特种加工的发展与应用

目前，电火花成形加工不仅可加工各种导电金属材料和复杂型腔，还能实现对半导 体材料、非导电材料的加工，并取得了较好的加工效果。同时，电极材料的种类也不断 增多。这方面的主要发展趋势为：进一步研究半导体材料、非导电材料的放电加工机理， 促进其加工效率、加工精度、加工过程稳定性的提高，扩大可加工材料的范围；除加工
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学院名称:机电工程学院 年 级:2009 级 学 号: 论文编号:
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题 目: 专 业: 学生姓名: 学 号: 完成时间： 指导教师：
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特种加工技术的发展应用
摘要：进入二十世纪以来，制造技术，特别是先进制造技术不断发展，作为先进制造
技术中的重要的一部分，特种加工对制造业的作用日益重要。20 世纪 70 年代以来，以 激光、电子束、离子束等高能束流为能源的特种加工技术获得了迅速发展和广泛应用。 大力发展超精加工的特种加工技术是今后相当长的时期内的重要发展方向。目前，这一 技术正向着自动化、柔性化、精密化、集成化、智能化和最优化方向发展，在已有的工 艺不断完善和定型的同时，新的特种加工技术不断涌现，如快速原型制造技术、等离子 体熔射成形工艺技术、实变场控制电化学机械加工技术、数控电火花仿铣技术、电火花 混粉大面积镜面加工技术、磁力研磨技术和电铸技术等。新的特种加工技术是在传统的 特种加工技术的基础上，紧密结合材料、控制和微电子技术而发展起来的，并随着产品 应快速相应市场需求，正在形成面向快速制造的特种加工技术新体系。
电火花机放电脉波时间长，有利于降低电极损耗。电火花机粗加工一般采用长放电 脉波和大电流放电，加工速度快电极损耗小。在精加工时，小电流放电必须减小放电脉 波时间，这样不仅加大了电极损耗，也大幅度降低了加工速度。 （4）电火花加工技术的发展趋势
21 世纪，电火花成形加工技术得到了迅猛发展，突破了传统观念的束缚，产生了一 些新的技术和应用领域。电火花成形加工的数控系统进一步采用了人工神经网络技术、 混沌理论、仿真技术，以进一步提高加工的各项工艺指标、加工的可靠性和自动ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ程度。 脉冲电源则在保证电火花加工工艺指标的前提下，向稳定、可靠、环保、绿色、节能方 向发展。电火花成形加工技术在“维纳”加工、“镜面”加工、半导体和超硬材料加工 中发挥越来越重要的作用。
通过采用一系列先进加工技术和工艺方法，目前电火花成形加工精度已有全面提 高，有的已可达到镜面加工水平。但从总体来看，先进技术在实际生产中的应用还不够 成熟和广泛，因此有必要全面推动已有先进技术的进一步完善及向产业化方向发展。在 保证加工速度、加工成本的前提下，使电火花成形加工的精度水平进一步提高，使电火 花成形加工成为一些主要零件、关键零件的最终加工方式。同时，对加工精度的衡量不 能仅仅局限于工件的尺寸精度和表面粗糙度，还应包括型面的几何精度、变质层厚度以 及微观裂纹、氧化、锈蚀等。 3 加工过程的微细化
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。 四、特种加工发展方向及研究 (1)不断改进、提高高能束源品质，并向大功率、高可靠性方向发展。 (2)高能束流加工设备向多功能、精密化和智能化方向发展，力求达到标准化、系列化 和模块化的目的。扩大应用范围，向复合加工方向发展。 (3)不断推进高能束流加工新技术、新工艺、新设备的工程化和产业化工作。 五、主要特种加工趋势 （一）电火花 （1）电火花加工简介 电火花加工是利用浸在工作液中的两极间脉冲放电时产生的电蚀作用蚀除导电材 料的特种加工方法，又称放电加工或电蚀加工，英文简称 EDM。 （2）电火花加工分类
