第二章.ppt.Convertor2.doc

个人收集整理 勿做商业用途2.1。1 现代设计技术的内涵与特点传统设计技术的继承和发展，多专业和多学科交叉，综合性技术。现代设计技术静态、经验、被动、手工设计技术设计过程中解决具体设计问题的各种方法和手段传统设计技术现代设计技术的定义产品规划-需求分析、市场预测、可行性分析、总体参数、制约条件和设计要求；方案设计-功能原理设计，确定原理方案;技术设计-将产品的功能原理具体化为机器产品及其零部件的具体结构；施工设计指工程图绘制，工艺文件编写,说明书编写等。现代设计技术的时间维分析-明确设计任务本质；综合-综合各种因素，探求解决方案；评价对多种方案进行比较和评定，方案调整和改进；决策-确定最佳的设计方案现代设计技术的逻辑维零件造型、产品装配产品渲染、动态显示、运动仿真工程分析，如有限元分析、优化设计、可靠性设计绘制工程图样、编制物料清单(BOM）2.2。1 计算机辅助设计的基本概念CAD技术主要功能计算机的支持和参与 利用计算机信息存储、逻辑推理、长时间重复工作、快速精确的计算等能力和特长，提高产品设计效率和质量;设计者的主导作用 计算机不可能完全取代人进行设计作业；主要辅助完成技术设计 不可能也没有必要涉及产品设计的所有环节。CAD技术特征2。2。2 计算机辅助设计的关键技术1、产品的造型建模技术CAD的几何造型过程也就是对被设计对象进行描述，并用合适的数据结构存储在计算机内，以建立计算机内部模型的过程。被设计对象的造型建模技术的发展,经历了线框模型、表面（曲面)模型、实体建模、特征造型、特征参数模型、产品数据模型的演变过程.三维几何模型类型(a) 线框模型;(b） 表面模型；（c) 实体模型 1) 线框模型：以顶点和棱边描述三维形体，为两表结构; 这种模型曾广泛应用于工厂或车间布局、三视图生成、运动机构的模拟和有限元网络的自动生成等方面，但它无法产生剖面图、消除隐藏线以及求解两个形体间的交线，也无法根据线框模型进行物性计算和数控加工指令的编制等作业. 1)表面模型：以表面描述形体方法，为三表结构； 表面模型的数据结构在线框模型的基础上，增加了有关面的信息和棱边的连接方向等内容。表面造型又分为“多边平面造型和“曲面造型”两种.多边平面造型只能构建平面主体,描述能力不强，故较少采用。曲面造型可以用于构建具有复杂自由曲面和雕塑曲面的物体模型，因此广泛应用于汽车、飞机、船舶等制造工业中。常用的建模方法有贝塞尔（Beizer)曲面技术和B样条(Bspline)曲面技术。表面模型能求解两个形体的交线、消除隐藏线等，但无法定义厚度及内部几何体，故无法生成形体的剖面图以及进行物性的计算。实体建模：能完整表示三维的几何信息和拓扑信息 常用的实体造型方法有“边界表示（Boundary Representation,Brep)法和“构造实体几何”（Constructive Solid Geometry，CSG)法。 边界表示法把一个物体被看作是由有界的平面或曲面片子集构成的,每个面又由它的边界边和顶点组成，经过各种几何运算和操作,最后达到构成物体的目的。CSG法的基本思想认为任何几何形体都是由简单的“实体细胞组成的，这种实体细胞可称为“体素”.CAD系统中常用的体素有：长方体、圆柱、圆锥、球、圆台、楔、椭圆锥等。系统通过布尔运算可以将这些几何体素组成所需要的物体。高档的CAD系统还允许用户根据需要自己定义一些参数化的几何体素.复杂的几何物体是由体素组成的，通过正实体、负实体的定义，二维多边形的扫描、移动、旋转、挖切和镜像等操作来实现物体的创建。4) 特征造型所谓特征，就是描述产品信息的集合，也是构成零、部件设计与制造的基本几何体,它既反映了零件的几何信息,又反映了零件的加工工艺信息。常用的零件特征包括：形状特征、精度特征、技术特征、材料特征、装配特征等.