特种加工技术

特种加工技术
特种加工亦称“非传统加工”或“现代加工方法”，泛指用电能、热能、光能、电化学能、化学能、声能及特殊机械能等能量达到去除或增加材料的加工方法，从而实现材料被去除、变形、改变性能或被镀覆等。

中文名特种加工外文名Special Machining 普及时间二十世纪四十年代
目录
一概述
二发展
三特点
四运用领域
五独到之处
六加工工艺
七加工技术
1、电火花
2、激光
3、电子束
4、离子束
5、电加工
6、超声波
7、数控
八发展方向
一、概述：特种加工是指那些不属于传统加工工艺范畴的加工方法,它不同于使用刀具
特种加工：特种加工、磨具等直接利用机械能切除多余材料的传统加工方法。

特种加工是近几十年发展起来的新工艺,是对传统加工工艺方法的重要补充与发展,目前仍在继续研究开发和改进。

直接利用电能、热能、声能、光能、化学能和电化学能，有时也结合机械能对工件进行的加工。

特种加工中以采用电能为主的电火花加工和电解加工应用较广，泛称电加工。

20世纪40年代发明的电火花加工开创了用软工具、不靠机械力来加工硬工件的方法。

50年代以后先后出现电子束加工、等离子弧加工和激光加工。

这些加工方法不用成型的工具，而是利用密度很高的能量束流进行加工。

对于高硬度材料和复杂形状、精密微细的特殊零件,特种加工有很大的适用性和发展潜力,在模具、量具、刀具、仪器仪表、飞机、航天器和微电子元器件等制造中得到越来越广泛的应用。

特种加工的发展方向主要是：提高加工精度和表面质量，提高生产率和自动化程度，发展几种方法联合使用的复合加工，发展纳米级的超精密加工等。

二、发展：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。

三、特点：1、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，这些加工方法与工电火花线切割加工电火花线切割加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。

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。

四、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
五、电火花成型加工：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。

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。

六、独到之处：与传统机械加工方法相比具有许多独到之处：(1)加工范围不受材料物理、机械性能的限制，能加工任何硬的、软的、脆的、耐热或高熔点金属以及非金属材料。

(2)易于加工复杂型面、微细表面以及柔性零件。

(3)易获得良好的表面质量，热应力、残余应力、冷作硬化、热影响区等均比较小。

(4)各种加工方法易复合形成新工艺方法，便于推广应用。

七、特种加工工艺是直接利用各种能量，如电能、光能、化学能、电化学能、声能、热能及机械能等进行加工的方法。

1、“以柔克刚”，特种加工的工具与被加工零件基本不接触，加工时不受工件的强度和硬度的制约，故可加工超硬脆材料和精密微细零件，甚至工具材料的硬度可低于工件材料的硬度。

2、加工时主要用电、化学、电化学、声、光、热等能量去除多余材料，而不是主要靠机械能量切除多余材料。

3、加工机理不同于一般金属切削加工，不产生宏观切屑，不产生强烈的弹、塑性变形，故
可获得很低的表面粗糙度，其残余应力、冷作硬化、热影响度等也远比一般金属切削加工小。

4、加工能量易于控制和转换，故加工范围广，适应性强。

加工技术
1、电火花加工是利用工具电极与工件电极之间脉冲性的火花放电，产生瞬时高温将金属蚀除[1] 。

又称放电加工、电蚀加工、电脉冲加工[1] 。

电火花加工主要用于加工各种高硬度的材料（如硬质合金和淬火钢等）和复杂形状的模具、零件，以及切割、开槽和去除折断在工件孔内的工具（如钻头和丝锥）等。

电火花加工机床通常分为电火花成型机床、电火花线切割机床和电火花磨削机床，以及各种专门用途的电火花加工机床，如加工小孔、螺纹环规和异形孔纺丝板等的电火花加工机床。

电火花成型机床是电火花加工机床的主要品种，根据机床结构分为龙门式、滑枕式、悬臂式、框形立柱式和台式电火花成型机床，此外还可根据加工精度分为普通、精密和高精度电火花成型机床。

