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第7章 现代制造技术
教学目标和要求
◆ 了解现代制造技术发展水平和趋势
◆ 了解特种加工技术原理、特点及应用
◆ 了解现代制造生产模式及其发展趋势
教学关键
◆ 现代制造技术发展水平和趋势
◆ 特种加工技术原理、特点及应用
7.1 现代制造技术概述
和传统制造技术比较，现代制造技术含有以下特征。
（1）系统性
因为计算机技术、信息技术、传感技术、自动化技术和优异管理等技术引入，并和传统制造技术结合，现代制造技术成为一个能够驾驭生产过程中物质流、信息流和能量流系统工程；而传统制造技术通常只能驾驭生产过程中物质流和能量流。
（2）广泛性
传统制造技术通常只是指将原材料变为成品多种加工工艺；而现代制造技术则贯穿了从产品设计、加工制造到产品销售及使用维护整个过程，成为“市场—设计开发—加工制造—市场”大系统。
（3）集成性
传统制造技术学科专业单一、独立，相互间界限分明；而现代制造技术因为专业和学科间不停渗透、交叉、融合，其界限逐步淡化甚至消失，技术趋于系统化、集成化，已发展成为集机械、电子、信息、材料和管理技术为一体新型交叉学科—制造系统工程。
（4）动态性
现代制造技术是针对一定应用目标，不停吸收多种高新技术而逐步形成和发展起来新技术，所以其内涵不是绝正确和一成不变。反应在不一样时期、不一样国家和地域，现代制造技术有其本身不一样特点、关键、目标和内容。
（5）实用性
现代制造技术发展是针对某一具体制造需求而发展起来优异、实用技术，有着明确需求导向。现代制造技术不是以追求技术高新度为目标，而是重视产生最好实践效果，以促进国家经济快速增加和提升企业综合竞争力。
7.2 现代制造工艺技术
7.2.1 现代制造工艺
现代制造工艺发展关键表现在以下多个方面。
（1）制造加工精度不停提升
伴随制造工艺技术进步和发展，机械制造加工精度得到不停提升。18世纪，加工第1台蒸汽机所用汽缸镗床，其加工精度为1mm；19世纪末，机械制造精度也仅为0.05mm；20世纪初，因为能够测量0.001mm千分尺和光学比较仪问世，加工精度向微米级过渡，成为机械加工精度发展转折点；到了20世纪50年代末，实现了微米级加工精度；在最近一二十年内，机械制造加工精度提升了1～2个数量级，有了较快发展，达成10nm技术水平。现在测量超大规模集成电路所用电子探针，其测量精度已达成0.25nm。估计在不远未来，可实现原子级加工和测量。
（2）切削加工速度快速提升
伴随刀具材料发展和变革，在近一个世纪时期内，切削加工速度提升了一百至数百倍。20世纪前，切削刀具是以碳素钢作为刀具材料，因为其耐热温度低于200℃，所许可切削速度不超出10m/min；20世纪初，出现了高速钢，其耐热温度为500～600℃，可许可切削速度为30～40m/min；到了20世纪30年代，硬质合金开始得到使用，刀具耐热温度达成800～1000℃，切削速度很快提升到每分钟数百米。随即，相继使用了陶瓷刀具、金刚石刀具和立方氮化硼刀具，而陶瓷刀具和立方氮化硼刀具，切削速度达成每分钟一千米至数千米。
（3）新型工程材料应用推进了制造工艺进步和变革
超硬材料、超塑材料、高分子材料、复合材料、工程陶瓷、非晶和微晶合金、功效材料等新型材料发展和应用，对制造工艺提出了新挑战：首先迫使在通常机械加工工艺方法中要不停改善刀具材料切削性能，改善机械加工制造设备，使之满足新材料机械加工要求；其次探求应用更多物理、化学、材料科学现代知识来开发新型制造工艺，方便更有效地适应新型工程材料加工。
（4）自动化和数字化工艺装备发展提升了机械加工效率
因为微电子、计算机、自动检测和控制技术和制造工艺装备相结合，使工艺装备实现了从单机到系统、从刚性到柔性、从简单到复杂等不一样档次多个自动化转变，使工艺过程检测和控制方法和手段发生了质改变，能够使整个工艺过程和工艺参数得到实时优化，大大提升了加工制造效率和质量。
（5）零件毛坯成型在向少、无余量方向发展
零件毛坯成型是机械制造第1道工序，有铸造、铸造、冲裁、焊接和轧制等常见工艺。伴随大家对人类生存资源节省和保护意识提升，要求零件毛坯成型精度向少、无余量方向发展，使成型毛坯靠近或达成零件最终形状和尺寸，磨削后即可参与装配。所以，出现了熔模精密铸造、精密铸造、精密冲裁、冷温挤压、精密焊接和精亲密割等新工艺。