与实体模型相比较，特征造型能更好地表达统一、完整的产品信息；能更好地体现设计意图,使产品模型便于理解和组织生产；有助于加强产品设计、分析、加工制造、检验等各个部门之间的联系。因此，基于特征的建模技术更适合于CAD/CAM的集成和CIMS的建模需要。 单一数据库：与设计相关数据来自同一数据库，实现产品相关性设计，提高设计质量，缩短开发周期。相关性设计:任何设计改动，都将及时反映到其它相关环节上。如:零件图-产品装配图-零件数控程序-二维工程图；左视图主视图俯视图三维实体模型； 2 单一数据库与相关性设计CAD与CAX集成涉及建模技术、工程数据管理、数据交换接口等技术.包括如下集成： CAD/CAE/CAPP/CAM工程设计领域集成； CAD/ERP-与管理系统集成； 异地、异构系统企业间CAD集成，如全球化设计、虚拟设计、虚拟制造及虚拟企业等。4 CAD与CAX集成技术目的:支持异构、跨平台的工作环境。如:IGES（Initial Graghical Exchange System)图形交换标准;STEP（Standard for the Exchange of Product Model Data)产品数据模型交换标准。5 标准化技术 CAD与虚拟现实(VR）技术的集成 VR向设计者提供视觉、听觉、触觉等直观、自然、实时的感知，目前VR所需软硬件价格昂贵，技术开发难度大 计算机安全 技术保密，防病毒感染2.3.1 优化设计优化设计是20世纪60年代发展起来的一门新的学科，它是最优化技术和计算机技术在设计领域应用的结果.要实现问题的优化必须具备两个条件：一是存在一个优化目标;另一个是具有多个方案可供选择。优化问题的分类按目标函数数量:单目标优化和多目标优化按设计变量数量（n): n=210 小型优化 n=10-50 中型优化 n50 大型优化按约束条件： 无约束优化和有约束优化；求解方法: 准则法、数学规划法 线性规划、非线性规划和动态规划。 课堂作业1、先进制造技术的特征？2、先进制造技术的分类？3、CAD技术的起源及其包含的内容?4、CAD的关键技术（5点)？5、CAD技术的研究热点（5点）？1 价值工程的发展与特征 价值工程（Value Engineering，VE)是一门管理及设计技术，它以产品的功能分析为核心，以科学的分析方法为工具，寻求功能与成本的最佳组合以获得最佳的产品价值。 20世纪40年代由美国通用电气公司L.D.Miles工程师首创。 70年代末，价值工程技术引入我国。2.3。3 价值工程产品开发的两种模式：1、从市场需求出发，从无到有(正向工程)： 市场分析概念设计结构设计加工制造装配检验2、从已有产品出发，从有到新（反求工程）： 已有产品实物测量重构模型创新改进加工制造反求工程定义:反求工程（Reverse Engineering，RE),也称逆向工程、反向工程，是指用一定的测量手段对实物或模型进行测量,根据测量数据通过三维几何建模方法重构实物的CAD模型的过程,是一个从样品生成产品数字化信息模型,并在此基础上进行产品设计开发及生产的全过程。2.3.4 反求工程绿色产品的定义：可以拆卸、分解的产品；原材料使用合理化，并能处理回收的产品；从生产、使用、回收过程对生态环境无害或危害小产品；可翻新和重新利用的产品；综合定义：在产品全生命周期内，节约资源和能源，对生态环境无危害或少危害，对生产者及使用者具有良好保护性的产品.绿色产品特点：优良的环境友好性,最大限度地利用材料资源,节约能源.2。3。