【文档说明】第9章机械制造技术的发展趋势.pptx，共(36)页，904.043 KB，由精品优选上传

转载请保留链接：https://www.ichengzhen.cn/view-260365.html

以下为本文档部分文字说明：

第9章机械制造技术的发展机械制造技术的发展趋势9.1精密加工与超精密加工9.2非传统加工方法9.3【学习目标】1．了解机械制造技术的发展趋势2．了解精密加工与超精密加工概念、加工环境、分类及加工方法3．非传统加工方法（

电火花、电解、超声波、激光）加工及其工作原理9.1机械制造技术的发展趋势9.1.1机械制造技术的地位与发展作为国民经济支柱产业的制造业是全面建设小康社会的第一位支柱产业，是国家高技术产业的基础和国家安全的重要

保障。个性化的需求及制造的全球化、信息化，对传统的观念和生产组织方式也面临着重大的挑战，即新技术革命的挑战、信息时代的挑战、有限资源与日益增长的环保压力的挑战、制造全球化和贸易自由化、消费观念的挑战。现代机械制造技术是传统制造技术、电器

自动化技术、信息技术、管理技术的综合应用，信息技术促进着设计技术的现代化，加工制造的精密化、快速化，自动化技术的柔性化、智能化，整个制造过程的网络化、全球化。各种机械生产模式如柔性制造系统（FlexibleManufacturingS

ystem，FMS）、计算机集成制造系统（ComputerIntegratedManufacturingSystem，CIMS）、并行工程（ConcurrentEngineering，CE）、精良生产（Lean

Production，LP）、敏捷制造（AgileManufacturing，AM）和及时生产（JustInTime，JIT）等是当前制造系统的新概念，最近又提倡面向制造的设计（DesignForManufacturing，DFM）、面向装配的设计（DesignForAs

sembly，DFA）甚至面向价值的设计（DesignForValue，DFV）等。9.1机械制造技术的发展趋势9.1.1机械制造技术的地位与发展在工业发达国家都把机械制造技术作为国家级关键技术和优先发展的领域。尽管决定

国家综合竞争力的因素有多种，但制造业的基础地位不能忽视。20世纪90年代以来，各发达国家和地区，如美国、日本、欧共体等都针对机械制造技术的研发提出了国家级发展计划，旨在提高本国制造业的国际竞争能力。目前我国已成为

一个制造大国，但还不是制造强国。这表现在许多现代制造基础技术尚未掌握，许多重大装备不能自主制造，缺乏自主创新能力。据统计，我国发电设备、机床和汽车等产品的产量居世界前列，却没有一家装备制造企业能跻身世界500强；我国汽车年产量已达300万辆，可具有自

主知识产权的设计极少；我国光电子制造设备的90%、IC制造装备的85%、高档数控机床的70%都需进口。9.1机械制造技术的发展趋势9.1.2机械制造技术发展展望机械制造技术的发展将具有以下3个特点。1．制造科学理论体系不断完善现

代制造正从技艺、技术走向科学。“数字化”将是建立制造科学理论体系的关键，它将贯穿设计、制造和控制等整个制造过程，如制造中从几何量、控制量的数字化到物理量、知识、经验的数字化等；“虚拟化”将在产品制造、制造系统运行全过程中广泛应用，是使预测和评价科学化的重

要手段；“集成化”将使制造技术和管理更加深入和广泛地融合，其本质是知识与信息的集成；“网络化”可为制造企业设计、生产、管理与营销等提供跨地域的运行环境，使制造业走向全球化、整体化和有序化；“智能化”将显著提高制造企业、系统和单元（装备）适应环境的能力，提

高对海量和不完整信息的处理能力以及相互间主动协调和协同能力。运作的自律性、组织结构的柔性、响应的敏捷性是智能化典型特征，也是制造科学理论重要特色。加工精度的“精密化”、加工尺度“细微化”、加工要求和条件的“极限化”都是当今制造科学与技术发展研究的焦点。9.1机械制造技术的

