【正文】 技術(shù)正在以人們想象不到的速度向前發(fā)展。 信息技術(shù)應(yīng)用于先進(jìn)制造技術(shù)，提高了制造技術(shù)的技術(shù)含量，使傳統(tǒng)制造技術(shù)發(fā)生質(zhì)的變化。在 21 世紀(jì)對先進(jìn)制造技術(shù)的各方面發(fā)展將起著更重要的作用。 各種先進(jìn)生產(chǎn)模式的發(fā)展，如 CIMS、并行工程、敏捷制造、虛擬企業(yè)與虛擬制造，也以信息技術(shù)的發(fā)展為支撐。 五．制造過程的集成化 產(chǎn)品的加工、檢測、物流、裝配過程走向一體化。 在生產(chǎn)上專業(yè)車間的概念逐漸淡化，將多種不同專業(yè)的技術(shù)集成在： 一臺設(shè)備 一條生產(chǎn)線 一個工段或車間里的生產(chǎn)方式逐漸增多。 制造科學(xué)包括制造系統(tǒng)和制造過程的 數(shù)學(xué)描述 仿真和優(yōu)化 設(shè)計理論與方法 相關(guān)的機(jī)構(gòu)運動學(xué)和動力 學(xué) 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度 摩擦學(xué)等。 制造科學(xué)是支撐制造技術(shù)理論體系的外在表現(xiàn)。 七．綠色制造將成為 21 世紀(jì)制造業(yè)的重要特征 綠色制造業(yè)顯得越來越重要，是 21 世紀(jì)制造業(yè)的重要特征。主要體現(xiàn)在： (1)綠色產(chǎn)品設(shè)計技術(shù) 使產(chǎn)品在生命周期符合環(huán)保、人類健康、能耗低、資源利用率高的要求。 (3)產(chǎn)品的回收和循環(huán)再制造 例如：汽車等產(chǎn)品的拆卸和回收技術(shù)，以及生態(tài)工廠的循環(huán)式制造技術(shù)。 八．虛擬現(xiàn)實技術(shù)在制造業(yè)中越來越多的應(yīng)用 虛擬現(xiàn)實技術(shù) (Virtual Reality Technology)主要包括虛擬制造技術(shù)和虛擬企業(yè)兩個部 分。 做法：在產(chǎn)品真正制出之前，首先在虛擬制造環(huán)境中生成軟產(chǎn)品原型（ Soft Prototype)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的硬樣品(Hard Prototype)進(jìn)行試驗，對其性能和可制造性進(jìn)行預(yù)測和評價。 虛擬企業(yè)含義： 虛擬企業(yè)是為了快速響應(yīng)某一市場需求，通過信息高速公路，將產(chǎn)品涉及到的不同企業(yè)臨時組建成為一個沒有圍墻、超越空間約束、靠計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系、統(tǒng)一指揮 的合作經(jīng)濟(jì)實體。 九．制造全球化 (Manufacturing Globalization) 先進(jìn)制造技術(shù)的競爭正在導(dǎo)致制造業(yè)在全球范圍內(nèi)的重新分布和組合。 制造產(chǎn)品、市場的國際化及全球通信網(wǎng)絡(luò)的建立，形成國際競爭與協(xié)作氛圍， 21 世紀(jì)制造國際化是發(fā)展的必然趨勢。 從飛機(jī)制造說起 飛機(jī)制造從零件加工到裝配都有不同于一般機(jī)器制造的特點。 加工立體形狀復(fù)雜的大型框架，如座艙風(fēng)擋骨架、艙門、窗框等，還需要采用多坐標(biāo)聯(lián)動的數(shù)控銑床或立體靠模銑床。 1. 制造工藝技術(shù)概述 定義：制造工藝技術(shù)是指將原材料轉(zhuǎn)化成具有一定幾何形狀、一定材料性能和精度要求可用零件的一切過程和方法的總稱。 制造工藝方法歸結(jié)為下圖分類 (P162 圖 51) 19 2. 種加工技術(shù) 一、特種加工的產(chǎn)生及發(fā)展 背景： 傳統(tǒng)的機(jī)械加工已有很久的歷史，它對人類的生產(chǎn)和物質(zhì)文明起了極大的作用。