机械制造的发展课件.ppt

1、1本章要点制造自动化技术的发展精密加工与超精密加工非传统加工方法先进制造技术23 表1-1 三种自动化形式比较比较项目刚性自动化柔性自动化综合自动化实现目标 减轻工人劳动强度，节省劳动力，保证加工质量，降低生产成本 减轻工人劳动强度，节省劳动力，保证加工质量，降低生产成本，缩短产品制造周期 除左外，提高设计工作与管理工作效率和质量，提高对市场的响应能力控制对象物流物流物流，信息流特点 通过机、电、液气等硬件控制方式实现，因而是刚性的，变动困难 以硬件为基础，以软件为支持，改变程序即可实现所需的转变，因而是柔性的 不仅针对具体操作和工人的体力劳动，而且涉及脑力劳动以及设计、经营管理等各方面典型系

2、统与装备 自动机床、组合机床，机械手，自动生产线 NC机床，加工中心，工业机器人，DNC，FMC，FMS CAD/CAM系统，MRP，CIMS应用范围大批大量生产多品种、中小批量生产各种生产类型关键技术 继电器程序控制技术，经典控制论 数控技术，计算机控制，GT，现代控制论 系统工程，信息技术，计算机技术，管理技术4 图7-1 汽车后桥齿轮箱加工自动线刚性自动化20年代5 柔性自动化50年代图7-2 焊接机器人综合自动化70年代图7-3 综合自动化6123LCTTBQTBTT（7-1）式中 TTLC 生产某种产品所需总时间；B 批数；Q 批量；T1 单件工时；T2 每批产品所需生产准备时间（包

3、括原材料订 货时间，制定生产计划时间，工艺装备调整 时间）；T3 每种产品所需设计及生产准备时间（产品设 计，工艺设计，工艺装备设计与制造）。7321LCTTTTQBQ（7-2）式中 TLC 生产每件产品所需平均时间 式（1-2）即为 Groover 产品寿命周期模型 TLC 是一个综合指标，减小 TLC 常被作为生产活动追求的目标式（1-1）两边除以 BQ，得到：刚性自动化：着眼降低 T1柔性自动化：着眼降低 T1 和T2（部分）综合自动化：同时减小 T1、T2、T3，特别是 T2 和 T3 ，因而在多品种、中小批量生产中具有重要意义8本节仅讨论中小批量生产中广泛使用的柔性制造系统（Flex

4、ible Manufacturing SystemFMS）q 柔性制造系统的组成 图7-4 FMS的组成自动仓库工厂计算机中央计算机物流控制计算机运输小车加工单元1加工单元2加工单元n信 息 传 输 网 络工夹具站9q 加工单元CNC（MC）机床工作台架（暂存工件）机器人或托盘交换装置检测、监控装置设备运行状态监控与检测（图7-5）传感器群信号采集预处理特征提取状态识别诊断决策预维修决策监控检测报告正常状态模式预诊断知识库预维修知识库学习训练匹配状态异常报警预知故障报警输出图7-5 设备运行状态监控与检测框图10钻头破损检测器内存有以往采集的钻头破损的信号或钻头破损模拟信号，与检测信号进行比较

5、。当钻头破损被确认后，发出换刀信号。加工过程监控与检测重点是刀具磨损、破损监控与检测。图7-6为声发射钻头破损检测装置示意图。加工过程中，一旦钻头破损，声发射传感器检测到钻头破损信号，将其送至钻头破损检测器进行处理。钻头破损检测器图7-6 声发射钻头破损检测装置系统图交换机床控制器工件折断工作台声发射传感器破损信号11q 物料传输系统又称立体仓库或自动化仓库系统（Automated Storage and Retrieva1 System一ASRS），由高层料架、堆垛机、控制计算机和物料识别装置等组成。具有自动化程度高、料位空间尺寸和额定存放重量大、料位总数可根据实际需求扩展、占地面积小等优点

6、。自动仓库（图7-7）图7-7 自动仓库运输小车出入库装卸站堆垛机料架12 传输装置 滚式链式（传送带由于柔性差，目前较少使用）带式有轨无轨（AGV）固定路线随机路线电磁式（图7-8）光电式（图7-9）传送带运输小车机器人固定式机器人行走式机器人13转向舵比较放大电路信号拾取线圈引导电缆图7-8 电磁引导原理在地面上埋设引导电缆，并通以510kHz的低压电流。小车上装有对称的一组信号拾取线圈。当小车偏向右方时，右方的感应信号减弱，左方的增强，控制器根据这些信号的强弱，控制小车的舵轮。电磁导向方式原理（图7-8）14沿小车预定路径在地面上粘贴易反光的反光带（铝带或尼龙带），小车上装有发光器和受光