（6）优质清洁表面工程技术形成和发展
表面工程技术是经过表面涂覆、表面改性、表面加工及表面复合处理，来改变零件表面形态、化学成份和组织结构，以获取和基体材料不一样性能要求一项应用技术。即使大家使用表面技术已经有悠久历史，然而形成一门表面工程独立学科只是近20年事。
7.2.2 超精密加工技术
超精密加工是指加工精度和表面质量达成极高程度精密加工工艺，从概念上讲含有相对性，伴随加工技术不停发展，超精密加工技术指标也是不停改变。现在，通常加工、精密加工、超精密加工和纳米加工能够划分以下。
（1）通常加工
加工精度在10mm左右、表面粗糙度Ra值在0.3～0.8mm加工技术，如车、铣、刨、磨、镗、铰等。通常加工适适用于汽车、拖拉机和机床等产品制造。
（2）精密加工
加工精度在10～0.1mm、表面粗糙度Ra值在0.3～0.03mm加工技术，如金刚车、金刚镗、研磨、珩磨、超精加工、砂带磨削、镜面磨削和冷压加工等。精密加工适适用于精密机床、精密测量仪器等产品中关键零件加工，如精密丝杠、精密齿轮、精密蜗轮、精密导轨、精密轴承等。
（3）超精密加工
加工精度在0.1～0.01mm、表面粗糙度Ra值在0.03～0.05mm加工技术，如金刚石刀具超精亲密削、超精密磨料加工、超精密特种加工和复合加工等。超精密加工适适用于精密元件、计量标准元件、大规模和超大规模集成电路制造。现在，超精密加工精度正处于亚纳米级工艺，正在向纳米级工艺发展。
（4）纳米加工
加工精度高于10-3mm（纳米，1nm=10-3mm）、表面粗糙度Ra值小于0.005mm加工技术，其加工方法大多已不是传统机械加工方法，而是诸如原子、分子单位加工等方法。
1．超精亲密削加工技术
（1）超精亲密削对刀具要求
为实现超精亲密削，刀具应含有以下性能。
① 极高硬度、耐用度和弹性模量，以确保刀含有很长寿命和很高尺寸耐用度。
② 刃口能磨得极其锋锐，刃口半径r 值极小，能实现超薄切削厚度。
③ 刀刃无缺点，因切削时刃形将复印在加工表面上，而不能得到超光滑镜面。
④ 和工件材料抗黏结性好、化学亲和性小、摩擦系数低，能得到极好加工表面完整性。
（2）金刚石刀具性能特征
现在超精亲密削刀具用金刚石为大颗粒（0.5～1.5克拉，1克拉=200mg）、无杂质、无缺点、浅色透明优质天然单晶金刚石，它含有以下性能特征。
① 含有极高硬度，其硬度达成6000～10000HV；而TiC仅为3200HV；WC为2400HV。
② 能磨出极其锋锐刃口，且切削刃没有缺口、崩刃等现象。一般切削刀具刃口圆弧半径只能磨到5～30mm，而天然单晶金刚石刃口圆弧半径可小到数纳米，没有其它任何材料能够磨到如此锋利程度。
③ 热化学性能优越，含有导热性能好、和有色金属间摩擦因数低、亲和力小特征。
④ 耐磨性好，刀刃强度高。金刚石摩擦系数小，和铝之间摩擦系数仅为0.06～0.13，如切削条件正常，刀具磨损极慢，刀具耐用度极高。所以，天然单晶金刚石即使昂贵，但被一致公认为是理想、不能替换超精亲密削刀具材料。
（3）超精亲密削时最小切削厚度
超精亲密削实际能达成最小切削厚度和金刚石刀具锋锐度、使用超精密机床性能状态、切削时环境条件等直接相关。

图7-1 极限切削厚度和刃口
半径r 关系
极限最小切削厚度hDmin和刀具刀刃锋锐度（即刃口半径r）关系图7-1所表示。图中A为极限临界点，在A点以上被加工材料将堆积起来形成切屑，而在A点以下，加工材料经弹性变形形成加工表面。A点位置可由切削变形剪切角q 确定，剪切角q 又和刀具材料摩擦系数m相关：当μ=0.12时，可得hDmin= 0.322r；当μ=0.26时，可得hDmin= 0.249r。
由最小切削厚度hDmin和刃口半径r关系式可知，若能正常切削hDmin=1nm，要求所用金刚石刀具刃口半径r 应为3～4nm。国外报道研磨质量最好金刚石刀具，刃口半径能够小到数个纳米水平；而中国生产中使用金刚石刀具，刃口半径r=0.2～0.5mm，特殊精心研磨能够达成r=0.1mm。

2．超精密磨削加工技术
所谓超精密磨削加工，是指加工精度达成或高于0.1mm、表面粗糙度Ra值低于0.025mm一个亚微米级并正向纳米级发展加工方法。超精密磨削关键在于砂轮选择、砂轮修整、磨削用量和高精度磨削机床。
（1）超精密磨削砂轮
