现代机械加工技术论文

特种加工技术

摘要 特种加工技术是一项新兴的综合性技术。特种加工方法， 是难切削材料、复杂型面、精细表面、 低刚度零件及模具加工中的重要工艺方法。是不同于传统加工的加工技术，是为解决传统加工技术无法克服的困难而产生的加工技术’特种加工的产生和发展，引起了机械制造技术领域内的许多变革：提高了材料的可加工性；改变了零件的典型工艺路线；给产品零件的结构设计带来很大的影响；使得对传统结构工艺的好与坏不得不进行重新衡量。本文介绍了特种加工技术的概念、分类及特点，探索电火花加工、电化学加工、复合加工等方面的技术特点、实际应用与研究发展趋势。最后给予特种加工技术展望。

关键字 特种加工；电火花加工；电化学加工；复合加工；发展趋势

0 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。 1 特种加工的特点

特种加工与一般机械切削加工相比，其独特的优点，是在某种场合上，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。

⑴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。

⑵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。

⑶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。

⑷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。

⑸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。

⑹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。

2 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、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、电化学加工和复合加工技术。 3 几种重要的特种加工技术

3.1 电火花加工

电火花加工又称作电蚀加工或放电加工，是将工具电极和工件置于绝缘的工作液中，工件和工具分别接直流脉冲电源正极和负极，加上电压，利用工具电极和工件电极间脉冲放电时产生的电蚀现象对材料毛坯进行加工。电火花放电时，在放电区域能量高度集中，瞬时温度高达10000°C左右，足以使陶瓷材料局部融化而被蚀除。加工时工具与工件不接触，作用力极小，因而可用于加工型腔模（锻

模、压铸模、注塑模等）和型腔零件；加工冲模、粉末冶金模、挤压模、型孔零件、小异型孔、小深孔等。

电火花加工的工作要素包括电极材料、工作液、放电间隙、脉冲宽度与间隔等。对工具电极的基本要求是导电、损耗小、易加工。常用的工具电极材料有紫铜、石墨、铸铁、钢、黄铜等,其中又以紫铜和石墨最为常用。工作液是电火花加工中必不可少的介质,其主要功用是压缩放电通道区域,提高放电能量密度和加速蚀除物的排出。常用的工作液有煤油、机油、去离子水、乳化液等。合理的放电间隙是保证火花放电的必要条件。为保持适当的放电间隙,在加工过程中,需采用自动调节器控制机床进给系统。

3.1.1 电火花加工特点

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。

3.1.2 电火花加工的优点及局限性

(l)电火花加工的主要优点

适合于难切削材料的加工。它可以实现用软的工具加工硬韧的工件,甚至可以加工像聚晶金刚石、立方氮化硼一类的超硬材料。目前电极材料多采用紫铜或石墨,因为此工具电极极易加工。

可以加工特殊及复杂形状的零件。它适宜加工低刚度工件及微细加工。由于可以简单地将工具电极的形状复制到工件上,因此特别适合于复杂表面形状工件的加工,如复杂型腔模具加工等。NC技术的采用使得用简单的电极加工复杂形状零件也成为可能。

(2)电火花加工的局限性

主要用于加工金属等导电材料,但在一定条件下也可以加工半导体和非半导体材料;一般加工速度较慢;存在电极损耗,影响成形精度。

目前电火花加工已广泛应用于模具制造、航天航空、电子、电机电器、精密

机械、仪器仪表、汽车、轻工等行业,以解决难加工材料及复杂形状零件的加工问题,加工范围已达到小至几微米的小孔、轴、缝,大到几米的超大型模具和零件。

现代电火花加工的发展趋势是大力发展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,开发应用行星式电火花加工技术。

3.2 电化学加工

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。该方法主要包括电解、电镀、电铸、电化学抛光等工艺方法。其中电解加工使用于深孔，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。涂敷加工可针对表面磨损、划伤、锈蚀的零件进行涂敷以恢复尺寸；对尺寸超差产品进行涂敷补救，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。

3.2.1 电化学加工的基本原理

电化学机械加工是电化学和机械双重作用的复合。其基本原理如图1所示,它与普通机械磨削加工之最明显的区别是增加了一个直流电解系统。加工过程中工件接直流阳极。工件一侧设有阴极,阴极与工件之间保持一定的间隙。约

0.1~1mm。其间通以适当电解液,接通直流电源后,在一定的电流密度下,工件表面发生阳极溶解,形成表面氧化膜。与电解加工所不同的是表面膜的活化和排除不是靠活性离子或强力冲刷,而是通过专门设计的机械工具如砂轮、砂条、砂带等对工作表面的机械作用实现的。这样做至少在三个方面,即表面加工、精度加工及速度加工等方面具有高于电解加工优势,当然,也具有一些常规机械加工(如磨削)所不能比拟的优点。

