现代制造工艺技术

第7章现代制造技术

教学目标与要求

◆了解现代制造技术的发展水平与趋势

◆了解特种加工技术的原理、特点及应用

◆了解现代制造生产模式及其发展趋势

教学重点

◆现代制造技术的发展水平与趋势

◆特种加工技术的原理、特点及应用

7.1现代制造技术概述

与传统制造技术比较，现代制造技术具有如下特征。

（1）系统性

由于计算机技术、信息技术、传感技术、自动化技术和先进管理等技术的引入，并与传统制造技术的结合，现代制造技术成为一个能够驾驭生产过程中的物质流、信息流和能量流的系统工程；而传统制造技术一般只能驾驭生产过程中的物质流和能量流。

（2）广泛性

传统制造技术通常只是指将原材料变为成品的各种加工工艺；而现代制造技术则贯穿了从产品设计、加工制造到产品销售及使用维护的整个过程，成为“市场—设计开发—加工制造—市场”的大系统。

（3）集成性

传统制造技术的学科专业单一、独立，相互间界限分明；而现代制造技术由于专业和学科间的不断渗透、交叉、融合，其界限逐渐淡化甚至消失，技术趋于系统化、集成化，已发展成为集机械、电子、信息、材料和管理技术为一体的新型交叉学科—制造系统工程。

（4）动态性

现代制造技术是针对一定的应用目标，不断吸收各种高新技术而逐渐形成和发展起来的新技术，因而其内涵不是绝对的和一成不变的。反映在不同的时期、不同的国家和地区，现代制造技术有其自身不同的特点、重点、目标和内容。

（5）实用性

现代制造技术的发展是针对某一具体的制造需求而发展起来的先进、实用的技术，有着明确的需求导向。现代制造技术不是以追求技术的高新度为目的，而是注重产生最好的实践效果，以促进国家经济的快速增长和提高企业的综合竞争力。

7.2现代制造工艺技术

7.2.1现代制造工艺

现代制造工艺的发展主要表现在如下几个方面。

（1）制造加工精度不断提高

随着制造工艺技术的进步与发展，机械制造加工精度得到不断提高。18世纪，加工第1台蒸汽机所用的汽缸镗床，其加工精度为1mm；19世纪末，机械制造精度也仅为0.05mm；20世纪初，由于能够测量0.001mm千分尺和光学比较仪的问世，加工精度向微米级过渡，成为机械加工精度发展的转折点；到了20世纪50年代末，实现了微米级的加工精度；在最近的一二十年内，机械制造加工精度提高了1～2个数量级，有了较快的发展，达到10nm的技术水平。现在测量超大规模集成电路所用的电子探针，其测量精度已达到0.25nm。预计在

不远的将来，可实现原子级的加工和测量。

（2）切削加工速度迅速提高

随着刀具材料的发展和变革，在近一个世纪时期内，切削加工速度提高了一百至数百倍。20世纪前，切削刀具是以碳素钢作为刀具材料，由于其耐热温度低于200℃，所允许的切削速度不超过10m/min；20世纪初，出现了高速钢，其耐热温度为500～600℃，可允许的切削速度为30～40m/min；到了20世纪30年代，硬质合金开始得到使用，刀具的耐热温度达到800～1000℃，切削速度很快提高到每分钟数百米。随后，相继使用了陶瓷刀具、金刚石刀具和立方氮化硼刀具，而陶瓷刀具和立方氮化硼刀具，切削速度达到每分钟一千米至数千米。

（3）新型工程材料的应用推动了制造工艺的进步和变革

超硬材料、超塑材料、高分子材料、复合材料、工程陶瓷、非晶与微晶合金、功能材料等新型材料的发展与应用，对制造工艺提出了新的挑战：一方面迫使在通常机械加工工艺方法中要不断改善刀具材料的切削性能，改进机械加工制造设备，使之满足新材料的机械加工要求；另一方面探求应用更多的物理、化学、材料科学的现代知识来开发新型的制造工艺，以便更有效地适应新型工程材料的加工。

（4）自动化和数字化工艺装备的发展提高了机械加工的效率

由于微电子、计算机、自动检测和控制技术与制造工艺装备相结合，使工艺装备实现了从单机到系统、从刚性到柔性、从简单到复杂等不同档次的多种自动化转变，使工艺过程的检测和控制方式和手段发生了质的变化，可以使整个工艺过程和工艺参数得到实时的优化，大大提高了加工制造的效率和质量。

