第五篇 先进制造技术

先进制造技术至今还没有一个严格的定义，但却是国际上形成广泛共识的一个概念和已被公认的技术术语。这一广泛共识是：先进制造技术是制造业不断地汲取信息技术、自动化、新材料和现代系统管理技术等方面的成果，并将其综合应用于产品的设计、加工、检测、管理、销售、服务乃至回收的制造全过程，以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活生产，提高对动态多变的产品市场的适应能力和竞争能力的制造技术的总称。

先进制造技术的主要特征：

⒈ 先进制造技术不是一项具体的技术，而是一项综合系统的技术。

⒉ 先进制造技术的先进性是建立在不断地汲取其他相关领域新技术的基础上的，是动态的、相对的。

⒊ 创新是先进制造技术的灵魂，并贯穿于制造全过程（产品创新、生产工艺过程创新、生产手段创新、管理创新、组织创新及市场创新）。

⒋ 技术与管理的结合是先进制造技术的一个突破，对市场变化做出更敏捷的反应及对最佳技术经济效益的追求，使先进制造技术十分重视生产过程组织管理体制的合理化和最佳化。

⒌ 市场和工业界的需求是先进制造技术的出发点与归宿，是先进制造技术的动力和目标。先进制造技术成果的成败取决于生产检验，企业是先进制造技术的创新主体。

从先进制造技术的技术实质而论，主要是精密与超精密加工技术、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。

先进制造技术的核心是优质、高效、低耗、清洁、灵活等基础制造技术，其最终的目标是要提高对动态多变的产品市场的适应能力和竞争能力。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。

第十五章 先进制造技术

对先进制造技术的研究分为四个领域，它们横跨多个学科，并组成了一个有机整体。

⒈ 现代设计技术

⑴ 现代设计方法学 包括并行工程、系统设计、功能设计、模块化设计、价值工程、质量功能配置、反求工程技术、绿色设计、模糊设计、面向对象的设计、工业造型设计。

⑵ 计算机辅助设计技术 包括有限元法、优化设计、计算机辅助设计、模拟仿真和虚拟设计、智能计算机辅助设计、工程数据库。

⑶ 可信性设计 包括可靠性设计、安全性设计、动态分析与设计、防断裂设计、疲劳可靠性设计、减摩和耐磨设计、防腐蚀设计、健壮设计、耐环境设计、维修性设计和维修保障设计、测试性设计、人机工程设计。

⒉ 先进制造工艺技术

⑴ 精密洁净铸造成形工艺

⑵ 精确高效塑性成形工艺

⑶ 优质高效焊接与切割技术

⑷ 优质低消耗洁净热处理技术

⑸ 高效高精机械加工工艺

⑹ 现代特种加工工艺

⑺ 新型材料成形与加工工艺

⑻ 优质清洁表面工程新技术

⑼ 快速模具制造技术

⑽ 拟实制造成形加工技术

⒊ 自动化技术

⑴ 机床数控技术 包括数控装置、进给伺服系统和主轴伺服系统、数控机床的程序编制。

⑵ 工业机器人 包括机器人操作机、机器人控制系统、机器人传感器、机器人生产线总体控制。

⑶ 柔性制造系统（FMS） 包括FMS的加工系统、FMS的物流系统、FMS的调度与控制、FMS的故障诊断。

⑷ 计算机集成制造系统（CIMS）

⑸ 传感技术

⑹ 自动检测及信号识别技术 包括自动检测与计算机辅助检验、信号识别系统、数据获取、数据处理、特征提取、模式识别。

⑺ 过程与设备工况的监测包括过程监视和控制系统、在线反馈质量控制。

⒋ 系统管理技术

⑴ 先进制造模式 包括精益生产、敏捷制造、CIMS、分散网络化制造系统、智能制造。

⑵ 先进管理技术 包括并行工程、制造资源计划（MRPⅡ）与准时生产（JIT）的集成――生产组织方法、基于作业的成本管理、现代质量保障体系、现代管理信息系统、物流系统管理、生产率工程。

