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授课计划

湖南怀化职业技术学院课时授课计划

教师：

唐健教研室主任：

2009年月日

授课

时间

2月17日

2月18日

月日

月日

月日

教学检查：

1周星期2

1周星期3

1周星期4

1周星期5

周星期

授课

班级

06模具工学

3.4

07机制中职

1.2

06模具工学

章节

课题

制造工艺技术概述

授课方式

讲授

授课时间

2×45分钟

目

标

要

求

1、掌握制造工艺技术的定义

2、掌握制造工艺技术的分类

重点难点

1、掌握制造工艺技术的定义

2、掌握制造工艺技术的分类

教学要

点

1、掌握制造工艺技术的定义

2、掌握制造工艺技术的分类

作

业

执行情况

第三章先进制造工艺技术

§3.1制造工艺技术概述

1、制造工艺技术定义

制造工艺技术是指将原材料转化具有一定几何形状、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。

2、机械制造工艺分类：

1）电子工艺电子元件、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、微电子工艺、离子注入工艺、镀膜工艺、电子束焊、激光焊和贵重金属焊等。

2）通用机械制造工艺根据其分析的角度不同，它分类就有一定的不同，归纳起来将其可分类为：

A、成形工艺

定义：

成形工艺主要是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，如铸造、粉未冶金、塑料成形等工艺。

形成：

主要是用于获得的毛坯或不需要加工的制品，工艺过程中微粒子相互聚集。

过程：

加热（碾磨）――变成液体（粉末）――冷却（烧结）――凝固成固体（聚集成固体）。

分类：

见图3.1示讲解

B、变形工艺

定义：

变形工艺是指将工件原始几何形状从一种状态改变为另一种状态的工艺过程。

如锻造、冲压、轧制、挤压、拉拔等。

分类：

见图3.2示讲解

C、切削工艺

定义：

切削工艺是利用刀具或砂轮等工具在工件表面切去一层余量，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。

作用：

材料的切削加工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，电脑是获得零件（包括精密零件）的最主要加工方法。

差距点：

a、刀具材料方面；b、切削加工技术方面；c、磨削加工技术方面

D、联接工艺

定义：

联接工艺是指将单个工件联接成组件或最终产品的加工工艺方法。

如焊接、胶接、机械联接和装配等工艺方法。

过程：

机加――零、部件――联接

E、材料改性工艺及表面处理工艺

定义：

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。

如材料的热处理、表面处理等工艺方法。

F、特种加工工艺

定义：

特种加工工艺直接利用化学、电化学、物理（声、光、热、磁）等方法对材料进行加工的方法。

应用：

主要是用于各种高硬难熔及具有特殊物理机械性能的材料和精密细小、形状复杂、难以用传统切削加工工艺加工的零件。

特点：

能解决大量普通机械加工方法难以解决或不能解决的问题。

如：

电火花、线切削、电腐蚀加工等，

电火花机如右图

G、快速成形工艺

定义：

快速成形工艺是直接根据产品CAD的三维

实体模型，经计算机处理后，将三维模型为许多平面

模型的叠加，再通过计算机控制，制造一系列平面模

型并加以联结，形成复杂的三维实体零件的工艺方法。

工作原理：

将计算机内的三维数据模型进行分层切片得到各层截面的轮廓数据，计算机据此信息控制激光器（或喷嘴）有选择性地烧结一层接一层的粉末材料（或者固化一层又一层的液态光敏树脂，或者切割一层又一层的片状材料，或者喷射一层又一层的热熔材料或粘合剂）形成一系列具有一个微小厚度的的片状实体，再采用熔结、聚合、粘结等手段使其逐层堆积成一体，便可以制造出所设计的新产品样件、模型

适用：

快速成形适合于单件制造且制件材料为工艺规定的专用材料，有一定局限性，可以将RP技术与真空注型技术或精密铸造技术结合起来应用，不仅可以满足产品设计对特定材质的要求，而且可以快速实现新产品的小批量生产。