在超精密磨削中所使用砂轮，其材料多为金刚石、立方氮化硼磨料，因其硬度极高，故通常称为超硬磨料砂轮。金刚石砂轮有较强磨削能力和较高磨削效率，在加工非金属硬脆材料、硬质合金、有色金属及其合金时有较大优势。因为金刚石易于和铁族元素产生化学反应和亲和作用，故对于硬而韧、高温高硬度、热导率低钢铁材料，则用立方氮化硼砂轮磨削很好。立方氮化硼比金刚石有很好热稳定性和较强化学惰性，其热稳定性可达1250～1350℃，而金刚石磨料只有700～800℃。即使目前立方氮化硼磨料应用不如金刚石磨料广，且价格也比较高，但它是一个很有发展前途磨具磨料。
（2）超精密磨削砂轮修整
砂轮修整是超硬磨料砂轮使用中一个技术难题，它直接影响被磨工件加工质量、生产效率和生产成本。砂轮修整通常包含修形和修锐两个过程。所谓修形，是使砂轮达成一定精度要求几何形状；所谓修锐，是指去除磨粒间结合剂，使磨粒凸出结合剂一定高度，形成足够切削刃和容屑空间。如金刚石和立方氮化硼全部比较坚硬，极难用别磨料磨削以形成新切削刃，故经过去除磨粒间结合剂方法，可使磨粒凸出结合剂一定高度，形成新磨粒。
超硬磨料砂轮修整方法很多，可归纳为以下几类。
① 车削法
用单点、聚晶金刚石笔、修整片等车削金刚石砂轮以达成修整目标。这种方法修整精度和效率全部比较高，但修整后砂轮表面平滑，切削能力低，同时修整成本也高。
② 磨削法
用一般磨料砂轮或砂块和超硬磨料砂轮进行对磨修整。一般砂轮磨料如碳化硅、刚玉等磨粒被破碎，对超硬磨料砂轮结合剂起到切削作用，失去结合剂后磨粒就会脱落，从而达成修整目标。这种方法效率和质量全部很好，是现在较常见修整方法，但一般砂轮磨损消耗量较大。
③ 喷射法
将碳化硅、刚玉磨粒从高速喷嘴喷射到转动砂轮表面，从而去除部分结合剂，使超硬磨粒凸出，这种方法关键用于修锐。
④ 电解在线修锐法
该法适适用于以铸铁纤维为结合剂金刚石砂轮，应用电解加工原理完成砂轮修锐过程。图7-2所表示，将超硬磨料砂轮接电源正极，石墨电极接电源负极，在砂轮和电极之间通以电解液，经过电解腐蚀作用去除超硬磨料砂轮结合剂，从而达成修锐效果。在这种电解修锐过程中，被腐蚀砂轮铸铁结合剂表面逐步形成钝化膜，这种不导电钝化膜将阻止电解深入进行，只有当凸出磨粒磨损后，钝化膜被破坏，电解修锐作用才会继续进行，这么可使金刚石砂轮能够保持长时间切削能力。
⑤ 电火花修整法
图7-3所表示，将电源正、负极分别接于被修整超硬磨料砂轮和修整器（石墨电极），其原理是电火花放电加工。这种方法适适用于多种金属结合剂砂轮，既可修形又可修锐，效率较高；若在结合剂中加入石墨粉，也可用于树脂、陶瓷结合剂砂轮修整。

图7-2 电解在线修锐法 图7-3 电火花修整法
另外，还有超声波修整法、激光修整法等，有待深入研究开发。
（3）磨削速度和磨削液
金刚石砂轮磨削速度通常不能很高，依据磨削方法、砂轮结合剂和冷却情况不一样，其磨削速度为12～30m/s（它热稳定性只有700～800℃）。通常陶瓷结合剂、树脂结合剂金刚石砂轮其磨削速度可选得高些，金属结合剂金刚石砂轮磨削速度可选得低些。
立方氮化硼砂轮磨削速度比金刚石砂轮高得多，可达80～100m/s，关键是因为立方氮化硼磨料热稳定性好。
3．微细加工技术
微细加工能够深入分为微米级微细加工、亚微米级微细加工和纳米级微细加工等。下面分别介绍微机械基础特征和微细加工工艺方法。
（1）微机械基础特征
概括起来，微机械含有以下多个基础特征。
① 体积小、精度高、重量轻
其体积可达亚微米以下，尺寸精度达纳米级，重量可至纳克。现在已经研制出了直径细如发丝齿轮、能开动3mm大小汽车和花生米大飞机。最近有资料表明，科学家们已能在5mm2内放置1000台微型发动机。
② 性能稳定、可靠性高
因为微机械体积小，几乎不受热膨胀、噪声、挠曲等原因影响，含有较高抗干扰性，可在较差环境下稳定地工作。
③ 能耗低，灵敏度和工作效率高
微机械所消耗能量远小于传统机械十分之一，但却能以10倍以上速度来完成一样工作，如5mm´5mm´0.7mm微型泵流速，是比其体积大得多小型泵1000倍，而且机电一体化微机械不存在信号延迟问题，可进行高速工作。
④ 多功效和智能化
微机械集传感器、实施器、信号处理和电子控制电路为一体，易于实现多功效化和智能化。
⑤ 适适用于大批量生产，制造成本低
