(完整版)特种加工

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XX大学2012 ~2013 学年冬季学期研究生课程考试
课程名称:课程编号:
论文题目: 特种加工技术相关
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特种加工技术相关
摘要:进入二十世纪以来,伴随高硬度、高韧性、高强度、高脆性等一些难加工材料的出现以及一些制造
精密、细小、形状复杂和结构特殊的零件的需要,特种加工作为先进制造技术中的重要的一部分,对制造
业的作用显得日益重要。

本文基于特种加工的概念、研究现状、发展趋势、应用分析、特点、方法简介几
个方面论述了特种加工在机械生产中的重要位置。

关键词:特种加工;研究现状;发展历程;应用分析;特点;方法简介
Special Processing Technology Related
Abstract: Since the beginning of the twentieth century, accompanied by the emergence of a number of difficult to machine materials of high hardness, high toughness, high strength, high brittleness and manufacture of precision, small, complex shape and structure of the special parts. As advanced manufacturing technologies important part of the role of manufacturing, special processing is becoming increasingly important. This paper based on the concept of special processing, research, development trends, analysis, features, methods Introduction discusses several aspects of an important position in the mechanical production of special processing.
Key words: Special processing; Research; Development process; Application analysis; Feature; Brief introduction
特种加工技术是指不仅利用机械能,而且更主要是利用其他能量(电、化学、光、声)来去除工件上多余材料的一种新的加工方法。

这类加工过程中,工具与工件之间不存在显著的机械切削加工方法有质的区别。

特种加工过程中,工具与工件之间不存在显著的机械切削力,工具硬度可以低于被加工材料的硬度。

因此,特种加工可解决传统加工方法难以解决的
问题。

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一、研究现状
特种加工如电解加工具有加工速度快,表面质量好,阴极工具无损耗等特点, 20世纪60~70年代发展很快,之后随着产品的更新换代加快,生产批量减少,应用减少,其发展也随之缓慢。

但是由于电解加工的独特优越性和科研人员的努力,电解加工在某些加工领域重新得到了发展。

目前最好的加工精度达0. 03~0. 05mm,加工间隙为0.03~0.05mm,表面粗糙度为Ra0.4~
0. 2μm,当前电解加工研究及应用主要有以下几方面:
(1)高频、窄脉冲:该加工采用微秒级脉宽, 频率达10kHz,电流可达1000A,其加工精度、表面质量、加工效率和加工稳定性等,比低频脉冲电流电解加工明显提高,目前已有少数单位进行了应用研究。

由于大功率IGBT元件在高频电解脉冲电源中的应用获得了成功,因此,进一步促进了电解加工、电解磨削、及电解抛光等应用的发展。

(2)高速、高压小间隙电解加工:该加工采用0.05~0.1mm小加工间隙,电解液压力2.5~3MPa,电解液流速在30m / s以上,每平方米的电流密度达数百安培。

如北京首都航天机械公司工艺研究所,采用此工艺进行整体叶轮等截面叶片型面套料式电解加工,达到了先进的
工艺指标,叶型加工精度达±0.05mm,加工速度为5~9 mm /min,表面粗糙度Ra 21.25μm。

用此方法加工难切削材料和铝合金叶轮等零件比数控铣削加工更有竞争力,今后定会得到更广泛的应用和发展。

(3)复合电解加工:采用电解能量和其它加工能量相复合,共同对被加工件进行材料去除的方法称为复合电解加工,如电解超声机械复合磨削与抛光、电解磁力复合研磨、电解电火花复合加工等。

复合加工充分利用了多种能量的复合作用。

据实验,加工速度比单一的电解能量显著提高,因而复合加工得到了应用和发展。

如大连理工大学在这方面进行了成功的研究和推广应用,其电解机械复合抛光不锈钢、碳钢零件的平面和内外圆旋转面,从原始的Ra为几个μm抛光到准镜面Ra为0.2~0.3μm,或镜面Ra为0.1μm的表面粗糙度。

西安工业学院进行的磁场复合电解加工,利用叠加的平行电场方向的永磁场来改变电解加工间隙的电场和流场的分布,提高了电解加工复制精度。

西北工业大学进行的电解电火花复合加工和电
解放电超声复合加工研究,在加工速度和加工表面粗糙度方面都取得了明显提高。

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二、发展历程
特种加工是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、尺寸或微小或特大、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。