直到有人創(chuàng)造出和改進(jìn)了汽缸鏜床，解決了蒸汽機(jī)主要部件的加工工藝，才使蒸汽機(jī)獲得廣泛應(yīng)用，引起了世界性的第一次產(chǎn)業(yè)革命。 從第一次產(chǎn)業(yè)革命以來，到第二次世界大戰(zhàn)以前，長達(dá) 150 多年，都靠 機(jī)械切削加工，沒有產(chǎn)生對特種加工的迫切要求，也沒有發(fā)展特種加工的充分條件。 1943 年，蘇聯(lián)拉扎連柯夫婦研究電器開關(guān)觸點遭受火花放電腐蝕損壞的現(xiàn)象和原因，發(fā)明了電火花加工方法，用銅絲在淬硬鋼上加工出小孔，首次擺脫了傳統(tǒng)的切削加工方法，直接利用電能和熱能來去除金屬，獲得 ―以柔克剛 ‖的效果。 二、特種加工的特點和種類 目前，已經(jīng)找到了多種加工方法，相對傳統(tǒng)金屬切削加工，這類新加工方法統(tǒng)稱為特種加工，國外稱作非傳統(tǒng)加工 (NonTraditional Machining， NTM)或非常規(guī)機(jī)械加工 (NonConventional Machining， NCM)。 （ 4）加工范圍不受材料物理、機(jī)械性能的限制，能加工任何硬的、軟的、脆的、耐熱或高熔點金屬以及非金屬材料。 （ 6）能獲得良好的加工表面質(zhì)量，熱應(yīng)力、殘余應(yīng)力、冷作硬化、熱影響區(qū)以及毛刺等均比較小。有的還可用于超精加工、鏡面光整加工和納米級 (原子級 )加工。 在 20 世紀(jì) 40 年代開始研究并逐步應(yīng)用于生產(chǎn)。 因放電過程可見到火花，故 稱之為電火花加工，日、英、美稱之為放電加工，前蘇聯(lián)稱電蝕加工。長期以來電腐蝕被認(rèn)為是有害的，人們不斷地研究電腐蝕的原因并設(shè)法減輕和避免它。 （ 1）必須使工具電極和工件被加工表面之間保持一定的放電間隙。 間隙過小，容易形成短路接觸，同樣也不能產(chǎn)生火花放電。 （ 2)火花放電必須是瞬時的脈沖性放電，放電延續(xù)一段時間后，需停歇一段時間，放電延續(xù)時間一般為10—7～ 10—3 s。為此，電火花加工必須采用脈沖電 源。 液體介質(zhì)又稱工作液，它們必須具有較高的絕緣強(qiáng)度，以利于產(chǎn)生脈沖性的火花放電。 以上問題的綜合解決通過下圖所示電火花加工系統(tǒng)來實現(xiàn) 21 （ 1）是不接觸加工 工具電極和工件之間并不直接接觸而有一個火花放電間隙 (0． 1—0． 01 mm)，間隙中充滿煤油工作液。 （ 3）可以 ―以柔克剛 ‖ 由于電火花加工直接利用電能和熱能來去除金屬材料，與工件材料的強(qiáng)度和硬度等關(guān)系不大 ,因此 ,可以用軟的工具電極加工硬的工件 ,實現(xiàn) 以柔克剛 （ 1）可以加工任何難加工的金屬材料和導(dǎo)電材料?？梢杂密浀墓ぞ呒庸び岔g的工件，及超硬材料。 由于可以簡單地將工具電極的形狀復(fù)制到工件上，因此特別適用于復(fù)雜表面形狀工件的加工，如復(fù)雜型腔模具加工等。 由于加工中工具電極和工件不直接接觸，沒有機(jī)械加工的切削力，因此適宜加工低剛度工件及微細(xì)加工，目前已能加工出 0． 005 mm 的短微細(xì)軸和 0． 008mm 的淺微細(xì)孔，以及直徑小于 1 mm 的齒輪。 古代仕女頭像紀(jì)念品沖壓 模 四、激光加工技術(shù) (P164) 1897 年 ,美國科幻小說《星球大戰(zhàn)》 (《 The War of the Worlds》 )中描述： ―他們 (火星人 )用某些方法產(chǎn)生強(qiáng)大的熱平行束，射向任何他們所選中的目標(biāo) …… ，經(jīng)它的接觸，可燃物爆發(fā)出火焰，鉛變成液體，鐵被軟化，玻璃碎裂并熔化，水沸騰化為蒸汽。 1960 年，美國休斯實驗室 (Hughes Laboratories)的梅曼 (H． Maiman)成功地制成了世界上第一臺激光器，人們對激光的想象也終于變 成了現(xiàn)實。 