【正文】 trend of special machining 關(guān)鍵詞: 特種加工。電火花加工。電解加工。電子束加工。超聲波加工Key words: special machining。EDM。electrochemical machining。electron beam machining。ultrasonic machining 特種加工(又稱非傳統(tǒng)加工)是二次世界大戰(zhàn)后發(fā)展起來的一類有別于傳統(tǒng)切削與磨削加工方法的總稱。特種加工方法將電、磁、聲、光等物理量及化學(xué)能量或其組合直接施加在工件被加工的部位上,從而使材料被去除、累加、變形或改變性能等。特種加工 方法可以完成傳統(tǒng)加工方法難以實(shí)現(xiàn)的加工, 如高強(qiáng)度、高韌性、高硬度、高脆性、耐高溫材料和工程陶瓷、磁性材料等難加工材料的加工以及精密、微細(xì)、復(fù)雜形狀零件的加工等。特種加工技術(shù)有以下幾個(gè)特點(diǎn):⑴加工方法主要不是依靠機(jī)械能, 而是用其他能量(如電能、光能、聲能、熱能、化學(xué)能等)去除材料。⑵傳統(tǒng)加工方法要求刀具的硬度必須大于工件的硬度, 即“以硬切軟。而對(duì)于特種加工,由于工具不受顯著切削力的作用,特種加工對(duì)工具和工件的強(qiáng)度、硬度和剛度均沒有嚴(yán)格要求。⑶加工沒有明顯的切削力作用,一般不會(huì)產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象, 又由于工件加工部位變形小,發(fā)熱少,或發(fā)熱僅局限于工件表層加工部位,工件熱變形小,由加工產(chǎn)生的應(yīng)力也小,易于獲得好的加工質(zhì)量,且可在一次安裝中完成工件的粗、精加工。⑷特種加工中能量易于轉(zhuǎn)換和控制,有利于保證加工精度和提高效率。⑸特種加工方法的材料去除速度一般低于常規(guī)加工方法,這也是目前常規(guī)加工方法在機(jī)械加工中仍占主導(dǎo)地位的主要原因。特種加工有多種分類方法:如按加工過程材料增減可分為去除加工、結(jié)合加工和變形加工等。按作用能源可分為機(jī)械能、熱能、化學(xué)能、復(fù)合能等。 電火花加工電火花加工的工作原理。是利用工具電極與工件電極之間的火花放電:產(chǎn)生瞬時(shí)高溫將金屬熔化,電火花加工過程可分為四個(gè)階段: ①介質(zhì)電離、被擊穿, 形成放電通路。②形成火花放電,工件電極產(chǎn)生熔化、氣化。熱膨脹。③拋出蝕除物。④間隙介質(zhì)消電離(恢復(fù)絕緣狀態(tài))。電火花加工的工作要素包括電極材料、工作液、放電間隙、脈沖寬度與間隔等。對(duì)工具電極的基本要求是導(dǎo)電、損耗小、易加工。常用的工具電極材料有紫銅、石墨、鑄鐵、鋼、黃銅等,其中又以紫銅和石墨最為常用。工作液是電火花加工中必不可少的介質(zhì),其主要功用是壓縮放電通道區(qū)域,提高放電能量密度和加速蝕除物的排出。常用的工作液有煤油、機(jī)油、去離子水、乳化液等。合理的放電間隙是保證火花放電的必要條件。為保持適當(dāng)?shù)姆烹婇g隙, 在加工過程中, 需采用自動(dòng)調(diào)節(jié)器控制機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng),并帶動(dòng)工具電極緩慢向工件進(jìn)給。電火花加工特點(diǎn)是:① 電火花加工不受加工材料硬度限制,可加工任何硬、脆、韌、軟的導(dǎo)電材料。②加工時(shí)無顯著作用力,發(fā)熱小(發(fā)熱僅局限于放電區(qū)極小范圍內(nèi)),適于加工小孔、薄壁、窄槽、形面、型腔及曲線孔等,且加工質(zhì)量好。精加工時(shí),加工尺寸～, 表面粗糙度可達(dá)Ra ～。③脈沖參數(shù)調(diào)整方便,可一次安裝完成粗、精加工。④易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。