电火花成型机床一般由本体、脉冲电源、自动控制系统、工作液循环过滤系统和夹具附件等部分组成。

机床本体包括床身、立柱、主轴头和工作台等部分，其作用主要是支承、固定工件和工具电极，并通过传动机构实现工具电极相对于工件的进给运动。

脉冲电源的作用是提供电火花加工的能量，有弛张式、闸流管式、电子管式、可控硅式和晶体管式脉冲电源，以晶体管式脉冲电源使用最广。

自动控制系统由自动调节器和自适应控制装置组成。

自动调节器及其执行机构用于电火花加工过程中维持一定的火花放电间隙，保证加工过程正常、稳定地进行。

自适应控制装置主要对间隙状态变化的各种参数进行单参数或多参数的自适应调节，以实现最佳的加工状态。

工作液循环过滤系统是实现电火花加工必不可少的组成部分，一般采用煤油、变压器油等作为工作液。

工作液循环过滤系统由储液箱、过滤器、泵和控制阀等部件组成。

过滤方法有介质过滤、离心过滤和静电过滤等。

夹具附件包括电极的专用夹具、油杯、轨迹加工装置（平动头）、电极旋转头和电极分度头等。

电火花线切割加工是电火花加工的一个分支，是一种直接利用电能和热能进行加工的工艺方法，它用一根移动着的导线（电极丝）作为工具电极对工件进行切割，故称线切割加工。

线切割加工中，工件和电极丝的相对运动是由数字控制实现的，故又称为数控电火花线切割加工，简称线切割加工。

（1）按走丝速度分：可分为慢速走丝方式和高速走丝方式线切割机床。

（2）按加工特点分：可分为大、中、小型以及普通直壁切割型与锥度切割型线切割机床。

（3）按脉冲电源形式分：可分为RC电源、晶体管电源、分组脉冲电源及自适应控制电源线切割机床。

电火花加工的常用术语
（1）工具电极：电火花加工用的工具是电火花放电时的电极之一，故称为工具电极，有时简称电极。

由于电极的材料常常是铜，因此又称为铜公。

（2）放电间隙：是放电时工具电极和工件间的距离，它的大小一般在0.01～0.5 mm之间，粗加工时间隙较大，精加工时则较小。

（3）脉冲宽度ti(μs)：简称脉宽(也常用ON、TON等符号表示)，是加到电极和电火花加工产品：工件上放电间隙两端的电压脉冲的持续时间。

为了防止电弧烧伤，电火花加工只能用断断续续的脉冲电压波。

一般来说，粗加工时可用较大的脉宽，精加工时只能用较小的脉宽。

（4）脉冲间隔to(μs))：简称脉间或间隔(也常用OFF、TOFF表示)，它是两个电压脉冲之间的间隔时间。

间隔时间过短，放电间隙来不及消电离和恢复绝缘，容易产生电弧放电，烧伤电极和工件；脉间选得过长，将降低加工生产率。

加工面积、加工深度较大时，脉间也应稍大。

（5）放电时间(电流脉宽)te(μs)：是工作液介质击穿后放电间隙中流过放电电流的时间，即电流脉宽，它比电压脉宽稍小，二者相差一个击穿延时td。

ti和te对电火花加工的生产率、表面粗糙度和电极损耗有很大影响，但实际起作用的是电流脉宽te。

（6）击穿延时td(μs)：从间隙两端加上脉冲电压后，一般均要经过一小段延续时间td，工作液介质才能被击穿放电，这一小段时间td称为击穿延时(见图3-2)。

击穿延时td与平均放电间隙的大小有关，工具欠进给时，平均放电间隙变大，平均击穿延时td就大；反之，工具过进给时，放电间隙变小，td也就小。

（7）脉冲周期tP(μs)：一个电压脉冲开始到下一个电压脉冲开始之间的时间称为脉冲周期，显然tP=ti+to
（8）脉冲频率fP(Hz)：指单位时间内电源发出的脉冲个数。

