面向金屬材料快速制造的特種加工技術

陳志堅

（湖南工業職業技術學院，湖南 長沙 410013）

一直以來，特種加工需要借助物理、化學能量去除或者添加某種材料，實現加工目標。但隨著各領域對零件質量、生產效率要求更高，以往特種加工技術已經無法滿足實踐生產需求。而以快速成型技術等為基礎的全新特種加工技術，能夠突破傳統加工存在的不足，且能夠推動加工企業戰略重點由質量轉向速度，能夠快速響應市場需求，以此來提高企業經營效益。特種加工是20世紀開始迅速發展起來的新加工方式，被稱為非傳統加工或者現代加工方法。特種加工一般指通過電、熱、光、電化學、化學、聲等能量或者是特殊機械能等，達到形成任意目的形態的加工。它有時也結合機械能加工金屬零件，將金屬材料加工成任意需要的形狀。特種加工方式與傳統的成型加工方式不同，不直接使用傳統器械刀具、磨頭等直接利用機械能加工材料的方法。

1 不同類型的特種加工方法概述

特種加工工藝的微觀物理過程是十分復雜的，往往是涉及到電磁學、力學、電化學等諸多領域，由于這些加工方法的加工機理以溶解、熔 化、氣化、剝離為主， 且多數為非接觸加工， 因此，對于高硬度、高韌性的金屬材料，和復雜形面、低剛度金屬零件是傳統方法無法替代的加工技術， 也是對傳統機械加工方法的有力延伸， 從而成為機械制造領域中不可缺少的技術內容。目前， 這一技術正向著自動化、柔性化、精密化、集成化、智能化和最優化方向發展， 在已有的工藝不斷完善和定型的同時，新的特種加工技術也在不斷涌現。

目前，特種加工普遍運用以柔克剛非接觸式加工機制，伴隨著化學過程，運用確定的數學模型描述，而隨著加工過程開展，加工條件會隨之發生變化。因此從控制理論來看，無法運用經典控制方法，取得理想結果。長久以來，人們通過自適應控制策略控制加工條件，在很大程度上提高了產品性能，且能夠延長產品使用壽命。最近幾年，學者將注意力投入到模糊控制等方面，在高檔機床上應用范圍較廣。在具體生產中，該項技術能夠自動選擇最優參數，實現對加工全過程的監督和控制，技術發現不合理之處，并予以調整，確保生產實現自動化、最優化目標。此外，由于采用的控制策略是對人類活動的智能模仿，能夠在一定程度上允許不確定性等情況的存在，預測可能出現的結果，做到防患于未然，最大限度上提高生產質量。

表1 幾種不同類型的特種加工技術

1.1 特種加工工藝建模

特種加工的過程是非常復雜的，不同背景下的金屬材料加工方式涉及到例如電學、熱學或者化學等多個領域，其加工原理相對于傳統加工方式難度很大，無法通過單一的原理或者公式解釋或實現。隨著科學技術不斷發展，技術研究者們結合不同應用場景、不同材料深入研究特種加工技術的建模概念，在不同類型的人工智能技術的支持下，通過建模的方式詳細清晰的描述特種加工的整個過程。通過建立的模型[1]，技術人員可以實現對加工條件的精度、效率等進行模擬實驗驗證，從而判斷實際生產成果來指導實際生產加工過程中可能會出現的問題。

1.2 智能控制特種加工

智能控制特種加工。從特種加工的概念及方式方法誕生以來，技術人員一般運用加工原理，例如利用金屬材料的化學性質，運用詳細的模型、再通過加工開展實現金屬材料的加工。因此從控制理論來看，無法運用經典控制方法，取得理想結果。長久以來，人們通過自適應控制策略控制加工條件，在很大程度上提高了產品性能，且能夠延長產品使用壽命。近些年來研究人眼將注意力投入到模糊控制等技術方面并在精密機械上的應用范圍十分廣泛。該項技術能夠自動捕捉到最佳數據，從而實現對整個金屬材料加工過程的控制，并對于出現金屬材料加工過程中的不合理、錯誤之處隨時監控和掌握；同時結合人工智能以及大數據分析的原理預判處可能出現的多種結果，從而為生產設計提供防思路，最大限度上提高生產質量[2]。

