度用用用用误误误误差差差差尺尺尺尺寸绝对值表示。寸绝对值表示。寸绝对值表示。寸绝对值表示。“加加加加工工工工单单单单位位位位”去去去去除除除除一一一一块块块块材材材材料料料料的的的的大大大大小小小小，对对对对于于于于微微微微细细细细加工，加工单位可以到分子级或原子级。加工，加工单位可以到分子级或原子级。加工，加工单位可以到分子级或原子级。加工，加工单位可以到分子级或原子级。微

44、微微微切切切切削削削削机机机机理理理理切切切切削削削削在在在在晶晶晶晶粒粒粒粒内内内内进进进进行行行行，切切切切削削削削力力力力要要要要超超超超过过过过晶晶晶晶体体体体内内内内分分分分子子子子、原原原原子子子子间间间间的的的的结结结结合合合合力力力力，单单单单位位位位面面面面积积积积切切切切削削削削阻阻阻阻力力力力急急急急剧增大。剧增大。剧增大。剧增大。7.2.3 7.2.3 微细加工技术微细加工技术37热流动加工（火焰，高频，热射线，激光）热流动加工（火焰，高频，热射线，激光）压铸，挤压，喷射，浇注压铸，挤压，喷射，浇注微离子流动加工微离子流动加工热表面流动热表面流动粘滞性流动粘滞性流动摩擦

45、流动摩擦流动变形加变形加工工(流动流动加工加工)化学镀，气相镀（电镀，电铸）化学镀，气相镀（电镀，电铸）氧化，氮化（阳极氧化）氧化，氮化（阳极氧化）（真空）蒸镀，晶体增长，分子束外延（真空）蒸镀，晶体增长，分子束外延烧结，掺杂，渗碳，（侵镀，熔化镀）烧结，掺杂，渗碳，（侵镀，熔化镀）溅射沉积，离子沉积（离子镀）溅射沉积，离子沉积（离子镀）离子溅射注入加工离子溅射注入加工化学化学(电化学电化学)附着附着化学化学(电化学电化学)结合结合热附着热附着扩散扩散(熔化熔化)结合结合物理结合物理结合注入注入结合加结合加工工(附着附着加工加工)车削，铣削，钻削，磨削车削，铣削，钻削，磨削蚀刻，化学抛光，机械

46、化学抛光蚀刻，化学抛光，机械化学抛光电解加工，电解抛光电解加工，电解抛光电子束加工，激光加工，热射线加工电子束加工，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，等离子体加工离子束溅射去除加工，等离子体加工机械去除机械去除化学分解化学分解电解电解蒸发蒸发扩散与熔化扩散与熔化溅射溅射分离加分离加工工(去除去除加工加工)加工方法加工方法加工机理加工机理 微细与超微细加工机理与加工方法微细与超微细加工机理与加工方法38主主要要采采用用铣铣、钻钻和和车车三三种种形形式式，可可加加工工平平面面、内内腔腔、孔和外圆表面。孔和外圆表面。刀刀具具：多多用用单单晶晶

47、金金刚刚石石车车刀刀、铣铣刀刀。铣铣刀刀的的回回转转半半径径（可可小小到到5m）靠靠刀刀尖尖相相对对于于回回转转轴轴线线的的偏偏移移来来得得到到。当当刀刀具具回回转转时时，刀刀具具的的切切削削刃刃形形成成一一个个圆圆锥锥形形的的切削面。切削面。微细机械微细机械加工加工39微小位移机构微小位移机构微小位移机构微小位移机构 ，微量移动应可小至几十个纳米，微量移动应可小至几十个纳米，微量移动应可小至几十个纳米，微量移动应可小至几十个纳米 。高高高高灵灵灵灵敏敏敏敏的的的的伺伺伺伺服服服服进进进进给给给给系系系系统统统统。要要要要求求求求低低低低摩摩摩摩擦擦擦擦的的的的传传传传动动动动系系系系统统统统

48、和和和和导轨支承系统，以及高跟踪精度的伺服系统。导轨支承系统，以及高跟踪精度的伺服系统。导轨支承系统，以及高跟踪精度的伺服系统。导轨支承系统，以及高跟踪精度的伺服系统。高高高高的的的的定定定定位位位位精精精精度度度度和和和和重重重重复复复复定定定定位位位位精精精精度度度度，高高高高平平平平稳稳稳稳性性性性的的的的进进进进给给给给运运运运动。动。动。动。低热变形结构设计。低热变形结构设计。低热变形结构设计。低热变形结构设计。刀具的稳固夹持和高的安装精度。刀具的稳固夹持和高的安装精度。刀具的稳固夹持和高的安装精度。刀具的稳固夹持和高的安装精度。高的主轴转速及动平衡。高的主轴转速及动平衡。高的主轴转

49、速及动平衡。高的主轴转速及动平衡。微细机械微细机械加工设备加工设备稳固的床身构件并隔绝外界的振动干扰。稳固的床身构件并隔绝外界的振动干扰。稳固的床身构件并隔绝外界的振动干扰。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。具有刀具破损检测的监控系统。具有刀具破损检测的监控系统。具有刀具破损检测的监控系统。40FANUC ROBO nano Ui 型微型超精密加工机床：型微型超精密加工机床：机机机机床床床床有有有有X X X X、Z Z Z Z、C C C C、B B B B四四四四个个个个轴轴轴轴，在在在在B B B B 轴轴轴轴回回回回转转转转工工工工作作作作台台台台上上上上

50、增增增增加加加加A A A A轴轴轴轴转转转转台台台台后后后后，可可可可实实实实现现现现5 5 5 5轴轴轴轴控控控控制制制制，数数数数控控控控系系系系统统统统的的的的最最最最小小小小设设设设定单位为定单位为定单位为定单位为1nm1nm1nm1nm。可进行车、铣、磨和电火花加工。可进行车、铣、磨和电火花加工。可进行车、铣、磨和电火花加工。可进行车、铣、磨和电火花加工。旋旋旋旋转转转转轴轴轴轴采采采采用用用用编编编编码码码码器器器器半半半半闭闭闭闭环环环环控控控控制制制制，直直直直线线线线轴轴轴轴则则则则采采采采用用用用激激激激光全息式全闭环控制。光全息式全闭环控制。光全息式全闭环控制。光全息式