发展趋势6.1.2机械制造技术发展展望2．机械制造技术的内涵与外延将在与其他相关科学的交叉融合中不断丰富和发展下一代航天、航空产品的制造将与材料科学、空间物理学等紧密结合；制造科学与生命科学、生物学交叉的生物制造、仿生制造将得到较大的发展；精微制造的机理

和控制技术将得益于与量子力学、材料科学、微电子科学等的深度融合；数字制造、智能制造的发展将更加依赖于与现代数学、系统科学、管理科学的综合。所以未来10～15年将是制造科学与技术同其他相关学科交叉融合大发展时期，尤其是制造基础科学可望有一些新的突破。3．绿色制造将是机械制造技术发展的重点

人类社会发展必将走向与自然界和谐，制造必须充分保护自然环境，保护社会环境、生产环境和生产者身心健康。制造必然要走“绿色”之路，这是实现国民经济可持续发展的重要条件。9.2精密加工与超精密加工6.2.1精密加工与超精密加工在国民经济中的作用就机械制造技术的技术实质性而论，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。两者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。两者有密切关系，许多精密和超精密加工要依靠自动化技术以达到

预期指标，而不少制造自动化有赖于精密加工才能准确可靠实现。两者具有全局的、决定性的作用，是机械制造技术支柱。1．精密加工与超精密加工是国家制造工业水平的重要标志精密加工与超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。例如：金刚石刀具切削刃钝圆半径大小是金刚石刀具超精密切削的一个关键技术参数，国外声称已达到2nm，而我国尚处于亚微米（100nm以上）水平；又如金刚石微粉砂轮超精密磨削在国外已用于生产

，使制造水平有大幅度提高，突出地解决了超精密磨削磨料加工效率低的问题。9.2精密加工与超精密加工9.2.1精密加工与超精密加工在国民经济中的作用2．精密加工和超精密加工是机械制造技术的基础和关键当前，在制造自动化领域，进行了大量有关计算机辅助制造软件

的开发，如计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工程分析（CAE）、计算机辅助工艺过程设计（CAPP）、计算机辅助制造（CAM）等，统称计算机辅助工程（CAX）；又如面向装配的设计（DFA）、面向制造的设计（DFM）等，统称为面向工程的设计（DFX）；又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，这些都是十分重要和必要的，代表了当前高新制造技术的重要方面。但是，作为制造技术的主战场，作为真实产品的实际制造，必然要靠精密加工和超精密加工技术。表6-1列举了

几种典型精密零件的加工精度。零件加工精度表面粗糙度激光光学零件形状误差0.1mRa0.01～0.05m多面镜平面度误差0.04mRa＜0.02m磁头平面度误差0.04mRa＜0.02m零件加工精度表

面粗糙度磁盘波度0.01～0.02mRa＜0.02m雷达导波管平面度垂直度误差＜0.1mRa＜0.02m卫星仪表轴承圆柱度误差＜0.01mRa＜0.002m天体望远镜形状误差＜0.03mRa＜0.01m9.2精密加工与超精密加

工9.2.2精密加工与超精密加工技术内涵及范畴现代制造业持续不断地致力于提高加工精度和加工表面质量，主要目标是提高产品性能、质量和可靠性，改善零件互换性，提高装配效率。精密加工和超精密加工技术是精加工重要手段

，对尖端技术的发展起着十分重要的作用。图6-1所示为各种加工机床和测量仪器的加工精度随时代发展的情况。由图可见，普通机械加工的加工精度从过去的毫米级向微米级发展，精密加工则从10微米级向纳米级发展，超精密加工正在向纳米级工艺发展。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，从概念上讲两者是相对的，随着加工技术的不断发展，今天的超精密加工可能是明天的精密加工。9.2精密加工与超精密加工9.2.2精密加工与超精密加工技术内涵及范畴1．一般加工一般加工是指加工精度在10m左右、表面粗糙度Ra值在0.3～0.8m的加工技术。如车、

铣、刨、磨、镗、铰等。适用于汽车、拖拉机和机床等产品制造。2．精密加工精密加工是指加工精度在10～0.1m，表面粗糙度Ra值在0.3～0.03m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。适用于精密机床、精密测量仪器等产品中的

