特种加工基本原理及发展方向_特种加工的发展趋势

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特种加工基本原理及发展方向

司光宇 学号 ： H101901202 哈尔滨工业大学材料科学系

摘要：由于传统加工方法的限制和制约，特种加工越来越多地运用到加工材料中去，广泛包含了直接利用电能，电化学能，光能，声能，特殊机械能等能量来加工材料的方法，本文主要介绍了特种加工的原理及发展方向。关键词：特种加工 电火花 电解 超声 激光 发展方向

特种加工技术是衡量先进制造技术水平的重要指标之一，在精密和超精密加工技术上，微型机械和纳米技术代表了其发展的水平和研究热点，也是先进制造技术中最活跃的因素。许多精密工程和纳米技术需要特种加工的支持。特种加工原理

1.1电火花加工

电火花加工是利用脉冲对导电材料的腐蚀作用去除金属，通过工件和工具电极间的放电而有控制地去除工件材料，以及使材料变形、改变性能或被镀覆，以获得一定形状和尺寸的特种加工。

脉冲电源发出一连串的脉冲电压，施加在浸于工作液中的工件电极和工具电极上，两极间距离很小时，由于电极间的微观表面突起，使得突出点电场强度最大，其间的工作液被电离成电子和正离子，使介质被击穿形成放电通道，在电场力的作用下，产生火花放电，由于受到磁场和工作液的压缩，使得通道内的电流密度很大，可达10的四次方到10的七次方安培每立方厘米，电子和正离子在电场力作用下高速运动，轰击阳极和阴极，生成大量的热，使电极表面迅速熔化甚至气化，由于熔化和气化的速度极高，具有爆炸性，爆炸力把金属微粒迅速抛离金属表面，由此使金属不断被腐蚀。

其中成形加工适用于各种孔、槽模具，还可刻字、表面强化、涂覆等；切割加工适用于各种冲模、粉末冶金模及工件，各种样板、磁钢及硅钢片的冲片，钼、钨、半导体或贵重金属。

1.2电火花线切割加工

电火花线切割加工是在电火花加工基础上发展而来的，利用金属丝（钼丝或黄铜丝）做电极产生电火花来对金属产生切割的加工方法。一般涵盖了高速走丝线切割和低速走丝线切割两种形式。1.3电解加工

电化学加工是通过电化学反应去除工件材料或在其上镀覆金属材料等的特种加工。

加工时工件接直流电源的正极，工具接负极，电源电压不高，约为20v左右，但工作电压可达1000A-2000A，两极间的间隙约为0.1-1mm,电解液从间隙中通过，流速高达5-50m/s，则工件与工具阳极所对应的部分产生溶解，产物不断被电解液冲走，这样阳极不断溶解，使工件不断按阳极型面的形状不断溶解，从而达到加工形状及尺寸的目的。

其中电解加工适用于深孔、型孔、型腔、型面、倒角去毛刺、抛光等。电铸加工适用于形状复杂、精度高的空心零件，如波导管；注塑用的模具、薄壁零件；复制精密的表面轮廓；表面粗糙度样板、反光镜、表盘等零件。涂覆加工可针对表面磨损、划伤、锈蚀的零件进行涂覆以恢复尺寸；对尺寸超差产品进行涂覆补救。对大型、复杂、小批工件表面的局部镀防腐层、耐腐层，以改善表面性能。

1.4超声加工

超声加工是利用超声振动的工具在有磨料的液体介质中或干磨料中，产生磨料的冲击、抛光、液压冲击及由此产生的气蚀作用来去除材料，以及超声振动使工件相互结合的加工方法。其适用于成形加工、切割加工、焊接加工和超声清洗。超声波加工比电火花，电解加工的生产效率低，但加工精度和表面粗糙度比前者好。并且能加工半导体和非半导体。因此，超声波可以进行抛磨精加工。

工具的超声振动是从超声换能器获得的，超声换能器可产生磁致伸缩效应，使铁钴材料尺寸交变振动，振动频率为20-40KHZ，材料在悬浮液的超声波作用的空化现象，使之强化磨粒对材料加工。

超声加工一般包括超声车削，超声钻孔，超声磨削，超声抛光，超声砂袋抛光，超声振动滚齿加工，超声清洗 1.5激光加工

由于激光具有高亮度、高方向性、高单色性和高相干性四大特性，因此就给激光加工带来一些其它加工方法所不具备的特性。

当能量密度极高的激光照射在工件的被加工表面时，光能被工件吸收迅速转化成热能，照射斑点局部区域的材料在0.001s内急剧熔化和气化，熔化和气化的物质被爆炸性地高速喷射出来，工件在高温熔融和冲击波的同时作用下被加工。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。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。

