一、我國機械制造工業面臨的形勢

近年高新技術獲得飛躍的發展，這一方面使機械制造工業采用了新技術，提高了機械制造的技術水平，同時，由于高新技術和國防工業發展的需要，促進了機械工業技術水平的迅速提高。

近年來我國機械工業獲得迅速發展，現在中國已是一個制造大國：中國已能生產電腦，DVD，半導體，各種家電和電信設備等精密產品，并且價格低廉。2003年，統計中國生產了世界上29%的彩色電視機，世界上24%的洗衣機，16%的電冰箱，50%以上的空調機，70%的玩具，55%的照相機，30%的微波爐，42%的顯示器，75%的鐘表，50%縫紉機，83%的小型拖拉機，40%的自行車，44%的摩托車。收錄機年產量2.4億臺，占全球份額的70%，DVD機2000萬臺，占70%，電話機9600萬臺，占50%以上，微特電機30億臺，占60%，一次性電池170億只，占40%，人造金剛石微粉10億克拉，占60%以上。中國生產的這些機電產品，已經銷售到世界各國。我國汽車工業發展迅速，自1992年實施擴大開放政策以來，保持平均15%以上的年增長率。2002年和2003年的產量達到325.1萬輛和444.39萬輛。

中國制造業規模已達世界第四位，僅次于美國、日本和德國。在鋼鐵、水泥、化纖、化肥、電視機、摩托車等年產量都是世界第一。但制造業大而不強，是制造大國而不是制造強國。例如鋼鐵(年產量超過2億噸)，我們大量出口低價鋼材而進口高附加值的合金鋼。機床也是出口亷價的簡單機床，而進口昂貴的數控和精密機床。中國制造業的勞動生產率，僅是美國的1/25，日本的1/26。中國很多機械產品價雖亷，而質量也低，突出的例子，如鉆頭，價格是國外的1/10，而壽命也是國外的1/10。在世界企業的500強中，中國的制造業僅有兩家。

但中國不僅不是一個制造強國，而且是一個制造水平很低的國家。只是由于中國勞動力工資很低，因而在中國大量生產的只是勞動密集型產品(很多還是外國品牌)。而高水平高質量的產品，如精密和數控機床，飛機，汽車，精密儀器，精密微電子設備，還都需要大量進口，一些重要精密尖端產品還自己不能生產，受制于外國。

現在世界制造工業競爭極為激烈，我們需要盡快努力，使中國早日真正成為一個制造強國。近年來制造技術發展迅速，大量新技術被應用到制造業中，先進制造技術發展極為迅速。

中國制造工業存在的問題：

1）機械工業產品落后，國外已是新的機電一體化產品，并且產品不斷更新，而我國生產的往往是老的產品，產品更新很慢，而且很多高水平高質量的產品還不能制造。如精密機床和數控機床，飛機，汽車，精密儀器，精密微電子設備，還都需要大量進口，一些重要精密尖端產品自己不能生產，受制于外國。

2）不掌握產品核心技術，引進的機電產品很多使用外國的專利(很多還是外國品牌)，核心技術沒有自己的知識產權，不僅要交專利費，并且不能修攺改進。

3）機床裝備數量雖多，但構成比十分落后。據2002年統計，我國機床擁有量383萬臺，居世界第一，但其中屬于國際先進水平的僅占1.5%，屬國內先進水平的也只占9%，設備總體構成比十分落后。

4）制造技術落后：制造技術工藝落后，加工棈度低，工作效率和生產效率低。生產周期長，新產品試制周期長，流動資金占用多。

5）管理落后，非生產人員比例大。以機床工業為例，1996年我國機床工業員工共36.9萬人，工業結構調整后，現今約20萬人，仍居世界第一(美國5.8萬人，德國7萬人，日本4萬人)，機床工業員工人數雖多，但機床產量、產值、質量均遠遠落后于美、日、德等發達國家。據統計我國機械制造業的人均產值僅為美國的1/25，日本的1/26。

6）研究費用及人力投入少，技術創新少。

現在世界制造工業競爭極為激烈，當前我們的任務應盡快努力，使中國早日從制造大國變成為一個真正制造強國。為此必須：

1）研制并發展先進的高水平的產品，機電一體化的新產品。
2）使用先進的制造技術，近年來制造技術發展迅速，大量新技術被應用到制造業中，先進制造技術發展極為迅速，提高加工產品質量，提高加工效率。
3）采用先進的管理技術
4）從思想上重視技術創新，掌握核心技術。

近年來機械工業技術水平提高迅速，競爭劇烈。我們面臨的形勢是是嚴峻的，亟需積極努力，加速發展先進制造技術，提高我國機械制造工業的技術水平。只有提高機械工業技術水平，才有可能將我國從一個制造大國轉變成一個制造強國。下面簡單介紹先進制造技術的幾個主要方面的發展情況。

