第8章先進(jìn)制造技術(shù)

1、第八章 先進(jìn)制造技術(shù)案例導(dǎo)入隨著制造業(yè)中對產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和加工精度要求的不斷提高，推動了與以往加工方式不同的先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，例如目前正迅速發(fā)展的三維打印技術(shù)（即快速成型技術(shù)），它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。它以往常在模具制造、工業(yè)設(shè)計等領(lǐng)域被用于制造模型，現(xiàn)正逐漸用于一些產(chǎn)品的直接制造。特別是一些高價值應(yīng)用領(lǐng)域（比如髖關(guān)節(jié)或牙齒，或一些飛機(jī)零部件）已經(jīng)有使用這種技術(shù)打印而成的零部件。本章中將主要介紹精密與超精密加工技術(shù)、快速成型制造技術(shù)和微細(xì)加工技術(shù)等內(nèi)容。8.1精密與超精密加工技術(shù)8.1.1概述當(dāng)前精密和超精密加工精度

2、從微米到亞微米，乃至納米，在汽車、家電、IT電子信息高技術(shù)領(lǐng)域和軍用、民用工業(yè)有廣泛應(yīng)用。同時，精密和超精密加工技術(shù)的發(fā)展也促進(jìn)了機(jī)械、模具、液壓、電子、半導(dǎo)體、光學(xué)、傳感器和測量技術(shù)及金屬加工工業(yè)的發(fā)展。通常，按加工精度劃分，精密機(jī)械加工可分為精加工、精密加工、超精密加工三個階段。精加工是完成各主要表面的最終加工，使零件的加工精度和加工表面質(zhì)量達(dá)到圖樣規(guī)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質(zhì)量達(dá)到較高程度的加工方法。精度在10.1m左右Ra0.10.02m。超精密加工是指在機(jī)械加工領(lǐng)域中，某一個歷史時期所能達(dá)到的最高加工精度的各種精密加工方法的總稱。精度

3、0.10.01m左右，Ra0.010.005m。但這個界限是隨著加工技術(shù)的進(jìn)步不斷變化的，今天的精密加工可能就是明天的精加工。 精密加工所要解決的問題，一是加工精度，包括形位公差、尺寸精度及表面狀況；二是加工效率，有些加工可以取得較好的加工精度，卻難以取得高的加工效率。8.1.2精密及超精密加工的分類1.傳統(tǒng)精密加工方法傳統(tǒng)的精密加工方法有砂帶磨削、精密切削、珩磨、精密研磨與拋光等。（1）砂帶磨削是用粘有磨料的混紡布為磨具對工件進(jìn)行加工，屬于涂附磨具磨削加工的范疇，有生產(chǎn)率高、表面質(zhì)量好、使用范圍廣等特點。（2）精密切削，也稱金剛石刀具切削(SPDT)，用高精密的機(jī)床和單晶金剛石刀具進(jìn)行切削加

4、工，主要用于銅、鋁等不宜磨削加工的軟金屬的精密加工，如計算機(jī)用的磁鼓、磁盤及大功率激光用的金屬反光鏡等，比一般切削加工精度要高12個等級。 （3）珩磨是用油石砂條組成的珩磨頭，在一定壓力下沿工件表面往復(fù)運動，加工后的表面粗糙度可達(dá)Ra0.40.1µm，最好可到Ra0.025µm，主要用來加工鑄鐵及鋼，不宜用來加工硬度小、韌性好的有色金屬。（4）精密研磨與拋光通過介于工件和工具間的磨料及加工液，工件及研具作相互機(jī)械摩擦，使工件達(dá)到所要求的尺寸與精度的加工方法。精密研磨與拋光對于金屬和非金屬工件都可以達(dá)到其他加工方法所不能達(dá)到的精度和表面粗糙度，被研磨表面的粗糙度Ra

5、0.025µm加工變質(zhì)層很小，表面質(zhì)量高，精密研磨的設(shè)備簡單，主要用于平面、圓柱面、齒輪齒面及有密封要求的配偶件的加工，也可用于量規(guī)、量塊、噴油嘴、閥體與閥芯的光整加工。（5）拋光是利用機(jī)械、化學(xué)、電化學(xué)的方法對工件表面進(jìn)行的一種微細(xì)加工，主要用來降低工件表面粗糙度，常用的方法有：手工或機(jī)械拋光、超聲波拋光、化學(xué)拋光、電化學(xué)拋光及電化學(xué)機(jī)械復(fù)合加工等。手工或機(jī)械拋光加工后工件表面粗糙度Ra0.05µm，可用于平面、柱面、曲面及模具型腔的拋光加工。超聲波拋光加工精度0.010.02µm，表面粗糙度Ra0.1µm?；瘜W(xué)拋光加工的表面粗糙度一般為Ra0.2&#

6、181;m。電化學(xué)拋光可提高到Ra0.10.08µm。 2.現(xiàn)代精密加工現(xiàn)代精密加工包括微細(xì)加工和超微細(xì)加工、光整加工等加工技術(shù)。（1）微細(xì)加工技術(shù)是指制造微小尺寸零件的加工技術(shù)；（2）超微細(xì)加工技術(shù)是指制造超微小尺寸零件的加工技術(shù)，它們是針對集成電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絕對值來表示，而不是用所加工尺寸與尺寸誤差的比值來表示.（3）光整加工一般是指降低表面粗糙度和提高表面層力學(xué)機(jī)械性質(zhì)的加工方法，不著重于提高加工精度，其典型加工方法有珩磨、研磨、超精加工及無屑加工等。實際上，這些加工方法不僅能提高表面質(zhì)量，而且可以提高加工精度。精整加工是近

