第7章 机械制造技术的发展 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

Development of Manufacturing Technology 机械制造技术基础 第7章 制造技术的发展 Development of Manufacturing Technology 7.1 制造自动化技术的发展 Development of Automation Technology for Manufacturing

系统工程，信息技术，计算机技术，管理技术 7.1.1 制造自动化技术的主要形式 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，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， MRPⅡ，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

7.1.1 制造自动化技术的主要形式 图7-1 汽车后桥齿轮箱加工自动线 刚性自动化 20年代

7.1.1 制造自动化技术的主要形式 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

7.1.1 制造自动化技术的主要形式 Groover产品寿命周期模型 （7-1） 式中 TTLC —— 生产某种产品所需总时间； 7.1.1 制造自动化技术的主要形式 Groover产品寿命周期模型 （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…）。

7.1.1 制造自动化技术的主要形式 式（1-1）两边除以 BQ ，得到： 式中 TLC —— 生产每件产品所需平均时间 7.1.1 制造自动化技术的主要形式 式（1-1）两边除以 BQ ，得到： （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 ◆ 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

7.1.2 自动化加工技术 本节仅讨论中小批量生产中广泛使用的柔性制造系统（Flexible Manufacturing System——FMS） 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

7.1.2 自动化加工技术 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 7.1.2 自动化加工技术 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 输出 图7-5 设备运行状态监控与检测框图

7.1.2 自动化加工技术 ◆ 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 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。当钻头破损被确认后，发出换刀信号。

7.1.2 自动化加工技术 物料传输系统 ◆ 自动仓库（图7-7） 7.1.2 自动化加工技术 物料传输系统 ◆ 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 又称立体仓库或自动化仓库系统（Automated Storage and Retrieva1 System一AS／RS），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。

7.1.2 自动化加工技术 ◆ 传输装置 滚式 链式（传送带由于柔性差，目前较少使用） 带式 传送带 运输小车 机器人 电磁式（图7-8） 7.1.2 自动化加工技术 ◆ 传输装置 滚式 链式（传送带由于柔性差，目前较少使用） 带式 传送带 运输小车 机器人 电磁式（图7-8） 光电式（图7-9） …… 有轨 无轨（AGV） 固定路线 随机路线 固定式机器人 行走式机器人

7.1.2 自动化加工技术 ◎电磁导向方式原理（图7-8） 7.1.2 自动化加工技术 ◎电磁导向方式原理（图7-8） 在地面上埋设引导电缆，并通以5～10kHz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。 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

7.1.2 自动化加工技术 ◎光学引导方式原理（图7-9） 7.1.2 自动化加工技术 ◎光学引导方式原理（图7-9） 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。 信号孔 感光元件 光道 光源 反光带 图7-9 光学引导原理

7.1.2 自动化加工技术 ◆ 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 7.1.2 自动化加工技术 ◆ 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）

7.1.2 自动化加工技术 计算机控制系统 ◆ 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。 7.1.2 自动化加工技术 计算机控制系统 ◆ 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。 ◆ 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。 ◆ 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。 ◆ 单元控制器：监视与控制机床加工、检测、上下料 … ◆ 信息传输网络：在控制计算机与单元控制器之间进行信 息传递。

7.1.2 自动化加工技术 ◆ 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 7.1.2 自动化加工技术 ◆ 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 立式MC 卧式MC 管理级 单元级 设备级 图7-10 JCS-FMS-1控制级结构

7.1.2 自动化加工技术 FMS特点 ◆以GT为基础 —— 生产零件的品种由4至100种不等（20～30种居多） 7.1.2 自动化加工技术 FMS特点 ◆以GT为基础 —— 生产零件的品种由4至100种不等（20～30种居多） 生产零件的批量由40至2000件不等（50～200件居多） 大部分加工对象为相似零件（个别例外） ◆具有较大柔性 —— 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，其它机床可进行拟补） ◆高度自动化 —— 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 ◆控制与管理相结合——可自动实现系统内的计划、调度

7.1.2 自动化加工技术 FMS应用 FML FMS FMC 刚性线 生产柔性 批量 产量 10,000 1000 100 10 7.1.2 自动化加工技术 FMS应用 品种 图7-11 零件品种、批量与自动化加工方式 10 100 1000 批量 10,000 1000 100 10 FML FMC FMS 数控机床通用机床 刚性线 生产柔性 产量

7.1.2 自动化加工技术 FMS实例（1） 图7-12 飞机零件加工FMS（ Cincinnati ） 7.1.2 自动化加工技术 图7-12 飞机零件加工FMS（ Cincinnati ） 1—装卸站 2—运输小车 3—MC 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 FMS实例（1）

7.1.2 自动化加工技术 冲床 图7-13 冲压FMS FMS实例（2）

7.1.3 自动检测技术 自动检测内容 自动化传送和装卸被测件； 自动完成检测过程； 传送/装卸与检测过程全部自动化。 自动检测系统 7.1.3 自动检测技术 自动检测内容 自动化传送和装卸被测件； 自动完成检测过程； 传送/装卸与检测过程全部自动化。 自动检测系统 多采用传感器/计算机反馈控制系统 自动检测传感技术 接触式传感器：检测尺寸、形状、相互位置 非接触式传感器（光学、非光学）：无接触变形，速度快 “十分之一” 与“三分之一”原则 十分之一原则：测量不准确度≤工件容差的1/10 三分之一原则：测量精密度≤工件许用精密度的1/3（用标准差σ表示）

7.1.3 自动检测技术 离线与在线检测 离线检测：过程稳定，超差风险小 在线/过程中检测：实时，瓶颈工序 7.1.3 自动检测技术 离线与在线检测 离线检测：过程稳定，超差风险小 在线/过程中检测：实时，瓶颈工序 在线/过程后检测：滞后时间短，应用较多 PROC AUT INSPMAN 抽样 离线检测 PROC AUT INSPMAN 在线/过程中检测 反馈信号 在线/过程后检测 PROC AUT INSPMAN SORT 分类指令 成品 废品 图7-14 三类检测

7.1.3 自动检测技术 坐标测量机（CMM） 结构形式 悬臂式结构：测头易于接近工件，刚性差 桥式结构：刚性好，应用广泛 7.1.3 自动检测技术 坐标测量机（CMM） 结构形式 悬臂式结构：测头易于接近工件，刚性差 桥式结构：刚性好，应用广泛 立柱式结构：结构与立车相似 门架式结构：结构与门式起重机相似，用于大件测量 a） b） c） d） 图7-15 坐标测量机的结构形式

7.1.3 自动检测技术 操作控制 手动控制：人工完成 计算机辅助手动控制：计算机完成数据处理和相关计算 7.1.3 自动检测技术 操作控制 手动控制：人工完成 计算机辅助手动控制：计算机完成数据处理和相关计算 计算机辅助电动控制：电机驱动测头，计算机完成数据 处理和相关计算 直接计算机控制：同CNC 编程方法 示教再现编程：似机器人编程 数控编程：离线