如在该工艺快速制造的金属铸件图：

作用：

大大地缩短产品的研制周期，节省研制费用。

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教师：

唐健教研室主任：

2009年月日

授课

时间

2月17日

2月18日

月日

月日

月日

教学检查：

1周星期2

1周星期3

1周星期4

1周星期5

周星期

授课

班级

06模具工学

3.4

07机制中职

1.2

06模具工学

章节

课题

制造工艺技术概述

授课方式

讲授

授课时间

2×45分钟

目

标

要

求

1、掌握制造工艺技术的定义

2、掌握制造工艺技术的分类

重点难点

1、掌握制造工艺技术的定义

2、掌握制造工艺技术的分类

教学要

点

1、掌握制造工艺技术的定义

2、掌握制造工艺技术的分类

作

业

执行情况

按教学计划完成，教学秩序较好

§3.2特种加工技术

3.2.1概述

1、特种加工技术的产生与发展

随着科学技术、工业生产的发展及各种新兴产业的涌现，工业产品内涵和外延都在扩大；正向着高精度、高速度、耐高温、耐高压、大功率、小型化、环保（绿色）化及人本化方向发展，制造技术本身也应适应这些新的要求而发展，传统机械制造技术和工艺方法面临着更多、更新、更难的问题。

体现在：

1）新型材料及传统的难加工材料，如碳素纤维增强复合材料、工业陶瓷、硬质合金、钛合金、耐热钢、镍合金、钨钼合金、不锈钢、金刚石、宝石、石英以及锗、硅等各种高硬度、高强度、高韧性、高脆性、耐高温的金属或非金属材料的加工；

2）各种特殊复杂表面，如喷气涡轮机叶片、整体涡轮、发动机机匣和锻压模的立体成型表面，各种冲模冷拔模上特殊断面的异型孔，炮管内膛线，喷油嘴、棚网、喷丝头上的小孔、窄缝、特殊用途的弯孔等的加工；

