先進制造系統第1頁，課件共122頁，創作于2023年2月課堂作業：1、優化設計的步驟2、可靠性設計的主要內容和指標3、價值工程的含義4、模型重構技術的基本步驟5、綠色設計的原則第2頁，課件共122頁，創作于2023年2月第一節

概述

3.1.1機械制造工藝定義與內涵3.1.2先進制造工藝的產生和發展

3.1.3先進制造工藝的技術特點第3頁，課件共122頁，創作于2023年2月機械制造工藝三階段：

①零件毛坯的成形準備階段②機械切削加工階段③表面改性處理階段上述階段劃分逐漸模糊、交叉，甚至合而為一3.1.1機械制造工藝定義與內涵原材料成品半成品機械制造工藝定義改變形狀,尺寸,性能,位置機床、工具第4頁，課件共122頁，創作于2023年2月機械制造工藝流程第5頁，課件共122頁，創作于2023年2月先進制造工藝是在不斷變化和發展的傳統機械制造工藝基礎上逐步形成的一種制造工藝技術，是高新技術產業化和傳統工藝高新技術化的結果。先進制造工藝是先進制造技術的核心和基礎，一個國家的制造工藝技術水平的高低，在很大程度上決定了其制造業在國際市場的競爭實力。3.1.2先進制造工藝的產生和發展第6頁，課件共122頁，創作于2023年2月(1)制造加工精度不斷提高

18世紀，其加工精度為1mm；19世紀末，0.05mm；20世紀初，μm級過渡；20世紀50年代末，實現了μm級的加工精度；目前達到10nm的精度水平。先進制造工藝的發展表現：第7頁，課件共122頁，創作于2023年2月（2）切削加工速度迅速提高20世紀前，碳素鋼，耐熱溫度低于200oC，10m/min；20世紀初，高速鋼，500-600oC，30-40m/min；20世紀30年代，硬質合金，800-1000oC，數百米/min;目前陶瓷、金剛石、立方氮化硼，1000oC以上，一千至數千米/min。第8頁，課件共122頁，創作于2023年2月切削速度隨刀具材料的變更而提高第9頁，課件共122頁，創作于2023年2月（3）新型工程材料的應用類型：超硬材料、超塑材料、高分子材料、復合材料、工程陶瓷等對制造工藝貢獻：

①改善刀具切削性能，改進加工設備；②促進特種加工工藝發展。（4）自動化和數字化工藝裝備的發展

單機自動化→系統自動化剛性自動化→柔性自動化→綜合自動化

第10頁，課件共122頁，創作于2023年2月（5）毛坯成形技術在向少、無余量發展如：熔模精密鑄造、精密鍛造、精密沖裁、冷溫擠壓等新工藝。（6）表面工程技術的形成和發展表面工程：通過表面涂覆、表面改性、表面加工、表面復合處理改變零件表面形態、化學成分和組織結構，以獲取與基體材料不同性能的一項應用技術。如：電刷鍍、化學鍍、物理氣相沉積、化學氣象沉積、熱噴涂、化學熱處理、激光表面處理、離子注入等第11頁，課件共122頁，創作于2023年2月3.1.3先進制造工藝的技術特點（1）優質（2）高效（3）低耗（4）潔凈（5）靈活第12頁，課件共122頁，創作于2023年2月第二節材料受迫成形工藝技術3.2.1精密潔凈鑄造成形3.2.2精確高效金屬塑性成形工藝3.2.3粉末鍛造成形工藝3.2.4高分子材料注射成形第13頁，課件共122頁，創作于2023年2月機械零件成形方法：受迫成形在特定邊界和外力約束下成形，如鑄造、鍛壓、粉末冶金和注射成形等；去除成形將材料從基體中分離出去成形，如車、銑、刨、磨、電火花、激光切割；堆積成形將材料有序地合并堆積成形，如快速原形制造、焊接等第14頁，課件共122頁，創作于2023年2月A、自硬砂精確砂型鑄造粘土砂造型鑄件質量差、生產效率低勞動強度大、環境污染嚴重自硬樹脂砂造型

高強度、高精度、高潰散性

低勞動強度，適合于各種復雜鑄件型芯制作鑄件壁厚可<2.5mm3.2.1精密潔凈鑄造成形（1）精確鑄造成形技術第15頁，課件共122頁，創作于2023年2月B、高緊實砂型鑄造可提高鑄型強度、剛度和硬度減少金屬液澆注凝固時型壁移動降低金屬消耗、減少缺陷提高精度、粗糙度提高2-3級

