特种加工技术论文：特种加工技术研究现状及发展趋势

广西轻工业 GUANGXI JOURNAL OF LIGHT INDUSTRY 机械与电气 2010年 8月 第 8期（总第 141期） 【作者简介】刘伟（1982-），男，湖北麻城人，在读研究生，主要从事机械设计制造教学和研究工作。 1 引言 特种加工（又称非传统加工）是二次世界大战后发展起来的 一类有别于传统切削与磨削加工方法的总称。特种加工方法将 电、磁、声、光等物理量及化学能量或其组合直接施加在工件被 加工的部位上，从而使材料被去除、累加、变形或改变性能等[1- 4]； 特种加工方法可以完成传统加工方法难以实现的加工，如高强 度、高韧性、高硬度、高脆性、耐高温材料和陶瓷、磁性材料 等难加工材料的加工以及精密、微细、复杂形状零件的加工等。 特种加工技术有以下几个特点[5]： （1）加工方法主要不是依靠机械能，而是用其他能量（如 电能、光能、声能、热能、化学能等）去除材料。 （2）传统加工方法刀具的硬度必须大于工件的硬度， 即“以硬切软”；而对于特种加工，由于工具不受显著切削力的 作用，特种加工对工具和工件的强度、硬度和刚度均没有严格 要求。 （3）加工没有明显的切削力作用，一般不会产生加工硬化 现象，又由于工件加工部位变形小，发热少，或发热仅局限于工 件表层加工部位，工件热变形小，由加工产生的应力也小，易于 获得好的加工质量，且可在一次安装中完成工件的粗、精加工。 （4）特种加工中能量易于转换和控制，有利于保证加工精 度和提高效率。 （5）特种加工方法的材料去除速度一般低于常规加工方 法，这也是目前常规加工方法在机械加工中仍占主导地位的主 要原因。 2 特种加工技术 特种加工有多种分类方法：如按加工过程材料增减可分为 去除加工、结合加工和变形加工等；按作用能源可分为机械能、 热能、化学能、复合能等。 2.1 电火花加工 电火花加工的工作原理[6]是利用工具电极与工件电极之间 的火花放电：产生瞬时高温将金属熔化，电火花加工过程可分 为四个阶段：（1）介质电离、被击穿，形成放电通路；（2）形成 火花放电，工件电极产生熔化、气化；热膨胀；（3）抛出蚀除物； （4）间隙介质消电离（恢复绝缘状态）。 电火花加工特点是：（1）电火花加工不受加工材料硬度限 制，可加工任何硬、脆、韧、软的导电材料。（2）加工时无显著作 用力，发热小（发热仅局限于放电区极小范围内），适于加工小 孔、薄壁、窄槽、形面、型腔及曲线孔等，且加工质量好。精加工 时，加工尺寸精度可达 0.005~0.01mm，表面粗糙度可达 Ra为 0.1~0.05um。（3）脉冲参数调整方便，可一次安装完成粗、精加 工。（4）易于实现自动化。 2.2 电解加工 电解加工的工作原理[6]是工件接阳极，工具（铜或不锈钢） 接阴极，两极间加 6~24V的直流电压，极间保持 0.1~1mm的 间隙。在间隙处通以 6~60m/s高速流动的电解液，形成极间导 电通路，工件表面材料不断溶解，其溶解物及时被电解液冲走。 工具电极不断进给，以保持极间间隙。 电解加工的特点是：（1）不受材料硬度的限制，能加工出 任何高硬度、高韧性的导电材料，并能以简单的进给运动一次 加工出形状复杂的形面和型腔。（2）电解加工比电火花加工的 形面和型腔效率高 5- 10倍。（3）加工过程中阴极损耗小。加 工表面质量好，无毛刺、无残余应力和变形层。（4）加工设备投 资较大，有污染，需防护。 电解加工广泛应用于模具的型腔加工，枪炮的膛线加工， 发电机的叶片加工，花键孔、内齿轮、深孔加工，以及电解抛光、 倒棱、去毛刺等。 2.3 电子束加工 电子束加工的工作原理[6]是在真空条件下，利用电流加热 阴极发射电子束，经控制栅极初步聚焦后，由加速阳极加速，通 过透镜聚焦系统进一步聚焦，使能量密度集中在直径 5~10um 的斑点内。高速而能量密集的电子束冲击到工件上，被冲击点 处形成瞬时高温（在几分之一微秒时问内升高至几千摄氏度）， 工件表面局部熔化、气化直至被蒸发去除。 电子束加工的特点及应用是：（1）电子束束径最小可达 0.01- 0.005 mm，长度可达束径的几十倍，故可加工微细深孔和 窄缝。（2）材料适应性广，原则上各种材料均可加工，特别适用 于加工特硬、难熔金属和非金属材料。（3）加工速度较高，切割 1mm厚的钢板，切割速度可达 240mm/min。（4）在真空中加 工，无氧化，特别适于加工高纯度半导体材料和易氧化的金属 特种加工技术研究现状及发展趋势 刘 伟，李素丽 （陕西国防工业职业技术学院，陕西 西安 710302） 【摘 要】 全面介绍了特种加工技术的类型及发展现状，指出了其优势和存在的问；阐述了电火花加工、电解加工、电 子束加工、超声波加工、激光加工、化学机械复合加工等加工方法；探讨了各种加工方法的工作要素、加工特点及应用；指出了特种 加工的发展趋势。 【关键词】 特种加工；电火花加工；电解加工 【中图分类号】 TG66 【文献标识码】 A 【文章编号】 1003- 2673(2010)08－52－02 52 及合金。（5）加工设备较复杂，投资较大，多用于微细加工。 2.4 超声波加工 超声波加工的工作原理[7]是利用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，通过换能器将超 声频电振荡转变为超声机械振动。