5 绿色设计绿色产品描述与建模:准确全面的描述，建立评价模型;绿色设计材料选择 侧重环境约束和材料对环境影响；面向拆卸的设计 能够高效、不加破坏地拆卸，有利于材料的重新利用和循环再生;可回收性设计 包括可回收材料识别及标志、回收处理工艺、可回收性结构设计、可回收经济分析与评价；绿色产品成本分析 包括污染物处理成本、拆卸成本、重复利用成本、环境成本等;绿色产品设计数据库：包括材料成分、降解周期、费用、各种评价标准等绿色设计主要内容资源最佳利用原则 能源选用,尽可能使用再生资源，提高利用率；能量消耗最少原则 尽可能选用可再生一次能源，力求能源消耗最少;“零污染”原则 消除污染源，尽可能地做到零污染;“零损害”原则 将对身心健康损害降低最低程度;技术先进原则 采用新技术，使产品具有市场竞争力；生态经济效益最佳原则 同时考虑经济效益和环境效益。绿色设计的原则绿色设计顺应历史发展趋势，强调资源有效利用，减少废弃物排放，追求产品生命周期中对环境污染最小化，对生态环境无害化,将成为人类实现可持续发展的有效手段。 绿色设计的原则本章小结 从系统工程的观点分析，现代设计技术是一个由时间维、逻辑维和方法维共同组成的三维系统; 现代设计技术由4个不同层次的技术所组成，计算机辅助设计技术CAD是现代设计技术的主体技术； CAD技术经历了萌芽期、成长期、发展期、普及期，现已进入CAD与其它信息技术集成的年代; 介绍了应用较为广泛、相对比较成熟的几种产品设计计算方法，包括：优化设计、可靠性设计、价值工程、反求工程和绿色设计。课堂作业：1、优化设计的步骤2、可靠性设计的主要内容和指标3、价值工程的含义4、模型重构技术的基本步骤5、绿色设计的原则机械制造工艺三阶段： 零件毛坯的成形准备阶段 机械切削加工阶段 表面改性处理阶段上述阶段划分逐渐模糊、交叉，甚至合而为一3.1.1 机械制造工艺定义与内涵原材料成品半成品机械制造工艺定义改变形状，尺寸,性能，位置机床、工具3.1。3 先进制造工艺的技术特点（1)优质（2）高效(3）低耗(4)洁净(5）灵活机械零件成形方法：受迫成形 在特定边界和外力约束下成形,如铸造、锻压、粉末冶金和注射成形等；去除成形 将材料从基体中分离出去成形，如车、铣、刨、磨、电火花、激光切割;堆积成形 将材料有序地合并堆积成形,如快速原形制造、焊接等A、自硬砂精确砂型铸造粘土砂造型 铸件质量差、生产效率低 劳动强度大、环境污染严重自硬树脂砂造型 高强度、高精度、高溃散性 低劳动强度，适合于各种复杂铸件型芯制作 铸件壁厚可 2。5mm3。2。1 精密洁净铸造成形(1）精确铸造成形技术B、高紧实砂型铸造 可提高铸型强度、刚度和硬度 减少金属液浇注凝固时型壁移动 降低金属消耗、减少缺陷 提高精度、粗糙度提高23级气冲造型C、消失模铸造 利用泡沫塑料作为铸造模型，并在其四周填砂，不分上下模，泡沫塑料在浇注过程中气化。 可避免砂型溃散 可消除起模斜度，减小铸件壁厚 能够获得表面光洁、尺寸精确 无飞边、少无余量精密铸件泡沫塑料模 造型 浇注过程 铸件 D、特种铸造技术 类型:压力铸造、低压铸造、熔模铸造 真空铸造、挤压铸造等。 压力铸造:金属模，以压力浇注取代重力浇注, 铸件精确、表面光洁、内部致密.金属模压铸机压铸过程合型 压铸 开模洁净的能源 以感应电炉代替冲天炉，减轻对空气的污染无砂和少砂铸造 如压力铸造、金属型铸造、挤压铸造等清洁无毒材料 使用无毒无味变质剂、精炼剂、粘结剂等（2）清洁（绿色)铸造技术高溃散性型砂工艺 树脂砂、酯硬化水玻璃砂工艺废弃物再生和综合利用 铸造旧砂再生回收、熔炼炉渣处理和综合利用铸造机器人或机械手 以代替工人在恶劣条件下工作（1）精密模锻 利用模锻设备锻造出锻件形状复杂、精度高的模锻工艺，比普通锻件高1-2个精度等级。3.2.2 精确高效金属塑性成形工艺模锻坯料 普通模锻 去氧化皮 精密模锻锥齿轮的精密模锻工艺（2） 超塑性成形 超塑性现象：在一定内部条件（如晶粒形状、相变）和外部条件（如温度、应变速率）下，呈现出异常低的流变抗力、异常高的延伸率现象。目前已知锌、铝、铜等合金超塑性达1000,有的甚至达2000。金属超塑性类型： 细晶超塑性（恒温超塑性) 内在条件：具有均匀、稳定等轴细晶组织(10m）； 外在条件：特定温度和变形速率(10-4105min-1）。 