特種加工技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展方向

1、機(jī)械工程前沿課程論文論文題目 特種加工技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展方向 姓 名 胡翔 學(xué) 號 120110800 院 系 機(jī)電學(xué)院 專 業(yè) 機(jī)械工程 201111.16特種加工技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展方向摘要：結(jié)合特種加工技術(shù)出現(xiàn)的背景和技術(shù)特點，本文綜述了特種加工的分類，簡要介紹了電火花加工、電化學(xué)加工等特種加工技術(shù)的技術(shù)特點和應(yīng)用方向，并展望了特種加工技術(shù)的發(fā)展方向微細(xì)化、復(fù)合化、自動化。關(guān)鍵字：特種加工，技術(shù)特點，發(fā)展方向The Application and Development directions of Special Machining TechnologyAbstract: Combined w

2、ith the background and technical characteristics of special machining technology , the paper reviews the classification of special machining , introduces the technical characteristics and application direction of electrospark discharge machining, electrochemical machining briefly, and looks the pros

3、pects of the special machining technology development directions-micro machining,hybrid,automation.Key words: special machining technology,the technical characteristics,the development derection 1特種加工的產(chǎn)生和發(fā)展從第一次產(chǎn)業(yè)革命到二次世界大戰(zhàn)前，在長達(dá)150年的時間里，人類都單純依靠機(jī)械切削加工零件，用傳統(tǒng)的機(jī)械能和切削力去切除金屬。直到1943年，原蘇聯(lián)的拉扎林柯夫婦偶然發(fā)現(xiàn)電火花的瞬時高溫可使

4、金屬熔化和氣化，由此發(fā)明了電火花加工技術(shù)【1】。這是人類首次擺脫傳統(tǒng)的切削加工，直接利用電能和熱能去除金屬的“特種加工”。二戰(zhàn)之后，特別是進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著機(jī)械加工技術(shù)，材料科學(xué)，高新技術(shù)的發(fā)展和激烈的市場競爭，以及尖端國防及科學(xué)研究的需求，不僅新產(chǎn)品更新?lián)Q代日益加快，而且要求產(chǎn)品具有很高的強度重量比和性能價格比，并朝著高速度，高精度，高可靠性，耐腐蝕性，耐高溫高壓，大功率，尺寸大小兩極化的方向發(fā)展，為此，各種新材料，新結(jié)構(gòu)，形狀復(fù)雜的精密機(jī)械零件大量涌現(xiàn)。對機(jī)械制造業(yè)提出了一系列迫切需要解決的新問題。例如，各種難切削加工材料的加工；各種結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜，尺寸或微小或特大，精密零件的加工；薄壁

5、、彈性元件等特殊零件的加工等。對此，采用傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法很難實現(xiàn)甚至無法實現(xiàn)。為了解決上述問題，人們通常采取以下辦法：一是通過研究高效加工的刀具和刀具材料，自動優(yōu)化切削參數(shù)，提高刀具可靠性和在線刀具監(jiān)控系統(tǒng)，開發(fā)新型切削液，研制新型自動機(jī)床等途徑，進(jìn)一步改善切削狀態(tài)，提高切削加工水平等；二是采用特種加工的方法?？偟膩碚f，特種加工技術(shù)就是借助電能，熱能，聲能，光能，電化學(xué)能，化學(xué)能以及特殊機(jī)械能等多種能量，或?qū)⑵鋸?fù)合施加在工件的被加工部位上，從而實現(xiàn)材料被去除，變形，改變性能或被鍍覆等的非傳統(tǒng)加工方法的的總稱【1】。近年來，特種加工技術(shù)飛速發(fā)展。一方面，計算機(jī)技術(shù)，信息技術(shù)，自動化技術(shù)等在特種