3）各种超精、光整或具有特殊要求的零件，如对表面质量和精度要求很高的航天、航空陀螺仪，伺服阀，以及细长轴、薄壁零件、弹性组件等低刚度零件的加工。

上述工艺问题仅仅依靠传统的切削加工方法很难、甚至根本无法解决。

特种加工就是在这种前提条件下产生和发展起来的。

2、特种加工工艺定义：

特种加工不是采用常规的刀具或磨具对工件进行切削加工，而是直接利用电能、电化学能、声能、或光能等能量，或选择几种能量的复合形式对材料进行加工。

特种加工是指切削加工以外的一些新的加工方法。

3、特种加工与传统切削加工的特点：

1）不利用机械能，主要依靠机械能以外的能量（如电、化学、光、声、热等）去除材料，多数属于“熔溶加工”的范畴，如电火花加工、激光加工等。

2）非接触加工，加工过程中工具和工件之间不存在显著的机械切削力，由于机械切削小甚至没有机械切削力，因此工具硬度可以低于被加工材料的硬度，即能做到“以柔克刚”；

3）不存在加工中的机械应变或大面积的热应变，可获得较低的表面粗糙度，尺寸稳定性好。

4）两种或两种以上的不同类型的能量可相互组合成新的复合加工，综合效果明显。

5）特种加工工艺对简化加工工艺、变革新产品的设计及零件结构工艺性等产生积极影响；

6）可实现微细加工，工件表面质量高，如超声、电化学、水喷射等，加工余量很细微。

4、常用的特种加工方法的性能与适用范畴

特种加工方法

加工所用能量

可加工的材料

工具损耗率（％）

金属去除率/mm3min-1

尺寸精度/mm

表面粗糙度Ra/µm

特殊要求

主要适用范围

最低／平均

平均／最高

平均／最高

平均／最高

电火花加工

电热能

任何导电的金属材料，如硬质合金、耐热钢、不锈钢、淬火钢等

1／50

30／3000

0.05／0.005

10／0.16

各种冲、压、锻模及三维成型曲面的加工

电火花线切割

电热能

极小（可补偿）

5／20

0.02／0.005

5／0.63

各种冲模及二维曲面的成型截割

电化学加工

电、化学能

无

100／10000

0.I／0.03

2.5／0.16

机床、夹具、工件需采取防锈防蚀措施

锻模及各种二维、三维成型表面加工

电化学机械

电、化、机械能

1／50

1／100

0..02／0.001

1.25／0.04

硬质合金等难加工材料的磨削

超声加工

声、机械能

任何脆硬的金属及非金属材料

0.1／10

1／50

0.03／0.005

0.63／0.16

石英、玻璃、锗、

硅、硬质合金等脆硬材料的加工、研磨

快速成形

光、热、化学

树脂、塑料、陶瓷、金属、纸张、ABS

无

增材制造

制造各种模型

激光加工

光、热能

任何材料

不损耗

瞬时去除率很高，受功率限制，平均去除率不高

0.0I／0.001

10／1.25

加工精密小孔、小缝及薄板材成型切割、刻蚀

电子束加工

电、热能

需在真空中加工

离于束加工

电、热能

很低

／0.01µm

0.01

表面超精、超微量加工、抛光、刻蚀、材料改性、镀覆

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教师：

唐健教研室主任：

2009年月日

授课

时间

2月17日

2月18日

月日

月日

月日

教学检查：

1周星期2

1周星期3

1周星期4

1周星期5

周星期

授课

班级

06模具工学

3.4

07机制中职

1.2

06模具工学

章节

课题

激光加工技术

（一）

授课方式

讲授

授课时间

2×45分钟

目

标

要

求

1、掌握激光加工技术的产生

2、掌握激光加工技术的主要特点

3、掌握激光加工技术的现状与发展趋势

重点难点

1、激光加工技术的主要特点

教学要

点

1、掌握激光加工技术的产生

2、掌握激光加工技术的主要特点

3、掌握激光加工技术的现状与发展趋势

作

业

执行情况

按教学计划完成，教学秩序较好

§3.2.2激光加工

1、激光加工的产生

激光技术是60年代初发展起来的一门新兴科学。

激光加工可以用于打孔、切割、电子器件的微调、焊接、热处理、以及激光存贮、激光制导等各个领域。

由于激光加工速度快、变形小，可以加工各种材料，不受加工零件的尺寸及材料机械性能的影响，在生产实践中愈来愈显示它的优越性，愈来愈受人们的重视。

CO2激光器

能进行精密焊接、切割、打孔、打标的激光加工机器激光焊接设备

2、激光加工的主要特点

1）加工方法多，适应性强同一台设备完成各种加工；可分步进行加工，又可同时进行加工；不受材料机械性能限制，激光瞬时功率密度高达105~1010W／cm2，几乎可以加工任何高硬、耐热材料；不受环境条件限制，可在大气中加工，也可在真空中完成加工。

2）加工精度高，质量好激光光斑大小可以聚焦到微米级，输出功率可以调节，因此可用以精密微细加工；

3）加工效率高，经济效益好如用激光切割可提高效率8－10倍

4）节约能源与材料，无公害、无污染激光束能量利用率为常规热加工工艺的10－1000倍，如激光切割可节省能源15％－30％

5）加工用的是激光束，无刀具磨损切削力影响的问题

3、现状与发展趋势

国外激光加工设备和工艺发展迅速，现已拥有100kW的大功率CO2激光器、kW级高光束质量的Nd:

YAG固体激光器（灯泵浦非稳脉冲调激光器，Nd（钕）是一种稀土族元素，yag代表钇铝石榴石），有的可配上光导纤维进行多工位、远距离工作。

激光加工设备功率大、自动化程度高，已普遍采用CNC控制、多坐标联动，并装有激光功率监控、自动聚焦、工业电视显示等辅助系统。

　　激光制孔的最小孔径已达0.002mm，已成功地应用自动化六坐标激光制孔专用设备加工航空发动机涡轮叶片、燃烧室气膜孔，达到无再铸层、无微裂纹的效果。

激光切割适用于由耐热合金、钛合金、复合材料制成的零件。

目前薄材切割速度可达15m/min，切缝窄，一般在0.1～1mm之间，热影响区只有切缝宽的10%～20%，最大切割厚度可达45mm，已广泛应用于飞机三维蒙皮、框架、舰船船身板架、直升机旋翼、发动机燃烧室等。