氣沖造型第16頁，課件共122頁，創作于2023年2月C、消失模鑄造

利用泡沫塑料作為鑄造模型，并在其四周填砂，不分上下模，泡沫塑料在澆注過程中氣化。可避免砂型潰散可消除起模斜度，減小鑄件壁厚能夠獲得表面光潔、尺寸精確無飛邊、少無余量精密鑄件泡沫塑料模

造型

澆注過程

鑄件

第17頁，課件共122頁，創作于2023年2月D、特種鑄造技術

類型：壓力鑄造、低壓鑄造、熔模鑄造真空鑄造、擠壓鑄造等。壓力鑄造：金屬模，以壓力澆注取代重力澆注，鑄件精確、表面光潔、內部致密。金屬模壓鑄機壓鑄過程合型壓鑄開模第18頁，課件共122頁，創作于2023年2月潔凈的能源以感應電爐代替沖天爐，減輕對空氣的污染無砂和少砂鑄造如壓力鑄造、金屬型鑄造、擠壓鑄造等清潔無毒材料使用無毒無味變質劑、精煉劑、粘結劑等（2）清潔（綠色）鑄造技術第19頁，課件共122頁，創作于2023年2月高潰散性型砂工藝樹脂砂、酯硬化水玻璃砂工藝廢棄物再生和綜合利用鑄造舊砂再生回收、熔煉爐渣處理和綜合利用鑄造機器人或機械手以代替工人在惡劣條件下工作第20頁，課件共122頁，創作于2023年2月鑄造過程計算機仿真在計算機上進行虛擬澆鑄，分析預測鑄液充填及凝固過程，預測不合理鑄造工藝缺陷，對不同鑄造工藝方案作出最優的選擇。鑄造過程仿真發展60年代丹麥學者開始用計算機對鑄件凝固過程進行模擬隨后工業國家相繼開發了鑄造過程計算機模擬軟件，如：德國MACMAsoft軟件，英國Procast軟件，清華大學Flsoft軟件等。鑄造過程計算機模擬第21頁，課件共122頁，創作于2023年2月（1）精密模鍛利用模鍛設備鍛造出鍛件形狀復雜、精度高的模鍛工藝，比普通鍛件高1-2個精度等級。3.2.2精確高效金屬塑性成形工藝模鍛坯料普通模鍛去氧化皮精密模鍛錐齒輪的精密模鍛工藝第22頁，課件共122頁，創作于2023年2月（2）超塑性成形

超塑性現象：在一定內部條件（如晶粒形狀、相變）和外部條件（如溫度、應變速率）下，呈現出異常低的流變抗力、異常高的延伸率現象。目前已知鋅、鋁、銅等合金超塑性達1000%，有的甚至達2000%。第23頁，課件共122頁，創作于2023年2月金屬超塑性類型：細晶超塑性（恒溫超塑性）內在條件：具有均勻、穩定等軸細晶組織（<10μm）；外在條件：特定溫度和變形速率（10-4-10-5min-1）。相變超塑性（環境超塑性）在材料相變點溫度循環變化，同時對試樣加載。第24頁，課件共122頁，創作于2023年2月超塑性成形工藝應用飛機鈦合金組合件原需幾十個零件組成，用超塑性成形后，可一次整體成形，大大減輕了構件的質量，提高了結構的強度。超塑性等溫模鍛薄板加熱到超塑性溫度，在壓力作用下產生超塑性變形，直至同模具貼合為止。超塑性氣壓成形第25頁，課件共122頁，創作于2023年2月（3）精密沖裁

呈純剪切分離沖裁工藝，通過模具改進提高精度三種光潔沖裁凹模結構橢圓凹模圓角凹模倒角刃口第26頁，課件共122頁，創作于2023年2月負間隙沖裁帶齒圈壓板精沖精密沖裁第27頁，課件共122頁，創作于2023年2月輥軋工藝

用軋輥對坯料連續變形加工工藝，生產率高、質量好、材料消耗少。輥鍛軋制輾環軋制第28頁，課件共122頁，創作于2023年2月3.2.3粉末鍛造成形工藝粉末制取粉末鍛造成形工藝粉末冶金

