◆劉 佳

(青島科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，青島市技師學(xué)院汽車工程學(xué)院)

關(guān)于特種加工技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展的研究

◆劉 佳

(青島科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，青島市技師學(xué)院汽車工程學(xué)院)

特種加工在國際上被稱為21世紀(jì)的技術(shù)，對(duì)新型武器裝備的研制和生產(chǎn)，起到舉足輕重的作用。主要介紹了多類特種加工的發(fā)展歷程、特點(diǎn)和應(yīng)用，分析了特種加工的優(yōu)勢(shì)、存在的問題及發(fā)展趨勢(shì)。

特種加工 類型 特點(diǎn) 發(fā)展

隨著科技發(fā)展和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，新產(chǎn)品的更新日益加快，對(duì)強(qiáng)度重量比及性能價(jià)格比有了較高要求。各種新材料、新結(jié)構(gòu)、形狀復(fù)雜的精密零件不斷涌現(xiàn)，對(duì)機(jī)械制造業(yè)提出了一系列棘手問題，對(duì)傳統(tǒng)切削工藝也提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。像硬質(zhì)合金、寶石等難加工材料，細(xì)長(zhǎng)零件、微型機(jī)械等特殊零件，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸或微小或特大的特殊表面等，傳統(tǒng)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(fā)新型切削液、研制新型自動(dòng)化機(jī)床設(shè)備等途徑，改善切削狀態(tài)，提高切削加工水平。而外，突破傳統(tǒng)加工的束縛，不斷探索、尋求新的加工方法。因而，特種加工應(yīng)運(yùn)而生，并不斷獲得發(fā)展。

特種加工又稱“非傳統(tǒng)加工”“非常規(guī)機(jī)械加工”，是利用電能、光能、熱能、化學(xué)能等能量或其組合施加于工件的被加工部分，來實(shí)現(xiàn)材料的去除、變形、性能改變等非常規(guī)加工方法。

特種加工方法種類繁多，主要體現(xiàn)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(jiǎn)稱EDM)

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

電火花加工可加工傳統(tǒng)切削材料及復(fù)雜形狀的工件；無切削力；不產(chǎn)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)化；加工后表面生成變質(zhì)層，有時(shí)需去除；速度慢，生產(chǎn)率低；電極(工具)消耗大；工作液的凈化和加工中產(chǎn)生的煙霧污染難處理。

在工藝應(yīng)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(xì)微加工；電火花磨削等。

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

移動(dòng)的線狀電極絲利用火花放電，按照預(yù)定軌跡對(duì)工件進(jìn)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(diǎn)：節(jié)省了成形工具電極的設(shè)計(jì)、制造費(fèi)用，縮短了生產(chǎn)周期；電極絲很細(xì)，可加工細(xì)微異型孔、窄縫及形狀復(fù)雜工件；電極絲不斷移動(dòng)，損耗少，對(duì)加工精度影響小；自動(dòng)化程度高，易實(shí)現(xiàn)微機(jī)控制，操作方便，勞動(dòng)強(qiáng)度低；采用水基乳化液，不宜引燃起火，易實(shí)現(xiàn)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(zhì)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(gè)相同零件重疊加工，以獲得一致尺寸。

隨著數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用，3～4軸慢走絲線切割技術(shù)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(jiǎn)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(shí)熔化或蒸發(fā)，并在沖擊波作用下，將熔融物質(zhì)噴射出去，對(duì)工件進(jìn)行穿孔、蝕刻、切割，或利用較小的能量密度，使加工區(qū)域材料熔融粘合，從而對(duì)工件進(jìn)行焊接的加工方法。

激光在加工領(lǐng)域中存有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：非接觸加工，無工具磨損，中途無需更換工具，能量及移動(dòng)速度可調(diào)，可實(shí)現(xiàn)多種加工目的；能量密度高，加工速度快，熱影響區(qū)小，后續(xù)加工量亦少；能加工各類材料，甚至是高硬度、高脆性、高熔點(diǎn)的金屬材料和陶瓷、金剛石類非金屬材料；易于導(dǎo)向、聚焦，能實(shí)現(xiàn)各方向的變換，易與數(shù)控系統(tǒng)配合來加工復(fù)雜零件；易與傳統(tǒng)加工工藝組合，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和流水作業(yè)；效率高，質(zhì)量可靠，經(jīng)濟(jì)效益好，在節(jié)能、環(huán)保等方面有很大的優(yōu)越性。

目前，激光焊接、激光切割、激光打標(biāo)等多項(xiàng)技術(shù)已滲透于汽車、儀器儀表、模具制造等領(lǐng)域，效果良好。此外，激光去重平衡、激光蝕刻等技術(shù)的發(fā)展業(yè)已成熟。在未來發(fā)展中，將趨向于數(shù)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(jiǎn)稱EBM)