(l) 广泛采用自动化技术。

利用计算机实现对特种加工设备的控制系统、电源系统的自动控制, 建立特种加工的C A D/C A M 系统。

这是当前特种加工的主要发展趋势。

(2)开发由不同特种加工技术复合而成的加工方法。

如电解电火花加工、电解电弧加工等复合加工,以扬长避短提高经济效益和生产率。

另外还应着重于新的工艺方法的研究,不断提高加工工艺水平
(3)考虑到一些特种加工技术对环境的污染问题,必须要着重解决废渣、废气、废液的“三废”转化问题,向“绿色”工业及可持续发展工业转化。

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广泛采用自动化技术、利用计算机实现对特种加工设备的控制系统、电源系统的自动控制,建立特种加工的系统,这是当前特种加工的主要发展趋势,开发由不同特种加工技术复合而成的加工方法,如电解电火花加工、电解电弧加工等复合加工,以扬长避短提高经济效益和生产率,另外还应着重于新的工艺方法的研究,不断提高加工工艺水平。

考虑到一些特种加工技术对环境的污染问题,必须要着重解决废渣、废气、废液的“三废”转化问题,
向“绿色”工业及可持续发展工业转化。

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三、应用分析
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。

特种加工技术在生产应用中有很多种类, 根据其工作机理大致可以分为以下四种类别:
(1)电气特种加工电气特种加工是利用金属在直流电场和电解液中产生阳极溶解的电化学原理对工件进行成型加工的一种方法。

通常称为电化学加工电解加工。

它有电解液冲刷加工、成型管电解加工、电化学抛光、电解磨削、电化学削平加工等方法。

它适用于磨削、成型、去毛刺、车削、抛光、复杂型腔、型面及型孔等加工范畴。

(2)机械特种加工不同于传统切削加工方法,而是用机械能或间接用声能、热能、电化学能进行加工。

可分磨料流动加工、磨料喷射加工、高速流体加工、阳极机械切割、低应力磨削、热辅助加工、超声波加工、全成型加工等方法。

它适用于切割、穿孔、研磨、去毛刺、蚀刻、磨削、拉削、铿削和套料等加工范畴。

(3)化学特种加工化学特种加工是利用化学溶液酸、碱、盐等对金属产生化学反应,使金属腐蚀溶解而改变工件尺寸和形状的一种加工方法。

分为化学加工、光化学加工和热化学加工等。

主要有化学铣切加工、照相制版加工、光刻加工、刻蚀加工和爆炸加工等方法。

(4)热特种加工热特种加工是用电子束、激光束、等离子束、电火花放电产生热量来熔蚀金属而达到加工目的。

它有电子束加工、电火花磨削、电火花成型加工、电火花切割、电火花线切割、激光加工、离子束加工、等离子弧加工等方法。

它适用于打孔、成型、磨削、
车削、切割、开割、划线等加工范畴。

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四、特点
直接利用电能、光能、声能或几种能量的复合形式去除金属材料;一般不受工件材料机械物理性能的限制;不产生金属宏观切削,不产生强烈的弹性和塑性变形,可获得很低的表面粗糙度;加工过程中无明显的机械力;可在加工过程中实现能量转换或组合,便于实现控制和操作自动化,适合于二维或三维复杂面、微细表面、微小孔、窄缝和低刚度零件的加
工。

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与传统的切削加工相比,特种加工的特点是:①加工过程不再主要依靠机械能,而是直接或复合利用其它能量完成工件的加工;②加工所用工具材料的硬度可以大大低于被加工材料的硬度,有时甚至无需使用工具即可完成对工件的加工;③加工过程中工具与工件之间不存在显著的机械切削力。

特种加工主要应用的范围有:①加工各种难切削材料。

②加
工各种特殊复杂表面。

③加工各种超精、光整或具有特殊要求的零件。

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由于特种加工是利用热能、化学能、电化学能来加工零件,加工时工具与工件基本不接触,没有机械力,与被加工零件材料的强度、硬度、韧性等机械性能无关,所以它对零件制
造的工艺流程产生了影响,并进而影响到零部件的结构设计,产品的生产制造周期,随着新型工程材料的不断问世,特种加工把机械制造水平推向新的高度,进入更广泛领域,在机械
制造业中显示出巨大的优势。