7、器。发出的光经反光带反射后由受光器接受，并将该光信号转换成电信号控制小车的舵轮。光学引导方式原理（图7-9）信号孔感光元件光道光源反光带图7-9 光学引导原理15切屑处理系统断屑 加工部位封闭排屑 机床、工夹具设计要便于排屑 冷却液冲，或压缩空气吹切屑输送（通常采用地下输送管道）切屑再处理（打包）16工厂计算机：制定、修改、更新生产（作业）计划；对中央计算机和物流计算机进行控制。单元控制器：监视与控制机床加工、检测、上下料 物流计算机：根据工厂计算机制定的作业计划对自动仓 库、堆垛机、缓冲站、运输小车等进行监 视与控制。中央计算机：根据工厂计算机制定的作业计划对各加工 单元进行监视与控制。信息

8、传输网络：在控制计算机与单元控制器之间进行信 息传递。q 计算机控制系统17 JCS-FMS-1控制级结构中央管理计算机FM-11AD2+物流控制计算机局域网络LAN文件库自动编程机单元控制机CNC车床CNC磨床单元控制机立式MC卧式MC单元控制机CNC车床管理级单元级设备级18q FMS特点除毛坯准备与毛坯安装外全部自动化可在不停机的条件下实现加工工件的自动转换24小时运行，只一班有人生产零件的品种由4至100种不等（2030种居多）生产零件的批量由40至2000件不等（50200件居多）大部分加工对象为相似零件（个别例外）可加工多种零件没有固定的生产节拍故障可容（一台机床出现故障，其它机床

9、可进行拟补）可自动实现系统内的计划、调度19q FMS应用品种图7-11 零件品种、批量与自动化加工方式010 100 1000 批量10,000 1000 100 10FMLFMCFMS数控机床通用机床刚性线生产柔性产量20图7-12 飞机零件加工FMS（Cincinnati）1装卸站 2运输小车 3MC 4切屑处理站 5清洗站 6检测站 7手工检测站 8计算机室 9 小车维修站 10 包装站q FMS实例（1）21冲床图7-13 冲压FMSq FMS实例（2）22q 自动检测内容 q 自动检测系统q 自动检测传感技术q“十分之一”与“三分之一”原则23PROCAUTPROCAUTPROCA

10、UTINSPMANPROCAUTINSPMAN反馈信号PROCAUTINSPMANSORTAUT分类指令q 离线与在线检测24q 坐标测量机a）b）c）d）图7-15 坐标测量机的结构形式结构形式25 操作控制 编程方法 26 可完成测量项目 表7-2 坐标测量机可完成的测量项目可完成的测量项目测量原理尺寸孔径与孔中心线坐标圆柱体轴心线与直径球心坐标与球面半径平面度两平面夹角两平面的平行度两条线的交点与交角由两个给定面坐标的差值确定尺寸测量孔上3点，计算确定孔径与孔中心线坐标测量圆柱面上3点，计算确定轴心线与直径测量球面上4点，计算确定球心坐标与球面半径用3点接触法测定，与理想平面比较确定平面

11、度按平面上3个触点最小值规定平面，再计算夹角根据两平面交角确定平行度先确定两线夹角，再测定交点27 实物照片 2829精密加工 在一定的发展时期，加工精度和表面质量达到较高程度的加工工艺。超精密加工 在一定的发展时期，加工精度和表面质量达到最高程度的加工工艺。瓦特改进蒸汽机 镗孔精度 1mm 20 世纪 40 年代 最高精度 1m 20 世纪 末 精密加工：0.1m，Ra 0.01m（亚微米加工）超精密加工：0.01m，Ra 0.001m（纳米加工）微细加工 微小尺寸的精密加工 超微细加工 微小尺寸的超精密加工30 零件 加 工 精 度 表面粗糙度 激光光学零件 形状误差 0.1m Ra 0.

12、010.05m 多面镜 平面度误差 0.04m Ra 0.02m 磁头 平面度误差 0.04m Ra 0.02m 磁盘 波度 0.01 0.02m Ra 0.02m 雷达导波管 平面度垂直度误差 0.1m Ra 0.02m 卫星仪表轴承 圆柱度误差 0.01m Ra 0.002m 天体望远镜 形状误差 0.03m Ra 0.01m 表7-3 几种典型精密零件的加工精度 几种典型精密零件的加工精度（表7-3）精密加工与超精密加工的发展（图7-17）31图7-17 精密加工与超精密加工的发展（Taniguchi，1983）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

13、,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扫描电镜电子线分析仪加工误差（m）10010110210-210-110-3190019201940196019802000年份32精密与超精密加工技术是一个国家制造业水平重要标志例：美国哈勃望远镜形状精度0.01m；超大规模集成电路最小线宽0.1m，日本金刚石刀具刃口钝圆半径达2nm精密加工与超精密加工技术是先进制造技术基础和关键例：美国陀螺仪球圆度0.1m，粗糙度Ra0.01m，导弹命中精度控制在50m范围内；英