+精密鍛造模壓成形型坯燒結鍛前加熱鍛造后續處理粉末鑄造成形是將傳統的粉末冶金和精密鍛造結合起來的一種新工藝。第29頁，課件共122頁，創作于2023年2月粉末鍛造件優點：能源消耗低，材料利用率高為普通鍛造能耗49%，材料利用率達90%，普通鍛造僅40-60%；鍛件精度高，力學性能好組織無偏析，無各向異性；疲勞壽命高比普通鍛造提高20%，高速鋼工具壽命可提高兩倍以上。

粉末鍛造模具第30頁，課件共122頁，創作于2023年2月注射成形原理3.2.4高分子材料注射成形粉狀塑料注入螺桿推進送進加熱區通過分流梭噴嘴噴出注入模腔注射成形工藝過程冷卻成形第31頁，課件共122頁，創作于2023年2月氣體輔助成形：將惰性氣體注入，在成品較厚部分形成空腔，使成品壁厚均勻，可防止縮痕或翹曲產生。注射成形新技術氣體輔助注射成形原理第32頁，課件共122頁，創作于2023年2月注射壓縮成形：可采用較低的注射壓力成形薄壁制品，適用于流動性較差的制品。整體壓縮注射成形第33頁，課件共122頁，創作于2023年2月模具滑合成形法

適用于中空制品和不同材料復合體模具滑合成形動作原理第34頁，課件共122頁，創作于2023年2月剪切場控制取向成形法：使材料纖維取向與流動方向一致，可提高熔接痕強度，消除縮孔和縮痕。剪切場控制取向成形法原理第35頁，課件共122頁，創作于2023年2月直接注射成形法

不需混煉造粒過程，可將填充劑均勻地分散在基體樹脂中，直接注射成制品。直接注射成形機螺桿壓縮段剖面圖第36頁，課件共122頁，創作于2023年2月第三節超精密加工技術

3.3.1概述3.3.2超精密切削加工3.3.3超精密磨削加工3.3.4超精密加工的機床設備3.3.5超精密加工環境第37頁，課件共122頁，創作于2023年2月（1）目前精密、超精密加工內涵

3.3.1概述分類加工精度表面粗糙度普通加工1μmRa0.1μm精密加工0.1-1μmRa0.01-0.1μm超精密加工高于0.1μm小于Ra0.01μm第38頁，課件共122頁，創作于2023年2月（2）超精密加工技術發展起因提高產品性能和質量，提高穩定性和可靠性；促進產品的小型化；增強零件的互換性，提高裝配生產率。舉例：1kg陀螺其質心偏離0.5nm，會引起100m導彈射程誤差，50m軌道誤差；民兵Ⅲ型洲際導彈陀螺儀精度為0.03-0.05o，命中精度誤差為500m；第39頁，課件共122頁，創作于2023年2月人造衛星軸承孔軸表面粗糙度1nm，其圓度和圓柱度均以nm為單位；飛機發動機葉片加工精度由60μm→12μm，粗糙度由Ra0.5μm→0.2μm，則發動機效率89%→94%；磁盤磁頭與磁盤間距離，近期達到0.01-0.005μm。第40頁，課件共122頁，創作于2023年2月（3）超精密加工所涉及的技術范圍

超精密加工機理刀具磨損、積屑瘤生成規律、磨削機理、加工參數對表面質量的影響等有其特殊性；超精密加工的刀具、磨具及其制備技術包括刀具的刃磨、超硬砂輪的修整；超精密加工機床設備機床精度、剛度、抗振性、微量進給機構；

第41頁，課件共122頁，創作于2023年2月精密測量及補償技術有相應級別的測量裝置，具有在線測量和誤差補償；嚴格的工作環境恒溫、凈化、防振和隔振等。第42頁，課件共122頁，創作于2023年2月（1）超精密切削對刀具的要求

極高的硬度、極高的耐用度和極高的彈性模量，保證刀具壽命和尺寸耐用度；刃口能磨得極其鋒銳，刃口半徑ρ值極小，能實現超薄的切削厚度；刀刃無缺陷，避免刃形復印在加工表面；抗粘結性好、化學親和性小、摩擦系數低、能得到極好的加工表面完整性。3.3.2超精密切削加工第43頁，課件共122頁，創作于2023年2月（2）天然單晶金剛石刀具的性能特征極高的硬度HV6000-10000,而TiC僅為HV2400，WC為HV2400；能磨出鋒銳刃口刃口半徑可達納米，普通刀具5-30μm；與有色金屬摩擦系數低、親和力小與鋁的摩擦系數僅為0.06-0.13；耐磨性好，刀刃強度高刀具磨損極慢，刀具耐用度極高。第44頁，課件共122頁，創作于2023年2月（2）天然單晶金剛石刀具的性能特征

