特种加工技术

特种加工技术的发展及其应用

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、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。

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。

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。

特种加工技术的特点

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。

以柔克刚。特种加工不一定需要工具，有的虽使用工具，但与工件并不接触，加工过程中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。

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0.51μm，表面粗糙度可达镜面 Ra0.02μm。

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。

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。

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。

特种加工的加工工艺

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。

特种加工发展方向及研究

根据上述现状，今后特种加工技术的发展方向应是：

(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。

为实现以上发展目标，必须开展下列加工工艺的技术研究：

(4)污染问题是影响和限制某些特种加工应用、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、废渣、废液，向"绿色"加工的方向发展。

激光加工技术

无再铸层、无微裂纹涡轮叶片气膜孔激光高效加工技术研究；

铝合金、超强钢、钛合金、异种材料构件以及大型空间曲面零件的激光焊接工艺研究；

三维激光切割工艺规范及表面质量控制技术和在线测量控制技术研究；

提高高温合金、铝合金等重要部件抗疲劳性能的激光冲击技术研究；

激光快速成型技术研究；

大功率激光熔覆陶瓷涂层的工艺以及涂层组织结构和性能的研究。

电子束加工技术

150kV、15kW高压电子枪及高压电源的技术研究；

电子束物理气相沉积技术的研究；

大厚度变截面钛合金的电子束焊接技术研究及质量评定；

典型复合材料飞机构件的电子束固化工艺研究及其工程化研究；

多功能电子束加工技术研究。

离子束和等离子体加工技术

复杂零件“保形”离子注入与混合沉积技术研究，获得高密度等离子体方法研究；

空间结构焊接工艺参数自适应控制及焊缝自动跟踪系统研究，以及等离子弧焊过程中变形控制技术研究；

等离子喷涂陶瓷热障涂层结构、工艺及工程化研究；

层流湍流自动转换技术及轴向送粉、三维喷涂技术研究；

层流等离子体喷涂系统的研制及其喷涂技术的研究。

电加工技术

高品质深小孔电液束加工技术研究；

高效、优质照相电解加工群孔技术研究；

多轴、多通道电火花加工群孔、异形孔技术研究；

大容量(5000A及以上)精密电解加工技术研究；

电解—电火花复合加工技术研究。

研究上述技术的关键在于：提高高能束流的品质；开展特种加工过程的自动控制及计算机建模、仿真技术的研究；新材料加工特性研究；特种加工设备的研究等。

总结