⑶ 企业组织 包括虚拟公司理论与组织、企业组织结构的变革、以人为本的团队建设、企业重组工程。

本章将重点介绍先进制造工艺技术、自动化制造系统、工业机器人、先进制造模式、先进制造系统投资项目评价。

第一节 先进制造工艺技术

先进制造工艺技术就是机械工艺不断变化和发展后所形成的制造工艺技术，包括了常规工艺经优化后的工艺，以及不断出现和发展的新型加工方法。

先进制造工艺技术是先进制造技术的核心和基础，任何高级的自动控制系统都无法取代先进制造工艺技术的作用。可以说，一个国家的制造工艺技术水平的高低在很大程度上决定其制造业的技术水平，特别是对于我国这样一个必须拥有独立完整的现代工业体系的大国来说尤其如此。

制造工艺技术是应现代工业和科学技术的发展需求而发展起来的。现代工业和科学技术的发展越来越要求制造加工出来的产品精度更高、形状更复杂，被加工材料的种类和特性更加复杂多样，同时又要求加工速度更快、效率更高，具有高柔性以快速响应市场的需求。现代工业与科学技术的发展又为制造工艺提供了进一步发展的技术支持，如新材料的使用、计算机技术、微电子技术、控制理论技术、信息处理技术、测试技术、人工智能理论与技术的发展与应用都促进了制造工艺技术的发展。

21世纪，加工制造技术的热点和发展趋势大致是：精密超精密加工技术、特种加工技术、超高速切削及超高速磨削技术、微型机械加工技术、新一代制造装备技术及虚拟制造技术等。

一、超精密加工

精密与超精密加工是一个十分广泛的领域，它包括了所有能使零件的形状、位置和尺寸精度达到微米和亚微米范围的机械加工方法。精密与超精密加工是相对而言的，其间的界限随时间的推移而不断变化，因而精密与超精密加工在不同的时期使用不同的尺度来区分。在过去被认为是精密加工的技术，现在就是普通的加工技术，这与科学技术水平不断发展有关。当前，精密加工是指加工精度为1～0.1μm、表面粗糙度为Ra0.1～0.01μm的加工技术，超精密加工是指加工误差小于0.1μm，表面粗糙度小于Ra0.025μm的加工技术。超精密加工已经进入纳米级，并称之为纳米加工及相应的纳米技术。

现代机械工业之所以要致力于提高加工精度，其主要原因在于：提高产品的性能和质量，提高其稳定性和可靠性，促进产品的小型化，增强零件的互换性，提高装配生产率。不管是军事工业还是民用工业都需要这种先进的加工技术。它关系到现代飞机、潜艇的性能和导弹的命中率，大型天文望远镜的反射镜、大规模集成电路的硅片、计算机硬盘等都需要超精密加工。例如，超精密加工使陀螺仪的精度提高一个数量级，使洲际导弹的命中率从500m 提高到50～150m。再如，计算机硬盘的存储量在很大程度上取决于磁头与磁盘之间的距离，即所谓的“飞行高度”，“飞行高度”越小，存储量就越大。从1957年到1982年的25年间磁盘的记忆密度增加了近一万倍。这除了由于原材料的涂覆技术的改进之外，在很大程度上应归功于超精密加工带来的磁盘基片加工精度的提高和表面粗糙度的降低。

超精密加工技术的发展也促进了机械、电子、光学、测量技术及材料科学的发展。从某种意义上来讲，超精密加工担负着支持最新科学技术进步的重要使命。因此各国政府和军方都对超精密加工十分重视，并投入大量的资金和人力来开发这项技术。

