特种加工技术论文_特种加工技术课程论文

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特种加工技术概论

摘要：特种加工技术是直接借助电能、热能等各种能量进行材料加工的重要工艺方法。本文简介了电火花加工，电化学加工，超声波加工等各种不同的特种加工技术，并介绍了特种加工技术的特点及未来发展方向趋势。

关键词：特种加工 电火花加工 电化学加工 离子束加工 超声波加工 快速成形

一.前言：

近年来，计算机技术、微电子技术、自动控制技术、国防军工和航空航天技术发展迅速，与此同时，高度、高韧性、高强度和高脆性等难切削材料的应用日益广泛，制造精密细小、形状复杂和结构特殊工件的求也在日益增加。社会需求与技术进步的结合促使特种加工技术不断进步和快速发展。所谓特种加工，是一种利用化学能、电能、声能、机械能以及光能和热能对金属或非金属材料进行加工的方法。其工作原理不同于传统的机械切削方法，即加工过程中工件与所用工具之间没有明显的切削力，工具材料的硬度也可低于工件材料的硬度。特种加工技术在国内外各行各业的应用中取得了巨大成效，它们有着各自的特点，特殊材料或特殊结构工件的加工工艺性发生了根本变化，解决了传统加工方法所遇到的各种问题，已经成为现代工业领域中不可缺少的重要加工手段和关键制造技术。

二.特种加工的特点

特种加工与一般机械切削加工相比，有其独特的优点，在某种场合上，它是一般机械切削加工的补充，扩大了机械加工的领域。它具有以下较为突出的特点

（1）不用机械能，与加工对象的机械性能无关，有些加工方法，如激光加工、电火花加工、等离子弧加工、电化学加工等，是利用热能、化学能、电化学能等，这些加工方法与工件的硬度强度等机械性能无关，故可加工各种硬、软、脆、热敏、耐腐蚀、高熔点、高强度、特殊性能的金属和非金属材料。

（2）非接触加工，不一定需要工具，有的虽使用工具，但与工件不接触，因此，工件不承受大的作用力，工具硬度可低于工件硬度，故使刚性极低元件及弹性元件得以加工。

（3）微细加工，工件表面质量高，有些特种加工，如超声、电化学、水喷射、磨料流等，加工余量都是微细进行，故不仅可加工尺寸微小的孔或狭缝，还能获得高精度、极低粗糙度的加工表面。

（4）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，其热应力、残余应力、冷作硬化等均比较小，尺寸稳定性好。

（5）两种或两种以上的不同类型的能量可相互组合形成新的复合加工，其综合加工效果明显，且便于推广使用。

（6）特种加工对简化加工工艺、变革新产品的设计及零件结构工艺性等产生积极的影响。

三.特种加工的分类

与其它先进制造技术一样，特种加工正在研究、开发推广和应用之中，具有很好的发展潜力和应用前景。依据加工能量的来源及作用形式列举各种常用的特种加工方法。特种加工按照所利用的能量形式来分类，具体如下:（1）电、热能 电火花加工、电子束加工、等离子加工。（2）电、机械能 离子束加工。

（3）电、化学能 电解加工、电解抛光。

（4）电、化学能、机械能 电解磨削、阳极机械磨削。（5）光、热能 激光加工。

（6）化学能 化学加工、化学抛光。（7）声、机械能 超声加工。

（8）机械能 磨料喷射加工、磨料流加工、液体喷射加工。

目前，生产实用中应用最广的是电火花加工、电化学加工、离子束加工、超声加工、磨料水射流切割技术和液中放电成形加工。1.电火花加工

电火花加工的原理是基于工具和工件之间脉冲性火花放电时的电腐蚀现象来蚀除多余的金属，以达到对零件的尺寸形状及表面质量预定的加工要求。按

工具电极和工件相对运动的方式和用途的不同，电火花加工工艺大致可分为电火花成形加工、电火花线切割、电火花磨削和镗磨、电火花同步共轭回转加工、电火花高速小孔加工、电火花放电沉积与刻字六大类。