此时振幅一般较小，再通过 振幅扩大棒（变幅杆），使固定在变幅杆端部的工具振幅增大到 0.01~0.15mm。利用工具端面的超声（16~25kHz）振动，使工作 液（普通水）中的悬浮磨粒（碳化硅、氧化铝、碳化硼或金刚石 粉）对工件表面产生撞击抛磨，实现加工。 超声波加工的特点及应用：（1）适用于加工各种脆性金属 材料和非金属材料，如玻璃、陶瓷、半导体、宝石、金刚石等。 （2）可加工各种复杂形状的型孔、型腔、形面。（3）被加工表面 无残余应力，无破坏层，加工精度较高，尺寸精度可达 0.01~0.05mm。（4）加工过程受力小，热影响小，可加工薄壁、 薄片等易变形零件。（5）单纯的超声波加工，加工效率较低。采 用超声复合加工（如超声车削、超声磨削、超声电解加工、超声 线切割等），可显著提高加工效率。 2.5 激光加工 激光是一种受激辐射而得到的加强光。其基本特征是：强 度高，亮度大；波长频率确定，单色性好，相于性好，相干长度 长，方向性好，几乎是一束平行光。由激光器发出的激光，经光 学系统聚焦后，照射到工件表面上，光能被吸收，转化为热能， 使照射斑点处局部区域温度迅速升高，此处材料被熔化、气化 而形成小坑。由于热扩散，使斑点周围材料熔化，小坑内材料蒸 气迅速膨胀，产生微型爆炸，将熔融物高速喷出并产生一个方 向性很强的反冲击波，于是在加工表面上打出一个上大下小的 孔[11]。 激光加工的特点及应用：（1）加工材料范围广，可加工各 种金属和非金属材料，特别适用于加工高熔点材料、耐热合金 及陶瓷、宝石、金刚石等硬脆材料。（2）激光可透过透明材料进 行加工。（3）激光加工为非接触加工，工件无受力变形，受热区 域小，工件热变形小，加工精度高。（4）可进行微细加工。激光 聚焦后焦点直径理论上可小至 0.001mm以下，实际上可实现 0.01mm的小孔加工和窄缝切割。激光切割广泛用于切割复杂 形状的零件、栅网等。在大规模集成电路的制作中，可用激光进 行切片。（5）加工速度快。例如在宝石上打孔，加工时间仅为机 械方法的 1%。（6）激光加工不仅可以打孔和切割，也可进行焊 接、热处理等工作。（7）激光加工可控性好，易于实现加工自动 化，但加工设备昂贵。 2.6 化学机械复合加工 化学加工是利用酸、碱和盐等化学溶液对金属或某些非金 属工件表面产生化学反应，腐蚀溶解而改变工件尺寸和形状的 加工方法。如果仅进行局部有选择性的加工，则需对工件上的 非加工表面用耐腐蚀性涂层覆盖保护起来，而仅露出需加工的 部位。化学机械复合加工是指化学加工和机械加工的复合。化 学机械复合加工是一种超精密的精整加工方法，可有效地加工 陶瓷、单晶蓝宝石和半导体晶片，化学机械复合加工可防止通常 机械加工用硬磨料引起的表面脆性裂纹和凹痕，避免磨粒的耕 犁引起的隆起以及擦划引起的划痕，可获得光滑无缺陷的表面。 化学机械抛光的工作原理是由溶液的腐蚀作用形成化学 反应薄层，然后由磨粒的机械摩擦作用去除。 3 特种加工技术的发展趋势 特种加工技术近十几年来得到了快速发展，在世界范围内 越来越受到人们的重视，发挥的作用也越来越大。特种加工采 用不同的能量形式加工零件，相对于传统的切削加工技术，特 种加工普遍具有以柔克刚、加工力影响较小等优势。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[8- 11]主要包括以下几点：（1）采用自动化技术；（2） 趋向精密化研究；（3）开发新工艺方法及复合工艺；（4）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；（5） 进一步开拓特种加工技术。细微化是特种加工技术发展的重要 趋势，由于当前的工业产品越来越追求小型化和微型化，微细 结构和微细零件的加工需求不断增长，同时带动了各种制造技 术向小型化、微细化发展。比如细微的电火花加工、微细电化学 加工、微细的激光加工、微细离子束加工等技术可以实现很小 尺度内的加工，这些技术在国内外都发展得很快而且得到越来 越广泛的应用。 参考文献 [1]孔庆华.特种加工[M].上海:同济大学出版社,2003. [2]刘振辉,杨嘉楷.特种加工[M].重庆:重庆大学出版社,2000. [3]余承业.特种加工新技术[M].北京:国防工业出版社,2003. [4]张广文,曾庆良,陈玉良.绿色切削加工技术的研究[J].轻工机械,2004, (2):55- 57. [5]刘晋春,赵家齐,赵万生.特种加工[M].北京:机械工业出版社,2004. [6]赵万生.特种加工技术[M].北京:高等教育出版社,2001. [7]苏士达,黄晨华,蔡小梦等.超声波加工与放电加工的几种复合加工方 式[J].轻工机械,2004,(3):75- 77. [8]张纹,蒋维波.特种加工技术的应用与发展趋势[J].农业装备技术, 2006,32(3):24- 25. [9]黄春峰,赖传兴,陈树全.现代特种加工技术的发展[J].航空精密制造 技术,2001,37(6):14- 20. [10]张成光,缪娟,刘传绍等.脉冲电化学加工现状与进展[J].工具技术, 2007,(41):19- 23. [11]牛二武,邸英皓,曹晓明.高能束技术的发展及应用[J].天津冶金 , 2004,(2):35- 36. 53