7.1.3 自动检测技术 CMM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 7.1.3 自动检测技术 CMM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

7.1.3 自动检测技术 实物照片 图7-16 坐标测量机实物照片

Development of Manufacturing Technology 机械制造技术基础 第7章 制造技术的发展 Development of Manufacturing Technology 7.2 精密制造技术 Precision Manufacturing Technology

7.2.1 精密与超精密加工技术 概述 ◆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。 7.2.1 精密与超精密加工技术 概述 ◆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 1μm 20 世纪 末 —— 精密加工：≤0.1μm，Ra ≤0.01μm（亚微米加工） 超精密加工：≤ 0.01μm ，Ra≤ 0.001μm（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

7.2.1 精密与超精密加工技术 ◆ 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） 7.2.1 精密与超精密加工技术 ◆ 几种典型精密零件的加工精度（表7-3） 零件 加 工 精 度 表面粗糙度 激光光学零件 形状误差 0.1μm Ra 0.01～0.05μm 多面镜 平面度误差 0.04μm Ra ＜0.02μm 磁头 平面度误差 0.04μm Ra ＜0.02μm 磁盘 波度 0.01 ～0.02μm Ra ＜0.02μm 雷达导波管 平面度垂直度误差 ＜ 0.1μm Ra ＜0.02μm 卫星仪表轴承 圆柱度误差 ＜0.01μm Ra ＜0.002μm 天体望远镜 形状误差 ＜ 0.03μm Ra ＜0.01μm 表7-3 几种典型精密零件的加工精度 ◆ 精密加工与超精密加工的发展（图7-17）

图7-17 精密加工与超精密加工的发展（Taniguchi，1983） 7.2.1 精密与超精密加工技术 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,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（μm） 100 101 102 10-2 10-1 10-3 1900 1920 1940 1960 1980 2000 年份

7.2.1 精密与超精密加工技术 精密与超精密加工地位 精密与超精密加工技术是一个国家制造业水平重要标志 7.2.1 精密与超精密加工技术 精密与超精密加工地位 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0.01μm；超大规模集成电路最小线宽0.1μm，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0.1μm，粗糙度Ra0.01μm，导弹命中精度控制在50m范围内；英国飞机发电机转子叶片加工误差从60μm降至12μm，发电机压缩效率从89%提高到94%；齿形误差从3-4μm减小1μm，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

7.2.1 精密与超精密加工技术 表7-4 精密与超精密加工分类 结合加工 分类 加工机理 加工方法示例 去除加工 7.2.1 精密与超精密加工技术 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 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

7.2.1 精密与超精密加工技术 精密与超精密加工特点 ◆“进化”加工原则 7.2.1 精密与超精密加工技术 精密与超精密加工特点 直接式进化加工：利用低于工件精度的设备、工具，通过工艺手段和特殊工艺装备，加工出所需工件。适用于单件、小批生产。 间接式进化加工：借助于直接式“进化”加工原则，生产出第二代工作母机，再用此工作母机加工工件。适用于批量生产。 ◆“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。

7.2.1 精密与超精密加工技术 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 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 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 ◆ 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。

7.2.1 精密与超精密加工技术 金刚石超精密加工技术 ◆ 机理、特点 切削在晶粒内进行 7.2.1 精密与超精密加工技术 金刚石超精密加工技术 ◆ 机理、特点 切削在晶粒内进行 切削力＞原子结合力（剪切应力达 13000 N/ mm2） 刀尖处温度极高，应力极大，普通刀具难以承受 高速切削（与传统精密切削相反），工件变形小，表层高温不会波及工件内层，可获得高精度和好表面质量 用于铜、铝及其合金精密切削（切铁金属，由于亲合作用，产生“碳化磨损”，影响刀具寿命和加工质量） 加工各种红外光学材料如锗、硅、ZnS和ZnSe等 加工有机玻璃和各种塑料 典型产品：光学反射镜、射电望远镜主镜面、大型投影电视屏幕、照像机塑料镜片、树脂隐形眼镜镜片等 ◆ 应用

7.2.1 精密与超精密加工技术 ◆ 关键技术 ★ 加工设备 图7-18 Moore金刚石车床 回转工作台 工件 刀具 主轴 传动带 7.2.1 精密与超精密加工技术 ◆ 关键技术 图7-18 Moore金刚石车床 回转工作台 工件 刀具 主轴 传动带 主轴电机 空气垫 刀具夹持器 如美国Moore公司M-18AG金刚石车床，主轴采用空气静压轴承，转速5000转/分，径跳＜0.1μm；液体静压导轨，直线度达 0.05μ/100mm；数控系统分辨率0.01 μ。 ★ 加工设备 要求高精度、高刚度、良好稳定性、抗振性及数控功能等。

7.2.1 精密与超精密加工技术 T形布局（图7-19） 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

7.2.1 精密与超精密加工技术 金刚石车床主要性能指标（表7-5） 数控系统分辩率 /μm 400×200 5000～10000 5000 7.2.1 精密与超精密加工技术 金刚石车床主要性能指标（表7-5） 数控系统分辩率 /μm 400×200 5000～10000 5000 0. 1～0.01 ≤0. 2/100 ≤0. 1 ≤1/150 ≤2/100 径向 1140 轴向 1020 640 720 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(±2σ) / μ m 主轴径向圆跳动 / μ m 滑台运动的直线度 / μ m 主轴前静压轴承（φ100mm）的刚度 /（N/μm） 主轴后静压轴承（φ80mm）的刚度 /（N/μm） 纵横滑台的静压支承刚度 /（N/μm） 表7-5 金刚石车床主要性能指标 主轴轴向圆跳动 / μ m 横滑台对主轴的垂直度 / μ m

7.2.1 精密与超精密加工技术 ◆ 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 7.2.1 精密与超精密加工技术 ◆ 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 金刚石的晶体结构：规整的单晶金刚石晶体有八面体、十二面体和六面体，有三根4次对称轴，四根3次对称轴和六根2次对称轴（图7-20）。 a）4 次对称轴和（100）晶面 L4 （100） （110） L2 L3 （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

7.2.1 精密与超精密加工技术 金刚石晶体的面网距和解理现象 ◎金刚石晶体的（111）晶面面网密度最大，耐磨性最好。 7.2.1 精密与超精密加工技术 金刚石晶体的面网距和解理现象 ◎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 ◎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”。