激光裝置發(fā)出的激光 1 激光的基本原理 ―激光 ‖一詞譯自英語 ―LASER‖，臺灣學(xué)者將它音譯為 ―鐳射 ‖。它是從 ―Light Amplification by Stimulated Emission Of Radiation?‘各詞取第一個字母縮寫而成的，直譯過來就是 ―受激輻射放大的光 ‖。我們先來談?wù)勈芗ぽ椛涫窃趺椿厥隆? 根據(jù)丹麥物理學(xué)家波爾 (Bohr)的原子軌道論，核外電子只能沿若干可能的運行軌道之一繞核運轉(zhuǎn)。 通常原子都運行在能量最低的能級狀態(tài)下，這個狀態(tài)是最穩(wěn)定的狀態(tài)，我們稱之為基態(tài)。圖 2—1 簡單說明了原子受激躍 遷的過程。 處于激發(fā)態(tài)的原子不穩(wěn)定，它在外來輻射的作用下會發(fā)射一個光子，并由激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)。 原子受激產(chǎn)生能級躍遷示意圖 受激輻射出的光子又會激發(fā)另外的原子產(chǎn)生受激輻射，如此循環(huán)下去，光便得到了放大。 ２ .激光的特性 激光的特性是亮度高、方向性和單色性好。脈沖激光器產(chǎn)生的激光亮度比太陽表面亮度高1010 倍。 （２）方向性好：光源的方向性是指光束發(fā)散角的大小。 （３）單色性好：單色性是指激光譜線寬度的范圍。 ３ .激光加工技術(shù)的應(yīng)用 激光加工 ——指將激光束照射到待加工材料的表面，利用激光束的能量熔合材料或去除材料以及改 變材料的表面性能從而達(dá)到加工目的。 （２）激光加工分類 23 根據(jù)激光束與材料相互作用的機(jī)理，大體可將激光加工分為激光熱加工和光化學(xué)反應(yīng)加工兩類。 激光熱加工包括激光焊接、激光切割、表面改性、激光打標(biāo)等； 光化學(xué)反應(yīng)包括光化學(xué)沉積、立體光刻、激光刻蝕等。 １）固體激光器工作原理 下圖是固體激光器工作原理圖 當(dāng)激光工作物質(zhì)釔鋁石榴石受到光泵 (激勵脈沖氙燈 )的激發(fā)后，吸收具有特定波長的光，在一定條件下可導(dǎo)致工作物質(zhì)中的亞穩(wěn)態(tài)粒子數(shù)大于低能級粒子數(shù)，這種現(xiàn)象稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。激光通過透鏡聚焦形成高能光束照射在工件表面上，即可進(jìn)行加工。在后者中有時還包括根據(jù)加工要求驅(qū)動工作臺的自動控制裝置。為此，它至少含有激光聚焦裝置和觀察瞄準(zhǔn)裝置兩個部分。 ５）工作臺 由人工控制或采用數(shù)控裝置控制，在三坐標(biāo)方向移動，方便又準(zhǔn)確地調(diào)整工件位置。 工作臺上方的聚焦物鏡下設(shè)有吸、吹氣裝置，以保持工作表面和聚焦物鏡的清潔。 應(yīng)根據(jù)工件材料合理選用激光器。 對于高反射率和高透射率的工件要在打孔前做打毛或黑化處理。當(dāng)焦點位置很低時，透過工件表面的光斑面積很大，不僅會產(chǎn)生很大的喇叭口，而且由于能量密度減小而影響加工深度。 如焦點位置太高會使光斑面積隨著深入工件表面而愈來愈大，以致無法將孔打透。 一般應(yīng)使焦點恰恰在或者微低于工件表面為宜。 所以要盡量減小激光束的發(fā)散角，盡可能采用短焦距物鏡 (20 mm 左右 )。 ４）輸出功率與照射時間的影響 激光輸出功率大，照射時間長，工件所獲得的激光能量就大。 激光的照射時間一般為幾分之一到幾毫秒。 5）照射次數(shù)的影響 用激光照射一次，加工的深度大約是孔徑的五倍左右，且錐度較大。 光管效應(yīng)： 孔的深度不與照射次數(shù)成比例，加工到一定深度后，由于孔內(nèi)壁的反射、透射，激光的散射或吸收，以及拋出力減小、排屑困難等原因，使孔前端的能量密度不斷減小，加工量也逐漸減小，以致不能繼續(xù)打下去。從圖中可知 ，照射 20～ 30 次以后，孔的深度到達(dá)飽和值。