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特种加工方法的内容和趋势

[ 来源:'d' | 类别:技术 | 时间:2006-1-13 19:19:49 ] [字体: ]

特种加工方法的内容和趋势
刘雅静
(北京航空航天大学工程训练中心先进制造部)
摘要  进入二十世纪以来,制造技术,特别是先进制造技术不断发展,作为先进制造技术中的重要的一部分,特种加工对制造业的作用日益重要。本文概要描述了什么是特种加工,特种加工的种类、特点、现存问题及发展趋势。
关键词 特种加工 先进制造技术
       进入二十世纪以来,制造技术,特别是先进制造技术不断发展,作为先进制造技术中的重要的一部分,特种加工对制造业的作用日益重要。他解决了传统加工方法所遇到的问题,有着自己独特的特点,已经成为现代工业不可缺少的重要加工方法和手段。
一  什么是特种加工
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。
二  特种加工的特点
       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、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。
三  特种加工的分类
       与其他先进制造技术一样,特种加工正在研究、开发推广和应用之中,具有很好的发展潜力和应用前景。依据加工能量的来源及作用形式列举各种常用的特种加工方法。
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
       电火花加工是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、改变性能或被镀覆的特种加工。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。
       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。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。
       高能束加工是利用能量密度很高的激光束、电子束或离子束等去除工件材料的特种加工方法的总称。其中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。
       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。
       液体喷射加工是利用水或水中加添加剂的液体,经水泵及增压器产生高速液体束流,喷射到工件表面,从而达到去除材料的目的。可加工薄、软的金属及非金属材料,去除腔体零件内部毛刺、使金属表面产生塑性变形。磨料喷射加工适用于去毛刺加工、表面清理、切割加工、雕刻、落料及打孔等。
       化学加工使利用化学溶液与金属产生化学反应,使金属腐蚀溶解,改变工件形状、尺寸的加工方法。用于去除材料表层,以减重;有选择地加工较浅或较深的空腔及凹槽;对板材、片材、成形零件及挤压成形零件进行锥孔加工。
       复合加工是指同时在加工部位上组合两种或两种以上的不同类型能量去除工件材料的特种加工。
四  特种加工存在的问题
       虽然特种加工已解决了传统切削加工难以加工的许多问题,在提高产品质量、生产效率和经济效益上显示出很大的优越性,但目前它还存在不少优待解决的问题。
       1.不少特种加工的机理(如超声、激光等加工)还不十分清楚,其工艺参数选择、加工过程的稳定性均需进一步提高。
       2.有些特种加工(如电化学加工)加工过程中的废渣、废气若排房不当,会产生环境污染,影响工人健康。
       3.有些特种加工(如快速成形、等离子弧加工等)的加工精度及生产率有待提高。
       4.有些特种加工(如激光加工)所需设备投资大、使用维修费高,亦有待进一步解决。
 
五  特种加工的发展趋势
       1.按照系统工程的观点,加大对待特种加工的基本原理、加工机理、工艺规律、加工稳定性等深入研究的力度。同时,充分融合以现代电子技术、计算机技术、信息技术和精密制造技术为基础的高新技术,使加工设备向自动化、柔性化方向发展。
2.从实际出发,大力开发特种加工领域中的新方法,包括微细加工和复合加工,尤其是质量高、效率高、经济型的复合加工,并与适宜的制造模式相匹配,以充分发挥其特点。
3.污染问题是影响和限制有些特种加工应用、发展的严重障碍,必须化大力气利用废气、费液、废渣,向“绿色”加工的方向发展。
可以预见,随着科学技术和现代工业的发展,特种加工必将不断完善和迅速发展,反过来又必将推动科学技术和现代工业的发展,并发挥愈来愈重要的作用。
参考文献
1.孔庆华,特种加工,同济大学出版社,1997
      2.特种加工手册,

·上篇文章:基于PCA的系统故障监测方法及其三相异步电动机仿真研究
·下篇文章:计算机辅助工程(CAE)在精密铸造中的应用
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