7.2.1 精密与超精密加工技术 金刚石刀具刃磨 — 通常在铸铁研磨盘上进行研磨 — 晶向选择应使晶向与主切削刃平行 7.2.1 精密与超精密加工技术 金刚石刀具刃磨 — 通常在铸铁研磨盘上进行研磨 — 晶向选择应使晶向与主切削刃平行 — 圆角半径越小越好（理论可达到1nm） 金刚石刀具角度（图7-22） 单晶金刚石 45 6.4 12 A 6 A-A 35 R R=1.6 ～ 4.8 5 B 1 B-B 110 120 R=0.5 1.2 图7-22 金刚石刀具角度

7.2.1 精密与超精密加工技术 加工4.5mm陶瓷球 金刚石车床 图7-23 金刚石车床及其加工照片

7.2.1 精密与超精密加工技术 超硬磨料砂轮精密与超精密磨削 ◆ 砂轮材料：金刚石，立方氮化硼（CBN） ◆ 特点： 7.2.1 精密与超精密加工技术 超硬磨料砂轮精密与超精密磨削 ◆ 砂轮材料：金刚石，立方氮化硼（CBN） 可加工各种高硬度、高脆性金属及非金属材料（铁金属用CBN） 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 ◆ 特点： 分整形与修锐（去除结合剂，露出磨粒）两步进行 常用方法 — ① 用碳化硅砂轮（或金刚石笔）修整，获得所需形状； ② 电解修锐（适用于金属结合剂砂轮），效果好，并可在线修整 ◆ 砂轮修整：

7.2.1 精密与超精密加工技术 ◆ ELID（Electrolytic In-Process Dressing） 7.2.1 精密与超精密加工技术 ◆ ELID（Electrolytic In-Process Dressing） 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 电刷 使用ELID磨削，冷却液为一种特殊电解液。通电后，砂轮结合剂发生氧化，氧化层阻止电解进一步进行。在切削力作用下，氧化层脱落，露出了新的锋利磨粒。由于电解修锐连续进行，砂轮在整个磨削过程保持同一锋利状态。

7.2.1 精密与超精密加工技术 ◆ 塑性（延性）磨削 磨削脆性材料时，在一定工艺条件下，切屑形成与塑性材料相似，即通过剪切形式被磨粒从基体上切除下来。磨削后工件表面呈有规则纹理，无脆性断裂凹凸不平，也无裂纹。 塑性磨削工艺条件： （1）切削深度小于临界切削深度，它与工件材料特性和磨粒的几何形状有关。一般临界切削深度＜1μm。 为此对机床要求：①高的定位精度和运动精度。以免因磨粒切削深度超过1μm时，导致转变为脆性磨削。②高的刚性。因为塑性磨削切削力远超过脆性磨削的水平，机床刚性低，会因切削力引起的变形而破坏塑性切屑形成的条件。 （2）磨粒与工件的接触点的温度高到一定程度时，工件材料的局部物理特性会发生变化，导致切屑形成机理的变化（已有试验作支持）。

7.2.1 精密与超精密加工技术 ◆ 精密与超精密砂带磨削 砂带：带基材料为聚碳酸脂薄膜，其上植有细微砂粒。 7.2.1 精密与超精密加工技术 ◆ 精密与超精密砂带磨削 砂带：带基材料为聚碳酸脂薄膜，其上植有细微砂粒。 砂带在一定工作压力下与工件接触并作相对运动，进行磨削或抛光。 有开式（图7-25）和闭式两种形式，可磨削平面、内外圆表面、曲面等（图7-27）。 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

图7-26 用于磨削管件的砂带磨床（带有行星系统） 7.2.1 精密与超精密加工技术 图7-26 用于磨削管件的砂带磨床（带有行星系统）

7.2.1 精密与超精密加工技术 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 7.2.1 精密与超精密加工技术 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 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） d）砂带内圆磨削（回转式） 支承板 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

7.2.1 精密与超精密加工技术 砂带磨削特点 1）砂带与工件柔性接触，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 0.02μm）。 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。 磨粒 规格涂层 粘接剂 基带 图7-28 静电植砂砂带结构 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。

7.2.1 精密与超精密加工技术 ◆ 游离磨料加工 ★ 弹性发射加工 工作原理（图7-29） 7.2.1 精密与超精密加工技术 ◆ 游离磨料加工 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 ★ 弹性发射加工 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。 工作原理（图7-29） 抛光轮： 由聚氨基甲酸（乙）酯制成，磨料直径 0.1～0.01μm 机理：微切削＋被加工材料的微塑性流动作用

7.2.1 精密与超精密加工技术 ★ 液体动力抛光 工作原理（图7-30） 抛光工具上开有锯齿槽，靠楔形挤压和抛光液的反弹，增加微切削作用。 7.2.1 精密与超精密加工技术 ★ 液体动力抛光 抛光工具 图7-30 液体动力抛光 小间隙 工件 工具运动方向 抛光液 磨粒 工作原理（图7-30） 抛光工具上开有锯齿槽，靠楔形挤压和抛光液的反弹，增加微切削作用。 机理：微切削作用。 ★ 机械化学抛光 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 工作原理（图7-31） 活性抛光液和磨粒与工件表面产生固相反应，形成软粒子，使其便于加工。 机理：机械+化学作用，称为“增压活化”。

7.2.1 精密与超精密加工技术 激光测量 激光由于其优良的特性（强度高，亮度大，单色性、相干性、方向性好等）在精密测量中得到广泛应用。 7.2.1 精密与超精密加工技术 激光测量 激光由于其优良的特性（强度高，亮度大，单色性、相干性、方向性好等）在精密测量中得到广泛应用。 可以测量长度，小角度，直线度，平面度，垂直度等； 也可以测量位移，速度，振动，微观表面形貌等； 还可以实现动态测量，在线测量，并易于实现测量自动化。 激光测量精度目前可达0.01μm。

7.2.1 精密与超精密加工技术 激光高速扫描尺寸计量系统（图7-32） 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 7.2.1 精密与超精密加工技术 激光高速扫描尺寸计量系统（图7-32） 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

由于移动反射棱镜随被测件移动，频率f2变成 f2±Δf2 。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± Δf2 ）= Δf + Δf2 7.2.1 精密与超精密加工技术 经分光镜，折射一小部分，经干涉测量仪获得拍频Δf（= 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±Δf2 的具有长度单位当量的电信号。由于使用频率差Δf 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，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。 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 +Δf2 f1 氦氖激光器 轴向强磁场 N S 1/4波片 分光镜 透镜组 f1 f2 移动反射棱镜 f2 偏振分光镜 Δf Δf +Δf2

7.2.1 精密与超精密加工技术 图7-34 双频激光测量系统

7.2.1 精密与超精密加工技术 精密与超精密加工环境 ◆恒温——要求：±1℃～ ±0.01℃ 7.2.1 精密与超精密加工技术 精密与超精密加工环境 ◆恒温——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） ◆恒湿——要求：相对湿度35%～45%，波动±10%～ ±1% 实现方法：采用空气调节系统 ◆净化——要求：10000～100级（100级系指每立方英尺空气中所含大于0.5μm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 ◆隔振——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