精密和超精密加工目前包

括三个领域：

⑴ 精密切削 如超精密金刚石切削，可加工各种镜面，它成功地解决了高精度陀螺仪、激光反射镜、天文望远镜的反射镜的加工。

⑵ 精密和超精密磨削研磨 可以解决大规模集成电路基片的加工和高精度磁盘的加工等。

⑶ 精密特种加工 如电子束、离子束加工。

1． 金刚石精密切削

金刚石具有无与伦比的硬度，是最佳的切削刀具材料。用金刚石刀具进行精密切削，主要用来加工无氧铜、铝合金、黄铜、非电解镍等有色金属和某些非金属材料。在符合条件的机床和环境条件下，可以得到超光滑表面，加工精度<0.01μm、表面粗糙度为Ra0.02～0.005μm。现在金刚石精密切削用于加工陀螺仪、天文望远镜的反射镜、激光切割机床中的反射镜等。金刚石车削还可加工各种红外光学材料如锗、硅等，工件的形状多为非球面，这样就可以大大减少光学元件的数量，因为红外材料的透射率较低，元件少可提高光学系统的透光性，另外还可节约昂贵的红外材料。

在日常消费品中，金刚石精密切削常被用来加工计算机磁盘、激光打印机的多面镜、录像机的磁头、复印机的硒鼓、照相机的塑料镜片。

在大批量生产的产品中，光学元件多采用挤压成形或压注成形。成形所用的型腔多采用金刚石车削来完成。

2．镜面磨削

当磨削后的工件表面反射光的能力达到一定程度时，该磨削过程被称为镜面磨削。镜面磨削的工件材料有脆性材料、金属材料。为了能实现镜面磨削，日本东京大学理化研究所发明了电解在线修整磨削法ELID(Electrolytic In-Process Dressing )。ELID磨削方法最适合于加工平面，磨削后的工件表面粗糙度可达1nm的水平，即使在可见光范围内，这样的表面确实可以作为镜面来使用。ELID磨削的生产率远远超过常规的抛光加工，故在许多应用场合取代了抛光工序。ELID也被用于加工其他几何形状如球面、柱面和环面等。

许多精密及超精密加工方法采用了激光加工、离子束加工等特种加工工艺，开辟了精密加工和超精密的新途径。一些高硬度、脆性的难加工材料，如淬火钢、硬质合金、陶瓷、石英、金刚石等；一些刚度差、加工中易变形的零件，如薄壁零件、弹性零件。在精密及超精密加工时，特种加工已是必要手段，甚至是唯一手段，形成了精密特种加工。

超精密机床是实现超精密加工工艺的重要设备，它在结构原理、精度要求、热平衡及抗振性能方面与普通机床相比有许多特殊要求。超精密加工设备主要要求是高精度、高刚度、高自动化、高稳定性和保持性。

超精密加工的工作环境对加工质量的影响很大。因此，恒温（20℃）、恒湿（55%～60%）、净化和防振等工作环境是保证加工质量的必要条件。

二、超高速加工

通常把切削速度比常规高5~10倍以上的切削叫做超高速切削。如车削700~7000m/min；铣削300~6000m/min；钻削200~1100m/min；磨削150~360m/s。

高速机床必定是精密数控机床。在进行高速切削时，为了保证零件的加工精度，随着机床主轴转速的提高，进给速度也必须大幅度地提高，其进给速度普遍在30～120m/min，其加、减速度达到1g~8g。

切削温度通常随着切削速度升高而升高，但超过一定范围后，切削温度反而随切削速度的升高而下降。在超高速切削时，切屑形态将从带状演变为片状到碎屑，切削热的95%将被切屑带走，切削力至少降低30%以上。超高速切削时，机床的激振频率特别高，远远离开了工艺系统的固有频率，因此工作平稳，工件非常精密、光洁。在高速铣削时，进给速度随切削速度的提高相应提高5～10倍，单位时间材料切削率可增加6倍。由此看来，超高速切削可以提高加工质量和生产率，节约能源，是一项有综合效益的机械加工技术。