相变超塑性（环境超塑性) 在材料相变点温度循环变化，同时对试样加载.（3）精密冲裁 呈纯剪切分离冲裁工艺，通过模具改进提高精度三种光洁冲裁凹模结构椭圆凹模 圆角凹模 倒角刃口辊轧工艺 用轧辊对坯料连续变形加工工艺，生产率高、质量好、材料消耗少。辊锻轧制辗环轧制3。2.3 粉末锻造成形工艺粉末制取粉末锻造成形工艺粉末冶金 + 精密锻造模压成形型坯烧结锻前加热锻 造后续处理粉末铸造成形是将传统的粉末冶金和精密锻造结合起来的一种新工艺。粉末锻造件优点： 能源消耗低，材料利用率高 为普通锻造能耗49，材料利用率达90，普通锻造仅40-60%； 锻件精度高,力学性能好 组织无偏析，无各向异性； 疲劳寿命高 比普通锻造提高20%,高速钢工具寿命可提高两倍以上.粉末锻造模具注射成形原理3.2.4 高分子材料注射成形粉状塑料注入螺杆推进送进加热区通过分流梭喷嘴喷出注入模腔注射成形工艺过程冷却成形气体辅助成形： 将惰性气体注入，在成品较厚部分形成空腔，使成品壁厚均匀，可防止缩痕或翘曲产生。注射成形新技术气体辅助注射成形原理注射压缩成形:可采用较低的注射压力成形薄壁制品，适用于流动性较差的制品.整体压缩注射成形模具滑合成形法 适用于中空制品和不同材料复合体模具滑合成形动作原理剪切场控制取向成形法：使材料纤维取向与流动方向一致,可提高熔接痕强度，消除缩孔和缩痕。剪切场控制取向成形法原理直接注射成形法 不需混炼造粒过程，可将填充剂均匀地分散在基体树脂中，直接注射成制品.直接注射成形机螺杆压缩段剖面图(1）超精密切削对刀具的要求 极高的硬度、极高的耐用度和极高的弹性模量，保证刀具寿命和尺寸耐用度； 刃口能磨得极其锋锐，刃口半径值极小,能实现超薄的切削厚度; 刀刃无缺陷,避免刃形复印在加工表面; 抗粘结性好、化学亲和性小、摩擦系数低、能得到极好的加工表面完整性。3。3。2 超精密切削加工(2）天然单晶金刚石刀具的性能特征 极高的硬度 HV600010000,而TiC仅为HV2400，WC为HV2400； 能磨出锋锐刃口 刃口半径可达纳米，普通刀具5-30m； 与有色金属摩擦系数低、亲和力小 与铝的摩擦系数仅为0。06-0。13；耐磨性好,刀刃强度高 刀具磨损极慢,刀具耐用度极高。(2）天然单晶金刚石刀具的性能特征天然单晶金刚石被公认为不能代替的超精密切削刀具材料;但仅用于有色金属的切削加工。（3）超精密切削时的最小切削厚度 如图：A点位置与摩擦系数（剪切角）有关： 当=0.12时，可得： hDmin=0.322 当=0。26时，可得： hDmin=0.249 若hDmin=1nm，要求刀具刃口半径为3-4nm。极限切削厚度与刃口半径的关系超精密磨削：是最主要黑色金属超精密加工手段，精度=0.1m，表面粗糙度Ra0.025 m 。(1) 超精密磨削砂轮金刚石砂轮：较强的磨削能力，较高的磨削效率， 磨削速度1230m/s；CBN砂轮：较好的热稳定性和化学惰性，价格较贵， 磨削速度80100 m/s.3。3。3 超精密磨削加工超硬磨料砂轮结合剂: 树脂结合剂:能保持良好锋利性，磨粒保持力小； 金属结合剂：耐磨性好，磨粒保持力大，自锐性差，砂轮修整困难。 陶瓷粘结剂：化学稳定性高、耐热、耐酸碱，脆性较大。(2) 超硬磨料砂轮的修整 车削法 用金刚笔车削金刚石砂轮，修整成本高； 磨削法 用普通砂轮进行对磨,修整效率和质量较好，普通砂轮磨损消耗量较大； 喷射法 将碳化硅、刚玉等磨粒高速喷射到砂轮表面，去除部分结合剂，使超硬磨粒突出； 电解在线修锐法（ELID） 应用电解原理完成砂轮修锐过程; 电火花修整 应用电火花放电原理完成砂轮修整。在线电解修锐法电火花修整法 （3） 磨削速度和磨削液 金刚石 1230 m/s 立方氮化硼 80-100 m/s 热稳定性好； 磨削液的作用 润滑、冷却、清洗，渗透性、防锈、提高切削性能；油性液润滑性能好，水溶性液冷却性能好。