7.2.2 微细与超微细加工技术 概述 微细加工 —— 通常指1mm以下微细尺寸零件的加工，其加工误差为0.1μm ～ 10μm 。 7.2.2 微细与超微细加工技术 概述 微细加工 —— 通常指1mm以下微细尺寸零件的加工，其加工误差为0.1μm ～ 10μm 。 超微细加工 —— 通常指1μm以下超微细尺寸零件的加工，其加工误差为0.01μm ～0.1μm。 精度表示方法——一般尺寸加工，其精度用误差尺寸与加工尺寸比值表示；微细加工，其精度用误差尺寸绝对值表示。 “加工单位”—— 去除一块材料的大小，对于微细加工，加工单位可以到分子级或原子级。 微切削机理——切削在晶粒内进行，切削力要超过晶体内分子、原子间的结合力，单位面积切削阻力急剧增大。

7.2.2 微细与超微细加工技术 表7-6 微细与超微细加工机理与加工方法 热流动加工（火焰，高频，热射线，激光） 压铸，挤压，喷射，浇注 7.2.2 微细与超微细加工技术 热流动加工（火焰，高频，热射线，激光） 压铸，挤压，喷射，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

7.2.2 微细与超微细加工技术 微细机械加工 ◆主要采用铣、钻和车三种形式，可加工平面、内腔、孔和外圆表面。 7.2.2 微细与超微细加工技术 微细机械加工 图7-35 单晶金刚石铣刀刀头形状 ◆主要采用铣、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5μm）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。

7.2.2 微细与超微细加工技术 ◆ 微细机械加工设备 微小位移机构 ，微量移动应可小至几十个纳米 。 7.2.2 微细与超微细加工技术 ◆ 微细机械加工设备 微小位移机构 ，微量移动应可小至几十个纳米 。 高灵敏的伺服进给系统。要求低摩擦的传动系统和导轨支承系统，以及高跟踪精度的伺服系统。 高的定位精度和重复定位精度，高平稳性的进给运动。 低热变形结构设计。 刀具的稳固夹持和高的安装精度。 高的主轴转速及动平衡。 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。 ◆ FANUC ROBO nano Ui 型微型超精密加工机床（图7-36）

7.2.2 微细与超微细加工技术 机床有X、Z、C、B四个轴，在B 轴回转工作台上增加A轴转台后，可实现5轴控制，数控系统的最小设定单位为1nm。可进行车、铣、磨和电火花加工。 旋转轴采用编码器半闭环控制，直线轴则采用激光全息式全闭环控制。 为了降低伺服系统的摩擦，导轨、丝杠螺母副以及伺服电机转子的推力轴承和径向轴承均采用气体静压结构。 图7-36 FANUC 微型超精密加工机床

7.2.2 微细与超微细加工技术 ◆ 直接线性驱动（直线电机驱动） 7.2.2 微细与超微细加工技术 ◆ 直接线性驱动（直线电机驱动） 工作原理：载流导体在电场（或磁场）作用下产生微小形变，并转化为微位移（图7-37） 。 载流导体： ◎逆压电材料（如压电陶瓷PZT）——电场作用引起晶体内正负电荷重心位移（极化位移），导致晶体发生形变。 ◎磁致伸缩材料（如某些强磁材料）——磁场作用引起晶体发生应变。 特点： ◎结构简单，运行可靠，传动效率高。 ◎进给量可调，进给速度范围宽，加速度大。 ◎行程不受限制。 ◎运动精度高。 ◎技术复杂。

图7-38 直线电机驱动定位平台(YOKOGAWA公司） 7.2.2 微细与超微细加工技术 图7-38 直线电机驱动定位平台(YOKOGAWA公司）

7.2.2 微细与超微细加工技术 直线驱动与伺服电机驱动比较（表7-7） 表7-7 直线驱动与伺服电机驱动比较 7.2.2 微细与超微细加工技术 直线驱动与伺服电机驱动比较（表7-7） 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(μm/300mm) 5～10 0.5～1.0 重复定位精度(μm) ±2～±5 ±0.1～±0.2 最高速度(m/min) 20～50 60～200 最大加速度(g) 1～2 2～10 寿命(h) 6000～10000 50000

7.2.2 微细与超微细加工技术 微细电加工 ◆ 线放电磨削法（WEDG） 7.2.2 微细与超微细加工技术 微细电加工 ◆ 线放电磨削法（WEDG） 电极线沿着导丝器中的槽以5～10mm/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 ）。 图7-39 WEDG工作原理 Ⅰ－Ⅰ Ⅰ 工件 金属丝 导丝器 图7-40 WEDG 可加工的各种截形杆

7.2.2 微细与超微细加工技术 ◆ 光刻加工（电子束光刻大规模集成电路） 2. 曝光 （投影或扫描） 掩膜 电子束 3. 显影、烘片 7.2.2 微细与超微细加工技术 ◆ 光刻加工（电子束光刻大规模集成电路） 2. 曝光 （投影或扫描） 掩膜 电子束 3. 显影、烘片 （形成窗口） 窗口 1. 涂胶 （光致抗蚀剂） 氧化膜 光致抗蚀剂 基片 离子束 4. 刻蚀 （形成沟槽） 6. 剥膜 （去除光致抗蚀剂） 5. 沉积 （形成电路） 图7-41 电子束光刻大规模集成电路加工过程

7.2.2 微细与超微细加工技术 ◆ 加工设备（电子束光刻大规模集成电路） 要求：定位精度 0.1μm，重复定位精度 0.01μm 7.2.2 微细与超微细加工技术 ◆ 加工设备（电子束光刻大规模集成电路） 要求：定位精度 0.1μm，重复定位精度 0.01μm 导轨：硬质合金滚动体导轨，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 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 图7-42 电致伸缩微动工作台 X Y Py1 Py2 Px 微动工作台

7.2.2 微细与超微细加工技术 离子束加工 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 格点置换离子 工件表面 工件 真空

7.2.2 微细与超微细加工技术 ◆ 四种工作方式 离子束溅射去除加工 7.2.2 微细与超微细加工技术 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。 ◆ 四种工作方式 离子束溅射去除加工 ◎将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。

7.2.2 微细与超微细加工技术 ◎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 r = 0.01μm 预加工 终加工 a) 金刚石压头 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。

7.2.2 微细与超微细加工技术 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 ◎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）。 ◎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。

7.2.2 微细与超微细加工技术 离子束溅射注入加工 ◎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。