6、加工中已獲得廣泛應(yīng)用，逐步實現(xiàn)了加工工藝及加工過程的系統(tǒng)化集成；另一方面，特種加工能充分體現(xiàn)學(xué)科的綜合性，學(xué)科（聲，光，電，熱，化學(xué)等）和專業(yè)之間不斷滲透、交叉、融合，因此，特種加工技術(shù)本身同樣趨于系統(tǒng)化集成化的發(fā)展方向。這兩方面說明，特種加工技術(shù)已成為先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分。一些發(fā)達(dá)國家也非常重視特種加工技術(shù)的發(fā)展，如日本把特種加工技術(shù)和數(shù)控技術(shù)作為跨世紀(jì)發(fā)展先進(jìn)制造技術(shù)的兩大支柱，特種加工技術(shù)已成為衡量一個國家先進(jìn)制造技術(shù)水平和能力的重要標(biāo)志。2 特種加工的特點概述：特種加工技術(shù)可以加工任何硬度、強度、韌性、脆性的金屬、非金屬材料或復(fù)合材料，而且該方法對于加工復(fù)雜的，微細(xì)的表面和低剛度

7、的零件非常適用，同時有些方法還可以用于進(jìn)行超精密加工、鏡面加工、光整加工以及納米加工等。特種加工技術(shù)特點還在于不僅可以采取單獨的一種加工方法，還可以采用復(fù)合加工方法，以多種加工形式和能量對同一工件進(jìn)行加工，達(dá)到加工目的。與傳統(tǒng)機(jī)械加工比較，特種加工不是主要依靠機(jī)械能，而是主要用其他能量去除金屬材料，在加工過程中工具和工件之間不存在顯著的機(jī)械切削力，這一點就使加工難易與工件的硬度并無關(guān)系。在特種加工中運用多種方式的復(fù)合加工，就可以促使各種有效的加工方法隨意復(fù)合、揚長避短，對于不同加工問題得到解決的新方法，顯現(xiàn)出復(fù)合加工的優(yōu)越性，便于擴(kuò)大應(yīng)用范圍。特種加工的特點具體如下：1) 以柔克剛。因工具與工

8、件不直接接觸，加工時無明顯的強大機(jī)械力的作用力，故加工脆性材料和精密微細(xì)零件、薄壁零件、彈性元件時，工具硬度可低于被加工材料的硬度。2) 用簡單運動加工復(fù)雜型面【2】。特種加工技術(shù)只需要簡單的進(jìn)給運動即可加工出三維復(fù)雜型面。特種加工技術(shù)已成為復(fù)雜型面的主要加工手段。3) 不受材料硬度限制。因為特種加工技術(shù)主要不依靠機(jī)械力和機(jī)械能切除材料，而是直接用電、熱、光、聲、化學(xué)和電化學(xué)能去除金屬和非金屬材料。它們能瞬時能量密度高，可以直接有效地利用各種能量，造成瞬時或局部熔化，以強力、高速爆炸、沖擊去除材料。其加工性能與工件材料的強度或硬度力學(xué)性能無關(guān)，故可以加工各種超硬超強材料、高脆性和熱敏性材料以及

9、特殊的金屬和非金屬材料，因此，特別適用于航空航天產(chǎn)品結(jié)構(gòu)材料的加工。4) 可以獲得優(yōu)質(zhì)的表面質(zhì)量。由于在特種加工過程中，工件表面不產(chǎn)生強烈的彈、塑性變形，故有些特種加工方法可獲得良好的表面粗糙度。熱應(yīng)力、殘余應(yīng)力、冷作硬化、熱影響區(qū)及毛刺等表面缺陷比機(jī)械切削表面小。5) 各種加工方法可以任意復(fù)合，揚長避短，形成新的工藝方法，更突出其優(yōu)越性，便于擴(kuò)大應(yīng)用范圍。3 特種加工技術(shù)的分類【3】現(xiàn)簡要介紹幾種經(jīng)典的現(xiàn)代特種加工技術(shù)：1) 電火花加工（electrospark discharge machining，EDM）【4】電火花加工是一種電加熱加工過程。它將工具電極和工件至于絕緣的工作液中，工件和