天然單晶金剛石被公認為不能代替的超精密切削刀具材料;但僅用于有色金屬的切削加工.第45頁，課件共122頁，創作于2023年2月（3）超精密切削時的最小切削厚度

如圖：A點位置與摩擦系數μ（剪切角θ）有關：當μ=0.12時，可得：hDmin=0.322ρ當μ=0.26時，可得：hDmin=0.249ρ若hDmin=1nm，要求刀具刃口半徑ρ為3-4nm。

極限切削厚度與刃口半徑的關系第46頁，課件共122頁，創作于2023年2月超精密磨削：是最主要黑色金屬超精密加工手段，精度<=0.1μm，表面粗糙度<Ra0.025μm。(1)超精密磨削砂輪金剛石砂輪：較強的磨削能力，較高的磨削效率，磨削速度12-30m/s；CBN砂輪：較好的熱穩定性和化學惰性，價格較貴，磨削速度80-100m/s。3.3.3超精密磨削加工第47頁，課件共122頁，創作于2023年2月超硬磨料砂輪結合劑：

樹脂結合劑：能保持良好鋒利性，磨粒保持力小；

金屬結合劑：耐磨性好，磨粒保持力大，自銳性差，砂輪修整困難。

陶瓷粘結劑：化學穩定性高、耐熱、耐酸堿，脆性較大。

第48頁，課件共122頁，創作于2023年2月(2)超硬磨料砂輪的修整車削法用金剛筆車削金剛石砂輪，修整成本高；磨削法用普通砂輪進行對磨，修整效率和質量較好，普通砂輪磨損消耗量較大；噴射法將碳化硅、剛玉等磨粒高速噴射到砂輪表面，去除部分結合劑，使超硬磨粒突出；

電解在線修銳法（ELID)應用電解原理完成砂輪修銳過程；

電火花修整

應用電火花放電原理完成砂輪修整。第49頁，課件共122頁，創作于2023年2月在線電解修銳法電火花修整法

第50頁，課件共122頁，創作于2023年2月(3)磨削速度和磨削液金剛石

12-30m/s立方氮化硼 80-100m/s熱穩定性好；磨削液的作用潤滑、冷卻、清洗，滲透性、防銹、提高切削性能；油性液潤滑性能好，水溶性液冷卻性能好。第51頁，課件共122頁，創作于2023年2月（1）精密主軸部件滾動軸承

回轉精度達1μm,表面粗糙度Ra0.04-0.02μm；液體靜壓軸承

回轉精度≤0.1μm，剛度阻尼大，轉動平穩；不足：液壓油溫升高，影響主軸精度，會將空氣帶入液壓油降低軸承剛度；應用：一般用于大型超精密機床。3.3.4

超精密加工機床設備第52頁，課件共122頁，創作于2023年2月空氣靜壓軸承高回轉精度、工作平穩，溫升小；不足：剛度較低，承載能力不高；應用：超精密機床中得到廣泛的應用。第53頁，課件共122頁，創作于2023年2月典型液體靜壓軸承主軸結構原理圖1-徑向液壓軸承2-止推液壓軸承

3-真空吸盤

雙半球空氣軸承主軸1-前軸承2-供氣孔3-后軸承4-定位環5-旋轉變壓器6-無刷電動機

7-外殼8-軸9-多孔石墨

第54頁，課件共122頁，創作于2023年2月（2）床身和精密導軌床身要求：抗振、熱膨脹系數低、尺寸穩定性好床身材料：多采用人造花崗巖，尺寸穩定性好、熱膨脹系數低、硬度高、耐磨、不生銹、可鑄造成形，克服了天然花崗巖有吸濕性不足。導軌要求：高直線精度，不得爬行，有液體靜壓導軌、空氣靜壓導軌。第55頁，課件共122頁，創作于2023年2月平面型空氣靜壓導軌示意圖1-靜壓空氣2-移動工作臺3-底座

第56頁，課件共122頁，創作于2023年2月（3）微量進給裝置微量進給裝置要求：分辨率達到0.001-0.01μm；精微進給與粗進給分開；低摩擦和高穩定性；末級傳動元件必須有很高的剛度；工藝性好，容易制造；應能實現微進給的自動控制，動態性能好。第57頁，課件共122頁，創作于2023年2月雙T形彈性變形微進給裝置1-微位移刀夾2、3-T形彈簧4-驅動螺釘5-固定端6-動端