7.2.3 纳米技术 ◆ 通常指纳米级（0.1nm～100nm）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 纳米级精度和表面形貌测量及表面层物理、化学性能检测； 纳米级加工； 纳米材料； 纳米级传感与控制技术； 微型与超微型机械。

7.2.3 纳米技术 扫描隧道显微测量（STM） 扫描隧道显微镜1981年由在IBM瑞士苏黎世实验室工作的G.Binning 和 H.Rohrer 发明，可用于观察物体 级的表面形貌。被列为20世纪80年度世界十大科技成果之一，1986年因此获诺贝尔物理学奖。 STM工作原理基于量子力学的隧道效应。当两电极之间距离缩小到1nm时，由于粒子波动性，电流会在外加电场作用下，穿过绝缘势垒，从一个电极流向另一个电极。当一个电极为非常尖锐的探针时，由于尖端放电使隧道电流加大。 G.Binning H.Rohrer

7.2.3 纳米技术 STM 图7- 48 STM工作过程演示 图7- 47 STM实物照片

通过扫描隧道显微镜操纵氙原子用35个原子排出的“IBM”字样 7.2.3 纳米技术 石墨三维图像 通过扫描隧道显微镜操纵氙原子用35个原子排出的“IBM”字样 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

7.2.3 纳米技术 当探针与试件表面距离达1nm时，形成隧道结（图7-51）。当偏压Ub小于势垒高度φ时，隧道电流密度为： φ1 φ2 d 7.2.3 纳米技术 当探针与试件表面距离达1nm时，形成隧道结（图7-51）。当偏压Ub小于势垒高度φ时，隧道电流密度为： φ1 φ2 d 试件 STM探针 Ub 图7-51 STM隧道结 式中 h —— 普郎克常数； e —— 电子电量； ka，k0 —— 系数。 由上式可见，探针与试件表面距离 d 对隧道电流密度非常敏感，这正是STM的基础。

7.2.3 纳米技术 两种测量模式 （1）等高测量模式（图7-52a）： 7.2.3 纳米技术 两种测量模式 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。 （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 驱动电路 扫描器 检测电路 控制器

7.2.3 纳米技术 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。 7.2.3 纳米技术 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

7.2.3 纳米技术 （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/D XYZ控制信号 设定电压 7.2.3 纳米技术 （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/D XYZ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/A

7.2.3 纳米技术 （3）纳米级扫描运动——压电陶瓷扫描管（图7-55） 压电陶瓷扫描管结构见图7-55 a ，其工作原理见图7-55b。 7.2.3 纳米技术 （3）纳米级扫描运动——压电陶瓷扫描管（图7-55） 压电陶瓷扫描管结构见图7-55 a ，其工作原理见图7-55b。 L L0 b） 陶瓷管 金属膜 +UX -UX -UY +UY UZ a） 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。 ΔX ΔZ 图7-55 压电陶瓷扫描管结构及工作原理 （4）信号采集与数据处理——由软件完成。

7.2.3 纳米技术 ◆ 原子力显微镜（AFM） 为解决非导体微观表面形貌测量，借鉴扫描隧道显微镜原理，C.Binning 于1986年发明原子力显微镜。 当两原子间距离缩小到 级时，原子间作用力显示出来，造成两原子势垒高度降低，两者之间产生吸引力。而当两原子间距离继续缩小至原子直径时，由于原子间电子云的不相容性，两者之间又产生排斥力。 AFM两种测量模式： ◎接触式——探针针尖与试件表面距离＜0.5nm，利用原子间的排斥力。由于分辨率高，目前采用较多。其工作原理是：保持探针与被测表面间的原子排斥力一定，探针扫描时的垂直位移即反映被测表面形貌。 ◎非接触式——探针针尖与试件表面距离为0.5～1nm，利用原子间的吸引力。

7.2.3 纳米技术 AFM结构（图7-56） STM驱动 AFM扫描驱动 AFM探针 STM探针 试件 微力簧片 图7-56 AFM结构简图 ◎AFM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。 ◎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。

7.2.3 纳米技术 图7-57 AFM实物照片 扫描探针 磁盘图像

7.2.3 纳米技术 LIGA（Lithographic Galuanoformung Abformung ） 7.2.3 纳米技术 LIGA（Lithographic Galuanoformung Abformung ） 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）： 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 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。

7.2.3 纳米技术 图7-59 LIGA工作现场

7.2.3 纳米技术 ◆ LIGA特点 用材广泛，可以是金属及其合金、陶瓷、聚合物、玻璃等 7.2.3 纳米技术 ◆ LIGA特点 用材广泛，可以是金属及其合金、陶瓷、聚合物、玻璃等 可以制作高度达0.1～0.5mm，高宽比大于200的三维微结构（图7-60），形状精度达亚微米 可以实现大批量复制，成本较低 ◆ LIGA代表产品及应用 50 μm 图7-60 X射线刻蚀的三维实体 微传感器、微电机、微机械零件、微光学元件、微波元件、真空电子元件、微型医疗器械等 广泛应用于加工、测量、自动化、电子、生物、医学、化工等领域

Development of Manufacturing Technology 机械制造技术基础 第7章 制造技术的发展 Development of Manufacturing Technology 7.3 特种加工技术 Nontraditional machining Technology

7.3.1 特种加工技术概述 非传统加工又称特种加工，通常被理解为别于传统切削与磨削加工方法的总称。 7.3.1 特种加工技术概述 非传统加工又称特种加工，通常被理解为别于传统切削与磨削加工方法的总称。 非传统加工方法 产生于二次大战后。两方面问题传统机械加工方法难于解决： 1）难加工材料的加工问题。宇航工业等对材料高强度、高硬度、高韧性、耐高温、耐高压、耐低温等的要求，使新材料不断涌现。 2）复杂形面、薄壁、小孔、窄缝等特殊工件加工问题。 为解决上面两方面问题，出现了非传统加工方法。 非传统加工方法将电、磁、声、光等物理量及化学能量或其组合直接施加在工件被加工的部位上，从而使材料被去除、累加、变形或改变性能等。

7.3.1 特种加工技术概述 非传统加工方法特点 非传统加工方法主要不是依靠机械能，而是用其它能量（如电能、光能、声能、热能、化学能等）去除材料。 非传统加工方法由于工具不受显著切削力的作用，对工具和工件的强度、硬度和刚度均没有严格要求。 一般不会产生加工硬化现象。且工件加工部位变形小，发热少，或发热仅局限于工件表层加工部位很小区域内，工件热变形小，加工应力也小，易于获得好的加工质量。 加工中能量易于转换和控制，有利于保证加工精度和提高加工效率。 非传统加工方法的材料去除速度，一般低于常规加工方法，这也是目前常规加工方法仍占主导地位的主要原因。

