关于特种加工技术应用与发展的研究

时间：2024-06-03

刘佳

摘要：特种加工在国际上被称为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。主要介绍了多类特种加工的发展历程、特点和应用，分析了特种加工的优势、存在的问题及发展趋势。

关键词：特种加工类型特点发展

随着科技发展和市场竞争，新产品的更新日益加快，对强度重量比及性能价格比有了较高要求。各种新材料、新结构、形状复杂的精密零件不断涌现，对机械制造业提出了一系列棘手问题，对传统切削工艺也提出了严峻的挑战。像硬质合金、宝石等难加工材料，细长零件、微型机械等特殊零件，结构复杂、尺寸或微小或特大的特殊表面等，传统切削加工难以解决，甚至无法加工。于是，通过研究高效加工刀具、提高刀具可靠性、开发新型切削液、研制新型自动化机床设备等途径，改善切削状态，提高切削加工水平。而外，突破传统加工的束缚，不断探索、寻求新的加工方法。因而，特种加工应运而生，并不断获得发展。

特种加工又称“非传统加工”“非常规机械加工”，是利用电能、光能、热能、化学能等能量或其组合施加于工件的被加工部分，来实现材料的去除、变形、性能改变等非常规加工方法。

特种加工方法种类繁多，主要体现在：电火花加工、线切割加工、超声波加工、激光加工、电子束加工、离子束加工等。

一、电火花加工（ElectroDischarge Machining，简称EDM）

在一定的介质中（绝缘性的，如煤油），通过工具与工件电极间的脉冲放电，产生瞬时高温将金属蚀除，从而对工件进行加工的方法，可直接利用电能对工件进行加工，又称放电加工或电蚀加工。

电火花加工可加工传统切削材料及复杂形状的工件；无切削力；不产生毛刺、刀痕沟纹等；工具电极材料硬度可比工件材料低；能直接使用电能加工，可实现自动化；加工后表面生成变质层，有时需去除；速度慢，生产率低；电极（工具）消耗大；工作液的净化和加工中产生的烟雾污染难处理。

在工艺应用中，电火花加工常见形式有：电火花穿孔、成形加工；电火花小孔加工；电火花精密细微加工；电火花磨削等。

二、电火花线切割加工（Wire cut Electrical Discharge Machining，简称WEDM）

移动的线状电极丝利用火花放电，按照预定轨迹对工件进行切割的加工方法，又称线切割。

线切割除具有电火花加工的共性外，还具有以下特点：节省了成形工具电极的设计、制造费用，缩短了生产周期；电极丝很细，可加工细微异型孔、窄缝及形状复杂工件；电极丝不断移动，损耗少，对加工精度影响小；自动化程度高，易实现微机控制，操作方便，劳动强度低；采用水基乳化液，不宜引燃起火，易实现安全无人操作；不能加工盲孔类零件表面和阶梯成形表面。

电火花线切割可加工：各种硬质合金和淬硬钢的冲模、拉丝模、冷拔模、弯曲模等；各类精密型孔、样板、成型刀具等零件；易引起变形的精密狭槽类零件；各种稀有、贵重金属和难加工材料；多个相同零件重叠加工，以获得一致尺寸。

随着数控技术的应用，3～4轴慢走丝线切割技术为精密零件及模具制造开辟了新的工艺途径。

三、激光加工（Laser Beam Machining，简称LBM）

利用功率密度极高的激光束照射工件待加工处，使材料瞬时熔化或蒸发，并在冲击波作用下，将熔融物质喷射出去，对工件进行穿孔、蚀刻、切割，或利用较小的能量密度，使加工区域材料熔融粘合，从而对工件进行焊接的加工方法。

激光在加工领域中存有独特的优势：非接触加工，无工具磨损，中途无需更换工具，能量及移动速度可调，可实现多种加工目的；能量密度高，加工速度快，热影响区小，后续加工量亦少；能加工各类材料，甚至是高硬度、高脆性、高熔点的金属材料和陶瓷、金刚石类非金属材料；易于导向、聚焦，能实现各方向的变换，易与数控系统配合来加工复杂零件；易与传统加工工艺组合，实现自动化和流水作业；效率高，质量可靠，经济效益好，在节能、环保等方面有很大的优越性。