超高速切削目前主要用于飞机、汽车及模具工业。飞机制造工业中的轻合金零件特别适合采用超高速切削。这些零件往往用“整体制

造法”制造，即在整块毛坯上切削大量材料，形成高精度的铝合金或钛合金的复杂构件。在加工需要切削大量材料的零件时，采用高速切削有显著效益，比传统加工工艺提高工效3倍。

三、微型机械加工

在机械装置的小型化过程中出现两类机械，小型机械和微型机械。可以这样划分：10～1mm为小型机械，用精密加工的方法可以制造出来；1mm～1μm为微型机械，需要细微加工技术方法才能制造出来；1μm～1nm为纳米机械，是分子级的零件，需要采用生物工程技术制造。其中小型机械是传统机械的小型化，在工作原理、材料结构和设计理论等方面可以借鉴传统机械学。微型机械在尺度、构造、材料、制造方法和加工原理等方面都与传统机械截然不同。

微型机械是指集微型机构、微型传动器以及信号处理和控制电路，甚至外围接口电路、通讯电路和电源等于一体的微型机电系统（Micro Electro-Mechanical Systems，即MEMS）。

微型机械技术是一个新兴的、多学科交叉的高科技领域，它研究和控制物质结构的功能尺寸或分辨能力，达到微米至纳米尺度。微型机械技术涉及电子、电气、机械、材料、制造、信息与自动控制、物理、化学、光学、医学以及生物技术等多种工程技术和科学并集约了当今科学技术的许多尖端成果。

可应用微型机器的领域相当广泛。包括医疗、汽车运输、航空航天、环境、制造、军事等，尤其以其在生物医学、环境、交通和国防领域的应用令人瞩目。如日本名古屋大学研制出不需要电缆的管内移动微型机器人，可用于生物医学（如清理人体血管壁）、小直径管道检测等。

目前微型机械的制造主要采用基于半导体工艺的硅微细加工技术，以及德国研制的LIGA工艺（LIGA是德文Lithographie，Galvanoformung 和Abformung三个词，即光刻、电铸和注塑的缩写）。微型机械制造所用的材料依据制造工艺方法不同而不同，如硅微细加工技术中的单晶硅、多晶硅、氮化硅等；LIGA技术中的镍、铜、金等金属材料和塑料以及功能材料。

目前，微型机械的一个重要发展是：直接制造出装配好的微型机电系统，在微机械与相关的微电子集成在一个基底上，构成机电紧密结合的微系统。在此系统中既有微电子的“大脑”功能（信号处理），又有微机械的“五官、手脚”功能（传感、执行）。它是一个全智能系统，可以独立采集和处理数据并产生执行动作。这将是微电子技术又一里程碑式的进展，其影响将超过微电子技术，并可能引发一场新的技术革命。

具有代表性的微型机械有微型传感器、微马达、微泵等几种。微型机器人是基于微传感器、微执行器、微机械元件、微控制等微机械技术基础上的综合微型技术，是微型机械发展的主要方向。

四、快速原型制造技术

快速原型/零件制造（RPM―Rapid Prototyping/Parts Manufacturing）技术是综合利用CAD技术、数控技术、材料科学、机械工程、电子技术及激光加工技术的技术集成以实现从零件设计到三维实体原型制造一体化的系统技术。RPM技术是直接根据产品CAD的三维实体模型数据，经计算机数据处理后，将三维实体数据模型转化为许多平面模型的叠加，然后直接通过计算机进行控制以制造一系列的平面模型，然后加以联结，即可形成复杂的三维实体。这样研制产品的周期可以显著缩短，研制费用也可以节省。

(a) 零件的设计及分层切片 (b) 零件的成形

图15-1 激光快速成形过程

1．RPM原理

RPM技术采用（软件）离散/（材料）堆积的原理而制造零件。通过离散获得堆积的顺序、路径、限制和方法，通过堆积材料“叠加”起来形成实体。RPM技术的一般步骤是：①建立三维数据模型；②寻找可加工、应用的材料，如流体、粉末、丝线、板材或块体；③使用不同物理原理的高度集成化设备；④零件的堆砌制造；⑤零件的后处理。

