特 种 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。

一、 特种加工的发展和定义

传统的机械加工已有很久的历史,它对人类的生产和物质文明起了极大的作用。目前我们的大部分产品还是依靠传统的方法加工和装配得到的,如我们的家用电器:电冰箱、洗衣机、空调等;我们的交通工具:如汽车、火车、飞机等,以及各种武器装备:枪、炮、坦克、火箭等。

传统的机械加工方法是用机械能量和切削力切除多余的金属,使零件具有一定的几何形状、尺寸和表面粗糙度。它要求刀具材料比工件材料硬。

随着科学技术的发展,特别是上个世纪50年代以来,随着生产发展和科学实验的需要,很多工业部门,尤其是国防工业部门的要求尖端科学技术产品向高精度、高速度、高温、高压、大功率、小型化等方向发展,它们使用的材料越来越难加工,零件的形状越来越复杂,尺寸精度、表面粗糙度和某些特殊要求也越来越高,因而对机械制造部门提出一些新的要求:

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解决各种难切削材料的加工问题。如硬质合金、钛合金、耐热钢、不锈钢、淬火钢、金刚石、宝玉石、石英以及锗、硅等各种高硬度、高强度、高韧性、高脆性的金属及非金属材料的加工。

解决各种特殊复杂表面的加工问题。如喷汽涡轮机叶片、整体涡轮、发动机机匣、锻压模和注射模的立体成型表面,各种冲模、冷拔模上特殊断面的型孔,炮管内膛线,喷油咀、栅网、喷丝头上的小孔、窄缝等的加工。

解决各种超精、光整或具有特殊要求的零件的加工问题。如对表面质量和精度要求很高的航天、航空陀螺仪、伺服阀,以及细长轴、薄壁零件、弹性元件等低刚度零件的加工。

要解决上述一系列工艺问题,仅仅依靠传统的切削加工方法就很难实现,甚至根本无法实现。人们相继探索研究新的加工方法,特种加工就是在这种前提条件下产生和发展起来的。

特种加工,国外称作非传统加工(Non – Traditional Machining, NTM)或非常规加工(Non – Conventional Machining, NCM),是一种采用不同于传统切削磨削加工工艺及装备的加工技术,是将电、磁、声、光、热等物理能量及化学能量或其组合乃至与机械能组合直接施加在被加工的部位上,从而使材料被去除、变形及改变性能等。

特种加工具有下列特点:

工具材料的硬度可以大大低于工件材料的硬度;

可直接利用电能、电化学能、声能或光能等能量对材料进行加工;

加工过程中机械力不明显,工件很少产生机械变形和热变形,有助于提高工件的加工精度和表面质量;

各种方法可以有选择地复合成新的工艺方法,使生产效率成倍地增长,加工精度也相应提高;

几乎每产生一种新的能源,就有可能产生一种新的特种加工方法。

正因为特种加工工艺具有上述特点,所以就总体而言,特种加工可以加工任何硬度、强度、韧性、脆性的金属或非金属材料,且专长于加工复杂、微细表面和低刚度零件,同时,有些方法还可用以进行超精加工、镜面光整加工和纳米级(原子级)加工。

二、 特种加工的分类

特种加工的分类还没有明确的规定,一般按能量来源和作用形式以及加工原理可分为下表所示的形式。

加工方法 主要能量形式 作用形式
电火花加工 电火花成形加工 电、热能 熔化、气化
电火花线切割加工 电、热能 熔化、气化
电化学加工 电解加工 电化学能 离子转移
电铸加工 电化学能 离子转移
涂镀加工 电化学能 离子转移
高能束加工 激光束加工 光、热能 熔化、气化
电子束加工 电、热能 熔化、气化
离子束加工 电、机械能 切蚀
 

等离子弧加工

电、热能 熔化、气化
物料切蚀加工 超声加工 声、机械能 切蚀
磨料流加工 机械能 切蚀
液体喷射加工 机械能 切蚀
 

化学加工

化学铣切加工 化学能 腐蚀
照相制版加工 化学、光能 腐蚀
光刻加工 光、化学能 光化学、腐蚀
光电成形电镀 光、化学能 光化学、腐蚀
刻蚀加工 化学能 腐蚀
粘接 化学能 化学键
爆炸加工 化学能、机械能 爆炸
成形加工 粉末冶金 热能、机械能 热压成形
超塑成形 机械能 超塑性
快速成形 热能、机械能 热熔化成形
 