（1）精密主轴部件滚动轴承 回转精度达1m，表面粗糙度Ra0。04-0。02m;液体静压轴承 回转精度0.1m，刚度阻尼大,转动平稳； 不足：液压油温升高，影响主轴精度，会将空气带入液压油降低轴承刚度； 应用:一般用于大型超精密机床。3。3。4 超精密加工机床设备空气静压轴承 高回转精度、工作平稳，温升小； 不足:刚度较低，承载能力不高； 应用:超精密机床中得到广泛的应用。典型液体静压轴承主轴结构原理图1-径向液压轴承 2止推液压轴承 3真空吸盘 双半球空气轴承主轴1前轴承 2-供气孔 3-后轴承 4定位环 5旋转变压器 6无刷电动机 7外壳 8轴 9-多孔石墨 （2)床身和精密导轨床身要求:抗振、热膨胀系数低、尺寸稳定性好床身材料:多采用人造花岗岩，尺寸稳定性好、热膨胀系数低、硬度高、耐磨、不生锈、可铸造成形，克服了天然花岗岩有吸湿性不足。导轨要求：高直线精度,不得爬行，有液体静压导轨、空气静压导轨.平面型空气静压导轨示意图1静压空气 2移动工作台 3-底座 （3）微量进给装置微量进给装置要求： 分辨率达到0.0010。01m； 精微进给与粗进给分开； 低摩擦和高稳定性； 末级传动元件必须有很高的刚度; 工艺性好，容易制造； 应能实现微进给的自动控制，动态性能好。双T形弹性变形微进给装置1-微位移刀夹 2、3-T形弹簧 4-驱动螺钉 5固定端 6-动端 分辨率0.01m,最大位移20m,静刚度70N/m，最大位移 15-16m分辨率 0.01m静刚度 60N/m压电陶瓷微进给装置1刀夹 2机座 3-压电陶瓷 4后垫块 5电感测头 6-弹性支承 （1）净化的空气环境 1m直径尘埃会拉伤磁盘表面而不能正确记录信息; 100级超精密加工空气洁净度要求：0。5m直径尘埃个数100个/ft3而办公室百万个/(ft)3，手术室5万个/(ft）3 3.3.5 超精密加工环境（2）恒定的温度环境 100mm长铝合金零件，温度变化1C将产生2。25m的误差； 若要求确保0。1m加工精度，环境温度应保持0。05C范围内； 当前，已出现0。01C的恒温环境，需多级恒温。3。3.5 超精密加工环境(3)较好的抗振动干扰环境防振：消除自身 振动干扰隔振：阻止外部 振动美国LLL实验室超精密机床隔振基础1-隔振空气弹簧 2床身 3-工作台 第四节 高速加工技术 3.4.1 高速加工的概念与特征 3。4。2 高速加工技术的发展与应用 3。4.3 高速切削加工的关键技术 3。4.4 高速磨削加工3.4.1 高速加工的概念与特征超高速切削概念示意图 Salomon切削理论高速切削 铝合金：1000-7000m/min 灰铸铁:8003000m/min 铜：900-5000m/min 钢：5002000m/min 钛：1001000m/min高速切削特征切削力低 切削变形小，切屑流出速度加快，切削力 比常规降低3090%;热变形小 温升不超过3C,90切削热被切屑带走;材料切除率高 单位时间内切除率可提高35倍; 高精度 切削激振频率远高于机床系统固有频率， 加工平稳、振动小。减少工序 工件加工可在一道工序中完成, 称为“一次过”技术（One pass maching）1、高速主轴精度高、振动小、噪音低、结构紧凑高速化指标:dmn（直径x转速）1106即为高速，5-10倍于常规速度。3。4.3 高速切削加工关键技术主轴轴承陶瓷混合轴承 轴承滚珠为氮化硅陶瓷；密度低，离心力小;弹性模量高,刚度大；摩擦系数低. 轴承润滑:油脂润滑、油雾润滑、油气润滑等。气浮轴承：高回转精度、高转速、低温升，承载能力低.液体静压:运动精度高，动态刚度大，有油升影响.磁浮轴承：间隙一般在0.1mm左右，允许更高转速，达4。0*106以上,控制结构复杂.2、快速进给系统滚珠丝杆+伺服电机:加速度达0.6g，进给速度达4060m/min。