机械制造工艺学讲义第六章机械制造技术的发展第一节精密与特种加工的产生背景制造技术的发展已经有了几千年的历史。现代的智能控制自动化制作和现代的超精密加工及纳米加工，代表了当前先进制造技术发展的重要方向。由手现代科学技术的迅猛发展，机械工业、电子工业、航空航工业、化学工业等，尤其是国防工业部门，要求尖端科学技术产品向高精度、高速度、大功率、小型化方向发展，以及在高温、高压、重载荷或腐蚀环境下长期可靠地工作，为了适应这些要求，各种新结构、新材料和复杂形状的精密零件大量出现，其结构和形状越来越复杂，材料的性能越来越强韧，对精度要求越来越高，对加工表面粗糙度和完整性要求越来越严格，使机械制造面临着一系列严峻的任务：（1）解决各种难切削材料的加工问题。如硬质合金、钛合金、火钢、金刚石、石英以及锗、硅等各种高硬度、高强度、高韧性、高脆性的金属及非金属材料的加工。（2）解决各种特殊复杂型面的加工问题。如喷气涡轮机叶片、锻压模等的立体成型表面，炮管内膛线、喷油嘴和喷丝头上的小孔、窄缝等的加工。（3）解决各种超精密、光整零件的加工问题。如对表面质量和精度要求很高的航天航空陀螺仪、激光核聚变用的曲面镜等零件的精细表面加工，形状和尺寸精度要求在0.1um以上，表面粗糙度R，要求在0.01um以下。（4）特殊零件的加工问题。如大规模集成电路、光盘基片、微型机械和机器人零件、细长轴、薄壁零件、弹性元件等低刚度零件的加工。要解决上述一系列问题，仅仅依靠传统的切削加工方法很难实现，有些根本无法实现。在生产的道切需求下，人们通过各种渠道，借助于多种能量形式不断研究和探索新的加工方法，精密和特种加工技术就是在这种环境和条件下产生和发展起来的。目前，精密与特种加工已经成为制造领域不可缺少的重要方面：在难切削材料、复杂型面、精细零件、低刚度零件、模具加工、快速原形制造以及大规模集成电路等领域发挥着越来越重要的作用。2石河子大学机械电气工程学院
机械制造工艺学讲义 石河子大学机械电气工程学院 2 第六章 机械制造技术的发展 第—节 精密与特种加工的产生背景 制造技术的发展已经有了几千年的历史。现代的智能控制自动化制作和现 代的超精密加工及纳米加工，代表了当前先进制造技术发展的重要方向。 由于现代科学技术的迅猛发展，机械工业、电子工业、航空航工业、化学 工业等，尤其是国防工业部门，要求尖端科学技术产品向高精度、高速度、大 功率、小型化方向发展， 以及在高温、高压、重载荷或腐蚀环境下长期可靠 地工作，为了适应这些要求，各种新结构、新材料和复杂形状的精密零件大量 出现，其结构和形状越来越复杂，材料的性能越来越强韧，对精度要求越来越 高，对加工表面粗糙度和完整性要求越来越严格，使机械制造面临着一系列严 峻的任务： ⑴ 解决各种难切削材料的加工问题。如硬质合金、钛合金、淬火钢、金刚 石、石英以及锗、硅等各种高硬度、高强度、高韧性、高脆性的金属及非金属 材料的加工。 ⑵ 解决各种特殊复杂型面的加工问题。如喷气涡轮机叶片、锻压模等的立 体成型表面，炮管内膛线、喷油嘴和喷丝头上的小孔、窄缝等的加工。 ⑶ 解决各种超精密、光整零件的加工问题。如对表面质量和精度要求很高 的航天航空陀螺仪、激光核聚变用的曲面镜等零件的精细表面加工，形状和尺 寸精度要求在 0.1μm 以上，表面粗糙度 Ra 要求在 0.01μm 以下。 ⑷ 特殊零件的加工问题。如大规模集成电路、光盘基片、微型机械和机器 人零件、细长轴、薄壁零件、弹性元件等低刚度零件的加工。 要解决上述一系列问题，仅仅依靠传统的切削加工方法很难实现，有些根 本无法实现。在生产的迫切需求下，人们通过各种渠道，借助于多种能量形式， 不断研究和探索新的加工方法，精密和特种加工技术就是在这种环境和条件下 产生和发展起来的。 目前，精密与特种加工已经成为制造领域不可缺少的重要方面．在难切削 材料、复杂型面、精细零件、低刚度零件、模具加工、快速原形制造以及大规 模集成电路等领域发挥着越来越重要的作用