7.3.1 特种加工技术概述 非传统加工方法分类（按加工机理和采用的能源划分） 机械过程 7.3.1 特种加工技术概述 非传统加工方法分类（按加工机理和采用的能源划分） 机械过程 利用机械力，使材料产生剪切、断裂，以去除材料。如超声波加工、水喷射加工、磨料流加工等。 热学过程 通过电、光、化学能等产生瞬时高温，熔化并去除材料，如电火花加工、高能束加工、热力去毛刺等。 电化学过程 利用电能转换为化学能对材料进行加工，如电解加工、电铸加工（金属离子沉积）等。 化学过程 利用化学溶剂对材料的腐蚀、溶解，去除材料，如化学蚀刻、化学铣削等。

7.3.1 特种加工技术概述 复合过程 利用机械、热、化学、电化学的复合作用，去除材料。常见的复合形式有： 7.3.1 特种加工技术概述 复合过程 利用机械、热、化学、电化学的复合作用，去除材料。常见的复合形式有： ◎机械化学复合——如机械化学抛光、电解磨削、电镀珩磨等。 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 N S ◎机械热能复合——如加热切削、低温切削等。 ◎热能化学能复合——如电解电火花加工等。 ◎其它复合过程——如超声切削、超声电解磨削、磁力抛光（图7-61）等。

7.3.1 特种加工技术概述 发展趋势 拓宽现有非传统加工方法的应用领域。 探索新的加工方法，研究和开发新的元器件。 7.3.1 特种加工技术概述 发展趋势 拓宽现有非传统加工方法的应用领域。 探索新的加工方法，研究和开发新的元器件。 优化工艺参数，完善现有的加工工艺。 向微型化、精密化发展。 图7-62 EI 收录文章数比较 70年代 80年代 90年代 2084 1104 232 142 244 424 214 441 321 252 353 316 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。 采用数控、自适应控制、CAD/CAM、专家系统等技术，提高加工过程自动化、柔性化程度。

7.3.2 几种代表性特种加工方法 电火花加工 工作原理：利用工具电极与工件电极之间脉冲性火花放电，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 Real

7.3.2 几种代表性特种加工方法 图7-64 电火花加工机床

7.3.2 几种代表性特种加工方法 工作要素 电极材料——要求导电，损耗小，易加工；常用材料：紫铜、石墨、铸铁、钢、黄铜等，其中石墨最常用。 7.3.2 几种代表性特种加工方法 工作要素 电极材料——要求导电，损耗小，易加工；常用材料：紫铜、石墨、铸铁、钢、黄铜等，其中石墨最常用。 工作液——主要功能压缩放电通道区域，提高放电能量密度，加速蚀物排出；常用工作液有煤油、机油、去离子水、乳化液等。 放电间隙——合理的间隙是保证火花放电的必要条件。为保持适当的放电间隙，在加工过程中，需采用自动调节器控制机床进给系统，并带动工具电极缓慢向工件进给。 脉冲宽度与间隔——影响加工速度、表面粗糙度、电极消耗和表面组织等。脉冲频率高、持续时间短，则每个脉冲去除金属量少，表面粗糙度值小，但加工速度低。 通常放电持续时间在2μs至2ms范围内，各个脉冲的能量2mJ到20J（电流为400A时）之间。

7.3.2 几种代表性特种加工方法 电火花加工类型 电火花成形加工：主要指孔加工，型腔加工等 7.3.2 几种代表性特种加工方法 电火花成形加工：主要指孔加工，型腔加工等 Real 电火花加工类型 电火花线切割加工：用连续移动的钼丝（或铜丝）作工具阴极，工件为阳极。机床工作台带动工件在水平面内作两个方向移动，可切割出二维图形（图7-65）。同时，丝架可作小角度摆动，可切割出斜面。 图7-65 电火花线切割原理图 X Y 储丝筒 导轮 电极丝 工件 Real

7.3.2 几种代表性特种加工方法 快走丝与慢走丝 快走丝：电极丝多用钼丝，做往复运动，走丝速度一般为2.5m/s~10m/s左右 7.3.2 几种代表性特种加工方法 快走丝与慢走丝 快走丝：电极丝多用钼丝，做往复运动，走丝速度一般为2.5m/s~10m/s左右 图7-66 快走丝电火花线切割机床结构原理图 1-走丝溜板 2-卷丝筒 3-电极丝 4-丝架 5-下丝臂 6-上丝臂 7-导丝轮 8-工作液喷嘴 9-工件 10-绝缘垫块 11、16伺服电机 12-工作台 13-溜板 14-伺服电机电源 15-数控装置 16-脉冲电源

7.3.2 几种代表性特种加工方法 慢走丝：走丝作单方向运动，多用铜丝，为一次性使用，走丝速度一般低于0.2m/min，电极丝走丝平稳无震动，损耗小，因此加工精度高，表面粗糙度值低，但其导向、張紧机构比较复杂。 图7-67 慢走丝电火花线切割机床的结构原理图 1-溜板 2-绝缘垫块 3、13-伺服电机 4-工作台 5-放丝卷筒 6、11-导丝轮和旅紧机构 7-导向装置 8-工作液喷嘴 9-工件 10-脉冲电源 12-收丝卷筒 14-数控装置 15-伺服电机电源

7.3.2 几种代表性特种加工方法 电火花线切割机床（快走丝） 图7-68 电火花线切割加工 加工过程显示

7.3.2 几种代表性特种加工方法 电火花线切割机床（慢走丝） 垂直走丝 水平走丝

7.3.2 几种代表性特种加工方法 电火花加工特点 不受加工材料硬度限制，可加工任何硬、脆、韧、软的导电材料。 7.3.2 几种代表性特种加工方法 电火花加工特点 不受加工材料硬度限制，可加工任何硬、脆、韧、软的导电材料。 加工时无显著切削力，发热小，适于加工小孔、薄壁、窄槽、形面、型腔及曲线孔等，且加工质量较好。 脉冲参数调整方便，可一次装夹完成粗、精加工。 易于实现数控加工。 电火花加工应用 电火花成形加工：电火花打孔常用于加工冷冲模、拉丝模、喷嘴、喷丝孔等。型腔加工包括锻模、压铸模、挤压模、塑料模等型腔加工，以及叶轮、叶片等曲面加工。 电火花线切割：广泛用于加工各种硬质合金和淬硬钢的冲模、样板、各种形状复杂的板类零件、窄缝、栅网等。

7.3.2 几种代表性特种加工方法 电解加工 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6～24V，极间保持0.1～1mm间隙。在间隙处通以 6～60m/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7-69 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