　　激光焊接薄板已相当普遍，大部分用于汽车工业、宇航和仪表工业。

激光精微焊接技术已成为航空电子设备、高精密机械设备中微型件封装结点的微型连接的重要手段。

激光表面强化、表面重熔、合金化、非晶化处理技术应用越来越广，激光微细加工在电子、生物、医疗工程方面的应用已成为无可替代的特种加工技术。

激光快速成型技术已从研究开发阶段发展到实际应用阶段，已显示出广阔的应用前景。

　　国内70年代初已开始进行激光加工的应用研究，但发展速度缓慢。

在激光制孔、激光热处理、焊接等方面虽有一定的应用，但质量不稳定。

目前已研制出具有光纤传输的固体激光加工系统，并实现光纤耦合三光束的同步焊接和石英表芯的激光焊接。

完成了激光烧结快速成型原理样机研制，并采用环氧聚脂和树脂砂烧结粉末材料，快速成型出典型零件，如叶轮、齿轮。

激光加工技术今后几年应结合已取得的预研成果，针对需求，重点开展无缺陷气膜小孔的激光加工及实时检控技术、高强铝（含铝锂、铝镁）合金的激光焊接技术、金属零件的激光粉末烧结快速成型技术、激光精密加工及重要构件的激光冲击强化等项目的研究。

实现高温涡轮发动机气膜孔无缺陷加工，可使叶片使用寿命达2000小时以上；以焊代替数控加工飞机次承力构件，以及带筋壁板的以焊代铆；实现重要零部件的表面强化，提高安全性、可靠性等，从而使先进的激光制造技术在军事工业中发挥更大的作用。

YAG固体激光器

湖南怀化职业技术学院课时授课计划

教师：

唐健教研室主任：

2009年月日

授课

时间

2月17日

2月18日

月日

月日

月日

教学检查：

1周星期2

1周星期3

1周星期4

1周星期5

周星期

授课

班级

06模具工学

3.4

07机制中职

1.2

06模具工学

章节

课题

激光加工技术

（二）

授课方式

讲授

授课时间

2×45分钟

目

标

要

求

1、掌握激光加工的基本工作原理

2、掌握激光器的组成

3、掌握激光的规律

4、了解激光的应用

重点难点

1、掌握激光加工的基本工作原理

2、掌握激光器的组成

3、掌握激光的规律

教学要

点

1、掌握激光加工的基本工作原理

2、掌握激光器的组成

3、掌握激光的规律

作

业

执行情况

按教学计划完成，教学秩序较好

4、激光的工作原理

1）激光

激光也是一种光，它具有一般光的共性（如光的反射、折射、绕射以及光的干涉等），也有它的特性。

激光的光发射以受激发射为主，发出的光波具有相同的频率、方向，同时其偏振态和位相也完全相同，因而激光具有亮度、强度高、单色性好、相干性好和方向性好等特性（普通光是射向四面八方的，其偏振态和位相是相互独立的，属于自发发射光）。

2）激光器

激励：

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三个过程。

正常情况下，物质体系处于低能级的原子数总比高能级的原子数多，这样，吸收过程总是胜过受激过程。

如果要是要使受激过程胜过吸收过程，实现光的放大，就必须以外界的激励来破坏原来粒子数的分布，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，即高能级上的原子数多于低能级的原子数，这个过程称为激励。