机械制造工艺学讲义第二节精密与特种加工的特点及其对机械制造领域的影响精密与特种加工是一门多学科的综合高级技术，要获得高精度和高质量的加工表面，不仅要考虑加工方法本身，而且涉及被加工的工件材料、加工设备及工艺装备、检测方法、工作环境和人的技艺水平等等。精密与特种加工技术与系统论、方法论、计算机技术、信息技术、传感器技术、数字控制技术的结合，促成了精密与特种加工系统工程的形成。精密加工包括微细加工、光整加工和精整加工等，与特种加工关系密切。特种加工是指利用机、光、电、声、热、化学、磁、原子能等能源来进行加工的非传统加工方法（NTM，Non-TraditionalMachining），它们与传统切削加工的不同特点主要有：①主要不是依靠机械能，而是主要用其他的能量（如电能、热能、光能声能以及化学能等）去除工件材料：②刀具的硬度可以低于被加工工件材料的硬度，有些情况下，例如在激光加工、电子束加工、离子束加工等加工过程中，根本不需要使用任何工具③在加工过程中，工具和工件之间不存在显著的机械切削力作用，工件不承受机械力，特别适合于精密加工低刚度零件。由于具有上述特点，就总体而言，特种加工技术可以加工任何硬度、强度、韧性、脆性的金属、非余属材料或复合材料，而且特别适合于加工复杂、微细表面和低刚度的零件，同时，有些方法还可以用于进行超精密加工、镜面加工、光整加工以及纳米级（原子级）的加工。特种加工技术不仅可以采取单独的加工方法，更可以采用复合加工的方法。精密与特种加工技术引起了机械制造领域内的许多变革：（1）提高了材料的可加工性。工件材料的可加工性不再与其硬度、强度、韧性、脆性等有直接的关系。金刚石、硬质合金、淬火钢、石英、玻璃、陶瓷等是很难加工的，现在已经采用电火花、电解、激光等多种方法来加工制造刀具、工具、拉丝模等等：用电火花、线切割加工萍火钢比未萍火钢更容易。（2）改变了零件的典型工艺路线。传统加工中，除磨削加工以外，其他的切削加工、成型加工等都必须安排在率火热处理工序之前，这是不可违反的工艺准则。精密与特种加工技术的出现后，为了免除加工后再引起萍火热处理变形，一般都是先率火处理而后加工。如电火花线切割加工、电解加工等都必须先进3石河子大学机械电气工程学院
机械制造工艺学讲义 石河子大学机械电气工程学院 3 第二节 精密与特种加工的特点及其对机械制造领域的影响 精密与特种加工是一门多学科的综合高级技术，要获得高精度和高质量的 加工表面，不仅要考虑加工方法本身，而且涉及被加工的工件材料、加工设备 及工艺装备、检测方法、工作环境和人的技艺水平等等。精密与特种加工技术 与系统论、方法沦、计算机技术、信息技术、传感器技术、数字控制技术的结 合，促成了精密与特种加工系统工程的形成。 精密加工包括微细加工、光整加工和精整加工等，与特种加工关系密切。 特种加工是指利用机、光、电、声、热、化学、磁、原子能等能源来进行 加工的非传统加工方法（NTM，Non-Traditional Machining），它们与传统切削 加工的不同特点主要有： ① 主要不是依靠机械能，而是主要用其他的能量（如电能、热能、光能、 声能以及化学能等）去除工件材料； ② 刀具的硬度可以低于被加工工件材料的硬度，有些情况下，例如在激光 加工、电子束加工、离子束加工等加工过程中，根本不需要使用任何工具； ③ 在加工过程中，工具和工件之间不存在显著的机械切削力作用，工件不 承受机械力，特别适合于精密加工低刚度零件。 由于具有上述特点，就总体而言，特种加工技术可以加工任何硬度、强度、 韧性、脆性的金属、非余属材料或复合材料，而且特别适合于加工复杂、微细 表面和低刚度的零件，同时，有些方法还可以用于进行超精密加工、镜面加工、 光整加工以及纳米级（原子级）的加工。 特种加工技术不仅可以采取单独的加工方法，更可以采用复合加工的方法。 精密与特种加工技术引起了机械制造领域内的许多变革： ⑴ 提高了材料的可加工性。工件材料的可加工性不再与其硬度、强度、韧 性、脆性等有直接的关系。金刚石、硬质合金、淬火钢、石英、玻璃、陶瓷等 是很难加工的，现在已经采用电火花、电解、激光等多种方法来加工制造刀具、 工具、拉丝模等等；用电火花、线切割加工淬火钢比未淬火钢更容易。 ⑵ 改变了零件的典型工艺路线。传统加工中，除磨削加工以外，其他的切 削加工、成型加工等都必须安排在淬火热处理工序之前，这是不可违反的工艺 准则。精密与特种加工技术的出现后，为了免除加工后再引起淬火热处理变形， 一般都是先淬火处理而后加工。如电火花线切割加工、电解加工等都必须先进