圖1 特種加工工藝構建

1.3 新型特種加工技術

新型特種加工技術。從上個世紀開始，伴隨著機械、工業、等新興產業的發展高效特種加工技術呈現多樣化發展，對整個金屬材料制造業實現快速制造的進程產生了重要影響。

磁力研磨技術——該項技術能夠運用磁場作用，實現金屬零件表面的復雜曲面的研磨拋光處理。在加工過程中，它能夠嚴格控制零件與器械之間能夠保持最佳距離，從而提高產品生產效率，如圖2所示。在實踐中能夠實現自動拋光，且生產成本較低。當前，針對技術運用機理的研究，技術人員進行了磁場強度、磨料力度等關鍵因素之間的作用關系，以此來尋找生產條件的規律和影響生產環節的關鍵要素、再通過調整不同要素的關鍵參數，從而提高生產效率。

圖2 特種加工設備結構

除此之外，還有很多特種加工技術，如鏡面加工技術，利用火花工作液，適當加入導電粉末后，增強放電間隙，使得放電點能夠分散，完成加工目標。

如美國、日本科技公司開發成功的超聲波加工技術等。但由于目前尚且缺乏行業的統一技術標準，使得產品加工平整度不高，還要加大整個加工的研究發深入完善，以此來提高相關零件加工質量的穩定性[3]。

2 特種制造技術在快速制造領域的發展趨勢

隨著目前工業應用場景的復雜化，多種技術疊加的多樣化，當前特種加工技術的發展趨勢在應對快速制造時將會呈現多樣的發展趨勢。

采用自動化技術。隨著工業4.0概念的提出，工業自動化的進程大舉邁進，二特種加工工藝也要結合自動化技術的概念，實現零部件高效率的加工和提升，通過對特種加工的基本原理等不同維度的深入研究，建立起能夠適用于快速制造的大批量金屬零件生產，可以實現降低勞動成本、增加經濟效益，這是當前特種加工技術的發展方向之一。

趨向精密化研究。快速制造的要求不僅僅是要滿足應對零件的大批量生產，更要求每件零件生產質量的均一性穩定。很多高新技術性企業的發展來看，其生產的技術產品向趨向于超精密化小型化，因此該行業對于設備金屬零件的精度等要求十分苛刻。特種加工工藝要適應該趨勢的精密化研究[4]已經引起了科學技術人員的重視。開發用于超級精密零件的的特種加工技術已經是目前重要的發展方向之一。

污染問題是目前限制部分特種加工工藝發展的重要阻礙。例如在快速制造的實際生產過程中產生的廢渣會產生環境污染，影響企業員工的身心健康。發揮綠色工業，探究出綠色環保的特種[5]加工工藝同樣是大勢所趨。

進一步開拓特種加工技術。利用不同能量場的同時及相互作用，實現材料同時進行復合加工技術，如超聲電火花加工工藝等，需要不提升和發展。隨著目前現代工業化的提升和進步，特種加工也將會不斷迅速發展，促進工業和經濟的良性循環，并發揮越來越重要的關鍵作用。

3 結語

特種加工技術的地位越來越重要，其發展和完善對需要利用快速制造實現大規模生產的不同行業形成起著非常重要的作用。但是由于面對不斷推陳出新的技術發展情況來看，即使是已經實現一些精密金屬零件的特種加工方式還無法快速適用于快速制造；因此結合現在已有的特種加工技術基礎，繼續深入研究和挖掘能夠適用于快速制造的新型特種加工技術，不僅要在研究其工藝特性的同時，通過不斷研究和挖掘實現面向快速制造的特種加工工藝技術體系，這對于提高我國整體金屬材料制造技術水平，持續發揮經濟效益和提升科技實力具有重要意義。