1.1 电火花放电沉积的基本原理与特点

电火花放电沉积的原理是利用脉冲电路的充放电原理，采用导电材料(硬质合金、石墨、合金钢、铝和铜等)作为工具电极(阳极)，在空气或特殊的气体中使之与被强化的金属工件(阴极)之间产生火花放电。当工具电极与工件达到某个距离电场强度足以使介质电离击穿时两者之间就产生火花放电，使电极端部与工件表面微区发生熔化甚至气化，熔融金属在热作用，电磁力和机械力的作用下沉积在工件表面。电极与工件的放电间隙频繁发生变化，电极与工件间不断发生火花放电，从而实现放电沉积。1.2 极性效应

在电火花放电加工过程中，无论是正极还是负极，都会受到不同程度的电蚀。这种单纯由于正、负极性不同而彼此电蚀量不一样的现象叫做极性效应。因此，当采用窄脉冲、精加工时应选用正极性加工；当采用长脉冲、粗加工时，应采用负极性加工，此时可得到较高的蚀除速度和较低的电极损耗。从提高加工生产率和减小工具损耗的角度来看，极性效应愈显著愈好，故在电火花加工中必须充分利用。当用交变的脉冲电流加工时，单个脉冲的极性效应便相互抵消，增加了工具的损耗，因此，电火花加工一般采用单向脉冲电源。1.3 电火花加工中电极损耗分析与解决措施

电火花在整个加工过程中要受到各种干扰因素的影响, 这些干扰因素直接或间接地影响着加工质量。在电火花加工过程中电极损耗分为绝对损耗和相对损耗。造成电极损耗的原因有：小面积精加工，加工件结构尺寸偏小，加工时间过长，电极装夹不当等因素。因此为了减少电极的损耗一般有以下方法：（1）有效排除电蚀物（2）电极材料和加工参数的合理选用（3）提高加工技能和安全操作意念等等。电火花加工电极损耗和变形是一个复杂的过程。为了降低电极损耗程度, 减少变形, 除了充分利用放电过程的极性效应和吸附效应外, 同时也要选用适宜的电极材料, 并且在实际的加工过程中要根据具体的加工对象实施一定的加工技巧和选择合适的加工参数。

1.4 电火花加工的发展趋势

电火花线切割加工技术在相当长的时间里间都是采用精规准参数进行一次切割成型,其切割速度与加工表面质量之间存在着一定的矛盾。中国特有的高速走丝电火花线切割机长期存在的加工质量问题, 可以采用多次切割工艺来解决。现目前中速走丝电火花线切割机是一种价格较低, 加工精度、粗糙度、加工效率介于高速走丝与慢走丝的一种机床,具有很好的发展前景。2.电化学加工

电化学加工是利用电化学反应（或称电化学腐蚀）对金属材料进行加工的方法。与机械加工相比，电化学加工不受材料硬度、韧性的限制，已广泛用于工业生产中。常用的电化学加工有电解加工、电磨削、电化学抛光、电镀、电刻蚀和电解冶炼等。近期,电化学加工工艺技术研究涉及的方向主要集中在超纯水电解加工、微细加工、加工间隙的检测与控制、数字化设计与制造技术等重点领域。

2.1 电解加工的优缺点

（1）加工范围广不受金属材料本身力学性能的限制（2）电解加工的生产效率高（3）可以达到较好的表面粗糙度（4）加工过程中阴极工具在理论上不会损耗（5）加工过程中没有切削力可以不会产生残余应力和变形。但是任何一种加工方式都有它的弊端，在电化学加工过程中也有缺点和其局限性：（1）不易达到较高的加工精度和加工稳定性（2）电极工具的设计和修正比较麻烦（3）电极加工的附属设备较多。（4）电解产物需要进行妥善的处理，否则将污染环境。