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复杂型腔外，进一步实现对三维型腔、复杂型面的加工；研制性能优越的新型电极材料。 （二）电化学加工 （1）简介
加工用电源 电化学加工使用硅整流的稳压电源，并以全波整流取代了过去的半波 整流,保持 5％以内的纹波，不仅提高了加工速度，而且还遏制了间隙内的电弧和防止污 物沉积于阴极。在调压方面，使用了饱和感抗器调压和晶闸管调压两种方式。前者更适 应目前电化学加工的水平。电源规格分为 3 档：小型电源,电流为 50～500 安,用于加工 小孔、去除毛刺、抛光和用于中小型的阴极进行电解车削；中型电源,电流为 1000～5000 安,用于加工中等面积(50～150 厘米 2)的型孔和型腔；大型电源，电流为 10000～40000 安，用于加工大型零件，加工面积可达 200～1000 厘米 2 或更大一些。通常使用的电压 范围为 12～20 伏。对硬质合金、钨、铜、铜锌合金等材料进行电解加工时，要求使用 特殊电源。因为若用普通的直流电源进行加工，则这些材料点格中的某些原子不易离子 化，而点格中的另一些原子却受到大量腐蚀。例如，碳化钨点格中的碳原子，在正电位 条件下不能加工掉，而必须有负电位（即电源电流有负半波）；加工铜锌合金用的电源， 不但要有负半波，而且对电流的波形，正半波与负半波的间隔和排列方式都有一定的要 求。使用特殊电源也可解决间隙内某些相对惰性离子的积聚以及由此改变间隙电阻和电 场分布的问题，从而能有效地提高加工精度。
由于电化学加工时，间隙内难免会产生短路，通常电源系统都具有良好的短路保护 功能，以使阴极和工件在产生火花和短路时不发生损伤。 （2）电化学加工分类
电化学加工可分为电解加工、导电磨削、电化学抛光、电镀、电刻蚀、电解冶炼。
电解加工 利用阳极溶解的电化学反应对金属材料进行成型加工的方法。
导电磨削 又称电解磨削。是电解作用和机械磨削相结合的加工过程。
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（5）两种或两种以上的不同类型的能量可相互组合形成新的复合加工，其综合加工效 果明显，且便于推广使用。 （6）特种加工对简化加工工艺、变革新产品的设计及零件结构工艺性等产生积极的影 响。 三、特种加工的主要运用领域 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。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。
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按照工具电极的形式及其与工件之间相对运动的特征，可将电火花加工方式分为五 类：利用成型工具电极，相对工件作简单进给运动的电火花成形加工；利用轴向移动的 金属丝作工具电极，工件按所需形状和尺寸作轨迹运动，以切割导电材料的电火花线切 割加工；利用金属丝或成形导电磨轮作工具电极，进行小孔磨削或成形磨削的电火花磨 削；用于加工螺纹环规、螺纹塞规、齿轮等的电火花共轭回转加工；小孔加工、刻印、 表面合金化、表面强化等其他种类的加工。 （3）电火花加工特点 1：电火花加工速度与表面质量
电火花成形加工的一个重要应用领域是窄槽、深腔、微细零件的加工，因此加工过 程的微细化是今后一个重要的发展方向。电火花微细加工机理与常规电火花成形加工相 同，但有自身的工艺特点：每个脉冲的放电能量很小，工作液循环困难，稳定的放电间 隙范围小等。基于这些工艺特点，微细电火花成形加工的加工装置、工作液循环系统、 电极制备等必然与常规电火花成形加工有很大区别。因此，需要重点研究非机械作用力 及其干扰对加工过程的影响等，进一步提高加工效率、加工精度及加工过程的稳定性。 4 应用范围的扩大