关键零件加工，如精密丝杠、精密齿轮、精密蜗轮、精密导轨、精密轴承等。3．超精密加工超精密加工是指加工精度在0.1～0.01m，表面粗糙度Ra值在0.03～0.05m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。其适用于精密元件、计量标准元件、大

规模和超大规模集成电路制造。目前，超精密加工精度正处在亚纳米级工艺，正在向纳米级工艺发展。4．纳米加工纳米加工是指加工精度高于10−3m（纳米，1nm=10−3m），表面粗糙度Ra小于0.005m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。9.2精密加工与超精密加工9.2.2精密加工与超精密加工技术内涵及范畴精密与超精密加工按加工机理和加工方法来分，可分为去除加工、结合加工和变形加工，如表6-2所示。分类加工机理加工方法示例

去除加工电物理加工电化学加工力学加工热蒸发（扩散、溶解）电火花加工（电火花成形，电火花线切割）电解加工、蚀刻、化学机械抛光切削、磨削、研磨、抛光、超声加工、喷射加工电子束加工、激光加工结合加工附着加工化学电化学热熔化化学镀、化学气相沉积电镀、电铸真空蒸镀、熔化镀注入加工化学电化学热熔

化力物理氧化、氮化、活性化学反映阳极氧化掺杂、渗碳、烧结、晶体生长离子注入、离子束外延连续加工热物理化学激光焊接、快速成形化学粘接变形加工热流动黏滞流动分子定向精密锻造、电子束流动加工、激光流动加工精密铸造、压铸、注塑液晶定向9.

2精密加工与超精密加工9.2.3精密与超精密加工环境1．恒温温度增加1℃时，100mm长的钢件就可能会产生1m的伸长。所以精密与超精密加工要求加工环境的温度保持在（20±0.06）℃之间。实现方法：大、小恒温间加局部恒温（恒温罩、恒温油喷淋）控制。2．恒湿要求加工室内相对湿

度在35%～45%之间，波动为±10%～±1%。实现方法：采用空气调节系统控制。3．净化尘埃如果落在工件表面上，可能将表面拉伤；如落在测量仪器上，会造成检验者判断错误。所以生产加工的空气洁净度要求为10

000～100级范围内（100级系指每立方英尺空气中所含大于0.5m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。4．防震机床震动对精密加工和超精密加工有很大的危害。为提高工艺系统的稳定性，要求消除内部干扰，

隔绝外部震动干扰。实现方法：建隔震地基，垫隔震垫层、空气弹簧隔震器等。9.2精密加工与超精密加工9.2.4常用的精密加工、超精密加工和细微加工方法精密与超精密加工方法主要可分为如下两类：第一类是采用金刚石刀具对工件进行

超精密的微细切削和应用磨料磨具对工件进行珩磨、研磨、抛光、精密和超精密磨削等；另一类是采用电化学加工，电子束、离子束、激光加工，微波加工，超声波加工等特种加工方法及复合加工方法对工件进行加工。另外，微细加

工是指制造微小尺寸零件的生产加工技术，它的出现和发展与大规模集成电路有密切关系，其加工原理与一般尺寸加工也有区别，它是超精密加工的一个分支。这里仅介绍金刚石超精密切削、精密磨削及金刚石超精密磨削和光刻细微

加工技术。9.2精密加工与超精密加工9.2.4常用的精密加工、超精密加工和细微加工方法1．金刚石超精密切削金刚石超精密切削主要是应用天然单晶金刚石车刀对铜、铝等软金属及其合金进行切削加工，以获得加工精度为0.1m数量级和表面粗糙度Ra值为0.01m数量级的

一种超精密加工方法。2．精密磨削及金刚石超精密磨削精密磨削是指加工精度为1～0.1m，表面粗糙度Ra值在0.16～0.06m的磨削方法；而金刚石超精密磨削是指加工精度高于0.1m，表面粗糙度Ra值小于0.04～0.02m的磨削方法。3．细微加工技术微机械是科技发展的重要方向，如未来的微型机