7、年來提出的一個新的名詞術(shù)語，它與光整加工是對應(yīng)的，是指既要降低表面粗糙度和提高表面層力學(xué)機(jī)械性質(zhì)，又要提高加工精度(包括尺寸、形狀、位置精度)的加工方法。 3.超精密加工超精密加工主要包括三個領(lǐng)域：超精密切削加工，如金剛石刀具的超精密切削，可加工各種鏡面。它已成功地解決了用于激光核聚變系統(tǒng)和天體望遠(yuǎn)鏡的大型拋物面鏡的加工；超精密磨削和研磨加工，如高密度硬磁盤的涂層表面加工和大規(guī)模集成電路基片的加工；超精密特種加工，如大規(guī)模集成電路芯片上的圖形是用電子束、離子束刻蝕的方法加工，線寬可達(dá)0.1µm。如用掃描隧道電子顯微鏡(STM)加工，線寬可達(dá)25nm。（1）超精密切削 超精密切削以SP

8、DT技術(shù)開始，該技術(shù)以空氣軸承主軸、氣動滑板、高剛性、高精度工具、反饋控制和環(huán)境溫度控制為支撐，可獲得納米級表面粗糙度。多采用金剛石刀具銑削，廣泛用于銅的平面和非球面光學(xué)元件、有機(jī)玻璃、塑料制品(如照相機(jī)的塑料鏡片、隱形眼鏡鏡片等)、陶瓷及復(fù)合材料的加工等。未來的發(fā)展趨勢是利用鍍膜技術(shù)來改善金剛石刀具在加工硬化鋼材時的磨耗。此外，MEMS組件等微小零件的加工需要微小刀具，目前微小刀具的尺寸約可達(dá)50100m，但如果加工幾何特征在亞微米甚至納米級，刀具直徑必須再縮小，其發(fā)展趨勢是利用納米材料如納米碳管來制作超小刀徑的車刀或銑刀。 （2）超精密磨削 超精密磨削是在一般精密磨削基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種鏡

9、面磨削方法,其關(guān)鍵技術(shù)是金剛石砂輪的修整，使磨粒具有微刃性和等高性。超精密磨削的加工對象主要是脆硬的金屬材料、半導(dǎo)體材料、陶瓷、玻璃等。磨削后,被加工表面留下大量極微細(xì)的磨削痕跡,殘留高度極小,加上微刃的滑擠、摩擦、拋光作用,可獲得高精度和低表面粗糙度的加工表面，當(dāng)前超精密磨削能加工出圓度0.01m、尺寸精度0.1m和表面粗糙度為Ra0.005m的圓柱形零件。 （3）超精密研磨 超精密研磨包括機(jī)械研磨、化學(xué)機(jī)械研磨、浮動研磨、彈性發(fā)射加工以及磁力研磨等加工方法。超精密研磨的關(guān)鍵條件是幾乎無振動的研磨運動、精密的溫度控制、潔凈的環(huán)境以及細(xì)小而均勻的研磨劑。超精密研磨加工出的球面度達(dá)0.025m,

10、表面粗糙度Ra達(dá)0.003m。 （4）超精密特種加工 超精密特種加工主要包括激光束加工、電子束加工、離子束加工、微細(xì)電火花加工、精細(xì)電解加工及電解研磨、超聲電解加工、超聲電解研磨、超聲電火花等復(fù)合加工。激光、電子束加工可實現(xiàn)打孔、精密切割、成形切割、刻蝕、光刻曝光、加工激光防偽標(biāo)志；離子束加工可實現(xiàn)原子、分子級的切削加工；利用微細(xì)放電加工可以實現(xiàn)極微細(xì)的金屬材料的去除,可加工微細(xì)軸、孔、窄縫平面及曲面；精細(xì)電解加工可實現(xiàn)納米級精度，且表面不會產(chǎn)生加工應(yīng)力，常用于鏡面拋光、鏡面減薄以及一些需要無應(yīng)力加工的場合。 超精密加工技術(shù)在國際上處于領(lǐng)先地位的國家有美國、英國和日本。這些國家的超精密加工技術(shù)

11、不僅總體成套水平高，而且商品化的程度也非常高。美國50年代未發(fā)展了金剛石刀具的超精密切削技術(shù)，稱為“SPDT技術(shù)”（SinglePointDia-mondTurning）或“微英寸技術(shù)”（1微英寸0.025m），并發(fā)展了相應(yīng)的空氣軸承主軸的超精密機(jī)床，用于加工激光核聚變反射鏡、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈及載人飛船用球面、非球面大型零件等。英國克蘭菲爾德技術(shù)學(xué)院所屬的克蘭菲爾德精密工程研究所（簡稱CUPE）是英國超精密加工技術(shù)水平的獨特代表。如CUPE生產(chǎn)的Nanocentre（納米加工中心）既可進(jìn)行超精密車削，又帶有磨頭，也可進(jìn)行超精密磨削，加工工件的形狀精度可達(dá)0.1m，表面粗糙度Ra<10nm。日本對

12、超精密加工技術(shù)的研究相對于美、英來說起步較晚，但是當(dāng)今世界上超精密加工技術(shù)發(fā)展最快的國家。北京機(jī)床研究所是國內(nèi)進(jìn)行超精密加工技術(shù)研究的主要單位之一，研制出了多種不同類型的超精密機(jī)床、部件和相關(guān)的高精度測試儀器等，如精度達(dá)0.025m的精密軸承、JCS027超精密車床、JCS031超精密銑床、JCS035超精密車床、超精密車床數(shù)控系統(tǒng)、復(fù)印機(jī)感光鼓加工機(jī)床、紅外大功率激光反射鏡、超精密振動位移測微儀等，達(dá)到了國內(nèi)領(lǐng)先、國際先進(jìn)水平。哈爾濱工業(yè)大學(xué)在金剛石超精密切削、金剛石刀具晶體定向和刃磨、金剛石微粉砂輪電解在線修整技術(shù)等方面進(jìn)行了卓有成效的研究。清華大學(xué)在集成電路超精密加工設(shè)備、磁盤加工及檢測

