特种加工技术发展现状与展望-先进制造技术课程论文

先 进 制 造 论 文

题目：先进制造技术

院系：周口科技机械工程数控

班级：数控

姓名：闫文磊

4班

时间：2010年12月25

日

先进成型技术

摘要

一、 特种加工技术在国际上被称为21世纪的技术，对新型武器装备的研制和生产，

起到举足轻重的作用。本文分别从激光加工技术、电子束加工技术、离子束及等离子加工技术、电加工技术几方面介绍了国外的发展现状，同时提出了国内相应领域的技术发展方向。

关键词：特种加工；高能束流；激光技术；发展趋势

特种加工亦称“非传统加工”或“现代加工方法”，泛指用电能、热能、光能、电化学能、化学能、声能及特殊机械能等能量达到去除或增加材料的加工方法。本文所述的特种加工技术主要是指激光加工技术、电子束加工技术、离子束及等离子加工技术和电加工技术等。

随着新型武器装备的发展，国内外对特种加工技术的需求日益迫切。不论飞机、导弹，还是其它作战平台都要求降低结构重量，提高飞行速度，增大航程，降低燃油消耗，达到战技性能高、结构寿命长、经济可承受性好。为此，上述武器系统和作战平台都要求采用整体结构、轻量化结构、先进冷却结构等新型结构，以及钛合金、复合材料、粉末材料、金属间化合物等新材料。

为此，需要采用特种加工技术，以解决武器装备制造中用常规加工方法无法实现的加工难题，所以特种加工技术的主要应用领域是：

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。 1 先进制造技术的特点

1.1 是面向21世纪的技术

先进制造技术是制造技术的最新发展阶段，是由传统的制造技术发展起来的，既保持了过去制造技术中的有效要素，又要不断吸收各种高新技术成果，并渗透到产品生产的所有领域及其全部过程。先进制造技术与现代高新技术相结合而产生了一个完整的技术群，它是具有明确范畴的新的技术领域，是面向21世纪的技术。

1.2 是面向工业应用的技术

先进制造技术并不限于制造过程本身，它涉及到产品从市场调研、产品开发及工艺设计、生产准备、加工制造、售后服务等产品寿命周期的所有内容，并将它们结合成一个有机的整体。先进制造技术的应用特别注意产生最好的实际效果，其目标是为了提高企业竞争和促进国家经济和综合实力的增长。目的是要提高制造业的综合经济效益和社会效益。

1.3 是驾驭生产过程的系统工程

先进制造技术特别强调计算机技术、信息技术、传感技术、自动化技术、新材料技术和现代系统管理技术在产品设计、制造和生产组织管理、销售及售后服务等方面的应用。它要不断吸收各种高新技术成果与传统制造技术相结合，使制造技术

成为能驾驭生产过程的物质流、能量流和信息流的系统工程。

1.4 是面向全球竞争的技术

20世纪 80年代以来，市场的全球化有了进一步的发展， 发达国家通过金融、经济、科技手段争夺市场，倾销产品，输出资本。随着全球市场的形成，使得市场竞争变得越来越激烈，先进制造技术正是为适应这种激烈的市场竞争而出现的。因此，一个国家的先进制造技术，它的主体应该具有世界先进水平，应能支持该国制造业在全球市场的竞争力。

1.5 是市场竞争三要素的统一

在20世纪 70年代以前，产品的技术相对比较简单，一个新产品上市，很快就会有相同功能的产品跟着上市。因此，市场竞争的核心是如何提高生产率。到了20世纪80年代以后，制造业要赢得市场竞争的主要矛盾已经从提高劳动生产率转变为以时间为核心的时间、成本和质量的三要素的矛盾。先进制造技术把这三个矛盾有机结合起来，使三者达到了统一。

研究现状

新材料成形加工技术的研究开发，是近二、三十年来材料科学技术领域最为活跃的方向之一。先进制备与成型加工技术的出现与应用，加上了新材料的研究开发、生产和应用进程，促成了诸如微电子和生物医用材料等新兴产业的形成，促进了现代航天航空，交通运输，能源环保等高技术产业的发展。