目前,實(shí)際應(yīng)用的電火花加工主要有兩種類型,即電火花成形加工和電火花線切割。主要指孔加工和型腔加工。電火花打孔常用于加工冷沖模、拉絲模、噴嘴、噴絲孔等。型腔加工包括鍛模、壓鑄模、擠壓模、塑料模等型腔加工,以及葉輪、葉片等曲面加工。 電火花線切割用連續(xù)移動(dòng)的鉬絲(或銅絲)做工具陰極,工件為陽(yáng)極。機(jī)床工作臺(tái)帶動(dòng)工件在水平面內(nèi)做互相垂直方向的移動(dòng),可切割出二維圖形。絲架也可做小角度擺動(dòng),可切割出斜 面。電火花線切割廣泛用于加工各種硬質(zhì)合金和淬硬鋼的沖模、樣板、各種形狀復(fù)雜的板類零件、窄縫、柵網(wǎng)等。電火花線切割加工按走絲速度可分為快走絲和慢走絲兩類?？熳呓z速度一般為l0m/s, 電極絲可往復(fù)移動(dòng),并可以循環(huán)反復(fù)使用(使用一段時(shí)問后需進(jìn)行更換).慢走絲速度為2～8m/min,單向運(yùn)動(dòng),電極絲一次性使用。慢走絲線切割走絲平穩(wěn),無振動(dòng),電極絲損耗小,加工精度高。 電解加工電解加工的工作原理 是工件接陽(yáng)極,工具(銅或不銹鋼)接陰極,兩極間加6～24V 的直流電壓,～1mm的間隙。在間隙處通以6～60m/s高速流動(dòng)的電解液,形成極間導(dǎo)電通路,工件表面材料不斷溶解,其溶解物及時(shí)被電解液沖走。工具電極不斷進(jìn)給,以保持極間間隙。電解加工的特點(diǎn)是:①不受材料硬度的限制,能加工出任何高硬度、高韌性的導(dǎo)電材料, 并能以簡(jiǎn)單的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)一次加工出形狀復(fù)雜的形面和型腔。②電解加工比電火花加工的形面和型腔效率高5～10倍。③加工過程中陰極損耗小。加工表面質(zhì)量好,無毛刺、無殘余應(yīng)力和變形層。④加工設(shè)備投資較大, 有污染, 需防護(hù)。電解加工廣泛應(yīng)用于模具的型腔加工,槍炮的膛線加工,發(fā)電機(jī)的葉片加工,花鍵孔、內(nèi)齒輪、深孔加工,以及電解拋光、倒棱、去毛刺等。電解磨削是利用電解作用與機(jī)械磨削相結(jié)合的一種復(fù)合加工方法。工件接直流電源正極, 高速回轉(zhuǎn)的導(dǎo)電磨輪接負(fù)極,兩者保持一定的接觸壓力,導(dǎo)電磨輪表面突出的磨料使磨輪導(dǎo)電基體與工件之間有一定的間隙。當(dāng)電解液從問隙中流過并接通電源后,工件產(chǎn)生陽(yáng)極溶解, 工件表面上生成一層稱為陽(yáng)極膜的氧化膜, 其硬度遠(yuǎn)比金屬本身低, 極易被高速回轉(zhuǎn)的磨輪刮除,使新的金屬表面露出,繼續(xù)進(jìn)行電解。電解作用與磨削作用交替進(jìn)行,電解產(chǎn)物被流動(dòng)的電解液帶走,使加工繼續(xù)進(jìn)行,直至達(dá)到加工要求。電解磨削效率比機(jī)械磨削高,且導(dǎo)電磨輪損耗遠(yuǎn)比機(jī)械磨削小,特別是磨削硬質(zhì)合金時(shí), 效果更明顯。 電子束加工電子束加工的工作原理是在真空條件下,利用電流加熱陰極發(fā)射電子束,經(jīng)控制柵極初步聚焦后, 由加速陽(yáng)極加速, 通過透鏡聚焦系統(tǒng)進(jìn)一步聚焦, 使能量密度集中在直5～10um 的斑點(diǎn)內(nèi)。高速而能量密集的電子束沖擊到工件上,被沖擊點(diǎn)處形成瞬時(shí)高溫(在幾分之一微秒時(shí)間內(nèi)升高至幾千攝氏度),工件表面局部熔化、氣化直至被蒸發(fā)去除。電子束加工的特點(diǎn)及應(yīng)用是: ①～ mm,長(zhǎng)度可達(dá)束徑的幾十倍,故可加工微細(xì)深孔和窄縫。②材料適應(yīng)性廣,原則上各種材料均可加工,特別適用于加工特硬、難熔金屬和非金屬材料。