微机械采取和半导体制造工艺类似方法生产，能够像超大规模集成电路芯片一样一次制成大量完全相同部件，故制造成本大大降低。如美国研究人员正在用该技术制造双向光纤维通信所必需微型光学调制器，经过巧妙光刻技术制造芯片，做一块只需几美分，而过去则要花5000美元。
（2）微细加工工艺方法
微细加工是指加工尺寸为微米级范围加工方法，是微机械发展关键基础。微细加工起源于半导体制造工艺，加工方法十分丰富，包含了微细机械加工、多种现代特种加工、高能束加工等方法。而微机械制造过程又往往是多个加工方法组合。现在，常见有以下多个加工方法。
① 超微机械加工
用超小型精密金属切削机床和电火花、线切割等加工方法，制作毫米级尺寸以下微机械零件是一个三维实体加工技术，加工材料广泛，但多是单件加工、单件装配，费用较高。
② 光刻加工
光刻加工是用摄影复印方法将光刻掩模上图形印刷在涂有光致抗蚀剂薄膜或基材表面，然后进行选择性腐蚀，刻蚀出要求图形。所用基材有多种金属、半导体和介质材料。
③ 体刻蚀加工技术
体刻蚀加工技术是对硅衬底进行腐蚀加工技术，即用腐蚀方法将硅基片有选择性地去除一部分，以形成微机械结构。腐蚀方法分湿法腐蚀和干法腐蚀。湿法腐蚀是用化学腐蚀液对硅基片进行刻蚀。干法腐蚀是利用等离子体替换化学腐蚀液，把基体暴露在电离气体中，气体中离子和基体原子间物理和化学作用引发刻蚀。
④ 面刻蚀加工技术
面刻蚀加工技术是从集成电路平面工艺演变而来，它是在硅基片上形成薄膜并按一定要求对薄膜进行加工技术。
面刻蚀加工工艺过程以下：①在硅基片上淀积牺牲层材料，如淀积磷玻璃，其厚度通常1～2mm，但也能够更厚些；淀积后，牺牲层材料被腐蚀成所需形状；②淀积和腐蚀结构材料薄膜层，多晶硅是常见结构层材料，结构层腐蚀过后，除去牺牲层就可得到分离空腔结构。
面刻蚀加工技术关键优点是含有和常规集成电路兼容性，器件不仅能够做得很小，而且不影响器件特征；其缺点是该工艺本身属于二维平面工艺，限制了设计灵活性，且因为采取牺牲层工艺，漂洗和干燥需要反复数次，易产生黏连现象，降低成品率。
⑤ 封接技术
封接技术在微机械加工中也占相关键位置，封接目标是将分开制作微机械部件在使用黏结剂情况下连接在一起，封在壳中使其满足使用要求。封接技术影响到整个微系统功效和尺寸，能够说是微机械系统关键技术。常见封接技术有反应封接、淀积密封膜和键合技术。为了提升微系统集成度，部分新工艺方法如自动焊接、倒装焊接也得到了广泛应用。
⑥ 分子装配技术
20世纪80年代初发明扫描隧道显微镜（简称STM）和以后在STM基础上派生出原子力显微镜（简称AFM），使观察分子、原子结构从宏观进入了微观世界。STM和AFM含有0.01nm分辨率，是现在世界上精度最高表面形貌观察仪。利用其探针尖端能够俘获和操纵分子和原子，并能够根据需要拼成一定结构，进行分子和原子装配制作微机械，这是一个纳米级微加工技术，是一个从物质微观角度来结构、制作微机械工艺方法。美国IBM企业用STM操纵35个氙原子，在镍板上拼出了“IBM”3个字母；中国科学院化学研究所用原子摆成中国地图；日本用原子拼成了“Peace”一词。有理由相信，STM技术将会在微细加工方面有更大突破。
7.2.3 表面工程技术
表面工程是经过利用多种物理、化学或机械工艺过程，来改变基体表面状态、化学成份、组织结构和应力状态等，使基体表面含有不一样于基体某种特殊性能，从而达成特定使用要求一项应用技术。表面工程技术在促进技术进步、节省原材料、提升产品性能、延长产品使用寿命、装饰环境、美化生活方面发挥了越来越突出作用，该技术已成为20世纪80年代世界十项关键技术之一。
（1）表面工程特点
表面工程含有学科综合性、手段多样性、广泛功效性、潜在创新性、环境保护性、很强实用性和巨大增效性，它不仅用于维修业，还用于制造业，是优异制造技术关键组成部分。表面工程技术将成为二十一世纪主导技术之一。
（2）表面工程内容
表面工程是由多个学科交叉、综合而发展起来新兴学科，有着广泛涵义，概括了表面处理、表面加工、表面涂层、表面改性和表面薄膜制备技术等内容。
（3）表面工程工艺方法
① 表面改性技术
表面改性是指采取某种工艺手段在零件表面取得不一样于基体组织结构和性能技术。材料经表面改性处理后，既能发挥基体力学性能，又能使材料表面取得多种特殊性能，如耐磨性、耐腐蚀性、耐高温性等，还能够掩盖基体表面缺点，延长材料和构件使用寿命。表面改性对节省稀贵材料、节省能源、改善环境有着关键作用。
② 表面覆层技术