先进工业国家对材料制备与成型加工技术的研究开发十分重视。美国制定了“为了工业材料发展计划”，其核心是开放先进的制备与成型加工技术，提高材料性能，降低生产成本，满足未来工业发展对材料的需求。德国开展的“21世纪新材料研究计划”将材料制备与成型加工技术列为六个重点内容之一。在欧盟的“第六框架”计划中，先进制备技术时新材料领域的研究重点之一。日本在20世纪90年代后期，先后实施了“超级金属”、“超钢铁”计划，重点是发展先进的制备加工技术，精确控制组织，大幅度提高材料的性能，达到减少材料用量、节省资源和能源的目的。同时开展本科学领域色前沿和基础研究，并综合利用相关学科基础理论和科技发展成果，提供预备新材料的新原理新方法，也是材料科学与工程学科自身发展的需求。

一大批先进技术和工艺不断发展和完善，并逐步获得实际应用，如快速凝固、定向凝固、连续铸轧、连续铸挤、精密铸造、半固态加工、粉末注射成型、陶瓷胶态成型、热等静压、无模成型、微波烧结、离子束制备、激光快速成型、激光焊接、表面改性等，促进了传统材料的升级换代，加速了新材料的研究开发、生产和应用，解决了高技术领域发展对特种高性能材料的制备加工与组织性能精确控制的急需。

现在将主要的先进材料加工技术分别介绍如下：

1. 快速凝固

快速凝固技术的发展，把液态成型加工推进到远离平衡的状态，极大地推动了非晶、细晶、微晶等非平衡新材料的发展。传统的快速凝固追求高的冷却速度而限于低维材料的制备，如非晶丝材、箔材的制备。近年来快速凝固技术主要在两个方面得到发展：①利用喷射成型、超高压、深过冷，结合适当的成分设计，发展体材料直接成型的快速凝固技术；②在近快速凝固条件下，制备具有特殊取向和组织结构的新材料。目前快速凝固技术被广泛地用于非晶或超细组织的线材、带材和体材料的制备与成型。

2. 半固态成型

半固态成型包括半固态流变成型和半固态触变成形两类：前者是将制备的半固态浆料直接用于成型，如压铸成型（称为半固态流变压铸）；后者是对制备好的半固态坯料

进行重新加热，使其达到半熔融状态，然后进行成型，如挤压成型（称为半固态触变挤压）。

3. 无模成型

为了解决复杂形状或深壳件产品冲压、拉深成型设备规模大、模具成本高、生产工艺复杂、灵活度低等缺点，满足社会发展对产品多样性（多品种、小规模）的需求，20世纪80年代以来，柔性加工技术的开发受到工业发达国家的重视。典型的无模成型技术有增量成型、无摸拉拔、无模多点成型、激光冲击成型等。

4. 超塑性成型技术

超塑性成型加工技术具有成型压力低、产品尺寸与形状精度高等特点，近年来发展方向主要包括两个方面：一是大型结构件、复杂结构件、精密薄壁件的超塑性成型，如铝合金汽车覆盖件、大型球罐结构、飞机舱门，与盥洗盆等；二是难加工材料的精确成形加工，如钛合金、镁合金、高温合金结构件的成形加工等。

5. 金属粉末材料成型加工

粉末材料的成型加工是一种典型的近终形、短流程制备加工技术，可以实现材料设计、制备预成型一体化；可自由组装材料结构从而精确调控材料性能；既可用于制备陶瓷、金属材料，也可制备各种复合材料。它是近20年来材料先进制备与成型加工技术的热点与主要发展方向之一。粉末材料成型加工技术的研究重点包括粉末注射成型胶态成型、温压成型及微波、等离子辅助低温强化烧结等。

6. 陶瓷胶态成型

在围绕着提高陶瓷胚体均匀性和解决陶瓷材料可靠性的问题，开发了多种原位凝固成型工艺，凝胶注模成型工艺、温度诱导絮凝成形、胶态振动注模成形、直接凝固注模成形等相继出现，受到严重重视。原位凝固成形工艺被认为是提高胚体的均匀性，进而提高陶瓷材料可靠性的唯一途径，得到了迅速的发展，已逐步获得实际应用。