③加工速度較高,切割1mm 厚的鋼板, 切割速度可達(dá)240mm/min。④在真空中加工,無氧化,特別適于加工高純度半導(dǎo)體材料和易氧化的金屬及合金。⑤加工設(shè)備較復(fù)雜,投資較大,多用于微細(xì)加工。 超聲波加工超聲波加工的工作原理。是利用超聲波發(fā)生器將工頻交流電能轉(zhuǎn)變?yōu)橛幸欢üβ瘦敵龅某曨l電振蕩, 通過換能器將超聲頻電振蕩轉(zhuǎn)變?yōu)槌暀C(jī)械振動(dòng)。此時(shí)振幅一般較小,再通過振幅擴(kuò)大棒(變幅桿),～。利用工具端面的超聲(16～25kHz)振動(dòng),使工作液(普通水)中的懸浮磨粒(碳化硅、氧化鋁、碳化硼或金剛石粉)對(duì)工件表面產(chǎn)生撞擊拋磨,實(shí)現(xiàn)加工。超聲波加工的特點(diǎn)及應(yīng)用:①適用于加工各種脆性金屬材料和非金屬材料, 如玻璃、陶瓷、半導(dǎo)體、寶石、金剛石等。②可加工各種復(fù)雜形狀的型孔、型腔、形面。③被加工表面無殘余應(yīng)力, 無破壞層, 加工精度較高, ～ mm。④加工過程受力小, 熱影響小,可加工薄壁、薄片等易變形零件。⑤單純的超聲波加工,加工效率較低。采用超聲復(fù)合加工(如超聲車削、超聲磨削、超聲電解加工、超聲線切割等),可顯著提高加工效率。 激光加工激光是一種受激輻射而得到的加強(qiáng)光。其基本特征是: 強(qiáng)度高,亮度大。波長(zhǎng)頻率確定, 單色性好,相于性好, 相干長(zhǎng)度長(zhǎng), 方向性好,幾乎是一束平行光。由激光器發(fā)出的激光, 經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)聚焦后,照射到工件表面上,光能被吸收,轉(zhuǎn)化為熱能,使照射斑點(diǎn)處局部區(qū)域溫度迅速升高,此處材料被熔化、氣化而形成小坑。由于熱擴(kuò)散,使斑點(diǎn)周圍材料熔化,小坑內(nèi)材料蒸氣迅速膨脹, 產(chǎn)生微型爆炸,將熔融物高速噴出并產(chǎn)生一個(gè)方向性很強(qiáng)的反沖擊波,于是在加工表面上打出一個(gè)上大下小的孔。激光加工的特點(diǎn)及應(yīng)用:①加工材料范圍廣,可加工各種金屬和非金屬材料,特別適用于加工高熔點(diǎn)材料、耐熱合金及陶瓷、寶石、金剛石等硬脆材料。②激光可透過透明材料進(jìn)行加工。③激光加工為非接觸加工,工件無受力變形,受熱區(qū)域小,工件熱變形小,加工精度高。④可進(jìn)行微細(xì)加工。 以下, 的小孔加工和窄縫切割。激光切割廣泛用于切割復(fù)雜形狀的零件、柵網(wǎng)等。在大規(guī)模集成電路的制作中, 可用激光進(jìn)行切片。⑤ 加工速度快。例如在寶石上打孔,加工時(shí)間僅為機(jī)械方法的1%。⑥激光加工不僅可以打孔和切割,也可進(jìn)行焊 接、熱處理等工作。⑦激光加工可控性好,易于實(shí)現(xiàn)加工自動(dòng)化,但加工設(shè)備昂貴。 化學(xué)機(jī)械復(fù)合加工化學(xué)加工是利用酸、堿和鹽等化學(xué)溶液對(duì)金屬或某些非金屬工件表面產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng), 腐蝕溶解而改變工件尺寸和形狀的加工方法。如果僅進(jìn)行局部有選擇性的加工,則需對(duì)工件上的非加工表面用耐腐蝕性涂層覆蓋保護(hù)起來,而僅露出需加工的部位。化學(xué)機(jī)械復(fù)合加工是指化學(xué)加工和機(jī)械加工的復(fù)合。化學(xué)機(jī)械復(fù)合加工是一種超精密的精整加工方法, 可有效地加工陶瓷、單晶藍(lán)寶石和半導(dǎo)體晶片,化學(xué)機(jī)械復(fù)合加工可防止通常機(jī)械加工用硬磨料引起的表面脆性裂紋和凹痕,避免磨粒的耕犁引起的隆起以及擦劃引起的劃痕,可獲得光滑無缺陷的表面。