显然，它与脉冲周期tP互为倒数，即
（9）有效脉冲频率fe(HZ)：是单位时间内在放电间隙上发生有效放电的次数，又称工作脉冲频率。

（10）脉冲利用率λ：是有效脉冲频率fe与脉冲频率fp之比，又称频率比，亦即单位时间内有效火花脉冲个数与该单位时间内的总脉冲个数之比。

（11）脉宽系数τ：是脉冲宽度ti与脉冲周期tp之比。

（12）占空比ψ：是脉冲宽度ti与脉冲间隔to之比，ψ=ti/to。

粗加工时占空比一般较大，精加工时占空比应较小，否则放电间隙来不及消电离恢复绝缘，容易引起电弧放电。

（13）开路电压或峰值电压(V)：是间隙开路和间隙击穿之前td时间内电极间的最高电压(见图3-2)。

一般晶体管方波脉冲电源的峰值电压=60～80 V，高低压复合脉冲电源的高压峰值电压为175～300 V。

峰值电压高时，放电间隙大，生产率高，但成形复制精度较差。

（14）火花维持电压：是每次火花击穿后，在放电间隙上火花放电时的维持电压，一般在25 V左右，但它实际是一个高频振荡的电压(见图3-2)。

（15）加工电压或间隙平均电压U(V)：是指加工时电压表上指示的放电间隙两端的平均电压，它是多个开路电压、火花放电维持电压、短路和脉冲间隔等电压的平均值。

（16）加工电流I(A)：是加工时电流表上指示的流过放电间隙的平均电流。

精加工时小，粗加工时大，间隙偏开路时小，间隙合理或偏短路时则大。

（17）短路电流Is(A)：是放电间隙短路时电流表上指示的平均电流。

它比正常加工时的平均电流要大20%～40%。

（18）峰值电流(A)：是间隙火花放电时脉冲电流的最大值(瞬时)，在日本、英国、美国常用Ip表示。

虽然峰值电流不易测量，但它是影响加工速度、表面质量等的重要参数。

在设计制造脉冲电源时，每一功率放大管的峰值电流时预先计算好的，选择峰值电流实际是选择几个功率管进行加工。

（19）短路峰值电流(A)：是间隙短路时脉冲电流的最大值，它比峰值电流要大20%～40%，与短路电流Is相差一个脉宽系数的倍数。

随着数字控制技术的发展，电火花加工机床已数控化，并采用微型电子计算机进行控制。

机床功能更加完善，自动化程度大为提高，实现了电极和工件的自动定位、加工条件的自动转换、电极的自动交换、工作台的自动进给、平动头的多方向伺服控制等。

低损耗电源、微精加工电源、适应控制技术和完善的夹具系统的采用，显著提高了加工速度、加工精度和加工稳定性，扩大了应用范围。

电火花加工机床不仅向小型、精密和专用方向发展，而且向能加工汽车车身、大型冲压模的超大型方向发展。

电火花加工工艺：
（1）电火花加工机床加工工艺单电极法：用单个电极加工工件，一般用于形状简单、精度
要求不高的工件。

单电极加工也可用平动头摇动实现工件的粗、中、精加工。

（2）电火花加工机床加工工艺多电极法：同一个工件加工用多个电极，一般分为粗、中、细三次依次进行加工，用于精密型加工。

（3）电火花加工机床加工工艺分解电极法：根据工件的几何形状，把电极分解成若干个，用主型腔电极加工型腔主要部分，再用副型腔电极加工出尖角、窄缝型腔等部位。

（4）电火花加工机床加工规准粗加工，一般采用较大的电流，较大的on time；中加工，一般采用中等的电流，中等on time；精加工，一般采用较小的电流、高频及较小的on time。

电火花加工是直接利用电能对零件进行加工的一种方法。

电火花加工设备应由以下部分组成：脉冲电源、间隙自动调节器、机床本体、工作液及其循环过滤系统。

间隙自动调节器自动调节极间距离，使工具电极的进给速度与电蚀速度相适应。

火花放电必须在绝缘液体介质中进行。

2、激光、国外激光加工设备和工艺发展迅速，现已拥有100kW的大功率CO?2激光器、kW级高光束质量的Nd:YAG固体激光器，有的可配上光导纤维进行多工位、远距离工作。

激光加工设备功率大、自动化程度高，已普遍采用CNC控制、多坐标联动，并装有激光功率监控、自动聚焦、工业电视显示等辅助系统。

激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。

激光切割适用于由耐热合金、钛合金、复合材料制成的零件。

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。

激光焊接薄板已相当普遍，大部分用于汽车工业、宇航和仪表工业。

激光精微焊接技术已成为航空电子设备、高精密机械设备中微型件封装结点的微型连接的重要手段。

激光表面强化、表面重熔、合金化、非晶化处理技术应用越来越广，激光微细加工在电子、生物、医疗工程方面的应用已成为无可替代的特种加工技术。

激光快速成型技术已从研究开发阶段发展到实际应用阶段，已显示出广阔的应用前景。

国内70年代初已开始进行激光加工的应用研究，但发展速度缓慢。

在激光制孔、激光热处理、焊接等方面虽有一定的应用，但质量不稳定。

目前已研制出具有光纤传输的固体激光加工系统，并实现光纤耦合三光束的同步焊接和石英表芯的激光焊接。

完成了激光烧结快速成型原理样机研制，并采用环氧聚脂和树脂砂烧结粉末材料，快速成型出典型零件，如叶轮、齿轮。

激光加工技术今后几年应结合已取得的预研成果，针对需求，重点开展无缺陷气膜小孔的激光加工及实时检控技术、高强铝(含铝锂、铝镁)合金的激光焊接技术、金属零件的激光粉末烧结快速成型技术、激光精密加工及重要构件的激光冲击强化等项目的研究。

实现高温涡轮发动机气膜孔无缺陷加工，可使叶片使用寿命达2000小时以上；以焊代替数控加工飞机次承力构件，以及带筋壁板的以焊代铆；实现重要零部件的表面强化，提高安全性、可靠性等，从而使先进的激光制造技术在军事工业中发挥更大的作用。

