特种加工技术的现代应用及其发展研究
摘要：特种加工技术是直接借助电能、热能、声能、光化学能或者复合能实现材料切削的加工方法，是难切削材料、复杂型面、低刚度零件及模具加工中的重要工艺方法。本文介绍了概念、特点、分类以及近些年应用于特种加工的一些新方法、新工艺。
关键词：特种加工 电火花加工 电化学加工 高能束流加工 超声波加工 复合加工
1、特种加工技术的特点
现代特种加工（SP，SpciaI Machining）技术是直接借助电能、热能、声能、光能、电化学能、化学能及特殊机械能等多种能量或其复合以实现材料切除的加工方法。与常规机械加工方法相比它具有许多独到之处。
1.1以柔克刚。因为工具与工件不直接接触，加工时无明显的强大机械作用力，故加工脆性材料和精密微细零件、薄壁零件、弹性元件时，工具硬度可低于被加工材料的硬度。
1.2用简单运动加工复杂型面。特种加工技术只需简单的进给运动即可加工出三维复杂型面。特种加工技术已成为复杂型面的主要加工手段。
1.3不受材料硬度限制。因为特种加工技术主要不依靠机械力和机械能切除材料，而是直接用电、热、声、光、化学和电化学能去除金属和非金属材料。它们瞬时能量密度高，可以直接有效地利用各种能量，造成瞬时或局部熔化，以强力、高速爆炸、冲击去除材料。其加工性能与工件材料的强度或硬度力学性能无关，故可以加工各种超硬超强材料、高脆性和热敏材料以及特殊的金属和非金属材料，因此，特别适用于航空产品结构材料的加工。
1.4可以获得优异的表面质量。由于在特种加工过程中，工件表面不产生强烈的弹、塑性变形，故有些特种加工方法可获得良好的表面粗糙度。热应力、残余应力、冷作硬化、热影响区及毛刺等表面缺陷均比机械切削表面小。 各种加工方法可以任意复合，扬长避短，形成新的工艺方法，更突出其优越性，便于扩大应用范围。
由于特种加工技术具有其它常规加工技术无法比拟的优点，在现代加工技术中，占有越来越重要的地位。许多现代技术装备，特别是航空航天高技术产品的一些结构件，如工程陶瓷、涡轮叶片、燃烧室的三维型腔、型孔的加工和航空陀
1 螺、传感器等精细表面尺寸精度达0.001Pm 或纳米（nm）级精度，表面粗糙度#$
2、特种加工的几种方法及分类
2.1电火花加工（也叫放电加工，EDM，ElectrosparkDischarge Machining）是一种电加热加工过程。它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，因电极之间的放电效应，产生火花放电对金属产生腐蚀来进行加工。由于电极之间工件材料的微小体积上可集中很高的能量（106 ~ 107W / mm2）足以使材料熔化和蒸发。总能量的一部分也释放到工具电极上造成工具磨损。因此，工具电极磨损和加工精度低是电火花加工的重要问题也是研究发展工作的主攻方向。
电火花加工方法，按其加工过程中工具与工件相对运动的方式和加工用途的不同，可分为电火花穿孔和成形加工、电火花线切割、电火花磨削、电火花同步回转加工及电火花强化与刻字等几大类。电火花加工这种工艺方法在航空工业中直接进入产品加工的比重是比较小，大多数用于工具和非标准设备制造。它已广泛用于加工各种模具、曲面零件、异形孔和盲孔，用电火花切割可切割冲模，二次曲面或空间曲面的零件，用电火花镗、磨可加工高精度的小孔、外圆、内外螺纹和齿轮等。如今，电火花加工和线切割电火花加工技术和设备都取得了长足的进步，无论从设备自动化完备程度、加工精度、效率和功能都有很大改观。
2.2电解加工（ECM，Electrochemical Machining）属于电化学加工范畴，它是利用金属在电解液中发生“阳极溶解”的原理，将零件加工成形的。加工时，工件接直流电源的正极（阳极），按要求形状制成的工具接负极（阴极），具有一定压力的电解液从两极间隙中迅速流过，于是工件表面的金属按工具阴极的形状迅速溶解，并随即被高速的电解液冲走，这种加工方法没有机械加工中切削力和切削热的作用，也没有电火花加工中的热影响，在航空工业中，发动机新结构、新材料构件广泛利用电解加工，如钛合金零件、高温涡轮深细冷却孔、整体涡轮和叶轮以及大型环形壳体件的内外旋转表面、中小型支承件、盘形件腹板、特形孔均可采用电解加工。如今，电解加工技术已成为研制先进的航空发动机的关键制造技术之一。
电解加工的发展趋势：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（FMS），开展计算机数 2 控仿形电解加工技术研究，开展理论研究和建立过程模型。
2.3复合加工（CM，Combined Machinin）是指用多种能量组合进行材料去除的工艺方法，以便能提高加工效率或获得很高的尺寸精度、形状精度和表面完整性。对于陶瓷、玻璃和半导体等高脆性材料，复合加工是经济、可靠地实现高的成形精度和极低的表面粗糙度（可达10nm），并是使表面和亚表层的晶体结构组织的损伤减少至最低程度的有效方法。复合加工的方法大多是在机械加工的同时，应用流体力学、化学、光学、电力、磁力和声波等能量进行综合加工。也有不用常规的加工方法而仅仅依靠化学、光学或液动力等作用的复合加工。 复合加工的技术发展趋势：复合加工是对传统中常用的单一的机械加工、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（如陶瓷、光学玻璃和宝石晶体等）以及电子工业要求超精密的晶体材料（如超大规模集成电路的半导体晶片、电子枪的单晶体LaB4 和蓝宝石等），将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。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。如对脆性材料的物理化学特性多样的研究，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的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。
2.4高能束流加工 高能束流加工也称为三束流加工，是利用能量密度很高的激光束 电子束或离子束等去除工件材料的特种加工方法的总称，其中电子束加工技术改变了原有的设计思想，可将原有的高精度复杂难加工型面或无法加工的大型整体零件分成若干个易加工的单元，精加工和热处理以后，用电子束将其焊接成整体零件。
2.5超声波加工 它是利用加工工具的超声频振动，通过磨料悬浮液加工硬脆材料的一种成形方法、超声波加工的尺寸精度可达0.05 0.01mm，表面粗糟度Ra值可达0.8 0.1 m，它适宜加工任何脆硬材料，可加工各种孔和型腔，也可进行套料切割、开槽和雕刻等，由于超声波加工的生产效率比电火花加工低，而加工精度和表面粗糟度相对较好，所以常用于对工件的抛磨和光整加工。
3、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: 3 3.1、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 , 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。
3.2、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 , 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。
3.3、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。
3.4、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。 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。
3.5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。
参考文献
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