二、 高速切削技術的發展

金屬切削加工作為制造技術中最主要的工藝技術，決定著制造業中零件的加工效率、精度、質量和成本。即使到下個世紀切削加工仍將是機械制造業最基本最大量的工藝技術，必須給予充分重視。

高速切削技術經過半個世紀的探索和研究，進入二十世紀90年代以后，各工業發達國家已在生產中開始應用，明顯的提高切削效率，受到極大的重視高速切削技術的實現，涉及高速機床、刀具、切削工藝、數控技術、切削動力學等多項技術。

1. 高速切削的速度定義

高速切削速度不能簡單地用某一切削速度數值來定義，不同的切削條件，具有不同的高速切削速度范圍。不同的工件材料的大致高速切削速度范圍如圖1所示。高速銑削鋼時，切削速度的下限是500-800m/min，高速銑削鋁合金時，切削速度的下限是3000-5500m/min。

圖1 高速切削速度定義

2.高速切削的主要優點

1）隨切削速度提高，材料切除效率增加，大幅度提高加工教率，降低加工成本。
2）切削速度提高，切削力隨之減少，平均切削力可下降30%。這對降低高轉速主軸的功耗有明顯影響，并有利于低剛性和薄壁零件的加工。
3）高速切削平時采用小切深，大進給，并且切削力降低，使加工表面質量明顯提高，并有利于低剛性零件的加工。
4）高速切削大量的切削熱隨切屑排出，大致在90%以上，加工工件的溫升小，有利于降低工件的熱變形和減小加工的殘留內應力。
5）從切削動力學分析，機床轉速提高，使切削系統的工作頻率遠高于機床的低階固有頻率，這有利于降低加工表面粗糙度。
6）高速切削可代替磨削用于淬硬工件的粗加工和半精加工，不僅明顯提高加工效率，而且不用切削液，有利于環境保護。

高速切削已用于加工多種不同零件，圖2是幾種加工零件實例，可看到多種不同材料的復雜結抅零件，包含自由曲面的零件等，都已可用高速切削技術加工。航空工業中的大型鋁合金機架，使用高速銑削，提高加工效率，效果特別明顯。

a)鋁合金箱模具 b)手機模具 c)塑料水瓶模具

d)單齒輪箱 e)石墨電極 f)汽輪機葉片
圖2 高速切削加工零件實例

3. 高速切削對機床的要求

高速切削機床成為高速切削機床發展的首要條件。高速切削對機床有很高的要求，是高技術機床。高速切削機床主軸要求很高的轉速，很高的進給速度和加速度，機床結構應有很高的靜、動剛度和優良的力學性能。高速切削機床相當大部分是多軸聯動數控機床，同時又常是精密機床，，不僅可減少切削工時，并可減少后續的精加工，效益十分明顯。

高速主軸是高速切削機床的最核心部件，近年來高精度陶瓷軸承和新潤滑技術的應用，使高速主軸的轉速從前幾年的15000～30000r/min又提高到最新的30000～45000r/min。現高速主軸，多數采用內置式電機，精密陶瓷軸承，油氣潤滑，內部循環冷卻，密封結構。圖3 所示是一種典型高速主軸結構。

圖3 典型高速主軸結構 圖4 直線電機驅動導軌 圖5 高速棈密臥式鏜銑加工中心(DIXI)

高速切削時要求甚高的進給速度和加速度，傳統滾珠絲杠驅動已不能滿足要求。現在多數高速切削機床采用直線電機驅動導軌，進給速度甚至高達80-120m/min。圖4所示是直線電機驅動導軌。

高速切削機床現在相當大部分是多軸聯動數控機床或加工中心，同時又常是精密機床，可以加工出非常復雜和精密的零件，大大節省加時間。瑞士DIXI公司以生產精密臥式坐標鏜床而聞名于世，現在也已攺生產多坐標數控聯動高速臥式精密加工中心。圖5所示為DIXI公司的DHP40型高速棈密臥式鏜銑加工中心，其主軸最高轉速為24000r/min。

高速切削機床的結構都應有很高的靜、動剛度和優良的力學性能。

4. 高速切削對刀具的要求

高速切削對刀具有極嚴的要求：

1）使用優質刀具材料 高速切削的刀具必須使用優質硬質合金、涂層刀具，超硬材料刀具，如陶瓷刀具，CBN刀具或金剛石刀具等，以保證刀具有較長的切削壽命。
2）刀柄結抅 高速切削的刀具在甚高轉速下工作，原來的7：24錐柄接觸不可靠，如圖6所示，錐面很難良好接觸。高速切削的刀具現在常采用短錐柄，要求定位錐面和端面同時接觸，以獲得很高的接觸剛度和精度。圖7所示是這種高速切削用的HSK40刀柄系列。
3）高速切削的刀柄結構必須能保證快速換刀，快速換刀時間現在一般僅為數秒鐘。
4）高速切削的刀具使用前必須經過精密動平衡，以免工作時發生振動。