模具在电火花机加工一般会采用粗、中、精分档加工方式。粗加工采用大功率、低 损耗的实现，而中、精加工电极相对损耗大，但一般情况下中、精加工余量较少，因此 电极损耗也极小，可以通过加工尺寸控制进行补偿，或在不影响精度要求时予以忽略。 2：电火花碳渣与排渣
电火花机加工在产生碳渣和排除碳渣平衡的条件下才能顺利进行。实际中往往以牺 牲加工速度去排除碳渣，例如在中、精加工时采用高电压，大休止脉波等等。另一个影 响排除碳渣的原因是加工面形状复杂，使排屑路径不畅通。唯有积极开创良好排除的条 件，对症的采取一些方法来积极处理。 3：电火花工件与电极相互损耗
通过对电火花成形加工机理的研究，进一步揭示放电过程的内在规律，并以此为指 导，推动电火花成形加工工艺向高效率、高精度、低损耗方向发展，同时还应注意微细
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化加工方面的发展。 1 加工过程的高效化
加工过程的高效化不仅体现在通过改进电火花加工伺服系统、控制系统、工作液系 统、机床结构等，减少上述因素对电火花成形加工效率的影响，在保证加工精度的前提 下提高粗、精加工效率，同时还应尽量减少辅助时间(如编程时间、电极与工件定位时 间、维修时间等)，这就需要增强机床的自动编程功能，扩展机床的在线后台编程能力， 改进和开发适用的电极与工件定位装置;在机床维护方面，应增强机床的多媒体功能和 在线帮助功能，对于常见故障，操作人员可直接根据计算机提示实现故障排除，同时这 也有利于增强机床的可操作性和操作人员的操作技能。 2 加工过程的精密化
关键词：特种加工，机械加工技术，特点，应用
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特种加工的内容和趋势
一、什么是特种加工 特种加工亦称“非传统加工”或“现代加工方法”，是 20 世纪 40 年代发展起来的，
由于材料科学、高新技术的发展和激烈的市场竞争、发展尖端国防及科学研究的急需， 不仅新产品更新换代日益加快，而且产品要求具有很高的强度重量比和性能价格比，并 正朝着高速度、高精度、高可靠性、耐腐蚀、高温高压、大功率、尺寸大小两极分化的 方向发展。为此，各种新材料、新结构、形状复杂的精密机械零件大量涌现，对机械制 造业提出了一系列迫切需要解决的新问题。例如，各种难切削材料的加工；各种结构形 状复杂、尺寸或特大、精密零件的加工；薄壁、弹性元件等刚度、特殊零件的加工等。 对此，采用传统加工方法十分困难，甚至无法加工。于是，人们一方面通过研究高效加 工的刀具和刀具材料、自动优化切削参数、提高刀具可靠性和在线刀具监控系统、开发 新型切削液、研制新型自动机床等途径，进一步改善切削状态，提高切削加工水平，并 解决了一些问题；另一方面，则冲破传统加工方法的束缚，不断地探索、寻求新的加工 方法，于是一种本质上区别于传统加工的特种加工便应运而生，并不断获得发展。后来， 由于新颖制造技术的进一步发展，人们就从广义上来定义特种加工，即将电、磁、声、 光、化学等能量或其组合施加在工件的被加工部位上，从而实现材料被去除、变形、改 变性能或被镀覆等的非传统加工方法统称为特种加工。 二、特种加工的特点 （1）不用机械能，与加工对象的机械性能无关，有些加工方法，如激光加工、电火花 加工、等离子弧加工、电化学加工等，是利用热能、化学能、电化学能等，这些加工方 法与工件的硬度强度等机械性能无关，故可加工各种硬、软、脆、热敏、耐腐蚀、高熔 点、高强度、特殊性能的金属和非金属材料。 （2）非接触加工，不一定需要工具，有的虽使用工具，但与工件不接触，因此，工件 部承受大的作用力，工具硬度可低于工件硬度，故使刚性极低元件及弹性元件得以加工。 （3）微细加工，元件表面质量高，有些特种加工，如超声、电化学、水喷射、磨料流 等，加工余量都是微细进行，故不仅可加工尺寸微小的孔或狭缝，还能获得高精度、极 低粗糙度的加工表面。 （4）不存在加工中的机械应变或大面积的热应变，可获得较低的表面粗糙度，其热应 力、残余应力、冷作硬化等均比较小，尺寸稳定性好。