3、电子束：加工技术在国际上日趋成熟，应用范围广。

国外定型生产的40kV～300kV 的电子枪(以60kV、150kV为主)，已普遍采用CNC控制，多坐标联动，自动化程度高。

电子束焊接已成功地应用在特种材料、异种材料、空间复杂曲线、变截面焊接等方面。

目前正在研究焊缝自动跟踪、填丝焊接、非真空焊接等，最大焊接熔深可达300mm，焊缝深宽比20：1。

电子束焊已用于运载火箭、航天飞机等主承力构件大型结构的组合焊接，以及飞机梁、框、起落架部件、发动机整体转子、机匣、功率轴等重要结构件和核动力装置压力容器的制造。

如：F-22战斗机采用先进的电子束焊接，减轻了飞机重量，提高了整机的性能；“苏-27”及其它系列飞机中的大量承力构件，如起落架、承力隔框等，均采用了高压电子束焊接技术。

国内多种型号的飞机及发动机和多种型号的导弹壳体、油箱、尾喷管等结构件均已采用了电子束焊接。

因此，电子束焊接技术的应用越来越广泛，对电子束焊接设备的需求量也越来越大。

国外的电子束焊机，以德国、美国、法国、乌克兰等为代表，已达到了工程化生产。

其特点是采用变频电源，设备的体积、噪声、高压性能等方面都有很大提高；在控制系统方面，运用了先进的计算机技术，采用了先进的CNC及PLC技术，使设备的控制更可靠，操作更简便、直观。

国外真空电子束物理气相沉积技术，已用于航空发动机涡轮叶片高温防腐隔热陶瓷涂层，提高了涂层的抗热冲击性能及寿命。

电子束刻蚀、电子束辐照固化树脂基复合材料技术正处于研究阶段。

电子束加工技术今后应积极拓展专业领域，紧密跟踪国际先进技术的发展，针对需求，重点开展电子束物理气相沉积关键技术研究、主承力结构件电子束焊接研究、电子束辐照固化技术研究、电子束焊机关键技术研究等。

4、离子束：表面功能涂层具有高硬度、耐磨、抗蚀功能，可显著提高零件的寿命，在工业上具有广泛用途。

美国及欧洲国家目前多数用微波ECR等离子体源来制备各种功能涂层。

等离子体热喷涂技术已经进入工程化应用，已广泛应用在航空、航天、船舶等领域的产品关键零部件耐磨涂层、封严涂层、热障涂层和高温防护层等方面。

等离子焊接已成功应用于18mm铝合金的储箱焊接。

配有机器人和焊缝跟踪系统的等离子体焊在空间复杂焊缝的焊接也已实用化。

微束等离子体焊在精密零部件的焊接中应用广泛。

我国等离子体喷涂已应用于武器装备的研制，主要用于耐磨涂层、封严涂层、热障涂层和高温防护涂层等。

真空等离子体喷涂技术和全方位离子注入技术已开始研究，与国外尚有较大差距。

等离子体焊接在生产中虽有应用，但焊接质量不稳定。

离子束及等离子体加工技术今后应结合已取得的成果，针对需求，重点开展热障涂层及离子注入表面改性的新技术研究，同时，在已取得初步成果的基础上，进一步开展等离子体焊接技术研究。

5、电加工：国外电解加工应用较广，除叶片和整体叶轮外已扩大到机匣、盘环零激光雕刻加工件和深小孔加工，用电解加工可加工出高精度金属反射镜面。

目前电解加工机床最大容量已达到5万安培，并已实现CNC控制和多参数自适应控制。

电火花加工气膜孔采用多通道、纳秒级超高频脉冲电源和多电极同时加工的专用设备，加工效率2～3秒/孔，表面粗糙度Ra0.4μm，通用高档电火花成型及线切割已能提供微米级加工精度，可加工3μm 的微细轴和5μm的孔。

精密脉冲电解技术已达10μm左右。

电解与电火花复合加工，电解磨削、电火花磨削已用于生产。

6、超声波加工：基本原理：在工件和工具间加入磨料悬浮液, 由超声波发生器产生超声振荡波, 经换能器转换成超声机械振动, 使悬浮液中的磨粒不断地撞击加工表面, 把硬而脆的被加工材料局部破坏而撞击下来。

在工件表面瞬间正负交替的正压冲击波和负压空化作用下强化了加工过程。

因此,超声波加工实质上是磨料的机械冲击与超声波冲击及空化作用的综合结果。

在传统超声波加工的基础上发展了旋转超声波加工, 即工具在不断振动的同时还以一定的速度旋转, 这将迫使工具中的磨粒不断地冲击和划擦工件表面, 把工件材料粉碎成很小的微粒去除, 以提高加工效率。

超声波加工精度高, 速度快, 加工材料适应范围广, 可加工出复杂型腔及型面, 加工时工具和工件接触轻, 切削力小, 不会发生烧伤、变形、残余应力等缺陷, 而且超声加工机床的结构简单, 易于维护。

7、数控：传统的机械加工都是用手工操作普通机床作业的，加工时用手摇动机械刀具。