圖6 7：24錐柄接觸不可靠 圖7 高速切削的HSK40刀柄系列

5. 高速切削對控制系統的要求

高速切削的控制系統，要求有高速大容量的數據計算處理能力。高速運動部件的慣性很大，在啟動加速和減速停止時，都有很大的加速度，要求控制系統有很強的快速控制性能。在加工時，如作曲線軌跡運動，將產生很大的向心加速度，可能達到4~6m/s²。因此在加工拐角和圓弧時，運動部件的慣性將影響運動精度，編程控制系統必須加以修正。

6. 高速切削對安全和環保的要求

高速切削時，刀具轉速甚高，切屑以極高速度飛出，必須有安全防護裝置。高速切削時，一般不使用切削液，有利于環境保護。

三、刀具材料和涂層技術的發展

1. 硬質合金刀具材料的進展

現在硬質合金已成為主要刀具材料，近年來硬質合金刀具材料有很大發展提高，細顆粒、超細顆粒硬質合金材料的發展，顯著提高了它的強度和韌性。硬質合金化學成份的攺進，發展了很多新牌號的硬質合金，可適應多種不同工藝條件的切削要求。加壓燒結等新制造工藝的開發和應用，大大的提高了硬質合金的內在性能和質量。中小規格的鉆頭、立銑刀、絲錐等刀具現在很多都使用整體硬質合金制成，使切削效率大大提高。但目前我國生產的硬質合金刀片和刀具，和發達國家的硬質合金相比，質量還有很大差距，亟待提攺進高。引進的汽車流水線上，80~90%使用昂貴的進口刀具。

2. 超硬刀具材料的發展

陶瓷和金屬陶瓷刀具材料的質量，現在已有很大提高，強度和韌性增加，已可在鋼材和鑄鐵材料的精加工和半精加工批量生產中代替硬質合金，明顯提高了切削效率。

PCBN、CBN和聚晶金剛石刀具材料的制造工藝攺進提高，使其韌性提高和切削壽命明顯延長。用CBN刀具加工鑄鐵和淬硬鋼，用聚晶金剛石刀具加工有色金屬，明顯優于用硬質合金刀具，不僅切削效率大大提高，刀具壽命明顯延長，而且加工零件質量也可提高，因此這些超硬刀具材料，生產應用不斷擴大。

3. 刀具涂層技術的發展

刀具涂層技術近年取得很大進展，化學涂層(CVD)仍然是可轉位刀片的主要涂層工藝，新開發了中溫CVD、厚膜三氧化二鋁、過渡層等工藝，使涂層的韌性和耐磨性得到提高。物理涂層(PVD)技術亦有很大提高。最近又開發了適應高速切削、干切削，硬切削的耐熱性更好的新涂層TiAlN，綜合性能更好的通用涂層TiAlCN，潤滑涂層DLC、W/C等。最近還開發了納米涂層、多層涂層等，大幅度提高了涂層硬度和韌性。

四、機床工業的技術發展

1. 機床工業面臨的形勢

機床工業是機械制造工業的基礎，振興裝備制造工業，這已成我們政府的一項基本國策。

我國的機床工業由于機床產品水平不高，在二十世紀后期連續5年全行業虧損。直到2000年，才獲得明顯好轉，扭轉了全行業的虧損，走上快速發展軌道。但至今機床工業和先進國家相比，差距仍甚大。

2001年我國的機床產量為19.21萬臺，其中數控機床1.75萬臺，產值約10億美元，進口機床額達24億美元(其中數控機床1.77萬臺，金額14億美元)，出口機床2.9億美元。

2002年全年生產機床23.19萬臺，其中精密、數控機床占2.87萬臺。2002年1 - 6月我國進口機床55845臺，用匯金額13.3億美元，比去年同期增加23.9%，進口機床不少是高水平高價格的機床，平均單價2.4萬美元/臺。2002年1 - 6月我國出口機床250.72萬臺，金額1.46億美元，比2001年同期增加5.7%。應注意我國出口機床主要是鉆床、砂輪機，鋸床，普通車床等低水平低價格機床，平均單價僅為58.2美元/臺。從我國機床的進出口情況，也可說明中國的機床工業處在甚低的技術水平。

2003年我國機床年生產量是30.7萬臺，其中數控機床3.6萬臺，產值約29.1億美元。2003年我國進口機床用匯金額超過40億美元，其中主要是精密和數控機床，是世界第一大機床進口國。我國2003年機床消費額超過67億美元，比上一年增加了27%，是世界第一大機床消費國。國產機床自我市場的滿足率不到44%，國產數控機床的自我市場的滿足率不到30%。國防尖端技術急需的大型。精密、高技術數控機床，幾乎100%依靠進口。

最近世界機床工業逐年產值增加，世界上30個機床工業發達國家統計(其機床產值約占世界機床總產值的94%)，2002年機床總產值322億美元，2003年機床總產值363億美元。但機床市場競爭劇烈，現在中國加入WTO后，進口機床關稅大幅下調。進口機床總關稅水平已由1996年的36%，降低到2003年9.6%，今后進口機床必然會進一步增多。因此我國的機床工業面臨國外高水平機床大量進口，市場競爭更加劇烈的嚴峻局面。這些都迫使我們必須盡快提高機床產品水平，集中力量攻克關鍵技術，在機床工業中使用高新技術，并積極發展新型機床，滿足高新技術發展的需要。