化學(xué)機(jī)械復(fù)合加工中常用的方法有機(jī)械化學(xué)拋光和化學(xué)機(jī)械拋光。機(jī)械化學(xué)拋光使用比工件材料軟的磨料(如對(duì)Si3N4 陶瓷用Cr2O3 ,對(duì)Si 片用SiO2),靠運(yùn)動(dòng)磨粒本身的活性以及因磨粒與工件間的摩擦, 在微觀接觸區(qū)產(chǎn)生的高壓、高溫, 使很短的接觸時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)固相反應(yīng)。隨后這種反應(yīng)生成物被運(yùn)動(dòng)的磨粒的機(jī)械摩擦作用去除, 級(jí)?；瘜W(xué)機(jī)械拋光的工作原理是由溶液的腐蝕作用形成化學(xué)反應(yīng)薄層,然后由磨粒的機(jī)械摩擦作用去除。水噴射加工(Water Jet Machining)又稱水射流加工或水刀加工,它是利用超高壓水射流及混合于其中的磨料對(duì)材料進(jìn)行切割、穿孔和表面材料去除等加工。其加工機(jī)理綜 合了由超高速液流沖擊產(chǎn)生的穿透割裂作用和由懸浮于液流中磨料的游離磨削作用。水噴射加工具有如下特點(diǎn): ①可加工各種金屬和非金屬材料。②切口平整,無毛邊和飛刺,可用于去除閥體、孔緣、溝槽、螺紋、交叉孔上的毛刺。③切削時(shí)無火花,無熱效應(yīng)產(chǎn)生, 也不會(huì)引起工件材料組織變化, 適于易燃易爆物件加工。④加工潔凈,不產(chǎn)生煙塵或有毒氣體。水刀加工基本可對(duì)各種材料進(jìn)行處理及切割,非金屬物質(zhì),如木材、紙類、塑料、纖維、海綿等。對(duì)切割金屬或較硬的材質(zhì)時(shí),如各種石材、玻璃、陶瓷、磚等材質(zhì)時(shí),可以將80 目左右, 較細(xì)顆粒的石英砂料與水箭混流在一起, 以增強(qiáng)其切割能力,此種高速加砂的水刀幾乎可以切割任何材質(zhì),為此在家具制造過程中,可以用來對(duì)原木的分割和實(shí)木成型材料的分切, 使得在用料方面取得更為精確。為節(jié)約用材提供很好的途徑。水刀加工在下料開片的切割加工中,比起與它擁有同樣功能的“ 前輩”電鋸、電弧切割和激光切割來它有著許多優(yōu)越性, 它無塵、無煙、沒有火光,在作業(yè)時(shí),切割面上的溫度能保持不變(電弧、激光切割和鋼鋸則辦不到這一點(diǎn)),它不會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)光而灼傷人眼。更不用擔(dān)心因高溫而引發(fā)火災(zāi),十分安全。然而它具有強(qiáng)大的“威力”,可以隨心所欲地切割加工各種工件和不同口徑的管材。對(duì)于機(jī)械制造加工,由于水刀的加入,也使得在消防防火方面得到更好的保證。水刀自動(dòng)化系統(tǒng)已應(yīng)用于汽車內(nèi)飾件加工甚至對(duì)空中客車A380 大型航空件、飛機(jī)外殼等, 高強(qiáng)度的碳素纖維的復(fù)雜零件表面上進(jìn)行的切割、修邊、開孔等加工任務(wù)。為制造領(lǐng)域開辟了新的天地,而且它可以在幾乎完全自然的條件下加工, 因此對(duì)已完成的上道工序, 基本不會(huì)產(chǎn)生任何影響。更沒有任何粉塵的危害,也不會(huì)有刀刃磨損的缺點(diǎn)。水刀還可以做水下作業(yè),對(duì)沉船的切割、修理可以得到絕無僅有的效果?？赡茉谖磥韺?duì)潛水艇的自救也能開辟一種新的可能。水刀切割加工速度極高, 尺寸精度、加工的質(zhì)量較高,不需要第二次加工。同樣也可以不用擔(dān)心水的加工影響材料的含水量,極高的速度幾乎不能讓水分留下。操作程序簡(jiǎn)單易行, 編輯程序可以隨時(shí)調(diào)用, 有記憶功能。水刀的一般零配件使用壽命較長(zhǎng),機(jī)械可使用時(shí)間長(zhǎng), 相對(duì)成本較低。