零件的快速原型制造过程根据具体使

用的方法不同而有差别，但其基本原理都是相同的。零件的激光快速成形过程如图15-1所示：

首先在CAD系统上设计零件，然后运用CAD软件对零件进行切片分层离散化，分层厚度应根据零件的技术要求和加工设备分辨能力等因素综合考虑。分层后对切片进行网络化处理，所得数据通过计算机进一步处理后生成格式文件，并驱动控制激光加工源在XY平面内进行扫描，使盛在容器中的液态光敏树脂有选择地被固化，从而得到第一层的平面切片形状。此外，计算机控制Z方向的支撑向下运动一个分层切片厚度，然后，激光扫描头又在计算机控制下进行XY方向的扫描，得到第二层的平面切片。激光束在固化第二层的同时，也使其与第一层粘连一起，接着，支撑又向下运动一层切片厚度，激光扫描头又在XY平面内扫描。如此重复工作，直到所有分层切片都被加工出来并粘连成一个整体，则整个零件的扫描造型工作即可完成。之后，通过强紫外光源的照射，使扫描所得的塑胶零件充分固化，从而得到所需要件的塑胶件。

用这一塑胶件借助电铸、电弧喷涂技术，进一步得到由塑胶件制成的金属模具，也可以将塑胶件当作易熔铸模或木模，进一步浇铸金属或制造砂型，从而缩短制模周期。这在产品研制阶段，对于缩短制造周期和节约制模费用是非常有益的；同时，也可将获得的塑胶件作为实验模型，进行有限元分析等研究，为设计性能优越的产品提供可靠的基础。

2．RPM方法

目前已开发出许多RPM方法，通常按制造工艺原理进行分类，主要有：立体印刷成型 （SLA）、层合实体制造（LOM）、选域激光烧结（SLS）、熔融沉积制模（FDM）、三维喷涂粘接（3DPG）、焊接成型（WF）、数码累积造型（DBL）等。

五、特种加工

随着产品向高精度、高速度、高温、高压、大功率、小型化等方向发展，伴随着出现了高硬度、高强度、高韧性、高脆性的金属和非金属材料的难加工问题；以及特殊复杂表面和具有特殊要求的零件加工问题。采用一般机械加工方法有时难以胜任加工工作，特种加工就是在这种前提条件下产生和发展起来的。

特种加工是指切削加工以外的一切新的去除加工方法，它与切削加工有着明显的区别。

⒈ 切削加工是靠机械能来切除多余材料，而特种加工是以电能、化学能、光能、声能、热能等来实现对零件材料加工的。

⒉ 特种加工用的工具材料硬度可以低于被加工工件材料的硬度，甚至可以不用加工工具。

⒊ 特种加工过程中工具与工件之间不存在明显的机械切削力。

由于特种加工具有上述特点，所以就总体而言，特种加工可以加工任何硬度、强度、韧性、脆性的金属或非金属材料，且专长于加工复杂、微细表面和低刚度零件，同时，有些方法还可以进行超精加工、镜面光整加工和纳米级加工。

1―直流脉总电源 2一工件 3一工作液 4一工具电极 5一自动进给调节装置

图15-2 电火花加工原理

（一）电火花加工

⒈ 电火花加工的基本原理

电火花加工（Electrical Discharge Machining 简称EDM）是利用工具和工件（正、负电极）之间脉冲性电火花放电时的电腐蚀现象来除去工件上的多余金属以实现加工目的，如图15-2所示。电火花腐蚀的主要原因是：电火花放电时火花通道中瞬时产生大量的热，达到很高的温度，使电极表面的金属局部融化甚至气化蒸发而被蚀除，形成放电凹坑。