表面覆层技术是指经过应用物理、化学、电学、光学、材料学、机械学等多种工艺手段，用极少许材料，在产品表面制备一层保护层、强化层或装饰层，以达成耐磨、耐蚀、耐（隔）热、抗疲惫、耐辐射、提升产品质量、延长使用寿命目标。
· 热喷涂技术。热喷涂技术是采取气体、液体或电弧、等离子、激光等作为热源，使金属、合金、陶瓷、氧化物、碳化物、塑料和其复合材料加热到熔融或半熔融状态，经过高速气流使其雾化，然后喷射、沉积到经过预处理工件表面，从而形成附着牢靠表面层。热喷涂有很多工艺方法，比较常见有火焰喷涂、等离子喷涂、爆炸喷涂等。
· 气相沉积技术。气相沉积技术是近三十年来快速发展一个表面制膜新技术，它是利用气相之间反应，在多种材料表面沉积单层或多层薄膜，从而使材料取得所需多种优异性能。气相沉积技术可分为物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CVD）。物理气相沉积是在真空条件下，利用多种物理方法将镀料汽化成原子、分子或离子，直接沉积到基体表面方法。化学气相沉积是把含有组成薄膜元素一个或多个化合物或单质气体供给基体，借助气相作用或在基体表面上化学反应生成所要求薄膜。
③ 复合表面处理技术
单一表面处理技术往往含有一定不足，不能满足大家对材料越来越高使用要求。若将两种或两种以上表面处理工艺用于同一工件处理，不仅能够发挥多种表面处理技术各自特点，而且更能显示组合使用突出效果。多年来，复合表面处理技术在欧美、日本和中国均得到较快发展，并取得了良好效果。
· 复合热处理技术。将两种以上热处理方法复合起来，比单一热处理含有更多优越性。如渗钛和离子渗氮复合处理，可在工件表面形成硬度极高、耐磨性很好且含有很好耐蚀性金黄色TiN化合物层，其性能显著高于单一渗钛和单一渗氮层性能。
· 表面覆层技术和其它表面处理技术复合。利用多种工艺方法在工件表面上所形成多种覆层，如镀层、涂层、沉积层或薄膜，若再经过合适热处理，使覆层中金属原子向基体扩散，或和基体进行冶金化融合，不仅增强了覆层和基体结合强度，同时也能改变表层覆层本身成份，预防覆层剥落并取得较高强韧性，可提升表面抗擦伤、耐磨损和耐腐蚀能力。如锌浴淬火，实质上它是一个淬火和镀锌相结合复合处理工艺。如碳质量分数为0.15%～0.23%硼钢在保护气体中加热到900℃，然后淬入450℃含铝锌浴中等温转变，同时镀锌，这种复合处理缩短了工时，降低了能耗，也提升了工件性能。
· 离子辅助涂覆。在等离子辅助沉积技术中，将离子镀和溅射沉积所应用等离子体和气相反应物相结合，产生一个称为等离子辅助化学沉积（PCVD）技术。若用离子束替换等离子体来完成类似效应，称为离子辅助涂覆。这种技术含有灵活性和反复性，可低温操作，是一个快速和可控方法，通常见于高度精密表面处理和一般技术不能处理部分表面。
7.3 特种加工技术
顾名思义，特种加工技术就是一个采取不一样于传统切削、磨削加工工艺及装备加工技术。它是将电、磁、声、光、热等物理能量及化学能量或其组合乃至和机械能组合直接施加在被加工部位上，从而使材料被去除、变形及改变性能等。
7.3.1 特种加工特点和分类
1．特种加工特点
① 工具材料硬度能够大大低于工件材料硬度。
② 可直接利用电能、电化学能、声能或光能等能量对材料进行加工。
③ 加工过程中机械力不显著，工件极少产生机械变形和热变形，有利于提升工件加工精度和表面质量。
④ 多种加工方法能够有选择地复合成新工艺方法，使生产效率成倍地增加，加工精度也对应提升。
⑤ 几乎每产生一个新能源，就有可能产生一个新特种加工方法。
2．特种加工方法适用场所
① 处理多种难切削材料加工问题，如耐热钢、不锈钢、钛合金、淬火钢、硬质合金、陶瓷、宝石、金刚石等和锗和硅等多种高强度、高硬度、高韧性、高脆性和高纯度金属和非金属加工。
② 处理多种复杂零件表面加工问题，如多种热锻模、冲裁模和冷拔模模腔和型孔、整体涡轮、喷气涡轮机叶片、炮管内腔线和喷油嘴和喷丝头微小异形孔加工。
③ 处理多种精密、有特殊要求零件加工问题，如航空航天、国防工业中表面质量和精度要求全部很高陀螺仪、伺服阀和低刚度细长轴、薄壁筒和弹性元件等加工。
3．特种加工分类
特种加工发展至今虽有五十多年历史，但在分类方法上并无明确要求。通常按能量形式和作用原理进行划分。
① 电能和热能作用方法：电火花成型和穿孔加工（EDM）、电火花线切割加工（WEDM）、电子束加工（EBM）和等离子体加工（PAM）。