13、設(shè)備、微位移工作臺、超精密砂帶磨削和研拋、金剛石微粉砂輪超精密磨削、非圓截面超精密切削等方面進(jìn)行了深入研究，并有相應(yīng)產(chǎn)品問世。我國超精密加工技術(shù)與美日相比，還有不小差距，特別是在大型光學(xué)和非金屬材料的超精加工方面，在超精加工的效率和自動化技術(shù)方面差距尤為明顯。8.1.3精密及超精密加工的發(fā)展趨勢精密及超精密加工將向高精度、高效率、大型化、微型化、智能化、工藝整合化、在線加工檢測一體化、綠色化等方向發(fā)展。 1.高精度、高效率 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，對精度、效率、質(zhì)量的要求愈來愈高,高精度與高效率成為超精密加工永恒的主題。超精密切削、磨削技術(shù)能有效提高加工效率，CMP、EEM技術(shù)能夠保證加工精度

14、，而半固著磨粒加工方法及電解磁力研磨、磁流變磨料流加工等復(fù)合加工方法由于能兼顧效率與精度的加工方法，成為超精密加工的趨勢。 2.大型化、微型化 由于航天航空等技術(shù)的發(fā)展，大型光電子器件要求大型超精密加工設(shè)備，如美國研制的加工直徑為2.44m的大型光學(xué)器件超精密加工機(jī)床。同時隨著微型機(jī)械電子、光電信息等領(lǐng)域的發(fā)展，超精密加工技術(shù)向微型化發(fā)展，如微型傳感器，微型驅(qū)動元件和動力裝置、微型航空航天器件等都需要微型超精密加工設(shè)備。 3.智能化 以智能化設(shè)備降低加工結(jié)果對人工經(jīng)驗的依賴性一直是制造領(lǐng)域追求的目標(biāo)。加工設(shè)備的智能化程度直接關(guān)系到加工的穩(wěn)定性與加工效率，這一點在超精密加工中體現(xiàn)更為明顯。 4.

15、工藝整合化 當(dāng)今企業(yè)間的競爭趨于白熱化，高生產(chǎn)效率越來越成為企業(yè)賴以生存的條件。在這樣的背景下，出現(xiàn)了“以磨代研”甚至“以磨代拋”的呼聲。另一方面，使用一臺設(shè)備完成多種加工(如車削、鉆削、銑削、磨削、光整)的趨勢越來越明顯。 5.在線加工檢測一體化 由于超精密加工的精度很高，必須發(fā)展在線加工檢測一體化技術(shù)才能保證產(chǎn)品質(zhì)量和提高生產(chǎn)率。同時由于加工設(shè)備本身的精度有時很難滿足要求，采用在線檢測、工況監(jiān)控和誤差補(bǔ)償?shù)姆椒梢蕴岣呔?，保證加工質(zhì)量的要求。 6.綠色化 磨料加工是超精密加工的主要手段，磨料本身的制造、磨料在加工中的消耗、加工中造成的能源及材料的消耗、以及加工中大量使用的加工液等對環(huán)境造

16、成了極大的負(fù)擔(dān)。我國是磨料、磨具產(chǎn)量及消耗的第一大國，大幅提高磨削加工的綠色化程度已成為當(dāng)務(wù)之急發(fā)達(dá)國家以及中國的臺灣地區(qū)均對半導(dǎo)體生產(chǎn)廠家的廢液、廢氣排量及標(biāo)準(zhǔn)實施嚴(yán)格管制，為此，各國研究人員對CMP加工產(chǎn)生的廢液、廢氣回收處理展開了研究。綠色化的超精密加工技術(shù)在降低環(huán)境負(fù)擔(dān)的同時，提高了自身的生命力。8.2快速成型制造技術(shù)8.2.1概述快速成型技術(shù)（Rapid Prototyping，簡稱RP），又稱實體自由成型技術(shù)，快速成型的工藝方法是基于計算機(jī)三維實體造型，在對三維模型進(jìn)行處理后，形成截面輪廓信息，隨后將成型材料按三維模型的截面輪廓信息進(jìn)行掃描，使材料粘結(jié)、固化、燒結(jié)，逐層堆積成為實體

17、原型。它集成了CAD技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、激光技術(shù)和材料技術(shù)等現(xiàn)代科技成果，是先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分。由于它把復(fù)雜的三維制造轉(zhuǎn)化為一系列二維制造的疊加，因而可以在不用模具和工具的條件下生成幾乎任意復(fù)雜的零部件，極大地提高了生產(chǎn)效率和制造柔性。與傳統(tǒng)制造方法不同，快速成型從零件的CAD幾何模型出發(fā)，通過軟件分層離散和數(shù)控成型系統(tǒng)，用激光束或其他方法將材料堆積而形成實體零件。通過與數(shù)控加工、鑄造、金屬冷噴涂、硅膠模等制造手段相結(jié)合，已成為現(xiàn)代模型、模具和零件制造的強(qiáng)有力手段，在航空航天、汽車摩托車、家電等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。快速成型技術(shù)自問世以來，得到了迅速的發(fā)展。由于RP技術(shù)可以使數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)化為物

18、理模型，并能有效地提高新產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量，縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期，提高企業(yè)的市場競爭力，因而受到越來越多領(lǐng)域的關(guān)注，被一些學(xué)者譽(yù)為敏捷制造技術(shù)的使能技術(shù)之一。8.2.2快速成型的基本原理與傳統(tǒng)的機(jī)械切削加工，如車削、銑削等“材料減削”方法不同的是，“快速成型制造技術(shù)”是靠逐層融接增加材料來生成零件的，是一種“材料迭加”的方法，快速成型技術(shù)采用離散/堆積成型原理，根據(jù)三維CAD模型，對于不同的工藝要求，按一定厚度進(jìn)行分層，將三維數(shù)字模型變成厚度很薄的二維平面模型。再將數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的處理，加入加工參數(shù)，在數(shù)控系統(tǒng)控制下以平面加工方式連續(xù)加工出每個薄層，并使之粘結(jié)而成形。實際上就是基于“生長”或“添加”材