14、国飞机发电机转子叶片加工误差从60m降至12m，发电机压缩效率从89%提高到94%；齿形误差从3-4m减小1m，单位重量齿轮箱扭矩可提高一倍精密加工与超精密加工技术是新技术的生长点精密与超精密加工技术涉及多种基础学科和多种新兴技术，其发展无疑会带动和促进这些相关科学技术的发展q 精密与超精密加工地位33结合加工 分类 加工机理 加工方法示例去除加工电物理加工 电火花加工（电火花成形，电火花线切割）电化学加工 电解加工、蚀刻、化学机械抛光力学加工 切削、磨削、研磨、抛光、超声加工、喷射加工热蒸发（扩散、溶解）电子束加工、激光加工附着加工注入加工化学 化学镀、化学气相沉积电化学 电镀、电铸热熔化

15、真空蒸镀、熔化镀化学 氧化、氮化、活性化学反映电化学 阳极氧化热熔化 掺杂、渗碳、烧结、晶体生长力物理 离子注入、离子束外延连续加工热物理 激光焊接、快速成形化学 化学粘接变形加工热流动 精密锻造、电子束流动加工、激光流动加工粘滞流动 精密铸造、压铸、注塑分子定向 液晶定向表7-4 精密与超精密加工分类34。“进化”加工原则背吃刀量小于晶粒大小，切削在晶粒内进行，与传统切削机理完全不同。微量切削机理特种加工与复合加工方法应用越来越多传统切削与磨削方法存在加工精度极限，超越极限需采用新的方法。q 精密与超精密加工特点35要达到加工要求，需综合考虑工件材料、加工方法、加工设备与工具、测试手段、工作

16、环境等诸多因素，是一项复杂的系统工程，难度较大。形成综合制造工艺广泛采用计算机控制、适应控制、再线检测与误差补偿技术，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精密与超精密加工设备造价高，难成系列。常常针对某一特定产品设计（如加工直径3m射电天文望远镜的超精密车床，加工尺寸小于1mm微型零件的激光加工设备）。与高新技术产品紧密结合加工与检测一体化精密检测是精密与超精密加工的必要条件，并常常成为精密与超精密加工的关键。36波及工件内层，可获得高精度和好表面质量照像机塑料镜片、树脂隐形眼镜镜片等应用机理、特点37加工设备关键技术图7-18 Moore金刚石车床回转工作台工件刀具主轴传动

17、带主轴电机空气垫刀具夹持器38车床主轴装在横向滑台（X轴）上，刀架装在纵向滑台（Z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，生产成本较低，已成为当前金刚石车床的主流布局。图7-19 T形布局的金刚石车床X轴滑台主轴刀架光路护罩基座z轴滑台周缘护板T形布局（图7-19）39金刚石车床主要性能指标（表7-5）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/mm最高转速 r/mm最大进给速度mm/min重复精度(2)/m主轴径向圆跳动/

18、m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（80mm）的刚度/（N/m）纵横滑台的静压支承刚度/（N/m）表7-5 金刚石车床主要性能指标主轴轴向圆跳动/m横滑台对主轴的垂直度/m40金刚石刀具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）晶面图7-20 八面体的晶轴和镜晶面41金刚石晶体的（111）晶面面网密度最大，耐磨性最好。（100）与（110）面网的面间距分布均匀；（111）面网的面间距一宽一窄（图7-21）图7-21（111）面网C原子分布和解理劈开面劈开面

19、在距离大的（111）面之间，只需击破一个共价键就可以劈开，而在距离小的（111）面之间，则需击破三个共价键才能劈开。在两个相邻的加强（111）面之间劈开，可得到很平的劈开面，称之为“解理”。42单晶金刚石456.46.412AA66A-A35RR=1.6 4.86.46.45B16B-B110120RR=0.51.2B000000000图7-22 金刚石刀具角度43金刚石车床加工4.5mm陶瓷球图7-23 金刚石车床及其加工照片44砂轮材料：金刚石，立方氮化硼（CBN）特点：砂轮修整：45进给图7-24 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ELID（Electroly

20、tic In-Process Dressing）46塑性（延性）磨削 47接触轮硬磁盘装在主轴真空吸盘上图7-25 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砂带磨削4849几种常见砂带磨削方式（图7-27）图7-27 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）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50砂带磨削特点1）砂带与工件柔性