7. 激光快速成型

采用该技术的成形件完全致密且具有细小均匀的内部组织，从而具有优越的力学性能和物理化学性能，同时零件的复杂程度基本不受限制，并且可以缩短加工周期，降低成本。目前发达国家已进入实际应用阶段，主要应用于国防高科技领域。

1 激光加工技术

1.1 现状

国外激光加工设备和工艺发展迅速，现已拥有100kW的大功率CO2激光器、kW级高光束质量的Nd:YAG固体激光器，有的可配上光导纤维进行多工位、远距离工作。激光加工设备功率大、自动化程度高，已普遍采用CNC控制、多坐标联动，并装有激光功率监控、自动聚焦、工业电视显示等辅助系统。

激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。

激光切割适用于由耐热合金、钛合金、复合材料制成的零件。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。

激光焊接薄板已相当普遍，大部分用于汽车工业、宇航和仪表工业。激光精微焊接技术已成为航空电子设备、高精密机械设备中微型件封装结点的微型连接的重要手段。 激光表面强化、表面重熔、合金化、非晶化处理技术应用越来越广，激光微细加工在电子、生物、医疗工程方面的应用已成为无可替代的特种加工技术。

激光快速成型技术已从研究开发阶段发展到实际应用阶段，已显示出广阔的应用前景。

国内70年代初已开始进行激光加工的应用研究，但发展速度缓慢。在激光制孔、激光热处理、焊接等方面虽有一定的应用，但质量不稳定。目前已研制出具有光纤传输的固体激光加工系统，并实现光纤耦合三光束的同步焊接和石英表芯的激光焊接。完成了激光烧结快速成型原理样机研制，并采用环氧聚脂和树脂砂烧结粉末材料，快速成型出典型零件，如叶轮、齿轮。

1.2 发展趋势

激光加工技术今后几年应结合已取得的预研成果，针对需求，重点开展无缺陷气膜小孔的激光加工及实时检控技术、高强铝(含铝锂、铝镁)合金的激光焊接技术、金属零件的激光粉末烧结快速成型技术、激光精密加工及重要构件的激光冲击强化等项目的研究。实现高温涡轮发动机气膜孔无缺陷加工，可使叶片使用寿命达2000小时以上；以焊代替数控加工飞机次承力构件，以及带筋壁板的以焊代铆；实现重要零部件的表面强化，提高安全性、可靠性等，从而使先进的激光制造技术在军事工业中发挥更大的作用。

1）无再铸层、无微裂纹涡轮叶片气膜孔激光高效加工技术研究；

2）铝合金、超强钢、钛合金、异种材料构件以及大型空间曲面零件的激光焊接工艺研究；

3）三维激光切割工艺规范及表面质量控制技术和在线测量控制技术研究；

4）提高高温合金、铝合金等重要部件抗疲劳性能的激光冲击技术研究；

5）激光快速成型技术研究；

2 电子束加工技术

2.1 现状

电子束加工技术在国际上日趋成熟，应用范围广。

国外定型生产的40kV～300kV的电子枪(以60kV、150kV为主)，已普遍采用CNC控制，多坐标联动，自动化程度高。电子束焊接已成功地应用在特种材料、异种材料、空间复杂曲线、变截面焊接等方面。目前正在研究焊缝自动跟踪、填丝焊接、非真空焊接等，最大焊接熔深可达300mm，焊缝深宽比20：1。电子束焊已用于运载火箭、航天飞机等主承力构件大型结构的组合焊接，以及飞机梁、框、起落架部件、发动机整体转子、机匣、功率轴等重要结构件和核动力装置压力容器的制造。如：F-22战斗机采用先进的电子束焊接，减轻了飞机重量，提高了整机的性能；“苏-27”及其它系列飞机中的大量承力构件，如起落架、承力隔框等，均采用了高压电子束焊接技术。

国内多种型号的飞机及发动机和多种型号的导弹壳体、油箱、尾喷管等结构件均已采用了电子束焊接。因此，电子束焊接技术的应用越来越广泛，对电子束焊接设备的需求量也越来越大。