直线电机：进给速度可达160m/min，加速度可达2.510g。消除了机械传动间隙和弹性变形，几乎没有反向间隙,是未来机床进给传动的基本形式.3、高性能的CNC控制系统 快速响应伺服控制，32/64位，多CPU，具有加速预插补、前馈控制、钟形加减速、精确矢量补偿和最佳拐角减速控制等功能。4、先进的机床结构 结构特点:床身足够刚度、强度，高阻尼特性和热稳定性；立柱和底座整体结构;使用高阻尼特性材料(聚合物混凝土);防弹玻璃观察窗。 新型机床结构：并联机床结构。5、高速切削的刀具系统对刀具系统要求：切削热更多流向刀具,要求抗磨损；必须良好的平衡，可靠定位。刀具材料：硬质合金涂层刀具、陶瓷刀具、聚晶金刚石刀具、立方氮花硼刀具。双定位刀柄结构：当超过15000r/min时，离心力将使主轴锥孔扩张,降低刀柄连接刚度；该结构刀柄锥部和端面同时与主轴定位，轴向重复定位精度可达0.001mm。高速磨削:最高磨削速度达500m/s；实际应用磨削速度在100m/s-250m/s.高速磨削特点：若切除率不变,则单磨粒切削厚度降低，磨削力减小；维持原切削力，可提高进给速度，降低加工时间，提高生产效率;可使粗精合而为一。3。4。3 高速磨削加工1、高速主轴 须配有连续自动动平衡装置高速磨削关键技术：高速主轴动平衡系统1-信号传送单元 2-紧固法兰盘 3-内装电子驱动平衡块 4-磨床主轴 2、高速磨床结构具有高动态精度、高阻尼、高抗振性和热稳定性直线电机驱动高速平面磨床磨削速度达125m/s，工作台往复运动达1000st/min，是普通磨床的10倍3、高速磨削砂轮砂轮基体：必须考虑高速离心力作用；砂轮磨粒-立方氮化硼和金刚石。高速砂轮典型结构腹板变截面等力矩结构，无中心法兰孔多个小螺孔安装固定，降低法兰孔应力4、冷却润滑液V液大于等于V砂： 润滑效果好V液小于V砂: 清洗效果好a） V液大于V砂 b） V液略大于V砂 c) V液= V砂冷却润滑液出口流速的影响1、光敏液相固化法(SLA）特点：可成形任意复杂形状零件;成形精度高，达0.1mm；材料利用率高，性能可靠。不足：材料昂贵，光敏树脂有一定毒性。3.5。3 典型的RPM工艺方法SLA工艺原理图 2、选区片层粘结法（LOM） 特点:成形速度快，成形材料便宜，无相变、无热应力、形状和尺寸精度稳定不足：成形后废料剥离费时，不宜制作薄壁零件.LOM工艺原理图 3、选区激光烧结法（SLS)特点:取材广泛，包括各种可熔粉末材料，不需要支撑材料。SLS工艺原理图1-激光器 2-铺粉滚筒 3-激光窗 4-加工平面 5原料粉末 6-生成零件 4、熔丝沉积成形法（FDM）特点:无需激光系统，设备简单，运行费用便宜，尺寸精度高，表面光洁度好，适合薄壁零件。不足：需要支撑材料.FDM工艺原理图 能耗低、灵敏度、工作效率高 不存在信号延迟问题，可进行高速工作。消耗的能量远小于传统机械 如55*0。7mm3微型泵流速是比其体积大得多的小型泵流量的1000倍.多功能和智能化 集传感器、执行器、信号处理和电子控制电路为一体，易于实现多功能化和智能化。制造成本低 类似半导体制造工艺。3.6.1 微机械及其特征1、超微机械加工利用超小型机床制作毫米级以下的微机械零件难点：微型刀具制造、刀具姿态、加工基准定位等3.6。2 微细加工工艺方法微型超精密加工机床结构示意图 为车、铣、磨、电火花加工的多功能微型加工机床，最小设定单位为1nm，单晶金刚石刀具，刀尖圆弧半径为100nm左右2、光刻加工氧化 硅晶片表面形成一层氧化层；涂胶 涂光致抗蚀剂;曝光 通过掩模曝光；显影 曝光部分溶解去除；腐蚀 未被覆盖部分腐蚀掉；去胶 将光致抗蚀剂去除；扩散-向需要杂质的部分扩散杂质,以完成整个光刻加工过程。光刻加工工艺示例 3、体刻蚀加工技术体微机械加工：用腐蚀方法将硅基片有选择性地去除部分材料的方法。