电化学机械加工过程中,首先由于电化学作用,使工件表面发生阳极溶解而形成氧化膜,再利用合适的机械作用将这些氧化膜破碎刮除,以达到去金属的目的。如图2所示。由于工件原始表面的微观不平,使得高点处的氧化膜首先被刮除。高点处所露出的新的金属表面继续受到电化学溶解)))成膜)))机械刮除作用,使得该部位的材料被不断地去除,而表面的微观低点或凹陷部位由于氧化膜不被刮除而受到保护,或者说只能以低得多的速度被去除。这一过程的连续进行,可以使得工件表面得以迅速整平。

3.2.2电化学加工的特点

电化学加工具有如下特点：

（1）能同时进行三维的加工，一次加工出形状复杂的型面、型腔、异形孔。

（2）可以加工一般机制工艺难以加工的高硬度、高韧性、高强度材料，如硬质合金、淬火钢、耐热合金、钛合金。

（3）生产率高，约为电火花加工的 5～10 倍；在某些情况下，比切削加工的生产率还高，且加工生产率不直接受加工精度和表面粗糙度的限制。

（4）阴极工具在理论上不损耗，可长期使用。

（5）产生的热量被电解液带走，工件基本上没有温升，适合于加工热敏性材料。

（6）加工中工件与刀具（阴极）不接触，不会产生切削力，加工后零件表面无残余应力、无毛刺。

（7）加工后零件表面质量好。表面粗糙度 Ra可达0.2～1.25µm，加工精度：型孔或套料为±0.03～±0.05 mm、模锻型腔为±0.05～±0.20 mm、透平叶片型面为 0.18～0.25 mm。

3.3 复合加工

复合加工一般指在一台加工设备上能够完成不同工序或者不同工艺方法的加工技术的总称。目前的复合加工技术主要表现为2种不同的类型,一种是以能量或运动方式为基础的不同加工方法的复合;另一种是以工序集中原则为基础、以机械加工工艺为主的复合,如车铣复合、铣车复合、车磨复合等。复合加工把许多加工工序集中到1台机床上完成,

消除了分散加工时工件在各工序流通过程

中的输送与等待等加工辅助时间,提高了工件的加工精度。

3.3.1 复合加工的特点

复合加工的主要特点是综合应用机械、光学、化学、电力、磁力、流体和声波等多种能量进行综合加工，提高了加工效率，生产率往往大大高于单独使用各种加工方法的生产率之和。复合加工在提高加工效率的同时，兼顾了加工精度、加工表而质量及工具损耗等，具有常规单一加工技术无法比拟的优点。通常所说的复合加工技术具有2种含义，一种是以能量或运动方式为基础的不同加工方法的复合;另一种是以工序集中原则为基础的机械加工工艺为主的复合，这是数控加工领域近年来快速发展的高效率加工方式。

3.3.2 复合加工的基本形式

复合加工技术可以划分为机械复合加工、电化学复合加工、电火花复合加工、超生复合加工、磨料水射流加工、化学机械抛光，按照上述分类，复合加工方法的基本含义概括起来如表 1 所示。在普通精度机械制造领域，以常规机械加工、电化学加工、电火花加工为主的复合加工方法最为常用。近年来随着数控技术的发展和产品零件整体化设计方法的广泛应用，机械加工领域的车铣复合、铣车复合加工、切削—电加工复合加工方法得以快速发展，成为支持现代航空产品加工的重要手段，新型复合加工设备的不断推出，有力地支持了复合加工技术的发展和应用。

4 特种加工存在的问题

虽然特种加工已解决了传统切削加工难以加工的许多问题，在提高产品质量、生产效率和经济效益上显示出很大的优越性，但目前它还存在不少亟待解决的问题。

（1） 不少特种加工的机理（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。

5 特种加工的发展趋势

（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，建立综合参数自适应系统"数据库等，进而建立特种

加工的 CAD/CAM和FMS系统，这是当前特种加工技术的主要发展趋

势。

（2） 向工程化和产业化方向发展，不断改进"提高高能束源品质，对大功率、

高可靠性、多功能、智能化加工设备的研发是今后的重点发展方向。

（3） 着力开展精密化研究，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，正向亚微米级和纳米级迈进，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的需要，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。

（4） 污染问题是影响和限制某些特种加工应用、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、废渣、废液，向“绿色” 加工的方

向发展。

6 结论

特种加工技术集成了机械、电子、信息、材料技术和计算机等技术，发展异常

迅速。现代特种加工技术主要是伴着高硬度、高强度、高韧性、高脆性等难切削材料的额出现，以及制造精密细小、形状复杂和结构特殊的零件的需要而产生的，具有其他常规加工技术无法比拟的优点，已成为航空航天、汽车、仪器仪表、微型机械、轻工、模具等行业的支撑技术和关键技术。随着科学技术和现代工业的发展，特种加工技术必将不断完善和迅速发展，反过来又必将推动科学技术和现代工业的发展，并发挥越来越重要的作用。

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