② 电能和化学能作用方法：电解加工（ECM）、电铸加工和刷镀加工。
③ 电化学能和机械能作用方法：电解磨削（ECG）、电解珩磨（ECH）。
④ 声能和机械能作用方法：超声波加工（USM）。
⑤ 光能和热能作用方法：激光加工（LBM）。
⑥ 电能和机械能作用方法：离子束加工（IM）。
⑦ 液流能和机械能作用方法：水射流切割（WJC）、磨料水喷射加工（AWJC）和挤压珩磨（AFH）。
在特种加工范围内还有部分属于降低表面粗糙度和改善表面性能工艺，前者如电解热抛光、化学抛光、离子束抛光等；后者如电火花表面强化、镀覆、电子束曝光、离子束注入等。
7.3.2 多个经典特种加工技术
1．电火花加工
电火花加工是在一定液体介质中，利用脉冲放电对导电材料电蚀来蚀除材料，从而使零件尺寸、形状和表面质量达成预定技术要求一个加工方法。在特种加工中，电火花加工应用最为广泛，尤其在模具制造业、航空航天等领域有着极为关键地位。
（1）电火花加工原理和特点
电火花加工是在图7-4所表示加工系统中进行。加工时，脉冲电源一极接工具电极，另一极接工件电极。两极均浸入含有一定绝缘度液体介质（常见煤油或矿物油或去离子水）中。工具电极由自动进给调整装置控制，以确保工具和工件在正常加工时维持一很小放电间隙（0.01～0.05mm）。当脉冲电压加到两极之间时，便将当初条件下极间最近点液体介质击穿，形成放电通道。因为通道截面积很小，放电时间极短，致使能量高度集中，放电区域产生瞬时高温（温度高达10000～1℃）足以使材料熔化甚至蒸发，以致形成一个小凹坑。第1次脉冲放电结束以后，经过很短间隔时间，第2个脉冲又在两极间最近点击穿放电。如此周而复始高频率地循环下去，工具电极不停地向工件进给，它形状最终就复制在工件上，形成所需要加工表面。和此同时，总能量一小部分也释放到工具电极上，从而造成工具损耗。

图7-4 电火花加工原理图
由上可见，进行电火花加工必需含有3个条件：必需采取脉冲电源；必需采取自动进给调整装置，以保持工具电极和工件电极间微小放电间隙；火花放电必需在含有一定绝缘强度（103～107W·m）液体介质中进行。
电火花加工含有以下特点：能够加工任何高强度、高硬度、高韧性、高脆性和高纯度导电材料；加工时无显著机械力，适适用于低刚度工件和微细结构加工；脉冲参数可依据需要调整，可在同一台机床上进行粗加工、半精加工和精加工；电火花加工后表面展现凹坑，有利于储油和降低噪声；生产效率低于切削加工；放电过程有部分能量消耗在工具电极上，造成电极损耗，影响成型精度。
（2）电火花加工应用
电火花加工关键用于模具中型孔、型腔加工，已成为模具制造业主导加工方法，推进了模具行业技术进步。电火花加工零件数量在3000件以下时，比模具冲压零件在经济上愈加合理。按工艺过程中工具和工件相对运动特点和用途不一样，电火花加工可大致分为电火花成型加工、电火花线切割加工、电火花磨削加工、电火花展成加工、非金属电火花加工和电火花表面强化等。
2．激光加工
激光加工是20世纪60年代发展起来一个新兴技术，它是利用光能经过透镜聚焦后达成很高能量密度，依靠光热效应来加工多种材料。现在，激光加工已广泛用于打孔、切割、焊接、电子器件微调、表面处理和信息存放等很多领域。
（1）激光加工原理和特点
激光是一个经受激辐射产生加强光。其强度高，方向性、相干性和单色性好，经过光学系统可将激光束聚焦成直径为几十微米到几微米极小光斑，从而取得极高能量密度（108～1010W/cm2）。当激光照射到工件表面时，光能被工件吸收并快速转化为热能，光斑区域温度可达10000℃以上，使材料熔化甚至汽化。伴随激光能量不停吸收，材料凹坑内金属蒸气快速膨胀，压力忽然增大，熔融物爆炸式地高速喷射出来，在工件内部形成方向性很强冲击波。激光加工就是工件在光热效应下产生高温熔融和冲击波综合作用过程。
图7-5所表示是固体激光器中激光产生和工作原理图。当激光工作物质钇铝石榴石受到光泵（激励脉冲氙灯）激发后，吸收含有特定波长光，在一定条件下可造成工作物质中亚稳态粒子数大于低能级粒子数，这种现象称为粒子数反转。此时一旦有少许激光粒子产生受激辐射跃迁，造成光放大，再经过谐振腔内全反射镜和部分反射镜反馈作用产生振荡，由谐振腔一端输出激光，再经过透镜聚焦形成高能光束，照射在工件表面上，即可进行加工。固体激光器中常见工作物质除了钇铝石榴石外，还有红宝石和钕玻璃等材料。