激励是所有激光器的基础和核心

激光器组成：

A、工作物质要具有合适的能量级结构，在外界激励下可实现能量级粒子的反转的物质。

如红宝石激光器中，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。

B、谐振腔使工作物质所产生的受激励发射能建立起稳定的振荡状态，从而实现光的放大。

C、激励能源使工作物质中多余一半的原子从低能级激发到高能级上，实现工作物质粒子数的反转。

激光器种类：

见表3－3示讲解

3）激光加工基本原理

激光加工是用功率密度极高的激光束照射工件的被加工部位，使其材料瞬间熔化或蒸发，并在冲击波作用下，将熔融物质喷射出去，从而对工件进行穿孔、蚀刻、切割，或采用较小能量密度，使加工区域材料熔融粘合，对工件进行焊接的一种加工方法。

激光加工的原理如下图所示。

固体激光器由激光工作物质2（一般采用红宝石或掺钕离子的钇铝石榴石）、激励光源3（一般用脉冲氙灯）、全反射镜1和部分反射镜4构成的光谐振腔组成。

当工作物质被激励光源照射时，在一定条件下可使工作物质中亚稳态粒子数反转，引起受激辐射，形成光放大，并通过光谐振腔的作用产生光的振荡，由部分反射镜输出激光，经透镜5聚焦到工件6的待加工表面，从而实现对工件的加工。

图示固体激光器加工原理图

1-全反射镜2-激光工作物质3-激励光源

4-部分反射镜5-透镜6-工件

4）激光的规律

5）激光的应用

激光打孔利用激光几乎可在任何材料上打微型小孔，目前已应用于火箭发动机和柴油机的燃料喷嘴加工，化学纤维喷丝扳打孔，钟表及仪表中的宝石轴承打孔，金刚石拉丝模加工等方面。

激光打孔适合于自动化打孔，如钟表行业红宝石轴承上φ0.12～0.18mm、深0.6～1.2mm的小孔采用自动传送每分钟可以加工几十个；又如生产化学纤维用的喷丝板，在φ100mm直径的不锈钢喷丝板上打一万多个直径为0.06mm的小孔，采用数控激光加工，不到半天即可完成。