复合加工

电化学电弧加工 电化学能 熔化、气化腐蚀
电解电火花机械磨削 电、热能 离子转移、熔化、切削
电化学腐蚀加工 电化学能、热能 熔化、气化腐蚀
超声放电加工 声、热、电能 熔化、切蚀
复合电解加工 电化学、机械能 切蚀
复合切削加工 机械、声、磁能 切削

三、 常用的特种加工方法

1、电火花加工

基本原理: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。

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电火花加工机床原理

主要特点:

能加工普通切削加工方法难以切削的材料和复杂形状工件;

加工时无切削力;

不产生毛刺和刀痕沟纹等缺陷;

工具电极材料无须比工件材料硬;

直接使用电能加工,便于实现自动化;

加工后表面产生变质层,在某些应用中须进一步去除;

工作液的净化和加工中产生的烟雾污染处理比较麻烦

使用范围:

加工具有复杂形状的型孔和型腔的模具和零件;

加工各种硬、脆材料如硬质合金和淬火钢等;

加工深细孔、异形孔、深槽、窄缝和切割薄片等;

加工各种成形刀具、样板和螺纹环规等工具和量具。

2、电解加工:

基本原理:基于电解过程中的阳极溶解原理并借助于成型的阴极,将工件按一定形状和尺寸加工成型的一种工艺方法,称为电解加工。

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使用范围:电解加工对于难加工材料、形状复杂或薄壁零件的加工具有显著优势。电解加工

电解加工原理

已获得广泛应用,如炮管膛线,叶片,整体叶轮,模具,异型孔及异型零件,倒角和去毛刺等加工。并且在许多零件的加工中,电解加工工艺已占有重要甚至不可替代的地位。

优点:

加工范围广。电解加工几乎可以加工所有的导电材料,并且不受材料的强度、硬度、韧性等机械、物理性能的限制,加工后材料的金相组织基本上不发生变化。它常用于加工硬质合金、高温合金、淬火钢、不锈钢等难加工材料。生产率高,加工质量好,尤其是表面质量。

可用于加工薄壁和易变形零件。电解加工过程中工具和工件不接触,不存在机械切削力,不产生残余应力和变形,没有飞边毛刺。

工具阴极无损耗。

局限性:

加工精度和加工稳定性不高。

加工成本较高,且批量越小,单件附加成本越高。

3、激光加工:

基本原理:激光加工是利用光的能量经过透镜聚焦后在焦点上达到很高的能量密度,在极小时间内使材料熔化或气化而被蚀除下来,实现加工。

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激光加工原理

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主要特点:激光加工技术具有材料浪费少、在规模化生产中成本效应明显、对加工对象具有很强的适应性等优势特点。在欧洲,对高档汽车车壳与底座、飞机机翼以及航天器机身等特种材料的焊接,基本采用的是激光技术。

使用范围:激光加工作为激光系统最常用的应用,主要技术包括激光焊接、激光切割、表面改性、激光打标、激光钻孔、微加工及光化学沉积、立体光刻、激光刻蚀等。

4、电子束加工:

基本原理:电子束加工是利用高能量的会聚电子束的热效应或电离效应对材料进行的加工。

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主要特点:能量密度高,穿透能力强,一次熔深范围广,焊缝宽比大,焊接速度快,热影响区小,工作变形小。

使用范围:电子束加工的材料范围广,加工面积可以极小;加工精度可以达到纳米级,实现分子或原子加工;生产率高;加工所产生的污染小,但加工设备成本高。可以加工微孔、窄缝等,还可用来进行焊接和细微的光刻。真空电子束焊接桥壳技术是电子束加工在汽车制造业中的主要应用。

5、离子束加工:

基本原理:离子束加工是在真空状态下,将离子源产生的离子流,经加速、聚焦达到工件表面上而实现加工的。

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主要特点:由于离子流密度及离子能量可以精确控制,因而能精确控制加工效果,实现纳米级乃至分子、原子级的超精密加工。离子束加工时所产生的污染小,加工应力变形极小,对被加工材料的适应性强,但加工成本高。

使用范围:离子束加工依其目的可以分为蚀刻及镀膜两种。

1.蚀刻加工:离子蚀刻用于加工陀螺仪空气轴承和动压马达上的沟槽,分辨率高,精度、重复一致性好。离子束蚀刻应用的另一个方面是蚀刻高精度图形,如集成电路、光电器件和光集成器件等征电子学构件。离子束蚀刻还应用于减薄材料,制作穿透式电子显微镜试片。

