關于特種加工技術應用與發展的研究

◆劉 佳

(青島科技大學機械工程學院，青島市技師學院汽車工程學院)

關于特種加工技術應用與發展的研究

◆劉 佳

(青島科技大學機械工程學院，青島市技師學院汽車工程學院)

特種加工在國際上被稱為21世紀的技術，對新型武器裝備的研制和生產，起到舉足輕重的作用。主要介紹了多類特種加工的發展歷程、特點和應用，分析了特種加工的優勢、存在的問題及發展趨勢。

特種加工 類型 特點 發展

隨著科技發展和市場競爭，新產品的更新日益加快，對強度重量比及性能價格比有了較高要求。各種新材料、新結構、形狀復雜的精密零件不斷涌現，對機械制造業提出了一系列棘手問題，對傳統切削工藝也提出了嚴峻的挑戰。像硬質合金、寶石等難加工材料，細長零件、微型機械等特殊零件，結構復雜、尺寸或微小或特大的特殊表面等，傳統切削加工難以解決，甚至無法加工。于是，通過研究高效加工刀具、提高刀具可靠性、開發新型切削液、研制新型自動化機床設備等途徑，改善切削狀態，提高切削加工水平。而外，突破傳統加工的束縛，不斷探索、尋求新的加工方法。因而，特種加工應運而生，并不斷獲得發展。

特種加工又稱“非傳統加工”“非常規機械加工”，是利用電能、光能、熱能、化學能等能量或其組合施加于工件的被加工部分，來實現材料的去除、變形、性能改變等非常規加工方法。

特種加工方法種類繁多，主要體現在：電火花加工、線切割加工、超聲波加工、激光加工、電子束加工、離子束加工等。

一、電火花加工(ElectroDischarge Machining，簡稱EDM)

在一定的介質中(絕緣性的，如煤油)，通過工具與工件電極間的脈沖放電，產生瞬時高溫將金屬蝕除，從而對工件進行加工的方法，可直接利用電能對工件進行加工，又稱放電加工或電蝕加工。

電火花加工可加工傳統切削材料及復雜形狀的工件；無切削力；不產生毛刺、刀痕溝紋等；工具電極材料硬度可比工件材料低；能直接使用電能加工，可實現自動化；加工后表面生成變質層，有時需去除；速度慢，生產率低；電極(工具)消耗大；工作液的凈化和加工中產生的煙霧污染難處理。

在工藝應用中，電火花加工常見形式有：電火花穿孔、成形加工；電火花小孔加工；電火花精密細微加工；電火花磨削等。

二、電火花線切割加工(Wire cut Electrical Discharge Machining，簡稱WEDM)

移動的線狀電極絲利用火花放電，按照預定軌跡對工件進行切割的加工方法，又稱線切割。

線切割除具有電火花加工的共性外，還具有以下特點：節省了成形工具電極的設計、制造費用，縮短了生產周期；電極絲很細，可加工細微異型孔、窄縫及形狀復雜工件；電極絲不斷移動，損耗少，對加工精度影響小；自動化程度高，易實現微機控制，操作方便，勞動強度低；采用水基乳化液，不宜引燃起火，易實現安全無人操作；不能加工盲孔類零件表面和階梯成形表面。

電火花線切割可加工：各種硬質合金和淬硬鋼的沖模、拉絲模、冷拔模、彎曲模等；各類精密型孔、樣板、成型刀具等零件；易引起變形的精密狹槽類零件；各種稀有、貴重金屬和難加工材料；多個相同零件重疊加工，以獲得一致尺寸。

隨著數控技術的應用，3～4軸慢走絲線切割技術為精密零件及模具制造開辟了新的工藝途徑。

三、激光加工(Laser Beam Machining，簡稱LBM)

利用功率密度極高的激光束照射工件待加工處，使材料瞬時熔化或蒸發，并在沖擊波作用下，將熔融物質噴射出去，對工件進行穿孔、蝕刻、切割，或利用較小的能量密度，使加工區域材料熔融粘合，從而對工件進行焊接的加工方法。

激光在加工領域中存有獨特的優勢：非接觸加工，無工具磨損，中途無需更換工具，能量及移動速度可調，可實現多種加工目的；能量密度高，加工速度快，熱影響區小，后續加工量亦少；能加工各類材料，甚至是高硬度、高脆性、高熔點的金屬材料和陶瓷、金剛石類非金屬材料；易于導向、聚焦，能實現各方向的變換，易與數控系統配合來加工復雜零件；易與傳統加工工藝組合，實現自動化和流水作業；效率高，質量可靠，經濟效益好，在節能、環保等方面有很大的優越性。

目前，激光焊接、激光切割、激光打標等多項技術已滲透于汽車、儀器儀表、模具制造等領域，效果良好。此外，激光去重平衡、激光蝕刻等技術的發展業已成熟。在未來發展中，將趨向于數控化和綜合化、小型化和組合化、高頻度和高可靠性加工。