參考國外機床工業的發展動態，作者認為我國機床工業應首先應加速發展機床工業的重要核心技術：數控技術、發展高速切削機床和精密超精密機床，提高國產機床的水平。此外還應注意高新技術發展對機床工業提出的新需求，供應加工微電子元器件和MEMS等的新型機床設備。

2. 數控技術的發展提高

數控技術是發展數控機床和先進制造技術的最關鍵技術。數控技術發展方向：高分辨率精密數控系統，多軸聯動數控系統，發展以通用工業控制微機為基礎的開放式數控系統。

現在世界數控技術正處在技術轉變階段，正以通用工業控制微機為基礎的開放式數控系統，逐步取代過去的以專用計算機為硬件平臺的封閉式數控系統。 因此，抓緊這時機，集中投入力量，在新起點基礎上迎頭趕上，是使我國數控技術早日達到世界先進水平的，現在是不可多得的大好時機。

長期以來，我國的數控機床依賴國外的數控系統，不僅我國的數控機床的發展受到國外的控制，而且國外還限制對我國出口高精度數控系統和五坐標聯動以上的高檔數控系統。使我國數控技術長期處在嚴重落后狀態。最近我國數控技術取得了可喜的進展，2001年中科院沈陽計算所研制成功有自主知識產權的“藍天一號”高檔數控系統。華中數控有限公司也自主開發成功，以通用工業控制微機為基礎的開放式的高水平五坐標數控系統，使我國的數控技術躍進到新的水平。華中數控公司將投資9000萬元建設中國最大的數控研究、開發和生產基地。北京第一機床廠和日本大隈株式會社合資將建立我國最大的數控機床制造廠— “北一大隈機床有限公司”，投資3.3億人民幣，年產200臺數控機床起步，最終達到年產1000臺數控機床的產量目標。

3. 高速切削機床技術的發展

國外在制造業已較廣泛應用高速切削加工技術，取得了很大效益，高速切削機床成為機床發展的重要方向，已取得很大成績。這問題前面已經講過，不再重復。

我國現在還不能生產高速切削機床，由于這項新技術應用日廣，必須投入力量，研究開發高速切削機床。

4. 精密和超精密機床技術的發展

精密和超精密機床技術的發展方向：發展大型超精密機床，普遍提高精密機床的精度，發展多功能和高效專用超精密機床。超精密機床的發展，直接影響尖端技術和國防工業的發展，世界各國在這方面都極為重視，投入很大力量進行開發研究，這部分將在下面講精密和超精密加工技術發展時再講述。

5.復合多功能加工機床的發展

為節省復雜零件的裝卡輔助時間，國外發展了車銑復合加工中心。例如日本Mazak公司的INTEGREX e-650H車銑復合加工中心，可以進行車削、銑削、鉆孔、攻絲等；作為選件，B軸還可以進行滾齒，激光表面淬火和局部外圓磨削。德國STAMA的MC系列機床是5軸聯動車銑復合加工中心，集合了棒料車床和立式5軸聯動的鏜銑加工中心，復雜零件可以一次裝卡，完成零件的全部加工，大大節省零件裝卡的輔助時間。

五、精密和超精密加工技術的發展

精密和超精密加工技術的發展，直接影響尖端技術和國防工業的發展。世界各國在這方面都極為重視，投入很大力量進行開發研究，同時技術保密，控制出口。由于光學(含激光)技術的迅速發展和多領域的廣泛應用，各種高精度光學平面和曲面的加工成為迫切任務，國外發展了多種超精密車削，磨削、拋光等加工精密光學平面和曲面的機床設備。

1. 超精密機床的發展

發展超精密機床是發展超精密加工的重要內容。各發達國家都發展了多種超精密機床。超精密機床的發展方向：進一步提高超棈密機床的精度，發展大型超精密機床，發展多功能和高效專用超精密機床。

美國除了大家已知的加工直徑2.1m的臥式DTM-3金剛石車床和加工直徑1.65m的LODTM立式大型光學金剛石車床等兩臺大型超精金剛石車床外，又研制了大型6軸數控精密研磨機，用于加工大型光學反射鏡。不久前美國在南卡里羅那州又加工出直徑8.4m的大型光學反射鏡。

英國制成OAGM2500 (2500mm×2500mm)多功能三坐標聯動數控磨床，可加工和測量精密自由曲面，并且用此機床采用加工件拼合方法，加工成天文望遠鏡中的直徑7.5m的大型反射鏡。