2.2 未来展望

近阶段,电解加工的研究重点及应用领域主要会集中在以下几个方向:(1)电化学微精加工的深入研究电化学加工技术具有加工机理的独特优势以及在微精甚至在纳米加工领域进一步研究探索的空间,但还必须在自身工艺规律认识和完善的基础上不断创新。具体应关注: ①进一步完善硬件系统,如微进给系统及微控工作台的性能及可靠性的提升;加工过程自动检测与适应控制研发的深化;②微精加工机理的研究，尤其是中、高频率脉冲电流条件下,微精加工电化学反应系统动力学等方面的深入研究。(2)脉冲电源的深化研发微秒级脉冲电源的工程化完善以及在工业领域的大力推广应用。纳秒级脉冲电源、群脉冲电源、逆变式脉冲电源的性能完善。(3)理论成果向实际应用的转化。诸如加工间隙的检测与控制、阴极数字化设计、电解加工过程的模拟与仿真等均是电化学加工的关键技术,不能仅仅在各种基金支持下获得理论成果即束之高阁,而应尽快由实验室向工业生产现场转移。

3.离子束加工

聚焦离子束技术是一种集形貌观测、定位制样、成分分析、薄膜淀积和无掩膜刻蚀各过程于一身的新型微纳加工技术。离子束纳米加工,具有传统加工方法无可比拟的优势而逐渐成为新一代精加工方法，在微纳米加工、操纵以及器件的研制等方面具有重要应用。纳米测量学在纳米科技中起着信息采集和分析的不可替代的重要作用,纳米加工是纳米尺度制造业的核心,发展纳米测量学和纳米加工的一个重要方法就是电子束与离子束技术。4.超声波加工

超声加工是利用超声频作小振幅振动的工具，并通过它与工件之间游离于液体中的磨料对被加工表面的捶击作用，使工件材料表面逐步破碎的特种加工。超声加工常用于穿孔、切割、焊接、套料和抛光。其加工原理是超声波发生器将工频交流电能转变为有一定功率输出的超声频电振荡，换能器将超声

频电振荡转变为超声机械振动，通过振幅扩大棒（变幅杆）使固定在变幅杆端部的工具振产生超声波振动，迫使磨料悬浮液高速地不断撞击、抛磨被加工表面使工件成型。超声加工的主要特点：不受材料是否导电的限制；工具对工件的宏观作用力小、热影响小，因而可加工薄壁、窄缝和薄片工件；被加工材料的脆性越大越容易加工，材料越硬或强度、韧性越大则越难加工；由于工件材料的碎除主要靠磨料的作用，磨料的硬度应比被加工材料的硬度高，而工具的硬度可以低于工件材料；可以与其他多种加工方法结合应用，如超声振动切削、超声电火花加工和超声电解加工等。4.1 高效超声波光整技术原理

高效超声波光整技术是利用超声波振动冷压加工原理。它是将一台高效超声波表面光整设备装于车床刀架上，利用工件的回转，磨头对零件表面作高频率短促的往复振动冲击运动，以一定的冲击力敲击被加工表面的加工方法。其冷压加工是充分利用金属的塑性，使零件的表面层金属在外力作用下产生细微塑性残余变形，从而达到改变其表面性能，形状和尺寸的目的。5.快速成形

快速成形技术的基本原理是基于“离散—堆积”的成形方法, 借助三维CAD 软件, 或用实体反求方法采集得到有关原型或零件的几何形状、结构和材料的组合信息, 从而获得目标原型的概念并以此建立数字化描述CAD 模型, 之后经过一定的转换或修改, 将三维虚拟实体表面转换为用一系列三角面片逼近的表面, 生成面片文件, 再按虚拟三维实体某一方向将CAD 模型离散化, 分解成具有一定厚度的层片文件, 由三维轮廓转换为近似的二维轮廓, 然后根据不同的快速成形工艺对文件进行处理, 对层片文件进行检验或修正并生成正确的数控加工代码, 通过专用的CAM 系统控制材料有规律地、精确地叠加起来(堆积)而成一个三维实体制件,快速成形技术的成形方法多达十余种,目前应用较多的有立体光固化法，选择性激光烧结、分层实体制造、熔积成形等。这些工艺方法都是在材料叠加成形的原理基础上,结合材料的物理化学特性和先进的工艺方法而形成的,它与其他学科的发展密切相关。5.1 快速成形技术特点:(1)制造快速(2)技术高度密集(3)自由成形制造(4)制造过程高柔度性(5)可选材料的广泛性(6)广泛的应用领域(7)突出的技术经济效益 5.2 快速成形制造技术的发展趋势