19、料原理一層一層地離散疊加，從底至頂完成零件的制作過程。快速成型有很多種工藝方法，但所有的快速成型工藝方法都是一層一層地制造零件，所不同的是每種方法所用的材料不同，制造每一層添加材料的方法不同。該技術(shù)的基本特征是“分層增加材料”，即三維實體由一系列連續(xù)的二維薄切片堆疊融接而成，如圖8-1所示。圖8-1   RP的成形原理8.2.3快速成型的工藝過程（1）三維模型的構(gòu)造：按圖紙或設(shè)計意圖在三維CAD設(shè)計軟件中設(shè)計出該零件的CAD實體文件。一般快速成型支持的文件輸出格式為STL模型，即對實體曲面做近似的所謂面型化處理，是用平面三角形面片近似模型表面。以簡化CAD模型的數(shù)據(jù)格式。便

20、于后續(xù)的分層處理。由于它在數(shù)據(jù)處理上較簡單，而且與CAD系統(tǒng)無關(guān)，所以很快發(fā)展為快速成型制造領(lǐng)域中CAD系統(tǒng)與快速成型機(jī)之間數(shù)據(jù)交換的標(biāo)準(zhǔn)，每個三角面片用四個數(shù)據(jù)項表示。即三個頂點坐標(biāo)和一個法向矢量，整個CAD模型就是這樣一個矢量的集合。在一般的軟件系統(tǒng)中可以通過調(diào)整輸出精度控制參數(shù)，減小曲面近似處理誤差。如Pre/E軟件是通過選定弦高值作為逼近的精度參數(shù)。（2）三維模型的離散處理（切片處理）：在選定了制作(堆積)方向后，通過專用的分層程序?qū)⑷S實體模型(一般為STL模型)進(jìn)行一維離散，即沿制作方向分層切片處理，獲取每一薄層片截面輪廓及實體信息。分層的厚度就是成型時堆積的單層厚度。由于分層破壞

21、了切片方向CAD模型表面的連續(xù)性，不可避免地丟失了模型的一些信息，導(dǎo)致零件尺寸及形狀誤差的產(chǎn)生。所以分層后需要對數(shù)據(jù)作進(jìn)一步的處理，以免斷層的出現(xiàn)。切片層的厚度直接影響零件的表面粗糙度和整個零件的型面精度，每一層面的輪廓信息都是由一系列交點順序連成的折線段構(gòu)成。所以，分層后所得到的模型輪廓已經(jīng)是近似的，層與層之間的輪廓信息已經(jīng)丟失，層厚越大丟失的信息越多，導(dǎo)致在成型過程中產(chǎn)生了型面誤差。（3）成型制作：把分層處理后的數(shù)據(jù)信息傳至設(shè)備控制機(jī)，選用具體的成型工藝，在計算機(jī)的控制下，逐層加工，然后反復(fù)疊加，最終形成三維產(chǎn)品。（4）后處理：根據(jù)具體的工藝，采用適當(dāng)?shù)暮筇幚矸椒ǎ纳茦悠沸阅堋?.2.4

22、快速成型技術(shù)的特點與傳統(tǒng)的切削加工方法相比，快速原型加工具有以下特點：1.自由成型制造自由成型制造也是快速成型技術(shù)的另外一個用語。作為快速成型技術(shù)的特點之一的自由成型制造的含義有兩個方面：一是指無需要使用工模具而制作原型或零件，由此可以大大縮短新產(chǎn)品的試制周期，并節(jié)省工模具費用；二是指不受形狀復(fù)雜程度的限制，能夠制作任何形狀與結(jié)構(gòu)、不同材料復(fù)合的原形或零件。2.制造效率高從CAD數(shù)?；?qū)嶓w反求獲得的數(shù)據(jù)到制成原形，一般僅需要數(shù)小時或十幾小時，速度比傳統(tǒng)成型加工方法快的多。該項目技術(shù)在新產(chǎn)品開發(fā)中改善了設(shè)計過程的人機(jī)交流，縮短了產(chǎn)品設(shè)計與開發(fā)周期。以快速成型機(jī)為母模的快速模具技術(shù)，能夠在幾天內(nèi)制

23、作出所需材料的實際產(chǎn)品，而通過傳統(tǒng)的鋼質(zhì)模具制作產(chǎn)品，至少需要幾個月的時間。該項技術(shù)的應(yīng)用，大大降低了新產(chǎn)品的開發(fā)成本和企業(yè)研制新產(chǎn)品的風(fēng)險。3.由CAD模型直接驅(qū)動無論哪種RP制造工藝，其材料都是通過逐點、逐層以添加的方式累積成型的。無論哪種快速成型制造工藝，也都是通過CAD數(shù)字模型直接或者間接地驅(qū)動快速成型設(shè)備系統(tǒng)進(jìn)行制造的。這種通過材料添加來制造原形的加工方式是快速成型技術(shù)區(qū)別傳統(tǒng)的機(jī)械加工方式的顯著特征。這種由CAD數(shù)字模型直接或者間接地驅(qū)動快速成型設(shè)備系統(tǒng)的原形制作過程也決定了快速成型的制造快速和自由成型的特征。 4.技術(shù)高度集成當(dāng)落后的計算機(jī)輔助工藝規(guī)劃（Computer Aide

24、d Process Planning，CAPP）一直無法實現(xiàn)CAD與CAM一體化的時候，快速成型技術(shù)的出現(xiàn)較好的填補(bǔ)了CAD與CAM之間的縫隙。新材料、激光應(yīng)用技術(shù)、精密伺服驅(qū)動技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)以及數(shù)控技術(shù)等的高度集成，共同支撐了快速成型技術(shù)的實現(xiàn)。5.經(jīng)濟(jì)效益高快速成型技術(shù)制造原型或零件，無須工模具，也與成型或零件的復(fù)雜程度無關(guān)，與傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法相比，其原型或零件本身制作過程的成本顯著降低。此外，由于快速成型在設(shè)計可視化、外觀評估、裝配及功能檢驗以及快速模具母模的功用，能夠顯著縮短產(chǎn)品的開發(fā)試制周期，也帶來了顯著的時間效益。也正是因為快速成型技術(shù)具有突出的經(jīng)濟(jì)效益，才使得該項技術(shù)一經(jīng)出現(xiàn)