21、接触，磨粒载荷小，且均匀，工件受力、热作用小，加工质量好（Ra 值可达 0.02m）。3）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“高效磨削”之称。4）制作简单，价格低廉，使用方便。5）可用于内外表面及成形表面加工。磨粒规格涂层粘接剂基带图7-28 静电植砂砂带结构2）静电植砂，磨粒有方向性，尖端向上（图7-28），摩擦生热小，磨屑不易堵塞砂轮，磨削性能好。51工件小间隙加压抛光轮悬浮液微粉(磨粒)图7-29 弹性发射加工原理抛光轮与工件表面形成小间隙，中间置抛光液，靠抛光轮高速回转造成磨料的“弹性发射”进行加工。游离磨料加工52抛光工具图7-30 液体动力抛光小间隙工件工

22、具运动方向抛光液磨粒抛光工具活性抛光液图7-31 机械化学抛光小间隙工件工具运动方向加压53q 激光测量54受射透镜平行光管透镜边缘传感闸门电路计数器显示图震荡器伺服系统扫描镜工件测定区光检测器激光发生器采用平行光管透镜将激光准确地调整到多角形旋转扫描镜上聚焦。通过激光扫描被测工件两端，根据扫描镜旋转角、扫描镜旋转速度，透镜焦距等数据计算出被测工件的尺寸。图7-32 激光扫描尺寸计量系统激光高速扫描尺寸计量系统（图7-32）55双频激光测量（图7-33）固定反射棱镜图7-33 双频激光测量系统原理图干涉测量仪f2+f2f1氦氖激光器轴向强磁场NS1/4波片分光镜透镜组f1 f2f1 f2移动反

23、射棱镜f2f2+f2偏振分光镜f1f1ff+f2由于移动反射棱镜随被测件移动，频率f2变成 f2f2。两路反射回来的光经偏振分光镜汇合一起，再经反射镜和干涉测量仪获得拍频信号，其频率为：f1（f2 f2）=f+f2 经分光镜，折射一小部分，经干涉测量仪获得拍频f（=f1 f2）的参考信号。大部分激光到偏振分光镜：垂直线偏振光f1被反射，再经固定反射棱镜反射回来；水平线偏振光 f2全部透射，再经移动反射棱镜反射回来。该信号与参考信号比较，获得f2 的具有长度单位当量的电信号。由于使用频率差f 进行测量，使其不受环境变化影响，可获得高的测量精度和测量稳定性。氦氖激光器发出的激光，在轴向强磁场作用下

24、，产生频率 f1和f2旋向相反的圆偏振光，经1/4波片形成频率f1的垂直线偏振光和频率f2的水平线偏振光。经透镜组成平行光束。56图7-34 双频激光测量系统57要求：1 0.01 实现方法：大、小恒温间+局部恒温（恒温罩，恒温油喷淋）要求：相对湿度35%45%，波动10%1%实现方法：采用空气调节系统 要求：10000100级（100级系指每立方英尺空气中所含大于0.5m尘埃个数不超过100）实现方法：采用空气过滤器，送入洁净空气要求：消除内部、隔绝外部振动干扰 实现方法：隔振地基，隔振垫层，空气弹簧隔振器 q 精密与超精密加工环境5859热流动加工（火焰，高频，热射线，激光）压铸，挤压，喷

25、射，浇注微离子流动加工热表面流动粘滞性流动摩擦流动变形加工(流动加工)化学镀，气相镀（电镀，电铸）氧化，氮化（阳极氧化）（真空）蒸镀，晶体增长，分子束外延烧结，掺杂，渗碳，（侵镀，熔化镀）溅射沉积，离子沉积（离子镀）离子溅射注入加工化学(电化学)附着化学(电化学)结合热附着扩散(熔化)结合物理结合注入结合加工(附着加工)车削，铣削，钻削，磨削蚀刻，化学抛光，机械化学抛光电解加工，电解抛光电子束加工，激光加工，热射线加工扩散去除加工，熔化去除加工离子束溅射去除加工，等离子体加工机械去除化学分解电解蒸发扩散与熔化溅射分离加工(去除加工)加工方法加工机理表7-6 微细与超微细加工机理与加工方法60主

26、要采用铣、钻和车三种形式，可加工平面、内腔、孔和外圆表面。刀具：多用单晶金刚石 车 刀、铣 刀（图 7-35）。铣刀的回转半径（可小到5m）靠刀尖相对于回转轴线的偏移来得到。当刀具回转时，刀具的切削刃形成一个圆锥形的切削面。图7-35 单晶金刚石铣刀刀头形状61微细机械加工设备FANUC ROBO nano Ui 型微型超精密加工机床（图7-36）62BX导轨B轴回转工作台空气涡轮主轴刀具C轴回转工作台工件Z导轨空气油减振器C C图7-36 FANUC 微型超精密加工机床63直接线性驱动（直线电机驱动）64图7-37 电磁驱动装置（直线电机）工作原理逆压电元件电磁铁1电磁铁2逆压电元件电磁铁1