7.3.2 几种代表性特种加工方法 电解加工特点 不受材料硬度的限制，能加工任何高硬度、高韧性的导电材料，并能以简单的进给运动一次加工出形状复杂的形面和型腔。 加工形面、型腔生产率高（与电火花加工比高5～10倍）。采用振动进给和脉冲电流等新技术，可进一步提高生产效率和加工精度。 阴极在加工中损耗小。 加工表面质量好，无毛刺、残余应力和变形层。 设备投资大，有污染，需防护。 电解加工应用 模具型腔、枪炮膛线、发电机叶片、花键孔、内齿轮、小而深的孔加工，电解抛光、倒棱、去毛刺等。

7.3.2 几种代表性特种加工方法 电解磨削（图7-70） 工件与磨轮保持一定接触压力，突出的磨料使磨轮导电基体与工件之间形成一定间隙。电解液从中流过时，工件产生阳极溶解，表面生成一层氧化膜，其硬度远比金属本身低，易被刮除，露出新金属表面，继续进行电解。电解作用与磨削作用交替进行，实现加工。 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 图7-70 电解磨削原理图 电解磨削效率比机械磨削高，且磨轮损耗远比机械磨削小，特别是磨削硬质合金时，效果更明显。

7.3.2 几种代表性特种加工方法 电子束加工 工作原理（图7-71） 7.3.2 几种代表性特种加工方法 电子束加工 图7-71 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 工作原理（图7-71） 真空条件下，利用电流加热阴极发射电子束，经控制栅极初步聚焦后，由加速阳极加速，通过透镜聚焦系统进一步聚焦，使能量密度集中在直径5～10μm斑点内。 高速而能量密集的电子束冲击到工件上，被冲击点处形成瞬时高温（几分之一微秒时间内升高至几千摄氏度），工件表面局部熔化、气化直至被蒸发去除。

7.3.2 几种代表性特种加工方法 特点及应用 电子束束径小（最小直径可达0.01～0.05mm），而电子束长度可达束径几十倍，故可加工微细深孔、窄缝。 材料适应性广（原则上各种材料均能加工），特别适用于加工特硬、难熔金属和非金属材料。 非接触加工，无工具损耗；无切削力，加工时间极短，工件无变形。 加工速度高，切割1mm厚钢板，速度可达240mm/min。 在真空中加工，无氧化，特别适于加工高纯度半导体材料和易氧化的金属及合金。 加工设备较复杂，投资较大。多用于微细加工。

7.3.2 几种代表性特种加工方法 激光加工 工作原理（图7-72） 激光是一种受激辐射而得到的加强光。其基本特征： ◎强度高，亮度大 7.3.2 几种代表性特种加工方法 激光加工 当激光束照射到工件表面时，光能被吸收，转化成热能，使照射斑点处温度迅速升高、熔化、气化而形成小坑，由于热扩散，使斑点周围金属熔化，小坑内金属蒸气迅速膨胀，产生微型爆炸，将熔融物高速喷出并产生一个方向性很强的反冲击波，于是在被加工表面上打出一个上大下小的孔。 激光器 工件 工作台 图7-72 激光加工原理图 光阑 反射镜 聚焦镜 电源 Real 工作原理（图7-72） 激光是一种受激辐射而得到的加强光。其基本特征： ◎强度高，亮度大 ◎波长频率确定，单色性好 ◎相干性好，相干长度长 ◎方向性好，几乎是一束平行光

7.3.2 几种代表性特种加工方法 激光器 固体激光器 ◎YAG（结晶母材由钇、铝和石榴石构成）激光器 ◎红宝石激光器 7.3.2 几种代表性特种加工方法 激光器 固体激光器 ◎YAG（结晶母材由钇、铝和石榴石构成）激光器 ◎红宝石激光器 气体激光器——CO2激光器（图7-73） ◎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10.6μm，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7-73 CO2激光器示意图

7.3.2 几种代表性特种加工方法 激光加工特点 加工材料范围广，适用于加工各种金属材料和非金属材料，特别适用于加工高熔点材料，耐热合金及陶瓷、宝石、金刚石等硬脆材料。 加工性能好，工件可离开加工机进行加工，可透过透明材料加工，可在其他加工方法不易达到的狭小空间进行加工。 非接触加工方式，热变形小，加工精度较高。 可进行微细加工。激光聚焦后焦点直径理论上可小至1μ以下，实际上可实现φ0.01mm的小孔加工和窄缝切割。 加工速度快，效率高。 激光加工不仅可以进行打孔和切割，也可进行焊接、热处理等工作。 激光加工可控性好，易于实现自动控制。加工设备昂贵。

7.3.2 几种代表性特种加工方法 激光加工应用 激光打孔 7.3.2 几种代表性特种加工方法 激光加工应用 图7-74 焦点位置对孔形状影响 Real 激光打孔 ◎广泛应用于金刚石拉丝模、钟表宝石轴承、陶瓷、玻璃等非金属材料，和硬质合金、不锈钢等金属材料的小孔加工。 ◎激光打孔具有高效率、低成本的特点，特别适合微小群孔加工。 ◎焦点位置对孔的质量影响：若焦点与加工表面之间距离很大，则激光能量密度显著减小，不能进行加工。如果焦点位置偏离加工表面1mm，可以进行加工，此时加工出孔的断面形状随焦点位置不同而发生变化（图7-74）。

7.3.2 几种代表性特种加工方法 激光切割 ◎激光切割具有切缝窄、速度快、热影响区小、省材料、成本低等优点，并可以在任何方向上切割，包括内尖角。 ◎可以切割钢板、不锈钢、钛、钽、镍等金属材料，以及布匹、木材、纸张、塑料等非金属材料。 Real 激光焊接 ◎与打孔相比，激光焊接所需能量密度较低，因不需将材料气化蚀除，而只要将工件的加工区烧熔使其粘合在一起。 ◎优点：没有焊渣，不需去除工件氧化膜，可实现不同材料之间的焊接，特别适宜微型机械和精密焊接。 Real 激光热处理 ◎原理：照射到金属表面上的激光使表面原子迅速蒸发，由此产生微冲击波会导致大量晶格缺陷形成，达到硬化。 ◎优点：快速、不需淬火介质、硬化均匀、变形小、硬化深度可精确控制。

7.3.2 几种代表性特种加工方法 图7-75 激光切割 图7-76 激光焊接

7.3.2 几种代表性特种加工方法 超声波加工 工作原理（图7-77） 7.3.2 几种代表性特种加工方法 超声波加工 变幅杆 超声波发生器 图7-77 超声波加工原理图 振动方向 工具 换能器 工作液喷嘴 工件 Real 工作原理（图7-77） 利用工具端面作超声（16～25kHz）振动，使工作液中的悬浮磨粒对工件表面撞击抛磨来实现加工。 超声波发生器将工频交流电能转变为有一定功率输出的超声频电振荡，通过换能器将超声频电振荡转变为超声机械振动，此时振幅一般很小，再通过振幅扩大棒（变幅杆）使固定在变幅杆端部的工具振幅增大到0.01～0.15mm。