過去相當長時期，由于進口受到限制，我們不能購進國外的超精密機床，但在1998年我國數控超精密機床研制成功后，馬上對我國開禁，現在已經進口了多臺超精密機床。

我國北京機床研究所、航空精密機械研究所，哈爾濱工業大學等單位，現在已能生產若干種數控超精密金剛石機床。圖8a所示是北京機床研究所制成的加工直徑800mm的超精密車床，圖8b所示是哈爾濱工業大學研制的超精密車床，機床有兩坐標精密數控系統和激光在線測量系統。但必須承認，這方面的技術，和國外相比還有很大差距，國產超精密機床的質量亟待提高。現在我國正在研制加工直徑1m以上的立式超精密機床和加工KDP晶體大平面的超精密銑床等。

a) 北京機床研究所研制 b) 哈爾濱工業大學研制
圖8 國產數控金剛石超精密車床

2. 非球曲面精密磨削研磨技術的發展

日本以超精密車床為基礎，結合ELID鏡面磨削技術，發展了加工回轉體非球曲面的ELID精密鏡面磨床(見圖9)；后來又發展了三坐標聯動數控ELID精密鏡面磨床，可加工精密自由曲面，達到鏡面。

圖9 ELID精密鏡面磨床

高精度自由曲面現在應用日廣，國外已有多種帶在線測量系統的多坐標數控研磨拋光機，我國應盡快研制開發這方面的產品。曲面的精密研磨拋光國外最近發展了兩種新加工方法，第一種是用磁流體進行拋光，第二種用氣囊進行拋光。

磁流體拋光的原理是用永久磁鐵或電磁鐵工具，將混有磨料的磁流體吸附在工具上面，對工件表面進行拋光。由于磁流體外形可以隨工件外形而自動變化，因此對磁鐵工具外形無嚴格要求，很容易加工制造。可以用平面工具吸附磁流體進行拋光。也可用桿狀工具，一端吸附磁流體，代替立銑刀在多軸數控聯動機床上，對自由曲面進行拋光。磁流體拋光可使加工表面達到很高的質量。

不久前英國Zeeko公司研制成功加工精密曲面的氣囊拋光新工藝方法。圖10a所示是這Zeeko氣囊拋光曲面方法的工作原理。拋光工具是外面包有磨料薄膜層的膠皮氣囊，拋光工具結構如圖10b所示。拋光工作時，工具氣囊旋轉形成拋光運動，工件對氣囊拋光工具作相對的進給運動，(一般是工件作三軸聯動的進給運動)，使工件的全部表面都被能拋光加工。拋光工作時，工具氣囊還同時作擺動(擺動中心為汽囊曲面的曲率中心)，使磨料薄膜層均勻磨損。由于工具氣囊具有彈性，可以自動適應工件的曲面形狀，故同一工具可用于拋光不同外形的曲面。這新的曲面拋光方法可以獲得質量甚高的拋光表面。

a) 拋光原理 b) 氣囊拋光工具結構
圖10 Zeeko氣囊拋光原理

3. 超大規模集成電路制造技術的進展

過去30年集成電路獲得飛躍發展的發展，現以全球最大的芯片制造商英特爾公司(Intel)的計算機芯片為例說明集成電路的發展。

英特爾公司自1971年開始生產計算機芯片以來，已更新換代十多次。芯片的性能和集成度，在這一次次的更新換代中，得到大幅度提高。1971年英特爾公司的4004芯片，時鐘速度僅為108 kHz，內含晶體管2300個，最小線寬為10μm ；1999年英特公司的Pentium III 芯片(奔騰III芯片)，時鐘速度已經高達1 GHz，在面積為217 mm2的芯片內，有晶體管2800萬個，最小線寬為0.18μm。最近2001年3月英特爾公司推出的Pentium 4電腦的時鐘速度高達1.7 GHz，最小線寬0.13μm，在面積為116 mm2的芯片內，晶體管數超過4200萬個。計劃十年內時鐘速度達到10 GHz，30年來計算機芯片速度和集成度提高了13000倍，線寬從1971年的10μm縮小到0.13μm。最近新的芯片時鐘速度已高達2.8 GHz。

現在制造集成電路的光刻技術使用的光波是深紫外光(光波長為0.24μm)，已達到的最小線寬為0.13μm。從理論分析這光刻加工技術的極限為0.1μm。光刻中最小的光刻線寬和光波的波長有關，光刻時的光班直徑等于半波長。國外正在研究進一步縮小芯片上電子元件的尺寸和光刻的線寬，這只有使用更短波長的超紫外光曝光光源。這使用超紫外光的光刻方法，將有可能使光刻的線寬達到70 nm以下。但是超紫外光會被空氣吸收，因此，光刻需在真空中進行，這對大規模工業生產將增添困難。國外現在制造超大規模集成電路用10″- 12″晶片，制造時已用數字控制柔性生產線加工，因此，新集成電路塊能很快試制出來，并且批量不很大的集成電路也能接受生產，價格也不貴。

我國微電子工業近年獲得飛躍發展，我國現在制造大規模集成電路的水平是：已能用8″硅晶片制造大規模集成電路，光刻能達到的最小線寬為0.18μm。我們正在努力研究發展10″～12″晶片、線寬0.13～0.1μm的大規模集成電路制造，希望能盡快趕上世界先進水平。