27、电磁铁2电磁铁2去掉励磁，松开逆压电元件电磁铁1电磁铁2逆压电元件加励磁电压，伸长逆压电元件电磁铁1电磁铁2电磁铁2加励磁，夹紧电磁铁1去掉励磁，松开逆压电元件电磁铁1电磁铁2逆压电元件去掉励磁电压，恢复原长，电磁铁1移动 逆压电元件电磁铁1电磁铁2电磁铁加励磁，夹紧65图7-38 直线电机驱动定位平台(YOKOGAWA公司）66表7-7 直线驱动与伺服电机驱动比较 性 能 伺服电机滚珠丝杠 直线驱动 定位精度(m/300mm)510 0.51.0 重复定位精度(m)25 0.10.2 最高速度(m/min)2050 60200 最大加速度(g)12 210 寿命(h)600010000 50

28、00067电极线沿着导丝器中的槽以510mm/min的低速滑动，可加工圆柱形的轴（图7-39）。如导丝器通过数字控制作相应的运动，还可加工出各种形状的杆件（图7-40）。线放电磨削法（WEDG）图7-40 WEDG 可加工的各种截形杆图7-39 WEDG工作原理工件金属丝导丝器68离子束4.刻蚀（形成沟槽）5.沉积（形成电路）6.剥膜（去除光致抗蚀剂）3.显影、烘片（形成窗口）窗口2.曝光（投影或扫描）掩膜电子束图7-41 电子束光刻大规模集成电路加工过程光刻加工（电子束光刻大规模集成电路）1.涂胶（光致抗蚀剂）氧化膜光致抗蚀剂基片69要求：定位精度 0.1m，重复定位精度 0.01m导轨：硬

29、质合金滚动体导轨，或液（气）静压导轨工作台：粗动 伺服电机+滚珠丝杠 微动 压电晶体电致伸缩机构图7-42 电致伸缩微动工作台XY0Py1Py2Px微动工作台工作台微动的形成：X运动：Py1 Py2 Px长度变化Y运动：Py1 Py2 Py1长度变化Z转动：Py1 Py2 加工设备（电子束光刻大规模集成电路）70利用氩（Ar）离子或其它带有 10keV 数量级动能的惰性气体离子，在电场中加速，以极高速度“轰击”工件表面，进行“溅射”加工。图7-43 离子碰撞过程模型被排斥Ar离子回弹溅射原子位移原子格点间停留离子一次溅射原子Ar离子二次溅射原子Ar离子格点置换离子位移原子工件表面工件真空71将

30、被加速的离子聚焦成细束，射到被加工表面上。被加工表面受“轰击”后，打出原子或分子，实现分子级去除加工。离子束溅射去除加工四种工作方式惰性气体入口阴极中间电极电磁线圈阳极控制电极绝缘子引出电极离子束聚焦装置摆动装置工件三坐标工作台图7-44 离子束去除加工装置加工装置见图2-26。三坐标工作台可实现三坐标直线运动，摆动装置可实现绕水平轴的摆动和绕垂直轴的转动。72离子束溅射去除加工可用于非球面透镜成形（需要5坐标运动），金刚石刀具和冲头的刃磨（图7-45），大规模集成电路芯片刻蚀等。图7-45 离子束加工金刚石制品离子束离子束r=0.01m预加工终加工a)金刚石压头r=0.01m离子束离子束预加

31、工终加工b)金刚石刀具离子束溅射去除加工可加工金属和非金属材料。73离子束溅射镀膜加工用加速的离子从靶材上打出原子或分子，并将这些原子或分子附着到工件上，形成“镀膜”。又被称为“干式镀”（图7-46）离子束源靶溅射材料溅射粒子工件真空图7-46 离子束溅射镀膜加工离子镀氮化钛，即美观，又耐磨。应用在刀具上可提高寿命1-2倍。溅射镀膜可镀金属，也可镀非金属。由于溅射出来的原子和分子有相当大的动能，故镀膜附着力极强（与蒸镀、电镀相比）。74用高能离子（数十万KeV）轰击工件表面，离子打入工件表层，其电荷被中和，并留在工件中（置换原子或填隙原子），从而改变工件材料和性质。可用于半导体掺杂（在单晶硅内

32、注入磷或硼等杂质，用于晶体管、集成电路、太阳能电池制作），金属材料改性（提高刀具刃口硬度）等方面。离子束溅射注入加工离子束曝光用在大规模集成电路制作中，与电子束相比有更高的灵敏度和分辨率。75通常指纳米级（0.1nm100nm）的材料、设计、制造、测量和控制技术。纳米技术涉及机械、电子、材料、物理、化学、生物、医学等多个领域。在达到纳米层次后，决非几何上的“相似缩小”，而出现一系列新现象和规律。量子效应、波动特性、微观涨落等不可忽略，甚至成为主导因素。纳米技术研究的主要内容76q 扫描隧道显微测量（STM）A77STM图7-48 STM工作过程演示图7-47 STM实物照片 78通过扫描隧道显