水刀切割時(shí)不會(huì)產(chǎn)生灰塵及有毒氣體, 可提供一個(gè)較為清潔及安全的工作環(huán)境, 更重要的是,水刀是以水作為切割的刀具,不用像其它的切削刀具需要刃磨,它是一把永不磨損型的刀具, 因此水刀以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),在未來的各種加工制造中, 一定會(huì)有更廣泛的應(yīng)用前景。特種加工技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分, 隨著難加工材料、特殊結(jié)構(gòu)零件需求的日益增加, 特種加工技術(shù)近十幾年來得到了快速發(fā)展,在世界范圍內(nèi)越來越受到人們的重視, 發(fā)揮的作用也越來越大。特種加工采用不同的能量形式加工零件,相對(duì)于傳統(tǒng)的切削加工技術(shù), 特種加工普遍具有以柔克剛、加工力影響較小等優(yōu)勢(shì)。為進(jìn)一步提高特種加工技術(shù)水平及擴(kuò)大其應(yīng)用范圍,當(dāng)前特種加工技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)主要包括以下幾點(diǎn):1)采用自動(dòng)化技術(shù)。2)趨向精密化研究。3)開發(fā)新工藝方法及復(fù)合工藝。4)污染問題是影響和限制有些特種加工應(yīng)用、發(fā)展的嚴(yán)重障礙。5)進(jìn)一步開拓特種加工技術(shù)。細(xì)微化是特種加工技術(shù)發(fā)展的重要趨勢(shì),由于當(dāng)前的工業(yè)產(chǎn)品越來越追求小型化和微型化,微細(xì)結(jié)構(gòu)和微細(xì)零件的加工需求不斷增長(zhǎng),同時(shí)帶動(dòng)了各種制造技術(shù)向小型化、微細(xì)化發(fā)展。比如細(xì)微的電火花加工、微細(xì)電化學(xué)加工、微細(xì)的激光加工、微細(xì)離子束加工 等技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)很小尺度內(nèi)的加工, 這些技術(shù)在國(guó)內(nèi)外都發(fā)展得很快而且得到越來越廣泛的應(yīng)用。特種加工技術(shù)集成了機(jī)械、電子、信息、材料技術(shù)和計(jì)算機(jī)等技術(shù)，發(fā)展異常迅速?，F(xiàn)代特種加工技術(shù)主要是伴著高硬度、高強(qiáng)度、高韌性、高脆性等難切削材料的額出現(xiàn)，以及制造精密細(xì)小 形狀復(fù)雜和結(jié)構(gòu)特殊的零件 的需要而產(chǎn)生的，具有其他常規(guī)加工技術(shù)無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，已成為航空航天、汽車、儀器、儀表、微型機(jī)械、輕工、模具等行業(yè)的支撐技術(shù)和關(guān)鍵技術(shù) 隨著科學(xué)技術(shù)和現(xiàn)代工業(yè)的 發(fā)展，特種加工技術(shù)必將不斷完善和迅速發(fā)展，反過來又必將推動(dòng)科學(xué)技術(shù)和現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，并發(fā)揮越來越重要的作用。參考文獻(xiàn)[1] [M].上海: 同濟(jì)大學(xué)出版社, 2003.[2] 劉振輝, [M].重慶: 重慶大學(xué)出版社, 2000.[3] [M].北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 2003.[4] 張廣文, 曾慶良, [J].輕工機(jī)械, 2004(2): 5557.[5] 劉晉春, 趙家齊, [M].北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2004.[6]