特种加工基本原理及发展方向

特种加工基本原理及发展方向

司光宇学号：H101901202 哈尔滨工业大学材料科学系

摘要：由于传统加工方法的限制和制约，特种加工越来越多地运用到加工材料中去，广泛包含了直接利用电能，电化学能，光能，声能，特殊机械能等能量来加工材料的方法，本文主要介绍了特种加工的原理及发展方向。

关键词：特种加工电火花电解超声激光发展方向

特种加工技术是衡量先进制造技术水平的重要指标之一，在精密和超精密加工技术上，微型机械和纳米技术代表了其发展的水平和研究热点，也是先进制造技术中最活跃的因素。许多精密工程和纳米技术需要特种加工的支持。

1特种加工原理

1.1电火花加工

电火花加工是利用脉冲对导电材料的腐蚀作用去除金属，通过工件和工具电极间的放电而有控制地去除工件材料，以及使材料变形、改变性能或被镀覆，以获得一定形状和尺寸的特种加工。

脉冲电源发出一连串的脉冲电压，施加在浸于工作液中的工件电极和工具电极上，两极间距离很小时，由于电极间的微观表面突起，使得突出点电场强度最大，其间的工作液被电离成电子和正离子，使介质被击穿形成放电通道，在电场力的作用下，产生火花放电，由于受到磁场和工作液的压缩，使得通道内的电流密度很大，可达10的四次方到10的七次方安培每立方厘米，电子和正离子在电场力作用下高速运动，轰击阳极和阴极，生成大量的热，使电极表面迅速熔化甚至气化，由于熔化和气化的速度极高，具有爆炸性，爆炸力把金属微粒迅速抛离金属表面，由此使金属不断被腐蚀。

其中成形加工适用于各种孔、槽模具，还可刻字、表面强化、涂覆等；切割加工适用于各种冲模、粉末冶金模及工件，各种样板、磁钢及硅钢片的冲片，钼、钨、半导体或贵重金属。

1.2电火花线切割加工

电火花线切割加工是在电火花加工基础上发展而来的，利用金属丝（钼丝或黄铜丝）做电极产生电火花来对金属产生切割的加工方法。一般涵盖了高速走丝线切割和低速走丝线切割两种形式。

1.3电解加工

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。

加工时工件接直流电源的正极，工具接负极，电源电压不高，约为20v左右，但工作电压可达1000A-2000A，两极间的间隙约为0.1-1mm,电解液从间隙中通过，流速高达5-50m/s，则工件与工具阳极所对应的部分产生溶解，产物不断被电解液冲走，这样阳极不断溶解，使工件不断按阳极型面的形状不断溶解，从而达到加工形状及尺寸的目的。

其中电解加工适用于深孔、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。涂覆加工可针对

表面磨损、划伤、锈蚀的零件进行涂覆以恢复尺寸；对尺寸超差产品进行涂覆补救。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。

1.4超声加工

超声加工是利用超声振动的工具在有磨料的液体介质中或干磨料中，产生磨料的冲击、抛光、液压冲击及由此产生的气蚀作用来去除材料，以及超声振动使工件相互结合的加工方法。其适用于成形加工、切割加工、焊接加工和超声清洗。超声波加工比电火花，电解加工的生产效率低，但加工精度和表面粗糙度比前者好。并且能加工半导体和非半导体。因此，超声波可以进行抛磨精加工。

工具的超声振动是从超声换能器获得的，超声换能器可产生磁致伸缩效应，使铁钴材料尺寸交变振动，振动频率为20-40KHZ，材料在悬浮液的超声波作用的空化现象，使之强化磨粒对材料加工。

超声加工一般包括超声车削，超声钻孔，超声磨削，超声抛光，超声砂袋抛光，超声振动滚齿加工，超声清洗

1.5激光加工

由于激光具有高亮度、高方向性、高单色性和高相干性四大特性，因此就给激光加工带来一些其它加工方法所不具备的特性。

当能量密度极高的激光照射在工件的被加工表面时，光能被工件吸收迅速转化成热能，照射斑点局部区域的材料在0.001s内急剧熔化和气化，熔化和气化的物质被爆炸性地高速喷射出来，工件在高温熔融和冲击波的同时作用下被加工。

光制孔的最小孔径已达0.002mm，已成功地应用自动化六坐标激光制孔专用设备加工航空发动机涡轮叶片、燃烧室气膜孔，达到无再铸层、无微裂纹的效果。目前薄材切割速度可达15m/min，切缝窄，一般在0.1～1mm之间，热影响区只有切缝宽的10%～20%，最大切割厚度可达45mm，已广泛应用于飞机三维蒙皮、框架、舰船船身板架、直升机旋翼、发动机燃烧室等。

激光束加工主要应用有打孔、切割、焊接、金属表面的激光强化、微调和存储等。电子束加工有热型和非热型两种，热型加工是利用电子束将材料的局部加热至熔化或气化点进行加工的，适合打孔、切割槽缝、焊接及其他深结构的微细加工；非热型加工是利用电子束的化学效应进行刻蚀、大面积薄层等微细加工等。离子束加工主要应用于微细加工、溅射加工和注入加工。等离子弧加工适用于各种金属材料的切割、焊接、热处理，还可制造高纯度氧化铝、氧化硅和工件表面强化，还可进行等离子弧堆焊及喷涂。

1.6快速原型制造加工

快速原型制造是综合使用CAD技术，数控技术，材料科学，机械工程，电子技术及激光技术集成，从设计到三维实体制造的加工统称。

此种加工方法基于光固化成形工艺，即用CAD设计出的三维实体经过处理薄片圆环处理后生成数控代码，在计算机的控制下，由激光照射在液态光敏树脂上固化形成原型；熔融沉积造型工艺是在热熔喷头和送丝机构输送原料，在加热成型室中进行层层堆积的方式加工。

1.7水射流切割

水射流切割是利用高压高速液流对工件的冲击实现切割工件。其原理是由液压机构将储存的液流在加压情况下高速喷出，水速可达500-900m/s，束流的功

率密度可达10的六次方瓦特每平方毫米，加工深度取决于液压喷射的速度，压力，压射距离及喷射角度来实现。

1.8等离子体加工