器人可以进入到人体血管里去清除“垃圾”、排除“故障”等。微机械是指尺寸为毫米级以及更小的微型机械，而细微加工则是微机械、微电子技术发展的基础，为此世界各国都投入巨资发展细微加工技术，比如当今流行的纳米加工技术。细微加工技术是指制造微小尺寸零件、部件和装置的加工和装配技术，

它属于精密、超精密加工的范畴。因而其工艺技术包括：精密和超精密的切削与磨削方法，大多数特种加工方法，与特种加工有机结合的复合加工方法等3类。认识超精密加工9.3非传统加工方法非传统加工方法也称特种加工（NontraditionalMachining）

，它是相对于一切传统的加工方法而言的，是直接利用电能、热能、光能、声能和化学能进行加工以达到一定的形状、尺寸和表面粗糙度要求的一种方法。非传统加工的种类很多，主要包括电火花加工、电解加工、电解磨削加工、超声波加工、激光加工、离子束加工、电子束加工等。目前，非传统加工不仅有系列化的先

进设备，而且广泛用于机械制造的各个部门，成为机械制造中一种必不可少的重要加工方法。电解加工原理超声波加工原理电火花加工原理激光加工原理9.3非传统加工方法9.3.1电火花加工方法1．电火花加工的基本原理电火花加工是在液

体介质中利用脉冲放电对导电材料的腐蚀作用来去除材料，从而使零件的尺寸、形状和表面质量达到预定技术要求的一种加工方法。电火花加工是在图6-2所示的加工系统中进行的。加工时，脉冲电源的一极接工具电极，另一极接工件电极。两极均浸入具有一定绝缘度的液体介质（常用煤油或矿

物油或去离子水）中。工具电极由自动进给调节装置控制，以保证工具与工件在正常加工时维持一很小的放电间隙（0.01～0.05mm）。图6-2电火花加工原理图1—工件2—脉冲电源3—进给装置4—工具电极5—工作介质6—过滤器7—电泵9.3非传统加工方法9.3.

1电火花加工方法当脉冲电压加到两极之间，便将当时条件下极间最近点的液体介质击穿，形成放电通道。由于通道的截面积很小，放电时间极短，致使能量高度集中（106～107W/mm2），放电区域产生的瞬时高温足以使材料熔化甚至蒸发，以致形成一个小凹坑。第一次脉冲放电结束之后，经过很短的间隔时间，第二个脉冲

又在另一极间最近点击穿放电。如此周而复始高频率地循环下去，工具电极不断地向工件进给，它的形状最终就复制在工件上，形成所需要的加工表面。与此同时，总能量的一小部分也释放到工具电极上，从而造成工具损耗。从上面叙述中可以看出，进行电火花加工必须具备3个条件：必

须采用脉冲电源；必须采用自动进给调节装置，以保持工具电极与工件电极间微小的放电间隙；火花放电必须在具有一定绝缘强度（103～107·m）的液体介质中进行。9.3非传统加工方法6.3.1电火花加工方法2．电火花

的加工特点（1）可以加工任何高强度、高硬度、高韧性、高脆性以及高纯度的导电材料。（2）加工时无明显机械力，适用于低刚度工件和微细结构的加工。（3）脉冲参数可依据需要调节，可在同一台机床上进行粗加工、半精加工和精加工。（4）电火花加工后的表面出现的凹坑，

有利于储油和降低噪声。（5）放电过程有部分能量消耗在工具电极上，导致电极损耗，影响成形精度。3．电火花加工的基本设备电火花加工在特种加工中是比较成熟的工艺，在民用、国防部门和科学研究中已经获得广泛应用，并有很多专业工厂从事生产制造。电火花加工工艺及机床设备的类型较多

，其中应用最广、数量最多的是电火花成形机床和电火花线切割机床。9.3非传统加工方法9.3.2电解加工方法1．电解加工的基本原理与规律电解加工是利用金属在电解液中可以产生阳极溶解的电化学原理来进行工件成形加工的方法。这种电化学现象在机械工业中早已被用来实现电抛光和电镀，电解加工是在电抛光基础