机械制造工艺学讲义行淬火处理后再加工。精密与特种加工的出现还对以往工序的“分散”和“集中”产生了影响。由于精密与特种加工过程中没有显著的机械作用力，即使是较大的、复杂的加工表面，往往使用一个复杂工具、简单的运动轨迹，经过一次安装、一道工序加工出来，工序比较集中。（3）大大缩短新产品试制周期。试制新产品时，采用精密与特种加工技术可以直接加工出各种特殊、复杂的二次曲面体零件，可以省去设计和制造相应的刀具、夹具、量具、模具以及二次工具，大大缩短新产品的试制周期。（4）对产品零件的结构设计产生很大的影响。例如山形硅钢片冲模，以往常采用镶拼式结构，现在采用电火花、线切割加工技术后，即使是硬质合金的模具或刀具，也可以制成整体式结构。(5）对传统的结构工艺性好与坏的衡量标准产生重要影响。以往普遍认为方孔、小孔、弯孔、窄缝等是工艺性差的典型，是设计人员和工艺人员非常“忌讳”的，有的甚至是机械结构的“禁区”。对于电火花穿孔加工、电火花线切割加工来说，加工方孔和加工圆孔的难易程度是一样的。有了电火花和线切割之后，现在为了避免淬火处理产生开裂、变形等缺陷，还特意把钻孔、开槽等安排在淬火处理之后。第三节精密与特种加工的方法及分类1.加工成形的原理精密与特种加工从加工成形的原理和特点来分类，可以分为去除加工、结合加工、变形加工三大类。去除加工文称为分离加工，是从工件上去除多余的材料，例如金刚石刀具精密车削、精密磨削、电火花加工、电解加工等。结合加工是利用理化方法将不同材料结合（Bonding）在一起。按结合的机理、方法、强弱等又可以分为附着（Deposition）、注入（Injection）、连接（Jointed）三种。附着加工又称为沉积加工，是在工件表面上覆盖一层物质，为弱结合，例如电镀、气相沉积等。注入加工文称为渗入加工，是在工件的表层注入某些元素，使之与工件基体材料产生物化反应，以改变工件表层材料的力学、机械性质，属于强结合，例如表面渗碳、离子注入等。连接是将两种相同或不同的4石河子大学机械电气工程学院
机械制造工艺学讲义 石河子大学机械电气工程学院 4 行淬火处理后再加工。 精密与特种加工的出现还对以往工序的“分散”和“集中”产生了影响。 由于精密与特种加工过程中没有显著的机械作用力，即使是较大的、复杂的加 工表面，往往使用一个复杂工具、简单的运动轨迹，经过一次安装、一道工序 加工出来，工序比较集中。 ⑶ 大大缩短新产品试制周期。试制新产品时，采用精密与特种加工技术可 以直接加工出各种特殊、复杂的二次曲面体零件，可以省去设计和制造相应的 刀具、夹具、量具、模具以及二次工具，大大缩短新产品的试制周期。 ⑷ 对产品零件的结构设计产生很大的影响。例如山形硅钢片冲模，以往常 采用镶拼式结构，现在采用电火花、线切割加工技术后，即使是硬质合金的模 具或刀具，也可以制成整体式结构。 ⑸ 对传统的结构工艺性好与坏的衡量标准产生重要影响。以往普遍认为方 孔、小孔、弯孔、窄缝等是工艺性差的典型，是设计人员和工艺人员非常“忌 讳”的，有的甚至是机械结构的“禁区”。对于电火花穿孔加工、电火花线切割 加工来说，加工方孔和加工圆孔的难易程度是一样的。有了电火花和线切割之 后，现在为了避免淬火处理产生开裂、变形等缺陷，还特意把钻孔、开槽等安 排在淬火处理之后。 第三节 精密与特种加工的方法及分类 1．加工成形的原理 精密与特种加工从加工成形的原理和特点来分类，可以分为去除加工、结 合加工、变形加工三大类。 去除加工又称为分离加工，是从工件上去除多余的材料，例如金刚石刀具 精密车削、精密磨削、电火花加工、电解加工等。 结合加工是利用理化方法将不同材料结合（Bonding）在一起。按结合的机 理、方法、强弱等又可以分为附着（Deposition）、注入（Injection）、连接（Jointed） 三种。附着加工又称为沉积加工，是在工件表面上覆盖一层物质，为弱结合， 例如电镀、气相沉积等。注入加工又称为渗入加工，是在工件的表层注入某些 元素，使之与工件基体材料产生物化反应，以改变工件表层材料的力学、机械 性质，属于强结合，例如表面渗碳、离子注入等。连接是将两种相同或不同的