10、工具分別接直流電源的正極和負(fù)極，加上電壓，因電極之間的放電效應(yīng)，產(chǎn)生火花放電對金屬產(chǎn)生腐蝕來進(jìn)行加工。目前電火花加工已廣泛應(yīng)用于模具制造、航天航空、電子、電機(jī)電器、精密機(jī)械、儀器儀表、汽車、輕工業(yè)等行業(yè)，以解決難加工材料及復(fù)雜形狀零件的加工問題，加工范圍已達(dá)到小到幾微米的小孔、軸、縫，大到幾米的超大型模具和零件【5】。 2) 電解加工（electrochemical machining，ECM）電解加工屬于電化學(xué)加工范疇，它是利用金屬在電解液中發(fā)生“陽極溶解”的原理，將零件加工成形。加工時，工件接直流電源的陽極，按要求形狀制成的工具接陰極，具有一定壓力的電解液從兩極間隙中迅速流過，于是工件表面

11、的金屬按工具陰極的形狀迅速溶解，并隨即被高速的電解液沖走。這種加工方法沒有機(jī)械加工中的切削力和切削熱的作用，也沒有電火花加工中的熱影響。電解加工在航天航空業(yè)的發(fā)動機(jī)新結(jié)構(gòu)、新材料構(gòu)件中被廣泛利用，如鈦合金零件、高溫渦輪深細(xì)冷卻孔、整體渦輪及葉輪，以及大型環(huán)形殼體件的內(nèi)外旋轉(zhuǎn)表面、中小型支撐件、盤形件腹板、特形孔等。3) 超聲波加工（ultrasonic machining，USM）超聲波加工是利用工具端面作超聲振動，通過工具與工件之間的磨料懸浮液的作用而進(jìn)行的一種加工。在加工過程中產(chǎn)生三種作用：1、機(jī)械撞擊和拋磨作用；2、空化作用；3、液壓沖擊波的脹裂作用【6】。其中以磨料的機(jī)械撞擊和拋磨作用

12、為主，使用不同的工具端部形狀，就能制造出各種形狀的工件。超聲波加工主要是用于各種硬脆材料，如玻璃、石英、陶瓷、金剛和硬質(zhì)合金等，可以加工出各種形狀的型孔、型腔及成型表面，加工精度高，表面粗糙度低。由于工具壓力較低，提高了工具頭工作端的直線度，為此適用于加工薄壁、窄縫及低剛度等工件【7】。4) 激光加工（laser beam machining，LBM） 激光加工是一種重要的高能束流加工方法。激光具有高亮度、方向性好、單色性好和高相干性，因此，在聚集點上的尺寸理論上可以達(dá)到與光波尺寸相近。激光加工就是利用材料在激光聚焦襯下瞬時急劇融化和氣化，并產(chǎn)生很強的沖擊波，使被融化的物質(zhì)爆炸式地噴濺來實現(xiàn)材

13、料的去除。 目前激光加工幾乎可對所有的金屬和非金屬進(jìn)行加工，因此激光加工應(yīng)用范圍廣泛。5) 電子束加工（electron beam machining，EBM） 電子束加工是在真空條件下，利用電子槍中產(chǎn)生的電子經(jīng)加速、聚焦，形成高能量密度的極細(xì)束流，以極高的速度轟擊工件被加工部位。由于其能量大部分轉(zhuǎn)化為熱能而導(dǎo)致該部位的材料在極短的時間內(nèi)達(dá)到幾千攝氏度以上的高溫，從而引起該處的材料熔化或氣化。 電子束加工主要應(yīng)用于航天航空業(yè)中的飛機(jī)主承力框、起落架、各類機(jī)匣的加工，應(yīng)用前景廣闊。6 特種加工對機(jī)械加工工藝變革的體現(xiàn)1. 特種加工實現(xiàn)了控制技術(shù)的創(chuàng)新，改變了傳統(tǒng)手工控制的局面。傳統(tǒng)機(jī)械加工的控制