上发展起来的。图6-3为电解加工过程示意图。加工时工件3接直流电源1的正极，成形工具2接直流电源负极，两极之间电压一般为5～25V的低电压，工具向工件作缓慢进给，使两极之间保持一定的间隙（0.1～1mm），具有一定压力（0.5～2.5MPa）的

电解液从间隙中高速（5m/s）流过，使两极间形成导电通道，并在电源电压下产生电流，这时阳极工件的金属被逐渐电解腐蚀，电解产物被电解液带走。电解加工又称电化学加工，是继电火花加工之后于20世纪60年代发展起来的一项新

工艺，目前已广泛应用于枪炮、航空、汽车拖拉机等制造工业和模具制造行业。9.3非传统加工方法9.3.2电解加工方法图6-4所示为电解加工原理图。电解加工刚开始时工件毛坯形状与工具形状是不同的，电极间隙不等，如图6-4（a）所示。这样间隙小的地方电场强度高，电流密度大(

即图中竖线密)，电解液的流速也较高，因此金属溶解速度也较快；反之，工具与工件距离较远处加工速度较慢，随着工具不断向工件进给，间隙大致相同，电流密度趋于一致时，工件阳极表面的形状就逐渐与阴极形状相近，由此完成工件的电解加工。电解液是电解加工的关键

因素。电解液的种类、浓度、温度、压力及流速等直接影响电解过程，从而影响生产率和加工质量。其主要作用是：（1）作为导电介质传递电流；（2）在电场作用下进行电化学反应，使阳极溶解能顺利而有控制地进行；（3）及时带走电解产物及热量，起更新与冷却作用。9

.3非传统加工方法9.3.2电解加工方法一种高效电解液应具有高的电导率、低黏度和高的比热容、较好的化学稳定性，并能阻止在工件表面上形成钝化膜，无腐蚀性和毒性，并且有较好的经济性。NaCl水溶液是比较令人满意的一

种，下面以它为例简单分析电解过程中的电极反应。NaCl是一种强电解质，溶于水后几乎全部被电解，弱电解质水有少量电解，因此在电解质溶液中存在着H+、OH−、Na+、Cl−4种离子。外加直流电源使工件（钢铁材料）为阳极，工具为阴极。通电后，溶液在电场力作用下负离子OH−

、Cl−向阳极移动，而阳极表面的铁原子在电源正极电压的作用下放出电子成为正二价铁离子（其电极电位最负）进入电解液中，会与OH−离子化合生成墨绿色的絮状沉淀物Fe(OH)2；Fe(OH)2随电解液的流动而被带走，并逐渐

为电解液及空气中的氧气氧化为黄褐色的Fe(OH)3沉淀。溶液中的Na+、H+向阴极移动，由于H+得电子能力比Na+强（即电极电位最正），故在阴极得到电子还原为氢原子，进而结合成氢气放出。可见，在理想情况下，阳极铁以Fe2+形式被溶解，水被分解消耗，因而电解液浓度稍有变化。

电解液中的Cl−、Na+起导电作用，本身并不消耗，所以NaCl电解液使用寿命长，但钢铁中往往含有多种元素，如在碳钢中存在较多Fe3C时，可能有少量的氯气或氧气析出，它们不但消耗电量，减少金属蚀除量，而且会使表面变粗糙。9.3非传统加工方法9.3.2电解加工方法2

．电解加工的特点及应用（1）特点。①加工范围广。电解加工能加工各种高强度、高硬度、高韧性导电材料，如硬质含金、淬硬钢、不锈钢、耐热合金等难加工材料。②生产效率高。电解加工是特种加工中材料去除速度最快的方法

之一，约为电火花加工的5～10倍。③加工过程中无机械切削力和切削热，没有因为力与热给工件带来变形，可以加工刚性差的薄壁零件，加工表面无残余应力和毛刺，能获得较小的表面粗糙度值（Ra1.25～0.2m）和一定的加工精度(平均尺寸误差约±0.1mm)。④加工过程