六、機械制造自動化技術的發展

從計算出現以后，機械制造自動化的發展是柔性自動化的發展過程：從數控機床→加工中心→柔性加工單元→柔性制造系統。同時機械設計、工藝規程編制、車間調度、車間和工廠管理，成本核算等也都用計算機管理，這樣就出現了CAD/CAM一體化，并在20世紀80年代提出了全部工廠生產管理都由計算機控制管理，達到全盤自動化的CIMS設想，認為這是機械制造業的今后發展方向。

但實際推廣CIMS技術卻是到處碰壁，這是因為一個機械制造企業要全部由計算機控制管理，不僅技術難度極大，需要極大的投資，而且企業全部由計算機控制管理，根本無法適應機械制造技術的快速發展和機電產品的多變和快速更新。

計算機技術的發展，提出了計算機仿真和虛擬制造，包含在計算機上進行加工過程碰撞仿真、加工精度仿真、調度仿真、制造過程仿真(虛擬制造)、裝配過程仿真(虛擬裝配)。對機械制造業中的設計、制造、調度管理都有極大幫助。后來又提出并行工程，使機械制造中原來需要先后順序進行的工作，攺成并行或部分并行的工作，大大縮短了生產周期。

20世紀90年代隨因特網的出現應用，提出了敏捷制造(或網絡制造)的新制造模式。應用因特網，可使不同地區的單位間，實現快速大信息量的傳輸交流，使機械制造業可以將不同地區的工廠、設計單位和研究所通過因特網組合在一起，分工協作，、發揮各單位特長，共同開發、研制并生產某大型新產品。因系多單位協作，發揮各自特長，并行作業，故可快速、優質、低成本地進行大型新產品研制與生產，這就是敏捷制造(或網絡制造)的概念。敏捷制造是多單位的協作生產(有一單位是主持的主導單位)，可以包含基層單位中的局部的計算機控制管理自動化(CIMS)、FMS、CAD/CAM，可以靈活機動地采用虛擬制造、虛擬裝配、并行工程等各種先進工藝和管理方法，最終達到快速、優質、低成本地進行生產或研制新產品。

美國波音777大型民用客機的研制，可以認為是敏捷制造的綜合應用實例。美國研制波音777大型民用客機是以西雅圖為中心，集中南北51英里，11個地區的很多個工廠研究所協作研制，參加人員包含制造、供應、用戶等共7000多人。全部研制工作中，實現無圖紙生產，采用各種計算機控制管理，虛擬設計和虛擬制造，并行工程，CAD/CAM一體化技術等一切能采用的自動化設計，制造，管理等生產辦法。最后.波音777大型民用客機一次研制試飛成功，全部設計研制周期僅27個月。而這之前，同樣復雜程度的波音767大型民用客機的研制周期為40個月。從這實例可以看到綜合應用敏捷制造的新制造模式的優越性。

歐盟協作生產空中客車大型民用客機，可以認為是綜合應用敏捷制造的新制造模式的另一實例。空中客車大型民用客機主要是法國、英國和德國合作生產。跨越英吉利海峽的三個國家的一百數十個工廠、研究所和設計單位，共同參加合作研制生產，最后較快、較好的完成了研制和生產任務。

七、用掃描探針微顯微鏡進行納米級精加工和原子操縱

掃描探針微顯微鏡開始時僅用于表面微觀形貌的檢測。現在用途已大大擴展，已用于納米級微結構的精密加工和原子操縱，下面作簡單介紹。

1. 用AFM的探針直接進行雕刻加工

原子力顯微鏡使用高硬度的金剛石或Si3N4探針尖，可以對試件表面直接進行刻劃加工。可改變針尖作用力大小來控制刻劃深度，按要求形狀進行掃描，即可獲得要求的圖形結構。用SPM探針可以刻劃出極小的三維立體圖形結構，圖11中是哈工大納米技術中心用AFM加工出的兩種立體征結構，可看到用這種方法可以雕刻出側壁較陡峭而深的凹槽和其他立體微結構。

a) 圓形凹坑微結構 b) 4個方形凹槽微結構
圖11 用AFM針尖雕刻出的微結構

2. 用SPM進行電子束光刻加工

當AFM使用導電探針時，控制探針和試件間的偏壓，由于針尖端極尖銳可以將針尖處的電子束聚焦到極細。再采用常規的光刻工藝，即可獲得極精微的光刻圖形。圖12中是Stanford大學Quate等用SPM對Si表面進行光刻加工，獲得的納米細線寬度為32 nm，刻蝕深度為320 nm，高寬比達到10：1。美國IBM公司的McCord等用AFM在Si表面進行光刻加工，獲得線條寬為10 nm的圖案。

a) 微觀圖 b) 局部放大
圖12 用SPM對Si表面進行光刻加工得到的納米細線結構

3. 用局部陽極氧化法加工納米結構

使用SPM的探針尖，對試件表面進行局部陽極氧化方法的原理，見圖13。在反應過程中，針尖和試件表面間存在隧道電流和電化學反應，針尖是陽級反應的陰極，試件表面為陽級(即試件的偏壓為正)，吸附在試件表面的水分子起到了電化學反應中的電解液作用，提供氧化反應中所需的HO-離子。