33、微镜操纵氙原子用35个原子排出的“IBM”字样 石墨三维图像 图7-49 用STM移动分子组成的IBM字样图7-50 用STM观察石墨原子排列7924212220 kbaeUdkhej式中 h 普郎克常数；e 电子电量；ka，k0 系数。12d试件STM探针Ub图7-51 STM隧道结80两种测量模式（2）恒电流测量模式（图7-52b）：探针在试件表面扫描，使用反馈电路驱动探针，使探针与试件表面之间距离（隧道间隙）不变。此时探针移动直接描绘了试件表面形貌。此种测量模式隧道电流对隧道间隙的敏感性转移到反馈电路驱动电压与位移之间的关系上，避免了非线性，提高了测量精度和测量范围。b）试件输出运动轨迹

34、驱动电路扫描器检测电路控制器图7-52 STM工作原理扫描器检测电路a）输出试件运动轨迹（1）等高测量模式（图7-52a）：探针以不变高度在试件表面扫描，隧道电流随试件表面起伏而变化，从而得到试件表面形貌信息。81关键技术：（1）STM探针金属丝经化学腐蚀，在腐蚀断裂瞬间切断电流，获得尖峰，曲率半径为10nm左右。图7-53 STM针尖82（2）隧道电流反馈控制（图7-54）计算机差分比较积分放大比例放大高压放大A/DXYZ控制信号设定电压前置放大对数放大（线性化）探针压电陶瓷试件图7-54 隧道电流反馈控制系统原理框图D/A83（3）纳米级扫描运动压电陶瓷扫描管（图7-55）（4）信号采集与

35、数据处理由软件完成。XZ陶瓷管金属膜+UX-UX-UY+UYUZa）LL0b）图7-55 压电陶瓷扫描管结构及工作原理当陶瓷管内壁接地，X轴两外壁电极电压相反时，陶瓷管一侧伸长，另一侧缩短，形成 X 方 向 扫 描(图 7-55b)。若两外壁电极电压相同，则陶瓷管伸长或缩短，形成Z方向位移。压电陶瓷扫描管结构见图7-55 a，其工作原理见图7-55b。84原子力显微镜（AFM）A接触式非接触式85AFM探针被微力弹簧片压向试件表面，原子排斥力将探针微微抬起。达到力平衡。AFM探针扫描时，因微力簧片压力基本不变，探针随被测表面起伏。STM驱动AFM扫描驱动AFM探针STM探针试件微力簧片图7-5

36、6 AFM结构简图在簧片上方安装STM探针，STM探针与簧片间产生隧道电流，若控制电流不变，则STM探针与AFM探针（微力簧片）同步位移，于是可测出试件表面微观形貌。86图7-57 AFM实物照片扫描探针磁盘图像87 1）以同步加速器放射的短波长（1nm）X射线作为曝光光源，在厚度达0.5mm的光致抗蚀剂上生成曝光图形的三维实体；2）用曝光蚀刻图形实体作电铸模具，生成铸型；3）以生成的铸型作为模具，加工出所需微型零件。X射线曝光腐蚀溶解抗蚀剂电铸铸型注射成形零件图7-58 LIGA制作零件过程 LIGA由深层同步X射线光刻、电铸成形、塑注成形组合而成。包括三个主要工序（图7-58）：88图7-

37、59 LIGA工作现场89 50 m 图7-60 X射线刻蚀的三维实体LIGA特点LIGA代表产品及应用909192q 非传统加工方法特点93机械过程q 非传统加工方法分类按加工机理和采用的能源划分）热学过程电化学过程化学过程94复合过程工件（陶瓷滚柱）磁性材料磁极振动运动图7-61 磁力抛光示意图NS95q 发展趋势图7-62 EI 收录文章数比较70年代80年代90年代20841104232142244424214441321252353316激光加工 电火花加工 超声加工 电化学加工图7-62反映了学术界和工程界对几种非传统加工方法的关注程度。96q 工作原理：利用工具电极与工件电极之间

38、脉冲性火花放电，产生瞬时高温，工件材料被熔化和气化。同时，该处绝缘液体也被局部加热，急速气化，体积发生膨胀，随之产生很高的压力。在这种高压作用下，已经熔化、气化的材料就从工件的表面迅速被除去（图7-63）。4个阶段：1）介质电离、击穿，形成放电通道；2）火花放电产生熔化、气化、热膨胀；3）抛出蚀除物；4）间隙介质消电离（恢复绝缘状态）。图7-63 电火花加工原理图进给系统放电间隙工具电极工件电极直流脉冲电源工作液Real97图7-64 电火花加工机床98q 工作要素99q 电火花加工类型图7-65 电火花线切割原理图XY储丝筒导轮电极丝工件RealRealReal100电火花线切割机床图7-6