25、，便得到了制造業(yè)的高度重視和迅速而廣泛的應(yīng)用。6.精度不如傳統(tǒng)加工數(shù)據(jù)模型分層處理時不可避免的一些數(shù)據(jù)丟失外加分層制造必然產(chǎn)生臺階誤差，堆積成形的相變和凝固過程產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力也會引起翹曲變形，這從根本上決定了RP造型的精度極限。8.2.5典型RP工藝方法簡介1.光固化法(SLA ，Stereolithography Apparatus)光固化法(SLA)是目前最為成熟和廣泛應(yīng)用的一種快速成型制造工藝。光固化成型工藝的成型原理如圖8-2所示。液槽中盛滿液態(tài)光敏樹脂，氦鎘激光器或氬離子激光器發(fā)出的紫外激光束在控制系統(tǒng)的控制下按零件的各分層截面信息在光敏樹脂表面進(jìn)行逐點掃描，使被掃描區(qū)域的樹脂薄層產(chǎn)生

26、光聚合反應(yīng)而固化，形成零件的一個薄層。一層固化完畢后，工作臺下移一個層厚的距離，以使在原先固化好的樹脂表面再敷上一層新的液態(tài)樹脂，刮板將粘度較大的樹脂液面刮平，然后進(jìn)行下一層的掃描加工，新固化的一層牢固地粘結(jié)在前一層上，如此重復(fù)直至整個零件制造完畢，得到一個三維實體原型。圖8-2光固化成型法原理圖SLA工藝的優(yōu)點是精度較高，一般尺寸精度可控制在0.01mm；表面質(zhì)量好；原材料利用率接近100%；能制造形狀特別復(fù)雜、精細(xì)的零件。其設(shè)備市場占有率很高。缺點是需要設(shè)計支撐；可以選擇的材料種類有限；制件容易發(fā)生翹曲變形；材料價格較昂貴等。SLA工藝適合比較復(fù)雜的中小型零件的制作。2.選擇性激光燒結(jié)法(

27、SLS，Selective Laser Sintering) 選擇性激光燒結(jié)法(SLS)是在工作臺上均勻鋪上一層很薄(100m-200m)的非金屬(或金屬)粉末，激光束在計算機(jī)控制下按照零件分層截面輪廓逐點地進(jìn)行掃描、燒結(jié)，使粉末固化成截面形狀。完成一個層面后工作臺下降一個層厚，滾動鋪粉機(jī)構(gòu)在已燒結(jié)的表面再鋪上一層粉末進(jìn)行下一層燒結(jié)。未燒結(jié)的粉末保留在原位置起支撐作用，這個過程重復(fù)進(jìn)行直至完成整個零件的掃描、燒結(jié)，去掉多余的粉末，再進(jìn)行打磨、烘干等處理后便獲得需要的零件。用金屬粉或陶瓷粉進(jìn)行直接燒結(jié)的工藝正在實驗研究階段，它可以直接制造工程材料的零件，成型原理如圖8-3所示。 圖8-3選擇性激

28、光燒結(jié)法原理圖SLS工藝的優(yōu)點是原型件機(jī)械性能好，強(qiáng)度高；無須設(shè)計和構(gòu)建支撐；可選材料種類多且利用率高(100%)。缺點是制件表面粗糙，疏松多孔，需要進(jìn)行后處理；制造成本高。以SLS工藝采用各種不同成分的金屬粉末進(jìn)行燒結(jié)，經(jīng)滲銅等后處理特別適合制作功能測試零件，也可直接制造金屬型腔的模具。采用蠟粉直接燒結(jié)適合于小批量比較復(fù)雜的中小型零件的熔模鑄造生產(chǎn)。3.熔融沉積成型法(FDM，F(xiàn)used Deposition Modeling)熔融沉積又叫熔絲沉積，它是將絲狀材料如熱塑性塑料、蠟或金屬的熔絲從加熱的噴嘴擠出，按照零件每一層的預(yù)定軌跡，以固定的速率進(jìn)行熔體沉積的熱熔性材料加熱熔化，通過帶有一個

29、微細(xì)噴嘴的噴頭擠噴出來。噴頭可沿著X軸方向移動，而工作臺則沿Y軸方向移動。如果熱熔性材料的溫度始終稍高于固化溫度，而成型部分的溫度稍低于固化溫度，就能保證熱熔性材料擠噴出噴嘴后，隨即與前一層面熔結(jié)在一起。一個層面沉積完成后，工作臺按預(yù)定的增量下降一個層的厚度，再繼續(xù)熔噴沉積，直至完成整個實體造型，成型原理如圖8-4所示。FDM工藝的關(guān)鍵是保持半流動成型材料的溫度剛好在熔點之上(比熔點高1左右)。其每一層片的厚度由擠出絲的的直徑?jīng)Q定，通常是0.250.50mm。圖8-4熔融沉積成型法原理圖FDM的優(yōu)點是材料利用率高；材料成本低；可選材料種類多；工藝簡潔。缺點是精度低；復(fù)雜構(gòu)件不易制造；懸臂件需加