分辨率0.01μm，最大位移20μm，靜剛度70N/μm，第58頁，課件共122頁，創作于2023年2月最大位移15-16μm分辨率0.01μm靜剛度60N/μm壓電陶瓷微進給裝置1-刀夾2-機座3-壓電陶瓷4-后墊塊5-電感測頭6-彈性支承

第59頁，課件共122頁，創作于2023年2月（1）凈化的空氣環境

1μm直徑塵埃會拉傷磁盤表面而不能正確記錄信息；100級超精密加工空氣潔凈度要求：≥0.5μm直徑塵埃個數≤100個/ft3而辦公室百萬個/(ft)3，手術室5萬個/(ft)3

3.3.5

超精密加工環境第60頁，課件共122頁，創作于2023年2月（2）恒定的溫度環境

100mm長鋁合金零件，溫度變化1oC將產生2.25μm的誤差；若要求確保0.1μm加工精度，環境溫度應保持±0.05oC范圍內；當前，已出現±0.01oC的恒溫環境，需多級恒溫。3.3.5

超精密加工環境第61頁，課件共122頁，創作于2023年2月（3）較好的抗振動干擾環境防振：消除自身振動干擾隔振：阻止外部振動美國LLL實驗室超精密機床隔振基礎1-隔振空氣彈簧2-床身3-工作臺

第62頁，課件共122頁，創作于2023年2月第四節高速加工技術

3.4.1高速加工的概念與特征3.4.2高速加工技術的發展與應用3.4.3高速切削加工的關鍵技術3.4.4高速磨削加工第63頁，課件共122頁，創作于2023年2月3.4.1高速加工的概念與特征超高速切削概念示意圖

Salomon切削理論高速切削鋁合金：1000-7000m/min灰鑄鐵：800-3000m/min銅：900-5000m/min鋼：500-2000m/min鈦：100-1000m/min第64頁，課件共122頁，創作于2023年2月高速切削特征切削力低切削變形小，切屑流出速度加快，切削力比常規降低30-90%；熱變形小溫升不超過3oC，90%切削熱被切屑帶走；材料切除率高單位時間內切除率可提高3-5倍；高精度切削激振頻率遠高于機床系統固有頻率，加工平穩、振動小。減少工序工件加工可在一道工序中完成，稱為“一次過”技術（Onepassmaching）第65頁，課件共122頁，創作于2023年2月高速切削機床主軸轉速在20000r/min以上，甚至62000r/min；快速進給40-80m/min；高速切削機理研究包括切屑成形機理、切削力、切削熱等，鋁合金材料研究較為成熟，黑色金屬、難加工材料加工機理尚處探索階段。

3.4.2高速加工發展與應用第66頁，課件共122頁，創作于2023年2月高速切削加工應用航空工業--飛機鋁合金零件、薄層腹板件等直接高速切削加工，不再鉚接。汽車制造--高速加工中心將柔性生產線效率提高到組合機床生產線水平。模具制造--對淬硬鋼模具型腔直接加工，省電加工和手工研磨等工序。第67頁，課件共122頁，創作于2023年2月1、高速主軸精度高、振動小、噪音低、結構緊湊高速化指標：dmn（直徑x轉速）>1*106即為高速，5-10倍于常規速度。3.4.3高速切削加工關鍵技術第68頁，課件共122頁，創作于2023年2月主軸軸承陶瓷混合軸承軸承滾珠為氮化硅陶瓷；密度低，離心力小；彈性模量高，剛度大；摩擦系數低。

軸承潤滑：油脂潤滑、油霧潤滑、油氣潤滑等。氣浮軸承：高回轉精度、高轉速、低溫升，承載能力低。液體靜壓：運動精度高，動態剛度大，有油升影響。磁浮軸承：間隙一般在0.1mm左右，允許更高轉速，達4.0*106以上，控制結構復雜。第69頁，課件共122頁，創作于2023年2月2、快速進給系統滾珠絲桿+伺服電機：加速度達0.6g，進給速度達40-60m/min。直線電機：進給速度可達160m/min，加速度可達2.5-10g。消除了機械傳動間隙和彈性變形，幾乎沒有反向間隙，是未來機床進給傳動的基本形式。第70頁，課件共122頁，創作于2023年2月直線電機結構3基座4磁性軌道5直線電機6直線導軌7直線光柵8平臺9接口電纜10防護罩第71頁，課件共122頁，創作于2023年2月3、高性能的CNC控制系統