图7-5 固体激光器中激光产生和工作原理图
激光加工含有以下特点：它属于高能束流加工，不存在工具磨损更换问题；几乎能够加工任何金属和非金属材料；属于非接触加工，无显著机械力，能加工易变形薄板和橡胶等弹性工件；加工速度快，热影响区小；易实现加工过程自动化；激光可经过玻璃、空气及惰性气体等透明介质进行加工，如对真空管内部进行焊接等；激光能够经过聚焦，形成微米级光斑，输出功率大小又能够调整，所以可用于精密微细加工；加工时不产生振动噪声，加工效率高，可实现高速打孔和高速切割；能够达成0.01mm平均加工精度和0.001mm最高加工精度；表面粗糙度Ra值可达0.4～0.1mm。
（2）激光加工应用范围
激光加工关键参数为激光功率密度、激光波长和输出脉宽、激光照射在工件上时间和工件对能量吸收等。激光对材料表面处理、焊接、切割和打孔等全部和上述参数相关。
① 激光表面处理
这是近十年来激光加工领域中最为活跃研究和开发方向，发展了相变硬化、快速熔凝、合金化、熔覆等一系列处理工艺。其中相变硬化和熔凝处理工艺技术趋向成熟并产业化。合金化和熔覆工艺不管对基体材料适应范围还是性能改善幅度，全部比前两种工艺广得多，所以发展前景宽广。
② 激光焊接
它是基于大功率激光所产生小孔效应基础上深熔焊接。它既是一个熔深大、速度快、单位时间熔合面积大高效焊接方法，又是一个焊缝深宽比大、比能小、热影响区小、变形小正确焊接方法。当激光功率密度为105～107W/cm2，照射时间为1/100s左右时，即可进行激光焊接。激光焊接通常无需焊料和焊剂，只需将工件加工区域“热熔”在一起即可。
③ 激光切割
激光切割所需功率密度为105～107W/cm2。它既能够切割金属材料，也能够切割非金属材料。它还能透过玻璃切割真空管内灯丝，这是任何机械加工所难以达成。
④ 激光打孔
激光打孔功率密度通常为107～108W/cm2。它关键应用于在特殊零件或特殊材料上加工孔。如火箭发动机和柴油机喷油嘴、化学纤维喷丝板、钟表上宝石轴承和聚晶金刚石拉丝模等零件上微细孔加工。
超声激光复合加工是一个激光打孔新工艺，它是将超声波振动和激光束作用复合起来。采取超声调制激光打孔，不仅能增加孔加工深度，而且能改善孔壁质量。
3．电子束加工
（1）电子束加工原理和特点
电子束加工在真空中进行，其加工原理图7-6所表示。由电子枪射出高速电子束经电磁透镜聚焦后轰击工件表面，在轰击处形成局部高温，使材料瞬时熔化和汽化，从而达成材料去除、连接或改性目标。控制电子束能量密度大小和能量注入时间，可达成不一样加工目标。如只使材料局部加热，就可进行电子束热处理；使材料局部熔化，就可进行电子束焊接；提升电子束能量密度，使材料熔化和汽化，就可进行电子束打孔、切割等加工；利用较低能量密度电子束轰击高分子材料时产生化学改变原理，即可进行电子束光刻加工。

图7-6 电子束加工原理图
电子束加工含有以下特点：电子束可实现极其微细聚焦（可达0.1µm），可实现亚微米和纳米级精密微细加工；电子束加工关键靠瞬时热效应，工件不受机械力作用，所以不产生宏观应力和变形；加工材料范围广泛，对高强度、高硬度、高韧性材料和导体、半导体和非导体材料均可加工；电子束能量密度高，假如配合自动控制加工过程，加工效率很高；每秒钟可在0.1mm厚钢板上加工出3000个直径为0.2mm孔；电子束加工在真空中进行，污染少，加工表面不易氧化，尤其适合加工易氧化金属及其合金材料，和纯度要求极高半导体材料。
（2）电子束加工应用范围
电子束加工可用于打孔、切割、焊接、蚀刻和光刻等。
① 高速打孔
电子束打孔孔径范围为0.02～0.003mm。喷气发动机上冷却孔和机翼吸附屏孔，其孔径微小，孔数巨大，达数百万个，最适宜用电子束打孔。另外，还能够利用电子束在人造革、塑料上高速打孔，以增强其透气性。
② 加工型孔
为了使人造纤维透气性好，更具松软和富有弹性，人造纤维喷丝头型孔往往设计成多种异形截面，这些异形截面最适合采取电子束加工。
③ 加工弯孔和曲面
借助于偏转器磁场改变，能够使电子束在工件内部偏转方向，可加工曲面和弯孔。
另外，还能够利用电子束进行焊接、切割、刻蚀、表面热处理和光刻。因为电子束加工成套设备价格昂贵，其应用受到一定限制。
4．离子束加工