四、電子束加工(Electron Beam Machining簡稱EBM)

真空中，利用電子槍產生的電子經加速、聚焦，形成高能量大密度的細電子束轟擊工件待加工處，使材料熔化、蒸發，以進行加工，或利用電子束照射引發化學變化而進行加工的方法。

電子束加工具有：直徑極小，能微聚焦；能量密度極高，能使被轟擊的材料迅速熔化或汽化；效率高，能量利用率高達90%以上；非接觸式加工，工件不會產生宏觀應力和變形；調整加速電壓、電子束流和匯聚狀態，可調節能量及密度，易實現自動化；真空加工，可防止加工件被氧化，不易產生粉塵；設備復雜、昂貴，生產中受到一定限制；使用高壓電，會產生較強X射線，需采取相應安全措施等特點。

電子束加工主要用于：各種微細孔、型孔、斜孔、彎孔和特殊表面加工；難熔金屬(如Ti、W)、活潑金屬(Be、Nb等)、超合金陶瓷等材料的焊接；陶瓷、半導體材料的精細蝕刻，溝槽和孔的精細加工；金屬鍍層刻制混合電路電阻等。此外，還可切割、熔煉、熱處理等。

五、離子束加工(Ion Beam Machining 簡稱IBM)

真空中，電子槍產生電子束引入已抽成真空且充滿惰性氣體的電離室中，使低壓惰性氣體離子化。負極引出陽離子經加速、集束等，獲得一定速度的離子投射到材料表面，產生濺射效應和注入效應。因離子帶正電荷，質量比電子大數千、萬倍，所以離子束具有更大的撞擊動能，靠微觀機械撞擊來加工。

離子束加工，可精確控制尺寸，精度高；真空加工，污染少，適合加工易氧化的金屬、合金及半導體材料；加工應力小，適合各類材料和低剛度工件加工，質量高；設備昂貴、成本高，實際應用受限。

離子束主要用于改變零件尺寸和表面物理力學性能的刻蝕和鍍膜加工。此外，等離子焊接、真空等離子體噴涂等技術也在不斷地開發、應用中。

六、超聲波加工(Ultrasonic Machining,簡稱USM)

利用超聲振動工具，在磨料液體介質或干磨料中，產生磨料的沖擊、拋磨、液壓沖擊及由此產生的氣蝕去除材料，或給工具或工件沿一定方向施加超聲頻振動進行加工，或利用超聲振動使工件相互結合的加工方法。

超聲波加工具有：磨粒在超聲振動作用下，產生機械撞擊、拋磨及超聲空化綜合作用；切削應力、切削熱小，不會引起工件變形或燒傷；工具可用較軟材料制作，易于制成復雜形狀，可加工形狀復雜的型腔、型孔和成形表面；設備結構簡單，易操作、維護等優勢。此外加工面積不夠大，效率低，表面粗糙度及精度難精確控制；對一些韌性較強金屬，未能取得較好的加工效果，甚至無法加工；所用工具尺寸小，磨料對工具的磨損大，這些對工件的精度、表面粗糙度有很大的影響。

該技術適用于各種硬脆材料，如玻璃、石英等的打孔、切割、開槽等。此外，超聲波焊接、超聲波復合加工等技術也在不斷發展中。

特種加工解決了傳統切削難以加工的許多問題，在提高質量、效率和經濟效益上顯示出較大優勢，但仍存在不少問題：

(1)不少特種加工的機理還不清楚，工藝參數的選擇、加工過程的穩定有待提高.

(2)有些特種加工中所產生的廢渣、廢氣若排放不當，會污染環境，影響工人健康。

(3)有些特種加工的精度及生產率有待提高。

(4)有些特種加工所需設備投資大、使用維修費高。

為了提高技術水平、擴大應用范圍，當前特種加工技術的發展趨向：

(1)采用自動化技術；

(2)精密化研究；

(3)開發新工藝方法及復合工藝；

(4)合理利用廢氣、廢液、廢渣，向“綠色”加工方向發展；

(5)進一步開拓特種加工技術。

可以預見，隨著科學技術和現代工業的發展，特種加工必將不斷完善和迅速發展，反過來又必將推動科學技術和現代工業的發展，并發揮越來越重要的作用。

[1]張俊巍.激光加工設備的構造及應用.遼寧科技大學，2010，(12)：31.

[2]宋威廉.激光加工技術的發展.機械工業出版社，2008.3.

[3]曾智江，朱三根.微細技工技術的研究.高等教育出版社，2007.12.

[4]孟永剛.激光加工技術.國防工業出版社，2008.

[5]余承業.特種加工新技術[M].北京：國防工業出版社，2003.