机械制造工艺学讲义材料通过物化方法连接在一起，例如焊接、粘结等。变形加工文称为流动加工，是利用力、热、分子运动等手段使工件产生变形，改变其尺寸、形状和性能，例如锻造、铸造、液晶定向等。表1-1列出了上述三大类精密与特种加工方法，范围十分广泛。从材料在加工过程中的流动来分析，去除加工是便工件材料逐步减少，一部分工件材料变成切屑的加工，这种流动称为分散流。结合加工是使工件材料在加工过程中逐步增加的加工，这种流动称之为汇合流。近年来，提出和发展了电铸、晶体生长、分子束外延、快速成形加工等加工方法，突破了传统加工大多局限手分离去除和表面结合加工的概念，特别是快速成形加工是一种利用离散/堆积成型技术的分层制造方法，将一个三维空间实体零件分散为在某个坐标方向上的若干层有很小厚度的三维实体，由于厚度很小，可按二维实体成型，再叠加而成为所需零件的原型。变形加工是指在加工过程中工件材料基本不变的加工，称为直通流。2.加工方法机理从加工方法的机理来分类，精密与特种加工可以分为传统加工、非传统加工、复合加工。传统加工是指使用刀具进行的切削加工以及磨削加工；非传统加工是指利用机、光、电、声、热、化学、磁、原子能等能源来进行加工的特种加工方法：复合加工是指采用多种加工方法的复合作用，其中包括传统加工和非传统加工的复合、非传统加工与非传统加工的复合，进行优势互补、相辅相成的加工。表1-2列出了按刀具切削加工、磨料加工、特种加工、复合加工分类的各种常用的精密加工方法，及其所用的工具、所能达到的精度和表面粗糙度、被加工材料及应用情况。第四节精密与特种加工技术的地位和作用自前，先进制造技术已经是一个国家经济发展的重要手段之一，许多发达国家都十分重视先进制造技术的水平和发展，利用它进行产品革新、扩大生产5石河子大学机械电气工程学院
机械制造工艺学讲义 石河子大学机械电气工程学院 5 材料通过物化方法连接在一起，例如焊接、粘结等。 变形加工又称为流动加工，是利用力、热、分子运动等手段使工件产生变 形，改变其尺寸、形状和性能，例如锻造、铸造、液晶定向等。 表 1-1 列出了上述三大类精密与特种加工方法，范围十分广泛。 从材料在加工过程中的流动来分析，去除加工是使工件材料逐步减少，一 部分工件材料变成切屑的加工，这种流动称为分散流。 结合加工是使工件材料在加工过程中逐步增加的加工，这种流动称之为汇 合流。 近年来，提出和发展了电铸、晶体生长、分子束外延、快速成形加工等加 工方法，突破了传统加工大多局限于分离去除和表面结合加工的概念，特别是 快速成形加工是一种利用离散／堆积成型技术的分层制造方法，将—个三维空 间实体零件分散为在某个坐标方向上的若干层有很小厚度的三维实体，由于厚 度很小，可按二维实体成型，再叠加而成为所需零件的原型。变形加工是指在 加工过程中工件材料基本不变的加工，称为直通流。 2．加工方法机埋 从加工方法的机理来分类，精密与特种加工可以分为传统加工、非传统加 工、复合加工。 传统加工是指使用刀具进行的切削加工以及磨削加工； 非传统加工是指利用机、光、电、声、热、化学、磁、原子能等能源来进 行加工的特种加工方法； 复合加工是指采用多种加工方法的复合作用，其中包括传统加工和非传统 加工的复合、非传统加工与非传统加工的复合，进行优势互补、相辅相成的加 工。 表 1-2 列出了按刀具切削加工、磨料加工、特种加工、复合加工分类的各 种常用的精密加工方法，及其所用的工具、所能达到的精度和表面粗糙度、被 加工材料及应用情况。 第四节 精密与特种加工技术的地位和作用 目前，先进制造技术已经是一个国家经济发展的重要手段之一，许多发达 国家都十分重视先进制造技术的水平和发展，利用它进行产品革新、扩大生产