激光束加工主要应用有打孔、切割、焊接、金属表面的激光强化、微调和存储等。电子束加工有热型和非热型两种，热型加工是利用电子束将材料的局部加热至熔化或气化点进行加工的，适合打孔、切割槽缝、焊接及其他深结构的微细加工；非热型加工是利用电子束的化学效应进行刻蚀、大面积薄层等微细加工等。离子束加工主要应用于微细加工、溅射加工和注入加工。等离子弧加工适用于各种金属材料的切割、焊接、热处理，还可制造高纯度氧化铝、氧化硅和工件表面强化，还可进行等离子弧堆焊及喷涂。1.6快速原型制造加工

快速原型制造是综合使用CAD技术，数控技术，材料科学，机械工程，电子技术及激光技术集成，从设计到三维实体制造的加工统称。

此种加工方法基于光固化成形工艺，即用CAD设计出的三维实体经过处理薄片圆环处理后生成数控代码，在计算机的控制下，由激光照射在液态光敏树脂上固化形成原型；熔融沉积造型工艺是在热熔喷头和送丝机构输送原料，在加热成型室中进行层层堆积的方式加工。1.7水射流切割

水射流切割是利用高压高速液流对工件的冲击实现切割工件。其原理是由液压机构将储存的液流在加压情况下高速喷出，水速可达500-900m/s，束流的功率密度可达10的六次方瓦特每平方毫米，加工深度取决于液压喷射的速度，压力，压射距离及喷射角度来实现。1.8等离子体加工 等离子体加工是利用电弧使气体电离成过热的等离子束流，靠局部的熔化及气体去除材料来实现加工。

工件接直流电源阳极，钨丝接阴极，利用高频振荡或瞬间短路的方法引弧，使钨丝电极产生电弧，在电弧高温作用下，使气体电离成等离子体，使之具有强大的动能和冲击力，对金属工件释放大量的的热，加热时金属熔化，从而实现加工。

1.9化学加工

化学加工使利用化学溶液与金属产生化学反应，使金属腐蚀溶解，改变工件形状、尺寸的加工方法。用于去除材料表层，以减重；有选择地加工较浅或较深的空腔及凹槽；对板材、片材、成形零件及挤压成形零件进行锥孔加工。2 主要加工领域

难加工材料，如钛合金、耐热不锈钢、高强钢、复合材料、工程陶瓷、金刚石、红宝石、硬化玻璃等高硬度、高韧性、高强度、高熔点材料。

难加工零件，如复杂零件三维型腔、型孔、群孔和窄缝等的加工。

低刚度零件，如薄壁零件、弹性元件等零件的加工。

以高能量密度束流实现焊接切割、制孔、喷涂、表面改性、刻蚀和精细加工。

3发展方向

3.1存在问题

(1)不少特种加丁的机理(如超声、激光等加工)还不十分清楚．其工艺参数选择、加工过程的稳定性均需进一步提高。

(2)有些特种加工(如电化学加工)加工过程中的废渣、废气若排房不当．会产生环境污染，影响工人健康。(3)有些特种加工(如快速成形、等离子弧加工等)的加工精度及生产率有待提高。(4)有些特种加工(如激光加工)所需设备投资大、使用维修费高。亦有待进一步解决。

3.2现代发展

1）在加工用途上，现代电火花加工的发展趋势将朝着大力发展计算机数控(CNC)电火花加工技术，积极开展适应控制和加工过程最佳化技术的应用研究．开发适应行星式电火花加工技术。日本发明一种新的电火花成型加工方法, 即在加工液中掺人适量的微细硅粉末,或者铝粉、石墨粉等, 可以提高表面精度数倍以上。目前这种加工方法对应的电火花工机床亦已商品化。今后电火花放电加工技术发展离不开三大趋势, 即高速度化、高精度化(包括表面质量)和高自动化。

2）电解加工一直无法满足高精度零件的精加工要求及电解液对设备的腐蚀严重，在一定程度上限制了电解加工工艺的发展和应用。因此今后电解加工的发展趋势就是进一步拓宽电解加工的应用范围，提高加工精度，降低加工成本，提高生产率，建立电解加工柔性制造系统，开展计算机数控仿形电解加工技术研究，开展理论研究和建立过程模型。例如，脉冲电化学加工

3）高能书发展。离子束流加工技术主要发展方向是实现计算机数控自动化、超精密化、经济与高效化。激光束主要发展趋势是向系统化、多功能化、系列化、通用化、小型化和柔性化方向发展.高能束正朝着高精度、大功率、高速度及自动控制与组合化加工方向发展。4）微型磨料射流切割技术是一种全新的微型加工技术，是唯一的一种“软、冷”切割加工方式，具有无热影响区、切口质量好、无火花、降尘、能量集中等独特的优点。微型磨料射流切割速度比激光切割低得多，但可以切割几乎所有的材料，所以微型磨料射流切割成为首选的加工技术。高压水射流加工技术是近年来一种新的工艺，它的适应性、多样性和环保性目前受到各国的重视，也是成长最快的加工技术