快速響應伺服控制，32/64位，多CPU，具有加速預插補、前饋控制、鐘形加減速、精確矢量補償和最佳拐角減速控制等功能。第72頁，課件共122頁，創作于2023年2月4、先進的機床結構

結構特點：床身足夠剛度、強度，高阻尼特性和熱穩定性；立柱和底座整體結構；使用高阻尼特性材料（聚合物混凝土）；防彈玻璃觀察窗。新型機床結構：并聯機床結構。第73頁，課件共122頁，創作于2023年2月六桿并聯機床第74頁，課件共122頁，創作于2023年2月5、高速切削的刀具系統對刀具系統要求：切削熱更多流向刀具，要求抗磨損；必須良好的平衡，可靠定位。刀具材料：硬質合金涂層刀具、陶瓷刀具、聚晶金剛石刀具、立方氮花硼刀具。雙定位刀柄結構：當超過15000r/min時，離心力將使主軸錐孔擴張，降低刀柄連接剛度；該結構刀柄錐部和端面同時與主軸定位，軸向重復定位精度可達0.001mm。

第75頁，課件共122頁，創作于2023年2月HSK型刀柄及其聯接結構第76頁，課件共122頁，創作于2023年2月高速磨削：最高磨削速度達500m/s；實際應用磨削速度在100m/s-250m/s。高速磨削特點：若切除率不變，則單磨粒切削厚度降低，磨削力減小；維持原切削力，可提高進給速度，降低加工時間，提高生產效率；可使粗精合而為一。3.4.3高速磨削加工第77頁，課件共122頁，創作于2023年2月1、高速主軸須配有連續自動動平衡裝置高速磨削關鍵技術：高速主軸動平衡系統1-信號傳送單元2-緊固法蘭盤3-內裝電子驅動平衡塊4-磨床主軸

第78頁，課件共122頁，創作于2023年2月2、高速磨床結構具有高動態精度、高阻尼、高抗振性和熱穩定性直線電機驅動高速平面磨床磨削速度達125m/s，工作臺往復運動達1000st/min，是普通磨床的10倍第79頁，課件共122頁，創作于2023年2月3、高速磨削砂輪砂輪基體：必須考慮高速離心力作用；砂輪磨粒--立方氮化硼和金剛石。高速砂輪典型結構腹板變截面等力矩結構，無中心法蘭孔多個小螺孔安裝固定，降低法蘭孔應力第80頁，課件共122頁，創作于2023年2月4、冷卻潤滑液V液大于等于V砂：

潤滑效果好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砂冷卻潤滑液出口流速的影響第81頁，課件共122頁，創作于2023年2月第五節快速原型制造技術

3.5.1RPM技術的產生和發展3.5.2RPM技術原理3.5.3典型的RPM工藝方法3.5.4RPM技術的應用第82頁，課件共122頁，創作于2023年2月設計人員三維實體產品RPS分層切片數據文件CAD模型三維數字化儀等CAD造型系統80年代末RPM技術首先在美國問世；工業國家稱RPM技術是繼數控技術后又一場技術革命；我國92年進入RPM領域；清華大學、西安交通大學、華中科技大學、北京隆源等單位在RMP設備、材料和軟件方面先后完成了開發和產業化過程；我國MRP許多關鍵技術達到或領先國際先進水平。

3.5.1RPM技術的產生與發展第83頁，課件共122頁，創作于2023年2月

CAD模型建立STL文件生成分層切片。快速堆積成型

RPS分層切片STL文件CAD模型三維數字化儀等CAD造型系統3.5.2RPM技術原理第84頁，課件共122頁，創作于2023年2月1、光敏液相固化法(SLA)特點：可成形任意復雜形狀零件；成形精度高，達±0.1mm；材料利用率高，性能可靠。不足：材料昂貴，光敏樹脂有一定毒性。3.5.3典型的RPM工藝方法SLA工藝原理圖

第85頁，課件共122頁，創作于2023年2月2、選區片層粘結法（LOM）

特點：成形速度快，成形材料便宜，無相變、無熱應力、形狀和尺寸精度穩定不足：成形后廢料剝離費時，不宜制作薄壁零件。LOM工藝原理圖

第86頁，課件共122頁，創作于2023年2月3、選區激光燒結法（SLS）特點：取材廣泛，包括各種可熔粉末材料，不需要支撐材料。SLS工藝原理圖1-激光器2-鋪粉滾筒3-激光窗