激光打孔的直径可以小到0.01mm以下，深径比可达60∶1。

激光切割工件与激光束相对移动，可切割各种二维形状工件，由于激光器相对娇贵，在生产实践中，一般都是移动二维数控工作台。

如果是直线切割，还可借助于柱面透镜将激光束聚焦成面束，以提高切割速度。

激光可用于切割各种各样的材料，还能切割无法进行机械接触的工件（如从电子管外部切断或焊接内部的灯丝）。

由于激光对被切割材料几乎不产生机械冲击和压力，故适宜于切割玻璃、陶瓷和半导体等既硬脆的材料。

再加上激光光斑小、切缝窄，便于自动控制，所以更适宜于对细小部件作各种精密切割。

切割金属材料时采用同轴吹氧工艺可以大大提高切割速度,而且粗糙度也明显减小。

切割布匹、纸张、木材等易燃材料时，采用同轴吹保护气体（二氧化碳、氮气等），能防止烧焦和缩小切缝。

英国生产的二氧化碳激光切割机附有氧气喷枪，切割6mm厚的铁板速度达3m／min以上。

美国已用激光代替等离子体切割，速度可提高25％，费用降低75％。

激光焊接焊接时不需要切割、打孔那么高的能量密度，只要将工件的加工区“烧熔”使其粘合在一起。

因此，激光焊接所需要的能量密度较低，通常可用减小激光输出功率来实现。

也可通过调节焦点位置来减小工件被加工点的能量密度。

作业：

P97No.1、No.2

湖南怀化职业技术学院课时授课计划

教师：

唐健教研室主任：

2009年月日

授课

时间

2月17日

2月18日

月日

月日

月日

教学检查：

1周星期2

1周星期3

1周星期4

1周星期5

周星期

授课

班级

06模具工学

3.4

07机制中职

1.2

06模具工学

章节

课题

激光加工技术

（二）

授课方式

讲授

授课时间

2×45分钟

目

标

要

求

1、掌握激光加工的基本工作原理

2、掌握激光器的组成

3、掌握激光的规律

4、了解激光的应用

重点难点

1、掌握激光加工的基本工作原理

2、掌握激光器的组成

3、掌握激光的规律

教学要

点

1、掌握激光加工的基本工作原理

2、掌握激光器的组成

3、掌握激光的规律

作

业

执行情况

按教学计划完成，教学秩序较好

§3.2.3光刻蚀技术

1、光刻蚀加工含义

光刻蚀加工又称为光刻加工或刻蚀加工，简称刻蚀，集成电路制造中利用光学－化学反应原理和化学、物理刻蚀方法，将电路图形传递到单晶表面或介质层上，形成有效图形窗口或功能图形的工艺技术。

常规光刻技术是采用波长为2000～4500埃的紫外光作为图像信息载体，以光致抗蚀剂为中间（图像记录）媒介实现图形的变换、转移和处理，最终把图像信息传递到晶片（主要指硅片）或介质层上的一种工艺（图1）。

2、光刻原理

所谓光刻蚀就是利用电磁波频谱中的光束或电子、X射线和离子等射线，将光致抗蚀剂（光刻胶）形成规定图形的微细加工方法。

其原理与照相制版原理相似（如上图所示）其过程包括：

基片（Wafer，集成电路制作中多用硅片）氧化处理形成保护膜（SiO2等），在保护膜上涂敷光刻胶（称为甩胶），将照相底片作用的掩膜（Mast）在规定的光源下曝光和显影后，用腐蚀剂刻蚀保护膜（SiO2膜）的窗口部分，最后去除光刻胶而获得的掩膜上相同的微细图形。

目前，在集成电路制作中，光刻工艺是制取掩膜和基片上精细图形的主要工艺方法。

隨着电路技术要求的提高，光刻工艺经过革新，实现了光复印技术，就是指利用图形发生器，用光束或电子束、离子束在抗蚀剂上绘制图形的曝光方法（称为写图），它主要是用于掩膜或基片图形制作工序，然后用掩膜图形形成的光强图形，使基片上光刻胶曝光获取基片（或掩膜）图形的光刻工艺。

2、集成电路光刻工艺的一般过程

1）掩膜制造根据集成电路设计布局图，用绘图机绘制比原件尺寸大100－－150倍的放大图形，用精缩照像机将该图缩小到元件尺寸的10倍左右，再利用分步重复照相机进一步缩到和元件尺寸相同的掩膜（母掩膜），母掩膜经翻拍复印成工作掩膜，制作电路时只用工作掩膜。

2）光刻蚀加工

A、涂胶将光致抗蚀剂涂敷在氧化膜上的过程。

正性胶经曝光后，被光照射过的部分难于被显影剂溶解，故显影图形中未被光照射过的部分形成了窗口。

负性胶相反。

B、曝光由光源发出的光束经掩膜在光刻胶上成像，使聚焦成细小的束斑直接照射在光刻胶上的过程称为曝光。

常用的曝光方式分类如下：

接触式曝光和非接触式曝光的区别，在于曝光时掩模与晶片间相对关系是贴紧还是分开。

接触式曝光具有分辨率高、复印面积大、复印精度好、曝光设备简单、操作方便和生产效率高等特点。

但容易损伤和沾污掩模版和晶片上的感光胶涂层,影响成品率和掩模版寿命,对准精度的提高也受到较多的限制。

一般认为，接触式曝光只适于分立元件和中、小规模集成电路的生产。

非接触式曝光主要指投影曝光。

在投影曝光系统中，掩膜图形经光学系统成像在感光层上，掩模与晶片上的感光胶层不接触,不会引起损伤和沾污,成品率较高，对准精度也高，能满足高集成度器件和电路生产的要求。

但投影曝光设备复杂，技术难度高，因而不适于低档产品的生产。

现代应用最广的是1:

1倍的全反射扫描曝光系统和x:

1倍在硅片上直接分步重复曝光系统。

C、显影与烘片利用曝光区与未曝光区光刻胶溶解度不同，在特定