圖13 SPM對試件表面進行局部陽極氧化原理

圖14a是Stanford大學Dai等用SPM在氫飩化的Si表面，用陽極氧化法加工出的SiO2細線組成的“nanotube”和“nanopencil”等字，可看到寫成的字甚小。實驗中用的AFM探針尖為多壁碳納米管，針尖的負偏壓為 -7 ~ -15 V，SiO2細線寬度僅10 nm。圖14b所示，是中科院真空物理實驗室用STM在P型Si(111)表面用陽極氧化法制成的SiO2圖形的中科院院微圖形的微結構。

a) SiO2細線文字 b) 中科院徽
圖14 陽極氧化法加工出的SiO2圖形

4. 納米點的沉積加工

在一定的脈沖電壓作用下，SPM針尖材料的原子可以遷移沉積到試件表面，形成納米點。改變脈沖電壓和脈沖次數，可以控制形成的納米點的尺寸大小。

圖15中所示，是黃德歡用STM的Pt針尖在試件Si(111)―7×7表面上加工出的Pt納米點實例。實驗時Pt針尖和試件表面距離約0.4 nm，在針尖施加一個 ―3.0 V，10 ms的電壓脈沖，由于電流急劇增加，溫度大幅度升高，針尖的Pt原子向試件迅速擴散，形成一個納米尺度的聯接橋，由于STM工作在恒電流反饋狀態，針尖回縮使形成的納米橋斷裂。殘留在試件表面的Pt材料，構成圖中的Pt納米點。一個脈沖加工得到的納米點，直徑約為1.5 nm；兩個脈沖加工而成的納米點，直徑約為2 nm。

Mamin 等用Au針尖的STM，在針尖加 -3.5~ -4V的電壓脈沖，在黃金表面沉積加工出直徑10 ~20 nm，高1~2 nm的Au納米點。用這些Au納米點，描繪出直徑約1μm的西半球地圖，如圖16所示。這是用黃金制成的，最小的世界地圖。

圖15 Pt針尖在Si表面上沉積形成的Pt納米點 圖16 Au納米點形成的地圖

5. 三維立體納米微結構的自組裝生成

使用SPM，控制工作環境條件(主要是：針尖一試件間距離，外加偏壓，和環境溫度)可以自組裝生成三維立體納米微結構，下面是兩個具體實例。

日本NEC公司在600℃高溫條件下，通過增大STM針尖和試件Si(111)表面之間的負偏壓，使試件表面的Si原子自動聚集到STM的針尖下，自組裝而形成一個納米尺度的六邊形金字塔，如圖17所示。此金字塔的直徑約為80 nm，高度約為8 nm。這是使用STM實現原子三維空間的立體搬遷，自組裝形成立體結構。

美國惠普公司，利用STM在特定的溫度和加大負偏壓的條件下，在Si基材表面上，實現三維立體搬遷表面上的鍺原子，自組裝而形成四邊形金字塔形的鍺原子量子點，如圖18所示。該鍺原子組成的金字塔底寬約10 nm，高約1.5 nm。

圖17 自組裝形成的Si六邊形金字塔 圖18 在Si基材表面自組裝形成鍺原子的金字塔

6. 原子操縱構成微結構圖形

使用SPM進行原子操縱，可以實現搬遷原子，增添原子和去除原子，構成微結構圖形，下面是兩個實例。

1993年Eigler等在銅Cu(111)表面上成功地移動了101個吸附的鐵原子，寫成中文的“原子”兩個字，(見圖19)，這是首次用原子寫成的漢字，也是最小的漢字。

圖19 搬遷101個鐵原子寫成的中文“原子”

1994年中科院北京真空物理實驗室龐世謹等，使用STM針尖在Si(111)―7×7表面連續移走Si原子，形成溝槽，寫成中國 (圖20a)和毛澤東 (圖20b)等字的圖形結構。

a) 寫成的中國字樣 b) 寫成的毛澤東字樣
圖20 連續去除Si原子形成的文字圖形

八、微機械和微機電系統制造技術的進展

近年微機械和微機電系統發展迅速，相應的促進了微機械和微機電系統制造技術的發展。

1. 微硅零件的立體光刻腐蝕加工

微機械和微機電系統中使用得最多的材料是硅，單晶硅的(100)、(110)和(111)晶面具有各向異性的特性，在使用“KOH+H2O”作為腐蝕劑時，(100) 、(110)、(111)晶面的蝕刻速率比大致為400：100：1。可以應用各向異性刻蝕法加工立體微硅器件。現在立體光刻腐蝕加工技術已是制造三維立體微硅器件的最基本方法之一。