30、支撐；表面質(zhì)量差。FDM工藝適合于產(chǎn)品的概念建模及形狀和功能測試，適于制造中等復(fù)雜程度的中小原型，不適合制造大型零件。4.分層實體制造法（LOM， Laminated Object Manufacture）LOM工藝是將單面涂有熱溶膠的紙片通過加熱輥加熱粘接在一起，位于上方的激光切割器按照CAD分層模型所獲數(shù)據(jù)，用激光束將紙切割成所制零件的內(nèi)外輪廓，然后新的一層紙再疊加在上面，通過熱壓裝置和下面已切割層粘合在一起，激光束再次切割，如此反復(fù)逐層切割、粘合、切割直至整個模型制作完成，成型原理如圖8-5所示。圖8-5分層實體制造法原理圖LOM工藝優(yōu)點是無需設(shè)計和構(gòu)建支撐;只需切割輪廓，無需填充掃描;

31、制件的內(nèi)應(yīng)力和翹曲變形小;制造成本低。缺點是材料利用率低，種類有限;表面質(zhì)量差;內(nèi)部廢料不易去除，后處理難度大。該工藝適合于制作大中型、形狀簡單的實體類原型件，特別適用于直接制作砂型鑄造模。5.三維印刷法(3DP，Three Dimensional Printing )三維印刷法是利用噴墨打印頭逐點噴射粘合劑來粘結(jié)粉末材料的方法制造原型。3DP的成型過程與SLS相似，只是將SLS中的激光變成噴墨打印機(jī)噴射結(jié)合劑如圖8-6所示。圖8-6三維印刷法原理圖該技術(shù)制造致密的陶瓷部件具有較大的難度，但在制造多孔的陶瓷部件（如金屬陶瓷復(fù)合材多孔坯體或陶瓷模具等）方面具有較大的優(yōu)越性。幾種典型的快速成型工藝

32、比較如表8-1所示：表8-1幾種典型的快速成型工藝比較光固化成型SLA分層實體制造LOM選擇性激光燒結(jié)SLS熔融沉積成型FDM三維打印技術(shù)3DP優(yōu)點（1）成型速度快，自動化程度高，尺寸精度高；（2）可成形任意復(fù)雜形狀；（3）材料的利用率接近100%；（4）成型件強(qiáng)度高。（1）無需后固化處理；（2）無需支撐結(jié)構(gòu)；（3）原材料價格便宜，成本低。（1）制造工藝簡單，柔性度高；（2）材料選擇范圍廣；（3）材料價格便宜，成本低；（4）材料利用率高，成型速度快。（1）成型材料種類多，成型件強(qiáng)度高；（2）精度高，表面質(zhì)量好，易于裝配；（3）無公害，可在辦公室環(huán)境下進(jìn)行。（1）成型速度快；（2）成型設(shè)備便宜。

33、缺點（1）需要支撐結(jié)構(gòu)；（2）成型過程發(fā)生物理和化學(xué)變化，容易翹曲變形；（3）原材料有污染；（4）需要固化處理，且不便進(jìn)行。（1）不適宜做薄壁原型；（2）表面比較粗糙，成型后需要打磨；（3）易吸濕膨脹；（4）工件強(qiáng)度差，缺少彈性；（5）材料浪費大，清理廢料比較困難。（1）成型件的強(qiáng)度和精度較差；（2）能量消耗高；（3）后處理工藝復(fù)雜，樣件的變形較大。（1）成型時間較長；（2）需要支撐；（3）沿成型軸垂直方向的強(qiáng)度比較弱。（1）一般需要后序固化；（2）精度相對較低。應(yīng)用領(lǐng)域復(fù)雜、高精度、藝術(shù)用途的精細(xì)件實體大件鑄造件設(shè)計塑料件外形和機(jī)構(gòu)設(shè)計應(yīng)用范圍廣泛常用材料熱固性光敏樹脂紙、金屬箔、塑料薄膜等

34、石蠟、塑料、金屬、陶瓷粉末等石蠟、塑料、低熔點金屬等各種材料粉末8.3微細(xì)加工技術(shù)8.3.1概述科學(xué)家設(shè)想把機(jī)電系統(tǒng)像集成電路一樣集成起來，即把驅(qū)動器、傳感器、微處理器以及光學(xué)系統(tǒng)等集成于較小的結(jié)構(gòu)之上，形成微型機(jī)械。微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS)技術(shù)是建立在微米/納米技術(shù)（Micro/nano-technology)基礎(chǔ)上的21世紀(jì)前沿技術(shù)，是指對微米/納米材料進(jìn)行設(shè)計、加工、制造、測量和控制的技術(shù)。微型機(jī)械技術(shù)包括傳感器技術(shù)、微型發(fā)動機(jī)技術(shù)、微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)、納米技術(shù)、微電子技術(shù)、微組裝技術(shù)等。微細(xì)加工技術(shù)是精密加工技術(shù)的一個分支，面向微細(xì)加工的電加工技術(shù)、激光微孔加工、水射流微細(xì)切割技

35、術(shù)等等在發(fā)展國民經(jīng)濟(jì)，振興我國國防事業(yè)等方面都有非常重要的意義，這一領(lǐng)域的發(fā)展對未來的國民經(jīng)濟(jì)、科學(xué)技術(shù)等將產(chǎn)生巨大影響，先進(jìn)國家紛紛將之列為未來關(guān)鍵技術(shù)之一，并擴(kuò)大投資和加強(qiáng)基礎(chǔ)研究與開發(fā)。所以我們有理由有必要加快這一領(lǐng)域的發(fā)展和開發(fā)進(jìn)程。微細(xì)加工技術(shù)應(yīng)滿足下列功能：(1)為達(dá)到很小的單位去除率（UR），需要各軸能實現(xiàn)足夠小的微量移動，對于微細(xì)的機(jī)械加工和電加工工藝，微量移動應(yīng)可小至幾十個納米，電加工的UR最小極限取決于脈沖放電的能量。(2)高靈敏的伺服進(jìn)給系統(tǒng)，它要求低摩擦的傳動系統(tǒng)和導(dǎo)軌支承系統(tǒng)以及高精度跟蹤性能的伺服系統(tǒng)。(3)高平穩(wěn)性的進(jìn)給運動，盡量減少由于制造和裝配誤差引起的各軸的