14、技術(shù)主要是通過手動控制掌握加工精度，這樣加工質(zhì)量很大程度上取決于操作人員的經(jīng)驗和操作技巧。然而特種加工技術(shù)的出現(xiàn)，便以嶄新的自動控制技術(shù)取代了傳統(tǒng)手動控制，這標(biāo)志著全面革新了傳統(tǒng)機(jī)械加工工藝。2. 特種加工提高了可加工材料的范圍，材料的可加工性不再與材料的硬度、強度、韌性、脆性等成直接的正比或者反比關(guān)系，特種加工方法是機(jī)械加工工藝的可加工的材料范圍從普通材料發(fā)展到硬材料和特殊材料，使得對于任何材料的加工都成為可能【10】。3. 特種加工技術(shù)已經(jīng)成為了細(xì)微加工、納米加工的主要手段。目前，制造技術(shù)前沿逐漸轉(zhuǎn)向細(xì)小精微，納米亞納米以及納米級制造成為制造業(yè)融入高技術(shù)的切入點。而電子束、離子束、激光、電

15、火花、電化學(xué)等電物理、電化學(xué)特種加工技術(shù)，正是近年來快速發(fā)展的細(xì)微和納米加工的主要手段，也就是說特種加工已經(jīng)成為了先進(jìn)制造技術(shù)的主要特征之一【11】。4. 特種加工還對設(shè)計思路產(chǎn)生了影響。特種加工能是加工材料范圍有所擴(kuò)展，解決了各種復(fù)雜表面、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的加工問題，使設(shè)計者的思維得到了更加活躍的發(fā)展空間，進(jìn)一步使得在產(chǎn)品的設(shè)計中考慮的零件材料、零件結(jié)構(gòu)、制造工藝等方法有了更加廣闊的選擇空間。7 現(xiàn)代特種加工技術(shù)的發(fā)展方向l 廣泛采用自動化技術(shù)。充分利用計算機(jī)技術(shù)對特種加工設(shè)備的控制系統(tǒng)、電源系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，建立綜合參數(shù)自適應(yīng)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫等，進(jìn)而建立特種加工的CAD/CAM和PMS系統(tǒng)，這就是當(dāng)前特種

16、加工技術(shù)的主要發(fā)展趨勢。l 擴(kuò)展特種加工概念的范疇。特種加工除了包含去除、結(jié)合和變形等加工和處理外，還應(yīng)包含近年來發(fā)展起來的快速成形制造技術(shù)，這對制造技術(shù)的發(fā)展有著重要意義。l 特種加工技術(shù)正在向工程化和產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展。對大功率、高可靠性、多功能、智能化加工設(shè)備的研發(fā)是今后的重點。l 著力開展精密化研究。隨著高科技時代的到來，超精密加工技術(shù)的發(fā)展更加迅猛，正向著亞微米級和納米級邁進(jìn)。為適應(yīng)這一趨勢的需要，大力開發(fā)用于超精密加工的精密化特種加工技術(shù)史今后重要的發(fā)展方向。l 開發(fā)和應(yīng)用復(fù)合工藝和新工藝。為適應(yīng)尖端產(chǎn)品的高技術(shù)性能要求及新型材料的加工需求，需要不斷開發(fā)應(yīng)用新型特種加工和現(xiàn)有特種加工技

17、術(shù)的復(fù)合工藝。由于復(fù)合工藝可以揚長避短，取得明顯的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果，故受到普片關(guān)注。8 關(guān)于國內(nèi)特種加工技術(shù)的狀況和展望近年來隨著特種加工技術(shù)在現(xiàn)代制造技術(shù)中的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，國家很重視特種加工行業(yè)發(fā)展，我國的特種加工機(jī)床擁有量較高，也具有很大的生產(chǎn)規(guī)模，但在高端機(jī)床裝備方面，與發(fā)達(dá)國家還有明顯的差距，在加工精度、加工質(zhì)量以及自動化程度等方面都有很大的提升空間。我相信，隨著國家863計劃項目和科技重大專項的大力支持，通過科研機(jī)構(gòu)與企業(yè)的共同努力，我國的特種加工技術(shù)和裝備水平將會與國外先進(jìn)水平之間的差距越來越小。參考文獻(xiàn)：【1】 機(jī)械工程師2008（11）期/特種加工.【2】 趙萬生.特種加工技術(shù).

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