实现电火花加工必须具备的条件：

⑴ 工具和工件被加工表面之间经常保持一定的间隙（通常为几微米至几百微米）。若极间间隙过大，则极间的脉冲电压不能击穿极间绝缘介质，就不会产生火花放电。若间隙过小，很容易形成短路接触，同样不能产生火花放电。因此，在电火花加工过程中，必须具有自动调整装置以保证两极间的合理间隙。

15-3 电脉冲波形环

⑵ 火花放电必须是脉冲性放电(脉宽0.1～1000μs，脉间不小于10μs), 这样

才能使放电所产生的热量来不及传导扩散到其余部分，而仅仅使放电区域产生瞬时高温。否则像持续电弧放电那样就只能用于电焊或电割，无法用于尺寸加工。如图15-3所示，t

为脉冲间隙，t

为脉冲宽度。

⑶ 火花放电必须在有一定绝缘性能的液体介质进行，如去离子水、煤油、皂化液等。液体介质必须具有较高的绝缘强度，以利于产生脉冲性的火花放电。同时也起着排除电蚀产物（如金属屑、碳黑等）和冷却电极的作用。工作液循系统中应有滤清装置以去除金属屑粒和杂质。

解决上述问题的办法是：使用脉冲电源和放电间隙自动进给控制系统，在具有一定绝缘强度和一定粘度的电介质中进行放电加工。

⒉ 电火花加工特点

⑴ 可加工任何导电材料，不受材料硬度、脆性、韧性、熔点的限制。

⑵ 适用于加工特殊及复杂形状的零件。由于加工时无明显的机械切削力，特别适应薄壁零件加工。由于可以简单地将工具电极的形状复制到工件上，因此特别适用于复杂型腔孔的加工。

⑶ 脉冲参数可调，加工范围大，在一台机床上可连续进行粗、精加工。精加工时精度可达0.01mm，表面粗糙度为R

0.63~1.25μm；细微加工时精度可达0.002～0.004mm。

⒊ 电火花加工应用

电火花加工在特种加工中是发展比较成熟的工艺方法，主要有电火花穿孔成型加工、电火花线切割加工；电火花内孔、外圆和成型磨削；电火花表面强化、刻字等。广泛应用于机械（特别是模具制造）、航天、航空、电子、电机电器、精密机械、仪器仪表、汽车拖拉机、轻工等行业。

（二）电化学加工

电化学加工（Electro-chemical Machining，简称ECM）是当前迅速发展的一种特制加工方式，按加工原理可以分为三大类：利用阳极金属的溶解作用去除材料（如电解加工、电解抛光、电解研磨等）、利用阴极金属的沉积作用进行镀覆加工（如电铸、电镀、涂镀等）、电化学加工与其他加工方法结合完成的电化学复合加工（如电解电火花复合加工、电化学阳极机械加工等）。本节重点介绍一下电解加工。

⒈ 电解加工的机理

电解加工是利用金属在电解液中的“阳极溶解”作用使工件加工成形的，其原理如图15-4所示。工件接直流电源的正极，工具接电源的阴极。工具3向工件4缓慢进给，使两极之间保持较小的间隙（0.1~1mm），这时阳极工件的金属被电解腐蚀，腐蚀产物随后由高速（5~60m/s）和一定压力的电解液带走。工具以一定的速度向工件进给，逐渐使工具的形状覆映到工件上，得到所需的加工形状。