最近随着新材料技术、新工艺及信息网络化等方面的进步，许多新快速成型制造技术不断涌现并应用在各领域，主要出现在快速模具，纳米制造、仿生制造和集成制造等领域。6.磨料水射流切割技术

随着我国经济的迅猛发展,各行各业对切割技术的需求越来越大,对切割质量的要求也越来越高。水射流都已成为新型的切割加工方法之一。水射流切割分为纯水射流切割和磨料水射流切割两种。纯水射流切割是以纯水作为能量载

体, 其结构简单,喷嘴磨损慢, 但切割能力差。磨料水射流切割以水和磨料的混合液作为能量载体, 切割能力强,能切割几乎所有的材料,其卓越的应用效果越来越被人们

7.液中放电成形加工

液中放电成形加工：它是利用液电效应对金属进行冲压成形的工艺方法。当高压脉冲放电在液体中发生时，液体内会产生强烈的爆炸，其冲击压力可达102～104M Pa，这就是所谓的液电效应，也叫电水锤效应。该法具有成形速度高，可用于高强高硬的金属材料；工件回弹小，加工精度高；能同时完成拉伸、冲孔、剪切、压印、翻边等多种工序等优点。该法适合形状复杂及高强高硬金属工件的冲压成形。液电冲压成形法在国外的机械加工行业中已有应用，并已有这种成形设备的系列产品面世。四.特种加工的发展趋势

为进一步提高特种加工技术水平及扩大其应用范围, 当前特种加工技术的发展趋势主要包括以下几点:1)采用自动化技术。充分利用计算机技术对特种加工设备的控制系统、电源系统进行优化,使加工设备向自动化、柔性化方向发展, 这是当前特种加工技术的主要发展方向。2)趋向精密化研究。高新技术的发展促使高新技术产品向超精密化与小型化方向发展, 对产品零件的精度与表面粗糙度提出更严格的要求。为适应这一发展趋势, 特种加工的精密化研究已引起人们的高度重视, 3)开发新工艺方法及复合工艺。为适应产品的高技术性能要求与新型材料的加工要求, 需要不断开发新工艺方法, 包括微细加工和复合加工, 尤其是质量高、效率高、经济型的复合加工, 如工程陶瓷、复合材料以及聚晶金刚石等。五.结束语

特种加工技术涵盖了机械、材料等技术,是一门综合的科学加工技术其发展异常迅速。加工尺度的微细化,加工方法的复合化和加工过程的自动化,已成为特种加工技术研究发展的热点。随着科学技术的飞速发展, 特种加工必将不断完善和迅速发展, 特种加工必将成为推动科学技术和现代制造工业发展的中坚力量。参考文献: [ 1 ] 孔庆华.特种加工[M ].上海:同济大学出版社, 2003.[ 2 ] 赵万生.特种加工技术[M ].北京:高等教育出版社, 2001.[ 3 ] 曹凤国.超声加工技术[ M].北京: 化学工业出版社, 2005 [ 4 ] 张辽远.现代加工技术[ M].北京: 机械工业出版社, 2002 [ 5 ] 陈晓华.快速成形技术[ J ].电气制造, 2006(3).[ 6 ] 华林, 王华昌.激光切割和水切割技术[J ].机械制造, 1996(2).[ 7 ] 薛胜雄, 黄汪平.我国高压水射流设备的发展动向[J ].流体机械, 1999(1).