39、6 电火花线切割加工加工过程显示101q 电火花加工特点q 电火花加工应用102工作原理：工件接阳极，工具（铜或不锈钢）接阴极，两极间加直流电压624V，极间保持0.11mm间隙。在间隙处通以 660m/S高速流动电解液，形成极间导电通路，工件表面材料不断溶解，溶解物及时被电解液冲走。工具阴极不断进给，保持极间间隙。图7-67 电解加工原理图电解液直流电源泵工件阳极阴极进给工具阴极103q 电解加工特点q 电解加工应用104 导电磨轮电解液电刷工作台工件绝缘板导电基体磨料阳极膜q 电解磨削（图7-68）105图7-69 电子束加工原理图控制栅极加速阳极电子束斑点旁热阴极聚焦系统工件工作台工作原

40、理（图7-69）106q 特点及应用107q 工作原理（图7-70）电源Real108混合气体：氦约80%，氮约15%，CO2 约5%通过高压直流放电进行激励波长10.6m，为不可见光能量效率5%15%反射凹镜反射平镜电极放电管CO2气体冷却水进口冷却水出口激光高压直流电源图7-71 CO2激光器示意图q 激光器109q 激光加工特点110q 激光加工应用图7-72 焦点位置对孔形状影响Real111RealReal112图7-74 激光焊接车身图7-73 激光切割113q 工作原理（图7-75）变幅杆超声波发生器图7-75 超声波加工原理图振动方向工具换能器工作液喷嘴工件Real114图7-

41、76 超声波加工机床图7-77 超声波加工样件115q 超声波加工特点及应用116q 工作原理：q 加工装置（图7-78）q 喷嘴材料及工作条件（表7-11）项目 材料 孔径/mm 至工件距离/mm 喷射角度/参数金刚石，蓝宝石，淬火钢0.0750.42.550030表7-11 喷嘴材料及工作条件图7-78 水喷射加工装置示意图喷嘴阀控制器蓄能器供水器过滤器泵增压器液压装置排水器工件射流d利用超高压水（或水与磨料的混合液）对 工 件 进 行 切 割（或打孔），又称高 压 水 切 割，或“水刀”。117q 工艺参数（表7-12，表7-13）表7-12 水喷射加工常用工艺参数 工艺参数 常用值 工

42、艺参数 常用值 压力/MPa 70450 喷射力/N 45135 流速/m/s 300900 功率/kW 1040 流量/L/s 2.5 7.5 磨料耗量/kg/min 0.10.3工艺参数、效率、精度 石材 玻璃 ABS塑料 皮革 工件厚度/mm 25 12 2.8 4.45 喷嘴孔径/mm 0.3 0.3 0.1 0.1 流体压力/MPa 400 400 258 300 切割速度/m/min 0.1 0.1 0.85 0.55 切缝宽度/mm 0.5 0.5 0.2 0.2 切割精度/mm 0.05 0.05 表面粗糙度/m Ra12.5 Ra12.5 表7-13 几种材料高压水切割参数1

43、18119AMT首先由美国于20世纪80年代末提出长期以来，美国政府只对基础研究、卫生健康、国防技术等给予经费支持，而对产业技术不予支持，主张产业技术通过市场竞争，由企业自主发展20世纪70年代，一批美国学者不断鼓吹美国已进入“后工业化社会”，认为制造业是“夕阳工业”，主张经济重心由制造业转向高科技产业和第三产业结果：导致美国在经济上竞争力下降，贸易逆差巨增，日本家电、汽车大量涌入并占领了美国市场。（20世纪60年代美国汽车产量占世界汽车总产量的2/3，而到了80年代下降到不足1/3）120 20世纪80年代,美国政府开始认识到问题的严重性白宫一份报告称“美国经济衰退已威胁到国家安全”MIT

44、的一份报告写到“经济竞争归根结底是制造技术和制造能力的竞争”，“一个国家要生活好，必须生产好”，表明美国知识界与政府之间取得了共识1988年,美国政府投资进行大规模“21世纪制造企业战略”研究,并于其后不久提出了“先进制造技术”发展目标，制定并实施了“先进制造技术计划（ATP）”和“制造技术中心计划（MTC）”1991年，白宫科学技术政策办公室发表“美国国家关键技术”报告，重新确立了制造业的地位121 “制造业仍是美国的经济基础，美国曾多年是制造业的世界领袖，不受挑战。但近十年我们的实力每况愈下，美国公司仍擅于作出新的突破，如IBM的高温超导发现，但往往不能很好地贯彻到底，即把技术既迅速又便宜