36、運動誤差。(4)高的定位精度和重復(fù)定位精度。(5)低熱變形結(jié)構(gòu)設(shè)計。(6)刀具的穩(wěn)固夾持和高的重復(fù)夾持精度。(7)高的主軸轉(zhuǎn)速及極低的動不平衡。(8)穩(wěn)固的床身構(gòu)件并隔絕外界的振動干擾。(9)具有刀具破損和微型鉆頭折斷的敏感的監(jiān)控系統(tǒng)。 8.3.2微細(xì)加工的特點微細(xì)加工技術(shù)是指加工微小尺寸零件的生產(chǎn)加工技術(shù)。從廣義的角度來講，微細(xì)加工包括各種傳統(tǒng)精密加工方法和與傳統(tǒng)精密加工方法完全不同的方法，如切削技術(shù)，磨料加工技術(shù)，電火花加工，電解加工，化學(xué)加工，超聲波加工，微波加工，等離子體加工，外延生產(chǎn)，激光加工，電子束加工，粒子束加工，光刻加工，電鑄加工等。從狹義的角度來講，微細(xì)加工主要是指半導(dǎo)體集成

37、電路制造技術(shù)。因為微細(xì)加工和超微細(xì)加工是在半導(dǎo)體集成電路制造技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展的，是大規(guī)模集成電路和計算機(jī)技術(shù)的技術(shù)基礎(chǔ)，是信息時代、微電子時代、光電子時代的關(guān)鍵技術(shù)之一。微小尺寸和一般尺寸加工是不同的，其不同點主要表現(xiàn)在以下幾個方面： 1.精度的表示方法在微小尺寸加工時，由于加工尺寸很小，精度就必須用尺寸的絕對值來表示，即用取出的一塊材料的大小來表示，從而引入加工單位尺寸的概念。 2.微觀機(jī)理以切削加工為例，從工件的角度來講，一般加工和微細(xì)加工的最大區(qū)別是切屑的大小。一般認(rèn)為金屬材料是由微細(xì)的晶粒組成，晶粒直徑為數(shù)微米到數(shù)百微米。一般加工時，吃刀量較大，可以忽略晶粒的大小而將晶粒作為一個連續(xù)體

38、來看待。微細(xì)加工時，切屑極薄，吃刀量可能小于晶粒的大小，切削就在晶粒內(nèi)進(jìn)行，晶粒就被作為一個一個不連續(xù)體來切削。這時，切削不是晶粒之間的破壞，而是切削力一定要大于晶體內(nèi)部原子、分子之間結(jié)合力。因此可見一般加工和微細(xì)加工的機(jī)理是不同的。 3.加工特征微細(xì)加工和超微細(xì)加工以分離或結(jié)合原子、分子為加工對象，以電子束、激光束、粒子束為加工基礎(chǔ)，采用沉積、刻蝕、濺射、蒸鍍等手段進(jìn)行各種處理。8.3.3主要特種微細(xì)加工簡介1.電火花微細(xì)加工電火花微細(xì)加工是特種微細(xì)加工中發(fā)展較為成熟的方法，它非常適合實現(xiàn)微米級結(jié)構(gòu)尺寸的微細(xì)加工，同時易實現(xiàn)自動化。這對微細(xì)加工也是十分有利的。電火花微細(xì)加工一般是指用棒狀電極

39、電火花加工或用線電極電火花磨削(WFDG)微孔、微槽、窄縫、各種微小復(fù)雜形狀及微細(xì)軸類零件。加工尺寸通常在數(shù)十微米以下，甚至可以加工像聚晶金剛石、立方氮化硼一類的超硬材料。 一般來說，電火花微細(xì)加工技術(shù)與常規(guī)電火花成形加工并無本質(zhì)區(qū)別。但要將電火花加工技術(shù)應(yīng)用于微細(xì)加工領(lǐng)域，必須具備3個最基本的條件：(1)使電極能以穩(wěn)定微步距進(jìn)給的高精度伺服系統(tǒng)；(2)能產(chǎn)生極微能量并且可控性好的脈沖電源；(3)具備制造微細(xì)高精度電極的手段及上藝。 20世紀(jì)60年代初，瑞士研制出了世界上第一臺電火花微細(xì)孔專用加工機(jī)床，主要是為了解決當(dāng)時化纖工業(yè)中噴絲板上的微細(xì)孔加工難題。隨著各種現(xiàn)代技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，對微細(xì)加

40、工技術(shù)提出了新的應(yīng)用要求。最近幾年以來，日本東京大學(xué)生產(chǎn)技術(shù)研究所的研究是最有代表性的，其水平也處于國際領(lǐng)先地位。他們研制開發(fā)的電火花線電極磨削法(WEDG)是一種極為有效的微細(xì)電極與零件制造手段。目前，該研究所在原三軸控制WEDG加工系統(tǒng)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研制了四軸數(shù)控的三維成形微細(xì)加工機(jī)床，以實現(xiàn)微細(xì)模具及形狀更復(fù)雜的零件加工與制造。整個系統(tǒng)包括機(jī)床本體、脈沖電源、加T參數(shù)功能控制、質(zhì)量狀態(tài)監(jiān)視及NC等各子系統(tǒng)。加T系統(tǒng)的各坐標(biāo)軸均有一臺專用微處理器作定位控制和軌跡控制運箅，另外配用一臺主計算機(jī)進(jìn)行四軸聯(lián)動控制。 在微細(xì)加工中，微細(xì)孔幾何形狀的檢測一直是難以解決的問題。日本東京大學(xué)生產(chǎn)技術(shù)研究