真空中，利用電子槍產(chǎn)生的電子經(jīng)加速、聚焦，形成高能量大密度的細(xì)電子束轟擊工件待加工處，使材料熔化、蒸發(fā)，以進(jìn)行加工，或利用電子束照射引發(fā)化學(xué)變化而進(jìn)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(dá)90%以上；非接觸式加工，工件不會(huì)產(chǎn)生宏觀應(yīng)力和變形；調(diào)整加速電壓、電子束流和匯聚狀態(tài)，可調(diào)節(jié)能量及密度，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化；真空加工，可防止加工件被氧化，不易產(chǎn)生粉塵；設(shè)備復(fù)雜、昂貴，生產(chǎn)中受到一定限制；使用高壓電，會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)X射線，需采取相應(yīng)安全措施等特點(diǎn)。

電子束加工主要用于：各種微細(xì)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(dǎo)體材料的精細(xì)蝕刻，溝槽和孔的精細(xì)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(jiǎn)稱IBM)

真空中，電子槍產(chǎn)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(fù)極引出陽離子經(jīng)加速、集束等，獲得一定速度的離子投射到材料表面，產(chǎn)生濺射效應(yīng)和注入效應(yīng)。因離子帶正電荷，質(zhì)量比電子大數(shù)千、萬倍，所以離子束具有更大的撞擊動(dòng)能，靠微觀機(jī)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(dǎo)體材料；加工應(yīng)力小，適合各類材料和低剛度工件加工，質(zhì)量高；設(shè)備昂貴、成本高，實(shí)際應(yīng)用受限。

離子束主要用于改變零件尺寸和表面物理力學(xué)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(shù)也在不斷地開發(fā)、應(yīng)用中。

六、超聲波加工(Ultrasonic Machining,簡(jiǎn)稱USM)

利用超聲振動(dòng)工具，在磨料液體介質(zhì)或干磨料中，產(chǎn)生磨料的沖擊、拋磨、液壓沖擊及由此產(chǎn)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(dòng)進(jìn)行加工，或利用超聲振動(dòng)使工件相互結(jié)合的加工方法。

超聲波加工具有：磨粒在超聲振動(dòng)作用下，產(chǎn)生機(jī)械撞擊、拋磨及超聲空化綜合作用；切削應(yīng)力、切削熱小，不會(huì)引起工件變形或燒傷；工具可用較軟材料制作，易于制成復(fù)雜形狀，可加工形狀復(fù)雜的型腔、型孔和成形表面；設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易操作、維護(hù)等優(yōu)勢(shì)。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(duì)一些韌性較強(qiáng)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(duì)工具的磨損大，這些對(duì)工件的精度、表面粗糙度有很大的影響。

該技術(shù)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(fù)合加工等技術(shù)也在不斷發(fā)展中。

特種加工解決了傳統(tǒng)切削難以加工的許多問題，在提高質(zhì)量、效率和經(jīng)濟(jì)效益上顯示出較大優(yōu)勢(shì)，但仍存在不少問題：

(1)不少特種加工的機(jī)理還不清楚，工藝參數(shù)的選擇、加工過程的穩(wěn)定有待提高.

(2)有些特種加工中所產(chǎn)生的廢渣、廢氣若排放不當(dāng)，會(huì)污染環(huán)境，影響工人健康。

(3)有些特種加工的精度及生產(chǎn)率有待提高。

(4)有些特種加工所需設(shè)備投資大、使用維修費(fèi)高。

為了提高技術(shù)水平、擴(kuò)大應(yīng)用范圍，當(dāng)前特種加工技術(shù)的發(fā)展趨向：

(1)采用自動(dòng)化技術(shù)；

(2)精密化研究；

(3)開發(fā)新工藝方法及復(fù)合工藝；

(4)合理利用廢氣、廢液、廢渣，向“綠色”加工方向發(fā)展；

(5)進(jìn)一步開拓特種加工技術(shù)。

可以預(yù)見，隨著科學(xué)技術(shù)和現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，特種加工必將不斷完善和迅速發(fā)展，反過來又必將推動(dòng)科學(xué)技術(shù)和現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，并發(fā)揮越來越重要的作用。

[1]張俊巍.激光加工設(shè)備的構(gòu)造及應(yīng)用.遼寧科技大學(xué)，2010，(12)：31.

[2]宋威廉.激光加工技術(shù)的發(fā)展.機(jī)械工業(yè)出版社，2008.3.

[3]曾智江，朱三根.微細(xì)技工技術(shù)的研究.高等教育出版社，2007.12.

[4]孟永剛.激光加工技術(shù).國防工業(yè)出版社，2008.

[5]余承業(yè).特種加工新技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2003.