⒉ 电解加工的特点及应用

电解加工的应用范围和发展速度仅次于电火花加工，其主要特点是：

图15-4 电解加工示意图

1一直流电源 2一进给机构 3一工具 4一工件 5一电解液泵 6一电解液

⑴ 不受材料的硬度、强度和韧性的限制，可加工硬质合金、淬火钢、不锈钢、高温合金等。

⑵ 能以简单进给运动一次加工出复杂的型面或型腔（如锻模、叶片），生产率比电火花加工高5~10倍以上。

⑶ 加工过程中无切削力或切削热影响，没有飞边和毛刺，可以加工薄壁、深孔零件。

⑷ 工具电极（阴极）基本不损耗。

⑸ 电解加工附属设备多，占地面积较大，初期投资较大。

⑹ 电解液的处理和回收有一定的难度，而且对设备有一定的腐蚀作用，加工过程中对环境有一定的污染。

目前，电解加工主要应用于批量生产条件下难以切削材料和复杂型面、型腔、薄壁零件以及异型孔加工。还可应用于去毛刺、刻印、磨削等方面，已经是机械加工中一种必不可少的补充方法。电解加工在兵器、航空、航天、汽车、拖拉机、农具及模具等行业中已广泛应用，例如用于加工枪炮的膛线、喷气发动机叶片、汽轮机叶片、拉丝模及各种金属模具的型腔等。

（三）激光加工

激光是20世纪60年代发展起来的一项重大科技成果，它的出现深化了人们对光的认识，扩展了光在人

类服务的领域。目前，激光加工已较为广泛地应用于切割、打孔、焊接、表面处理、切削加工、快速成形、电阻微调、半导体处理等领域中。

⒈ 激光加工原理

激光与其它光源相比具有相干性好、单色性好、方向性好和能量密度高等特性，通过光学系统可以使它聚焦为一个极小的光斑（直径仅几微米到几十微米），从而获得极高的能量密度（可达10

～10

W/cm

）温度可达10000℃以上。当能量密度极高的激光束照射在被加工表面上时，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的材料在千分之一秒，甚至在更短的时间内，迅速被融化以至气化，从而达到材料蚀除的目的。

激光蚀除加工的物理过程大致可分为材料对激光的吸收和能量转换，材料的加热融化、气化、蚀除产物的抛出等几个连续阶段。

图15-5 激光加工机示意图

1―激光器 2―光圈 3―反射镜 4―聚集镜 5―工件 6―工作台 7―电源

⒉ 激光加工的基本设备

激光加工的基本设备包括激光器、电源、光学系统、机械系统及控制系统等，如图15-5所示，其中激光器是最主要的器件。激光器按照所用的工作物质种类可分为固体激光器、气体激光器、液体激光器和半导体激光器。激光加工中广泛应用固体激光器（工作介质有红宝石、钕玻璃）和气体激光器（工作介质有二氧化碳、氩离子）。其中，固体激光器具有输出能量大，峰值功率高，结构紧凑，牢固耐用，噪音小等优点，因而应用较广，如切割、打孔、焊接、刻线等。

⒊ 激光加工的特点

⑴ 激光加工的能量密度高，几乎可以加工任何材料。高硬、耐热合金，陶瓷、石英、金刚石等材料都能加工。

⑵ 激光加工不需要工具，不存在工具损耗、更换和调整等问题，适应于自动化连续操作。

⑶ 激光束可聚焦到微米级，输出功率可以调节，且加工中没有机械力的作用，故适合精密微细加工。

⑷ 激光可以透过透明的物质（如空气、玻璃等），故激光加工可以在任何透明的环境中进行，包括空气 、惰性气体、真空甚至某些液体。

⑸ 激光除可以用于材料的蚀除加工外，还可以进行焊接、热处理、表面强化或涂敷等。

（四）超声加工

⒈ 超声波加工的机理

声波是人耳能感受的一种纵波，它的频率在16～16000Hz范围内。当频率超过16000Hz就称为超声波。超声波具有波长短、能量大，传播过程中反射、折射、共振、损耗等现象显著的特点。