国外的电子束焊机，以德国、美国、法国、乌克兰等为代表，已达到了工程化生产。其特点是采用变频电源，设备的体积、噪声、高压性能等方面都有很大提高；在控制系统方面，运用了先进的计算机技术，采用了先进的CNC及PLC技术，使设备的控制更可靠，操作更简便、直观。

国外真空电子束物理气相沉积技术，已用于航空发动机涡轮叶片高温防腐隔热陶瓷涂层，提高了涂层的抗热冲击性能及寿命。电子束刻蚀、电子束辐照固化树脂基复合材料技术正处于研究阶段。

2.2 发展趋势

电子束加工技术今后应积极拓展专业领域，紧密跟踪国际先进技术的发展，针对需求，重点开展电子束物理气相沉积关键技术研究、主承力结构件电子束焊接研究、电子束辐照固化技术研究、电子束焊机关键技术研究等。

1）150kV、15kW高压电子枪及高压电源的技术研究；

2）电子束物理气相沉积技术的研究；

3）大厚度变截面钛合金的电子束焊接技术研究及质量评定；

4）典型复合材料飞机构件的电子束固化工艺研究及其工程化研究；

5）多功能电子束加工技术研究。

3 离子束及等离子体加工技术

3.1 现状

表面功能涂层具有高硬度、耐磨、抗蚀功能，可显著提高零件的寿命，在工业上具有广泛用途。

美国及欧洲国家目前多数用微波ECR等离子体源来制备各种功能涂层。等离子体热喷涂技术已经进入工程化应用，已广泛应用在航空、航天、船舶等领域的产品关键零部件耐磨涂层、封严涂层、热障涂层和高温防护层等方面。

等离子焊接已成功应用于18mm铝合金的储箱焊接。配有机器人和焊缝跟踪系统的等离子体焊在空间复杂焊缝的焊接也已实用化。微束等离子体焊在精密零部件的焊接中应用广泛。我国等离子体喷涂已应用于武器装备的研制，主要用于耐磨涂层、封严涂层、热障涂层和高温防护涂层等。

真空等离子体喷涂技术和全方位离子注入技术已开始研究，与国外尚有较大差距。等离子体焊接在生产中虽有应用，但焊接质量不稳定。

3.2 发展趋势

离子束及等离子体加工技术今后应结合已取得的成果，针对需求，重点开展热障涂层及离子注入表面改性的新技术研究，同时，在已取得初步成果的基础上，进一步开展等离子体焊接技术研究。

1）复杂零件“保形”离子注入与混合沉积技术研究，获得高密度等离子体方法研究；

2）空间结构焊接工艺参数自适应控制及焊缝自动跟踪系统研究，以及等离子弧焊过程中变形控制技术研究；

3）等离子喷涂陶瓷热障涂层结构、工艺及工程化研究；

4）层流湍流自动转换技术及轴向送粉、三维喷涂技术研究；

5）层流等离子体喷涂系统的研制及其喷涂技术的研究。

4 电加工技术

4.1 发展现状

国外电解加工应用较广，除叶片和整体叶轮外已扩大到机匣、盘环零件和深小孔加工，用电解加工可加工出高精度金属反射镜面。目前电解加工机床最大容量已达到5万安培，并已实现CNC控制和多参数自适应控制。电火花加工气膜孔采用多通道、纳秒级超高频脉冲电源和多电极同时加工的专用设备，加工效率2～3秒/孔，表面粗糙度Ra0.4μm，通用高档电火花成型及线切割已能提供微米级加工精度，可加工3μm的微细轴和5μm的孔。精密脉冲电解技术已达10μm左右。电解与电火花复合加工，电解磨削、电火花磨削已用于生产。

参 考 文 献

【1】张辽远 现代加工技术 北京：机械工业出版社，2002【2】刘晋春 特种加工 北京：机械工业出版社，2004【3】张建华 精密与特种加工技术 北京：机械工业出版社，2003

【4】主编白基成, 郭永丰, 刘晋春 特种加工技术 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2006【5】郭东明, 赵福令 面向快速制造的特种加工技术 北京：国防工业出版社，2009