离子束加工原理和电子束加工基础类似，也是在真空条件下，将离子源产生离子束经过加速后，撞击在工件表面上，引发材料变形、破坏和分离。因为离子带正电荷，其质量是电子千万倍，所以离子束加工关键靠高速离子束微观机械撞击动能，而不是像电子束加工关键靠热效应。图7-7所表示为离子束加工原理图。惰性气体氩气由入口注入电离室，灼热灯丝发射电子，电子在阳极吸引和电磁线圈偏转作用下，向下高速作螺旋运动。氩在高速电子撞击下被电离成离子，阳极和阴极各有数百个上下位置对齐、直径为0.3mm小孔，形成数百条较准直离子束，均匀分布在直径为50mm圆面积上。经过调整加速电压，能够得到不一样速度离子束，以实现不一样加工。
（1）离子束加工特点

图7-7 离子束加工原理图
① 离子束轰击工件材料时，其束流密度和能量能够正确控制，所以能够实现纳米级加工，是现代纳米加工技术基础；
② 离子束加工在真空中进行，污染少，尤其适宜加工易氧化金属、合金、高纯度半导体材料；
③ 离子束加工宏观压力小，所以加工应力小，热变形小，加工表面质量很高。
④ 离子束加工设备费用高、成本高、加工效率低，其应用范围受到一定限制。
（2）离子束加工应用范围
① 离子刻蚀
它是由能量为0.5～5keV、直径为十分之几纳米氩离子轰击工件，将工件表层原子逐一剥离。这种加工本质上属于一个原子尺度上切削加工，所以也称为离子铣削。这就是近代发展起来纳米加工工艺。
② 离子溅射沉积
离子溅射沉积本质上是一个镀膜加工。它也是采取0.5～5keV氩离子轰击靶材，并将靶材上原子击出，淀积在靶材周围工件上，使工件表面镀上一层薄膜。
③ 离子镀膜
离子镀膜也称离子溅射辅助沉积，一样属于一个镀膜加工。它将0.5～5keV能量氩离子分成两束，同时轰击靶材和工件表面，以增强膜材和工件基材之间结协力。也可将靶材高温蒸发，同时进行离子镀。
④ 离子注入
离子注入是采取5～500keV能量离子束，直接轰击被加工材料。在如此大能量驱动下，离子能够钻入材料表层，从而达成改变材料化学成份目标。能够依据不一样目标选择不一样注入离子，如磷、硼、碳、氮等，以实现材料表面改性处理，从而改变工件表面层机械物理性能。
5．水射流加工
水射流加工技术是在20世纪70年代初出现。开始时只是在大理石、玻璃等非金属材料上用作切割直缝等简单作业。经过三十多年开发，现已发展成为能够切削复杂三维形状工艺方法。水射流加工尤其适合于多种软物质有机材料去毛刺和切割等加工，是一个“绿色”加工方法。
（1）水射流加工基础原理
水射流加工是利用水或加入添加剂水液体，经水泵至储液蓄能器使高压液体流动平稳，再经增压器增压，使其压力达成70～400MPa，最终由人造蓝宝石喷嘴形成300～900m/s高速液体流，喷射到工件表面，从而达成去除材料加工目标，图7-8所表示。高速液体流能量密度可达1010W/mm2，流量为7.5L/min，这种液体高速冲击，含有固体加工作用。

图7-8 水射流加工示意图
1—带有过滤器水箱；2—水泵；3—储液蓄能器；4—控制器；5—阀；6—蓝宝石喷嘴；
7—射流束；8—工件；9—排水口；10—压射距离；11—液压系统；12—增压器
（2）水射流加工特点
① 采取水射流加工时，工件材料不会受热变形，切缝很窄（0.075～0.40mm），材料利用率高，加工精度通常可达0.075～0.1mm。
② 高压水束不会变钝，各个方向全部有切削作用，使用水量不多；加工时不需要进刀槽、孔，工件上任意一点全部能开始和结束切削，可加工小半径内圆角；和数控系统相结合，能够进行复杂形状自动加工。
③ 加工区温度低，切削中不产生热量，无切屑、无毛刺、无烟尘、无杂质等，加工产物混入液体排出，故无灰尘、无污染，适合于木材、纸张、皮革等易燃材料加工。
④ 水射流加工流束直径为0.05～0.38mm，加工材料除大理石、玻璃外，还能够加工金属材料。现在，水射流加工已广泛应用于一般钢、不锈钢、铝、铜、铅、钛合金板，以至塑料、陶瓷、胶合板、石棉、混凝土、岩石、玻璃纤维板、橡胶、地毯、棉布、纸、塑料、皮革、软木、复合材料等80种材料切削，最大厚度可达100mm。
6．复合加工
当把两种或两种以上能量形式（包含机械能）合理地组合在一起，就发展成复合加工。复合加工有很大优点，它能成倍地提升加工效率和深入改善加工质量，是特种加工技术发展方向。下面简单介绍多个复合加工。
（1）电解磨削
电解磨削是利用电解作用和机械磨削相结合一个复合加工方法。图7-9所表示，高速旋转导电砂轮接直流电