第十章 先进加工工艺和工艺装备
10.1 先进加工工艺
10.1.1 先进加工工艺概述
先进加工工艺技术是指将原材料转化成具有一定几何形状、一定材料性能和精度要求的可用零件的一切过程和方法的总称。现代社会，机器和仪器在结构上所表现出的多样性是机械制造中采用多种工艺的产物。当代机械制造中采用几千种工艺规程，从简单的毛坯车削到电子焊接、零件表面层注入新材料、自动化装配等。机械制造工艺可以归结为两大类：电子工艺和通用机械制造工艺。
电子工艺包括电子元件、部件和装置的制造工艺，其中最有代表性、特殊性，最有前途的是：单晶生长工艺，晶片制造工艺，超大规模集成电路制造工艺，微电子器件工艺，光刻工艺，离子注入工艺，镀膜工艺，电子束焊、激光焊、贵金属钎焊等。
一般制造工艺过程有离散工艺过程和连续工艺过程。按对零件的作用效果可分为改变形态的工艺过程（如切削加工）、改变性态的工艺过程（如热处理）和改变外观性能的工艺过程（如电镀）等；按零件精密程度分为普通工艺过程、精密工艺过程以及超精密工艺过程；按使用的工具及能量形式不同，又可分为常规工艺、特种工艺、复合工艺以及快速制造工艺等。
（齿轮, 齿轮箱, 汽车齿轮, gears, gearboxes 1) 成形工艺
成形工艺主要指将不定形的原材料（块状、颗粒状、液态或固态）转化成所需要形状的工艺，例如铸造、粉末冶金、塑料成形工艺。 这类工艺主要用于获得毛坯或不需再加工的制品，工艺过程中，微粒子之间互相聚集。成形工艺的过程包括将原材料加热使其变成液体，然后冷却固化成一定形状，或者使原材料的固体颗粒烧结、粘着在一起，由此而获得工件（大多为毛坯）。成形工艺几乎可以应用于所有工程材料，主要用于制备各种具有复杂外形或内腔或因为材料高硬度、高脆性、高强度而难以用其他方法生产的毛坯或工件。成形工艺的分类如 图 10.1 所示。
（2）变形工艺
变形工艺主要包括使工件的原始几何形状从一种状态改变为另一种状态，如锻造、冲压、轧制、挤压、拉拔等。锻造是让加热到一定温度的金属在冲击力或压力作用下产生较大塑性变形，形成所需要的工件形状；冲压则是利用模具使材料在压力作用下产生变形或分离。变形工艺适用于铁碳合金、不锈钢、耐热钢、轻有色金属、重有色金属等。锻造常用于一些重要毛坯（轴、齿轮 ( GEARS )等）的生产，冲压制品在汽车、家用电器等行业有广泛用途。
（3）切削工艺
机械制造系统中，切削和磨削是传统的机械加工方法，材料的切削是制造过程的主要内容，几乎占全部工艺劳动量的 1/3 以上。切削与磨削加工是用刀具或砂轮在工件表层切去一层余量，使工件达到要求的尺寸精度、形状、位置精度和表面质量的加工方法。由于生产效率高，加工成本低，能量消耗少，可以加工各种不同形状、尺寸和精度要求的工件。因此，切削和磨削一直是工件精加工和最后成形的最重要手段。目前以至将来相当长的时期，切削、磨削仍然是获得精密机械零件最主要的加工方法。据有关资料统计，近年来美国和日本每年消耗在切削和磨削方面的费用分别高达 1 千亿美元和 1 万亿日元。
此外，国外在切削机理、切削优化、难加工材料的切削技术、自动化生产中的刀具和工具管理系统等方面投入较大力量进行研究，并已取得很大成绩。磨削加工技术与磨料、磨具的发展方面主要是在高速和强力磨削、高精度磨削和成形磨削、高精度研磨抛光、超硬磨料（金刚石与立方氮化硼）磨削和砂带磨削等方面有较大发展。我国的差距主要是：①刀具材料方面，硬质合金刀具品种较少，不能满足需要，涂层刀具尚处于小批量试用阶段，陶瓷刀具在我国刀具总量中所占比例不足 1％，大大落后于国外，超硬刀具材料的应用还处于开始阶段；②切削加工技术方面，切削数据库、自动化生产用刀具、切削刀具的CAD／CAM等方面的工作刚刚开始，对刀具管理系统的研究工作实际上还没有开始；③磨削加工技术方面，高速磨削应用不广泛，磨削效率与国外相差很大，大吃深缓进给强力磨削方法在实际生产中极少使用，高精度研磨抛光技术远远落后于先进发达国家，超硬磨料磨削技术刚刚起步，砂带磨削处于对现有机床进行改装的阶段，应用不广泛，且砂带品种少，质量有待提高。
（4）联接工艺
联接工艺主要指将单个工件联接成组件或最终产品，如机械联接、焊接、粘接和装配等工艺。制造时先分别加工单个零件，然后用联接工艺将其结合成一个完整的产品。产品在使用、维护和修理时，经常需要拆卸装配，同样离不开联接工艺。
机械联接包括螺栓联接、铆接和压力联接。螺栓联接是利用螺栓、螺母、螺纹、销等紧固件，形成可拆卸式机械联接。铆接是一种永久或半永久性机械联接。压力联接一般用过盈装配方式，如将内件（例如轴）压入加热后膨胀状态下的套件（例如齿轮 ( GEARS )孔、套筒），冷却后套件收缩而紧紧包在内件上。利用材料一定范围内的弹性，将一个工件强行压入另一个工件内的压力联接工艺，可以获得较高的联接强度。
焊接是在制造系统内应用极为广泛的一种联接工艺，焊接是通过加热或加压或两者并用（用或不用填充材料）使分离的两部分金属形成原子结合的一种永久性联接方法。与铆接比较，焊接具有节省材料，减轻重量，联接质量好，接头密封性好，可承受高压，简化加工与装配工序，缩短生产周期，易于实现机械化和自动化生产等优点。但其有不可拆卸，会产生焊接变形、裂纹等缺陷。
焊接在现代工业生产中具有十分重要的作用，广泛应用于机械制造中的毛坯生产和制造各种金属结构件，如高炉炉壳、建筑构架、锅炉与压力容器、汽车车身、桥梁、矿山机械、大型转子轴、缸体等。此外，焊接还用于零件的修复焊补等。
金属与非金属的联接或非金属异种材料之间的联接经常采用粘接工艺实现。在被粘接表面涂一层很薄的粘接剂，粘接剂固化后即形成很强的粘接力。
（5）材料改性工艺及表面处理工艺
是指不改变几何形状、仅改变工件材料性能，从而获得所希望指标的工艺，如材料热处理工艺等。上述介绍的各种工艺，都要改变工件的几何形状，使其能够具有一定的功能或能承受一定的外载荷。调整材料性能的工艺（主要指热处理）可以在不改变工件几何形状的前提下人为改变材料的显微组织结构，使工件具有所要求的物理机械性能。常用调整材料性能的工艺如 图 10.2 所示。