4-加工平面5-原料粉末6-生成零件

第87頁，課件共122頁，創作于2023年2月4、熔絲沉積成形法（FDM）特點：無需激光系統，設備簡單，運行費用便宜，尺寸精度高，表面光潔度好，適合薄壁零件。不足：需要支撐材料。FDM工藝原理圖

第88頁，課件共122頁，創作于2023年2月3.5.4RPM技術的應用RPM的應用

第89頁，課件共122頁，創作于2023年2月快速模具制造工藝方法

第90頁，課件共122頁，創作于2023年2月第六節微細加工技術

3.6.1微機械及其特征3.6.2微細加工工藝方法3.6.3微細加工技術的發展與趨勢第91頁，課件共122頁，創作于2023年2月微小機械1-10mm；微機械1μm-1mm；納米機械1nm-1μm。體積小、精度高、重量輕如直徑如發絲的齒輪、開動3mm大小的汽車、花生米大的飛機、在5mm2內放置1000臺的微型發動機。性能穩定、可靠性高微機械體積小，熱膨脹、噪聲、撓曲等影響小，具有抗干擾性，可在較差環境下穩定的工作。3.6.1微機械及其特征第92頁，課件共122頁，創作于2023年2月能耗低、靈敏度、工作效率高不存在信號延遲問題，可進行高速工作。消耗的能量遠小于傳統機械如5*5*0.7mm3微型泵流速是比其體積大得多的小型泵流量的1000倍。多功能和智能化集傳感器、執行器、信號處理和電子控制電路為一體，易于實現多功能化和智能化。制造成本低類似半導體制造工藝。

3.6.1微機械及其特征第93頁，課件共122頁，創作于2023年2月1、超微機械加工利用超小型機床制作毫米級以下的微機械零件難點：微型刀具制造、刀具姿態、加工基準定位等3.6.2微細加工工藝方法微型超精密加工機床結構示意圖為車、銑、磨、電火花加工的多功能微型加工機床，最小設定單位為1nm，單晶金剛石刀具，刀尖圓弧半徑為100nm左右第94頁，課件共122頁，創作于2023年2月2、光刻加工氧化硅晶片表面形成一層氧化層；涂膠涂光致抗蝕劑；曝光通過掩模曝光；顯影曝光部分溶解去除；腐蝕未被覆蓋部分腐蝕掉；去膠將光致抗蝕劑去除；擴散--向需要雜質的部分擴散雜質，以完成整個光刻加工過程。光刻加工工藝示例

第95頁，課件共122頁，創作于2023年2月3、體刻蝕加工技術體微機械加工：用腐蝕方法將硅基片有選擇性地去除部分材料的方法。各向同性腐蝕：以相同速度對所有晶向進行刻蝕；各向異性腐蝕：在不同晶面，以不同速率進行刻蝕，利用晶格取向，可制作如橋、梁、薄膜等不同的結構。第96頁，課件共122頁，創作于2023年2月4、面刻蝕加工技術l在硅基片上淀積磷玻璃犧牲層材料；l腐蝕犧牲層形成所需形狀；l淀積和腐蝕結構材料薄膜層；l除去犧牲層就得到分離空腔微橋結構。制作雙固定多晶硅橋工藝第97頁，課件共122頁，創作于2023年2月5、LIGA技術LIGA技術是由制版、電鑄和微注塑工藝組成，是全新的三維立體微細加工技術。在光致抗蝕劑上生成曝光圖形實體；用曝光蝕刻的圖形實體作電鑄用胎膜，在胎膜上沉積金屬形成金屬微結構件；用金屬微結構件作為注塑模具注塑出所需的微型零件。LIGA工藝過程第98頁，課件共122頁，創作于2023年2月6、封接技術目的：將微機械件連接在一起，使其滿足使用要求。方法：反應封接、淀積密封膜和鍵合技術。反應封接：是將多晶硅結構與硅基片通過氧化反應封接在一起。第99頁，課件共122頁，創作于2023年2月淀積密封膜：是用化學氣相淀積法在構件和襯底之間淀積密封膜。硅-硅直接鍵合：在高溫下依靠硅原子力量直接鍵合在一起形成一個整體；靜電鍵合：將硅和玻璃之間加上電壓產生靜電引力而使兩者結合成一體。第100頁，課件共122頁，創作于2023年2月7、分子裝配技術掃描隧道顯微鏡STM、原子力顯微鏡AFM具有0.01nm分辨率，是精度最高的表面形貌觀測儀。利用其探針尖端可以俘獲和操縱分子和原子，并可按照需要拼成一定的結構，進行分子和原子的裝配制作微機械。第101頁，課件共122頁，創作于2023年2月中國科學院化學研究所用原子擺成中國地圖；美國的IBM公司用掃描隧道顯微鏡STM操縱35個氙原子，在鎳板上拼出了“IBM”三個字母；第102頁，課件共122頁，創作于2023年2月加工方法多樣化兩個領域：微機械加工、半導體化學加工；從單一加工技術向組合加工技術發展。從單純硅材料向著多種類型材料發展如玻璃、陶瓷、樹脂等。提高微細加工的經濟性LIGA出現是微機械進行批量生產的范例。3.6.3微細加工技術的發展與趨勢第103頁，課件共122頁，創作于2023年2月第七節表面工程技術