中工具阴极理论上无损耗，可长期使用并保持其精度。⑤电解加工不需要复杂的成形运动就可加工复杂的空间曲面，而且不会像传统机械加工(如铣削)那样留下条纹痕迹。⑥电解加工不能加工非导电材料，较难加工窄缝、小孔及尖角。⑦对复杂加工表面的工具电极的设计和制造比较费事，不利于单件、小批生产

。6.3非传统加工方法6.3.2电解加工方法⑧虽然用电解加工制造出来的工件无应力，但其疲劳强度约降低10%～20%，因此对疲劳强度要求较高的工件可用电解加工后的喷丸硬化来恢复强度。⑨电解加工附属设备较多，占地面积大，投资大，且设备易腐蚀和生锈

，需采取一定的防护措施。⑩电解加工的加工缺陷主要有空蚀、产生亮点、加工精度低等。（2）应用。电解加工主要用于切削加工困难的领域，如难加工材料、形状复杂的表面、刚性较差的薄板等。常用的有电解穿孔、电解成形、电解去毛刺、电解切割、电解抛光、电解刻印等。图6-5列

举了几种电解加工的应用。9.3非传统加工方法9.3.3超声波加工方法1．超声波加工的基本原理与特点超声波加工也称超声加工，是利用工具端面做超声频振动，并通过悬浮液中的磨料加工脆硬材料的一种加工方法，加工原理如图6-6。加工时，在工具

2和工件1之间加入液体（水或煤油）和磨料混合的悬浮液3，并将工具以很小的力轻轻压在工件上。超声换能器6产生16000Hz以上的超声频纵向振动，并借助于变幅杆把振幅放大到0.05～0.1mm，驱动工具端面

作超声振动，迫使工作液中的悬浮磨粒以很大的速度和加速度不断撞击、抛磨被加工表面，把加工区的工件局部材料粉碎成很细的微粒，并从工件上撞击下来。虽然每次打击下来的材料很少，但由于每秒钟撞击的次数多达16000次以上，所以仍有一定的加工速

度。同时工作液受工具端面的超声振动作用而产生的高频、交变的液压冲击波和空化作用，将促使工作液进入被加工材料的微裂缝及晶界内，加剧机械破坏作用，有助于提高去除材料的效果。此外，液压冲击波也能促使悬浮工作液在加工间隙中循环，使变钝了的磨粒不断更新。由此可见，超

声波加工是磨粒在超声振动作用下的机械撞击和抛磨作用以及空化作用的综合结果，其中磨粒的撞击作用是主要的。9.3非传统加工方法9.3.3超声波加工方法既然超声波加工是基于高速撞击原理，因此越是硬脆材料，受冲击破坏作用越大，而韧性

材料则由于它缓冲作用而难以加工。超声波加工有如下特点：适于加工各种硬脆材料，特别是不导电的非金属材料（如陶瓷、玻璃、宝石、金刚石等），扩大了模具材料的选用范围；工具可用较软的材料做成较复杂的形状，不需要工具相对于工件作复杂的运动

，机床结构简单，操作也方便；由于去除加工材料是靠极细小磨粒的瞬时局部的撞击作用，故工件表面的宏观作用力很小，不会引起变形和烧伤，表面粗糙度也较好（Ra=1～0.1m），加工精度可达0.01～0.02mm，而且可以加工薄壁、窄缝、低刚度工件。图6-6超声波加工原理示

意1—工件2—工具3—磨料悬浮液4、5—变幅杆6—换能器7—超声9.3非传统加工方法6.3.3超声波加工方法2．超声波加工设备超声波加工设备如图6-7所示。尽管它们的功率大小及结构形式各有不同，但都是由超声波发生器、超声振动系统（声学部件）、机床本体及磨料工作液循环系统等部分组

成。（1）超声波发生器。超声波发生器是将工频交流电转变为有一定功率输出的超声频交流电，为工具端面震动及去除被加工材料提供能量。超声波加工用的超声波发生器有电子管和晶体管两种类型。电子管式的不仅功率大，而且频率稳定，在大中型超声波加工设备中用