机械制造工艺学讲义和提高国际经济竞争能力，美国、日本、德国等国家的经济发展在世界上处于领先水平的重要原因之一，就是他们把先进制造技术看作是现代国家在经济上获得成功的关键因素。日本在第二次大战后，二为了迅速恢复经济，大力发展制造技术，特别是精密加工技术，使机械制造业的水平有了很大的提高，有力地支持了相关工业领域的发展，在汽车制造业和微电子工业方面取得了显著的成绩，在短短的30年中，从一个战败国发展为世界上的经济强国。发展先进制造技术是当前世界各国发展国民经济的主攻方向和战略决策，同时又是一个国家独立自主、繁荣富强、经济持续稳定发展、科技保持先进领先的长远大计。从先进制造技术的技术实质而论，主要有精密、超精密加工技术和制造自动化两大领域，前者追求加工上的精度和表面质量极限，后者包括了产品设计、制造和管理的自动化，不仅是快速响应市场需求、提高生产率、改善劳动条件的重要手段，而且是保证产品质量的有效举措，两者有密切的关系，有许多精密、超精密加工要依靠自动化技术才得以达到预期指标，制造自动化通过精密加工才能准确可靠地实现。两者具有全局的决定性的作用，是先进制造技术的支柱。自前，精密与特种加工技术水平是一个国家制造工业水平的重要标志之一。精密加工所能达到的精度、表面粗糙度、加工尺寸范围和几何形状是一个国家制造技术水平的重要标志之一。精密与特种加工技术已经成为国际竞争中取得成功的关键技术。发展尖端技术，发展国防工业，发展微电子工业等，都需要精密与特种加工技术来制造相关的仪器、设备。在制造自动化领域，已经进行了大量有关计算机辅助制造软件的开发，还进行了计算机集成制造（CIM）技术，生产模式如精良生产、敏捷制造、虚拟制造以及清洁生产和绿色制造等研究。这些都代表了当今社会高新制造技术的一个重要方面。但是，作为制造技术的主战场，作为真实产品的实际制造，必然要依靠精密加工技术。例如，计算机工业的发展不仅要在软件上，还要在硬件上，亦即在集成电路芯片上有很强的设计、开发和制造能力。目前我国集成电路的制造水平制约了计算机工业的发展。6石河子大学机械电气工程学院
机械制造工艺学讲义 石河子大学机械电气工程学院 6 和提高国际经济竞争能力。 美国、日本、德国等国家的经济发展在世界上处于领先水平的重要原因之 —，就是他们把先进制造技术看作是现代国家在经济上获得成功的关键因素。 日本在第二次大战后，二为了迅速恢复经济，大力发展制造技术，特别是精密 加工技术，使机械制造业的水平有了很大的提高，有力地支持了相关工业领域 的发展，在汽车制造业和微电子工业方面取得了显著的成绩，在短短的 30 年中， 从—个战败国发展为世界上的经济强国。 发展先进制造技术是当前世界各国发展国民经济的主攻方向和战略决策， 同时又是一个国家独立自主、繁荣富强、经济持续稳定发展、科技保持先进领 先的长远大计。 从先进制造技术的技术实质而论，主要有精密、超精密加工技术和制造自 动化两大领域，前者追求加工上的精度和表面质量极限，后者包括了产品设计、 制造和管理的自动化，不仅是快速响应市场需求、提高生产率、改善劳动条件 的重要手段，而且是保证产品质量的有效举措，两者有密切的关系，有许多精 密、超精密加工要依靠自动化技术才得以达到预期指标，制造自动化通过精密 加工才能准确可靠地实现。两者具有全局的决定性的作用，是先进制造技术的 支柱。 目前，精密与特种加工技术水平是一个国家制造工业水平的重要标志之一。 精密加工所能达到的精度、表面粗糙度、加工尺寸范围和几何形状是一个国家 制造技术水平的重要标志之—。 精密与特种加工技术已经成为国际竞争中取得成功的关键技术。发展尖端 技术，发展国防工业，发展微电子工业等，都需要精密与特种加工技术来制造 相关的仪器、设备。 在制造自动化领域，已经进行了大量有关计算机辅助制造软件的开发，还 进行了计算机集成制造（CIM）技术，生产模式如精良生产、敏捷制造、虚拟 制造以及清洁生产和绿色制造等研究。这些都代表了当今社会高新制造技术的 一个重要方面。但是，作为制造技术的主战场，作为真实产品的实际制造，必 然要依靠精密加工技术。例如，计算机工业的发展不仅要在软件上，还要在硬 件上，亦即在集成电路芯片上有很强的设计、开发和制造能力。目前我国集成 电路的制造水平制约了计算机工业的发展