特种加工技术的现代应用及其发展研究

铜陵学院机械工程学院 机制方向课大作业

课程名称: 特种加工 姓 名: 郭 宇 班 级: 10机制（一）班

2013年5月11日 铜陵学院机械工程学院

学 号: 1010111033

特种加工技术的现代应用及其发展研究

郭宇（1010111033）

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 高能束流加工 超声波加工 复合加工

0 引言

传统的机械加工技术对推动人类社会的发展的进步和社会的发展起到了重大的作用。随着科学技术的迅速发展，新型的工程材料不断涌现和被应用，以及所加工的工件的精度和复杂程度越来越高，对机械制造工艺技术要求也更高了。由于受刀具材料性能、结构等的限制，使得传统的机械加工有时无能为力，因此新型的加工方法应运而生。它在加工过程中不再主要依靠机械能， 能够直接或者复合利用其他形式的能量完成加工；加工所需工具的硬度可大大降低，甚至可以低于被加工材料等等。但随着加工要求的越来越高，当下特种加工正朝着高度自动化、精密化、绿色无污染以及适时使用适当的复合工艺和新工艺的方向发展。 1特种加工技术的特点

1.1加工范围上不受材料强度、硬度等限制

特种加工技术主要不依靠机械力和机械能去除材料，而是主要用其他能量（如电、化学、光、声、热等）去除金属和非金属材料，完成工件的加工 故可以加工各种超强硬材料高脆性及热敏材料以及特殊的金属和非金属材料。 1.2以柔克刚

特种加工不一定需要工具，有的虽使用工具，但与工件不接触，加工过程工具和工件间不存在明显的强大机械切削力，所以加工时不受工件的强度和硬度的制约在加工超硬脆材料和精密微细零件薄壁元件 弹性元件时，工具硬度可以低于被加工材料的硬度。

1.3 加工方法日新月异，向精密加工方向发展

当前已出现了精密特种加工，许多特种加工方法同时又是精密加工方法 微细加工方法，如电子束加工 离子束加工 激光束加工等就是精密特种加工；精密电火花加工的加工精密度可达微米级0.5~1 m，表面粗糙度可达镜面Ra0.02 m。 1.4容易获得良好的表面质量

由于在加工过程中不产生宏观切屑，工件表面不会产生强烈的弹、塑性变形，

故可以获得良好的表面粗糙度 残余应力 热应力 冷作硬化 热影响区及毛刺等表面缺陷均比机械切割表面小，尺寸稳定性好，不存在加工中的机械应变或大面积的热应变工过程中不产生宏观切屑，工件表面不会产生强烈的弹 塑性变形，故可以获得良好的表面粗糙度、残余应力、热应力、冷作硬化、热影响区及毛刺等表面缺陷均比机械切割表面小，尺寸稳定性好，不存在加工中的机械应变或大面积的热应变。

2特种加工的分类及相关方法： 2.1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、火花放电时，在放电区域能量高度集中，瞬时温度高达10000摄氏度左右，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。 2.2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。电镀、电铸可以复制复杂、精细的表面。刷镀可修复磨损的零件，改变原表面的物理性能，有很大实用价值。 2.3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。

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2.4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。 2.5复合加工

复合加工是指用多种能源组合进行材料去除的工艺方法，大多是在机械加工的同时应用流体力学、化学、光学、电磁学和声波等能源进行综合加工，这些加工方法能够提高加工效率或获得很高的尺寸精度、形状精度和完整的表面 它包括传统加工和特种加工的复合、特种加工和特种加工的复合，主要有切削复合加工、磨削复合加工、电火花复合加工和电解复合加工等。

3近些年涌现的一些先进的特种加工技术：

上海交通大学的研究人员提出以集束电极制作三维自由型面电极的新方法。这种方法不是采用切削加工获得成形电极的自由型面 ,而是将一定数量的细棒状或管状电极捆成一束 ,再调整每根电极单元的长度进而形成近似的电极型面。其制备原理图如图 1 所示。

图1 成型电极及集束电极示意图

集束电极主要应用于三维型腔材料大去除量的粗加工。使用中空或圆形棒状电极单元较传统三维型面成形电极更适合内冲液 ,从而有更好的冲液效果 ,因此放电更加稳定 ,加工性能更好。

近干式电火花加工是由美国密西根大学的J .Tao , A. J . Shih[7 ]提出的一种新的电火花加工方法。近干式电火花加工采用喷射的气液混合物作为放电

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介质。文中研究了如何在干式和近干式加工中获得高材料去除率或低表面粗糙度值。同时 C. C. Kao , J .Tao and A. J . Shih 等人进一步研究了干式、湿式、近干式条件下的电火花线切割和电火花穿孔加工[8 ],其相关水雾输送装置分别如图2所示。

图2 近干式电火花线切割加工的水雾输送

研究表明 ,与干式加工相比近干式电火花加工的材料去除率高 ,加工边缘清晰 ,没有熔融金属的再粘着;与湿式电火花加工相比在小脉冲能量条件下其材料去除率相对较高 ,而放电间隙较小。然而 ,近干式电火花加工电极的热载荷太大 ,导致线切割加工时易断丝、穿孔时电极损耗率高。他们在假定放电间隙由加工间隙和材料去除深度组成的前提下 ,对放电间隙建立了一个与水雾的绝缘强度和粘度有关的数学模型。

山东大学机械工程学院研究人员针对气中电火花加工技术进行进一步深入研究。提出了工具电极超声振动辅助气中放电加工。图 3 为旋转超声供气系统图。与一般气中电火花加工相比 ,该方法的材料去除率有所提高而短路率大为降低。材料去除率随峰值电压、放电时间、峰值电流和气体压力的增加而提高 ,随脉冲间隔和电极管壁厚的增加而降低。

日本大阪大学 T. Ishida 等突破传统观念中认为钻孔方法只能加工直孔的观念 ,发展了一种用电火花加工的方式加工曲线孔的新方法。通过改进设备 ,减小曲线孔直径 ,克服了研究初始阶段由于加工的孔径太大而无法将这种加工方法应用于实践的问题。

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图3 旋转超声供气系统示意图图

4.结论

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:

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。

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.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。

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。

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 ,需要不断发展。

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