41、所最近研制廠一種非破壞性的“振動掃描”測量法，可快速、高精度地測量微細(xì)孔內(nèi)部形狀。利用此法他們對直徑200m的微細(xì)孔進(jìn)行了成功的測量。 國外一些發(fā)達(dá)國家在研究、應(yīng)用電火花微細(xì)加工技術(shù)上已達(dá)到了較高的水平。如荷蘭飛利浦制造技術(shù)中心利用電火花微細(xì)加工技術(shù)在厚度為20微米的金屬鉑片上加工直徑小至20m的微細(xì)孔，其扎邊不規(guī)則尺寸小于0.2m，圓度精于0.4m，日本東京大學(xué)生產(chǎn)技術(shù)研究所利用電火花微細(xì)加工技術(shù)加工微細(xì)軸可達(dá)到10m×150m或4.3m×50m，精度為±0.2m，已加工出直徑為0.5mm，厚0.6mm的微細(xì)齒輪。國外已有部分電火花微細(xì)加工機(jī)床商品化。 現(xiàn)代電火

42、花微細(xì)加工的發(fā)展趨勢為大力發(fā)展CNC電火花微細(xì)加工技術(shù)，積極開展適應(yīng)控制和加工過程最佳化技術(shù)的應(yīng)用研究，開發(fā)應(yīng)用行星式電火花微細(xì)加工技術(shù)。 3.2 激光微細(xì)加工 激光是20世紀(jì)60年代初發(fā)展起來的一門新興科學(xué)。它是一種具有亮度高、方向性好和單色性好的相干光，因此在理論上經(jīng)聚焦后能形成直徑為亞微米級的光點，焦點處的功率密度可達(dá)到1081011wcm2，溫度高達(dá)10000以上，可在千分之幾秒內(nèi)急劇熔化和汽化各種材料。激光束具有良好的可檢性，易于進(jìn)行各種復(fù)雜形狀的微細(xì)加工。目前，激光加工已受到相當(dāng)重視，幾乎對所有金屬和非金屬材料如鋼材、耐熱合金、陶瓷、寶石、玻璃、硬質(zhì)合金及復(fù)合材料都可以加工。用于微

43、細(xì)加工的激光器主要有紅寶石激光器、YAG(釔鋁石榴石)激光器、準(zhǔn)分子激光器和氬離子激光器等。激光在微細(xì)加工中的主要應(yīng)用有打孔、焊接、修整、調(diào)整、光刻等。目前，激光微細(xì)加工的尺寸可達(dá)亞微米級。 激光微細(xì)加工中的先進(jìn)設(shè)備是激光微細(xì)加工中心。美國ART公司研制出了一種三坐標(biāo)激光微細(xì)加工中心。該加工中心的視覺系統(tǒng)可提供加工過程的連續(xù)形象，并自動尋找、對準(zhǔn)、測量和修正加工對象，精度在百分之幾微米內(nèi)。它還有一個專門的能束成形鏡片，能產(chǎn)生加工各種特定形狀所需之光束。微細(xì)加工程序由一種簡單的專用語言編制，而不需要復(fù)雜的通用汁算機(jī)語言。該中心適用于加工如氧化鋁、碳化硅等硬脆材料，刻蝕線寬達(dá)0 25m；打孔直徑小

44、于70m，深75m；加工壓電陶瓷圓環(huán)的直徑僅20m，高15m；還可以對兩個微型配合表面的接縫和各種材料的裸芯多芯電纜或光導(dǎo)纖維進(jìn)行微細(xì)焊接。 激光微細(xì)焊接在微型繼電器、航空膜盒、高靈敏熱電偶和微電機(jī)電刷等元器件的密封焊接中發(fā)揮著重要作用。激光點焊具有焊接牢固、焊點成形好和不破壞材料強(qiáng)度及彈性等優(yōu)點。利用TAC激光掩膜修理系統(tǒng)可以修理有缺陷的光掩膜。激光修整現(xiàn)已可達(dá)亞微米級的精度，并有極高的生產(chǎn)率。 利用激光對電阻、電容和混合集成電路元件進(jìn)行微調(diào)整，不但加工點小，可將誤差值調(diào)整到允許的范圍之內(nèi)，而且有高的可靠性和重復(fù)精度，是優(yōu)于其他凋整的方法。 激光微細(xì)加工在航空、航海慣性器件制造中也得到了應(yīng)用

45、。如利用激光束可去掉高速旋轉(zhuǎn)陀螺轉(zhuǎn)子上不平衡的微小過重部分，以達(dá)到使慣性軸和旋轉(zhuǎn)軸相重合的動平衡的目的。3.3 電子束和離子束微細(xì)加工電子束和離子束微細(xì)加工是近年來得到較大發(fā)展的新興特種微細(xì)加工。它們在精密微細(xì)加工方面，尤其是在微電子學(xué)領(lǐng)域中得到較多的應(yīng)用。近期發(fā)展起來的亞微米加工和毫微米加工技術(shù)，主要是用電子束和離子束微細(xì)加工。1.電子束微細(xì)加工電子束微細(xì)加工原理如圖8-7所示，在真空中從灼熱的燈絲陰極發(fā)射出的電子，在高電壓(30200千伏)作用下被加速到很高的速度，通過電磁透鏡會聚成一束高功率密度（105109wcm2）的電子束。當(dāng)沖擊到工件時，電子束的動能立即轉(zhuǎn)變成為熱能，產(chǎn)生出極高的溫度，足以使任何材料瞬時熔化、氣化，從而可進(jìn)行焊接、穿孔、刻槽和切割等加工。由于電子束和氣體分子碰撞時會產(chǎn)生能量損失和散射，因此，加工一般在真空中進(jìn)行。圖8-7 電子束微細(xì)加工原理圖電子束微細(xì)加工是在真空條件下，利用電子槍中產(chǎn)生的電子經(jīng)加速、聚焦，形成高能量密度(106109wcm2)的微細(xì)束流，以極高的速度轟擊工件被加工部位。由于其能量大部分轉(zhuǎn)換為熱能而導(dǎo)致該部位的材料在極短的時間(幾分之一微秒)內(nèi)達(dá)到幾千攝氏度以上的高溫，從而引起該處的材料熔化或蒸發(fā)，被真空系統(tǒng)抽走。電子束微細(xì)加工的特點： (1)由于電