[]7主要包括以下几个方面:
(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、化学加工、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,工件不承受大的作用力,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,工件表面质量高。

有些特种加工,如超声、电化学、水喷射、磨料流等,加工余量都很微细,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。

[]8
(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。

(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。

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五、特种加工方法简介
1、电火花加工技术
电火花加工是基于工具和工件正、负极之间脉冲性火花放电时的电腐蚀现象来蚀除多余的金属,以达到对零件的尺寸、形状及表面质量的加工要求。

图:电火花加工过程
它的主要优点是:
(1)适合于难切削材料的加工,材料的可加工性主要取决于材料的导电性及导热性;
(2)可以加工复杂形状的零件,低刚度微细加工。

它当然也有一些不足,如一般
只能加工金属等导电材料、加工速度比较慢、存在电极损耗。

[]10
电火花加工技术还可以分为电火花成形(穿孔)加工和电火花线切割加工。

[]11
其加工范围广,不受金属材料本身力学性能的限制,可以用于加工硬质合金、淬火钢、不锈钢等高强度、高硬度及韧性的金属材料,并可加工叶片、锻模等各种复杂
型面。

[]12
2、激光加工技术
激光加工技术是利用一种能量密度极高、方向性好、单色性好、相干性好的激光焦点(高温和冲击波),使工件材料被熔化或蒸发去除的加工方法。

合理选用激光参数,可实现激光切割、打孔、焊接,激光打标、激光表面处理,还可用于电子元器件
的封装等。

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3、电子束加工技术
电子束加工的工作原理是在真空条件下,利用电流加热阴极发射电子束,经控制栅极初步聚焦后,由加速阳极加速,通过透镜聚焦系统进一步聚焦,使能量密度集中在直径5~10μm的斑点内。

高速而能量密集的电子束冲击到工件上,被冲击点处形成瞬时高温(在几分之一微秒时间内升高至几千摄氏度),工件表面局部熔化、气化直至被蒸发去除。

图:电子束加工原理
离子束加工(mM)利用具有较高能量的离子束射到材料表面时所发生的撞击效应、溅射效应和注入效应来进行不同的加工。

由于离子束轰击材料是逐层去除原子,所以可以达到纳米级的加工精度离子束加工按其工艺原理和目的的不同可以分为三种:1)用于从工件上去除材料的刻蚀加工;2)用于给工件表面涂覆的镀层加工以;3)用于表面改性的离子注入加工。

由于电子束和离子束易于实现精确的控制,所以可以实现加工过程的全自动化,但是电子束和离子束的聚焦、偏转等方面还有许多技术问题尚
待解决。

[]14
电子束加工的特点及应用是:(1)电子束束径最小可达0.01- 0.005 mm,长度可达束径的几十倍,故可加工微细深孔和窄缝。

(2)材料适应性广,原则上各种材料均可加工,特别适用于加工特硬、难熔金属和非金属材料。

(3)加工速度较高,切割1mm 厚的钢板,切割速度可达240mm/min。

(4)在真空中加工,无氧化,特别适于加工高纯度半导体材料和易氧化的金属及合金。

(5)加工设备较复杂,投资较大,多用于微
细加工。

[]15
4、电解加工技术
所谓电解加工一般是指利用金属在电解液中释放出阳极溶解的电化学原理来进
行尺寸制作。

此电化学现象在机械工业中有利于实现电抛光及电镀,电抛光是电解加工的前提。

电解加工的基本原理:制作过程中工件阳极接直流电源的正极,产生工具阳极接直流电源的负极。

正负极之间的电压通常是5-25V 的低电压,工具缓慢供应给工件,正负极之间维持相应的间隙(0.1~1mm),用于必定的压力的电解液从间隙中飞速(5~50mm/s)流过,正负极之间出现导电通道,从而在电源电压下形成电流,此时阳极工件的金属被一步步电解侵蚀,使电解液冲散电解产物。