45、地转化为新产品和新工艺。美国企业和政府对制造技术投资不足，与其它外国竞争者相比，美国公司在整个研究开发计划中忽视了与工艺有关的研究开发。我们也忽视了现有技术和诀窍的传播，现在已有的新的制造技术和方法，只有少数美国公司开始采用，大部分公司仍是慢吞吞的。这个问题在雇有800万工人的35万家小型制造商中最为尖锐，他们往往缺乏取得这些技术的资源和能力”1993年，克林顿在硅谷发表题为“促进美国经济增长的技术 增强经济实力的新方向”的演说，对制造业给予了实质性强有力的支持。122 123 又称“合作伙伴计划”，由美国国家标准与技术研究院（NIST）牵头目标：面向 35 万家中小企业(他们不像大企业有自己

46、的开发能力，且资金不足)，在技术拥有者（通常为政府的研究机构、国家实验室、大学）与需要这些技术的中小企业之间建立合作的桥梁，使中小企业掌握先进制造技术，或使他们具有识别、选择适用于自己企业的先进制造技术的能力方法：一个地区设立一个中心（至 95 年已建立了 30 个中心），为中小企业展示新的制造技术和设备，并进行培训，帮助他们选用经费：国会拨款124 125 爱国者导弹爱国者导弹126 至今尚无明确的和一致公认的定义，通过对其特征的分析和多年的实践，可以认为：AMT是制造业不断吸收信息技术和现代管理技术的成果，将其综合应用于产品设计、加工、检测、管理、销售、使用、服务乃至回收的制造全过程，以实

47、现优质、高效、低耗、清洁、灵活生产，提高对动态多变市场的适应能力和竞争力的制造技术的总称。要点：127 美国联邦政府科学、工程和技术协调委员会（FCCSET）于1994年提出AMT的分类目录，指出“AMT 是制造技是制造技术和现代高技术结合而产生的一个完整的技术群术和现代高技术结合而产生的一个完整的技术群”。其结构体系见图7-79。面向制造的设计技术群（产品和工艺设计技术群）制造工艺技术群（加工和装配技术群）图7-79 AMT结构体系128 产品、工艺过程和工厂设计，包括：计算机辅助设计（CAD）适于加工和装配的设计（DFM，DFA）工艺过程建模和仿真 计算机辅助工艺过程设计（CAPP）工作环

48、境设计 符合环保的设计 快速原型制造技术（快速原形法）并行工程 其它主体技术群之一：面向制造的设计技术群 129 主体技术群之二：制造工艺技术群 材料生产工艺 加工工艺，包括：切削加工 材料热处理 表面涂层与改性 复合材料工艺 铸、锻、压力加工、模塑成形 电子工艺（光刻/沉积、离子注入等微细加工）连接与装配 测试与检验 环保技术 维修技术 其它130 信息技术 接口和通信 数据库技术 软件工程 决策支持系统 集成框架 人工智能、专家系统、神经网络 标准和框架 数据标准 产品定义标准 接口框架 工艺标准、检验标准 机床和工具技术 传感与控制技术 其它支撑技术群 指支持设计和制造工艺两方面取得进步

49、的基础性核心技术，包括：131 制造技基础设施（Infrastruction）使先进制造技术适用于具体企业应用环境，充分发挥其功能，取得最佳效益的一系列措施，是先进制造技术生长的机制和土壤。其内容主要包括：质量管理 用户/供应商交换作用 工作人员培训和教育 技术获取和利用 全局监督与基准评测 其它 132AMST提出的AMT轮图 TQCSE基础制造技术CADCAMNC技术ROBOTFMC清洁生产技术质量与可靠性CE系统管理技术MRPCIMSIMSAM集成技术新型产业及市场需求带动（重大装备、高新技术产业、社会协调发展）系统工程及管理科学信息技术图7-80 AMST提出的先进制造技术体系图 新材

50、料技术新能源技术第二个层次是新型的制造单元技术。如制造业自动化单元技术、极限加工技术、质量与可靠性技术、系统管理技术、CADCAM、清洁生产技术、新材料成形加工技术、激光与高密度能源加工技术、工艺模拟及工艺设计优化技术等。第一个层次是优质、高效、低耗、清洁基础制造技术。包括精密下料、精密塑性成形、精密铸造、精密加工、精密测量、毛坯强韧化、精密热处理、优质高效连接技术、功能性防护涂层及各种与设计有关的基础技术、各种现代管理技术。第三个层次是先进制造集成技术。这是应用信息技术和系统管理技术，通过网络与数据库对上述两个层次的技术集成而形成的，如FMS、CIMS、IMS以及虚拟制造技术等。133 AM