国外公司一直用磨料水喷射加工10 m m 以上厚度的防弹玻璃、层压玻璃和聚碳酸醋, 效果良好。磨料水喷射切割加工十分适合于航空材料的加工, 目前正 在这方面进行着大量研究, 最新开发的三维切割方法,如法国L o u is Ble r o it 研究中心已开发一种6 轴龙门式机器人, 用于对组合零件进行精加工以对钦合金、碳纤维成形加工件进行切削加工。该机床申两个磨料水喷射切割头, 一个传感器和一些切削刀具组成.磨料水喷射加工可以胜任精密切割, 加工工件无须去毛刺, 这在氧乙炔、激光束切割法中是无法实现的5）复合加工包括传统加工和特种加工的复合、特种加工和特种加工的复合。电火花复合加工是以火花放电所产生的热能为主，与磨料机械能、超声振动能和电解液的化学能等中的一种或几种能量相复合进行加工，以提高表面质量和加工效率。电子束加工技术将向高功率化、高精度化、微细化、自动化方向发展。

电解复合加工是以电解的电化学能为主，与磨料的机械能、超声振动和电弧放电能等中的一种或者几种能量相复合进行加工。

复合加工是对传统中常用的单一机械加工、电加工和激光加工等方法的重要发展和补充。随着精密机械大量使用脆性材料以及电子工业要求超精密的警惕材料促使对其他能量形式的加工机理进行深入研究，并发展出多种多样的适用于各类特殊需求的最佳复合加工方法。其次，发展虚拟制造技术。在实验基础上，应用计算机仿真模拟有限元分析方法来精确优化加工参数。如对脆陛材料的物理化学多样特性的研究，可以开发出对脆性材料进行无微细裂纹且经济性高的有效的工艺，并可预测出各种不同复合加工工艺的物理参数和磨料特性下的表面精整质量、形状精度和材料去除率，以利于对加工过程进行优化控制。3.3技术发展趋势

1)采用自动化。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，加大对特种加工的基本原理、加工机理、工艺规律、加工稳定性等深入研究的力度，建立综合工艺参数自适应控制装置、数据库等(如超声、激光等加工)，进而建立特种加工的CAD／CAM与FMS(Flexible ManufacturingSystem，柔性制造系统)系统，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)精密化、微型化。要在保持原有特种加工特点的基础上，向微细加工、纳米加工方向发展，同时，不仅要注意分离加工，而且要注意结合和变形加工。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，因此，大力开发用于超精加工的特种加工技术(如等离子弧加工等)已成为重要的发展方向。

3)新方法。要开拓一些新的特种加工方法和复合加工方法，如LIGA 加工技术是德国开发的，它把深层同步辐射X 射线光刻、电铸成形和铸塑结合起来，是实现高深宽比三维结构的成形方法，国外应用已比较广泛；又如量子束加工技术也是很有加工前途的。目前已成功应用的水射流加工技术，包括水射线、磨料水射流和冰粒水射流等都有广泛的应用前景，与电子束、离子束、激光束共同组成了束流加工技术。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。

4)绿色制造，由于世界性的环境保护，制造业必须面对这一问题进行绿色加工，在特种加工中，用水基溶液代替有污染的工作液，有多方面的工作可做。污染问题是影响和限制有些特种加工应用、发展的严重障碍。加工过程中产生的废渣、废气如果排放不当，会造成环境污染，影响工人健康。必须花大力气处理并利用废气、废液、废渣。向“绿色”加工的方向发展。

5)进一步开拓特种加工技术。以多种能量同时作用，相互取长补短的复合加工技术，如电解磨削、电火花磨削、电解放电加工、超声电火花加工等，需要不断发展。

6)柔性化、集成化、智能化.柔性化可实现多品种小批量生产；集成化可充分利用CAD/ CAM、CIMS 等技术实现设计制造一体化、并行设计、虚拟制造、反求工程等；智能化可利用专家系统、模糊推理、人工神经网络、遗传基因等人工智能技术，解决制造过程中的复杂决策问题，提高实用性，代替人的部分脑力劳动。

结束语

随着特种加工在生活，发展，军事领域的不断扩大，我们有必要解决现阶段特种加工存在的问题和缺陷，研究新的方法工艺，开发新的技术，从而使特种加工不断发展，符合人类发展的需要。4参考文献

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