得较多。另一类是晶体管式的，它体积小，能量损耗小，因而发展较快，并有取代电子管的趋势。图6-7CSJ-2型超声波加工机床1—支架2—平衡重锤3—工作台4—工具5—振幅扩大棒6—换能器7—导轨8—标尺9.3非传统加工方法6.3.3超声波加工方法（2）声学部件。声学部件的作用是把高频电能转换成机械震

动，并以波的形式传递到工具端面。声学部件是超声波加工设备中的重要部件，主要由换能器、振幅扩大棒及工具组成。（3）机床及磨料工作液。超声波加工机床一般比较简单，包括支撑声学部件的机架、工作台面，以及使工具以一定压力作用在工件上的进给

机构等，如图6-7所示。平衡锤是用于调节加工压力的。工作液一般为水，为了提高表面质量，也有用煤油的。磨料常用碳化硼、碳化硅或氧化铝。简单的机床的磨料是靠人工输送和更换的。9.3非传统加工方法9.3.3超声波加工方法3．超声波加工的应用超声波加工的生产率虽然比电火花加工和电化学加工等低，但

其加工精度和表面粗糙度都比较好，且能加工半导体、非导体的硬脆材料，如玻璃、石英、陶瓷、宝石及金刚石等。即使是电火花加工后一些淬火钢、硬质合金冲模、拉丝模和塑料模，最后也常用超声波抛磨和光整。（1）型孔、型腔加工。超声波加工

在模具制造行业可用于在脆硬材料上加工圆孔、型孔、型腔、套料及微细孔等，如图6-8所示。（2）切割加工。超声波切割可以加工单晶硅片、陶瓷模块等。（3）超声波抛磨。电火花成形加工及电火花线切割加工后的模具表面是硬脆的，经超声波抛磨以后，可以改善

其表面粗糙度，一般可达Ra0.4～0.8m。9.3非传统加工方法6.3.4激光加工方法从原理上说，激光能适应任何材料的加工制造，尤其在一些有特殊精度和要求、特别场合和特种材料的加工制造方面起着无可替代作用。激光制造技术包含两方面的内容，一是制造激光光源的技术，二是利用激光作为工具的制造技术。前者

为制造业提供性能优良、稳定可靠的激光器以及加工系统，后者利用前者进行各种加工和制造，为激光系统的不断发展提供广阔的应用空间。两者是激光制造技术中不可或缺的环节，不可偏废。激光制造技术具有许多传统制造技术所没有的优势，是一种符合可持续发展战略的绿色制造技术

。例如，材料浪费少，在大规模生产中制造成本低；根据生产流程进行编程控制（自动化），在大规模制造中生产效率高；可接近或达到“冷”加工状态，实现常规技术不能执行的高精密制造；对加工对象的适应性强，且不受电磁干扰，对制造工具和生产环境

的要求低；噪声低，不产生任何有害的射线与残剩，生产过程对环境的污染小等。可以说，激光制造技术必将以其无可替代的优势成为21世纪迅速普及的高新技术。9.3非传统加工方法9.3.4激光加工方法1．激光加工的基本原理（1）激

光。激光就是由于受激发射而放大的光。激光和普通光在本质上都是一种电磁波，但因其产生方法与普通光不同，因而与普通光相比，具有方向性强（几乎是一束平行准直的光束）、单色性好（光的频率单一）、亮度非常高（比太阳表面的亮度还高1010倍）、能量

高度集中、相干性好及闪光时间可以极短等特点。（2）激光器。光和物质体系相互作用时，总是同时存在着自发发射、受激吸收和受激发射３个过程。在正常情况下，物质体系中处于低能级的原子数总比处于高能级的原子数多

，这样，吸收过程总是胜过受激过程。要使受激发射过程胜过吸收过程，实现光放大，就必须以外界激励来破坏原来粒子数分布，使处于低能级的粒子吸收外界能量跃迁到高能级，实现粒子数的反转，即使高能级上的原子数多于低能级上的原子数，这个过程称为激励。激励过程是所有激光器工作的基础和核心。9.3非传统加工方法