3.7.1表面改性技術3.7.2表面覆層技術3.7.3復合表面處理技術第104頁，課件共122頁，創作于2023年2月表面工程概念：

表面工程技術是通過運用各種物理、化學或機械工藝過程，來改變基體表面狀態、化學成分、組織結構和應力狀態等，使基體表面具有不同于基體的某種特殊性能，從而達到特定使用要求的一項應用技術。包括表面處理、表面加工、表面涂層、表面改性以及薄膜技術等內容。第105頁，課件共122頁，創作于2023年2月1、激光表面改性是以高能量的激光束快速掃描工件表面，升溫速度可達105-106oC/s，冷卻速度104oC/s,快速自冷淬火,比常規淬火硬度高15-20%，淬火變形非常小，表面無須保護。3.7.1表面改性技術激光表面改性裝置組成示意圖1-全反射鏡2-諧振腔3-部分反射鏡4-導光系統5-彎曲反射鏡6-聚光系統及保護氣通入7-x-y移動工作臺8-氣體交換裝置9-配電盤

10-冷卻裝置11-控制系統第106頁，課件共122頁，創作于2023年2月2、電子束表面改性利用電子能深入金屬表面，與基體金屬原子核碰撞，使被處理金屬表層溫度迅速升高。加熱和冷卻速度快，能量密度大；為激光成本的1/3；結構簡單；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。

電子束產生及工作示意圖1-工作臺2-加工室3-電磁透鏡4-陽極5-柵極6-燈絲7-電源8-電子束9偏轉線圈10-工件

第107頁，課件共122頁，創作于2023年2月3、離子注入表面改性可注入任何元素，不受固溶度和擴散系數影響；離子注入溫度易控制；不氧化、不變形、不軟化，可作最終處理工藝。可控性、重復性好。可獲得兩層以上復合材料，復合層不易脫落。圖3-52離子注入裝置示意圖1-離子源2-質量分析器3-高壓電極4-加速管5-聚焦電極6-X掃描電極7-Y掃描電極8-中性束9-試樣室第108頁，課件共122頁，創作于2023年2月熱噴涂技術

3.7.2表面覆層技術粉末火焰噴涂大氣等離子噴涂爆炸噴涂第109頁，課件共122頁，創作于2023年2月氣相沉積技術物理氣相沉積PVD將鍍料氣化成原子、分子或離子，直接沉積到基體表面。真空蒸鍍將工件放入真空室內加熱，使鍍膜材料蒸發或升華，飛至工件表面凝聚成膜；濺射鍍膜用荷能粒子轟擊材料表面，使其獲得足夠能量，飛濺變為氣相，在基體表面上沉積；離子鍍膜利用氣體放電使物質離子化，在氣體離子轟擊下把蒸發物沉積在基體上成膜。第110頁，課件共122頁，創作于2023年2月化學氣相沉積CVD借助氣相作用和在基體表面上的化學反應生成所要求的薄膜。第111頁，課件共122頁，創作于2023年2月滲鈦與離子滲氮復合熱處理；滲碳、滲氮、碳氮共滲；液體碳氮共滲與高頻感應加熱表面淬火的復合強化；激光與離子滲氮復合處理；表面覆層技術與其他表面處理的復合技術；離子輔助涂覆；離子注入與氣相沉積復合表面改性。3.7.3復合表面處理技術第112頁，課件共122頁，創作于2023年2月第八節現代特種加工技術

3.8.1激光加工3.8.2超聲波加工3.8.3水射流切割