還可以透過玻璃切割真空管內(nèi)的燈絲，這是任何其它加工方法難以實現(xiàn)的。 大功率的 C02 氣體激光器輸出的連續(xù)激光廣泛用于切割鋼板、鈦板、石英和陶瓷，及用于切割塑料、木材、紙張和布匹等。 為了提高切割速度和切口質(zhì)量，在二氧化碳激光束切割機(jī)的 光束出口處一般都裝有噴嘴，以便在切割過程中同時噴吹氣體。 在切割易燃材料時可噴吹氮氣等惰性氣體以防止燃燒。 激光切割的切口細(xì)窄（切縫寬度一般小于 0． 5mm，也有達(dá)到 lmm 的） 、尺寸精確、表面光潔，質(zhì)量優(yōu)于任何其他熱切割方法。 激光切割設(shè)備投資很高，主要用于 12 毫米以下各種厚度的不銹鋼、鈦和鈦合 金、難熔金屬和貴重金屬的精密切割。 激光切割還適合于某些特殊用途，如外科醫(yī)生用激光作為手術(shù)刀等。 它已獲得廣泛的應(yīng)用，目前國內(nèi)外的線切割機(jī)床已占電加工機(jī)床的 60％以上。 線切割的主要特點 1) 不需制造成形電極，用簡單的電極絲對工件進(jìn)行加工。 2) 電極絲比較細(xì)，可以加工微細(xì)異型孔、窄縫和復(fù)雜形狀的工件。還可 切割帶斜度的模具或工件。 5)自動化程度高，操作方便，勞動強(qiáng)度低。 線切割的應(yīng)用范圍 1)應(yīng)用最廣泛的是加工各類模具，包括切割上沖頭 (凸模 )和下沖模 (凹模 )，如圖 3． 圖 3． 3 所示。 3)加工三維直紋曲面的零件 (需配有數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺 )，如圖 3． 圖 3． 如圖 3． 圖 3. 8 26 4)各種導(dǎo)電材料和半導(dǎo)體材料以及稀有、貴重金屬的切斷。 用線切割割出來的花紋圖案 五、光刻蝕技術(shù) (P166) 兩個重要概念 什么叫集成電路 ? 用半導(dǎo)體晶體材料，經(jīng)平面工藝加工制造，將電路的元件、器件和互連線集成在基片內(nèi)部、表面或基片之上的微小型化電路或系統(tǒng)。 1958 年美國開始研制混合集成電路，即將微型電阻、電容、 晶體二極管 和 晶體三極管 等裝配到一個絕緣基片上，用基片上的金屬化線互連實現(xiàn)某種功能 的電路組件。 利用照相復(fù)制與化學(xué)腐蝕相結(jié)合的技術(shù)，在工件表面制取精密、微細(xì)和復(fù)雜薄層圖形的化學(xué)加工方法。 光刻蝕 ————就使用電磁波頻譜中的光束或電子、 X 射線和離子等射線，將光致抗蝕劑 (光刻膠 )形成規(guī)定圖形的微細(xì)加工方法。 ②用精縮照像機(jī)把該圖縮小到元件尺寸的十倍左右， ③再利用分步重復(fù)照像機(jī)進(jìn)一步縮到和元件尺寸相同的掩膜 (稱之為母掩膜 )， ④母掩膜經(jīng)翻拍復(fù)印成工作 (光刻 )掩膜，制作電路時只用工作掩膜。 正性膠經(jīng)曝光后，被光照射過的部分難于被顯影液溶解，故顯影圖形中未被光照射過的部分形成窗口。 曝光光源 發(fā)展了 電子束、離子束、 X 射線。 3)顯影與烘片 顯影 利用曝光區(qū)與未曝光區(qū)光刻膠溶解度不同，在特定溶劑中把曝光圖呈現(xiàn)出來的處理過程。 4)腐 (刻 )蝕 獲得氧化膜 (Si02 膜等，又稱保護(hù)膜 )圖形的最終工序是圖形刻蝕。 刻蝕方法分為 濕刻 (或稱腐蝕 )法 (化學(xué) ) 把硅片浸泡在一定的化學(xué)試劑或試劑溶液中，使沒有被抗蝕劑掩蔽的那一部分薄膜表面與試劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而被除去 ,是傳統(tǒng)的刻蝕方法。它在低氣壓的真空室中被抽走，從而實現(xiàn)刻蝕。 5)剝膜與檢查 剝膜 清除殘留腐蝕液后用剝膜液去除光刻膠的處理。 六、電子束加工與光刻技術(shù) (P168) 電子束的熱效應(yīng) 電子槍 (見下圖 )產(chǎn)生的電子在真空室內(nèi)經(jīng)電磁透鏡 聚焦成小的束斑 (一般束流橫截面直徑為φ 一 lOμm)，同時在高電壓正電極作用下形成高能量密度的高速電