9.3.4激光加工方法激光器一般有３个基本组成部分，图6-9所示为红宝石激光器结构示意图图6-9红宝石激光器结构示意图1—全反射镜2、12—冷却水入口3—工作物质4、10—冷却水出口5—部分反射镜6—透镜7—工件8—激光束9—聚光器11—氙灯13—玻璃套管14—电源(含电容组

和触发器)①工作物质。只有能实现粒子数反转的物质才能作为激光器的工作物质。并不是每种物质都能在外界激励下实现粒子数反转的，主要看该物质是否具有合适的能级结构。在红宝石激光器中，其工作物质是一根红宝石晶体棒，棒的两端严格平行且垂直

于棒轴。②谐振腔。其主要作用是使工作物质所产生的受激发射能建立起稳定的振荡状态，从而实现光放大。它由两块反射镜（一块为全反射镜，另一块为部分反射镜）组成，各置于工作物质的一端，并与工作物质轴线垂直。激光从部分反射镜一端输出。9.3非传统加工方法9.3.4激光加工方法③激励能源。其作用

是把工作物质中多余一半的原子从低能级激发到高能级上去，实现工作物质粒子数反转。其方法有电激发、光激发、热激发和化学激发等。红宝石激光器是以脉冲氙灯、电源及聚光器为激励能源，聚光器是椭圆柱形的，其内表面具有高反射率，脉冲氙灯和红宝石晶体棒处于它的两条焦线上。激光加工是一个高温过程。就其机

理而言，一般认为，当能量密度极高的激光照射在被加工表面时，光能被加工表面吸收并转换成热能，使照射斑点的局部区域迅速熔化甚至汽化蒸发，并形成小凹坑，同时也开始了热扩散，结果使斑点周围金属熔化。随着激光能量的继续吸收，凹坑中

金属熔气迅速膨胀，压力突然增加，熔融物被爆炸性地高速喷射出来。其喷射所产生的反冲压力又在工件内部形成一个方向性很强的冲击波。这样，工件材料就在高温熔融和冲击波作用下去除了部分物质，从而打出一个具有一定锥度的小孔。9.3非传统加工方法

9.3.4激光加工方法2．激光加工的特点与应用（1）特点。①加工范围广。由于其功率密度高，几乎能加工任何金属和非金属材料，如高熔点材料、耐热合金、硬质合金、有机玻璃、陶瓷、宝石、金刚石等硬脆材料。②操作简单方便。激光加工不需要

加工工具，所以不存在工具损耗的问题，也不需要特殊工作环境，可以在任意透明的环境中操作，包括空气、惰性气体、真空，甚至某些液体。③适用于精微加工。激光聚焦后的光斑直径极小，能形成极细的光束，可以用来加工深而小的细孔和窄缝。因不需工具，加工时无机械接触，工件不受明显的切削力，可以加工

刚度较差的零件。④激光头不需要过分靠近难于接近的地方去进行切削和加工，甚至可以利用光纤传输进行远距离遥控加工。9.3非传统加工方法9.3.4激光加工方法⑤因能量高度集中，加工速度快、效率高，可减少热扩散带来的热变形。对具有高热传导和高反射率的金属

，如铝、铜和它们的合金，用激光加工时效率较低。⑥可控性好，易于实现自动化。将激光器与机器人相结合，可以在高温、有毒或其他危险环境中工作。（2）应用。在激光加工中利用激光能量高度集中的特点，可以打孔、切割、雕刻

、熔覆及进行表面处理。利用激光的单色性还可以进行精密测量。9.4小结与习题集本章主要介绍机械制造技术的发展趋势，精密加工及超精密加工，现代制造业中非传统加工常用的加工方法、工作原理及基本应用。重点了解精密加工及超精密加工的分类和加工方法，即非传统加工方法原理及应用。非传统加工的加工机理和应

用是难点。P245略。