各向同性腐蚀:以相同速度对所有晶向进行刻蚀；各向异性腐蚀：在不同晶面，以不同速率进行刻蚀，利用晶格取向，可制作如桥、梁、薄膜等不同的结构。4、面刻蚀加工技术l在硅基片上淀积磷玻璃牺牲层材料;l腐蚀牺牲层形成所需形状;l淀积和腐蚀结构材料薄膜层；l除去牺牲层就得到分离空腔微桥结构。制作双固定多晶硅桥工艺5、LIGA技术LIGA技术是由制版、电铸和微注塑工艺组成，是全新的三维立体微细加工技术。在光致抗蚀剂上生成曝光图形实体；用曝光蚀刻的图形实体作电铸用胎膜，在胎膜上沉积金属形成金属微结构件； 用金属微结构件作为注塑模具注塑出所需的微型零件。LIGA工艺过程6、 封接技术目的:将微机械件连接在一起，使其满足使用要求.方法:反应封接、淀积密封膜和键合技术。反应封接:是将多晶硅结构与硅基片通过氧化反应封接在一起.淀积密封膜:是用化学气相淀积法在构件和衬底之间淀积密封膜.硅硅直接键合：在高温下依靠硅原子力量直接键合在一起形成一个整体；静电键合：将硅和玻璃之间加上电压产生静电引力而使两者结合成一体。7、分子装配技术扫描隧道显微镜STM、原子力显微镜AFM具有0。01nm分辨率，是精度最高的表面形貌观测仪.利用其探针尖端可以俘获和操纵分子和原子，并可按照需要拼成一定的结构，进行分子和原子的装配制作微机械。表面工程概念：表面工程技术是通过运用各种物理、化学或机械工艺过程，来改变基体表面状态、化学成分、组织结构和应力状态等，使基体表面具有不同于基体的某种特殊性能，从而达到特定使用要求的一项应用技术。包括表面处理、表面加工、表面涂层、表面改性以及薄膜技术等内容。1、激光表面改性是以高能量的激光束快速扫描工件表面，升温速度可达105-106C/s，冷却速度104C/s，快速自冷淬火，比常规淬火硬度高15-20%,淬火变形非常小，表面无须保护.3.7.1 表面改性技术激光表面改性装置组成示意图1全反射镜 2谐振腔 3部分反射镜 4导光系统 5弯曲反射镜 6聚光系统及保护气通入 7xy移动工作台 8-气体交换装置 9配电盘 10-冷却装置 11控制系统2、电子束表面改性利用电子能深入金属表面，与基体金属原子核碰撞,使被处理金属表层温度迅速升高。加热和冷却速度快,能量密度大；为激光成本的1/3；结构简单；能量利用率高于激光；在真空工作，工件表面不易氧化;控制比激光容易。 电子束产生及工作示意图1工作台 2加工室 3-电磁透镜 4阳极 5-栅极 6灯丝 7-电源 8-电子束 9 偏转线圈 10工件 3、离子注入表面改性可注入任何元素，不受固溶度和扩散系数影响；离子注入温度易控制；不氧化、不变形、不软化,可作最终处理工艺。可控性、重复性好.可获得两层以上复合材料，复合层不易脱落。图3-52 离子注入装置示意图1-离子源 2质量分析器 3高压电极 4加速管 5聚焦电极 6-X扫描电极 7Y扫描电极 8中性束 9-试样室热喷涂技术 3。7.2 表面覆层技术粉末火焰喷涂 大气等离子喷涂 爆炸喷涂气相沉积技术物理气相沉积PVD 将镀料气化成原子、分子或离子,直接沉积到基体表面。真空蒸镀 将工件放入真空室内加热，使镀膜材料蒸发或升华，飞至工件表面凝聚成膜；溅射镀膜 用荷能粒子轰击材料表面，使其获得足够能量，飞溅变为气相，在基体表面上沉积；离子镀膜 利用气体放电使物质离子化，在气体离子轰击下把蒸发物沉积在基体上成膜。化学气相沉积CVD 借助气相作用和在基体表面上的化学反应生成所要求的薄膜。渗钛与离子渗氮复合热处理；渗碳、渗氮、碳氮共渗；液体碳氮共渗与高频感应加热表面淬火的复合强化；激光与离子渗氮复合处理；表面覆层技术与其他表面处理的复合技术；离子辅助涂覆；离子注入与气相沉积复合表面改性.3。7。3 复合表面处理技术3。8。1 激光加工激光加工原理 当激光照射到工件表面，光能被工件迅速吸收并转化为热能，工件在光热效应下产生的高温熔融和冲击波的综合作用达到加工的目的.