1、特种加工技术与装备简介1.特 种 加 工特 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
2、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
3、 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
4、来 越 广 泛 的 应 用 。2.发 展 方 向特 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 。3.常 见 特 种 加 工 方 法 简 介1电 火 花利 用 电 火 花 加 工 原 理 加 工 导 电 材 料 的 特 种 加 工 。 又 称 电 蚀 加 工 。 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
5、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 。 其 加工 特 点 有 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
6、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；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。电火花加工的主要用途是：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激光加工技术激光加工技术是利用激光束与物质相互作用的特性，对材料（包括金属与非金属）进行切割、焊接、表面处理、打孔及微加工等的一门加工技术。激光加工作为先进制造技术已广泛应用于汽车、电子、电器、航空、冶金、机械制造等国民经济重要部门，对提高产品质量
7、、劳动生产率、自动化、无污染、减少材料消耗等起到愈来愈重要的作用。工作原理：激光加工利用高功率密度的激光束照射工件,使材料熔化气化而进行穿孔,切割和焊接等的特种加工。早期的激光加工由于功率较小，大多用于打小孔和微型焊接。 到 20世纪 70 年代，随着大功率二氧化碳激光器、高重复频率钇铝石榴石激光器的出现，以及对激光加工机理和工艺的深入研究，激光加工技术有了很大进展，使用范围随之扩大。数千瓦的激光加工机已用于各种材料的高速切割、深熔焊接和材料热处理等方面。各种专用的激光加工设备竞相出现，并与光电跟踪、计算机数字控制、工业机器人等技术相结合，大大提高了激光加工机的自动化水平和使用功能。从激光器输
8、出的高强度激光经过透镜聚焦到工件上，其焦点处的功率密度高达 10(10(瓦/厘米(，温度高达 1 万摄氏度以上，任何材料都会瞬时熔化、气化。激光加工就是利用这种光能的热效应对材料进行焊接、打孔和切割等加工的。通常用于加工的激光器主要是固体激光器和气体激光器。3电 子 束 加 工 技 术 ：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 。利用电子束的热效应可以对材料进行表面热处理、焊接、刻蚀、钻孔、熔炼，或直接使材料升华。电子束曝光则是一种利用电子束辐射效应的加工方法（见电子束与离子束微细加工）。作为加热工
9、具，电子束的特点是功率高和功率密度大，能在瞬间把能量传给工件，电子束的参数和位置可以精确和迅速地调节，能用计算机控制并在无污染的真空中进行加工。根据电子束功率密度和电子束与材料作用时间的不同，可以完成各种不同的加工。如： 电子束焊接：电子束功率密度达 105106 瓦/平方厘米时，电子束轰击处的材料即局部熔化；当电子束相对工件移动,熔化的金属即不断固化,利用这个现象可以进行材料的焊接。电子束焊具有深熔的特点，焊缝的深宽比可达 20:1 甚至 50:1。这是因为当电子束功率密度较大时，电子束给予焊接区的功率远大于从焊接区导走的功率。利用电子束焊的这一特点可实现多种特殊焊接方式。利用电子束几乎可以
10、焊接任何材料，包括难熔金属(W、Mo、Ta、Nb)、活泼金属（Be、Ti、Zr、U）、超合金和陶瓷等。此外，电子束焊接的焊缝位置精确可控、焊接质量高、速度快，在核、航空、火箭、电子、汽车等工业中可用作精密焊接。在重工业中，电子束焊机的功率已达 100 千瓦，可平焊厚度为200 毫米的不锈钢板。对大工件焊接时须采用大体积真空室，或在焊接处形成可移动的局部真空。电子束钻孔：用聚焦方法得到很细的、功率密度为 106108 瓦/厘米的电子束周期地轰击材料表面的固定点，适当控制电子束轰击时间和休止时间的比例，可使被轰击处的材料迅速蒸发而避免周围材料的熔化，这样就可以实现电子束刻蚀、钻孔或切割。同电子束焊
11、接相比,电了束刻蚀、钻孔、切割所用的电子束功率密度更大而作用时间较短。电子束可在厚度为 0.16 毫米的任何材料的薄片上钻直径为 1 至几百微米的孔，能获得很大的深度孔径比，例如在厚度为 0.3 毫米的宝石轴承上钻直径为 25 微米的孔。电子束还适合在薄片（例如燃气轮机叶片）上高速大量地钻孔。电子束熔炼：电子束熔炼法发明于 1907 年，但直到 50 年代才用于熔炼难熔金属，后来又用于熔炼活泼金属（如 Ti 锭）和高级合金钢。电子束加热可使材料在真空中维持熔化状态并保持很长时间，实现材料的去气和杂质的选择性蒸发，可用来制备高纯材料。电子束加热是电能转为热能的有效方式之一，大约有 50%功率用于
12、熔化和维持液化。功率在 60千瓦以下的电子束熔炼机可用直热式钨丝作为电子枪的阴极。60 千瓦以上熔炼机的电子枪则用间热式块状钽阴极，它由背后的钨丝所发射的电子轰击加热到 2700K，可有每平方厘米为几安的发射电流密度。电子枪加速电压约 30 千伏，这样容易防止电击穿和减弱 X 射线辐射，电子束用磁聚焦和磁偏转。电子枪和熔炼室用不同的真空泵抽气，真空度分别维持在 10 和 10 帕左右。80 年代已生产出 600 千瓦级的电子枪。如需更大功率，可用几支电子枪同时工作。利用电子束加热可铸造 100 吨的坯料。4等 离 子 束 及 等 离 子 体 加 工 技 术 ：表 面 功 能 涂 层 具 有 高
13、 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 体 的 分 类有 多 种 方 法 ， 但 在 工 业 上 用 的
14、 等 离 子 体 通 常 按 温 度 分 类 见 表 11， 用 的 较 多 的 是 非平 衡 等 离 子 体 和 热 能 离 子 体 中 的 低 温 等 离 子 体 。 一 般 情 况 下 ， 低 温 热 等 离 子 体 比 非 平 衡的 等 离 子 体 的 压 力 高 。 实 际 上 ， 也 正 是 它 们 的 工 作 压 力 不 同 ， 使 它 们 的 作 用 机 理 发 生 了变 化 。 低 气 压 时 ， 粒 子 间 的 碰 撞 频 率 较 低 ， 主 要 作 用 是 带 电 粒 子 与 被 处 理 材 料 之 间 发 生的 物 理 过 程 。 随 着 压 力 的 增 加 ， 碰 撞
15、 次 数 增 加 ， 化 学 过 程 开 始 充 当 主 要 角 色 。 当 压 力 进一 步 增 加 达 到 1105Pa 左 右 时 ， 等 离 子 体 变 得 更 象 一 个 热 源 ， 很 多 场 合 代 替 了 燃 烧 。此 时 ， 离 子 与 电 子 的 温 度 趋 于 大 致 接 近 ， 其 密 度 比 非 平 衡 类 型 的 等 离 子 体 要 高 。5超 声 波 加 工 技 术 ：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
16、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
17、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 。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。其原理图为