2.离子束镀膜加工:离子束镀膜加工有溅射沉积和离子镀两种形式。离子镀可镀材料范围广泛,不论金属、非金属表面上均可镀制金属或非金属薄膜,各种合金、化合物、或某些合成材料、半导体材料、高熔点材料亦均可镀覆。离子束镀膜技术可用于镀制润滑膜、耐热膜、耐磨膜、装饰膜和电气膜等。

6、等离子弧加工:

基本原理:等离子弧加工是利用等离子弧的热能对金属或非金属进行切割、焊接和喷涂等的特种加工方法。

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主要特点:

微束等离子弧焊可以焊接箔材和薄板。

具有小孔效应,能较好实现单面焊双面自由成形。

等离子弧能量密度大,弧柱温度高,穿透能力强,10~12mm厚度钢材可不开坡口,能一次焊透双面成形,焊接速度快,生产率高,应力变形小。

设备比较复杂,气体耗量大,只宜于室内焊接。

使用范围:广泛用于工业生产,特别是航空航天等军工和尖端工业技术所用的铜及铜合金、钛及钛合金、合金钢、不锈钢、钼等金属的焊接,如钛合金的导弹壳体,飞机上的一些薄壁容器等。

7、超声加工:

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基本原理:超声加工是利用超声频作小振幅振动的工具,并通过它与工件之间游离于液体中的磨料对被加工表面的捶击作用,使工件材料表面逐步破碎的特种加工,英文简称为 USM。超声加工常用于穿孔、切割、焊接、套料和抛光。

主要特点:可以加工任何材料,特别适用于各种硬、脆的非导电材料的加工,对工件的加工精度高,表面质量好,但生产率低。

使用范围:超声加工主要用于各种硬脆材料,如玻璃、石英、陶瓷、硅、锗、铁氧体、宝石和玉器等的打孔(包括圆孔、异形孔和弯曲孔等)、切割、开槽、套料、雕刻、成批小型零件去毛刺、模具表面抛光和砂轮修整等方面。

8、化学加工:

基本原理:化学加工(chemical etching) 化学加工是利用酸、碱或盐的溶液对工件材料的腐蚀溶解作用,以获得所需形状、尺寸或表面状态的工件的特种加工。

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主要特点:

能加工任意能切削金属材料,不受硬度、强度等性能的限制。

适合大面积加工,并可同时加工多件。

不产生应力、裂纹、毛刺,表面粗糙度达Ra1.25~2.5μm。

操作简便。

不适宜加工对窄狭槽、孔。

不宜消除表面不平、划痕等缺陷

使用范围:

适于大面积厚度减薄加工;

适于在薄壁件上加工复杂型孔

10、快速成型:(3D打印)

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RP技术是在现代CAD/CAM技术、激光技术、计算机数控技术、精密伺服驱动技术以及新材料技术的基础上集成发展起来的。不同种类的快速成型系统因所用成 形材料不同,成形原理和系统特点也各有不同。但是,其基本原理都是一样的,那就是”分层制造,逐层叠加”, 类似于数学上的积分过程。形象地讲,快速成形系统就像是一台”立体打印机”。

基本原理:它可以在无需准备任何模具、刀具和工装卡具的情况下,直接接受产品设计(CAD)数据,快速制造出新产品的样件、模具或模型。因此,RP技术的推广应用可以大大缩短新产品开发周期、降低开发成本、提高开发质量。由传统的”去除法”到今天的”增长法”,由有模制造到无模制造,这就是RP技术对制造业产生的革命性意义。

主要特点:RP技术将一个实体的复杂的三维加工离散成一系列层片的加工,大大降低了加工难度,具有如下特点:

成型全过程的快速性,适合现代激烈的产品市场;

可以制造任意复杂形状的三维实体;

用CAD模型直接驱动,实现设计与制造高度一体化,其直观性和易改性为产品的完美设计提供了优良的设计环境;

成型过程无需专用夹具、模具、刀具,既节省了费用,又缩短了制作周期。

技术的高度集成性,既是现代科学技术发展的必然产物,也是对它们的综合应用,带有鲜明的高新技术特征。

以上特点决定了RP技术主要适合于新产品开发,快速单件及小批量零件制造,复杂形状零件的制造,模具与模型设计与制造,也适合于难加工材料的制造,外形设计检查,装配检验和快速反求工程等。

使用范围:快速成形技术可应用于航空、航天、汽车、通讯、医疗、电子、家电、玩具、军事装备、工业造型(雕刻)、建筑模型、机械行业等领域。

来源:新材料在线

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