7.3.2 几种代表性特种加工方法 图7-79 超声波加工样件 图7-78 超声波加工机床

7.3.2 几种代表性特种加工方法 超声波加工特点及应用 适用于加工各种脆性金属材料和非金属材料，如玻璃、陶瓷、半导体、宝石、金刚石等 。 7.3.2 几种代表性特种加工方法 超声波加工特点及应用 适用于加工各种脆性金属材料和非金属材料，如玻璃、陶瓷、半导体、宝石、金刚石等 。 可加工各种复杂形状的型孔、型腔、形面。 工具与工件不需作复杂的相对运动，机床结构简单。 被加工表面无残余应力，无破坏层，加工精度较高，尺寸精度可达0.01～0.05mm 。 加工过程受力小，热影响小，可加工薄壁、薄片等易变形零件。 生产效率较低。采用超声复合加工（如超声车削，超声磨削，超声电解加工，超声线切割等）可提高加工效率。

7.3.2 几种代表性特种加工方法 水喷射加工 工作原理： 7.3.2 几种代表性特种加工方法 水喷射加工 图7-80 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 工作原理： 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”。 加工装置（图7-80） 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 0.075～0.4 2.5～50 0～30 表7-11 喷嘴材料及工作条件

7.3.2 几种代表性特种加工方法 工艺参数（表7-12，表7-13） 表7-12 水喷射加工常用工艺参数 7.3.2 几种代表性特种加工方法 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 工艺参数 常用值 压力/MPa 70～450 喷射力/N 45～135 流速/m/s 300～900 功率/kW 10～40 流量/L/s 2.5 ～7.5 磨料耗量/kg/min 0.1～0.3 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/μm Ra12.5 Ra12.5 — — 表7-13 几种材料高压水切割参数

Development of Manufacturing Technology 机械制造技术基础 第7章 制造技术的发展 Development of Manufacturing Technology 7.4 先进制造技术 Advanced Manufacturing Technology

7.4.1 AMT 产生背景 AMT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）

7.4.1 AMT 产生背景 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 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

7.4.1 AMT 产生背景 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。 “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……”

7.4.1 AMT 产生背景 先进制造技术计划（ATP） 由美国联邦政府科学、工程和技术协调委员会（FCCSET）提出，1994年度预算为14亿美元 ATP 目标: 为美国人提供更多高技术、高工资就业机会，促进美国经济增长； 提高能源效益，减少污染，创造更加清洁的环境； 使美国私人制造业在世界市场上更具有竞争力，保持美国的竞争地位； 使教育系统对每个学生进行更富有挑战性的教育； 鼓励科技界把确保国家安全和提高全民生活质量作为核心目标。

7.4.1 AMT 产生背景 制造技术中心计划（MTC） 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

7.4.1 AMT 产生背景 ATP & MTC 效果显著 汽车 2mm 工程，使轿车车身精度达到丰田水平 1994 年，美国汽车产量重新超过日本，重新占领欧、美市场 美国Inter公司成为世界最大的芯片制造商（在此之前芯片生产也不敌日本，包括海湾战争中大出风头的“爱国者”导弹上使用的芯片也是日本制造的） 20世纪90年代，经济持续增长，失业率降低到历史最低水平 提出了一系列先进制造技术的新理论、新思想，如：CE，LP，AM，…

7.4.1 AMT 产生背景 爱国者导弹

7.4.2 AMT 内涵与体系结构 AMT 定义 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： ◆ 要点： 目标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 信息技术、现代管理技术在整个制造过程中综合应用

7.4.2 AMT 内涵与体系结构 主体技术群 支撑技术群 制造技术基础设施 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7-81。 主体技术群 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） 支撑技术群 图7-81 AMT结构体系 制造技术基础设施

7.4.2 AMT 内涵与体系结构 ◆ 主体技术群之一：面向制造的设计技术群 ★ 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

7.4.2 AMT 内涵与体系结构 ◆ 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 — 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

7.4.2 AMT 内涵与体系结构 ◆ 支撑技术群 — 指支持设计和制造工艺两方面取得进步的基础性核心技术，包括： ★ 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

7.4.2 AMT 内涵与体系结构 ◆ 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

（重大装备、高新技术产业、社会协调发展） ◆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、CAD／CAM、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。 7.4.2 AMT 内涵与体系结构 ◆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。 AMST提出的AMT轮图 TQCSE 基础制造技术 CAD CAM NC 技术 ROBOT FMC 清洁生产技术 质量与可靠性 CE 系统管理技术 MRPⅡ CIMS IMS AM 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7-82 AMST提出的先进制造技术体系图 新材料技术 新能源技术

7.4.3 AMT 特征与发展趋势 AMT 特征 ◆ AMT 是一项综合性技术

7.4.3 AMT 特征与发展趋势 ◆ AMT 是面向工业应用的技术 AMT 有明显的需求导向特征，不以追求技术高新度为目的，重在实际效果。 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。 ◆ AMT 是面向21世纪的技术 AMT是制造技术发展的新阶段，它保留了传统制造技术中有效要素，吸收并充分利用了一切高新技术，使其产生了质的飞跃。 AMT强调环保技术，符合可持续发展的战略。

7.4.3 AMT 特征与发展趋势 AMT 发展趋势 ◆ 信息技术对AMT发展起着越来越重要的作用 ◆ 现代设计技术将迅速发展和不断完善 包括CAD、CAE、CAM、DFX、健壮设计、优化设计、智能设计，反求工程，面向全生命周期的设计等。 ◆ 材料成形向精密、低耗、清洁方向发展 材料成形技术将使毛坯从接近零件形状向直接制成工件精密成形或称净成形的方向发展。据国际机械加工技术协会预测，本世纪初，塑性成形与磨削加工相结合，将取代大部分中小零件的切削加工。运用改性技术，将获得各种特殊性能要求的表面（涂）层，同时减少能耗并消除污染。

7.4.3 AMT 特征与发展趋势 ◆ 加工技术向超精密、超高速方向发展 ◆ 绿色制造将成为21世纪制造业重要特征 包括：绿色产品设计技术（产品在全生命周期符合环保、人类健康、能耗低、资源利用率高的要求）；绿色制造技术（在整个制造过程，对环境负面影响最小，废弃物和有害物质的排放最小，资源利用效率最高）；产品的回收和循环再制造（例如，汽车等产品的拆卸和回收技术，以及生态工厂的循环式制造技术等）。 ◆ 虚拟制造将获得广泛应用 首先在虚拟制造环境中生成软产品原型（Soft Prototype）代替传统的硬样品（Hard Prototype）进行试验，对其性能和可制造性进行预测和评价，从而缩短产品的设计与制造周期，降低成本，提高系统快速响应市场变化的能力。