（5）零件毛坯成型在向少、无余量方向发展

零件毛坯成型是机械制造的第1道工序，有铸造、锻造、冲裁、焊接和轧制等常用工艺。随着人们对人类生存资源的节省和保护意识的提高，要求零件毛坯成型精度向少、无余量方向发展，使成型的毛坯接近或达到零件的最终形状和尺寸，磨削后即可参与装配。因而，出现了熔模精密铸造、精密锻造、精密冲裁、冷温挤压、精密焊接和精密切割等新工艺。

（6）优质清洁表面工程技术的形成和发展

表面工程技术是通过表面涂覆、表面改性、表面加工及表面的复合处理，来改变零件表面的形态、化学成分和组织结构，以获取与基体材料不同性能要求的一项应用技术。虽然人们使用表面技术已有悠久的历史，然而形成一门表面工程独立学科只是近20年的事。

7.2.2超精密加工技术

超精密加工是指加工精度和表面质量达到极高程度的精密加工工艺，从概念上讲具有相对性，随着加工技术的不断发展，超精密加工的技术指标也是不断变化的。目前，一般加工、精密加工、超精密加工以及纳米加工可以划分如下。

（1）一般加工

加工精度在10μm左右、表面粗糙度R a值在0.3～0.8μm的加工技术，如车、铣、刨、磨、镗、铰等。一般加工适用于汽车、拖拉机和机床等产品的制造。

（2）精密加工

加工精度在10～0.1μm、表面粗糙度R a值在0.3～0.03μm的加工技术，如金刚车、金刚镗、研磨、珩磨、超精加工、砂带磨削、镜面磨削和冷压加工等。精密加工适用于精密机床、

精密测量仪器等产品中的关键零件的加工，如精密丝杠、精密齿轮、精密蜗轮、精密导轨、精密轴承等。

（3）超精密加工

加工精度在0.1～0.01μm、表面粗糙度R a值在0.03～0.05μm的加工技术，如金刚石刀具超精密切削、超精密磨料加工、超精密特种加工和复合加工等。超精密加工适用于精密元件、计量标准元件、大规模和超大规模集成电路的制造。目前，超精密加工的精度正处在亚纳米级工艺，正在向纳米级工艺发展。

（4）纳米加工

加工精度高于10-3μm（纳米，1nm=10-3μm）、表面粗糙度R a值小于0.005μm的加工技术，其加工方法大多已不是传统的机械加工方法，而是诸如原子、分子单位加工等方法。

1．超精密切削加工技术

（1）超精密切削对刀具的要求

为实现超精密切削，刀具应具有如下的性能。

①极高的硬度、耐用度和弹性模量，以保证刀具有很长的寿命和很高的尺寸耐用度。

②刃口能磨得极其锋锐，刃口半径ρ值极小，能实现超薄的切削厚度。

③刀刃无缺陷，因切削时刃形将复印在加工表面上，而不能得到超光滑的镜面。

④与工件材料的抗黏结性好、化学亲和性小、摩擦系数低，能得到极好的加工表面完整性。

（2）金刚石刀具的性能特征

目前超精密切削刀具用的金刚石为大颗粒（0.5～1.5克拉，1克拉=200mg）、无杂质、无缺陷、浅色透明的优质天然单晶金刚石，它具有如下的性能特征。

①具有极高的硬度，其硬度达到6000～10000HV；而TiC仅为3200HV；WC为2400HV。

②能磨出极其锋锐的刃口，且切削刃没有缺口、崩刃等现象。普通切削刀具的刃口圆弧半径只能磨到5～30μm，而天然单晶金刚石刃口圆弧半径可小到数纳米，没有其他任何材料可以磨到如此锋利的程度。

③热化学性能优越，具有导热性能好、与有色金属间的摩擦因数低、亲和力小的特征。

④耐磨性好，刀刃强度高。金刚石摩擦系数小，与铝之间的摩擦系数仅为0.06～0.13，如切削条件正常，刀具磨损极慢，刀具耐用度极高。因此，天然单晶金刚石虽然昂贵，但被一致公认为是理想的、不能代替的超精密切削的刀具材料。

（3）超精密切削时的最小切削厚度

超精密切削实际能达到的最小切削厚度与金刚石刀具的锋锐度、使用的超精密机床的性能状态、切削时的环境条件等直接有关。

极限最小切削厚度h Dmin与刀具刀刃锋锐度（即刃口半径ρ）关

系如图7-1所示。图中A为极限临界点，在A点以上被加工材料将

堆积起来形成切屑，而在A点以下，加工材料经弹性变形形成加工

表面。A点的位置可由切削变形剪切角θ确定，剪切角θ又与刀具材

料的摩擦系数μ有关：当μ=0.12时，可得h Dmin= 0.322ρ；当μ=0.26

时，可得h Dmin= 0.249ρ。

图7-1 极限切削厚度与刃口