图15-6 超声波加工原理

1―超声波发生器 2―换能器 3―振幅扩大棒 4―工作液 5一工件 6一工具

利用工具端面作16~25kHz的超声频振动，使工作液中的悬浮磨粒对工件表面撞击抛磨来实现加工，称为超声加工。其工作原理示意图15-6所示。超声波发生器将工频交流电能转变为有一定功率的超声频电振荡，通过磁致伸缩换能器或压电效应换能器，将超声频电振荡转换为超声机械振动，其振幅很小，一般只有 0.005～0.01mm，再通过一个上粗下细的振幅扩大棒，使振幅增大到0.01～0.15mm，固定在振幅扩大棒端头的工具即产生超声振动。含有水与磨料的悬浮液由工具带动也产生强烈振动，冲击工件表面。在加工中，工具以很小的力压在工件上。工件表面受到磨料以很大速度和加速度的不断撞击，被粉碎成很细的微粒，从工件表面上脱落下来。虽然每次打击下来的材料很少，但由于每秒打击的次数多达1.6万次以上，所以仍能获得一定的加工速度。循环流动的悬浮液带走脱落下来的微粒，并使磨料不断更新。同时悬浮液受工具端部的超声振动作用而产生的液压冲击和空化现象，也加速了工件表面被机械破坏的效果。工具连续进给，加工持续进行，工具的形状便“复印”在工件上，直到达到要求的尺寸。

所谓空化作用，是指当工具端面以很大的加速度离开工件表面时，加工间隙内形成负压和局部真空，在工作液内形成很多微空腔，促使工作液钻入被加工表面材料的

微裂纹处。当工具端面以很大的加速度接近工件表面时，空腔闭合，引起极强的液压冲击波，加速了磨料对工件表面的破碎作用。

综上所述，超声波加工是磨料在超声振动作用下达到机械撞击和抛磨作用与超声波空化作用的综合结果，其中磨料的撞击作用是主要的。既然超声加工是基于局部撞击作用，因此就不难理解，越是脆硬材料，受撞击作用遭受的破坏愈大，愈易超声加工。相反，脆性和硬度不大的韧性材料，由于它的缓冲作用而难以加工。根据这个道理，人们可以合理选择工具材料，使之既能撞击磨粒，又不致使自身收到很大的破坏，例如用45钢（或40Cr）作工具即可满足上述要求。

⒉ 超声波加工的特点

⑴ 适应于加工硬脆材料，特别是不导电的非金属材料，如玻璃、陶瓷、石英、硅、锗、玛瑙、宝石、金刚石等。

⑵ 加工精度高，表面质量好。工件在加工过程中受力较小，可以加工薄壁、窄缝等低刚度工件。

⑶ 加工出工件的形状与工具形状一致，只要将工具做成不同的形状和尺寸，就可以加工出各种复杂形状的型孔、型腔、成形表面，不需要使工具和工件做较复杂的运动。因此，超声波加工机床结构比较简单，操作维修方便。

超声波加工还可与电解、电火花进行复合加工。

（五）水喷射加工

水喷射加工（Water Jet Machining）又称水射流加工或水刀加工。它是利用超高压水射流及混合与其中的磨料对各种材料进行切割、穿孔和表层材料去除等加工。加工机理是综合了由超高速液流冲击产生的穿透割裂和由悬浮于液流中的磨料的游离磨削作用。

将过滤后的工业用水加压至100～400Mpa，在经过直径为φ0.08～0.5mm的喷嘴孔口后，形成500～900m/s的超音速细径水流，功率密度高达10

W/mm

可以切割塑料、石棉、碳纤维等软质材料。在超高压水射流中混入磨料，磨料颗粒便被加速，形成磨料高压水射流，可以加工石材、金属等硬质材料。

水喷射加工使用廉价的水作为工作介质，是一种冷态切割新工艺，属于绿色加工范畴。它可以切割金属材料，还能加工特别硬脆、柔软或屑尘飞扬的非金属材料加工。如：塑料、皮革、纸张、布匹、化纤、木材、胶合板、石棉、水泥制品、玻璃、花岗岩、大理石、陶瓷和复合材料等。水喷射加工具有切口平整、无毛刺和飞边，无火花、无热变形、无尘、无毒等特点，特别适用于恶劣的工作环境和有防爆要求的危险环境下加工。