起初,正负极之间的间隙大小不一样,间隙小的地方其电流密度相对较大,阳极金属褪去的速率也就相对较快。

图:电解加工原理
电解加工的优点与不足:①对各种硬度和强度的金属工件都可以加工。

②生产效率要明显高于电火花加工,约为的5-10倍,在一定的条件下,其生产率要比切削加工的还高,且加工精度和表面粗糙度对加工生产率没有丝毫影响。

③表面平滑,电解加工过程中没有残余应力,并且变质层没有飞边、毛刺。

在一般正常情况况下,其表面的粗糙度Ra。

能达到0.2-1.25μm。

④电解加工的主要不足之处是还不能够严格控制加工精度,加工出的工件尺寸精度只可精确
到0.15~0.30mm。

另外,电解液比较难以处理,而且会直接腐蚀设备。

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5、超声加工技术
超声加工也称超声波加工,不仅可以加工硬质合金、淬火钢等硬脆性金属材料,而且还可以加工玻璃、陶瓷、半导体锗和硅片等不导电的非金属硬脆材料,同时还可
以用于清洗、焊接和探伤等。

它的原理是利用工具端面作超声频振动,通过磨料悬浮来加工材料。

超声加工是磨粒在超声振动作用下的机械撞击和抛磨作用以及超声空化作用的综合结果。

图:超声加工原理
超声加工的特点有:①适合于各种硬脆材料,特别是不导电的非金属材料,如玻璃、陶瓷、石英、宝石和金刚石等;②由于工具可用较软的材料做成复杂的形状,故不需要使工具和工件做比较复杂的相对运动,因此超声加工机床结构简单;③由于去除加工材料是靠极小磨料瞬时局部的撞击作用,故工件表面的宏观切削力、切削应力、切削热都很小,不会引起变形及烧伤,表面粗糙度也较好,而且还可以加工薄壁、窄缝、低刚度零件。

超声加工的精度,除受机床、夹具精度影响外,主要与磨粒粒度、工具精度及其磨损情况、工具横向振动大小、加工深度、被加工材料性质等有关。

超声加工的表面粗糙度取决于每粒磨粒每次撞击工件表面后留下的凹痕大小,它与磨粒颗粒的直径,被加工材料的性质,超声振动的振幅以及磨粒悬浮液的成分等有关。

当磨粒尺寸较小、工件材料硬度较大、超声振幅较小时,加工表面粗糙度将得到改善,但生产率将随之
下降。

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6、数控加工
数控加工是指在数控机床上进行零件加工的一种工艺方法,数控机床加工与传统机床加工的工艺规程从总体上说是一致的,但也发生了明显的变化。

用数字信息控制零件和刀具位移的机械加工方法。

它是解决零件品种多变、批量小、形状复杂、精度高等问题和实现高效化和自动化加工的有效途径。

图:数控机床加工过程
数控加工也会产生一些的误差,常见原因有:1)操作人员的原因;2)机床本身的原因。

其中,机场本身的原因还分为:滚珠丝杠副误差和机床振动误差。

[]18
随动系统是运用领域非常广泛的一类系统,它的根本任务是实现执行机构对给定量的准确跟踪,当给定量随机变化时,系统能使被控制量准确无误地跟随并复现给定量。

随动控制主要运用于火炮射击中,通过目标探测装置实现稳定跟踪,高精度、快速响应的数字随动系统已逐渐代替了传统的模拟随动系统。

一重集团公司焊接研究所研发的火焰切割机电容高度自动控制系统,主要通过硬件电路来实现位置的随动控制。

宋凯云、蒋翔俊等人对火焰切割机自动调高控制系统的研究,主要还是简单的运动控。

Sazaw a M 等人研究了数字位置随动控制问题,提出了控制算法对目标值进行快速响应跟踪,但没有涉及到对目标值的获取及处
理,都是假设目标值为精确值。

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现代机械工业的飞速发展,CAD/CAM的作用日益突出,在现代机械设计和制造中广泛应用,CAD/CAM的最大优点在于能自动生成NC程序,现代企业中为了提高产品的设计质量和缩短生成周期,节约劳动成本,都广泛运用CAD/CAM进行零件的设计和加工制造。


和数控加工仿真软件结合在一起,使得生产效率大大提高。

[]20
七、总结
特种加工在机械制造中越来越显示出它的强大优势,新的难加工材料不断出现,要求工程技术人员不断进行知识更新,不断探索新理论、新工艺,不断引入先进的现代制造方法,采取特种加工等方法,使难加工材料的切削加工技术较快步入一个新的阶段,成为先进制造技术的不可分割的重要组成部分,随着科学技术和现代工业的迅猛发展,特种加工必将不断的发展,给制造业带来一场深刻的革命,把制造水平推向一个更高的层次,发挥愈来愈重要的作用。

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