目前，激光焊接、激光切割、激光打标等多项技术已渗透于汽车、仪器仪表、模具制造等领域，效果良好。此外，激光去重平衡、激光蚀刻等技术的发展业已成熟。在未来发展中，将趋向于数控化和综合化、小型化和组合化、高频度和高可靠性加工。

四、电子束加工（Electron Beam Machining简称EBM）

真空中，利用电子枪产生的电子经加速、聚焦，形成高能量大密度的细电子束轰击工件待加工处，使材料熔化、蒸发，以进行加工，或利用电子束照射引发化学变化而进行加工的方法。

电子束加工具有：直径极小，能微聚焦；能量密度极高，能使被轰击的材料迅速熔化或汽化；效率高，能量利用率高达90%以上；非接触式加工，工件不会产生宏观应力和变形；调整加速电压、电子束流和汇聚状态，可调节能量及密度，易实现自动化；真空加工，可防止加工件被氧化，不易产生粉尘；设备复杂、昂贵，生产中受到一定限制；使用高压电，会产生较强X射线，需采取相应安全措施等特点。

电子束加工主要用于：各种微细孔、型孔、斜孔、弯孔和特殊表面加工；难熔金属（如Ti、W）、活泼金属（Be、Nb等）、超合金陶瓷等材料的焊接；陶瓷、半导体材料的精细蚀刻，沟槽和孔的精细加工；金属镀层刻制混合电路电阻等。此外，还可切割、熔炼、热处理等。

五、离子束加工（Ion Beam Machining 简称IBM）

真空中，电子枪产生电子束引入已抽成真空且充满惰性气体的电离室中，使低压惰性气体离子化。负极引出阳离子经加速、集束等，获得一定速度的离子投射到材料表面，产生溅射效应和注入效应。因离子带正电荷，质量比电子大数千、万倍，所以离子束具有更大的撞击动能，靠微观机械撞击来加工。

离子束加工，可精确控制尺寸，精度高；真空加工，污染少，适合加工易氧化的金属、合金及半导体材料；加工应力小，适合各类材料和低刚度工件加工，质量高；设备昂贵、成本高，实际应用受限。

离子束主要用于改变零件尺寸和表面物理力学性能的刻蚀和镀膜加工。此外，等离子焊接、真空等离子体喷涂等技术也在不断地开发、应用中。

六、超声波加工（Ultrasonic Machining，简称USM）

利用超声振动工具，在磨料液体介质或干磨料中，产生磨料的冲击、抛磨、液压冲击及由此产生的气蚀去除材料，或给工具或工件沿一定方向施加超声频振动进行加工，或利用超声振动使工件相互结合的加工方法。

超声波加工具有：磨粒在超声振动作用下，产生机械撞击、抛磨及超声空化综合作用；切削应力、切削热小，不会引起工件变形或烧伤；工具可用较软材料制作，易于制成复杂形状，可加工形状复杂的型腔、型孔和成形表面；设备结构简单，易操作、维护等优势。此外加工面积不够大，效率低，表面粗糙度及精度难精确控制；对一些韧性较强金属，未能取得较好的加工效果，甚至无法加工；所用工具尺寸小，磨料对工具的磨损大，这些对工件的精度、表面粗糙度有很大的影响。

该技术适用于各种硬脆材料，如玻璃、石英等的打孔、切割、开槽等。此外，超声波焊接、超声波复合加工等技术也在不断发展中。

特种加工解决了传统切削难以加工的许多问题，在提高质量、效率和经济效益上显示出较大优势，但仍存在不少问题：

（1）不少特种加工的机理还不清楚，工艺参数的选择、加工过程的稳定有待提高.

（2）有些特种加工中所产生的废渣、废气若排放不当，会污染环境，影响工人健康。

（3）有些特种加工的精度及生产率有待提高。

（4）有些特种加工所需设备投资大、使用维修费高。

为了提高技术水平、扩大应用范围，当前特种加工技术的发展趋向：

（1）采用自动化技术；

（2）精密化研究；

（3）开发新工艺方法及复合工艺；

（4）合理利用废气、废液、废渣，向“绿色”加工方向发展；

（5）进一步开拓特种加工技术。