固体激光器结构示意图 激光加工特点功率密度大 高达108-1010W/cm2,可加工如耐热合金、陶瓷、石英、金刚石等任何材料；聚焦光斑小 激光束可聚焦到微米级,可打孔直径0.001mm小孔；非接触加工 没有明显机械力，没有工具损耗，可加工易变形的薄板和橡胶等弹性零件；加工速度快，热影响区小 可对真空管内部器件进行加工；属于瞬时局部熔化和气化的热加工方法 影响因素很多,其精度和表面粗糙度需反复试验、寻找合理参数才能达到所需要求。激光加工工艺及应用激光打孔 可在任何材料上打微型小孔，如喷嘴、喷丝板、宝石轴承等，孔直可达0.01mm以下，深径比50:1。激光切割 可切割金属、非金属，更适宜于对细小部件作各种精密切割.激光焊接 以高功率聚焦激光束为热源，无需焊料和焊剂,只需将工件的加工区域“热熔”在一起就可以。激光表面处理 有相变硬化、快速熔凝、合金化、熔覆等表面处理工艺。3。8。2 超声波加工超声波加工基本原理超声波：频率超过16000Hz的声波.超声波加工:利用工具端面作超声频振动，通过磨料悬浮液撞击加工材料的一种加工工艺方法。超声波加工原理图 1-工具 2工件 3磨料悬浮液 4，5变幅杆 6换能器 7-超声波发生器超声波加工的应用型腔抛磨加工 用于淬火钢、硬质合金冲模、拉丝模、塑料模具型腔的最终光整加工；超声清洗 超声波使液体分子往复高频振动产生正负交变的冲击波，使被清洗物表面的污物遭到破坏，并从被清洗表面脱落下来；超声波复合加工 如超声与电火花复合加工，电火花有效放电脉冲利用率可提高到50以上,提高生产率2-20倍。水射流切割加工基本原理 是以水作为携带能量的载体，水压达300-1000Mpa，喷嘴直径0.10。6mm，23倍声速喷出，使压力能转变为动能，常用人造宝石、陶瓷、碳化钨喷嘴。纯水射流切割:喷嘴磨损慢，切割能力较低，适合于切割软质材料；磨料射流切割：喷嘴磨损快，结构复杂，适于切割硬质材料。3.8。3 水射流切割加工水射流切割设备高压水射流切割设备组成1-水箱 2-水泵 3蓄能器 4控制器5阀 6-蓝宝石喷嘴 7-射流8工件 9-排水器 10液压机构 11-增压器磨料射流切割头 本章小结机械零件常用的成形方法有受迫成形、去除成形、堆积成形;精密洁净铸造成形、精确高效金属塑性成形、粉末锻造成形工艺、高分子材料注射成形均属于先进的材料受迫成形工艺；在当今技术条件下,普通加工精度为1m、精密加工精度为0。1-1m、超精密加工精度高于0.1m；Salomon将切削速度范围分为常规切削区、不可切削区和高速切削区；当前dmn指数大于1*106称为高速加工机床；常用的RPM工艺方法有光敏液相固化法SLA、选区片层粘结法LOM、选区激光烧结法SLS、熔丝沉积成形法FDM；微机械（MEMS）按其尺寸特征可以分为1-10mm的微小机械，1m1mm的微机械以及1nm-1m的纳米机械， 微机械加工方法有超微机械加工、光刻加工、电化学加工、复合加工等.自动化:自动去完成特定的作业。制造自动化（狭义）:生产车间内产品机械加工和装配检验过程的自动化；制造自动化（广义）：包含产品设计、企业管理、加工过程和质量控制等产品制造全过程综合集成自动化.制造自动化意义：显著提高劳动生产率、提高产品质量、降低制造成本、提高经济效益，改善劳动条件、提高劳动者的素质、有利于产品更新、带动相关技术的发展、提高企业的市场竞争能力。4.1。1 制造自动化技术内涵刚性自动化 设备-自动/半自动机床、组合机床、组合机床自动线； 对象-单一品种大批量生产自动化； 特点-生产效率高、加工品种单一。柔性自动化 设备-NC、CNC、FMC、FMS等。 对象多品种小批量甚至单件生产自动化；综合自动化 经营管理、开发设计、加工装配、质量保证自动化,CIMS、CE、LP、AM等。4。1。2 制造自动化技术的发展及现状1) 制造敏捷化 使企业面临市场竞争作出快速响应；2) 制造网络化 实现制造过程的集成，实现异地制造、远程协调作业;3)