a) (100)晶面各向異性腐蝕后的槽形 b) (110)晶面各向異性腐蝕后的槽形
圖21 不同晶面各向異性腐蝕后的槽形

硅晶體進行各向異性刻蝕時可刻蝕的晶面為(100)和(110) 晶面，這兩晶面經各向異性刻蝕后，得到的基本刻蝕形狀是不同的。各向異性刻蝕在自由刻蝕狀態下，終止的面都是(111)晶面。因被刻蝕的(100)、(110)晶面和晶體內的(111)晶面的相互位置不同，得到的各向異性刻蝕結構形狀也就不同了。在相同掩膜形狀時，圖21a所示是(100)晶面各向異性刻蝕后的槽形，21b圖所示是(110)晶面各向異性刻蝕后的槽形。設計硅微結構時，如果這硅微結構準備用立體各向異性刻蝕方法制造，則必須考慮所用的晶面和晶體方向，以及刻蝕后形狀能否符合所設計的微結構要求。

硅晶體各向異性刻蝕制造立體微結構時，常和其他工藝結合進行。如在硅晶體中埋藏局部P+抗蝕層時，可限制該處的腐蝕深度，形成特殊結構，如圖22所示。立體刻蝕和犧牲層工藝結合可用于制造微硅加速度計。

圖22 埋藏抗蝕層制造三維微結構

2. 微器件的精密機械加工

現已有多種小型精密高速機床(主軸轉速50000 r/min以上)，使用微小刀具加工微型器件。在微小型加工中心上，可加工極小的精密三維曲面，圖23所示，是日本Fanuc公司生產的加工微型零件的ROBonano Ui五軸聯動加工中心。以及在這臺加工中心上用微型單晶金剛石立銑刀加工出的人像浮雕。

圖23 日ROBonano Ui加工中心及所加工的曲面試件

3. 微器件的特種加工

電火花加工，線切割，超聲加工和激光加工等特種加工技術都已用于加工微型元器件，其中電火花加工，線切割，超聲加工可達到相當精度，圖24中是用不同電火花加工法加工出的幾個微型工件實例。超聲波加工法可在脆性材料上加工成型孔，已用超聲波加工法在石英玻璃上加工出f5μm微孔。準分子激光因光的波長短，熱作用區集中，適宜于加微型件。圖25a所示，是用激光在鈦合金細管上切割的成形槽，圖25b所示，是用準分子激光在一根頭發上刻的小字。

a) 電火花加工f5μm微孔 b) 電火花加工f4.5μm微針 c) 加工成形微型汽車模具 d) 模具壓制的塑料微汽車
圖24 電火花加工出的微型精密零件

a) 激光在鈦合金管上切的槽 b) 激光在頭發上刻的字
圖25 激光加工微型工件實例

4. LIGA技術

它是由深度同步幅射X射線光刻，電鑄成型，塑鑄成型等技術組合而成的綜合性技術。用這方法可以制作各種微器件和微裝置，材料可以是金屬、陶瓷和玻璃等，可以制作微形件的最大高度1000μm，槽寬0.5μm以上，高寬比大于200的立體微結構。刻出的圖形側壁陡峭，表面光滑。圖26是使用LIGA技術制造微器件過程。圖27所示，是使用LIGA技術制造的光刻膠模型和微器件。過去使用LIGA技術只能制造上下形狀一致的微器件，現在這技術又有發展。圖28所示，是這方法加工階梯狀零件，和上端部為半球狀的零件。

圖26 使用LIGA技術制造微器件過程

a) 光敏件微器件 b) 電鑄微器件
圖27 使用LIGA技術制造的微器件

a) 制成的階梯微結構 b) 制成的圓頂微結構
圖26 使用LIGA技術制造微器件過程 圖28 擴展LIGA技術制成的微結構

5. 微型件的精微塑性成形加工

精微塑性成型加工技術已成功地制造多種微型器件。圖29a所示，是用塑性成型法加工的微小螺絲，螺紋部分直徑20～50μm。圖29b所示，是Gunm大學研制的微型超塑擠壓機，可以用于加工制造微型齒輪軸等多種微型零件。

) 加工微小螺絲 b) 微型超塑擠壓機
圖29

6. 微型機械的裝配

因微型零件太小，人工裝配困難，因此為裝配微型機械，已制造了多種微型夾持器、機械手和自動化裝配裝置。圖30a所示，是應用壓電傳感驅動的微夾持器，圖30b所示，是應用熱敏驅動的微夾持器。國外已開發了多種微型機械和微機電系統的自動裝配機。

a) 壓電驅動的微夾持器 b) 熱驅動微夾持器
圖30

最近國外研制了制造微型機械的微型工廠。 圖31中是一個日本某學校研制的微型工廠，內有車床，加工中心，沖床，裝配機等。這微型工廠遙控監測操作，整個工廠為體積625 mm×490 mm×380 mm，重量 約34kg。

圖31 日本的微型機械制造廠